無需解碼的數位訊號壓縮方法和裝置的製作方法
2023-06-17 10:05:26 7
專利名稱：無需解碼的數位訊號壓縮方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及數位訊號壓縮，更具體地講，涉及一種能夠壓縮參量建模和編碼的數位訊號的解碼器或聲碼器。
移動通信產品在大小和性能上一直在不斷地改進。因此，存儲數字數據的存儲器最佳化是滿足這種產品的用戶的當前和未來需求的關鍵。話音、視頻和多媒體信號都要佔據大量的存儲空間。這種信號的壓縮方案可能變得十分複雜，而產生的未壓縮信號在清晰度上低於可接受標準，或未壓縮數據的長度仍然太長而不能提供存儲空間節省的顯著優越性。因此，需要有一種存儲數位訊號的壓縮方案，能夠減小未壓縮模式下的存儲數位訊號的大小，同時保持清晰度和顯著節省存儲空間。
圖1是根據本發明的一個較高速率消息的代表；圖2是根據本發明的較高速率消息中的一個幀的代表；圖3是根據本發明的較低速率消息中的一個有聲錨入幀的代表；圖4是根據本發明的較低速率消息中的一個有聲中間幀的代表；圖5是根據本發明的任何速率的無聲錨入幀的代表；圖6是根據本發明的無聲中間幀的代表；圖7是根據本發明的一種像選擇性呼叫接收機這樣的電子設備的方框圖；圖8是說明根據本發明的壓縮數位訊號的方法的流程圖；和圖9是說明根據本發明的壓縮數位訊號的方法的另一個流程圖。
任何能夠建模和參量編碼的數位訊號都是能夠根據本發明的利益壓縮或轉換並隨後再建的示例信號。雖然本發明的重點在於能夠建模和參量編碼的數字語音信號，但是應當知道像數字存儲的視頻信號這樣的其它信號同樣也能夠從本發明獲益。
對於數字語音信號，在再建語音的處理中最好使用一種多速率聲碼器。聲碼器最好具有一個最初執行將數據的二進位流解碼成語音模型參數集，然後將參數轉換成合成語音的語音合成器。多速率聲碼器最好是一種根據把語音分割成多個固定長度的片段而進行語音分析、編碼和合成的多頻帶激勵(MBE)聲碼器。語音的合成最好是使用每一幀的特定模型參數集，一幀接一幀地進行。模型參數的有效使用需要了解人類語音性質的基礎假設。
有關語音的主要假設是，它通常是具有高度周期性的，並且它的頻譜特徵是逐漸變化的。這是聲碼器方案中選擇一個固定長度幀的基礎。當然，有些時候語音特徵變化的確是很快的。在這些情況下，具有較短更新間隔的高速編碼器的工作性能一般優於很低速度的編碼器。因此，將偽周期性語音稱作「有聲的」，而將周期性語音稱作「無聲的」。語音一般是由有聲和無聲頻譜分量的混合而構成的，並且典型的聲碼器分離地處理語音信號的有聲和無聲部分，以便有效地給信號建模和編碼，並且隨後在語音的再建中組合信號。
可以在一個數據幀內的語音模型參數集可以包括一個幀發聲標誌，一個基頻值，頻帶發聲向量，行頻譜頻率或頻譜參數，以及增益。幀發生標誌指示在一個給定幀中是否存在有聲分量，和幀數據本身是有聲還是無聲格式。有聲語音中的基頻代表音調頻率或音調周期重複的頻率。由於在無聲語音中沒有真正的基頻，因此可以賦予一個任意值，並且用於無聲語音片段的頻譜形狀的解碼。頻帶發聲向量把語音信號分割成多個具有預定頻率範圍的頻帶。行頻譜頻率(LSF)或頻譜參數提供了用於給要用於產生合成語音信號的頻譜編碼的值。從LSF導出的諧波頻譜形狀應當用增益來定標，以代表正確的幀能量。
因此，上述的典型聲碼器可以用於從三種數據率合成語音，例如，每秒600,1000，或1400比特的數據率。儘管這些速率是可觀的，並且允許將大量語音存儲在存儲器中，但是本發明主要的目的是要提供一種優化像選擇性呼叫接收機或消息發送單元這樣的電子設備中存儲器使用的方法。
圖1示出了一個典型的較高速率消息比特流結構12。(由於幀可以是有聲的或無聲的，因此，沒有示出幀1…N的比特長度。)圖2示出了一個較高速率有聲幀12的比特分配。如圖3中所示，一個有聲較低速率錨入幀14在BV欄位中具有2比特，沒有諧波殘餘(HR)，並且可以包含較少的頻譜參數或LSF。圖4示出了一個有聲較低速率中間幀16的比特分配，這種幀除了沒有頻譜參數或LSF之外，具有與有聲較低速率錨入幀14基本上相同的格式。圖5示出了一個任何速率的無聲錨入幀18的比特欄位，圖6示出了一個無聲中間幀20。在了解分段的前提下也可以了解錨入幀和中間幀的概念。分段是選擇代表幀(錨入幀)以及它們各自的頻譜參數，同時利用頻譜失真量度放棄中間幀的頻譜參數的處理過程。因此，一個已經被壓縮到較低速率的存儲話音信號的有聲片段可以包含一個較低速率錨入幀14，其後跟隨著預定數量的較低速率中間幀16並且由另一個較低速率錨入幀14分界。同樣，一個已經壓縮到較低速率的存儲話音信號的無聲片段可以包含一個無聲錨入幀18，其後跟隨著預定數量的無聲中間幀20並且由另一個無聲錨入幀18分界。
進一步詳細查看幀中的比特分配，有聲或無聲幀的增益欄位中的13比特對於任何速率都是有效的。因此，把全部13個比特從較高速率比特流複製到較低速率比特流。(消息發送單元中的一個參數解碼器處理如何根據速率把增益分割成左-或右-半能量。)同樣，對於話音幀，把音調欄位中的13比特從較高速率比特流複製到較低速率比特流。對於頻帶發聲(BV)，最好把一個有聲幀的頻譜分成四個頻帶部分，每個頻帶部分帶有一個有聲/無聲標誌。在本例中，數位訊號是經過參量建模的，因此第一頻帶總是有聲的，所以總是BV1=1。第二，第三和第四頻帶可以是有聲的或無聲的。因此，較高速率幀可以顯式地攜帶三個比特的頻帶2,3和4的發聲狀態BV2,BV3,BV4。另一方面，一個較低速率幀可以包含較少的信息，最好是僅包含比特BV2和BV3。這意味著速率轉換算法只是不從較高速率比特流複製BV4。參數解碼器在解碼較低速率消息時將知道把BV4設定到BV3。對於諧波殘餘(HR)，諧波殘餘不在較低速率消息中使用，並且不從較高速率比特流複製到較低速率比特流，從而導致數據的減少。當播送較低速率消息時，從參數解碼器把零發送到合成器。對於諸如行頻譜頻率(LSF)之類的頻譜參數，由於較低速率消息包含比較高速率消息更少的顯式LSF集，因而利用較低速率消息可以取得較低的比特率，較低速率消息包括顯式LSF是因為每個幀都是一個錨入幀。從較高速率比特流選擇適當的LSF在較低速率很好地代表話音消息內容對於消息的話音質量是十分重要的。最好是根據失真最小例程從較高速率比特流選擇代表LSF。一旦確定了代表LSF，相應地更新了FSI塊。
根據本發明的像選擇性呼叫接收機或收發信機這樣的具有存儲參量建模和編碼的數位訊號的存儲器並且能夠壓縮數位訊號的這樣的一個電子設備最好包括一個像多速率聲碼器這樣的處理器，該聲碼器經過編程以把數位訊號存儲在存儲器中的多個幀中，其中每個幀具有多個參數，並且其中數位訊號是以較高速率編碼的。然後，處理器最好通過從多個幀中每一個中選擇一個參數子集，並且放棄多個幀中每個幀中的這個多參數子集，而把數位訊號轉換成較低速率。可以進一步給處理器編程，以通過從多個幀中的每一個幀選擇一個額外參數子集，並且放棄多個幀的每個幀中的這個額外參數子集，而有選擇地壓縮數位訊號。
參考圖7，圖7示出了一個可以實現根據本發明的選擇性呼叫接收機或收發信機或便攜用戶單元(PSU)的通信設備50這樣的電子設備的電路方框圖。便攜用戶單元包括一個向基站(未示出)和從基站發送和截聽無線電信號的收發信機天線52。將連結到收發信機天線52的無線電信號耦合到包括一個慣用發射機51和接收機53的收發信機54。從基站接收的無線電信號最好使用慣用的二和四-級FSK調製，但是也可以使用其它調製方案。熟悉本領域的一般技術人員都知道，收發信機天線52不限於發射和接收無線電信號的單一天線。也可以使用接收和發射無線電信號的分離天線。
收發信機54接收的無線電信號在輸出端產生解調信息。通過一個最好耦合到處理器58的輸入端的信號信息總線55傳送解調信息，處理器58以本領域已知的方式處理信息。處理器58同樣地處理包括確認響應信息的響應消息，並通過信號信息總線55傳送到收發信機54。最好使用以9600(ninety-six-hundred)bps比特率操作的四級FSK調製收發信機54發送的響應消息。應當知道，也可以選擇使用其它調製比特率和其它調製類型。
使用一個耦合到處理器58的慣用電源開關56控制對收發信機54的電能供應，從而提供了一種電池節省功能。時鐘59耦合到處理器58以提供用於對根據本發明要求的不同事件定時的定時信號。處理器58最好也耦合到一個可電擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)63，該存儲器包括至少一個分配給便攜用戶單元18和用於實現選擇性呼叫特徵的選擇性呼叫地址64。處理器58也耦合到一個用於把至少一個消息存儲在多個消息存儲單元68中的隨機存取存儲器(RAM)66。當然，也可以存儲在雙向消息發送系統中有用的其它信息，例如，區標識號和計算呼叫次數(向和來自PSU)的一般目的計數。
雙向消息發送單元形式的通信設備50也可以包括一個耦合到一個編碼器並且進一步耦合到處理器58的發射機。應當知道，本發明中的處理器58可以具有解碼器和編碼器兩種功能。
當處理器58接收到一個地址時，最好是在一個ROM60中的呼叫處理元件61把接收的地址與至少一個選擇性呼叫地址64比較，當檢測到一個匹配的地址時，最好產生一個呼叫提示信號，以提示用戶接收到了一個消息。將呼叫提示信號傳送到耦合到處理器58的慣用音響或觸感提示設備72，以產生音響或觸感呼叫提示信號。此外，呼叫處理元件61處理最好以數位化的慣用方式接收到的消息，然後把消息存儲在RAM66中的消息存儲單元68中。使用者可以通過耦合到處理器58的，用於提供諸如讀取、鎖定和刪除消息之類的功能的慣用使用者控制器70來存取消息。作為替代，可以通過一個串行埠(未示出)讀出消息。為了檢索或讀出消息，最好也將一個輸出設備62，例如，一個慣用液晶顯示器(LCD)，耦合到處理器58。應當知道，對於ROM60或RAM66也可以使用其它類型的存儲器，例如，EEPROM，並且可以利用其它類型的輸出設備，例如，揚聲器，來代替或附加到LCD，特別是在接收數位化話音時。除了其它元件或程序之外，ROM60最好也包括進行寄存處理(67)和壓縮處理(65)的元件。
根據本發明的方法最好是在消息發送單元內將較高速率消息轉換成較低速率消息。轉換最好在消息解碼之間進行。作為替代，一些轉換部分可以在消息解碼之前進行，而剩餘的轉換部分可以在解碼後進行。預期用於本發明的聲碼系統將把話音數據作為以後用於重建個人話音的參數的壓縮比特流存儲。較高速率消息(例如，1400bps或速率3消息)包含比較低速率消息(例如，1000bps或速率2消息，或600bps或速率1消息)中更多的參數，因而造成了速率和質量的提高。(請注意，與每個速率相關的比特數是近似的，並且代表平均消息。)因此，通過在僅僅輕微降低產生的語音質量的情況下有效地減少存儲的參數數量來下變換消息的速率，可以獲得存儲器節省。
例如，假設16比特字，平均10秒速率3消息佔據875存儲器字10秒*1400比特/秒*1字/16比特=875字通過在速率1轉換該10秒消息，存儲器使用成為
10秒*600比特/秒*1字/16比特=375字這導致了大約55％的平均節省率。當然，如前面提到的，存在著與降低速率有關的輕微話音質量損失。但是，如後面要說明的，可以審慎地應用速率降低。此外，速率降低可以是從速率3到速率2，或從速率2到速率1。
根據本發明的方法最好是在聲碼器進行重建之前把較高速率消息轉換成較低速率消息。這顯著地減小了最終再生話音消息所需的處理量，並且也提供了比利用完全重建消息然後再轉換到較低速率的方法的更高質量的消息。更具體地講，可以無需解碼從接收的參數壓縮比特流提取、放棄或至少是減少參數值。應當知道，在解碼後也可以進一步放棄或減少參數值。
參考圖8，本發明的另一方面中，壓縮以較高速率參量建模和編碼的數位訊號的方法100最好包括步驟在步驟102，把數位訊號以多個幀存儲在存儲器中，多個幀中的每個幀具有多個參數；和通過在步驟106從多個幀的每個幀選擇一個多個參數的子集，並且在步驟108放棄多個幀的每個幀內的多個參數的子集，而把數位訊號轉換到較低速率。多個參數可以從頻譜、增益、音調、頻譜參數和頻帶發聲構成的組中選擇，最好是不重構信號而取得數位訊號到較低速率的轉換。轉換可以進一步包括，通過，如前面所述的，選擇多個幀的代表幀和對應頻譜參數而進行分段的步驟。轉換也可以包括把增益、音調、頻帶發聲和頻譜參數的至少一部分從較高速率消息複製到較低速率消息直到消息結束的步驟。通過在步驟112從多個幀的每個幀中選擇一個附加參數子集，和在步驟114放棄多個幀的每個幀中的附加參數子集而在決策方框110進一步壓縮數位訊號。所有這些步驟都可以在一個諸如選擇性呼叫單元，電話應答設備，或具有聲碼器的聽寫設備之類的電子設備中進行。
在應用根據本發明的方法時，存在著幾種可以壓縮數字話音消息的情況。因而，如在步驟104中所示，數位訊號的壓縮可以基於一種預定的事件確定。例如，基於使用者的請求。在尋呼機之類的電子設備的菜單屏幕上可以容易地實現「壓縮消息」命令。其它例子可以包括，自動壓縮最老的一個消息或多個消息，或在存儲器充滿或接近滿容量預定百分比時自動壓縮消息。可以自動壓縮預定天數之前的消息，或預定天數中一直沒有播放/重放的消息。此外，如果存儲器已經達到預定容量，那麼可以壓縮存儲器中任何聲頻信息業務消息。如果存儲器接近充滿，那麼可以實時壓縮呼入消息。壓縮算法也可以把存儲器壓縮到它的當前容量的預定百分比。為了平衡清晰度或質量與空間節省比，用戶甚至可以設定一個消息或一系列消息的壓縮標準。本發明最終允許自由選擇保持或是放棄參數，以取得恰當的壓縮目標。
以下在圖9的方法200中概括了用於把話音消息從較高速率改變到較低速率的算法。第一步是要在步驟202通過開始組成較低速率消息的標題(HD)初始化單元存儲器中的較低速率消息。HD的頭兩個比特包含速率指示符(R)。因此，從1400bps變化到600bps,R被寫為01。包含在較高速率標題中的許多其它數據也要在較低速率標題中使用編碼當前消息中幀數，有聲幀數，平均基頻，和有聲幀的奇數行頻譜頻率(LSF)的平均值的比特。在步驟204，根據上述分段，選擇諸如LSF之類的代表頻譜參數。在步驟206，建立較低速率比特流的幀狀態指示符(FSI)。幀狀態指示符(FSI)說明哪些幀是有聲的或是無聲的。由於所有較高速率幀都是顯式(即，沒有LSF插入)，較高速率消息的FSI塊包含每幀一個比特。但是，由於較低速率消息包含顯式和插入幀，因而FSI塊需要每幀兩比特。轉換處理確定哪些幀將是顯式的，或是插入的，因而設置兩個FSI比特。在步驟208，將增益參數從較高速率消息比特流複製到較低速率消息比特流。接下來，在決策方框210，如果幀是有聲的，那麼把音調參數從較高速率消息比特流複製到較低速率消息比特流。在步驟214和216，取出較高速率消息頻帶發聲比特，放棄最後一個頻帶發聲比特。然後把剩下的頻帶發生比特複製到較低速率消息比特流。在步驟218，忽略較高速率諧波殘餘，因此不複製到較低速率消息比特流。在步驟220，把代表頻譜參數從較高速率消息比特流複製到較低速率消息比特流。如步驟222所示，對每一幀重複上述過程，直到到達消息結束。在決策方框210，如果幀是無聲的，那麼在步驟224僅把頻譜參數從較高速率消息比特流複製到較低速率消息比特流，直到到達如步驟222所示的消息結束。一旦根據本發明把話音消息從較高速率壓縮到較低速率，那麼多速率聲碼器可以從較低速率參數重構話音信號，因而取得了希望的存儲器節省。
上述說明只是為了舉例說明本發明，而不是為了以任何方式限制本發明，本發明範圍僅受附屬權利要求的限制。
權利要求
1．一種壓縮參量建模和編碼的數位訊號的方法，包括步驟把數位訊號存儲在存儲器的多個幀中，多個幀的每個幀中具有多個參數，其中數位訊號是以較高速率編碼的；通過從多個幀的每個幀選擇一個多個參數的子集並且放棄多個幀的每個幀內的多個參數的子集而把數位訊號轉換到較低速率。
2．根據權利要求1所述的方法，其中該方法進一步包括一種壓縮具有從頻譜、增益、音調、頻譜參數和頻帶發聲構成的組中選擇的參數的數字話音信號的方法。
3．根據權利要求1所述的方法，其中該方法進一步包括不用重構信號而把數位訊號轉換到較低速率的步驟。
4．根據權利要求1所述的方法，該方法進一步包括通過從多個幀的每個幀選擇一個附加參數子集並且放棄多個幀的每個幀內的附加參數子集而壓縮數位訊號的步驟。
5．一種根據預定事件壓縮存儲在一個具有聲碼器的用戶單元內的存儲器中的多個幀中的數字編碼話音消息的方法，包括步驟把多個幀中的以第一速率編碼的存儲的數字編碼話音消息轉換成以第二速率編碼的存儲數字編碼話音消息，其中第二速率低於第一速率，其中轉換包括步驟在多個幀的每個幀內選擇一個多個參數的子集；和放棄存在於多個幀內的多個參數的子集。
6．根據權利要求5所述的方法，其中轉換步驟進一步包括通過選擇多個幀的代表頻譜參數進行分段的步驟。
7．根據權利要求5所述的方法，其中轉換步驟進一步包括從第一速率消息把增益、音調、頻帶發聲和頻譜參數的至少一部分複製到第二速率消息直到消息結束的步驟。
8．根據權利要求5所述的方法，其中預定事件包括用戶單元使用者始發的請求。
9．根據權利要求5所述的方法，其中預定事件包括確定存儲在用戶單元中的最老的一個消息或多個消息，因而該方法進一步包括當用戶單元中的存儲器超過了它的存儲容量的閾值百分比時至少自動地壓縮最老消息的步驟。
10．一種具有一個用於存儲參量建模和編碼的數位訊號的存儲器並且能夠壓縮數位訊號的電子設備，包括處理器，處理器經過編程以把數位訊號以多個幀存儲在存儲器中，其中每個幀具有多個參數，和其中數位訊號是以高速率編碼的；通過從多個幀的每個幀選擇一個多個參數的子集並且放棄多個幀的每個幀內的多個參數的子集而把數位訊號轉換到較低速率。
全文摘要
一種壓縮參量建模和編碼的數位訊號的方法(100)包括步驟:把數位訊號存儲在一個存儲器中的多個幀中(102),多個幀的每個幀中具有多個參數,其中數位訊號是以較高速率編碼的,並且通過從多個幀的每個幀中選擇(106)一個多個參數的子集並且放棄(108)多個幀的每個幀內的多個參數的子集而把數位訊號轉換到較低速率。
文檔編號G10L21/04GK1323464SQ99812039
公開日2001年11月21日 申請日期1999年9月15日 優先權日1998年10月13日
發明者戴維·B·陶本海媚, 米裡亞姆·R·布德路克斯, 蘇尼爾·薩蒂亞穆爾蒂 申請人:摩託羅拉公司