KR20030035443A - 지연 피치 추출장치 및 방법 - Google Patents

지연 피치 추출장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지연 피치 추출장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 일반적인 보코더의 지연 피치검색시, 그 지연 피치의 정확도를 향상시키기 위하여 피치 이외의 성분을 제거할 수 있도록 한 지연 피치 추출장치 및 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 입력된 음성신호의 분석을 위한 프레이밍을 수행하는 프레이머와; 상기 프레이머의 출력신호중 음성신호에 포함된 원하지 않는 저주파 성분을 제거하는 제1 필터부와; 상기 제1 필터부의 출력을 입력받아 특정 알고리즘을 이용하여 엘피시(LPC) 계수를 출력하는 엘피시 계수 추출부와; 상기 출력된 계수를 이용하여 음성신호의 포르만트(Formant) 성분을 제거하는 제2 필터부와; 상기 제2 필터부의 출력을 입력받아 피치이외의 성분을 필터링하는 제3 필터부와; 상기 제3 필터부의 출력중 지연 피치를 산출하는 지연 피치 산출부로 구성된 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명은 지연피치검색시 피치 성분 이외의 불필요한 성분을 제거함으로써 정확한 지연피치의 검색을 가능하게 한다. 또한, 정확한 지연피치의 검출은 일반적으로 보코더의 음질을 향상시키며, 특히 CELP 보코더의 경우 제안된 지연피치를 오픈 루프 지연피치로 사용하면 이후의 과정에서 사용되는 롱텀필터(long term filter)의 딜레이값을 보다 정확히 검출할 수 있게 되어 결과적으로 CELP 보코더의 음질을 향상시키는 효과가있다.

Description

지연 피치 추출장치 및 방법{DELAY PITCH EXTRACTION APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 지연 피치 추출장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 일반적인 보코더의 지연 피치검색시, 그 지연 피치의 정확도를 향상시키기 위하여 피치 이외의 성분을 제거할 수 있도록 한 지연 피치 추출장치 및 방법에 관한 것이다.
과거의 음성 정보를 전송하는 방법은 한정된 일부 사용자와 특정 분야에 적용되었기 때문에 전송율은 크게 고려가 되지 않았으며 고음질의 음성을 수신단에 보낼 수 있으면 되었다. 그러나 과거에 비해 멀티미디어와 이동통신의 발달로 인해 특정 집단이나 개인에게 제공되었던 서비스들이 이제는 다수의 대중들에게도 제공이 되고, 그 숫자 역시 기하급수적으로 늘어나게 되었다. 그로인해 지금까지 적용되어왔던 전송율로는 사용자 집단을 충족시킬 수 없게 되었고 전송율을 저하시켜 동일 채널 상에 사용자 수를 증가시킬 경우에 발생하는 음질 열화 역시 문제가 되어 왔다. 이와 같은 배경 하에서 음성 부호화기, 즉 보코더의 개발이 이루어지게 되었다.
현재까지 발표된 음성부호화기 중 가장 많은 연구가 이루어지고 있는 방식은 CELP(Code Excited Linear Prediction)구조이다. 이 방식은 4.8kbps 내외의 전송율에서 양호한 음질을 얻을 수 있으며 ITU-T, TIA/EIA등 여러 국제 표준화 기구를 통해 다양한 응용분야에서 표준화가 이루어지고 있다.
상기 CELP방식은 음성신호가 가지고 있는 여러 특징에 대해 파라미터를 추출하여 전송하는 방식으로 저전송율에서도 고음질을 가질 수 있다는 장점을 가지고 있다.
CELP 보코더에서 추출하는 파라미터는 AbS(Analysis-by-Synthesis)구조를 가지고 있으며 분석과정에서는 에러최소화를 통해 최종 파라미터를 결정하게 된다.
이러한 파라미터는 크게 음성의 의미정보를 나타내는 포르만트(Formant)성분, 화자의 개성을 나타내는 피치성분 및 위의 두 성분이 제거된 여기(excitation) 성분으로 나눠질 수 있다. 이들 중 상기 피치 성분을 추출하기 위해서 다음과 같은 구조를 포함하게 되며 도 1에 도시된 바와 같다.
입력된 음성신호의 short-time분석을 위한 프레이밍을 수행하는 프레이머(11)와; 상기 프레이머(11)의 출력신호중 60Hz 허밍 노이즈와 그 외의 불필요한 저주파성분을 제거하는 제1 필터부(12)와; Levinson-Durbin알고리즘을 이용하여 엘피시(LPC) 계수를 출력하는 엘피시 계수 추출부(13)와; 상기 출력된 계수를 이용하여 음성신호의 포르만트 성분을 제거하는 제2 필터부(14)와; 상기 제2 필터부(14)의 출력을 입력받아 지연 피치를 산출하는 지연 피치 산출부(15)로 구성된다.
상기 제2 필터부(14)는 아래의 수학식 1, 또는 수학식 2를 이용하여 출력하게 구성된다.
여기서,는 LPC의 계수를 나타내고, Z는 샘플링 값으로 딜레이 시간을 나타내며는 보코더에서 정의한 대기 요소(Waiting Factor)를 나타낸다.
또한, 상기 지연 피치 산출부(15)는 제2 필터부(14)의 출력신호를 입력받아 분자의 프레임 길이에 따라 지수를 조정하는 제1 지수 조정부(15a)와; 상기 제1 지수 조정부(15a)와 함께 상기 프레임 길이에 따라 지수를 조정하는 제2 지수 조정부(15b)와; 상기 제2 지수 조정부(15b)의 출력을 이용하여 보코더에서 정의한 지연 피치범위내에서 최대값을 갖는 인덱스를 추출하는 지연피치 추출부(15c)로 구성된다.
또한, 상기 제1 지수 조정부(15a)는 아래의 수학식의 분자를 결정하고, 제2 지수 조정부는 아래의 수학식의 분모를 결정하여 출력하게 구성된다.
여기서, L은 보코더에서 정의한 프레임 길이이며, sw(n)은 제2 필터부의 출력신호를 나타낸다.
PCM line을 통해 연속적으로 들어오는 음성신호를 보코더에서 정의한 한 프레임길이의 분석구간으로 나누기위해 프레이머(11)을 거치게 된다. 그 프레이머(11)를 거친 출력신호는 불필요한 저주파성분을 제거하기위해 고역통과 필터(12)를 통과한다.
상기 고역통과 필터(12)의 출력신호는 선형예측 필터(14)의 계수를 산출하기 위한 엘피시(LPC)계수 추출부(13)의 입력이되며 상기 선형예측 필터(14)는 Levinson-Durbin알고리즘을 이용하여 구한다.
일반적으로, 상기 보코더는 10차의 엘피시(LPC) 계수를 가진다. 상기 엘피시(LPC)계수 추출부(14)에서 구해진 엘피시(LPC)계수를 이용하여 상기 선형예측 필터(13)의 계수를 계산하게 되며, 그 선형예측 필터(14)는 상기 수학식 1과 같은 구조를 가지고 있고, 인지가중필터는 상기 수학식 2와 같은 구조를 가지고 있다.
상기 수학식 1 또는 수학식 2의 결과를 이용하여 제1, 제2 지수조정부(15a,15b) 및 지연피치 추출부(15c)를 거치면 최종적으로 지연피치를 산출하게 된다.
상기 지연피치는 상기 수학식 3을 이용하여 추출하게 되고, 최종적으로 상기 지연피치 추출부(15c)는 상기 제2 지수조정부(15b)의 출력 R(k)를 이용하여 보코더에서 정의한 지연피치범위 내에서 그 R(k)가 최대가 되는 인덱스를 추출하게 된다.
음성생성 모델링을 기초로하는 보코더에서 지연피치를 정확히 검출하기 위해서는 음성영역성분이나 그 외의 다른 성분을 제거한 다음 검출하는 것이 정확성을향상시킬 수 있다. 그러나, 상기와 같이 동작하는 종래의 보코더는 상기 지연피치 검색시 원 음성신호의 엘피시(LPC)계수를 이용하여 구성된 선형 예측 필터의 출력신호를 이용하기 때문에 피치 성분 이외의 성분으로 인해 정확도를 떨어뜨릴 수 있다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 피치의 역수인 기본 주파수가 최대가 되었을때의 주파수를 차단주파수로 하는 저역통과 필터를 구성하여 지연피치 검색시 다른 성분에 의한 왜곡을 줄일 수 있도록 하여 결과적으로 음질을 향상시킬 수 있도록 한 지연 피치 추출장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래 지연피치 추출장치의 구성을 보인 블럭도.
도 2는 본 발명 지연피치 추출장치의 구성을 보인 블럭도.
도 3의 (a)는 도 2의 프레이머의 출력파형을 보인 파형도, (b)는 도2의 선형예측 필터의 출력 파형을 보인 파형도, (c)는 도 2의 저역통과 필터의 출력 파형을 보인 파형도.
***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***
21: 프레이머 22: 고역통과 필터
23: LPC계수 추출부 24: 선형예측 필터
25: 저역통과 필터 26: 지연피치 산출부
26a: 제1 지수 조정부 26b: 제2 지수 조정부
26c: 지연피치 추출부
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 입력된 음성신호의 분석을 위한 프레이밍을 수행하는 프레이머와; 상기 프레이머의 출력신호중 음성신호에 포함된 원하지 않는 저주파 성분을 제거하는 제1 필터부와; 상기 제1 필터부의 출력을 입력받아 특정 알고리즘을 이용하여 엘피시(LPC) 계수를 출력하는 엘피시 계수 추출부와; 상기 출력된 계수를 이용하여 음성신호의 포르만트(Formant) 성분을 제거하는 제2 필터부와; 상기 제2 필터부의 출력을 입력받아 피치이외의 성분을 필터링하는 제3 필터부와; 상기 제3 필터부의 출력중 지연 피치를 산출하는 지연 피치 산출부로 구성한 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연속적인 음성신호에 대해 프레이밍작업을 하고, 그 프레이밍작업은 원하지 않는 저주파수성분을 제거한후 엘피시(LPC) 계수를 추출하고, 그 추출된 엘피시(LPC) 계수를 이용하여 포르만트(Formant)성분을 제거하며 그 제거된 출력신호에서 피치 이외의 성분을 제거한 다음 그 신호를 이용하여 지연 피치를 산출하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명 지연피치 추출장치의 구성을 보인 블럭도로서, 이에 도시한 바와 같이 입력된 음성신호의 분석을 위한 프레이밍을 수행하는 프레이머(21)와; 상기 프레이머(21)의 출력신호중 음성신호에 포함된 원하지 않는 저주파 성분을 제거하는 제1 필터부(22)와; 상기 제1 필터부(22)의 출력을 입력받아 특정 알고리즘을 이용하여 엘피시(LPC) 계수를 출력하는 엘피시 계수 추출부(23)와; 상기 출력된 계수를 이용하여 음성신호의 포르만트(Formant) 성분을 제거하는 제2 필터부(24)와; 상기 제2 필터부(24)의 출력을 입력받아 피치이외의 성분을 필터링하는 제3 필터부(25)와; 상기 제3 필터부(25)의 출력중 지연 피치를 산출하는 지연 피치 산출부(26)로 구성된 것으로, 이와 같이 구성된 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명은 일반적인 보코더의 지연피치 검색시 그 지연피치의 정확도를 향상시켜 음질을 향상시키기 위한 것이다.
PCM 라인을 통해 연속적으로 들어오는 음성신호를 보코더에서 정의한 한 프레임길이의 분석구간으로 나누기위해 프레이머(21)을 거치게 된다.
이에 따라, 상기 프레이머(21)는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 프레임의 길이가 240샘플인 음성신호를 출력하게 된다.
이러한, 상기 프레이머(21)의 출력신호는 불필요한 저주파성분을 제거하기위해 고역통과 필터(22)를 통과한다.
상기 고역통과 필터(22)의 출력신호는 선형예측 필터(24)의 계수를 산출하기 위한 엘피시(LPC)계수 추출부(23)의 입력이되며, 상기 선형예측 필터(24)는 Levinson-Durbin알고 리즘을 이용하여 구한다.
상기 엘피시(LPC)계수 추출부(23)에서 구해진 엘피시(LPC)계수를 상기 수학식 1에 적용하여 상기 선형예측 필터(24)의 계수를 계산하게 되며, 그 선형예측 필터(24) 출력신호는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같다.
상기 수학식 1에 의해 얻어진 상기 선형예측 필터(24) 또는 상기 수학식 2에 의해 얻어진 상기 인지가중필터(24)의 출력은 저역통과 필터(25)로 입력된다.
이에 의해, 저역통과 필터(25)의 차단주파수는 다음과 같은 방법으로 산출된다. 즉, 상기 저역통과 필터(25)의 차단주파수를 결정하기 위해서 보코더의 지연피치 범위 중 최소 피치값의 역수에 해당하는 기본 주파수를 먼저 구한다.
기본 주파수는 피치 래그의 역수값으로 피치 래그가 작을수록 기본 주파수 값은 커지게 된다.
따라서, 최대의 기본 주파수를 산출한 다음 그 값을 차단주파수로 사용하게 되면 피치 이외의 성분을 제거할 수 있는 저역통과 필터를 구성할 수 있게 된다.
예를 들어 보코더의 피치 범위가 20~200샘플이며 샘플링 주파수를 8000Hz라고 가정할 경우 기본 주파수의 범위는 아래의 수학식 4에 의해 40~400Hz가 된다.
여기서, fp는 기본 주파수을 나타내고, 125㎲는 샘플링 주파수 8000Hz의 역수로 샘플링 간격을 나타낸다.
상기 기본 주파수는 지연피치의 역수값으로 지연피치가 작을수록 기본 주파수 값은 커지게 된다.
따라서, 저역통과 필터(25)의 차단주파수는 최소 피치 범위인 20에서 구한 최대 기본 주파수 400Hz를 사용함으로써 피치 이외의 성분을 제거할 수 있게 된다.
그 결과, 상기 저역통과 필터(25)는 도 3의 (c)와 같은 파형을 출력한다.
이러한 본 발명의 저역통과 필터는 도 2에 도시한 바와 같이 그 저역통과 필터(25)를 선형예측 필터(24)의 후단에 사용하고, 상기 보코더에서는 그 선형예측 필터(24)의 출력신호를 이용하여 지연피치를 검색하기 때문에 그 선형예측 필터(24)의 출력신호에 대해 상기 저역통과 필터(25)에서 피치이외의 성분을 제거하여 최종적으로 지연피치 산출부(26)를 통해 지연피치를 검출하게 된다.
여기서, 상기 지연피치 산출부(26)는 제1, 제2 지수조정부(26a), 지연피치 추출부(26b)로 구성되어 종래의 제1, 제2 지수조정부(15a, 15b), 지연피치 추출부(15c)와 같은 기능을 담당한다.
또한, 상기 저역통과 필터(25)는 계산상의 편리를 위해 선형예측 필터(24)와의 컨볼류션을 통해 단일 임펄스 응답을 계산하여 사용할 수도 있다.
이러한, 본 발명의 지연 피치 추출방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 지연피치검색시 피치 성분 이외의 불필요한 성분을 제거함으로써 정확한 지연피치의 검색을 가능하게 한다.
또한, 정확한 지연피치의 검출은 일반적으로 보코더의 음질을 향상시키며, 특히 CELP 보코더의 경우 제안된 지연피치를 오픈 루프 지연피치로 사용하면 이후의 과정에서 사용되는 롱텀필터(long term filter)의 딜레이값을 보다 정확히 검출할 수 있게 되어 결과적으로 CELP 보코더의 음질을 향상시킨다.
또한, 정확한 피치값의 검출은 보코더의 전송량을 줄이기 위한 알고리즘의 성능도 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 입력된 음성신호의 분석을 위한 프레이밍을 수행하는 프레이머와; 상기 프레이머의 출력신호중 음성신호에 포함된 원하지 않는 저주파 성분을 제거하는 제1 필터부와; 상기 제1 필터부의 출력을 입력받아 특정 알고리즘을 이용하여 엘피시(LPC) 계수를 출력하는 엘피시 계수 추출부와; 상기 출력된 계수를 이용하여 음성신호의 포르만트(Formant) 성분을 제거하는 제2 필터부와; 상기 제2 필터부의 출력을 입력받아 피치이외의 성분을 필터링하는 제3 필터부와; 상기 제3 필터부의 출력주파수의 프레임 길이에 따라 지수를 조정함과 아울러 보코더에서 정의한 지연 피치 범위내에서 최대값을 갖는 인덱스를 추출하는 지연 피치 산출부로 구성된 것을 특징으로 하는 지연 피치 추출장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제3 필터부는 저역통과 필터로 구비되어, 보코더에서 정의한 지연피치 범위중 최소 지연피치의 역수를 이용하여 차단주파수를 출력하게 구성된 것을 특징으로 하는 지연 피치 추출장치.
  3. 연속적인 음성신호에 대해 프레이밍작업을 하고, 그 프레이밍작업은 원하지 않는 저주파수성분을 제거한후 엘피시(LPC) 계수를 추출하고, 그 추출된 엘피시(LPC) 계수를 이용하여 포르만트(Formant)성분을 제거하며 그 제거된 출력신호에서 피치이외의 성분을 제거하여 지연 피치를 산출하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 지연 피치 추출방법.
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