面向移動應(yīng)用的語音編解碼開環(huán)基音搜索方法
摘要:基音周期搜索的準確性將直接影響到語音編碼器的編碼質(zhì)量和效率。本文根據(jù)AMR-WB+標準中基音周期搜索算法會發(fā)生檢測基音倍頻和半頻錯誤,提出了開環(huán)基音搜索算法。該算法以自相關(guān)函數(shù)為基礎(chǔ),利用基音周期的
摘要:基音周期搜索的準確性將直接影響到語音編碼器的編碼質(zhì)量和效率。本文根據(jù)AMR-WB+標準中基音周期搜索算法會發(fā)生檢測基音倍頻和半頻錯誤,提出了開環(huán)基音搜索算法。該算法以自相關(guān)函數(shù)為基礎(chǔ),利用基音周期的平滑性,引入基音周期全局參考作為基音周期判斷的輔助條件,有效解決了基音周期加倍的問題并在基音周期預(yù)測中體現(xiàn)基音周期的平滑性,實驗結(jié)果表明本文算法性能優(yōu)于AMR-WB+中的算法性能。該算法已應(yīng)用到AVS-P10移動音頻編解碼框架中。
關(guān)鍵詞:基音周期; 全局參考; 自相關(guān)函數(shù)
中圖分類號:TN9123 文獻標識碼:A文章編號:2095-2163(2014)01-0075-04
0引言
基音周期搜索是語音編碼中一個重要的問題,其準確性將直接影響到語音編碼器的編碼質(zhì)量和效率。準確的基音周期性分析,可以在語音編碼過程中有效地去除冗余,降低編碼的比特數(shù),實現(xiàn)低比特率,高質(zhì)量的語音編碼。目前,人們已經(jīng)提出了多種基音檢測算法。其中,在時域的角度,傳統(tǒng)的算法主要包括基于平均幅度差函數(shù)(AMDF)的基音估計算法、基于短時自相關(guān)函數(shù)(ACF)的基音檢測算法。在頻域的角度,1984年,Griffin和Lim提出了一種頻域基音周期估計方案[1],用于多帶激勵語音編碼算法 (MBE),這種基音周期估計算法采用閉環(huán)分析合成方法,匹配信號頻域波形,得到最優(yōu)基音周期估計。1998年,Janer等提出了基于小波變換的基音周期估計方法[2],而2003年,樓紅偉等提出小波加權(quán)的基音周期檢測方案[3]。其后在2006年,黃海提出了一種基于Hilbert-Huang變換的語音信號基音周期提取方法,該方法無須對語音信號進行分幀截斷,對其直接進行Hilbert-Huang變換后, 通過基音頻率搜索處理得到基音頻率及其隨時間的變化[4]。2008年,Zhao采用線性導(dǎo)譜系數(shù)與自相關(guān)函數(shù)相結(jié)合的方式預(yù)測基音周期[5]。2012年,Ba H等將諧波比率和倒頻譜分析的方法相結(jié)合對基音周期進行估計[6]。
AVS-P10音頻標準是面向新一代移動通信系統(tǒng)的低碼率高保真音頻編解碼,技術(shù)標準應(yīng)用包括移動通信、無線寬帶、多媒體通信、互聯(lián)網(wǎng)寬帶以及流媒體業(yè)務(wù)等。其中的核心編碼器由ACELP和變換矢量TVC組成。基音周期搜索屬于ACELP編碼中重要組成部分,其搜索效率及存儲代價直接影響編碼器性能。3GPP制定的標準AMR-WB+[7]編碼采用了加權(quán)相關(guān)函數(shù)法進行基音周期的搜索。在進行基音周期搜索之前, 對輸入的信號進行預(yù)處理,除去直流分量,隨后濾除對基音周期估計不起作用的高頻部分。AMR-WB+使用傳統(tǒng)的時域相關(guān)函數(shù),并采用加權(quán)函數(shù)來防止倍周期以及平滑基音周期。在AMR-WB+編碼標準中,使用加權(quán)函數(shù)進行加權(quán),其合理之處在于該加權(quán)函數(shù)經(jīng)過了訓(xùn)練,能夠在一定程度上解決倍周期問題。但是對于倍音周期問題,并不是所有的候選值都會遇到,對于所有的候選值進行加權(quán)更無疑會增加運算復(fù)雜度。此外,加權(quán)函數(shù)函數(shù)值序列也會占用較大的內(nèi)存空間,增加了存儲空間開銷。在AMR- WB+中,同時采用了基音周期平滑加權(quán)。其加權(quán)函數(shù)也采用類似對基音倍周期問題相似的加權(quán)。但如此這般要對其它所有的候選值進行加權(quán),則必然會增加運算復(fù)雜度。
本文以自相關(guān)函數(shù)為基礎(chǔ),利用基音周期的平滑性,引入基音周期全局參考作為基音周期判斷的輔助條件,有效解決了基音周期加倍的問題并在基音周期預(yù)測中體現(xiàn)基音周期的平滑性,實驗結(jié)果表明本文算法性能優(yōu)于AMR-WB+中的算法性能。該算法已應(yīng)用到AVS-P10移動音頻編解碼框架中。
1開環(huán)基音搜索方法
每幀輸入信號可分成四個子幀,開環(huán)基音搜索每兩個子幀,即執(zhí)行一次基音周期估計。開環(huán)基音搜索是為了估計出一個比較準確的基音周期,由此而降低閉環(huán)基音周期搜索的復(fù)雜度。
開環(huán)基音周期搜索基于感知加權(quán)后的信號而展開分析,感知加權(quán)域信號Sw(n)在進行基音周期搜索之前,使用4階FIR濾波器Hdecim2(z)實現(xiàn)降采樣處理,得到信號Swd(n)進行開環(huán)基音周期搜索。
開環(huán)基音周期搜索過程包括:自相關(guān)函數(shù)序列計算,基音周期全局參考確定,基音周期確定三個部分。首先計算信號Swd(n)的自相關(guān)函數(shù),然后根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的結(jié)果確定當前的基音周期全局參考,最后根據(jù)當前的基音周期全局參考確定語音信號的基音周期。
1.1自相關(guān)函數(shù)計算
1.2基音周期全局參考
為滿足基音周期的平滑性,引入基音周期全局參考global_pitch輔助進行基音周期的判斷。基音周期全局參考確定方法如下所述:
利用前節(jié)確定的基音周期候選值序列peakpos[6]以及自相關(guān)函數(shù)序列maxcorr[6],首先選擇與前幀的基音周期全局參考接近的基音周期候選值,對其相應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)值進行加權(quán),將自相關(guān)函數(shù)值乘以1.2,加權(quán)后重新排列基音周期候選值序列peakpos[6]以及自相關(guān)函數(shù)序列maxcorr[6]。
對peakpos[6]以及maxcorr[6]判斷并去除基音周期加倍的情況。倍周期的消除采用的是固定加權(quán)方法,其最終目的是找出一個最佳基音周期候選值,算法過程為:
(1)設(shè)定最佳的基音周期候選值為自相關(guān)函數(shù)最大值對應(yīng)的基音周期候選值,對于每一個基音周期候選值,選擇一個自相關(guān)函數(shù)值的縮放因子,當基音周期候選值大于閾值25時,選擇縮放因子為1.2,否則選擇縮放因子為1.11;
(2)比較該基音周期候選值對應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)值與自相關(guān)函數(shù)值序列中的最大值和縮放因子的比值,若
①當前考慮的基音周期候選值小于當前最佳的基音周期;
②當前基音周期候選值對應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)值大于自相關(guān)函數(shù)序列中的最大值和縮放因子的比值,這兩個條件同時滿足時則設(shè)定基音周期最佳候選值為當前的基音周期候選值。如此循環(huán),直至基音周期候選值序列中的每一個基音周期候選值計算完成;

責任編輯:葉雨田
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