專利名稱：碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)(celp)編碼器中搜索激勵(lì)代碼簿的方法和裝置、的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及語音處理。特別是，本發(fā)明涉及用于將最佳激勵(lì)矢量設(shè)置在碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)(CELP)編碼器內(nèi)的新穎和經(jīng)改進(jìn)的方法及裝置。
相關(guān)技術(shù)的描述運(yùn)用數(shù)字技術(shù)傳輸語音已十分普遍，特別是，在長(zhǎng)途和數(shù)字無線電話應(yīng)用中。這反過來對(duì)確定方法產(chǎn)生興趣，這種方法使在傳輸信道上傳輸?shù)男畔⒘孔钚?，同時(shí)使重組的語音保持高質(zhì)量。如果通過簡(jiǎn)單采樣和數(shù)字化發(fā)送語音，那么需要大約為64千比特/秒(kbps)的數(shù)據(jù)速率來獲得傳統(tǒng)模擬電話的語音質(zhì)量。然而，通過運(yùn)用語音分析，隨后進(jìn)行適當(dāng)編碼、發(fā)送和在接收機(jī)處的再合成，可以大大降低數(shù)據(jù)速率。
一般把采用通過提取與人語音生成的模型相關(guān)的參數(shù)的技術(shù)來壓縮有聲語音(voiced speech)的裝置稱為聲碼器。這種裝置包括編碼器和解碼器，其中編碼器分析輸入語音以提取相關(guān)參數(shù)，而解碼器運(yùn)用在傳輸信道上接收到的該參數(shù)再合成語音。該模型不斷地變化以正確地建立時(shí)間變化的語音信號(hào)的模型。于是，在計(jì)算參數(shù)期間，將語音分成時(shí)間塊，或者分析幀。然后，每一新幀就更新參數(shù)。
在各種語音編碼器中，碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)(CELP)編碼、隨機(jī)編碼或矢量激勵(lì)語音編碼編碼器(vector excited speech coding coder)屬于一類。在Thomas E.Tremain等人所著的論文“一種4.8kbps碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼器”(Proceedings ofthe MobileSatellite Conference，1988)中描述這種特殊類型的編碼算法的例子。類似地，在美國(guó)專利第5,414,796號(hào)(發(fā)明名稱為“變速率聲碼器”，已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，并作為參考資料在此引入)中描述這種其它聲碼器的例子。
聲碼器的功能在于通過除去在語音中固有的所有自然冗余碼，把數(shù)字化語音信號(hào)壓縮成低比特率信號(hào)。在CELP編碼器中，利用短項(xiàng)共振峰(short termformant)(或LPC)濾波器去除冗余碼。一旦除去這些冗余，可以建立所得剩余信號(hào)的模型作為白高斯噪聲，其中還必須對(duì)該噪聲進(jìn)行編碼。
下面詳細(xì)描述確定對(duì)于給定語音幀的編碼參數(shù)的處理過程。首先，通過找到濾波器系數(shù)來確定LPC濾波器的參數(shù)，它去除由聲域?yàn)V波引起的在語音中的短期冗余。接著，通過用在代碼簿中的多個(gè)隨機(jī)激勵(lì)波形來驅(qū)動(dòng)LPC濾波器并選擇導(dǎo)致LPC濾波器的輸出最接近于原始語音的特定激勵(lì)波形，來選擇在解碼器處被輸入到LPC濾波器的激勵(lì)信號(hào)。于是，被發(fā)送的參數(shù)涉及(1)LPC濾波器和(2)代碼簿激勵(lì)矢量的識(shí)別。
把預(yù)定(promising)激勵(lì)代碼簿結(jié)構(gòu)稱為代數(shù)碼簿。在現(xiàn)有技術(shù)中，已知代數(shù)碼簿的實(shí)際結(jié)構(gòu)，而且在由J.P.Adoul等人所著的文章“根據(jù)代數(shù)碼的快速CELP編碼”(1987年4月6-9日，Proceedings of ICASSP)中描述它。還在美國(guó)專利第5,444,816號(hào)(發(fā)明名稱為“根據(jù)代數(shù)碼的有效語音編碼的動(dòng)態(tài)代碼簿”，并作為參考資料在此引入)中進(jìn)一步描述對(duì)代數(shù)碼的運(yùn)用。
發(fā)明概述通過基于CELP編碼器的合成所進(jìn)行的分析運(yùn)用最小均方誤差測(cè)量(measure)來將最佳合成語音矢量與目標(biāo)語音矢量匹配。用這種測(cè)量來搜索代碼矢量(codevector)代碼簿以選擇當(dāng)前子幀的最佳矢量。這種均方誤差測(cè)量一般局限于窗口，在該窗口范圍內(nèi)選擇激勵(lì)代碼矢量，而且不計(jì)及該代碼矢量對(duì)被搜索的下一個(gè)子幀所做的貢獻(xiàn)。
在本發(fā)明中，擴(kuò)展使均方誤差測(cè)量最小的窗口尺寸以說明在當(dāng)前子幀中的代碼矢量的振鈴(ringing)進(jìn)入到下一子幀的原因。窗口擴(kuò)展等于感知(perceptual)加權(quán)濾波器的沖激響應(yīng)的長(zhǎng)度，h(n)。在本發(fā)明中的均方誤差方法與在LPC分析中用到的最小均方誤差的自相關(guān)方法相類似，由Thomas E.Tremain等人在“一種4.8kbps碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼器”(Proceedings of the Mobile Satellite Conference，1988)一文中描述了上述自相關(guān)方法。
根據(jù)這種觀點(diǎn)用公式闡明均方誤差問題，比起當(dāng)前解決方法，本發(fā)明有下列優(yōu)點(diǎn)1.)在測(cè)量中說明從當(dāng)前子幀到下一個(gè)子幀的代碼矢量的振鈴，然后與設(shè)置在矢量開始部分的脈沖相同地對(duì)設(shè)置在矢量末端的脈沖加權(quán)。
2.)對(duì)于整個(gè)子幀，感知加權(quán)濾波器的沖激響應(yīng)變得穩(wěn)定，以產(chǎn)生h(n)，Φ(i，j)，Toeplitz的自相關(guān)矩陣或者上述另一種方法，Φ(i，j)＝Φ|i-j|。于是，本發(fā)明使2-D矩陣變成1-D矢量，而且減小了代碼簿搜索以及計(jì)算操作所需的RAM。


當(dāng)結(jié)合附圖，通過下面詳細(xì)的說明，本發(fā)明的特性、目的和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見，在附圖中相同標(biāo)號(hào)表示相應(yīng)部分，其中圖1示出用于在ACELP編碼器中選擇代碼矢量的傳統(tǒng)裝置；圖2是用于在ACELP編碼器中選擇代碼矢量的本發(fā)明的裝置的方框圖；和圖3是示出用于選擇本發(fā)明中代碼矢量的方法的流程圖。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述圖1示出用于執(zhí)行代數(shù)代碼簿搜索的傳統(tǒng)裝置和方法。代碼簿發(fā)生器6包括脈沖發(fā)生器2，它響應(yīng)于脈沖位置信號(hào)，Pi，生成帶有在第i位置上的單位脈沖的信號(hào)。在示例實(shí)施例中，代碼簿激勵(lì)矢量包括四十個(gè)采樣，而且將單位沖激的可能位置分成軌跡(track)T0至T4，如下表1所示。
表 1軌跡 位置T0 0，5，10，15，20，25，30，35T1 1，6，11，16，21，26，31，36T2 2，7，12，17，22，27，32，37T3 3，8，13，18，23，28，33，38T4 4，9，10，19，24，29，34，39在示例實(shí)施例中，由脈沖發(fā)生器2為每個(gè)軌跡提供一個(gè)脈沖。Np是在激勵(lì)矢量中的脈沖數(shù)。在示例實(shí)施例中，Np是5。對(duì)于每個(gè)脈沖，Pi，將相應(yīng)符號(hào)Si分配給該脈沖。由乘法器4示出脈沖的符號(hào)，其中乘法器4把在位置Pi處的單位脈沖與符號(hào)值Si相乘。由下面等式(1)給定所得代碼矢量，Ck。ck(j)=Σi=0Np-1si·δ(j-pi).......(1)]]>濾波器發(fā)生器12生成對(duì)于共振峰濾波器的抽頭值(tap value)，h(n)，如在現(xiàn)有技術(shù)中熟知并在上述美國(guó)專利第5,414,796號(hào)中所述的那樣。一般，對(duì)于M個(gè)采樣可以計(jì)算沖激函數(shù)，h(n)，其中M是被搜索的子幀長(zhǎng)度，例如，40。
向存儲(chǔ)元件13提供復(fù)合濾波器系數(shù)，h(n)，并作為兩維三角Toeplitz矩陣(H)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)元件13中，其中對(duì)角線是h(0)，而且較低對(duì)角線是h(1)…，h(M-1)，如下所示。

由存儲(chǔ)器13向矩陣乘法元件14提供該值。然后，根據(jù)下列等式(3)，將H與它的轉(zhuǎn)置矩陣相乘以給定沖激響應(yīng)矩陣Φ的相關(guān)性。

然后，向存儲(chǔ)元件18提供相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果，并作為兩維矩陣存儲(chǔ)在存儲(chǔ)元件18中，其中在該實(shí)施例中兩維矩陣需要存儲(chǔ)器中402或1600個(gè)位置。
對(duì)感知加權(quán)濾波器32提供輸入語音幀s(n)并由該濾波器32對(duì)其進(jìn)行濾波，以提供目標(biāo)信號(hào)x(n)。在現(xiàn)有技術(shù)中已知感知加權(quán)濾波器32的設(shè)計(jì)方案及實(shí)施過程，而且在上述美國(guó)專利第5,414,796號(hào)中對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。
向矩陣乘法元件16提供目標(biāo)信號(hào)的采樣值x(n)和沖激矩陣值H(n)，其中所述矩陣乘法元件16根據(jù)下列等式(4)計(jì)算在目標(biāo)信號(hào)和沖激響應(yīng)之間的互相關(guān)性。

向矩陣乘法元件22提供來自存儲(chǔ)元件20的值d(i)和代碼簿矢量幅度要素(element)的值Ck，其中所述矩陣乘法元件22根據(jù)下列等式(5)，將代碼簿矢量幅度要素與矢量d(n)相乘，并對(duì)所得值求平方。Exy2=(Σi=0Np-1ck(pi)·d(pi))2.......(5)]]>向矩陣乘法元件26提供代碼簿幅度要素Ck和代碼簿脈沖位置矢量p。矩陣乘法元件26根據(jù)下列等式(6)計(jì)算值Eyy。Eyy=Σi=0Np-1φ(pi,pj)+2·Σi=0Np-1Σj=i+1Np-1ck(pi)ck(pj)φ(pi,pj)....(6)]]>向除法器28提供Eyy和(Exy)2的值，其中除法器28根據(jù)下列等式(7)計(jì)算值Tk。Tk=(Exy)2Eyy......(7)]]>向極小化元件30提供對(duì)于每個(gè)代碼簿矢量幅度要素Ck的值和編碼的脈沖位置矢量P，而且選擇使值Tk最大的代碼簿矢量。
參照?qǐng)D2，示出用于在本發(fā)明中選擇代碼矢量的裝置。在圖3中，示出本發(fā)明的運(yùn)算(operational)流程的流程圖。首先，在框100中，本發(fā)明預(yù)先計(jì)算值d(k)，由于它的值不隨著被搜索的代碼矢量而變化，所以可以預(yù)先計(jì)算并存儲(chǔ)它。
向生成目標(biāo)信號(hào)x(n)的感知加權(quán)濾波器76提供語音幀s(n)。所得目標(biāo)語音段x(n)包括向乘法和累加元件78提供的M+L-1個(gè)感知加權(quán)采樣。L是感知加權(quán)濾波器76的沖激響應(yīng)的長(zhǎng)度。通過感知加權(quán)濾波器76對(duì)語音信號(hào)的M個(gè)采樣進(jìn)行濾波，然后繼續(xù)使這個(gè)濾波器對(duì)于L-1個(gè)附加采樣發(fā)出振鈴(ring out)同時(shí)施加零輸入矢量作為到感知加權(quán)濾波器76的輸入，產(chǎn)生這個(gè)擴(kuò)展的長(zhǎng)度目標(biāo)語音矢量x(n)。
如前面參照濾波器發(fā)生器12所述，濾波器發(fā)生器56計(jì)算對(duì)于共振峰濾波器的濾波器抽頭系數(shù)，而且根據(jù)這些系數(shù)確定沖激響應(yīng)h(n)。然而，濾波器發(fā)生器56根據(jù)從0至L-1的延遲，生成濾波器響應(yīng)，其中L是沖激響應(yīng)h(n)的長(zhǎng)度。應(yīng)注意，雖然如在示例實(shí)施例中所述沒有音調(diào)濾波器(pitch filter)，但是正如現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣，通過對(duì)沖激響應(yīng)的簡(jiǎn)單變更，同樣可以可將本發(fā)明用于存在音調(diào)濾波器的情況。
向乘法和累加元件78提供來自濾波器發(fā)生器56的值h(n)。乘法和累加元件78根據(jù)下面的等式(8)計(jì)算目標(biāo)序列x(n)與濾波沖激響應(yīng)h(n)的互相關(guān)。

然后，把計(jì)算值d(n)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)元件80中。
在框102中，本發(fā)明預(yù)先計(jì)算計(jì)算Eyy所需的值Φ。在這里，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的節(jié)省存儲(chǔ)器的最大獲益。由于均方誤差測(cè)量已超過較大窗口，所以現(xiàn)在h(n)在整個(gè)子幀范圍內(nèi)不變，之后由于Φ(i，j)＝Φ(|i-j|)，所以2-DΦ(i，j)矩陣變成1-D矢量。在如表1中所述的本實(shí)施例中，這意味著，傳統(tǒng)方法需要1600個(gè)Ram存儲(chǔ)單元，而本發(fā)明只需要40個(gè)。此外，在整個(gè)2-D矩陣，計(jì)算和存儲(chǔ)1-D矢量的過程中也可以獲得運(yùn)算總數(shù)節(jié)省(operation count savings)。在本發(fā)明中，根據(jù)下面的等式(9)，計(jì)算值Φ。Φ(i)=Σn=0L-1h(n)h(n-i).......(9)]]>把值Φ(i)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)元件80中，其中存儲(chǔ)元件80只需要L個(gè)存儲(chǔ)單元，這與需要存儲(chǔ)M2個(gè)元素的傳統(tǒng)方法不同。在本實(shí)施例中，L＝M。
在框104中，本發(fā)明計(jì)算互相關(guān)值Exy。向乘法和累加元件62提供存儲(chǔ)在存儲(chǔ)元件80中的值d(k)和來自代碼簿發(fā)生器50的當(dāng)前代碼簿矢量ci(k)。乘法和累加元件62根據(jù)等式(10)計(jì)算目標(biāo)矢量x(k)和代碼簿矢量幅度要素ci(k)的互相關(guān)。Exy=Σk=0Npci(pk)·d(pk)......(10)]]>于是，向計(jì)算Exy平方的平方裝置64提供值Exy。
在框106中，本發(fā)明計(jì)算經(jīng)合成語音的自相關(guān)值，Eyy。由代碼簿發(fā)生器50向乘法和累加元件70提供代碼簿矢量幅度要素ci(k)和cj(k)。此外，向乘法和累加元件70提供來自存儲(chǔ)元件60的值Φ|i-j|。乘法和累加元件70計(jì)算在下面等式(11)中給出的值。Σi=0NpΣj=i+1Npck(pi)·ck(pj)·Φ|pi-pj|......(11)]]>向乘法器72提供經(jīng)乘法和累加裝置70計(jì)算的值，其中將它的值加倍。向加法器74的第一輸入提供來自乘法器72的積。
存儲(chǔ)元件60向乘法器75提供Φ(0)的值，其中將它與值Np相乘。向加法器74的第二輸入提供來自乘法器75的積。來自加法器74的和是根據(jù)下面的等式(12)給定的值Eyy。Eyy=Np·Φ(0)+2·Σi=0NpΣj=i+1Npck(pi)·ck(pj)·Φ|pi-pj|.....(12)]]>通過本發(fā)明的等式(12)與傳統(tǒng)搜索方法的等式(6)相比較，可以獲得對(duì)計(jì)算資源的節(jié)省的理解。這種節(jié)省源于比起Φ(pi，pj)的2-D存取而言對(duì)1-D矩陣(Φ|pi-pj|)的更快的尋址、源于Eyy計(jì)算所需的更少加法(對(duì)于示例實(shí)施例，等式(6)需要15次加法，而等式(12)需要11次，假設(shè)ck(pi)只取1或-1符號(hào)項(xiàng))并源于由于不需要存儲(chǔ)Φ(i，i)而對(duì)1360Ram存儲(chǔ)單元節(jié)省。
在框108中，本發(fā)明計(jì)算(Eyy)2/Eyy的值。向除法器66的第一輸入提供來自加法元件74的值Eyy。向除法器66的第二輸入提供由平方裝置64提供的(Exy)2的值。然后，除法器66計(jì)算由下面等式(13)給定的商。Exy2Eyy........(13)]]>向最小化元件66提供來自除法器66的商值。在框110中，如果未測(cè)試所有矢量Ck，那么流程回到框104，而且如上所述測(cè)試下一個(gè)代碼矢量。然后，如果已測(cè)試所有矢量，那么在框112中，最小化元件68選擇代碼矢量，它導(dǎo)致(Exy)2/Eyy的最大值。
提供較佳實(shí)施例的上述說明以使熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的任何人員能夠進(jìn)行或使用本發(fā)明。對(duì)于熟悉本技術(shù)的人員，對(duì)這些實(shí)施例的各種變更是顯而易見的，而且這里所述的一般原理可應(yīng)用于其它實(shí)施例，而不需要進(jìn)行創(chuàng)造性勞動(dòng)。于是，本發(fā)明并不局限于這里所示的實(shí)施例，而是根據(jù)與這里所揭示的原理和新穎性一致的最寬范圍。
權(quán)利要求
1.在一種提供合成語音的線性預(yù)測(cè)編碼器中，其中短項(xiàng)和長(zhǎng)項(xiàng)冗余由具有L個(gè)抽頭的濾波器從N個(gè)數(shù)字化語音采樣幀中加以除去，產(chǎn)生N個(gè)采樣的剩余的波形，所述濾波器具有沖激響應(yīng)h(n)，一種運(yùn)用k代碼簿矢量Ck對(duì)所述剩余波形進(jìn)行編碼的方法，其特征在于，包括下列步驟將目標(biāo)信號(hào)x(n)與所述沖激響應(yīng)h(n)卷積以提供第一卷積；對(duì)沖激響應(yīng)矩陣自相關(guān)，其中所述沖激響應(yīng)矩陣是帶有作為第零個(gè)沖激響應(yīng)值的對(duì)角線h(0)和較低對(duì)角線h(1)，…，h(L-1)的較低三角形托普利茲矩陣，而且根據(jù)下列等式計(jì)算所述沖激響應(yīng)自相關(guān)Φ(i)=Σn=0L-1h(n)h(n-i);]]>根據(jù)所述沖激響應(yīng)矩陣和所述代碼簿矢量Ck的所述自相關(guān)，對(duì)所述合成語音自相關(guān)，以提供合成語音自相關(guān)值，Eyy；根據(jù)所述第一卷積和所述代碼簿矢量，使所述合成語音和所述目標(biāo)語音互相關(guān)，以提供互相關(guān)值Exy；和根據(jù)所述互相關(guān)值Exy和所述合成語音自相關(guān)值Eyy，選擇代碼簿矢量。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括下列步驟生成第一組濾波器系數(shù)；生成第二組濾波器系數(shù)；將所述第一組濾波器系數(shù)與所述第二組濾波器系數(shù)組合起來以提供所述沖激響應(yīng)h(n)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括接收N個(gè)數(shù)字化采樣的所述輸入幀；和感知加權(quán)所述輸入幀以提供所述目標(biāo)信號(hào)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)下列等式執(zhí)行將所述目標(biāo)信號(hào)和所述沖激響應(yīng)卷積的所述步驟
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括把所述沖激響應(yīng)自相關(guān)存儲(chǔ)在L個(gè)存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)器中。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)下列等式執(zhí)行使所述經(jīng)合成語音和所述目標(biāo)語音互相關(guān)的所述步驟Exy=Σk=0Npci(pk)·d(pk)]]>其中d(k)是目標(biāo)信號(hào)和脈沖響應(yīng)的互相關(guān)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)下列等式執(zhí)行使所述經(jīng)合成語音自相關(guān)的步驟Eyy=Np·Φ(0)+2·Σi=0NpΣj=i+1Npck(pi)·ck(pj)·Φ|pi-pj|]]>
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，選擇代碼簿矢量的所述步驟包括對(duì)于每個(gè)代碼矢量，Ck，求值Cxy的平方；對(duì)于每個(gè)代碼矢量Ck，用Exy的所述平方除經(jīng)計(jì)算值Eyy；和選擇使Eyy與Exy的平方之商最大的代碼矢量。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)代數(shù)代碼簿格式，選擇所述代碼簿矢量，Ck。
全文摘要
用于在代數(shù)代碼簿中選擇代碼矢量的方法和裝置,其中用于編碼器的分析窗口超過目標(biāo)語音幀的長(zhǎng)度。由感知加權(quán)濾波器(76)濾波輸入信號(hào)。然后,設(shè)定濾波器以對(duì)于等于感知加權(quán)濾波器(76)的長(zhǎng)度的采樣數(shù)發(fā)出振鈴,同時(shí)施加零輸入矢量作為輸入。通過擴(kuò)展分析窗口,可以將兩維沖激響應(yīng)矩陣作為一維自相關(guān)矩陣存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器(60,80)中,這大大簡(jiǎn)化了計(jì)算復(fù)雜性和節(jié)省了搜索所需的存儲(chǔ)量。
文檔編號(hào)G10L19/12GK1229502SQ97197717
公開日1999年9月22日 申請(qǐng)日期1997年7月31日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月31日
發(fā)明者安德魯·P·德雅科, 畢寧 申請(qǐng)人:夸爾柯姆股份有限公司