發送以窄帶編碼信號的發射機和在接收端擴展信號頻帶的接收機的製作方法

2023-10-06 05:08:14

專利名稱：發送以窄帶編碼信號的發射機和在接收端擴展信號頻帶的接收機的製作方法
技術領域：
本發明涉及語言信號的發送和接收，特別用於發送信號的頻譜帶有限的電信系統。
本發明有許多應用，特別是在移動無線電話系統中，用於在接收端改善語言信號的質量。
這些系統通常包含一種信源編碼，用於減少發送的信息量，從而增加傳輸信道的容量。該信源編碼，在電話傳輸的情況是語音編碼，通常涉及到發送消息的頻譜減少。這種頻譜的減少通常伴隨有接收端信號的聲音質量的降低。為了解決這一問題，已研製出稱為頻譜擴展的各種方法，用於在接收端擴展接收信號的頻譜帶。
在美國專利5581652中描述了這些方法中的一種。它涉及一種從在具有較窄頻譜的頻帶中接收的語言信號重建寬帶語言信號的方法。該方法包括使用一對相互有關的語言詞典。藉助於具有比在發送以前原信號的頻帶窄的頻譜帶的第一矢量碼系列的幫助，將第一詞典用於分析接收的語言信號。而第二詞典通過對它賦予一個與在窄帶中分析的這些碼對應的較大頻帶中的第二矢量系列，來使該接收信號的頻譜帶擴展。
對於一定的信息可使用預測技術，用於根據接收的信號預測寬帶信號的特性，通過在以窄帶編碼的信號中發送單一的信息，這些方法使寬帶信號後驗再建。
本發明的目的是在不明顯增加發送數據量的情況下改善這些方法的性能。為此，本發明提供一種發射機，一種接收機，一種系統，一種發送方法和接收方法，其中除了編碼的信號以外還發送表示未包括在以窄帶信號編碼的信號中的原始語言信號的信息，從而便於在接收端根據在窄帶中接收的信號進行它的再建。
根據本發明的第一特徵，該原始信號的頻譜帶包括具有給定增益的高頻子帶，所發送的語言信息表示在所述子帶中的原始語言信號的增益與在該窄帶中編碼的信號的增益之間的比率。
通過下面參考所述實施方案的非限制性的示例，本發明的這些和其它方面將更加清楚。
在圖中

圖1是表示根據本發明發射機的原理電話圖；圖2是表示根據本發明接收機的原理電話圖；圖3是表示根據本發明系統的實施方案的簡圖；圖4和5是分別表示根據本發明的發送方法和接收方法的流程圖。
在圖1和2中分別示出了根據本發明的發射機和接收機的實施方案。將它們分別用於發送和接收具有稱為原始頻帶的給定頻譜帶的，稱為原始信號的語言信號。
圖1中所示的發射機包括·分析模塊ANA，用於分析原始語言信號OS，並導出至少表示在該原始頻帶中的語言信號OS的特徵語言參數的表示為P的信息；·語音編碼模塊COD(語音編碼器)，用於編碼該原始語言信號OS，以便在窄於該原始頻譜帶的稱為窄帶的頻譜帶上進行它的發送，並用於獲得代表該原始信號的在該窄帶中編碼的信號CS；·發送裝置TX，用於以窄帶發送該編碼語言信號CS，並且除了以該窄帶編碼的語言信號CS以外發送表示所述語音參數的信息P。
圖2中所示的接收機包括·接收裝置RX，用於接收表示該語音參數的信息P，以及例如用圖1中所示的發射機發送的該編碼語言信號CS，該編碼語言信號具有的頻譜帶比原始信號的頻譜帶窄；·語音解碼模塊DECOD，用於對該接收的窄帶信號進行解碼；·合成模塊SYNT，根據接收的解碼語言信號和附加信息P，再建具有對於該窄帶擴展的頻譜帶的寬帶語言信號ES。
該發送裝置TX和接收裝置RX可包括用於編碼和解碼各個信道以便保護在傳輸中的數據的裝置。該發射機(emitter)包括在該語音編碼器COD之前的通常的採樣和濾波裝置(未示出)，例如，由ITU-T標準推薦的具體部件G.711和G.712，用於將該原始信號轉換為數位訊號OS。因此在圖1中的該信號OS已被數位化。
在接收端，例如通過在上述文件中描述類型的已知裝置，同時考慮直接發送的表示該語音參數的附加信息P，通過模塊SYNT可實現寬帶語言信號的合成。
在接收和發送端，通過數位訊號處理器DSP可實現本發明的所有算法。
圖3表示根據本發明的實施方案，主要由無線電話31，無線基站32和空中傳輸信道33組成，該組合表示在該無線基站32與無線電話31之間的下行(descending)無線傳輸。該無線基站32包括圖1中所示類型的發射機，該無線電話包括圖2中所示類型的接收機。在該無線電話與該無線基站的上行(ascending)傳輸中，該無線電話31可包括如圖1中所示的發射機，而該無線基站可包括如圖2中所示的接收機。還將該接收機提供在另一無線電話(未示出)中，用於由該無線電話31發送的消息的目的地。這種系統使得在接收端將以比原始信號頻帶更窄的頻帶發送的編碼語言信號的頻譜帶進行擴展。在對用戶的語言信號的再建之前實現這種頻譜的擴展改善了接收信號的質量。在可利用頻譜有限的行動電話領域這種系統特別優越。在由系統的所有用戶共享通帶的所有多址聯接電信系統中，本發明也是很優越的。
在這些系統中，通常的確實現一種語音編碼來減少發送信號的頻譜帶，以便增加傳輸信道的容量。這種頻譜縮減編碼的一個結果是抑制一部分可聽的發送信號頻率。這種抑制對接收端用戶感知的聲音質量有不利的影響。
為了解決這個問題，已開發出如上述的稱為頻帶擴展或頻譜擴展的各種方法，用於在接收端擴展接收信號的頻譜帶以便改善信號的聲音質量。可將這些已知的方法之一具體用在圖2中所示的通過合成塊SYNT擴展頻帶的操作中，用於根據接收的窄帶信號再建寬帶信號。然而，除了採用這些方法之一以外，本發明還提出了利用表示從原始信號中提取的語言參數的信息，以改善從窄帶中接收的編碼信號再建的消息質量。
圖3的系統的優點是使得改善接收信號的質量，同時又不顯著增加通過傳輸信道發送的數據量。舉一個實際的例子，對於按照大約13kbit/s的全速率編碼工作的GSM型(全球移動通信)，根據除了窄帶編碼信號之外的發送信息分量的性質和數量本發明可提供例如大約13.1kbit/s或稍多些(大約14-16kbit/s)。對於多數當前的應用來說這種輕微的速率改善是可忽略的。對於其它的應用，包括速率和接收質量都比寬帶解碼器更好，在這種情況使本發明更有意義。該速率的增加是由於下面的事實位於發射機中的發送裝置TX除了發送根據通常的語音編碼方法編碼的有用窄帶信號之外，還發送一個或多個信息分量，代表在原始頻譜帶中的原始信號特徵的至少一個語音參數。可根據通常的分析信號的方法由分析模塊ANA從發送信號中預先提取出這些參數。根據這些類型的發送參數的功能，可採用不同的通常方法。例如，在傳輸表示信號的反射係數的信息時，可以通過LPC型(線性預測編碼)的分析方法提取這些係數。如果發送的信息表示信號的增益，則能量計算方法將是適當的。如果該信息關於某些頻帶的發音，則可採用與MBE型(多頻帶激勵)編碼器類似的一些技術。
最好從通過通常的預測方法(例如通過與其它參數的線性組合的預測)根據該接收的信號難於預測的語音參數中來選擇要發送的這些語音參數。例如，可考慮在高頻帶(3400-8000Hz)或低頻帶(100-300Hz)中的增益參數，代表信號形狀的參數，LPC包括參數或代表原始信號的諧波的參數。
根據本發明的量佳實施方案，通過發射機，以在原始信號的頻譜(例如70-8000Hz)內的頻率之間但在該編碼信號的頻譜(例如300-3400Hz)之外，即在頻帶(3400-8000Hz)和在發送編碼信號的窄帶(例如，300-3400Hz)中的頻率的增益係數的形式，來發送代表高頻中增益參數的信息。由可包括在該分析裝置ANA中的計算裝置來計算這個增益係數。在將它發送之前由可包括在發送裝置TX中的適合的編碼裝置將其事先編碼。圖4和5為可分別由圖1和2所示的發射機和接收機實行的根據本發明的發送方法和適用的接收方法的實施方案的簡化流程圖。
該發送方法包括·分析步驟ANA(OS)，用於分析原始語言信號OS，以便至少提取表示在其原始頻譜帶中的原始語言信號OS的語音參數P特徵的信息；·語音編碼步驟COD(OS)，為了在窄於原始信號頻譜帶的窄頻譜帶中進行它的傳輸，對該原始語言信號OS進行編碼，將所得的信號表示為S；
·發送步驟TX(S，P)，用於發送以該窄帶編碼的所述語言信號，並且，除了該以窄帶編碼的語言信號之外還發送表示所述語音參數的附加信息P；在接收端擴展該頻帶的方法包括·接收步驟RX(S，P)，用於接收表示該語言信號的該附加信息P，並用於接收根據具有原始頻譜帶的原始語言信號進行編碼的語言信號S，該編碼信號具有的頻譜帶比原始頻譜帶窄，稱為窄帶；·語音解碼步驟DECOD(S)，用於對接收的窄帶語言信號S進行解碼；·合成步驟SYNT(S，P)，根據接收和窄帶語言信號S和接收的附加信息P，再建具有大於該窄帶的頻譜帶的寬帶語言信號。
使用描述該接收過程的該算法需要預先的學習階段，在其中完成窄帶語言信號和類似寬帶信號的資料庫。這個資料庫允許確定這些語音參數，藉此可用可靠的方式從窄帶語言信號獲得寬帶信號。這個確定考慮從該窄帶信號中不易或有效預測的這些語音參數。某些參數是可部分預測的。可發送那些不可預測的部分。在這種情況，通過考慮該發送部分在該預測部分中實現該學習階段。例如，如果發送高頻與該窄帶頻率之間的增益化，則根據該高頻帶的標準能量來完成這些高頻的學習階段。在1995年5月的NTT Review，Vol.7，no.3中由Masanobu Abe和Yki Yoshida發表的文章「在電話上的更自然發音質量(More Natural Sounding Voice Quality Over the Telephone)」描述了該學習階段的詳細內容。
權利要求
1.一種用於發送具有原始頻譜帶的原始語言信號的發射機，該發射機包括·一種模塊，用於分析原始語言信號，並用於得出至少表示在原始頻帶中的語言信號的特徵的至少一個語音參數的信息；·一種用於對原始語言信號進行編碼以便在稱為窄帶的頻譜帶中進行其發送的模塊，該窄帶比原始信號的頻譜帶窄；·一種模塊，用於發送以該窄帶編碼的所述語言信號，還用於發送除了該窄帶編碼信號之外的所述信息。
2.根據權利要求1的發射機，其中該原始信號的頻譜帶包括具有給定增益的高頻子帶，其特徵在於所述語音參數表示在所述子帶中的原始語言信號的增益。
3.根據權利要求2的發射機，其中表示所述語音參數的該附加信息是在該高頻子帶與該窄帶之間的語言信號的增益係數。
4.根據權利要求2的發射機，其該原始頻帶位於70-8000Hz的頻帶內，該窄帶位於300-3400Hz的頻帶內，而該高頻的子帶位於3400-8000Hz的頻帶內。
5.一種接收機，用於接收語言信號，該接收機包括·一種裝置，用於接收根據具有稱為原始頻帶的頻譜帶的原始語言信號編碼的語言信號，該編碼語言信號具有窄於該原始頻帶的頻譜帶，並用於接收代表供給合成裝置的語音參數的信息；·用於對該接收語言信號進行解碼的模塊；·合成模塊，根據該接收的語言信號和代表為該原始語言信號特徵的至少一個語音參數的信息，再建具有對於該窄帶擴展了的頻譜帶的寬帶語言信號。
6.一種用於在發射機和接收機之間傳輸語言信號的電信系統，其特徵在於它包括一個如權利要求1所述的發射機和一個如權利要求5所述的接收機。
7.一種發送具有稱為原始頻帶的給定頻譜帶的原始語言信號的方法，該方法包括·分析該原始語言信號的步驟，以便至少導出表示為該原始頻帶中的語言信號特徵的語音參數的信息；·對該原始語言信號進行編碼的步驟，以便在稱為窄帶的頻譜帶中進行它的發送，該窄帶比該原始信號的頻譜帶窄；·用於發送在該窄帶中編碼的所述語言信號並發送除了該窄帶編碼語言信號之外的所述信息。
8.一種用於如權利要求1所述的發射機的電腦程式產品，該產品包括軟體碼部分，一旦裝入發射機，就使它執行如權利要求7中所述的方法的步驟。
9.一種在接收端擴展頻帶的方法，該方法包括步驟·接收根據具有稱為原始頻帶的頻譜帶的原始語言信號編碼的語言信號，該編碼信號具有稱為窄帶的比該原始頻帶窄的頻譜帶，並接收代表為了在合成步驟中使用的語音參數的信息；·對該接收語言信號進行編碼；·合成步驟，根據在該窄帶中接收的語言信號和表示該原始語言信號特徵的至少一個語音參數的信息，再建具有比該窄帶寬的頻譜帶的寬帶語言信號。
10.根據權利要求9的方法，提供一個學習步驟，用於實現作為該發送語音參數的函數的接收窄帶信號和從所述接收信號重建的寬帶信號的資料庫，該資料庫用於建立該發送的語音參數對重建的寬帶語言信號的預定質量係數的作用。
11.一種用於如權利要求5所述的接收機的電腦程式產品，該產品包括軟體碼部分，一旦將它裝入該接收機，就使它執行如權利要求9所述方法的步驟。
12.一種具有原始頻譜帶的原始語言信號中制出的發送語言信號，其特徵在於·它具有比該原始頻譜帶窄的一個窄帶；·它包括表示該原始信號中的語言信號特徵的語音參數的信息。
全文摘要
本發明涉及編碼窄帶信號的發送和接收。在發送端,在比該原始信號窄的頻帶中對要發送的信號進行編碼,在接收端將這個信號解碼以便恢復該發送消息的內容。解碼後,將接收信號的頻譜帶擴展以改善在接收端的信號聲音質量。在發送端,提供一個分析裝置,用於從該原始信號中提取特徵參數,這些參數不包括在以窄帶編碼的信號中。除了該窄帶編碼信號之外還發送包括這些參數的信息。在接收端,將這個信息用於從在該窄帶中接收的信號並從該接收的信息中重建寬帶信號。本發明的應用為數字電信和移動無線電話。
文檔編號G10L21/02GK1381040SQ01801422
公開日2002年11月20日 申請日期2001年5月8日 優先權日2000年5月26日
發明者G·米埃特 申請人:皇家菲利浦電子有限公司