KR20000022906A - 무선 통신 설비로 전송된 음성 신호의 질을 향상시키기위한 방법 및 장치 - Google Patents

무선 통신 설비로 전송된 음성 신호의 질을 향상시키기위한 방법 및 장치 Download PDF

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호프베크죠셉피.
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프렘지알나세르에이.
타라프아메드에이.
트레이시케빈지.
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루센트 테크놀러지스 인크
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Abstract

무선 통신 시스템에서 기지국과 이동 유닛 사이, 또는 이동 유닛과 기지국 사에 전송된 인코드된 음성 데이터의 특정 프레임들은 다른 프레임들보다 더 임계이다. 무선 전송 매체에 있는 노이즈나 간섭으로 인해, 프레임은 수신 기지국 또는 이동 유닛에 의해 삭제되도록 결정될 수 있다. 삭제된 프레임을 하나 이상의 선행 프레임으로부터 재생성할 수 없다면, 이 재생성할 수 없는 프레임이 하나 이상의 선행 프레임으로부터 데이터의 외삽법(extrapolation)에 의해 재생성될 수 있는 프레임보다 더 임계이다. 따라서, 프레임마다, 프레임 시퀀스에서 각각의 프레임은 임계 프레임이나 비-임계 프레임으로 식별된다. 수신기가 프레임의 삭제 결정을 내리게 될 가능성을 줄이기 위해, 임계 프레임으로 인식되는 각각의 프레임은, 비-임계 프레임들이 전송되는 방식보다 더 강력한 방식으로 전송된다. CDMA 시스템에서, 이전 프레임을 나타내는 프레임 파라미터들과 현재의 프레임을 나타내는 대응하는 프레임 파라미터들간의 차이에 대해 가중된 합을 형성하면, 현재 프레임은 임계 프레임으로 식별된다. 상기 가중된 합은 임계값과 비교된다. 상기 가중된 합이 상기 임계값을 초과하면, 현재의 프레임은 임계 프레임으로 분류되어 비-임계 프레임을 전송하는 출력 레벨보다 더 높은 출력 레벨로 전송된다.

Description

무선 통신 설비로 전송된 음성 신호의 질을 향상시키기 위한 방법 및 장치{Method and apparatus for improving the quality of speech signals transmitted over wireless communication facilities}
무선 통신 서비스의 제한된 가용 대용폭의 이용을 최대로 하기 위해서는 각종 압축 기술들과 다중화 기술들이, 유선 통신망에 접속된 기지국과 기지국을 거쳐서 유선 또는 무선망중 어느 하나에 접속될 수 있는 다른 유저들과 동시에 통신하는 이동 유니트에서의 복수의 사이한 유저들 사이의 링크 상에서 사용된다. 시분할 다중 접속(TDMA)과 코드 분할 다중 접속(CDMA)은 무선 셀룰러와 PCS 시스템들에서 사용되는 공지의 다중화 체계들이다. TDMA에 있어서, 타임 프레임은 복수의 타임 슬롯들로 분할되고 유저의 이동 유니트는 기지국과 결합된 업링크와 다운 링크 캐리어 주파수상에서 버스트 전송으로 통신하며, 여기서 타임 슬롯 할당은 호출이 개시될 때 행해진다. 기지국에서 수신기는 다운링크 캐리어 주파수로 복수의 이동 유니트들에 전송된 다운링크 신호로 복수의 이동 유니트들에 지향된 복수의 디지탈 음성 신호들을 시분할 다중화한다. 다음에 각각의 이동 유니트에서 수신기는 이동 유니트에 할당된 타임 슬롯에 따라서 자체에 지향된 디지탈 음성 신호를 복구한다. 마찬가지로, 각각의 이동 유니트에 의해서 전송된 업링크 신호는 할당된 타임 슬롯으로 전송되며, 기지국은 타임 슬롯 할당을 이용하여 이동 유니트에 의해서 전송된 디지탈 음성 신호를 적절하게 복구한다. CDMA에 있어서, 이동 유니트에 특정 타임 슬롯으로 할당하기 보다는 이동 유니트는 채널 상에서 부호화된 음성 신호의 스펙트럼을 확산하기 위해 사용되는 특정의 암호화 코드로 할당된다. 기지국과 동시에 통시하는 복수의 이동 유니트들은 상이한 암호화/해독화 부호로 각각 할당된다. 기지국은 각각의 이동 유니트와 관련된 부호들을 이용하여 모든 이동 유니트들에 전송된 다운 링크 신호로 복수의 디지탈 입력 음성 신호들은 다중화한다. 다음에 이동 유니트는 기지국이 전송하는 다중화된 다운 링크 신호로부터 이동 유니트로 지향된 특정의 디지탈 음성 신호를 복구한다. 복수의 이동 유니트들로부터의 업링크 통신은 패러랠 방식으로 기능한다.
부호화된 디지탈 음성 신호를 나타내는 비트들의 수를 감소하여 가용한 대역폭의 이용 효율을 향상하기 위해, 음성 압축 기술이 무선 통신에서 사용된다. 예를 들어 PCM 비트 스트림을 생성하기 위해 통상 8KHz 레이트로 샘플링된 아날로그 음성 신호는 프레임들로 분할되어 적절한 부호화 알고리즘을 이용하여 압축된다. TDMA 시스템에서, ACELP(Algebraic Code Excited Linear Predctive) 또는 VCELP(Vector-Sum CELP) 부호화기 등의 고정된 레이트의 보코더(vocoder)를 사용하여 PCM 샘플들을 압축한다. CDMA 시스템에서, 가변 레이트의 CELP 알고리즘이 사용된다. 특히 CDMA를 위해 음성 인코더는 입력 음성 신호의 음성 엑티비티에 의거 가변 레이트의 출력을 발생한다. 엑티브 음성 주기 동안에, 음성 인코더는 풀레이트의 20ms 프레임을 발생한다. 무음 주기 동안에, 음성 인코더는 1/8레이트의 프레임들을 발생한다. 말을하는 주기와 무음 주기 사이의 전이 기간 동안에, 음성 인코더는 1/2 레이트와 1/4 레이트의 프레임을 발생한다. 이러한 서브 레이트의 프레임 동안에, 전력 소모가 전력 출력 전체를 유익하게 감소하는 풀 레이트의 프레임 동안 보다도 낮은 레벨로 감소된다.
CDMA 송신기에 있어서 이동 유니트 또는 기지국 중 어느 하나에서는 PCM 음성 샘플들이 20ms 프레임들로 쪼개진다. 음성 인코더는 애널리시스 바이 애널리시스 방법을 사용하여 소정의 PCM 음성 프레임 입력에 대한 파라미터들을 최적으로 결정한다. 20ms 마다 PCM 음성 프레임 입력에 대해서, 음성 인코더는 인코드된 프레임을 나타내는 일련의 출력 파라미터들을 발생한다. 음성 인코더는 내부 디코더로부터 출력된 합성된 음성과 원래의 입력 음성간의 인식 차이를 최소화하는 내부 대 인코더 디코더에 대한 일련의 입력 파라미터로서 설정함을 결정한다. 인코드된 풀 레이트의 프레임은 다음의 파라미터들을 포함한다. 즉 피치 레그(L) 및 피치 이득(b) 파라미터와, 코드북 이득(G) 및 코드북 색인(I) 파라미터를 포함한다. 수신 단부에서, 이동 유니트나 기지국에서의 음성 디코더는 각각 입력 인코드된 프레임을 수신하여 각각의 프레임 백을 인코드된 프레임을 이용하여 PCM 음성 샘플의 시퀀스로 변환한다(.TIA[Telecommunications Industry Association] IS-733-하이-레이트[13K] 비트 퍼 세컨드 음성 서비스 옵션)
무선 링크의 간섭에 대한 민감성과 다른 고유의 대기 조건들의 결과로서, 전송된 프레임은 기지국이나 이동 유니트 중 어느 하나에서의 수신기에 도달하지 않을 수 있거나 노이즈나 간섭에 의해서 심하게 손상될 수가 있다. 프레임이 디코드 가능하지 않게 노이즈나 간섭으로 소실되거나 손상되면, 소거되는 수신기에 의해서 표시되고 인코드된 파라미터들은 음성 디코더에 공급되지 않는다.
상기 소거된 프레임의 지각 효과(perceptual effect)를 최소화시키기 위해서는, 종전 프레임으로부터 데이터의 보간을 사용한 소거된 프레임에 대한 PCM 샘플을 추정하는데 프레임 마스킹 알고리듬(frame Masking Algorithm)을 사용한다. 따라서, 음성 디코더는 상기 언급한 프레임 패러미터의 종전 값을 사용하여 소거된 프레임의 현재 값을 결정한다. 특히, CDMA 13k 시스템에 대해, 선형 예측 코딩(LPC) 패러미터의 현재 값은 종전 프레임의 LPC 패러미터를 감쇠시켜 결정하고, 여기서, 감쇠 계수는 연속한 소거 프레임의 수의 함수이다. 피치 이득 지연(L)의 현재 값은 종전 프레임부터 반복되고, 피치 이득(b)의 현재 값은 최종 프레임의 피치 이득으로부터 결정되고, 코드북 이득(G)의 현재 값은 G의 종전 값으로부터 적절한 정수를 감산하여 결정하고, 코드북 인덱스(I)는 무작위로 결정한다. 그러나, 소거 프레임에 대한 종전 프레임이 풀 레이트 프레임 미만일 경우, 문제가 발생한다. 예를 들어, 종전 프레임이 1/8 레이트 프레임이면, 1/8 프레임 레이트로부터 패러미터를 보간하여 얻어진 결과적인 지각할 수 있는 음성의 품질은 열악하다.
종래 기술에서, 기지국에서 이동 유닛 셋으로 다운링크 상으로 및 이동 유닛 셋으로부터 기지국으로 업링크 상으로 전송되는 신호의 파워는, 수용 가능한 프레임 에러 레이트를 유지하면서 파워를 최소화하도록 제어된다. 특히, 다운링크 상에서, 파워 제어 알고리듬은 업링크 상의 이동 유닛에 의해 제공되는 정보에 기초하여 기지국 전송 파워를 증가 또는 감소하는 결정을 내린다. 이동 유닛은 다운링크를 모니터링하고 다운링크 프레임 에러 레이트에 관한 통계를 편집한다. 다음 상기 정보는 업링크 상으로 기지국으로 다시 전달되어 기지국이 그 전송 파워를 제어하여 소망의 다운링크 에러 통계를 유지하도록 한다. 업링크 상에서, 이동 유닛은, 순방향 링크 상으로 기지국에서 의해 이동 유닛으로 전송되는 파워 제어 차례 메시지에 직접 응답하여 그 전송 파워를 제어한다. 업링크 파워 제어 알고리듬은 상향 또는 하향 파워 변화를 전송하는 업링크의 필요한 방향 및 날짜에 대한 수신된 프레임의 히스토리에 기초한 변화의 크기를 결정한다. 상기 업링크 상에서 수신된 프레임의 히스토리는, 양호한 프레임, 열악한 프레임, 프레임 레이트 정보를 포함한다.
불리하게는, 상기 종래의 파워 제어 기술은, 기지국 및 이동 유닛에 의해 전송되는 파워를 단지 열악한 프레임이 이동 유닛 및 기지국에 의해 각각 수신된 후에만 증가시킨다.
본 발명에 따르면, 기지국으로부터 이동 유닛으로 또는 이동 유닛으로부터 기지국으로 프레임의 시퀀스가 전송될 때, 일정 프레임들이 음질의 견지에서 보아, 나머지 프레임들보다 "중요하고(important)", 따라서, 무선 링크의 수신측에서 그들의 적절한 수신을 보다 잘 확인할 수 있는 방법으로 개별적으로 전송되어야 한다. 상기 "중요한(critical)" 프레임들을 검출하고, 그들이 전송되기 전에 그들의 강건함(robustness)을 개선함으로써, 상기 중요한 프레임 각각이 무선 전송 채널 상에서 전송되면서 손실되거나 열악해지지 않게 한다. 예를 들어, CDMA의 예에서, 어떠한 눈에 띌만한 왜곡없이 현재 프레임의 PCM 샘플을 재생성하기 위해, 디코더를 통해, 종전 프레임의 패러미터를 사용할 수 있다면, 현재 프레임은 중요하지 않은 프레임으로 특징지울 수 있다. 반면, 현저한 왜곡없이 현재의 프레임의 PCM 샘플을 재생성하기 위해, 종전 프레임(들)의 패러미터를 사용할 수 없다면, 현재 프레임은 중요한 프레임으로 특징지워진다. 따라서, 풀 레이트 프레임이, 1/8 레이트 프레임과 같은, 부분 레이트 프레임에 이어지면, 현재 풀 레이트 프레임은 전송되기 전에 중요한 프레임으로 식별되고, 중요한 프레임이 전송되기 전에 중요하지 않은 프레임 상에서 그 강건함이 개선된다. CDMA 시스템 상의 본 발명의 실시예에서, 현재 프레임은 현재 프레임의 프레임 패러미터의 값을 종전 프레임의 대응 프레임 패러미터와 비교하고 대응되는 차이의 가중된 합을 형성하여, 중요한지 중요하지 않은지 결정하고, 이어서 임계값과 비교한다. 상기 실시예에서, 일단 프레임이 중요한 프레임이라고 식별되면, 그 강건함은 그 전송된 파워를 증가시켜 개선시킨다. 따라서, 보다 높은 파워 레벨로 전송된 상기 임계 프레임은 수신기에 의해 보다 적게 소거되도록 결정되고, 노이즈에 의해 열악해진 수신측에 보다 도달하기 쉽다. 특정 프레임의 강건함을 개선하기 위한 다른 기술은, 새로운 비트 인터리빙 방법을 포함하는 개선된 채널 코딩을 포함한다.
도 1은 종래의 CDMA 무선 통신 시스템에서 이동 유닛의 수신기 및 기지국의 전송기를 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 단계를 도시한 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 CDMA 기지국 전송기의 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 중요한 프레임 검출기의 블록도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : CDMA 무선 시스템 101 : 전송기
102 : 수신기 103 : 음성 인코더
도 1을 참고로, 기지국에서의 전송기(101)와 이동 유닛에서의 수신기(102)를 나타내는 종래의 CDMA 무선 시스템(100)의 블록도를 도시한다. 전송기(101)의 음성 인코더(103)로의 입력은 PCM 코딩된 음성의 비트 스트림이고, 이는 예를 들어 8KHz 레이트로 샘플링된다.
송신기(101)는 공중 전화 교환망(PSTN)(도시하지 않음)에 접속된 기지국과 무선 스위치 내에 포함되어 있으므로, 음성 신호 자체는 PSTN 상에 설치된 무선 전화기나 무선 네트워크 상에 설치된 모빌로부터 입력된 유저의 음성을 아날로그-디지탈 변환하는 것으로부터 도출된다. 음성 엔코더(103)는 가변 레이트 CELP 코딩 알고리즘을 사용하여 PCM 스트림을 20(ms) 프레임으로 포맷함과 함께 입력 데이터를 압축한다. 음성 엔코더(103)는, 실제 발성 기간 동안에, 풀 레이트 프레임을 생성한다. 음성 엔코더는, 음성이 발성되지 않는 침묵 기간 동안에는, 1/8 레이트 프레임을 생성한다. 상기 발성 기간과 상기 침묵 기간 사이의 천이 기간 동안, 음성 엔코더(103)는 1/2 또는 1/4 레이트 프레임을 생성한다. 음성 엔코더(103)는 매 20(ms) PCM 프레임 입력마다 일군의 출력 파라미터로 이루어지는 엔코드 처리된 프레임을 생성한다. 엔코드 처리된 풀 레이트 프레임은 다음과 같은 파라미터를 포함하고 있다: 선형 예측 부호화(LPC) 파라미터와, 피치 래그(pitch lag)(L)와 피치 게인(pitch gain)(b) 파라미터, 및 코드북 게인(G)과 코드북 인덱스(I) 파리미터.
다음에, 베이스밴드 부호화 프레임이 주지의 CDMA 기법(예컨대 TIA IS-95B, 듀얼 모드 와이드밴드 확산 스펙트럼 셀룰러 시스템에 대한 이동국과 기지국간의 호환 규격을 참조하길 바란다)을 사용하는 채널 엔코드(104)에 의해 무선 주파수 대역 신호로 변환되고 그 신호는 특히 호가 시작되는 때 할당된 암호화 코드의 사용에 의해 변조된다. 파워 콘트롤러(105)는 전송되는 프레임의 레이트와 수신기(102)에 의해 수신되는 신호(상기 프레임과 수신 신호는 모빌 유닛으로부터 기지국으로의 업링크 신호를 통해 기지국으로 리턴된다)의 프레임 에러 레이트 상태에 따라서 채널 엔코더(104)의 파워 출력을 제어한다. 프레임 에러 레이트(FER)가 증가함에 따라, FER 정보가 기지국으로 리턴되며 파워 출력은 증가하게 된다. 채널 엔코더(104)의 출력 신호는 20(ms) 프레임의 시퀀스로 구성되어 있고, 각 프레임은, 입력 신호가 발성 기간, 침묵 기간, 및 천이 기간의 어떤 것을 나타내는 지에 따라서 풀 레이트 프레임이나 서브 레이트 프레임으로 된다. 파워 콘트롤러(105)는 또한 풀 레이트 프레임이 서브 레이트 프레임 동안의 파워 출력보다 큰 동안에, 파워 출력과 함께 전송되는 프레임의 레이트에 따라서 채널 엔코더(104)의 파워 출력을 조정한다.
채널 엔코더(104)의 출력은 안테나(106)에 의해 대기를 통하여 모빌 유닛에 전송되며, 상기 모빌 유닛은 안테나(107)를 통해 압축된 음성 데이터의 순차 프레임을 수신한다. 모빌 유닛의 수신기(102)에서, 채널 디코더(108)가 상기 암호화된 프레임 시퀀스를 복호화함과 함께 CDMA 신호를 베이스밴드 파라미터 시퀀스로 복조한다. 파라미터의 각 프레임은 음성 디코더(109)로 입력되고, 음성 디코더(109)는 이들 파라미터를 PCM 샘플의 스트림으로 변환하고, 이들 PCM 스트림은 디지탈-아날로그 회로에 의해 모빌 유닛의 유저가 가청할 수 있는 음성 신호로 복호된다.
도시하지는 않았지만, 모빌 유닛은, 음성 엔코더와, 채널 엔코더, 및 파워 콘트롤러를 구비하며 기지국의 수신기로 업링크 신호를 전송하기 위한 송신기를 또한 포함하고 있음은 물론이다. 기지국은 또한 채널 디코더와 음성 디코더로 구성된 수신기를 포함하고 있다.
이러한 종래 기술의 시스템에 있어서는, 복호기는, (모빌 유닛 또는 기지국의) 수신기가 잡음 또는 간섭에 기인하여 검출되는 높은 에러의 결과에 의해서나 수신 여부에 의해서 프레임이 소거되었다고 결정한 때, 이전 프레임 또는 프레임들에서 대응하는 파라미터로부터 수신된 파라미터의 현재 값을 추정하기 위해 프레임 마킹 알고리즘을 사용한다. 예컨대, 13k CDMA CELP 코더의 경우에, 선형 예측 부호화 파라미터(PLC)의 현재 값은 이전 프레임의 LPC를 디케잉(decaying)함으로써 결정되며, 상기 디케잉 계수는 연속하는 소거 프레임의 수의 함수이다. 피치 래그(l)의 현재 값은 이전 프레임의 것이 반복된 것이고, 피치 게인(b)의 현재 값은 최종 프레임의 피치 게인으로부터 결정된다. 코드북 게인(G)의 현재 값은 이전의 G값으로부터 적당한 정수값을 감산함으로써 결정되고 현재 프레임의 코드북 인덱스(I)는 랜덤하게 결정된다.
이러한 종래 기술의 시스템에 있어서는, 소거 프레임의 이전 프레임이 서브 레이트 프레임인 때, 또는 소거 프레임의 이전 프레임의 파라미터가 소거 프레임의 원 파라미터와 매우 상이한 때는, 모빌 유닛이나 기지국의 수신기가 이전 프레임으로부터 소거 프레임의 파라미터를 거의 정확하게 추정할 수 없다. 이에 따라 음성 신호는 결과적으로 약해지게 되어 수신측 유저가 가청할 수 없게 된다.
본 발명에 의하면, 어떤 프레임이 음성의 품질 측면에서 다른 프레임보다 매우 중요한 것이라고 판정된다. 이들 "중요한" 프레임은, 일단 식별되고 나면, 기지국 및/또는 모빌 유닛 내의 송신기에 의해 다른 중요하지 않은 프레임에 관련된 정도보다 꽤 큰 정도로 잡음이나 간섭에 대해 강하게 송신된다. 그러므로, 송신되기 전에 중요한 것으로 결정된 특정 프레임들은 소거될 가능성을 저감하기 위해 특별하게 취급되게 된다. 에컨대, 이전 프레임 또는 프레임들의 파라미터가 음성 디코더에 의해 현재의 프레임들의 PCM 샘플을 현저한 왜곡이 없이 재생성하는 것에 사용될 수 있다면, 현재 프레임은 중요하지 않은 것으로 간주할 수 있다. 이 경우에, 현재 프레임은 "중요하지 않은" 프레임으로서 정의될 수 있다.
한편, 이전 프레임이나 프레임들의 파라미터들은 현저한 왜곡 없이 현재의 프레임의 PCM 샘플들을 재생성하는데 사용될 수 없다면, 현재의 프레임은 "중요한" 프레임으로서 특징지어 진다. 예를 들면, 프레임 차례로 서브 레이트 프레임의 뒤를 잇는 풀 레이트 프레임은 앞에 언급한 바와 같이 중요한 프레임으로서 특징지어 질 것 같으며, 풀 레이트 프레임이 소거되는 것을 수신기가 판정해야 하기 때문에, 불가능하지 않다면, 어느 정도의 정확성이나 만족스러운 스피치 품질을 갖는 이전의 서브 레이트 프레임으로부터 그 풀 레이트 프레임의 파라미터들을 외삽법에 의해 추정하는 것은 곤란할 것이다.
본 발명에 따라 일단 중요한 프레임이 검출되면, 그 프레임은 무선 통신 채널상의 잠음 및 간섭에 대해 강건함을 증가시키는 방식으로 전송된다. 본 명세서에 기재된 특정의 양호한 실시예에서, 중요한 프레임은 중요하지 않은 프레임에 대한 전송 전력 출력보다도 더 높은 레벨로 그 전송 전력을 증가시킴으로써 채널 잡음, 페이딩, 간섭에 대해 보호된다. 그러므로, 그 증가된 전송 출력으로, 중요한 프레임은 수신기에서 디코더에 의해 소거될 것이다. 또한, 중요하다고 결정된 그들 개별 프레임들만의 전력 출력을 증가시킴으로써, 송신기의 총 전력 출력상의 전체 효과는 작다. 그와 같은 중요한 프레임을 보호하기 위한 중요한 프레임의 전송 전력 출력을 증가시키는 것 이외의 다른 방법도 또한 사용될 수 있다. 그와 같은 예들은 새로운 방법의 비트 인터리빙을 사용하는 채널 코딩의 보다 강건한 방법을 사용하는 것이다.
도 2는 본 발명의 단계들을 설명하고 있다. 단계 201에서 프레임은 전송되기 전의 중요하게 되는 것으로 확인된다. 단계 202에서, 그 중요한 프레임은 실례로서, 전송 전력을 증가시킴으로서 강건한 메커니즘을 사용하여 전송되거나 보다 강건한 채널 코딩 설계를 사용하여 전송된다.
프레임을 중요하게 되는 것으로 확인하기 위해, 기지국과 이동 장치에서의 송신기의 스피치 엔코더에서 연산이 실행된다. 연산은 중요한 프레임들이 구두 단어내에서 구두 단어의 시작부나 구두 단어의 끝에 있는지 여부를 확인한다. "중요 비트"라 불리는 여분의 비트는 그 프레임이 중요하다는 것을 나타내기 위해 각각의 풀 레이트 프레임과 관련되어 있다. 이 중요 비트는 중요하다고 확인되는 각 프레임에 대해 세트되고 중요하지 않은 프레임들에 대해 리세트된다. 본 명세서에 설명된 양호한 실시예에서, 프레임은 현재 프레임의 파라미터들을 이전 프레임의 대응 파라미터들과 비교함으로써 중요하게 되는 것으로서 확인된다. 특히, 현재 프레임의 프레임 파라미터드로가 이전 프레임내의 그 동일 파라미터들간의 차이의 가중 합이 형성된다. 따라서 값 △은 다음과 같이 계산된다.
여기서 ∥x∥는 x의 절대값을 나타내고,
n : 현재 프레임의 파라미터
n-1 : 이전 프레임의 파라미터
LPC,L,b,G : 각 프레임을 나타내는 프레임 파라미터
W1,W2,W3,W4 : 현재 프레임 및 이전 프레임과 관련되는, LPC, L, b, G 프레임 파 라미터 각각에서의 차이에 대한 가중치 계수
일단 △이 계산되면, △threshold와 비교된다.△＞△threshold이면, 현재 프레임과 이전 프레임간의 차이는 커서 현재 프레임이 중요한 프레임으로 분류된다. 따라서, 이미 설명한 바와 같이, 그 프레임이 소거되어야만 하고, 수신기는 들을 수 있는 충분한 정확도로 이전 프레임으로부터 현재 프레임의 프레임 파라미터를 외삽법에 의해 추정할 수 없게 된다. 따라서, 일단 현재 프레임이 중요한 것으로 결정되면, 그 중요한 프레임에 대한 중요 비트가 세트된다. △＜△threshold이면, 현재 프레임은 중요하지 않은 프레임이며 중요 비트는 리세트된다.
가중치 계수 W1,W2,W3,W4는 0과 1 사이의 범위에서 정규화된다. 그들은 서로 관련되고 다음과 같은 반복법을 사용하여 세트로서 선택될 수 있다.
1. 세트(W1,W2,W3,W4)는 (0.5,0.5,0.5,0.5)로 초기화된다.
2. △threshold는 0과 1사이의 정규화된 세트의 가중치 계수들에 대해 1로 세트된다.
3. 열광적으로 안정된 스피치 신호의 세트(0 kHz에서 4 kHz까지 모든 주파수 성분들을 포함하는 스피치)를 예를 들어 5명의 여성과 5명의 남성 연설자에 의해 스피치 문장으로서 사용하면, CELP 엔코더는 인코드된 프레임들을 발생하기 위해 이들 스피치 신호를 인코드하는데 사용되고, 여기서 X는 인코드된 프레임들의 결과 숫자이다.
4. 수학식 1의 연산을 사용하면, (W1,W2,W3,W4)의 초기값과 △threshold를 사용하여 중요한 프레임들이 확인된다.
5. 수신된 음질내의 열화를 대다수의 유저가 감지하는 FER인 3% 프레임 에러율을 가정하면, 0.03X 프레임은 X-Y 중요하지 않은 프레임들로부터 소거된다. CDMA 시스템에 대한 채널 모델은 0.03X 소거된 프레임을 확인하기 위해 사용된다.
6. 그 후 CELP 디코더는 전체 X 프레임들을 디코더하기 위해 사용되고, 소거 공정 후에, 스피치 신호의 인코드된/디코드된 버전인 출력을 발생하기 위해 사용된다.
7. 그 후 디코더로부터의 출력 스피치의 음질은 주관적으로 계산된다.
8. 단계들 1-7은 따라서 다른 3개가 일정하게 남아있는 것처럼 동시에 하나의 중량 계수를 변화시킴으로써, 중량 계수들의 다른 값들로 반복된다. 고음질을 생성하는 중량들(W1,W2,W3,W4)의 설정은 방정식(1)의 임계 프레임 식별 알고리즘에서 사용되는 것이다.
도 3에서, 블록 다이어그램은 본 발명에 따라 CDMA 시스템의 기지국에서 송신기(301)를 도시한다. 음성 샘플들로 코드된 PCM의 입력 스트림(stream)은 음성 인코더(encoder)(302)에 입력된다. 도 1에서 음성 인코더(103)처럼, 음성 인코더(302)는 PCM 스트림을 20ms 프레임으로 포맷하고 변수 비율 CELP 코딩 알고리즘을 사용하여 입력 데이터를 압축한다. 액티브 음성 주기동안에, 음성 인코더(302)는 1/8 비율 프레임을 생성한다. 말하는 주기들과 말하지 않는 주기들 사이의 전송 주기들 동안에, 음성 인코더(302)는 1/2 또는 1/4의 비율 프레임들을 생성한다. 매 20ms PCM 프레임 입력동안, 음성 인코더(302)는 출력 파라미터들을 구성하는 인코드된 프레임을 생성한다. 인코드된 전체 프레임은 전술된 선형 예측 코딩(LPC), 피치 지연(L), 피치 이득(b), 코드북 이득(G), 및 코드북 인덱스(1) 파라미터들을 포함한다. 매 프레임마다 음성 인코더(302)에 의해 출력되는 이들 프레임 파라미터들은 채널 인코더(303)와 임계 프레임 검출기(304) 둘다에 입력된다. 임계 프레임 검출기(304)는 현 프레임의 프레임 파라미터들과 이전 프레임의 해당하는 프레임 파라미터들 사이의 다른 파라미터들의 합을 형성한다. 양호한 실시예에서, 이전 프레임은 현재 프레임을 바로 앞선 프레임이다. 위의 방정식(1)의 알고리즘을 사용하여, 임계 프레임 검출기(304)는 △를 계산하고 그것을 전술된 것처럼 1로 정규화된,△threshold와 비교한다. 만약 현재 프레임이 임계 프레임 검출기(304)에 의해 임계 프레임으로 지정된다면, 임계 비트는 비트 스트림으로 설정되고 그 임계 비트 설정과 함께 비트 스트림은 전원 제어기(305)로 입력된다. 음성 인코더(302)의 프레임 포맷된 출력은 채널 인코더(303)으로 입력되고, 그것은 도 1에서 채널 인코더(104)와 같이 CDMA 기술을 사용하여 음성 인코더(302)의 베이스밴드 출력을 라디오 주파수 신호로 변환한다. 채널 인코더(303)의 출력은 안테나(306)에 의해 전송된다. 채널 인코더(303)에 의해 전송된 신호의 출력 전원은 전원 제어기(305)에 의해 제어된다. 이전의 송신기처럼, 전원 제어기(305)는 전송된 프레임이 완전 비율 또는 그 이하 비율인지 및 프레임 에러 비율 통계 둘다의 기능으로써 전송된 신호의 출력 전원을 제어한다. 본 발명의 양호한 실시예에 따라, 전원 제어기(305)는 또한 각 프레임이 임계 프레임으로 결정되는지 아닌지의 기능으로써 매 프레임상의 채널 인코더의 전원 출력을 제어한다. 따라서, 임계 프레임 검출기(304)에 의해 출력된 비트 스트림에서 임계 비트가 전원 제어기(305)에 의해 검출될 때, 전원 제어기(305)는 임계 비트가 리셋되는 각 프레임에 대해 그것의 정규 전원 출력 레벨을 감소시키고 그 프레임에 대해 채널 인코더(303)의 전송 전원 출력을 증가시킨다.
도 4는 도 3의 임계 프레임 검출기(304)의 블록 다이어그램이다. 현재 프레임의 프레임 파라미터들을 구성하는, 음성 인코더(302)의 프레임 출력은 버퍼(401)로 입력되고, 버퍼는 현재의 프레임(n)을 저장하고 그것을 버퍼(402)에 저장된 이전 프레임(n-1)의 프레임 파라미터들과 비교한다. 가중된 합계는 비교기(404)에 의해 △threshold에 비교되는 △를 생성하기 위하여 현재 프레임의 프레임 파라미터들과 감산기(403)에 의해 이전 프레임의 파라미터들 사이의 차이들로 이루어진다. 다음의 새로운 현재의 프레임이 버퍼(401)에 입력될 때, 마지막 현재의 프레임은 버퍼(402)로 이동되고 막 결정된 출력 설정 또는 비교기(404)의 리셋 비트는 전원 제어기(305)로 입력을 형성하기 위하여 레지스터(401)에 의해 버퍼(401)의 프레임 출력으로 덧붙여진다.
기지국에서 송신기에 대해 서술되었을지라도, 본 발명은 모빌 유닛에서 전송기에서 상기 전술된 비슷한 방식으로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 현재 잘 알려진 또는 미래에 발전할 무선 라디오 시스템들의 다른 타입들 뿐만 아니라 전술된 CDMA 시스템과 TDMA 시스템에서 사용될 수 있다. 더욱, 이전에 주지했듯이, 임계로 결정된 그러한 프레임들의 강인함을 개선하는 방법들은 각 그러한 임계 프레임을 위한 더 강인한 채널 코딩 알고리즘을 사용함으로써 또한 사용될 수 있다.
무선 설비들을 통하여 전송된 신호의 음질을 개선하는 것에 대해 전술되었지만, 본 발명은 음성, 비디오, 데이터,등을 나타내는 어떤 디지털 신호의 전송을 개선하는 것으로 적용될 수 있다. 특정 프레임들의 손실은 수신된 신호의 음질에서 다른 것들에 더 큰 충격을 갖는다. 위의 전술된 실시예들은 본 발명의 원리들을 도시한다. 다른 실시예들은 본 발명의 범위와 정신으로부터 일탈됨없이 당업자에 의해 고안될 수 있다.
본 발명에 따라 무선 통신 시스템에서의 디지털 신호 전송을 보다 향상시킬 수 있다.

Claims (36)

  1. 프레임 시퀀스로 배열된 디지털 신호를 전송 매체를 통해 수신기에 전송하는 방법에 있어서,
    전송되기 전에 상기 프레임 시퀀스의 현재 프레임이 임계 프레임인지 비-임계 프레임인지를 결정하는 단계와,
    상기 현재 프레임이 비-임계 프레임으로 결정되면, 상기 비-임계 프레임을 제1 방식으로 전송하는 단계와,
    상기 현재 프레임이 임계 프레임으로 결정되면, 상기 임계 프레임을 상기 제1 방식보다 더 강력한 제2 방식으로 전송하는 단계로서, 상기 제2 방식은, 상기 수신기가 상기 현재 프레임을 삭제된 프레임으로 결정할 가능성이 상기 제1 방식에 비해 더 적은 방식인, 상기 전송 단계를 포함하는 디지털 신호 전송 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 현재 프레임이 임계 프레임인지 비-임계 프레임인지를 결정하는 단계는,
    상기 현재 프레임을 상기 프레임 시퀀스에서의 적어도 하나의 이전 프레임과 비교하는 단계를 포함하는 디지털 신호 전송 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 현재 프레임을 상기 적어도 하나의 이전 프레임과 비교하는 단계는,
    상기 현재 프레임과 관련된 복수의 값과 상기 적어도 하나의 이전 프레임과 관련된 복수의 값간의 차이들를 결정하는 단계와,
    상기 차이들을 가중된 합으로 형성하는 단계와,
    상기 가중된 합을 소정의 임계값과 비교하는 단계를 포함하는 디지털 신호 전송 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 비교 단계에서 상기 가중된 합이 상기 소정의 임계값보다 큰 것으로 나타나면, 상기 현재 프레임은 임계 프레임으로 결정되는 디지털 신호 전송 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 이전 프레임은 상기 현재 프레임을 바로 직전에 선행하는 프레임인 디지털 신호 전송 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 현재 프레임이 임계 프레임으로 결정되면, 상기 임계 프레임은 비-임계 프레임이 전송되는 전원 레벨보다 더 높은 전원 레벨로 전송되는 디지털 신호 전송 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 현재 프레임이 임계 프레임으로 결정되면, 상기 임계 프레임은 상기 비-임계 프레임을 전송하는데 사용되는 코딩 알고리즘보다 더 강력한 채널 코딩 알고리즘으로 전송되는 디지털 신호 전송 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 더 강력한 채널 코딩 알고리즘은 비트 인터리빙을 병합하는 디지털 신호 전송 방법.
  9. 프레임 시퀀스로 배열된 디지털 음성 신호를 무선 전송 매체를 통해 전송기로부터 수신기로 전송하는 방법에 있어서,
    전송되기 전에 상기 프레임 시퀀스에서의 현재 프레임이 임계 프레임인지 비-임계 프레임인지를 전송기에서 결정하는 단계와,
    상기 현재 프레임이 비-임계 프레임으로 결정되면, 상기 비-임계 프레임을 상기 무선 전송 매체를 통해 제1 방식으로 전송하는 단계와,
    상기 현재 프레임이 임계 프레임으로 결정되면, 상기 임계 프레임을 상기 무선 통신 매체를 통해 상기 제1 방식보다 더 강력한 제2 방식으로 전송하는 단계로서, 상기 제2 방식은, 상기 수신기가 상기 현재 프레임을 삭제된 프레임으로 결정할 가능성이 상기 제1 방식에 비해 더 적은 방식인, 상기 전송 단계를 포함하는 디지털 신호 전송 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 현재 프레임이 임계 프레임인지를 결정하는 단계는,
    상기 현재 프레임을 상기 프레임 시퀀스에서의 적어도 하나의 이전 프레임과 비교하는 단계를 포함하는 디지털 신호 전송 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전송기는 코드 분할 다중 접속 (CDMA) 전송기이며, 상기 현재 프레임을 적어도 하나의 이전 프레임과 비교하는 단계는,
    상기 현재 프레임의 압축-코드 버전을 나타내는 복수의 프레임 파라미터와 상기 적어도 하나의 이전 프레임의 압축-코드 버전을 나타내는 대응하는 복수의 프레임 파라미터간의 차이를 결정하는 단계와,
    상기 현재 프레임의 복수의 프레임 파라미터와 상기 적어도 하나의 이전 프레임의 대응하는 복수의 프레임 파라미터간의 차이에 대한 가중된 합을 형성하는 단계와,
    상기 가중된 합을 소정의 임계값과 비교하는 단계를 포함하는 디지털 신호 전송 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 비교 단계에서, 상기 가중된 합이 상기 소정의 임계값보다 큰 것으로 나타나면, 상기 현재 프레임은 임계 프레임으로 결정되는 디지털 신호 전송 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 이전 프레임은 상기 현재 프레임을 바로 직전에 선행하는 프레임인 디지털 신호 전송 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 현재 프레임이 임계 프레임으로 결정되면, 상기 임계 프레임은 비-임계 프레임이 전송되는 전원 레벨보다 더 높은 전원 레벨로 무선 전송 매체를 통해 전송되는 디지털 신호 전송 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 현재 프레임이 임계 프레임으로 결정되면, 상기 임계 프레임은 상기 비-임계 프레임을 전송하는데 사용되는 코딩 알고리즘보다 더 강력한 채널 코딩 알고리즘으로 상기 무선 전송 매체를 통해 전송되는 디지털 신호 전송 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 더 강력한 채널 코딩 알고리즘은 비트 인터리빙을 병합하는 디지털 신호 전송 방법.
  17. 제9항에 있어서, 상기 전송기는 이동 유닛 내에 있는 디지털 신호 전송 방법.
  18. 제9항에 있어서, 상기 전송기는 기지국 내에 있는 디지털 신호 전송 방법.
  19. 프레임 시퀀스로 배열된 디지털 신호를 전송 매체를 통해 수신기에 전송하는 전송기에 있어서,
    디지털 신호가 전송되기 전에 상기 프레임 시퀀스의 현재 프레임이 임계 프레임인지 비-임계 프레임인지를 결정하는 수단과,
    상기 현재 프레임이 임계 프레임인지 또는 비-임계 프레임인지 따른 방식으로 상기 현재 프레임을 전송하는 전송 수단으로서, 비-임계 프레임은 제1 방식으로 전송되고 임계 프레임은 상기 제1 방식보다 더 강력한 제2 방식으로 전송되며, 상기 제2 방식은, 상기 수신기가 상기 현재 프레임을 삭제된 프레임으로 결정할 가능성이 상기 제1 방식에 비해 더 적은 방식인, 상기 전송 수단을 포함하는 전송기.
  20. 제19항에 있어서, 상기 결정 수단은 상기 현재 프레임을 상기 프레임 시퀀스에서의 적어도 하나의 이전 프레임과 비교하는 수단을 포함하는 전송기.
  21. 제20항에 있어서, 상기 현재 프레임을 상기 적어도 하나의 이전 프레임과 비교하는 수단은,
    상기 현재 프레임과 관련된 복수의 값과 상기 적어도 하나의 이전 프레임과 관련된 복수의 값간의 차이들를 결정하는 수단과,
    상기 차이들을 가중된 합으로 형성하는 수단과,
    상기 가중된 합을 소정의 임계값과 비교하는 수단을 포함하는 디지털 신호 전송 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 비교하는 수단이, 상기 가중된 합이 상기 소정의 임계값보다 크다는 것을 나타나면, 상기 현재 프레임은 임계 프레임으로 결정되는 전송기.
  23. 제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 이전 프레임은 상기 현재 프레임을 바로 직전에 선행하는 프레임인 전송기.
  24. 제19항에 있어서, 전원 제어기를 더 포함하며,
    상기 결정 수단이 상기 현재 프레임을 임계 프레임인 것으로 결정하면, 상기 전원 제어기는, 비-임계 프레임을 전송하는 출력 전원보다 더 높은 출력 전원으로, 상기 현재 프레임이 상기 수신기로 전송되도록 상기 전송 수단의 출력 전원을 조절하는 전송기.
  25. 제19항에 있어서, 상기 결정 수단이 상기 현재 프레임을 임계 프레임인 것으로 결정하면, 상기 전송 수단은 비-임계 프레임을 전송하는데 이용하는 코딩 알고리즘보다 더 강력한 채널 코딩 알고리즘을 이용해서 상기 현재 프레임을 상기 수신기로 전송하는 전송기.
  26. 제25항에 있어서, 상기 더 강력한 채널 코딩 알고리즘은 비트 인터리빙을 병합하는 전송기.
  27. 프레임 시퀀스로 배열된 디지털 음성 신호를 전송 매체를 통해 수신기에 전송하는 전송기에 있어서,
    디지털 신호가 전송되기 전에 상기 프레임 시퀀스의 현재 프레임이 임계 프레임인지 비-임계 프레임인지를 결정하는 수단과,
    상기 현재 프레임이 임계 프레임인지 또는 비-임계 프레임인지 따라 결정된 방식으로 상기 현재 프레임을 전송하는 전송 수단으로서, 비-임계 프레임은 제1 방식으로 전송되고 임계 프레임은 상기 제1 방식보다 더 강력한 제2 방식으로 전송되며, 상기 제2 방식은, 상기 수신기가 상기 현재 프레임을 삭제된 프레임으로 결정할 가능성이 상기 제1 방식에 비해 더 적은 방식인, 상기 전송 수단을 포함하는 전송기.
  28. 제27항에 있어서, 상기 결정 수단은 상기 현재 프레임을 상기 프레임 시퀀스에서의 적어도 하나의 이전 프레임과 비교하는 수단을 포함하는 전송기.
  29. 제28항에 있어서, 코드 분할 다중 접속 기술을 이용해서 무선 전송 매체를 통해 각각의 프레임을 전송하는 수단과, 현재 프레임을 적어도 하나의 이전 프레임과 비교하는 수단은,
    상기 현재 프레임의 압축-코드 버전을 나타내는 복수의 프레임 파라미터와 상기 적어도 하나의 프레임의 압축-코드 버전을 나타내는 대응하는 복수의 프레임 파라미터간의 차이를 결정하는 수단과,
    상기 현재 프레임을 나타내는 복수의 프레임 파라미터와 상기 적어도 하나의 이전 프레임을 나타내는 대응하는 복수의 프레임 파라미터간의 차이에 대한 가중된 합을 형성하는 수단을 포함하는 전송기.
  30. 제29항에 있어서, 상기 가중된 합을 비교하는 수단이, 상기 가중된 합이 상기 소정의 임계값보다 크다는 것을 나타나면, 상기 현재 프레임은 임계 프레임으로 결정되는 전송기.
  31. 제29항에 있어서, 상기 적어도 하나의 이전 프레임은 상기 현재 프레임을 바로 직전에 선행하는 프레임인 전송기.
  32. 제28항에 있어서, 전원 제어기를 더 포함하며,
    상기 결정 수단이 상기 현재 프레임을 임계 프레임인 것으로 결정하면, 상기 전원 제어기는, 비-임계 프레임을 전송하는 출력 전원보다 더 높은 출력 전원으로, 상기 무선 전송 매체를 통해 상기 현재 프레임이 상기 수신기로 전송되도록 상기 전송 수단의 출력 전원을 조절하는 전송기.
  33. 제28항에 있어서, 상기 현재 프레임을 전송하는 수단은, 비-임계 프레임을 전송하는데 사용되는 코딩 알고리즘보다 더 강력한 채널 코딩 알고리즘을 사용해서, 임계 프레임인 것으로 결정된 현재 프레임을 상기 무선 전송 매체를 통해 상기 수신기로 전송하는 전송기.
  34. 제33항에 있어서, 상기 더 강력한 채널 코딩 알고리즘은 비트 인터리빙을 병합하는 전송기.
  35. 제28항에 있어서, 상기 전송기는 이동 유닛 내에 있는 전송기.
  36. 제28항에 있어서, 상기 전송기는 기지국 내에 있는 전송기.
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