SE467806B - Metod att kvantisera linjespektralfrekvenser (lsf) vid beraekning av parametrar foer ett analysfilter ingaaende i en talkodare - Google Patents

Description

A 10 15 20 25 30 67 8 6 ASSP 34, No. 6, December 1986 p. 1419-1425, att använda s k linjespektralfrekvenser ("line spectral frequencies") LSF:er för att koda direktformkoefficienterna, dvs filterparametrarna vid lineärprediktiv kodning av talsignaler. Linj espektralfrekvenserna utgör därvid ett alternativ till filterparametrarna med entydig motsvarighet. Främsta fördelen med att sålunda koda om direkt- formskoefficienterna är att LSF-erna direkt motsvarar for- mantfrekvenserna från munhàlan och således med fördel kan kvantiseras före utsändning och överföring till mottagaren.

Vid omformning till linjespektralfrekvenser ur direktform- koefficienterna bildas summapolynom och skillnadspolynom såsom är beskrivet i ovannämnda artikel. Efter att ha bildat dessa båda polynom beräknas polynomens rötter och därefter kvantiseras dessa. Antalet rötter som skall lokaliseras och beräknas varierar med ordnigen på LPC-analysen. En 10:e ordningens LPC-analys, vilket är typiskt, ger 5 rötter per polynom.

Den normala beräkningsgången, vilken är beskriven i ovannämnda hänvisning är att lokalisera rötterna medelst iteration, exempelvis enligt den s k Newton-Raphson metoden. Efter det att rötterna sålunda beräknats kvantiseras dessa och de kvantiserade värdena översänds som filterparametrar till mottagarsidan.

-Rznosönnrsn rön urprnzunzczn Problemet med att enligt ovan använda sig av linj espektralfrek- venser LSF âr, trots de omnâmnda fördelarna, att man måste beräkna eller lokalisera rötterna till tvâ polynom. Detta kan kräva komplicerade beräkningar och därigenom minska talkodarens snabbhet. De kända metoderna att genom beräkning erhålla värden pá linjespektralfrekvenserna i kvantiserad form utnyttjar ej de egenskaper som dessa summa- och differenspolynom har: a) om det filter som skall representeras av LSF-erna är stabilt, uppträder rötterna vid ökande frekvens omväxlande från summapolynomet respektive från skillnadspolynomet 10 15 20 25 3 467 806 b) på grund av att spektrat som filtret försöker representera härrör från en talsignal kommer rötterna ej att befinna sig närmare varandra än en viss frekvens. Detta beror på att spektrat saknar skarpa toppar samt de tonformande organenes (munhàlans) fysiska egenskaper.

Den kända metoden att beräkna rötterna för de båda polynomen innebär onödigt noggrann lokalisering av rötterna eftersom a) dessa ändå skall kvantiseras och därmed mister sin noggrann- het, b) rötterna måste lokaliseras betydligt noggrannare för att' kunna veta på vilken sida om kvantiseringsgränsen som en rot befinner sig. I annat fall vet man ej bestämt att det kvantiseras till rätt kvantiseringssteg.

Ytterligare nackdelar och problem med den kända metoden är: Polynomen måste eventuellt evalueras för en stor mängd olika frekvenser. Ibland kan man ej på förhand alls veta för vilka frekvenser.

I evalueringen av polynomen ingår att beräkna cosinus för den testade frekvensen. (Man kan dock tänka sig att det finns vissa metoder som.gör Newton-Raphson itereringen direkt på X-axeln, dvs i cos-domänen.) För varje funnen rot måste polynomet divideras med denna rot för att inte detta skall "hittas" en gång till vid nästa iterering.

Man kan vid vissa av de Newton-Raphson liknande metoderna inte vara helt säker på att man hittar rötterna i rätt ordning. Man måste därför sortera dem före kvantiseringen.

Efter kvantisering kan man inte vara helt säker på att monotoni- citeten kvarstår för ISF-erna. De kan ju kors". Även om detta är osannolikt kan det inträffa, speciellt ha kvantiserats “i 467 SÛ6 4 10 15 20 25 vid olyckligt valda kvantiseringstabeller. Man måste efter- kontrollera och justera kvantiseringsvârdena.

Föreliggande metod innebär att summa- och skillnadspolynomen evalueras enbart för vissa frekvenser som år valda på förhand ur en begränsad mängd av frekvenser. Enligt den föreslagna metoden görs ej någon beräkning, exempelvis iteration, av polynomen såsom i den kända metoden utan polynomen evalueras och kvantiseras utgående från ett antal från början fastlagda frekvenser som är typiska för tal. Polynomen kan därvid evalueras i stigande ordning, dvs undersöks först för låga frekvenser och därefter för successivt ökande frekvenser för att fastlâgga.polynomens rötter.

Det är emellertid även möjligt att evaluera dem i sjunkande ordning eller att börja från var sitt håll och mötas i mitten av de valda frekvensvärdena.

De på förhand valda frekvenserna år beräknade med ledning av de för mänskligt tal karaktäristiska formanterna och är lämpligen lagrade i ett minne för att kunna tillgàs under själva evalue- ringen av polynomen. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en metod för att evaluera, dvs söka rötterna för de summa- och skillnads- polynom som utnyttjas för att överföra prediktionskoefficienterna för syntesfilter i en talkodare utan att någon komplicerad beräkning behöver utföras, varvid talets linjespektralfrekvenser i kvantiserad form erhålles.

Metoden är därvid kännetecknad så som det framgår av patentkra- vets l kännetecknande del.

PIGURBESKRIVNING Metoden' enligt uppfinningen skall nu närmare beskrivas med ghânvisning till bifogade ritningar. 10 15 20 25 30 s 467 806 Figur 1 är ett diagram som utvisar. rötterna för polynomen och läget för vissa testfrekvenser som används i metoden enligt uppfinningen: Figur 2 är ett diagram som närmare visar frekvensläget för de olika testfrekvenserna relativt rötterna för polynomen; Figur 3 visar ett diagram över summapolynom och skillnadspolynom och hur avsökningen av rötterna sker vid utnyttj ande av metoden enligt uppfinningen; Figur 4 och 5 visar mer detaljerade diagram över vissa special- _ fall vid utnyttjande av metoden enligt uppfinningen; Figur 6 visar ett flödesschema över de olika stegen enligt den föreslagna metoden.

Unvönnzcsrommn Metoden enligt uppfinningen tillämpas på en lineärprediktiv kodare av i och för sig känt slag beskriven i exempelvis ovannämnda USA-patent. I en sådan kodare utförs s k LPG-analys av inkommande talsignaler (i samplad form). Först bildas i LPC- analysen de s k direktformskoefficienterna innan dessa kvantifi- eras och utsânds som en LPG-kod. För att erhålla direktformskoef- ficienterna ak, utförs en utjämning och medelvärdesbildning (Hamming analys) och därefter estimering av autokorrelations- funktionen. Efter detta steg sker rekursionsberäkningar för att få reflexionskoefficienterna medelst en s k Schuralgoritm och därefter omformas genom ett uppstegningsförfarande reflexionsko- efficienterna till direktformskoefficienterna. Ovanstående steg genomförs i en signalbehandlingsprocessor av allmänt känd typ jämte tillhörande programvara. Även metoden enligt föreliggande uppfinning kan utföras i samma signalprocessor så som det kommer att beskrivas nedan.

Enligt' tidigare kända förfaranden utföres antingen en direkt kvantisering av de enligt ovan erhållna direktformskoefficienter- 467 806 6 10 15 20 25 30 eller bildades de inledningsvis omnämnda summa- och skillnadspolynomen, vilkas rötter beräknas och kvantifieras såsom är beskrivet i den omnämnda IEEE-artikeln. na ak före utsändning över radiomediet, Enligt föreliggande metod sker ingen beräkning av summa- och skillnadspolynomens rötter. Istället lagras i signalprocessorns fasta minne cosinus för ett antal testfrekvenseI'hörande till var och en av rötterna hos summa- och skillnadspolynomen P respektive Q, jämte tillhörande kvantiseringsfrekvenser.

Figur 1 visar övre halvan av en enhetscirkel. De båda polynomens P och Q rötter är omväxlande eller alternerande belägna på enhetscirkeln. Endast två rötter pl och p2 till vardera polynomet är visade, vilka utgör rötterna till summapolynomet P och rötterna gl, q2 som utgör rötterna till skillnadspolynomet Q. I föreliggande utförande undersöks 5 rötter ur vartdera polynomet vilket ger sammanlagt 10 linjespektralfrekvenser för ett 10:e ordningens syntesfilter.

För var och en av de 5 rötterna i P och Q beräknas ett antal testfrekvenser vilkas cosinusvärden lagras i signalprocessorns fasta minne. I figur 1 är läget för 7 sådana testfrekvenser för var och en av rötterna pl och ql visade. Pâ samma sätt tillordnas exempelvis 7 testfrekvenser var och en av övriga rötter p2, q2, p3, g3 o s v. För enkelhets skull är endast testfrekvenserna för rötterna pl och ql visade som streck kring respektive rotposition på enhetscirkeln, och betecknade ftpl respektive ftql. Såsom det framgår av figur 1 överlappar områdena för testfrekvenserna ftpl och ftql varandra. Figur 2 visar schematiskt de olïka grupperna av testfrekvenser för rötterna pl, ql, p2, q2, p3, q3, p4, q4 och p5, q5 och vilka är lagrade i signalprocessorns minne.

Såsom framgår av figur l uppträder rötterna till de båda polynomen P och Q alltid alternerande på enhetscirkeln, d v s i varannan rot från summapolynomet P och varannan från skillnadspo- lynomet Q. Vidare ligger rötterna aldrig närmare varandra än en viss frekvens, beroende på egenskaperna hos talsignalen. 10 15 20 25 30 7 467 806 Ovanstående egenskaper tillsammans med valet av kvantiseringssteg (beskrives nedan) utnyttjas i metoden enligt föreliggande uppfinning. Valet av kvantiseringssteg medför vidare att det ej kan finnas mer än en rot (eller möjligtvis en rot per polynom) mellan varje kvantiseringssteg. Tre rötter kan aldrig finnas mellan varje kvantiseringssteg. Detta medför att man kan vara säker på att exakt en rot finns mellan två punkter på frekvens- axeln där summa- eller skillnadspolynomet har olika tecken.

Metoden skall nu beskrivas med hänvisning till figur 3.

I figur 3, överst är de båda polynomen P och Q visade och rötterna pl, ql, p2, q2 o s v uppträder alternerande enligt ovan.

Varje linjespektralfrekvens LSF (1-10) kan kvantiseras till ett. ' givet antal frekvenser. Ur gruppen ftpl av testfrekvenser för roten pl tas cosinus för var och en av dessa testfrekvenser med början från den lägsta "frekvens l" och undersöks polynomets P tecken för denna testfrekvens. För polynomet P visat i figur 3 är tecknet tydligen positivt för testfrekvenserna 1,2 och 3. Vid provning med testfrekvens 4 i gruppen ftpl blir tecknet hos polynomet p negativt vilket alltså anger att polynomet har en rot pl belägen någonstans mellan värdet på testfrekvens 3 och 4.

För var och en av testfrekvenserna f finns en mängd kvantise- ringsfrekvenser fkpl för roten pl, för roten ql o s v. Var och en av kvantiseringsfrekvenserna i en mängd, exempelvis mängden fkpl är belägen mitt emellan två testfrekvenser. Detta är dock ej ett nödvändigt villkor. I ovanstående fall vid bestämning av roten pl väljes den kvantiseringsfrekvens som befinner sig närmast under den aktuella testfrekvensen (testfrekvens 4), d v s kvantiseringsfrekvensen 4 väljesf' Därefter följer evaluering av polynomet Q på samma sätt som evaluering av polynomet P genom att sätta in cosinusvärdet för ett antal testfrekvenser ftql med början på testfrekvens 1.

Liksom i föregående fall väljes den till denna testfrekvens närmast lägre befintliga kvantiseringsfrekvensen, i detta fall kvantiseringsfrekvens 4. 467 see 8 10 15 20 25 30 På samma sätt evalueras polynomen P och Q fortsättningsvis till dess att samtliga 5 rötter till vartdera polynomet har bestämts till sina kvantiserade värden.

Ovanstående beskriver en normal kvantisering av samtliga 5+5=10 rötter till polynomen P och Q och de sålunda erhållna kvantisera- de ISF-erna används som talsignalparametrar i. dels den egna talkodaren (sândarsidan) talkodare på känt sätt. dels överförs till mottagarsidans Vid sökningen av rötterna till polynomen P och Q kan emellertid vissa begränsningar och specialfall uppstå vilka är visade i figurerna 4 och 5.

Figur 4 visar den del av kvantiseringförloppet då rötterna p3 och q3 skall kvantiseras. I detta fall år cosinus för testfrekvenser- na 1 och 2 i ftqs större än cosinus för den frekvens som motsvarar roten p3. Testfrekvenserna 1 och 2 i ftqß kan därvid sammanfalla med testfrekvenserna 3 och 4 i f frekvenser, d v s testfrekvenserna 1 och 2 i f tps. Alla sådana tqs, som är mindre än den frekvens som den förra ISF-en d v s roten p3 kvan- tiserades till kan hoppas över eller elimineras vid uppsökning av nästa LSF, d v s den som motsvarar roten q3.

Figur 5 visar ett annat fall, nämligen då antalet testfrekvenser vid uppsökning av en rot inte är tillräckligt. Som framgår av figur 5 sker ingen teckenväxling i polynomet P för någon av de prövade testfrekvenserna 1-7 i ftpl vid uppsökning av roten pl.

Efter det att alla testfrekvenser 1-7 prövats utan att någon teckenväxling skett väljs den sista testfrekvensen 7 men nu motsvarande högre kvantiseringsfrekvens (kvantiseringsfrekvens 8 istället för som förut kvantiseringsfrekvens 7 enligt figur 3).

Det faktum att roten pl är belägen bortom den sista testfrekven- sen 7 i figur 5 får till följd att teckenvâxling kan ske för denna rot pl vid uppsökning av nästa rot p2 i polynomet P. Såsom âr visat i figur 5 fås (en felaktig) teckenväxling för testfrek- vensen 4 i ftpz vid uppsökning av roten p2. En varningsinstruk- 10 15 20 25 30 9 467 sne tion inläggs därför i signalprocessorn vid uppsökning av en viss rot i det fall att vid uppsökningen av föregående rot någon teckenväxling ej skett. Såsom framgår av figur 5 skall testfrek- vensen 7 i ftpz och motsvarande kvantiseringsfrekvens tas som mått på roten p2.

Figur 6 visar ett flödesschema vid avsökning av polynomen P och Q enligt den föreslagna metoden.

Först fastställes polariteten för de båda polynomen P och Q för frekvensen 0 Hz, se block 1, för att få den polaritet som man sedan skall jämföra med vid avsökning av den första roten pl i polynomet P medelst den första gruppen testfrekvensvärden ftpl och vid avsökning av den första roten ql i polynomet Q medelst den andra gruppen testfrekvensvärden ftql. Därefter påbörjas enligt block 2, figur 6 avsökningen för den första linje- spektralfrekvensen LSF1 (jfr figur 4).

Enligt block 3 undersöks om den första testfrekvensen 1 i varje j grupp av testfrekvenser är större än den tidigare prövade. För LSF1 gäller alltid "Ja" och. prövning' jämte framstegning' av testfrekvenser 1,2,... för en viss grupp utförs, block 5. För LSF2 och därpå följande kan det inträffa att testfrekvens 1 och eventuellt någon därpå följande inte har högre värde än den tidigare prövade, "Nej", och framstegning utförs enligt block 4, jfr figur 4.

Block 6 innebär en undersökning för att få information om fallet enligt figur 5 (överst) har inträffat, dvs det fall då testfrek- venserña ej räcker till, "Nej". I det normala fallet "Ja" har teckenbyte inträffat och den undersökta LSF:en kvantiseras till motsvarande kvantiseringsfrekvens och det tecken som polynomet hade efter teckenväxlingen lagras för att finnas till hands vid nästa uppsökning av LSF för detta polynom. Därefter 'utförs avsökning av LSF för nästa polynom, dvs om polynomet P undersök- tes, undersöks nu polynom Q, block 8. Nästa linj espektralfrekvens LSF2 fås således vid evaluering av polynomet Q vid uppsökning av 467 806 1° 10 kvantiseringsfrekvensen för roten ql, LSF3 fås vid uppsökning av kvantiseringsfrekvensen för roten p2 osv.

I fallet att teckenbyte ej inträffade ("Nej“ vid block 6) kvantiseras LSF:en till den högsta möjliga kvantiseringsfrekven- sen, block 9. Därefter lagras en varning, block 10, för att nästa påträffade LSF för samma polynom kan vara den LSF som egentligen skulle ha påträffats vid föregående sökning' men som. därvid "approximerats" med den kvantiseringsfrekvens som hör till den högsta testfrekvensen.

Prövningen enligt flödesschemat utförs således omväxlande för polynomen P och Q varvid de alternerande rötternas lägen och tillhörande LsF:er kvantiseras (figur 3-5). såsom tidigare beskrivits 1» 'I

Claims (5)

10 15 20 25 30 11 467 8Û6 PÄTENTKRÄV

1. Metod att kvantisera (LSF) vid beräkning' av parametrar för ett analysfilter' ingående i en talkodare vid lineär prediktiv kodning (LPC) talsampel för syntes av dessa i en talavkodare efter överföring av linjespektralfrekvenserna över en transmissionskanal med begränsad.överföringskapacitet, varvid linjespektralfrekvenserna (LSF1, LSF2,...) bildas genom att bilda två symmetriska polynom (P,Q) för analysfiltret med alternerande rötter på enhetscirkeln och kvantisera de ur dessa båda polynom erhållna mot linje- spektralfrekvenserna svarande rötterna (pl, ql, p2, q2,...), linjespektralfrekvenser av inkommande k ä n n e t e c k n a d av att man lagrar ett antal mängder av möjliga kvantiseringsnivåer (fkpl, fkql, fkpz, fkq2...), vilka svarar mot på förhand beräknade fasta linjespektralfrekvenser (LSF1, LSF2,...), och att man utför en avsökning växelvis på vart och ett av nämnda polynom (P,Q) medelst ett.givet antal testfrekvensvärden härledda ur nämnda kvantiseringsniváer för att konstatera polariteten hos 1 vart och ett av polynomen (P,Q) på sådant sätt att vid polari- tetsväxling mellan två på varandra följande testfrekvensvärden för samma polynom (P) väljes den kvantiseringsnivâ som motsvarar värdet mellan nämnda två konsekutiva testfrekvensvärden.

2. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att en kvantiseringsnivâ är vald mitt emellan nämnda båda konsekutiva testfrekvensvärden.

3. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att testfrekvenser sammanförs till grupper (ftpl, ftql, ftp2,...) av testfrekvenser med ett visst antal (8 st) i varje grupp, att testfrekvensvärdena hörande till viss grupp används för prövning av polariteten och för sökning av en viss rot (pl) till ett visst polynom (P) för att bestämma det testfrekvensvärde för vilken polaritetsväxlingen inträffat och tillhörande kvantiseringsnivâ, vilken därvid anger positionen hos roten till polynomet och därmed en bestämd kvantiserad linjespektralfrekvens (LSFl). 467 806 12 10

4. Metod enligt patentkrav 1, k ä n_n e t e c k n a d av att i det fall att någon polaritetsväxling hos ett visst polynom (P) inträffat för det största testfrekvensvärdet (nr 7) i en viss grupp (ftpl) väljes det största kvantiseringsvärdet (nr 7) som mått på det undersökta polynomets (P) rot (pl).

5. Metod enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a d av att vid avsökning av den till nämnda rot (pl) närmast följande roten (p2) för samma polynom (P) tages hänsyn till att den sistnämnda roten (p2) kan misstolkas som den förstnämnda roten (pl) och således att vid avsökningen av den närmast följande roten (p2) det först pàträffade testfrekvensvärdet för polväxling skall negligeras. Il