XV3GPP中EVS音頻編解碼器的總體設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u86143GPP中EVS音頻編解碼器的總體設(shè)計(jì)案例 1103001.1總述 1186291.2EVS設(shè)計(jì) 231951.3目標(biāo)向量 4191621.4目標(biāo)更新 5181541.5預(yù)加重、去加重和傾斜濾波器 5292181.6剩余轉(zhuǎn)換 78751.7草圖的簡(jiǎn)寫(xiě) 78161.8離散余弦變換 91.1總述圖1.1:EVS總體設(shè)計(jì)框圖本節(jié)討論四個(gè)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)，并詳細(xì)解釋所使用的機(jī)制。不同的轉(zhuǎn)換已經(jīng)集成到EVS編解碼器商業(yè)框架中，使用C作為編程語(yǔ)言，使用VisualStudio2015作為開(kāi)發(fā)環(huán)境。實(shí)現(xiàn)一些轉(zhuǎn)換需要一些外部庫(kù)，如線(xiàn)性代數(shù)包(LAPACK)，與項(xiàng)目相鏈接。編解碼器的工作模式為輸入和輸出信號(hào)的采樣速率為16kHz，編碼器/解碼器的比特率為16.4、21.4和32kbps。這些算法已經(jīng)在EVS編解碼器的修改版本中實(shí)現(xiàn)。EVS實(shí)現(xiàn)了兩種ACELP編碼模式和三種不同的基于MDCT的編碼器，這些編碼器是根據(jù)編碼比特率和其他參數(shù)選擇的。本論文中使用的版本強(qiáng)制在所有比特率下使用ACELP模式2，并使用對(duì)稱(chēng)窗口進(jìn)行基于MDCT的TCX編碼進(jìn)行頻域編碼。如前所述，這項(xiàng)工作的目標(biāo)是在消除基頻的影響后，將低通濾波器的激勵(lì)轉(zhuǎn)換到不同的域中，在該域中，樣本被去相關(guān)，以便獲得更有效的編碼器。據(jù)此，轉(zhuǎn)換算法的集成將在ACELP結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行。該算法是在EVS編解碼器中實(shí)現(xiàn)的，某些元素必須進(jìn)行修改。將解釋ACELP編碼器的主要結(jié)構(gòu)，以便更好地理解所進(jìn)行的更改。1.2EVS設(shè)計(jì)本論文的目的是研究不同的算法，這些算法可以在保持線(xiàn)性預(yù)測(cè)編碼結(jié)構(gòu)的同時(shí)，對(duì)現(xiàn)有的非線(xiàn)性預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)進(jìn)行一些改進(jìn)。為了做到這一點(diǎn)，算法被集成在使用ACELP模式的EVS編解碼器中，因此有必要詳細(xì)了解ACELP編碼器的結(jié)構(gòu)。在ACELP模式下工作，采樣頻率為16kHz，EVS窗口信號(hào)，以計(jì)算LPC系數(shù)使用非對(duì)稱(chēng)窗口，持續(xù)時(shí)間為25ms。處理后的幀長(zhǎng)度為20ms。這些幀然后被分成64個(gè)樣本長(zhǎng)度的子幀，這意味著每個(gè)幀將包含5個(gè)4ms的子幀。編碼任務(wù)在閉環(huán)中逐子幀地執(zhí)行處理，其中考慮了先前子幀的影響。本文的工作集中在子幀環(huán)路內(nèi)，因此信號(hào)的長(zhǎng)度為64個(gè)樣本。從現(xiàn)在起，考慮到工作僅在閉環(huán)內(nèi)進(jìn)行，閉環(huán)內(nèi)的子幀將被稱(chēng)為幀。圖16顯示了EVSACELP編碼器子幀環(huán)路的框圖。紅色虛線(xiàn)框表示為了集成轉(zhuǎn)換而進(jìn)行了一些修改的地方。分析語(yǔ)音信號(hào)并提取16個(gè)低通濾波器系數(shù)和量化的A^通過(guò)從低通濾波器系數(shù)導(dǎo)出的感知加權(quán)濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。使用感知加權(quán)信號(hào)和先前的激勵(lì)，獲得兩個(gè)目標(biāo)向量。自適應(yīng)碼本搜索(x(n))和創(chuàng)新碼本搜索(c(n))的目標(biāo)向量，其計(jì)算方法如第1.3節(jié)所述。LPC系數(shù)被內(nèi)插，然后獲得加權(quán)合成濾波器的脈沖響應(yīng)(?(?為了從創(chuàng)新目標(biāo)(c(n))中消除音高的影響，從其中減去音高目標(biāo)(按其相應(yīng)增益縮放)。c2使用創(chuàng)新目標(biāo)和來(lái)自合成濾波器的信息來(lái)執(zhí)行創(chuàng)新碼本的搜索。碼本及其增益被編碼在比特流中并被發(fā)送到接收器。最后，從自適應(yīng)和創(chuàng)新碼本中重構(gòu)激勵(lì)，乘以它們相應(yīng)的增益并存儲(chǔ)，以用于計(jì)算下一子幀的目標(biāo)向量。本論文的目標(biāo)是嘗試不同的變換來(lái)解相關(guān)更新的創(chuàng)新目標(biāo)向量，以簡(jiǎn)化創(chuàng)新碼本搜索。這意味著主要的改變將在步驟7中進(jìn)行，其中編碼算法被其頻域版本代替。為了應(yīng)用基于包絡(luò)的算術(shù)編碼器，編碼器和解碼器中使用的頻譜包絡(luò)必須相同，這意味著必須使用量化的低通濾波器系數(shù)來(lái)計(jì)算合成濾波器和目標(biāo)向量的脈沖響應(yīng)。在變換算法的初始實(shí)現(xiàn)之后，將在頻譜包絡(luò)上使用傾斜濾波器，以適應(yīng)編碼器中的比特分布，這將使得量化噪聲不太明顯。由于該傾斜濾波器被實(shí)現(xiàn)為去加重濾波器，將解釋預(yù)加重和去加重效果以理解該濾波器的效果。圖1.2:詳細(xì)的ACELP框圖1.3目標(biāo)向量如前所述，碼本搜索是在感知加權(quán)域中執(zhí)行的，這就是為什么有必要表示該域中每個(gè)碼本的激勵(lì)。感知加權(quán)域中的激勵(lì)表示是目標(biāo)向量如圖1.2所示，為碼本搜索生成了兩個(gè)目標(biāo)向量。其中一個(gè)用于基音分析以生成自適應(yīng)碼本，另一個(gè)用于創(chuàng)新碼本搜索。通過(guò)減去加權(quán)合成濾波器的零輸入響應(yīng)來(lái)計(jì)算自適應(yīng)碼本x(n)的目標(biāo)信號(hào)W(z)H(z)=A(zγ其中α=0.68是一個(gè)去加重因子，用于補(bǔ)償解釋的預(yù)處理中應(yīng)用于語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)加重。A(zγ1)的系數(shù)可以定義為圖1.3目標(biāo)向量的計(jì)算流程圖圖1.3顯示了目標(biāo)向量計(jì)算的框圖，其中語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)低通濾波器系數(shù)進(jìn)行濾波，從結(jié)果殘差中減去零輸入激勵(lì)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)和加權(quán)，獲得目標(biāo)向量。創(chuàng)新碼本c(n)的目標(biāo)向量是剩余域中表示的自適應(yīng)目標(biāo)向量。這意味著通過(guò)線(xiàn)性預(yù)測(cè)濾波器A(為了計(jì)算加權(quán)合成濾波器的脈沖響應(yīng)，對(duì)A(zγ本文中使用的編碼器使用加權(quán)合成濾波器的響應(yīng)來(lái)估計(jì)向量中樣本的概率分布，以便分配將對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼的可用比特。結(jié)果，解碼器需要知道這個(gè)概率分布來(lái)重構(gòu)編碼信號(hào)。然而，解碼器只擁有低通濾波器系數(shù)的量化版本。這就是為什么，為了在編碼器和解碼器中具有相同的合成濾波器，有必要使用LPC系數(shù)的量化版本來(lái)計(jì)算合成濾波器。系數(shù)A^本論文工作中使用的加權(quán)合成濾波器如下所示。W(z)H(z)=A^(zγ因此，可以使用解碼器中可用的元素以及從比特流中提取的量化的低通濾波器系數(shù)來(lái)完美地重構(gòu)它。這影響了使用量化合成濾波器計(jì)算的創(chuàng)新目標(biāo)信號(hào)的估計(jì)。1.4目標(biāo)更新如第1.3節(jié)所述，創(chuàng)新碼本搜索的目標(biāo)矢量計(jì)算仍然包含基頻的影響，因?yàn)長(zhǎng)PC濾波僅減去了頻譜包絡(luò)。考慮到音調(diào)信息已經(jīng)被編碼在自適應(yīng)碼本中，沒(méi)有必要將該信息保持在創(chuàng)新碼本中。這就是為什么目標(biāo)更新塊使用自適應(yīng)碼本和音調(diào)增益來(lái)從創(chuàng)新目標(biāo)向量中減去音調(diào)信息。c2(n)=c(n)?γ其中c2(n)表示將作為創(chuàng)新碼本搜索的輸入的更新的目標(biāo)向量。1.5預(yù)加重、去加重和傾斜濾波器預(yù)加重和去加重是電信中使用的兩種互補(bǔ)操作，用于提高某些頻帶相對(duì)于其他頻帶的能量。預(yù)加重用于升高高頻和降低低頻，而去加重具有相反的效果。這兩種效應(yīng)表示為:((1.15)(1.16)HPreemph在電信中應(yīng)用這些濾波器的目的是通過(guò)預(yù)先強(qiáng)調(diào)信號(hào)來(lái)增加對(duì)噪聲更敏感的區(qū)域的能量。然后根據(jù)信號(hào)的最終應(yīng)用對(duì)其進(jìn)行處理，最后對(duì)其進(jìn)行去加重，以補(bǔ)償預(yù)加重的影響。這可以在EVS編解碼器中看到，其中信號(hào)在編碼器的預(yù)處理塊中被預(yù)加重，并在解碼器的末端使用相同的α系數(shù)被去加重。圖1.4顯示了α=0.3時(shí)，根據(jù)等式27的預(yù)加重濾波器的幅度響應(yīng)。圖1.5中可以看到相反的效果，它代表了一個(gè)具有相同系數(shù)的去加重濾波器。圖1.4:a=0.3的預(yù)加重濾波器的幅度響應(yīng)圖1.5:a=0.3時(shí)去加重濾波器的幅度響應(yīng)然而，本文中預(yù)加重和去加重的應(yīng)用是修改合成濾波器的響應(yīng)，以便優(yōu)化基于包絡(luò)的算術(shù)編碼器的概率模型，這將在后面詳細(xì)解釋。在范德蒙分解的早期實(shí)現(xiàn)中，遵循的步驟如中所述，其中在編碼過(guò)程之前對(duì)合成濾波器應(yīng)用預(yù)加重。然而，當(dāng)集成到EVS編碼解碼器中時(shí)，這種實(shí)現(xiàn)具有一些數(shù)值不穩(wěn)定性。這就是為什么，作為第一次嘗試，脈沖響應(yīng)沒(méi)有被修改。在圖1.5的右側(cè)，可以分辨出低頻中的強(qiáng)噪聲成分。考慮到分配給每個(gè)頻帶的位數(shù)取決于頻譜包絡(luò)，決定對(duì)應(yīng)用傾斜濾波器。1.6剩余轉(zhuǎn)換在獲得目標(biāo)向量并適當(dāng)處理合成濾波器的脈沖響應(yīng)之后，有必要應(yīng)用在第3節(jié)中解釋的變換，以便去相關(guān)目標(biāo)向量的樣本，這是本論文的目的?，F(xiàn)在將闡明每個(gè)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)，并給出關(guān)于復(fù)雜性分析的算法復(fù)雜性的評(píng)論。就其變換矩陣而言，離散傅立葉變換和離散余弦變換是獨(dú)立于信號(hào)的變換。該矩陣是恒定的，并且不必為每個(gè)子幀計(jì)算，這允許快速實(shí)現(xiàn)。另一方面，范德蒙和特征值分解需要計(jì)算每個(gè)子幀的變換矩陣；這就是為什么變換的不同實(shí)現(xiàn)將根據(jù)這種信號(hào)相關(guān)性成對(duì)比較。1.7草圖的簡(jiǎn)寫(xiě)如前所述，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的離散傅立葉變換沒(méi)有什么意義，因?yàn)樗目焖侔姹尽焖俑盗⑷~變換——以低得多的復(fù)雜性提供了相同的結(jié)果。EVS框架已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高效執(zhí)行快速傅立葉變換的工具，因此不需要實(shí)現(xiàn)最大部分的轉(zhuǎn)換。圖1.6顯示了DFT在創(chuàng)新碼本搜索中的集成。其中c(n)則為創(chuàng)新碼本要搜索的目標(biāo)向量，?圖1.6:使用離散傅立葉變換的頻域CELP(FD-CELP)編碼器框圖首先，需要將c(n)和?1然后使用合成濾波器的感知模型在頻域中對(duì)目標(biāo)向量進(jìn)行加權(quán):Y(n如前所述，矢量中的值是復(fù)數(shù)，然而，使用快速傅立葉變換在頻域中表示真實(shí)信號(hào)是復(fù)共軛埃爾米特函數(shù)。這允許去除向量中的一半值，這些值可以稍后構(gòu)建，并且考慮到復(fù)值不能在編碼過(guò)程中使用，剩余的值被交織在信號(hào)頻譜的64長(zhǎng)度交替的實(shí)數(shù)和復(fù)值中。最后，目標(biāo)向量被饋送到基于包絡(luò)的編碼器，編碼器使用合成濾波器的斜率來(lái)估計(jì)每個(gè)符號(hào)的概率，以便為每個(gè)樣本分配可用的比特，這將在后面解釋。解碼器結(jié)構(gòu)如圖22所示。使用基于包絡(luò)的編碼器，第一步是通過(guò)執(zhí)行離散傅立葉變換和計(jì)算64個(gè)樣本的絕對(duì)值來(lái)計(jì)算合成濾波器的包絡(luò)。合成濾波器已經(jīng)使用比特流中發(fā)送的LPC系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。然后在解碼器中使用包絡(luò)來(lái)估計(jì)比特在編碼器中是如何分布的，并提取變換后的激勵(lì)。當(dāng)變換后的值被發(fā)送時(shí)，交錯(cuò)它們的實(shí)部和虛部，下一步將是重構(gòu)變換后的創(chuàng)新目標(biāo)向量。連接每個(gè)樣本的實(shí)部和虛部將產(chǎn)生一個(gè)32樣本的向量。如前所述，由于實(shí)信號(hào)的離散傅立葉變換的性質(zhì)，其他32個(gè)樣本是通過(guò)鏡像系數(shù)相對(duì)于最后一個(gè)元素的位置并否定虛部的值來(lái)建立的。還需要反轉(zhuǎn)編碼中應(yīng)用的感知加權(quán)的效果，因此合成濾波器的包絡(luò)將如下使用:y(n)=圖1.7:使用離散傅立葉變換的有限差分CELP解碼器框圖最后，IFFT將激勵(lì)向量轉(zhuǎn)換回時(shí)域，因此輸出將是用于重建信號(hào)的量化激勵(lì)。1.8離散余弦變換正如在理論背景中所解釋的，離散余弦變換根據(jù)其屬性有不同的實(shí)現(xiàn)。最常見(jiàn)的版本是相互倒置的離散余弦變換二和三，以及自己倒置的DCT-IV。使用其中一種的區(qū)別取決于它們的邊界條件。例如，當(dāng)信號(hào)是周期性的，并且邊界沒(méi)有間斷時(shí)，DCT-IV和MDCT表現(xiàn)最佳。第二代離散余弦變換對(duì)分析的信號(hào)沒(méi)有那么嚴(yán)格。EVS已經(jīng)在DCT-IV實(shí)施了一種快速方法，在MDCT的TCX使用。這就是為什么已經(jīng)測(cè)試的轉(zhuǎn)換的第一個(gè)實(shí)現(xiàn)使用這個(gè)方法。然而，所分析的框架可能不是周期性的，因此不能保證邊界條件得到滿(mǎn)足。為了比較邊界條件的效果，還實(shí)現(xiàn)了離散余弦變換-二，證明當(dāng)使用這個(gè)版本時(shí)，結(jié)果明顯更好。然而，在這種情況下，只有直接應(yīng)用轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，因此編碼的復(fù)雜性增加。等式(1.17)和(1.18)分別表示離散余弦變換二和三的等式。第一個(gè)將為直接轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，第二個(gè)將反轉(zhuǎn)它。然而，為了正確地反轉(zhuǎn)變換，有必要在兩個(gè)變換中考慮一些比例因子。在離散余弦變換二中，所得方程為:((1.17)(1.18)X(k)=2編碼和解碼方案類(lèi)似于針對(duì)離散傅立葉變換描述的方案，但是，通過(guò)離散傅立葉變換獲得的系數(shù)已經(jīng)是實(shí)數(shù)，并且在頻譜中沒(méi)有鏡像，因此在實(shí)現(xiàn)中會(huì)有一些差異。從圖1.8中可以看出，如果考慮到不需要對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行交織，則結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。如前所述，目標(biāo)向量和合成濾波器的脈沖響應(yīng)被變換到離散余弦變換域。即使DCT提供了一個(gè)實(shí)值的向量，它們?nèi)匀豢梢栽?以下，所以需要把它們都設(shè)置為正，形成譜包絡(luò)。圖1.8:使用離散余弦變換的時(shí)域ACELP編碼器的框