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TWI557729B - 語音信號處理裝置及語音信號處理方法 - Google Patents

語音信號處理裝置及語音信號處理方法 Download PDF

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TWI557729B
TWI557729B TW104116032A TW104116032A TWI557729B TW I557729 B TWI557729 B TW I557729B TW 104116032 A TW104116032 A TW 104116032A TW 104116032 A TW104116032 A TW 104116032A TW I557729 B TWI557729 B TW I557729B
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杜博仁
張嘉仁
曾凱盟
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宏碁股份有限公司
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    • G10L—SPEECH ANALYSIS TECHNIQUES OR SPEECH SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING TECHNIQUES; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L21/00—Speech or voice signal processing techniques to produce another audible or non-audible signal, e.g. visual or tactile, in order to modify its quality or its intelligibility
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Description

語音信號處理裝置及語音信號處理方法
本發明是有關於一種信號處理裝置，且特別是有關於一種語音信號處理裝置及語音信號處理方法。
一般對於聽障人士來說，其往往無法清楚地接收較高頻的語音信號，例如子音信號，但對於低頻的信號卻可以清楚地聽到。一般習知技術為藉由將高頻的語音信號進行降頻，並將信號框進行重疊，以解決此問題。在對信號進行降頻後，由於時間長度變長，連續的兩個取樣信號之間的信號值需利用內插的方式來求得。由於聲音信號的特性比較接近弦波，若以一般算數平均的方式來求取內插的信號值，往往會使得降頻後的信號出現信號失真的情形。此外，習知技術在進行信號框的重疊動作時，並不會考慮其相位是否匹配，因此在重疊處將出現一部分信號相加、一部分信號相減的情形，進而造成信號的失真，且隨著降頻的幅度越大失真的情形將越嚴重。
本發明提供一種語音信號處理裝置及語音信號處理方法，在對取樣語音信號做進一步的降頻時，仍可有效地改善信號框重疊時相位不匹配所導致的信號失真情形。
本發明的語音信號處理裝置包括處理單元，其用以降頻取樣語音信號，以產生包括一序列的原始降頻信號框的降頻信號，並依據原始降頻信號框產生對應的更新降頻信號框，其中各原始降頻信號框包括p個取樣點。處理單元更依據在第m-1個原始降頻信號框中與第m-1個更新降頻信號框的中間取樣點所對應的相位基準取樣點編號決定在第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點，將自與相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點起的連續q個取樣點做為第m個更新降頻信號框的取樣點，並混疊相鄰的更新降頻信號框，以產生交疊語音信號，其中相位基準取樣點編號為在第m-1個原始降頻信號框中與第m-1個更新降頻信號框的中間取樣點所對應的取樣點的編號，p、q為正整數、m為大於1的正整數。
在本發明的一實施例中，上述降頻信號的頻率為取樣語音信號的四分之一，各更新降頻信號框的長度等於各原始降頻信號框的長度的二分之一。
在本發明的一實施例中，上述相鄰兩個更新降頻信號框 分別具有50%的重疊區段。
在本發明的一實施例中，上述處理單元更依據第m個原始降頻信號框中取樣點的取樣值累計第一計數值以及第二計數值，其中當計數至對應取樣值為0的取樣點或與取樣值為0的取樣點相鄰的至少一取樣點時，歸零第一計數值或第二計數值。處理單元將第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值或第二計數值做為基準值，並依據基準值決定第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點。
在本發明的一實施例中，上述處理單元更判斷第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值是否小於等於第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值。若第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值小於等於第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值，將第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值做為基準值，並將第m個原始降頻信號框中第一計數值等於基準值時所對應的取樣點中最早取樣的取樣點做為第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點，若第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值未小於等於第m-1個原始降頻信號框 中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值，將第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值做為基準值，並將第m個原始降頻信號框中第二計數值等於基準值時所對應的取樣點中最早取樣的取樣點做為第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點。
在本發明的一實施例中，上述處理單元更將降頻信號乘以一漢明窗。
在本發明的一實施例中，上述處理單元更依據各原始降頻信號框中連續的三個取樣值計算與各原始降頻信號框對應的內插參數函數之值，並依據各原始降頻信號框對應的內插參數函數之值計算各原始降頻信號框中相鄰兩取樣點間的內插值。
在本發明的一實施例中，上述處理單元更判斷內插參數函數之值是否小於上限值且大於等於下限值，若內插參數函數之值未小於上限值或未大於等於下限值，修正內插參數函數之值，其中若內插參數函數之值大於等於上限值，將內插參數函數之值修正為上限值，若內插參數函數之值小於下限值，將內插參數函數之值修正為下限值。
在本發明的一實施例中，上述取樣語音信號為透過取樣原始語音信號而產生，上限值與下限值關聯於原始語音信號之頻率與取樣該原始語音信號之取樣頻率。
在本發明的一實施例中，上述處理單元更依據各原始降 頻信號框中連續的三個取樣值間的三角函數關係計算各原始降頻信號框對應的內插參數函數，其中內插參數函數為三角函數。
本發明的語音信號處理方法包括下列步驟。降頻取樣語音信號，以產生包括一序列的原始降頻信號框的降頻信號，其中各原始降頻信號框包括p個取樣點，其中p為正整數。依據在第m-1個原始降頻信號框中與第m-1個更新降頻信號框的中間取樣點所對應的相位基準取樣點編號決定在第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點，其中m為大於1的正整數，相位基準取樣點編號為在第m-1個原始降頻信號框中與第m-1個更新降頻信號框的中間取樣點所對應的取樣點的編號。將自與相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點起的連續q個取樣點做為第m個更新降頻信號框的取樣點，其中q為正整數。混疊相鄰的更新降頻信號框，以產生交疊語音信號。
在本發明的一實施例中，上述降頻信號的頻率為取樣語音信號的四分之一，各更新降頻信號框的長度等於各原始降頻信號框的長度的二分之一。
在本發明的一實施例中，上述相鄰兩個更新降頻信號框分別具有50%的重疊區段。
在本發明的一實施例中，上述依據在第m-1個原始降頻信號框中與第m-1個更新降頻信號框的中間取樣點所對應的相位基準取樣點編號決定在第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣 點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點的步驟包括下列步驟。依據第m個原始降頻信號框中取樣點的取樣值累計第一計數值以及第二計數值，其中當計數至對應取樣值為0的取樣點或與取樣值為0的取樣點相鄰的至少一取樣點時，歸零其對應的第一計數值或第二計數值。將第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值或第二計數值做為基準值。依據基準值決定第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點的相位匹配的第一個取樣點。
在本發明的一實施例中，上述將第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值或第二計數值做為基準值的步驟包括下列步驟。判斷第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值是否小於等於第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值。若第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值小於等於第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值，將第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值做為基準值。若第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值未小於等於第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值，將第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點 所對應的第二計數值做為基準值。
在本發明的一實施例中，若第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值小於等於第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值，上述語音信號處理方法包括，將第m個原始降頻信號框中第一計數值等於基準值時所對應的取樣點中最早取樣的取樣點做為第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點。
在本發明的一實施例中，若第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值未小於等於第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值，上述語音信號處理方法包括，將第m個原始降頻信號框中第二計數值等於基準值時所對應的取樣點中最早取樣的取樣點做為第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點。
在本發明的一實施例中，上述語音信號處理方法包括，將降頻信號乘以漢明窗。
在本發明的一實施例中，上述語音信號處理方法包括下列步驟。依據各原始降頻信號框中連續的三個取樣值計算與各原始降頻信號框對應的內插參數函數之值。判斷內插參數函數之值是否小於上限值且大於等於下限值，若內插參數函數之值未小於上限值或未大於等於下限值，修正內插參數函數之值。依據各降 頻信號框對應的內插參數函數之值計算各降頻信號框中相鄰兩取樣點間的內插值。
在本發明的一實施例中，其中若內插參數函數之值大於等於上限值，將內插參數函數之值修正為上限值，若內插參數函數之值小於下限值，將內插參數函數之值修正為下限值，其中取樣語音信號為透過取樣原始語音信號而產生，上限值與下限值關聯於原始語音信號之頻率與取樣原始語音信號之取樣頻率。
在本發明的一實施例中，上述語音信號處理方法包括，依據各原始降頻信號框中連續的三個取樣值間的三角函數關係計算各原始降頻信號框對應的內插參數函數，其中內插參數函數為三角函數。
基於上述，本發明的實施例依據在第m-1個原始降頻信號框中與第m-1個更新降頻信號框的中間取樣點所對應的相位基準取樣點編號決定在第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點，將自與相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點起的連續q個取樣點做為第m個更新降頻信號框的取樣點，以在對取樣語音信號做進一步的降頻(例如將頻率降為四分之一)時，仍可有效地改善信號框重疊時相位不匹配所導致的信號失真情形。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
102‧‧‧處理單元
104‧‧‧取樣單元
S1‧‧‧原始語音信號
S2‧‧‧取樣語音信號
W1~W4‧‧‧取樣信號框
WL1~WL4‧‧‧原始降頻信號框
WL1’~WL4’‧‧‧更新降頻信號框
WH1~WH4‧‧‧乘以漢明窗後的更新降頻信號框
SL、SL’、SH‧‧‧降頻信號
s m (4n)、s m (4n+4)、s m (4n+8)‧‧‧取樣點
s m (4n+1)、s m (4n+2)、s m (4n+3)、s m (4n+5)、s m (4n+6)、s m (4n+7)‧‧‧內插點
SO‧‧‧交疊語音信號
(n)‧‧‧第一計數值
n‧‧‧取樣點編號
Wm‧‧‧降頻信號框
S502~S510、S602~S608、S702~S712‧‧‧語音信號處理方法的步驟
圖1繪示為本發明一實施例之語音信號處理裝置的示意圖。
圖2繪示本發明一實施例之取樣語音信號的信號處理示意圖。
圖3繪示本發明一實施例之降頻信號的示意圖。
圖4繪示本發明一實施例之原始降頻信號框WL3的示意圖。
圖5繪示本發明一實施例之語音信號處理方法的流程示意圖。
圖6繪示本發明另一實施例之語音信號處理方法的流程示意圖。
圖7繪示本發明另一實施例之語音信號處理方法的流程示意圖。
圖1繪示為本發明一實施例之語音信號處理裝置的示意圖，請參照圖1。語音信號處理裝置包括處理單元102以及取樣單元104，處理單元102耦接取樣單元104，其中處理單元102可例如以中央處理單元來實施，而取樣單元104則可例如以邏輯電路來實施，然不以此為限。取樣單元104可取樣原始語音信號S1，以產生取樣語音信號S2。處理單元102可降頻取樣語音信號S2以產生包括一序列的降頻信號框的降頻信號，如圖2所繪示之取 樣語音信號S2的信號處理示意圖所示，取樣語音信號S2可包括一序列的取樣信號框，為簡化說明，在圖2實施例中僅繪示出4個取樣信號框W1~W4，然並不以此為限。降頻信號SL包括多個原始降頻信號框WL1~WL4，由於降頻信號SL為降頻取樣語音信號S2所得到，因此原始降頻信號框的長度大於取樣語音信號S2的取樣信號框的長度，在本實施例中降頻信號SL的頻率為取樣語音信號S2的四分之一(因此各個原始降頻信號框的長度為其對應的取樣信號框的長度的4倍)，然不以此為限。
處理單元102可自原始降頻信號框中選取部分的取樣點，而得到更新降頻信號框(例如圖2之更新降頻信號框WL1’~WL4’，在本實施例中，各更新降頻信號框的長度等於各原始降頻信號框的長度的二分之一)，並使各個更新降頻信號框的中間取樣點與下一個更新降頻信號框的初始取樣點的相位匹配，進而改善信號框重疊時相位不匹配所導致的信號失真情形。
詳細來說，原始降頻信號框中部份的取樣點可例如透過執行內插運算來獲得。處理單元102可先依據各個原始降頻信號框中已知的連續三個取樣值計算與各個原始降頻信號框對應的內插參數函數的值，並依據各個原始降頻信號框所對應的內插參數函數的值來計算各個原始降頻信號框中相鄰兩已知取樣點間的內插值，其中內插參數函數為三角函數，例如正弦函數或餘弦函數，然不以此為限。
舉例來說，圖3繪示本發明一實施例之降頻信號的示意 圖，請參照圖3。在圖3中，實心圓點的部分為原始降頻信號框中已知的取樣點，空心圓點的部分為處理單元102依據已知的取樣點進行內插運算所計算出的內插點，而方形點的部分為處理單元102依據已知的取樣點以及計算出的內插點再進行內插運算所計算出的內插點。處理單元102可依據在各個原始降頻信號框中連續的三個已知取樣點的取樣值計算與各個原始降頻信號框對應的內插參數函數，例如，第m個原始降頻信號框Wm所對應的內插參數函數C m (g)可依據在原始降頻信號框中連續取樣的三個取樣點s m (4n)、s m (4n+4)以及s m (4n+8)之間的三角函數關係來求得，在原始降頻信號框Wm的時間範圍內其所對應的內插參數函數可如下式所示：
其中g為0或正整數，C m (g)為內插參數函數在時間點g的函數值，內插參數函數C m (g)為一三角函數。
由於語音信號處理裝置在信號處理的過程中可能會有雜訊產生，而導致計算出的內插參數函數的值包含雜訊的成分，如此將影響處理單元102求取內插值的精確度。處理單元102可藉由判斷內插參數函數之值是否落於一預設範圍內來檢視內插參數函數的值是否受到雜訊干擾，例如可判斷內插參數函數之值是否小於上限值且大於等於下限值，若內插參數函數之值未小於上限值或未大於等於下限值，則代表參數函數的值受到雜訊干擾，處 理單元102可修正內插參數函數之值，以去除內插參數函數之值中所包含的雜訊成分。例如，若內插參數函數之值大於等於上限值，處理單元102可將內插參數函數之值修正為上限值，若內插參數函數之值小於下限值，處理單元102可將內插參數函數之值修正為下限值，而若內插參數函數之值小於上限值且大於等於下限值，則不須對內插參數函數之值進行修正。舉例來說，在圖3之實施例中，內插參數函數C m (g)之值的修正方式可以下列式子表示：
亦即上述的上限值和下限值在圖3的實施例中分別為1和0.5，若語音信號處理裝置在信號處理的過程中受到雜訊的影響，而使得內插參數函數C m (g)之值大於等於1，則處理單元102將內插參數函數C m (g)之值修正為1，而若內插參數函數C m (g)之值小於0.5，則處理單元102將內插參數函數C m (g)之值修正為0.5。值得注意的是，式(3)之上限值和下限值僅為示範性的實施例，並不以此為限。其中上限值和下限值可視實際雜訊干擾的情形來調整，例如可依據原始語音信號之頻率與取樣單元之取樣頻率來調整上限值和下限值。
在得到內插參數函數之值後，處理單元102便可依據內插參數函數來計算原始降頻信號框中相鄰兩取樣點間的內插值。 以圖3的實施例為例，在原始降頻信號框Wm中介於取樣點s m (4n)、s m (4n+4)之間的內插點s m (4n+2)以及介於取樣點s m (4n+4)、s m (4n+8)之間的內插點s m (4n+6)可分別如下式子所示：
在式(3)、式(4)中n為0或正偶數。
類似地，圖3中方形點的部分亦可空心圓點的內插運算方式來獲得。例如，處理單元102可依據在原始降頻信號框中的取樣點s m (4n)、內插點s m (4n+2)以及取樣點s m (4n+4)之間的三角函數關係來求得內插參數函數(n)，在原始降頻信號框Wm的時間範圍內其所對應的內插參數函數(n)可如下式所示：
其中n為0或正偶數，內插參數函數(n)之值的修正方式可以下列式子表示：
在原始降頻信號框Wm中介於取樣點s m (4n)與內插點s m (4n+2)之間的內插點s m (4n+1)以及介於與內插點s m (4n+2)與取樣點s m (4n+4)之間的內插點s m (4n+3)可分別如下式子所示：
另外，處理單元102可依據在原始降頻信號框中的取樣點s m (4n+4)、內插點s m (4n+6)以及取樣點s m (4n+8)之間的三角函數關係來求得內插參數函數(n)，在原始降頻信號框Wm的時間範圍內其所對應的內插參數函數(n)可如下式所示：
其中n為0或正偶數，另外，內插參數函數(n)之值的修正方式可以下列式子表示：
在原始降頻信號框Wm中介於取樣點s m (4n+4)、內插點s m (4n+6)之間的內插點s m (4n+5)以及介於內插點s m (4n+6)、取樣點s m (4n+8)之間的內插點s m (4n+7)可分別如下式子所示：
依此類推，其他原始降頻信號框中取樣點間的內插值或取樣點與內插點間的內插值亦可以相同的方式求得，本領域具通常知識者應可依據上述實施例的教示推得其實施方式，因而在此不再贅述。
如上所述，本實施例為利用三角函數來估算取樣點間的內插值(或取樣點與內插點間的內插值)，依據內插參數函數來計算原始降頻信號框中相鄰兩取樣點間的內插值(或相鄰的取樣點與內插點的內插值)，以做為降頻信號中已知取樣點間的新的取樣點的取樣值。由於三角函數的特性與聲音信號的特性較相似，因此相較於習知技術單純地利用算術平均數來求取內插值，本實施例的計算方式可獲得更精確的內插值，而可有效地避免降頻後的語音信號出現信號失真的情形。
此外，上述各個原始降頻信號框可包括p個取樣點(其中p為正整數，在本實施例中P可等於4N-3，N為大於1的正整數)，處理單元102可將在第m-1個原始降頻信號框中與第m-1個更新降頻信號框的中間取樣點所對應的取樣點編號做為相位基準取樣點編號，並依據相位基準取樣點編號決定在第m個原始降頻信號框中與此相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點，並將自此第一個取樣點起的連續q個取樣點做為第m個更新降頻信號框的取樣點(其中q為正整數，在本實施例中q可等於2N-1，N為大於1的正整數)，以使第m-1個更新降頻信號框的中間取樣點與第m個更新降頻信號框的初始取樣點的相位匹配，其中m為大於1的正整數。如此一來，第m-1個更新降頻信號框與第m個更新降頻信號框進行50%的信號框混疊時(亦即第m-1個更新降頻信號框與第m個更新降頻信號框分別有具有50%的重疊區段)，相位不匹配的情形便可大幅地減少，而改善信號失真的情形。
詳細來說，處理單元102可依據第m個原始降頻信號框中取樣點的取樣值累計第一計數值以及第二計數值，其中當處理單元102計數至對應取樣值為0的取樣點或與取樣值為0的取樣點相鄰的至少一取樣點(例如相鄰的前、後一個取樣點，然不以此為限)時，歸零對應的第一計數值或第二計數值。具體來說，上述計數值的累計方式可依據下列式子(13)~(16)表示：
其中m為大於1的正整數，n=0,1,2,...,4N-4，N為大於1的正整數，s m (n)為第m個原始降頻信號框中編號n的取樣點的取樣值，PN m (n)為將取樣值s m (n)轉為以“10”、“3”或“0”表示之值，其中PN m (-1)=PN m (0)。(n)為第m個原始降頻信號框中編號n的取樣點所對應的第一計數值，而(n)為第m個原始降頻信號框中編號n的取樣點所對應的第二計數值，其中(-1)=2N-2，而(-1)=2N-2，由式(1)、(2)可知(n)為對應降頻信號在正半周時的累計計數值，而(n)為對應降頻信號在負半周時的累計計數值。如式(1)~(4)所示，在本實施例中，將取樣值s m (n)大於0、s m (n)等於0以及s m (n)小於0時的取樣值分別設為10、3、0，在計數第一計數值(n)時把(n) 等於10或7時所對應的第一計數值歸零，另外並在計數第二計數值(n)時把(n)等於-10或-3時所對應的第二計數值歸零。由於取樣值s m (n)等於0時的取樣值被設為3，因此(n)等於10、7、-10或-3等數值的位置將出現在與取樣值s m (n)等於0時所對應的取樣點相鄰的取樣點位置。
處理單元102可將第m個原始降頻信號框中與在第m-1個原始降頻信號框中所得到的相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值或第二計數值(其為處理單元102在第m-1個原始降頻信號框中所計數得到，其計數方式與上述處理單元102在第m個原始降頻信號框中計數的方式相同)做為基準值，並依據此基準值決定第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點。例如處理單元102可判斷第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值是否小於等於第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值，其可以下列式子(17)表示：
其中為第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值，而為第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值。
若第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值小於等於第m個原始降頻信號框中 與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值，處理單元102將第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值做為基準值，並將第m個原始降頻信號框中第一計數值等於此基準值時所對應的取樣點中最先取樣的取樣點做為第一個取樣點，其可以下列式子(18)、(19)表示：
由式(6)、(7)可知，當第m個原始降頻信號框中編號n的取樣點所對應的第一計數值等於第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值時，(n)等於取樣點所對應的編號n，否則(n)等於4N-4。而則為在所有(n)中的最小值，其代表在第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點的相位匹配的第一個取樣點的編號，此取樣點用以做為第m個更新降頻信號框的初始取樣點。
相反地，若第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值未小於等於第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值(亦即式(5)不成立)，則處理單元102將第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值做為基準值，並將第m個原始降頻信號框中第二計數值等於基準值時所對應的取樣點中最先取樣的取樣點做為第一個取樣 點，其可以下列式子(20)、(21)表示：
由式(20)、(21)可知，當第m個原始降頻信號框中編號n的取樣點所對應的第二計數值等於第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值時，(n)等於取樣點所對應的編號n，否則(n)等於4N-4。而則為在所有(n)中的最小值，其代表在第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點的相位匹配的第一個取樣點的編號，此取樣點用以做為第m個更新降頻信號框的初始取樣點。
舉例來說，假設圖2中的各個原始降頻信號框WL1~WL4分別包括401個取樣點，亦即各個原始降頻信號框WL1~WL4中分別包括0,1,2,…,400等401個取樣點。在原始降頻信號框WL2中與更新降頻信號框WL2’的中間取樣點所對應的相位基準取樣點編號(其為188)所對應的第一計數值(188)小於等於在原始降頻信號框WL2中與更新降頻信號框WL2’的中間取樣點所對應的相位基準取樣點編號取樣點對應的第二計數值(188)，且在原始降頻信號框WL2的中間取樣點(亦即在原始降頻信號框WL2中編號為188的取樣點)所對應的第一計數值(188)為18。
為找出更新降頻信號框WL3’的初始取樣點，處理單元102可計數在原始降頻信號框WL3中第一計數值(n)等於18 時所對應的取樣點的編號(由於在原始降頻信號框WL2中編號為188的取樣點所對應的第一計數值(188)小於對應的第二計數值(188)，因此以第一計數值(188)做為基準值)。如圖4所繪示之原始降頻信號框WL3的示意圖所示，在圖4的實施例中，原始降頻信號框WL3中第一計數值(n)等於18時所對應的取樣點的編號(亦即不等於0的(n)的值)包括編號20、40、63、79、...、300、325、342、363、392等的取樣點，其中編號20的取樣點為在原始降頻信號框WL3中第一計數值(n)等於在原始降頻信號框WL2中的基準值(其值為18)時所對應的取樣點中最早取樣的取樣點，因此等於20，處理單元102將其做為更新降頻信號框WL3’的初始取樣點，並將自原始降頻信號框WL3中編號20的取樣點起的連續201個取樣點做為更新降頻信號框WL3’的取樣點。如圖2所示，更新降頻信號框WL3’包括原始降頻信號框WL3中編號20~220的取樣點，其中編號120(其為更新降頻信號框WL3’的中間取樣點在原始降頻信號框WL3中所對應的取樣點編號)可做為相位基準取樣點編號，其用以做為尋找更新降頻信號框WL4’的初始取樣點的依據。類似地，更新降頻信號框WL4’的初始取樣點亦可以類似的方式得到，因此在此不再贅述。
值得注意的是，由於原始降頻信號框WL1為第一個原始降頻信號框，因此更新降頻信號框WL1’的取樣點可為自原始降頻信號框WL1所任意選出的201個連續取樣點(在本實施例中為編號100~300的取樣點)，並依據原始降頻信號框WL1中與更新降 頻信號框WL1’的中間取樣點所對應的編號做為相位基準取樣點編號(在本實施例中為編號200的取樣點)。在本實施例中，原始降頻信號框WL2中與原始降頻信號框WL1的中間取樣點的相位匹配的第一個取樣點所對應的編號為188，其中第一個取樣點(編號188的取樣點)的求取方式與上述實施例類似，本領域具通常知識者應可依據上述內容推得其實施方式，因此在此不再贅述。
在得到更新降頻信號框後，處理單元102便可對相鄰的更新降頻信號框進行50%的混疊，以產生交疊語音信號，由於此時各個更新降頻信號框的中間取樣點與下一個更新降頻信號框的初始取樣點的相位匹配，因此信號框重疊時相位不匹配所導致的信號失真情形將大幅地被改善。此外，在部份實施例中，亦可在得到各個原始降頻信號框對應的更新降頻信號框後，將降頻信號乘以漢明窗(Hamming Window)，以增加更新降頻信號框左右端的連續性。如圖2所示，在將包括更新降頻信號框WL1’~WL4’的降頻信號SL’乘以漢明窗後，可得到更新包括降頻信號框WH1~WH4的降頻信號SH，然後再將更新降頻信號框WH1~WH4進行混疊，即可得到交疊語音信號SO。
圖5繪示本發明一實施例之語音信號處理方法的流程示意圖，請參照圖5。由上述實施例可知，語音信號處理裝置的語音信號處理方法可包括下列步驟。首先，取樣原始語音信號，以產生取樣語音信號(步驟S502)。接著，降頻取樣語音信號，以產生包括一序列的原始降頻信號框的降頻信號(步驟S504)，其中降頻 信號的頻率可例如為取樣語音信號的四分之一。其中，降頻信號中部份的取樣點可透過內插運算獲得。如圖6所示，由上述實施例可知，語音信號處理裝置計算內插點的方法可包括下列步驟。首先，依據各原始降頻信號框中連續的三個取樣值計算各原始降頻信號框對應的內插參數函數之值(步驟S602)，其中內插參數函數可依據各原始降頻信號框中連續的三個取樣值間的三角函數關係計算而得，內插參數函數可為三角函數。之後，可接著判斷內插參數函數之值是否小於上限值且大於等於下限值(步驟S604)，若內插參數函數之值未小於上限值或未大於等於下限值，則修正內插參數函數之值(步驟S606)，以去除不必要的雜訊。其中上限值和下限值可視實際雜訊干擾的情形來調整，例如可依據原始語音信號之頻率與取樣單元之取樣頻率來調整上限值和下限值，而內插參數函數之值的修正方式可例如為，當內插參數函數之值大於等於上限值時，將內插參數函數之值修正為上限值，當內插參數函數之值小於下限值時，將內插參數函數之值修正為下限值。在修正完內插參數函數之值後，可接著依據各原始降頻信號框對應的內插參數函數之值計算各原始降頻信號框中相鄰兩取樣點間的內插值(步驟S608)。相反地，若內插參數函數之值小於上限值且大於等於下限值，則直接進入步驟S608，計算各原始降頻信號框中相鄰兩取樣點間的內插值。
請再次參照圖5，在步驟S504後，可依據在第m-1個原始降頻信號框中與第m-1個更新降頻信號框的中間取樣點所對應 的相位基準取樣點編號決定在第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點(步驟S506)，其中各更新降頻信號框的長度等於各原始降頻信號框的長度的二分之一，相位基準取樣點編號為在第m-1個原始降頻信號框中與第m-1個更新降頻信號框的中間取樣點所對應的取樣點的編號，m為大於1的正整數。之後，將自與相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點起的連續q個取樣點做為第m個更新降頻信號框的取樣點(步驟S508)，其中q為正整數。最後，再混疊相鄰的更新降頻信號框，以產生交疊語音信號(步驟S510)，其中相鄰兩個更新降頻信號框可例如分別具有50%的重疊區段。
圖7繪示本發明另一實施例之語音信號處理方法的流程示意圖，請參照圖7。詳細來說，圖5實施例之步驟S506在本實施例中可包括步驟S702~S706，亦即先依據第m個原始降頻信號框中取樣點的取樣值累計第一計數值以及第二計數值，其中當計數至對應取樣值為0的取樣點或與取樣值為0的取樣點相鄰的至少一取樣點時，歸零其對應的第一計數值或第二計數值(步驟S702)，然後將第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值或第二計數值做為基準值(步驟S704)，之後再依據基準值決定第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點的相位匹配的第一個取樣點(步驟S706)。更進一步來說，步驟S704可包括，先判斷第m-1個原始 降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值是否小於等於第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值(步驟S708)。若第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值小於等於第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值，將第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值做為基準值(步驟S710)，在此情形下，於步驟S706可將第m個原始降頻信號框中第一計數值等於基準值時所對應的取樣點中最早取樣的取樣點做為第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點。相反地，若第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第一計數值未小於等於第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值，將第m-1個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的第二計數值做為基準值(步驟S712)，在此情形下，於步驟S706可將第m個原始降頻信號框中第二計數值等於基準值時所對應的取樣點中最早取樣的取樣點做為第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點。
綜上所述，本發明的實施例依據在第m-1個原始降頻信號框中與第m-1個更新降頻信號框的中間取樣點所對應的相位基準取樣點編號決定在第m個原始降頻信號框中與相位基準取樣點 編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點，將自與相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點起的連續q個取樣點做為第m個更新降頻信號框的取樣點，以在對取樣語音信號做進一步的降頻(例如將頻率降為四分之一)時，仍可有效地改善信號框重疊時相位不匹配所導致的信號失真情形。
S502~S510‧‧‧語音信號處理方法的流程步驟

Claims (21)

  1. 一種語音信號處理裝置，包括：一處理單元，降頻一取樣語音信號，以產生包括一序列的原始降頻信號框的降頻信號，並依據該些原始降頻信號框產生對應的更新降頻信號框，其中各該原始降頻信號框包括p個取樣點，該處理單元依據在第m-1個原始降頻信號框中與第m-1個更新降頻信號框的中間取樣點所對應的一相位基準取樣點編號決定在該第m個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點，將自與該相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的該第一個取樣點起的連續q個取樣點做為第m個更新降頻信號框的取樣點，混疊相鄰的更新降頻信號框，以產生一交疊語音信號，其中該相位基準取樣點編號為在該第m-1個原始降頻信號框中與第m-1個更新降頻信號框的中間取樣點所對應的取樣點的編號，p、q為正整數、m為大於1的正整數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的語音信號處理裝置，其中該降頻信號的頻率為該取樣語音信號的四分之一，各該更新降頻信號框的長度等於各該原始降頻信號框的長度的二分之一。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的語音信號處理裝置，其中該相鄰兩個更新降頻信號框分別具有50%的重疊區段。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的語音信號處理裝置，其中該處理單元更依據該第m個原始降頻信號框中取樣點的取樣值累計一第一計數值以及一第二計數值，其中當計數至對應取樣值為0 的取樣點或與取樣值為0的取樣點相鄰的至少一取樣點時，歸零其對應的該第一計數值或該第二計數值，將該第m個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第一計數值或該第二計數值做為一基準值，並依據該基準值決定該第m個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的該第一個取樣點。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的語音信號處理裝置，其中該處理單元更判斷該第m-1個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第一計數值是否小於等於該第m-1個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第二計數值，若該第m-1個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第一計數值小於等於該第m-1個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第二計數值，將該第m-1個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第一計數值做為該基準值，並將該第m個原始降頻信號框中該第一計數值等於該基準值時所對應的取樣點中最早取樣的取樣點做為該第m個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的該第一個取樣點，若該第m-1個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第一計數值未小於等於該第m-1個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第二計數值，將該第m-1個原始降頻信號框中與該相 位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第二計數值做為該基準值，並將該第m個原始降頻信號框中該第二計數值等於該基準值時所對應的取樣點中最早取樣的取樣點做為該第m個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的該第一個取樣點。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的語音信號處理裝置，其中該處理單元更將該降頻信號乘以一漢明窗。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的語音信號處理裝置，其中該處理單元更依據各該原始降頻信號框中連續的三個取樣值計算與各該原始降頻信號框對應的內插參數函數之值，並依據各該原始降頻信號框對應的內插參數函數之值計算各該原始降頻信號框中相鄰兩取樣點間的內插值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的語音信號處理裝置，其中該處理單元更判斷該內插參數函數之值是否小於一上限值且大於等於一下限值，若該內插參數函數之值未小於該上限值或未大於等於該下限值，修正該內插參數函數之值，其中若該內插參數函數之值大於等於該上限值，將該內插參數函數之值修正為該上限值，若該內插參數函數之值小於該下限值，將該內插參數函數之值修正為該下限值。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的語音信號處理裝置，其中該取樣語音信號為透過取樣一原始語音信號而產生，該上限值與該下限值關聯於該原始語音信號之頻率與該取樣該原始語音信號之 取樣頻率。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的語音信號處理裝置，其中該處理單元更依據各該原始降頻信號框中連續的三個取樣值間的三角函數關係計算各該原始降頻信號框對應的內插參數函數，其中該內插參數函數為三角函數。
  11. 一種語音信號處理方法，包括：降頻一取樣語音信號，以產生包括一序列的原始降頻信號框的降頻信號，其中各該原始降頻信號框包括p個取樣點，其中p為正整數；依據在第m-1個原始降頻信號框中與第m-1個更新降頻信號框的中間取樣點所對應的一相位基準取樣點編號決定在該第m個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點，其中m為大於1的正整數，該相位基準取樣點編號為在該第m-1個原始降頻信號框中與該第m-1個更新降頻信號框的中間取樣點所對應的取樣點的編號；以及將自與該相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的該第一個取樣點起的連續q個取樣點做為第m個更新降頻信號框的取樣點，其中q為正整數；以及混疊相鄰的更新降頻信號框，以產生一交疊語音信號。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的語音信號處理方法，其中該降頻信號的頻率為該取樣語音信號的四分之一，各該更新降頻信號框的長度等於各該原始降頻信號框的長度的二分之一。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的語音信號處理方法，其中該相鄰兩個更新降頻信號框分別具有50%的重疊區段。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的語音信號處理方法，其中依據在第m-1個原始降頻信號框中與第m-1個更新降頻信號框的中間取樣點所對應的一相位基準取樣點編號決定在該第m個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的第一個取樣點的步驟包括：依據該第m個原始降頻信號框中取樣點的取樣值累計一第一計數值以及一第二計數值，其中當計數至對應取樣值為0的取樣點或與取樣值為0的取樣點相鄰的至少一取樣點時，歸零其對應的該第一計數值或該第二計數值；將該第m個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第一計數值或該第二計數值做為一基準值；以及依據該基準值決定該第m個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點的相位匹配的該第一個取樣點。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的語音信號處理方法，其中將該第m個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第一計數值或該第二計數值做為該基準值的步驟包括：判斷該第m-1個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第一計數值是否小於等於該第m-1個原 始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第二計數值；若該第m-1個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第一計數值小於等於該第m-1個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第二計數值，將該第m-1個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第一計數值做為該基準值；以及若該第m-1個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第一計數值未小於等於該第m-1個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第二計數值，將該第m-1個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第二計數值做為該基準值。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的語音信號處理方法，其中若該第m-1個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第一計數值小於等於該第m-1個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第二計數值，該語音信號處理方法包括：將該第m個原始降頻信號框中該第一計數值等於該基準值時所對應的取樣點中最早取樣的取樣點做為該第m個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的該第一個取樣點。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的語音信號處理方法，其中 若該第m個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第一計數值未小於等於該第m個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點所對應的該第二計數值，該語音信號處理方法包括：將該第m個原始降頻信號框中該第二計數值等於該基準值時所對應的取樣點中最早取樣的取樣點做為該第m個原始降頻信號框中與該相位基準取樣點編號對應的取樣點相位匹配的該第一個取樣點。
  18. 如申請專利範圍第11項所述的語音信號處理方法，包括：將該降頻信號乘以一漢明窗。
  19. 如申請專利範圍第11項所述的語音信號處理方法，包括：依據各該原始降頻信號框中連續的三個取樣值計算與各該原始降頻信號框對應的內插參數函數之值；判斷該內插參數函數之值是否小於一上限值且大於等於一下限值，若該內插參數函數之值未小於該上限值或未大於等於該下限值，修正該內插參數函數之值；以及依據各該降頻信號框對應的內插參數函數之值計算各該降頻信號框中相鄰兩取樣點間的內插值。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的語音信號處理方法，其中若該內插參數函數之值大於等於該上限值，將該內插參數函數之值修正為該上限值，若該內插參數函數之值小於該下限值，將該內插參數函數之值修正為該下限值，其中該取樣語音信號為透過 取樣一原始語音信號而產生，該上限值與該下限值關聯於該原始語音信號之頻率與該取樣該原始語音信號之取樣頻率。
  21. 如申請專利範圍第19項所述的語音信號處理方法，包括：依據各該原始降頻信號框中連續的三個取樣值間的三角函數關係計算各該原始降頻信號框對應的內插參數函數，其中該內插參數函數為三角函數。
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