KR101235829B1 - 음성코덱의 품질향상장치 및 그 방법 - Google Patents

음성코덱의 품질향상장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

음성코덱의 품질향상장치 및 그 방법이 개시된다. 저대역 코덱을 통해 디코딩된 신호의 제1 에너지를 구하고 저대역 음질 향상모드를 통해 디코딩된 신호의 제2 에너지를 구한 후, 제1 에너지가 미리 설정된 제1 임계값보다 작거나, 제1 에너지가 제2 에너지에 미리 설정된 제2 임계값을 곱한 값보다 작은 경우에 디코딩된 신호의 크기를 스케일링함으로써 묵음 구간의 양자화 오차를 줄인다.

Description

음성코덱의 품질향상장치 및 그 방법{Apparatus for enhancing quality of speech codec and method therefor}
본 발명은 음성 코덱에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음성 코딩시 묵음 구간의 양자화 오차로 인한 품질 저하를 줄이기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
음성신호를 압축하는 모듈을 인코더(encoder)라 하고, 재생하는 모듈을 디코더(decoder)라고 한다. 가장 기본적인 음성 코덱은 ITU-T G.711 코덱으로서 입력신호를 8 kHz로 샘플링한 후 8비트로 양자화한다. 이때 양자화 효율을 높이기 위하여 수학식 1과 같이 A-law 또는 수학식 2와 같이 u-law 형태의 로그 양자화기를 사용한다.
Figure 112011035600459-pat00001
Figure 112011035600459-pat00002
위와 같은 종래의 로그 양자화기는 입력 신호의 크기에 따라 양자화 간격이 다르다. 예를 들어, 크기가 작은 신호는 상대적으로 양자화 간격을 크게 하고, 발생 가능성이 높은 크기의 신호는 양자화 간격을 좁게 하여 양자화의 효율을 높인다.
일반적으로 양자화 잡음은 전 주파수 대역에 걸쳐 고르게 분포하는 것으로 알려져 있다. 그러나 사람의 청각적 특성에 의해 신호의 크기가 큰 구간에 있는 양자화 오차는 신호에 묻혀 잘 들리지 않게 되고 신호의 크기가 작은 구간에 있는 양자화 오차는 잡음으로 들리게 된다. 따라서 음성구간뿐만 아니라 묵음구간을 효과적으로 코딩하는 것이 코덱의 전체 성능에 중요한 영향을 미친다. 즉, 묵음구간에서의 양자화 오차로 인한 잡음이 전체 음질에 영향을 줄 수 있기 때문이다.
또한 코덱은 입력신호의 크기에 따라 성능이 다를 수 있다. 음성 코덱의 성능을 평가할 때는 주로 크기가 다른 -16, -26, -36dBoV의 신호에 대하여 성능을 평가한다. 즉 코덱이 입력 신호의 크기 변화에 따라 성능이 어떻게 변하는지를 평가한다.
G.711이나 G.722와 같은 코덱은 -36 dBoV의 입력신호에 대해 양자화 오차로 인한 잡음이 발생하는데 특히 묵음구간에서 발생하는 양자화 오차가 코덱의 전체 품질을 저하시키는 하나의 원인이 된다. 주관적 청취테스트 결과를 보면 -36 dBoV 신호에 대한 MOS(Mean Opinion Score) 점수가 -36 dBOv신호에 비해 높게 나오는 것을 관찰할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 음성 코딩시 묵음 구간의 양자화 오차로 인한 잡음을 줄임으로써 사람의 귀에 묵음구간에서 잡음이 들리지 않게 하여 전체적인 청취 품질을 높일 수 있는 음성 코덱의 품질 향상 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 음성코덱의 품질 향상 장치의 일 실시예는, 저대역(lower-band) 코덱을 통해 디코딩된 신호의 제1 에너지를 구하는 제1 에너지 계산부; 및 상기 제1 에너지가 미리 설정된 제1 임계값보다 작은 경우, 상기 디코딩된 신호의 크기를 스케일링하는 스케일링부;를 포함한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 음성코덱의 품질 향상 방법의 일 실시예는, 저대역(lower-band) 코덱을 통해 디코딩된 신호의 제1 에너지를 구하는 단계; 및 상기 제1 에너지가 미리 설정된 제1 임계값보다 작은 경우, 상기 디코딩된 신호의 크기를 스케일링하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 묵음 구간의 양자화 오차로 인해 발생하는 잡음을 줄여 음성 코덱의 품질을 향상시킬 수 있다. 특히, 코덱의 입력신호 중 신호의 크기가 작은 경우에 묵음 구간에서의 양자화 오차를 줄임으로써 청취 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 협대역 코덱 기반의 광대역 확장 코덱의 일 실시예를 도시한 도면,
도 2a 및 도 2b는 G.711 코덱을 이용하는 인코더의 입력신호와 디코더의 출력신호에 대한 스펙트럼을 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 음성코덱의 품질 향상 장치의 일 실시예의 구성을 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 음성코덱의 품질 향상 방법의 일 실시예의 흐름을 도시한 도면, 그리고,
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 음성코덱의 품질 향상 방법의 적용 유무에 따른, G.711 코덱을 이용하는 디코더의 출력신호에 대한 스펙트럼을 도시한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 음성코덱의 품질 향상 장치 및 그 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 협대역 코덱 기반의 광대역 확장 코덱의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 광대역 확장 코덱은 송신측(100)과 수신측(150)으로 구분되고, 송신측(100)은 저대역 필터(low-pass filter)(105), 고대역 필터(high-pass filter)(110), 저대역 코덱(lower-band codec)(115), 저대역 향상 모드(low-band enhancement)(120), 광대역 확장모드(wideband extension)(125) 및 먹스(MUX)(130)를 포함하고, 수신측(150)은 디먹스(DEMUX)(155), 저대역 코덱(160), 저대역 향상 모드(165), 광대역 확장 모드(170), 저대역 필터(175) 및 고대역 필터(180)를 포함한다.
송신측(100)에 입력되는 광대역 입력신호는 저대역 필터(105) 및 고대역 필터(110)를 통해 각각 저대역 신호와 고대역 신호로 나누어지고, 저대역 신호는 저대역 코덱(115)과 저대역 향상 모드(120)를 통해 코딩하고, 고대역 신호는 광대역 확장 모드(125)를 통해 코딩된다. 협대역 코덱(115), 저대역 향상 모드(120) 및 광대역 확장 모드(125)를 통해 각각 코딩된 신호는 먹스(130)를 통해 비트스트림으로 출력된다.
여기서, 저대역 향상 모드(120)는 저대역 코덱(115)에서 표현하지 못한 저대역 신호를 코딩함으로써 협대역 신호의 품질을 향상시키는 역할을 한다. 일반적으로, 저대역 향상 모드(120)는 저대역 코덱(115)에 따라 동작하는 알고리즘을 정하지만 대부분 시간영역에서 동작하는 알고리즘을 사용하고, 광대역 확장모드는 주파수 영역에서 동작하는 알고리즘을 사용한다.
수신측(150)의 디먹스(155)는 송신측(100)으로부터 출력된 비트스트림을 수신하여, 각각 저대역 코덱(160), 저대역 향상 모드(165) 및 광대역 확장 모드(170)로 출력한다. 저대역 향상 모드(165) 및 광대역 확장 모드(170)의 동작 여부는 수신된 비트스트림에 따라 결정된다.
수신측(150)은 광대역 확장모드(170)의 동작여부에 따라 광대역 신호를 출력할 수 있다. 출력신호의 대역폭에 관계없이 저대역 코덱(160)은 기본적으로 동작한다. 만일 저대역 코덱(160)만 동작한다면 기본적인 협대역 신호를 재생할 수 있다. 더 좋은 품질의 협대역 신호를 재생하기 위해서는 저대역 코덱(160)과 더불어 저대역 향상 모드(165)도 함께 동작하여야 한다. 또한 광대역 신호를 출력하기 위해서는 저대역 코덱(160) 및 광대역 확장 모드(170)가 동작하여야 한다. 즉, 수신측에서 광대역 출력신호를 재생하기 위해서는 저대역 코덱(160)과 광대역 확장모드(170)의 출력신호를 더하여 출력한다. 물론 좀 더 우수한 품질의 광대역 신호를 재생하기 위해서는 저대역 코덱(160)과 저대역 향상 모드(165)의 출력신호와 광대역 확장모드(170)의 출력 신호를 더하여 출력하면 된다.
ITU-T에서는 도 1에 도시된 구성과 유사한 G.711을 저대역 코덱으로 사용하는 광대역 확장 코덱에 대한 표준화를 진행하고 있다. 즉, ITU-T 권고안 G.711 코덱 기반의 광대역 확장 코덱은, 저대역 코덱(115,160)으로 G.711을 사용하며, 도 1에 도시된 구성으로 표현될 수 있다. 그러나, G.711 코덱은 -36dBoV 신호의 경우 양자화 오차로 인한 잡음이 발생한다.
도 2a 및 도 2b는 G.711 코덱을 이용하는 인코더의 입력신호와 디코더의 출력신호에 대한 스펙트럼을 도시한 도면이다. 도 2a는 음성신호에 대한 스펙트럼이고, 도 2b는 묵음신호에 대한 스펙트럼이다.
도 2a를 참조하면, 음성신호에 대해서 인코더의 입력신호(200)와 디코더의 출력신호(210)의 스펙트럼은 거의 일치한다. 그러나 도 2b를 참조하면, 묵음신호에 대해서 인코더의 입력신호(230))와 디코더의 출력신호(220)의 스펙트럼은 불일치함을 알 수 있다. 즉 음성구간의 경우 양자화 오차가 작은 반면 묵음 구간에서는 양자화 오차가 큼을 알 수 있다. 이러한 양자화 오차는 사람의 귀에 잡음으로 들린다.
도 3은 본 발명에 따른 음성코덱의 품질 향상 장치의 일 실시예의 구성을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 음성코덱의 품질 향상 장치는 제1 에너지 계산부(300), 제2 에너지 계산부(310) 및 스케일링부(320)로 구성된다.
제1 에너지 계산부(300)는 저대역 코덱을 통해 디코딩된 신호의 에너지(이하, 저대역 코덱의 에너지)를 구한다. 제1 에너지 계산부(300)는 프레임 단위로 저대역 코덱의 에너지를 구하며, 저대역 코덱으로 G.711을 사용하는 경우 프레임의 크기는 G.711 코덱이 사용되는 환경에 따라 달라질 수 있다. 즉, 제1 에너지 계산부(300)는 각 샘플에 대한 에너지를 모두 합산하여 한 프레임의 에너지를 구한다.
제2 에너지 계산부(310)는 저대역 향상 모드가 동작하는 경우, 저대역 향상 모드를 통해 디코딩된 신호의 에너지(이하, 향상모드의 에너지)를 구한다.
스케일링부(320)는 저대역 코덱의 에너지가 소정의 임계값(Thr1)보다 작은 경우 저대역 코덱을 통해 디코딩된 신호의 크기를 스케일링한다. 또한, 스케일링부(320)는 저대역 코덱의 에너지가 향상모드의 에너지에 소정의 임계값(Thr2)을 곱한 값보다 작은 경우 저대역 코덱을 통해 디코딩된 신호의 크기를 스케일링한다. 스케일링부(320)는 1보다 작은 상수(a)만큼 디코딩된 신호의 크기를 스케일링하는 것이 바람직하다. 또 다른 예로서, 스케일링부(320)는 현 프레임의 에너지(저대역 코덱의 에너지 또는 향상모드의 에너지)에 이전 프레임의 에너지(저대역 코덱의 에너지 또는 향상모드의 에너지)를 더한 값에 비례하는 1 보다 작은 이득(gain)을 디코딩된 신호에 곱하여 스케일링함으로써, 스케일링에 따른 갑작스런 변화를 방지할 수 있다. 이 경우에 스케일링부(320)는 이전 스케일링 크기를 고려하여 스케일링 크기를 구할 수 있다. 즉, 스케일링부(320)는 현 프레임의 에너지와 이전 프레임의 에너지에 기초하여 구한 이득의 일정 비율과 이전 스케일링 크기의 일정 비율을 더함으로써 스케일링 크기를 구할 수 있다. 스케일링은 샘플 단위로 수행할 수 있음은 물론이다.
스케일링부(320)는 디코딩된 신호의 에너지 대부분이 고대역에 존재하는 경우 스케일링 수행을 하지 않을 수 있다. 예를 들어, 광대역 확장 모드를 통해 디코딩된 신호의 에너지가 저대역 코덱의 에너지 또는 향상 모드의 에너지보다 미리 설정된 일정 크기 이상으로 더 큰 경우 스케일링부(320)는 스케일링을 수행하지 않는다.
스케일링을 위해 사용되는 임계값들(Thr1, Thr2) 및 스케일링 크기(a) 등은 실험에 의해 구해질 수 있으며, 이러한 값들은 본 발명의 실시예에 따라 다양하게 변경되어 사용될 수 있음은 물론이다.
도 4는 본 발명에 따른 음성코덱의 품질 향상 방법의 일 실시예의 흐름을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 음성코덱의 품질 향상 장치(이하, 장치)는 저대역 코덱을 통해 디코딩된 신호의 에너지(이하, 저대역 코덱의 에너지)를 프레임 단위로 계산한다(S400). 프레임 크기는 코덱의 종류 및 코덱이 적용되는 환경에 따라 다양하게 결정될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 협대역 음성 코덱을 이용한 광대역 확장 코덱에 본 발명을 적용하는 경우 저대역 향상 모드가 존재할 수 있다. 따라서 장치는 저대역 향상 모드가 동작 중인지를 확인한다(S410).
저대역 향상 모드가 동작 중인 경우(S410), 장치는 저대역 향상모드를 통해 디코딩된 신호의 에너지(이하, 향상모드의 에너지)를 계산한다(S430). 그리고 장치는 저대역 코덱의 에너지가 향상모드의 에너지에 소정의 임계값(Thr1)을 곱한 값보다 작거나 저대역 코덱의 에너지가 소정의 임계값(Thr2)보다 작은 경우(S440), 저대역 코덱을 통해 디코딩된 신호의 크기를 a(1보다 작은 상수)만큼 스케일링한다(S450).
저대역 향상 모두가 동작 중이 아니면(S410), 장치는 핵샘코덱의 에너지가 소정의 임계값(Thr2)보다 작은 경우에(S420) 디코딩된 신호를 스케일링한다(S450). 스케일링은 현 프레임의 에너지(저대역 코덱의 에너지 또는 향상모드의 에너지)에 이전 프레임의 에너지(저대역 코덱의 에너지 또는 향상모드의 에너지)를 더한 값에 비례하는 1 보다 작은 이득(gain)을 디코딩된 신호에 곱하여 수행함으로써, 스케일링에 따른 갑작스런 변화를 방지할 수 있다. 이 경우에 현 프레임의 에너지와 이전 프레임의 에너지에 기초하여 구한 이득의 일정 비율과 이전 스케일링 크기의 일정 비율을 더함으로써 스케일링 크기를 구할 수 있다.
임계값들(Thr1, Thr2) 및 스케일링 크기 등은 앞서 설명한 바와 같이 실험에 의해 미리 구해진 값들이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 음성코덱의 품질 향상 방법의 적용 유무에 따른, G.711 코덱을 이용하는 디코더의 출력신호에 대한 스펙트럼을 도시한 도면이다. 도 5a는 음성신호에 대한 스펙트럼이고, 도 5b는 묵음신호에 대한 스펙트럼이다.
도 5a를 참조하면, 음성신호에 대하여 본 발명에 따른 음성 코덱의 품질 향상 방법이 적용되기 전의 디코더 출력신호(500)와 본 발명에 따른 방법이 적용된 경우의 디코더 출력신호(510)의 스펙트럼은 일치한다.
도 5b를 참조하면, 묵음신호에 대하여 본 발명에 따른 음성 코덱의 품질 향상 방법이 적용되기 전의 디코더 출력신호(520)보다 본 발명에 따른 방법이 적용된 경우의 디코더 출력신호(530)의 크기가 작아짐을 알 수 있다. 즉, 묵음구간에서 디코더의 출력 신호레벨이 낮아져 양자화 오차가 줄어듦을 알 수 있다.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)에 의한 표시의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 저대역(lower-band) 코덱 및 광대역 확장 모드를 포함하는 음성코덱의 품질 향상 장치에 있어서,
    상기 저대역 코덱을 통해 디코딩된 신호의 에너지를 구하는 에너지 계산부; 및
    상기 에너지 계산부에 의해 구해진 에너지가 소정 임계값 이하인 경우에 상기 디코딩된 신호의 크기를　1보다 작은 이득으로　스케일링하는　스케일링부를 포함하되,
    상기 이득은　적어도
    상기 디코딩된 신호의 이전 프레임의 에너지와 현 프레임의 에너지에 기초한 특정 이득에 미리 설정된 비율을 곱한 값과,
    이전 이득에 미리 설정된 비율을 곱한 값을 더하여 도출되는 것을 특징으로 하는,　
    음성코덱의 품질 향상 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스케일링부는
    상기 디코딩된 신호의 크기에 대해 샘플 단위로 스케일링을 수행하는 것을 특징으로 하는,
    음성코덱의 품질 향상 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 스케일링부는
    상기 광대역 확장 모드를 통하여 디코딩된 신호의 에너지가 상기 저대역 코덱을 통해 디코딩된 신호의 에너지보다 미리 설정된 일정 크기 이상으로 큰 경우, 스케일링을 수행하지 아니하는 것을 특징으로 하는,
    음성코덱의 품질 향상 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지 계산부는
    프레임 단위로 상기 에너지를 계산하는,
    음성코덱의 품질 향상 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 스케일링부는
    고대역과 저대역에서의 에너지의 비율에 기초하여 스케일링 여부를 결정하는,
    음성코덱의 품질 향상 장치.
  6. 저대역(lower-band) 코덱 및 광대역 확장 모드를 포함하는 음성코덱의 품질 향상 방법에 있어서,
    상기 저대역 코덱을 통해 디코딩된 신호의 에너지를 구하는 단계; 및
    상기 구해진 에너지가 소정 임계값 이하인 경우에 상기 디코딩된 신호의 크기를　1보다 작은 이득으로　스케일링하는　단계를 포함하되,
    상기 이득은　적어도
    상기 디코딩된 신호의 이전 프레임의 에너지와 현 프레임의 에너지에 기초한 특정 이득에 미리 설정된 비율을 곱한 값과,
    이전 이득에 미리 설정된 비율을 곱한 값을 더하여 도출되는 것을 특징으로 하는,
    음성코덱의 품질 향상 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 디코딩된 신호의 크기를　1보다 작은 이득으로 스케일링하는　단계는
    상기 디코딩된 신호의 크기에 대해 샘플 단위로 스케일링을 수행하는 단계를 포함하는,
    음성코덱의 품질 향상 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 디코딩된 신호의 크기를　1보다 작은 이득으로　스케일링하는　단계는
    상기 광대역 확장 모드를 통하여 디코딩된 신호의 에너지가 상기 저대역 코덱을 통해 디코딩된 신호의 에너지보다 미리 설정된 일정 크기 이상으로 큰 경우, 스케일링을 수행하지 아니하는 단계를 포함하는,
    음성코덱의 품질 향상 방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 저대역 코덱을 통해 디코딩된 신호의 에너지를 구하는 단계는
    프레임 단위로 상기 에너지를 계산하는 단계를 포함하는,
    음성코덱의 품질 향상 방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 디코딩된 신호의 크기를　1보다 작은 이득으로　스케일링하는　단계는
    고대역과 저대역에서의 에너지의 비율에 기초하여 스케일링 여부를 결정하는 단계를 포함하는,
    음성코덱의 품질 향상 방법.
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