專利名稱：產生用于話音編碼器的頻譜噪音加權濾波器的方法
技術領域：
本發明涉及話音編碼，具體涉及產生用于話音編碼器的頻譜噪音加權濾波器的改進方法。
受激編碼線性預測(Code-excitedlinearprediction簡稱“CELP”)是一種用于產生高質量合成話音的話音編碼技術。這種話音編碼也稱為“矢量受激線性預測”，用于多數話音通信和話音合成的場合。CELP成尤其適用于數字話音加密和數字無線電話通信系統，在該系統中話音質量、數據速率、規格大小及成本都是重點考慮的內容。
在CELP話音編碼器中，模仿輸入話音信號特性的長期(音調)和短期(共振峰段)預測器在一組時變濾濾器中相組合。即一個長期濾波器和一個短期濾波器。濾波器的激勵信號是從存儲的新息序列或碼矢量的代碼簿中選擇的。
對于每幀話音，話音編碼器都向濾波器施加單獨的碼矢量以產生重構的話音信號。重構的話音信號與原始輸入的話音信號相比較，產生一個誤差信號。然后，將該誤差信號通過一個頻譜噪音加權濾波器對該誤差信號進行加權，該頻譜噪音加權濾波器具有以人聽力可接收為基礎的響應。最佳激勵信號通過選擇一個碼矢量來確定，該碼矢量產生對于當前話音幀而言具有最小能量的加權誤差信號。
對于每個話音幀來說，由系數分析器產生一組線性預測編碼參數。這些參數一般包括用于長期、短期和頻譜噪音加權濾波器的系數。
由于頻譜加權誤差信號需要對來自新息序列的代碼表的每個碼矢量進行計算，所以由頻譜噪音加權濾波器進行的濾波操作能構成話音編碼器總體計算復雜性的一個主要部分。一般地，需要有在提供的控制和由于頻譜噪音加權濾波器所造成的復雜性之間的折衷方案。一種能夠使頻譜噪音加權濾波器引入的頻率整形的控制增強而無相應地增加加權濾波器復雜性的技術將是話音編碼現有技術中的一種有用的先進技術。
本發明包括一種數字話音編碼方法。該方法包括利用R階濾波器模仿多個濾波器的頻率響應，從而提供一種濾波器，給予多個濾波器的控制，而沒有多個濾波器的復雜性。R階濾波器可用以作為頻譜噪音加權濾波器，或短期預測濾波器和頻譜噪音加權濾波器的組合，這取決于所應用的實施例。短期預測濾波器和頻譜噪音加權濾波器的組合稱為“頻譜噪音加權合成濾波器”。通常，該方法由單個的R階濾波器模仿LP階濾波器的頻率響應，此外R＜LxP。在優選實施例中，L等于2。下式說明本發明采用的方法。
此處A (Zαn) =11 -Σi = 1Paiαinz- i]]>和1≥α2≥α3≥0
圖1示出其內可采用本發明的一種話音編碼器的方框圖。
圖2示出本發明的一個實施例所執行的話音編碼操作之總程序流程圖。
圖3示出本發明產生組合的頻譜噪音濾波器系數的程序流程圖。
圖4示出本發明的話音編碼器實施例的方框圖。
圖5示出本發明的一個實施例所執行的話音編碼操作的總程序流程圖。
圖6A和圖6B示出本發明的特定頻譜噪音加權濾波器配置的方框圖。
圖7A和圖7B示出本發明的特定頻譜噪音加權濾波器配置的方框圖。
圖1是本發明使用的話音編碼器第一實施例的方框圖。待分析的聲頻輸入信號在麥克風102處施加到話音編碼器100上。然后，該輸入信號(一般為話音信號)施加到濾波器104上。濾波器104通常呈現帶通濾波特性。但是，如果話音帶寬已經滿足要求，濾波器104可以包括一直線連接。
模/數(A/D)變換器108把濾波器104輸出的模擬話話音信號152變換成N個脈沖取樣序列，每個脈沖樣值幅值由數字編碼表示，正如現有技術中所公知的那樣。取樣時鐘SC確定A/D變換器108的取樣速率。在優選實施例中，SC以8KHz運行。取樣時鐘SC與幀時鐘FC一起在時鐘模塊112中產生。
A/D變換器108的數字輸出信號S(n)158稱為輸入話音矢量加到系數分析器100。這個輸入話音矢量S(n)158在分離幀中重復地獲得，亦即時間長度，該長度由該幀時鐘FC確定。
對于話音編碼器的每個功能框，都由系數分析器110產生一組線性預測編碼(LPC)參數。將短期預測器(STP)系數160、長期預測器(LTP)系數162、以及激勵增益因數166g都施加到復用器150上并在話音合成器所用的信道上發送。輸入話音矢量S(n)158也加到減法器130，其作用將隨后描述。
基本矢量存儲塊114內含一組M基本矢量Vm(n)，此外1≤m≤M，其中每個矢量由N個樣值組成，此外1≤n≤N。編碼表發生器120利用這些基本矢量產生一組2M偽隨機激勵矢量ui(n)，此處o≤i≤2M-1。每個M基本矢量由一系列隨機白卡森(Guassian)樣值組成，雖然也可用其它種類的基本矢量。
編碼表發生器120利用M基本矢量Vm(n)和一組2M激勵碼字Ii(此處o≤i≤2M-1)產生2M激勵矢量ui(m)。在本實施例中，每個碼字Ii等于其標號i，即Ii＝i。如果激勵信號以每個樣值0.25比特的速率對40個樣值中的每一個進行編碼(這樣M＝10)，則將有10個基本矢量用于產生1024個激勵矢量。
對于每個單獨的激勵矢量ui(n)，產生一個重構的話音矢量Si′(n)，來與輸入話音矢量S(n)進行比較。增益功能框122利用激勵增益因數gi標度激勵矢量ui(n)，對幀而言，激勵增益因數gi為常數。然后，該標度的激勵信號giui(n)168由長期預測濾波器124和短期預測濾波器126進行濾波，產生重構的話音矢量Si′(n)170。長期預測濾波器124利用長期預測系數162引入語音周期性，而短期預測濾波器126利用短期預測系數160引入頻譜包絡。請注意，功能框124和126實際是遞歸濾波器，在它們各自的反饋通路中包含有長期預測器和短期預測器。
在減法器130中，通過第i激勵編碼矢量的重構話音矢量Si′(n)170與輸入話音矢量S(n)158相減，矢量Si′(n)170與矢量S(n)的相同數據組進行比較。其差矢量ei(n)172代表原始的和重構的話音數據組之間的差。利用系數分析器110產生的頻譜噪音加權濾波器系數164，通過頻譜噪音加權濾波器132對差矢量ei(n)172加權，頻譜噪音加權增強了那些對人耳來說誤差感覺更重要的頻率，而衰減了其它的頻率。進行頻譜噪音加權的更有效的方法是這個發明的主題。
能量計算器134計算頻譜噪音加權差矢量ei′(n)174的能量，并將該主差信號Ei176施加到號碼表檢索控制器140。號碼表檢索控制器140將當前激勵矢量ui(n)的第i個誤差信號與在先的誤差信號相比較，以確定產生最小加權誤差的激勵矢量。然后具有最小誤差的第i激勵矢量的編碼作為最好的激勵編碼I178通過信道輸出。另一方面，檢索控制器140可以確定一個具有某些預定判斷標準的誤差信號的特定碼字，例如該碼字滿足預先規定的誤差閾值。
圖2示出過程流程200，該圖說明按照圖1所示的本發明第一實施例所執行的許音編碼操作的總程序。該過程在步驟201開始。功能框203按照圖1的描述接收話音數據。功能框205確定短期和長期預測器系數，這是在圖1的系數分析器110中完成的。用于確定短期和長期預測器系數的方法在題為“以低比特率進行話音的預測編碼”的文章中(IEEEETrans.Commun.Vol.Com-30，PP.600-14，April1982，byB..S.Atal)已有描述。短期預測器A(z)由下式確定即A(Z) =11-Σi = 1paiz-1]]>
功能框207產生一組中間頻譜噪音加權濾系數，這些系數至少表示第一和第二組濾波器的特征。這些濾波器可以是任意階濾波器，即第一濾波器是第F階，而第二濾波器是第J階，此外，R＜F+J。優選實施例利用兩個第J階濾器，此處J等于P。利用這些系數的濾波器具有下式的關系 此外1≥a2≥a3≥0，至少為第一和第二組的第J階濾波器級連的H(z)被確定為中間頻譜噪音加權濾波器。請注意，中間頻譜噪音加權濾波器的系數依賴于功能框205中產生的短期預測器系數。這個中間頻譜噪音加權濾波器 (z)過去已經直接應用于話音編碼器的實施中。
為了減少由于頻譜噪音加權引起的計算復雜性， (z)的頻率響應由單個的第R階波濾器 s(z)模仿，頻譜噪音加權濾波器組合的Hs(z)以下式表示 應注意，雖然 s(z)被示為極點濾波器，但 s(z)也可以被設計為零點濾波器。功能框209產生 s(z)濾波器系數。產生用于組合的頻譜噪音加權濾波器系數的過程詳細地在圖3中示出。請注意，第R階全極點模式是比中間頻譜噪音加權濾波器更低的階，它導致計算上的簡化。
功能框211響應于按照圖1的描述接收的話音數據提供激勵矢量。功能框213通過長期預測濾波器124和短期預測濾波器126濾波該激勵矢量。
功能框215比較由功能框213輸出的已波波的激勵矢量并按照圖1的描述形成差矢量。功能框217利用功能框209中產生的組合頻譜噪音加權濾波系數對差矢量進行濾波，以形成頻譜噪音加權差矢量。功能框219按照圖1的描述計算頻譜噪音加權差矢量的能量，并形成一個誤差信號。功能框221按照圖1的說明利用誤差信號選擇一個激勵碼I。該過程在步驟223結束。
圖3示出過程的流程300，該圖示出可以用于實施圖2的功能框209的細節。該過程在步驟301開始。若給定中間頻譜噪音加權濾波器 (z)，則功能框303產生用于K個樣值的 (z)的沖激響應 (n)，此處 A (Zαn) =11 -Σi = 1Paiαinz- i]]>此處0≤an≤1
而且只少有兩個不取消項，即對于a1＞0和a2＞0時a1≠a2，或對于a2＞0和a3＞0，a2≠a3。功能框305自動相關沖激響應 (n)，形成以下形式的自動相關性 功能框307利用自動相關法和Levinson遞歸法計算 (n)的系數，它是下式的組合頻譜噪音加權濾波器 圖4是本發明的話音編碼器第二實施例的方框圖。話音編碼器400除了以下所解釋的不同點之外，其它都與話音編碼器100相同。首先，圖1中的頻譜噪音加權濾波器132在圖4中由減法器430之前的兩個濾波器替代。這兩個濾波器就是頻譜噪音加權合成濾波器1468和頻譜噪音加權合成濾波器2426。此后分別稱這些濾波器為濾波器1和濾波器2。濾波器1468和濾波器2426與圖1的頻譜噪音加權濾波器132不同之處在于其每一個除了一個頻譜噪音加權濾波器之外還包括一個短期合成濾波器或一個加權短期合成濾波器。最后得到的濾波器一般稱為頻譜噪音加權的合成濾波器。具體地說，它可以作為中間頻譜噪音加權合成濾波器即作為組合的頻譜噪音加權合成濾波器進行實施。濾波器1468前邊接有一個短期反濾波器470。另外，圖1的短期預測器126已在圖4中取消。濾波器1和濾波器2除了在圖4中各自的位置不同外，其它完全相同。圖6和圖7中示出了這兩個濾波器的兩個特定的構形。
系數分析器410產生短期預測器系數458、濾波器1系數460、濾波器2系數462、長期預測器系數464和激勵增益因數g466。圖5示出了產生用于濾波器1和濾波器2的系數的方法。話音編碼器400能夠產生與話音編碼器100相同的結果而可能將所需計算量減少。因此，話音編碼器400可能比話音編碼器100更可取。為了便于描述，在話音編碼器100和話音編碼器400中的那些對功能框完全相同的描述將不進行重復。
圖5是一個過程流程圖，說明產生用于 (z)的系數的方法， (z)是組合頻譜噪音加權合成濾波器。該過程在步驟501開始。功能框503產生用于第P階短期預測濾波器A(z)的系數。功能框505產生用于中間頻譜噪音加權綜合濾波器 (z)的系數，其公式為 A (Zαn) =11 -Σi = 1Paiαinz- i]]>此處0≤an≤1
若給定 (z)，則功能框509產生用于第R階組合頻譜噪音加權合成濾波器 (z)的系數，它模仿濾波器 (z)的頻率響應。這些系數是通過使 (z)的沖激響應 (n)自動相關和利用找到這些系數的遞歸方法而產生的。優選實施例利用了Levinson遞歸法，這種方法被認為是本領域普通技術人員所公知的方法。該過程在步驟511結束。
圖6和圖7分別可以用于圖4的加權合成濾波器1468和加權合成濾波器2426的第一構形和第二構形。
在圖6a的構形1中，加權合成濾波器2 426包括中間頻譜噪音加權合成濾波器 (z)，這是三個濾波器的一個級連即由a1加權的短期合成濾波器A(z/a1) 611，由a2加權的短期反濾波器1/A(z/a2)613，以及由a3加權的短期合成濾波器A(z/a3)615，其中0≤a3≤a2≤a1≤1。圖6a中的加權合成濾波器468除了在其前接有一個短期反濾波器1/A(z)603之外與加權合成濾波器2 426完全相同，并置于輸入話音通路中。在這種情況中， (z)是濾波器605、607和609的級連。
在圖6b中，中間頻譜噪音加權合成濾波器 (z)468和426由單一的組合頻譜噪音加權合成濾波器 (z)619和621替代。Hs(z)模仿 (z)的頻率響應， (z)是圖6a中的濾波器605、607和609的級連，即相當于濾波器611、613和615的級連。產生 (z)濾波器系數的細節在圖5中可找到。
在圖7a的構形2是構形1在a3＝0的特定情況。加權合成濾波器2 426包括中間頻譜噪音加權合成濾波器 (z)，它是兩個濾波器的級連，即由a1加權的短期合成濾波器A(z/a1)729和由a2加權的短期反濾波器1/A(z/a2)731，圖7a的加權合成濾波器1 468除了在前邊接有一個短期反濾波器1/A(z)703之外，其它皆與加權合成濾波器2 426相同，并置于輸入話音通道。在該情況中，H(z)是濾波器725和727的級連。
在圖7b中，圖7a中的中間頻譜噪音加權合成濾波器H(z)468和426由單獨的組合頻譜噪音加權合成濾波器 (z)719和721替代。 (z)模仿 (z)的頻率響應， (z)是圖7a中的濾波器725和727的級連，即相當于濾波器729和731的級連。產生 (z)濾波器系數的細節在圖5中可找到。
從在此公開形式的中間頻譜噪音加權濾波器產生組合的頻譜噪音加權濾波器，形成一種有效的濾波器，這種有效濾波器有2個或更多個第J階濾波器的控制而具有一個第R階濾波器的復雜性。這就提供了一個更有效的濾波器而不相應增加話音編碼器的復雜性。同樣，從在此公開形式的中間頻譜噪音加權合成濾波器中產生組合的頻譜噪音加權合成濾波器，這就形成一種有效的濾波器，這種有效的濾波器具有一個第P階濾波器的控制以及組合成一個R階濾波器的一個或更多第J階濾波器。這就提供了一個更有效的濾波器而卻不相應地增加話音編碼器的復雜性。
權利要求
1.一種用以產生加權濾波器系數的方法，其特征在于包括如下步驟產生用于第P階濾波器的系數；產生用于包括第一個第F階濾波器和第二個第J階濾波器系數的中間濾波器系數，每個濾波器依賴于所說第P階濾波器的系數；和產生所說用于加權濾波器的中間濾波器的第R階模仿的系數，此處R＜F+J。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的產生第R階模仿的步驟還包括以下步驟產生中間濾波器的脈沖響應;自動相關所說脈沖響應，形成自動相關性，Rhh(i);利用一種遞歸方法和自動相關性計算第R階濾波器的系數。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的遞歸方法是Levinson遞歸方法。
4.一種利用第P階短期濾波器A(z)的系數產生組合的頻譜噪音加權濾波器 (z)系數的方法，其特征在于包括以下步驟產生具有以下形成的一個中間加權濾波器的系數，該形式為 此處0≤an≤1，A (Zαn) =11 -Σi = 1Paiαinz- i]]>而且至少存在兩個非消除項;產生用于K取樣的中間加權濾波器 (z)的一個沖激響應 (n);對脈沖響應 (n)自動相關，形成一個自動相關性 計算一個組合的頻譜噪音加權濾波器 (z)的系數，其形式為 該計算利用自動相關性Rhh(i)和遞歸方法。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述的遞歸方法是Levinson遞歸方法。
6.一種利用第P階短期濾波器A(z)的系數產生組合的頻譜噪音加權合成濾波器Hs(z)系數的方法，其特征在于包括以下步驟產生具有以下形式的一個中間頻譜噪音加權合成濾波器的系數，其形式為 此處0≤2n≤1，A (Zαn) =11 -Σi = 1Paiαinz- i]]>而且至少存在兩個非消除項;產生用于K個樣值的中間頻譜噪音加權合成濾波器H(z)的一個脈沖響應h(n);使脈沖響應h(n)自動相關，形成一個自動相關性 計算一個組合的頻譜噪音加權合成濾波器 (z)的系數，其形式為 該計算利用自動相關性Rhh(i)和一個遞歸方法。
7.一種用以產生話音編碼器的頻譜噪音加權濾波器系數的方法，該加權濾波器依賴于第P階短期濾波器的系數，該方法其特征在于包括以下步驟依賴于第P階短期濾波器，產生具有至少兩個第J階非消除項的中間頻譜噪音加權濾波器的系數;產生用于K個樣值的中間頻譜噪音加權濾波器的一個脈沖響應;使脈沖響應自動相關，形成一個自動相關性;和利用該自動相關性和一種遞歸方法確定頻譜噪音加權濾波器的系數。
8.一種話音編碼方法，其特征在于包括以下步驟接收話音數據;響應于所說接收步驟提供激勵矢量;確定由一個長期預測濾波器所使用的和一個第P階短期預測器濾波器所使用的短期和長期預測器系數;利用所說長期預測器濾波器及所說短期預測器濾波器對所說激勵矢量進行濾波，形成經濾波的激勵矢量;確定用于一個頻譜噪音加權濾波器系數，包括的步驟有根據所說第P階短期濾波器系數，產生包括第一個第F階濾波器和第二個第J階濾波器的中間頻譜噪音加權濾波器，利用所說中間頻譜噪音加權濾波器的第R階全極點模仿，產生頻譜噪音加權系數，此處R＜F+J;將所說經濾波的激勵矢量與已接收的話音數據進行比較，形成一個差矢量;根據所說頻譜噪音加權濾波器系數，利用一個濾波器對所說差矢量進行濾波，形成一個經濾波的差矢量;計算所說經濾波差矢量的能量，形成一個誤差信號;和利用該誤差信號選擇一個激勵碼I，它代表所接收的話音數據。
9.一種話音編碼方法，其特征在于包括以下步驟接收話音數據;提供激勵矢量;產生用于一個組合的短期和頻譜噪音加權濾波器的濾波系數，包括的步驟有產生第P階短期濾波器;產生包括第一個第一下階濾波器和第二個第J階濾波器的中間頻譜噪音加權濾波器，每個濾波器依賴于所述的第P階短期濾波器，和利用所述第P階短期濾波器和所述中間頻譜噪音加權濾波器，產生用于短期和頻譜噪音加權濾波器組合的一個第R階全極點濾波器的系數，其中R＜P+F+J;濾波所述的已接收的話音數據;利用一個長期預測濾波器和所述組合的短期和頻譜噪音加權濾波器對所說激勵矢量進行濾波，形成濾波的激勵矢量;將所述的已濾波的激勵矢量與所說已濾波的接收的話音數據進行比較，形成一個差矢量;計算所述的差矢量的能量，形成一個誤差信號;和利用該誤差信號選擇一個激勵碼I，它代表所接收的話音數據。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述的產生用于短期和頻譜噪音加權濾波器組合的一個第R階全極性濾波器系數的步驟還包括有以下的步驟產生中間頻譜噪音加權濾波器的脈沖響應;使所述脈沖響應自動相關，形成一個自動相關性Rhh(i);和利用一種遞歸方法和自動相關性計算第R階全極點濾波器的系數。
全文摘要
本方法利用R階濾波器模仿多個濾波器的頻率響應，從而提供一個濾波器以給予多個濾波器的控制而無多個濾波器的復雜性。根據所采用的實施例，第R階濾波器可用以作為頻譜噪音加權濾波器或短期預測濾波器與頻譜噪音加權濾波器的組合亦即頻譜噪音加權合成濾波器。本方法利用單一的R階濾波器模仿L個P階濾波器的頻率響應(P＜L×P)。增強話音編碼器濾波器的控制卻無其復雜性。
文檔編號H03H17/02GK1104010SQ9410214
公開日1995年6月21日 申請日期1994年2月22日 優先權日1993年2月23日
發明者艾若·A·格瑞森, 馬克·A·杰斯克, 馬特塞武·A·哈特曼 申請人:莫托羅拉公司