專利名稱：具有減少復(fù)雜性的合成濾波器的celp語音編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括用于通過傳輸信道把輸入信號發(fā)送給接收機(jī)的發(fā)射機(jī)在內(nèi)的傳輸系統(tǒng)，該發(fā)射機(jī)包括編碼器，它具有用于產(chǎn)生多個激勵序列的激勵序列產(chǎn)生器，和選擇裝置，用于選擇激勵序列，以導(dǎo)致在從所述激勵序列得到的合成信號與從輸入信號得到的目標(biāo)信號之間的最小誤差，該發(fā)射機(jī)被設(shè)計來發(fā)射代表選擇的激勵序列的信號給接收機(jī)，該接收機(jī)包括譯碼器，它具有用于從代表選擇的激勵序列的信號得到選擇的激勵序列的激勵序列產(chǎn)生器，和合成濾波器，用于從激勵序列得到合成的信號。
本發(fā)明也涉及發(fā)射機(jī)，編碼器，傳輸方法和編碼方法。
按照前序的傳輸系統(tǒng)可從W.Grieder等寫的論文“對于4.8kbpsCELP語音編碼器的碼本搜尋”(“Codebook searching for 4.8kbpsCELP speech coder”)中得知，其發(fā)表于1993年5月17～18日在加拿大Sakatoon的現(xiàn)代環(huán)境會議中的通信、計算機(jī)和功率中，并被登錄在1993年的IEEE Wescanex第397～406頁。
這種傳輸系統(tǒng)可被用于通過諸如無線信道，同軸電纜或光纖等的傳輸媒體的語音信號傳輸。這種傳輸系統(tǒng)也可被用于在諸如磁帶或盤等的記錄媒體上記錄語音信號?？赡艿膽?yīng)用是自動回答機(jī)或口述錄音機(jī)。
在現(xiàn)代語音傳輸系統(tǒng)中，要被發(fā)送的語音信號常常藉使用分析-合成技術(shù)來被編碼。在這種技術(shù)中，合成信號藉助于由多個激勵序列激勵的合成濾波器而被產(chǎn)生。對于多個激勵序列確定了合成的語音信號，且確定了代表在合成信號和從輸入信號得到的目標(biāo)信號之間的誤差的誤差信號。選擇導(dǎo)致最小誤差的激勵序列，并以編碼形式發(fā)送給接收機(jī)。
在接收機(jī)中，恢復(fù)激勵序列，并通過把激勵序列加到合成的濾波器來產(chǎn)生合成信號。該合成信號是發(fā)射機(jī)的輸入信號的復(fù)制品。
為了得到良好質(zhì)量的信號傳輸，大量的(例如1024個)激勵序列被牽涉到用于選擇。在語音編碼的情況下，激勵序列通常是2～5毫秒持續(xù)時間的一段。在16KHz的采樣頻率的情況下，這意味著32～80個樣本。合成濾波器的參量通常從代表輸入信號的特征性質(zhì)的分析參量得出。在語音編碼時，大多數(shù)使用的分析參量是所謂的預(yù)測參量。預(yù)測參量的數(shù)目可從10變動到50，因此，合成濾波器的階數(shù)也可從10變動到50。
必須對所有激勵序列計算合成的語音信號，這導(dǎo)致了很大的計算負(fù)擔(dān)。
本發(fā)明的目的是提供其中計算負(fù)擔(dān)大為減小的按照前序中的傳輸系統(tǒng)。
因此，按照本發(fā)明的傳輸系統(tǒng)的特征在于，編碼器包括用于從多個激勵序列得到多個合成信號的減少復(fù)雜性的合成濾波器，以及選擇裝置被設(shè)計來選擇激勵序列，以導(dǎo)致在相應(yīng)的合成信號和目標(biāo)信號之間的最小誤差。
本發(fā)明是基于驚異地認(rèn)識到合成濾波器的復(fù)雜性可大為減少而不影響選擇處理的質(zhì)量。實(shí)驗結(jié)果已驚奇地顯示，減少復(fù)雜性的合成濾波器的階數(shù)可比合成濾波器的階數(shù)低10倍，而對編碼質(zhì)量沒有顯著的不利影響。
本發(fā)明的實(shí)施例的特征在于，選擇裝置被設(shè)計來選擇至少一個另外的激勵序列，編碼器包括一個附加的合成濾波器，被設(shè)計來從至少兩個激勵序列得出附加的合成信號，以及選擇裝置被設(shè)計來從至少兩個激勵序列中選擇激勵序列以導(dǎo)致在相應(yīng)的附加合成輸入信號和從作為選擇的激勵序列的輸入信號得到的參考信號之間的最小誤差。
在本實(shí)施例中，基于對減少復(fù)雜性的合成濾波器的使用，預(yù)選至少兩個激勵序列。然后通過使用更復(fù)雜的合成濾波器，進(jìn)行最后選擇。該合成濾波器可以和接收機(jī)中的合成濾波器相同，但也可能是，它與接收機(jī)中的合成濾波器相比較，具有減少的復(fù)雜性?？梢钥吹?，參考信號可以和目標(biāo)信號相同，但也可能是，這些信號是不同的。
本發(fā)明的另一個實(shí)施例的特征在于，編碼器包括分析裝置，用于得出代表輸入信號特征性質(zhì)的多個分析參量和把所述分析參量加到合成濾波器，以及分析裝置被設(shè)計來得出一個減少的分析參量集和把所述減少的分析參量集加到減少復(fù)雜性的合成濾波器。
在本實(shí)施例中，合成濾波器和減少復(fù)雜性的合成濾波器的性質(zhì)都取決于輸入信號的性質(zhì)。這確保了減少復(fù)雜性的合成濾波器總是近似于完全復(fù)雜性的合成濾波器。
本發(fā)明的再一個實(shí)施例的特征在于，分析裝置被設(shè)計來以遞歸方式確定多個分析參量，以及減少的分析參量集是從在確定多個分析參量的遞歸方式中得到的中間結(jié)果導(dǎo)出的。
藉助于從在確定多個分析參量的遞歸方式中得到的中間結(jié)果確定減少的分析參量集，可以得出，為得到減少的分析參量集不需要進(jìn)行附加的計算。
現(xiàn)在將參照附圖來解釋本發(fā)明。
這里顯示了

圖1.可應(yīng)用本發(fā)明的傳輸系統(tǒng)；圖2.按照本發(fā)明的編碼器；圖3.用于從主序列預(yù)選多個激勵序列的自適應(yīng)碼本選擇裝置的一部分；圖4.用于選擇至少一個另外的激勵序列的選擇裝置的一部分；圖5.按照本發(fā)明的激勵序列選擇裝置；圖6.按照本發(fā)明的固定碼本選擇裝置；圖7.在按照圖1的傳輸系統(tǒng)中所使用的譯碼器。
在按照圖1的傳輸系統(tǒng)中，輸入信號被加到發(fā)射機(jī)2。在發(fā)射機(jī)2中，輸入信號通過使用按照本發(fā)明的編碼器而被編碼。編碼器4的輸出信號被加到發(fā)射裝置6的輸入端，用于通過傳輸媒體8把編碼器4的輸出信號發(fā)送到接收機(jī)10。發(fā)射裝置的工作可包括把來自編碼器的(二進(jìn)制)信號，可能以二進(jìn)制方式調(diào)制到適用于傳輸媒體8的載波信號上。在接收機(jī)10中，接收的信號由前端12被變換成適用于譯碼器14的信號。前端12的工作可包括濾波，解調(diào)和對二進(jìn)制符號的檢測。譯碼器14從來自前端12的輸出信號得出重建的輸入信號。
在按照圖2的編碼器中，載送數(shù)字化輸入信號的樣本i[n]的編碼器4的輸入端連接到幀構(gòu)建裝置20的輸入端。載有輸出信號x[n]的幀構(gòu)建裝置的輸出端連接到高通濾波器22。載有輸出信號s[n]的高通濾波器22的輸出端連接到感知加權(quán)濾波器32和LPC分析器24的輸入端。載有輸出信號r[k]的LPC分析器24的第一輸出端連接到量化器26。LPC分析器的第二輸出端載有用于減少復(fù)雜性的合成濾波器的濾波器系數(shù)af。
載有輸出信號c[k]的量化器26的輸出端連接到內(nèi)插器28的輸入端和多路復(fù)接器59的第一輸入端。載有信號aq[k][s]的內(nèi)插器28的輸出端連接到感知加權(quán)濾波器32的第二輸入端、零輸入響應(yīng)濾波器34的輸入端和沖激響應(yīng)計算器36的輸入端。載有信號w[n]的感知加權(quán)濾波器32的輸出端連接到減法器38的第一輸入端。載有輸出信號z[n]的零輸入響應(yīng)濾波器34的輸出端連接到減法器38的第二輸入端。
載有目標(biāo)信號t[n]的減法器38的輸出端連接到自適應(yīng)碼本選擇裝置40與自適應(yīng)碼本預(yù)選裝置42的輸入端和減法器41的輸入端。載有輸出信號h[n]的沖激響應(yīng)計算器36的輸出端連接到自適應(yīng)碼本選擇裝置40的輸入端、自適應(yīng)碼本預(yù)選裝置42的輸入端、固定碼本選擇裝置44的輸入端和又被稱為固定碼本預(yù)選裝置46的激勵信號選擇裝置的輸入端。載有輸出信號ia[k]的自適應(yīng)碼本預(yù)選裝置42的輸出端連接到自適應(yīng)碼本選擇裝置40的輸入端。自適應(yīng)碼本預(yù)選裝置42、自適應(yīng)碼本選擇裝置40、固定碼本預(yù)選裝置46和固定碼本選擇裝置44的組合構(gòu)成選擇裝置45。
載有輸出信號Ga的自適應(yīng)碼本選擇裝置的第一輸出端連接到多路復(fù)接器59的第二輸入端和乘法器52的第一輸入端。載有輸出信號Ia的自適應(yīng)碼本選擇裝置的第二輸出端連接到多路復(fù)接器59的第三輸入端和自適應(yīng)碼本48的輸入端。載有輸出信號p[n]的自適應(yīng)碼本選擇裝置40的第三輸出端連接到減法器41的第二輸入端。
載有輸出信號e[n]的減法器42的輸出端連接到固定碼本選擇裝置44的第二輸入端和固定碼本預(yù)選裝置46的第二輸入端。載有輸出信號if[k]的固定碼本預(yù)選裝置46的輸出端連接到固定碼本選擇裝置44的第三輸入端。載有輸出信號Gf的固定碼本選擇裝置的第一輸出端連接到乘法器54的第一輸入端和多路復(fù)接器59的第四輸入端。載有輸出信號P的固定碼本選擇裝置44的第二輸出端連接到激勵產(chǎn)生器50的第一輸入端和多路復(fù)接器59的第五輸入端。載有輸出信號L[k]的固定碼本選擇裝置44的第三輸出端連接到激勵產(chǎn)生器50的第二輸入端和多路復(fù)接器59的第六輸入端。載有輸出信號yf[n]的激勵產(chǎn)生器50的輸出端連接到乘法器54的第二輸入端。載有輸出信號ya[n]的自適應(yīng)碼本48的輸出端連接到乘法器52的第二輸入端。乘法器52的輸出端連接到加法器56的第一輸入端。乘法器54的輸出端連接到加法器56的第二輸入端。載有輸出信號yaf[n]的加法器56的輸出端連接到存儲器更新單元58，后者被連到自適應(yīng)碼本48。
多路復(fù)接器59的輸出構(gòu)成編碼器59的輸出。
按照圖2的編碼器的實(shí)施例是在假設(shè)輸入信號是具有從0～7 KHz頻率范圍的寬帶語音信號的情況下被解釋的。假設(shè)16 KHz的采樣速率。然而，可以看到，本發(fā)明并不限于這種類型的信號。
在幀構(gòu)建裝置20中，語音信號i[n]被劃分成N個信號樣本序列x[n]，也被稱為幀。這樣的幀的持續(xù)時間典型地為10～30毫秒。藉助于高通濾波器22，編成幀的信號的直流分量被除去，這樣無直流的信號可在高通濾波器22的輸出端上提供。藉助于線性預(yù)測分析器24，確定了K個線性預(yù)測系數(shù)a[k]。對于窄帶語音，K典型地為8和12之間，對于寬帶語音，K在16到20之間，然而除這些典型值以外的數(shù)值也是可能的。線性預(yù)測系數(shù)被使用在將在后面解釋的合成濾波器中。
為了計算預(yù)測系數(shù)a[k]，信號s[n]首先用漢明(Hamming)窗被加權(quán)，以得到加權(quán)的信號sw[n]。藉助于先計算自相關(guān)系數(shù)然后執(zhí)行用于遞歸地確定數(shù)值a[k]的Levinson-Durbin算法，從信號sw[n]得出預(yù)測系數(shù)a[n]。第一遞歸步驟的結(jié)果作為af被存儲，供在減少復(fù)雜性的合成濾波器中使用。替換地，有可能存儲第二遞歸步驟的結(jié)果af1和af2作為減少復(fù)雜性的合成濾波器的參量?？梢钥吹剑绻褂枚A減少復(fù)雜性的合成濾波器，則可能僅執(zhí)行預(yù)選。然后，使用完全復(fù)雜性的合成濾波器的選擇可被省去。為消除在由預(yù)測參量a[k]表示的頻譜包絡(luò)中的極尖的峰值，藉助于把每個系數(shù)a[k]乘以數(shù)值γk來執(zhí)行帶寬擴(kuò)展運(yùn)算。修改的預(yù)測系數(shù)ab[k]被轉(zhuǎn)換成對數(shù)域比值r[k]。
量化器26以非均勻方式量化對數(shù)域比值，以便減少為發(fā)射對數(shù)域比值到接收機(jī)要被使用的比特數(shù)目。量化器26產(chǎn)生表明對數(shù)域比值的量化電平的信號c[k]。
為了選擇用于合成濾波器的最佳激勵序列，幀s[n]被再分成S個子幀。為了達(dá)到平滑濾波過渡，內(nèi)插器28執(zhí)行對于每個子幀的當(dāng)前指數(shù)c[k]和先前的指數(shù)Cp[k]之間的線性內(nèi)插，并把相應(yīng)的對數(shù)域比值變換回預(yù)測參量aq[k][s]。s等于當(dāng)前子幀的指數(shù)。
在由合成編碼器進(jìn)行的分析中，語音信號幀(或子幀)與多個合成的語音幀進(jìn)行比較，每個合成的語音幀相應(yīng)于由合成濾波器濾波的不同的激勵序列。合成濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)等于1/A(z)，而A(z)等于A(z)=1-Σk=0P-1aq[k][s]·z-k-1----(1)]]>在(1)式中，P是預(yù)測階數(shù)，k是運(yùn)行指數(shù)，和z-1是單位延時算子。為了研究人的聽覺系統(tǒng)的感知性質(zhì)，在語音幀和合成的語音幀之間的差值由具有轉(zhuǎn)移函數(shù)A(z)/A(z/γ)的感知加權(quán)濾波器進(jìn)行濾波。γ是常數(shù)，通常其數(shù)值約為0.8。所選擇的最佳激勵信號是導(dǎo)致感知加權(quán)濾波器的輸出信號的最小功率的激勵信號。
在大多數(shù)語音編碼器中，感知加權(quán)濾波操作是在比較操作之前進(jìn)行。這意味著，語音信號必須由具有轉(zhuǎn)移函數(shù)A(z)/A(z/γ)的濾波器進(jìn)行濾波以及合成濾波器必須由具有轉(zhuǎn)移函數(shù)1/A(z/γ)的修正的合成濾波器替代?？梢钥吹剑渌愋偷母兄訖?quán)濾波器也在使用，例如具有轉(zhuǎn)移函數(shù)A(z/γ1)/A(z/γ2)的濾波器。感知加權(quán)濾波器32按照如上討論的轉(zhuǎn)移函數(shù)A(z)/A(z/γ)執(zhí)行對語音信號的濾波。感知加權(quán)濾波器32的參量在每個子幀用內(nèi)插的預(yù)測參量aq[k][s]被更新。可以看到，本發(fā)明的范圍包括感知加權(quán)濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)的所有變形和感知加權(quán)濾波器的所有位置。
修正的合成濾波器的輸出信號也取決于來自先前子幀的所選擇的激勵序列。取決于當(dāng)前激勵序列的合成語音信號的各部分和先前的激勵序列可被分開。因為零輸入濾波器的輸出信號與當(dāng)前激勵序列無關(guān)，所以當(dāng)用圖2的濾波器34進(jìn)行時它可被移到語音信號路徑上。
因為修正的合成濾波器的輸出信號被從感知加權(quán)的語音信號中減去，所以零輸入響應(yīng)濾波器34的信號也必須被從感知加權(quán)的語音信號中減去。此減法由減法器38執(zhí)行。在減法器38的輸出端可得到目標(biāo)信號t[n]。
編碼器4包括本地譯碼器30。本地譯碼器30包括自適應(yīng)碼本48，它隨后存儲多個先前選擇的激勵序列。自適應(yīng)碼本48用自適應(yīng)碼本的指數(shù)Ia來尋址。自適應(yīng)碼本48的輸出信號ya[n]由乘法器52用增益系數(shù)Ga按比例調(diào)節(jié)。本地譯碼器30也包括激勵產(chǎn)生器50，它被設(shè)計來產(chǎn)生多個預(yù)定的激勵序列。激勵序列yf[n]是所謂的規(guī)則脈沖激勵序列。它包括多個由多個具有零值的樣本分隔開的激勵樣本。激勵樣本的位置由參量PH(相位)表示。激勵樣本可以具有數(shù)值-1，0和+1中的一個值。激勵樣本的數(shù)值由變量L[k]給出。激勵產(chǎn)生器50的輸出信號yf[n]由乘法器54用增益系數(shù)Gf按比例調(diào)節(jié)。乘法器52和54的輸出信號被加法器56加到激勵信號yaf[n]上。該信號yaf[n]被存儲在自適應(yīng)碼本48中供下一個子幀使用。
在自適應(yīng)碼本預(yù)選裝置42中，確定減少的激勵序列集。這些序列的指數(shù)ia[k]被傳送到自適應(yīng)碼本選擇裝置40。在自適應(yīng)碼本預(yù)選裝置42中，按照本發(fā)明，使用了一階減少復(fù)雜性的合成濾波器。另外，不是考慮所有可能的激勵序列，而是考慮具有相互位移至少兩個位置的減少數(shù)目的激勵序列。一個好的選擇是在2到5的范圍內(nèi)的位移。所使用的合成濾波器的復(fù)雜性的減少和所考慮的激勵序列數(shù)目的減少給出了編碼器復(fù)雜性的很大的減小。
自適應(yīng)碼本選擇裝置40被設(shè)計來從預(yù)選的激勵序列得出最佳激勵序列。在這種選擇中，使用完全復(fù)雜性的合成濾波器，并嘗試了在預(yù)選的激勵序列的鄰近范圍內(nèi)的少量的激勵序列。在嘗試的激勵序列之間的位移小于在預(yù)選時所使用的位移。按照本發(fā)明，在編碼器中使用了為1的位移。由于所涉及到的少量的激勵序列，最后選擇的附加復(fù)雜性較低。自適應(yīng)碼本選擇裝置也產(chǎn)生信號p[n]，它是通過由加權(quán)的合成濾波器對存儲的激勵序列進(jìn)行濾波和把合成信號乘以數(shù)值Ga而得出的合成信號。
減法器41從目標(biāo)信號t[n]中減去信號p[n]，以得出差值信號e[n]。在固定碼本預(yù)選裝置46中，從信號e[n]得出后向濾波的目標(biāo)信號tf[n]。從可能的激勵序列中，預(yù)選最類似于濾波的目標(biāo)信號的激勵序列，并把它們的指數(shù)if[k]傳送到固定碼本選擇裝置46。固定碼本選擇裝置44從由固定碼本預(yù)選裝置46預(yù)選的激勵信號中搜尋最佳激勵信號。在這種搜尋中，使用完全復(fù)雜性的合成濾波器。信號C[k]，Ga，Ia，Gf，PH和L[k]由多路復(fù)接器59被復(fù)接成一個單個輸出信息流。
沖激響應(yīng)值h[n]由沖激響應(yīng)計算器36從預(yù)測參量aq[k][s]按照遞歸來計算h[n]＝0 ；n＜0h[n]＝1 ；n＝0h[n]=Σi=0P-1h[n-l-i]·aq[i][s]γi+1;l≤n<Nm----(2)]]>在(2)式中，Nm是所需要的沖激響應(yīng)長度。在本系統(tǒng)中，該長度等于子幀中的樣本數(shù)目。
在按照圖3的自適應(yīng)碼本預(yù)選裝置42中，目標(biāo)信號t[n]被加到時間反演器(reverser)50的輸入端。時間反演器50的輸出端連接到零狀態(tài)濾波器52的輸入端。零狀態(tài)濾波器52的輸出端連接到時間反演器54的輸入端。時間反演器54的輸出端連接到互相關(guān)器56的第一輸入端?；ハ嚓P(guān)器56的輸出端連接到除法器64的第一輸入端。
自適應(yīng)碼本48的輸出端連接到互相關(guān)器56的第二輸入端和通過選擇開關(guān)49連接到減少復(fù)雜性的零狀態(tài)合成濾波器60的輸入端。選擇開關(guān)的另一端也連接到存儲器更新單元58的輸出端。減少復(fù)雜性的合成濾波器60的輸出端連接到能量估值器62的輸入端。能量估值器62的輸出端連接到能量表63的輸入端。能量表63的輸出端連接到除法器64的第二輸入端。除法器64的輸出端連接到峰值檢波器65的輸入端，以及峰值檢波器65的輸出端連接到選擇器66的輸入端。選擇器66的第一輸出端連接到自適應(yīng)碼本48的輸入端，用于選擇不同的激勵序列。載有表示來自自適應(yīng)碼本的預(yù)選擇的激勵序列的信號的選擇器66的第二輸出端連接到自適應(yīng)碼本48的選擇輸入端和能量表63的選擇輸入端。
自適應(yīng)碼本預(yù)選裝置42被設(shè)計來從自適應(yīng)碼本選擇激勵序列和相應(yīng)的增益系數(shù)ga。該運(yùn)算可被寫作為使等于下式的誤差信號
最小化
在(3)式中，Nm是子幀中的樣本數(shù)，y[l][n]是零-狀態(tài)合成濾波器對激勵序列ca[l][n]的響應(yīng)。通過把(3)式對ga進(jìn)行微分并令導(dǎo)數(shù)等于零，可找到ga的最佳值ga=Σn=0Nm-1t[n]·y[l][n]Σn=0Nm-1y2[l][n]----(4)]]>把(4)式代入(3)式，可給出
使
最小化相當(dāng)于使(5)式中的第二項f[l]對l的最大化。f[l]也可被寫為f[l]=[Σn=0Nm-1t[n]·y[l][n]]2Σn=0Nm-1y2[l][n]=[Σn=0Nm-1t[n]·(Σi=0Nm-1ca[l][i]·h[n-i])]2Σn=0Nm-1y2[l][n]----(6)]]>在(6)式中，h[n]是圖3的濾波器52的沖激響應(yīng)，如按照(2)式所計算的那樣。(6)式也可被寫為f[l]=[Σi=0Nm-1ca[l][i]·(Σn=0Nm-1t[n]·h[n-i])]2Σn=0NM-1y2[l][n]=[Σi=0Nm-1ca[l][i]·ta[i]]2Σn=0Nm-1y2[l][n]---(7)]]>(7)式被用于自適應(yīng)碼本的預(yù)選。使用(7)式的優(yōu)點(diǎn)在于，為確定(7)式的分子，對于所有的碼本的項只需要一次濾波運(yùn)算。使用(6)式會需要對于涉及預(yù)選的每個碼本項進(jìn)行一次濾波運(yùn)算。為確定(7)式的分母，其計算仍需要對碼本的所有項進(jìn)行濾波，使用了減少復(fù)雜性的合成濾波器。
f[l]的分母Ea是所涉及的用減少復(fù)雜性的合成濾波器60進(jìn)行濾波的激勵序列的能量。實(shí)驗表明，單個濾波器系數(shù)改變得相當(dāng)慢，所以該系數(shù)只需要每幀更新一次。也有可能每幀只計算一次激勵序列能量，但這需要稍加修改的選擇程序。為從自適應(yīng)碼本預(yù)選激勵序列，可按照下式計算從(7)式得出的測量值rap[i·Lm+l]rap[i·Lm+L]=[Σn=0Nm-1ca[Lmin+i·Lm+l·Sa-n]·ta[n]]2Ea[i·Lm+l]----(8)]]>在(8)式中，i和l是運(yùn)行參量，」Lmin是所考慮的語音信號的最小可能的音節(jié)周期，Nm是每個子幀的樣本數(shù)，Sa是在隨后的激勵序列之間的位移，及Lm是決定每個子幀存儲的能量值數(shù)目的常數(shù)，它等于1+(Nm-1)/Sa。對于0≤l＜Lm和0≤i＜S進(jìn)行按照(8)式的搜尋。這種搜尋被設(shè)計成總是包括相應(yīng)于先前寫入自適應(yīng)碼本48的激勵序列的起始部分的第一碼本項。這就允許再使用被存儲在能量表63中的先前計算的能量值。
在更新自適應(yīng)碼本48的時刻，先前子幀的所選擇的激勵信號yaf[n]存在于存儲器更新單元58中。選擇開關(guān)49是在位置0，及新的可供使用的激勵序列由減少復(fù)雜性的合成濾波器60濾波。新濾波的激勵序列的能量值被存儲在Lm存儲位置。在存儲器63中已存在的能量值被向下移位。最老的Lm能量值從存儲63移出，因為相應(yīng)的激勵序列不再存在于自適應(yīng)碼本中。目標(biāo)信號ta[n]由時間反演器50，濾波器52和時間反演器54的組合進(jìn)行計算。相關(guān)器56計算(8)式的分子，和除法器64進(jìn)行(8)式的分子除以(8)式的分母的運(yùn)算。峰值檢波器65確定給出(8)式的Pa最大值的碼本指數(shù)的指數(shù)。選擇器66加上由峰值選擇器56找到的Pa序列的相鄰激勵序列的指數(shù)，并把所有這些指數(shù)傳送到自適應(yīng)碼本選擇器40。
在幀的中段(在S/2子幀通過以后)，af值被更新。然后，選擇開關(guān)被置于位置1，及相應(yīng)于被牽涉到用于自適應(yīng)碼本預(yù)選的激勵序列的所有能量值被重新計算和存儲在存儲器63中。
在按照圖4的自適應(yīng)碼本選擇器40中，自適應(yīng)碼本48的輸出端連接到(完全復(fù)雜性的)零-狀態(tài)合成濾波器70的輸出端。合成濾波器70接收來自計算器36的其沖激響應(yīng)參量。合成濾波器70的輸出端連接到相關(guān)器72的輸入端和能量估算器74的輸入端。目標(biāo)信號t[n]被加到相關(guān)器72的第二輸入端。相關(guān)器72的輸出端連接到除法器76的第一輸入端。能量估算器74的輸出端連接到除法器76的第二輸入端。除法器76的輸出端連接到選擇器78的第一輸入端。預(yù)選的激勵序列的指數(shù)ia[k]被加到選擇器78的第二輸入端。選擇器的第一輸出端連接到自適應(yīng)碼本48的選擇輸入端。選擇器78的另外兩個輸出端提供輸出信號Ga和Ia。
選擇最佳激勵序列相當(dāng)于使ralr[項最大化。所述ra[r]項等于ra[r]=[Σn=0Nm-1t[n]·y[r][n]]2Σn=0Nm-1y2[r][n]----(9)]]>(9)式相當(dāng)于(5)式中的f[l]項。信號y[r][n]由濾波器70從激勵序列得出。濾波器70的初始狀態(tài)在激勵序列被濾波之前每次被設(shè)置為零。假定變量ia[r]包含預(yù)選的激勵序列的指數(shù)以及其以增加的指數(shù)次序的相鄰者。這意味著，ia[r]包含Pa個隨后的指數(shù)組，每個組包括自適應(yīng)碼本的Sa個連貫的指數(shù)。對于具有一組的第一個指數(shù)的碼本項，y[r·Sa][n]按照下式進(jìn)行計算y[r·Sa][n]=Σl=0nh[n-l]·ca[ia[r·Sa]-l];0≤n<Nm----(10)]]>因為除了一個以外的同樣的激勵樣本涉及計算y[r·Sa+1][n]，所以數(shù)值y[r·Sa+1][n]可從y[r·Sa][n]遞歸地被確定。這種遞歸可適用于在一組中具有一個指數(shù)的所有激勵序列。對于遞歸通?？蓪懗鰕[r·Sa+i+1][n]＝y(tǒng)[r·Sa+i][n-1]+h[n]·ca[ia[r·Sa+i+1]] (11)相關(guān)器72從濾波器70的輸出信號和目標(biāo)信號t[n]確定(9)式的分子。能量估算器74確定(9)式的分母。在除法器的輸出端，可提供(9)式的值。選擇器78使(9)式對于所有的預(yù)選的指數(shù)被加以計算，并存儲自適應(yīng)碼本48的最佳指數(shù)Ia。隨后，選擇器按照下式計算增益值gg=Σn=0Nm-1t[n]·y~[n]Σn=0Nm-1y~2[n]----(12)]]>在(12)式中，
是濾波器70對于具有指數(shù)Ia的選擇的激勵序列的響應(yīng)。增益系數(shù)g藉非均勻量化運(yùn)算被量化成量化的增益系數(shù)Ga，它在選擇器78的輸出端被提供。選擇器78按照下式也輸出自適應(yīng)碼本對于合成信號的貢獻(xiàn)p[n]p[n]=Ga·y~[n]----(13)]]>在按照圖5的固定碼本預(yù)選裝置中，信號e[n]被加到后向濾波器80的輸入端。后向濾波器80的輸出端連接到相關(guān)器86的第一輸入端和相位選擇器82的輸入端。相位選擇器的輸出端連接到幅度選擇器84的輸入端。幅度選擇器84的輸出端連接到相關(guān)器86的第二輸入端和減少復(fù)雜性的合成濾波器88的輸入端。減少復(fù)雜性的合成濾波器88的輸出端連接到能量估算器90的輸入端。
相關(guān)器86的輸出端連接到除法器92的第一輸入端。能量估算器90的輸出端連接到除法器92的第二輸入端。除法器92的輸出端連接到選擇器94的輸入端。在選擇器的輸出端可提供固定碼本的預(yù)選激勵序列的指數(shù)if[k]。
后向濾波器80從信號e[n]計算后向濾波的信號tf[n]。后向濾波器的工作和對于在按照圖3的自適應(yīng)碼本預(yù)選裝置42中的后向濾波運(yùn)算所描述的作用相同。固定碼本被設(shè)計為所謂的三元RPE碼本(規(guī)則脈沖激勵)，即包括用預(yù)定個數(shù)的零值分隔開的多個等距離脈沖的碼本。三元RPE碼本具有Nm個脈沖，其中Np個脈沖具有+1，0或-1的幅度。這些Np個脈沖被安置在由相位PH和脈沖間距D限定的規(guī)則柵格上，其中0≤PH＜D。柵格位置pos由PH+D·l給出，其中0≤l＜Np。剩下的Nm-Np個脈沖是零。三元RPE碼本，如上面規(guī)定的，具有D·(3Np-1)項。為減少復(fù)雜性，對于每個子幀產(chǎn)生包含Nf項的子集的本地RPE碼本。該本地RPE碼本的所有激勵序列具有同樣的相位PH，它是由相位選擇器82藉在間隔0≤PH＜D中搜尋使以下表示式取最大值的PH值而被確定的Σl=0Np-1|tf[PH+D·l]|----(14)]]>在幅度選擇器84中，填充兩個陣列。第一陣列，amp包含等于sign(tf[PH+D·l])的變量amp[l]，其中sign是符號函數(shù)。第二陣列，pos[l]包含表示|tf[PH+D·l]|的Nz個最大值的標(biāo)記。對于這些值，不允許激勵脈沖具有零值。然后，二維陣列cf[k][n]被填充以具有相位PH和具有滿足分別由陣列amp和pos的內(nèi)容所加上的需要的樣本值的Nf個激勵序列。這些激勵序列是與在此處由后向濾波的信號tf[n]表示的剩余序列有最大相似性的激勵序列。
對候選的激勵序列的選擇是基于和在自適應(yīng)碼本預(yù)選裝置42中所使用的同樣的原理。相關(guān)器86計算在后向濾波的信號tf[n]和預(yù)選的激勵序列之間的相關(guān)值。(減少復(fù)雜性的)合成濾波器88被設(shè)計來對激勵序列進(jìn)行濾波，及能量估算器90計算濾波的激勵序列的能量。除法器把相關(guān)值除以相應(yīng)于激勵序列的能量。選擇器94選擇相應(yīng)于除法器92的輸出信號的Pf個最大值的激勵序列，并把各候選激勵序列的相應(yīng)指數(shù)存儲在陣列if[k]中。
在按照圖6的固定碼本選擇裝置44中，減少的碼本94的輸出端連接到合成濾波器96的輸入端。合成濾波器96的輸出端連接到相關(guān)器98的第一輸入端和能量估算器100的輸入端。信號e[n]被加到相關(guān)器98的第二輸入端。相關(guān)器98的輸出端連接到乘法器108的第一輸入端和除法器102的第一輸入端。能量估算器100的輸出端連接到除法器102的第二輸入端和乘法器112的輸入端。除法器102的輸出端連接到量化器104的輸入端。量化器104的輸出端連接到乘法器105和平方器110的輸入端。
乘法器105的輸出端連接到乘法器108的第二輸入端。平方器110的輸出端連接到乘法器112的第二輸入端。乘法器108的輸出端連接到減法器114的第一輸入端。乘法器112的輸出端連接到減法器114的第二輸入端。減法器114的輸出端連接到選擇器116的輸入端。選擇器116的第一輸出端連接到減少的碼本94的選擇輸入端。具有輸出信號P，L[k]和Gf的選擇器116的三個輸出端提供了固定碼本搜尋的最后結(jié)果。
在固定碼本選擇裝置42中，執(zhí)行對最佳激勵序列的閉環(huán)搜尋。搜尋包括確定使表示式rf[r]為最大的指數(shù)r。rf[r]等于rf[r]=2·Gf·Σn=0Nm-1e[n]·y[r][n]-Gf2·Σn=0Nm-1y2[r][n]----(15)]]>在(15)式中，y[r][n]是濾波的激勵序列，Gf是最佳增益系數(shù)g的量化后的值，該最佳增益系數(shù)g等于g=Σn=0Nm-1e[n]·y[r][n]Σn=0Nm-1y2[r][n]----(16)]]>(15)式可藉助于展開
的表示式，刪除與r無關(guān)的項和用量化后的增益Gf代替最佳增益g而被得到。信號y[r][n]可按照下式計算y[r][n]=Σj=0nh[n-j]·cf[if[r][j];0≤n<Nm----(17)]]>因為cf[if[r]][j]對于j＝P+D·l(0≤l＜Np)只能有非零值，所以(17)式可被簡化為y[r][n]=Σl=0n-PDh[n-P-D·l]·cf[r][P+D·l]----(18)]]>(18)式的判定由濾波器96執(zhí)行。(15)式的分子由相關(guān)器98確定及(15)式的分母由能量估算器100計算。在除法器102的輸出端可提供g值。g值由量化器104量化為Gf。在乘法器108的輸出端可提供(15)式的第一項，及在乘法器112的輸出端可提供(15)式的第二項。在減法器114的輸出端可提供表示式rf[r]。選擇器116選擇使(15)式最大化的r值，并在其輸出端提供增益Gf、非零激勵脈沖的幅度L[k]、和激勵序列的最佳相位PH。
按照圖7的譯碼器14的輸入信號被加到多路分接器118的輸入端。載有信號C[k]的多路分接器118的第一輸出端連接到內(nèi)插器130的輸入端。載有信號Ia的多路分接器118的第二輸出端連接到自適應(yīng)碼本120的輸入端。自適應(yīng)碼本120的輸出端連接到乘法器124的第一輸入端。載有信號Ga的多路分接器118的第三輸出端連接到乘法器124的第二輸入端。載有信號Gf的多路分接器118的第四輸出端連接到乘法器126的第一輸入端。載有信號PH的多路分接器118的第五輸出端連接到激勵產(chǎn)生器122的第一輸入端。載有信號L[k]的多路分接器118的第六輸出端連接到激勵產(chǎn)生器122的第二輸入端。激勵產(chǎn)生器的輸出端連接到乘法器126的第二輸入端。乘法器124的輸出端連接到加法器128的第一輸入端，及乘法器126的輸出端連接到加法器128的第二輸入端。
加法器128的輸出端連接到合成濾波器132的第一輸入端。合成濾波器的輸出端連接到后濾波器134的第一輸入端。內(nèi)插器130的輸出端連接到合成濾波器132的第二輸入端和連接到后濾波器134的第二輸入端。在后濾波器134的輸出端可提供譯碼的輸出信號。
自適應(yīng)碼本120對于每個子幀按照指數(shù)Ia產(chǎn)生激勵序列。所述激勵信號由乘法器124用增益系數(shù)Ga按比例調(diào)節(jié)。激勵產(chǎn)生器122對于每個子幀按照相位PH和幅度值L[k]產(chǎn)生激勵序列。來自激勵產(chǎn)生器122的激勵信號由乘法器126用增益系數(shù)Gf按比例調(diào)節(jié)。乘法器124和126的輸出信號被加法器128相加以得到完整的激勵信號。該激勵信號被送回到自適應(yīng)碼本120用于適應(yīng)其內(nèi)容。合成濾波器132在每個子幀中被更新的內(nèi)插的預(yù)測參量aq[k][s]的控制下從在加法器128的輸出端上的激勵信號得出合成的語音信號。內(nèi)插的預(yù)測參量aq[k][s]藉助于對參量C[k]內(nèi)插和把內(nèi)插的C[k]參量變換到預(yù)測的參量而得出。后濾波器134被用來改進(jìn)語音信號的感知質(zhì)量。該濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)等于F(z)=G[s]·1-Σi=0P-10.65i+1·aq[i][s]·z-(i+1)1-Σi=0P-10.75i+1·aq[i][s]·z-(i+1)·(1-0.3·z-1)----(19)]]>在(19)式中，G[s]是用于補(bǔ)償后濾波器134的濾波函數(shù)的變化的衰減的增益系數(shù)。
權(quán)利要求
1.傳輸系統(tǒng)，包括用于通過傳輸信道把輸入信號發(fā)送給接收機(jī)的發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)包括編碼器，具有用于產(chǎn)生多個激勵序列的激勵序列產(chǎn)生器，和選擇裝置，用于選擇激勵序列以導(dǎo)致在從所述激勵序列得到的合成信號與從輸入信號得到的目標(biāo)信號之間的最小誤差，發(fā)射機(jī)被設(shè)計來發(fā)射代表選擇的激勵序列的信號給接收機(jī)，接收機(jī)包括譯碼器，具有用于從代表選擇的激勵序列的信號得到選擇的激勵序列的激勵序列產(chǎn)生器，和合成濾波器，用于從激勵序列得到合成的信號，其特征在于，編碼器包括用于從多個激勵序列得到多個合成信號的減少復(fù)雜性的合成濾波器，以及在于選擇裝置被設(shè)計來選擇激勵序列，以導(dǎo)致在相應(yīng)的合成信號和目標(biāo)信號之間的最小誤差。
2.按照權(quán)利要求1的傳輸系統(tǒng)，其特征在于，選擇裝置被設(shè)計來選擇至少一個另外的激勵序列，在于編碼器包括一個附加的合成濾波器，被設(shè)計來從至少兩個激勵序列得出附加的合成信號，以及在于選擇裝置被設(shè)計來從至少兩個激勵序列中選擇激勵序列以導(dǎo)致在相應(yīng)的附加合成輸入信號和從作為選擇的激勵序列的輸入信號得到的參考信號之間的最小誤差。
3.按照權(quán)利要求1或2的傳輸系統(tǒng)，其特征在于，編碼器包括分析裝置，用于得出代表輸入信號特征性質(zhì)的多個分析參量和把所述分析參量加到合成濾波器，以及分析裝置被設(shè)計來得出一個減少的分析參量集和把所述減少的分析參量集加到減少復(fù)雜性的合成濾波器。
4.按照權(quán)利要求3的傳輸系統(tǒng)，其特征在于，分析裝置被設(shè)計來以遞歸方式確定多個分析參量，以及在于減少的分析參量集是從在確定多個分析參量的遞歸方式中得到的中間結(jié)果導(dǎo)出的。
5.用于發(fā)送輸入信號的發(fā)射機(jī)，該發(fā)射機(jī)包括編碼器，具有用于產(chǎn)生多個激勵序列的激勵序列產(chǎn)生器，選擇裝置，用于選擇激勵序列以導(dǎo)致在從所述激勵序列得到的合成信號與從輸入信號得到的目標(biāo)信號之間的最小誤差，發(fā)射機(jī)被設(shè)計來發(fā)送代表選擇的激勵序列的信號，其特征在于，編碼器包括用于從多個激勵序列得到多個輔助合成輸入信號的減少復(fù)雜性的合成濾波器，以及在于選擇裝置被設(shè)計來選擇激勵序列，以導(dǎo)致在相應(yīng)的輔助合成輸入信號和目標(biāo)信號之間的最小誤差，在于選擇裝置被設(shè)計來選擇至少一個另外的激勵序列，在于編碼器包括合成濾波器，被設(shè)計來從至少兩個激勵序列得出附加合成信號，以及在于選擇裝置被設(shè)計來從至少兩個激勵序列中選擇激勵序列以導(dǎo)致在相應(yīng)的附加合成輸入信號和從作為選擇的激勵序列的輸入信號得到的參考信號之間的最小誤差。
6.用于發(fā)送輸入信號的發(fā)射機(jī)，包括編碼器，其具有分析裝置，用于得出代表輸入信號特征性質(zhì)的多個分析參量，編碼器還包括用于產(chǎn)生多個激勵序列的激勵序列產(chǎn)生器，選擇裝置，用于選擇激勵序列以導(dǎo)致在從所述激勵序列得到的合成信號與從輸入信號得到的目標(biāo)信號之間的最小誤差，發(fā)射機(jī)被設(shè)計來發(fā)送代表選擇的激勵序列的信號，其特征在于，編碼器包括減少復(fù)雜性的合成濾波器，其接收來自分析裝置的減少的分析參量集，用于從多個激勵序列得出多個合成信號，以及在于選擇裝置被設(shè)計來選擇激勵序列，以導(dǎo)致在相應(yīng)的合成信號和目標(biāo)信號之間的最小誤差。
7.用于將輸入信號編碼的編碼器，包括用于產(chǎn)生多個激勵序列的激勵序列產(chǎn)生器，選擇裝置，用于選擇激勵序列以導(dǎo)致在從所述激勵序列得到的合成信號和從輸入信號得到的目標(biāo)信號之間的最小誤差，編碼器被設(shè)計來產(chǎn)生代表選擇的激勵序列的信號，其特征在于，編碼器包括用于從多個激勵序列得到多個合成信號的減少復(fù)雜性的合成濾波器，以及在于選擇裝置被設(shè)計來選擇激勵序列，以導(dǎo)致在相應(yīng)的合成信號和目標(biāo)信號之間的最小誤差，在于選擇裝置被設(shè)計來選擇至少一個另外的激勵序列，在于編碼器包括合成濾波器，被設(shè)計來從至少兩個激勵序列得出附加合成輸入信號，以及在于選擇裝置被設(shè)計來從至少兩個激勵序列中選擇激勵序列以導(dǎo)致在相應(yīng)的附加合成信號和從作為選擇的激勵序列的輸入信號得到的參考信號之間的最小誤差。
8.編碼器，包括用于得出代表輸入信號特征性質(zhì)的多個分析參量的分析裝置，用于產(chǎn)生多個激勵序列的激勵序列產(chǎn)生器，用于選擇激勵序列以導(dǎo)致在從所述激勵序列得到的合成信號與從輸入信號得到的目標(biāo)信號之間的最小誤差的選擇裝置，編碼器被設(shè)計來產(chǎn)生代表選擇的激勵序列的信號，其特征在于，編碼器包括減少復(fù)雜性的合成濾波器，其接收來自分析裝置的減少的分析參量集，用于從多個激勵序列得出多個合成信號，以及在于選擇裝置被設(shè)計來選擇激勵序列，以導(dǎo)致在相應(yīng)的合成信號和目標(biāo)信號之間的最小誤差。
9.用于通過傳輸信道發(fā)送輸入信號的方法，該方法包括產(chǎn)生多個激勵序列，選擇激勵序列以導(dǎo)致在從所述激勵序列得到的合成信號和從輸入信號得到的目標(biāo)信號之間的最小誤差，發(fā)送代表選擇的激勵序列的信號，該方法還包括從代表激勵序列的信號得到選擇的激勵序列，和從激勵序列得到合成信號，其特征在于，該方法包括按照減小復(fù)雜性的濾波方法從多個激勵序列得到多個合成信號，以及在于該方法包括選擇激勵序列以導(dǎo)致在相應(yīng)的合成信號與目標(biāo)信號之間的最小誤差。
10.用于將輸入信號編碼的方法，包括產(chǎn)生多個激勵序列，選擇激勵序列以導(dǎo)致在從所述激勵序列得到的合成信號和從輸入信號得到的目標(biāo)信號之間的最小誤差，產(chǎn)生代表選擇的激勵序列的信號，其特征在于，該方法包括藉使用減少復(fù)雜性的濾波方法從多個激勵序列得到多個合成信號，在于該方法包括選擇激勵序列以導(dǎo)致在相應(yīng)的合成信號和輸入信號之間的最小誤差，及選擇至少一個另外的激勵序列，該方法還包括藉使用比減少復(fù)雜性的濾波方法更復(fù)雜的濾波方法從至少兩個激勵序列得到附加的合成輸入信號，以及在于該方法包括從至少兩個激勵序列選擇激勵序列以導(dǎo)致在相應(yīng)的附加合成信號和從作為選擇的激勵序列的輸入信號得到的參考信號之間的最小誤差。
11.編碼方法，包括得出代表輸入信號特征性質(zhì)的多個分析參量，產(chǎn)生多個激勵序列和選擇激勵序列以導(dǎo)致在從所述激勵序列得到的合成信號和從輸入信號得到的目標(biāo)信號之間的最小誤差，產(chǎn)生代表選擇的激勵序列的信號，其特征在于，該方法包括按照由減少的分析參量集控制的減少復(fù)雜性的濾波方法從多個激勵序列得到多個合成信號，以及在于該方法包括選擇激勵序列以導(dǎo)致在相應(yīng)的合成信號和目標(biāo)信號之間的最小誤差。
全文摘要
在CELP編碼器中進(jìn)行了在目標(biāo)信號和多個合成信號之間的比較。合成信號通過具有從目標(biāo)信號得出的參量的合成濾波器對多個激勵序列進(jìn)行濾波而被得出。導(dǎo)致在目標(biāo)信號和合成信號之間的最小誤差的激勵信號被選出。搜尋最佳激勵信號需要很大的計算復(fù)雜性。為了減少復(fù)雜性,通過使用減小復(fù)雜性的合成濾波器預(yù)選少量的激勵序列。用該少量激勵序列進(jìn)行完全復(fù)雜性的搜尋。由于在最后選擇時的減少數(shù)目的激勵序列,因此減少了所需要的計算復(fù)雜性。
文檔編號G10L19/06GK1188557SQ97190315
公開日1998年7月22日 申請日期1997年1月31日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月15日
發(fā)明者F·武珀曼, E·卡特曼, R·J·斯勒伊特爾, F·M·J·德邦特 申請人:菲利浦電子有限公司