CN1425177A - 频谱的增强方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增强频谱的方法以及实施该方法的装置。本发明方法是增强具有不完整频谱的信号的频谱量的方法，该不完整频谱包括第一频谱带，所述方法包括如下步骤：至少将所述第一频谱带的频谱量移位到一个没有包括在所述频谱中的第二频谱带内，以便产生一个移位的频谱信号，该信号的频谱限定在所述第二频谱带内；使频谱移位的信号的频谱成形，以便得到一个增强信号；将不完整频谱信号与增强信号结合以便产生一个频谱增强了的信号。本发明特征在于所述频谱量经历变白的步骤。

Description

频谱的增强方法和装置

本发明涉及不完整频谱信号的频谱的增强方法和装置。具体地说，本发明致力于改进对由频谱带受限定的编码器编码的声信号进行解码。

在以低速对声音进行编码时，只要位速度变小，则该声信号通常就应当受到通带的限定。为了防止在编码信号中产生能够听到的量化噪声，就必须限定通带。因此希望在尽可能的范围内，重新产生初始信号所含的高频频谱。

在现有技术中，特别是在WO-A-9857436中知道，通过使解码信号的低频频谱的谐波转变成高频来重新产生初始信号所含的高频频谱。在所有谐频n*fk中，通过复制主要频谱fk的值即可进行这种转换。因此利用频谱的平衡系数就可以对得到的高频频谱形状进行调节。

图1是现有技术中频谱重新构造装置的示意图。利用一个向一组分析滤波器102提供低频频谱信号S_B的解码器101对编码信号进行解码，在用频谱平衡系数103平衡以后，这些滤波器的输出(k)与一组合成过滤器104的谐波系数n*k(n＝1…N)的输入连接。为了简单起见，没有示出分析滤波器空位输出的十进位器(分别是合成滤波器空位的各插值器)。

由合成得到的信号S_H具有高频频谱。利用加法器105将该信号加到信号S_B上，以此产生一个重新构成的宽频谱带信号S_R。

上面所提到的重新构造技术建立在对分波段的分析和对复合谐波的倍增上。该技术在计算时利用价格高昂的相位调节法和放大法。此外，频谱的平衡系数只是粗略地建立频谱包络线的模型。

通常，除了解码领域以外，重要的是能够将不完整频谱的物理信号所含的频谱进行增强。我们将不完整频谱称为有限介质频谱或有“孔”频谱。对于声信号或有限频谱带的说话信号来讲，这主要是：频谱增强将会明显改善感觉到的声音质量和便于理解信号。

本发明的主要任务在于制造一种重新构造频谱的装置，更通常一点说，在于提供一种增强频谱的装置，该装置性能良好，结构简单。

本发明实施方案的另一个任务在于使重新构造的信号的频谱成形，与现有技术相比，它更精确，更简单。

本发明的任务由权利要求1请求保护的方法和权利要求20请求保护的装置实现。

通过下面结合附图对实施例的描述将会更加清楚地理解本发明的上述特征以及其他特征，其中：

图1是现有技术用于重新构造声信号频谱的装置的示意图；

图2是本发明的频谱增强装置的示意图；

图3a和3b表示的是用于本发明实施方式中的频谱移位模块；

图4示意性地说明根据本发明实施方式的频谱增强方法；

图5示意性地表示本发明的***，该***包括一个编码器和一个解码器，并有频谱增强装置。

我们重新回到对不完整频谱的信号，特别是有限频谱带的信号S_B的频谱进行增强的情况。

本发明表明：根据惯常的一些假设，可以为一个信号建立模型，例如对频谱包络线的滤波器激发的信号的滤波结果。如果描述信号S_B的频谱包络线，则通过让该信号通过一个传递函数的变白滤波器(近似)就可以使其频谱变白，所述传递函数是展开函数的倒数。这样就得到一个初始激励信号的近似值，该值不受所考虑的频谱带中的频谱的影响。因此，在说话信号的具体情况下，激励信号被其成形结构消除。本发明在于通过移位变白的频谱来增强信号S_B的频谱。得到的信号是频谱移位过的应当成形的信号。利用一个成形滤波器实现这种频谱成形，例如用信号S_B的频谱展开函数推论其传递函数。

图2是本发明的频谱增强装置的示意图。不完整频谱的信号，特别是限定频谱带(例如0-5kHz)的声信号被一个变白滤波器201滤波，通过估计频谱包络线得到该变白滤波器的传递函数。利用增强装置的模块202来估计频谱包络线。根据本发明的第一实施方式，通过分析不完整频谱的信号来估计频谱包络线。根据本发明的第二个实施方式，利用外源提供的信息来估计频谱包络线，该外源例如是一个解码器。在这两种情况下，变白滤波器的传递函数是频谱展开函数的倒数。

利用一个移位模块203使变白频谱信号S_W的频谱进行移位。然后使所得到的经调整的频谱信号S_H，具体地说是转换成高频(例如在上述声信号的情况下为5-10kHz)的频谱信号由一个成形滤波器204滤波。根据第一种实施方式，用信号S_B的频谱展开函数推导其传递函数。根据第二种实施方式，用一个外界信息推导传递函数，该外界信号就是全频谱带信号的展开函数，S_B来自该全频谱带信号。利用加法器205将滤波过的信号S_E(我们将其命名为增强频谱信号)添加到频谱限定的信号S_B上，以便产生一个增强(或重新构建)信号S_R。

频谱包络线的估算模块202例如可以通过分析仪LPC，例如由J.Makhoul的题为《Linear Prediction；a tutorialreview》，Proceedings of the IEEE，Vol.63，No 4，pp 561-580描述的分析仪建立频谱包络线的模型。根据序号P的自回归模式建立信号S的模型： $s_n=-\underset{k=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{s}_{n-k}+{\mathrm{Gu}}_n$

其中s_n表示需建立模型的信号，a_k是预设系数(或系数LPC)，u_n是预设的余数，P是所用滤波器的序数，也就是说所用滤波器LPC系数的数目，G是标准增益。滤波器LPC按照下式建立信号S的模型：

S(z)＝G/A(z)，其中 $A\left(z\right)=\underset{i=0}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{z}^{-i};a_0=1$

通过合适地选择滤波器的序数P(足够大的P)和系数LPC的数值，就可以得到频谱空白的(或几乎空白)预设余数u_n，由滤波器A(z)滤波的结果S(z)是U(z)，滤波器A(z)也称作变白滤波器。该滤波器的系数计算在本领域是公知的(例如用Levinson-Durbin的算法)。

因而利用下式建立频谱形式的模型： $\hat{S}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{G^2}{\mathrm{\ρ}\left(0\right)+2\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ρ}\left(i\right)\cos \left(\mathrm{\ωi}\right)}$

其中有如下规则： $\mathrm{\ρ}\left(i\right)=\underset{k=0}{\overset{P-i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{a}_{k+i}{a}_0=\mathrm{1,0}\≤i\≤P$

利用限定频谱信号S_B的分析仪LPC或用外源(例如通过下述解码器提供的外源)可以直接估算系数a_k。该实施方式由虚线230表示。

利用全频谱带起始信号的分析仪LPC也可以估算系数a_k。例如，这是如果信号S_B来自有限频谱带编码的情况：编码器可以向增强装置提供系数LPC(直接提供或以它们的还原量化形式提供)，这些系数的数目可以恢复全频谱带频谱的频谱形式。这种实施方式由虚线220表示。

在一个临时基质上确定这些系数，可以选择该临时基质，使其比较好地适应信号的局部稳定性。这样，当信号不稳定时，就根据所含的频谱内容将需分析的部分信号切成均匀的网状结构。利用频谱分析仪，首先通过测量各频谱之间的距离，然后重新组合类似区域的滤波器，就可以直接测量这种均匀性，所述各频谱是在各网状结构上估算出来的。

当然，描述成频谱包络线的信息可以不是系数LPC，其条件是只要该信息可以建立滤波器式的频谱包络线模型。例如，可以设想该信息是频谱形式的索引矢量式的任何信息：只要该模型化的滤波器系数能够从中推断出即可。选择变白滤波器的传递函数，使其成为频谱包络线的模型化的滤波器的传递函数的倒数。

在临时区域由滤波器201产生的变白效果与常用区域的一样好。

同样，频谱移位模块203可以在常用区域中工作，也可以在临时区域中工作。移位工作可以是简单的平移，也可以是比较复杂的转换。如果目标频谱带(也就是信号S_H的频谱带)靠近初始频谱带(信号S_B的)，则最好先用平移，再用转换，这样可以防止两个频谱带连接点处出现频谱的不连续性。

在常用区域的移位工作是普通的，所以这里不作描述。

移位也在临时区域进行。如果涉及的是转换，则在转换频率下简单地平移一个边频谱带就可以实现这种转换，此时消除了下边频谱带。如果涉及的是在相邻频谱带中的带有转换的平移，则在两个连接频率时通过变换边频谱带就可以实现这种平移，此时消除了上边频谱带。

用一组分析滤波器和一组合成滤波器(例如利用一组多相滤波器)也可以实现这种移位，这如图3a和3b所示。由于分析滤波器的输出与合成滤波器的多排移位输入相连(3a)，所以进行平移，由于分析滤波器的输出先与合成滤波器输入的各排反向输入相连，后与平移输入相连(3b)，因此在平移以后进行转换。

移位可以涉及整个初始频谱带或部分初始频谱带。在频谱成形步骤以后，在不同频率的目标频谱带中可以考虑多种移位。此外，在频谱变白以后或是变白以前均可进行这种移位，这种移位也可以与变白同时进行。

在以目标频谱带移位以后，利用成形滤波器204使信号成形。可以有若干实施方式。

首先，如果频谱增强装置接收的是全频谱带频谱包络线的信息(例如在信号来自上述频谱带限定的编码时)，就可以用该信息来估算成形滤波器的传递函数。例如这就是如果具有全频谱带信号的系数LPC的情况。因此，目标频谱带的频谱将会是所考虑的频谱带中的频谱包络线的形状。该实施方案由虚线220表示。

通过推断初始频谱带的频谱包络线就可以得到传递函数。可以用各种不同的推断方法，特别是所有用于建立频谱包络线的模型的方法。在根据初始频谱带的频谱包络线用模块202估算系数LPC的特定情况下，最好用一个具有这些系数LPC的成形滤波器。

如果平移与变白同时进行，则只要用传递函数的滤波器的一个运行即可实现变白滤波和相继的成形滤波，所述传递函数等于变白滤波器和成形滤波器的各自的传递函数的乘积。

图4说明根据本发明实施方式的频谱增强方法。它精确地给出了特定情况下不同信号S_B，S_W，S_H，S_E，S_R的示意图，在所述的特定情况中，将不完整频谱限定为低频频谱带，目标频谱带是高频频谱带(主要是用声音时的情况)。假定移位后于变白。

图4a表示低频信号S_B的频谱以及全频谱带频谱包络线。通过推算低频信号的频谱包络线(点划曲线)确定该频谱包络线，低频信号的频谱包络线是由表示全频谱带频谱包络线的外部信息源提供的。

图4b表示频谱变白以后的信号S_W的频谱。

图4c表示频谱移位以后的信号S_H的频谱。这里所选的移位是简单平移。

图4d表示频谱成形以后信号S_E的频谱。

图4e表示频谱增强信号或重新构造信号S_R的频谱。

图5表示本发明的一个***，该***包括一个限定频谱带的编码器510和一个解码器500，该解码器与上述频谱增强装置相连。

该编码器借助频谱估算模块511可以提供表示全频信号的频谱包络线的信息。另外，它还可以提供表示在一个或多个应当受到成形的频谱带中的信号的频谱包络线的信息。因此如上所述，该信息可以直接由频谱成形滤波器使用。如有必要，将由编码器传送的信息用于修正变白滤波器的传递函数，以便在编码前，由变白-移位-成形工作的结果更好地重新构成信号的频谱包络线。这种实施方式由虚线520表示。

解码器向不完整频谱或限定的频谱提供信号，这样就可以按照上述方法增强频谱。因此，为了清楚地表述频谱的新构造，通过编码将原始信号源S的一部分频谱删除。除了不完整频谱的解码信号以外，解码器本身还可以提供一个与该信号的频谱包络线相关的信息，该信息可由频谱包络线估算模块502使用。这种实施方式用虚线530表示。如果解码器只提供不完整频谱的解码信号，那么就根据该信号估算频谱包络线。

本发明***的主要用途在于对由感知编码器编码的声信号的频谱重新进行构造。声音编码器可以用来降低变化速率(MPEG1，MPEG2或MPEG4-GA)或CELP速率(ITU G72X)，甚至减少参数(参数MPEG4型)。

对于相同的传送速率来讲，将会改善感知到的音质，声音变得“更加清楚”。另外，对于相同的质量来讲，可以降低速率。下面是一个结构的例子：编码信号的传送为24kbit/s，另外再有2kbit/s的高频频谱信息的变化。这样，如果没有本发明的装置，则得到的26kbit/s的信号质量等同于约64kbit/s的信号质量。

本发明有许多用途，它不限于重新构造声信号的频谱。本发明可以重新构造任何一个物理信号，特别是讲话信号。

正如已经看到的那样，本发明不限于重新构造预先存在的初始信号的频谱，总的来讲，可以用来增强信号的频谱。

Claims (23)

1.一种增强具有不完整频谱的信号的频谱量的方法，该不完整频谱包括第一频谱带，所述方法包括如下步骤：

-至少将所述第一频谱带的频谱量移位到一个没有包括在所述频谱中的第二频谱带内，以便产生一个移位的频谱信号，该信号的频谱限定在所述第二频谱带内；

-使频谱移位过的信号的频谱成形，以便得到一个增强信号；

-将不完整频谱信号与增强信号结合以便产生一个频谱增强了的信号；

所述的频谱量经历变白的步骤。

2.根据权利要求1所述的增强频谱量的方法，其特征在于第二频谱带与第一频谱带相邻。

3.根据权利要求1或2所述的增强频谱量的方法，其特征在于频谱量的移位包括频谱的移位。

4.根据权利要求3所述的增强频谱量的方法，其特征在于频谱量的移位还包括频谱的反转。

5.根据权利要求3或4所述的增强频谱量的方法，其特征在于通过调制使频谱进行移位。

6.根据权利要求5所述的增强频谱量的方法，其特征在于调制是单一的边频谱带调制。

7.根据权利要求3所述的增强频谱量的方法，其特征在于利用一组分析滤波器对不完整频谱的信号进行滤波，并将这些滤波器的输出连接到一组合成滤波器的各移位输入上，以对频谱进行移位。

8.根据权利要求4所述的增强频谱量的方法，其特征在于利用一组分析滤波器对不完整频谱的信号进行滤波，并将这些滤波器的输出连接到一组合成滤波器的各反向移位输入上，以对频谱进行移位。

9.根据上述任一权利要求所述的增强频谱量的方法，其特征在于利用一组变白滤波器对不完整频谱的信号进行滤波来使频谱量变白。

10.根据权利要求9所述的增强频谱量的方法，其特征在于利用一个信息使变白滤波器得到传递函数，所述信息向不完整频谱提供频谱包络线。

11.根据权利要求10所述的增强频谱量的方法，其特征在于提供频谱包络线的信息包括不完整频谱的信号的系数LPC。

12.根据权利要求10或11所述的增强频谱量的方法，其特征在于通过利用一个成形滤波器对频谱已移位的信号进行滤波来使频谱实现成形。

13.根据权利要求12所述的增强频谱量的方法，其特征在于通过推算频谱不完整的信号的频谱包络线得到成形滤波器的传递函数。

14.根据权利要求12所述的增强频谱量的方法，其特征在于利用一个信息使成形滤波器得到传递函数，所述信息向不完整频谱提供信号频谱完整的频谱包络线。

15.根据权利要求14所述的增强频谱量的方法，其特征在于根据所述信息对变白滤波器的传递函数进行修正，该信息提供频谱完整的频谱包络线。

16.根据权利要求12至15之一所述的增强频谱量的方法，其特征在于将所述转换步骤与变白步骤结合，用一个滤波器的单一滤波步骤实现成形步骤和变白步骤，对于传递函数来讲，该滤波器有变白滤波器和成形滤波器的各个传递函数的乘积。

17.一种对不完整频谱的信号，特别是频谱带受限定的声信号进行解码的改进方法，所述不完整频谱的信号通过对一个宽频谱带信号源的频谱进行有限的编码得到，例如感知编码，其特征在于利用权利要求1-16之一所述的增强频谱方法对已解码的信号进行增强。

18.一种对不完整频谱的信号，特别是频谱带受限定的声信号进行解码的改进方法，所述不完整频谱的信号通过对一个宽频谱带信号源的频谱进行有限的编码得到，例如感知编码，其特征在于利用权利要求12或13所述的增强频谱方法对已解码的信号进行增强，通过解码步骤提供的信息向不完整频谱提供信号的频谱包络线。

19.一种对不完整频谱的信号，特别是频谱带受限定的声信号进行解码的改进方法，所述不完整频谱的信号通过对一个宽频谱带信号源的频谱进行有限的编码得到，其特征在于编码提供的信息得到宽频谱带信号源的频谱包络线，改进在于利用权利要求14或15所述的增强频谱方法对已解码的信号进行增强，信号的完整频谱向不完整频谱的转变是宽频谱带信号源。

20.一种增强具有不完整频谱的信号的频谱量的装置，该不完整频谱包括第一频谱带，其特征在于该装置实施权利要求1-16之一所述的方法的各步骤。

21.一种信号解码器的附加装置，需要解码的信号来自频谱带有限的编码器，例如感知声音编码器，其特征在于该附加装置实施权利要求17所述的方法的各步骤。

22.一种接收装置，该装置包括一个对被频谱带有限的编码器，例如感知声音编码器，编码的信号进行解码的解码器，以及一个实施权利要求17或18所述方法的各步骤的附加装置。

23.一种编码/解码装置，该装置包括一个频谱带有限的编码器，例如感知声音编码器，它接收有源信号，产生编码信号；一个频谱估算器，该估算器给出一个全频谱带信号源的频谱包络线的信息；一个编码信号的编码器；以及一个实施权利要求19所述方法的各步骤的附加装置。

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