EP1989705A2 - Procede de limitation de gain d'excitation adaptative dans un decodeur audio - Google Patents

Procede de limitation de gain d'excitation adaptative dans un decodeur audio

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EP1989705A2
EP1989705A2 EP07731604A EP07731604A EP1989705A2 EP 1989705 A2 EP1989705 A2 EP 1989705A2 EP 07731604 A EP07731604 A EP 07731604A EP 07731604 A EP07731604 A EP 07731604A EP 1989705 A2 EP1989705 A2 EP 1989705A2
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EP
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gain
adaptive excitation
error indication
error
decoder
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EP07731604A
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Balazs Kovesi
David Virette
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Orange SA
Original Assignee
France Telecom SA
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    • G10L19/08—Determination or coding of the excitation function; Determination or coding of the long-term prediction parameters
    • G10L19/12—Determination or coding of the excitation function; Determination or coding of the long-term prediction parameters the excitation function being a code excitation, e.g. in code excited linear prediction [CELP] vocoders

Definitions

  • the present invention relates to a method of limiting adaptive excitation gain in a decoder of an audio signal. It also relates to a decoder of an audio signal encoded by means of an encoder comprising a long-term predictive filter.
  • the invention finds an advantageous application in the field of coding and decoding of digital signals such as audio-frequency signals.
  • the invention is particularly well suited to the transmission of speech and / or audio signals over packet networks, of the VoIP type, for example, to provide an acceptable quality during decoding after a loss of packets, in particular avoiding the saturation of the data.
  • An example of a CELP encoder is the G.729 system recommended in I 1 ITU-T, designed for voiceband speech between 300 and 3400 Hz sampled at 8 kHz and transmitted at a fixed rate of 8 kbit / s. with frames of 10 ms. The detailed operation of this coder is specified in the article by R. Salami, C. Laflamme, JP Adoul, A. Kataoka, S.
  • Figure 1 shows a high level view of a G.729 encoder. This figure shows a preprocessing high-pass filtering 101 for eliminating the signals with a frequency lower than 50 Hz. The thus filtered speech signal S (n) is then analyzed by the block 102 in order to determine a filter. z) Linear Prediction Coding (LPC), which is transmitted to the multiplexer 104 as an index indexing the quantized vector (QV) in a dictionary.
  • LPC Linear Prediction Coding
  • the original signal S (n) filtered by the filter ⁇ (z), called excitation, is processed by block 103 so as to extract the parameters mentioned in the table of FIG. 2. These parameters are then coded and transmitted to MUX multiplexer 104.
  • the operation of the excitation coding block 103 is detailed in FIG. 1 (b). As can be seen in this figure, the excitation is coded in three steps: in a first step, a long-term prediction filtering (LTP) is performed by the blocks 106, 107, 11.
  • LTP long-term prediction filtering
  • the LTP filter of the G.729 encoder is a filter of order equal to 1.
  • the residual difference between these two signals is modeled, on the one hand, by a fixed code c (n), or innovative code, extracted from an innovatory dictionary ACELP 108 with four pulses ⁇ 1, and, on the other hand, by a gain g c of fixed excitation 109.
  • the fixed code c (n) and the gain g c are determined by minimizing in 1 1 1 'the error between the residual signal resulting from the previous LTP stage and the signal g c .c (n),
  • the resulting parameters namely the pitch period P, the fixed code c (n) and the gains g p and g c of pitch fixed excitation, are encoded and transmitted to multiplexer 104.
  • FIG. 1 (c) shows how a conventional G.729 decoder reconstructs the speech signal from the data received from the multiplexer 104 by the demultiplexer 1 12.
  • the excitation is reconstituted by 5 ms subframes by adding two contributions:
  • the excitation thus decoded is shaped by the synthesis filter 120 LPC 1 / ⁇ (z) whose coefficients are decoded by the block 1 19 in the domain of spectral line pairs (LSF) and interpolated by subframe of 5 ms.
  • the reconstructed signal is then processed by an adaptive post-filter 121 and a post-processing high-pass filter 122.
  • the decoder of FIG. 1 (c) thus relies on the source-filter model to synthesize the signal.
  • the CELP type encoders In the case of excitation from the long-term prediction LTP filter, and in order to generate an excitation signal capable of rapidly following the signal attacks, the CELP type encoders generally allow the choice of a gain g p pitch greater than 1. As a result, the decoder is locally unstable. However, this instability is controlled by the synthesis analysis model which permanently minimizes the difference between the LTP excitation signal and the original target signal. During transmission or frame loss errors, this instability can lead to significant degradation due to the offset between the encoder and the decoder.
  • the gain value g p of pitch not received in a frame is generally replaced by the value of g p in the previous frame, and although the variable nature of the speech signal consists of an alternation periods of voices with a pitch gain close to 1 and unvoiced with a pitch gain of less than 1 allows, in general, to limit the potential problems related to this local instability, it remains nonetheless true that, for some signals, including the voiced signals, transmission errors in periodic stationary areas can cause significant impairments when for example the replacement gain g p is higher than the actual gain and the affected frame is followed by high gain frames , as happens during attacks. This situation can then quickly cause a saturation of the LTP filter by cumulative effect related to the recursive character of long-term predictive filtering.
  • a first solution to this problem is to limit the gp pitch gain to 1, but this constraint has the effect of degrading the performance of the CELP coders for attacks.
  • the solution implemented in the G.723.1 standard is to find, by learning, for each vector of possible gain of the encoder an equivalent average gain of order 1. These values are stored in a table. This equivalent filter of order 1 is then used to estimate the maximum potential error accumulated in the long-term filter, and thus to identify the unstable zones where the gain must be limited in the event of a large accumulated error and to calculate the gain at apply to make the filter stable.
  • the technical problem to be solved by the object of the present invention is to propose a method for limiting adaptive excitation gain in a decoder of an audio signal encoded by means of an encoder comprising a long-term predictive filter. , following a loss of transmission frame between said encoder and said decoder, which would limit the adaptive excitation g p gain, or pitch gain, only in the case where an instability LTP filter is actually noted, and to ensure the best possible compromise between the quality of the decoding and its robustness vis-à-vis the frame loss.
  • frame loss is used here to mean non-reception of a frame as well as transmission errors in a frame.
  • said arbitrary value is equal to a value of the adaptive excitation gain determined during said lost frame by an error concealment algorithm.
  • said arbitrary value is equal to the value of the adaptive excitation gain for the non-lost frame preceding said lost frame.
  • said arbitrary value is defined from a voicing detection of the previous frame.
  • said arbitrary value is equal to 1, otherwise the arbitrary value is equal to 0.
  • the excitation is composed of a random noise.
  • the method according to the invention has the advantage of modifying the gain g p of pitch only when a possible instability of the LTP filter is detected at the decoder itself and not at the encoder as in known techniques.
  • the method of the invention takes into account both the actual state of the decoder and the exact information on the transmission errors reached.
  • the method, object of the invention can be used autonomously, that is to say in coding structures that do not provide for limiting the pitch gain at the coder.
  • the invention provides that said adaptive excitation gain is supplied to said decoder by an encoder equipped with a gain limitation device.
  • the method according to the invention can therefore also be used in combination with a known taming technique, installed at the encoder.
  • the advantages of the two techniques are then cumulated: the prior art technique makes it possible to limit the too long sequences of pitch gains greater than 1. Indeed, such sequences cause a large propagation of the error, constraining the method of the invention. to modify the signal over long periods.
  • a threshold too low tripping of the technique of "taming" a priori degrades the signal.
  • the invention thus makes it possible to reduce the number of triggers of the "taming" technique a priori by increasing the threshold, because even if this technique does not detect the risk of explosion, the posterior method according to the invention detects it and cure it.
  • said error indication function is of the form:
  • x t (n) e t (n) + ⁇ g it .x t (n-P + i) i € [- (Nl) / 2, (Nl) / 2] i
  • - iV is the order of the long-term, generally odd, predictive filter
  • the gains g it are equal to the gains of adaptive excitation g t of said long-term predictive filter for the received frames or to the adaptive excitation gains g LFE c (FEC for "Frame Erasure Concealment") of said long-term predictive filter in the previous frame for lost frames,
  • P is the period of adaptive excitation.
  • the order iV of the LTP filter can be taken as 1.
  • the gain g p of adaptive excitation of a long-term predictive filter of order 1 is limited to the value 1 if said parameter of indication of error is greater than said given threshold.
  • the invention provides that a correction factor is applied to the gains g. adaptive excitation of a long-term predictive filter of order greater than 1 if said error indication parameter is greater than said given threshold.
  • said at least one adaptive excitation gain is limited by a linear function of said given threshold if said error indication parameter is greater than said threshold.
  • a discriminator able to determine, as a function of the result provided by the comparator, a value of at least one adaptive excitation gain to be used by the decoder.
  • Figure 1 (a) is a high-level diagram of a G.729 encoder.
  • Fig. 1 (b) is a detailed diagram of the coding block of the encoder excitation of Fig. 1 (a).
  • Fig. 1 (c) is a diagram of the decoder associated with the encoder of Fig. 1 (a).
  • FIG. 2 is a table giving the various coding parameters of the coder of FIG. 1 (a).
  • FIG. 3 is a diagram of a decoder according to the invention.
  • excitation signal x e (n) from the excitation coding block 103 of FIG. 1 (a) and explained in FIG. 1 (b) is the sum of the adaptive excitation g p . x e (nP) and fixed excitation g c .c (n):
  • - g p is the gain of the adaptive excitation or pitch gain
  • - P is the value of the pitch or length of the period.
  • the G.729 encoder uses fractional resolution in 1/3 increments for small pitch values (P ⁇ 85) to better model high-pitched voices. Adaptive excitation with a fractional pitch is obtained by interpolation with oversampling,
  • - g c is the gain of the fixed excitation
  • - c (n) is the fixed code word, or innovator.
  • Adaptive excitation depends solely on the past excitation and makes it possible to efficiently model the periodic signals, especially voiced signals, where the excitation itself is repeated almost periodically.
  • the fixed part c (n) brings the innovation in the total excitation to model the difference between the periods, that is to say to correct the error between the adaptive excitation and the prediction residue.
  • this excitation signal is optimized to the encoder using the technique of synthesis analysis.
  • the synthesis filtering of this excitation is thus performed with the quantized filter to check the result that will be obtained at the decoder.
  • the error concealment algorithm uses an estimated excitation signal from the past excitation signal.
  • the decoder comprises a processing line of the excitation signal coming from the demultiplexer 1 12 constituted by the blocks 21 1 to 215.
  • This decoder processing line thus described also serves to illustrate the main steps of the method of limiting the adaptive excitation gain according to the invention.
  • the block 21 1 is intended to detect whether a frame is correctly received or not.
  • This detection block is followed by a module 212 which performs a similar operation to LTP long-term filtering. More precisely, the module 212 calculates an error indication function x t (n) whose values are representative of the accumulated error on decoding on the adaptive excitation as a result of a loss of transmission. In one embodiment, this function is given by:
  • xt (n) gt-x t (np) + e t (n)
  • g t is equal to:
  • a module 213 calculates from the values of the function x t ( ⁇ ) provided by the module 212, an error indication parameter S t .
  • a comparator 214 checks whether the parameter S 1 does not exceed a certain threshold S 0 . In case of overshoot and if the decoded pitch gain g p is greater than 1, the value of g p is limited, because in this case there is a risk of saturation of the LTP filter.
  • the error indication parameter S t may be the sum of the values of the function x t (n), or the maximum value, the average or the sum of the squares of these values.
  • the comparator 214 is followed by a discriminator 215 able to determine the value g ' t of the pitch gain to be applied to the block 1 17 for the current frame, namely the decoded pitch value ⁇ or a limited value.
  • the gain g 1 can be systematically limited to 1 for example, regardless of the magnitude of the overshoot. But we can also provide a more progressive limitation which consists in defining the gain g ' t as a linear function of the parameter S 1 of the form:
  • the LTP, P and g p parameters are transmitted for each 5 ms subframe containing 40 samples.
  • the treatment to avoid saturation of the LTP filter, which is the subject of the invention, is also carried out at the rate of the subframes.
  • the parameter S t of error indication for example the sum of the function x t (n), is calculated for each subframe.
  • the value of this parameter is limited to 120, which corresponds to an average value of 3: 39
  • the memory of the signal x t ( ⁇ ) is updated with the new value g ⁇ .
  • the long-term filter of the encoder is a filter of order 1.
  • the pseudo-LTP filter used to define the error indication function may be the equivalent filter of order 1 or more advantageously a filter identical to that used in the encoder, in particular of the same order.
  • the gain g ' t can be calculated in the same way as for a filter of order 1. It then applies the corrective factor g ' t / g e at the gains g, - of the higher order filter.

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Abstract

Décodeur d'un signal audio codé au moyen d'un codeur comprenant un filtre prédictif à long terme. Selon l'invention, ledit décodeur comprend : - un bloc (211) de détection de pertes de trames de transmission, - un module (222) de calcul de valeurs d'une fonction d'indication d'erreur, représentatives de l'erreur accumulée au décodage sur l'excitation adaptative à la suite de ladite perte de trame de transmission, une valeur arbitraire étant affectée audit gain d'excitation adaptative pour la trame perdue, - un module (213) de calcul d'un paramètre d'indication d'erreur à partir desdites valeurs de la fonction d'indication d'erreur, - un comparateur (214) dudit paramètre d'indication d'erreur à au moins un seuil donné, - un discriminateur (215) apte à déterminer en fonction du résultat fourni par le comparateur (214) une valeur d'au moins un gain d'excitation adaptative à utiliser par le décodeur. Application au codage et du décodage de signaux numériques tels que les signaux audio-fréquences.

Description

PROCEDE DE LIMITATION DE GAIN D'EXCITATION ADAPTATIVE DANS UN DECODEUR AUDIO
La présente invention concerne un procédé de limitation de gain d'excitation adaptative dans un décodeur d'un signal audio. Elle concerne également un décodeur d'un signal audio codé au moyen d'un codeur comprenant un filtre prédictif à long terme.
L'invention trouve une application avantageuse dans le domaine du codage et du décodage de signaux numériques tels que les signaux audiofréquences.
L'invention est particulièrement bien adaptée à la transmission de signaux de parole et/ou audio sur réseaux de paquets, de type voix sur IP par exemple, pour fournir une qualité acceptable lors du décodage après une perte de paquets en évitant notamment la saturation des filtres prédictifs à long terme (LTP pour « Long Term Prédiction ») utilisés au décodage dans le contexte de codage CELP (« Code Exciting Linear Prédiction »). On peut citer comme exemple de codeur CELP le système G.729 recommandé à I1UIT-T, conçu pour des signaux de parole en bande téléphonique entre 300 et 3400 Hz échantillonnés à 8 kHz et transmis à un débit fixe de 8 kbit/s avec des trames de 10 ms. Le fonctionnement détaillé de ce codeur est spécifié dans l'article de R. Salami, C. Laflamme, J. P. Adoul, A. Kataoka, S. Hayashi, T. Moriya, C. Lamblin, D. Massaloux, S. Proust, P. Kroon et Y. Shoham. "Design and description of CS-ACELP : a toll quality 8 kb/s speech coder", IEEE Trans. on Speech and Audio Processing, Vol.6-2, mars 1998, PP.116-130.
Sur la figure 1 (a) est représentée une vue haut niveau d'un codeur G.729. Cette figure fait apparaître un filtrage passe-haut 101 de pré-traitement destiné à éliminer les signaux de fréquence inférieure à 50 Hz. Le signal de parole S(n) ainsi filtré est ensuite analysé par le bloc 102 afin de déterminer un filtre Â(z) de prédiction linéaire (LPC pour « Linear Prédiction Coding »), lequel est transmis au multiplexeur 104 sous la forme d'un indice indexant le vecteur quantifié (QV) dans un dictionnaire.
Le signal original S(n) filtré par le filtre Â(z), appelé alors excitation, est traité par le bloc 103 de manière à en extraire les paramètres mentionnés sur le tableau de la figure 2. Ces paramètres sont ensuite codés puis transmis au multiplexeur MUX 104.
Le fonctionnement du bloc 103 de codage de l'excitation est détaillé à la figure 1 (b). Comme on peut le voir sur cette figure, l'excitation est codée en trois étapes : - dans une première étape, un filtrage de prédiction à long terme (LTP) est effectué par les blocs 106, 107, 1 11. Le filtre LTP du codeur G.729 est un filtre d'ordre égal à 1. La période P d'excitation adaptative, ou période de « pitch », exprimée en valeur entière P0 complétée éventuellement par une valeur fractionnaire iVJractionnaire, ainsi que le gain gp d'excitation adaptative, ou gain de « pitch », sont déterminés par analyse par synthèse de façon à minimiser l'erreur entre le signal d'excitation cible issu du bloc 105 et le signal synthétisé donné psx x(n) = gp.x(n-P), n représentant un échantillon du signal,
- puis, dans une deuxième étape, la différence résiduelle entre ces deux signaux est modélisée, d'une part, par un code fixe c(n), ou code innovateur, extrait d'un dictionnaire innovateur ACELP 108 à quatre impulsions ± 1 , et, d'autre part, par un gain gc d'excitation fixe 109. Le code fixe c(n) et la gain gc sont déterminés en minimisant en 1 1 1 ' l'erreur entre le signal résiduel issu de l'étage de LTP précédent et le signal gc.c(n),
- enfin, dans une dernière étape, les paramètres résultant, à savoir la période P de pitch, le code fixe c(n) et les gains gp de pitch et gc d'excitation fixe, sont codés et transmis au multiplexeur 104.
La figure 1 (c) montre comment un décodeur G.729 classique reconstruit le signal de parole à partir des données reçues du multiplexeur 104 par le démultiplexeur 1 12. L'excitation est reconstituée par sous-trames de 5 ms en ajoutant deux contributions :
- une première contribution résultant du décodage 1 15 de la période P de pitch et du décodage 1 18 du gain gp de pitch pour reconstituer en sortie des blocs 1 16, 1 17 le signal LTP d'excitation adaptative x(n) = gp.x(n-P), - une deuxième contribution résultant du décodage 1 13 de l'excitation fixe c(n) mise à l'échelle par le gain gc décodé par le bloc 1 18 pour reconstituer l'excitation fixe gc.c(n).
- ces deux contributions sont ensuite additionnées pour fournir l'excitation décodée x(n) = gp.x(n-P) + gc. c(n) .
L'excitation ainsi décodée est mise en forme par le filtre 120 de synthèse LPC 1/Â(z) dont les coefficients sont décodés par le bloc 1 19 dans le domaine des paires de raies spectrales (LSF) et interpolés par sous-trame de 5 ms. Afin d'améliorer la qualité et masquer certains artefacts de codage, le signal reconstruit est ensuite traité par un post-filtre adaptatif 121 et un filtre passe-haut 122 de post-traitement. Le décodeur de la figure 1 (c) s'appuie donc sur le modèle source-filtre pour synthétiser le signal.
Dans le cas de l'excitation issue du filtre LTP de prédiction à long terme, et dans le but de générer un signal d'excitation capable de suivre rapidement les attaques du signal, les codeurs de type CELP autorisent généralement le choix d'un gain gp de pitch supérieur à 1. En conséquence, le décodeur est localement instable. Cependant, cette instabilité est contrôlée par le modèle d'analyse par synthèse qui minimise en permanence l'écart entre le signal d'excitation LTP et le signal cible original. Lors d'erreurs de transmission ou de perte de trames, cette instabilité peut entraîner d'importantes dégradations dues au décalage entre codeur et décodeur. En effet, dans ces circonstances, la valeur de gain gp de pitch non reçue dans une trame est généralement remplacée par la valeur de gp dans la trame précédente, et, bien que la nature variable du signal de parole constitué d'une alternance de périodes voisées avec un gain de pitch proche de 1 et non voisées avec un gain de pitch inférieur à 1 permet, en général, de limiter les problèmes potentiels liés à cette instabilité locale, il n'en reste pas moins vrai cependant que, pour certains signaux, notamment les signaux voisés, des erreurs de transmission dans des zones stationnaires périodiques peuvent provoquer des dégradations importantes lorsque par exemple le gain gp de remplacement est plus élevé que le gain réel et que la trame affectée est suivie de trames à gain élevé, comme cela se produit lors des attaques. Cette situation peut alors entraîner rapidement une saturation du filtre LTP par effet cumulatif lié au caractère récursif du filtrage prédictif à long terme.
Une première solution à ce problème est de limiter le gain gp de pitch à 1 , mais cette contrainte a pour effet de dégrader les performances des codeurs CELP pour les attaques.
D'autres solutions proposent de ne limiter le gain gp de pitch à une valeur inférieure ou égale à 1 que lorsque cela est jugé nécessaire. En particulier :
- La méthode décrite dans le brevet américain n° 5,960,386 peut se décomposer en plusieurs étages situés au codeur. Tout d'abord, une procédure de détection d'une possible instabilité utilisant le gain de pitch préalablement calculé et une moyenne des gains de pitch précédents. Ensuite, dans le cas où il n'y a pas de risque d'instabilité, le gain de pitch préalablement calculé est conservé. Dans le cas contraire, une procédure itérative de contrôle du gain de pitch permet d'adapter ce gain pour éliminer le risque d'instabilité.
- Dans les brevets américains n° 5,893,060 et 5,987,406, une procédure de détection des instabilités au codeur est décrite. Cette procédure utilise les paramètres spectraux LSP pour déterminer la présence de résonances dans le spectre, calcule la durée de la résonance en nombre de trames, et évalue la possible instabilité en fonction de la valeur du gain de pitch. Dans le cas où une instabilité est détectée, la valeur du gain de pitch est saturée à un seuil et la recherche du vecteur de gain dans la quantification vectorielle des gains de pitch est modifiée pour que le vecteur choisi ait une valeur de gain de pitch inférieure à ce seuil.
- Dans l'article de R. Salami précité et le brevet américain n° 5708757 est décrite une procédure de détection d'une possible saturation et du calcul de la valeur de gain de pitch associée, présente au codeur dans la norme G729, est décrite. Cette méthode, appelée "taming", prend en compte l'erreur maximum potentielle commise par le décodeur sur le calcul de l'excitation. Si cette erreur dépasse un certain seuil quand le gain de pitch est supérieur à 1 , correspondant à un filtre instable, le gain est modifié pour prendre une valeur inférieure à 1 afin de rendre le filtre stable. L'idée est donc de détecter au codeur des zones où l'accumulation des erreurs de transmission précédentes peut causer une saturation du filtre à long terme localement instable, notamment lors de longues zones fortement voisées. Ces zones sont détectées en examinant la sortie d'un deuxième filtrage à long terme avec une excitation constante qui simule l'erreur maximum potentielle. Une technique identique est utilisée dans la norme ITU-T G.723.1. Ce codeur utilise un prédicteur à long terme d'ordre 5 pour lequel le gain de pitch est un vecteur de 5 coefficients appliqués sur 5 échantillons consécutifs du passé. Ces vecteurs de gain sont quantifiés par quantification vectorielle. Alors que la stabilité d'un filtre à long terme d'ordre 1 , comme celui du codeur G.729, se vérifie très facilement en comparant le seul coefficient de gain avec la valeur 1 , cette vérification est beaucoup plus compliquée pour un filtre à long terme d'ordre supérieur. En effet, la stabilité d'un filtre à long terme utilisant un jeu de gain dépend également de la nature du signal, par exemple du pitch. Donc, le même jeu de gain peut être stable dans une situation et instable dans une autre. C'est pourquoi il est difficile d'estimer la propagation d'une erreur, car la nature d'erreur potentielle ne peut pas être connue au codeur, et il n'est pas simple de détecter les zones potentiellement instables ni de déterminer l'atténuation à appliquer pour rétablir la stabilité du filtre. La solution mise en oeuvre dans la norme G.723.1 est de trouver, par apprentissage, pour chaque vecteur de gain possible du codeur un gain moyen équivalent d'ordre 1. Ces valeurs sont stockées dans un tableau. On utilise donc ce filtre équivalent d'ordre 1 pour estimer l'erreur maximum potentielle accumulée dans le filtre à long terme, et ainsi identifier les zones instables où il faut limiter le gain en cas d'une erreur accumulée importante et calculer le gain à appliquer pour rendre le filtre stable.
Toutefois, les solutions proposées par ces techniques connues pour éviter le risque de saturation des filtres LTP en cas de pertes ou d'erreurs de transmission posent les problèmes suivants : - La décision de modifier le gain gp associé à la prédiction à long terme étant réalisée au codeur a priori, il n'est pas possible de contrôler complètement l'état du décodeur et son comportement après une perte de trame, lesquels sont par hypothèse ignorés du codeur. Aussi, les techniques existantes peuvent continuer à générer des dégradations audio au décodage lors d'erreurs de transmission, ceci malgré la décision prise par le codeur de modifier le gain.
- La limitation à 1 du gain gp de pitch associée aux techniques décrites plus haut peut entraîner une légère dégradation de la qualité par exemple sur les attaques qui génèrent normalement des gains supérieurs à 1. Le choix du seuil de déclenchement est en effet un compromis entre qualité et sécurité. Un seuil bas déclencherait la limitation trop souvent, entraînant une dégradation inutile, surtout en cas d'absence d'erreurs de transmission. Inversement, un seuil plus élevé ne garantirait pas une protection suffisante en cas de taux d'erreur élevés.
Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un procédé de limitation de gain d'excitation adaptative dans un décodeur d'un signal audio codé au moyen d'un codeur comprenant un filtre prédictif à long terme, à la suite d'une perte de trame de transmission entre ledit codeur et ledit décodeur, qui permettrait de ne limiter le gain gp d'excitation adaptative, ou gain de pitch, que dans le cas où une instabilité du filtre LTP est effectivement constatée, et d'assurer le meilleur compromis possible entre la qualité du décodage et sa robustesse vis-à-vis des pertes de trame.
La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit procédé comprend les étapes consistant, au décodeur, à :
- établir une fonction d'indication d'erreur destinée à fournir des valeurs représentatives de l'erreur accumulée au décodage sur l'excitation adaptative à la suite de ladite perte de trame de transmission, une valeur arbitraire étant affectée audit gain d'excitation adaptative pour la trame perdue,
- calculer au cours du décodage des valeurs de ladite fonction d'indication d'erreur, - calculer un paramètre d'indication d'erreur à partir desdites valeurs de la fonction d'indication d'erreur,
- comparer ledit paramètre d'indication d'erreur à au moins un seuil donné, - appliquer une limitation à au moins un gain d'excitation adaptative en cas de comparaison positive si un gain équivalent audit au moins un gain d'excitation adaptative est supérieure à une valeur donnée.
D'une manière générale, on entend ici par « perte de trame » aussi bien la non-réception d'une trame que des erreurs de transmission dans une trame.
Selon un mode de réalisation, ladite valeur arbitraire est égale à une valeur du gain d'excitation adaptative déterminée lors de ladite trame perdue par un algorithme de dissimulation d'erreur.
A titre d'exemple d'algorithme de dissimulation d'erreur, ladite valeur arbitraire est égale à la valeur du gain d'excitation adaptative pour la trame non perdue précédant ladite trame perdue.
Selon un autre exemple, ladite valeur arbitraire est définie à partir d'une détection de voisement de la trame précédente. Pour une trame voisée, ladite valeur arbitraire est égale à 1 , sinon la valeur arbitraire est égale à 0. Dans ce dernier cas, l'excitation est composée d'un bruit aléatoire.
Comme on le verra en détail plus loin, le procédé conforme à l'invention présente l'avantage de ne modifier le gain gp de pitch que lorsqu'une possible instabilité du filtre LTP est détectée au décodeur lui-même et non au codeur comme dans les techniques connues. De plus, le procédé de l'invention prend en compte à la fois l'état réel du décodeur et l'information exacte sur les erreurs de transmission parvenues.
Le procédé, objet de l'invention, peut être utilisée de manière autonome, c'est-à-dire dans des structures de codage qui ne prévoient pas de limitation du gain de pitch au niveau du codeur. Cependant, et de manière avantageuse, l'invention prévoit que ledit gain d'excitation adaptative est fourni audit décodeur par un codeur équipé d'un dispositif de limitation de gain. Le procédé conforme à l'invention peut donc être aussi utilisé en combinaison avec une technique de « taming » a priori connue, installée au codeur. Les avantages des deux techniques sont alors cumulés : la technique a priori permet de limiter les trop longues séquences de gains de pitch supérieurs à 1. En effet, de telles séquences entraînent une importante propagation de l'erreur, contraignant le procédé de l'invention à modifier le signal sur de longues périodes. Cependant un seuil trop bas de déclenchement de la technique de « taming » a priori dégrade le signal. L'invention permet alors de réduire le nombre de déclenchements de la technique de « taming » a priori en augmentant le seuil, car même si cette technique ne détecte pas le risque d'explosion, le procédé a posteriori selon l'invention le détecte et y remédie.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, ladite fonction d'indication d'erreur est de la forme :
xt(n) = et(n) + ∑ git.xt(n-P+i) i€[-(N-l)/2,(N-l)/2] i où :
- iVest l'ordre du filtre prédictif à long terme, généralement impair,
- les gains git sont égaux aux gains d'excitation adaptative gt dudit filtre prédictif à long terme pour les trames reçues ou aux gains d'excitation adaptative gLFEc (FEC pour « Frame Erasure Concealment») dudit filtre prédictif à long terme dans la trame précédente pour les trames perdues,
- et(n) vaut 0 pour les trames reçues et 1 pour les trames perdues.
- P est la période d'excitation adaptative.
Bien entendu, dans le cas le plus simple, l'ordre iVdu filtre LTP peut être pris égal à 1.
Dans un premier mode de mise en œuvre du procédé conforme à l'invention, le gain gp d'excitation adaptative d'un filtre prédictif à long terme d'ordre 1 est limité à la valeur 1 si ledit paramètre d'indication d'erreur est supérieur audit seuil donné. De même, l'invention prévoit qu'un facteur correctif est appliqué aux gains g. d'excitation adaptative d'un filtre prédictif à long terme d'ordre supérieur à 1 si ledit paramètre d'indication d'erreur est supérieur audit seuil donné.
Dans un deuxième mode de mise en œuvre, ledit au moins un gain d'excitation adaptative est limité par une fonction linéaire dudit seuil donné si ledit paramètre d'indication d'erreur est supérieur audit seuil. Cette disposition avantageuse permet de rendre la limitation de gain plus progressive et d'éviter un effet de seuil brutal. L'invention concerne également un programme comprenant des instructions enregistrées sur un support lisible par un ordinateur pour mettre en œuvre les étapes du procédé selon l'invention, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. L'invention concerne enfin un décodeur d'un signal audio codé au moyen d'un codeur comprenant un filtre prédictif à long terme, remarquable en ce que ledit décodeur comprend :
- un bloc de détection de pertes de trames de transmission,
- un module de calcul de valeurs d'une fonction d'indication d'erreur, représentatives de l'erreur accumulée au décodage sur l'excitation adaptative à la suite de ladite perte de trame de transmission, une valeur arbitraire étant affectée audit gain d'excitation adaptative pour la trame perdue,
- un module de calcul d'un paramètre d'indication d'erreur à partir desdites valeurs de la fonction d'indication d'erreur, - un comparateur dudit paramètre d'indication d'erreur à au moins un seuil donné,
- un discriminateur apte à déterminer en fonction du résultat fourni par le comparateur une valeur d'au moins un gain d'excitation adaptative à utiliser par le décodeur. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
La figure 1 (a) est un schéma de haut niveau d'un codeur G.729. La figure 1 (b) est un schéma détaillé du bloc de codage de l'excitation du codeur de la figure 1 (a).
La figure 1 (c) est un schéma du décodeur associé au codeur de la figure 1 (a).
La figure 2 est un tableau donnant les divers paramètres de codage du codeur de la figure 1 (a) La figure 3 est un schéma d'un décodeur conforme à l'invention.
L'invention va maintenant être décrite de manière détaillée dans le cadre d'un décodeur G.729 et d'un filtrage de prédiction à long terme LTP d'ordre iV=1. Le cas d'un filtre LTP d'ordre N quelconque sera traité à la fin de la présente description.
On rappelle que le signal d'excitation xe(n) issu du bloc 103 de codage de l'excitation de la figure 1 (a) et explicité à la figure 1 (b) est la somme de l'excitation adaptative gp.xe(n-P) et de l'excitation fixe gc.c(n) :
*e(n) = gp.xe(n-P) + gc.c(n) où :
- gp est le gain de l'excitation adaptative ou gain de pitch, - P est la valeur du pitch ou longueur de la période. Le codeur G.729 utilise une résolution fractionnelle par pas de 1/3 pour les petites valeurs de pitch (P < 85) pour mieux modéliser les sons voisés aigus. L'excitation adaptative avec un pitch fractionnel est obtenue par interpolation avec sur-échantillonnage,
- gc est le gain de l'excitation fixe, - c(n) est le mot de code fixe, ou innovateur.
L'excitation adaptative dépend uniquement de l'excitation passée et permet de modéliser efficacement les signaux périodiques, notamment voisés, où l'excitation elle-même se répète quasi périodiquement. La partie fixe c(n) apporte l'innovation dans l'excitation totale pour modéliser la différence entre les périodes, c'est-à-dire pour corriger l'erreur entre l'excitation adaptative et le résidu de prédiction.
Comme on l'a vu plus haut, ce signal d'excitation est optimisé au codeur en utilisant la technique d'analyse par synthèse. On effectue donc le filtrage de synthèse de cette excitation avec le filtre quantifié pour vérifier le résultat qu'on obtiendra au décodeur. Ceci explique pourquoi il est possible d'utiliser un filtrage à long terme localement instable, c'est-à-dire avec une valeur de gp supérieur à 1 , pour modéliser une attaque du signal car l'augmentation de l'énergie due à cette instabilité est contrôlée. Par contre, ce contrôle est perturbé par les éventuelles pertes de trame. Au décodeur, dans le cas d'une trame perdue, ou erronée, l'algorithme de dissimulation des erreurs utilise un signal d'excitation estimé à partir du signal d'excitation passé. Typiquement, on réutilise uniquement le filtrage à long terme LTP en gardant la dernière valeur du pitch correctement décodée gP_FEc- On injecte donc une perturbation dans le signal d'excitation du décodeur, noté Xd(n). Pour les trames valides suivantes, même si il est possible de décoder correctement tous les paramètres gp, P, gc et c(n) de génération de l'excitation, l'excitation obtenue ne sera pas exacte car l'excitation passée xd(n- P) est perturbée. L'erreur injectée pendant la trame perdue peut donc se propager par la suite sur de nombreuses trames à cause de la récursivité du filtrage à long terme dans les périodes voisées, en particulier quand gp est proche de 1. Par contre, quand gp a une valeur faible ou égale à zéro pendant plusieurs zones non-voisées, l'effet de la perturbation s'affaiblit ou s'annule car le poids du code innovateur c(n) est plus important que le poids du passé. II est donc essentiel de pouvoir estimer l'importance de l'erreur accumulée dans la partie adaptative, due aux erreurs de transmission. A cet effet, il est proposé de modifier selon la figure 3 le décodeur représenté sur la figure 1 (c).
On peut voir sur la figure 3 que, parallèlement au filtrage à long terme LTP, le décodeur comprend une ligne de traitement du signal d'excitation issu du démultiplexeur 1 12 constituée par les blocs 21 1 à 215. Cette ligne de traitement du décodeur ainsi décrit sert également d'illustration des principales étapes du procédé de limitation du gain d'excitation adaptative selon l'invention. Le bloc 21 1 est destiné à détecter si une trame est correctement reçue ou non. Ce bloc de détection est suivi d'un module 212 qui effectue une opération analogue à un filtrage à long terme LTP. Plus précisément, le module 212 calcule une fonction xt(n) d'indication d'erreur dont les valeurs sont représentatives de l'erreur accumulée au décodage sur l'excitation adaptative à la suite d'une perte de transmission. Dans un mode de réalisation, cette fonction est donnée par :
xt(n) = gt-xt(n-p) + et(n)
où et(ή) est égal à :
- 1 pour les trames non reçues ou erronées afin de modéliser l'erreur injectée dans la boucle adaptative,
- 0 pour les trames valides, quand l'erreur se propage uniquement à cause de la récursivité du filtre à long terme. gt est égal à :
- gP_FEc, valeur du gain de pitch de la trame précédente pour les trames non reçues,
- gp pour les trames valides. Ensuite, un module 213 calcule à partir des valeurs de la fonction xt(ή) fournies par le module 212, un paramètre St d'indication d'erreur. Pour une trame valide, un comparateur 214 vérifie si le paramètre S1 ne dépasse pas un certain seuil S0. En cas de dépassement et si le gain gp de pitch décodé est supérieur à 1 , la valeur de gp est limitée, car dans ce cas il y a risque de saturation du filtre LTP.
Le paramètre St d'indication d'erreur peut être la somme des valeurs de la fonction xt(n), ou bien la valeur maximale, la moyenne ou la somme des carrés de ces valeurs.
Le comparateur 214 est suivi d'un discriminateur 215 apte à déterminer la valeur g't du gain de pitch à appliquer au bloc 1 17 pour la trame en cours, à savoir la valeur ^ de pitch décodée ou une valeur limitée.
Dans le cas où le paramètre S1 dépasse le seuil S0 et si le gain gp de pitch décodé est supérieur à 1 , le gain g\ peut être limité systématiquement à 1 par exemple, quelle que soit l'ampleur du dépassement. Mais on peut également prévoir une limitation plus progressive qui consiste à définir le gain g't comme une fonction linéaire du paramètre S1 de la forme :
g't = g, + (gP- D(S0 - S1)ZS
S étant un coefficient arbitraire permettant d'ajuster la pente de la variation de g\ avec St.
II est également possible de prévoir une limitation du gain par rapport à deux seuils successifs, avec une limitation linéaire entre les deux seuils et une limitation à 1 au-delà du deuxième, comme cela est illustré dans l'exemple suivant.
A titre d'exemple pratique, pour une trame valide, les paramètres LTP, P et gp, sont transmis pour chaque sous-trame de 5 ms contenant 40 échantillons. Le traitement pour éviter la saturation du filtre LTP, objet de l'invention, est également réalisé à la cadence des sous-trames. Le paramètre St d'indication d'erreur, par exemple la somme de la fonction xt(n), est calculé pour chaque sous-trame. La valeur de ce paramètre est limitée à 120, ce qui correspond à une valeur moyenne de 3 : 39
St = min(∑xt(n), 120) i=0
Si le gain de pitch de la sous-trame courante est supérieur à 1 et la valeur de St est supérieure à un seuil de 80, correspondant à une valeur moyenne des échantillons xt(n) supérieure à 2, ce qui montre que l'erreur cumulée est importante, on diminue la valeur du gain de pitch selon l'équation suivante: g', = l + (grl).(120SJ/40
Pour la valeur maximale de St {St = 120) le nouveau gain de pitch sera g't=λ , pour les autres valeurs de St 80 <Si<120, 1 >g't>gt.
Quand la valeur du gain de pitch est modifiée par le procédé décrit ci- dessus, on effectue une mise à jour de la mémoire du signal xt(ή) avec la nouvelle valeur g\.
Au contraire, si le gain de pitch de la sous-trame actuelle est inférieur à 1 ou la valeur de St est inférieure à 80, correspondant à une erreur cumulée dans le filtre de synthèse à long terme faible, on ne modifie pas la valeur du gain de pitch décodée et g't=gt. Finalement, pour générer l'excitation du filtre de synthèse, à la place du gain de pitch décodé on utilise g't :
*d(n) = g't.xd(n-P) + gc(n).c(n)
Dans l'exemple de réalisation présenté ici, le filtre à long terme du codeur est un filtre d'ordre 1. Cependant, si le codeur utilise un filtre à long terme LTP d'ordre N supérieur, comme par exemple pour le codeur G.723.1 , le pseudo-filtre LTP utilisé pour définir la fonction d'indication d'erreur peut être le filtre équivalent d'ordre 1 ou plus avantageusement un filtre identique à celui utilisé dans le codeur, en particulier de même ordre. Pour identifier pendant les trames valides les zones instables où il convient de limiter le gain en cas d'une erreur cumulée importante et pour déterminer l'atténuation nécessaire, on utilise toujours le filtre équivalent d'ordre 1.
Dans le cas où le paramètre St dépasse le seuil S0 et si le gain équivalent ge est supérieur à 1 , le gain g't peut être calculé de la même manière que pour un filtre d'ordre 1. On applique alors le facteur correctif g't/ge aux gains g,- du filtre d'ordre supérieur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de limitation du gain d'excitation adaptative dans un décodeur d'un signal audio codé au moyen d'un codeur comprenant un filtre prédictif à long terme, à la suite d'une perte de trame de transmission entre ledit codeur et ledit décodeur, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes consistant, au décodeur, à : - établir une fonction d'indication d'erreur destinée à fournir des valeurs représentatives de l'erreur accumulée au décodage sur l'excitation adaptative à la suite de ladite perte de trame de transmission, une valeur arbitraire étant affectée audit gain d'excitation adaptative pour la trame perdue,
- calculer au cours du décodage des valeurs de ladite fonction d'indication d'erreur,
- calculer un paramètre d'indication d'erreur à partir desdites valeurs de la fonction d'indication d'erreur,
- comparer ledit paramètre d'indication d'erreur à au moins un seuil donné,
- appliquer une limitation à au moins un gain d'excitation adaptative en cas de comparaison positive si un gain équivalent audit au moins un gain d'excitation adaptative est supérieure à une valeur donnée.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit gain équivalent est le gain gp d'excitation adaptative d'un filtre prédictif à long terme d'ordre 1.
3. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit gain équivalent est le gain équivalent ge d'un filtre prédictif à long terme d'ordre supérieur à 1.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite valeur arbitraire est égale à une valeur du gain d'excitation adaptative déterminée lors de ladite trame perdue par un algorithme de dissimulation d'erreur.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite fonction d'indication d'erreur est de la forme : X1(Ti) = et(n) + ∑ g».xt(n-P+i) iC[-(N-l)/2,(N-l)/2] i où :
- iVest l'ordre du filtre prédictif à long terme, - les gains gΛ sont égaux aux gains d'excitation adaptative dudit filtre prédictif à long terme pour les trames reçues ou aux gains d'excitation adaptative dudit filtre prédictif à long terme dans la trame précédente pour les trames perdues,
- et(n) vaut 0 pour les trames reçues et 1 pour les trames perdues.
- P est la période d'excitation adaptative.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit paramètre d'indication d'erreur est un paramètre représentatif de l'énergie de ladite fonction d'indication d'erreur.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit paramètre représentatif est donné par la somme des valeurs de la fonction d'indication d'erreur.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le gain gp d'excitation adaptative d'un filtre prédictif à long terme d'ordre 1 est limité à la valeur 1 si ledit paramètre d'indication d'erreur est supérieur audit seuil donné.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un facteur correctif est appliqué aux gains g. d'excitation adaptative d'un filtre prédictif à long terme d'ordre supérieur à 1 si ledit paramètre d'indication d'erreur est supérieur audit seuil donné.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit au moins un gain d'excitation adaptative est limité par une fonction linéaire dudit seuil donné si ledit paramètre d'indication d'erreur est supérieur audit seuil.
1 1. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit gain d'excitation adaptative est fourni audit décodeur par un codeur équipé d'un dispositif de limitation de gain.
12. Programme comprenant des instructions enregistrées sur un support lisible par un ordinateur pour mettre en œuvre les étapes du procédé selon les revendications 1 à 11 , lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
13. Décodeur d'un signal audio codé au moyen d'un codeur comprenant un filtre prédictif à long terme, caractérisé en ce que ledit décodeur comprend :
- un bloc (21 1 ) de détection de pertes de trames de transmission,
- un module (222) de calcul de valeurs d'une fonction d'indication d'erreur, représentatives de l'erreur accumulée au décodage sur l'excitation adaptative à la suite de ladite perte de trame de transmission, une valeur arbitraire étant affectée audit gain d'excitation adaptative pour la trame perdue,
- un module (213) de calcul d'un paramètre d'indication d'erreur à partir desdites valeurs de la fonction d'indication d'erreur, - un comparateur (214) dudit paramètre d'indication d'erreur à au moins un seuil donné,
- un discriminateur (215) apte à déterminer en fonction du résultat fourni par le comparateur (214) une valeur d'au moins un gain d'excitation adaptative à utiliser par le décodeur.
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