[发明专利]用于改善编码通信信号性能的编码增强特性

说明书

发明领域

本发明通常涉及通信系统中的信号编码，尤其涉及用于增强编码通信信号的特性。

发明背景

对低比特率声音信号的进行高性能编码对诸如移动电话、安全电话和声音存储类的通信系统是至关重要的。近几年来，移动电话具有不断增强再现声音信号性能和增加传输所需要的比特速率灵活性的强劲趋势。这种改善性能的趋势一方面反映了客户希望移动电话能够提供与常规电话相同的质量，这方面尤其重要的是背景信号和音乐的性能。另一方面，增加比特速率灵活性的趋势反映了业务提供商希望能够在接近网络负载量处运行而不用冒风险丢弃呼叫，而且还可能交纳不同的费用得到不同的业务。这种从已存在比特流中将比特剥离出来还能保持再现语音信号(虽然准确性降低)性能的能力是一种尤其有用的比特速率灵活性。

使用现有的语音编码技术，很难同时赢得改善声音信号质量和增加比特速率灵活性的挑战。这种困难是移动电话中通常使用的基于线性预测综合分析(LPAS)模式结构的直接结果。当前，LPAS编码器在5kb/s和20kb/s速率之间编码语音的效果比其他技术更好。因此，LPAS模式实际上形成了各种数字电话标准的标准，包括GSM、D-AMPS和PDC。但是，虽然语音性能还好，但是现有基于LPAS的语音编码在音乐和背景噪声信号上性能就不那么好了。而且，已有的从比特流中剥离比特的能力直到现在一直隐含表示了使用相对较低效率的算法。

LPAS编码模式非语音声音性能不是很好是因为它对语音描述的进行了最优化。这样，短期能量谱就可以描述成为频谱包络的倍增，可以由全部极点模型(具有大约10个极点)和在性质上分别为谐波和类似噪声两个成分的合成的所谓频谱细密结构来描述。实际上，可以发现这个模型不足以描述许多音乐和背景噪声信号。模型的缺点表明模型本身感性上不足以描述频谱波谷凹部(零点)、在其他周期信号中不作为谐波结构部分的波峰和在由时间变化参数估算错误引起的稳定背景噪声信号中的所谓“漩涡”效应。

在开发具有增加比特速率灵活性LPAS算法过程中的两个已知主要算法有明显的缺点。在第一个方法中，仅仅将若干工作在不同比特速率的编码器合并在一起并选择一个编码器在一个特定时间段内进行编码(第一种方法的示例是IS-95和更近一些的IS-127标准)。这些类型的编码器可被称为“多速率”编码器。此种方法的缺点是信号的再现需要在接收机能够接收到选定编码器的所有比特流。这样，比特流离开发射机后就不能被改变。

在第二种方法中，嵌套编码，编码器产生由两个或更多单独比特流组成的复合比特流：包含对信号进行基本描述的主比特流；一个或多个包含加强基本信号描述的信息的辅助比特流。在LPAS设置中，第二种方法通过将LPAS编码器的激励信号分解成一个主要激励和一个或多个增强激励的辅助激励。但是，要保持编码器和解码器(LPAS模式的基础)在所有速率上都能同步，长期预测器(主要存在于所有LPAS模式中)只能在主激励上运行。因为长期预测器在LPAS模式中提供编码增益的最重要部分，这就严重限制了辅助激励带来的好处。这样，嵌套LPAS编码算法就以显著降低编码效率的代价换取了增加的比特速率灵活性。

著名的LPAS模式控制5到20kb/s之间固定速率的编码器。这种编码模式的概述在(例如)P.Kroon和Ed.F.Deprettere的“在速率4.8和16kbit/s之间进行高质量编码的一类合成分析预测编码器”，IEEE J.Seleced Areas Comm.，6：353-363，1998；A.Gersho，“语音增长和音频压缩”，Proceedings IEEE，82：900-918，1994；和P.Kroon和W.B.Kleijn“基于线形预测的合成分析编码”，在W.B.Kleijn和K.K.Paliwal，编者，”语音编码和合成”，页79-119。Elsevier科学出版商，Amsterdam，1995。

在LPAS模式中，通过使用一个激励信号激发一个自适应综合滤波器使语音信号再现。具有全极点结构的自适应综合滤波器，由所谓的线性预测(LP)系数确定，在每一子帧(1子帧典型为2到5ms)对线性预测系数进行调整。LP系数从每帧(10到25ms)原始信号中预测而且每个子帧的LP系数值通过插入进行计算。通常每隔一帧传送一次关于LP系数的信息。激励是两个组件的和：自适应码本(用于与长期预测器相同的现有目的)组成部分和固定码本组成部分。