[發明專利]一種基于G．711．1的語音帶寬擴展的裝置和方法

無效

• 申請號: 201110422386.1
• 申請日: 2011-12-16
• 公開（公告）號: CN102522092A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 陳喆;殷福亮;趙承勇
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G10L21/02
• 分類號: G10L21/02
• 代理公司: 大連星海專利事務所 21208
• 代理人: 徐淑東

1.一種基于G.711.1的語音帶寬擴展的方法，將采樣頻率為16KHz的寬帶輸入語音信號通過一個雙通道QMF分析濾波器模塊，并降低采樣頻率，得到0～4KHz的窄帶語音和4～8KHz的高頻分量；窄帶語音通過G.711編碼模塊產生傳輸的碼流；使用MDCT系數提取模塊從高頻分量中提取出語音的MDCT系數，將其通入加權模塊和歸一化模塊進行處理，處理后的參數使用矢量量化模塊進行壓縮，并對增益進行量化；將得到的索引值等信息嵌入到窄帶碼流中；在解碼端提取出高頻參數索引，通入反歸一化模塊和反加權模塊，得到的高頻參數通入恢復高頻分量模塊，進而合成寬帶語音；包括以下步驟：

步驟A.?預處理和QMF分析濾波模塊，包括以下子步驟：

步驟A1.預處理模塊：為了去除50Hz工頻干擾和直流分量，首先將寬帶語音通過一個高通濾波器：????????????????????????????????????????????????；

經過濾波器后的語音為16KHz采樣頻率的寬帶語音；

步驟A2.使用QMF分析濾波器組模塊將寬帶語音分成兩個部分：0～8000Hz的窄帶語音和8000～16000Hz的高頻分量，并分別通入下采樣模塊；得到8kHz采樣頻率的窄帶語音和高頻分量；

其中，QMF分析濾波器模塊使用32階的FIR濾波器，高通濾波器模塊是由低通濾波器模塊頻移得到，也就是使用復正弦序列調制，即：

；

B.提取和編碼MDCT系數模塊，包括以下子步驟：

步驟B1.提取MDCT系數模塊：采用G.711.1協議中的方法，取5ms的高頻分量作為一幀，每幀包含40個采樣點，使用80個采樣點的分析窗進行加窗處理，并進行部分重疊相加；高頻分量的MDCT系數定義為：

；

其中，是分析窗，這里定義為：

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為了減小MDCT系數的動態變換范圍，通入歸一化參數模塊進行處理；歸一化參數計算方法如下：

；

步驟B2.?編碼MDCT系數模塊：使用單通道的碼本對MDCT參數進行矢量量化，包括以下步驟：

首先，MDCT系數通入加權處理模塊，得到加權后的MDCT系數；為均方根因子，使用加權后的MDCT系數進行計算：

；

歸一化MDCT系數計算方法如下：

；

其中，是為了避免分母為零而加上的一個數，使用下面公式計算：

；

得到歸一化MDCT系數后，將40個系數分裂為6個6維矢量，其余4系數個置為0，對每個6維矢量通入矢量量化模塊進行壓縮，碼本中碼字的個數為64，這樣每個矢量用碼字的序號表示只需6bit；這樣每幀MDCT系數經矢量量化后占用36bit，量化后的增益I_Hg占8bit，每幀所有信息共使用44bit；一幀窄帶信號有40個采樣點，平均每個采樣點嵌入1bit高頻信息，然后將剩余的4bit均勻嵌入到一幀的碼流中；

C.?高頻語音恢復與寬帶語音合成模塊，包括以下子步驟：

在解碼端首先提取出的MDCT系數和增益的索引，然后使用索引對MDCT系數進行參數解碼；

使用MDCT系數索引I(v)在碼本中進行搜索，得到40個歸一化的系數,前4個系數為0；使用增益索引得到增益值，經過反量化得到均方根因子,使用均方根因子對歸一化的MDCT系數進行處理，得到歸一化之前的系數：

；

歸一化之前的系數經過反加權模塊，即除以對應點的加權系數，得到原始的MDCT系數；使用原始MDCT系數通入反變換模塊：

；

其中，是反變換之后沒有加下一幀重疊窗時的時域信號，最終得到的高頻部分的時域信號為：

；

其中，是重疊的分析窗，是上一幀沒有經過窗函數的時域信號；

步驟D.水印的嵌入與提取，包括以下子步驟：

采用最低有效位嵌入算法將MDCT系數的索引和增益索引嵌入到窄帶碼流的最低位中；由于一幀信號有40個采樣點，而嵌入水印的比特數為44bit，首先在每個采樣點的最低位嵌入40bit；最后將4bit均勻的嵌入到一幀中的次低位；

提取水印時分別提取碼流最低位的信息和4個采樣點的次低位信息，從而得到嵌入的44bit?MDCT系數；

E.通過QMF合成濾波器組模塊將接收的碼流進行A律解碼，得到8KHz采樣頻率的低頻信號，將低頻信號和恢復出的高頻信號通過插值模塊將采樣頻率變為16KHz，分別將其通過低通和高通FIR濾波器；將兩信號相加即得到最終16KHz采樣頻率的寬帶信號。

2.一種基于G.711.1的語音帶寬擴展的裝置，其特征在于，包括：高通濾波器模塊、QMF分析濾波器組模塊、提取和編碼MDCT模塊、高頻語音恢復與寬帶語音合成模塊、水印嵌入與提取模塊以及QMF合成濾波器組模塊；

所述高通濾波器模塊將寬帶語音通過一個高通濾波器：；

經過濾波器后的語音為16KHz采樣頻率的寬帶語音，用于去除50Hz工頻干擾和直流分量，

所述QMF分析濾波器組將寬帶語音分成兩個部分：0～8000Hz的窄帶語音和8000～16000Hz的高頻分量，并分別進行下采樣；得到8kHz采樣頻率的窄帶語音和高頻分量；

其中，QMF分析濾波器模塊使用32階的FIR濾波器，高通濾波器模塊是由低通濾波器模塊頻移得到，也就是使用復正弦序列調制，即：

；

所述提取和編碼MDCT模塊用于提取MDCT系數、編碼MDCT系數，具體的：

提取MDCT系數模塊：采用G.711.1中的方法，取5ms的高頻分量作為一幀，每幀包含40個采樣點，使用80個采樣點的分析窗進行加窗處理，并進行部分重疊相加；高頻分量的MDCT系數定義為：

；

其中，是分析窗，這里定義為：

???；??

為了減小MDCT系數的動態變換范圍，使用歸一化參數進行處理；歸一化參數計算方法如下：

；

編碼MDCT系數：使用單通道的碼本對MDCT參數進行矢量量化，包括以下步驟：

首先，MDCT系數經過加權處理，得到加權后的MDCT系數；為均方根因子，使用加權后的MDCT系數進行計算：

；

歸一化MDCT系數計算方法如下：

；

其中，是為了避免分母為零而加上的一個數，使用下面公式計算：

；

得到歸一化MDCT系數后，將40個系數分裂為6個6維矢量，其余4系數個置為0，對每個6維矢量進行矢量量化，碼本中碼字的個數為64，這樣每個矢量用碼字的序號表示只需6bit；這樣每幀MDCT系數經矢量量化后占用36bit，量化后的增益I_Hg占8bit，每幀所有信息共使用44bit；一幀窄帶信號有40個采樣點，平均每個采樣點嵌入1bit高頻信息，然后將剩余的4bit均勻嵌入到一幀的碼流中；

所述高頻語音恢復與寬帶語音合成模塊在解碼端首先提取出的MDCT系數和增益的索引，然后使用索引對MDCT系數進行參數解碼；

使用MDCT系數索引I(v)在碼本中進行搜索，得到40個歸一化的系數,前4個系數為0；使用增益索引得到增益值，經過反量化模塊得到均方根因子,使用均方根因子對歸一化的MDCT系數進行處理，得到歸一化之前的系數：

；

歸一化之前的系數經過反加權處理，即除以對應點的加權系數，得到原始的MDCT系數；使用原始MDCT系數進行反變換：

；

其中，是反變換之后沒有加下一幀重疊窗時的時域信號，最終得到的高頻部分的時域信號為：

；

其中，是重疊的分析窗，是上一幀沒有經過窗函數的時域信號；

所述水印的嵌入與提取模塊采用最低有效位嵌入算法將MDCT系數的索引和增益索引嵌入到窄帶碼流的最低位中；由于一幀信號有40個采樣點，而嵌入水印的比特數為44bit，首先在每個采樣點的最低位嵌入40bit；最后將4bit均勻的嵌入到一幀中的次低位；

提取水印時分別提取碼流最低位的信息和4個采樣點的次低位信息，從而得到嵌入的44bit?MDCT系數；

所述QMF合成濾波器組模塊將接收的碼流進行A律解碼，得到8KHz采樣頻率的低頻信號，將低頻信號和恢復出的高頻信號通過插值的方法將采樣頻率變為16KHz，分別將其通過低通和高通FIR濾波器；將兩信號相加即得到最終16KHz采樣頻率的寬帶信號。