CN1143270C - 代码激励线性预测编/译码方法及设备 - Google Patents

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Abstract

多重码本固定比特率CELP信号块编/译码器包括一个用于根据与信号类型无关的确定性选择程序来为每个信号块选择一个相关的码本标识的码本选择器。还包括用于通过使用已选择码本标识的码本来编/译码每个信号块的装置。

Description

代码激励线性预测编/译码方法及设备
                       技术领域
本发明涉及一种多重码本固定比特率CELP的信号块编/译码方法和设备以及多重码本的结构：
                       发明背景
CELP语音编码器一般采用码本来存储预定用来激励综合滤波器从而产生一种综合的语音信号的激励矢量。对于高比特率，这些码本包含多种激励矢量来处理大范围的语音类型。然而，在低比特率的情况下，比如4-7k比特/s左右，用于码本索引的比特数是有限的，那就意味着从中选出的矢量数肯定会减少。因此低比特率编码器要有一个作为准确度和富裕度的折衷的码本结构。这种编码器会使某些类型的语音有很清晰的语音质量，而对于另一些类型的语音只是勉勉强强能接受的质量。
为了解决低比特率编码器的这个问题，很多的多模式的解决方案已经提出来了[1-5]。
参考文献[1-2]描述了不同的比特率编码方法，这些方法使用动态的比特分配，被编码的语音类型控制着用于编码的比特数。
参考文献[3-4]描述固定比特率编码方法，这些方法用到一些同等大小的码本，这些码本被最佳地利用于不同的语音类型。被编码的语音类型控制着所要采用的码本。
这些现有技术编码方法都有缺点，为了使译码器使用正确的译码模式，模式信息必须从编码器传输到译码器。然而，这些模式信息需要额外带宽。
参考文献[5]描述了一种固定比特率的多模式编码方法，这种方法也用同等大小的码本。在这种情况下，过去的副帧的已确定的自适应码本增益会被用于从一个编码模式到另一个编码模式的转换。由于这个参数总归会从编码器到译码器传输，所以就不需要额外的模式信息了。然而这种方法对于由传输通道导致的增益因数里的比特错误很敏感。
                      发明概述
本发明的目的是一种编/译码方案，在这个方案里编码得到改善，但不需要从编码器向译码器明确地传输编码模式信息。
这个目的已经按照所附的权利要求得到解决。
简言之，本发明利用一些相异的大小相同的码本来达到以上目的。某个码本对于一些信号效果较弱，但其它码本对于那些信号不会有这个缺点。通过对这些码本之间从语音块到语音块的确定性转换(与单个类型无关)，编码质量提高了。由于编码器和译码器都用相同的确定性转换算法，因此就不需要传送关于曾经为特定语音模块选择哪种码本的信息了。
                      附图简述
通过参考以下的描述及附图，本发明进一步的目的和优点就很好理解了：
图1是现有技术的CELP编/译码器综合部分的框图；
图2是本发明的CELP编/译码器综合部分的框图；
图3是描述4个不同的代数码本结构的图表，这些码本是根据本发明的优选实施方案而设计的；
图4是本发明的另一个CELP编/译码器综合部分的框图；以及
图5是描述本发明CELP编/译码方法的流程图。
具体实施方案详述
在以下的描述和权利要求中，所谓“编/译码器”的意思不是编码器就是译码器，因为发明同样适应于这两种情况。
图1是现有技术的CELP(代码激励线性预测)编/译码器综合部分的框图。从码本10中选出的码矢量由增益块12里的标度系数G来定标，然后送往一个长期预测器14，，之后是短期预测器16。从短期预测器16中输出的信号是最终的综合语音信号(n)(优先于可能的后处理过程)。长期预测器14由控制线18上的控制信号来控制，该控制信号包括一个标度系数(增益)和一个延迟(滞后)。相似的，短期预测器16由控制线20上的控制信号来控制，该控制信号代表着滤波器系数。译码器通过搜索程序(分析与综合)决定控制线18，20上的控制信号和最佳码本矢量，然而译码器决定了来源于在传输信道上接收的信息的相同的控制信号和码本矢量。
本发明的基本原理参看图2和图3。
图2是本发明的CELP编/译码器综合部分的框图。单元12-20对应于在图1现有技术设备里的相同参考号的单元。但是，与图1中只提供一个码本10不同，本发明的设备提供一组大小相同、拥有相等长度矢量的码本10A-D。图2中有四个码本，不过在这组码本里码本的数目可能比这个数目大或者小。但是该组码本至少包括2个码本。由于比特率很低，每个码本都会有一些弱点。因此要以这种方法设计/训练码本：使得在这组码本里不同的码本没有相同的弱点。
考察码本的一种方法是把它看成多维(一般40维)的“针垫”，其中“针”代表码矢量。在这个模式里一个未被训练的随机码本由“超球面”针垫来表示，其中码本矢量被均匀的分配在每个“方向”上(该码本是“空白的”)。以上所说的训练过程以这种方法来重新分配这些矢量，使得某个“方向”比其它“方向”填充更密集。填充最不密集的“方向”对应码本的弱点。每个码本都以不同的方式进行训练，使得确保码本不会有相同的弱点。
随机码本通常与代数码本相似，见[6]。例如，这种码本可能包含具有40个样本长度的码本矢量。但是，只有很少的样本位置确实有不等于0的值。而且，在很多这样的代数码本里只容许这些值(不等于0)为+1或-1。
图3是描述4个不同的代数码本A-D结构的图表，这些码本是根据本发明的举例的实施方案而设计的。这些码本有40个样本长度，并且对应于5ms的语音副帧。每个码本有2个轨道对：轨道0，轨道1。每个轨道有8个容许的脉冲位置P。例如，码本B的第一个轨道对轨道0里的第二个轨道容许的脉冲位置是样本位置3，8，13，18，23，28，33，38。正如图3中所示，码本里的其它轨道有其它容许的脉冲位置。而且，一个码本里的轨道也可能在其它码本里被发现，但那是在另一个轨道里。最后，每个码本具有在图3中列出的被排除的样本位置。这些是码本的“弱点”。这个码本结构在以下的表里总结出来：码本结构
  码本   轨道          轨道对0           轨道对1   被排除的位置
A     0   05 10 15 20 25 30 35   16 11 16 21 26 31 36   49 14 19 2429 34 39
    1   27 12 17 22 27 32 37   38 13 18 23 28 33 38
B     0   05 10 15 20 25 30 35   27 12 17 22 27 32 37   16 11 16 2126 31 36
    1   38 13 18 23 28 33 38   49 14 19 24 29 34 39
C     0   05 10 15 20 25 30 35   16 11 16 21 26 31 36   38 13 18 2328 33 38
    1   27 12 17 22 27 32 37   49 14 19 24 29 34 39
D     0   05 10 15 20 25 30 35   16 11 16 21 26 31 36   27 12 17 2227 32 37
    1   38 13 18 23 28 33 38   49 14 19 24 29 34 39
当码本的其中之一被研究的时候，1个脉冲被设置在轨道对的轨道0里的一个容许位置上，而1个脉冲被设置在轨道对的轨道1里的一个容许位置上。这个脉冲组合被用做潜在的码矢量组。这个组包括4个可能的码矢量，也就是说有2个正脉冲的1个矢量，有2个负脉冲的1个矢量，有1个正脉冲和1个负脉冲的2个矢量。通过改变轨道对里每个轨道的脉冲位置，形成其它的这种码矢量组是可能的。轨道对1也适用同样的规则。通过测试每个可能的组合，可以选中最佳的码矢量。这个码矢量由它相关的轨道对、轨道对轨道里的2个脉冲位置、以及脉冲符号来决定。这就要1比特来表示轨道对，2*3＝6比特来表示这个轨道对轨道里的脉冲位置(一个轨道有8个位置，需要3个比特)，2比特来表示每个脉冲的符号。因此，总共9个比特定义了一个码矢量。
回到图2，码本选择器22在该组码本里选择了一个码本用于编/译码信号块，比如语音帧或副帧(一般一个块长度为5-10ms)。这是由控制线24上的控制信号来控制开关23而实现的。根据与信号类型无关的决定性选择程序来控制开关23。这里“决定性”意思是码本选择器22为每个信号块的编/译码从该组码本里选择码本，但是不需要任何信号类型的知识，并且选择算法对编码器和译码器都是相同的，不必从编码器到译码器的转换。根据以上所说的考察程序，编码器从被选码本中决定最佳矢量，由此，通过使用所接收的“索引”(码矢量标志符)，译码器可在相同的码本中选择对应的矢量。
码本10A-D有相同的比特率，它们的最弱功能点是不同的。通过码本之间从信号块到信号块的决定性转换，每个码本的缺陷会被及时弥补。尽管实际上在转换算法中忽略了信号类型，可以发现，平均可接受的译码语音和随后的译码音频信号质量确实提高了。其理由是：由单一码本导致的失真不会在每个副帧或模块中重复。相反，各种变化的失真会被滤除。因此，这个低比特率(多重)码本里的失真会被接受而不令人厌恶，因为它不是连续重复的。
选择算法的一个实施方案是接续和循环地选择每个码本10A-D。如果码本数目对应于一帧中副帧的数目而且编/译码器里的码本计数器每帧都复位，那么编码器和译码器是自动同步的。另外，在编码器和译码器处于呼叫建立和切换的状态下，通过复位一个模n计数器可以实现同步，这里n是码本数目。
另一个选择算法是用伪随机数序列从该组码本中选择码本。这种情况下，用于产生该伪随机序列的算法种子对编码器和译码器都已知的。例如，编码器和译码器间的同步是由基于所传输和接收的帧参数的伪随机序列来实现的，这些帧参数已经在码本考察之前被确定和分析。
图4是本发明的另一个CELP编/译码器综合部分的框图。这个实施方案和图2的实施方案相似，但是这种情况有几组码本26A-C。如图2所示，每组码本包括弱点不同的码本，但是每组码本被设计来应付不同的环境，如不同的信号类型或不同级别的背景声音。例如，根据[5]里描述的规则，每组的设计都可能执行。图4举例描述了3组码本，但是2个或多于3个码本组也是可能的。
如图2，在这个实施方案里，通过开关23和控制线24为每个信号块码本进行决定性选择。然而，在码本从一套码本里被选出以前，码本组选择器28决定将哪一组码本用于开关29和控制线30上。码本组选择器28将它的选择建立在被包含在其它原先已确定的参数里的信息上，这些参数是在线18，20上和在增益单元12中。举个例子，这个信息可以根据LPC(线性预测编码)参数或LTP(长期预测器)参数或LPC和LTP参数的组合来确定。例如，LTP参数的所检测的稳定性可以用来指示信号类型。
由于实际上用于码本组选择的参数总归会从编码器向译码器转移，所以没有为传输码本组选择信息而损失带宽。仅将信道受保护参数用于码本组选择是更可取的。而且，图4的编/译码器的优选实施方案只用到信道受保护参数的一些部分，这些部分用错误检测来确定所用的码本组。例如，在GSM系统中，LTP参数中9个延迟比特中的6个和4个增益比特中的3个都提供了错误检测。把这些比特用于测试稳定性(例如超过20ms)  以便确定码本组是更可取的。
由于码本组选择先于码本选择，图4的实施方案考虑了每个码本组26A-C里不同的码本数目。每个开关23A-C都需要独立的控制线，每个码本组都需要码本选择器22里独立的转换算法。如果所有的装置都有相同的码本数，则所有的开关都可以用一个通用控制线。而且，这个实施方案考虑到倒置码本组和码本选择的可能性(如果因果关系允许的话)。一般码本组和码本选择器22，28的功能由一个或几个微处理器或微/信号处理器组合来实施。
图5是描述本发明CELP编/译码方法的流程图。这个方法从步骤S1开始，选择下一个要进行编/译码的模块。步骤S2根据确定性的选择算法来选择码本数目。步骤S3从被选码本中选择/检索最佳矢量。之后程序返回步骤S1。如图3的实施方案所示，如果使用几个码本组，就会有附加的步骤S4(如图5虚线表示)，这一步确定正确的码本组。步骤S4可能先于或跟随(如果因果关系允许的话)步骤S2。
熟悉本领域的人都知道，在不偏离附属的权利要求定义的范围的情况下，本发明可有不同的修改和变化。
                     参考文献
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[6]J-P Adoul et al，“Fast CELP Coding Based on AlgebraicCodes(基于代数码的快速CELP编码)”，Proc.ICASSP，pp1957-1960，1987.

Claims (24)

1.多重码本固定比特率CELP信号块编/译码方法，包括以下步骤，
从一个预定的与信号块无关的码本标识序列中，为每个信号块选择一个相应的激励码本标识；以及
通过使用具有已选择的激励码本标识的激励码本来编/译码每个信号块。
2.权利要求1的方法，其特征在于，
提供几个码本组；
为每个信号块确定基于以其它信号块为特征的参数的先前已决定的值的一个相应的码本组；
根据与信号类型无关的确定性选择程序来为每个信号块在已确定的码本组里选择相应的一个码本标识；以及
通过使用来自具有所选择的码本标识的所述已确定的码本组中的码本来编/译码每个信号块。
3.权利要求1的方法，其特征在于，
根据与信号类型无关的确定性选择程序，为每个信号块选择相应的码本标识；
提供几个码本组；
为每个信号块确定基于以其它信号块为特征的参数的先前已决定的值的一个相应的码本组；以及
通过使用来自具有所选择的码本标识的所述已确定的码本组中的码本来编/译码每个信号块。
4.权利要求2或3的方法，其特征在于受信道保护的其它参数。
5.权利要求4的方法，其特征在于只使用所说信道受保护参数中的容许错误检测的部分。
6.权利要求1，2或3的方法，其特征在于，所述码本标识序列通过循环步进地经历每个可能的激励码本标识而被定义。
7.权利要求1，2或3的方法，其特征在于，所述码本标识序列通过随机步进地经历每个可能的激励码本标识而被定义。
8.权利要求1，2或3的方法，其特征在于，所说码本是固定码本。
9.权利要求8的方法，其特征在于，所说码本是代数码本。
10.权利要求1，2或3的方法，其特征在于，信号块是声频帧。
11.权利要求1，2或3的方法，其特征在于，信号块是声频副帧。
12.多重码本固定比特率CELP信号块编/译码器，包括：
一个激励码本选择器，用于从一个预定的与信号块无关的码本标识序列中为每个信号块选择相应的激励码本标识；以及
用于通过使用具有已选择的激励码本标识的激励码本来编/译码每个信号块的装置。
13.权利要求12的编/译码器，其特征在于还包括：
几个码本组(26A-C)；
码本组选择器(28)，用于为每个信号块确定基于以其它信号块为特征的参数的先前已决定的值的一个相应的码本组；
一个码本选择器，用于根据与信号类型无关的确定性选择程序来为每个信号块在已确定的码本组里选择一个相应的码本标识；以及
用于通过使用来自具有所选择的码本标识的所述已确定的码本组中的码本来编/译码每个信号块的装置。
14.权利要求12的编/译码器，其特征在于，
一个码本选择器，用于根据与信号类型无关的确定性选择程序来为每个信号块选择相应的码本标识；
几个码本组(26A-C)；
码本组选择器(28)，用于为每个信号块确定基于以其它信号块为特征的参数的先前已决定的值的一个相应的码本组；和
用于通过使用来自具有所选择的码本标识的所述已确定的码本组中的码本来编/译码每个信号块的装置。
15.权利要求12，13，或14的编/译码器，其特征在于，所说激励码本选择器循环步进地经历每个可能的激励码本标识。
16.权利要求12，13，或14的编/译码器，其特征在于，所说码本选择器随机步进地经历每个可能的激励码本标识。
17.权利要求12，13或14的编/译码器，其特征在于，所说码本组(10A-C)是固定码本。
18.权利要求17的编/译码器，其特征在于，所说码本组(10A-C)是代数码本。
19.用于进行多重码本固定比特率CELP信号块编/译码的激励码本选择方法，包括以下步骤：
从一个预定的与信号块无关的码本标识序列中为每个信号块选择相应的激励码本标识。
20.权利要求19的方法，其特征在于，所述码本标识序列通过循环步进地经历每个可能的激励码本标识而被定义。
21.权利要求19的方法，其特征在于，所述码本标识序列通过随机步进地经历每个可能的激励码本标识而被定义。
22.用于进行多重码本固定比特率CELP信号块编/译码方法的激励码本选择设备，包括：
一个激励码本选择器，用于从一个预定的与信号块无关的码本标识序列中为每个信号块选择相应的激励码本标识，所述码本标识用来识别一个特定的标识码本。
23.权利要求22的编/译码器，其特征在于，所说激励码本选择器循环步进地经历每个可能的激励码本标识。
24.权利要求22的编/译码器，其特征在于，所说激励码本选择器随机步进地经历每个可能的激励码本标识。
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