專利名稱：Amr語音編碼中l(wèi)sp系數量化的快速碼本搜索的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及移動通信技術領域，特別涉及語音編碼技術領域，具體是指自適應多速率 (AMR)語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法。
背景技術：
自適應多速率(AMR)語音編碼是由3GPP制定的應用于第三代移動通信WCDMA系統 中的語音壓縮編碼。它以更加智能的方式解決信源和信道編碼的速率分配問題。使得無線資 源的配備和利用更加和高效。它支持八種速率12.2kb/s, 10.2kb/s， 7.95 kb/s， 7.40 kb/s, 6.70 kb/s, 5.90kb/s， 5.15 kb/s和4.75 kb/s,此外，它還包括低速率(1.80 kb/s )的背景噪聲編碼 模式。
AMR語音編碼采用的方案是代數碼本激勵線性預測(ACELP)技術，它是基于碼本激 勵線性預測(CELP)的技術。編碼器輸入為8kHz采樣，16比特量化的線性PCM編碼，編 碼操作以20ms語音為一幀，即160個樣點。發(fā)送端編碼器提取ACELP模型參數進行傳輸， 接收端譯碼器再根據這些參數構成的激勵信號合成出重建的語音信號。
AMR語音編碼根據其實現功能大致可分為LPC分析、基音搜索、代數碼本搜索三大部 分。其中LPC分析完成的主要功能是獲得10階LPC濾波器的10個系數，并將它們轉化為 線譜對參數LSF，以及對LSF進行量化；基音搜索包括了開環(huán)基音分析和閉環(huán)基音分析兩部 分，以獲得基音延遲和基音增益這兩個參數；代數碼本搜索則是為了獲得代數碼本索引和代 數碼本增益，還包括了對碼本增益的量化。這里我們所討論的是編碼器中LSP系數的量化， 因此，對于編碼器和譯碼器的其他部分不做過多的介紹。
線性預測分析在12.2 kb/s模式下每幀分析兩次，得到了兩組線性預測參數，在其他七種 模式下每幀分析一次，得到了 一組線性預測參數。線性預測參數在編碼前都要轉化為線譜對 參數，在12.2 kb/s模式下采用分裂矩陣量化法(SMQ， Split Matatrix Quantization)進行量化； 在其他七種模式下采用分裂矢量法(SVQ, Split Vector Quantization )進行量化。下面以12.2 kb/s 模式所采用的分裂矩陣量化法(SMQ)進行詳細的介紹
分裂矩陣量化法(SMQ)的基本依據是每一個頻率分量對幅度i普的影響僅限于各自的頻率區(qū)域內。其基本思路是將特征矢量[/;,/2，...,_/;。]這個io維的矢量分成幾個小矢量，然后分
別對每一個小矢量再進行矢量量化。具體量化過程介紹如下
首先，將每一幀得到的兩組線諳對(LSP)參數用頻率域(LSF)表示為
/ = larccos《,， / = 1,2,',、10 2;r
(1)
其中，/ e
Hz是線譜對頻率，/、 = 8000Hz是采樣頻率，則LSF系數的矢量可表
示為fd^b;(')/2(')…y;(。')j， f(2) = b;(2)/2(2)'..y;(02)j。
其次，求出當前幀去掉均值后的LSF矢量和z(2)("):
1 10
(i)
,(2)
f(2)(")_，2)
1,2,…,10
(2)
其中，f，")和f，")是當前幀LSF矢量，/(1)和,(2)是當前幀LSF矢量的第/(/ = 1,2,...,10) 個值，這里矢量與均值的差是指矢量中的每一個值分別與均值相減后的值構成的一個新矢量。 然后，用一階滑動平均(MA)預測法求出當前幀的LSF預測殘差矢量rW(")和r^("):
! (')(")= Z(')(")-p(")
"2)(") = z(2)(")-p(")
(3)
其中，rW( ) = k(、(". .{J , r(2)( ) = k(2V2(".. .r/。2)j; —階滑動平均(MA )預測式
"2) A(2)
p(") = 0.65r (n-l)是當前幀LSF矢量的預測值，這里的r ("-l)是前一幀量化后的第二個 LSF殘差矢量。
接著，將上述計算所得的LSF殘差矢量一(")和r^(w)組成的矩陣進行分裂，并進行矢量 量化。也就是將矩陣[r^07)rW("f (T表示矩陣轉置)分裂為5個2><2 = 4個元素的子陣，這 5個子陣(子矢量)是按如下方式進行劃分的第一個子陣為s一r = [r/1^(1、(2、(21,用 7比特進行量化；第二個子陣為^^r:[^V，^Vff,用8比特進行量化；第三個子陣為 w63r = [r5(l、(1、(2、(2)]"，用8 +1比特(1比特是附加符號位)進行量化；第四個子陣為 wV^^W2)^)]7,用8比特進行量化；第五個子陣為s—r^^V^9(2、(。2)]1，用6比特進
行量化。這5個子陣的量化矢量^^,r稱為重構矢量或量化碼本。最后，分別將5個子陣(子矢量)與其量化矢量(重構矢量)r以歐氏距離作 為失真測度(使下式的加權誤差最小)，即
、W、
,("')
2廣1
(4)
、("
其中，^V,是指第X/ = 1,2,3,4,5)個子陣(子矢量)的第= 1,2,3,4)個元素，w~ 。是
指第X/ = 1,2,3,4,5)個量化矢量表的第&(^ = 0,1,…,W) (N的取值對應于5個量化矢量，分別
為127, 255, 255, 255， 63 )個索引號的第/(z'= 1,2,3,4)個元素，w,("')(/= 1,2,…，10,w = 1或2
(子矢量的前兩個元素對應于附=1,后兩個元素對應于附=2 ))是加權LSP失真檢測因子， 其表達式為
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，《W = yJ;') —yj) ( /)— = 0, = 4000 )。根據歐氏失真測度，通常采用全搜索 方法就可以找到失真最小的重構矢量，將其索引號A作為輸出，完成LSF矢量的量化。這里，
以第一個子陣為例來說明量化過程將第一個子陣(子矢量)= [^Vj'V，Vff與《^ r (碼 本中所有索引號的量化矢量的值)以式(4)作為失真測度進行計算(全搜索)，求出失真最 小的量化矢量(重構矢量)，將其索引號A用7比特編碼作為量化輸出。
從上面的分析可以看出，全搜索方法是性能最優(yōu)的一種方法，當然也是復雜度最高的一 種方法。這里我們仍以第一個子陣的量化為例，來分析其計算復雜度。由(4)式可得，每計 算出一個五，需要4次加法和8次乘法。對于第一個子陣，其碼本空間大小為127,即要計 算出127個五，也就是127x4- 508次加法和127x8二1016次乘法。雖然，目前數字信號處理 器(DSP)技術已經有了突飛猛進的發(fā)展，但在實時語音處理過程中，過多的使用全搜索的 方法仍然不是一個明智的選擇。因此需要尋找在性能沒有任何損失的情況下能降低計算復雜 度的方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服了上述現有技術中的缺點，提供一種能夠有效降低計算復雜度、提 高運算效率、算法筒單快捷、工作性能穩(wěn)定可靠、適用范圍較為廣泛的AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本:l叟索的方法。
為了實現上述的目的，本發(fā)明的AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法 如下
為了便于描述，這里定義加權歐氏子距離為
<formula>formula see original document page 7</formula>
實際計算時，加權歐氏子距離采用下面的迭代公式:
<formula>formula see original document page 7</formula>
顯然，￡4=￡，即當"=4日于，加權歐氏子距離即為最終的加權歐氏距離。 該AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法，其主要特點是，所述的方法 包括以下步驟
(1 )初始化設置系統輸出的量化碼字索引號、當前最小歐氏距離及系統碼本中的當前量 化碼字索引號；
(2)將系統累加計數w設置為1;
(3 )系統在當前量化碼字索引號下，根據語音信號中頻率分量的特征矢量所分裂的子矢 量與當前量化碼字索引號所對應的重構矢量進行加權歐氏子距離(系統累力口計數"=1)計算 處理，并將計算結果作為失真測度，與當前最小歐氏距離進行比較處理操作；
(4) 如果所述的加權歐氏子距離小于當前最小歐氏距離，則將系統累加計數w增加1, 并重復上述步驟(3)，即根據語音信號中頻率分量的特征矢量所分裂的子矢量與當前量化碼 字索引號所對應的重構矢量進行加權歐氏子距離(系統累加計數"+ + )計算處理，并將計算 結果作為失真測度，與當前最小歐氏距離進行比較處理操作；
(5) 反之，則將當前量化碼字索引號增加1,并重復上述步驟(2),即(系統累加計數 = 1 );
(6) 如果當系統累加計數 7 = 4時，加權歐氏子距離(即最終的加權歐氏距離)仍然小 于當前最小歐氏距離，則將系統中的當前最小歐氏距離設置為該加權歐氏距離，并將系統輸 出的量化碼字索引號設置為當前量化碼字索.引號；
(7) 將當前量化碼字索引號增加1，重復上述步驟(2)，即(系統累加計數/7 = 1 )，直 到遍歷完系統碼本中全部量化碼字。該AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法中的初始化設置系統碼本中的 當前量化碼字索引號及當前最小歐氏距離，包括以下步驟 (11)設置系統輸出的量化碼字索引號為！力cfec = 0;
(12 )設置初始最小歐氏距離為系統在計算中所出現的最大值cfof—Am力=MAX; (13)設置當前量化碼字索引號為A=0。 該AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法中的進行加權歐氏子距離計算 處理操作，并將計算結果作為失真測度，包括以下步驟
(21 )才艮據公式(7 )計算加權歐氏子距離& ,并將該式改寫為下式
其中，+ =為當前的值與前一個《_,進行累加運算符，為第 > 個子矢量的第f個元
素，7 = 1,2,3,4,5， / = 1,2,3,4, 《,為第j'個子矢量的第A個索引號的第/個元素， yt二0,l,…，W， w，)為加權LSP失真檢測因子，/ = 1，2，."，10，附=1或2，其表達式為
其中，《("')=_ 乂，) ( /。("') = o, y;(「') = 40oo;
(22 )將所得到的加權歐氏子距離《作為失真測度，并與所述的當前最小歐氏距離進行
比較；
(23) 如果加權歐氏子距離小于當前最小歐氏距離，則返回加權歐氏子距離小于當前最 小歐氏距離的結果；
(24) 如果加權歐氏子距離大于等于當前最小歐氏距離，則返回加權歐氏子距離大于等 于當前最小歐氏距離的結果。
該AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法中的N的取值分別為127、 255 、 255、 255、 63。
該AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法中的w-l對應于子矢量的前兩 個元素，附=2對應于子矢量的后兩個元素。
采用了該發(fā)明的AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法，由于在計算加
= l,-'.，4;
()< 450權歐氏距離的過程中，每次計算加權和后均進行判斷，從而避免了大量的不必要的冗余計算， 并在沒有任何性能損失的前提下，降低了計算復雜度，提高了系統的執(zhí)行效率，較好地滿足 了實時語音處理的性能和效率需要，同時工作性能穩(wěn)定可靠，適用范圍較為廣泛，為AMR 技術應用于第三代移動通信中奠定了堅實的基礎。


圖1為本發(fā)明的AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法的工作流程圖。
具體實施例方式
為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的技術內容，特舉以下實施例詳細說明。 請參閱圖l所示，該AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法，其中包括 以下步驟
(1 )初始化設置系統輸出的量化碼字索引號、當前最小歐氏距離及系統碼本中的當前量 化碼字索引號，包括以下步驟
(a)設置系統輸出的量化碼字索引號為/wcfec = 0;
(b )設置初始最小歐氏距離為系統在計算中所出現的最大值cfcf一附/w = MAX; (c)設置當前量化碼字索引號為/t = 0; (2 )將系統累加計數w設置為1;
(3)系統在當前量化碼字索引號下，根據語音信號中頻率分量的特征矢量所分裂的子矢 量與當前量化碼字索引號所對應的重構矢量進行加權歐氏子距離(系統累加計數"=1 )計算 處理，并將計算結果作為失真測度，與當前最小歐氏距離進行比較處理操作，包括以下步驟 (a)根據以下公式計算加權歐氏子距離《
五0=0:
^2 j-1
"=1,."，4;
其中，+ =為當前的值與前一個￡二進行累加運算符，w^r,為第7個子矢量的第/個
元素，7 = 1,2,3,4,5 , / = 1,2,3,4, 為第)個子矢量的第A個索引號的第/個元
素，A = 0，l,",iV， N的取值分別為127、 255、 255、 255、 63， 為加權LSP失真 ;險測因子，/ = 1，2,...,10, w= 1或2，其中附=1對應于子矢量的前兩個元素，附=2對應于子矢量的后兩個元素，其表達式為
3.347-^^", ,)<450
(m) j 450 ' '
w〉 ' = "j
L8 — !(《W—450)，其它 . 1050、' "
其中，t/,("') = 一 ( = o , = 4000 ;
(b) 將所得到的加權歐氏子距離《作為失真測度，并與所述的當前最小歐氏距離進 行比較；
(c) 如果加權歐氏子距離小于當前最小歐氏距離，則返回加權歐氏距離小于當前最 小歐氏距離的結果；
(d) 如果加權歐氏子距離大于等于當前最小歐氏距離，則返回加權歐氏距離大于等 于當前最小歐氏距離的結果；
(4) 如果所述的加權歐氏子距離小于當前最小歐氏距離，則將系統累加計數"增加1, 并重復上述步驟(3),即根據語音信號中頻率分量的特征矢量所分裂的子矢量與當前量化碼 字索引號所對應的重構矢量進行加權歐氏子距離(系統累加計數"+ + )計算處理，并將計算 結果作為失真測度，與當前最小歐氏距離進行比較處理操作；
(5) 反之，則將當前量化碼字索引號增加1,并重復上述步驟(2),即(系統累加計數 w = l );
(6 )如果語音信號中頻率分量的特征矢量所分裂的子矢量與當前量化碼字索引號所對應 的重構矢量進行了加權歐氏距離計算處理后得到的加權歐氏距離(系統累加計數"=4 )仍然 小于當前最小歐氏距離，則將系統中的當前最小歐氏距離設置為該加權歐氏距離，并將系統 輸出的量化碼字索51號設置為當前量化碼字索引號；
(7 )將當前量化碼字索？ 1號增加1,重復上述步驟(2 ),即(系統累加計數"=1 )，直 到遍歷完系統碼本中全部量化碼字。
在實際使用當中，本發(fā)明的AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜的方法的基本 原理和思想如下
考察上述公式(4)，其中的￡是由四個數的平方和組成，即每一項都是非負數，這一點 為我們提供了簡化計算的可能。假設當前最小的歐氏距離失真測度為￡、其索引號為〖，現 在進行，在計算￡時，進行三次求和運算，從而可以在每次求和運算之前，先進行判斷，如 果當前值已經大于五、則不再進行余下的運算。
下面以12.2kb/s模式SMQ第一個子陣的量化為例進行說明。這里，碼本共包含128個碼字，即碼本空間大小為128,每個碼字的索引號為& = 127， 每個碼字為4維矢量。
首先設置初始量化碼字索引號/mfec = 0,設置初始最小歐氏距離為計算中可能出現的 最大值在rt,二MI。然后從索引號* = 0開始，進行碼本搜索。因為碼字為4維矢量，因此
在對每個序號的碼本進行歐氏距離的計算過程中，需要進行三次求和運算，從而可以采用上 述的快速碼本搜索方法來減少運算量。
在每次求和計算之后，和當前的最小距離cZ/w,做比較。如果該值tfor已經大于^^^ ,
則該碼字顯然不是我們用來量化所需要的碼字，就進行下一個碼字的計算。如果求和計算所 得值"/W仍小于dWmm ，則繼續(xù)進行之后的求和運算，并不斷的與進行比較。
如果所有三次求和運算完成后，該值仍小于ifefrain ,則把把該值賦給fifafmin , cfofmin = cfcf ，并把當前的索引號賦給/wfec, /mfec = A:。接著用同樣的方法進行下一個碼字 的計算。
采用了上述的AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法，由于在計算加權 歐氏距離的過程中，每次計算加權和后均進行判斷，從而避免了大量的不必要的冗余計算， 并在沒有任何性能損失的前提下，降低了計算復雜度，提高了系統的執(zhí)行效率，較好地滿足 了實時語音處理的性能和效率需要，同時工作性能穩(wěn)定可靠，適用范圍較為廣泛，為AMR 技術應用于第三代移動通信中奠定了堅實的基礎。
在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種 修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說明書和附圖應被認為是說明性的而非限 制性的。
權利要求
1、一種AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步驟(1)初始化設置系統輸出的量化碼字索引號、當前最小歐氏距離及系統碼本中的當前量化碼字索引號；(2)將系統累加計數設置為1；(3)系統在當前量化碼字索引號下，根據語音信號中頻率分量的特征矢量所分裂的子矢量與當前量化碼字索引號所對應的重構矢量進行加權歐氏子距離計算處理，并將計算結果作為失真測度，與當前最小歐氏距離進行比較處理操作；(4)如果所述的加權歐氏子距離小于當前最小歐氏距離，則將系統累加計數增加1，并重復上述步驟(3)，即根據語音信號中頻率分量的特征矢量所分裂的子矢量與當前量化碼字索引號所對應的重構矢量進行加權歐氏子距離計算處理，并將計算結果作為失真測度，與當前最小歐氏距離進行比較處理操作；(5)反之，則將當前量化碼字索引號增加1，并重復上述步驟(2)；(6)如果當系統累加計數為4時，加權歐氏子距離仍然小于當前最小歐氏距離，則將系統中的當前最小歐氏距離設置為該加權歐氏距離，并將系統輸出的量化碼字索引號設置為當前量化碼字索引號；(7)將當前量化碼字索引號增加1，重復上述步驟(2)，直到遍歷完系統碼本中全部量化碼字。
2、 根據權利要求1所述的AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法，其特 征在于，所述的初始化設置系統碼本中的當前量化碼字索引號及當前最小歐氏距離，包括以 下步驟(11 )設置系統輸出的量化碼字索引號為z> fec = 0;(12) 設置初始最小歐氏距離為系統在計算中所出現的最大值tfcrjw7^MAX;(13) 設置當前量化碼字索引號為A:=0。
3、 根據權利要求2所述的AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法，其特 征在于，所述的進行加權歐氏子距離計算處理并進行失真測度比較處理操作，包括以下步驟(21 )根據以下公式計算加權歐氏子距離《￡0=0;其中，+ =為當前的值與前一個《_,進行累加運算符，為第y個子矢量的第/個元AW素，y = l,2,3,4,5, / = 1,2,3,4， w/^,為第j'個子矢量的第A:個索引號的第/個元素， A = 0，1，.'、W, w")為加權LSP失真檢測因子，f = l,2，...，10,附=1或2，其表達式為,3.347-^^,("'), 450其中，",('")=/S')—A) ( /0W = o, =棚;(22 )將所得到的加權歐氏子距離《作為失真測度，并與所述的當前最小歐氏距離進行比較；(23) 如果加權歐氏子距離小于當前最小歐氏距離，則返回加權歐氏子距離小于當前最 小歐氏距離的結果；(24) 如果加權歐氏距離大于等于當前最小歐氏距離，則返回加權歐氏子距離大于等于 當前最小歐氏距離的結果。
4、 根據權利要求3所述的AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法，其特 征在于，所述的N的取值分別為127、 255、 255、 255、 63。
5、 根據權利要求3所述的AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法，其特 征在于，所述的附=1對應于子矢量的前兩個元素，/ = 2對應于子矢量的后兩個元素。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法，包括在以加權歐氏距離作為失真測度的計算過程中，其中間結果不斷的與已有最小距離做比較，如果這個結果已經大于該最小距離，則可終止對該碼字距離的繼續(xù)計算，從而可以盡快地篩選掉那些已經不符合要求的碼字。采用該種AMR語音編碼中LSP系數量化的快速碼本搜索的方法，在計算加權歐氏距離時每次計算加權和后均進行判斷，從而避免了大量的不必要的冗余計算，在沒有任何性能損失的前提下，降低了計算復雜度，提高了系統的執(zhí)行效率，較好地滿足了實時語音處理的性能和效率需要，同時工作性能穩(wěn)定可靠，適用范圍較為廣泛，為AMR技術應用于第三代移動通信中奠定了堅實的基礎。
文檔編號G10L19/14GK101630510SQ200810040720
公開日2010年1月20日 申請日期2008年7月18日 優(yōu)先權日2008年7月18日
發(fā)明者薛奕冰, 許大山 申請人:上海摩波彼克半導體有限公司