CN1215490A - 再现接收语音信号的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及再现接收语音信号(r)的方法和装置,接收语音信号(r)在受到如噪声、干扰或衰落这样扰动的无线电信道上被传输。使来自这些扰动影响最小的语音信号(rrec)由对应于接收语音信号(r)的预期特征值的估计语音信号(r)产生,估计语音信号(r)在信号模型化电路(500)中按照线性预测的再现模型被产生。接收语音信号(r)和估计语音信号(r)按照由质量参数q确定的可变比率在信号组合电路(700)中被组合。质量参数q可以按干扰无线电信号或比特差错率信号或坏帧指示的比例交替地建立在测量接收无线电信号功率电平,所要求的无线电信号的接收功率电平的估计值的基础上,所要求无线电信号功率电平,它可根据已经某个无线电信道传输的并代表接收语音信号的数据信号计算得到。

Description

再现接收语音信号的方法和装置
发明的领域
本发明涉及再现已经无线电信道传输的语音信号的方法。无线电信道传输或者全模拟的语音信息，或者数字编码的语音信息。然而在这后者的情况下，语音信息不是用线性预测编码被编码后的语音；换句话说，并未规定语音信息已在发射机侧的线性预测语音编码器中被处理。更具体地说，本发明涉及一种这样的再生语音信号方法，亦即，从一个或许已受到如噪声、干扰或衰落这样扰动的接收语音信号，再生一个语音信号，使其对这些扰动的影响减至最小程度。
本发明也涉及实现该方法的装置。
技术背景的说明
我们知道，在从一个发射机到一个接收机的数字化语音信息传输中，按着线性预测方法在发射机侧编码和译码又在接收机侧译码语音信息。LPC(线性预测编码)是一个有力的分析语音信息的方法，因为它能使良好的语音质量在低位速率上得到。同时，当计算上是比较有效时，LPC产生可靠的语音参数估计。全速率改进语音编码器的GSMEFR(GSM=全球移动通信系统；EFR=加强全速率)、GSM标准构成一个LPC的例子。这种编码能使一个可能已经无线电发送的语音信号的接收机校正某些类型在传输中出现的差错和隐蔽其他类型的差错。在下列文献中所介绍的帧替换和差错减小或抑制方法能够作为这种处置的例子被提到：草案GSM EFR 06、61，“加强全速率语音通读信道丢失帧的替换和减少”，ETSI电子技术标准协会，1966年；国际通信联盟第15研究组对问题5/15的文献，“为帧消除隐蔽的G.728译码器改进”，AT&T(美国电话电报公司)，1995年2月，其根据G728标准，利用低延迟-码激发线性预测(LD-CELP)以16千比特/秒语音的编码”，国际通信联盟，日内瓦，1992年。例如，美国专利说明书5,233,660示教一种根据LD-CELP原理工作的数字语音编码器和语音译码器。
因为语音信息是按替换编码算法，例如脉冲编码调制(PCM)被编码，所以知道当差错出现在一给定的数据字中时重复在前面的数据字。在下列论文中介绍了在发射机和接收机之间的PCM传输中丢失的语音信息如何在接收机侧用从较早接收的信息中提取的信息来代替：David J.Goodman等，“在打包话音通信中为恢复缺失的语音段的波形替代技术”，关于声学、语音及信号处理的IEEE会刊，ASSP-34卷，第6期，1986年12月，1440-1447页。
在语音信息按自适应差分脉码调制(ADPCM)进行调制的系统情况下，已知有若干方法抑制差错和限制高信号幅度，其中编码滤波器的状态被修改。M.Suzuki和S.kubota在下列论文中介绍了当数据被有差错地传输时在语音信息的ADPCM传输中衰减接收信号的一个方法：“用于个人通信系统的语音传输质量改进方案一超级静噪方案”，国家电话电报无线系统研究所，第4卷，1995年713-717页。
发明的概要
本发明对在模拟无线电通信系统中和在某些数字无绳电信系统中，例如DFCT(数字欧洲无绳电信)，在这些系统中无线电信号受到扰动所产生的那些问题提供一个解决方法，一个这样问题的例子是，当接收的模拟无线电信号例如由于衰落变得太弱而被淹没在噪声中时出现的喀呖声。
另一个问题的例子是，当由于记录在最后接收的数据字中的差错而重复数字化语音信号中的前面的数据字时所产生的喀呖声和“噼啪”声。
再一个问题涉及当一个接收的数字化语音信号由于接收数据字中差错率太高而被静噪或抑制时出现的中断。
因此，本发明的一个目的是从一个接收的语音信号中建立一个扰动影响最小的语音信号。接收的语音信号在从发射机到接收机的传输期间或许已受到一些扰动。这些扰动也许由例如噪声、干扰或衰落所引起。
按照所提出的本发明，借助于信号模型化从接收的语音信号产生出一个估计信号达到上述目的，这估计信号决定于表示接收语音信号质量的质量参数。然后接收语音信号和估计语音信号按照也由所说的质量参数所决定的变量关系式被合成，并形成一个再现的语音信号。当接收条件引起接收语音信号的语音质量变化时，前面所说的关系式被改变，再现的语音信号质量被恢复，而获得基本上均匀一致的或者说恒定的质量。本发明的方法的特征在于由下列中权利要求1中所述的特征表示。
一个所提出的装置起从一个接收的语音信号再现一个语音信号的作用。该装置包括一个信号模型化单元和一个信号合成单元。在信号模型化单元中，建立对应于接收语音信号的预期特征值的估计语音信号；在信号合成单元中，接收信号和估计语音信号按照由质量参数决定的变量关系式被合成。所提出的设备的特征由权利要求20中所述的特征表示。
通过利用语音信号的统计特性再现接收的模拟或数字语音信号，经历接收机的语音质量能够明显得到改善。如果同借助于以前已知的解决方法分别在利用PCM传输或APPCM传输的模拟系统和数字系统中迄今有可能得到的语音质量相比较。
因为接收语音信号的再现考虑了语音信号的统计特性，有可能避免当由于记录在最后接收的数据字中的差错，重复语音信号中前一个数据字时，例如在PCM传输和APPCM传输中产生的喀呖和噼啪声。
当一个接收的数字语音信号由于接收的数据字中的差错率过高而被静噪时出现的中断，也能通过代之在这样场合只利用由所提出的方法得到的估计语音信号而被避免。
附图的简要说明
图1说明以一个已知的方式借助于线性预测编码(LPC)的语音信息的编码和译码；
图2说明语音信息原则上是如何按照所提出的方法被传送、接收和再现；
图3说明能够以本发明的方法被使用的一个信道模型的例子；
图4是说明图2中信号再现单元的方框原理图；
图5是说明图4中所提出的信号模型化单元的方框原理图；
图6是说明图5中的激励产生单元的方框原理图；
图7是说明图4中所提出的信号合成单元的方框原理图；
图8是说明适用于图7中的信号合成单元的本发明信号合成方法的第一实施例的流程图；
图9说明当遵循图8中的流程图时能够得到的结果的一个例子；
图10是说明适用于图7中的信号合成单元的本发明信号合成方法的第二实施例的流程图；
图11说明当遵循图10中的流程图时能够得到的结果的一个例子；
图12说明一个关于接收语音信号的质量参数如何在接收语音抽样的时序上变化的例子；
图13是说明参见图12中接收语音信号的信号幅度的图；
图14是说明图13中所示的语音信号的信号幅度的图，所说的语音信号已按照所提出的方法被再现；
图15是说明本旭有的信号再现单元在一个模拟收发设备中应用的方框原理图；以及
图16是说明本旭有的信号再现单元在一个收发设备中应用的方框原理图，所说的收发设备供发射和接收数字化语音信息用。
现在将参照所提出的本发明的实施例和附图更详细地说明本发明。优选实施例的详细说明
图1说明用一个已知的方式借助于线性预测编码(LPC)以语音信息S形式的人的语音编码。线性预测编码(LPC)假定语音信号S可想像由位于共振管110中的音频发生器100产生。音频发生器100在人的声带和气管中找到对应性，声带和气管连同口腔构成共振管110。音频发生器100以参数强度和频率表示其特征，并用该语音模型激励e被标志又按沅信号K被表示。共振管110以其共振频率(所谓的共振峰)表示其特征，共振峰按短期谱1/A描述。
在线性预测编码过程(LPC)中，通过估计和消除基本短期谱1/A以及计算信号的剩余部分的激励e，即强度和频率，语音信号S在分析单元120中被分析。短期谱1/A的消除是在所谓逆滤波器140中实现的。逆滤波器140有传递函数A(2)，它借助于矢量a的系数执行。矢量a根据语音信号S在LPC分析单元180中被建立。残留信号，即逆滤波器的输出信号被标志为残留信号R。分别描述残留信号R和短期谱1/A的系数e(n)和副信号c被传递到合成器130。语音信号
Figure A9719371000101
是通过一个过程在合成器130中再现的，这个过程是当在分析单元120中编码时所使用的过程的逆过程。在激励分析单元150中通过分析得到的激励e(n)被用于在激励单元160
Figure A9719371000102
产生估计沅信号 由矢量A中的系数描述的短期谱1/A借助于自副信号c的信息在LPC合成器190中产生。矢量A则被用于产生具有代表共振管110的传递函数1/A(2)的合成滤波器170，通过合成滤波器170估计沅信号
Figure A9719371000111
被送出并以此产生再现语音信号
Figure A9719371000112
因为语音信号S的特性随时间变化，所以必须重复上述过程每秒30到50次以便达到可接受的语音质量和良好的压缩。
线性预测编码(LPC)的基本问题在于从语音信号S确定短期谱1/A。该问题借助于一个微分方程来解决，这个微分方程对于语音信号S的每个抽样按前面抽样的一个线性组合来表示该抽样。这就是为何这个方法被称为线性预测编码(LPC)的原因。在描述短期谱1/A的微分方程中的系数a必须在LPC分析单元180中进行的线性预测分析中估计，这个估计按使实际的语音信号S和预测的语音信号
Figure A9719371000113
间差δS的均方值最小来进行。最小化问题按下述的两个步骤来解决。首先计算一个系数值的矩阵，然后按着保证收敛和唯一解的方法求解一组线性方程(所谓预测器方程)。
当产生语音声音时，共振管110足能代表气管和口腔，然而在鼻音声音的情况下，鼻构成横向腔，其不能被模型化成共振管110。但是，这些声音的某些部分能够被剩余信号R捕获，而其余部分不能借助于简单的线性预测编码(LPC)被正确地传输。
某些共振声音由导致啸噪声的扰动气流产生。这种声音也能在预测器方程中被表示，然而这种表示将稍有不同，因为如与发声声音不同那样，这种声音不是周期的。因此，算法LPC必须用各自的语音帧判定声音是否是最经常在元音的情况下的发声声音，或者是如在一些辅音的情况下的不发声声音。如果一给定的声音被判断为一发声声音，它的频率和强度被估计；反之，如果该声音被判断为不发声声音，只强度被估计。通常，频率用一个数字值表示，而强度用另一个数字值表示，关于有关声音类型的信息借助于信息位被给出，例如，当声音是发声的时信息位被置成逻辑1，而当声音是不发声的时信息位置成逻辑0。这些数据被包含在由LPC分析单元180产生的副信号C中。其他能在LPC分析单元180中产生并在副信号C中包含的信息是分别表示语音信号S的短期预测(STP)和长期预测(LTP)的系数；与较前传输的信息有关的放大值；分别与语音声音和非语音声音有关的信息；以及关于语音信号是局部稳态的还是局部瞬态的信息。
由发声和不发声声音的组合构成的语音声音不能被简单的线性预测编码(LPC)适当地表示。因此，当再现语音信号
Figure A9719371000121
时，这些声音将被有些差错地复制。
当从语音信号S确定短期谱1/A时总不可避免地出现的那些差错造成比理论上需要得多的信息被编码到残留信号R中。例如，较早提到的鼻音声音将用残留信号R表示。这本身又造成残留信号R包含关于语音声音将如何发声的必要信息。线性预测语音合成在没有这种信息时会给出不令人满意的结果。于是，为达到高的语音质量有必要传输残留信号R。这通常用包括一个包含最典型的残留信号R的表的所谓代码薄来实现。当编码时，每个得到的残留信号R同所有出现在代码薄上的值比较，与计算值最接近的那个值被选取。接收机有一个与由发射机使用的代码薄相同的代码薄，因此，只标志有关残留信号R的代码VQ需要被传输。在接收该信号时，对应于代码VQ的残留信号值R被从接收机的代码薄中取出，相应的合成滤波器1/A(Z)被产生。这种类型的语音传输被称为代码激励线性预测(CELP)。代码薄必须是足够大以致包括所有残留信号R的必需变量，同时又要尽可能小，因为这会减少代码薄的检索时间和使现行的代码变短。通过用两个小的代码薄，一个是永久的而另一个修改的，能使许多代码被得到，也能使检索被很快地进行。永久代码薄包含多数的典型残留信号值R，并能因此而被做得比较小。修改的代码薄源是空的，逐渐地被填充以较早的残留信号值R，其有不同的延迟周期。修改的代码薄将起如移位寄存器那样的作用，延迟值将确定所发生的声音的音调。
图2表示语音信息S如何按照所提出的方法被传送、接收和再现。进来的语音信号S在发射机200里的调制单元210中被调制。然后，调制信号Smod例如经无线电联络被发送到接收机220。但是，在其传输期间调制信号Smod很可能会受到不同类型的扰动D，例如其中包括噪声、干扰和衰落。在接收机220接收的信号S’mod将从而不同于被从发射机200传输的信号Smod。接收的信号S’mod在解调单元230中被解调，借此产生接收的语音信号r。解调单元230也产生质量参数q，其标志接收信号S’mod的质量并借此非直接地标志接收语音信号r的预期语音质量。信号再现单元240根据接收语音信号r和质量参数q产生基本上均匀的或恒定质量的再现语音信号rrec。
调制信号Smod可以是射频调制信号，其或者是例如用频率调制(FM)的完全模拟调制的，或者是按照FSK(频移键控)、PSK(相移键控)和MSK(最小移位键控)等原理之一的数字调制的。发射机和接收机可以被包含在移动台和基地台中。
无线电信道受到的扰动常常起源于无线电信号的多路径传播。由于多路径传播的结果，信号强度将在给定点由两个或更多个从发射机传播了不同距离并因而互相相对时移的无线电射束之和组成。依据时移情况，无线电射束可以被相长或相消地相加。在相长相加的情况下，无线电信号被加强；在相消相加的情况下，无线电信号被减弱；在最坏的情况下，所说的信号被完全消除。描述这种类型的无线电环境的信道被称为雷利(Rayleigh)模型，并在图3被举例说明。信号强度γ按沿图的垂直轴的对数标度被给出，而时间t按沿水平轴的线性标度被给出。数值γo表示信号强度γ的长期平均值，γt表示这样的信号电平，在这个信号电平上信号强度γ是如此地低以致引起被传递的语音信号的扰动。在分别的时间间隔tA和tB，接收机位于这样地点，在这里两个或更多个无线电射束被相消相加，无线电信号受到所谓衰落下陷的影响，尤其在这些时间间隔期间，估计形式的接收语音信号的使用适于按照本发明的方法再现所说的信号。如果接收机经静止的无线电环境以一恒定的速度运动，2个直接相邻的衰落下陷tA和tB之间的距离Δt将是大致不变的，并且tA将是与tB同数量级的，Δt和tA及tB都依赖于接收机的速度和无线电信号的波长。两个衰落下陷之间的距离通常是一个1/2波长，即在900Mhz的载频上大约17厘米。当接收机以1米/秒的速度运动时，Δt粗略地等于0.17秒，一个衰落下陷很少会有大于20毫秒的持续时间。
图4一般地说明在图2中的信号再现单元240如何按照所提出的方法产生再现的语音信号rrec。接收语音信号r被取入信号模型化单元500，在其中产生估计语音信号
Figure A9719371000131
被一个单一的信号合成单元700接收，在其中信号r和
Figure A9719371000132
按照一可变比率被合成。被实现的合成比率由质量参数q决定，质量参数q也取入信号合成单元700。质量参数q也被信号模型化单元500使用，在那里它控制估计语音信号
Figure A9719371000133
被产生的方法。质量参数q可以根据测得的接收信号强度(RSS)，所求的无线电信号的信号电平C(C=载波)对扰动信号的信号电平I(I=干扰)的比率C/I的估计，或比特差错率信号，或从接收到的无线电信号产生的坏帧信号来估计。再现语音信号rrec作为加权的接收语音信号γ值和加权的估计语音信号 值之和被从信号合成单元700输送。这里，对于γ和
Figure A9719371000142
的各自加权能够被如此改变，以致使再现语音信号rrec能完全由信号γ之一和
Figure A9719371000143
的任何一个组成。
图5是说明在图4中的信号模型化单元500的方框原理图。接收语音信号r被取入逆滤波器510，在这里信号r按照传递函数A(Z)被逆滤波，在这里，短期谱1/A被消除并残留信号R被产生。逆滤波系数a根据接收语音信号r在LPC/LTP分析单元520中被产生。滤波系数a也被传送到具有传递函数1/A(2)的合成滤波器580。LPC/LTP分析单元520分析接收语音信号r并产生副信号c和数值b及L，它们分别标志信号r的特性和构成激励产生单元530的控制参数。副信号c包含于信号r的分别与短期预测(STP)和长期预测(LTP)有关的信息；控制参数B的适当放大值，有关于分别与语音声音和非语音声音的信息，以及有关于信号r是局部稳态的还是局部瞬态的信息。并且，副信号c被传送到状态机器540，数值b和L被送到激励产生单元530，在这里产生估计沅信号
Figure A9719371000144
LPC/LTP分析单元530和激励产生单元530以控制信号S1和S2、S3和S4为媒介，分别被状态机器540控制，状态机器540的输出信号S1-S6依赖于质量参数q和副信号c。质量参数q以控制信号S1-S4为媒介，总体地控制LPC/LTP分析单元520和激励产生单元530，控制的方式是这样：如果接收信号r的质量在一特定值以下，信号r的长期预测(LTP)将不被修改；以及，估计沅信号 的幅度正比于信号r的质量。状态机器540也传送加权系数S5和S6到各自的乘法器550和560，在其中残留信号R和估计沅信号
Figure A9719371000146
在求和单元570中被求和之前被加权。
质量参数q通过状态机器540和加权系数S5和S6为媒介控制按其残留信号R和估计沅信号
Figure A9719371000147
将在求和单元570中被合成并形成相加信号c的比率。使得接收语音信号r的质量越高，对于残留信号R的加权系数S5越大，对于估计沅信号
Figure A9719371000148
的加权系数S6越小。加权系数S5随降低接收语音信号r的质量而被减小，而加权系数S6被增加到相应程度，所以S5和S6的和将总是不变的。相加信号 c ( c = S 5 R + S 6 k ^ ) 在合成滤波器580中被滤波，以此形成估计语音信号
Figure A9719371000152
信号c也被返回到激励产生单元530，在这里被储存以代表经历的激励值。
由于逆滤波器510和合成滤波器580具有固有的记忆性质，很有利的是，在接收语音信号r的质量过低期间不按照这个信号的性质修改这些滤波器的系数。这样的修改有可能会导致滤波参数a的非最佳设置，这又会导致低质量的估计信号R，甚至在接收语音信号r已呈现较高的水平后的某个时间。因此，按照本发明的一精选的变型，状态机器540以第7和第8控制信号为媒介，分别建立接收语音信号r和估计语音信号
Figure A9719371000153
的加权值。这些值为当量参数q低于预定值qc时允许LPC/LPT分析基于估计语音信号
Figure A9719371000154
而不是基于接收语音信号r和当质量参数q超过值qc时允许LPC/LPT分析基于接收语音信号r被相加和被利用。当q稳定地在qc以上时，第7控制信号总是被置到逻辑1，而第8信号总是被置到逻辑0；反之，当q稳定地在qc以下时，第7控制信号被置到逻辑0，而第8信号被置到逻辑1。在中间过渡期间，状态机器540配置0和1之间的值给与当前质量参数q值有关的控制信号。但是，所说的控制信号之和总是等于1。
逆滤波器510和合成滤波器580的传递函数总是互为倒数，即A(z)和1/A(z)。按着一个简化的本发明实施例，逆滤波器510是一个具有固定滤波系数a的高通滤波器，而合成滤波器58d是一个基于相同的固定滤波系数a的低通滤波器。在这个简化的本发明的变型中，LPC/LTP分析单元520总是如此传送相同的滤波系数a，与接收的语音信号r的出现无关。
图6是说明在图5中的激励产生单元的方框原理图。数值b和L被取入控制单元610，它由来自状态机器540的信号S2控制。数值b标志一个给定的从存储缓冲器620的抽样
Figure A9719371000155
(n+1)将被乘以的系数，而L标志对应于激励的历程中向后L个抽样步的移位，由其将取给定的激励
Figure A9719371000156
(n)。从信号c的激励历程
Figure A9719371000157
Figure A9719371000158
Figure A9719371000159
被储存在存储缓冲器620中。存储缓冲器620的容量将对应至少150个抽样，即N=150，而来自信号c的信息按照移位寄存原则被储存，其中，当新的信息被移入时，最早的信息被移出，即在这种情况下被消除。
当LPC/LTP分析判断有关的声音为发声声音时，控制信号S2给控制单元616传送数值b和L到存储单元缓冲器620的允许。语音信号r的由长期预测(LTP)产生的数值L标志语音信号的周期数，而数值b构成激励历程给出的抽样
Figure A9719371000161
将被乘以的加权系数，以便提供估计沅信号
Figure A9719371000162
其以相加信号c为媒介产生最佳估计语音信号 数值b和L如此控制信息被从存储缓冲器620读出并以此形成信号Hv的方式。
如果在LPT/LTP分析中，当前声音被判断为非发声的，则控制信号S2代之传送到控制单元一个脉冲以发出信号n到随机发生器630，借此该发生器产生随机数列Hu。
信号Hv和随机信号Hu用各自的系数S3和S4在乘法单元640和650中被加权，并在求和单元660中被相加。在这里，按照表达式 k ^ = S 3 Hv + S 4 Hu 产生估计沅信号
Figure A9719371000165
如果当前的语音声音是发声的，则系数S3被置到逻辑1，而系数S4被置到逻辑0；反之，如果当前的语音声音是不发声的，则系数S3被置到逻辑0，而系数S4被置到逻辑1。在从发声的到不发声的声音过渡，在几个互相接着的抽样期间S3被减小，而S4被增加到相对应的程度。反之，在从不发声的到发声的声音过渡，S4和S3被分别地以相应的方式减小和增加。
相加信号c被传送到存储缓冲器620，并以此一个抽样接一个抽样地修改激励历程
Figure A9719371000166
(n)。
图7说明在图4中的信号合成单元700，在其中接收语音信号r和估计语音信号 被合成。除了这些信号，信号合成单元700也接收质量参数q。根据质量参数q，处理器710产生加权系数α和β。接收语音信号r和估计语音信号
Figure A9719371000168
在求和单元740中被相加之前被分别在相乘单元720和730中乘以α和β，并形成再现语音信号rrec。各加权系数α和β根据质量参数q的值，从抽样到抽样地被改变。当接收语音信号r的质量提高时，加权系数α被增加，而加权系数β减小到相对应的程度。当接收语音信号r的质量下降时，相反的情况适用。但是，α和β之和总是1。
图8中的流程图说明接收语音信号r和估计语音信号
Figure A9719371000169
如何按照本发明方法的第一实施例在图7中的信号合成单元700中被合成。信号合成单元700的处理器710包括计数器变量n，其能在数值-1和nt+1间被步进。数值nt给定连续语音抽样的数目，在连续语音抽样期间，接收无线信号的质量参数q在再现信号rrec将分别同估计语音信号
Figure A9719371000171
或接收语音信号r相等之前能在一个预定的质量水平γm以下或以上，并且在这些语音抽样期间，再现语音信号rrec将由接收语音信号r和估计语音信号 的组合构成。因此，nt的值越大，在两个信号r和 之间的过渡周期tt越长。
在步骤800，计数器变量n被给定nt/2的数值，以便保证如果流程图第一个语音抽样再现时的步骤840，计数器变量n将一个合理的数值。在步骤805，信号合成单元700接收第一接收语音信号r的语音抽样。在步骤810，断定给定的质量参数q是否超过预定的值。在这个例子中，接收信号质量被允许代表接收无线电信号的功率电平γ。所以功率电平γ在步骤810同由接收无线电信号的长期的功率电平γ平均值组成的功率电平γ。比较。如果γ高于ro，再现语音信号rrec在步骤815被使得等于接收语音信号r，计数变量n在步骤820被置到逻辑1，返回到流程图中的步骤805。否则，在步骤825断定功率电平γ是否高于定的电平γt，其对应于可接受的语音质量的下限。如果γ不高于γt，再现语音信号rrec在步骤830被使得等于估计语音信号
Figure A9719371000174
计数器变量在步骤835被置到nt，返回到流程图中的步骤805。如果在步骤825发现γ高于γt，在步骤840按照乘以接收语音信号r的第1系数α和乘以估计语音信号
Figure A9719371000175
的第2系数β之和来计算再现语音信号rrec。在这个例子中，α=(nt-n)/nt且β=n/nt，由此rrec由表达式 r rec = ( n t - n ) × r / n t + n × r ^ / n t 给出。下一个接收语音信号的语音抽样在步骤845取入，在步骤850断定，接收无线电信号的相应功率电平r是否高于电平γm，其标志γo和γt的算式平均值，即γm=(γo+γt)/2，如果情况如此，计数器变量n在步骤855被递减1，再在步骤860断定计数器变量n是否小于0。如果在步骤860发现计数器变量n小于0，这表明功率电平γ在nt个连续抽样期间已超过值γm并再现语音信号rrec因而能被使得等于接收语音信号r。于是流程图被跟随到步骤815。如果在步骤860计数器变量n被发现为大于或等于0，流程图被执行到步骤840，又一个新的再现语音信号rrec被计算。如果在步骤850功率电平r低于或等于γm，计数器变量n被在步骤865增1。然后在步骤870断定计数器变量n是否大于nt，如果情况如此，这表明，信号电平r已在连续的抽样期间降到值γm以下，因而再现语音信号rrec应被使得等于估计语音信号
Figure A9719371000181
从而返回到流程图中的步骤830。否则，流程图被执行到步骤840，又一个新的再现语音信号rrec被计算。
图9说明当个执行图8中的流程图时能被得到的结果的一个例子。在该例中nt已被设置到10。在最初的4个接收语音抽样1-4期间接收无线电信号的功率电平r超过长期平均值γo。所以，因图8中的流程图只运行800-820各步骤，计数器变量n从而在抽样2-5期间等于1。于是，再现语音信号rrec将在抽样1-4期间同接收语音信号r相等。在跟着的12个语音抽样5-16期间，再现语音信号rrec将由接收语音信号r和估计语音信号 的组合构成，因为对于这些语音抽样的接收无线电信号的功率电平γ位于接收无线电信号功率电平的长期平均值γo以下。例如，对于语音抽样5的再现语音信号rrec将被表达 r rec = 0.9 r + 0.1 r ^ 被给出，因为n=1；对于语音抽样14的再现语音信号rrec将按表达式 r rec = 0.2 r + 0.8 r ^ 给出，因为n=8。在语音抽样17-23的情况下再现语音信号rrec将同估计语音信号
Figure A9719371000185
相等，因为对应于10个(nt=10)最近的前面抽样7-16的接收无线电信号功率电平γ已落到值γm以下，并且对应于抽样17-22的无线电信号功率电平γ低于γm。在结束的两个抽样24和25期间再现语音信号rrec将再由接收语音信号γ和估计语音信号
Figure A9719371000186
的组合构成，因为对应于语音抽样23和24的接收无线电信号的功率电平γ超过功率电平γm但落在长期平均值γo以下。作为例子能提到，对于语音抽样25的再现语音信号rrec按表达式 r rec = 0.1 r + 0.9 r ^ 给出，因为n=9。
图10中的流程图表示接收语音信号r和估计语音信号 如何按照本第二实施例在图7中的信号合成单元700中被合成。在处理器710中的变量n在该实施例中也能在数值-1和nt+1之间被步进。在这种情况下，数值nt也标志连续抽样的数目，在这些连续抽样期间接收无线电信号的质量参数q在再现信号rrec分别同估计语音信号
Figure A9719371000189
和接收语音信号r相等之前可以分别位于一个预定的质量电平Bm以下或以上，并在这些语音抽样期间再现语音信号rrec由接收语音信号r和估计语音信号 的组合构成。
计数器变量n在步骤1000被分配nt/2值，以便保证当再现第一个语音抽样时如果流程图中的步骤1040应达到，计数器变量n会有一个合理的数值。在步骤1005，信号合成单元700取第一接收语音信号r的语音抽样。在步骤1010，断定质量参数q(在本例中，由关于与给定的语音抽样相对应的数据字的比特差错率BER代表)是否超过一给定值，即比特差错率(BER)是否在一预定值Bo以下。比特差错率(BER)能够，例如，通过对代表所地抽样的接收数据字进行奇偶检验被计算。数值Bo对应于这样的一个比特差错率BER，达到这个比特差错率所有差错能完全地或者被校正或者被隐蔽。于是，在其中差错不被校正且不能被隐蔽的一个系统中，Bo将等于1。比特差错率BER在步骤1010被水平Bo比较。如果比特差率BER低于Bo，则再现语音信号rrec在步骤1015被使得等于接收语音信号r，计数器变量n在步骤1020被置到1，返回到流程图中的步骤1005。否则，在步骤1025中断定，比特差错率BER是否高于一个定水平Bt，Bt对应于一可接受语音质量的上限。如果比特差错率BER被发现为高于Bt，则再现语音信号rrec在步骤1030被使得等于估计语音信号
Figure A9719371000191
计数器变量n在步骤1035被置到nt，返回到流程图中的步骤1005。如果比特差错率BER在步骤1025被发现为低于或等于Bt，则按照乘以接收语音信号r的第一系数α和乘以估计语音信号
Figure A9719371000192
的第二系数β之和在步骤1040计算再现语音信号rrec。在本例中，α=(nt-n)/nt且β=n/nt，因此rrec由表达式 r rec = ( n t - n ) × r / n t + r ^ / n t 给出。下一个接收语音信号的语音抽样在步骤1045被取入，在步骤1050断定，接收数据信号的相应比特差错率BER是否低于一水平Bm，其例如标志Bo和Bt的算术平均值，即Bm=(Bo+Bt)/2，如果情况如此，计数器变量n在步骤1055被递减1并在步骤1060断定计数器变量n是否小于0。如果计数器变量n在步骤1060小于0，这表明，在nt个连续语音抽样期间比特差错率BER已落到数值Bm以下，并且再现语音信号rrec因而能够被使得等于接收语音信号r。于是，流程图被执行到步骤1015。如果计数器变量n在步骤1060大于或等于0，则流程图被执行到步骤1040，并且一个新再现语音信号rrec被计算。如果比特差错率BER在步骤1050高于或等于Bm，计数器变量n在步骤1065被增1。然后在步骤1070断定，计数器变量n是否大于数值nt。如果情况如此，这表明比特差错率BER在nt个连续抽样期间已超过数值Bm，并且再现语音信号rrec因而应被置于同估计语音信号
Figure A9719371000194
相等。由此返回到流程图中的步骤1030。否则，流程图被执行到步骤1040，一个新再现语音信号rrec被计算。
当q被允许构成一坏帧指示器(BFI)时，一个上述例子的特殊情况被得到，其中q能假定两个不同的值，而不是允许质量参数q标志对于每个数据字的比特差错率BER。如果在一给定数据字中的差错数目超过一预定数值Bt，这通过置q到第一个数值，例如逻辑1被指示；当差错数目低于或等于Bt时，这通过置q到第二个数值，例如逻辑0被指示。通过在预定数目nt的抽样期间将信号r和 用各自预定的加权系数α和β被一起加权，在这种情况下得到接收语音信号r和估计语音信号 之间的软过渡。例如，nt可以是4个抽样，其间α和β分别经数值0.75、0.50、0.25和0.00以及0.25、0.50、0.75和1.00被步进，反之亦然。
图11表示当运经图10中的流程图时能获得的结果的一个例子。在该例中，nt已被置到10。接收数据信号的比特差错率BER被沿图11中的图垂直轴表示，而接收数据信号的抽样1-25被沿所说的图的水平轴表示，所说的数据信号已经无线电信道传输并代表语音信息。比特差错率BER被分成3级，Bo、Bm和Bt。第一级Bo对应于比特差错率BER，其产生一感觉上无差错的语音信号。换句话说，系统能校正和/或隐蔽直到(Bo-1)个在每个接收数据字中的比特差错。第二级Bt标志如此高数量的比特差错率，以致相应的语音信号会有不可接受地低的质量。第三级Bm规定为Bt和Bo的算术平均值Bm=(Bt+Bo)/2。
在接收的最初4个语音抽样1-4期间，接收数据信号的比特差错率在Bo级以下。因此，在抽样2-5期间计数器变量n等于1，再现语音信号rrec等同于接收语音信号r。在跟着的12个语音抽样5-16期间，再现语音信号rrec将由接收语音信号r和估计语音信号
Figure A9719371000203
的组合构成，因为对应于这些语音抽样的接收数据信号的比特差错率BER将位于Bo之上。在语音抽样17-23的情况下，再现语音信号rrec将等同于估计语音信号
Figure A9719371000204
因为对应于10(nt=10)个最近前面抽样7-16的接收数据信号的比特差错率BER已超过数值Bm，且对应于抽样17-22的比特差错率高于数值Bm。在两个结束的抽样24和25期间，再现语音信号rrec将再由接收语音信号r和估计语音信号
Figure A9719371000205
的组合构成，因为对应于语音抽样23和24的接收数据信号的比特差错率低于Bm级，但超过Bo级。
在第一和第二本发明的实施例中，质量参数q已被建立在测出的接收无线电信号功率电平r和计算出的数据信号比特差错率BER的基础上，所说的数据信号已经给定的无线电信道被传输并代表接收语音信号r。自然，在本发明的第三实施例中，质量参数q被建立在以对干扰信号I的C/I比率对所求的无线电信号C的估计的基础上。比率C/I和再现语音信号rrec之间的关系则将基本上类似于图8中所说明的关系，即在减小C/I的情况下，系数β被增加，系数α被减小到相对应的程度；在增加C/I的情况下，系数α以系数β为代价被增加。相应的流程图原则上将与图8相对应。步骤810代之以C/I＞Co就这样不同，步骤825代之以C/I＞Ct就这样不同，以及步骤850代之以C/I＞Cm就这样不同，但同样条件将在所有其它方面适用。
图12图示地说明对于接收语音信号r的质量参数q能如何在一系列的接收语音抽样rn上变化。质量能参数q的值被沿图的垂直轴表示，而语音抽样rn被沿图的水平轴表示。对于在时间间隔rA期间接收的语音抽样的质量参数q位于对应于可接受的语音质量的预定水平qt以下。接收语音信号r将因而在该时间间隔tA期间受到扰动。
图13图示地说明参见图12中的接收语音信号r的信号幅度A如何在对应于语音抽样rn的时间t上变化。信号幅度A被沿图的垂直轴表示，而时间t被沿所说的图的水平轴表示。语音信号r受到短暂不均衡噪声或喀啦/喀呖声形式的扰动，这由非周期特性的升降信号幅度A在图中表示。
图14图示地说明信号幅度A如何在时间t上变化，所说的时间t对应于图13中表示的语音信号r的一个rrec形式的语音抽样rn，所说的语音信号r已按照本发明方法被再现。信号幅度A被沿图的垂直轴表示，而时间t被沿其水平轴表示。在质量参数q位于水平qt以下的时间间隔期间，再现语音信号将或者全部地、或者部分地由估计语音信号
Figure A9719371000211
组成，估计语音信号
Figure A9719371000212
已由较早接收的语音信号的线性预测得到，较早接收的语音信号的质量参数q已超过qt。因此，估计语音信号
Figure A9719371000213
可能具有优于有关的接收语音信号r的质量。这样一来，由接收语音信号r和所说语音信号的估计形式
Figure A9719371000214
组成的再现语音信号rrec会有一个总体上均匀或不变的与接收语音信号r的质量无关的质量。
图15说明所提出的信号再现单元240在其基地站或在移动站的模拟收发装置1500(标志为TRX)中的应用。来自天线装置的无线电信号RFR在传送接收的中频信号IFR的无线电接收机1510中被接收。中频信号IFR在解调器1520中被调解，模拟接收语音信号rA和模拟质量参数qA被产生。这些信号rA和qA在采样和量化装置1530中被采样和被量化，采样和量化装置1530分别传送相应的数字信号r和q，它们被信号再现装置240使用，以按照所提出的方法产生再现语音信号rrec。
传送的语音信号S在调制器1540中被调制并在其中产生中频信号IFT。信号IFT在无线电发射机1550中被无线电频率调制和放大，无线电信号RFT为发射被传送到天线装置。
图16说明所提出的信号再现装置240在基地站或移动站标志为TRX的收发装置1600中的应用，所说的基站或移动站互通ADPCM编码语音信息。来自天线装置的无线电信号RFR在无线电接收机1610中被接收，无线电接收机1610传送接收的中频信号IFR。中频信号IFR在解调器1620中被解调，解调器1620传送ADPCM编码基带信号BR和质量参数q。信号BR在ADPCM译码器1630中被译码，在这里产生接收语音信号r。质量参数q被取入ADPCM译码器1630以便当接收无线电信号RFR质量太低时能使译码器的状态复位。信号r和q最后被信号再现装置240使用，以按照所提出的方法产生再现语音信号。
传送的语音信号S在ADPCM编码器1640中被编码，编码器1640的输出信号是ADPCH编码的基带信号Br。然后信号BT在调制器1650中被调制，在调制器1650中产生中频信号IFT。信号IFT在无线电发射机1660中被无线电频率调制和放大，无线电信号IFT为发射被从无线电发射机1660传送到天线装置。
自然，当这种形式的语音编码被应用在收发装置1600在其中工作的系统中时，ADPCM译码器1630和ADPCM编码器1640同样也可分别由对数PCM译码器和对数PCM编码器组成。
Figure A9719371000221

Claims (44)

1．利用信号模型(500)和质量参数(q)从接收信号(r)再现语音信号的方法，特征为通过所说的信号模型(500)的媒介建立估计的信号 其对应于接收信号(r)的预期特征值；组合所说的接收信号(r)和所说的估计信号 并形成再现语音信号(rrec)，其中所说的质量参数(q)决定按其组合形成的比率(α、β)。
2．根据权利要求1的方法，特征为将质量参数(q)建立在接收信号(r)的测量功率电平(RSS、γ)的基础上。
3．根据权利要求1的方法，特征为按对扰动信号(I)的信号电平的比例C/I将质量参数(q)建立在所说接收信号(r)的估计接收信号电平(C)的基础上。
4．根据权利要求1的方法，特征为将所说的质量参数(q)建立在比特差错率(BER)的基础上，所说的比特差错率(BER)已据所说的信号(r)的一个数字表示计算得到。
5．根据权利要求1的方法，特征为将所说的质量参数(q)建立在一坏帧指示(BFI)的基础上，所说的坏帧指示器(BFI)已从所说的信号(r)的一个数字表示计算得到。
6．根据权利要求1-5中的任何一个的方法，特征为将所说的信号模型(500)建立在所说的接收信号(r)的线性预测(LPC/LTP)的基础上。
7．根据权利要求6的方法，特征为所说的线性预测(LPC/LTP)产生标志所说的接收信号(r)的一个短期预测(STP)的系数。
8．根据权利要求6或7的方法，特征为所说的线性预测(LPC/LTP)产生标志所说的接收信号(r)的一个长期预测(LTP)的系数。
9．根据权利要求6-8中的任何一个的方法，特征为所说的线性预测(LPC/LTP)产生放大值(b)，它关系到所说的估计的估计信号
Figure A9719371000023
的历程(
Figure A9719371000025
……、
Figure A9719371000026
)。
10．根据权利要求6-9中的任何一个的方法，特征为所说的线性预测(LPC/LTP)包含关于接收信号(r)将被假定为代表语音信息还是代表非语音信息类信息的信息(C)。
11．根据权利要求6-10中的任何一个的方法，特征为所说的线性预测(LPC/LTP)包含关于所说的信号(r)将被假定代表发声声音还是代表不发声声音的信息(C)。
12．根据权利要求6-11中的任何一个的方法，特征为所说的线性预测(LPC/LTP)包含关于所说的接收信号(r)将被假定是局部稳态的还是局部瞬态的信息(C)。
13．根据权利要求1-12中的任何一个的方法，特征为所说的接收信号(r)是一个采样和量化的模拟调制和传输的语音信号。
14．根据权利要求1-12中的任何一个的方法，特征为所说的接收信号(r)是一个数字调制和传输的编码信号。
15．根据权利要求1-12中的任何一个的方法，特征为所说的接收信号(r)由译码自适应差分脉码调制(ADPCM)信号产生。
16．根据权利要求1-12中的任何一个的方法，特征为所说的接收信号(r)通过译码对数脉冲编码调制(PCM)信号产生。
17．根据权利要求1的方法，特征为所说的比率(α、β)从只标志所说的接收信号(r)到只标志所说的估计信号
Figure A9719371000031
是可变化的。
18．根据权利要求17的方法，特征为，从只是所说的接收信号(r)到只是所说的估计信号
Figure A9719371000032
的过渡发生在所说的接收信号(r)的连续抽样的至少一数(nt)的过渡期间(tt)，在其间对于所说的接收信号(r)的质量参数(q)低于预定的质量值(rt)。
19．根据权利要求17的方法，特征为，从只是所说的估计信号
Figure A9719371000033
到只是所说的接收信号(r)的过渡发生在所说的接收信号(r)的连续抽样的至少一数(nt)的过渡期间(tt)，在其间对于所说的接收信号(r)的质量参数(q)超过预定的质量值(γt)。
20．根据权利要求17的方法，特征为所说的过渡期间(tt)的持续时间是由预定的但是可变的过渡值(nt)决定。
21．为从接收信号(r)再现语音信号并包括信号模型化单元(500)的装置，其特征R该信号模型化单元(500)起产生对应于所说接收信号(r)的预期特征值的估计信号
Figure A9719371000034
的作用；该单元包括信号合成单元(700)，其起组合所说的接收信号(r)和所说的估计信号
Figure A9719371000035
的作用；该单元包括信号组合单元(700)，其起组合所说的接收信号(r)和所说的估计信号 并借此形成再现语音信号(rrec)的作用，其中按其实现组合的比率(α、β)由质量参数(q)确定。
22．根据权利要求21的装置，特征为在所说的信号组合单元(700)中的处理器(710)根据对于每个所说的接收信号(r)的抽样的所说的质量参数(q)值传送第一加权系数(α)和第二加权系数(β)。
23．根据权利要求22的装置，特征为，信号组合单元(700)起形成所说的接收信号(r)的第一加权值(αr)和为形成所说的估计信号 的第二加权值
Figure A9719371000042
的作用，第一加权值(αr)通过在第一乘法单元(720)中用所说的第一加权系数(α)乘所说的接收信号(r)被形成，第二加权值通过在第二乘法单元(730)中用所说的第二加权系数(β)乘所说的估计信号
Figure A9719371000043
被形成，其中第一(αr)和第二
Figure A9719371000044
按照所说的比率(α、β)加权在第一求和单元(740)中被组合，并在其中所说的再现信号(rrec)形成第一相加信号。
24．根据权利要求23的装置，特征为，储存在所说的处理器(710)中的过渡值(nt)标志所说接收信号(r)连续抽样的最小数目，在其间所说的第一加权系数(α)能从一最高值到一最低值被递减，而所说的第二加权系数(β)能从一最低值到一最大值被递增。
25．根据权利要求23的装置，特征为，储存在所说的处理器(710)中的过渡值(nt)标志所说接收信号(r)连续抽样的最小数目，在其间所说的第一加权系数(α)能从一最低值到一最高值被递增，而所说的第二加权系数(β)能从一最高值到一最低值被递减。
26．根据权利要求24或25的装置，特征为，所说的最高值等于1，而所说的最低值等于0；所说的第一加权系数(α)和所说的第二加权系数(β)之和(α、β)等于1。
27．根据权利要求21-26中的任何一个的装置，特征为，信号模型化单元(500)包括一分析单元(520)，其按照线性预测的信号模型(LPC/LTP)建立参数(a、b、c、L)，这些参数依赖于所说的接收信号(r)的某些特性。
28．根据权利要求27的装置，特征为所说的参数(a、b、c、L)包括第一数字滤波器(510)和第二数字滤波器(580)的滤波系数(a)，两滤波器各自的传递函数A(2)、1/A(2)互为倒数。
29．根据权利要求28的装置，特征为，第一数字滤波器(510)是逆滤波器(A(2))；第二数字滤波器(580)是组合滤波器(1/A(2))。
30．根据权利要求21-26中任何一个的装置，特征为信号模型化单元(500)包括第一数字滤波器(510)和第二数字滤波器(580)，两滤波器各自的传递函数(A(2)、1/A(2))互为倒数。
31．根据权利要求30的装置，特征为第一数字滤波器(510)具有高通滤波器的特性；第二数字滤波器(580)具有低通滤波器的特性。
32．根据权利要求28-31中的任何一个的装置，特征为所说的第一数字滤波器(510)起滤波所说的接收信号(r)以此产生残留信号(R)作用。
33．根据权利要求32的装置，特征为，所说的信号模型化单元(500)包括一激励产生单元(530)和一状态机器(540)，所说的激励产生装置(530)起产生基于三个所说的参数(b、c、L)和第二相加信号(C)的估计信号 的作用，而所说的状态机器(540)起产生基于所说的质量参数(q)和所说的参数(C)中的一个的控制信号(S1-S6)的作用。
34．根据权利要求33的装置，特征为所说的信号模型化单元(500)包括第二求和单元(570)，其起将第三所说的残留信号(R)的加权值(S5R)同第4加权值
Figure A9719371000052
组合以此产生所说的第2相加信号(C)的作用。
35．根据权利要求34的装置，特征为所说的第二数字滤波器(580)起滤波所说的第二相加信号(C)以此产生所说的估计信号
Figure A9719371000053
的作用。
36．根据权利要求34-35中的任何一个的装置，特所说的激励产生单元(530)包括一存储缓冲器(620)和一随机发生器(630)。
37．根据权利要求36的装置，特征为所说的存储缓冲器(620)起存储所说的相加信号(C)的历程值(
Figure A9719371000054
……、
Figure A9719371000056
)的作用。
38．根据权利要求37的装置，特征为所说的存储缓冲器(620)基于两个所说的参数(b、L)产生表示发声语音声音的第一信号(Hv)的作用。
39．根据权利要求38的装置，特征为所说随机发生器(630)基于所说的控制信号(S2)产生表示不发声语音声音的第二信号(Hu)的作用。
40．根据权利要求39的装置，特征为第三求和装置(660)，起将所说的第一信号(Hv)的第三加权值(S3Hv)同所说的第二信号(Hu)的第四加权值(S4Hu)组合以此形成所说的估计信号 的作用。
41．根据权利要求21-40中的任何一个的装置，特征为所说接收信号(r)是被采样和量化的模拟传输语音信号。
42．根据权利要求21-40中的任何一个的装置，特征为所说的接收信号(r)是数字调制和传输的编码信号。
43．根据权利要求42的装置，特征为所说的接收信号(r)通过译码自适应差分脉码调制(ADPCM)信号产生。
44．根据权利要求42的装置，特征为所说的接收信号(r)通过译码对数脉冲编码调制(PCM)信号产生。
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