TW444440B - Device and method for filtering a speech signal, receiver and telephone communications system - Google Patents

Description

444 44 ϋ 五、發明說明（1) 發明範疇 本發明與的一種用於濾除具有被波谷分開之斜率的頻譜 的語音信號的數位式濾波裝置有關，該裝置包括一項預測 語音信號的分析電路及一項合成數位式零點-極點後置濾 波器計算方法，預定用於放大斜率並加深波谷。 本發明也與電話接收機有關，其預定用於接收具有被波 谷分開之斜率的頻i的語音信‘號，該接收機包括一項預測 式語音信號分析電路及一項合成數位式零點-極點後置濾 波器計算方法，預定用於放大斜率並加深波谷。 本發明與一項基帶語音信號通訊系統有關，該系統至少 有一個傳輸通道，並包括： •—個預測式語音編碼/解碼器，係用於根據該通道所 傳輸的原始編碼信號恢復一項數位式語音信號， •一個濾除區塊，係用於濾除該數位式語音信號。 本發明更與用於濾除具有被波谷分開之斜率的頻譜的語 音信號的濾除方法有關，以達到放大斜率並加深波谷的目 的，該方法包括： •一項預測式語音信號的分析步驟，係用於決定LP C 多項式， •一項計算步驟，係根據該L P C多項式合成零點/極點 i慮波益''以及 •一項濾除步驟，係用於將該合成之濾波器應用到語音 信號。 最後，本發明與一語音信號有關，該語音信號利用將數 44444 Ο 五 發明說明（2) 位式零點/極點濾波器應用到第一個具有被波谷分開之斜 率的頻譜的語音信號的方式所獲得的語音信號，第一個語 音信號可利用.一項反相全極點LPC濾波器的裝置製作其模 塑。 本發明在語音呼叫方面具有許多的應用’特別是在行動 式無線電話系統方面。 發明背景 . 美國申請專利公告編號46 1 7676說明一種數位化通訊系 統’該系統在其輪入接收頻譜中有穿插波谷的語音信號。 ^亥系j i括項用於決定所收到之信號的預測參數的預測 式二:解喝器，以及一項預定依賴該預測參數產生所修改 之信號的輪出的後置濾除區塊，以用於放大斜率並加深波 後置據除的重要性是增加 信號的清晰度，進而回應使 器指定預定改善信號聲音品 發明總結 語音信號的聲音品質，以改善 用者的需要。接著，後置濾波 質的濾波器。 义弓|用之先前的技藝被應用在數位式通訊系統’包括：在 ，达=末端的一項預測式語音編碼器’其根據利用零點/ 分析濾除裝置所獲得的LPC (Linear Predictive 嫂& j g線性預冽編碼）參數產生語音模型；在接收機末 ’ ^預测式解碼器，其根據利用LPC合成濾除裝置所 $收的模型將語音信號恢復；Μ，„項後置濾除裝置， 仏用於改善所恢復之信號的品質，作為預測式語音編碼器

第6頁 444 4 4 五、發明說明（3) 所產生的LPc參數的函數。對於後置濾除而言’必須合成 零點/極點類费的數位式濾波器稱為後置濾波器，除了 一 項係數之外’零點及極點的數值對應到LPC分析濾波器的 零點及極，點的數值。為了構成後置濾波器，所以引用之美 國專利提供遠過語音編碼器所產生的LPC分析獲得極點及 零點並傳送到解碼器的運用。然後，解碼器所收到的極點 及零點的數值個別放置在與輸入信號的斜率及波谷相同頻 率的位置。 另一方面’本發明只提供運用一項LPC分析所定義之極 點的數值，及利用來自於LPC分析的極點數值之間的插 值，來計算後置濾波器零點的數值。結果，視輸出信號 尋求的品質及清晰度而定，來決定可能使用精度校準位" 的零點時可增加彈性。此外，本發明與大部份廣泛使用 GSM (Global SyStera for Mobile 通訊）無線電話银立 碼器相容，特別是相容於依照1 9 97年12月出版iETSCT/ ' 961第二版建議書第三節的全速率語音編碼器。 使用全極點LPC分析據波器操作，並且D "" 解碼器。 且/、將極點值傳送到 根據本發明提供如開始之段落中所定蓋& 好一成中4盐此她 甘仏桃a 又義的—項濾除裝置 路r出：出極點值ί ί :括一項用於從預測式分析電 抽取（extracting)電路，以及用於決定 ^ 干的 間的插值裝置。 7 值之該極點值 本發明也提供如開始之段落中所定義 我的一項通訊系統，

第7頁 444440 五、發明說明（4) 其特徵為遽除區塊包括用於合成數位式零值/極點：處波器 的計算裝置、一項用於從預測式語音編碼/解碼器^出取 出極點值的抽取（extracting)電路、以及用於決定零點 之該極點值間的插值裝置。 、 " 也k供開始之段洛中所定義的一種類别古土 計算步驟包括： 種類型方法，其特徵為 值二步?，預計取出以源自於極點 值之L P C係數為基礎所構成之多項式的 、 • 一項該極點值之間的插值步驟， u & 值。 係用於決定該零點 最後，本發明適用於開始之段落 徵為零點/極點濾波器的極點值疋義的信號，其特 取出極點的方式所獲得，而零點值^反机pc渡波器 之該極點值間的插值計算所獲得。疋、過全極點濾波器 本發明在下列兩種情況下特別有用 預測LPC分析時’另—情況是其Lpc以―是信號已先經由 用。 > 數可於後置濾除時使 圖式簡單說明 本發明在各方面都是顯而易見， 說明關於下列的具體實施例。 將利用非限制性範例 圖示中：. 圖1疋包含兩條曲線的圖式，其 渡除之前及之後的語音信號頻譜，、·泉代表根據本發明 圖2顯示根據本發明之濾除裝置的圖示，

第8頁 4 4 4 4-4 Ο 五、發明說明（5) ν圖3說明根據本發明之濾除方法的流程圖， ν圖4顯示根據本發明之基帶通訊系統的基本電路圖， 夕圖5代表根據本發明單位圓内部之後置濾波器的極點及 零點位置，以及 /圖6是根據本發明之電話接收機的方塊圖； 發明之詳細說明 圖1中的曲線1 1代_表語音信號的頻譜頻率，以信號頻譜 的振幅Ρ作為其頻率f的函數。此信號可能是類比信號或數 位信號。例如：在接下來的情況中，以LPC分析方法為基 礎之預測式語音解碼器類型的輸出目前用於行動式無線電 話，特別兩於GSM 系統中。 此頻譜的特徵是具有振幅斜率或位於被波谷分開之頻率 fi、f2、及f3的波峰，而頻率fl、f2、及f3小於以Fe/2表 示的頻譜最高頻率。為了改善此類信號的聲音品質，所提 供的後置濾除裝置預定增加斜率並加深波谷，以便增加信 號對比。濾除之後的結果以曲線1 3表示。後置濾除的效果 是增強聲音的清晰度。而清晰度則是視耳朵靈敏度而定的

I I主觀指標。後置濾波器可用於處理語音信號，特別是改善 清晰度及因編碼所造成的損失或錯誤的部份補償。後置濾 |波器在聲音解碼器及雜訊消除器方面具有許多的應用。 圖2顯示根據本發明之濾除裝置2 0的圖示，輸入所收到 之語音信號2 1的頻譜類型以圖1中的曲線1 1表示，而輸出 所產生的已濾除之信號2 2的頻譜則是以曲線1 3表示。其包 :括一個LPC類型短期預測式分析電路23及一個運用計算元

第9頁 444440 五、發明說明（6) 件26操作的抽取（extract ing)電路，其中lpc類型短期預 測式分析電路23係用於決定語音信號的LPC參數，而抽取 (ex tra c t i ng )電路則是用於從預測式分析電路2 3取出極點 值，並用於將該極點值應用到計算元件26的輸入，以便將 預疋濾、除語音信號的數位式零點/極點後置渡波器合成， 進行獲得信號22。 u ~ ^

按=本範例，輸入信號21在·頻率Fe取樣（Fe大約是原始 語音信號最高頻率的兩倍），使預測式分析電路2 3決定 160個樣值，例如：語音信號的Lpc參數。這些參數（以^ 表示）是利用LPC分析濾除A(z)裝置獲得，其方程式如下 A(z) — 1 + y" a.z m是濾波m器的預測順序。除了參數ai以外，於濾波器的輸 出y將獲得A(z )，然後，其餘的信號錯誤將由合成濾波器 (分析濾波器的反相）濾除，以便在後置濾除之前重新產生 語音信號。 預定產生信號2 2的後置濾波器的極點由抽取 (extracting)電路22供應到計算元件26，而抽取 (extracting)電路則是透過取出多項式A(z)的根值&的方 式取，該極點。為了計算零點，計算元件2 6先獲得根值 Ρί的分級’其順序為〇及大約4 kHz之間的上升頻率，此項 取樣頻率>Fe是在8 kHz的附近。然後〈〈零點 >> 值（以心表 不）透過多項式A(z)的根值Pi之間的插值計算獲得：

第10頁 44444 Ο 五'發明說明（7) 豆中、本露點計算所使用的相 兵〒α丨及心疋正權限因數，其代表务⑼ 關極點權值。如此，於極點頻率之間發現對應於零，值的 頻率。後置濾波器的極點與零值已在決定中，而計算元件 26合成後置濾波器W(z)，其方程式為： .l+aJz/Xd^+aJz/Xd).... m( u 其中ai是來自於分析電路23的LPC參數’而\則是以先别計 异之r;值為基礎所構成之多項式的係數。xd及乂。是權值因 I素’其指出從根值到單位圓的距離（如圖5所顯示）’其中 xn<xd<l。 現在’將配合圖3的輔助說明根據本發明之濾除方法的 範例。濾除方法包括步驟K 〇到K 5，這些執行順序可以會遇 到某些變數。第一步驟K 〇是接收類比或數位語音信號的步 驟’而信號具有被波谷分開之斜率的頻譜。第二步驟Κ 1是 執行所收到之信號的短期預測式分析，以決定LPC分析濾 波器的係數a;，這些係數是所要處理之信號的特性。步驟 K2是由從LPC濾波器取出之根值Pi所組成。步驟K3獲得根 丨值P!之間的插值，以便導出！*〖值。步驟](4是數位式零點/極 點濾波器W(z )的合成步驟，其中極點是lpc濾波器的根值

Pi ’而零點則是r;值。最後一個步驟K5由將合成渡波养供 應到語音信號以便在輸出產生信號所組成，其中信號的二 譜是按照輸入信號的頻譜修改，其方式是增加斜率敌頻 波谷》 , 〇深

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五、發明說明（8) 根據此項方法之具體實施 為了產生其他步驟中所要使例的變數’某些步驟的目的是 數可在接收信號的步驟](〇 ^的計算或分析結果，這些變 顯示之GSM系統通訊電略範如實現。讓我們採用圖4中所 已在編碼中時，於訊息傳m °按照gsm標準，當語音信號 於產生語音模型的LPC參數Μ期間執行LPC分析。然後，用 傳輸訊息後就可以皮用這也7利用傳輸通道傳輸，一旦已 是在接收電路的末端執行:PC參數’而後置濾除方法則 例如：於GSM應用中，於 之前，可以在不需要依賴德X據該方法之信號接收步驟Κ〇 語音信號K1的預測式分析牛濾除方法的情況下，先執行 定，以便合成語音及後置$ ’ ，而結果將從語音編碼器選 般情況下，也可能再次尤八 析的通訊系統中，…現此:;預^ 利用解碼器本身所接收的信號， =二驟則了月匕 現或疋所接收的已解碼之信 5¾ ° 圖4顯示傳統式數位基帶通訊系統的方塊圖。圖*中的系 統包括一個經由傳輸通道3 2的傳輸電路3丨。按照本發明^ —項具體實施例（尤其適用於GSM系統），圖1中“曲線〗丨所 表示的原始語音信號S的頻譜在傳輪電路3丨的輸入接收， j圖1中曲線1 3所表示的已濾除之語音信號s，的頻譜則是在 i接收電路33的輸出產生。於發送機的末端，系統包括—項 |預先處理區塊34、一項語音編碼區塊35、一項通道編碼區 塊36，並且，在接收末端包括一項通道解碼區塊、一 :

第12頁 444440 五、發明說明（9) '— ---- 語音解碼區塊38、及一項後置處理區塊39。 預先處理區塊34準備解碼時所要使用的語音信號。語音 編碼區塊35是由將語音模組化並降低要傳輸的資料量等所 '、且成針對此項用途，所使用的方法包括像是丨9 9 7年1 2月 ^ ^之iETS 3 0 0 96 1第二版建議書的第3. 1節中所說明的短 期預，，係用於產生利用LPC濾除參數所描繪的語音模 型 > 這些參數被傳遠到語音解鴒區塊3 8，以便重新組成聲 曰汛心刀析濾波器A (z )用於取出語音信號的LPC特性， 例如： A(z) = 1 + i = l 其中是1^卩(：參數，而m是濾波器的預測順序。 通逭編碼區塊36準備所要傳輸的資料，而通道解碼區 37將傳輸之資料解碼，以便語音解碼器38按照相反的編碼 處理程序，重新組合聲音訊息。因此，其接收通道所傳輸 的語音模型，並將語音模型套用到合成濾波器，合成濾波 器是分析濾波器的反相，以1 / A ( z)表示：

A(Z) It! -I 1 十 i-l 士後置處理區塊3 9的目的是為了改善輸入所產生之信號的 聲音品質，尤其是改善信號的清晰度。傳統式後置濾波哭 的方程式為： " 4 444-4 0 五、發明說明（ίο) 1+α,(ζ/χη)-! +a2(z/xn)-2^,, ,+am(z/xn)-m l + ii^z/xj)'1 +a2(2/xd)-2+...+am(z/xd)-m 其中是LPC參數，而xd&xn是權值因素，其指.出從根值到 單位圓的距離（如圖5所顯示）厂其中xn〈xd<l。請同時觀察 極點及零點都是位於與斜率相同的頻率，而導致加深相關 波谷的限制。 於根據本發明之後^置濾波器'中，所計算的零點大約位於 極點的中途，以便加深所要的現象。極點及零點的位置利 用增加最大振幅並減少最小振幅的方式來增加斜率。零點 值是透過計值算從LPC分析取出極點值之間的插值的模擬 方式獲得： —«丨P,切儿, 里i ™ 2 其中Pi是LPC合成濾波器的極點，其以上升頻率順序排 列，而!及α 2是正權限因數。因此，後置濾波器的方程 式為. W(z)= l+A^z/xJ·1 +/j2(z/xJ-2+...+/>m(z/xn)-m 】+%(2/\“广 +a2(z/xd)°+...+am(z/xd)-m 其中h則是以先前計算之q值為基礎所構成之多項式的係 數，而xd及xn則是權值因素，其指出從根值到單位圓的距 離（如圖5所顯示），其中xn < xd < 1。 零點及極點的相對位置於圖5的單位圓中表示。十字符 號指出極點值，而零形符號指出後置濾波器W ( z )的零點 值。相對於X軸的點角度指出其頻率。從點到圓心的距離

第14頁 *' 444 4 4 Ο 五、發明說明（11) 指出其振幅。於圖5中的虛線也指出傳統式後置渡波器的 極點及零點值。請觀察傳統式後置遽波器’如果其極點及 零值都位於相同的頻率，則斜率的頻率也相同。另一方面 ’根據本發明之後置濾波器中、零點位於兩個極點之間的 中間頻率。 傳統式後置濾波器所產生之信號在改善清晰度時，反而 使聲音更虛假。本眷明之其中‘一項優點是，本後置濾除所 產生的合成聲音效果比傳統式後置遽波器的效果較真實， 尤其更增加了語音信號的清晰度。結果是真正改善通訊電 路所輸出之語音信號的聲音品質。 圖6中所顯示的電話接收機包括一項由麥克風6丨所構成 的傳輪電路、一項類比/數位轉換器A / D、一項語音編碼器 62、一項通道編碼器63、及一項無線頻率零件64專用的模 組’其中無線頻率零件β 4與耦合到發送機天線6 6的雙工器 65連接。該接收電路更包括天線66、雙工器65與無線模 組6 4、一項通道解碼器6 7、一項語音解碼器6 8、一項數位 /類比轉換器D/A、及一項耳機69。區塊62、63、67、及 68 可利用DSP 類型的處理器（Digital Signal pr〇cess〇r ; 數位式信號處理器）實現。 按照本發明之最佳具體實施例’ LPC分析零件在接近語 音編碼器62的DSP中完成’而後置濾除零件構成語音解碼 器6 8的零件。 前文中配合圖解說明’利用一項語音信號、一項裝置與 一項遽除方法、一項電話接收機、及一項通訊系統的示範

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Claims (1)

1. __^ 號 88109133 ft年Θ月公曰 修正 五、發明說明（12) 内 置 改 善 信 號 信 號 清 晰 度 Ο 顯 而 易 見 Τ 在 本 發 明 5 可 以 給 予 具 體 實 施 例 的 變 數 特 別 e 疋 用 於 短 音 分 析 及 合 成 的 滤 波 器 結 構 0 件 符 號 說 明 11 口口 音 信 號 頻 譜 13 已 濾 除 之 曲 線 2 0 濾 除 裝 置 21 語 音 信 號 22 濾、 除 之 信 號 23 短 期 預 測 式 電 路 2 5 抽 取 電 路 26 計 算 元 件 3 1 傳 輸 電 路 32 傳 輸 通 道 33 接 收 電 路 34 預 先 處 理 塊 35 W 口 音 編 石馬 區 塊 36 通 道 編 碼 區 塊 37 通 道 解 碼 區 塊 38 語 音 解 碼 區 塊 39 後 置 處 理 區 塊 6 1 麥 克 風 62 ασ 音 編 碼 器 63 通 道 編 碼 器 64 血 線 頻 率 模 組 65 雙 工 器 66 天 線 67 通 道 解 瑪 器 68 語 音 解 碼 器 69 耳 機

   0:\58\58807.ptc 第丨6頁 2001.03.08.016

   _請專利範園 種數位 譜之語 及一項 定用於 從預測 用到計 值間的 申請專 包括一 以及該 率的頰 抑電路 # ’預 項用於 *點值應 讀極點 2, 如 析電路 波器， 以導出後置濾 3. 如申請專 上升頻率的順 的方程式決定 濾波裝置，用以濾除牿 音信號，該裝置包括—=為被波谷分開之斜 合成數位式零點-極點員預測語音信號的分 放大斜率並加深波咎。置遽波器計算元 式分析電路輸出取出極=裴置的特徵包括一 算元件的擷取電路，以’’、、值，並將取出之極 插值袭·.置。 ‘ 及用於決定零點值之 利範圍第1項之裝置，发 項以具有根值的多項式、徵為該預測式分 抽取（extract ing)電表示的LPC分析遽 波器的極點值。 可取出該等根值， ::，第1項之裝置，以ρ(表示的極點值以 序分類’而以Γι表示的零點值則是按照下列 «ιΡ, +«：Ρ,-ι -— 其中α^α〇：2是正加權因子。〜 4 ·—種電話接收機，其中係預定接收具有被波谷分開之 斜率的頻譜之語音信號，包括一項預測語音信號的分析電 ΟΑ ~及一項合成數位式零點—極點後置濾波器計算元件，預 心用於放大斜率並加深波谷，該接收機的特徵包括一項用 於從預測式分析電路輸出取出極點值，並將取出之極點值 應用到該計算元件的擷取電路，以及用於決定零點值之該 ^點值之間的插值簌置。

   第17頁 4 4 4 4 4 Ο 六、申請專利範圍 5 _ 種基帶語音信號“ 通道，並包括： k β凡系統，該糸統至少有一個傳輸 .一個預測式語音編 傳輸的原始編碼信铲：；解碼器，係用於根據該通道所 •-個據波器區塊U，：：：數位f語音信號， 其特徵為該渡波器區語音信號， 點濾波器的計管F署..j包括用於合成數位式零點值/極 哭輪屮雨山奸 '"置 項用於從預測式語音編碼/解碼 二輸出取出極點值的擷取電路、以及用於 極點值間的插值裝置β A疋零』值之該 立請專利範圍第5項之系統’其特徵為該預測式語 ^ ρ碼裝置包括決定具有根值之LPC分析濾波器的係 力析裝置’以及特徵為擷取電路包括用於取出該 寺根值並從中導出極點值的敦置。 種數位式濾波方法’係用於濾波具有被波谷分開之 二：；的頻譜之語音信號，以達到放大斜率並加深波谷的目 的’包括： 數 項語音信號的預測式分析步驟’用以決定LPC係 波器 步驟，周以將該合成之濾波器應用到語音信 其特徵為該計算步驟包括： • ~項擷取步驟，用以基於該等LPC係數擷取LPC多項式 項計算步驟’用以根據該L P C係數合成零點/極點濾 以及 項癌波

   第18貢 4 444 4 0 六、申請專利範圍 的根值，以由其導出極點值^以及 •一項該等極點值之間的插值步驟，係用於決定該等零 點值。 8. —種語音信號，係利用將數位式零點/極點濾波器應 用到第一個特徵為具有被波谷分開之斜率的頻譜之語音信 號的方式所獲得，該第一個語音信號可利用一項逆全極點 L P C濾波器的裝置而i模仿，萁特徵為零點/極點濾波器的 極點值是透過從該逆LPC濾波器取出極點的方式所獲得， |而零點值則是透過全極點濾波器之該等極點值間的插值計

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