EP1756806A1 - Procede de quantification d'un codeur de parole a tres bas debit - Google Patents

Procede de quantification d'un codeur de parole a tres bas debit

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EP1756806A1 EP05733605A EP05733605A EP1756806A1 EP 1756806 A1 EP1756806 A1 EP 1756806A1 EP 05733605 A EP05733605 A EP 05733605A EP 05733605 A EP05733605 A EP 05733605A EP 1756806 A1 EP1756806 A1 EP 1756806A1
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Definitions

  • the classification information is therefore available at the level of the decoder without additional cost in terms of bit rate.
  • dictionaries are optimized.
  • the method defines for example 6 classes of voicing over a horizon of 2 elementary frames.
  • the classification is for example determined using the information on the sequence in terms of voicing existing on a sub-multiple of N consecutive elementary frames, for example on 2 consecutive elementary frames. Each super frame is thus represented on 2 classes of voicing.
  • the 6 classes of voicing thus defined are for example:

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Description

PROCEDE DE QUANTIFICATION D'UN CODEUR DE PAROLE A TRES BAS DEBIT L'invention concerne un procédé de codage de la parole. Elle s'applique notamment à la réalisation de vocodeurs à très bas débit, de l'ordre de 600 bits par seconde. Elle est utilisée par exemple pour le codeur MELP, (codeur à excitation mixte en anglo-saxon Mixed Excitation Linear Prédiction), décrit par exemple dans l'une des références [1 ,2,3,4]. Le procédé est par exemple mis en œuvre dans les communications par satellite, la téléphonie sur internet, les répondeurs statiques, les pageurs vocaux, etc. L'objectif de ces vocodeurs est de reconstruire un signal qui soit le plus proche possible, au sens de la perception par l'oreille humaine, du signal de parole d'origine, en utilisant un débit binaire le plus faible possible.
Pour atteindre cet objectif, la plupart des vocodeurs utilisent un modèle totalement paramétré du signal de parole. Les paramètres utilisés concernent : le voisement qui décrit le caractère harmonique des sons voisés ou le caractère stochastique des sons non voisés, la fréquence fondamentale des sons voisés encore connue sous le vocable anglo-saxon « PITCH », évolution temporelle de l'énergie ainsi que l'enveloppe spectrale du signal pour exciter et paramétrer les filtres de synthèse. Dans le cas du codeur MELP, les paramètres spectraux utilisés sont les coefficients LSF (en anglo-saxon Une Spectral Frequencies) dérivés d'une analyse par prédiction linéaire, LPC codage prédictif linéaire (en anglo- saxon Linear Prédictive Coding). L'analyse se fait pour un débit classique de 2400 bit/sec toutes les 22.5 ms. Les informations supplémentaires extraites lors de la modélisation sont : o la fréquence fondamentale ou pitch, o les gains, o l'information de voisement en sous-bande, o les coefficients de Fourier calculés sur le signal résiduel après prédiction linéaire. L'objet de la présente invention est, notamment, d'étendre le modèle MELP au débit de 600bits/sec. Les paramètres retenus sont par exemple, le pitch, les coefficients spectraux LSF, les gains et le voisement. Les trames sont regroupées par exemple en une super trame de 90 ms, c'est-à-dire 4 trames consécutives de 22.5 ms du schéma initial (schéma habituellement utilisé). Un débit de 600 bits/sec est obtenu à partir d'une optimisation du schéma de quantification des différents paramètres (pitch, coefficient LSF, gain, voisement). L'invention concerne un procédé de codage et de décodage de la parole pour les communications vocales utilisant un vocodeur à très bas débit comportant une partie analyse pour le codage et la transmission des paramètres du signal de parole, tels que l'information de voisement par sous- bande, le pitch, les gains, les paramètres spectraux LSF et une- partie synthèse pour la réception et le décodage des paramètres transmis et la reconstruction du signal de parole. Il est caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : • regrouper les paramètres voisement, pitch, gains, coefficients LSF sur N trames consécutives pour former une super-trame, • effectuer une quantification vectorielle de l'information de voisement pour chaque super-trame en élaborant une classification utilisant les informations sur l'enchaînement en termes de voisement existant sur un sous-multiple de N trames élémentaires consécutives, l'information de voisement permet en effet d'identifier des classes de sons pour lesquels l'allocation du débit et les dictionnaires associés seront optimisés, • coder le pitch, les gains et les coefficients LSF en utilisant la classification obtenue. La classification est par exemple élaborée en utilisant les informations sur l'enchaînement en termes de voisement existant sur 2 trames élémentaires consécutives.
Le procédé selon l'invention permet avantageusement d'offrir un codage fiable pour des faibles débits. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif, annexé des figures qui représentent : o La figure 1 un schéma général du procédé selon l'invention pour la partie codeur, o La figure 2 le schéma fonctionnel de la quantification vectorielle de l'information de voisement, o Les figures 3 et 4 le schéma fonctionnel de la quantification vectorielle du pitch, o La figure 5 le schéma fonctionnel de la quantification vectorielle des paramètres spectraux (coefficients LSF), o La figure 6 le schéma fonctionnel de quantification vectorielle multi- étages, o La figure 7 le schéma fonctionnel de la quantification vectorielle des gains, o La figure 8 un schéma appliqué à la partie décodeur.
L'exemple détaillé ci-après, à titre illustratif et nullement limitatif, concerne un codeur MELP adapté au débit de 600 bits/sec. Le procédé selon l'invention porte notamment sur l'encodage des paramètres qui permettent de reproduire au mieux avec un minimum de débit toute la complexité du signal de parole. Les paramètres retenus sont par exemple : le pitch, les coefficients spectraux LSF, les gains et le voisement. Le procédé fait notamment appel à une procédure de quantification vectorielle avec classification. La figure 1 schématise globalement les différentes mises en œuvre au niveau d'un codeur de la parole. Le procédé selon l'invention se déroule en 7 étapes principales. Etape d'analyse du signal de parole L'étape 1 analyse le signal au moyen d'un algorithme de type MELP connu de l'Homme du métier. Dans le modèle MELP, une décision de voisement est prise pour chaque trame de 22.5 ms et pour 5 sous-bandes de fréquences prédéfinies. Etape de regroupement des paramètres Pour l'étape 2, le procédé regroupe les paramètres sélectionnés : voisement, pitch, gains et coefficients LSF sur N trames consécutives de 22.5 ms pour former une supertrame de 90 ms. La valeur N=4 est choisie par exemple pour former un compromis entre la réduction possible du débit binaire et le retard introduit par le procédé de quantification (compatible avec les techniques d'entrelacement et de codage correcteur d'erreurs actuelles). Etape de quantification de l'information de voisement - détaillée à la figure 2 A l'horizon d'une supertrame, l'information de voisement est donc représentée par une matrice à composantes binaires (0 : non voisé ; 1 : voisé) de taille (5*4), 5 sous-bandes MELP, 4 trames. Le procédé utilise une procédure de quantification vectorielle sur n bits, avec par exemple n=5. La distance utilisée est une distance euclidienne pondérée afin de favoriser les bandes situées en basses fréquences. On utilise par exemple comme vecteur de pondération [1.0 ; 1.0 ; 0.7 ; 0.4 ; 0.1]. L'information de voisement quantifiée permet d'identifier des classes de sons pour lesquels l'allocation du débit et les dictionnaires associés seront optimisés. Cette information de voisement est ensuite mise en œuvre pour la quantification vectorielle des paramètres spectraux et des gains avec pré-classification. Le procédé peut comporter une étape d'application de contraintes. Lors de la phase d'apprentissage, le procédé fait par exemple appel aux 4 vecteurs suivants [0,0,0,0,0], [1 ,0,0,0,0], [1 ,1 ,1 ,0,0], [1 ,1 ,1 ,1 ,1] indiquant le voisement de la bande basse vers la bande haute. Chaque colonne de la matrice de voisement , associée au voisement d'une des 4 trames constitutant la supertrame, est comparée à chacun de ces 4 vecteurs, et remplacée par le vecteur le plus proche pour l'apprentissage du dictionnaire. Lors du codage, on applique la même contrainte (choix des 4 vecteurs précédents) et on réalise la quantification vectorielle QV en appliquant le dictionnaire trouvé précédemment. On obtient ainsi les indices de voisement. Dans le cas du modèle MELP, l'information de voisement faisant partie des paramètres à transmettre, l'information de classification est donc disponible au niveau du décodeur sans surcoût en terme de débit. En fonction de l'information de voisement quantifiée, des dictionnaires sont optimisés. Pour cela le procédé définit par exemple 6 classes de voisement sur un horizon de 2 trames élémentaires. La classification est par exemple déterminée en utilisant les informations sur l'enchaînement en termes de voisement existant sur un sous-multiple de N trames élémentaires consécutives, par exemple sur 2 trames élémentaires consécutives. Chaque super trame est donc représentée sur 2 classes de voisement. Les 6 classes de voisement ainsi définies sont par exemple :
trame de voisement faible (1 ,0,0,0,0), l'autre trame étant de voisement supérieur ou égal classe VV, Deux trames consécutives voisées, avec au moins une trame de voisement moyen (1 ,1 ,1 ,0,0), l'autre trame étant de voisement supérieur ou égal classe VV3 Deux trames consécutives voisées, où chacune des trames est fortement voisée, c'est-à-dire où seule la dernière sous-bande peut être non voisée (1 ,1 ,1 ,1 ,x) Un dictionnaire est optimisé pour chaque niveau de voisement. Les dictionnaires obtenus sont estimés dans ce cas sur un horizon de 2 trames élémentaires. Les vecteurs obtenus sont donc de taille 20=2*10 coefficients LSF, selon l'ordre de l'analyse par prédiction linéaire dans le modèle MELP initial. Etape de définition des modes de quantification détaillée à la figure 1 A partir des ces différentes classes de quantification, le procédé définit 6 modes de quantification déterminés selon l'enchaînement des classes de voisement :
La table 1 regroupe les différents modes de quantification en fonction de la classe de voisement et la table 2 l'information de voisement pour chacun des 6 modes de quantification. Table 1
Table 2 Afin de limiter la taille des dictionnaires et de réduire la complexité de recherche, le procédé met en œuvre une méthode de quantification de type multi-étages, telle que la méthode MSVQ (en anglo-saxon Multi Stage Vector Quantisation) connue de l'Homme du métier. Dans l'exemple donné, une supertrame est constituée de 4 vecteurs de 10 coefficients LSF et la quantification vectorielle est appliquée pour chaque regroupement de 2 trames élémentaires (2 sous-vecteurs de 20 coefficients). Il y a donc au moins 2 quantifications vectorielles multiétages dont les dictionnaires sont déduits de la classification (table 1). Etape de quantification du pitch figures 3 et 4 Le pitch est quantifié de façon différente selon le mode. o Dans le cas du mode 1 (non voisé, nombre de trames voisées égal à 0), aucune information de pitch n'est transmise. o Dans le cas du mode 2, une seule trame est considérée comme voisée et identifiée par l'information de voisement. Le pitch est alors représenté sur 6 bits (quantification scalaire de la période de pitch après compression logarithmique). o Dans les autres modes : o 5 bits sont utilisés pour transmettre une valeur de pitch (quantification scalaire de la période de pitch après compression logarithmique), o 2 bits sont utilisés pour positionner la valeur de pitch sur une des 4 trames o 1 bit est utilisé pour caractériser le profil d'évolution. La figure 4 schématise le profil d'évolution du pitch. La valeur de pitch transmise, sa position et le profil d'évolution sont déterminés en minimisant un critère des moindres carrés sur la trajectoire de pitch estimée à l'analyse. Les trajectoires considérées sont obtenues par exemple par interpolation linéaire entre la dernière valeur de pitch de la super trame précédente et la valeur de pitch qui sera transmise. Si la valeur de pitch transmise n'est pas positionnée sur la dernière trame, l'indicateur du profil d'évolution permet de compléter la trajectoire soit en maintenant la valeur atteinte, soit en retournant vers la valeur de « pitch initiale » (la dernière valeur de pitch de la super trame précédente). L'ensemble des positions sont considérées, ainsi que toutes les valeurs de pitch comprises entre la valeur de pitch quantifiée immédiatement inférieure au pitch minimal estimé sur la super trame et la valeur de pitch quantifiée immédiatement supérieure au pitch maximal estimé sur la super trame.
Etape de quantification des paramètres spectraux, des coefficients LSF détaillée aux figures 5, 6 La table 3 donne l'allocation du débit pour les paramètres spectraux pour chacun des modes de quantification. La répartition du débit pour chaque étage est donnée entre parenthèses. Table 3
Dans chacun des 6 modes, le débit est alloué prioritairement à la classe de voisement supérieur, la notion de voisement supérieur correspondant à un nombre de sous-bandes voisées supérieur ou égal. Par exemple, dans le mode 4, les deux trames consécutives non voisées seront représentées à partir du dictionnaire (6, 4, 4) tandis que les deux trames consécutives voisées seront représentées par le dictionnaire (7, 5, 4). Dans le mode 2 les deux trames consécutives mixtes sont représentées par le dictionnaire (7,5,4) et les deux trames consécutives non voisées par le dictionnaire (6,4,4). La table 4 regroupe la taille mémoire associée aux dictionnaires.
able 4 Etape de quantification du paramètre gains détaillée à la figure 7 Un vecteur de m gains avec m=8 est par exemple calculé pour chaque supertrame (2 gains par trame de 22.5 ms, schéma utilisé habituellement pour le MELP). m peut prendre n'importe quelle valeur, et est utilisé pour limiter la complexité de la recherche du meilleur vecteur dans le dictionnaire. Le procédé utilise une quantification vectorielle avec pré-classification. La table 5 regroupe les débits et la taille mémoire associée aux dictionnaires. Le procédé calcule les gains, puis il regroupe les gains sur N trames, avec N= 4 dans cet exemple . Il utilise ensuite la quantification vectorielle et le mode de classification prédéfini (à partir de l'information de voisement) pour obtenir les indices associés aux gains. Les indices étant ensuite transmis vers la partie décodeur du système.
Table 5
L'abrégé VQ correspond à la quantification vectorielle et MSVQ la méthode de quantification vectorielle multiétages. Evaluation du débit La table 6 regroupe l'allocation du débit pour la réalisation du codeur de parole de type MELP à 600 bit/sec une super trame de 54 bits (90ms). Table 6
La figure 8 représente le schéma au niveau de la partie décodage du vocodeur. L'indice de voisement transmis par la partie codeur est utilisé pour générer les modes de quantification. Les indices de voisement, de quantification du pitch, des gains et des paramètres spectraux LSF transmis par la partie codeur sont dé-quantifiés en utilisant les modes de quantification obtenus. Les différentes étapes sont effectuées selon un schéma semblable à celui décrit pour la partie codeur du système. Les différents paramètres déquantifiés sont ensuite regroupés avant d'être transmis à la partie synthèse du décodeur pour restituer le signal de parole.
Références :
1 - « A Mixed Excitation LPC Vocoder Model for Low Bit Rate Speech Coding », AN. McCree, T.P. Barnwell III, IEEE Transactions on Speech and Audio Processing, Vol. 3, n ° 4, pp 242-250, July 1995.
2 - « A 2.4 kbits/s MELP Coder Candidate for the New US Fédéral Standard », AN. McCree, K. Truong, E.B. George, T.P. Barnwell III, Viswanathan V., Proceedings of IEEE ICASSP, pp 200-203, 1996.
3 - « MELP : The New Fédéral Standard at 2400 BPS », L.Supplee, R. Cohn, J. Collura, AN. McCree, Proceedings of IEEE ICASSP, pp 1591-1594, 1997.
4 - « The 1200 and 2400 bit/s ΝATO Interoperable Νarrow Band Voice Coder », ΝATO STAΝAG n°4591.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé de codage et de décodage de la parole pour les communications vocales utilisant un vocodeur à très bas débit comportant une partie analyse pour le codage et la transmission des paramètres du signal de parole, tels que l'information de voisement par sous-bande, le pitch, les gains, les paramètres spectraux LSF et une partie synthèse pour la réception et le décodage des paramètres transmis et la reconstruction du signal de parole caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : • regrouper les paramètres voisement, pitch, gains, coefficients LSF sur N trames consécutives pour former une super-trame, • effectuer une quantification vectorielle de l'information de voisement pour chaque super-trame en élaborant une classification utilisant les informations sur l'enchaînement en termes de voisement existant sur un sous-multiple de N trames élémentaires consécutives, l'information de voisement permet en effet d'identifier des classes de sons pour lesquels l'allocation du débit et les dictionnaires associés seront optimisés," • coder le pitch, les gains et les coefficients LSF en utilisant la classification obtenue.
2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la classification est élaborée en utilisant les informations sur l'enchaînement en termes de voisement existant sur 2 trames élémentaires.
3 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la classification est effectuée sur des classes de voisement sur un horizon de 2 trames élémentaires. 4 - Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que les classes sont au nombre de 6 et définies de la manière suivante :
5 - Procédé selon la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce qu'il définit 6 modes de quantification selon l'enchaînement des classes de voisement.
6 - Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que N=4 et les modes de quantification sont les suivants :
7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il utilise une méthode de quantification de type multi-étages pour limiter la taille des dictionnaires et réduire la complexité de recherche. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que pour quantifier les paramètres spectraux LSF, le débit est alloué prioritairement à la classe de voisement supérieur.
9 - Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'allocation du débit pour chacun des modes de quantification est le suivant :
10 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que pour quantifier le paramètre gain un vecteur de au moins 8 gains est calculé pour chaque supertrame.
11 - Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que les modes et les débits sont les suivants :
12 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que pour la quantification du pitch, il comporte au moins les étapes suivantes : o si toutes les trames sont non voisées, aucune information de pitch n'est transmise, o si une trame est voisée, sa position est identifiée par l'information de voisement et sa valeur est codée, o si le nombre de trames voisées est supérieur ou égal à 2, une valeur de pitch est transmise, on positionne la valeur de pitch sur une des N trames, on caractérise le profil d'évolution.
13 - Procédé selon la revendication 12 caractérisé en ce que l'on détermine la valeur de pitch transmise, sa position et le profil d'évolution en utilisant un critère des moindres carrés sur la trajectoire de pitch estimée à l'analyse.
14 - Procédé selon la revendication 13 caractérisé en ce que on détermine les trajectoires par interpolation linéaire entre la dernière valeur de pitch de la super trame précédente et la valeur de pitch qui sera transmise, si la valeur de pitch transmise n'est pas positionnée sur la dernière trame, alors on complète la trajectoire en maintenant la valeur atteinte ou bien en retournant vers la dernière valeur de pitch de la super trame précédente.
15 - Utilisation du procédé selon une des revendications 1 à 14 à un codeur de parole de type MELP à 600 bits/s.
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