專利名稱：用于從pcm信號(hào)中減去量化噪聲的方法和單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從PCM信號(hào)中減去量化噪聲的方法和單元。
背景技術(shù)：
脈碼調(diào)制(PCM)是一種廣泛使用的代表例如數(shù)字域中的音頻信號(hào)的技術(shù)。線性PCM使用均勻分布的量化電平，而對(duì)數(shù)PCM使用其中利用比大信號(hào)振幅更密集間隔開的電平量化小信號(hào)振幅的分布。線性PCM的一個(gè)實(shí)例是CD-音頻，它使用16個(gè)比特來(lái)代表均勻分布的信號(hào)電平。
圖5表示線性編碼PCM信號(hào)振幅的量化(曲線(a))和兩個(gè)對(duì)數(shù)編碼的PCM信號(hào)振幅的量化(曲線(b)和(c))。曲線b表示μ律編碼PCM信號(hào)振幅的量化，其中μ律具有下式的輸入-輸出振幅特征|y|=log(1+μ|s|)log(1+μ),---(1)]]>其中，|s|是輸入的振幅，|y|是輸出的振幅，而μ是被選擇以給出期望的壓縮特征的參數(shù)。
在圖5中，曲線c)表示A律編碼PCM信號(hào)振幅的量化，其中A律具有下式的輸入-輸出振幅特征|y|=1+logA|s|1+logA,---(2)]]>其中y和s的含義如上所述，并且A是常數(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)的μ律和A律編碼器被Comité Consultatif International de Téléfonique etTé1égraphique CCITT標(biāo)準(zhǔn)化為G.711 64kbit/s PCM。G.711的量化器特征被公開在N.S.Jayant和P.Noll，“Digital Coding ofWaveforms(波形的數(shù)字編碼)”，Englewood Cliffs NJprentice-Hall，1984中。
信號(hào)的被量化抽樣值可以被數(shù)學(xué)模型化為s*[n]＝s[n]+q[n]，(3)其中S*[n]代表原始的未量化抽樣值s[n]的被量化值，而q[n]代表由于所述量化引起的量化誤差。量化誤差可以被解釋為降低原始抽樣值s[n]的質(zhì)量的不希望的加性噪聲。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供用于從PCM信號(hào)中減去所述量化噪聲的方法和單元。
利用包含以下步驟的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的根據(jù)下面等式為所述PCM信號(hào)的每幀，計(jì)算量化噪聲電平BqBq=Σn=0W-1{(s*min[n]-s*max[n])·w[n]}212]]>其中n表示PCM信號(hào)的特定抽樣；S*min[n]代表所述PCM信號(hào)的特定抽樣值s*[n]的最小量化噪聲電平；S*max[n]代表所述PCM信號(hào)的特定抽樣值s*[n]的最大量化噪聲電平；w[n]代表窗函數(shù)；和W代表每窗口的抽樣的數(shù)量；以及從所述PCM信號(hào)中減去利用所述量化噪聲電平Bq所表示的量化噪聲。
本發(fā)明的基本思想是，根據(jù)所述要求保護(hù)的公式為每幀計(jì)算所述量化噪聲電平Bq，并且使用任何合適的本領(lǐng)域已知的(背景)噪聲減去方法-有可能在進(jìn)行微小修改之后-從PCM信號(hào)中減去量化噪聲。
在整個(gè)說(shuō)明書中*表示坐標(biāo)化數(shù)量或信號(hào)中量化噪聲的內(nèi)容。
窗函數(shù)可以被隨意選擇。
所述要求保護(hù)的公式需要PCM信號(hào)的抽樣值s*[n]的最小量化電平S*min[n]以及最大量化電平S*max[n]。
根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例，從用于生成PCM信號(hào)的量化方法中知道最小量化電平S*min[n]以及最大量化電平S*max[n]。
根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例，所述量化電平S*min[n]和S*max[n]是未知的，并因此必須根據(jù)權(quán)利要求3中所述的公式來(lái)預(yù)測(cè)。
有利的是，在第一實(shí)施例和第二實(shí)施例中都不必將任何附加信息與PCM抽樣值s*[n]一起發(fā)送來(lái)實(shí)施所述方法。這是因?yàn)?，?dāng)執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的用于減去量化噪聲的方法時(shí)，第一實(shí)施例中的量化電平和第二實(shí)施例中的基準(zhǔn)電平I能夠被假定為已知的(參見(jiàn)上面最后兩個(gè)段落)。因此，有利地節(jié)省帶寬。
最好，噪聲減去以同一申請(qǐng)人的申請(qǐng)?zhí)枮镋P01201304.1的非先公開歐洲專利申請(qǐng)所述的背景噪聲減去方法和系統(tǒng)為基礎(chǔ)。所述系統(tǒng)的應(yīng)用稍后作為優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述。所述專利申請(qǐng)的整個(gè)內(nèi)容應(yīng)被視為本申請(qǐng)公開的一部分。
最后，上述目的利用根據(jù)權(quán)利要求9的主題的噪聲減去單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。所述單元的優(yōu)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于上面參照所要求保護(hù)方法所述的優(yōu)點(diǎn)。
最好，在解碼器一側(cè)上應(yīng)用所述要求保護(hù)的單元和方法，即，僅在PCM信號(hào)再次被解碼之前。但是，盡管如此，還是可以在編碼器一側(cè)上應(yīng)用所述方法和單元。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，其中圖1表示根據(jù)本發(fā)明的量化噪聲減去單元，包括背景噪聲減去單元；圖2表示用于說(shuō)明基準(zhǔn)值I與抽抽樣值S*[n]之間相關(guān)性的一個(gè)實(shí)例；圖3表示背景噪聲減去單元的具體圖示；圖4.1表示純凈(clean)男性話音的頻譜；圖4.2表示圖4.1所示頻譜的μ律編碼版本；圖4.3表示在根據(jù)本發(fā)明的量化噪聲減去之后在圖4.1中所示頻譜的μ律編碼版本；
圖4.4表示為了把量化噪聲減去方法應(yīng)用于圖4.2中所示頻譜而生成的使用陣列(usage array)u[i]；圖5表示本領(lǐng)域已知的線性和非線性編碼的PCM信號(hào)的量化電平。
具體實(shí)施例方式
下面將參照?qǐng)D1至圖4說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖1表示量化噪聲減去單元100-700，用于從輸入的線性或?qū)?shù)編碼PCM信號(hào)中減去量化噪聲。
首先所述單元包括一個(gè)量化噪聲電平計(jì)算單元100，用于在考慮最小量化噪聲電平和最大量化噪聲電平S*min[n]、S*max[n]的情況下計(jì)算所述PCM信號(hào)的每幀的量化噪聲電平Bq。更具體地說(shuō)，量化噪聲電平Bq對(duì)于所述PCM信號(hào)的每幀是恒定的，并且根據(jù)下式對(duì)于特定幀獨(dú)立計(jì)算BqBq=Σn=0W-1{(s*min[n]-s*max[n])·w[n]}212---(4)]]>其中n表示PCM信號(hào)的特定抽樣；S*min[n]代表所述PCM信號(hào)的特定抽樣值s*[n]的最小量化噪聲電平；S*max[n]代表所述PCM信號(hào)的特定抽樣值s*[n]的最大量化噪聲電平；w[n]代表窗函數(shù)；和W代表每窗口的抽樣的數(shù)量，至少包括當(dāng)前計(jì)算其Bq的特定幀。
典型地，每個(gè)窗口的抽樣的數(shù)量是每幀抽樣數(shù)量的兩倍。
在等式(4)中，項(xiàng){(s*min[n]-s*max[n])·w[n]}212=ϵ]]>代表量化誤差的均方值，即，當(dāng)前幀中量化噪聲的能量。
幀大小通常是2ms。
根據(jù)第一實(shí)施例，所述量化噪聲電平S*min[n]、S*max[n]被假定為已知的。
然而，根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，這些量化電平S*min[n]、S*max[n]不被假定為已知的，例如，因?yàn)樵夹盘?hào)可能已經(jīng)利用不同的量化器進(jìn)行量化，并且可能具有在編碼之前或之后應(yīng)用于抽樣的額外定標(biāo)(scaling)。在這些情況下，量化電平必須被預(yù)測(cè)。
為了預(yù)測(cè)量化電平，整個(gè)原始信號(hào)(在下文中，還稱之為波形)被掃描，以接收已量化波形的抽樣值s*[n]。接著，檢查是否利用至少一個(gè)所述抽樣值s*[n]表示(使用)由于應(yīng)用于該波形的量化方法而被預(yù)先定義的所有可能的表示電平(representation level)i。對(duì)于16比特線性PCM量化方法，具有216＝65536個(gè)可能的表示電平i，并且在具有65536個(gè)值的所謂的使用表u[i]中描述所述檢查的結(jié)果。所述使用表u[i]的值或者是1(如果具有對(duì)應(yīng)于當(dāng)前表示電平i的整個(gè)波形的至少一個(gè)抽樣值)或者是0(如果沒(méi)有對(duì)應(yīng)于當(dāng)前表示電平i的整個(gè)波形的抽樣值)。這種情況在數(shù)學(xué)上被表達(dá)為 在公式(5)中，L是波形長(zhǎng)度，即，整個(gè)波形的抽樣數(shù)量，而N是線性PCM量化所使用的比特的數(shù)量；在上述實(shí)例中，N＝16。通過(guò)利用0初始化u[i]的所有值和使用公式(6)，可以簡(jiǎn)化該操作u[s*[n]]＝1， 0≤n＜L (6)現(xiàn)在使用公式(5)或者(6)來(lái)查找用于預(yù)測(cè)期望量化電平所要求的特殊表示電平imin[n]和imax[n]。更具體地，imin[n]被定義為開始于i[n]的表示電平，即，其u[n]＝1的下一個(gè)較小的非零表示電平，而imax[n]被定義為開始于i[n]的表示電平，即，其u[n]＝1的下一個(gè)較大的非零表示電平。
借助于所述坐標(biāo)化的表示電平，根據(jù)下式預(yù)測(cè)或計(jì)算期望的量化電平s*min＝i[n]-(i[n]-imin[n])/2 (7)S*max＝i[n]+(imax[n]-i[n])/2 (8)其中i代表多個(gè)預(yù)定義的可能表示電平之中的一個(gè)；i[n]代表對(duì)應(yīng)于抽樣值s*[n]的預(yù)定義表示電平。
圖2圖示說(shuō)明了一個(gè)給定波形的所述特殊表示電平imin[n]、imax[n]以及期望量化電平S*min[n]、S*max[n]的使用陣列的計(jì)算，包括在如表1所示分布的實(shí)例中的L＝9的抽樣值S*[n]

表1在圖2中，提供8個(gè)不同可能的表示電平i＝-4，...-1，0，1，...，3，這些表示電平是從N＝3比特線性PCM量化中得到的。表1的實(shí)例的根據(jù)等式(5)或(6)計(jì)算的使用陣列u[i]為u[-3]＝u[-1]＝u[1]＝u[2]＝u[3]＝1；和u[-4]＝u[-2]＝u
＝0現(xiàn)在，依據(jù)所述使用陣列，例如，對(duì)于n＝2，s*[2]＝i[2]＝1，-根據(jù)上面給出的定義-計(jì)算基準(zhǔn)電平imin[n]和imax[n]為imax[2]＝2和imin[2]＝-1并且，根據(jù)等式(7)和(8)，期望的量化電平結(jié)果為s*min＝1-(1-(-1))/2＝0s*max＝1+(2-1)/2＝1，5當(dāng)坐標(biāo)化到s*[n]的i[n]是使用陣列u中的第一或者最后的非零值時(shí)必需特別關(guān)注。一個(gè)選擇是分配兩個(gè)額外陣列值u[-2N-1-1]和u[2N-1]，把它們都設(shè)置為1，并且總是繼續(xù)搜索，直至找到非零值。
另一個(gè)問(wèn)題是，當(dāng)波形中未使用一些有效量化電平時(shí)做什么。特別是，短于1秒鐘的波形將導(dǎo)致具有許多未使用(但有效)的量化電平的使用陣列。由于這通常將在邊界上給出量化步長(zhǎng)的錯(cuò)誤結(jié)果(在波形處于其最大或最小值時(shí))，對(duì)量化噪聲的測(cè)量電平的作用將是小的。雖然可以使用一種算法來(lái)預(yù)測(cè)未使用的有效量化電平，但是額外復(fù)雜性的附加值與性能增益不等值。實(shí)際上，似乎假定波形中的已用信號(hào)電平是唯一有效電平就足以。
在利用已知的或者利用預(yù)測(cè)的量化電平s*min和s*max計(jì)算量化噪聲電平Bq之后，該量化噪聲電平被輸入到背景噪聲減去單元BNS 200，該BNS 200也是所述量化噪聲減去單元的一部分。
圖3表示所述背景噪聲減去單元200的具體圖示，用于在頻域中從PCM信號(hào)中減去量化噪聲。它包括振幅形成單元210，用于形成PCM信號(hào)的頻譜S*[k]的振幅|S*[K]|；信噪比計(jì)算單元220，用于根據(jù)下式計(jì)算PCM信號(hào)的信噪比SNR[k]＝|S*[k]|/Bq，(9)其中Bq是代表所述PCM信號(hào)中量化噪聲電平的噪聲電平。
所述信噪比SNR[k]被輸入到濾波更新單元230，用于基于至少一個(gè)濾波更新參數(shù)根據(jù)預(yù)定濾波算法計(jì)算一個(gè)濾波振幅F[k]。所述濾波振幅F[k]被輸入到計(jì)算單元240，用于通過(guò)將頻譜S*[k]的實(shí)部R{S*[k]}與虛部I{S*[k])和所述濾波振幅F{k}相乘來(lái)計(jì)算輸出頻譜Sb[k]。最好調(diào)整濾波更新參數(shù)，并且也因而調(diào)整濾波振幅F[k]，以使輸出頻譜Sb[k]至少基本上沒(méi)有量化噪聲。
由于所述背景噪聲減去單元200被具體實(shí)施為執(zhí)行頻域中量化噪聲的減去，因此該量化噪聲減去單元還包括若干單元，用于計(jì)算被輸入到所述背景噪聲減去單元200中的PCM信號(hào)的頻譜S*[k]，并且用于將所述單元200輸出的頻譜Sb[k]變換回時(shí)域信號(hào)。這些單元將在下面的段落中進(jìn)行描述。
返回參見(jiàn)圖1，量化噪聲減去單元還包括第一窗口塊300，用于通過(guò)利用第一窗口w1[n]加權(quán)輸入PCM信號(hào)的幀來(lái)生成已加權(quán)的PCM信號(hào)s*w[n]。所述已加權(quán)的PCM信號(hào)s*w[n]被輸入到頻譜計(jì)算單元400，以便從所述已加權(quán)信號(hào)中計(jì)算出頻譜S*[k]。優(yōu)選地，利用快速傅立葉變換算法來(lái)計(jì)算該頻譜。頻譜S*[k]隨后被輸入到背景噪聲減去單元200，并在此如上面結(jié)合圖3所述進(jìn)行處理。
由所述背景減去單元200輸出的頻譜Sb[k]被輸入到再變換單元500，以便被變換回時(shí)域中的信號(hào)sb[n]。在使用FFT計(jì)算頻譜S*[k]的情況下，使用逆FFT進(jìn)行再變換。
量化噪聲減去單元還可以包括第二窗口塊600，用于通過(guò)利用第二窗口W2[n]加權(quán)在變換之后接收的信號(hào)sb[n]來(lái)生成已加權(quán)的輸出信號(hào)sbw[n]；以及重疊和相加單元700，用于從所述已加權(quán)的輸出信號(hào)sbw[n]中獨(dú)立地計(jì)算出用于PCM信號(hào)的每一幀的最終輸出信號(hào) 以使兩個(gè)連續(xù)的輸出幀之間的過(guò)渡被平滑。第一和第二窗口W1和W2最好是相同的，它們獨(dú)立于用于計(jì)算量化噪聲電平Bq的窗函數(shù)。然而，對(duì)于w[n]和W1，最好使用相同的函數(shù)。
重疊和相加單元700的供給僅僅改善了輸出信號(hào)的質(zhì)量，但對(duì)于執(zhí)行量化噪聲減去而言，該單元700不是絕對(duì)需要的，因此可以省去該單元。這同樣適用于僅僅用來(lái)改善所述重疊和相加單元700操作的第一和第二窗口塊300和600。
圖4表示說(shuō)明在將所述方法應(yīng)用于μ律編碼語(yǔ)音信號(hào)時(shí)實(shí)現(xiàn)的好的信號(hào)質(zhì)量的一個(gè)示例。
更具體地，圖4.1表示一個(gè)純凈(即，無(wú)量化噪聲)的男性話音的頻譜，該男性話音是利用以下發(fā)聲記錄的“Any dictionary wil1give at least twenty different definitions for it(任何字典都將為它提供至少20種不同的定義)”。圖4.2表示圖4.1中所示頻譜的μ律編碼版本。從圖4.2中可以看出，所述μ律編碼引起添加到圖4.1的純凈頻譜的量化噪聲。在圖4.2中，量化噪聲利用灰陰影區(qū)域410來(lái)表示；而在圖4.1中的相應(yīng)區(qū)域則是干凈的。圖4.3表示在應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的量化噪聲減去方法之后來(lái)自圖4.2的頻譜?？梢钥吹?，該頻譜基本上對(duì)應(yīng)于圖4.1所示的原始純凈頻譜；這意味著根據(jù)本發(fā)明的方法能夠很好地清除PCM信號(hào)的頻譜中的量化噪聲。圖4.4表示利用根據(jù)本發(fā)明的方法生成的使用陣列u[i]，用于從圖4.2所示的頻譜中減少量化噪聲。
權(quán)利要求
1.用于從被分段成幀的脈碼調(diào)制PCM信號(hào)中減去量化噪聲的一種方法，包括以下步驟根據(jù)下式為所述PCM信號(hào)的每幀，計(jì)算恒定量化噪聲電平BqBq=Σn=0W-1{(s*min[n]-s*max[n])·w[n]}212]]>其中n表示PCM信號(hào)的特定抽樣；S*min[n]代表所述PCM信號(hào)的特定抽樣值s*[n]的最小量化噪聲電平；S*max[n]代表所述PCM信號(hào)的特定抽樣值s*[n]的最大量化噪聲電平；w[n]代表窗函數(shù)；和W代表每窗口的抽樣的數(shù)量；以及從所述PCM信號(hào)中減去利用所述量化噪聲電平Bq所表示的量化噪聲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，最小量化電平S*min以及最大量化電平S*max是已知的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)下式預(yù)測(cè)最小量化電平S*min和最大量化電平S*maxS*min＝i[n]-(i[n]-imin[n])/2S*max＝i[n]+(imax[n]-i[n])/2其中i代表由于應(yīng)用于原始信號(hào)的特定PCM量化方法而預(yù)定義的多個(gè)可能的表示電平之中的一個(gè)；i[n]代表對(duì)應(yīng)于用于特定n的抽樣值s*[n]的預(yù)定義表示電平；imin[n]代表起始于i[n]的表示電平-用于u[n]＝1的下一個(gè)較小的非零表示電平；imax[n]代表起始于i[n]的表示電平-用于u[n]＝1的下一個(gè)較大的非零表示電平；使用陣列u[i]被定義為 其中L代表整個(gè)PCM信號(hào)的抽樣數(shù)量；和N代表用于使用PCM量化原始抽樣值以生成PCM抽樣值s*[n]的比特?cái)?shù)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)以下步驟在頻域中執(zhí)行從PCM信號(hào)中減去利用所述量化噪聲電平Bq所表示的量化噪聲計(jì)算PCM信號(hào)s*[n]的頻譜S*[k]，并形成其振幅|S*[k]|；根據(jù)SNR[k]＝|S*[k]|/Bq計(jì)算所述頻譜S*[k]的信噪比SNR[k]；基于至少一個(gè)濾波更新參數(shù)根據(jù)預(yù)定義的濾波算法，從所述信噪比SNR[k]中計(jì)算出濾波振幅F[k]；通過(guò)利用所述濾波振幅F{k}乘以頻譜S*[k]的實(shí)部R{S*[k]}和虛部I{S*[k]}，計(jì)算至少基本上沒(méi)有所述量化噪聲的輸出頻譜Sb[k]；和將輸出頻譜Sb[k]變換回時(shí)域中的信號(hào)sb[n]。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，調(diào)整濾波更新參數(shù)，并且由此調(diào)整濾波振幅F[k]，以使剩余的輸出頻譜Sb[k]中的量化噪聲盡可能低。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，該方法還包括以下步驟利用第一窗口w1[n]加權(quán)輸入PCM信號(hào)的幀，并從所述已加權(quán)的信號(hào)中計(jì)算頻譜S*[k]；通過(guò)利用第二窗口W2[n]加權(quán)在再變換之后接收的信號(hào)sb[n]，生成已加權(quán)的輸出信號(hào)sbw[n]；和從所述已加權(quán)的輸出信號(hào)sbw[n]中計(jì)算出用于PCM信號(hào)的當(dāng)前幀的最后輸出信號(hào) 以使兩個(gè)連續(xù)輸出幀之間的過(guò)渡被平滑。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，使用快速傅立葉變換FFT進(jìn)行PCM信號(hào)的頻譜S*[k]的計(jì)算；和使用逆FFT將輸出頻譜Sb[k]再變換回時(shí)域信號(hào)sb[n]。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，第一和第二窗口w1和w2是相同的。
9.一種量化噪聲減去單元，用于從被分段成幀的脈碼調(diào)制PCM信號(hào)中減去量化噪聲，包括量化噪聲電平計(jì)算單元(100)，用于根據(jù)下式為所述PCM信號(hào)的每幀計(jì)算恒定量化噪聲電平BqBq=Σn=0W-1{(s*min[n]-s(3)max*[n])·w[n]}212]]>其中n表示PCM信號(hào)的特定抽樣；S*min[n]代表所述PCM信號(hào)的特定抽樣值s*[n]的最小量化噪聲電平；S*max[n]代表所述PCM信號(hào)的特定抽樣值s*[n]的最大量化噪聲電平；w[n]代表窗函數(shù)；和W代表每窗口的抽樣的數(shù)量；以及背景噪聲減去單元(200)，用于從所述PCM信號(hào)中減去利用所述量化噪聲電平Bq所表示的量化噪聲。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的噪聲減去單元，其特征在于，該噪聲減去單元位于解碼器一側(cè)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于從被分段成幀的脈碼調(diào)制PCM信號(hào)中減去量化噪聲的方法和單元。為實(shí)現(xiàn)此，建議首先根據(jù)下式(I)為所述PCM信號(hào)的每幀計(jì)算量化噪聲電平Bq
文檔編號(hào)G10L21/02GK1615521SQ02827473
公開日2005年5月11日 申請(qǐng)日期2002年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月25日
發(fā)明者E·F·奇奇 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司