KR20020035108A - 협대역으로 인코딩된 신호를 송신하기 위한 송신기, 및수신단에서 상기 신호의 대역을 확장하기 위한 수신기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인코딩된 협-대역 신호의 송신 및 수신에 관한 것이다. 송신단에서, 송신될 신호는 원 신호의 대역 보다 폭이 더 좁은 대역으로 인코딩되고, 수신단에서, 이 신호는 송신 메시지의 컨텐트를 복구하기 위해서 디코딩된다. 디코딩 이후에, 수신 신호의 스펙트럼 대역은 수신단에서 신호의 오디오 품질을 향상시키기 위해 확장된다. 송신단에서는, 원 신호로부터 특징적인 파라미터를 추출하기 위해 분석 수단이 제공되는데, 상기 파라미터는 협대역으로 인코딩된 신호에 포함되지 않는다. 이러한 파라미터를 포함하는 정보는 협-대역 인코딩 신호에 부가하여 송신된다. 수신단에서는, 이 정보는 협대역으로 수신된 신호와 수신된 정보로부터 광-대역 신호를 재구성하는데 사용된다.

본 발명은 디지털 원격 통신, 즉 이동 무선전화기에 응용된다.

Description

협대역으로 인코딩된 신호를 송신하기 위한 송신기, 및 수신단에서 상기 신호의 대역을 확장하기 위한 수신기{TRANSMITTER FOR TRANSMITTING A SIGNAL ENCODED IN A NARROW BAND, AND RECEIVER FOR EXTENDING THE BAND OF THE SIGNAL AT THE RECEIVING END}

본 발명은 다수의 응용 분야를 갖는데, 특히 수신단에서 음성 신호의 품질을 향상시키기 위한 이동 무선전화 시스템에 응용된다.

이러한 시스템은 일반적으로 송신될 정보의 양을 감소시키고 그에 따라 송신 채널의 용량을 증가시키기 위한 소스의 인코딩을 포함한다. 소스 인코딩은, 전화에 의한 송신의 경우에 있어서는 음성 인코딩으로서, 송신될 메시지의 스펙트럼을 감소시키는데 종종 관련된다. 이러한 스펙트럼의 감소는 일반적으로 수신단에서 신호의 오디오 품질의 저하를 동반한다. 이러한 문제를 개선하기 위해서, 스펙트럼 확장으로 지칭되는 다양한 방법이 수신단에서 수신 신호의 스펙트럼 대역을 확장하기 위해 정교하게 이루어진다.

미국 특허(제 5,581,652호)에서는 이러한 방법들 중 하나의 방법이 설명되어있다. 그것은 폭이 더 좁은 스펙트럼을 갖는 대역으로 수신되는 음성 신호로부터 광-대역 음성 신호를 재구성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 한 쌍의 상호관련된 음성 사전(speech dictionary)을 사용하는 것을 포함한다. 제 1 사전은 송신 이전의 원 신호(original signal)의 대역 보다 폭이 더 좁은 스펙트럼 대역을 갖는 제 1의 일련의 벡터 코드를 통해서 수신된 음성 신호를 분석하는데 사용된다. 제 2 사전은, 더 큰 대역이며 협대역의 분석된 코드에 대응하는 제 2의 일련의 벡터 코드를 수신 신호에 할당하여 수신 신호의 스펙트럼 대역을 확장하는 것을 가능케 한다.

이러한 방법은, 어쩌면 특정 정보에 대해서, 수신 신호에 근거하여 광-대역 신호의 작용(behavior)을 예측하기 위한 예측 기술을 사용함으로써, 협대역으로 인코딩된 신호의 송신 신호 정보를 통해 광-대역 신호의 귀납적인(posteriori) 재구성을 허용한다.

본 발명은, 특히 송신 신호의 스펙트럼 폭이 제한되는 원격통신 시스템을 위한 음성 신호의 송신 및 수신에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 송신기를 나타내는 주요한 회로도.

도 2는 본 발명에 따른 수신기를 나타내는 주요한 회로도.

도 3은 본 발명에 따른 시스템의 실시예를 예시하는 도면.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 송신 방법 및 수신 방법을 각각 예시하는 흐름도.

본 발명의 목적은 송신 데이터의 양을 상당히 증가시키지 않고도 이러한 방법의 성과(performance)를 향상시키는데 있다. 이 때문에, 본 발명은 송신기, 수신기, 시스템, 송신 방법 및 수신 방법을 제공하는데, 상기 방법에 있어서 협대역으로 인코딩된 신호에 포함되지 않는 원 음성 신호(original speech signal)를 나타내는 정보는 협대역으로 수신된 신호에 근거하여 수신단에서 상기 원시 음성 신호를 재구성하는 것을 용이하게 하도록 인코딩된 신호에 부가하여 송신된다.

본 발명의 첫 번째 독특한 특징에 따라, 원 신호의 스펙트럼 대역은 정해진이득을 갖는 고주파수의 서브-대역을 포함하고, 송신된 음성 정보는 상기 서브-대역의 원 음성 신호의 이득과 협대역으로 인코딩된 신호의 이득간의 비율을 나타낸다.

본 발명의 이러한 양상과 다른 양상은 비제한적인 예를 통해서 이후로 설명되는 실시예를 참조하여 자명해지고 또한 그것을 통해서 설명될 것이다.

본 발명에 따른 송신기 및 수신기의 실시예가 도 1 및 도 2에 각각 도시되어 있다. 상기 송신기와 수신기는 원 대역(original band)으로 지칭되는 정해진 스펙트럼 대역을 갖는 원 신호(original signal)로 지칭되는 음성 신호를 각각 송신 및 수신하기 위해서 제공된다.

도 1에 도시된 송신기는,

·원 음성 신호(OS : original speech signal)를 분석하고, P로 표기된 정보를 유도하기 위한 분석 모듈(ANA)로서, 상기 정보(P)는 원 대역의 음성 신호(OS)에 대한 적어도 하나의 특징적인 음성 파라미터를 나타내는, 분석 모듈(ANA)과;

·협대역으로 지칭되면서 원 스펙트럼 대역보다 폭이 더 좁은 스펙트럼 대역으로 원 음성 신호를 송신할 목적으로 상기 원 음성 신호(OS)를 인코딩하고, 원 신호를 나타내면서 협대역으로 인코딩된 신호(CS)를 획득하기 위한 음성 인코딩 모듈(COD)(음성 인코더)과;

·인코딩된 음성 신호(CS)를 협대역으로 송신하고, 협대역으로 인코딩된 음성 신호(CS) 외에도 상기 음성 파라미터를 나타내는 정보(P)를 송신하기 위한 송신 수단(TX)을 포함한다.

도 2에 도시된 수신기는,

·예컨대 도 1에 도시된 송신기를 통해서 송신되는 인코딩된 음성 신호(CS)뿐만 아니라 음성 파라미터를 나타내는 정보(P)를 수신하기 위한 수신 수단(RX)으로서, 상기 인코딩된 음성 신호는 원 신호의 대역보다 폭이 더 좁은 스펙트럼 대역을 갖는, 수신 수단(RX)과;

·수신된 협-대역 신호(CS)를 디코딩하기 위한 음성 디코딩 모듈(DECOD)과;

·수신된 디코딩 음성 신호와 보충 정보(P)에 기초하여, 협대역에 대해 확장된 스펙트럼 대역을 갖는 광-대역 음성 신호(ES)를 재구성하기 위한 합성 모듈(SYNT)을 포함한다.

송신 수단(TX)과 수신 수단(RX)은 송신 동안에 데이터를 보호하기 위해서 각각의 채널을 인코딩 및 디코딩하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 에미터는 예컨대 원 신호를 디지털 신호(OS)로 변환시키기 위해서 ITU-T 표준과 특히 G.711 및 G.712 부분에서 권고되는 종래의 샘플링 및 필터링 수단(미도시)을 음성인코더(COD) 앞에 포함할 수 있다. 그러므로, 도 1에서 신호(OS)는 이미 디지털화된 상태이다.

수신단에서는, 블록(SYNT)을 통한 광-대역 음성 신호의 합성이, 예컨대, 음성 파라미터를 나타내는 직접 송신된 보충 정보(P)를 적당히 고려하면서 위에서 언급된 문헌에서 설명된 타입의 알려진 수단을 통해 실행된다.

수신 및 송신단에서는, 본 발명의 모든 알고리듬이 디지털 신호 프로세서(DSP)를 통해 실행될 수 있다.

도 3은 무선 전화기(31), 무선 기지국(32) 및 무선(air) 송신 채널(33)에 의해 주로 구성되는 본 발명에 따른 시스템의 실시예를 나타내는데, 그것들의 어셈블리는 무선 기지국(32)과 무선 전화기(31) 사이의 하향 무선 송신을 예시하고 있다. 무선 기지국(32)은 도 1에 도시된 타입의 송신기를 포함하고, 무선 전화기(31)는 도 2에 도시된 타입의 수신기를 포함한다. 무선 전화기와 무선 기지국 사이의 상향 송신의 경우에, 무선 전화기(31)는 도 1에 도시된 바와 같은 송신기를 포함할 수 있고, 무선 기지국은 도 2에 도시된 바와 같은 수신기를 포함할 수 있다. 수신기는 또한 무선 전화기(31)에 의해 전송되는 메시지에 대한 목적지로 사용되는 또 다른 무선 전화기(미도시)에도 존재할 수 있다. 그러한 시스템은 원 신호의 대역 보다 폭이 더 좁은 대역으로 송신되는 인코딩된 음성 신호의 스펙트럼 대역을 수신단에서 확장하는 것을 가능케 한다. 사용자에게 음성 신호를 반송(restitution)시키기 이전에 실행되는 스펙트럼의 이러한 확장은 수신 신호의 품질을 향상시킨다. 그러한 시스템은 이용가능한 주파수 스펙트럼이 제한되는 이동 무선 전화기 분야에서특히 유리하다. 본 발명은 또한 통과대역이 시스템의 모든 사용자에 의해 공유되는 모든 다중 엑세스 원격통신 시스템에서 유리하다.

이러한 시스템에서, 음성 인코딩은 실제로 송신 채널의 용량을 증가시키기 위해 송신될 신호의 스펙트럼 대역을 감소시키기 위해서 일반적으로 실행된다. 이러한 스펙트럼-감소를 위한 인코딩의 한 결과는 바로 상기 인코딩이 송신된 신호의 가청 주파수의 부분을 억제(suppress)시킨다는 것이다. 이러한 억제는 수신단에서 사용자에 의해 인지되는 신호의 오디오 품질에 부정적인 영향을 미친다.

이러한 문제를 개선하기 위해서, 대역 확장 또는 스펙트럼 확장 방법으로 알려져 있는 앞서 언급된 방법과 같은 다양한 방법이 신호의 오디오 품질을 향상시키기 위해 수신단에서 수신 신호의 스펙트럼 대역을 확장시키기 위해서 실행되었다. 이러한 알려진 방법들 중 하나는, 특히, 수신된 협-대역 신호에 근거하여 광-대역 신호를 재구성하기 위해서 도 2에 도시된 합성 블록(SYNT)을 통해 대역을 확장시키는 동작에 이용될 수 있다. 그러나, 이러한 방법들 중 하나를 사용하는 것 외에도, 본 발명은 협대역으로 수신되는 인코딩 신호로부터 재구성되는 메시지의 품질을 향상시키기 위해서, 원 신호로부터 추출된 음성 파라미터를 나타내는 정보의 사용을 제공한다.

도 3의 시스템에 대한 장점은, 상기 시스템이 송신 채널을 통해 송신되는 데이터의 양을 실질적으로 증가시키지 않고도 수신 신호의 품질 향상을 가능케 한다는 것이다. 실질적인 예로써, 대략 13 kbit/s의 최대 속도(full-rate) 인코딩에 따라 동작하는 GSM(Global System for Mobile communications) 타입의 시스템에 비해서, 본 발명은 예컨대 협대역 인코딩 신호 이외에 송신된 정보 성분의 특성과 수에 따라 거의 13.1 kbit/s의 속도나 약간 더 큰 속도(대략 14 내지 16 kbit/s)를 제공할 수 있다. 속도에 대한 이러한 약간의 향상은 대부분의 현행 응용에 대해서 무시 가능하다. 다른 응용을 대해서, 그것은 광-대역 인코더 보다 속도와 수신 품질 사이의 더 양호한 절충이고, 이는 이러한 경우에 본 발명을 훨씬 더 중요하게 만든다. 속도의 증가는, 송신기에 배치된 송신 유닛(TX)이 종래의 음성 인코딩 방법에 따라 인코딩된 유용한 협-대역 신호 외에도, 원 스펙트럼 대역(original spectral band)의 원 신호에 대해 특징적인 적어도 하나의 음성 파라미터를 나타내는 하나 이상의 정보 성분을 송신한다는 사실에 기인한다. 이러한 파라미터는 신호를 분석하는 종래의 방법에 따라 분석 모듈(ANA)에 의해 송신될 신호로부터 미리 추출될 수 있다. 송신된 파라미터의 타입에 따라, 다른 종래의 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 신호의 반사 계수를 나타내는 정보를 송신하는 경우에, 이러한 계수는 LPC(선형적인 예측 코딩 : Linear Predictive Coding) 타입의 분석 방법을 통해 추출될 수 있다. 만약 송신된 정보가 신호의 이득을 나타낸다면, 에너지 계산 방법이 적합할 것이다. 만약 정보가 특정 주파수 대역의 음성에 관한 것이라면, MBE(다중 대역 여기 : Multi Band Excitation) 타입의 인코더와 유사한 기술이 사용될 수 있다.

송신될 음성 파리미터는, 예컨대 다른 파라미터와의 선형적인 결합을 통한 파라미터의 예측과 같은 종래의 예측 방법을 통해서 수신 신호에 근거하여 예측하는데 난해한 음성 파라미터로부터 선택되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 고주파수대역(3400 내지 8000 Hz) 또는 저주파수 대역(100 내지 300 Hz)의 이득 파라미터는 신호의 형태를 나타내는 파라미터가 고려될 수 있고, LPC 엔벌로프 파라미터 또는 원 신호의 고조파를 나타내는 파라미터가 고려될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 고주파수의 이득 파라미터를 나타내는 정보는 원 신호의 스펙트럼(예를 들어, 70 내지 8000 Hz) 이내이지만 인코딩된 신호의 스펙트럼(예를 들어, 300 내지 3400 Hz)의 바깥, 즉 대역(3400 내지 8000 Hz)의 주파수와, 송신된 인코딩 신호의 협대역(예를 들어, 300 내지 3400 Hz)의 주파수 사이의 이득 인자 형태로 송신기에 의해 송신된다. 이러한 이득 인자는 분석 수단(ANA)에 포함될 수 있는 계산 수단에 의해서 계산된다. 상기 이득 인자는 어쩌면 송신 수단(TX)에 포함될 수도 있는 적응된 인코딩 수단에 의해서 그것의 송신 전에 미리 인코딩될 수 있다. 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 송신 방법 및 적응된 수신 방법에 대한 실시예의 흐름도를 간략히 도시하고 있는데, 그것들은 도 1 및 도 2에 도시된 송신기와 수신기에 의해서 각각 실행될 수 있다.

송신 방법은,

·원 스펙트럼 대역의 원 음성 신호(OS)에 대한 음성 파라미터(P) 특징을 나타내는 정보를 적어도 추출하기 위해서 상기 원 음성 신호(OS)를 분석하기 위한 분석 단계(ANA)(OS)와;

·협대역으로 지칭되면서 원 신호의 스펙트럼 대역 보다 폭이 더 좁은 스펙트럼 대역으로 원 음성 신호를 송신할 목적으로 상기 원 음성 신호(OS)를 인코딩하기 위한 음성 인코딩 단계(COD)(OS)(최종 신호는 S로 표기되어 있음)와;

·협대역으로 인코딩된 상기 음성 신호를 송신하고, 상기 협대역으로 인코딩된 음성 신호 외에, 상기 음성 파라미터를 나타내는 보충 정보(P)를 송신하기 위한 송신 단계(TX)(S, P)를 포함한다.

수신단에서 대역을 확장하기 위한 방법은,

·음성 신호를 나타내는 보충 정보(P)를 수신하고, 원 대역으로 지칭되는 스펙트럼 대역을 갖는 원 음성 신호에 근거하여, 원 대역 보다 폭이 더 좁으면서 협대역으로 지칭되는 스펙트럼 대역을 갖는 인코딩 음성 신호(S)를 수신하기 위한 수신 단계(RX)(S, P)와;

·수신된 협-대역 음성 신호(S)를 디코딩하기 위한 음성 디코딩 단계(DECOD)(S)와;

·수신된 협-대역 음성 신호(S)와 수신된 보충 정보(P)에 근거하여, 협대역보다 더 큰 스펙트럼 대역을 갖는 광-대역 음성 신호를 재구성하기 위한 합성 단계(SYNT)(S, P)를 포함한다.

수신 처리를 설명하는 알고리듬의 사용은 협-대역 음성 신호 및 유사한 광-대역 신호의 데이터베이스가 구현되는 사전 학습 단계(learning phase)를 필요로 한다. 이러한 데이터베이스는 음성 파라미터의 결정을 가능케 하는데, 상기 음성 파라미터를 통해서, 광-대역 신호는 협-대역 음성 신호로부터 신뢰적인 방식으로 획득될 수 있다. 이러한 결정은 협-대역 신호로부터 수월하게 또는 효과적으로 예측가능하지 않은 음성 파라미터를 고려할 수 있다. 특정 파라미터는 부분적으로는 예측가능하다. 예측가능하지 않은 부분도 송신될 수 있다. 이러한 경우에는, 학습단계가 송신된 부분을 고려함으로써 예측된 부분에서 실행된다. 예를 들어, 만약 협대역의 주파수와 고주파수간의 이득율이 송신된다면, 고주파수에 대한 학습 단계가 높은 대역의 표준 에너지에 근거하여 실행된다. 학습 단계에 대한 더 상세한 사항은 마사노브 에이비(Masanobu Abe)와 와이키 요시다(Yki Yoshida)에 의한 "More Natural Sounding Voice Quality Over the Telephone"라는 기사(NTT Review, vol.7, no.3, May 1995)에서 설명되어 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 특히 송신되는 신호의 스펙트럼이 제한되는 원격통신 시스템을 위한 음성 신호의 송신 및 수신에 이용가능하다.

Claims (12)

1. 원 스펙트럼 대역(original spectral band)을 갖는 원 음성 신호(original speech signal)를 송신하기 위한 송신기로서, 상기 송신기는,

   상기 원 음성 신호를 분석하고, 상기 원 대역 내의 상기 음성 신호에 대해 특징적인 적어도 하나의 음성 파라미터를 나타내는 정보를 적어도 유도하기 위한 모듈과;

   ·협대역으로 지칭되면서 상기 원 신호의 상기 원 스펙트럼 대역보다 폭이 더 좁은 스펙트럼 대역으로 상기 원 음성 신호를 송신할 목적으로 상기 원 음성 신호를 인코딩하기 위한 모듈과;

   ·인코딩된 상기 음성 신호를 상기 협대역으로 송신하고, 상기 협-대역으로 인코딩된 신호 외에 상기 정보를 송신하기 위한 수단을

   포함하는, 송신기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 원 신호의 상기 스펙트럼 대역은 정해진 이득을 갖는 고주파수의 서브-대역을 포함하고, 상기 음성 파라미터는 상기 서브-대역의 상기 원 음성 신호의 이득을 나타내는 것을 특징으로 하는, 송신기.
3. 제 2항에 있어서, 상기 음성 파라미터를 나타내는 보충 정보는 고주파수의 서브-대역과 협대역간의 음성 신호의 이득 인자인, 송신기.
4. 제 2항에 있어서, 상기 원 대역은 70 내지 8000 Hz의 대역에 배치되고, 상기 협대역은 300 내지 3400 Hz의 대역에 배치되며, 고주파수의 서브-대역은 3400 내지 8000 Hz의 대역에 배치되는, 송신기.
5. 음성 신호를 수신하기 위한 수신기로서, 상기 수신기는,

   원 대역으로 지칭되는 스펙트럼 대역을 갖는 원 음성 신호에 근거하여, 상기 원 대역 보다 폭이 더 좁은 스펙트럼 대역을 갖는 인코딩된 음성 신호를 수신하고, 합성 수단에 공급될 음성 파라미터를 나타내는 정보를 수신하기 위한 수단과;

   상기 수신된 음성 신호를 디코딩하기 위한 모듈과;

   상기 원 음성 신호에 대해 특징적인 적어도 하나의 음성 파라미터를 나타내는 정보와 상기 수신된 음성 신호에 근거하여, 상기 협대역에 대해 확장되는 스펙트럼 대역을 갖는 광-대역 음성 신호를 재구성하기 위한 합성 모듈을

   포함하는, 수신기.
6. 송신기와 수신기간에 음성 신호를 송신하기 위한 원격통신 시스템으로서,

   제 1항에서 기재된 송신기와 제 5항에서 기재된 수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 원격통신 시스템.
7. 원 대역으로 지칭되는 정해진 스펙트럼 대역을 갖는 원 음성 신호를 송신하는 방법으로서, 상기 방법은,

   상기 원 대역의 상기 음성 신호에 대해 특징적인 음성 파라미터를 나타내는 정보를 적어도 유도하기 위해 상기 원 음성 신호를 분석하는 단계와;

   협대역으로 지칭되면서 상기 원 신호의 스펙트럼 대역 보다 폭이 더 좁은 스펙트럼 대역으로 상기 원 음성 신호를 송신할 목적으로 상기 원 음성 신호를 인코딩하는 단계와;

   상기 협대역으로 인코딩된 상기 음성 신호를 송신하고, 또한 상기 협-대역 인코딩된 음성 신호 외에 상기 정보를 송신하는 단계를

   포함하는, 원 음성 신호를 송신하는 방법.
8. 제 1항에서 기재된 송신기를 위한 컴퓨터 프로그램 제품으로서,

   상기 제품은, 일단 상기 송신기로 로딩되면, 상기 송신기가 제 7항에서 기재된 방법의 단계를 수행할 수 있게 하는 소프트웨어 코드 부분을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품.
9. 수신단에서 대역을 확장하는 방법으로서, 상기 방법은,

   원 대역으로 지칭되는 스펙트럼 대역을 갖는 원 음성 신호에 근거하여, 상기 원 대역 보다 폭이 더 좁으면서 협대역으로 지칭되는 스펙트럼 대역을 갖는 인코딩된 신호를 수신하고, 합성 단계에서 사용할 목적으로 음성 파라미터를 나타내는 정보를 수신하는 단계와;

   상기 수신된 음성 신호를 디코딩하는 단계와;

   상기 원 음성 신호에 대해 특징적인 적어도 하나의 음성 파라미터를 나타내는 정보와 상기 협대역으로 수신된 상기 음성 신호에 근거하여, 상기 협대역보다 더 큰 스펙트럼 대역을 갖는 광-대역 음성 신호를 재구성하기 위한 합성 단계를 포함하는, 대역을 확장하는 방법.
10. 제 9항에 있어서, 송신된 음성 파라미터에 따라, 상기 수신된 신호로부터 재구성된 광-대역 신호와 수신된 협-대역 신호의 데이터베이스를 구현하기 위해서 학습 단계(learning step)가 제공되고, 상기 데이터베이스는 재구성된 광-대역 음성 신호의 사전 결정된 품질 인자에 송신된 음성 파라미터가 영향을 미치도록 하기 위해서 제공되는, 대역을 확장하는 방법.
11. 제 5항에서 기재된 수신기를 위한 컴퓨터 프로그램 제품으로서,

    상기 제품은, 일단 상기 수신기에 로딩되면, 상기 수신기가 제 9항에서 기재된 방법의 단계를 수행할 수 있게 하는 소프트웨어 코드 부분을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품.
12. 원 스펙트럼 대역을 갖는 원 음성 신호로부터 정교하게 되는 송신될 음성 신호로서,

    상기 음성 신호는 원 스펙트럼 대역 보다 더 좁은 협대역을 갖고;

    상기 음성 신호는 상기 원 신호의 상기 음성 신호에 대해 특징적인 음성 파라미터를 나타내는 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는, 음성 신호.