CN1118467A - 语音编码处理 - Google Patents

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Abstract

根据传输线路质量对语音编码器参数进行处理的方法，其传输线路质量在每个接收帧的有误差/无误差分类基础上由质量监测装置(409)确定，因此，为确定传输线路的质量，对在几个后续的语音帧期间完成的每个帧的分类进行扫描。根据传输线路质量，对在替换装置(402)中执行的有误差语音帧的替换处理和在无误差帧的处理装置(406)中执行的对被检测为无误差帧进行的处理都进行控制，使得传输误差对译码的语音信号质量的影响可忽略。

Description

语音编码处理
本发明涉及语言编码处理，特别涉及处理在通信系统的接收机中的语音编码参数。
传输误差会在通信系统的传输通道中出现并降低接收机中的译码语音信号的质量是众所周知的。通常采取措施来防止这样的传输误差，特别使语言编码参数不受这种误差的影响。为此，对于要被传送的最重要的参数，在信道编码方面，通常在发射机的信道编码中进行纠错编码。利用纠错编码，就能够在接收机中进行的信道译码中检测并有可能校正已在传输通道中产生的并影响了纠错编码的参数的传输误差。在D.Sereno发表于″Eurospeech-91″第595至598页上的题为″Frame Substitution and adaptive post-filtering in speech coding(语音编码中的帧替换和自适应后滤波)″的论文中描述了这种方法。如果在传输通道中已形成了不能够被信道译码器校正的传输误差，信道译码器就标明接收的语音帧是有误差的。在随后的对有误差的或无误差的语音帧进行识别时，指的就是根据纠错编码以及有可能利用某些其它的推理对每一接收的语音帧已完成的对每一单个有误差帧的检测。
在某些情况下可能无法识别有误差或无误差的语音帧以及出现将有误差帧作为无误差帧或将无误差帧作为有误差帧的情形。有时还会出现传输误差没有被检测以及用有误差的语音编码参数来译码特别困难的并导致错误译码的语音信号。由于一般的传输信道的容量或信息带宽都是有限的，所以不是所有的参数都能够用纠错编码来保护的，因此不是所有的传输误差都能够在接收机中被检测。
图1表示用于传送语音信号的通信系统熟知的接收机的示意性方框图。接收的数字信息帧100输入到信道译码器101。信道译码器接收与使用的语音编码方法相应的语音编码参数102，对每一帧，信道译码器还接收电平或误差的指示103，即有关在信道译码不能够校正的接收帧中是否检测了误差的信息。语音编码器的参数还输入到部件104，在该部件中对编码参数进行处理。该处理一般包括用于消除故障帧或替换故障帧的一些装置。被处理的编码参数105最后输入到语音译码器106，语音译码器106根据这些参数合成语音信号107。
图2更确切地表示图1的用于编码参数的处理部件104。该部件在图2中用标号200来表示。如果也从信道译码器101输入到处理部件200的误差指示202表明在接收帧的参数中没有检测到不可校正的传输误差，在语音编码器的参数中也未能检测到在接收帧中的传输误差，从信道译码器101接收的每一接收帧的语音编码参数201就直接连接至输出端203。在被包括在编码参数的处理部件中的部件206中对直接来自语音编码参数的传输误差进行检测。
在分类部件207中，根据各种误差指示将接收帧分类为有误差的或无误差的。在分类结果的基础上，控制开关208，使接收的参数201直接输入到输出端203，如果语音帧已被分类为无误差的，开关就处于位置2。在语音帧中检测到误差的情况下，开关转向位置1。这样一来，从错误帧替换部件204的错误帧替换接收的参数传送到输出端203。在替换部件204中，有误差语音帧的参数被最后接收的无误差帧的参数替换，或者在这些参数的基础上，被用某种适当的方法从这些参数外推的新的参数替换。图2示出一延迟部件205，该延迟部件205表示了在替换处理过程中将要被替换的每一帧的参数对于在以前的帧中使用的参数的依赖性。
当被接收的语音帧是有误差的信息时，就不值得将有误差的语音编码器参数提供给语音译码器，但利用诸如以上所述的某种合适的装置来替换丢失的语音帧是可行的。替换丢失的语音帧的一种熟知的的简单方法是完全抑制输出，不利用接收的有误差参数。因为这一处理方式造成了明显降低合成的语音信号质量的中断，所以不是很好的或很实用的。
另一熟知的方法-它是比抑制语音信号译码好的方法-是利用最后接收的好的语音帧的某些或全部参数而不是丢失的参数。这一替换处理的效率基于这一事实，即语音信号的大部分声音的持续时间远比在语音编码中通常使用的帧长度20ms长，因此，语音信号的特性变化不是非常快。在英国专利申请GB-2238933中描述了这种处理。在这一处理最好的情况下，利用替换处理能够产生相当好的相应于丢失的语音帧的语音信号。但是，其缺点是，当若干个后续的丢失帧被替换时，语音信号的声音将逐渐变得不自然，成为机器声，所以该处理不能多次重复。语音声音的持续时间通常最长约为几百个毫秒，因此，继续替换处理比这一时间更长是不可行的。在替换若干个后续的有误差帧时，应当通过处理语音编码器的参数来进行替换，使语音信号在有限的时间内逐渐消失。这样一来，即使在接收全部为有误差的一长系列语音帧的情况下，声音不再持续不断。
图3表示说明可在图2的系统中使用的本领域中众所周知的有误差帧的替换处理的流程图。流程图中的状态0表示接收了被归类为无误差的帧，因此不需要进行替换处理，接收帧的语音编码参数原样输入到语音译码器，图2的开关位于位置2。每当接收帧不被标明为有误差的并且所有无误差的帧都输入到语音译码器，就进入状态0。当在无误差帧之后接收了第一个有误差帧时，就开始有误差帧的替换处理301，图2的开关转向位置1。在后续有误差帧的情况下，就进入状态2、3等等。在替换处理301期间，用最后无误差帧的参数来替换以有误差形式接收的帧。最多对M－1个后续的有误差帧进行利用最后无误差帧的参数的替换处理，这里M为正整数。在此之后到达状态M，在这一状态中，完全地抑制输出的参数输入到语音译码器。在替换处理中，对参数进行特有的处理，使得对于每一个被替换的后续有误差帧，这些参数产生更大衰减的语音信号，即到达图3流程图中较大的状态数，衰减就越大。
在替换处理中，通常只有第一个要被替换的语音帧(即当在状态1时)直接地被无误差帧的参数本身来替换，至少从第二个要被替换的帧、即帧2开始，就对参数进行处理，使合成的语音信号开始衰减。可以利用LPC类型(″线性预测编码″)的线性预测编码、例如通过衰减帧至帧的激励信号的强度来对要被合成的语音信号进行衰减。
可使用以下标记来对系统的操作进行描述。rrec＝从信道译码器接收的传送要被合成的语音信号的幅值的参数，rdec＝传送要被合成的语音信号的幅值的参数，该参数输入到语音译码器，rdec，prev＝传送要被合成的语音信号的幅值的参数，该参数在以前的语音帧期间已输入到语音译码器，步长＝在后续有误差帧期间衰减替换处理的常数。
    状态0：                rdec＝rrec
    状态1：                rdec＝rdec，prev
    状态1，...，状态M－1   rdec，prev-步长
    状态M：                完全抑制语音译码器的输出
在利用有误差帧的上述替换处理的已知语音编码系统中，替换处理的执行与传输质量无关。因此，对于非常差的信道状况，就象对相对较好的信道状况那样强地开始替换处理。这样一来，在主要包括有误差帧的不良传输线路中已到达的某些后续无误差帧将开始持续若干个帧的替换处理。因此，在质量恶劣的传输线路中被语音译码器合成的语音的主要部分就是主要由替换处理产生的语音。在有大量不良传输线路的情况下进行强的替换处理，就力图人为地延长语音信号的持续时间，尽管接收到极少的无误差的语音帧，但总的来说有足够的信息来合理地启动替换处理，因此丢失的语音帧可被其很好地替换。在不良的传输线路中，当根据被标明为无误差的一个帧来开始强的替换处理时，在恶化了其质量的语音信号中就产生了人的听觉根本不能认为是语音的机器声。
在已知的语音编码系统中，无误差语音帧输入到语音译码器与传输线路的状况无关。但是，在质量恶劣的传输线路中，只要关心语音的质量，那么将被标明为无误差的帧的参数原样直接地输入到语音译码器就是不明智的。但是，应当以某些合适的方式来稳定从替换处理或对语音译码器输出的全部衰减到语音帧参数的使用的过渡。这是若干因素使然的。首先，在长的传输线路之后语音译码器的动作会造成降低语音质量的语音信号的突然变化。虽然语音信号的参数是无误差的，但由于中断，语音译码器已丢失了与语音的以前帧相关的、用于译码随后语音的信息，不会根据正确的内部状态来启动语音信号的译码。内部状态受到例如在语音译码器中的滤波器的状态变量的值的影响，在较长的替换处理阶段之后，这些值不再是正确的。其次，在不良的传输线路中，纠错编码很可能在被认为是无误差的帧中是无效的并已给出了在语音帧中误差电平的错误指示。认为是无误差的接收帧可包括不良的传输误差。
根据本发明的第一个方面，提供了在接收机中处理语音帧的方法，该方法包括以下步骤：将接收的语音帧分为有误差的或无误差的并将有误差帧确定为几种替换状态(状态D1，状态D2，...状态DM)中的一种，以便用相应于以前接收的无误差语音帧的帧来替换有误差帧，利用有误差/无误差分类来确定传输线路的质量，使该质量随着有误差语音帧数目的增大而降低；
有误差帧的替换依赖于传输线路的质量，使得在质量降低时，替换的持续时间和强度也减小；以及
对质量恶劣的传输线路减小无误差帧的强度，在质量良好的传输线路中不衰减无误差帧。
根据本发明的第二个方面，提供了处理接收机的语音帧的方法，该方法包括以下步骤：
将接收的语音帧分类为无误差或有误差的语音帧；
确定第一状态D1，以便用相应于以前无误差的语音帧的语音帧来替换有误差的语音帧；
确定相应于随后出现的有误差语音帧的另一第一顺序D2，...，DM，并且用相应于以前无误差的语音帧的所述语音帧来替换所述后续的有误差语音帧，以前无误差的语音帧具有相应于某一状态D2，...，DM的顺序增大的衰减；以及
确定分别相应于在各个状态D1，...，DM期间被接收的无误差帧的第二状态序列Uo，...，UM－1；
无误差帧的再出现确定在所述第二状态序列(Uo，...，UM－1)较低顺序位置中的状态，有误差帧的出现确定相应的第一状态(D1，...，DM)。
根据本发明的第三个方面，提供了数字式通信接收机，该接收机包括：
将接收的信道译码的语音帧分类为有误差/无误差的分类装置；
用相应于以前接收的无误差的语音帧的帧来替换有误差帧的替换装置；
连接装置，响应由分类装置输出的控制信号将替换帧或无误差的语音帧传送至语音译码器，还包括：
帧处理装置，接收语音帧，对接收帧进行处理并将处理的帧传送至连接装置；
质量控制装置，根据控制信号产生表示传输线路质量的信号；
与在质量良好的传输线路中进行的替换相比，在传输线路的质量恶化时，替换装置减小有误差帧替换的持续时间和强度；
帧处理装置对帧这样进行处理，即对于质量恶劣的传输线路，衰减由语音译码器产生的语音信号，对于质量良好的传输线路，对帧不进行处理。
本发明的优点是改善了语音质量。
现在参看所附的示意性附图举例描述本发明的实施例。
图1表示通信系统接收机原理的示意性方框图；
图2表示本领域已知的系统的有误差帧的替换处理；
图3表示本领域已知的有误差帧替换处理的流程图；
图4表示本发明的接收机，在该接收机中，根据传输线路的质量进行有误差帧的替换和对无误差帧进行处理；
图5表示本发明的系统的流程图；
图6表示依据本发明运行的系统的状态改变的例子。
图4所示的语音编码参数处理系统与例如图2所示的本领域已知的系统的不同在于：在图4的系统中，传输线路的质量在方框409中被测定，测定结果被用来控制语音编码参数的处理。根据传输线路的质量来控制有误差帧的替换402和在方框406中执行的对无误差帧的处理。
在该系统中，由替换处理(开关408在位置1)产生的参数或者被标明为无误差的(开关在位置2)接收帧的参数都输入到输出端。在方框409中，根据接收帧的各个误差指示来确定传输线路的质量。在方框410求得误差指示，误差指示以从信道译码接收信息402为基础，还可能以由其它装置检测的帧误差，例如在方框407中直接从语音编码参数区分的误差为基础。
当在方框409中已将传输线路确定为不良的并且已将接收帧的分类为有误差的时，就在有误差帧的替换部件402中对替换帧的参数进行处理，使译码的语音信号比在传输线路被确定为良好的情形中更快地消失。
当传输线路已被确定为质量良好和已接收到有误差帧时，就允许较强的替换处理。
当传输线路已被确定为特别差并接收了被分类为有误差的帧时，就根本不必用从最后的无误差帧获得的参数来替换有误差帧，但对于被分类为有误差的第一个帧，完全衰减语音译码器的输出。
当接收帧已被确定为无误差的时，它们是原样地输入到输出端(开关408在位置2)还是被处理取决于传输线路的质量。当从信道译码器接收了被标明为无误差的帧时，根据由测定部件409求得的对传输线路质量的测定，在方框406中对帧进行衰减，传输线路质量越差，衰减就越大。
只有在方框409中将传输线路的质量确定为最好的情况下，编码参数才直接输入到输出端403，用于语音译码器中语音信号的合成。否则，就对语音编码信号进行处理，使得当接收了被标明为无误差的帧时，传输线路质量越差，对在语音译码器中由编码参数产生的语音信号衰减就越大。这样一来，因为在传输线路较长的中断之后，语音译码器的启动会产生降低语音质量的语音信号的突然变化，还因为在不良的传输线路中，纠错编码很可能在被认为是无误差的帧中已无效以及被标明为无误差的帧实际上是有误差的，所以就稳定了从语音译码器已被完全衰减的中断状态到利用接收的语音帧的参数的过渡。
图5表示本发明的在系统中使用的流程图的实施例。在该流程图中，已将用于有误差帧的替换的方法501和用于处理无误差帧的方法502分为单独的部分。在本发明的系统中，除了可以任何状态、甚至在语音译码器的输出被直接完全衰减的状态(状态DM)开始有误差帧的替换(依赖于传输线路的质量)外，如图3的相似状态结构301可被用来替换有误差帧。因此，如在图3所示的已知系统中，只有第一个语音帧被无误差帧的参数直接替换，从第二个帧的处理开始，参数的替换这样进行，使得被替换的后续帧的编号越大，合成的语音信号被衰减得越厉害。利用最后接收的无误差帧的参数来继续替换处理，直到进入语音译码器的输出被完全衰减的状态DM为止。
在状态UM－1，UM－2，...U1期间，在无误差帧的处理501中进行不良传输线路的无误差帧的衰减，使得只有当该传输线路质量已被充分改善时，才到达状态0，即允许从信道译码器接收的、已到达图4的处理部件400的语音编码参数401直接进入输出端403，以便输入语音译码器。只有在状态0，即在最好的传输线路等级的情况下才直接将接收帧用于语音译码器。在状态UM－1中，对于被标明为无误差的帧的语音编码参数进行处理，该处理对要被译码的信号进行最大的衰减。衰减向状态1减少。当信道为最差的等级状态时，即在当语音译码器的输出被完全衰减(即系统处于状态DM)时接收了无误差帧的情况下，使用较强的衰减。
在上述实施例中，有误差帧的替换和无误差帧的衰减的幅值依赖于图5流程图的层次。这是由传输线路的质量来确定的，即进入接收机的前述帧有多少已被标明为有误差的。在上述实施例中，用状态机装置来确定传输线路的状态，在状态机装置中，有误差或无误差语音帧的到达沿各个方向传送系统的状态，状态机装置由此根据单个帧的误差指示逐帧确定传输线路的质量。根据本发明，还可以通过除图5的状态机装置外的其它装置根据单个帧的误差指示确定传输线路的质量。
在本发明的系统中，任何已知的有误差帧的替换处理都可以使用，例如连同图3一起表示的系统，在该系统中，逐步减小传送激励信号强度的参数的值。传输线路的质量越差，就利用较大的递减步长dstep(状态Di，i＝2，...，M－1)，在不良的传输线路的情况下，就能够迅速地衰减替换处理，因此，相对于传输线路的质量和替换处理的强度dstep(状态Di)＞dstep(状态Di＋1，i＝2，...，M－2)。例如，可以实现如下：
状态D1：           rdec＝rdec，prev
状态Di：i＝2，...，M－1，Ydec＝rdec，prev-dstep(状态Di)
状态DM：           完全衰减语音译码器的输出
无误差帧的接收启动无误差帧的处理501，这一处理除了用来按以上方式控制有误差帧替换的强度外，还用来防止当传输线路工作时语音信号的变化过大。当接收了被标明为无误差的语音帧时，传输线路质量越差，在语音编码参数被直接输入语音译码器，即到达状态0之前，就经过更多的无误差帧的处理501的状态，使用接收的语音编码参数的变化就更少。
在无误差帧的处理501的状态中，可用几种不同的方法来衰减语音编码参数。例如，影响合成的语音的语音编码参数的变化速率可被限制为依赖于系统状态的值ustep(状态Ui)：
状态Ui，i＝M－1，M－2，...，1：
如果             rdec＞rdec，prev＋ustep(状态Ui)
则      rdec＝rdec，prev＋ustep(状态Ui)；
否则    rdec＝rrec
还可以用依赖于状态的值mplier(状态Ui)来直接衰减影响强度的有关参数：
状态Ui；i＝M－1，M－2，...，1；
rdec＝rrec *mplier(状态Ui)
在状态0，语音编码参数原样输入语音译码器，即
状态0：rdec＝rrec
图6举例说明在根据传输线路的质量工作的系统的操作中的状态变化。在这一实施例中，使用了图5的装置，在这一装置中，有误差帧的处理分为6个等级(M＝6)，无误差帧的处理分为5个等级。后续帧在左列中用连续编号来表示。在紧接的列中已表示了每帧的分类，有误差帧用B(不良帧)来表示，无误差帧用g(好帧)来表示。图中时间的顺序为从上到下，因此在下面是与最后到达接收机的帧有关的表示。从误差指示可以看出，在这一例子中，传输线路的质量作为时间的函数而恶化，即以B表示的帧的数目增大。
在左起第三列中，在第二列的误差指示的基础上表示了由图5的装置实现的语音帧处理的过程。标记每帧的处理状态，以便在状态的编号之前出现可能与该状态有关的字母。例如，D3表示是在有误差帧的替换处理的状态″状态D3″中。为便于比较，图中在右侧列中还列出了图3所示的已知系统中的相应处理，即在有误差帧的替换中经过状态的编号。在该已知系统中，当接收了无误差帧时，操作就直接从替换状态转换为立即传送无误差帧的参数(状态0)。
从右侧两列可清楚地看出已有系统和本发明的差别。″本发明的处理状态″清楚地指出，当信道变坏时，并不长时间地进行利用无误差帧的参数的替换处理。对于从帧16开始的不良帧，在衰减语音译码器的输出之前，仍然通过利用最后无误差帧的参数进行5个帧长度的完全替换处理。传输线路质量越差，对有误差帧执行的替换的持续时间越短。对于从帧24开始的不良帧，在语音译码器的输出被完全衰减之前，只执行持续仅一个帧的替换。当传输线路进一步恶化时，替换处理完全停止，到达状态D6，在该状态，编码器的输出被完全抑制。在被标明为无误差的帧30中接收的语音编码参数输入到语音译码器，此后，不再启动利用该无误差帧的参数的替换，在帧31处，立即利用完全衰减语音译码器的输出的参数。
除了替换处理只在相当良好的传输线路(图6的上部)中为较强外，无误差帧往语音译码器的传输也只发生在良好的传输线路(状态0)中，当到达该图的下部传输线路质量恶化时，对作为无误差接收的语音编码器的参数也输入到语音译码器进行处理，以便防止传输线路的突然打开。
根据以上描述，在本发明的范围内作出各种修改对本领域技术人员而言是显而易见的。
不管发明的内容是否与要求保护的发明相关或是否缓解了本发明讨论的任何或全部问题，发明的内容都明显地或隐含地包括了新颖的特征或在此揭示的特征的组合或由此派生的特征。申请人因此指出，在对本申请或由其派生的任何其它申请进行申请期间，对这种的特征也许提出新的权利要求。

Claims (12)

1.接收机中处理语音帧的方法，包括以下步骤：
将接收的语音帧分类为有误差的或无误差的并将有误差帧确定为几种替换状态(状态D1状态D2，...，状态DM)中的一种，以便用相应于以前接收的无误差帧的帧来替换有误差帧；
利用有误差/无误差分类来确定传输线路的质量，使该质量随着有误差帧数目的增大而降低；
有误差帧的替换依赖于传输线路的质量，使得在质量降低时，替换的持续时间和强度也减小；以及
对质量恶劣的传输线路减小无误差帧的强度，在质量良好的传输线路中不衰减无误差帧。
2.根据权利要求1的方法，在该方法中，被标明为有误差的语音帧的到达沿最差的传输线路质量度量(DM)的方向变换替换状态，(D1...DM)，被标明为无误差的语音帧的到达沿较好质量的传输线路的方向变换替换状态。
3.根据权利要求1或2的方法，在该方法中，当传输线路的质量已被确定为最差的时，替换帧在替换状态(状态DM)中被完全衰减。
4.根据权利要求1至3的方法，在确定传输线路的质量时，除了每个接收帧的有误差/无误差信息外还使用某些其它信息。
5.根据权利要求1至4的方法，根据传输线路的质量只进行有误差帧的替换处理的控制或无误差帧的处理的控制。
6.数字通信接收机，包括：
将接收的信道译码的语音帧分类为有误差/无误差的分类装置(410)；
用相应于以前接收的无误差的语音帧的帧来替换有误差帧的替换装置(402)；
连接装置(408)，响应由分类装置输出的控制信号将替换帧或无误差的语音帧传送至语音译码器；还包括：
帧处理装置(406)，接收语音帧(401)，对接收帧进行处理并将处理的接收帧传送至连接装置(408)；
质量控制装置(409)，根据控制信号产生表示传输线路质量的信号；
与在质量良好的传输线路中进行的替换相比，在传输线路的质量恶化时，替换装置(402)减小有误差帧替换的持续时间和强度；
帧处理装置(406)对帧这样进行处理，即对于质量恶劣的传输线路，衰减由语音译码器产生的语音信号，对于质量良好的传输线路，对帧不进行处理。
7.根据权利要求6的接收机，其中的质量控制装置(409)在被标明为有误差的语音帧到达接收机时指示最差的传输线路质量，在被标明为无误差的语音帧在接收机处被接收时指示较好质量的传输线路。
8.根据权利要求6或7的接收机，其中的替换装置(405)在传输线路的质量迅速恶化时跳过一个或几个替换状态。
9.处理接收机的语音帧的方法，包括以下步骤：
将接收的语音帧分类为无误差或有误差的语音帧；
确定第一状态D1，以便用相应于以前无误差的语音帧的语音帧来替换有误差的语音帧；
确定相应于随后出现的有误差语音帧的另一第一顺序状态D2，..DM，并且用相应于以前无误差的语音帧的所述语音帧来替换所述后续的有误差语音帧，以前无误差的语音帧具有相应于某一状态D2，...DM的顺序增大的衰减，以及
确定分别相应于在各个状态D1，...DM期间被接收的无误差帧的第二状态序列Uo，...UM－1；
无误差帧的再出现确定在所述第二状态序列(Uo，...UM－1)的较低顺序位置中的状态，有误差帧的出现确定相应的每一状态(D1，...，DM)。
10.根据权利要求9的方法，其中的第二状态序列(Uo，...，UM－1)对相应于每一状态(Uo，...，UM－1)的位置次序的所述无误差帧进行衰减，在Uo为零衰减。
11.根据权利要求9的方法，其中在第二状态序列(Uo，...，UM－1)中的每一状态对无误差帧进行零衰减。
12.根据权利要求9的方法，在无误差帧的出现之后的有误差帧的出现导致状态D1。
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