專利名稱：根據窄帶語音信號估測寬帶語音信號的語音擴展器和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及按照權利要求1所述的前序部分一種語音擴展器和涉及按照權利要求8所述的前序部分一種根據窄帶語音信號估測寬帶語音信號的方法。
為壓縮語音信號的數據傳輸率，使用了語音編碼器也稱之為語音編譯碼器。這種語音編譯碼器首先用在移動無線系統(tǒng)中。在GSM移動無線系統(tǒng)(全球移動通信系統(tǒng))中使用了按照線性預測編碼(LPC)的方法進行工作的語音編碼器。在此，與信號波形編碼相反，在人的持續(xù)通話(Sprecktrackt)中不是復制語音信號本身，而是復制其形成過程。在8kHz語音信號的取樣速率中，當分辨率為13比特時得到的數據率為104KBit/s。在GSM中，借助LPC就可將這個數據率降到恒定的13KBit/s(所謂的代碼速率)。對此，在GSM中譬如使用了全速率(全速率編譯碼)或改進的全速率編譯碼(增強型全速率編譯碼)。采用半速率編譯碼，在語音質量相應降低的情況下，還會大大降低比特率，也即降到5.6KBit/s。
在未來的通信系統(tǒng)、譬如UMTS(通用移動電信系統(tǒng))中，將使用可以用可變比特率對語音信號進行編碼的語音編碼器。這種類型的語音編碼器譬如是用不同比特率進行編碼的自適應多速率(AMR)語音編碼器。它被設計用于GSM移動無線系統(tǒng)，但也應作為標準的語音編碼器用于UMTS移動無線系統(tǒng)。
在這種類型的語音編碼器中，比特率與傳輸已編碼語音信號所提供的帶寬相匹配。如果提供進行傳輸的足夠帶寬，則語音信號可用高比特率編碼。這也稱之為寬帶編碼。否則，也即在帶寬窄時，可用低比特率編碼(窄帶編碼)。
在傳輸語音信號期間可實現比特率的匹配。對此，以現有的比特率的形式連續(xù)地測量傳輸信道的帶寬。如果在傳輸語音信號期間可供使用的比特率低于給定的閾值，則變換編碼，以便語音信號用窄帶編碼。
譬如可規(guī)定具有相當不同的比特率的兩種不同的編碼。譬如一種寬帶編碼在取樣頻率約為16kHz時實現，而一種窄帶編碼可在取樣頻率為8kHz時實現。在第一種情況中，覆蓋語音頻段達8kHz，在第二種情況中，則達4kHz。但是，由于比特率變換所引起的信號質量的起伏和由此所帶來的通信線路的質量起伏是成問題的。通過所規(guī)定的閾值實現這種變換是比較突然的，以致于在通話期間會突然降低通信連接的質量。
通過使用所謂的寬帶語音擴展器或簡稱語音擴展器，可以不改變通信協議，也在窄帶編碼時獲得明顯改進的語音質量，和減少突然變換所帶來的質量降低的效應。對此，寬帶語音擴展器為此根據窄帶信號通過合成高于4kHz的語音頻率部分估測寬帶信號。由此，為了編碼在進行比特率變換時可避免出現太大的質量降低。為適應語音信號的比特率，由寬帶語音擴展器提供的方法對幾乎所有的通話者來說工作得相當好，特別是提供了完全可接受的語音質量。
用本發(fā)明可進一步改進語音擴展器的語音質量、特別是寬帶語音擴展器的語音質量。此外，還給出了一種根據窄帶語音信號估測寬帶語音信號的方法，使語音質量得到改進。
通過權利要求1的特征所述的語音擴展器可達到這種改進。此外，用權利要求8的特征所述的方法，在估測寬帶語音信號時還可獲得明顯地改進。根據窄帶語音信號估測寬帶語音信號的語音擴展器和方法的優(yōu)選的實施方案由相應的從屬權利要求給出。
本發(fā)明的核心是在語音信號傳輸期間與通信終端裝置相適配和/或與通話者相適應。借此，與已知的方法和語音擴展器相比還會再次改進語音質量。
本發(fā)明具體地涉及一種語音擴展器，該語音擴展器是如此構成的，使它根據窄帶語音信號估測寬帶語音信號。此外，它是自適應的，它在編碼時與通信終端裝置相匹配和/或與通話者相適應。在語音傳輸期間首先實現這種匹配適應。由此，語音擴展器可連續(xù)地適應遠程用戶。
語音擴展器可分析和存儲至少一個語音參數并且可用該語音參數進行匹配。所述的至少一個語音參數首先系指在語音傳輸期間出現的一個寬帶語音參數。特別是，所述的至少一個語音參數是專用于通話者和/或通信終端裝置的。譬如可把語音擴展器用在不同的移動電話中，并且與其聲音特征匹配。此外，它還可適應不同的用戶、也即適應其聲音特征如不同的語音頻譜。因此，作為語音參數首先引入通信終端裝置和/或通話者獨特的聲音特征、譬如頻率分布、確定的頻率或頻段的衰減以及通話者聲調頻譜。這種類型的語音參數特別可在語音傳輸期間通過測量獲得。
優(yōu)選語音擴展器進行估測，方式是通過它分析評價至少一個已存儲的語音參數。如上已述，為達到適應可引用不同的語音參數。在其測定后存儲這些不同的語音參數，并且由此隨時為實現適應提供這些不同的參數。不斷地更新已存儲的語音參數，以總是最佳地與當前的聲音條件匹配，也是可能的。
最后，語音擴展器可用在移動站和/或基站的語音編碼器中，這些移動站和/或基站都是或是為第三代移動無線系統(tǒng)構建的。第三代移動無線系統(tǒng)特別系指UMTS。
如果移動站是一個移動無線終端裝置、優(yōu)選移動電話，則語音擴展器優(yōu)選在硬件中、特別在集成電路中、和/或軟件中實現。在硬件中實現，優(yōu)點在于語音擴展器與移動無線終端裝置的其它主要的電路元件一起可集成在一塊芯片上。譬如，芯片制造商可為移動無線終端裝置的生產商提供這種類型的語音擴展器。相反，在軟件上實現，優(yōu)點在于容易更換語音擴展器、首先是事后更換、特別是當語音擴展器的軟件存儲在可擦存儲器和可重復寫入的存儲器譬如EEPROM中時更是如此。
此外，本發(fā)明涉及根據窄帶語音信號估測寬帶語音信號的一種方法。按照這種方法，在估測時與通信終端裝置匹配和/或與通話者匹配。
在該方法的優(yōu)選的實施方案中，分析和存儲至少一個語音參數和使用該語音參數進行匹配。優(yōu)選至少一個語音參數是在語音傳輸期間出現的一個寬帶語音參數。該至少一個語音參數特別是專用于通話者和/或通信終端裝置的。
所述的方法有利地應用在移動站和/或基站的語音編碼器中，該移動站和/或基站都是或是為第三代移動無線系統(tǒng)、特別是UMTS系統(tǒng)構建的。在優(yōu)選的實施方案中，移動站是一個移動無線終端裝置，并且所述的方法在硬件中實現，特別在集成電路中實現、和/或至少部分地在軟件上實現。
下面將就實施例說明本發(fā)明。
譬如首先應說明寬帶語音擴展器的功能方式，以便更好地理解本發(fā)明的應用。
為產生高于所確定的頻率的語音頻率部分，在語音編碼器中需要一個寬帶激勵信號和供合成濾波器用的寬帶濾波器系數。由于通常只知道窄帶激勵信號和窄帶濾波器系數，所以，必須進行“窄帶”到“寬帶”的轉換。這種轉換可借助寬帶語音擴展器實現。譬如通過一個非線性信號處理可擴大激勵信號。另一種可能就是激勵信號與白噪聲疊加。
通過使用兩種代碼簿可估測濾波器系數。代碼簿的項表示濾波器系數的可能的數組。在訓練階段要訓練窄帶和寬帶代碼簿。因為它們同時用相同的激勵信號(一次為窄帶和一次為寬帶)進行訓練，所以，在兩種代碼簿的項之間的關系是已知的。譬如窄帶代碼簿的項1與寬帶代碼簿的項2對應。
在寬帶語音擴展器的應用階段按照如下方式使用兩種代碼簿1、從窄帶語音信號計算窄帶濾波器系數。
2、這些濾波器系數與窄帶代碼簿的項比較。
3、選出最合適的項。由于代碼簿之間的關系是已知的，所以可同時找出最佳寬帶濾波器系數。
根據所找出的寬帶濾波器系數和擴展的激勵信號合成語音信號段。
這樣，在語音擴展期間可計算窄帶語音的窄帶濾波器系數。這些系數與具有窄帶濾波器系數的窄帶代碼簿的項比較，并且選出最合適項。由于(如上已提到的)代碼簿之間的關系是已知的，所以用這種方式可估測寬帶語音擴展器的語音合成濾波器的最佳濾波器系數。
所述的方法也可自適應地譬如用下列步驟實現1、在寬帶語音傳輸期間可計算“真正的”濾波器系數(FK)，并且尋找出具有寬帶語音系數的代碼簿的最合適的項。
2、重新計算代碼簿的項。
CB-向量(新的)＝c*FK+(1-c)*CB-向量(舊的)3、在窄帶語音傳輸期間，根據修正的代碼簿估算寬帶濾波器系數。
替代方案可用下列步驟實現1、在寬帶語音傳輸期間計算“真正的”濾波器系數(FK)。
2、從寬帶語音信號計算窄帶語音信號并求出窄帶濾波器系數。
3、為窄帶濾波器系數尋找出具有窄帶系數的代碼簿的最合適的項。
4、借助代碼簿之間已知的關系尋找出具有寬帶系數的代碼簿的最佳項。
5、重新計算這個代碼簿的項。
CB-向量(新的)＝c*FK+(1-c)*CB-向量(舊的)6、在窄帶語音傳輸期間，根據修正的代碼簿估算寬帶濾波器系數。
通過本發(fā)明所述的語音擴展器可獲得進一步地改進語音質量。該語音擴展器特別優(yōu)選用在所有的通信系統(tǒng)中，譬如在UTSM中，在這些通信系統(tǒng)中都使用具有可變比特率的語音編碼器，這些語音編碼器不僅可用窄帶而且可用寬帶編碼。
權利要求
1.語音擴展器，該語音擴展器如此構成，以致于它根據窄帶語音信號估測寬帶信號，其特征在于，它是自適應地與通信終端裝置和/或與通話者相匹配。
2.按照權利要求1所述的語音擴展器，其特征在于，該語音擴展器具有一種裝置，用該裝置該語音擴展器可分析、存儲至少一個語音參數和用該語音參數進行匹配。
3.按照權利要求2所述的語音擴展器，其特征在于，該至少一個語音參數是一個在語音傳輸期間出現的寬帶語音參數。
4.按照權利要求2或3所述的語音擴展器，其特征在于，該至少一個語音參數是專用于通話者和/或通信終端裝置的。
5.按照權利要求4所述的語音擴展器，其特征在于，它在分析評估至少一個所存儲的語音參數的情況下進行估測。
6.按照上述權利要求之一所述的語音擴展器，其特征在于，該語音擴展器應用在移動站和/或基站的語音編碼器中，該移動站和/或基站都是或是為第三代移動無線系統(tǒng)、特別是UMTS構建的。
7.按照權利要求6所述的語音擴展器，其特征在于，移動站是一個移動無線終端裝置，并且語音擴展器可用硬件、特別是用集成電路和/或至少部分地用軟件實現。
8.根據窄帶語音信號估測寬帶語音信號的方法，其特征在于，在估測時實施與通信終端裝置和/或與通話者相匹配。
9.按照權利要求8所述的方法，其特征在于，分析、存儲至少一個語音參數和用該語音參數進行匹配。
10.按照權利要求9所述的方法，其特征在于，該至少一個語音參數是一個在語音傳輸期間出現的寬帶語音參數。
11.按照權利要求9或10所述的方法，其特征在于，該至少一個語音參數是專用于通話者和/或通信終端裝置的。
12.按照權利要求11所述的方法，其特征在于，在分析評估至少一個所存儲的語音參數的情況下進行估測。
13.按照權利要求8-12之一所述的方法，其特征在于，該方法應用在移動站和/或基站的語音編碼器中，該移動站和/或基站都是或是為第三代移動無線系統(tǒng)，特別是UMTS構建的。
14.按照權利要求13所述的方法，其特征在于，移動站是一個移動無線終端裝置，并且所述的方法可用硬件，特別是用集成電路，和/或至少部分地用軟件實現。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種語音擴展器，該語音擴展器如此構成，以便它根據窄帶語音信號估測寬帶語音信號。此外，該語音擴展器是自適應的，以便它在編碼時與通信終端裝置和/或與通話者相匹配。
文檔編號G10L21/038GK1630896SQ01823673
公開日2005年6月22日 申請日期2001年9月28日 優(yōu)先權日2001年9月28日
發(fā)明者S·A·克林克 申請人:西門子公司