KR100210444B1 - 대역 분할을 통한 음성신호 부호화 방법 - Google Patents

대역 분할을 통한 음성신호 부호화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음성 부호화기에 적용되는 비균일 표본화용 대역 분할방법에 관한 것으로서 특히, 양자화 오차신호를 이용해서 음성신호를 대역분할하고, 대역 분할된 신호에 대해 비균일 표본화를 적용하는 음성 부호화기이다.
종래의 음성 부호화기에서 비균일 표본화법은 균일 표본화법에서 존재하는 샘플간의 잉여성분을 제거하기 위해 사용하였다. 이 방법은 잡음의 영향으로 낮은 레벨의 음성 파형의 피크-밸리(peak-valley) 갯수를 증가시키기 때문에 음성 데이타 저장율이 증가한다는 단점이 있고 차단 특성이 우수한 저역통과필터를 사용해야하는 제약이 있다.
본 발명에서는, 제2도에 도시한 바와같이 음성신호를 6비트로 양자(201)화 한 다음에 여기서 얻어진 양자화 에러를 이용해서 저역통과 신호를 추출하였다(204). 그리고 이 저역신호에 대해 기존의 비균일 표본화를 적용하여 부호화를 실행함으로써, 저역통과필터를 사용하지 않을 수 있고, 저장되는 데이타율이 감소하기 때문에 실제 전송시에 빠른 전송율과 높은 명료도를 유지하며 음성 데이타 저장율을 높일 수 있도록 하였다.

Description

대역 분할을 통한 음성신호 부호화 방법
본 발명은 음성 부호화기에 적용되는 비균일 표본화용 대역 분할방법에 관한 것으로서 특히, 양자화 오차신호를 이용해서 음성신호를 대역분할하고, 대역 분할된 신호에 대해 비균일 표본화를 적용하는 음성 부호화기이다.
음성 합성기술에서 음성신호를 부호화하는 방법은 데이타 전송율과 압축률을 향상시키는 방법과 재구성된 음성신호의 음질을 향상시키는 방법, 그리고 부호화 또는 복호화 처리과정에서 복잡도를 감소시키는 것에 그 목적을 두고 있다.
알려진 바로는 음성신호를 부호화하는 방법에는 크게 나누어 음성 자체의 반복적이고 불필요한 잉여성분을 제거한 후에 저장하는 합성 방법으로서 파형 부호화법(PCM,DPCM,ADPCM,ADM), 신호원 부호화법, 혼성 부호화법으로 구분되며, 저장 메모리나 전송채널의 대역폭 절약을 위해서는 신호원 부호화법을 사용하고, 명료성과 자연성을 유지하기 위해서는 파형 부호화법을 사용한다.
그러나 균일 표본화법으로는 음성 파형의 잉여성분을 완전히 제거할 수 없기 때문에 전송될 데이타량이 많다는 단점이 있다.
이러한 잉여성분은 음성샘플과 샘플간에 존재하는 상대적으로 높은 상관관계에서 기인하는 것으로 알려져 있다.
그러므로 음성의 저장이나 전송을 위한 데이타량이나 전송률을 줄이기 위해서는 균일 표본화된 샘플에서 존재하는 잉여성분 즉, 샘플과 샘플간의 상관관계가 높고 인지적인 측면에서 영향을 덜 미치는 샘플을 제거해야 한다.
그리고, 음성 인지적 관점에서 음성 샘플의 피크와 밸리점이 매우 중요한 요소로 작용한다.
균일 표본화시에 나타나는 피크-밸리간의 샘플들은 음성인지적 측면에서 불필요한 샘플들로 간주될 수 있다.
따라서, 이 잉여성분을 제거하기 위해서 비균일 표본화법이 고려될 수 있지만, 이 방법은 잡음 환경하에서는 상대적으로 높은 주파수 성분이 갖는 파형의 피크와 밸리가 많아지기 때문에 비균일하게 표본화된 데이타 저장율이 균일하게 표본화된 데이타율과 대등할 정도의 높은 값이 된다.
그런데, 음성을 이루는 대부분의 음소가 갖는 제1포만트 및 제2포만트의 주파수는 2.5kHz 이하에 존재하고, 음성 인지 특성상의 상위 포만트들은 제1및 제2포만트들이 갖는 명료도 특성에 비해 중요성이 낮다고 말할 수 있다.
그러므로, 3차 포만트 이상의 주파수 성분들은 명료도 측면에서 불필요한 잉여성분으로 고려될 수 있다.
명료도를 보존하기 위해서 종래의 비균일 표본화법을 2.5kHz 이하의 저역통과된 신호에 대해서만 적용한다.
이 저역통과된 신호는 원래의 신호보다 파형의 모양이 부드럽게(Smoothing)되기 때문에 이 신호에 대해서 비균일 표본화법을 적용하면 피크-밸리수가 줄어들어서 압축률은 높일 수 있다.
그러나, 저역통과필터를 사용하려면 제3포만트 이상의 경계점을 프레임별로 적응적으로 구해야하고, 또한 차단 특성이 매우 우수한 저역통과필터를 사용해야 하는 부담이 있다.
비균일 표본화법은 지금까지 제안된 음성 부호화기를 위한 균일 표본화법에서 완전히 제거되지 못한 잉여성분을 제거하기 위해 사용하고 있다.
그러나, 비균일 표본화법은 잡음 환경하에서는 압축률의 향상을 기대할 수 없다는 단점을 수반한다.
또, 이런 단점을 보완하기 위해서는 차단 특성이 매우 우수한 저역통과필터를 사용해야 하는 부담이 있다.
본 발명에서는 종래의 저역통과필터를 사용하는 대신에, 양자화 오차를 이용해서 저역통과신호를 추출하고, 이 저역신호에 대해서만 비균일 표본화를 적용하여 부호화를 수행함으로써, 종래의 비균일 표본화보다 월등한 압축률 향상을 확보할 수 있도록 하였다.
즉, 본 발명에서는 음성신호의 상위 포만트성분에 비해 제1및 제2포만트 성분들이 명료도의 측면에서 상위 포만트보다 중요하기 때문에, 이 저역신호를 추출하기 위해서 차단 특성이 우수한 저역통과필터를 사용하는 대신, 양자화시에 나타나는 오차성분을 이용하고, 구해진 저역신호에 대해서만 비균일 표본화법을 적용함으로써, 데이타 저장율을 높이고 높은 명료도를 확보할 수 있는 대역 분할을 통한 음성신호 부호화 방법을 제안한다.
제1도는 본 발명의 구현을 위한 음성 신호 처리 시스템의 블럭 구성도.
제2도는 본 발명의 음성신호 부호화 방법을 구현한 처리 블럭도.
본 발명의 대역분할을 통한 음성신호 부호화 방법은; 음성신호를 양자화하는 제1단계와, 상기 제1단계에서 양자화된 음성신호의 저차 포만트를 포함하는 양자화 오차(QL) 및 고차 포만트를 포함하는 양자화오차(QH)를 구하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 구한 저차 포만트를 포함하는 양자화 오차(QL)에서 신호의 에너지가 우세한 저역 포만트 성분(WL)을 구하는 제3단계와, 상기 제3단계에서 구한 에너지가 우세한 저역 포만트 성분(WL)을 상기 제2단계에서 구한 고차 포만트를 포함하는 양자화오차(QH)에 가산하여 저역통과된 신호 SL(n)=QH+WL를 구하는 제4단계와, 상기 제4단계에서 구한 저역통과된 신호 SL(n)에 대하여 비균일 표본화법을 적용하여 부호화를 실행하는 제5단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 대역 분할을 통한 음성신호 부호화 방법이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 상기 음성신호 부호화 방법을 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명을 실현하기 위한 음성신호 처리 시스템의 구성을 도면 제1도를 참조하여 설명한다.
제1도를 참조하면, 음성을 전기적인 음성신호로 변환하기 위한 마이크(1)와, 상기 마이크(1)로 입력된 음성신호를 증폭하는 증폭기(2)와, 상기 증폭기(2)로 증폭된 음성신호를 필터링하는 저역통과필터(3)와, 상기 저역통과필터(3)에서 출력된 음성신호를 디지탈 신호로 변환하는 아날로그 디지탈 변환기(4)와, 상기 변환된 디지탈 신호를 마이크로 프로세서에서 처리하기 위하여 입력하는 입력포트(5)와, 상기 입력포트(5)로 입력된 음성데이타를 처리하는 마이크로 프로세서(6)와, 상기 마이크로 프로세서(6)에서 처리된 음성 데이타가 저장되는 메모리(7)와, 상기 마이크로 프로세서(6)에서 출력된 음성데이타를 전송채널로 전송하기 위한 입출력포트(8)와, 상기 마이크로 프로세서(6)에서 처리된 음성 데이타의 출력포트(9)와, 상기 출력포트(9)로 출력된 음성 데이타를 아날로그 신호로 변환하는 디지탈 아날로그 변환기(10)와, 상기 변환된 아날로그 음성신호를 필터링하는 저역통과필터(11)와, 상기 저역통과필터(11)에서 출력된 음성신호를 증폭하는 증폭기(12)와, 상기 증폭된 음성신호를 가청 주파수 대역의 음성으로 출력하는 스피커(13)로 구성된다.
마이크(1)로 입력된 음성은 전기적인 신호로 변환되어 증폭기(2)에서 소정의 증폭도로 증폭된다.
증폭기(2)에서 증폭된 음성신호는 의사 전달 정보 성분만 필요로 하기 때문에 저역통과필터(3)를 통과하여 4kHz 이상 주파수 성분을 제거하고, 아날로그 디지탈 변환기(4)에서 8kHz의 클럭으로 샘플링되고 전화(Telephone) 음질을 기준으로 하기 위해서 12비트의 양자화 레벨로 디지탈 변환된다.
디지탈 음성 데이타는 입력포트(5)를 통해서 마이크로 프로세서(6)에 입력되어 부호화 처리되고, 이와같이 처리된 데이타는 메모리(7)에 저장하거나 또는 입출력포트(8)를 통해서 전송채널로 전송된다.
한편, 상기 메모리(7)에서 읽어낸 마이크로 프로세서(6)에서 처리된 음성데이타 또는 입출력포트(8)를 통해 입력된 데이타를 사용해서 복호화 처리가 완료된 합성 음성신호는 잘 처리되었는지를 확인하기 위하여, 출력포트(9)를 통해서 디지탈 아날로그 변환기(10)에 입력된다.
디지탈 아날로그 변환기(10)는 8kHz의 클럭신호로 상기 디지탈 음성 데이타를 아날로그 음성신호로 변환하고, 저역통과필터(11)를 통과시켜 고조파성분을 제거한 기본 대역의 신호만 필터링한 다음 증폭기(12)를 통해서 증폭하여 스피커(13)로 출력한다.
도면 제2도는 상기한 음성 데이타 처리시의 음성 부호화를 위한 블럭도로서, 양자화 에러를 이용한 저역성분의 추출과 이 추출된 저역성분에 대하여 기존의 비균일 표본화법을 적용하여 음성신호 부호화를 수행하는 것을 보여주고 있다.
M비트로 선형 양자화된 음성신호S(n)를 N비트로 양자화하는 제1양자화수단(201)과, 상기 제1양자화수단(201)의 출력과 음성신호S(n)를 연산하는 제1연산수단(202)과, 상기 제1연산수단(202)의 출력에서 저역신호를 검출하는 저역신호 검출수단(203)과, 상기 저역신호 검출수단(203)의 출력과 제1양자화수단(201)의 출력을 연산하여 저역통과필터링된 음성데이타를 출력하는 제2연산수단(204)과, 상기 제2연산수단(204)의 출력을 입력받아 피크-밸리를 검출하는 피크-밸리 검출수단(205)과, 상기 피크-밸리 검출수단(205)의 출력을 양자화하여 출력하며 전송채널(CHANNEL)에 연결되는 제2양자화수단(206)과, 상기 전송채널에 연결되고 또 제2양자화수단(206)의 출력을 입력받아 역양자화하는 역양자화수단(207)과, 상기 역양자화수단(207)의 출력을 입력받아 피크-밸리를 복원해주는 피크-밸리 복원수단(208)과, 상기 피크-밸리 복원수단(208)의 출력을 입력받아 코사인 인터폴레이션(Interpolation)을 수행하여 음성 복호를 수행하는 코사인 인터폴레이션수단(209)과, 상기 제1연산수단(202)의 출력과 인터폴레이션수단(209)의 출력을 연산하는 제3연산수단(210)과, 상기 제3연산수단(210)의 출력을 입력받아 해밍 윈도우 함수처리를 수행하는 윈도우 처리수단(211)과, 상기 윈도우 처리수단(211)의 출력을 입력받아 FFT변환을 수행하여 중심 주파수의 스펙트럼 레벨을 출력하는 FFT변환수단(212)과, 상기 FFT변환수단(212)의 출력 리프터(213)와, 상기 리프터(213)의 출력 레벨을 검출하는 레벨 검출수단(214)과, 상기 레벨 검출수단(214)의 출력을 양자화하여 출력하며 전송채널에 연결되는 제3양자화수단(215)과, 상기 리프터(213)의 출력으로부터 최적 코드워드를 전송채널에 출력하는 코드북수단(216)을 포함하여 구성된다.
이와같이 구성된 음성 부호화기의 동작은 다음과 같이 이루어진다.
주어진 음성신호를 M비트로 선형 양자화한 음성신호S(n)가 제1연산수단(202)과 제1양자화수단(201)에 입력된다.
제1양자화수단(201)은 입력된 음성신호S(n)를 N비트로 양자화하여 제2연산수단(204)과 제1연산수단(202)에 입력한다.
제1연산수단(202)에서는 양자화수단(201)의 출력과 음성신호S(n)로부터 저역신호 검출수단(203)을 통해서 저역성분이 추출되게 하고, 이 저역성분은 제2연산수단(204)에서 양자화수단(201)의 출력과 연산되어 음성신호를 M-N비트로 부호화할때 발생하는 저역특성을 갖는 음성신호의 양자화 에러를 이용한 저역통과신호가 추출된다.
이 과정을 보다 상세하게 살펴본다.
먼저, 제1양자화 수단(201)에서 양자화 오차를 다음과 같이 구한다.
음성신호S(n)는 음성신호를 M-N비트로 부호화할때 발생하는 저역특성을 갖는 음성신호의 양자화 오차 QL(저차 포만트를 포함한다)와 고차 포만트를 포함한 양자화 오차QH의 합(S(n)=QL+QH)으로 표현되고, 양자화 오차에는 신호의 에너지가 우세한 성분WL과 미약한 성분WH의 합(QL=WL+WH)으로 표현된다.
그러므로, 양자화된 음성신호 S(n)를 12비트라고 가정하고 6비트의 양자화 오차신호를 구할 때 26의 범위내, 즉 양과 음의 부분을 포함하는 64개의 레벨에서만 신호가 존재하게 된다.
원 신호가 이 범위를 넘는다면 강제적으로 범위의 값을 감산함으로써 상기 64개 레벨내에 존재하게 만들며, 범위를 넘지 않는다면 64레벨 이내에서 신호가 존재하도록 한다.
이렇게 하여 저역특성의 양자화 오차(QL), 즉 저차 포만트를 포함하는 양자화 오차(QL)를 구하고, 이 양자화 오차(QL)와 음성신호 S(n)와의 차에 의해서 고차 포만트를 포함하는 양자화 오차(QH)를 구할 수 있다.
그런데, 유성음 파형의 경우에는 낮은쪽 포만트는 높은쪽 포만트에 비해 에너지가 아주 크기 때문에 에너지가 우세한 저역 포만트 성분WL은 QL의 최대 진폭을 유지하게 된다.
한편, 에너지가 낮은 고역 포만트 WH들은 QL의 진폭범위내에서 파형의 빠른 변화를 이루게 된다.
그러므로, 에너지가 우세한 저차의 포만트 성분을 QL에서 분리하여 QH에 더하면 저역통과된 신호SL(n)=QH+WL이 얻어지게 되는 것이다.
즉, 상기 제1양자화 수단(201)에서 구한 양자화 오차(QH)와 음성신호 (S(n)=QL+QH)의 차를 제1연산수단(202)에서 구하면 저차 포만트를 포함하는 양자화 오차(QL)를 구하게 되고, 이 저차 포만트를 포함하는 양자화 오차(QL=WL+WH)신호를 저역신호 검출수단(203)을 통과시킴으로써 에너지가 우세한 저차의 포만트 성분 (WL)을 분리하게 되며, 이렇게 분리된 저차의 포만트 성분(WL)을 상기 제1양자화 수단(201)의 고차 포만트를 포함하는 양자화 오차(QH)에 제2연산수단(204)을 이용해서 가산함으로써 저역통과된 신호 SL(n)=QH+WL를 구하게 되는 것이다.
여기서 저역신호 검출수단(203)은 음성 성분들을 모두 더하고 더한 샘플수만큼 나누는 방식으로 음성신호를 평균화 하는 것과 같은 역할을 수행함으로써 저역신호 성분을 검출한다.
이와같이 저역통과된 신호 SL(n)=QH+QL는 피크-밸리 검출수단(205)에서 피크-밸리값이 검출되고(Mag(.), Itra(.)), 제2양자화수단(206)에 의해서 양자화되어 그 결과(GL,Gi)가 전송채널(CAHNNEL)과 역양자화수단(207)으로 입력된다.
역양자화수단(207)에서 역양자화된 결과는 Mag(.)', Intr(.)'로서 피크-밸리 복원수단(208)에 의해서 SL(n)으로 복원되고 인터폴레이션 수단(209)에 의해서 코사인 인터폴레이션되어 출력(Si(n))된다.
이 결과는 제3연산수단(210)에서 제1연산수단(202)의 출력과 연산되어 잉여 스펙트럼성분에 의한 최적 코드워드와 스펙트럼 레벨로부터의 양자화 파라미터를 구하기 위한 값 SH(n)으로 윈도우 처리수단(211)에 입력된다.
잉여신호의 주요성분은 3차 이상의 포만트 성분으로 구성된다.
일반적으로 고차 포만트의 진폭 스펙트럼은 제1또는 제2포만트의 것보다 대역폭이 넓은 편이고 또 포만트의 위상은 음성의 명료성에 기여하지 못하기 때문에, 제3차 이상의 포만트에 자연성을 유지하기 위하여 이들 포만트들이 준불규칙 가우시안 잡음이라기 보다는 준색잡음에 가까운 특성을 가지므로 잉여신호를 16개의 가우시안 색잡음으로 구성하였다.
그리고, 이들의 중심 주파수(K0)는 2.75kHz에서 3.8kHz 까지 75kHz의 주파수 대역을 갖도록 균일하게 분포시켰다.
CELP디코더와는 다르게 최적의 코드워드는 잉여신호의 스펙트럼과 가우시안 색잡음의 스펙트럼간을 스펙트럼 매칭법으로 찾게된다.
즉, 윈도우 처리수단(211)에 의해서 상기 제3연산수단(210)의 출력에 대한 해밍 윈도우(Hamming Window) 함수 처리된 결과는 FFT변환수단(212)에 의해서 스펙트럼 레벨(M)을 출력하고, 이 것을 리프터(Lifter: fp＞2.5kHz)(213)를 거쳐서 잉여 스펙트럼SH(k)으로부터 코드북수단(216)에서 최적 코드워드Hi를 찾아 다른 파라미터들과 함께 복호화단으로 전송하게 된다.
이때 잉여 스펙트럼의 진폭은 분석 프레임에서 레벨 검출수단(214)의 출력을 제3양자화수단(215)이 양자화하여, 그 중심 주파수의 스펙트럼 레벨을 계산함으로써 얻어지게 된다.
즉, SH(k)=S(k)-S'L(k), MH=SH(k0), k0는 스펙트럼 코드북(216)의 최적 코드워드의 중심주파수이고, 스펙트럼 MH는 양자화수단(215)에서 파라미터 GH로 양자화되어 복호화단에 전송되는 것이다.
상기한 본 발명에 사용된 음성시료는 8kHz의 표본화율로 표본화하고, 표본당 16비트로 부호화하여 저장하였다.
본 발명은 제1포만트 및 제2포만트를 유지하면서도 압축률을 향상시키기 위해서 양자화 오차를 보상하는 방법으로 저역통과필터를 사용하지 않고 저역신호를 추출하였고, 이 신호에 대해서만 기존의 비균일 표본화를 적용하였다.
그리고 3차 이상의 고차 포만트들은 16가지의 가우시안 준색잡음으로 모델링하였다.
또, 음소의 균형을 이룬 한국어 문장으로 실험을 수행하였을 때, 64kbps μ-law PCM을 기준으로한 기존의 비균일 표본화법은 2.79배의 압축률을 얻었다.
그러나, 본 발명에서 수행한 방법에 의하면 고음질을 유지함과 동시에 5.23배의 압축률을 얻어 2.4배의 향상된 압축률을 얻는 장점이 있다.

Claims (1)

  1. 음성신호를 양자화하는 제1단계와, 상기 제1단계에서 양자화된 음성신호의 저차 포만트를 포함하는 양자화오차(QL) 및 고차 포만트를 포함하는 양자화오차(QH)를 구하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 구한 저차 포만트를 포함하는 양자화 오차(QL)에서 신호의 에너지가 우세한 저역 포만트 성분(WL)을 구하는 제3단계와, 상기 제3단계에서 구한 에너지가 우세한 저역 포만트 성분(WL)을 상기 제2단계에서 구한 고차 포만트를 포함하는 양자화오차(QH)에 가산하여 저역통과된 신호 SL(n)=QH+WL를 구하는 제4단계와, 상기 제4단계에서 구한 저역통과된 신호 SL(n)에 대하여 비균일 표본화법을 적용하여 부호화를 실행하는 제5단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 대역 분할을 통한 음성신호 부호화 방법.
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