專利名稱：頻譜的增強方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及不完整頻譜信號的頻譜的增強方法和裝置。具體地說，本發(fā)明致力于改進對由頻譜帶受限定的編碼器編碼的聲信號進行解碼。
在以低速對聲音進行編碼時，只要位速度變小，則該聲信號通常就應(yīng)當(dāng)受到通帶的限定。為了防止在編碼信號中產(chǎn)生能夠聽到的量化噪聲，就必須限定通帶。因此希望在盡可能的范圍內(nèi)，重新產(chǎn)生初始信號所含的高頻頻譜。
在現(xiàn)有技術(shù)中，特別是在WO-A-9857436中知道，通過使解碼信號的低頻頻譜的諧波轉(zhuǎn)變成高頻來重新產(chǎn)生初始信號所含的高頻頻譜。在所有諧頻n*fk中，通過復(fù)制主要頻譜fk的值即可進行這種轉(zhuǎn)換。因此利用頻譜的平衡系數(shù)就可以對得到的高頻頻譜形狀進行調(diào)節(jié)。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中頻譜重新構(gòu)造裝置的示意圖。利用一個向一組分析濾波器102提供低頻頻譜信號SB的解碼器101對編碼信號進行解碼，在用頻譜平衡系數(shù)103平衡以后，這些濾波器的輸出(k)與一組合成過濾器104的諧波系數(shù)n*k(n＝1…N)的輸入連接。為了簡單起見，沒有示出分析濾波器空位輸出的十進位器(分別是合成濾波器空位的各插值器)。
由合成得到的信號SH具有高頻頻譜。利用加法器105將該信號加到信號SB上，以此產(chǎn)生一個重新構(gòu)成的寬頻譜帶信號SR。
上面所提到的重新構(gòu)造技術(shù)建立在對分波段的分析和對復(fù)合諧波的倍增上。該技術(shù)在計算時利用價格高昂的相位調(diào)節(jié)法和放大法。此外，頻譜的平衡系數(shù)只是粗略地建立頻譜包絡(luò)線的模型。
通常，除了解碼領(lǐng)域以外，重要的是能夠?qū)⒉煌暾l譜的物理信號所含的頻譜進行增強。我們將不完整頻譜稱為有限介質(zhì)頻譜或有“孔”頻譜。對于聲信號或有限頻譜帶的說話信號來講，這主要是頻譜增強將會明顯改善感覺到的聲音質(zhì)量和便于理解信號。
本發(fā)明的主要任務(wù)在于制造一種重新構(gòu)造頻譜的裝置，更通常一點說，在于提供一種增強頻譜的裝置，該裝置性能良好，結(jié)構(gòu)簡單。
本發(fā)明實施方案的另一個任務(wù)在于使重新構(gòu)造的信號的頻譜成形，與現(xiàn)有技術(shù)相比，它更精確，更簡單。
本發(fā)明的任務(wù)由權(quán)利要求1請求保護的方法和權(quán)利要求20請求保護的裝置實現(xiàn)。
通過下面結(jié)合附圖對實施例的描述將會更加清楚地理解本發(fā)明的上述特征以及其他特征，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)用于重新構(gòu)造聲信號頻譜的裝置的示意圖；圖2是本發(fā)明的頻譜增強裝置的示意圖；圖3a和3b表示的是用于本發(fā)明實施方式中的頻譜移位模塊；圖4示意性地說明根據(jù)本發(fā)明實施方式的頻譜增強方法；圖5示意性地表示本發(fā)明的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個編碼器和一個解碼器，并有頻譜增強裝置。
我們重新回到對不完整頻譜的信號，特別是有限頻譜帶的信號SB的頻譜進行增強的情況。
本發(fā)明表明根據(jù)慣常的一些假設(shè)，可以為一個信號建立模型，例如對頻譜包絡(luò)線的濾波器激發(fā)的信號的濾波結(jié)果。如果描述信號SB的頻譜包絡(luò)線，則通過讓該信號通過一個傳遞函數(shù)的變白濾波器(近似)就可以使其頻譜變白，所述傳遞函數(shù)是展開函數(shù)的倒數(shù)。這樣就得到一個初始激勵信號的近似值，該值不受所考慮的頻譜帶中的頻譜的影響。因此，在說話信號的具體情況下，激勵信號被其成形結(jié)構(gòu)消除。本發(fā)明在于通過移位變白的頻譜來增強信號SB的頻譜。得到的信號是頻譜移位過的應(yīng)當(dāng)成形的信號。利用一個成形濾波器實現(xiàn)這種頻譜成形，例如用信號SB的頻譜展開函數(shù)推論其傳遞函數(shù)。
圖2是本發(fā)明的頻譜增強裝置的示意圖。不完整頻譜的信號，特別是限定頻譜帶(例如0-5kHz)的聲信號被一個變白濾波器201濾波，通過估計頻譜包絡(luò)線得到該變白濾波器的傳遞函數(shù)。利用增強裝置的模塊202來估計頻譜包絡(luò)線。根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式，通過分析不完整頻譜的信號來估計頻譜包絡(luò)線。根據(jù)本發(fā)明的第二個實施方式，利用外源提供的信息來估計頻譜包絡(luò)線，該外源例如是一個解碼器。在這兩種情況下，變白濾波器的傳遞函數(shù)是頻譜展開函數(shù)的倒數(shù)。
利用一個移位模塊203使變白頻譜信號SW的頻譜進行移位。然后使所得到的經(jīng)調(diào)整的頻譜信號SH，具體地說是轉(zhuǎn)換成高頻(例如在上述聲信號的情況下為5-10kHz)的頻譜信號由一個成形濾波器204濾波。根據(jù)第一種實施方式，用信號SB的頻譜展開函數(shù)推導(dǎo)其傳遞函數(shù)。根據(jù)第二種實施方式，用一個外界信息推導(dǎo)傳遞函數(shù)，該外界信號就是全頻譜帶信號的展開函數(shù)，SB來自該全頻譜帶信號。利用加法器205將濾波過的信號SE(我們將其命名為增強頻譜信號)添加到頻譜限定的信號SB上，以便產(chǎn)生一個增強(或重新構(gòu)建)信號SR。
頻譜包絡(luò)線的估算模塊202例如可以通過分析儀LPC，例如由J.Makhoul的題為《Linear Prediction；a tutorialreview》，Proceedings of the IEEE，Vol.63，No 4，pp 561-580描述的分析儀建立頻譜包絡(luò)線的模型。根據(jù)序號P的自回歸模式建立信號S的模型sn=-Σk=1Paksn-k+Gun]]>其中sn表示需建立模型的信號，ak是預(yù)設(shè)系數(shù)(或系數(shù)LPC)，un是預(yù)設(shè)的余數(shù)，P是所用濾波器的序數(shù)，也就是說所用濾波器LPC系數(shù)的數(shù)目，G是標(biāo)準(zhǔn)增益。濾波器LPC按照下式建立信號S的模型S(z)＝G/A(z)，其中A(z)=Σi=0Paiz-i;a0=1]]>通過合適地選擇濾波器的序數(shù)P(足夠大的P)和系數(shù)LPC的數(shù)值，就可以得到頻譜空白的(或幾乎空白)預(yù)設(shè)余數(shù)un，由濾波器A(z)濾波的結(jié)果S(z)是U(z)，濾波器A(z)也稱作變白濾波器。該濾波器的系數(shù)計算在本領(lǐng)域是公知的(例如用Levinson-Durbin的算法)。
因而利用下式建立頻譜形式的模型S^(ω)=G2ρ(0)+2Σi=1Pρ(i)cos(ωi)]]>其中有如下規(guī)則ρ(i)=Σk=0P-iakak+ia0=1,0≤i≤P]]>利用限定頻譜信號SB的分析儀LPC或用外源(例如通過下述解碼器提供的外源)可以直接估算系數(shù)ak。該實施方式由虛線230表示。
利用全頻譜帶起始信號的分析儀LPC也可以估算系數(shù)ak。例如，這是如果信號SB來自有限頻譜帶編碼的情況編碼器可以向增強裝置提供系數(shù)LPC(直接提供或以它們的還原量化形式提供)，這些系數(shù)的數(shù)目可以恢復(fù)全頻譜帶頻譜的頻譜形式。這種實施方式由虛線220表示。
在一個臨時基質(zhì)上確定這些系數(shù)，可以選擇該臨時基質(zhì)，使其比較好地適應(yīng)信號的局部穩(wěn)定性。這樣，當(dāng)信號不穩(wěn)定時，就根據(jù)所含的頻譜內(nèi)容將需分析的部分信號切成均勻的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。利用頻譜分析儀，首先通過測量各頻譜之間的距離，然后重新組合類似區(qū)域的濾波器，就可以直接測量這種均勻性，所述各頻譜是在各網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上估算出來的。
當(dāng)然，描述成頻譜包絡(luò)線的信息可以不是系數(shù)LPC，其條件是只要該信息可以建立濾波器式的頻譜包絡(luò)線模型。例如，可以設(shè)想該信息是頻譜形式的索引矢量式的任何信息只要該模型化的濾波器系數(shù)能夠從中推斷出即可。選擇變白濾波器的傳遞函數(shù)，使其成為頻譜包絡(luò)線的模型化的濾波器的傳遞函數(shù)的倒數(shù)。
在臨時區(qū)域由濾波器201產(chǎn)生的變白效果與常用區(qū)域的一樣好。
同樣，頻譜移位模塊203可以在常用區(qū)域中工作，也可以在臨時區(qū)域中工作。移位工作可以是簡單的平移，也可以是比較復(fù)雜的轉(zhuǎn)換。如果目標(biāo)頻譜帶(也就是信號SH的頻譜帶)靠近初始頻譜帶(信號SB的)，則最好先用平移，再用轉(zhuǎn)換，這樣可以防止兩個頻譜帶連接點處出現(xiàn)頻譜的不連續(xù)性。
在常用區(qū)域的移位工作是普通的，所以這里不作描述。
移位也在臨時區(qū)域進行。如果涉及的是轉(zhuǎn)換，則在轉(zhuǎn)換頻率下簡單地平移一個邊頻譜帶就可以實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換，此時消除了下邊頻譜帶。如果涉及的是在相鄰頻譜帶中的帶有轉(zhuǎn)換的平移，則在兩個連接頻率時通過變換邊頻譜帶就可以實現(xiàn)這種平移，此時消除了上邊頻譜帶。
用一組分析濾波器和一組合成濾波器(例如利用一組多相濾波器)也可以實現(xiàn)這種移位，這如圖3a和3b所示。由于分析濾波器的輸出與合成濾波器的多排移位輸入相連(3a)，所以進行平移，由于分析濾波器的輸出先與合成濾波器輸入的各排反向輸入相連，后與平移輸入相連(3b)，因此在平移以后進行轉(zhuǎn)換。
移位可以涉及整個初始頻譜帶或部分初始頻譜帶。在頻譜成形步驟以后，在不同頻率的目標(biāo)頻譜帶中可以考慮多種移位。此外，在頻譜變白以后或是變白以前均可進行這種移位，這種移位也可以與變白同時進行。
在以目標(biāo)頻譜帶移位以后，利用成形濾波器204使信號成形?？梢杂腥舾蓪嵤┓绞?。
首先，如果頻譜增強裝置接收的是全頻譜帶頻譜包絡(luò)線的信息(例如在信號來自上述頻譜帶限定的編碼時)，就可以用該信息來估算成形濾波器的傳遞函數(shù)。例如這就是如果具有全頻譜帶信號的系數(shù)LPC的情況。因此，目標(biāo)頻譜帶的頻譜將會是所考慮的頻譜帶中的頻譜包絡(luò)線的形狀。該實施方案由虛線220表示。
通過推斷初始頻譜帶的頻譜包絡(luò)線就可以得到傳遞函數(shù)?？梢杂酶鞣N不同的推斷方法，特別是所有用于建立頻譜包絡(luò)線的模型的方法。在根據(jù)初始頻譜帶的頻譜包絡(luò)線用模塊202估算系數(shù)LPC的特定情況下，最好用一個具有這些系數(shù)LPC的成形濾波器。
如果平移與變白同時進行，則只要用傳遞函數(shù)的濾波器的一個運行即可實現(xiàn)變白濾波和相繼的成形濾波，所述傳遞函數(shù)等于變白濾波器和成形濾波器的各自的傳遞函數(shù)的乘積。
圖4說明根據(jù)本發(fā)明實施方式的頻譜增強方法。它精確地給出了特定情況下不同信號SB，SW，SH，SE，SR的示意圖，在所述的特定情況中，將不完整頻譜限定為低頻頻譜帶，目標(biāo)頻譜帶是高頻頻譜帶(主要是用聲音時的情況)。假定移位后于變白。
圖4a表示低頻信號SB的頻譜以及全頻譜帶頻譜包絡(luò)線。通過推算低頻信號的頻譜包絡(luò)線(點劃曲線)確定該頻譜包絡(luò)線，低頻信號的頻譜包絡(luò)線是由表示全頻譜帶頻譜包絡(luò)線的外部信息源提供的。
圖4b表示頻譜變白以后的信號SW的頻譜。
圖4c表示頻譜移位以后的信號SH的頻譜。這里所選的移位是簡單平移。
圖4d表示頻譜成形以后信號SE的頻譜。
圖4e表示頻譜增強信號或重新構(gòu)造信號SR的頻譜。
圖5表示本發(fā)明的一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個限定頻譜帶的編碼器510和一個解碼器500，該解碼器與上述頻譜增強裝置相連。
該編碼器借助頻譜估算模塊511可以提供表示全頻信號的頻譜包絡(luò)線的信息。另外，它還可以提供表示在一個或多個應(yīng)當(dāng)受到成形的頻譜帶中的信號的頻譜包絡(luò)線的信息。因此如上所述，該信息可以直接由頻譜成形濾波器使用。如有必要，將由編碼器傳送的信息用于修正變白濾波器的傳遞函數(shù)，以便在編碼前，由變白-移位-成形工作的結(jié)果更好地重新構(gòu)成信號的頻譜包絡(luò)線。這種實施方式由虛線520表示。
解碼器向不完整頻譜或限定的頻譜提供信號，這樣就可以按照上述方法增強頻譜。因此，為了清楚地表述頻譜的新構(gòu)造，通過編碼將原始信號源S的一部分頻譜刪除。除了不完整頻譜的解碼信號以外，解碼器本身還可以提供一個與該信號的頻譜包絡(luò)線相關(guān)的信息，該信息可由頻譜包絡(luò)線估算模塊502使用。這種實施方式用虛線530表示。如果解碼器只提供不完整頻譜的解碼信號，那么就根據(jù)該信號估算頻譜包絡(luò)線。
本發(fā)明系統(tǒng)的主要用途在于對由感知編碼器編碼的聲信號的頻譜重新進行構(gòu)造。聲音編碼器可以用來降低變化速率(MPEG1，MPEG2或MPEG4-GA)或CELP速率(ITU G72X)，甚至減少參數(shù)(參數(shù)MPEG4型)。
對于相同的傳送速率來講，將會改善感知到的音質(zhì)，聲音變得“更加清楚”。另外，對于相同的質(zhì)量來講，可以降低速率。下面是一個結(jié)構(gòu)的例子編碼信號的傳送為24kbit/s，另外再有2kbit/s的高頻頻譜信息的變化。這樣，如果沒有本發(fā)明的裝置，則得到的26kbit/s的信號質(zhì)量等同于約64kbit/s的信號質(zhì)量。
本發(fā)明有許多用途，它不限于重新構(gòu)造聲信號的頻譜。本發(fā)明可以重新構(gòu)造任何一個物理信號，特別是講話信號。
正如已經(jīng)看到的那樣，本發(fā)明不限于重新構(gòu)造預(yù)先存在的初始信號的頻譜，總的來講，可以用來增強信號的頻譜。
權(quán)利要求
1.一種增強具有不完整頻譜的信號的頻譜量的方法，該不完整頻譜包括第一頻譜帶，所述方法包括如下步驟-至少將所述第一頻譜帶的頻譜量移位到一個沒有包括在所述頻譜中的第二頻譜帶內(nèi)，以便產(chǎn)生一個移位的頻譜信號，該信號的頻譜限定在所述第二頻譜帶內(nèi)；-使頻譜移位過的信號的頻譜成形，以便得到一個增強信號；-將不完整頻譜信號與增強信號結(jié)合以便產(chǎn)生一個頻譜增強了的信號；所述的頻譜量經(jīng)歷變白的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強頻譜量的方法，其特征在于第二頻譜帶與第一頻譜帶相鄰。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的增強頻譜量的方法，其特征在于頻譜量的移位包括頻譜的移位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增強頻譜量的方法，其特征在于頻譜量的移位還包括頻譜的反轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的增強頻譜量的方法，其特征在于通過調(diào)制使頻譜進行移位。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的增強頻譜量的方法，其特征在于調(diào)制是單一的邊頻譜帶調(diào)制。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增強頻譜量的方法，其特征在于利用一組分析濾波器對不完整頻譜的信號進行濾波，并將這些濾波器的輸出連接到一組合成濾波器的各移位輸入上，以對頻譜進行移位。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的增強頻譜量的方法，其特征在于利用一組分析濾波器對不完整頻譜的信號進行濾波，并將這些濾波器的輸出連接到一組合成濾波器的各反向移位輸入上，以對頻譜進行移位。
9.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的增強頻譜量的方法，其特征在于利用一組變白濾波器對不完整頻譜的信號進行濾波來使頻譜量變白。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的增強頻譜量的方法，其特征在于利用一個信息使變白濾波器得到傳遞函數(shù)，所述信息向不完整頻譜提供頻譜包絡(luò)線。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的增強頻譜量的方法，其特征在于提供頻譜包絡(luò)線的信息包括不完整頻譜的信號的系數(shù)LPC。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的增強頻譜量的方法，其特征在于通過利用一個成形濾波器對頻譜已移位的信號進行濾波來使頻譜實現(xiàn)成形。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的增強頻譜量的方法，其特征在于通過推算頻譜不完整的信號的頻譜包絡(luò)線得到成形濾波器的傳遞函數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的增強頻譜量的方法，其特征在于利用一個信息使成形濾波器得到傳遞函數(shù)，所述信息向不完整頻譜提供信號頻譜完整的頻譜包絡(luò)線。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的增強頻譜量的方法，其特征在于根據(jù)所述信息對變白濾波器的傳遞函數(shù)進行修正，該信息提供頻譜完整的頻譜包絡(luò)線。
16.根據(jù)權(quán)利要求12至15之一所述的增強頻譜量的方法，其特征在于將所述轉(zhuǎn)換步驟與變白步驟結(jié)合，用一個濾波器的單一濾波步驟實現(xiàn)成形步驟和變白步驟，對于傳遞函數(shù)來講，該濾波器有變白濾波器和成形濾波器的各個傳遞函數(shù)的乘積。
17.一種對不完整頻譜的信號，特別是頻譜帶受限定的聲信號進行解碼的改進方法，所述不完整頻譜的信號通過對一個寬頻譜帶信號源的頻譜進行有限的編碼得到，例如感知編碼，其特征在于利用權(quán)利要求1-16之一所述的增強頻譜方法對已解碼的信號進行增強。
18.一種對不完整頻譜的信號，特別是頻譜帶受限定的聲信號進行解碼的改進方法，所述不完整頻譜的信號通過對一個寬頻譜帶信號源的頻譜進行有限的編碼得到，例如感知編碼，其特征在于利用權(quán)利要求12或13所述的增強頻譜方法對已解碼的信號進行增強，通過解碼步驟提供的信息向不完整頻譜提供信號的頻譜包絡(luò)線。
19.一種對不完整頻譜的信號，特別是頻譜帶受限定的聲信號進行解碼的改進方法，所述不完整頻譜的信號通過對一個寬頻譜帶信號源的頻譜進行有限的編碼得到，其特征在于編碼提供的信息得到寬頻譜帶信號源的頻譜包絡(luò)線，改進在于利用權(quán)利要求14或15所述的增強頻譜方法對已解碼的信號進行增強，信號的完整頻譜向不完整頻譜的轉(zhuǎn)變是寬頻譜帶信號源。
20.一種增強具有不完整頻譜的信號的頻譜量的裝置，該不完整頻譜包括第一頻譜帶，其特征在于該裝置實施權(quán)利要求1-16之一所述的方法的各步驟。
21.一種信號解碼器的附加裝置，需要解碼的信號來自頻譜帶有限的編碼器，例如感知聲音編碼器，其特征在于該附加裝置實施權(quán)利要求17所述的方法的各步驟。
22.一種接收裝置，該裝置包括一個對被頻譜帶有限的編碼器，例如感知聲音編碼器，編碼的信號進行解碼的解碼器，以及一個實施權(quán)利要求17或18所述方法的各步驟的附加裝置。
23.一種編碼/解碼裝置，該裝置包括一個頻譜帶有限的編碼器，例如感知聲音編碼器，它接收有源信號，產(chǎn)生編碼信號；一個頻譜估算器，該估算器給出一個全頻譜帶信號源的頻譜包絡(luò)線的信息；一個編碼信號的編碼器；以及一個實施權(quán)利要求19所述方法的各步驟的附加裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種增強頻譜的方法以及實施該方法的裝置。本發(fā)明方法是增強具有不完整頻譜的信號的頻譜量的方法，該不完整頻譜包括第一頻譜帶，所述方法包括如下步驟至少將所述第一頻譜帶的頻譜量移位到一個沒有包括在所述頻譜中的第二頻譜帶內(nèi)，以便產(chǎn)生一個移位的頻譜信號，該信號的頻譜限定在所述第二頻譜帶內(nèi)；使頻譜移位的信號的頻譜成形，以便得到一個增強信號；將不完整頻譜信號與增強信號結(jié)合以便產(chǎn)生一個頻譜增強了的信號。本發(fā)明特征在于所述頻譜量經(jīng)歷變白的步驟。
文檔編號G10L21/038GK1425177SQ0180826
公開日2003年6月18日 申請日期2001年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月18日
發(fā)明者皮埃里克·菲利普, 帕特里斯·科朗 申請人:法國電信有限公司, 法國無線電廣播有限公司