用于扩展窄带滤波的语音信号、特别是由通信设备发送的语音信号的带宽的方法技术

为了以简单的并且低成本的方式在没有质量损失的情况下扩展窄带滤波的语音信号的带宽，针对在第一极限频率之上和在第二极限频率之下的频率成分彼此独立地、也即通过独立的不同方法来估测窄带滤波的语音信号，并在各自估测的基础上扩展窄带滤波的语音信号。在此优选地或者在时域内或者在频域内实现该估测。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及根据权利要求1的前序部分、权利要求4的前序部分、权利要求7的前序部分、权利要求17的前序部分和权利要求23的前序部分所述的用于扩展窄带滤波的语音信号、特别是扩展由通信设备发送的语音信号的带宽的方法。语音编码方法的特征在于其不同的带宽。那么比如就存在把处于直到4000Hz频率范围内的语音信号转换为编码语音信号的窄带编码器(英语narrow-band coder)，以及把典型地处于在50和7000Hz之间的语音信号转换为编码语音信号的宽带编码器(英语wide-bandcoder)。对此，通常与供给宽带编码器的语音信号相比以更低的采样速率对供给窄带编码器的语音信号进行采样。为此窄带编码器的纯比特率通常低于宽带编码器的纯比特率。如果在相同的信道模式内部传输不同带宽的编码语音信号，则能够在信道编码时采用不同的速率，这导致不同的差错保护。如此在采用相同信道模式的情况下，当传输条件较差时，在信道编码的过程中对窄带编码的语音信号通过传输信道添加的冗余差错保护位可能多于对宽带编码信号添加的冗余差错保护位。因此在变化的传输条件下通过一个传输信道传输语音信号，其中在该传输信道中根据传输条件在宽带和窄带的语音编码之间转换语音编码[“宽带”转换为“窄带”(“WB/NB”转换)]，并且使信道编码、特别是信道编码的速率与之匹配。接收方对编码语音信号进行与编码匹配的解码。在新的用于无线通信的通信系统UMTS(通用移动电信系统)中例如标准化了宽带编码，以便保证将来的UMTS终端设备有非常好的语音质量。这种考虑的缺点是，接收的用户特别感觉到从宽带编码到窄带编码的突然转换并且把与此相关联的质量损失感觉为最大干扰。这种所谓的“WB/NB转换”问题也可能出现在用于无线通信的、具有多个基站和移动部分的通信系统的切换情况中，其中基站分配给不同的通信子系统，并且移动部分在系统内部针对跨越子系统的漫游而形成为双模式移动部分考虑的出发点是在基站和移动部分之间的现有宽带的语音连接。如果现在对于移动部分或者语音用户而实施到另一个基站的切换，则可能发生这样的情况，即接管的基站属于一个不支持宽带语音业务的子系统。由于这种原因然后返回到窄带编码和解码。在这种情形中，接收的用户特别感觉到宽带编码到窄带编码的突然转换，并把与此相关联的质量损失感觉为最大干扰。正如上面描述的，不支持宽带语音连接的基站以及仅仅能够在典型的300至3400Hz的范围内实现窄带编码或模拟语音传输的其他通信终端设备还在广泛流行，因为目前已知的通信系统迄今一般以在3400Hz(第一极限频率)和300Hz(第二极限频率)之间的大约3.1kHz的带宽传输语音信号，因为尽管因此给出了语音的带宽限制但也足以满足通信。为此目前已知的通信系统使用不同的数字和模拟编码方法传输语音信号。为了如此达到质量改善，使得通信系统中的语音质量可以与收音机信号和电视机信号中的语音质量相类似，接收方面必须估测和合成语音的超过从300到3400Hz带宽的频率成分。在现有技术中已公开了不同的、能够扩展窄带语音信号的带宽的方法。例如为了在低频率范围(＜300Hz)内扩展带宽，在专利文件EP 0 994464中公开了由于高通功能而滤除了低频的语音信号的低频率范围的信号成分的再生方法，其中所述的高通滤波比如是在通过电话在远处用户进行语音传输的情况下实施的(电话机的发送特性)。所述的再生在此是通过非线性信号处理产生低频率范围的频率来实现的，借助于该非线性信号处理产生信号的子谐波频率并且子谐波频率加到高通信号上。此外在EP 0 994 464中也公开了一个扩展方案，其中通过信号与信号函数的相乘实施非线性的信号处理。上述方法的缺点是，已用于对远处用户终端设备上的信号进行滤波的滤波器特性(电话的发送特性)通常是不已知的，并且该滤波器特性对于不同的设备类型是显著不同的。这在图8中描述。如果参与的用户设备的滤波器特性均是已知的或这些设备互相匹配，则因此当然能够再生语音信号。在许多数字语音编码的方法中，用于进一步处理与传输的数字语音信号分成一些表明信号间隔的频谱粗结构的系数，并且分成为激励信号或者预测差错信号、即所谓的剩余信号，其形成频谱细结构。该剩余信号不再包含语音信号的频谱包络，其中该频谱包络通过描述频谱粗结构的系数来体现。在解码器方面，描述频谱粗结构和细结构的这两个-大都被量化地传输的-部分再度合并，并形成解码的语音信号。频谱粗结构的典型代表形成了在线性预测分析中所确定的LPC系数(线性预测编码)，该系数描述一个递归滤波器、即所谓的合成滤波器，其转移函数与频谱粗结构一致。该系数以其真正的形式或变化形式用在许多语音编码器中。对此在接收方面接收的剩余信号用作合成滤波器的输入信号，如此在滤波器的输出端上可以提供重现的语音信号。因此LPC系数代表了语音信号段的频谱粗结构并且在使用适当的激励信号的情况下可以用于合成语音信号。为了在高频率范围内进行频带扩展已公开了基于特别的语音数据手册、即所谓的码本的方法，该码本在窄带语音信号段的LPC系数和宽带语音信号段的LPC系数之间形成一种关系。这使得必须同时以窄带和宽带的语音来训练码本并且码本必须存储在通信终端设备中。此外从通过窄带语音信号的线性预测分析产生的窄带剩余信号中产生宽带激励信号，其包含在窄带语音信号的带宽之上的频率成分。由于码本必须存储在通信设备中，所以除了不仅以窄带语音而且也以宽带语音繁复地训练码本外，对存储器的高需求以及独立于说话者和语音而在两种码本之间进行明确分配的这种困难也是不利的。为了降低在应用码本时的存储空间需求，根据Aachen工学院研制的方法已知，仅仅通过结合隐式Markov(马尔可夫)模型来使用码本，以该模型可以描述实际的语音特性。实际上在高频率范围内不使用扩展带宽的方法，因为产生的宽带语音信号的质量此外是不足够的并且依赖于各自的语音信号。本专利技术基于的任务在于，以简单的并且低成本的方式在没有质量损失的情况下扩展窄带滤波的语音信号的带宽。以在权利要求1的前序部分中定义的方法为出发点通过在权利要求1的特征中给出的特征，以在权利要求4的前序部分中定义的方法为出发点通过在权利要求4的特征中给出的特征，以在权利要求7的前序部分中定义的方法为出发点通过在权利要求7的特征中给出的特征，以在权利要求17的前序部分中定义的方法为出发点通过在权利要求17的特征中给出的特征，以及以在权利要求23的前序部分中定义的方法为出发点通过在权利要求23的特征中给出的特征解决该任务。在根据权利要求1的本专利技术方法中，针对在第一极限频率之上的频率成分和在第二极限频率之下的频率成分而彼此独立地(含义是通过独立的不同方法)估测窄带滤波的语音信号，并在各自估测的基础上扩展该窄带滤波的语音信号。在此主要或者在时域内(权利要求2)或者在频域内(权利要求3)可以实现该估测。在权利要求4或者5以及权利要求7或8中给出了怎样针对在第一极限频率之上的频率成分在频域内估测窄带滤波的语音信号的两种方法，据此首先窄带的语音信号被分别划分为描述频谱结构的语音信号时隙，每个窄带的语音信号时隙分类为浊音或清音，针对与发音方式有关的分类产生用于扩展窄带语音信号的、描述频谱结构的补充，其中至少对于浊音的情况补充是独立于各本文档来自技高网...

【技术保护点】
扩展窄带滤波的语音信号、特别是由通信设备发送的语音信号的带宽的方法，其特征在于，针对在第一极限频率之上和在第二极限频率之下的频率成分分别独立地估测窄带语音信号，并且在各自估测的基础上扩展窄带语音信号。

【技术特征摘要】
1.扩展窄带滤波的语音信号、特别是由通信设备发送的语音信号的带宽的方法，其特征在于，针对在第一极限频率之上和在第二极限频率之下的频率成分分别独立地估测窄带语音信号，并且在各自估测的基础上扩展窄带语音信号。2.按照权利要求1的方法，其特征在于，在时域内实施估测。3.按照权利要求1的方法，其特征在于，在频域内实施估测。4.在窄带语音信号的第一极限频率之上扩展窄带滤波的语音信号、特别是由通信设备发送的语音信号的带宽的方法，在该方法中a)窄带语音信号划分为语音信号时隙(P0.1)并且分别计算语音信号时隙的频谱结构(P1.1)，b)每个窄带的语音信号时隙分类为浊音或分类为清音(P2.1)，其特征在于，c)针对在b)中所进行的与发音方式有关的分类生成具有频谱结构的补充，以用于扩展窄带语音信号(P3.1)，其中特别是至少对于浊音情况该补充独立于各个发音，d)窄带语音信号时隙的频谱结构和所产生的补充的频谱结构按照时隙如此逻辑连接(P3.1)，使得分别产生扩展的频谱结构，e)从扩展的频谱结构中分别产生宽带扩展的语音信号时隙(P3.1)，f)从各个宽带扩展的语音信号时隙中产生宽带扩展的语音信号(P6.1)。5.按照权利要求1或3的方法，其特征在于，在窄带语音信号的第一极限频率之上a)窄带语音信号划分为语音信号时隙(P0.1)并且分别计算语音信号时隙的频谱结构(P1.1)，b)每个窄带的语音信号时隙分类为浊音或分类为清音(P2.1)，c)针对在b)中进行的与发音方式有关的分类生成具有频谱结构的补充，以用于扩展窄带语音信号(P3.1)，其中特别是至少对于浊音情况该补充独立于各发音，d)窄带语音信号时隙的频谱结构和所产生的补充的频谱结构按照时隙如此逻辑连接(P3.1)，使得分别产生扩展的频谱结构，e)从扩展的频谱结构中分别产生宽带扩展的语音信号时隙(P3.1)，f)从各个宽带扩展的语音信号时隙中产生宽带扩展的语音信号(P6.1)。6.按照权利要求4或5的方法，其特征在于，通过FFT分析计算窄带语音信号时隙的频谱结构并从扩展的频谱结构中通过IFFT分析产生宽带扩展的语音信号时隙。7.用于在窄带语音信号的第一极限频率之上扩展窄带滤波的语音信号、特别是由通信设备发送的语音信号的带宽的方法，在该方法中a)窄带语音信号划分为语音信号时隙(P0.2)并且分别计算语音信号时隙的频谱结构(P1.2、P2.2)，b)每个窄带语音信号时隙分类为浊音或分类为清音(P3.2)，其特征在于，c)针对在b)中进行的与发音方式有关的分类生成具有频谱结构的补充，以用于扩展窄带语音信号(P4.2)，其中特别是至少对于浊音情况该补充独立于各发音，d)窄带语音信号时隙的频谱结构和所产生的补充的频谱结构按照时隙如此逻辑连接(P4.2)，使得分别产生扩展的频谱结构，e)针对时隙时延生成宽带预测差错信号的与窄带语音信号时隙相对应的预测差错信号时隙(P5.2)，从扩展的频谱结构和各个宽带的预测差错信号时隙中分别产生宽带扩展的语音信号时隙(P6.2、P7.2)，f)从各个宽带扩展的语音信号时隙中产生宽带扩展的语音信号(P10.2)。8.按照权利要求1或3的方法，其特征在于，在窄带语音信号的第一极限频率之上a)窄带语音信号划分为语音信号时隙(P0.2)并且分别计算语音信号时隙的频谱结构(P1.2、P2.2)，b)每个窄带语音信号时隙分类为浊音或分类为清音(P3.2)，c)针对在b)中进行的与发音方式有关的分类生成具有频谱结构的补充，以用于扩展窄带语音信号(P4.2)，其中特别是至少对于浊音情况该补充独立于各发音，d)窄带语音信号时隙的频谱结构和所产生的补充的频谱结构按照时隙如此逻辑连接(P4.2)，使得分别产生扩展的频谱结构，e)针对时隙时延产生宽带预测差错信号的与窄带语音信号时隙相对应的预测差错信号时隙(P5.2)，从扩展的频谱结构和各宽带的预测差错信号时隙中分别产生宽带扩展的语音信号时隙(P6.2、P7.2)，f)从各个宽带扩展的语音信号时隙中产生宽带扩展的语音信号(P10.2)。9.按照权利要求7或8的方法，其特征在于，对于分类为浊音的窄带语音信号时隙如此来生成分别生成的补充(P4.2)，使得该补充的能量相对于窄带语音信号时隙的全部能量是可以忽略的。10.按照权利要求7至9之一的方法，其特征在于，对于分类清音的窄带语音信号时隙如此来生成分别生成的补充(P4.2)，使得该补充的能量相对于窄带语音信号时隙的全部能量是不可以忽略的。11.按照权利要求7至9之一的方法，其特征在于，对于分类为清音的窄带语音信号时隙如此来生成分别生成的补充(P4.2)，使得在至少一个宽带码本的基础上从窄带语音信号时隙的第一滤波器系数中获得宽带语音信号时隙的第二滤波器系数。12.按照权利要求7至10之一的方法，其特征在于，从扩展的频谱结构中分别计算第三滤波器系数(P6.2)。13.按照权利要求11或12的方法，其特征在于，利用第...

【专利技术属性】
技术研发人员：R奥保尔，SA克林克，F罗伦茨，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]