FR2741744A1 - Procede et dispositif d'evaluation de l'energie du signal de parole par sous bande pour vocodeur bas debits - Google Patents
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Abstract
Le procédé a pour but d'évaluer l'énergie du signal de parole par sous-bande entre un vocodeur d'émission et un vocodeur de réception à prédiction linéaire. Il consiste à effectuer côté émission un filtrage (3) du signal de parole appliqué à l'entrée du vocodeur par un filtre ayant une réponse impulsionnelle inverse de la réponse impulsionnelle du filtre de synthèse de réception, à estimer (4) le spectre en fréquence du signal résiduel obtenu et à déterminer dans le vocodeur de réception la réponse impulsionnelle H(z) d'un filtre pour filtrer le signal d'excitation du filtre de synthèse pour que sa courbe de réponse en fréquence soit la plus proche possible du spectre en fréquence du signal résiduel. Application: vocodeurs bas débits.
Description
La présente invention conceme un procédé et un dispositif d'évaluation de l'énergie du signal de parole par sous bande pour vocodeur bas débits.
Elle s'applique notamment à la réalisation de vocodeurs à prédiction linéaire suivant lesquels le signal de parole est découpé en trames de durée fixe, et où un paquet de données représentatif de la parole est transmis vers un vocodeur de réception durant chaque trame considérée.
Dans ces vocodeurs, la synthèse du signal de parole est obtenue côté récepteur en filtrant, par un filtre de synthèse un signal d'excitation obtenu par la combinaison en proportion adéquate d'un bruit blanc et dun train d'impulsions périodiques, le tout ayant un spectre en fréquence globalement plat.
Un inconvénient de ces vocodeurs est que lorsque le débit binaire des paquets d'échantillons de parole est réduit à 2400 bits/s et moins, le signal de parole reconstitué à la synthèse présente une sonorité "synthétique". Ceci provient du fait que l'analyse par prédiction linéaire qui est utilisée pour les faibles débits est essentiellement conçue pour bien représenter les résonances et non pas les anti-résonances produites notamment par la prononciation des voyelles dites "nasales".
Le but de l'invention est de pallier l'inconvénient précité en proposant un procédé de génération de données supplémentaires pour moduler l'énergie du signal d'excitation du filtre de synthèse afin d'améliorer la qualité de reproduction des anti-résonances, en particulier les creux de fréquence dans les fréquences basses où elles sont les plus perceptibles.
Elle a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent:
Les figures 1 et 2 une illustration du procédé selon l'invention mise sous la forme d'organigrammes.
Les figures 1 et 2 une illustration du procédé selon l'invention mise sous la forme d'organigrammes.
La figure 3 un dispositif de réception pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
La figure 4 un graphe illustrant une répartition des fréquences centrales des différentes sous-bandes composant le filtre du signal d'excitation du filtre de synthèse.
La figure 5 un graphe illustrant les réponses impulsionnelles de filtres élémentaires mis en oeuvre dans le filtrage du signal d'excitation du filtre de synthèse.
La figure 6 des réponses en fréquence comparées du filtre du signal d'excitation et du signal résiduel.
Le procédé selon l'invention consiste à estimer le spectre en fréquence d'un signal d'erreur de prédiction du vocodeur d'émission, de manière à agir en réception sur les coefficients d'un filtre, pour filtrer le signal d'excitation du filtre de synthèse afin que le signal de parole reconstitué par le filtre de synthèse ait une forme qui soit la plus proche possible du signal de parole appliqué à l'entrée du vocodeur d'émission.
Pour bien reproduire le spectre en fréquence surtout dans les fréquences basses, le procédé selon l'invention vise à prédéterminer un jeu de M fréquences gm réparties suivant une loi semi logarithmique de la forme
avec m=1...M où Fo est une fréquence de référence fixée par exemple à 1 000 Hz.
avec m=1...M où Fo est une fréquence de référence fixée par exemple à 1 000 Hz.
Les M valeurs désirées de la réponse en fréquence correspondant au jeu des fréquences gm sont notées par la suite Dm.
Le signal d'excitation est filtré par un filtre H(z) à phase linéaire, à 2p+1 coefficients dont la réponse impulsionnelle H(z) est de la forme
H(Z) = Z P(hp ZP+...+hlZ+ ho + hlZ I ..+hpZ P) (2)
Suivant un mode préféré de réalisation de l'invention ce filtre est construit suivant une combinaison linéaire de K filtres élémentaires sousbandes à phase linéaire et de même temps de propagation de groupe de réponse impulsionnelle Hk(Z) telle que
H(Z) = Z P(hp ZP+...+hlZ+ ho + hlZ I ..+hpZ P) (2)
Suivant un mode préféré de réalisation de l'invention ce filtre est construit suivant une combinaison linéaire de K filtres élémentaires sousbandes à phase linéaire et de même temps de propagation de groupe de réponse impulsionnelle Hk(Z) telle que
Pour obtenir une réponse en fréquence approximativement plate du filtre H(z), par exemple à 0,5 dB près, chaque kème filtre est dimensionné à la manière d'un filtre passe bande de fréquence centrale Fk et de bande passante Bk=Fk+1t2-Dk-1/2, les fréquences Fk étant ellesmémes réparties suivant une même échelle semi logarithmique que les fréquences gm et telles que
pour k=1...K avec Fr 1/2=o et FK+1/2=9M.
pour k=1...K avec Fr 1/2=o et FK+1/2=9M.
Le coefficient hi k de rang i de chaque kème filtre qui représente le ieme échantillon situé à partir du centre de la réponse impulsionnelle du filtre peut etre défini par la relation
pour i = O...p, relation qui donne généralement satisfaction.
pour i = O...p, relation qui donne généralement satisfaction.
Les coefficients )k qui définissent H(Z) sont calculés pour que la réponse en fréquence du filtre H(Z) soit aussi proche que possible sur les fréquences gm des réponses en fréquence souhaitées Dm.
Le filtre H(Z) étant à phase linéaire sa réponse en fréquence est de la forme
soit en application de la relation (3)
soit en application de la relation (3)
Les valeurs optimales des coefficients Xk sont celles qui minimisent
I'erreur quadratique totale
(8) entre la réponse en fréquence souhaitée (Dm) et la réponse effective du filtre (H(gm).
I'erreur quadratique totale
(8) entre la réponse en fréquence souhaitée (Dm) et la réponse effective du filtre (H(gm).
Ceci est obtenu par exemple par exécution de la méthode connue des moindre carrés consistant à annuler toutes les dérivées de E par rapport à chacun des K coefficients Xk et en résolvant un système de K équations défini par la relation:
pour k=1...K
En appelant par
la réponse en fréquence du kème filtre à la fréquence gm le système d'équation devient
pourk=I...K soit encore
pour k=1...K.
pour k=1...K
En appelant par
la réponse en fréquence du kème filtre à la fréquence gm le système d'équation devient
pourk=I...K soit encore
pour k=1...K.
Afin de minimiser la charge de calcul, la résolution du système d'équations, défini par la relation précédente, a lieu en transformant la relation précédente en la relation
pour k=1...K par le fait que les coefficients ak,m sont constants et ne dépendent que de la forme exacte des filtres Hk(Z) et des fréquences de référence g,.
pour k=1...K par le fait que les coefficients ak,m sont constants et ne dépendent que de la forme exacte des filtres Hk(Z) et des fréquences de référence g,.
Si les filtres sont orthogonaux, c'est-à-dire ont des réponses en fréquence disjointes, le coefficient Xk affecté au filtre de rang k est simplement la moyenne des réponses en fréquences désirées aux fréquences "couvertes" par le filtre.
Le calcul des coefficients Xk a lieu côté émission suivant les étapes 1 à 7 du procédé représentées sur l'organigramme de la figure 1. Aux étapes 1 et 2 les coefficients du filtre de synthèse sont quantifiés par application d'une des méthodes d'analyse connues du signal de parole par prédiction linéaire et telles que décrites par exemple aux pages 107 à 137 du livre de
MM. René BOITE et Murat KUNT publié aux Presses Polytechniques
Romandes ayant pour titre 'Traitement de la parole". L'étape 3 consiste à modéliser un filtre A(z) du signal de parole par les coefficients du filtre de synthèse de réception calculés à l'étape 2, pour reproduire dans le vocodeur d'émission un filtre dont la réponse impulsionnelle est l'inverse de celle du filtre de synthèse utilisé à la réception.Le signal résultant du filtrage de l'étape 3 du signal de parole est un signal dont le spectre en fréquence est en principe très proche de celui du signal d'excitation du filtre de synthèse du vocodeur de réception dont le spectre est globalement plat, puisque résultant d'une combinaison adéquate d'un bruit blanc et d'un train d'impulsions périodique. Cette différence entre les deux spectres est mise à profit aux étapes 4 à 7 pour calculer aux étapes 5, 6 et 7 les coefficients Ak du filtre du signal d'excitation du filtre de synthèse. L'étape 4 consiste à estimer une version lissée du spectre en fréquence du signal résiduel obtenu suite à l'exécution de l'étape 3, pour que les réponses en fréquence souhaitées notée Dm sur la figure 1 ne tombent pas accidentellement dans des creux étroits ou des bosses étroites du spectre en fréquence du signal résiduel.Le calcul de la réponse en fréquence souhaitée a lieu sur un nombre déterminé M de fréquences par exécution d'une transformation discrète en cosinus définie par la relation
pour m=1...M1 dans laquelle les wj sont les coefficients d'une fenétre de pondération destinée à lisser la réponse en fréquence, par exemple
i=O. . r et Ri est le résultat d'un calcul d'autocorrélation jusqu'à l'ordre r d'échantillons de signal résiduel tel que
i=O. . r.
MM. René BOITE et Murat KUNT publié aux Presses Polytechniques
Romandes ayant pour titre 'Traitement de la parole". L'étape 3 consiste à modéliser un filtre A(z) du signal de parole par les coefficients du filtre de synthèse de réception calculés à l'étape 2, pour reproduire dans le vocodeur d'émission un filtre dont la réponse impulsionnelle est l'inverse de celle du filtre de synthèse utilisé à la réception.Le signal résultant du filtrage de l'étape 3 du signal de parole est un signal dont le spectre en fréquence est en principe très proche de celui du signal d'excitation du filtre de synthèse du vocodeur de réception dont le spectre est globalement plat, puisque résultant d'une combinaison adéquate d'un bruit blanc et d'un train d'impulsions périodique. Cette différence entre les deux spectres est mise à profit aux étapes 4 à 7 pour calculer aux étapes 5, 6 et 7 les coefficients Ak du filtre du signal d'excitation du filtre de synthèse. L'étape 4 consiste à estimer une version lissée du spectre en fréquence du signal résiduel obtenu suite à l'exécution de l'étape 3, pour que les réponses en fréquence souhaitées notée Dm sur la figure 1 ne tombent pas accidentellement dans des creux étroits ou des bosses étroites du spectre en fréquence du signal résiduel.Le calcul de la réponse en fréquence souhaitée a lieu sur un nombre déterminé M de fréquences par exécution d'une transformation discrète en cosinus définie par la relation
pour m=1...M1 dans laquelle les wj sont les coefficients d'une fenétre de pondération destinée à lisser la réponse en fréquence, par exemple
i=O. . r et Ri est le résultat d'un calcul d'autocorrélation jusqu'à l'ordre r d'échantillons de signal résiduel tel que
i=O. . r.
Les coefficients Xk du filtre H(z) sont obtenus en résolvant un système d'équations défini par la relation
pour k=1...K où K désigne le nombre de filtres élémentaires utilisé pour la construction du filtre utilisé côté synthèse.
pour k=1...K où K désigne le nombre de filtres élémentaires utilisé pour la construction du filtre utilisé côté synthèse.
Les coefficients Ak sont ensuite calculés à l'étape 5 par application de la relation (13) et quantifiés à l'étape 7, après éventuellement une normalisation à l'étape 6, avant d'etre transmis.
L'exécution du procédé dans la partie réception du vocodeur a lieu suivant les étapes 8 à 10 de l'organigramme de la figure 2 consistant à effectuer une déquantification, suivant l'étape 8, des coefficients Xk . un calcul suivant l'étape 9 des coefficients du filtre H(z) défini par les relations (3) et (5) et un filtrage suivant l'étape 10 du signal d'excitation du filtre de synthèse par le filtre H(z) ainsi défini.
Un dispositif de réception correspondant pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est montré à la figure 3. Ce dispositif comporte de façon connue, un filtre de synthèse 1 1 excité, au travers d'un dispositif de commande de gain 12, par un signal d'excitation foumi altemativement au travers d'un commutateur de son voisé/non voisé 13 par une source de bruit 14 et une source d'impulsions 15. Pour la reproduction du signal vocal la réponse du filtre de synthèse 11 est commandée par les coefficients ak obtenus à l'étape 2 de quantification représentée à la figue 1. Un filtre H(z) 16 complémentaire ayant les caractéristiques définies précédemment est interposé selon l'invention entre le commutateur 13 et le dispositif de commande de gain 12.
A titre d'exemple, pour un choix d'une fréquence d'échantillonnage de 8000Hz et d'une fréquence 9m=4000 Hz, le filtre H(z) peut être formé de la façon représenté par le diagramme de la figure 4 par un ensemble K de six filtres élémentaires, centrés respectivement sur les fréquences 500, 1 000, 1 500, 2 500 et 3 500 Hz. En utilisant un filtre H(z) à 2p+1 coefficients tel que défini précédemment, la réponse impulsionnelle de chacun des 6 filtres est pour p=16 celle de la figure 5. Les résultats obtenus par les différentes opérations sont montrés à la figure 6. La courbe en pointillée A montre le spectre en fréquence du signal résiduel. Dans cet exemple, le spectre est obtenu à partir d'un calcul d'une transformée de Fourier rapide sur N=256 points.
La courbe B, formée de petits cercles représente les valeurs Dm de la réponse en fréquence souhaitée calculée sur M=30 points fait apparaître une plus grande densité dans les fréquences basses. Cette réponse en fréquence correspond à une version lissée du spectre du signal résiduel.
Les points au nombre de 6 figurés par des astérisques correspondent aux valeurs normalisées des coefficients Xk. Ils représentent à quelque chose près, une version exagérée de la réponse en fréquence souhaitée ne comportant que 6 points au lieu de 30.
Enfin, la courbe en traits pleins C est la réponse en fréquence finale du filtre H(z) obtenu. Sa réponse impulsionnelle apparaît très proche de la réponse en fréquence souhaitée.
Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention il pourra être utilisé des processeurs de traitement de signal convenablement programmés suivant les étapes du procédé précédemment décrites.
Claims (9)
1. Procédé d'évaluation de l'énergie d'un signal de parole par sousbande entre un vocodeur d'émission et un vocodeur de réception à prédiction linéaire caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer côté émission un filtrage (3) du signal de parole appliqué à l'entrée du vocodeur par un filtre ayant une réponse impulsionnelle inverse de la réponse impulsionnelle du filtre de synthèse de réception, à estimer (4) le spectre en fréquence du signal résiduel obtenu et à déterminer (9) dans le vocodeur de réception la réponse impulsionnelle H(z) d'un filtre pour filtrer le signal d'excitation du filtre de synthèse pour que sa courbe de réponse en fréquence soit la plus proche possible du spectre en fréquence du signal résiduel.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre
H(z) du signal d'excitation du filtre de synthèse est un filtre numérique à phase linéaire.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le filtre
H(z) du signal d'excitation est construit suivant une combinaison linéaire d'un nombre déterminé de K filtres élémentaires à phase linéaire et de même temps de propagation de groupe pour partager la bande passante du filtre H(z) du signal d'excitation en sous-bandes.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les fréquences centrales FK des sous-bandes sont réparties suivant une même échelle semi loaarithmiaue en vérifiant une relation de la forme
avec F1.112=O et FK+1/2=9M
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque coefficient hitk de rang i de chaque kème filtre est déterminé par une relation de la forme
6. Procédé selon les revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les coefficients XK représentant le gain des filtres élémentaires sont déterminés en rendant minimum l'erreur quadratique totale entre la réponse en fréquence souhaitée défini par le spectre en fréquence du signal résiduel (Dm) et la réponse effective du filtre (Hgm) du signal d'excitation.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la réponse en fréquence souhaitée Dm a lieu sur un nombre déterminé M de fréquences par exécution d'une transformation discrète en cosinus définie par la relation
et Ri est le résultat d'un calcul d'autocorrélation jusqu'à l'ordre r d'échantillons de signal résiduel.
8. Procédé selon les revendications 3 et 7 caractérisé en ce que les coefficients Xk du filtre du signal d'excitation sont obtenus en résolvant le système d'équations défini par la relation
9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs microprocesseurs de traitement du signal convenablement programmés.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9513944A FR2741744B1 (fr) | 1995-11-23 | 1995-11-23 | Procede et dispositif d'evaluation de l'energie du signal de parole par sous bande pour vocodeur bas debits |
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| FR2741744A1 true FR2741744A1 (fr) | 1997-05-30 |
| FR2741744B1 FR2741744B1 (fr) | 1998-01-02 |
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1995
- 1995-11-23 FR FR9513944A patent/FR2741744B1/fr not_active Expired - Fee Related
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