KR20020035109A - 협대역으로 인코딩된 신호를 송신하는 송신기, 수신단에서 이 인코딩된 신호의 대역을 확장하는 수신기, 해당송신 방법과 수신 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 송신기와, 협대역으로 인코딩된 송신 신호의 스펙트럼 대역을 수신 단에서 확장하기 위한 수신기에 관한 것이다. 본 발명은, 원 신호를 나타내는 협대역 신호에 기초하여 광대역 신호를 예측하는 수단, 이 원 신호와 예측치를 비교하여 예측 에러를 추정하는 수단, 및 수신 단에서 광대역 신호의 재구성에 기여하기 위하여 협대역으로 인코딩된 신호와 이 예측 에러를 송신하는 수단을 포함한다. 본 발명은 디지털 원격 통신, 이동 무선 전화에 응용된다.

Description

협대역으로 인코딩된 신호를 송신하는 송신기, 수신 단에서 이 인코딩된 신호의 대역을 확장하는 수신기, 해당 송신 방법과 수신 방법 및 시스템{TRANSMITTER FOR TRANSMITTING A SIGNAL ENCODED IN A NARROW BAND, AND RECEIVER FOR EXTENDING THE BAND OF THE ENCODED SIGNAL AT THE RECEIVING END, AND CORRESPONDING TRANSMISSION AND RECEIVING METHODS, AND SYSTEM}

이동 무선전화 시스템은 일반적으로 송신될 정보의 양을 감소시키고 그리하여 송신 채널의 용량을 증가시키기 위해 소스의 인코딩을 수반한다. 전화 송신의 경우에 음성을 인코딩 하는 소스 인코딩은 송신될 메시지의 스펙트럼을 감소시키는 것과 종종 관계된다. 이 스펙트럼의 감소는 일반적으로 수신 단(receiving end)에서 신호의 오디오 품질의 감손을 동반한다. 이 문제를 해결하기 위해, 스펙트럼 확장(spectrum extension)이라고 하는 여러 방법들이 수신 단에서 수신된 신호의 스펙트럼 대역을 확장하기 위해 연구되어 왔다.

이들 방법 중 하나는 미국 특허 5,581,652호에 기술되어 있다. 이 특허는 더 좁은 스펙트럼을 가지는 대역으로 수신된 음성 신호로부터 광대역 음성 신호를 재구성하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 한 쌍의 상호 관련된 음성 사전(interrelated speech dictionaries)의 사용을 포함한다. 제 1 사전은 송신 전에 원 신호의 대역보다 더 좁은 스펙트럼 대역을 가지는 제 1 계열의 벡터 코드(first series of vectorial code)의 도움으로 그 수신된 음성 신호를 분석하는데 사용된다. 제 2 사전은 협대역으로 분석된 코드에 대응하며 그리고 더 넓은 대역으로 제 2 계열의 벡터 코드를 그 수신된 신호에 할당함으로써 그 수신된 신호의 스펙트럼 대역의 확장을 가능하게 한다.

이들 방법은 수신된 협대역 신호로 송신된 단일 정보에 의해 광대역 신호의 차후 재구성을 가능하게 한다.

본 발명은 음성 신호의 송신 및 수신에 관한 것으로, 특히 송신 신호의 스펙트럼 폭이 제한되어 있는 원격 통신 시스템을 위한 음성 신호의 송신 및 수신에 관한 것이다.

본 발명은 특히 수신 단에서 음성 신호의 품질을 개선시키기 위한 이동 무선전화 시스템(mobile radiotelephony systems)에서 다수의 응용을 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 송신기를 도시하는 주요 회로도.

도 2는 본 발명에 따른 수신기를 도시하는 주요 회로도.

도 3은 본 발명에 따른 시스템을 도시하는 회로도.

도 4는 본 발명에 따른 송신 방법을 예시하는 흐름도.

도 5는 본 발명에 따른 수신 방법을 예시하는 흐름도.

본 발명의 목적은 송신된 데이터의 양을 상당히 증가시키지 않으면서 이들 방법의 성능을 개선시키는 것이다. 이 목적을 위해, 본 발명은 송신기, 수신기, 시스템, 송신 방법 및 수신 방법을 제공하는데, 이 방법에서 신호의 송신을 위하여 원 신호가 협대역으로 먼저 인코딩되며, 이어서 원 신호를 나타내는 협대역 신호에 기초하여 광대역 신호의 예측이 이루어지며, 그후 얻어진 예측 신호를 원 신호와 비교함으로써 예측 에러가 계산되는데, 이는 이렇게 얻어진 예측 에러를 광대역 신호와 함께 송신하여 수신 단에서 광대역 신호의 재구성에 기여하게 하기 위함이다.

본 발명의 이들 측면과 다른 측면은 이후 설명되는 실시예를 참조하여 제한하지 않는 예로부터 명백하며 이 예를 통해 명료해질 것이다.

본 발명에 따른 송신기 및 수신기의 실시예가 도 1 및 도 2에 각각 도시되어 있다. 이 송신기와 수신기는 원 대역이라고 하는 일정한 스펙트럼 대역을 가지는, 원 신호라고 하는 음성 신호를 각각 송신 및 수신하기 위해 제공된다.

도 1에 도시된 송신기는:

ㆍ원 음성 신호(OS)의 협대역으로 인코딩하며 송신을 위해 원 대역보다 더 좁은 협대역이라고 하는 스펙트럼 대역으로 인코딩된 음성 신호(Narrow_S)를 얻기 위한 음성 인코딩 모듈(COD)과,

ㆍ협대역 신호(가능하게 인코딩되고 그후 디코딩되는 신호)에 기초하여 원 신호를 나타내는 광대역 신호(Pred_tx_S)를 예측하기 위한 예측 수단(PRED_TX)과,

ㆍ예측된 광대역 신호(Pred_tx_S)와 원 음성 신호(OS) 사이에 예측 에러(Pred_err)를 추정하기 위한 에러 추정 수단(EST)과,

ㆍ예측 에러(Pred_err) 뿐만 아니라 상기 협대역 인코딩된 음성 신호(Narrow_S)를 송신하기 위한 송신 수단(TX)을 포함한다.

도 2에 도시된 수신기는:

ㆍ송신된 예측 에러(Pred_err) 뿐만 아니라 협대역 인코딩된 음성 신호(Narrow_S)를 수신하기 위한 수신 블록(RX)과,

ㆍ상기 수신된 협대역 음성 신호(Narrow_S)를 디코딩하기 위한 음성 디코딩 블록(DECOD)과,

ㆍ협대역으로 수신된 신호(Narrow_S)에 기초하여, 이 협대역보다 더 넓은 스펙트럼 대역을 가지는 신호(Pred_rx_S)를 예측하기 위한 예측 블록(PRED_RX)과,

ㆍ상기 수신된 예측 에러(Pred_err)의 도움으로 예측 신호(Pred_rx_S)를 정정하기 위한 정정 블록(CORR)과,

ㆍ정정된 광대역 신호에 기초하여, 협대역보다 더 넓은 스펙트럼 대역을 가지는 광대역 음성 신호(Wide_S)를 합성하기 위한 음성 합성 블록(SYNT)을 포함한다.

예측된 광대역 신호(Pred_tx_S), 원 신호(OS), 협대역으로 수신된 신호(Narrow_S), 예측 신호(Pred_rx_S) 또는 정정된 광대역 신호는 또한 음성 파라미터(speech parameter)인 것으로 이해되는데, 이 음성 파라미터는 관련 신호의 특성이며 음성 파라미터의 합성을 가능하게 해준다. 이들 파라미터는 예를 들어 LPC(Linear Predictive Coding: 선형 예측 코딩) 타입의 선형 예측 파라미터나 LSF(Line Spectral Frequencies: 라인 스펙트럼 주파수) 타입의 스펙트럼 포락선 파라미터일 수 있으며, 또는 신호의 재구성을 가능하게 하는 임의의 다른 파라미터일 수 있다.

송신 블록(TX) 및 수신 블록(RX)은, 송신 동안 데이터를 보호하기 위해 시행 중인 원격통신 표준에 의해 제공된, 채널을 각각 인코딩하며 디코딩하기 위한 수단을 포함한다. 음성 인코더(COD)는, 원 신호(OS)를 디지털 신호로 변환하기 위한 ITU-T 표준과 특히 파트 G.711과 G.712에 의해 권고된 종래 타입의 필터링 및 샘플링 수단(도시되지 않음) 뒤에 놓인다. 송신 단 및 수신 단에 있는 예측 수단(PRED_TX 및 PRED_RX)은 바람직하게는 유사한 프로그램의 블록을 포함한다. 이 예측 수단들은, 예를 들어 현재 "코드 북 맵핑(code book mapping)"이라고 하는 기술을 사용하여 LSF 타입의 스펙트럼 포락선 파라미터를 예측하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 이 기술은 협대역 스펙트럼 대역을 가지는 신호의 포락선 파라미터에 기초하여, 한 쌍의 음성 사전(speech dictionaries)을 사용하여 포락선 파라미터를 동일 신호를 나타내는 더 넓은 스펙트럼 대역으로 외삽하게 해준다.

예측 에러(Pred_err)와 협대역으로 인코딩된 신호(Narrow_S)는 바람직하게는 동일 음성 프레임으로 송신된다. 데이터는 이어서 전체 시스템에서 탐색된 송신 에러에 대한 로버스트니스(robustness)의 함수로서 미리 결정된 분할(predetermined division)에 따라 그 프레임 내에서 분할되는데, 이 분할은 또한 사용된 채널의 인코딩에 따라 달라진다. 수신 단에서, 데이터는 송신 단에서 선택된 분할에 따라 복구되며 분리된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 예측 수단(PRED_TX)은:

ㆍ협대역으로 인코딩된 음성 신호의 LSF 파라미터 뿐만 아니라 원 음성 신호의 LSF 포락선 파라미터를 분석하며 추출하기 위한 선형 예측 분석 블록(LP_TX)과,

ㆍ협대역 인코딩된 신호의 LSF 파라미터에 기초하여, 광대역 신호의 LSF 광대역 파라미터를 예측하기 위한 프로그래밍된 예측 블록(MAP_TX)을 포함한다. 예측 프로그램은 예를 들어 코드 북 맵핑 타입의 알려진 방법을 수행하기 위해 정의될 수 있다.

본 실시예에 따라, 에러 추정 수단(EST)은, 송신 전에 이후 양자화될 예측 에러를 유도하기 위하여 원 신호의 LSF 광대역 파라미터를 협대역 인코딩된 신호에 기초한 예측된 LSF 광대역 파라미터와 비교하기 위한 비교기(COMP)를 포함할 수 있다.

수신 단에서, 예측 수단(PRED_RX)은, 디코딩된 신호로부터 LSF 파라미터를 추출하기 위하여 디코딩 후에 수신된 협대역 신호를 분석하기 위한 예측 분석 블록(LP_RX)과, 협대역으로 수신된 신호의 LSF 파라미터에 기초하여 광대역 신호의 LSF 파라미터를 예측하기 위한 예측 블록(MAP_RX)을 또한 포함할 수 있다.

정정 수단(CORR)은 수신되고 양자화된 예측 에러에 의해 그 예측된 LSF 광대역 파라미터를 정정하기 위하여 프로그래밍 될 수 있다.

수신 단과 송신 단에서, 본 발명의 모든 알고리즘은 디지털 신호 프로세서(DSP)에 의해 실현될 수 있다.

도 3은 주로 무선 전화(31), 무선 기지국(32), 공중 송신 채널(33)로 구성된, 본 발명에 따른 시스템의 실시예를 도시하는데, 이 조립체는 무선 기지국(32)과 무선 전화(31) 사이에 하향 무선 송신(descending radio transmission)을 도시한다. 무선 기지국(32)은 도 1에 도시된 타입의 송신기를 포함하며 무선 전화(31)는 도 2에 도시된 타입의 수신기를 포함한다. 무선 전화와 무선 기지국 사이의 상향 송신의 경우에는, 무선 전화(31)는 도 1에 도시된 바와 같은 송신기를 포함할 수 있고, 무선 기지국은 도 2에 도시된 바와 같은 수신기를 포함할 수 있다. 이 수신기는 무선 전화(31)에 의해 송신된 메시지를 위한 목적지로서 사용되는 또다른 무선 전화(도시되지 않음)에 존재할 수도 있다. 그러한 시스템은 수신 단에서 원 신호의 대역보다 더 좁은 대역으로 송신된 인코딩된 음성 신호의 스펙트럼 대역을 확장할 수 있게 해준다. 음성 신호를 유저로 전달(restitution)하기 전에 실행된, 이 스펙트럼의 확장은 수신된 신호의 품질을 개선시킨다. 그러한 시스템은 이용 가능한 주파수 스펙트럼이 제한되는 이동 무선전화 분야에서 특히 유리하다. 본 발명은 통과대역이 시스템의 모든 사용자에 의해 공유되는 모든 다중 접속 원격통신 시스템에서도 유리하다.

도 3의 시스템의 장점은, 이 시스템이 송신 채널을 통해 송신된 데이터의 양을 상당히 증가시키지 않으면서 그 수신된 신호의 품질을 개선시킬 수 있게 해준다는 점이다. 실질적인 예로서, 약 13kbit/s의 최대 속도의 인코딩(full-rate encoding)에 따라 작동하는 GSM(Global System for Mobile communications) 타입의 시스템에 비해, 본 발명은 예를 들어, 약 13.1 kbit/s의 속도 또는 대다수의 현 응용에서는 무시할 수 있는, 조금 더 큰 속도(약 14-16 kbit/s)를 제공할 수 있다. 그 속도의 이러한 매우 작은 증가는, 송신기에 위치된 송신 수단(TX)이 종래의 음성 인코딩 방법에 따라 인코딩된 유용한 협대역 신호 외에 송신기에 의해 추정된예측 에러(Pred_err)를 송신한다는 점으로 인해 기인한다.

도 4는 본 발명에 따른 송신 방법의 실시예의 간략 흐름도를 도시하는데, 본 송신 방법은 송신기의 메모리에 저장된 적절한 프로그램에 따라 도 1에 도시된 바와 같은 송신기에 의해 실행될 수 있다. 본 송신 방법은:

ㆍ원 음성 신호의 협대역으로 인코딩을 수행하며, 신호의 송신을 위해 원 대역보다 더 좁은 협대역이라고 하는 스펙트럼 대역으로 인코딩된 음성 신호를 얻기 위한 음성 인코딩 단계(COD_S)와,

ㆍ협대역의 원 신호(가능하게 인코딩되고 그후 디코딩되는 신호)를 나타내는 광대역 신호를 예측하기 위한 예측 단계(PRED_TX_S)와,

ㆍ예측된 광대역 신호와 원 음성 신호 사이의 예측 에러를 추정하기 위한 에러 추정 단계(EST_ERR)와,

ㆍ예측 에러 뿐만 아니라 협대역으로 인코딩된 상기 음성 신호를 송신하기 위한 송신 단계(TX_S)를 포함한다.

서로 다른 신호가 신호의 특징적인 음성 파라미터에 의해 표시되는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 예측 단계(PRED_TX_S)는 다음의 하부단계, 즉:

ㆍ원 음성 신호로부터 LSF 포락선 파라미터를 분석하고 추출하기 위한 선형 예측 분석의 제 1 하부단계와,

ㆍ협대역으로 인코딩된 음성 신호로부터 LSF 포락선 파라미터를 분석하고 추출하기 위한 선형 예측 분석의 제 2 하부단계와,

ㆍ예를 들어 코드 북 맵핑 타입의 알려진 방법에 의해 협대역 신호의 LSF 파라미터에 기초하여 광대역 신호의 LSF 광대역 파라미터를 예측하는 하부단계를 포함한다.

에러 추정 단계(EST_ERR)는 신호의 송신 전에 후속적으로 양자화되는 예측 에러를 유도하기 위하여 원 신호의 LSF 광대역 파라미터와 예측된 LSF 광대역 파라미터를 비교하는 단계로 구성될 수 있다.

도 5는 도 3의 송신 방법에 채용된 본 발명에 따른 수신 방법의 실시예의 간략 흐름도를 도시하는데, 본 방법은 도 2에 도시된 바와 같은 수신기에 의해 실행될 수 있다. 수신 단에서 그 대역을 확장하는 방법은:

ㆍ송신된 예측 에러 뿐만 아니라 협대역으로 인코딩된 음성 신호를 수신하기 위한 수신 단계(RX_S)와,

ㆍ수신된 협대역 음성 신호를 디코딩하기 위한 음성 디코딩 단계(DECOD_S)와,

ㆍ협대역으로 수신된 신호에 기초하여, 협대역보다 더 넓은 스펙트럼 대역을 가지는 광대역 신호라고 하는 신호를 예측하기 위한 예측 단계(PRED_RX_S)와,

ㆍ수신된 예측 에러에 의해 예측된 광대역 신호를 정정하기 위한 정정 단계(CORR_S)와,

ㆍ정정된 광대역 신호에 기초하여, 협대역보다 더 넓은 스펙트럼 대역을 가지는 음성 신호를 합성하기 위한 음성 합성 단계(SYNT_S)를 포함한다.

신호의 각 음성 파라미터에 의해 서로 다른 신호가 식별되는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 수신 방법에서 실행되는 예측 단계(PRED_RX_S)는 다음의 하부단계, 즉

ㆍ디코딩된 신호로부터 LSF 파라미터를 추출하기 위하여 디코딩한 후 수신된 협대역 신호를 예측 분석하는 하부단계와,

ㆍ협대역으로 추출된 LSF 파라미터에 기초하여 그 수신된 신호의 LSF 광대역 파라미터를 예측하기 위한 예측 하부단계를 포함한다.

정정 단계(CORR_S)는 그 수신된 양자화된 예측 에러에 의해 LSF 광대역 파라미터를 정정하는 단계로 구성될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 송신된 신호의 스펙트럼 폭이 제한되는 원격 통신 시스템에서 음성 신호의 송신 및 수신 등에 이용 가능하다.

Claims (10)

1. 원 대역(original band)이라고 하는 주어진 스펙트럼 대역을 가지는 원 음성 신호(original speech signal)를 송신하기 위한 송신기로서,

   ㆍ상기 원 음성 신호의 협대역으로 인코딩을 수행하며, 상기 신호의 송신을 위하여 상기 원 대역보다 더 좁은 협대역이라고 하는 스펙트럼 대역으로 인코딩된 음성 신호를 얻기 위한 음성 인코딩 블록과,

   ㆍ상기 협대역 신호에 기초하여, 상기 협대역보다 더 넓은 스펙트럼 대역을 가지며 상기 원 신호를 나타내는 광대역 신호라고 하는 신호를 예측하기 위한 예측 블록과,

   ㆍ상기 예측된 광대역 신호와 상기 원 음성 신호 사이의 예측 에러를 추정하기 위한 에러 추정 블록과,

   ㆍ상기 예측 에러 뿐만 아니라 상기 협대역으로 인코딩된 상기 음성 신호를 송신하기 위한 송신 블록을

   포함하는, 원 음성 신호 송신기.
2. 음성 신호를 수신하기 위한 수신기로서,

   ㆍ예측 에러 뿐만 아니라 협대역으로 인코딩된 음성 신호를 수신하기 위한 수신 블록과,

   ㆍ상기 수신된 협대역 음성 신호를 디코딩하기 위한 음성 디코딩 블록과,

   ㆍ상기 협대역으로 수신된 신호에 기초하여, 상기 협대역보다 더 넓은 스펙트럼 대역을 가지며 광대역 신호라고 하는 신호를 예측하기 위한 예측 블록과,

   ㆍ상기 수신된 예측 에러에 의해 예측된 광대역 신호를 정정하기 위한 정정 블록과,

   ㆍ상기 정정된 광대역 신호에 기초하여, 상기 협대역보다 더 넓은 스펙트럼 대역을 가지는 음성 신호를 합성하기 위한 음성 합성 블록을

   포함하는, 음성 신호 수신기.
3. 원 대역이라고 하는 주어진 스펙트럼 대역을 가지는 원 음성 신호를 송신하는 방법으로서,

   ㆍ상기 원 음성 신호의 협대역으로 인코딩을 수행하며, 상기 신호의 송신을 위해 상기 원 대역보다 더 좁은 협대역이라고 하는 스펙트럼 대역으로 인코딩된 음성 신호를 얻기 위한 음성 인코딩 단계와,

   ㆍ상기 원 신호를 나타내는 광대역 신호를 예측하기 위한 예측 단계와,

   ㆍ예측된 광대역 신호와 상기 원 음성 신호 사이에 예측 에러를 추정하기 위한 에러 추정 단계와,

   ㆍ상기 예측 에러 뿐만 아니라 협대역으로 인코딩된 상기 음성 신호를 송신하기 위한 송신 단계를

   포함하는, 원 음성 신호 송신 방법.
4. 제 1 항에 기재된 바와 같은 송신기용 컴퓨터 프로그램 제품으로서,

   일단 송신기에 로딩되면, 상기 송신기로 하여금 제 3 항에 기재된 바와 같은 방법의 단계들을 수행하게 하는, 소프트웨어 코드 부분을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품.
5. 제 3 항에 기재된 바와 같은 송신 방법에 의해 송신된 음성 신호에 적응된, 수신 단(receiving end)에서 그 대역을 확장하는 방법으로서,

   ㆍ예측 에러 뿐만 아니라 협대역으로 인코딩된 음성 신호를 수신하기 위한 수신 단계와,

   ㆍ상기 수신된 협대역 음성 신호를 디코딩하기 위한 음성 디코딩 단계와,

   ㆍ협대역으로 수신된 신호에 기초하여, 상기 협대역보다 더 넓은 스펙트럼 대역을 가지는 광대역 신호라고 하는 신호를 예측하기 위한 예측 단계와,

   ㆍ상기 수신된 예측 에러에 의해 예측된 상기 광대역 신호를 정정하기 위한 정정 단계와,

   ㆍ상기 정정된 광대역 신호에 기초하여, 상기 협대역보다 더 넓은 스펙트럼 대역을 가지는 음성 신호를 합성하기 위한 음성 합성 단계를

   포함하는, 대역 확장 방법.
6. 제 2 항에 기재된 바와 같은 수신기용 컴퓨터 프로그램 제품으로서,

   일단 수신기에 로딩되면, 상기 수신기로 하여금 제 5 항에 기재된 바와 같은방법의 단계들을 수행하게 하는, 소프트웨어 코드 부분을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품.
7. 디지털 원격통신 시스템을 위한 인코딩된 음성 신호를 송신하는 전화로서,

   제 1 항에 기재된 바와 같은 송신기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 인코딩된 음성 신호 송신 전화.
8. 디지털 원격통신 시스템으로부터 나오는 인코딩된 음성 신호를 수신하는 전화로서,

   제 2 항에 기재된 바와 같은 수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 인코딩된 음성 신호 수신 전화.
9. 음성 신호를 송신하고 수신하기 위한 디지털 원격통신 시스템으로서,

   제 1 항에 기재된 바와 같은 적어도 하나의 송신기와 제 2 항에 기재된 바와 같은 적어도 하나의 수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 디지털 원격통신 시스템.
10. 원 대역이라고 하는, 주어진 스펙트럼 대역을 가지는 음성 신호로서,

    상기 송신기는,

    원 대역(original band)이라고 하는 주어진 스펙트럼 대역을 가지는 원 음성신호(original speech signal)를 송신하기 위하여,

    ㆍ상기 원 음성 신호의 협대역으로 인코딩을 수행하며, 상기 신호의 송신을 위하여 상기 원 대역보다 더 좁은 협대역이라고 하는 스펙트럼 대역으로 인코딩된 음성 신호를 얻기 위한 음성 인코딩 블록과,

    ㆍ상기 협대역 신호에 기초하여, 상기 협대역보다 더 넓은 스펙트럼 대역을 가지며 상기 원 신호를 나타내는 광대역 신호라고 하는 신호를 예측하기 위한 예측 블록과,

    ㆍ상기 예측된 광대역 신호와 상기 원 음성 신호 사이의 예측 에러를 추정하기 위한 에러 추정 블록과,

    ㆍ상기 예측 에러 뿐만 아니라 상기 협대역으로 인코딩된 상기 음성 신호를 송신하기 위한 송신 블록을

    포함하는, 음성 신호.