TW394927B - Reducing sparseness in coded speech signals - Google Patents

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A7 B7 五 、發明説明（1) (请先閲讀背面5'JX意Ϋ-項再填寫本頁) 本案依據依據35 use 119(e)(1)申請優先合併於1997年9 月2日申請之存檔的U.S.臨時申請案〇6/〇57,752號，以及 合併爲1998年3月4日所申請之u.s.序號09/034,590號申 請案之連續部份。 發明領域 本發明一般而言係關於語音編碼，但特別是關於编碼過 之語音訊號中的稀疏問題。 發明背景 ,ιτ 語音編碼是現今數位通訊系統的重要領域，舉例來説， 如數位細胞式電信系統的無線式無線電通訊系統。爲了達 到此等系統在今夭及未來所要求的高容量，而絕對是在提 供南品質語音訊號時也要提供效率的語音訊號壓縮。例如 ’在此連接中’當語音碼器的位元率降低時，爲了其他通 訊訊號而提供額外的通訊頻道，如果未介入人工干預，語 音品質則會大爲降低。 IS-641(D-AMPS EFR)和G. 729標準皆説明爲了細胞式電 赶牵部中-iKi?.r-v-^K T;消於合竹权印妃 L的低速率語音碼器之慣用範例。在前述標準中以相同架 構規定該等碼器，兩者皆包括一個提供相對稀疏輸出之代 數碼本。通常稀疏參考到的情況是僅有少數已給碼本項樣 本具有一個非零樣本値。當於嘗試提供語音壓縮而減少該 代數瑪本的位元率時此種稀疏狀況是特別普及。以該碼本 的極少數非零樣本開始，且以要求使用較少碼本樣本的較 低位元率，則所得稀疏是一個在前述慣用語音碼器的已编 碼語音訊號中極易理解的降階。 4- A7 __B7 五、發明説明（2 ) 因此，當減少語音碼器的位元率而提供語音麼縮時，需 要在已!編碼語音訊號中避免前述降階。 爲了嘗试在已編碼语首訊號中避免前述降階β本發明爲 了在已編瑪語音訊號、或任何數位訊號中減少該稀疏而提 供一個反稀疏運算子，其中稀疏代表缺點。 圖示簡要説明 圖1説明本發明反稀疏運算子範例之區塊圖。 圖2説明圖1的反稀疏運算子在字碼激勵線性預測编碼 器/解碼器中能應用之各種位置。 圖2 Α説明能使用圖2及2Β的編碼器/解碼器架構的通訊 收發器。 圖2B説明另一個包括圖1的反稀疏運算子之字碼激勒線 性預測解碼器範例。 圖3説明圖1的反稀疏運算子例子。 圖4説明如何產生圖3的附加訊號之例子。 圖5以區塊圖形式説明圖1的反稀疏運算子如何内钱成 反稀疏過濾器。 .圖6説明圖5的反稀疏過濾器例子。 圖7-11以圖形説明圖6所説明的反稀疏過濾器之操作。 圖12-16以圖形説明圖6所説明的反稀疏過濾器之操作 ’且比圖7-1.1的反稀疏過濾器更爲低階。 圖17説明圖丨的反稀疏運算子之另一例子。 圖1 8説明根據本發明而提供反稀疏修正之範例方法a ______ - 5 -

) ( 2I0X 297^tT (請先閱讀背面之_注意事咬再填寫本頁) Λ A7 --------B7 五、發明説明（3 ) 詳細説明 圖1:説明根據本發明的反稀疏運算子範例。圖1的反稀 疏運算子ASO在輸入A接收一個稀疏，從來源11接收數 位訊號。反稀疏運算子ASO在稀疏訊號A上操作並在輸出 上提供一個數位訊號B，訊號B的稀疏少於輸入訊號A。 圖2説明圖1的反稀疏運算子ASO在字碼激勵線性預測 (CELP)語音编碼器（用於無線通訊系統的發送器）或CELP 語音解碼器（用於無線通訊系統的接收器）中能應用之各種 範例位置。如圖2所示，能在該固定（如，代數）碼本21的 輸出上，及/或參考數字201-206指定的任何位置上，提供 反稀疏運算子ASO。在圖2所指定的各個位置，圖1的反 稀疏運算子AS Ο將在其輸入A接收該稀疏訊號並在其輸出 B提供一個較少稀疏訊號。因此，圖2所示的CELP語音编 碼器/解碼器架構包括圖1稀疏訊號來源的多個例子。 經呆部屮央#準局月.T消於合竹社印欠 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ,11 圖2的斷續線説明CELP語音編碼器/解碼器所慣用提供 的回到該適應碼本之慣用回饋途徑。如果在圖2所示處及/ 或在i〇 1-204的任一位置提供反稀疏運算子AS0，則該反 稀疏運算子將影響由該解碼器在總和電路210輸出上所重 架構之已编碼激勵訊號。如果應用在位置205及/或206， 則該反稀疏運算子將不影響自總和電路210輸出之已編碼 激勵訊號。 圖2B説明一個CELP解碼器範例，該鮮碼器包括另一個 接收碼本2 1及2 3輸出之總和電路2 5，並提供回饋訊號到 適應碼本23。如果在圖2B所示處及/或在220-240的任一 -6- A7 B7 4 五、發明説明（ 位置提供反稀疏運算子ASO，則該反稀疏運算子將不影響 回到適應碼本23的回饋訊號。 請 先 閱 讀 背 δ 之 注 意 事· 項 再 填/ 寫k 頁 圖2A説明一種收發器，其接收器（Rcvr)包括圖2(或圖 2B)的CELP解碼器架構且其發送器（XMTR)包括CELp编碼 器架構。圖2A説明該發送器當輸入一個聲音訊號時接收且 當從接收器能重架構該聲音訊號處輪出重架構資訊到高通 訊頻道時提供’並且提供一個重架構聲音訊號做爲輸出。 例如’所説明的收發器和通訊頻道能夠各別是細胞式電話 的收發器和細胞式電話網路的空中界面。 訂 圖3説明圖1的反稀疏運算子as〇之範例建置。在圖3 ’在A接收該稀疏訊號時將一個似嗓晋訊號m(n)加到該訊 赛。圖4説明如何產生訊號m(n)之例子。一個適合的高通 量且頻譜彩色過濾器過濾具有高斯分配N(〇，丨）的噪音訊 號而產生該似嗓音訊號m(n)。 如圖3所説，經由乘法器33再以一命合適的增益因子而 能將訊號m(n)應用到該總和電路3 1。圖3的增益因子能是 一個囱定的增益因子。圖3的増益因子也能是一個慣用應 用到適應碼本23的輸出之增益函數（或一個説明週期量的 類似參數）。一種例子是，如果該適應碼本增益超過預決定 限則該圖3增益將是0 ’而當該適應碼本增益從該定限下 降時則線性增加。當將一個增益函數慣用地應用到圖2固 定碼本21的輸出時也能以類比方式建置圖3增益。圖3的 增益也能以功率頻譜爲基礎，該頻譜使該訊號m(n)和用於 慣用搜尋方法的目標訊號相吻合，在此例中需將該増益編 .本纸依尺戾诚州中國囤家榡準（CNS ) Λ4規格（2!OX29?公釐） A7 B7 五、發明説明（5 ) 碼具傳輸到該接收器。 另一，種例子是，爲了得到先進頻率領域分析的益處，則 能在該頻率領域中執行一個似噪音訊號的加入。 圖5説明圖2 ASO的另一個範例建置。圖5的配置特徵 能是一個反稀疏過濾器，該過濾器設計來減少從圖1來源 U所接收數位訊號之稀疏。 圖6更詳細地説明圖5的反稀疏過濾器例子。圖6的反 稀疏過;慮器包括一個旋轉器節63，該節以一個與全通過滤 器結合之脈衝回應（在65)而執行該從固定（例如，代數）碼 本21所接收的已編碼訊號之卷積。圖7_u説明圖6反稀疏 過濾器範例之操作。 圖10説明來自圖2碼本21的一個項目範例，其在全部 4 0個樣本中僅有2個非零樣本。如果能夠增加非零構想的 數目（密度）則將減少此稀疏特徵。增加非零樣本的一種方 式是，將圖10的碼本項目應用到一個具有合適特徵而可分 散該40樣本的整個區段的能量之過濾器。圖7和圖8各別 説明一個全通過遽器的度量和相位（以經爲單位）特徵，該 過濾器用於分散圖10碼本項目的整個40樣本之能量。圖7 及8過濾器改變在2及4 kHz高頻率間的相位頻譜，而改變 2 kHz下的低頻率區域是微不足道的。基本上，圖7及8過 濾器不改變度量頻譜。 範例圖9以圖形方式説明圖7及8所定義的全通過濾器 之脈衝回應。圖6的反稀疏過滤器在圖1 〇的樣本區段上產 .生一個圖9脈衝回應的卷積。因爲從該碼本提供碼本項目 本紙张尺度適用中國g家標準（（’NS ) Λ4規格（210X297公t ) (請先閱讀背面之注意^-項再填寫本頁) ，-· A7 B7 五、發明説明（6 做爲40樣本區段’所以順區段方式執行卷積操作 操作中；，®則各個樣本將產生4(^間乘積結果。^ 10位置7的樣本爲例，指定前34乘積結果到圖u結果區 段的位置7-40，而且根據一個循環卷積操作而"捲轉"剩下 的6乘積結果並將其指定到結果區段的位置丨—6。剩餘各 個圖10樣本所產生的40中間乘積結果將以類比方式指定 到圖11結果區段的位置’而且當然不需要捲轉樣本丨。對 圖11結果區段的各個位置而言，總和該處指定的40中間 乘積結果（每圖10樣本一個乘積結果），而且那總和代表那 位置的卷積結果。 從檢視圖10及11後將瞭解，該循環卷積操作改變圖10 區段的Fourier頻譜，所以能量分散到整個區段，因此戲劇 地增加該區段的非零樣本數（或密度），且因而減少稀疏量 。在以區段接著區段爲基礎的循環卷積之執行結果能藉由 圖2的合成過濾器211而更平滑。 圖12-16説明另一個圖6所示的反稀疏過濾器之操作範 例。圖‘ 12及13的全通過濾器改變在3和4 kHz間之相位頻 譜而不實質改變3 kHz以下的相位頻譜。圖14展示該過濾 器的脈衝回應。參考圖16的結果區段，並注意到圖15説 明如圖10的相同樣本區段，將清楚瞭解圖12- 16所説明的 反稀疏操作並沒有分散如圖11所示那麼多的能量。因此， 圖12-16雖然定義一個反稀疏過濾器，但其更改該碼本項 目是低於圖7-1 1所定義的過濾器3因而，圖7_ 11和圖12· 16各別定義不同層級的反稀疏過濾。 9- 本紙张尺度適圯中國囤家標卒（（'NS ) Λ4規格（210Χ297公漦） fv—If (請先聞讀背面-2:--注意表項再填寫本頁) ,ιτ A7 '—--——_______B7______ 五、發明説明（7 ) —個低適應碼本増益値指示該重架構激勵訊號（從加法、 器兒路,210輸出）的適應碼本組件將是相對地小，因此對來 自該固定（例如，代數）碼本的相對地較大貢獻能提高其可 I性。因爲前述固定碼本項目的稀疏和圖7_ u的過濾器對 樣本區段提供較圖12_16的過濾器大的更改，因此選擇圖 11反稀疏過濾器的優點勝過圖i2_丨6的反稀疏過濾器。 右以適應碼本增益的較大値來看，則該固定碼本貢獻是相 對地少，所以能使用提供較少反稀疏更改之圖12_16過濾 器。 因此本發明提供使用已给語音區段的本地特徵之能力而 決疋是否更改和更改多少結合於那區段之稀疏特徵。 圖6反稀疏過濾器所執行的卷積也能是線性卷積，其因 爲避免順區段向處理效果而提供更平滑的操作。更進而， 雖然在上述例子中説明順區段向處理，而此順區段向處理 並不需要實作於本發明，但是寧願僅是該例子所示的慣用 CELP語音编碼器/解碼器架構之—個特徵。 可以使用該方法的封閉迴圈版本。在此例中，在搜尋該 等碼本期間該編碼器將考慮該反稀疏更改。此將在增加複 雜的代價下得到效能的改善。藉由將該過濾化矩陣相乘而 能夠建置該（循環或線性）卷積操作，並且藉由定義該反稀 疏過滤器（使用線性或循環卷積）的矩陣且來自該搜尋過滤 器的慣用脈衝回應而架構該矩陣。 圖17説明圖1的反稀疏運算子ASO之另一例子。在圖 1 7的例子中’圖5所説明的那種反稀疏過遽器接收輸入訊 -10- ;fi中關家標命（⑽）Λ4規格（210Χ觀ϋ ----- (請先閱绩背面之注意事項再填寫本頁) 訂 Α7 Β7 五、發明説明（8 號A，並且該反稀競過滅器的輸出在i7〇和一個增益 g,2相木。來自圖。及4的嗓音似訊號m⑻在172和—個辦

盈因子gi相乘，並且gjg2乘法器17〇及172的輸出在IK 相加而產生輸出訊號B。例如，㉟以下列方式決定増益因 子gi及g2。首先能以上述相關於圖3增益的方式之—決— 增益後，增益因子能決定爲增益因子引的函數二 例如，增益因子g2能是增益因子以的反向變化。可替換地 ’能以圖3增益一樣的方式決定增益因子&，之後，择益 因子gl能決定爲增益因子h的函數。例如，引能是^的 反向變化® :個圖17例子的配置是：使用圖】2_16的反稀疏過濾器 ;增盈因子ga = i ;藉由正規化高斯噪音分配n(〇，〇而 1得到m(n)並且有一等於該等固定碼本項目的能量層級， 並設定圖4高通量過濾器的切斷頻率是2〇〇 Hz ;且增益因 子名1是80%的固定碼本增益。 圖18説明根據本發明而提供反稀疏更改之範例方法。在 18 1 ，估计已編碼語音訊號的稀疏層級。於語音處理期間 能離線或適應地完成。例如，在代數碼本和多重脈衝碼本 中該等樣本取決於稀疏變化而可能相互鄰接或遠離；而在 平常的脈衝碼本中，樣本間的距離是固定的，所以稀疏也 是固足的。在183，決定一個合適的反稀疏更改層級。於 上述語音處理期間此步驟也能離線或適應地執行。在另一 適應地決定該反稀疏層級的例子中，能從區段到區段改變 該脈衝回應（參考圖6，9，及14)。在185，應用該已選反 ___ -11- 規格 〇χ297 公楚)

A7 B7 五、發明説明（9 稀疏更改層級到該訊號。 對冬技藝的工作者所顯而易見的是，上述關於圖1-18的 具體實施例能使用如合適的可程式數位訊號處理器或其他 資料處理器而迅速地建置，而且也能替換地使用將如合適 的可程式數位訊號處理器或其他資料處理器與此處連接的 附加外部電路組合而建置。 雖然在前面已詳細説明本發明的範例具體實施例，但是 並不侷限本發明的範圍，該等實施例實際上有多種的具體 實施例可以達成。 請 先 閱 讀 背 <- ί 事， 項 再 訂 適 I度 尺 張 紙 i本 S N Γ -標 一家 囚 祕 ¥ 公

Claims (1)

1. 經濟部中央標準局員工消f合作社印策 A8 B8 C8 D8 77、申請專利範圍 L 一種用以在輸入數位訊號中減少稀疏之裝置，該訊號包 括一個第一樣本値序列’該裝置包括有： 一個接收該輸入數位訊號的輸入； 一個反稀疏運算子，其與該輸入耦合並回應該輸入數 位訊號以產生一個包括一另增樣本値序列之輸出數位訊 號’该另增樣本値序列具有一比第—樣本値序列爲高之 非零樣本値密度；以及 一個與該反稀疏運算子耗合的輸出，其接收來自該處 的輸出數位訊號。 2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該反稀疏運算子包 括一個用於將一個似噪音似訊號加入該輸入數位訊號之 電路。 3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該反稀疏運算子包 括一個耦合到該輸入而過濾該輸入數位訊號之過濾器。 4. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該過濾器是一個全 通量過濾器。 5. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該過濾器使/用循環 卷積或線性卷積過遽在該第一樣本値序列中的樣本値各 別區段。 6. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該過濾器更改_該輸 入數位訊號的相位頻譜，但是保留該處的量度頻譜而不 改變。 7_如申請專利範圍第丨項之裝置，其中該反稀疏運算子包 括一個從該輸入延伸到該輸出的訊號途徑，該訊號途徑 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） II I I裝 I 訂----^ • ·. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 ___D8 . 六、申請專利範圍 包括一個過濾器，且該反稀疏運算子也包括一個用於將 一個似噪音訊號加到該訊號途徑所載訊號上的電路。 8. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中該過濾器是一個全 通量過濾器。 9. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中該過濾器使用循環 卷積或線性卷積過濾在該第一樣本値序列中的樣本値各 別區段。 瓜如申請專利範圍第7項之裝置，其中該過濾器更改該輸 入數位訊號的相位頻譜，但是保留該處的量度頻譜而不 改變。 11. 一種用以處理聲音訊號資訊之裝置，其包括： 一個用以接收該聲音訊號資訊的輸入； 一個與該輸入耦合的编碼裝置，其回應該資訊以提供 一個數位信號，該數位信號包括一第一樣本値序列；以 及 一個反稀疏運算子，其具有一與該编碼裝置耦合之輸 入並回應於該數位訊號以產生一個包括第二樣本値序列 之輸出數位訊號，該第二樣本値序列具有比第一樣本値 序列爲南之非零樣本値密度。 12_如申請專利範圍第1丨項之裝置，其中該编碼裝置包括一 複數個碼本、一總和電路與合成過滤為’該碼本具有 耦合至該總和電路的各別輸入，而該總和電.路具有耦合 至該合成過濾器一輸入的輸出。 13.如申請專利範圍第12項之裝置，其中該反稀疏運算子輸 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（21〇χ297公釐） (請先閲讀背面之注意^'項再填寫本頁) '裴- 、11 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 入是耦合到該碼本的一個輸出。 14. 如申請專利範圍第12項之裝置，其中該反稀疏運算子輸 入是耦合到該總和電路的輸出。 15. 如申請專利範圍第12項之裝置，其中該反稀疏運算子輸 入是耦合到該合成過濾器的一個輸出。 16. 如申請專利範圍第i 2項之裝置，其中該编碼裝置是個編 碼裝置且該聲音訊號資訊包括—個聲音訊號。 17. 如申請專利範圍第12項之裝置，其中該编碼裝置是個解 碼裝置且該聲音訊號資訊包括從該處建構一個聲音訊號 的資訊=> 18. —種用以在一輸入數位訊號中減少稀疏足方法，該訊號 包括一個第一樣本値序列，該方法包括： 接收該輸入數位訊號； 產生一個包括一第二樣本値序列之輸出數位訊號以回 應該輸入數位訊號，該第二樣本値序列具有比第一樣本 値序列爲高之非零樣本値密度；以及 輸出該輸出數位訊號。 19. 如申請專利範圍第1 8項之方法，其中該產生步驟包括過 遽該輸入數位訊號。 20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該過濾步骤包括使 用一個全通量過濾器。 21. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該過濾步骤包括使 - 用循環卷積或線性卷積過濾在該第一樣本値序列中的樣 本値各別區段。 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） ί裝------訂------ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印策 Α8 Β8 C8 ________D8 · 六、申請專利範圍 22. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該過濾步驟包括更 改該輸入數位訊號的相位頻譜但是保留該處的量度頻譜 而不改變。 23. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該產生步驟包括過 濾一個第一訊號而得到一個已過濾訊號，和將_個似嗓 音訊號加到該第一訊號或該已過濾訊號。 24. 如申請專利範圍第23項之方法，其中該過濾步驟包括使 用一個全通量過濾器。 25. 如申請專利範圍第23項之方法，其中該過濾步驟包括使 用循環卷積或線性卷積過濾在該第一樣本値序列中的樣 本値各別區段。 26. 如申請專利範圍第23項之方法，其中該過濾步驟包括更 改該輸入數位訊號的相位頻譜但是保留該處的量度頻譜 而不改變。 27. 如申請專利範圍第1 8項之方法，其中該產生步驟包括將 一個似噪音似訊號加到該輪入數位訊號。 28: —種用以處理聲音訊號資訊之方法，包括： 接收該聲音訊號資訊； .提供一個包括一第一樣本値序列之數龟訊號以回應該 資訊；以及 產生一個包括一第一樣本値序列之輸出數位訊號以回 應該數位訊號，該另增樣本値序列具有比第一樣本値序 列爲高之非零樣本値密度。 -16- 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS>A4¾格（2丨0X297公釐） . —I — ! I I 11111— n n HI n : I— '·. (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁}