SE521693C2 - En metod och anordning för brusundertryckning - Google Patents

Description

lO lb 20 25 30 521 695 SUMMERING Ett syfte med uppfinningen är en brusreducering i en kodad talsignal bildad genom LP (linjär prediktiv)-kodning, särskilt CELP (kodexciterad linjär pre- diktiv)-kodat tal med låg bitrat, utan att någon tandemkodning införs.

Detta syfte uppnås i enlighet med bifogade patentkrav.

Kortfattat baseras uppfinningen på modifiering av parametrar som innehål- ler spektral- och förstärkningsinformation i den kodade bitströmmen samti- digt som excitationssignalerna lämnas oförändrade. Detta ger brusunder- tryckning med förbättrad talkvalitet för system med drift utan kodkonverte- faTC .

KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING Uppfinningen, samt ytterligare syften och fördelar därmed, förstås bäst genom hänvisning till efterföljande beskrivning tillsammans med bifogade figurer, där: Fig. l är ett blockdiagram över ett typiskt kommunikationssystem enligt teknikens ståndpunkt innefattande en nätverksbrusundertryckare; Fig. 2 är ett blockdiagram över ett annat typiskt kommunikationssystem enligt teknikens ståndpunkt innefattande en nätverksbrusundertryckare; Fig. 3 är ett förenklat blockdiagram över CELP-syntesmodellen; Fig. 4 är ett diagram som illustrerar effektöverföringsfunktionen hos ett LP-syntesfilter; Fig. 5 är ett diagram som illustrerar effektöverföringsfunktionen hos ett brusundertryckningsfilter; Fig. 6 är ett diagram som jämför effektöverföringsfunktionen hos det ur- sprungliga syntesfiltret med de riktiga och approxímerade brusundertryckta filtren; lO 15 20 25 30 521 693 Fig. 7 är ett blockdiagram över ett kommunikationssystem innefattan- de en nätverksbrusundertryckare i enlighet med uppfinningen; Fig. 8 är ett flödesdiagram som illustrerar en exemplifierande utförings- form av en brusundertryckningsmetod i enlighet med uppfinningen; Fig. 9 är en serie diagram illustrerande modifieringen av brusunder- tryckningsfiltret; och Fig. 10 är ett blockdiagram över en exempliñerande utföringsform av en nätverksbrusundertryckare i enlighet med uppfinningen.

DET ALJERAD BESKRIVNING I följande beskrivning har element som utför samma eller liknande funktioner försetts med samma hänvísningsbeteckningar.

Fig. l är ett blockdiagrarn över ett typiskt kommunikationssystem enligt tek- nikens ståndpunkt innefattande en nätverksbrusundertryckare. En sändar- terminal 10 kodar tal och sänder den kodade talsignalen till en basstation 12, där den avkodas till en PCM-signal. PCM-signalen förs genom en brusunder- tryckare 14 i kärnnätverket och den modifierade PCM-signalen förs till en andra basstation 16, i vilken den kodas och sänds till en mottagarterminal 18, där den avkodas till en talsignal.

Fig. 2 är ett blockdiagram över ett annat typiskt kommunikationssystem enligt teknikens ståndpunkt innefattande en nätverksbrusundertryckare. Denna utföringsform skiljer sig från utföríngsformen i Fig. 1 i det att den kodade tal- signalen även används i kärnnätverket, varigenom nätverkets kapacitet ökar, eftersom den kodade signalen kräver lägre bitrat än en konventionell PCM- signal. Den använda brusundertryckningsalgoritmen utför emellertid under- tryckning på PCM-signalen. Av denna anledning innefattar nätverksbrusun- dertryckaren förutom själva brusundertryckningsenheten 14 även en avkoda- re 13 för avkodning av den mottagna kodade talsignalen till en PCM-signal och en kodare 15 för kodning av den modifierade PCM-signalen. Denna egen- skap kallas tandemkodning. En nackdel med tandemkodning är att förfaran- 10 15 20 25 30 521 695 4 det för kodning-avkodning-kodning leder till en försämrad talkvalitet vid låga bítrater för talkodníng. Anledningen till detta är att den avkodade signalen, på vilken brusundertryckningsalgoritrnen tillämpas, inte kan ge en korrekt repre- sentation av den ursprungliga talsignalen på grund av den låga kodningsbit- raten. En andra kodning av denna signal (efter brusundertryckning) kan såle- des leda till bristfällig representation av den ursprungliga talsignalen.

Uppfinníngen löser detta problem genom att undvika det andra kodningsste- get hos systemen enligt teknikens ståndpunkt. I stället för att modifiera en avkodad PCM-signals sampel utför uppfinningen brusundertryckning direkt i den talkodade bitströmmen genom att modifiera vissa talparametrar, såsom kommer att beskrivas mer i detalj nedan.

Uppfinningen kommer nu att förklaras med hänvisning till CELP-kodning.

Det ska emellertid förstås att samma principer kan användas för vilken slags linjär prediktiv kodning som helst.

Fig. 3 är ett förenklat blockdiagram över CELP-syntesrnodellen. Vektorer från en fast kodbok 20 och en adaptív kodbok 22 förstärks med förstärkning gc re- spektive gp och adderas i en adderare 24 till att bilda en excitationssignal u(n).

Denna signal förs vidare till ett LP-syntesfilter 26 beskrivet av ett filter l /A(z), vilket skapar en talsignal s(n). Detta kan beskrivas genom ekvationen l A(z) s(n) = u(n) Parametrarna i filtret A(z) och de parametrar som definierar excitationssig- nalen u(n) härleds från bitströmmen som talkodaren producerar.

En brusundertryckningsalgoritrn kan beskrivas som ett linjärt filter vilket verkar på den av talavkodaren skapade talsignalen, d.v.s. 10 15 20 25 521 693 y(fl) = H (2)S(H) där det (tidsvariabla) filtret H(z) designas för att undertrycka bruset samti- digt som talets gnmdläggande särdrag bibehålls, se tex. [l] för mer detaljer angående härledning av filtret H(z).

Genom tillämpning av kunskapen om hur talavkodaren skapar det avkodade talet kan nu en signal med undertryckt brus uppnås vid talavkodarens ut- gång enligt EQ., A(z) (n) J/(n) = H (2)S(fl) = Uppfinningens grundtanke är att approximera filtret H(z)/A(z) med ett AR (autoregressivt) filter Ã(z) av samma ordning som A(z) och en förstärk- ningsfaktor a . Den brusundertryckta signalen vid talavkodarens utgång kan således approxímeras enligt H(z) l A(z) ”m z Ze) WW YUI) = H(2)S(") = Genom att ersätta parametrarna i den kodade bitströmmen som beskriver filtret A(z) och excitationssignalens förstärkning med nya parametrar som beskriver Ä(z) och en förstärkning minskad med a, kan brusundertryck- ningen alltså utföras utan att någon fullständig avkodning och efterföljande kodning av talet introduceras.

Fig. 4 är ett diagram som illustrerar effektöverföríngsfunktionen hos ett LP- syntesfilter. Den kännetecknas av toppar vid vissa frekvenser sammanbundna av dalar. lO 15 20 25 30 521 695 6 Fig. 5 är ett diagram som illustrerar effektöverföringsfunktionen hos ett brus- undertryckningsfilter. Det noteras att dess toppar inträffar vid ungefär samma frekvenser som för spektrumet i Fig. 4. Effekten av att tillämpa detta filter på spektrumet i Fig. 4 är att topparna blir skarpare och dalarna lägre, såsom il- lustreras av Fig. 6, vilket år ett diagram som jämför effektöverföringsfunktio- nen hos det ursprungliga syntesfiltret med de riktiga och approximerade un- dertryckta filtren.

Fig. 7 är ett blockdiagram över ett kommunikationssystem innefattande en nätverksbrusundertryckare i enlighet med uppfinningen. Såsom kan ses ut- ifrån Fig. 7, har kodaren mellan brusundertryckningsenhet 114 och bassta- tionen 16 tagits bort. Enligt uppfinningen utförs brusundertryckning direkt på den kodade bitströmrnens parametrar, vilket gör kodaren överflödig. Dessut- om kan avkodaren 113 utföra antingen en fullständig eller en partiell avkod- ning, beroende på vilken algoritm som används, vilket kommer att beskrivas mer detaljerat nedan. I båda fallen används avkodningen endast för att be- stämma den nödvändiga modifieringen av parametrar i den kodade bitström- men.

Som exempel på hur modifieringen av bitströmmen utförs, kommer nu till- lämpningen av uppfinningen för 12,2 kbit/s mod hos AMR (adaptiv multi- rat)-talkodaren för GSM och UMTS-systemen [2] att beskrivas med hänvis- ning till Fíg. 8. Uppfinningen är emellertid inte begränsad till denna talkoda- re, utan kan enkelt utvidgas till vilken talkodare som helst, för vilken ett pa- rametriskt spektrum och en kodad innovationssekvens tillhör de kodade pa- rametrarna. Parametrarna vilka ska förändras för att uppnå brusminskning- en är, som ses i Fig. 3, de parametrar som beskriver LP-syntesfiltret A(z) och förstärkningen ge hos den fasta kodboken. Kodorden som representerar de fasta och adaptiva kodboksvektorerna behöver inte ändras och det behöver inte heller den adaptiva kodboksförstärkningen gp (i denna mod). Förfaran- det kan sammanfattas i följande steg, vilka illustreras i Fig. 8. lO 15 20 25 S1.

S2.

S3. 521 693 7 Det första steget är att omvandla det kvantiserade LSP (linjespektrala par, “Line Spectral Pair”) som representerar ñltret A(z) till motsvaran- de filterkoefflcientefl all, såsom beskrivs i [2], avsnitt 5.2.4.

För att bestämma brusundertryckningsfiltret H(z), krävs ett mått på den kodade talsignalens spektrala effekttäthet Cl>x(k). Genom att an- vända de bestämda filterkoefficienterna {a¿} kan denna erhållas som där G2 erhålls från den fasta kodbokens förstärkning gc och den ad- aptiva kodbokens förstärkning g pi enlighet med 2 2 2 0 :gc +gp En annan möjlighet är att avkoda talsignalen fullständigt och använda snabb Fourier-transform för att erhålla ClDJÅk) .

Bestäm brusundertryckningsfiltret H(z) som H(k)= i-aíclwàl Qlk) där <ï>v(k) är den sparade spektrala effekttätheten från en tidigare ram av “rent brus” och ß, ö, Ä är konstanter. lO 15 20 25 30 S4.

S5.

S6.

S7. 521 695 *ï“**"" ' * Å * ~ - 11,., “ ^ * ' -», =f,',' r ^«, ..'í_'~; i 8 Modifiera filtret definierat av H(k) såsom beskrivs i [1]. Detta ger öns- kat H(z). Anledning till förändringen är att brusundertryckningsfilter designade i frekvensdomänen är reellvärda, vilket leder till en tidsdo- mänrepresentation där filtrets topp delas mellan början och slutet av filtret (detta är ekvivalent med ett filter som är symmetriskt kring för- dröjningen (”lag”) O, d.v.s. ett icke-kausalt filter). Detta gör att filtret inte lämpar sig för cirkulär blockfaltning, eftersom ett sådant filter frambringar en tidsmässig aliaseffekt. Den utförda modifieringen skis- sas i Fig. 9. Den innefattar i huvudsak transformeríng av H(k) till tids- domänen, cirkulär förskjutning av det transformerade filtret för att göra det kausalt och med linjär fas, tillämpning av ett fönster (för att undvika alias i tidsdomänen) på det förskjutna filtret för att extrahera de mest signifikanta tapparna, cirkulär förskjutning av det fönsteran- passade filtret för att avlägsna den inledande fördröjningen och (valfri) transformering av det linjära fasfiltret till ett minfasfilter. Ett alterna- tivt modifieringsförfarande beskrivs i (31.

Approximera HR (“Infinite Impulse Response”)-filtret definierat som H(z)/A(z) med ett FIR (“Finite Impulse Response”)-fi1ter G(z) med längd L. Koefficienterna till G(z) kan fås som de första L koefficienterna i pulssvaret g(k) till H(z)/A(z) eller genom att utföra polynomdivisionen H(z)/A(z) och identifiera koefficienterna framför termerna z'1 z'L.

Ta fram från autokorrelationsfunktionen fUf) = Égfllsffl - k) 1=o till G(z) genom användning av Levinson-Durbin-algoritmen, se [2] av- snitt 5.2.2.

Transformera koefficienterna (älj vilka definierar till modifierade LSP-parametrar såsom beskrivs i [2], avsnitt 5.2.3. lO 15 20 25 S8.

S9.

S10. 521 693 Kvantisera och kodmodiñera LSP-parametrar såsom beskrivet i [2], av- snitt 5.2.5 och ersätt AR-parameterkoden i bitströmmen.

Den fasta kodbokens förstärkningsmodiflering ot definieras som kva- dratroten ur prediktionsfelseffekten, vilken beräknas på samma sätt som ELD i [2] avsnitt 5.2.2.

För excitationssignalens förstärkning används förfarandet i avsnitt 6.1. i [2]. Den fasta kodbokens förstärkning ges av šc = wñgé där faktorn ;f(n) är förstärkningskorrigeringsfaktorn som överförs av kodaren. Faktorn g'c ges av f I 10o,o5(1š(n)+š-E,) ge därÉ är en konstant energi, E l är kodordets energi, och 1%/ 4 A E(n) = 2b,-R(n - i) í=1 där 1É(n) är förflutna förstärkningskorrigeringsfaktorer i en skalad lo- garitmisk domän.

Brusundertryckningsalgoritmen modifierar förstärkningen med fak- n nn I I Ad nu 0 0 torn a. F orstarkningen 1 avkodaren gcec bor saledes vara a ganger förstärkningen Éfm i kodaren, d.v.s. 10 15 20 25 30 S11. 5 . . . . ,. ae1:.. ' 'IV l >--.r f* * t' 1 I 'í ' fl-äli, «,, 10 f~ dec ^ enc ge = age Genom användning av ovanstående uttryck visar det sig att ynew(n)10o,os(1?”“(n)+E-E,) = a7/(n)10o,o5(š="f(n)+F-E,) Den överförda faktorn för förstärkningskorrigeríng ska alltså ersättas med ynew-(n) z OO/(nflOo,o5(1š“"”(n)-šd“(n)) därÉenqn och Édec n är de redikterade energierna baserade å P P förstärkningsfaktorerna överförda av kodaren och förstärkningsfakto- rerna modifierade av brusundertryckningsalgoritmen. new Hitta indexet hos kodordet närmast y (n) och skriv över det ur- sprungliga förstärkningskorrigeringsíndexet för fasta kodboken i den kodade bitströmmen.

I det beskrivna exemplet kodas de fasta och adaptiva kodboksförstärkning- arna oberoende. I en del kodmoder med lägre bitrat vektorkvantíseras de. I ett sådant fall kommer även den adaptiva kodboksförstärkningen att modifi- eras av brusundertryckníngen. Excitationsvektorerna är emellertid fortfa- rande oförändrade.

Fig. 10 är ett blockcliagram över en exemplifierande utföríngsform av en nät- verksbrusundertryckare i enlighet med uppfinningen. Den mottagna kodade bitströmrnen avkodas (delvis) í blocket 113. Block 116 bestämmer brusun- dertryckningsfiltret H(z) utifrån de avkodade parametrarna. Block 118 beräk- nar och a. Block 120 bestämmer de nya linjära predíktions- och för- 10 15 20 521 693 u NN. ll stärkningsparametrarna. Block 122 modifierar motsvarande parametrar i den kodade bitströmmen. Typiskt sett realiseras funktionerna utförda i nätverks- brusundertryckaren av en eller flera mikroprocessorer eller mikro/signal- processorkombinationer. Samma funktioner kan emellertid också realiseras av ASICs (”App1ication Specific Integrated Circuits”).

Fackmannen inser att olika modifikationer och förändringar av uppfinningen kan göras utan avvikelse från dess ram, vilken definieras av bifogade krav. [1] [2] [3] REFERENSER WO 01/18960 Al “AMR speech codec; Transcoding functions", 3G TS 26.090 v3.1.0, BGPP, Frankrike, 1999.

H. Gustafsson m.fl., “Spectral subtraction using correct convolution and a speotrum dependent exponential averaging method”, Forsk- ningsrapport 15/98, Avdelningen för Signalbehandling, Högskolan i Karlskrona/ Ronneby, Sverige, 1998.

Claims (7)

10 (_11 30 521 693 ll KRAV

1. l. En metod för brusundertryckning innefattande stegen att representera en brusig signal genom en bitström bildad genom sig- nalkodning baserad på ett linjär prediktivt syntesfilter, att bestämma ett brusundertryckande filter, att bestämma ett modifierat syntesfilter som approximativt represente- rar kaskaden av syntesñltret och det brusundertryckande filtret, och att ersätta förutbestämda kodningsparametrar som representerar syntesfiltret med motsvarande kodningsparametrar som representerar det modifierade syntesñltret direkt i den kodade bitströmmen.

2. Metoden enligt krav 1, innefattande steget modifiering av åtminstone en kodboksförstärkning.

3. Metoden enligt krav 2, innefattande steget modifiering av den fasta kod- bokens förstärkning.

4. Metoden enligt krav 1, innefattande steget modifiering av linjespektrala parparametrar och en förstärkningskorrigeringsfaktor för den fasta kodbo- ken.

5. Metoden enligt krav 1, varvid att förutbestämda parametrar hålls oföränd- rade.

6. Metoden enligt krav 5, varvid fasta kodboksvektorer hålls oförändrade.

7. Ett system för brusundertryckning, innefattande organ för att representera en brusig signal genom en bitström bildad genom signalkodning baserad på ett linjär prediktivt syntesfilter, organ (116) för att bestämma ett brusundertryckande filter,