KR100263298B1 - 음성부호화기에서 양자화 오차의 상관관계 특성을 이용한피치 검색 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디지털 음성통신에서 음성을 압축시키는 CELP형 음성 부호화기의 피치 검색 시간을 단축시킬 수 있는 양자화 오차의 상관 관계 특성을 이용한 피치 검색 방법에 관한 것이다.

기존의 CELP형 음성 부호화기에서는 피치 검색을 폐루프 구조의 순차 검색 방법을 사용함으로써 총 부호화 처리시간의 약 50% 정도를 차지하는 것에 비해, 본 발명은 입력 음성신호의 양자화 오차신호를 정규화한 후 데시메이션 과정을 거쳐 자기상관 관계식을 구하여 양의 봉우리를 이루는 구간만을 예비 피치 구간으로 선택하고, 예비 피치 구간에 대해서만 피치 검색을 수행하므로써 피치 검색 시간을 절약할 수 있는 피치 검색 방법이다.

실제 음성에 대해 본 발명에서 제안한 피치 검색 방법을 사용하여 CELP 부호화를 수행하였을 때, 순차 피치 검색에 비해 객관적인 예측 이득이 평균 -0.10 dB로 저하되었으나, 피치 검색 시간은 순차 피치 검색 방법에 비해 약 40.6% 단축되었다. 이러한 음질의 열화는 주로 무성음 구간에서 발생하는 값이기 때문에 순차 피치 검색에 비해 주관적인 음질의 열화를 느끼지 못하였다.

Description

음성 부호화기에서 양자화 오차의 상관 관계 특성을 이용한 피치 검색 방법

본 발명은 코드 선형 예측 부호화(CELP: code excited linear prediction; 이하, CELP이라 함) 보코더 방법에 관한 것으로, 특히 보코더의 처리시간에서 50% 정도를 차지하는 피치 검색 과정에 대해 음질의 열화를 최소화하면서 피치 검색 시간을 줄일 수 있는 음성 부호화기에서 양자화 오차의 상관 관계 특성을 이용한 피치 검색 방법에 관한 것이다.

CELP 보코더 방법은 전송율을 4.8 kbps 이하로 낮출 수 있으며, 오류 정정용 부가 코드와 함께 전송하게 되면 전송 잡음에도 강인한 부호화 방법이 된다. 또한 상기 부호화 방법은 합성에 의한 분석 방법을 적용하여 최적의 음질이 유지되도록 반복적으로 분석하기 때문에 주어진 저 전송율에서 음질이 우수하다. 그러나, CELP 보코더 방법은 매번 음성을 합성해서 비교해야 하므로 복잡한 구조를 갖게 되며, 특히 부호화 시에 계산량을 많이 요구하게 된다. 이와 같이 처리시간이 많이 소요되면 저가형 정수처리 디지털 신호 처리(DSP) 칩으로 실시간 처리가 어려워져서 비용이 높아진다. 또한, 보코더의 처리과정이 복잡하면 이에 비례적으로 전력소모가 증가하기 때문에 휴대전화기 등에서 건전지의 사용 시간이 감소하게 된다.

일반적으로, 음성신호를 메모리에 저장하거나 전송하기 위한 음성 부호화 방법에는 크게 파형 부호화 방법, 신호원 부호화 방법, 혼성 부호화 방법 등이 있다. 이들 중에서 혼성 부호화 방법은 신호원 부호화 방법의 메모리 효율성과 고음질의 파형 부호화 방법을 결합시킨 것이다.

혼성 부호화 방법에서 포만트 정보는 보통 선형 예측 부호화 방법으로 부호화하게 되고, 그 나머지 잔여 신호를 어떻게 부호화 하느냐에 따라 RELP법, VELP법, MPLP법, CELP법 등이 제안되어져 있다. 혼성 부호화 방법들 중에서도 최근 이동 및 휴대통신용 부호화 방법으로 채택되고 있는 것은 CELP 보코더 방법이다.

도 2는 CELP형 음성 부호화기의 블럭도이다. 포만트 합성필터(22)는 10차의 LPC 전극형 구조가 일반적으로 적용된다. LPC 계수는 양자화 시에 왜곡이 크기 때문에 LSP 계수로 변환되어 부호화되고, 복호화 시에 다시 LPC 계수로 변환시킨다. LPC 계수들은 보통 20ms의 한 프레임마다 부호화하고, 인터폴레이션을 통해 5ms의 각 프레임마다 다르게 공급해준다. 여기원 파라미터 또한 매 5ms 부프레임마다 새롭게 바꾸어 준다.

전형적인 CELP 보코더는 2개의 여기원을 사용한다. 첫 번째는 장기(피치) 예측 상태 또는 적응 코드북에서(21) 취하고, 나머지 잔여 여기신호는 불규칙 코드북에서(20) 취한다. 저 전송율의 경우에 코드북의 코드워드는 128개 정도이다. 이들 2개의 여기원은 그들에 해당하는 이득항이 곱해진 다음에 합해진다. 이것은 결합된 여기 시퀀스가 된다. 각 프레임의 여기 출력은 다음 부프레임에서 활용할 수 있도록 적응 코드북의 장기 예측 필터 상태를 바꾸는데 적용된다.

CELP 보코더의 부호화 방법에서는 포만트 정보가 걸러지고 남은 잔여 신호에 대해 벡터 양자화 방법을 적용하여 부호화 하기 때문에 잔여 신호성분 전송에 적용되는 데이터는 코드북의 인덱스가 된다. 따라서 전송율을 4.8 kbps 이하로 낮출 수 있으며, 이러한 파라미터를 오류 정정용 부가코드와 함께 전송하면 전송잡음에도 강인한 부호화 방법이 된다. 또한, 상기 부호화 방법은 합성에 의한 분석법을 적용하여 최적의 음질이 유지되도록 반복적으로 분석하기 때문에 주어진 저 전송율에서 음질이 우수하다. 그러나 CELP 보코더는 매번 음성을 합성 및 비교해서 에러가 최소가 될 때를 찾아야 하므로 복잡한 구조를 갖는다(23). 특히 부호화 시에 계산량을 많이 요구하는데, 피치 필터의 계수를 구하는 과정과 불규칙 코드북에서 입력 여기신호를 검색하는 과정에서 대부분의 계산시간을 소요하게 된다. 처리시간이 많이 소요되면 저가형 정수처리 디지털 신호 처리(DSP) 칩으로 실시간 처리가 어려워져서 비용이 높아진다. 또한 보코더의 처리과정이 복잡하면 이에 비례적으로 전력소모가 증가하기 때문에 휴대전화기 등에서 건전지의 사용시간이 감소하게 된다는 단점을 갖게 된다.

음성 부호화를 하는 주된 목적은 부호화를 통해 전송율이나 데이타 저장율을 낮추고, 그리고 부호/복호화시에 처리과정의 복잡도를 줄이는데 있다. 일반적인 부호화 방법들 중에서 혼성 부호화 방법은 신호원 부호화 방법의 메모리 효율성과 고음질의 파형 부호화 방법을 결합시킨 것이다. 이들 혼성 부호화 방법들 중에서도 최근 이동 및 휴대통신용 부호화법으로 채택되고 있는 것은 CELP 부호화 방법이다. 그렇지만, CELP 부호화 방법은 매번 음성을 처리할 때마다 음성을 합성해서 비교하는 과정을 수행하는데, 특히 부호화 시에 많은 계산량을 요구한다. 부호화 시에 피치필터의 계수를 구하는 과정과 불규칙 코드북에서 입력 여기신호를 검색하는 과정에서 대부분의 계산시간을 소요하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 피치 검색 시에 기존의 순차 검색 방법 대신에 입력 음성신호의 양자화 오차신호에 대해 저역 성분만을 추출하여 데시메이션과 간단한 상관 관계 함수를 통해 얻어진 상관 관계 값 중에서 양의 봉우리를 이루는 구간을 예비피치 구간으로 선택하고, 예비 피치 구간에 대해서만 피치 검색을 수행하여 피치 검색 시간을 절약할 수 있는 음성 부호화기에서 양자화 오차의 상관 관계 특성을 이용한 피치 검색 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상기 입력 음성신호의 양자화 오차신호를 계산하는 단계와, 상기 오차신호의 저역신호를 추출한 후 일정한 범위를 갖도록 정규화 한 후 데시메이션 과정을 수행하는 단계와, 상기 정규화된 양자화 오차에 대해 자기 상관 함수를 구하여 그 값의 파형이 양의 봉우리를 나타내는 구간을 예비 피치 구간으로 정하고 상기 예비 피치 구간에 대해서만 피치 검색을 수행하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 피치 검색 방법을 설명하기 위해 도시한 개념도.

도 2는 CELP형 음성 부호화기의 블록도.

도 3은 본 발명에서 각 처리과정의 신호 파형도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

s(n): 입력 음성 신호

x(n): 입력 음성에서 포만트 합성 필터의 영 입력 응답 신호를 뺀 후 인지 가중화한 신호

W(z): 인지 가중화 필터(Weighting Filter)

A(z): 포만트 필터(Formant Filter)

ZIR of 1/A(z): 포만트 합성 필터의 영 입력 응답

yL(n): 합성된 음성

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 피치 검색 방법을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.

먼저, 음성 신호를 양자화한 후 발생하는 오차를 계산하고(10), 양자화 오차에 대하여 저주파성분만을 얻어 낸다. 얻어낸 결과 파형에 대하여 일정한 범위를 갖도록 정규화한 후에 데시메이션을 수행한다. 이러한 정규화된 양자화 오차에 대하여 자기 상관함수를 수행한다(11). 이때 자기상관함수를 구하는 과정에서 상관함수값이 음의 값을 갖는 구간에 대해서는 건너뛰는 스키핑기법을 적용하여 피치 검색을 수행한다(12). 이와 같이 본 발명은 크게 양자화 에러 계산, 데시메이션 부분과 에러를 정규화 하는 부분 그리고 상관함수를 구하는 부분으로 나뉠 수 있다.

본 발명의 동작의 이해를 쉽게 위해 일반적인 CELP형 음성 부호화기에서의 피치 파라미터를 구하는 과정을 알아보면 다음과 같다.

CELP 보코더에서는 각 피치 프레임에 대해 피치 필터의 피치 지연 L과 이득 b를 결정해야만 한다. 이를 구하기 위해 포만트 필터의 LSP 인터폴레이션은 해당 프레임마다 수행된다. 피치 파라미터를 선택하는데 적용되는 방법은 합성에 의한 분석법이며, 부호화는 도 3(a)의 입력 음성과 합성된 음성간의 가중된 오차를 최소화 하는 파라미터를 선택하는 과정이다. 피치필터의 전달 특성은 다음 [수학식 1]과 같다.

피치 검색을 위해 평균 자승 오차를 구하면 다음 [수학식 2]와 같다.

여기서, x(n)은 인지 가중화된 음성신호이고, y_L(n)은 피치 필터의 이득 b=1일 때 피치 지연 L번째의 코드 벡터로 인지 가중화하여 합성한 음성으로 다음 [수학식 3]과 같다.

y_L(n)=h(n)^*P_L(n), 0≤n≤L_p-1

여기서, h(n)은 현재의 부프레임에서 포만트 필터의 임펄스 응답이다. 또한 피치 적응 코드북은 이전 프레임과의 관계 때문에 그 피치지연 관계는 다음 [수학식 4]와 같다.

P_L(n)=p(n-L)=P_L-1(n-1), 17≤L≤143

평균 자승 오차를 최소화 하는 검색과정은 피치 지연 L이 허용되는 모든 범위에 대해 반복해야 한다. 지금까지 피치 검색의 개선을 위해 제안된 방법들은 확장 적응코드북 구조, 델타 피치검색 구조, 상관 관계 특성법 등이 있는데, 이들은 보통 피치 주기의 검색시 인근 피치 주기간의 상관 관계를 이용하여 피치 검색 시간을 줄이는 방법을 사용하고 있다.

본 발명에서는 완전한 피치 검색을 수행하기 전에 상관 관계가 높은 구간을 양자화 오차신호를 데시메이션한 다음에 양의 상관 관계를 갖는 구간에 대해서만 피치 검색을 수행하는 방법을 제안 한다. M비트로 선형 양자화된 음성신호 s(n)은 다음 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, Q_L은 음성신호를 (M-N)비트로 부호화할 때 발생하는 양자화 오차이다.

유성음 파형의 경우에 낮은 쪽 포만트는 높은 쪽의 포만트에 비해 에너지가 아주 높다. 따라서, 도 3(b)와 같이 에너지가 우세한 기본주파수와, 제 1 및 제 2 포만트 성분들은 Q_L의 최대 진폭을 유지하게 된다. 한편, 에너지가 낮은 고차의 포만트들은 Q_L의 진폭범위 내에서 파형의 빠른 변화를 이루게 된다. 양자화 오차 Q_L의 또 다른 특징은 진폭변화의 범위가 2N-1 이내로 제한되어 정규화된 진폭특성을 얻게 된다는 점이다. 이것은 시간영역에서 파형진폭의 변동에 따른 피치주기 검색에 미치는 영향을 감소시킬 수 있게 된다. 양자화 오차 Q_L을 사용하여 저역 특성이 강한 제 1 및 제 2 포만트 위주의 정규화된 파형을 추출하여 도 3(c)에 나타내었다. 이 정규화된 파형을 사용하여 예비피치를 구하려면 먼저 주기성 강조를 수행해야 한다. 주기성 강조법에는 자기상관관계법, AMDF법, 확률분포도법 등이 제안되어져 있으나, 본 발명에서는 다음 [수학식 6]과 같이 자기 상관관계법을 적용하였다.

여기서, fr은 프레임 길이, L은 시간 지연값, s(n)은 저대역 신호를 각각 나타낸다.

검출된 주기신호가 두 가지 레벨만을 갖기 때문에 다음 [수학식 7]과 같이 파형의 부호 파악만으로 자기 상관함수 값을 계산할 수 있게 된다.

여기서, C는 양자화 오차의 최대값에 대한 제곱을 나타낸다. 자기상관함수를 계산한 예를 도 3(d)에 나타내었다.

이처럼 양자화 오차에 대한 상관관계를 구하기 위해 곱셈대신에 덧셈을 수행하여도 DSP(디지탈 신호 처리) 칩으로는 계산량이 줄어들지 않는다.

따라서, 본 발명에서는 상관관계 함수식을 적용하기 전에 다음과 같은 데시메이션과정을 수행하였다. 양자화 오차의 저역신호를 1/3의 정규펄스 간격이 되도록 데시메이션을 수행하여, fr=183(143+40)일 때 이 시퀀스의 길이가 61이 되도록 다음 [수학식 8]과 같이 3가지로 나눈다.

여기서, m은 데시메이션의 시점을 나타낸다.

데시메이션 된 3가지의 신호 중에서 양자화 오차의 저대역 특성을 잘 나타내는 것은 진폭이 동일하기 때문에 영 교차율이 일치하는 것이 된다. 따라서 양자화 오차의 저대역신호가 갖는 영 교차율에 가장 근접하는 데시메이션 시점 m을 선택하여 최적으로 데시메이션된 신호를 구하게 된다. 이 신호에 대해 다음 [수학식 9]와 같이 상관관계 값을 계산하면 계산량이 1/9로 줄어들게 된다.

이렇게 하여 찾은 시간지연에 따른 상관관계 값에서 피치 검색구간을 사전에 결정할 수 있게 된다. 상관관계 파형의 봉우리가 양의 값을 나타내는 구간에 대해서 완전한 피치검색을 수행하게 되면, 음양의 봉우리가 교대로 나타날 확률이 50%이기 때문에 검색시간을 약 50% 정도로 절약할 수 있게 된다. 더 필요하다면 양의 봉우리 정점을 기준으로 전후 각각 3표본 정도에 대해서만 수행하게 되면, 양의 봉우리가 평균 6.4개 정도 나타나기 때문에 완전 검색에 비해 30% 정도의 피치 검색시간만 필요로 하게 된다.

상술한 바와 같이 실제 음성에 대해 본 발명에 따른 피치 검색을 사용하여 CELP 부호화를 수행하였을 때, 순차 코드북 검색에 비해 객관적인 예측 이득이 평균 -0.10 dB로 저하되었으나, 피치 검색 시간은 순차 피치 검색 방법에 비해 약 40.6% 단축되었다. 이러한 음질의 열화는 주로 무성음 구간에서 발생하는 값이기 때문에 순차 피치 검색에 비해 주관적인 음질의 열화를 느끼지 못하였다.

또한, 이동 통신용 개인 휴대폰의 음성 압축 알고리즘에서 전체 처리 시간의 50%를 차지하는 피치 검색 시간을 단축 시킴으로써 계산 시간을 줄이는 효과를 가져와 개인 휴대폰의 건전지 사용시간을 늘일 수가 있다. 따라서 개인 휴대 통신 분야에서 대외 경쟁력을 가질 수 있는 큰 장점이 된다.

Claims (2)

1. 입력 음성 신호와 합성된 음성 간의 가중된 오차를 최소화하는 피치 파라미터를 구하는데 있어서,

   상기 입력 음성신호의 양자화 오차신호를 계산하는 단계와,

   상기 오차신호의 저역신호를 추출한 후 일정한 범위를 갖도록 정규화 한 후 데시메이션 과정을 수행하는 단계와,

   상기 정규화된 양자화 오차에 대해 자기 상관 함수를 구하여 그 값의 파형이 양의 봉우리를 나타내는 구간을 예비 피치 구간으로 정하고 상기 예비 피치 구간에 대해서만 피치 검색을 수행하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 음성 부호화기에서 양자화 오차의 상관 관계 특성을 이용한 피치 검색 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 자기상관함수를 구하는 방법은 상기 상관함수 값이 음의 값을 갖는 구간에 대해서는 건너뛰는 스키핑 기법을 적용하여 피치 검색을 수행하는 것을 특징으로 하는 음성 부호화기에서 양자화 오차의 상관 관계 특성을 이용한 피치 검색 방법.

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