KR960011132B1 - 씨이엘피(celp) 보코더에서의 피치검색방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

씨이엘피(CELP) 보코더에서의 피치검색방법

제1도는 일반적인 CELP보코더의 부호화를 행하는 플로우챠트.

제2도는 본 발명에 따른 블록도.

제3도는 본 발명에 다른 피치검색구간검출의 블록도.

제4도는 제3도에 따른 진폭분포버퍼의 구성도.

제5도는 본 발명에 다른 피치검색구간을 선택하는 파형도.

본 발명은 보코더(voice coder decoder)에서 음성신호를 부호화하는 과정중 피치(음성신호의 주기성을 나타내는 파라미터) 검색과정에 관한 것으로, 특히 CELP(Code Exited Linear Linear Prediction) 보코더에서 피치검색방법을 개선하여 검색시간을 줄이는 피치검색방법에 관한 것이다.

통상적으로 디지털 통신에 있어서, 입력음성신호를 그대로 전송하여 출력할 경우 음성신호를 8000satnples/sec로 샘플링(sampling)하여 8비트로 부호화하기 때문에 64Kbps의 대역폭이 필요하게 된다.

그러나, 보코더이론을 적용할 경우 음성신호를 8000samples/sec로 샘플링하여 음성신호의 특징을 나타내는 몇가지 파라미터들만을 전송하게 되므로 8Kbps의 대역폭만으로도 디지털 통신을 할 수 있게 된다.

따라서, 핸드폰, 삐삐, 카폰등과 같은 무선통신망을 이용하는 디지털방식의 휴대용 통신기기에서는 전송채널의 대역폭을 효율적으로 사용하고 또한 고음질을 얻기위하여 여러 가지의 보코더 이론들을 이용하여 음성부호화기를 실현하고 있다.

음성신호를 부호화하기 위한 보코더기법은 크게 파형부호화, 소스부호화, 혼성부호화등으로 구분되는데 최근에 부호화기술과 합성된 음질을 고려할 때 보코더용으로 가장 적합한 것은 혼성부호화법이다.

상기 혼성부호화법에서 성도필터는 선형예측 분석법으로 모델링하고, 남은 잔류신호는 그대로 전송하는 부호화법으로 RELP(Residual Exited Linear Prediction), VELP(Vetor Exited Linear Prediction), CELP(Code Exited Linear Prediction)등의 기법이 있다. 상기 열거한 혼성부호화법들중에서 사용대역폭에 비해 음질이 가장 우수한 것은 CELP보코더이다.

상기 CELP보코더는 입력으로 들어온 음성신호에서 LPC(Linear Prediction Code)계수를 구한후, 이를 이용하여 새로운 음성신호를 합성하여 인공적으로 만들어진 합성음성과 입력음성을 비교하여 가장 오차를 적게하는 피치파라미터와 코드북파라미터를 구하게 된다.

상기한 바와같이, CELP보코더에서는 합성에 의한 분석방법을 사용하므로써 낮은 전송율에서도 우수한 음질을 얻을 수 있는 반면, 매번 음성을 합성해서 비교해야 하므로 매우 복잡한 구조를 같고 그에 따른 방대한 계산량으로 인해 실시간 구현에 어려움이 많다.

특히, 복호화시보다는 부호화시에 계산량을 많이 요구한다.

그리고 CELP보코더에서는 코드북에서 입력여기신호를 찾아내는 코드북검색 과정과 피치필터의 계수를 구하는 피치검색과정에서 대부분의 계산량을 차지한다.

상기 과정중에서 본 발명과 관련되어 있는 부분인 피치검색 과정은 음성신호의 장기적인 상관관계에 해당하는 음성신호의 주기에 관한 정보를 얻어내는 과정으로 계산량이 CELP보코더의 전체 계산량의 약 절반 정도를 차지하므로 이 부분의 개선은 전체 CELP보코더의 구현에 있어 많은 영향을 미치게된다.

음성신호의 경우 피치분석 구간은 일정크기 이상으로 늘어날때는 음질이 급속도로 저하하게 되어 보통 5ms에서 10ms 사이로 결정하여 계산량을 최소화하고 음질을 저하 시키지 않도록 해야한다.

통상적으로, 8kHz로 표본화된 음성신호의 경우 피치분석은 5ms마다 한번씩 수행하고, 피치필터의 파라미터인 피치지연(L)과 피치이득(b)을 구하는데 있어서 스펙트럼분석이 개회로구조로 수행되어지고, 상기 피치분석은 음질이 우수한 폐루프구조를 사용하게 되는데 페루프 구조에서는 피치지연을 20에서 147까지의 값으로 제한한다.

상기 범위 내의 제한된 128개의 피치지연값에 대한 각각의 합성을 만들어 합성음성과 입력음성의 차에 대한 제곱오차를 구하여 오차가 가장 적을 때의 피치지연 값과 피치이득값을 결정하게 된다.

즉, 최적의 피치지연 값과 피치이득 값을 얻기 위해서는 피치지연 20에서 147까지 128번의 폐루프에 대한 복잡한 계산을 반복하게 되므로 하나의 피치 파라미터 값을 구하기 위한 계산량이 방대해지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 CELP보코더에서 많은 계산량이 요구되는 피치검색 과정에서 128개의 예상되는 피치지연 값들 중에서 가장 상관관계가 낮은 구간을 간단한 연산을 통하여 미리 피치검색 구간에서 제외시키는 방법을 적용하므로써 피치검색시 요구되는 계산량을 절반정도로 줄이는 피치검색방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

다음은 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세한 설명을 한다.

제1도는 일반적인 CELP보코더의 부호화에 해당되는 블록도를 나타낸 도면이다.

도면에서 표시된 바와같이, 음성이 8000samples/sec 로 샘플링되어 보코드의 입력으로 들어가면 20ms에 해당되는 샘플, (160)샘플을 하나의 프레임으로 하여 음성신호를 처리하게 된다.

즉, CELP보코더에서는 한 프레임 즉, 160 샘플의 음성신호를 입력으로 받아들인 다음, 제1도에 나타낸 바와 같이 음성의 포만트(formant) 성분을 나타내는 10개의 LPC계수를 구한 후, (S1), 상기 LPC계수들로부터 양자화 오차에 강한 LSP(Liner Spectral Pair) 주파수로 계산하고(S2) 이 주파수들을 전송코드로 변환한다(S3).

다음에 최적의 피치 파라미터와 코드북 파라미터를 얻기 위하여 피치검색과 코드북 검색과정을 거치게 되는데, 피치검색과정에서는 합성음성을 만들어 입력음성과 비교하여 오차가 최소가 되는 피치지연값과 피치 이득을 찾으며 그리고 합성음성을 만드는 과정에서, 상기 한 프레임(20ms)에 대한 LSP주파수를 50ms의 각 부프레임에 대하여 선형보간(Linear Interpolation)한 후, 다시 제1도의 (b)에 나타낸 바와 같이 LPC계수로 변환한다(S4).

또한, 피치검색은 음질의 저하를 막기위하여 5ms의 음성신호(40샘플)에 대해 한번씩 수행하므로, 한프레임에 4번의 피치검색과정을 거치게 된다(S5, S9)

마지막으로, 음성의 포만트 성분과 피치성분을 걸러내고 남은 나머지 잔류신호에 대한 정보를 코드북에서 찾는다.

이때에도 코드북으로부터 합성된 합성음성과 입력음성을 비교하는 방법으로 비교오차값이 최소가 되는 코드북을 찾는다(S6,S7,S8).

따라서 상기에 설명한 바와 같이 160샘플(20ms)의 음성신호에서 구한 LSP주파수, 피치지연(L), 피치이득(b), 코드북 인덱스(I), 코드북이득(G)을 160비트의 데이터로 만들어주면(S10) 8Kbps로 음성을 전송할 수 있게 된다.

제2도는 상기 피치검색부분을 상세하게 나타낸 블록도로서, CELP보코더에서 통상의 피치검색 방법은 입력음성과 합성음성을 비교하여 그 오차가 최소가 되는 피치지연값을 찾는 과정을 나타냈다.

상기 피치지연값을 찾는 과정은 우선 입력 음성신호에서 포만트 합성 필터(1/A(z)의 ZIP(Zero Input Responce)을 뺀 신호를 e(n)이라 하고, 상기 e(n)이 인식 가중화 필터(W(z))를 거친신호를 x(n)이라 할 경우, e(n), W(z), A(z)는 아래와 같이 나타내어진다.

한편, 합성음성 Y_L(n)은 현재 프레임의 입력음성의 포만트 잔류성분 및 이전 프레임의 피치필터 출력을 가중필터(H(z))을 통과시켜 얻게되고 H(z)의 식은 다음과 같이 나타내어진다.

그리고 Y_L(n)은 다음과 같이 h(n), P_L(n)을 콘볼루션하여 얻는다.

상기의 h(n)은 H(z) 의 임펄스 응답이다.

상기한 바와같이, 음성신호(x(n))와 합성음성신호 Y_L(n)을 구한 후, 두 신호의 차에 대한 제곱오차는 다음의 식에 의해 구해진다.

상기한 식에 의해 구해진 b는 피치이득을 나타내고, 상기 식의 최소값은 아래의 식의 최소값과 동일하다.

제2도에 표시한 바와같이, L값을 20에서 147까지 1씩 증가시키면서 128번의 페루프에 대한 계산을 하여 오차가 제일 적을 때의 L값을 피치지연으로 결정하게 하므로 많은 시간이 걸린다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방법이 제2도의 (A)부분에 나타나 있다.

종래의 기술에 (A)부분의 기능을 추가로 삽입하여 음성신호의 자기상관관계가 큰 구간만 남기고 나머지 부분은 0으로 대치하므로써 폐루프 계산시 생략구간은 건너뛰는 방법을 사용하여 페루프를 돌면서 수행하는 여러 가지 계산을 약 절반 이상으로 줄일 수 있다.

다시말하면, 제2도의 (2a)에서, 종래의 방법에서 L=L+1이므로 128번의 폐루프에 대한 계산을 수행하였으나, 본 발명에서는 L=L+K_S이므로 K_S만큼 건너뛰게 되므로 폐루브에 대한 계산을 줄일 수 있다.

이러한 방법에 대해 제3,4도 및 제5도의 더욱 자세하게 나타냈다.

제3도는 피치검색구간검출의 블럭도를 나타냈고, 제4도는 진폭분포 버퍼의 구성도이고, 제5도는 피치검색구간을 선택하는 파형도이다.

음성신호의 피치는 음성파형의 반복되는 봉우리에서 봉우리까지 또는 골에서 골까지로 정의된다.

파형의 봉우리 위주로 피치를 검출하는 경우에는 두드러진 봉우리가 존재하는 시간지연에 대해서만 자기 상관관계가 높게 존재한다.

반면, 봉우리 주위로 피치를 검출하는 경우에는 두드러진 봉우리가 존재하는 시간지연에 대해서만 자기 상관관계가 높게 존재한다.

반면, 파형의 골에 의해 피치를 검출하는 경우에는 두드러진 골이 존재하는 시간지연에 대해서만 자기 상관관계가 높게 존재한다.

제3도는 음성파형의 주요 봉우리에 대한 구간을 검출하는 블록도이다.

8kHz로 표본화된 음성신호의 경우 음성신호의 피치는 2.5ms(20표본)이 후에서 존재하므로 봉우리의 조사는 2.375ms (19표본)마다 수행한다(제3도의 (3a)).

이렇게하여 피치주기를 이루는 봉우리를 검출하면 파형의 봉우리가 dc offset의 영향을 받는 경우에도 19표본내에서의 최대진폭을 이루는 봉우리를 반드시 선택해야 하기 때문에 피치봉우리가 검출될 수 있다.

또한, 한 프레임단위로 피치를 검출하면 이 프레임내에서 진폭의 빠른 변화에 의해 피치주기를 이루는 봉우리를 잘 검출하지 못하는 경우가 있으나, 본 발명에서는 2.375ms마다 봉우리를 이루는 진폭을 고려하기 때문에 이러한 문제점도 해결할 수 있다.

또한 피치검색시간을 단축하기 위하여 봉우리들의 진폭이 25% 이상인 봉우리만을 검출하였다.

상기 파형의 검출은 진폭분포 버퍼를 사용하여 구현하는데 파형의 진폭을 메모리의 번지로 사용하여 각 파형의 진폭에 해당하는 번지수의 데이터 값을 1씩 증가시켜 진폭분포 버퍼의 내용을 완성한다(제3도의 (3b)).

이것은 제4도의 (4a)에 해당한다.

그다음, 진폭분포 버퍼에 대한 변수(진폭분포 버퍼의 메모리 번지수)를 최대치에서부터 점차로 낮추면서 변수를 카운트 다운 하다가 버퍼의 누적값이 N*25%의 개수가 될 때 중지한다.

이때의 변수값은 진폭의 전체 표본의 상위 25%에 해당하는 진폭을 나타낸다(제3도의 (3c), 제4도의 (4b)).

상기 변수값을 기준으로 하여 음성신호가 검출한 변수값 보다 적으면 0으로 대치시키고 크면 그대로 남겨둔다(제3도의 (3d), 제4도의 (4c)).

그리고 음성의 진폭이 큰 순서대로 상위 25%만 남기고 나머지는 0으로 대치한 후, 실제로 피치검색시 사용할 구간을 검출하게 된다.

상기의 과정을 2.375ms마다 반복한다.

피치검색구간을 검출하려면 검출된 상위 25%의 파형진폭 봉우리 구간에 대해 피치봉우리의 시점이 되는 중심 봉우리를 찾아야 한다.

중심 피치봉우리의 시점이 되는 중심 봉우리를 찾아야 한다.

중심 봉우리를 찾는 과정을 실제로 파형에 대해 제5도에 나타냈다.

첫 번째, 피치검색구간의 검출은 현재의 프레임에서 앞쪽의 2개의 부프레임(4.75ms)구간 내에서 최대 진폭의 주된 봉우리 중심 구간을 찾은 후, 여기서부터 다음 봉우리 구간이 나올때마다 피치검색구간으로 선택한다(제5도의 (5a)).

그리고, 실제 피치의 시점이 첫 두 개의 부프레임내에 포함되지 않는 경우를 대비하여 제2의 피치검색구간을 정한다.

두 번째, 피치검색구간의 검출은 현재의 프레임에서 뒤쪽의 2개의 부프레임 구간내에서 최대 진폭의 주된 봉우리 중심 구간을 찾은 후, 여기서부터 거꾸로 진행하면서 다음 봉우리 구간이 나올때마다 피치검색구간으로 정한다(제5도의 (5b)).

상기의 과정을 거쳐 찾아진 두가지의 피치검색구간을 합하여 피치검색구간으로 정한다(제5도의 (5c)).

최종적으로 정해진 피치검색구간을 제외한 나머지 구간은 피치검색시 페루프의 계순사행에서 생략되는데 이것은 제2도의 (A)부분에서 나타낸 K_S값을 의미한다.

이상에서 설명한 바와같이, CELP보코더에서 방대한 계산량이 요구되는 피치검색과정을 수행시 간단한 연산을 통하여 생략할 수 있는 검색구간을 미리 추출하므로써 피치검색에 요구되는 계산량을 용이하게 수행할 수 있다.

또한, 본 발명을 이용하여 DSP(Digital Signal Process)칩으로 CELP보코더를 구현할 경우 줄어든 계산량 만큼의 다른 기능을 추가적 실시할 수 있으므로 경제적인 시스템을 설계할 수 있다.

Claims (3)

1. 씨이엘피(CELP)보코더에서 입력음성신호에 대한 각 프레임의 소정 구간마다 피치검색을 하되, 피치지연값을 가변시키면서 합성음성신호를 구함과 아울러 각 합성음성신호와 입력음성신호와의 차에 따른 제곱오차를 각기 계산하여 그 오차를 가장 적게하는 피치 지연값과 그때의 피치이득을 구하는 씨이엘피(CELP)보코더에서의 피치검색 방법에 있어서, 음성신호의 진폭분포도를 구하여 그 진폭분포도내의 상위 25%에 해당되는 자기 상관관계가 높은 구간을 검출하는 단계와, 상기 자기 상관관계가 높은 구간 이외의 구간인 자기 상관관계가 낮은 구간을 0으로 대치하고, 상기 자기 상관관계가 높은 구간에 의해 피치검색구간을 선정하는 단계와, 상기 0으로 대치된 구간은 피치지연값만 증가시키고 피치검색은 건너뛰고, 상기 피치검색구간에 해당되는 피치지연값에 대해서만 그 피치지연값 가변에 따라 각 합성음성신호를 구하여 피치검색을 하게하는 단계를 포함하여 피치검색을 하는 것을 특징으로하는 씨이엘피(CELP)보코더에서의 피치검색방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 자기상관관계가 높은 구간의 검출은, 입력음성신호의 샘플링데이터에 대한 파형의 진폭을 메모리 번지로 대응시키고 파형의 진폭에 해당하는 번지수의 데이터값을 1씩 증가시켜 진폭분포 버퍼의 내용을 완성하는 단계와, 진폭분포 버퍼에 대한 진폭분포버퍼의 메모리 번지수를 최대치에서부터 점차 낮추면서 카운트 다운하다가 버퍼의 누적값이 진폭분포 버퍼의 합값의 25%에 해당하는 개수가 될 때 카운트를 중지하는 단계와, 그 카운트 중지시점의 진폭에 비해 진폭이 큰 상위 25%내에 해당되는 진폭의 음성신호 샘플링 데이터만을 자기 상관관계가 높은 구간으로 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨이엘피(CELP)보코더에서의 피치검색방법.
3. 제1항에 이어서, 피치검색구간의 선정은, 현재의 프레임에서 피치 검색을 위해 등분한 부 프레임중 앞쪽 두 개의 부 프레임 구간 내에서 최대 진폭의 주봉우리 중심구간을 찾고, 그 주봉우리 중심구간으로부터 순방향으로 검색하여 다음 봉우리 구간이 나올때마다 제1피치검색 구간으로 선정하는 단계와, 상기 현재의 프레임에서 뒤쪽 두 개의 부프레임구간 내에서 최대진폭의 주봉우리 중심구간을 찾고, 그 주봉우리 중심구간으로부터 역방향으로 검색하여 다음 봉우리 구간이 나올때마다 제2피치검색구간으로 선정하는 단계와, 상기 제1피치검색구간 및 상기 제2피치검색구간을 합하여 피치검색구간으로 선정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨이엘피(CELP)보코더에서의 피치검색 방법.