CN102930872A - 用于宽带语音解码中基音增强后处理的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于宽带语音解码中基音增强后处理的方法和装置。所述方法包括如下步骤：S1、处理语音信号中每一子帧的解码参数，分别计算出固定码矢和自适应码矢；S2、将固定码矢和自适应码矢相加，合成第一激励信号；S3、将自适应码矢进行基音增强滤波，得到基音增强后的自适应码矢；S4、将固定码矢和基音增强后的自适应码矢相加，合成第二激励信号；S5、利用第一激励信号对第二激励信号执行能量平滑，输出第三激励信号。本发明还涉及一种用于宽带语音解码的方法和解码器。本发明在不增加额外传输比特率的条件下以较低的运算复杂度实现了基音增强处理和能量平滑，从而实现了宽带解码语音信号主观音质的提高。

Description

用于宽带语音解码中基音增强后处理的方法及装置

技术领域

本发明涉及语音编解码技术，更具体地说，涉及一种用于宽带语音解码中基音增强后处理的方法及装置。

背景技术

语音编/解码器广泛地应用于数字通信系统，有效的发送/存储语音信号。在数字系统中，输入的模拟语音信号经过采样转化到数字域，在数字域中，对连续的语音采样做进一步处理。即语音编码器的输入为语音采样，输出则为压缩的比特流。压缩的比特流通过信道传入解码端，语音解码器接收该比特流，并产生重构的语音信号。

在CELP（Code Excited Linear Prediction，码激励线性预测）编码中，数字语音信号以帧为单位进行编码传输。对于每帧数字语音信号，编码器从中抽取多个编码参数，并将这些编码参数发送/存储。而CELP解码器则是处理所接收的编码参数重构合成语音信号的指定帧。在CELP编解码模式下，信道中传输的编码参数有：

LSF（Linear Spectrum Frequencies，线谱频率）或ISF（Immitance SpectrumFrequencies，导谱频率）；

基音参数，包括基音延迟和基音增益；

革新激励参数，包括固定码本索引和增益；

LSF或ISF系数按帧为单位进行编码传输，基音参数和革新激励参数一般按子帧为单位进行编码传输。其中，基音参数和革新激励参数描述了激励信号。LSF/ISF是LP（Linear Prediction，线性预测）滤波器的系数的频域表现形式。激励信号可以看作声门的输出，LP滤波器可以看作声道模型。所以当激励信号通过LP滤波器后，就得到输出的合成语音信号。

当前的各种语音编解码器，解码得到的重建语音信号不会和原始语音信号相同。压缩比越高，编码失真就越大。为了提升解码重建信号的质量，在解码端可以进行各种增强后处理。

在CELP编码模式中，其激励产生的二元模型中包括了模拟浊音特性的自适应码本激励和模拟清音特性的固定码本激励，其总的激励为自适应码本激励和固定码本激励的和，最后总的激励通过一个合成滤波器得到合成语音。由于人耳对低频信号比较敏感，在宽带语音编码中，可以通过增强激励码矢的低频部分的分量，即增强了激励信号中低频部分的贡献，从而增强了低频部分的周期性，最终提高合成语音信号的质量。

AMR-WB+是3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）主持制定的一个宽带音频编解码标准，主要应用于移动多媒体压缩。AMR-WB+编解码标准中，便使用了基音增强后处理，具体实现方法如下：

将激励码矢通过一个滤波器，降低激励码矢中固定码矢的低频分量，即提升自适应码矢激励低频部分的贡献，从而增强了激励信号中低频部分的周期性，其中使用的滤波器的转移函数为：

F(z)=-αz+1-αz^-1，

其中α是周期因子，计算如下：

α=0.125(1+r_v)，

其中，r_v=(E_v-E_c)/(E_v+E_c)，

其中，E_v为被缩放的自适应码矢的能量，

E_c为被缩放的固定码矢的能量，

b为自适应码本增益，v为自适应码本激励，g为固定码本增益，c为固定码本激励。

其中，-1≤r_v≤1。当r_v＝-1时为纯清音；当r_v＝1时为纯浊音。相应的，对于纯清音，α＝0；对于纯浊音，α＝0.25。α＝0.25时滤波器F(z)＝-αz+1-αz^-1的频谱图如图1所示。α＝0..1时滤波器F(z)＝-αz+1-αz^-1的频谱图如图2所示。

AMR-WB+编解码标准中采用的基音增强后处理方法在对革新码矢滤波后，改变了革新码矢的能量，但在最后没有做能量平滑，使得基音增强后的激励信号的能量普遍偏小。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种用于宽带语音解码中基音增强后处理的方法和装置，能够在不增加额外传输比特率的条件下以较低的运算复杂度实现基音增强处理和能量平滑，以达到宽带解码语音信号主观音质的提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提出一种用于宽带语音解码中基音增强后处理的方法，包括如下步骤：

S1、处理语音信号中每一子帧的解码参数，分别计算出固定码矢和自适应码矢；

S2、将固定码矢和自适应码矢相加，合成第一激励信号；

S3、将自适应码矢进行基音增强滤波，得到基音增强后的自适应码矢；

S4、将固定码矢和基音增强后的自适应码矢相加，合成第二激励信号；

S5、利用第一激励信号对第二激励信号执行能量平滑，输出第三激励信号。

本发明上述用于宽带语音解码中基音增强后处理的方法中，所述步骤S1进一步包括：

S11、将码本索引解码，得到固定码矢；

S12、将基音索引解码并经长时预测滤波，得到自适应码矢。

本发明上述用于宽带语音解码中基音增强后处理的方法中，所述步骤S3中基音增强滤波所采用的转移函数为：

$H\left(z\right)=\frac{1}{1-{\mathrm{\αz}}^{-1}},$

其中，H(z)为转移函数；

α＝0.1b，其中b为自适应码本增益。

本发明上述用于宽带语音解码中基音增强后处理的方法中，所述步骤S5进一步包括：

S51、计算第一激励信号和第二激励信号的能量以得到能量缩放因子：

$k=\frac{E_1}{E_2},$

其中，k为能量缩放因子，E₁为第一激励信号的能量，E₂为第二激励信号的能量；

S52、将所述能量缩放因子乘以所述第二激励信号，得到能量平滑后的所述第三激励信号。

本发明为解决其技术问题还提出一种用于宽带语音解码中基音增强后处理的装置，包括：

码矢计算模块，用于处理语音信号中每一子帧的解码参数，分别计算出固定码矢和自适应码矢；

第一合成模块，用于将固定码矢和自适应码矢相加，合成第一激励信号；

基音增强滤波模块，用于将自适应码矢进行基音增强滤波，得到基音增强后的自适应码矢；

第二合成模块，用于将固定码矢和基音增强后的自适应码矢相加，合成第二激励信号；

能量平滑模块，用于利用第一激励信号对第二激励信号执行能量平滑，输出第三激励信号。

本发明上述用于宽带语音解码中基音增强后处理的装置中，所述码矢计算模块进一步包括：

固定码矢计算模块，用于将码本索引解码，得到固定码矢；

自适应码矢计算模块，用于将基音索引解码并经长时预测滤波，得到自适应码矢。

本发明上述用于宽带语音解码中基音增强后处理的装置中，所述基音增强滤波模块所采用的转移函数为：

$H\left(z\right)=\frac{1}{1-{\mathrm{\αz}}^{-1}},$

其中，H(z)为转移函数；

α＝0.1b，其中b为自适应码本增益。

本发明上述用于宽带语音解码中基音增强后处理的装置中，所述能量平滑模块进一步包括：

能量缩放因子计算模块，用于计算第一激励信号和第二激励信号的能量以得到能量缩放因子：

$k=\frac{E_1}{E_2},$

其中，k为能量缩放因子，E₁为第一激励信号的能量，E₂为第二激励信号的能量；

乘法器，用于将所述能量缩放因子乘以所述第二激励信号，得到能量平滑后的所述第三激励信号。

本发明为解决其技术问题还提出一种用于宽带语音解码的方法，包括如下步骤：

a、对语音信号的解码参数中的导谱频率索引进行解码处理，得到合成滤波器的转移函数；

b、通过上述用于宽带语音解码中基音增强后处理的方法得到激励信号；

c、使用步骤a得到的转移函数对步骤b得到的激励信号进行合成滤波，输出语音信号。

本发明为解决其技术问题还提出一种用于宽带语音解码的解码器，包括：

参数处理模块，用于对语音信号的解码参数中的导谱频率索引进行解码处理，得到合成滤波器的转移函数；

如上所述的用于宽带语音解码中基音增强后处理的装置，用于得到激励信号；

合成滤波器，用于使用参数解码模块得到的转移函数对基音增强后处理装置得到的激励信号进行合成滤波，输出语音信号。

本发明的基音增强后处理是在得到自适应码矢和固定码矢后，对自适应码矢进行滤波，提升低频抑制高频，将滤波后的自适应码矢和固定码矢相加合成激励信号，最后对激励信号进行能量平滑。因而，本发明在不增加额外传输比特率的条件下以较低的运算复杂度实现了基音增强处理和能量平滑，从而实现了宽带解码语音信号主观音质的提高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术中AMR-WB+编解码标准采用的基音增强滤波器在α＝0.25时的频谱图；

图2是现有技术中AMR-WB+编解码标准采用的基音增强滤波器在α＝0..1时的频谱图；

图3是宽带语音编解码系统的示意框图；

图4是本发明一个实施例的解码器的原理性示意框图；

图5是本发明一个实施例的用于宽带语音解码中基音增强后处理的方法的流程图；

图6是本发明一个实施例的用于宽带语音解码中基音增强后处理的装置的逻辑框图；

图7是本发明一个实施例的基音增强滤波器在α＝0.1时的频谱图；

图8是本发明一个实施例的基音增强滤波器在α＝0.06时的频谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图3示出了宽带语音编解码系统100。如图3所示，语音信号经过语音编码器110（包括源编码器111和参数编码器112）编码成一系列的参数，这些参数通过信道120传送到解码端，经过解码器130（包括参数解码器131和源解码器132）解码还原出合成语音信号。

本发明主要体现在ACELP（Algebraic Code Excited Linear Prediction，代数码激励线性预测）编码模式的解码端，即解码器130中。本发明通过对自适应码矢进行基音增强滤波，提高自适应码矢在低频部分的贡献，最后对基音增强后的激励信号进行能量平滑，提高解码语音信号的主观听觉效果。以下将结合图4所示的根据本发明一个实施例的解码器200详细介绍本发明的技术方案。

如图4所示，解码器200主要包括ACELP解码参数模块210、参数处理模块220、基音增强后处理模块230和合成滤波器250。ACELP解码参数模块210获取数字语音信号的解码参数，包括ISF索引、码本索引、基音索引、自适应码本增益和固定码本增益。参数处理模块220对解码参数中的ISF索引进行解码处理，得到合成滤波器250的转移函数。具体如图4所示，ISF索引分别经过解码ISP（Immitance Spectrum Pairs，导抗频谱对）模块221、解码ISP并插值模块222和ISP参数转化为LP系数模块223的处理，得到

，即为合成滤波器250的转移函数。有关ISF索引的解码处理的具体实现过程，可以通过现有技术中各种合适的技术手段来实现，且并非本发明技术方案的关注点，故在此不再给出详细描述。

本发明的技术方案的改进点体现在基音增强后处理模块230，用于对自适应码矢进行基音增强滤波，以及对对基音增强后的激励信号进行能量平滑。具体参见图4，将解码参数基音索引传入解码自适应码本模块231，然后将得到的码矢通过长时预测（LTP）滤波器232滤波，出来后即得到自适应码矢C(n)。将解码参数码本索引传入解码固定码本模块235解码，可以得到固定码矢V(n)。通过第一放大器233利用解码参数中的自适应码本增益b对自适应码矢C(n)放大，通过第二放大器236利用解码参数中的固定码本增益g对固定码矢V(n)放大，然后由第一加法器237将放大后的自适应码矢C(n)和固定码矢V(n)相加，即得到未经基音增强处理的第一激励信号ex1(n)。

同时，将放大后的自适应码矢C(n)通过基音增强滤波器234滤波，得到基音增强后的自适应码矢C’(n)。基音增强滤波器234的作用是提升低频部分自适应码矢能量，以达到在宽带语音信号中对低频部分进行周期增强的效果。具体实施例中，基音增强滤波器234所采用的转移函数为：

$H\left(z\right)=\frac{1}{1-{\mathrm{\αz}}^{-1}},$

其中，H(z)为转移函数；α=0.1b，其中b为自适应码本增益。

由于自适应码本增益b本身和激励信号的周期性是密切相关的，自适应码本增益b的值越接近1，激励信号的周期性就越高。因此在本发明中，关于周期性系数α的选择运用了这一原理，取α＝0.1b。

然后，在第二加法器238中将固定码矢V(n)和基音增强后的自适应码矢C’(n)相加，即得到经基音增强处理的第二激励信号ex2(n)。能量缩放因子计算模块239利用合成的第一激励信号ex1(n)和第二激励信号ex2(n)计算得到能量缩放因子k，如下：

$k=\frac{E_1}{E_2},$

其中，k为能量缩放因子，E₁为第一激励信号的能量，E₂为第二激励信号的能量。经过基音增强处理的第二激励信号ex2(n)在乘法器240中与能量缩放因子k相乘，即得到最后的第三激励信号ex(n)。

最后，第三激励信号ex(n)经过合成滤波器250。合成滤波器250使用参数处理模块220得到的转移函数对第三激励信号ex(n)进行滤波，输出合成语音信号。该合成语音信号由于经过了基音增强和能量平滑处理，达到较好的语音效果。

结合以上描述，本发明提出一种用于宽带语音解码中基音增强后处理的方法和装置。图5示出了根据本发明一个实施例的用于宽带语音解码中基音增强后处理的方法300的流程图。如图5所示，该方法300包括如下步骤：

步骤310中，处理语音信号中每一子帧的解码参数，分别计算出固定码矢V(n)和自适应码矢C(n)。ACELP编码模式以帧为单位（每帧有256个样点）进行处理，而每一帧信号又包含四个子帧（64样点）。本发明对激励信号按子帧处理，对每一子帧分别计算固定码矢V(n)和自适应码矢C(n)。

随后步骤320中，将计算出的固定码矢V(n)和自适应码矢C(n)相加，合成第一激励信号ex1(n)。

随后步骤330中，将自适应码矢C(n)进行基音增强滤波，得到基音增强后的自适应码矢C’(n)。一个具体实施例中，本发明通过采用如下转移函数的基音增强滤波器来对自适应码矢C(n)进行滤波：

$H\left(z\right)=\frac{1}{1-{\mathrm{\αz}}^{-1}},$

其中，H(z)为转移函数；α＝0.1b，其中b为自适应码本增益。α＝0.1时该基音增强滤波器的幅频响应频谱图如图7所示，α＝0.06时该基音增强滤波器的幅频响应频谱图如图8所示。

随后步骤340中，将固定码矢V(n)和基音增强后的自适应码矢C’(n)相加，合成第二激励信号ex2(n)。

随后步骤340中，利用第一激励信号ex1(n)对第二激励信号ex2(n)执行能量平滑，输出第三激励信号ex(n)。一个具体实施例中，本发明分别计算出第一激励信号ex1(n)的能量E₁和第二激励信号ex2(n)的能量E₂，然后计算能量缩放因子k：

$k=\frac{E_1}{E_2}.$

将能量缩放因子k乘以第二激励信号ex2(n)，得到能量平滑后的第三激励信号ex(n)。第三激励信号ex(n)经过合成滤波器滤波，即得到合成语音信号。

图6示出了根据本发明一个实施例的用于宽带语音解码中基音增强后处理的装置400的逻辑框图。如图6所示，用于宽带语音解码中基音增强后处理的装置400包括码矢计算模块410、第一合成模块420、基音增强滤波模块430、第二合成模块440和能量平滑模块450。其中，码矢计算模块410用于处理语音信号中每一子帧的解码参数，分别计算出固定码矢V(n)和自适应码矢C(n)。具体实施例中，码矢计算模块410进一步包括固定码矢计算模块411和自适应码矢计算模块412，固定码矢计算模块411将码本索引解码，得到固定码矢V(n)，自适应码矢计算模块将基音索引解码并经长时预测滤波，得到自适应码矢C(n)。第一合成模块420将码矢计算模块410得到的固定码矢V(n)和自适应码矢C(n)相加，合成第一激励信号ex1(n)。同时，基音增强滤波模块430将自适应码矢C(n)进行基音增强滤波，得到基音增强后的自适应码矢C’(n)。一个具体实施例中，基音增强滤波模块430所采用的转移函数为：

$H\left(z\right)=\frac{1}{1-{\mathrm{\αz}}^{-1}},$

其中，H(z)为转移函数；α=0.1b，其中b为自适应码本增益。第二合成模块440将固定码矢V(n)和基音增强后的自适应码矢C’(n)相加，合成第二激励信号ex2(n)。最后，能量平滑模块450利用第一激励信号ex1(n)对第二激励信号ex2(n)执行能量平滑，输出第三激励信号ex(n)。具体来说，能量平滑模块450进一步包括能量缩放因子计算模块451和乘法器452，能量缩放因子计算模块451计算第一激励信号和第二激励信号的能量以得到能量缩放因子：

$k=\frac{E_1}{E_2},$

其中，k为能量缩放因子，E₁为第一激励信号的能量，E₂为第二激励信号的能量。乘法器452将能量缩放因子k乘以所述第二激励信号ex2(n)，得到能量平滑后的第三激励信号ex(n)。第三激励信号ex(n)经过合成滤波器滤波，即得到合成语音信号。

本发明的基音增强后处理是在得到自适应码矢和固定码矢后，对自适应码矢进行滤波，提升低频抑制高频，将滤波后的自适应码矢和固定码矢相加合成激励信号，最后对激励信号进行能量平滑。因而，本发明在不增加额外传输比特率的条件下以较低的运算复杂度实现了基音增强处理和能量平滑，从而实现了宽带解码语音信号主观音质的提高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于宽带语音解码中基音增强后处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、处理语音信号中每一子帧的解码参数，分别计算出固定码矢和自适应码矢；

S2、将固定码矢和自适应码矢相加，合成第一激励信号；

S3、将自适应码矢进行基音增强滤波，得到基音增强后的自适应码矢；

S4、将固定码矢和基音增强后的自适应码矢相加，合成第二激励信号；

S5、利用第一激励信号对第二激励信号执行能量平滑，输出第三激励信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：

S11、将码本索引解码，得到固定码矢；

S12、将基音索引解码并经长时预测滤波，得到自适应码矢。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中基音增强滤波所采用的转移函数为：

$H\left(z\right)=\frac{1}{1-{\mathrm{\αz}}^{-1}},$

其中，H(z)为转移函数；

α＝0.1b，其中b为自适应码本增益。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括：

S51、计算第一激励信号和第二激励信号的能量以得到能量缩放因子：

$k=\frac{E_1}{E_2},$

其中，k为能量缩放因子，E₁为第一激励信号的能量，E₂为第二激励信号的能量；

S52、将所述能量缩放因子乘以所述第二激励信号，得到能量平滑后的所述第三激励信号。

5.一种用于宽带语音解码中基音增强后处理的装置，其特征在于，包括：

码矢计算模块，用于处理语音信号中每一子帧的解码参数，分别计算出固定码矢和自适应码矢；

第一合成模块，用于将固定码矢和自适应码矢相加，合成第一激励信号；

基音增强滤波模块，用于将自适应码矢进行基音增强滤波，得到基音增强后的自适应码矢；

第二合成模块，用于将固定码矢和基音增强后的自适应码矢相加，合成第二激励信号；

能量平滑模块，用于利用第一激励信号对第二激励信号执行能量平滑，输出第三激励信号。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述码矢计算模块进一步包括：

固定码矢计算模块，用于将码本索引解码，得到固定码矢；

自适应码矢计算模块，用于将基音索引解码并经长时预测滤波，得到自适应码矢。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述基音增强滤波模块所采用的转移函数为：

$H\left(z\right)=\frac{1}{1-{\mathrm{\αz}}^{-1}},$

其中，H(z)为转移函数；

α＝0.1b，其中b为自适应码本增益。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述能量平滑模块进一步包括：

能量缩放因子计算模块，用于计算第一激励信号和第二激励信号的能量以得到能量缩放因子：

$k=\frac{E_1}{E_2},$

其中，k为能量缩放因子，E₁为第一激励信号的能量，E₂为第二激励信号的能量；

乘法器，用于将所述能量缩放因子乘以所述第二激励信号，得到能量平滑后的所述第三激励信号。

9.一种用于宽带语音解码的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、对语音信号的解码参数中的导谱频率索引进行解码处理，得到合成滤波器的转移函数；

b、通过根据权利要求1-4中任一项所述的方法得到激励信号；

c、使用步骤a得到的转移函数对步骤b得到的激励信号进行合成滤波，输出语音信号。

10.一种用于宽带语音解码的解码器，其特征在于，包括：

参数处理模块，用于对语音信号的解码参数中的导谱频率索引进行解码处理，得到合成滤波器的转移函数；

根据权利要求5-8中任一项所述的基音增强后处理的装置，用于得到激励信号；

合成滤波器，用于使用参数解码模块得到的转移函数对基音增强后处理装置得到的激励信号进行合成滤波，输出语音信号。

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