SE519563C2 - Förfarande och kodare för linjär prediktiv analys-genom- synteskodning - Google Patents

Description

519 2565 t.. H Kort uttryckt ökar föreliggande uppfinning kodningseffektiviteten genom vektorkvanti- sering av förstårkningsparametrar för flera subramar. Därefter uppdateras kodarens interna tillstånd genom användning av de vektorkvantiserade förstärkningarna. Detta reducerar antalet bitar som erfordras för kodning av en ram samtidigt som kvaliteten av den resulterande avkodade talsignalen bibehålls och synkroniseringen mellan kodarens och avkodarens interna tillstånd bibehålls.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen samt ytterligare syftemål och fördelar som uppnås med denna förstås bäst genom hänvisning till nedanstående beskrivning samt de bifogade ritningarna, i vilka: FIG. 1 är ett blockschema som illustrerar en typisk tidigare känd LPAS-kodare; FIG. 2 är ett flödesschema som illustrerar förfarandet i enlighet med föreliggande uppfinning; FIG. 3 är ett blockschema som illustrerar en utföringsform av en LPAS-kodare i enlighet med föreliggande uppfinning.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER För bättre förståelse av föreliggande uppfinning börjar denna beskrivning med en kort presentation av en typisk LPAS-kodare.

Fig. 1 är ett blockschema som illustrerar en sådan typisk tidigare känd LPAS-kodare.

Kodaren innefattar en analysdel och en syntesdel.

I analysdelen mottager en linjär prediktor 10 talramar s (i typfallet 20 ms tal samplat vid 8000 Hz) och bestämmer filterkoefficienter för styrning, efter kvantisering i en kvantise- rare 12, av ett syntesfilter 14 (i typfallet ett filter av ordning 10 och med enbart poler).

De okvantiserade filterkoefficienterna används även för styrning av ett viktningsfilter 16. 519 5363 l syntesdelen skalas kodvektorer från en adaptiv kodbok 18 och en fast kodbok 20 i skalningselement 22 respektive 24, varefter de skalade vektorerna adderas i en adderade 26 för bildande av en excitationsvektor som exciterar syntesfiltret 14. Detta resulterar i en syntetisk felsignal š. En återkopplingsledning 28 uppdaterar den adaptiva kodboken 18 med nya excitationsvektorer.

En adderare 30 bildar skillnaden e mellan den faktiska talsignalen s och den syntetiska talsignalen š. Denna felsignal e viktas i viktningsfiltret 16, och den viktade felsignalen ew leds till ett sökalgoritmblock 32. Sökalgoritmblocket 32 bestämmer den bästa kombinationen av kodvektorer ca, cf från kodböckerna 18, 20 och förstärkningar ga, gf i skalningselementen 22, 24 via kontrolledningar 34, 36, 38 och 40 genom minimering av avståndsmåttet: D=|lew|l2 =||W-(s-§) =|lW-s-w-fl-(ga-cafiLgf-cfllz (1) över en ram. Här betecknar Wen viktningsfiltermatris och H en syntesfiltermatris.

Sökalgoritmen kan summeras enligt följande: För varje ram: 1. Beräkna syntesfiltret 14 genom linjär prediktion och kvantisera filter koefficienter- na. 2. lnterpolera de linjära prediktionskoefficienterna mellan den aktuella och föregåen- de ramen (i någon domän, Lex. LSF-domänen = Line Spectrum Frequency) för erhållande av linjära prediktionskoefficienter för varje subram (i typfallet 5 ms av tal samplat vid 8000 Hz, dvs. 40 sampel). Viktningsfiltret 16 beräknas ur de linjära prediktionsfilterkoefficienterna.

För varje subram i ramen: 1. Hitta kodvektorn ca genom sökning av den adaptiva kodboken 18, under antagan- de av att gf är noll och att ga är lika med det optimala (okvantiserade) värdet. 519 563 4 2. Hitta kodvektorn cf genom sökning av den fast kodboken 20 och användande av kodvektorn ca och förstärkningen ga som hittades i föregående steg. Förstärk- ningen gfantages lika med det optimala (okvantiserade) värdet. 3. Kvantisera förstärkningsfaktorerna ga och gf. Kvantiseringsmetoden kan vara antingen skalär eller vektorkvantisering. 4. Uppdatera den adaptiva kodboken 18 med den excitationssignal som alstrats genom ca och cf och de kvantiserade värden av ga och gf. Uppdatera syntes- och viktningsfiltrens tillstånd.

I den beskrivna strukturen kodas varje subram separat. Detta gör det lätt att synkro- nisera kodaren och avkodaren, vilket är ett väsentligt särdrag vid LPAS-kodning. På grund av den separata kodningen av subramar uppdateras de interna tillstånden för avkodaren, vilken svarar mot syntesdelen av en kodare, på samma sätt under avkodning som de interna tillstånden för kodaren uppdaterades under kodning. Detta synkroniserar kodarens och avkodarens interna tillstånd. Det är dock även önskvärt att öka användningen av vektorkvantisering så mycket som möjligt, eftersom denna metod är känd för att ge noggrann kodning vid låga bithastigheter. Så som kommer att visas nedan är det i enlighet med föreliggande uppfinning möjligt att vektorkvanti- sera förstärkningar i flera subramar samtidigt och att ändå bibehålla synkronisering mellan kodare och avkodare.

Föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas underhänvisning till figurerna 2 och 3.

Fig. 2 är ett flödesschema som illustrerar förfarandet i enlighet med föreliggande uppfinning. Nedanstående algoritm kan användas för kodning av 2 på varandra följande subramar (det antas att linjär prediktionsanalys, kvantisering och interpolation redan har utförts i enlighet med känd teknik): S1. Hitta den bästa kodboksvektorn ca1 (med subramlängd) för subram 1 genom minimering av det viktade felet: 0,41 = ||sw1- §w1l|2 =||W1-s1- W1 -H1-ga1-ca1||2 (2) lO S2.

S3.

S4. 5195563 för subram 1. Här betecknar "i" genomgående subram 1 i ekvation (2). Vidare antages att det optimala (okvantiserade) värdet av ga1 används vid evaluering av varje möjligt ca1 vektor.

Hitta den bästa fasta kodboksvektorn cf1 för subram 1 genom minimering av det viktade felet: DF1 = ||sw1- §w1||2 =||W1-s1- W1-H1-(ga1-ca1+ gf1-cf1)l|2 (3) varvid antages att det optimala värde på gf1 används vid evaluering av varje möjlig vektor cf1. I detta steg används den vektor ca1 som bestämts i steg S1 och det optimala värdet ga1.

Lagra en kopia av det aktuella adaptiva kodbokstillståndet, det aktuella syntesfiltertillståndet samt det aktuella viktningsfiltertillståndet. Den adaptiva kodboken är ett F IFO-element (FIFO = First ln First Out). Tillståndet för detta element representeras av de värden som för tillfället befinner sig i FIFO- elementet. Ett filter är en kombination av fördröjningselement, skalningsele- ment och adderare. Tillståndet för ett filter representeras av de aktuella insig- nalerna till fördröjningselementen och skalningsvärdena (filterkoefficienterna).

Uppdatera det adaptiva kodbokstillståndet, syntesfiltertillståndet samt viktningsfiltertillståndet genom användning av den temporära excitationsvek- torn f1=ga1-ca1+gf1-cf1 enligt steg S1 och S2 för subram 1. Denna vektor skiftas sålunda in i den ad- aptiva kodboken (och en vektor av samma längd skiftas ut ur den adaptiva kodboken vid den andra änden). Syntesfiltertillståndet och viktningsfiltertill- ståndet uppdateras genom uppdatering av respektive filterkoefficienter med S5.

S6.

S7. 5196 563 sina interpolerade värden och genom inmatning av denna excitationsvektor genom syntesfiltret och den resulterande felvektorn genom viktningsfiltret.

Hitta den bästa adaptiva kodboksvektorn ca2 för subram 2 genom minimering av det viktade felet: 12,42 = ||sw2 - šw2||2 = ||W2 - S2 - W2 - H2 - ga2 - ca2||2 (4) för subram 2. Här refererar “2“ genomgående till subram 2 i ekvation (4). Vida- re antages att det optimala (okvantiserade) värdet av ga2 används vid evalue- ring av varje möjligt vektor ca2.

Hitta den bästa fasta kodboksvektorn cQ för subram 2 genom minimering av det viktade felet: DF2 = llswz - šwzllz = l|W2 - S2 - W2- H2- (ga2-ca2 + gfz - cf2)||2 (5) under antagande av att det optimala värdet gf2 används vid evaluering av varje möjlig vektor cf2. l detta steg används den i steg S5 bestämda vektorn ca2 samt det optimala värdet ga2.

Vektorkvantisera alla 4 förstärkningarna gal, gf1, ga2 och gf2. Motsvarande kvantiserade vektor [(181 Ûfl §l82 ÛfZ] erhålls ur en förstärkningskodbok av vektorkvantiseraren. Denna kodbok kan representeras såsom: láfal àfl gta2 âflllellcxo) m) C12) c.<ß>lf}.”.a' <6) där c;(0), ci(1), c;(2) och ci(3) är de specifika värden som förstärkningarna kan kvantiseras till. Ett index i som kan varieras från O till N-1 väljs sålunda för att representerar alla 4 förstärkningarna, och vektorkvantiserarens uppgift är att hitta detta index. Detta uppnås genom minimering av följande uttryck: DG=a-DG1+ß-DG2 (7) lO S8.

S9.

S10. 5197565 . » - v ; z i I u \~ _ .1 ..| där u, ß är konstanter och förstärkningskvantiseringskriterierna för den första och andra subramen är givna av: DG1 =j|sw1- šw1||2 =||W1-s1 - W1 - H1 - (c, (o)- m1 + c, (1)- cf1)||2 (s) D62 = ||sw2 - šwz||z = ||W2 - sz - Wz - H2 - (c, (2) - m2 + c,(3)- cf2)j|2 (9) Därför gäller j=aI_:{gOíJIti§{a-DG1+ß-DG2} (10) och lšal än §a2 §f2iT=[c,<0> en) 0,42) qmlï (11) Återställ det adaptiva kodbokstillståndet, syntesfiltertillståndet och viktnings- minskningstillståndet genom hämtning av de i steg S3 lagrade tillstånden.

Uppdatera den adaptiva kodboken, syntesfiltret och viktningsfiltret genom användning av den slutliga excitationen för den första subramen, denna gång med kvantiserade förstärkningar, dvs. >21= §a1-ca1+ gf 1 -cf 1.

Uppdatera den adaptiva kodboken, syntesfiltret och viktningsfiltret genom användning av den slutliga excitationen för den andra subramen, denna gång med kvantiserade förstärkningar, dvs. :22 = §a2 - ca2 + gf 2 - cf 2 Kodningsprocessen är nu avslutad för båda subramarna. Nästa steg är att upprepa stegen S1-S10 för nästa 2 subramar eller, om slutet av en ram har uppnåtts, att påbörja en ny kodningscykel med linjär prediktion av nästa ram.

Anledningen till lagringen och återställningen av tillstånden för den adaptiva kobo- ken, syntesfiltret och viktningsfiltret är att ännu ej kvantiserade (optimala) förstärk- lO 1 g 5 s 3 ningar används vid uppdatering av dessa element i steg S4. Dessa förstärkningar är dock ej tillgängliga vid avkodaren, eftersom de beräknas ur den faktiska talsignalen s. Istället kommer endast de kvantiserade förstärkningarna att vara tillgängliga vid avkodaren, vilket innebär att de korrekta interna tillstånden måste återskapas vid kodaren efter kvantisering av förstärkningarna. I annat fall kommer kodaren och avkodaren inte att ha samma interna tillstånd, vilket skulle resultera i olika syntetiska talsignaler vid kodaren och avkodaren för samma talparametrar.

Viktningsfaktorerna o, ß i ekvationerna (7) och (10) inkluderas för beaktande av den relativa betydelsen av den första och andra subramen. De bestäms med fördel genom energiparametrarna på sådant sätt att subramar med hög energi får en lägre vikt än subramar med låg energi. Detta förbättrar prestanda vid början (onset) och slutet (offset) av ord. Andra viktningsfunktioner, till exempel baserade på talsegment utan onset och offset är även tänkbara. En lämplig algoritm för viktningsprocessen kan summeras enligt: Om energin för subram 2 > 2 gånger energin för subram 1 sätt u=2l3 Om energin för subram 2 < 0.25 gånger energin för subram 1 Sätt d=O.5ß i annat fan satt fl=ß Fig. 3 är ett blockschema som illustrerar en utföringsform av en LPAS-kodare i enlighet med föreliggande uppfinning. Elementen 10-40 svarar mot liknande element i fig. 1.

Sökalgoritmblocket 32 har dock ersatts av ett sökalgoritmblock 50 som förutom kodböckerna och skalningselementen styr lagrings- eller minnesblock 52, 54, 56 och en vektorkvantiserare 58 över kontrolledningarna 60, 62, 64 respektive 66. Minnes- blocken 52, 54 och 56 används för lagring och återställning av tillstånden för den adaptiva kodboken 18, syntesfiltret 14 respektive viktningsfiltret 16. Vektorkvantisera- ren 58 hittar den bästa förstärkningskvantiseringsvektorn ur en förstärkningskodbok 68. lO 5199 565 Funktionaliteten för sökalgoritmblocket 50 och vektorkvantiseraren 58 implementeras exempelvis genom en eller flera mikroprocessorer eller mikrolsignalprocessorkombina- üoner I ovanstående beskrivning har det antagits att förstärkningarna för 2 subramar vektorkvantiseras. Om ökad komplexitet kan accepteras kan ytterligare prestandaför- bättringar uppnås genom utvidgning av denna idé till vektorkvantisering av förstärk- ningarna för alla subramarna i en talram. Detta erfordrar backtracking av flera subra- mar för erhållande av de korrekta slutliga interna tillstånden i kodaren efter vektorkvan- tisering av förstärkningarna.

Det har visats att vektorkvantisering av förstärkningar över subramgränser är möjlig utan att synkroniseringen mellan kodare och avkodare behöver offras. Detta förbättrar väsentligt kompressionsprestanda och medger väsentliga bithastighetsbesparingar.

Det har exempelvis visat sig att om 6 bitar används för 2-dimensionell vektorkvantise- ring av förstärkningar i varje subram kan 8 bitar användas för 4-dimensionell vektor- kvantisering av förstärkningarna av 2 subramar utan kvalitetsförlust. Sålunda kan 2 bitar per subram sparas ( '/2(2*6-8). Detta motsvarar 0.4 kbits/s för 5 ms subramar, vilket utgör en betydande besparing vid låga bithastigheter (exempelvis under 8 kbits/s).

Det kan noteras att ingen extra algoritmisk fördröjning introduceras, eftersom behand- lingen ändras endast på subram- och ej på ramnivå. Vidare är den ändrade behand- lingen associerad med endast en liten komplexitetsökning.

Den föredragna utföringsformen som inkluderar felviktning mellan subramarna (G. ß) leder till ökad talkvalitet.

Fackmannen inser att olika modifieringar och förändringar kan göras vid föreliggande uppfinning utan awikelse från dess ram, som definieras av de bifogade patentkraven. 519 565 REFERENSER [1] EP o 764 939 (AT s. T), sia. e, stycke A - sid. 7. [2] EP O 684 705 (Nippon Telegraph & Telephone), spalt 39, rad 17 - spalt 40, rad 4

Claims (14)

lO 15 20 25 30 sig. 563 U. .. PATENTKRAV

1. Kodningsförfarande genom linjär prediktiv analys-genom-syntes, kännetecknat av bestämning av optimala förstärkningar för ettflertal subramar; vektorkvantisering av de optimala förstärkningarna; och uppdatering av interna kodartillstånd genom användning av de vektorkvantise- rade förstärkningarna.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av lagring av ett internt kodartillstånd efter kodning av en subram med optimala förstärkningar; återställning av det interna kodartillståndet efter vektorkvantisering av förstärk- ningarna från flera subramar; uppdatering av det interna kodartillståndet genom användning av de bestämda kodboksvektorerna och de vektorkvantiserade förstärkningarna.

3. Förfarande enligt krav 2, kännetecknat av att de interna kodartillstånden inkluderar tillstånden för en adaptiv kodbok, ett syntesfilter och ett viktningsfilter.

4. Förfarande enligt krav 1, 2 eller, kännetecknat av vektorkvantisering av förstärkning- ar från 2 subramar.

5. Förfarande enligt krav 1, 2 eller 3, kännetecknat av vektorkvantisering av alla förstärkningarna i alla subramar i ramen.

6. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av: viktning av felbidrag från olika subramar genom viktningsfaktorer; och minimering av summan av de viktade felbidragen.

7. Förfarande enligt krav 6, kännetecknat av att varje viktningsfaktor beror av motsva- rande subrams energi.

8. Kodare baserad på linjär prediktiv analys-genom-syntes, kännetecknat av 10 15 20 25 30 519 sis; ett sökalgoritmblock (50) för bestämning av optimala förstärkningar för ett flertal subramar; en vektorkvantiserare (58) för vektorkvantisering av de optimala förstärkningar- na;och organ (50, 52, 54, 56) för uppdatering av interna kodartillstånd genom använd- ning av de vektorkvantiserade förstärkningarna.

9. Kodare enligt krav 8, kännetecknad av organ (52, 54, 56) för lagring av ett internt kodartillstånd efter kodning av en subram med optimala förstärkningar; organ (50) för återställning av det interna kodartillståndet efter vektorkvantise- ring av förstärkningarna från flera subramar; och organ (50) för uppdatering av det interna kodartillståndet genom användning av det bestämda kodboksvektorerna och de vektorkvantiserade förstärkningarna.

10. Kodare enligt krav 9, kännetecknad av att organet för lagring av interna kodartill- stånd innehåller ett organ (52) för lagring av tillståndet för en adaptiv kodbok, ett organ (54) för lagring av tillståndet för ett syntesfilter och organ (56) för lagring av tillståndet för ett viktningsfilter.

11. Kodare enligt krav 8, 9 eller 10, kännetecknad av organ för vektorkvantisering av förstärkningarna från 2 subramar.

12. Kodare enligt krav 8, 9 eller 10, kännetecknad av organ för vektorkvantisering av alla förstärkningar från alla subramar i en talram.

13. Kodare enligt krav 12, kännetecknad av: organ (58) för viktning av felbidrag från olika subramar genom viktningsfaktorer och minimering av summan av de viktade felbidragen.

14. Kodare enligt krav 13, kännetecknad av organ (58) för bestämning av viktnings- faktorer som beror av motsvarande subramsenergi.