CN101383151B - 一种数字音频质量增强系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字音频质量增强系统和方法。系统包括：解码增益计算模块，后滤波开关模块，长时后滤波模块，全局增益控制模块，基音跟踪模块。解码增益计算模块确定接收到的音频信号的增益值；后滤波开关模块判断解码增益计算模块中确定的增益值是否超过阈值，超过则启用长时后滤波模块，否则直接将解码音频信号输出。长时后滤波模块对解码音频信号进行长时后滤波处理后输出；全局增益控制模块对长时后滤波器的输出音频信号进行的总的增益控制。基音跟踪模块根据解码信号和基音信息求得基音周期，将基音周期输入到长时后滤波模块中作为滤波参数的控制量。本发明降低了数字音频后处理过程的复杂程度，并可以获得较佳的基音增强效果。

Description

一种数字音频质量增强系统和方法

技术领域

本发明涉及数字音频信号的处理，特别是音频质量的增强。

背景技术

在常见的宽带数字音频设备中，通过网络传输或音频编解码以后，语音感知质量常常会有明显下降，于是在音频信号播放之前，常常采用需要采用某种处理方法对音频感知质量进行增强，例如在音频编解码器中的后处理算法。目前扩展的自适应多速率宽带编解码器中用到的后处理是一种频带可选的基音增强后处理算法。该方法对已解码信号进行分频处理，将解码信号通过高通提取高频成分，将基音增强以后的解码信号通过低通滤波器得到低频成分，最终合并两部分得到最终输出信号。分频处理增加了解码器的复杂度。另外一种常用于基音增强的技术是采用梳状滤波器，通过梳状滤波器实现基音增强。但前提是梳状滤波器的系数能自适应语音信号谱的变化，这一点实现起来较困难。

发明内容

本发明就是为了解决上述问题，提出了一种简洁的数字音频质量增强系统和方法。在可以获得较佳的数字音频感知质量的前提下，进一步降低了音频处理过程的复杂程度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种数字音频质量增强系统，包括：解码增益计算模块，后滤波开关模块，长时后滤波模块，全局增益控制模块，基音跟踪模块；其中

解码增益计算模块：根据输入的解码音频信号计算出的信号能量确定接收到的音频信号的增益；该增益值送入后滤波开关模块中用于控制是否启用长时后滤波模块，同时也作为长时后滤波器参数的一个控制量；

后滤波开关模块：判断解码增益计算模块中确定的增益是否超过预定的阈值，若超过该阈值则启用长时后滤波模块进行长时后滤波处理，否则直接输出最终音频信号，其中，阈值设置为0.62。

长时后滤波模块：功能就是削减基音谐波峰值间的噪声成分，增强输出音频质量；该模块对解码音频信号进行长时后滤波处理后输出；滤波后的音频信号输入到全局增益控制模块中做增益控制。

全局增益控制模块：对长时后滤波器的输出音频信号通过一个全局增益变量进行的总的增益控制，之后输出最终音频信号。

基音跟踪模块：功能是根据解码信号和基音信息求得基音周期，将基音周期输入到长时后滤波模块中作为滤波器参数的控制量。

进一步地，解码增益计算模块，首先计算相邻基音周期的信号能量的比值，然后将该比值与从码流中解码获得的增益进行比较并取其中较小的一个作为最终的解码信号的增益值。

进一步地，长时后滤波模块，采用了全零点后滤波模型来实现后滤波处理。

进一步地，基音跟踪模块，全局增益变量由解码增益计算模块计算出的基音增益通过运算以后求得。

进一步地，基音跟踪模块，采用了AMR-WB+(扩展的自适应多速率宽带)编解码器中的基音跟踪模块。

一种数字音频质量增强方法，包括以下步骤：

第一步：根据输入的解码音频信号计算出的信号能量确定接收到的解码信号的增益值；

第二步：判断第一步中确定的增益值是否大于预定的阈值，如果大于，则执行第三步，否则执行第五步，其中，阈值设置为0.62；

第三步：对解码音频信号进行长时后滤波处理；

第四步：进行全局增益控制后输出为最终信号；

第五步：将输入的解码音频信号直接输出为最终信号。

进一步地，第一步中，计算相邻基音周期的信号能量的比值，然后将该比值与从码流中解码获得的增益进行比较并取其中较小的一个作为最终的解码信号的增益值。

进一步地，第三步中，采用了全零点后滤波模型来实现后滤波处理。

与现有技术相比，本发明提供了一种数字音频质量增强系统和方法，由于对后滤波开关模块中的阈值的判断和后处理滤波模块中的系数的配置的处理过程的实现较为简单，降低了处理过程的复杂程度，并可以获得较佳的基音增强效果。

附图说明

图1是本发明系统各模块的模块关系图；

图2是本发明实施例的流程图。

具体实施方式

下面结果附图对本发明所提出的数字音频质量增强系统和方法的实施作进一步的详细描述。

如图1所示，是本发明系统各模块的模块关系图。

解码增益计算模块：

根据输入的解码音频信号计算出的信号能量确定接收到的音频信号的增益。首先计算相邻基音周期的信号能量的比值，然后将该比值与从码流中解码获得的增益进行比较并取其中较小的一个作为最终的解码信号的增益值。该增益值送入后滤波开关模块中用于控制是否启用长时后滤波模块，同时也作为长时后滤波器参数的一个控制量。

后滤波开关模块：

判断解码增益计算模块中确定的增益是否超过预定的阈值，若超过该阈值则进行长时后滤波处理，否则直接输出最终音频信号。

该模块对于何时使用后处理，设置了一个判断阈值，即开关量，即当解码增益计算模块中确定的增益大于开关量时，才做后滤波操作，将后滤波以后的音频信号输出，否则不启用长时后滤波模块，直接输出最终音频信号，其中，解码增益计算模块中确定的增益为当前周期与前一周期的信号能量比、以及从码流中解码获得的增益中的较小的一个。

长时后滤波模块：

长时后滤波器的功能就是削减基音谐波峰值间的噪声成分，增强输出音频质量。该模块对解码音频信号(即解码端解码获得的基音合成信号)进行长时后滤波处理后输出。长时后滤波器参数通过基音跟踪模块计算出的基音周期来做自适应的调整。滤波后的音频信号输入到全局增益控制模块中做增益控制。

本算法只采用了全零点后滤波模型来实现对基音谐波间的噪声的削弱处理。为保证基音谐波的波峰仍在以上的频率处，零点应添加在那些与基音谐波间的波谷位置相对应的频率处。通过做自适应的增益控制，最终信号的感知质量可以大大提高。

全局增益控制模块：

该模块对长时后滤波器的输出音频信号通过一个全局增益变量进行的总的增益控制。全局增益变量由解码增益计算模块计算出的基音增益通过运算以后求得。全局增益控制模块采取的是自适应的增益控制方法，可以实时求取全局增益。通过全局增益控制模块以后的音频信号避免了由于长时后滤波模块中引入的增益波动过大而导致的音频感知质量下降。

基音跟踪模块：

由于滤波器的设计及滤波效果都和基音周期的准确预测密切相关，所以本模块采用了AMR-WB+编解码器中的基音跟踪模块。其功能是根据解码信号和基音信息求得基音周期，将基音周期输入到长时后滤波模块中作为滤波器参数的控制量。

如图2所示，是本发明实施例的流程图，图中，首先对解码后的音频信号进行增益计算，然后将该增益与预先设置的阈值进行比较，如果大于阈值，就进行长时后滤波和全局增益控制处理，之后输出最终音频信号。如果不大于阈值，就直接输出最终音频信号。

具体实施方法如下：

第1步.根据解码信号确定接收到的解码信号的增益。具体包括：

确定相邻基音周期的信号幅值的比值，为与AMR-WB+中相一致，幅值比的计算方法为

$R=\sqrt{\frac{0.01+\underset{i=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{s_i}^2\left(i\right)}{0.01+\underset{i=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{s_i}^2(i+T)}}---\left(1\right)$

将该比值R与从码流中解码获得的增益进行比较并取其中较小的一个作为最终的解码信号的增益值g_a。其中s_i表示输入该系统的解码音频信号，T为基音跟踪模块求出的基音周期值。

第2步.判断1中确定的增益是否超过预定的阈值，若超过，则执行第3步，否则执行第4步；

该算法对于何时使用后处理，设置了一个判断域值E_thr，即当当前周期与前一周期的信号能量比E_com大于E_thr时，才做后滤波操作，否则不进行该后处理，直接输出最终音频信号。

其中，根据实验，E_thr可以选择0.62；

第3步.对解码音频信号(即解码端解码获得的基音合成信号)进行长时后滤波处理后输出；

长时后滤波处理就是削减基音谐波峰值间的噪声成分。在基于CELP(码激励线性预测)的编解码器中，基音预测器就包含着基音周期的各种信息，基音预测器的传输函数为H_p(z)＝1-g_pz^-T。为方便描述，将其重写为

$\frac{1}{B\left(z\right)}=\frac{1}{1-g_p{z}^{-T}}---\left(2\right)$

其中g_p为基音增益，T为基音周期。该基音合成滤波器在半径为g_p ^1/T的圆周上有T个极点，且各极点间是等间隔分布的。考虑到基音增益总是正值，所以这些极点分别位于相角为0，2π/T，……，(T-1)*2π/T处，这些位置和基音谐波的峰值处是一一对应的。

本算法只采用了全零点后滤波模型来实现对基音谐波间的噪声的削弱处理。为保证基音谐波的波峰仍在以上的频率处，零点应添加在那些与基音谐波间的波谷位置相对应的频率处，即在π/T，……，(2T-1)*π/T处，所以滤波器的形式为

H(z)＝G₁(1+λz^-T)                 (3)

其中，G₁为对该滤波器的全局增益控制，λ为一个局部调整因子。

λ的取值范围一般在0～1之间，它的取值决定了相隔一个基音周期的信号之间的加权程度，经实验后，本算法中取λ＝0.1。

基音后处理滤波器在削弱谐波间噪声的同时，也会使谐波处的峰值有稍许的变化。所以，为使滤波操作能够和语音频谱的实时特性相符合，应在由后滤波操作所引起的信号扭曲和噪声降低之间找到一个平衡点。对于全局增益G₁，该模块采取的是自适应的增益控制方法。

设k时刻该后处理滤波器的输入为x(n)，输出为y(n)，则从(3)的传输函数可得

y(n)＝G₁×[x(n)+λ×x(n-T)]                (4)

对于浊音帧，根据强周期性可知，其相邻周期内的波形仅是幅度上的差异，所以可令

x(n-T)≈g_a×x(n)                      (5)

其中g_a为增益计算模块输出的增益值。将(5)代入到(4)中，可得

y(n)≈G₁×[1+λ×g_a]×x(n)            (6)

由以上推导可以看出，若不做自适应的增益控制，则滤波器在完成削弱谐波间噪声的基音增强后处理的同时会使输出y(n)比输入x(n)大出很多，这会使最终信号的感知质量大大下降。所以，全局增益G₁的自适应值可设置为

$G_1\≈\frac{1}{1+\mathrm{\λ}\×g_a}---\left(7\right)$

此外，由于滤波器的设计及滤波效果都和基音周期的准确预测密切相关，所以本模块仍采用AMR-WB+中的基音跟踪模块。

第4步.将解码端获得的基音合成信号输出。

在第2步和第3步中，设解码音频信号为s_i，进行基音增强后处理后的输出信号为y_out，则

$y_{\mathrm{out}}=\left\{\begin{array}{cc}{s}_i,& \mathrm{if}{E}_{\mathrm{com}}<E_{\mathrm{thr}}\\ s_i\&CircleTimes;h,& \mathrm{if}{E}_{\mathrm{com}}\&GreaterEqual;E_{\mathrm{thr}}\end{array}\right.---\left(18\right)$

其中，h为长时后滤波器H(z)的脉冲响应函数。且该式表示，在第4步中输出的最终音频信号有两种：

(1)一种是经过第3步的后滤波处理后，且经过自适应增益调整的合成信号；

(2)另一种为未经第3步处理而直接输出的音频信号。

Claims (8)

1.一种数字音频质量增强系统，其特征在于，包括：解码增益计算模块，后滤波开关模块，长时后滤波模块，全局增益控制模块，基音跟踪模块；其中

解码增益计算模块：根据输入的解码音频信号确定接收到的音频信号的增益值；该增益值送入后滤波开关模块中用于控制是否启用长时后滤波模块，同时也作为长时后滤波器参数的一个控制量；

后滤波开关模块：判断解码增益计算模块中确定的增益是否超过预定的阈值，若超过该阈值则启用长时后滤波模块进行长时后滤波处理，否则直接输出最终音频信号，其中，所述阈值设置为0.62；

长时后滤波模块：对解码音频信号进行长时后滤波处理后输出到全局增益控制模块中做增益控制；

全局增益控制模块：对长时后滤波器的输出音频信号通过一个全局增益变量进行的总的增益控制，输出最终音频信号；

基音跟踪模块：功能是根据输入的解码音频信号求得基音周期，将基音周期输入到长时后滤波模块中作为滤波器参数的控制量。

2.如权利要求1所述的数字音频质量增强系统，其特征在于，所述解码增益计算模块，首先计算相邻基音周期的信号能量的比值，然后将该比值与从码流中解码获得的增益进行比较并取其中较小的一个作为最终的解码信号的增益值。

3.如权利要求1所述的数字音频质量增强系统，其特征在于，所述长时后滤波模块，采用了全零点后滤波模型来实现后滤波处理。

4.如权利要求1所述的数字音频质量增强系统，其特征在于，所述全局增益控制模块，全局增益变量由解码增益计算模块计算出的音频信号的增益通过运算以后求得。

5.如权利要求1所述的数字音频质量增强系统，其特征在于，所述基音跟踪模块，采用AMR-WB+编解码器中的基音跟踪模块。

6.一种数字音频质量增强方法，包括以下步骤：

第一步：根据输入的解码音频信号计算出的信号能量确定接收到的音频信号的增益值；

第二步：判断第一步中确定的增益值是否大于预定的阈值，如果大于，则执行第三步，否则执行第五步，其中，所述阈值设置为0.62；

第三步：对解码音频信号进行长时后滤波处理；

第四步：进行全局增益控制后输出为最终信号；

第五步：将输入的解码音频信号直接输出为最终信号。

7.根据权利要求6所述的数字音频质量增强方法，其特征在于，所述第一步中，计算相邻基音周期的信号能量的比值，然后将该比值与从码流中解码获得的增益进行比较并取其中较小的一个作为最终的音频信号的增益值。

8.根据权利要求6所述的数字音频质量增强方法，其特征在于，所述第三步中，采用了全零点后滤波模型来实现后滤波处理。

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