KR100598614B1 - 지각적 가중필터를 이용한 음성신호의 광대역 확장시스템및 방법 - Google Patents

지각적 가중필터를 이용한 음성신호의 광대역 확장시스템및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지각적 가중필터를 이용한 음성신호의 광대역 확장시스템 및 방법에 관한 것으로서, 협대역 음성신호를 광대역 음성신호로 대역 확장하는 과정 중에 확장되는 신호 중의 하나인 여기신호를 확장하는 과정 및 그 세부적인 방법에 관한 것이다.
본 발명의 지각적 가중필터를 이용한 음성신호의 광대역 확장시스템은 음성신호의 광대역 확장시스템에 있어서, 협대역 여기신호를 업샘플링하는 업샘플러; 광대역 선스펙트럼 주파수와 상기 광대역 여기신호로부터 평활한 고주파 여기신호를 얻어내는 지각적 가중필터; 및 상기 업샘플러와 스펙트럼 폴딩을 거친 고주파 성분을 상기 지각적 가중필터에 통과시켜 얻은 평활한 고주파 여기신호를 저주파 여기신호와 합하여 광대역 여기신호를 얻어내는 광대역 여기신호 합성기;를 포함한다.
업샘플러, 지각적 가중필터, 광대역 여기신호 합성기, 스펙트럼 폴딩

Description

지각적 가중필터를 이용한 음성신호의 광대역 확장시스템 및 방법{The system and method for wideband expansion of vocal signal using perceptual weighting filter}
도 1은 지각적 가중필터를 이용하여 광대역 음성신호를 합성하는 전체시스템을 블록 다이어그램으로 나타낸 것이다.
도 2는 지각적 가중필터를 이용하여 광대역 여기신호를 만들어 내는 흐름을 나타낸 블록 다이어그램이다.
도 3은 지각적 가중필터와 그 성분들의 주파수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100: 업샘플러 200: 지각적 가중필터
300: 광대역 여기신호 합성기
본 발명은 협대역 음성신호를 광대역 음성신호로 대역 확장하는 과정 중에 확장되는 신호 중의 하나인 여기신호를 확장하는 과정 및 그 세부적인 방법에 관한 것이다.
상기 시스템은 협대역 음성입력으로부터 여기신호를 결정하는 협대역 선형예측분석(linear prediction analysis)을 포함하고, 협대역 선형예측 분석의 입력은 시스템의 입력에 접속되고, 협대역 선형예측 분석의 두 출력은 업샘플러(upsampler)의 입력과 포락선 확장기의 입력에 접속되고, 포락선 확장기의 출력은 지각적 가중필터의 한 입력과 광대역 선형예측 합성기의 한 입력에 접속되며, 업샘플러는 스펙트럼 폴딩수단(spectral folding means)의 입력에 접속된 출력을 포함하며, 그 스펙트럼 폴딩수단의 두 출력은 지각적 가중필터의 입력과 광대역 여기신호 합성기의 한 입력에 각각 접속되고, 지각적 가중필터의 출력은 광대역 여기신호 합성기의 다른 한 입력에 접속되며, 광대역 여기신호 합성기의 출력은 광대역 선형예측 합성기의 다른 한 입력에 접속되고, 광대역 선형예측 합성기에서는 별도의 방법으로 확장된 광대역 선 스펙트럼 주파수와 상기 방법으로 구한 광대역 여기신호 합성기의 출력을 이용하여 시스템의 출력으로 확장된 광대역 음성신호를 내보낸다.
이러한 방법 및 시스템은 2000년 9월 위스콘신에서 열린, 음성 코딩에 관한 IEEE 워크샵에서 피터 잭스와 피터 베리에 의한 특허공보 "숨겨진 마코브 모델을 이용한 전화 음성의 광대역 확장"으로 공지되었다. 이 발명에서 사용되는 코드북 검색 알고리즘은 은닉 마코브 모델을 기초로 한 통계적 접근을 이용하고 그 코드북은 단지 하나의 광대역 코드북이 필요로 하게 된다. 여기신호의 확장방법으로는 스펙트럼 평행이동(spectral translation)방법을 썼다. 이러한 광대역 확장의 방법은 분석필터에 의해 제공되는 여기신호가 출력의 음성신호가 최적의 성능을 가질 수 있을 만큼 충분히 평탄하지 않다는 단점이 있다.
또한, 2002년 7월 코닌클리케(필립스)가 출원한 특허 "보다 높은 지각의 품질을 위한 전화 음성의 광대역 확장"로도 공지되었다. 이 발명에서는 반사 계수 클러스터들로 분류되고 LSF들을 성분으로 하는 매트릭스를 이용하여 광대역 LSF들을 예측하는 방법이 사용되었다. 여기신호의 확장에는 스펙트럼 폴딩수단을 썼다. 이러한 광대역 확장방법은 코드북 매핑방법에 비해 구해진 LSF의 에러가 커진다는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 통신시스템을 거치기 전에 원래의 광대역 음성에 근접하는 확장된 음성으로 협대역 음성신호를 확장하기 위해 최적의 광대역 여기신호를 발생시키는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 협대역 음성신호를 광대역 음성신호로 대역 확장하는 과정 중에 확장되는 신호 중의 하나인 여기신호를 확장하는 방법에 관한 것으로서, 특히 협대역 음성신호로부터 광대역 여기신호와 광대역 선스펙트럼 주파수를 추출하여 합성함으로 써 광대역 음성신호를 복원하는 과정에서의 협대역 여기신호의 광대역 확장에 관한 것이다.
본 발명은 음성신호의 광대역 확장시스템에 있어서, 협대역 여기신호를 업샘플링하는 업샘플러; 광대역 선스펙트럼 주파수와 상기 광대역 여기신호로부터 평활한 고주파 여기신호를 얻어내는 지각적 가중필터; 및 상기 업샘플러와 스펙트럼 폴딩을 거친 고주파 성분을 상기 지각적 가중필터에 통과시켜 얻은 평활한 고주파 여기신호를 저주파 여기신호와 합하여 광대역 여기신호를 얻어내는 광대역 여기신호 합성기;를 포함하는 지각적 가중필터를 이용한 음성신호의 광대역 확장시스템에 의해 달성된다.
또한, 본 발명은 음성신호의 광대역 확장방법에 있어서, 업샘플러가 협대역 여기신호를 업샘플링하는 제1단계; 상기 업샘플링된 협대역 여기신호를 스펙트럼 폴딩하여 저주파 성분과 고주파 성분으로 분리하는 제2단계; 광대역 선스펙트럼 주파수를 주파수 영역 반전시켜 지각적 가중필터를 구성하는 제3단계; 상기 고주파 성분을 지각적 가중필터에 통과시켜 보다 평활한 고주파 여기신호를 얻는 제4단계; 및 상기 고주파 여기신호를 저주파 여기신호와 합하여 광대역 여기신호를 얻어내는 제5단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지각적 가중필터를 이용한 음성신호의 광대역 확장방법에 의해 달성된다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 지각적 가중필터를 이용하여 광대역 음성신호를 합성하는 전체시스템 을 블록 다이어그램으로 나타낸 것이고, 도 2는 지각적 가중필터를 이용하여 광대역 여기신호를 만들어 내는 흐름을 나타낸 블록 다이어그램이다. 또한, 도 3은 지각적 가중필터와 그 성분들의 주파수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
대부분의 음성의 대역확장 시스템에서는 음성을 성도(vocal tract) 부분을 나타내는 포락선 성분과 성대의 진동 혹은 좁은 틈 사이를 공기가 통과하면서 만드는 교란을 나타내는 여기신호 성분으로 구분한다. 흔히, 선 스펙트럼 주파수(linear spectrum frequency)로 표현되는 포락선 성분과 여기신호 성분은 각각 독립적으로 광대역 확장단계를 거치게 되는데, 종래의 대부분의 음성의 대역확장 시스템에 대한 연구는 포락선 성분의 확장에 바쳐져 왔고, 여기신호 성분에 대한 확장은 제한된 범위 안에서만 다루어져 왔다. 여기신호 성분의 확장은 포락선 성분의 확장에 비해 확장된 음성의 음질에 미치는 영향이 상대적으로 작기 때문에, 계산량이 적은 스펙트럼 폴딩방법 또는 스펙트럼 평행이동방법이 주로 사용되어 왔다. 일부 연구에서는 가우시안 혼합모델(Gaussian mixture model, GMM) 또는 은닉 마르코프 모델(hidden Markov model, HMM)을 이용한 여기신호 확장도 시도되었으나, 상기 방법들은 계산량이 현저히 많다는 단점이 있다.
스펙트럼 폴딩방법은 단순히 시간영역의 여기신호에 각 샘플 사이에 0을 넣음으로써
Figure 112004037646273-pat00001
/2를 중심으로 대칭이 되는 고대역 스펙트럼을 추가로 가지는 광대역 여기 신호를 얻어내는 방법이다. 그런데, 협대역 선형예측분석을 통해 음성을 여기신호와 포락선 성분으로 분리함에 있어 이상적으로는 모든 포락선을 나타내는 성분이 선 스 펙트럼 주파수로 나타내어지고 여기신호 성분에는 포락선 성분이 전혀 없이 유성음의 경우엔 그 스펙트럼이 크기가 고른 임펄스열(impulse train)로 나타내어지고 무성음의 경우에는 역시 백색 잡음과 같이 평평한 스펙트럼을 가져야 하지만, 실제로는 선형예측 분석과정에서 쓰이는 선형예측 분석필터의 차수에 한계가 있는 등의 이유로 인해 여기신호 성분에도 포락선 성분이 약간 남아 있게 되어 포만트가 있던 곳에서 여기신호의 스펙트럼도 커지는 경향성을 보이게 된다. 스펙트럼 폴딩 방법으로 여기신호를 확장한 것은 여기신호의 스펙트럼이 평평하다는 가정 아래에서 이루어진 것인데, 이렇게 포만트 성분이 남아 있게 되므로 확장된 여기 신호의 고대역 스펙트럼에 원하지 않는 포만트 성분이 생기게 된다. 따라서, 이 확장된 여기신호를 가지고 이와는 독립적으로 확장된 포락선 성분을 이용하여 광대역 선형 예측 합성과정을 거쳐 광대역 음성신호를 얻어내게 되면 귀에 거슬리는 소리가 생기게 된다. 상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 지각적 가중필터(200)를 이용하게 된다.
지각적 가중필터(200)는 원래 음성신호처리분야에서 종종 쓰이는 필터로서 포만트 부근의 스펙트럼을 더 뾰족하게 되도록 강조해주거나 더 평활하도록 깎는 역할을 한다. 종래의 지각적 가중필터는 수학식 1로 나타내어진다.
Figure 112004037646273-pat00002
여기서, A(z)는 선형예측 분석필터이며
Figure 112004037646273-pat00003
와
Figure 112004037646273-pat00004
는 양수인 파라미터이다. 그림 3과 같이
Figure 112004037646273-pat00005
와
Figure 112004037646273-pat00006
은 원래의 선형예측 합성필터
Figure 112004037646273-pat00007
와 극점의 위치는 같고
Figure 112004037646273-pat00008
일 경우 포만트 부근에서 스펙트럼이 더 평활한 필터이다. 따라서,
Figure 112004037646273-pat00009
라면 W(z)는 포만트 부근을 평활화하는 필터가 된다.
본 발명에서는 업샘플러(100)가 협대역 여기신호를 업샘플링하여 스펙트럼 폴딩하여 저주파 성분과 고주파 성분으로 분리한다. 지각적 가중필터(200)는 광대역 선스펙트럼 주파수를 주파수 영역 반전시켜 구성되었으며, 스펙트럼 폴딩으로 얻은 여기신호의 고대역 스펙트럼의 포만트 성분을 없애준다. 즉, 고주파 성분을 지각적 가중필터(200)에 통과시켜 보다 평활한 고주파 여기신호를 얻어낸다. 이때, 저대역 여기신호를 유지하기 위해 폴딩된 여기신호의 고주파 성분에만 지각적 가중필터(200)를 통과시켜 저대역 여기신호에 합한다. 그런데, 폴딩된 여기신호의 고대역 스펙트럼은 원래의 스펙트럼과 좌우가 바뀐 모양이 되므로 지각적 가중필터(200)도 수학식 2와 같이 바뀌어야 한다.
Figure 112004037646273-pat00010
Figure 112004037646273-pat00011
는
Figure 112004037646273-pat00012
의 스펙트럼의 좌우를 뒤집은 모양의 필터이다.
Figure 112004037646273-pat00013
로부터 구한 선 스펙트럼 주파수들을
Figure 112004037646273-pat00014
에서 뺀 값을 선 스펙트럼 주파수로 가지는 선형예측 분석 필터를 구하면
Figure 112004037646273-pat00015
를 얻을 수 있다. 전형적인
Figure 112004037646273-pat00016
,
Figure 112004037646273-pat00017
,
Figure 112004037646273-pat00018
, W(z)의 크기 스펙트럼은 도 3과 같다.
지각적 가중필터(200)를 구하는 제1단계는 광대역 선 스펙트럼 주파수를 주파수 영역 반전하여
Figure 112004037646273-pat00019
와 대응되는 선 스펙트럼 주파수를 구해내는 것이다. 상기 제1단계는 단순히
Figure 112004037646273-pat00020
에서 원래의 선 스펙트럼 주파수를 빼는 단계이다. 제2단계는 선형예측 분석과정에서 선형예측 분석필터 계수를 선 스펙트럼 주파수로 변환했던 것과 반대로 선 스펙트럼 주파수로부터 선형예측 분석필터
Figure 112004037646273-pat00021
의 계수를 얻어내는 단계이다. 상기 단계로부터 지각적 가중필터(200)를 구성할 수 있다. 한편, 협대역 여기신호는 업샘플러(100)를 거쳐 샘플링률이 15~17kHz인 신호로 바뀌고, 스펙트럼 폴딩방법을 통하여 수학식 3과 같은 폴딩된 여기신호로 변환된다. 상기 샘플링률은 바람직하게는 16kHz이다.
Figure 112004037646273-pat00022
여기서, n은 차수이며, e[n]은 n차 여기신호를 나타낸다.
협대역 성분은 유지하고 고대역 성분은 지각적 가중필터(200)를 거쳐야 하므 로 수학식 3의 우변 첫 번째 항의 협대역 여기신호와 두 번째 항의 고대역 여기신호는 따로 출력하게 된다. 상기 고대역 여기신호
Figure 112004037646273-pat00023
는 지각적 가중필터(200)를 통과하여 광대역 여기신호 합성기(300)에 의해 협대역 여기신호와 합해진다.
상기 방식으로 이루어지는 여기신호의 광대역 확장은 모든 과정이 시간영역에서 이루어지므로 계산량이 적고 평활한 스펙트럼을 가지는 여기신호를 제공함으로써 음성신호의 주파수 대역을 확장하기 위한 다양한 방법들에 적용이 가능하므로 음성이 좁은 대역폭으로 전송되는 이동전화 및 유선전화 등을 포함하는 시스템들에서 수신부분에 적용될 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 의한 지각적 가중필터를 이용한 음성신호의 광대역 확장시스템 및 방법은 모든 과정이 시간영역에서 이루어지므로 계산량이 적고 평활한 스펙트럼을 가지는 여기신호를 제공함으로써 음성신호의 주파수 대역을 확장하기 위한 다양한 방법들에 적용이 가능하므로 음성이 좁은 대역폭으로 전송되는 이동전화 및 유선전화 등을 포함하는 시스템들에서 수신부분에 적용될 수 있다.

Claims (6)

  1. 음성신호의 광대역 확장시스템에 있어서,
    협대역 여기신호를 업샘플링하는 업샘플러;
    광대역 선스펙트럼 주파수와 상기 광대역 여기신호로부터 평활한 고주파 여기신호를 얻어내는 지각적 가중필터; 및
    상기 업샘플러와 스펙트럼 폴딩을 거친 고주파 성분을 상기 지각적 가중필터에 통과시켜 얻은 평활한 고주파 여기신호를 저주파 여기신호와 합하여 광대역 여기신호를 얻어내는 광대역 여기신호 합성기;
    를 포함하는 지각적 가중필터를 이용한 음성신호의 광대역 확장시스템.
  2. 음성신호의 광대역 확장방법에 있어서,
    업샘플러가 협대역 여기신호를 업샘플링하는 제1단계;
    상기 업샘플링된 협대역 여기신호를 스펙트럼 폴딩하여 저주파 성분과 고주파 성분으로 분리하는 제2단계;
    광대역 선스펙트럼 주파수를 주파수 영역 반전시켜 지각적 가중필터를 구성하는 제3단계;
    상기 고주파 성분을 지각적 가중필터에 통과시켜 보다 평활한 고주파 여기신호를 얻는 제4단계; 및
    상기 고주파 여기신호를 저주파 여기신호와 합하여 광대역 여기신호를 얻어내는 제5단계;
    를 포함하는 지각적 가중필터를 이용한 음성신호의 광대역 확장방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2단계의 업샘플링된 협대역 여기신호는 샘플링률이 15~17kHz인 것을 특징으로 하는 지각적 가중필터를 이용한 음성신호의 광대역 확장방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2단계의 스펙트럼 폴딩된 협대역 여기신호는
    Figure 112004037646273-pat00024
    인 것을 특징으로 하는 지각적 가중필터를 이용한 음성신호의 광대역 확장방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제3단계에서 구성된 지각적 가중필터는
    Figure 112004037646273-pat00025
    인 것을 특징으로 하는 지각적 가중필터를 이용한 음성신호의 광대역 확장방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제4단계의 고주파 여기신호는
    Figure 112004037646273-pat00026
    인 것을 특징으로 하는 지각적 가중필터를 이용한 음성신호의 광대역 확장방법.
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