KR100355383B1 - 광대역 음성 신호 압축을 위한 선택적 부호화 장치 및 그방법 - Google Patents

광대역 음성 신호 압축을 위한 선택적 부호화 장치 및 그방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광대역 음성 신호 압축을 위한 선택적 부호화 장치 및 그 방법을 개시한다. 본 발명에 의한 선택적 부호화 장치는, 입력 음성 신호를 소정 단위의 시간 영역의 밴드들로 분리하는 변환부, 각 밴드의 제곱 평균의 제곱근값을 계산하는 제곱 평균의 제곱근 계산부, 계산된 각 밴드의 제곱 평균의 제곱근값을 분석하여 각 밴드의 양자화를 위한 스텝 크기를 결정하는 스텝 크기 결정부; 변환부에서 분리된 각 밴드의 특성을 분석하여 스텝 크기에 근거하여 밴드별로 시간 영역 또는 주파수 영역에서 양자화한 결과를 선택하는 양자화부; 및 선택된 양자화된 결과를 허프만 부호화하는 허프만 부호화부를 포함한다.

Description

광대역 음성 신호 압축을 위한 선택적 부호화 장치 및 그 방법{Selective encoding apparatus and method for wideband speech coding}
본 발명은 음성 부호화에 관한 것으로, 특히 광대역 음성 신호 압축을 위한 선택적 부호화 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
음성 통신의 응용 분야가 다양해짐에 따라 고품질의 음성 통신에 대한 필요성이 크게 부각되고 있다. 이는 기존의 8kHz로 샘플링된 4kHz 대역폭을 갖는 협대역 음성 신호가 아니라, 16kHz로 샘플링된 8kHz 대역폭을 갖는 광대역 음성 신호의 전달을 요구한다. 따라서, 광대역 음성 신호의 효율적인 통신을 위해 음성 신호를 16kHz로 샘플링하고, 이를 약 24kps 정도로 압축하는 음성 신호 압축장치가 필요하다.
광대역 음성 신호 압축장치는 기존의 협대역 음성 신호 압축장치보다 전송률이 증가하지만, 음질을 크게 개선시켜 고품질의 음성 통신 서비스를 제공하고, 음성 이외에 음악 등의 다양한 종류의 신호도 큰 음질 저하없이 효율적으로 전달할 수 있게 할 것이다. 따라서, 광대역 음성 신호 압축장치의 개발을 통해 최근 많은 수요가 발생하고 있는 음악 전송 서비스를 매우 한정된 전송률을 갖는 네크워크에서 가능케 할 것이다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 밴드별 신호의 특성에 따라 밴드별로 시간 영역 또는 주파수 영역에서 양자화한 결과를 선택적으로 이용함으로써, 광대역 음성 신호를 보다 적은 비트 수로 효과적으로 압축시키는, 광대역 음성 신호 압축을 위한 선택적 부호화 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 음성 부호화 장치의 개략적인 블럭도이다.
도 2는 도 1에 도시된 양자화부의 바람직한 실시예에 따른 블럭도이다.
도 3은 스텝 크기 패턴의 일 예이다.
도 4는 양자화될 밴드별 시간 신호 및 주파수 신호를 나타낸다.
도 5는 시간 영역 및 주파수 영역에서 양자화된 밴드별 비트 수를 나타낸다.
상기 과제를 이루기 위하여, 본 발명에 의한 광대역 음성 신호 압축을 위한 선택적 부호화 장치는, 입력 음성 신호를 소정 단위의 시간 영역의 밴드들로 분리하는 변환부, 각 밴드의 제곱 평균의 제곱근값을 계산하는 제곱 평균의 제곱근 계산부, 계산된 각 밴드의 제곱 평균의 제곱근값을 분석하여 각 밴드의 양자화를 위한 스텝 크기를 결정하는 스텝 크기 결정부, 변환부에서 분리된 각 밴드의 특성을 분석하여 스텝 크기에 근거하여 밴드별로 시간 영역 또는 주파수 영역에서 양자화한 결과를 선택하는 양자화부 및 선택된 양자화된 결과를 허프만 부호화하는 허프만 부호화부를 포함한다.
또한, 상기 과제를 이루기 위하여, 본 발명에 의한 광대역 음성 신호 압축을 위한 선택적 부호화 방법은, (a) 입력 음성 신호를 소정 단위의 시간 영역의 밴드들로 분리하는 단계, (b) 각 밴드의 제곱 평균의 제곱근값을 계산하는 단계, (c) 계산된 각 밴드의 제곱 평균의 제곱근값을 분석하여 각 밴드의 양자화를 위한 스텝 크기를 결정하는 단계, (d) (a) 단계에서 분리된 각 밴드의 특성을 분석하여 스텝 크기에 근거하여 밴드별로 시간 영역 또는 주파수 영역에서 양자화한 결과를 선택하는 단계 및 (e) 선택된 양자화된 결과를 허프만 부호화하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 음성 부호화 장치의 개략적인 블럭도로서, 변환부(100), RMS 계산부(110), 스텝 크기 결정부(120), 양자화부(130), 허프만 부호화부(140) 및 비트 카운트부(150)를 구비한다.
본 발명은 바람직하게, 7kHz 대역폭을 갖는 음성 신호를 24kbps로 압축하고자 한다. 본 발명에 따른 음성 부호화 장치의 기본 구조로서 ITU G.722.1 광대역 신호 압축기의 일부가 사용될 수 있다. ITU G.722.1 광대역 신호 압축기는 변환 코딩(Transform Coding)과 인지 코딩(Perceptual Coding) 개념에 기반을 둔 압축기이다.
이에 따라, 변환부(100)는 일 예로서 입력 음성 신호를 G.722.1의 MLT(Modified Lapped Transform)을 사용하여 주파수 영역으로 변환한다. 예컨대, 640 샘플 입력 신호에 대해 MLT를 통해 320개의 주파수 계수값이 출력된다. 다음에, 주파수 전체 영역을 16개의 500Hz 단위의 밴드로 나누고, 이중에서 최상위 2개의 밴드를 제거하여 전체 사용하는 주파수를 0Hz에서 7000Hz로 한정한다. 따라서, 각 주파수 밴드는 20개의 계수값으로 구성되며, 밴드별로 독립적으로 처리되고, 총 20 * 14 = 280개의 계수를 양자화하게 된다.
그러나, 본 발명의 바람직한 예로서, 변환부(100)는 입력 음성 신호를 웨이브릿(Wavelet) 변환을 사용하여 시간 영역으로 변환한다. 웨이브릿 변환은 일종의 필터 뱅크에 해당한다. 즉, 입력 음성 신호를 로우패스 필터 및 하이패스 필터를 이용하여 크게 두 밴드로 분할하고, 각 밴드의 시간 신호로 1:2로 데시메이션시킨다. 이때, 각 필터는 유한 임펄스 응답(FIR) 구조이고, 기본적인 콘볼루션을 통해 출력신호를 구한다. 다시 각 밴드를 동일한 로우패스 필터 및 하이패스 필터를 통과하여 다시 두 밴드로 분할하고, 2:1로 데시메이션한다. 이러한 동작을 반복하면, 트리 구조의 밴드 분할 과정을 거쳐 좁은 밴드에 대항하는 시간 신호가 구해진다.
더욱 바람직한 예로서, 변환부(100)는 입력 음성 신호를 MPEG 필터 뱅크를 이용하여 시간 영역으로 변환한다. 웨이브릿 변환은 밴드패스 주파수 특성에서 컷오프 특성이 좋지 않아 에일리어싱 현상이 심하게 나타날 수 있다. 이를 보완하기 위해, 밴드패스 필터링 과정에서 에일리어싱을 줄이기 위해 웨이브릿 변환 과정을 MPEG 필터 뱅크로 대치한다. 16kHz 샘플링으로 된 입력 음성 신호를 가지는 MPEG 오디오 코덱에서의 변환은 단시간 변형된 DCT(MDCT)에 기반을 둔 밴드패스 필터링이다.
다음에, RMS 계산부(110)는 변환된 각 밴드별로 예컨대, 500Hz 또는 1000Hz 단위로 계수들의 제곱 평균의 제곱근(RMS:Root Mean Square)값을 계산하고, 로그 스케일 양자화하여 RMS 인덱스를 구한다. 각 밴드의 양자화된 RMS값은 계수값의 양자화를 위한 정규화 인자로 사용되고, 인지 코딩을 위한 밴드별 할당 스텝 크기를 정하는데 사용된다. 각 밴드의 RMS 인덱스는 다시 차분 부호화되고, 최종적으로 주어진 테이블을 이용하여 허프만 부호화된다.
다음에, 스텝 크기 결정부(120)는 RMS 계산부(110)에서 계산된 RMS값의 밴드별 분포를 분석하여 각 밴드의 양자화를 위한 스텝 크기를 결정한다. 각 밴드별로 할당된 비트 수는 직접 전달되지 않고, 각 밴드별 비트 수 분포에 대한 패턴을 예컨대, 총 16가지로 정하고, 이중에서 실제로 사용되는 패턴에 대한 인덱스를 전달한다(도 3 참조). 16가지 밴드별 스텝 크기 패턴중에서 어느 것을 사용할 지는 모든 패턴에 대한 양자화를 실시하고, 이에 근거하여 최적의 패턴을 결정한다. 16가지 밴드별 스텝 크기 패턴은 밴드별 RMS값만으로 결정되므로, 패턴에 대한 인덱스만 전달되면 모든 밴드에 대한 비트 수가 정확히 전달된다. 패턴 인덱스는 4비트만 필요하므로 매우 효율적으로 비트 할당에 대한 정보를 전달할 수 있다.
다음에, 양자화부(130)는 변환부(100)를 통해 변환된 각 밴드의 신호를 스칼라 선형 양자화하고, 허프만 부호화부(140)는 이를 벡터 허프만 부호화한다. 한편, 비트 카운트부(150)는 허프만 부호화부(140)에서 부호화된 결과가 허용된 비트 수를 가지는가를 판단하여 스텝 크기 결정부(120)에서 최적의 조합이 선택되도록 한다. 양자화부(130)에서, 양자화 효율을 높이기 위해, 밴드 신호의 특성을 분석하여 밴드별로 시간 영역 또는 주파수 영역에서 양자화한 결과를 선택적으로 이용한다. 이때, 밴드 신호를 주파수로 변환하기 위해 이산 코사인 변환(DCT:Discrete Cosine Transform)이라고 불리는 주파수 기반의 변환 기술을 이용한다.
도 2는 도 1에 도시된 양자화부의 바람직한 실시예에 따른 블럭도로서, 제1 양자화기(132), DCT부(134), 제2 양자화기(136) 및 비트 수 비교기(138)를 구비한다.
변환부(100)를 통해 변환된 각 밴드는 예컨대, 20-샘플 시간 신호이다. DCT부(134)는 밴드별로 DCT 계산하여 예컨대, 20-샘플 주파수 신호를 구한다. 도 4는 양자화될 밴드별 시간 신호 및 주파수 신호의 일 예를 나타낸다. 제1 양자화기(132) 및 제2 양자화기(136)는 밴드별 스텝 크기 패턴에 따라 밴드별로 시간 신호와 주파수 신호를 각각 양자화하여 허프만 부호화를 위해 필요한 비트 수를 계산한다. 비트 수 비교기(138)는 시간 영역과 주파수 영역 각각에 대해 계산된 비트 수중에서, 적은 비트 수를 갖는 영역을 선택한다. 도 5는 시간 영역 및 주파수 영역에서 양자화된 밴드별 비트 수를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 어떤 밴드에서 시간 영역에서 비트 수가 적으며, 어떤 밴드에서는 주파수 영역에서 비트 수가 적음을 알 수 있다. 이러한 선택은 모든 스텝 크기 패턴에 대해 반복 적용한다.
MPEG 필터 뱅크를 이용하여 본 발명에 의한 음성 압축 성능을 ITU에서 권고하는 비교 카테고리 평가(CCR:Comparison Category Rating) 방법에 기초하여 음질을 측정하였다. CCR은 기준 압축기의 신호와 개발된 압축기의 신호를 임의의 순서로 들려주고 두 음질을 비교 평가하는 방법이다. 여기서, 기준 압축기로 ITU-TG.722 48kbps SB-ADPCM이 사용되었다. 남녀 각각 4명의 화자들이 모두 기준 압축기-개발된 압축기, 개발된 압축기-기준 압축기 순서를 모두 사용하여 4문장씩을 읽었다. 이에 대해 남녀 각각 10명의 청취자들이 청취한 결과에 따라 측정된 성능 측정 결과는 다음 표 1과 같다.
남성 CMOS 여성 CMOS 전체 CMOS 표준편차(SD)
M1 M2 M3 M4 F1 F2 F3 F4
0.55 0.66 0.54 0.66 0.07 0.15 -0.20 -0.11 0.28 1.1
본 발명에 의한 음성에 대한 성능은 전체 입력에 대해 CMOS = 0.28로 "보다 우수한"을 위한 조건인을 만족시킨다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 밴드별 신호의 특성에 따라 밴드별로 시간 영역 또는 주파수 영역에서 양자화한 결과를 선택적으로 이용함으로써, 광대역 음성 신호를 보다 적은 비트 수로 효과적으로 압축시키며, 실험을 통해 ITU-T G.722 48kbps SB-ADPCM보다 우수한 성능을 나타내었고, ITU-T에 국제 표준안으로 제안될 수 있으며, IMT-2000 등의 사업분야에 적용가능한 이점이 있다.

Claims (6)

  1. 광대역 음성 신호 압축을 위한 선택적 부호화 장치에 있어서,
    입력 음성 신호를 소정 단위의 시간 영역의 밴드들로 분리하는 변환부;
    각 밴드의 제곱 평균의 제곱근값을 계산하는 제곱 평균의 제곱근 계산부;
    계산된 각 밴드의 제곱 평균의 제곱근값을 분석하여 각 밴드의 양자화를 위한 스텝 크기를 결정하는 스텝 크기 결정부;
    상기 변환부에서 분리된 각 밴드의 특성을 분석하여 상기 스텝 크기에 근거하여 밴드별로 시간 영역 또는 주파수 영역에서 양자화한 결과를 선택하는 양자화부; 및
    선택된 양자화된 결과를 허프만 부호화하는 허프만 부호화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 부호화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 변환부는,
    입력 음성 신호를 엠펙 음성 부호화의 필터 뱅크를 이용하여 소정 단위의 시간 영역의 밴드들로 분리하는 것을 특징으로 하는 선택적 부호화 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 양자화부는,
    상기 변환부를 통해 분리된 시간 영역의 밴드 신호를 밴드별로 이산 코사인 변환 방식을 이용하여 주파수 영역으로 변환하는 이산 코사인 변환부;
    상기 변환부를 통해 분리된 시간 영역의 밴드 신호와 상기 이산 코사인 변환부를 통해 변환된 주파수 영역의 밴드 신호를 각각 상기 스텝 크기에 근거하여 양자화하여 허프만 부호화를 위해 필요한 비트 수를 계산하는 제1 및 제2 양자화기; 및
    시간 영역과 주파수 영역 각각에 대해 계산된 비트 수중에서, 적은 비트 수를 갖는 영역을 선택하는 비트 수 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 부호화 장치.
  4. 광대역 음성 신호 압축을 위한 선택적 부호화 방법에 있어서,
    (a) 입력 음성 신호를 소정 단위의 시간 영역의 밴드들로 분리하는 단계;
    (b) 각 밴드의 제곱 평균의 제곱근값을 계산하는 단계;
    (c) 계산된 각 밴드의 제곱 평균의 제곱근값을 분석하여 각 밴드의 양자화를 위한 스텝 크기를 결정하는 단계;
    (d) 상기 (a) 단계에서 분리된 각 밴드의 특성을 분석하여 상기 스텝 크기에 근거하여 밴드별로 시간 영역 또는 주파수 영역에서 양자화한 결과를 선택하는 단계; 및
    (e) 선택된 양자화된 결과를 허프만 부호화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 부호화 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 (a) 단계는,
    입력 음성 신호를 엠펙 음성 부호화의 필터 뱅크를 이용하여 소정 단위의 시간 영역의 밴드들로 분리하는 것을 특징으로 하는 선택적 부호화 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    (d1) 상기 (a) 단계에서 분리된 시간 영역의 밴드 신호를 밴드별로 이산 코사인 변환 방식을 이용하여 주파수 영역으로 변환하는 단계;
    (d2) 상기 (a) 단계에서 분리된 시간 영역의 밴드 신호와 상기 (d1) 단계에서 변환된 주파수 영역의 밴드 신호를 각각 상기 스텝 크기에 근거하여 양자화하여 허프만 부호화를 위해 필요한 비트 수를 계산하는 단계; 및
    (d3) 시간 영역과 주파수 영역 각각에 대해 계산된 비트 수중에서, 적은 비트 수를 갖는 영역을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 부호화 방법.
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