專利名稱：噪聲抑制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于通話系統(tǒng)的噪聲抑制，特別是基于網(wǎng)絡(luò)的噪聲抑制。
背景技術(shù)：
噪聲抑制用來抑制任何疊加在有用語音信號(hào)上的背景聲音，同時(shí)保留語音的特征。在大多數(shù)應(yīng)用中，噪聲抑制器作為語音編碼器的預(yù)處理器進(jìn)行工作。噪聲抑制器也可以作為語音編碼器中的一個(gè)完整部分實(shí)現(xiàn)。
安裝于網(wǎng)絡(luò)中的噪聲抑制算法的實(shí)現(xiàn)方法也是存在的。應(yīng)用這些基于網(wǎng)絡(luò)的方法，其理論基礎(chǔ)是，當(dāng)終端不包含任何噪聲抑制時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)噪聲的降低。這些算法在PCM(脈沖編碼調(diào)制)編碼信號(hào)上運(yùn)行，并且不依賴于語音編碼算法的比特率。然而，在一個(gè)運(yùn)用低語音編碼比特率的電話系統(tǒng)中(例如數(shù)字蜂窩系統(tǒng))中，基于網(wǎng)絡(luò)的噪聲抑制在沒有引入語音的級(jí)聯(lián)編碼的情況下無法實(shí)現(xiàn)。對(duì)于大多數(shù)的現(xiàn)存系統(tǒng)，這并不是一個(gè)很嚴(yán)格的限制，因?yàn)楹诵木W(wǎng)絡(luò)中的傳送通常是基于PCM編碼語音，也就是說級(jí)聯(lián)編碼已經(jīng)存在。然而，無級(jí)聯(lián)或不含代碼轉(zhuǎn)換器(transcoder)的操作中，語音的解碼及之后的編碼必須在噪聲抑制裝置本身中進(jìn)行，這樣打破了原本不需級(jí)聯(lián)的操作。這種方法的一個(gè)缺陷是，級(jí)聯(lián)編碼會(huì)引起語音質(zhì)量的下降，尤其是在低比特率下編碼的語音。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是降低由LP(線性預(yù)測)編碼形成的已編碼的語音信號(hào)的噪聲，特別是對(duì)于在低比特率下的CELP(碼激勵(lì)線性預(yù)測)已編碼語音，而不引入任何級(jí)聯(lián)編碼。
實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的依照附加的權(quán)利要求。
簡要地說，本發(fā)明是基于修改包含編碼比特流中的頻譜和增益信息的參數(shù)，而保持激勵(lì)信號(hào)不變。它給出了對(duì)于不含代碼轉(zhuǎn)換器操作的系統(tǒng)的可改進(jìn)的語音質(zhì)量的噪聲抑制。
附圖的簡要描述本發(fā)明其它的目的和益處，通過參考附圖及下面的描述，能夠得到更好的理解。其中

圖1是一個(gè)典型的包含一個(gè)網(wǎng)絡(luò)噪聲抑制器的傳統(tǒng)通信系統(tǒng)方框圖；圖2是另一個(gè)典型的包含一個(gè)網(wǎng)絡(luò)噪聲抑制器的傳統(tǒng)通信系統(tǒng)方框圖；圖3是CELP綜合模型的簡化方框圖；圖4是LP綜合濾波器的功率傳遞函數(shù)的示意圖；圖5是圖示噪聲抑制濾波器的功率傳遞函數(shù)的示意圖；圖6是將原始的綜合濾波器與真實(shí)及近似的噪聲抑制濾波器的功率傳遞函數(shù)相對(duì)比的示意圖；圖7是包含依照本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)噪聲抑制器的通信系統(tǒng)方框圖；圖8是圖示一個(gè)運(yùn)用本發(fā)明的噪聲抑制方法的示范性的實(shí)施例的流程圖；圖9是圖示對(duì)噪聲抑制濾波器的改進(jìn)的一組示意圖；圖10是一個(gè)運(yùn)用本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)噪聲抑制器的示范性的實(shí)施例的方框圖。
詳細(xì)描述在下面描述中，功能相同或近似的部件以相同的參考符號(hào)表示。
圖1是一個(gè)典型的包含一個(gè)網(wǎng)絡(luò)噪聲抑制器的傳統(tǒng)通信系統(tǒng)方框圖。發(fā)送終端10對(duì)語音編碼并將編碼后的語音信號(hào)送到基站12，在那里對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行解碼成為PCM信號(hào)。PCM信號(hào)經(jīng)過核心網(wǎng)中的噪聲抑制器14，改進(jìn)過的PCM信號(hào)被送到第二個(gè)基站16，在那里，它被編碼并發(fā)送到接收終端18，在終端18，它被解碼成為語音信號(hào)。
圖2是另一個(gè)典型的包含一個(gè)網(wǎng)絡(luò)噪聲抑制器的傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的方框圖。這個(gè)實(shí)施例和圖1的實(shí)施例不同在于，編碼后的語音信號(hào)也用于核心網(wǎng)，因此增加了網(wǎng)絡(luò)的容量，因?yàn)榫幋a后的語音信號(hào)比傳統(tǒng)PCM信號(hào)需要更低的比特率。然而，所運(yùn)用的噪聲抑制算法是在PCM信號(hào)上進(jìn)行抑制。因此，除了實(shí)際噪聲抑制器單元14，網(wǎng)絡(luò)噪聲抑制器還包含一個(gè)解碼器13，用來將接收到的編碼后的語音信號(hào)解碼成PCM信號(hào)，以及編碼器15，用來為改進(jìn)后的PCM信號(hào)編碼。這個(gè)特征叫做級(jí)聯(lián)編碼。級(jí)聯(lián)編碼的一個(gè)缺陷是，在語音編碼的比特率較低的情況下，編碼-解碼-編碼過程會(huì)導(dǎo)致語音質(zhì)量的下降。原因是，運(yùn)用了噪聲抑制算法的已解碼信號(hào)，由于低編碼比特率并不一定準(zhǔn)確地代表原始語音信號(hào)。因此這個(gè)信號(hào)的二次編碼(在噪聲抑制之后)可能導(dǎo)致不能很好地代表原始語音信號(hào)。
本發(fā)明通過避免傳統(tǒng)系統(tǒng)中的第二次編碼步驟來解決這個(gè)問題。本發(fā)明不修改解碼后的PCM信號(hào)樣本，而是利用修改某些語音參數(shù)，直接對(duì)語音編碼的比特流進(jìn)行噪聲抑制，這些內(nèi)容將在下面更詳細(xì)地描述。
現(xiàn)在參考CELP編碼來講解本發(fā)明。但是需要理解的是，相同的原理可以被運(yùn)用于各種線性預(yù)測編碼。
圖3是CELP綜合模型的簡化方框圖。來自固定碼本20和自適應(yīng)碼本22的矢量分別以gc和gp為增益被放大，并且在加法器24中相加以形成一個(gè)激勵(lì)信號(hào)u(n)。這個(gè)信號(hào)被發(fā)送到一個(gè)由濾波器1/A(z)描述的LP綜合濾波器26，產(chǎn)生出語音信號(hào)s(n)。可以由以下方程來描述s(n)=1A(z)u(n)]]>濾波器A(z)的參數(shù)和定義激勵(lì)信號(hào)u(n)的參數(shù)從語音編碼器產(chǎn)生的比特流中得出。
噪聲抑制算法可以被描述為一個(gè)工作在由語音解碼器產(chǎn)生的語音信號(hào)上的線性濾波器，即y(n)＝H(z)s(n)其中(時(shí)變)濾波器H(z)是為了抑制噪聲，同時(shí)保持語音的基本特征而設(shè)計(jì)的。濾波器H(z)的詳細(xì)推導(dǎo)請參見例[1]。
現(xiàn)在應(yīng)用語音解碼器如何產(chǎn)生解碼后的語音的知識(shí)，噪聲抑制信號(hào)可以在語音解碼器輸出端得到y(tǒng)(n)=H(z)s(n)=H(z)A(z)u(n)]]>本發(fā)明的基本思想是利用AR濾波器 去近似濾波器 其中 是與A(z)有相同的階數(shù)的且有增益因子α的濾波器。這樣，語音解碼器輸出端的經(jīng)過噪聲抑制的信號(hào)可以近似表示為y(n)=H(z)s(n)=H(z)A(z)u(n)≈1A~(z)αu(n)]]>因此，用新的描述濾波器 的參數(shù)和一個(gè)降低α的增益來代替描述濾波器A(z)的編碼后的比特流的參數(shù)和激勵(lì)信號(hào)的增益，不需要引入任何對(duì)語音信號(hào)完整的解碼和后續(xù)編碼就能實(shí)現(xiàn)噪聲抑制。
圖4是LP綜合濾波器的功率傳遞函數(shù)的示意圖。它的特征是在某些頻率點(diǎn)處的尖峰，它們由低谷相連接。
圖5是圖示噪聲抑制濾波器的功率傳遞函數(shù)的示意圖。注意它與圖4的頻譜圖具有近似相同頻率的尖峰。將這個(gè)濾波器應(yīng)用到圖4所示頻譜上的效果是使尖峰更加尖銳，同時(shí)降低了低谷，如圖6所示，圖6是將原始的綜合濾波器與真實(shí)及近似的噪聲抑制濾波器的功率傳遞函數(shù)相對(duì)比的示意圖。
圖7是包含依照本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)噪聲抑制器的通信系統(tǒng)的方框圖?？梢詮膱D7中看出，噪聲抑制器單元114和基站16之間的編碼器被刪減了。根據(jù)這項(xiàng)發(fā)明，噪聲抑制直接在比特流的參數(shù)上進(jìn)行，這使得編碼器不再是必需的。此外，解碼器113既可以進(jìn)行全部解碼也可以進(jìn)行部分解碼，這依賴于所使用的算法，這部分將在下面詳細(xì)描述。在兩種情況下解碼都僅用于確定對(duì)編碼后的比特流進(jìn)行哪些必要的修改。
現(xiàn)參照圖8描述一個(gè)如何進(jìn)行比特流修改的例子，將本發(fā)明應(yīng)用于GSM和UMTS系統(tǒng)[2]中的自適應(yīng)多速率(AMR)語音編碼，采用12.2kbit/s的模型。然而本發(fā)明并不限于這種語音編碼，而是很容易延伸到任何語音編碼，參數(shù)譜和編碼后的序列是已編碼參數(shù)的一部分?？梢詮膱D3看出，為了達(dá)到減少噪聲的目的而待修改的參數(shù)是描述LP綜合濾波器A(z)的參數(shù)和固定碼本的增益gc。代表固定和自適應(yīng)碼本矢量的碼字并不需要被改變，自適應(yīng)碼本增益gp也不必被修改(在這個(gè)模式中)。這個(gè)過程可以總結(jié)為圖8所描述的如下步驟。
步驟1.第一步是將代表濾波器A(z)的量化后的LSP(線譜對(duì)LineSpectral Pair)變換為相應(yīng)的濾波器系數(shù){αi}，在[2]的5.2.4節(jié)中有詳細(xì)的敘述。
步驟2.為了確定噪聲抑制濾波器H(z)，需要已編碼語音信號(hào)功率譜密度 的一個(gè)度量。運(yùn)用已確定的濾波器系數(shù){αi}，可以得到Φ^x(k)=σ2|1+Σm=1Mαme-j2πmkK|2]]>其中σ2由固定碼本增益gc和自適應(yīng)碼本增益gp根據(jù)下式得到σ2=gc2+gp2]]>另一種可能的方法是將語音信號(hào)完全解碼，并使用快速傅立葉變換得到 步驟3.確定噪聲抑制濾波器H(z)H(k)=(1-δ(Φ^v(k)Φ^x(k))λ)β]]>其中 是從前面“純噪聲”幀保存下來的功率譜密度，β，δ，λ是常數(shù)。
步驟4.按照[1]中描述的方法修改由H(k)定義的濾波器，得到我們期望的H(z)。修改的原因是在頻域中設(shè)計(jì)的噪聲抑制濾波器是實(shí)值的，這導(dǎo)致了時(shí)域中的一個(gè)現(xiàn)象濾波器的尖峰從濾波器的開始至結(jié)尾被分為兩半(這等同于一個(gè)關(guān)于0對(duì)稱的濾波器，即它是非因果的)。這使得濾波器不適合分塊循環(huán)卷積，因?yàn)檫@種濾波器會(huì)產(chǎn)生時(shí)域混疊。所進(jìn)行的修改在圖9中進(jìn)行了概括。它本質(zhì)上包括將H(k)變換至?xí)r域，循環(huán)移位已變形的濾波器，使它成為因果的和線性相位的，給已被移位的濾波器加窗(避免時(shí)域混疊)提取最重要的抽頭，循環(huán)移位加窗后的濾波器，消除初始的延時(shí)，然后(可選擇的)將線性相位濾波器變換成為最小相位濾波器。一種可替換的修改方法在[3]中描述。
步驟5.用一個(gè)長度為L的FIR(有限沖激響應(yīng))濾波器G(z)來近似由H(z)/A(z)定義的IIR(無限沖激響應(yīng))濾波器。G(z)的系數(shù)可以從H(z)/A(z)的沖激響應(yīng)g(k)的前L個(gè)系數(shù)得到，或者運(yùn)用多項(xiàng)式除法計(jì)算H(z)/A(z)，確定z-1，…z-L各項(xiàng)的系數(shù)。
步驟6.運(yùn)用Levinson-Durbin算法從G(z)的自相關(guān)方程得到A~(z):]]>r(k)=Σl=0Lg(l)g(l-k)]]>請參考[2]中的5.2.2節(jié)步驟7.按照[2]中5.2.3節(jié)的描述，將定義 的系數(shù){αi}變形為修改后的LSP參數(shù)。
步驟8.按照[2]中5.2.5節(jié)的描述，對(duì)修改后的LSP參數(shù)進(jìn)行量化和編碼，代替比特流中的AR參數(shù)碼。
步驟9.固定碼本增益的修改因子α由預(yù)測誤差功率的平方根定義，它的計(jì)算方法與[2]中5.2.2節(jié)所描述的ELD的計(jì)算方法相同。
步驟10.使用[2]中6.1節(jié)所述的程序，用于得到激勵(lì)信號(hào)的增益。固定碼本增益由下式給出g^c=γ(n)gc′]]>其中因子γ(n)是由編碼器發(fā)送的增益修正因子。因子g′c由下式給出gc′=100.05(E‾(n)+E‾-El)]]>其中 是常能量，El是碼字的能量，且E~(n)=Σi=14biR^(n-i)]]>其中 是在一個(gè)成比例的復(fù)數(shù)域中的過去的增益修正因子。
噪聲抑制算法利用因子α修改增益。因此，解碼器的增益應(yīng)該等于α乘以編碼器的增益，即g^cdec=αg^cenc]]>使用上面的表達(dá)式可以得出γnew(n)100.05(E~dec(n)+E‾-El)=αγ(n)100.05(E~enc(n)+E‾-El)]]>因此，被發(fā)送的增益修正因子應(yīng)該被改寫為γnew(n)=αγ(n)100.05(E~enc(n)-E~dec(n))]]>其中 和 是根據(jù)編碼器發(fā)送的增益因子和由噪聲抑制算法修改過的增益因子得出的預(yù)測能量。
步驟11.找到與γnew(n)最接近的碼字的下標(biāo)，并覆蓋編碼后的比特流中的原始固定碼本的增益修正下標(biāo)。
在所述例子中，固定和自適應(yīng)碼本增益被獨(dú)立地編碼。在一些低比特率的編碼模式中，它們被矢量量化。在這種情況下，自適應(yīng)碼本增益也將被噪聲抑制修改。然而，激勵(lì)向量仍然保持不變。
圖10是一個(gè)運(yùn)用本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)噪聲抑制器的示范性的實(shí)施例的方框圖。接收到的編碼后的比特流在113模塊中被(部分)解碼。模塊116根據(jù)已解碼的參數(shù)來確定噪聲抑制濾波器H(z)。模塊118計(jì)算 和α。模塊120確定新的線性預(yù)測以及增益參數(shù)。模塊122修改已編碼的比特流中的相應(yīng)參數(shù)。典型地，在該網(wǎng)絡(luò)噪聲抑制器中的功能是由一個(gè)或若干微處理器或微/信號(hào)處理器相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的。然而，同樣的功能也可以通過專用集成電路(ASIC)實(shí)現(xiàn)。
在本領(lǐng)域中的專業(yè)人員應(yīng)該明白的是，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種不同的修改和改變，這些在附加的權(quán)力要求中作出定義。
權(quán)利要求
1.一種噪聲抑制方法，該方法包括以下步驟將一個(gè)噪聲信號(hào)表示為由基于線性預(yù)測編碼的信號(hào)編碼形成的一個(gè)比特流，其特征在于，通過直接在已編碼的比特流中修改預(yù)先確定的編碼參數(shù)來抑制噪聲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述編碼是基于碼激勵(lì)線性預(yù)測編碼的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于修改定義一個(gè)線性預(yù)測綜合濾波器的參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述中的方法，其特征在于修改至少一個(gè)碼本增益。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于修改固定碼本增益。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于修改線譜對(duì)參數(shù)及固定碼本修正因子。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任意之一所述的方法，其特征在于保持預(yù)先確定的參數(shù)不變。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于保持固定碼本向量不變。
9.一個(gè)噪聲抑制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括以下裝置將一個(gè)噪聲信號(hào)表示為由基于線性預(yù)測編碼的信號(hào)編碼形成的一個(gè)比特流，該系統(tǒng)具有如下特征通過直接在已編碼的比特流中修改預(yù)先確定的編碼參數(shù)用來進(jìn)行噪聲抑制的裝置(113，114)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于用于修改定義一個(gè)線性預(yù)測綜合濾波器的參數(shù)的裝置(114)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于用于修改至少一個(gè)碼本增益的裝置(114)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于用于修改固定碼本增益的裝置(114)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于用于修改線譜對(duì)參數(shù)及固定碼本修正因子的裝置(114)。
14.一個(gè)網(wǎng)絡(luò)噪聲抑制器，包括用來接收一個(gè)表示噪聲信號(hào)的比特流的裝置，所述比特流由基于線性預(yù)測編碼的信號(hào)編碼形成，其特征在于通過直接在已編碼的比特流中修改預(yù)先確定的編碼參數(shù)用來進(jìn)行噪聲抑制的裝置(13，14)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的抑制器，其特征在于用于修改定義一個(gè)線性預(yù)測綜合濾波器的參數(shù)的裝置(114)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的抑制器，其特征在于用于修改至少一個(gè)碼本增益的裝置(114)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的抑制器，其特征在于用于修改固定碼本增益的裝置(114)。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的抑制器，其特征在于用于修改線譜對(duì)參數(shù)及固定碼本修正因子的裝置(114)。
全文摘要
網(wǎng)絡(luò)噪聲抑制器包括用來對(duì)CELP已編碼比特流進(jìn)行部分解碼的裝置(113)；根據(jù)已解碼參數(shù)確定噪聲抑制濾波器H(z)的裝置(116)；利用這個(gè)濾波器確定修改后的LP和增益參數(shù)的裝置(118，120)；以及在已編碼比特流中以修改過的參數(shù)替換相應(yīng)的參數(shù)的裝置(122)。
文檔編號(hào)G10L21/0208GK1500261SQ02807768
公開日2004年5月26日 申請日期2002年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月30日
發(fā)明者A·?？死锼? A ?？死锼? T·特朗普, 勢 申請人:艾利森電話股份有限公司