用於在碼激勵線性預測編碼器和解碼器中使用的靈活和可縮放的組合式創新代碼本的製作方法
2023-05-20 21:36:46
專利名稱：用於在碼激勵線性預測編碼器和解碼器中使用的靈活和可縮放的組合式創新代碼本的製作方法
技術領域：
本公開涉及用於在碼激勵線性預測(CELP)編碼器和解碼器中使用的組合式創新代碼本裝置和對應的方法。
背景技術：
CELP模型被廣泛地用於以低比特率來對聲音信號(例如，語音)進行編碼。在CELP中，將聲音信號建模為通過時變合成濾波器所處理的激勵。儘管時變合成濾波器可以採取許多形式，但是經常使用線性遞歸全極點濾波器。將該時變合成濾波器的逆濾波器(其因而是線性全零非遞歸濾波器)稱為「短期預測」(STP)濾波器，這是由於它包括按照使得聲音信號的採樣S[i]與該聲音信號的先前採樣s[i-l]、s[i-2]、…、S[i-m]的加權和之間的預 測誤差最小化的這種方式所計算的係數，其中m是濾波器的階數。頻繁用於STP濾波器的另一命名是「線性預測」(LP)濾波器。如果將來自LP濾波器的預測誤差的殘差應用為具有恰當初始狀態的時變合成濾波器的輸入，則該合成濾波器的輸出是原始聲音信號，諸如語音。在低比特率處，不可能傳送精確的預測誤差殘差。相應地，對預測誤差殘差進行編碼，以形成被稱為激勵的近似。在傳統的CELP編碼器中，將該激勵編碼為兩個組成之和；第一組成是從所謂的自適應代碼本所產生的，而第二組成是從所謂的創新或固定代碼本所產生的。自適應代碼本實質上是來自具有恰當增益的過去激勵的採樣塊。創新或固定代碼本是利用碼向量(codevector)所構成的，該碼向量具有用於對來自LP濾波器的預測誤差殘差和自適應代碼本進行編碼的任務。可以使用許多結構和約束來設計創新或固定代碼本。然而，在現代語音編碼系統中，經常使用代數碼激勵線性預測(ACELP)模型。ACELP對於語音編碼領域的普通技術人員是公知的，並相應地，在本說明書中將不詳細地進行描述。總之，ACELP創新代碼本中的碼向量中的每一個包含幾個非零脈衝，所述非零脈衝可以被看做屬於脈衝位置的不同交織軌道。軌道和每個軌道的非零脈衝的數目通常取決於ACELP創新代碼本的比特率。ACELP編碼器的任務在於搜索脈衝位置和標記(sign)，以使得誤差準則最小化。在ACELP中，使用合組成析法(analysis-by-synthesis)過程來執行此搜索,在該過程中，不是在激勵域中、而是在合成域中，即在已經通過時變合成濾波器對給定ACELP碼向量進行濾波之後，計算誤差準則。已經提出了有效的ACELP搜索算法，以允許甚至具有非常大ACELP創新代碼本的快速搜索。圖I是示出了 ACELP解碼器100的主要組件和操作原理的示意框圖。參考圖1，ACELP解碼器100接收所解碼的音高(pitch)參數101和所解碼的ACELP參數102。所解碼的音高參數101包括向自適應代碼本103應用、以產生自適應碼向量的音高延遲。如在上文中所指明的，自適應代碼本103實質上是來自過去激勵的採樣塊，並且通過使用包括過去激勵的等式、以音高延遲、對過去激勵進行內插來發現自適應碼向量。所解碼的音高參數還包括音高增益，使用放大器112、向來自自適應代碼本103的自適應碼向量應用該音高增益，以形成第一、自適應代碼本組成113。自適應代碼本103和放大器112形成自適應代碼本結構。所解碼的ACELP參數包括ACELP創新代碼本參數,其包括向創新代碼本104應用、以輸出對應的創新碼向量的代碼本索引。所解碼的ACELP參數還包括創新代碼本增益，藉助於放大器105、向來自代碼本104的創新碼向量應用該創新代碼本增益，以形成第二、創新代碼本組成114。創新代碼本104和放大器105形成創新代碼本結構110。然後，通過第一、自適應代碼本組成113與第二、創新代碼本組成114的加法器106中的加和來形成總的激勵115。然後,通過LP合成濾波器107來處理總激勵115,以產生原始聲音信號(例如，語音)的合成111。使用當前幀的激勵，對於下一幀來更新自適應代碼本103的存儲器(箭頭108);然後，自適應代碼本103偏移，以處理下一子幀的所解碼音高參數(箭頭109)。可以對於先前描述的基本CELP模型做出若干修改。例如，可以對合成濾波器的輸入處的激勵信號進行處理，以增強該信號。同樣，可以在合成濾波器的輸出處應用後處理。此外，可以對自適應和代數代碼本的增益進行聯合量化。儘管對於以低比特率來編碼語音非常有效，但是當增加ACELP代碼本尺寸時，ACELP代碼本在質量上不像諸如變換編碼和向量量化之類的其他方式增益得那麼快。當以 dB/比特/採樣測量時，通過在ACELP創新代碼本中使用每個軌道更多的非零脈衝所獲得的處於更高比特率處的增益(例如，比16kbit/s更高的比特率)沒有像變換編碼和向量量化的(dB/比特/採樣中的)增益一樣大。這可以在考慮到ACELP實質上將聲音信號編碼為合成濾波器的延遲且縮放的脈衝響應之和時看出。在更低的比特率(例如，比12kbit/s更低的比特率)處，ACELP技術快速地捕捉激勵的主要分量。但是在更高的比特率處，更高的粒度(且具體地，對於如何橫跨信號的不同頻率分量來花費附加比特的較好控制)是有用的。因此，需要一種更好地適用於在更高比特率處使用的創新代碼本結構。
發明內容
更具體地，本公開涉及一種組合式創新代碼本編碼方法，包括對第一、自適應代碼本激勵殘差進行預量化，該預量化被執行在變換域中；以及響應於根據該第一、自適應代碼本激勵殘差所產生的第二激勵殘差來搜索CELP創新代碼本；一種組合式創新代碼本解碼方法，包括將所預量化的編碼參數去量化為第一創新激勵組成，其中，將所預量化的編碼參數去量化包括計算所述編碼參數的逆變換；以及將CELP創新代碼本參數應用於CELP創新代碼本結構，以產生第二創新激勵組成；一種組合式創新代碼本編碼裝置，包括第一、自適應代碼本激勵殘差的預量化器，該預量化器操作在變換域中；以及CELP創新代碼本模塊，響應於根據該第一、自適應代碼本激勵殘差所產生的第二激勵殘差；一種CELP編碼器包括上述的組合式創新代碼本編碼裝置；一種組合式創新代碼本，包括用於所預量化的編碼參數到第一創新激勵組成的去量化器，該去量化器包括響應於所述編碼參數的逆變換計算器；以及CELP創新代碼本結構，響應於CELP創新代碼本參數，以產生第二創新激勵組成；以及一種CELP解碼器包括上述的組合式創新代碼本。
一旦閱讀了僅僅參考附圖、藉助於示例所給出的、其說明性實施例的以下非約束性描述，組合式創新代碼本裝置和對應方法的前述和其他特徵將變得更加明顯。
在附圖中圖I是CELP解碼器的示意框圖，該CELP解碼器包括自適應和創新代碼本結構並且在此非限制性示例中使用ACELP ；圖2是CELP解碼器的示意框圖，該CELP解碼器包括由在頻域中操作的第一解碼級和例如使用ACELP創新代碼本的在時域中操作的第二解碼級所形成的組合式創新代碼本；圖3是使用組合式創新代碼本編碼裝置的CELP編碼器的一部分的示例框圖；以及 圖4是示出了用於預加重濾波器F (Z)的頻率響應的示例的曲線圖，其中將預加重濾波器的動態(dynamics)示出為頻率響應的最小和最大幅度之間的(dB中的)差異。
具體實施例方式參考圖2的解碼器200，對CELP創新代碼本結構(例如，圖I的ACELP創新代碼本結構110)進行修改，使得保持較低比特率處的、ACELP的優點和編碼效率，同時以較高比特率來提供更好的性能和可縮放性。當然，可以使用除了 ACELP之外的CELP模型。更具體地，圖2示出了源自於圖I的ACELP創新代碼本結構110的修改的靈活且可縮放的「組合式創新代碼本」201。如所圖示的，所述組合式創新代碼本201包括兩級的組合在變換域中操作的第一解碼級202和使用時域ACELP代碼本的第二解碼級203。在進一步描述圖2的解碼器200以前，將參考圖3來部分地描述ACELP編碼器300。線件預測濾波參考圖3，ACELP編碼器300包括LP濾波器301，用於處理要編碼的輸入聲音信號302。例如，LP濾波器301可以在z變換中呈現出以下傳遞函數
Ar廣2) =Z OiZ""1
I其中，％表示線性預測係數(LP係數)，其中％=1，並且M是線性預測係數的數目(LP分析的階數)。在ACELP編碼器300的LP分析器(未示出)中確定LP係數&i。LP濾波器301在其輸出處產生LP殘差303。自適應代碼本捭索將來自LP濾波器301的LP殘差信號303使用在ACELP編碼器300的自適應代碼本搜索模塊304中，以查找自適應代碼本組成305。自適應代碼本搜索模塊304還產生向解碼器200 (圖2)傳送的音高參數320，其包括音高延遲和音高增益。還已知為閉環音高搜索的自適應代碼本搜索通常包括所謂的目標信號的計算和通過在感知加權域中使得原始和合成信號之間的誤差最小化來查找參數。認為ACELP編碼器的自適應代碼本搜索以不同方式(otherwise)為本領域普通技術人員所公知，並相應地，在本說明書中將不進一步進行描述。ACELP編碼器300還包括組合式創新代碼本編碼裝置，該編碼裝置包括第一編碼級306，操作在變換域中並且被稱作預量化器；和第二編碼級307，操作在時域中並且例如使用ACELP。如圖3所圖示的，在說明性實施例中，第一級或預量化器306包括用於對低頻進行加重的預加重濾波器F(Z) 308、離散餘弦變換(DCT)計算器309和代數向量量化器(AVQ)310 (其包括AVQ全局增益)。第二級307包括ACELP創新代碼本搜索模塊311。應該注意的是，DCT和AVQ的使用僅僅是示例；可以使用其他變換，並且還可以使用用於對變換係數進行量化的其他方法。如在上文中所描述的，預量化器306例如可以使用作為聲音信號的頻率表示的DCT和代數向量量化器(AVQ)，以對DCT的頻域係數進行量化和編碼。與第一級量化器相t匕，可以將預量化器306更多地用作預調節級，在較低比特率處尤其如此。更具體地，使用預量化器306，將ACELP創新代碼本搜索模塊311 (第二編碼級307)應用於第二激勵殘差312(圖3)，該第二激勵殘差312與第一、自適應代碼本激勵殘差313相比，具有更多規則譜動態。在這個意義中，部分地由於自適應代碼本搜索的不完美工作，所以預量化器306在時間和頻率上承受(absorb)大的信號動態，並且(在執行於ACELP編碼器300處的並且對於語音編碼領域的普通技術人員公知的典型合成分析法循環中，)該預量化器306將用於使得LP加權域中的編碼誤差最小化的任務留給ACELP創新代碼本搜索。 音高殘差信號313的產生ACELP編碼器300包括減法器314，用於從LP殘差信號303中減去自適應代碼本組成305，以產生輸入到預量化器306的上述的第一、自適應代碼本激勵殘差313。通過以下等式來給出該自適應代碼本激勵信號η [η]T1 [n] = r [n] -gpv [η]其中，r[n]是LP殘差，gp是自適應代碼本增益，並且ν [η]是自適應代碼本激勵(通常地，所內插的過去激勵)。預量化現在，將參考圖3來描述預量化器306的操作。預加重濾波在與第二編碼級307中的ACELP創新代碼本搜索的子幀對準的給定子幀中，利用預加重濾波器F(z)308來對第一、自適應代碼本激勵殘差313 (圖3)進行預加重。圖4示出了預加重濾波器F (z) 308的頻率響應的示例，其中將預加重濾波器的動態示出為頻率響應的最小和最大幅度之間的(dB中的)差異。通過以下等式給出示例的預加重濾波器F(Z)F(Z) = I/ (I- α ζ_1)其對應於差異等式y [n] = x [n] + a y [η-1]其中，X[η]是輸入到預加重濾波器F(ζ) 308的第一、自適應代碼本激勵殘差313，y[n]是所預加重的、第一自適應代碼本激勵殘差，並且係數α控制預加重的等級。在此非限制性示例中，如果將α的值設置在O和I之間，則預加重濾波器F(z)308將在較低頻率中具有較大增益，並且在較高頻率中具有較低增益，其將利用所放大的較低頻率來產生所預加重的、第一自適應代碼本激勵殘差I [η]。預加重濾波器F (ζ) 308將譜傾斜應用於第一、自適應代碼本激勵殘差313，以增強此殘差的較低頻率。DCT 計算
例如，計算器309例如使用矩形非重疊窗來將DCT應用於來自預加重濾波器F(z) 308的所預加重的、第一自適應代碼本激勵殘差y[n]。在此非限制性示例中，使用DCT-II，將該DCT-II定義為
權利要求
1.ー種組合式創新代碼本編碼裝置，包括 第一、自適應代碼本激勵殘差的預量化器，該預量化器操作在變換域中；以及 CELP創新代碼本模塊，響應於根據該第一、自適應代碼本激勵殘差所產生的第二激勵殘差。
2.根據權利要求I的組合式創新代碼本編碼裝置，其中，通過從LP殘差中減去自適應代碼本組成來獲得該第一、自適應代碼本激勵殘差。
3.根據權利要求I和2中任一項的組合式創新代碼本編碼裝置，其中，該預量化器包括該第一、自適應代碼本激勵殘差到頻域的變換的計算器。
4.根據權利要求3的組合式創新代碼本編碼裝置，其中，該變換是DCT變換。
5.根據權利要求3和4中任一項的組合式創新代碼本編碼裝置，其中，該預量化器包括所變換的、第一自適應代碼本激勵殘差的量化器。
6.據權利要求5的組合式創新代碼本編碼裝置，其中，所變換的、第一自適應代碼本激勵殘差的量化器是代數向量量化器。
7.根據權利要求3到6中任一項的組合式創新代碼本編碼裝置，在計算所述第一自適應代碼本激勵殘差的變換以前，還包括該第一、自適應代碼本激勵殘差的預加重濾波器。
8.據權利要求7的組合式創新代碼本編碼裝置，其中，該預加重濾波器對該第一、自適應代碼本激勵殘差的低頻進行加重。
9.根據權利要求5到8中任一項的組合式創新代碼本編碼裝置，包括所量化且變換的第一自適應代碼本激勵殘差的逆變換的計算器；所逆變換的自適應代碼本激勵殘差的去加重濾波器，用於產生時域組成；和減法器，從自適應代碼本組成中減去該時域組成以產生該第二激勵殘差。
10.根據權利要求I到9中任一項的組合式創新代碼本編碼裝置，其中，該CELP創新代碼本模塊是ACELP創新代碼本搜索模塊。
11.根據權利要求I到10中任一項的組合式創新代碼本編碼裝置，其中，該預量化器僅僅對具有超出指定閾值的能量的頻域變換係數進行量化，使得在期望的範圍內減少或維持該第二激勵殘差的譜動態。
12.根據權利要求5到11中任一項的組合式創新代碼本編碼裝置，其中，該量化器取決於可用的比特預算來僅僅對與較低頻率相關的變換係數進行編碼。
13.—種CELP編碼器，包括根據權利要求I到12中任一項的組合式創新代碼本編碼裝置。
14.ー種組合式創新代碼本，包括 所預量化的編碼參數到第一創新激勵組成的去量化器，該去量化器包括響應於所述編碼參數的逆變換計算器；以及 CELP創新代碼本結構，響應於CELP創新代碼本參數，以產生第二創新激勵組成。
15.根據權利要求14的組合式創新代碼本，其中，所述去量化器包括解碼器，用於對所預量化的編碼參數進行去量化。
16.根據權利要求15的組合式創新代碼本，其中，所述解碼器包括AVQ解碼器。
17.根據權利要求15和16中任一項的組合式創新代碼本，其中，所述逆變換計算器響應於所去量化的編碼參數。
18.根據權利要求17的組合式創新代碼本，其中，所述逆變換為逆DCT變換。
19.根據權利要求17和18中任一項的組合式創新代碼本，其中，所述去量化器包括去加重濾波器，供應有經過逆變換的、去量化的編碼參數，以產生該第一激勵組成。
20.ー種CELP解碼器，包括根據權利要求14到19中任一項的組合式創新代碼本。
21.ー種組合式創新代碼本編碼方法，包括 對第一、自適應代碼本激勵殘差進行預量化，該預量化被執行在變換域中；以及 響應於根據該第一、自適應代碼本激勵殘差所產生的第二激勵殘差來捜索CELP創新代碼本。
22.根據權利要求21的組合式創新代碼本編碼方法，包括通過從LP殘差中減去自適應代碼本組成來獲得該第一、自適應代碼本激勵殘差。
23.根據權利要求21和22中任一項的組合式創新代碼本編碼方法，其中，對該第一、自適應代碼本激勵殘差進行預量化包括計算該第一、自適應代碼本激勵殘差到頻域的變換。
24.根據權利要求23的組合式創新代碼本編碼方法，其中，所述變換是DCT變換。
25.根據權利要求23和24中任一項的組合式創新代碼本編碼方法，其中，對該第一、自適應代碼本激勵殘差進行預量化包括對所變換的、第一自適應代碼本激勵殘差進行量化。
26.據權利要求25的組合式創新代碼本編碼方法，其中，對所變換的、第一自適應代碼本激勵殘差進行量化包括對所述所變換的、第一自適應代碼本激勵殘差進行代數向量量化。
27.根據權利要求23到26中任一項的組合式創新代碼本編碼方法，在計算該第一自適應代碼本激勵殘差的變換以前，還包括對該第一、自適應代碼本激勵殘差進行預加重濾波。
28.據權利要求27的組合式創新代碼本編碼方法，其中，所述預加重濾波包括對該第一、自適應代碼本激勵殘差的低頻進行加重。
29.根據權利要求25到28中任一項的組合式創新代碼本編碼方法，包括計算所量化且變換的第一自適應代碼本激勵殘差的逆變換；對所逆變換的自適應代碼本激勵殘差進行去加重濾波，以產生時域組成；和從自適應代碼本組成中減去該時域組成，以產生該第二激勵殘差。
30.根據權利要求21到29中任一項的組合式創新代碼本編碼方法，其中，該CELP創新代碼本搜索是ACELP創新代碼本搜索。
31.根據權利要求21到30中任一項的組合式創新代碼本編碼方法，其中，對該第一、自適應代碼本激勵殘差進行預量化包括僅僅對具有超出指定閾值的能量的頻域變換係數進行預量化，使得在期望的範圍內減少或維持該第二激勵殘差的譜動態。
32.根據權利要求25到31中任一項的組合式創新代碼本編碼方法，其中，對所變換的、第一自適應代碼本激勵殘差進行量化包括取決於可用的比特預算來僅僅對與較低頻率相關變換係數進行編碼。
33.ー種組合式創新代碼本解碼方法，包括 將所預量化的編碼參數去量化為第一創新激勵組成，其中，將所預量化的編碼參數去量化包括計算所述編碼參數的逆變換；以及 將CELP創新代碼本參數應用於CELP創新代碼本結構，以產生第二創新激勵組成。
34.根據權利要求33的組合式創新代碼本解碼方法，其中，將所預量化的編碼參數去量化包括對所預量化的編碼參數進行解碼，以產生所去量化的編碼參數。
35.根據權利要求34的組合式創新代碼本解碼方法，其中，對所預量化的編碼參數進行解碼包括對所述所預量化的編碼參數進行AVQ解碼。
36.根據權利要求34和35中任一項的組合式創新代碼本解碼方法，其中，計算所述編碼參數的逆變換包括計算所去量化的編碼參數的逆變換。
37.根據權利要求36的組合式創新代碼本解碼方法，其中，該逆變換為逆DCT變換。
38.根據權利要求36的組合式創新代碼本解碼方法，包括對經過逆變換的、去量化的編碼參數進行去加重濾波，以產生該第一激勵組成。
全文摘要
在CELP編碼器中，組合式創新代碼本編碼裝置包括第一、自適應代碼本激勵殘差的預量化器；以及CELP創新代碼本搜索模塊，響應於根據該第一、自適應代碼本激勵殘差所產生的第二激勵殘差。在CELP解碼器中，組合式創新代碼本包括所預量化的編碼參數到第一激勵組成的去量化器；以及CELP創新代碼本結構，響應於CELP創新代碼本參數，以產生第二激勵組成。
文檔編號G10L19/12GK102844810SQ201180018989
公開日2012年12月26日 申請日期2011年4月8日 優先權日2010年4月14日
發明者B.貝塞特 申請人:沃伊斯亞吉公司