矢量编码方法及其利用该方法的编码器和解码器

本发明涉及一矢量编码方法用以对语音，图像及其它各种信息进行编码 并特别适合于对在诸如汽车无线信道这种易出错的信道上传输的信息进行编 码，该方法利用大量样品矢量所组成的许多码本对一输入矢量进行编码。本 发明还涉及一利用上述矢量编码方法的矢量编码器以及对矢量编码器所编得 的码进行解码的矢量解码器。

已经提出的在易出信道差错的信道上传输各矢量的各种方法是建立样 品矢量时预先考虑可能的信道差错，并在给样品矢量编标号时把信道差错考 虑进去。这些方法在Kumazawa，Kasahara和Namekawa，“A Communication of Vector Quantizers for Noisy Channels，”Transactions of The Institute of Electronics，Information and Communication Engineers of Japan，Vol.J 67-B， No.1，pp.1-8.1984，Zeger and Gersho，“Pseudo-Gray Coding”，IEEE Trans. on Comm.，Vol.38.No.12，pp.2147-2158，1990，及其它文献中发表。这些 方法将所有样品矢量装在一个码本内，因此为了储存该码本需要巨大的存储 容量。

曾经提出通过利用两种结构的码本在量化矢量后传输这些矢量作为在 易出信道差错的信道上传输矢量而不需要巨大存储量的方法。这在Moriya， “Two Channel Vector Quantizer Applied to Speech Coding”，Transactions of the Institute of Electronics，Information and Communication Engineers of Japan，IT 87 -106，pp 25-30，1987及其它文献中发表。这种方法有两个小规模的码 本并利用两组样品矢量组合在一起以降低所需的存储容量并传输代表两组样 品矢量的两组标号以减轻信道差错的影响。这个方法将参照图1A和1B来说 明。各码本的样品矢量是事先例如由学习产生的。在图1A的编码器中，由 码本CB1取出一个样品矢量z1i而由码本CB2取出一个样品矢量z2j，随后在 矢量合成部件3中将它们相加以产生一矢量和yij＝z1i+z2j，而合成样品矢 量yij与来自输入端4的输入矢量X之间的距离d(X，yij)作为偏差在距离计算 部件5内计算。一控制部件6控制码本CB1和CB2的样品矢量选择开关7 与8而对样品矢量z1i和z2j进行搜索使距离计算部件5的输出d(X，yij)最小 化。控制部件6在输出端9提供使距离最小化的样品矢量z1i和z2j的标号i 和j作为编码输出。

在图1B所示的解码器中，控制部件12按照来自输入端11的输入码中 的标号i和j控制样品矢量选择开关13和14而从码本CB3和CB4中分别读 出样品矢量z1i和z2j。如此读出的样品矢量z1i和z2j在一矢量合成部件17中 合成为一重构矢量yij＝z1i+z2j并加到输出端18。附带说明，码本CB3和 CB4分别是与CB1和CB2相同的。

上述图1A和1B的方法节省了存储样品矢量的码本的存储容量而且通过 利用与两矢量对应的两个标号在解码器中将两矢量合成减轻了信道差错的影 响。

然而，这种方法当在信道传输中如标号发生差错则接收矢量的所有分量 都会产生失真。根据情况，该差错将会在解码输出中造成不正常的巨大失真。

这种方法的另一问题是所需的处理量是非常大的，因为在搜索使距离最 小化的一对样品矢量时需要计算两个码本的各样品矢量的每一组合的距离 d(X，yij)。

本发明的目的是提供一种矢量编码方法以防止解码器输入码中的差错 造成它输出严重失真。

本发明的另一目的是提供一种矢量编码方法以防止解码器输入码的差 错造成它输出严重失真并允许减少所需的处理量。

本发明的另一目的是提供一种体现上述矢量编码方法的矢量编码器。

本发明的另一目的是提供一种矢量解码器对用于上述各目的的矢量编 码方法所编成的一矢量进行解码。

按照本发明第一个方面的矢量编码方法和编码器，来自各有关码本的样 品矢量被合成并计算合成样品矢量与输入矢量间的距离；在这种情况下，各 待合成的样品矢量都乘以不同的预定的权系数矢量，每一权系数矢量都由同 样数目的分量组成。每一权系数矢量中至少一个分量呈现最大值，而各有关 权系数矢量中各最大分量的位置随各码本而不同。每一样品矢量与权系数矢 量的相乘是在每一码本的读出样品矢量上完成的，或者将分别预乘各权系数 矢量的各加权样品矢量预存在每一码本中。

按照本发明第二个方面的矢量编码方法和矢量编码器，在第一个方面中 与各权系数矢量相乘后的每一码本的各加权样本矢量集的分布用各条直线逼 近，然后将输入矢量投影到每一直线上，对每一码本选择出现在投影周围的 许多加权样品矢量。如此选得的各有关码本的各加权样本矢量被组合在一 起，而与输入矢量有最小距离的一个合成矢量被选为合成样本矢量。

在第三个方面中，本发明涉及一解码器，该解码器对按照第一第二个方 面编成矢量的码进行解码。各有关码本读出的各样品矢量由乘法装置乘以各 权系数矢量，而相乘后的加权样品矢量合成一重构矢量；各权系数量用本发 明第一个方面同样的方式选择。

附图的简要说明

图1A是体现一常规矢量编码方法的编码器构成方框图；

图1B是在使用图1A编码器的情况下一常规解码器方框图；

图2A是体现本发明编码器实施例的方框图；

图2B是按本发明的解码器实施例的方框图；

图3A是说明码本CB1的每一样品矢量z1i的图；

图3B是每一样品矢量z1i乘以一权系数矢量w1所得到的一矢量的图；

图3C是说明码本CB2的每一样品矢量z2j的图；

图3D是每一样品矢量z2j乘以一权系数矢量w2所得到的一矢量的图；

图3E是说明本发明中一合成矢量与一错误合成矢量的例子的图；

图3F是说明现有技术中一合成矢量与一错误合成矢量的例子的图；

图4是为了说明本发明矢量编码方法的一组加权样品矢量和一逼近直线 的图；

图5是用于CELP方案的本发明编码器的例子的方框图；

图6A是表示存有各加权增益矢量的第一码本表；

图6B是表示存有各加权增益矢量的第二码本表；

图7是表示图6A和图6B的加权增益矢量在一坐标系上的图；

图8是说明本发明编码器用于随机激励矢量的量化的方框图；

图9是说明本发明编码器用于基音激励矢量的量化的方框图；

图10是说明本发明编码器用于VSELP方案的方框图；

图11是为了对图5的增益gp和gc作矢量编码在使用一个增益码本和两 个增益码本情况下重构语音的分段信噪比与信道错误率的关系图；

图12是在图11的两种情况下重构语音平均评价分(MOS)(作为等效Q值) 与信道错误率的关系图；

图13是本发明为了对图5的增益gp和gc作矢量编码在使用两个加权增 益码本情况下重构语音的分段信噪比与信道错误率的关系图。

图2A和2B中以方框图形式说明本发明的一实施例，其中与图1A和1B 对应的各部分以同样的参考数字标明。在图2A的编码器中在样品选择开关 7，8与矢量合成部件3之间设置有乘法器21和22，选自码本CB1和CB2 的各样品矢量的L维分量(其中L是一等于或大于2的整数)z1i＝(z1i1， z1i2，……z1iL)和z2j＝(z2j1，z2j2，……z2jL)由乘法器21和22分别乘以L维权系数矢 量的对应各分量w1＝(w11，W12，……W1L)和w2＝(W21，W22，……W2L)。组成每一 权系数矢量w1和w2的L个分量中至少一个分量呈现最大值而有关权系数矢 量w1和w2中最大分量的位置随码本CB1和CB2而不同。按照本发明，令权 系数矢量w1和w2由下列权系数矩阵W1和W2表示，其对角元素各分量值 w11，W12……W1L与样品矢量的对应分量相乘： 可优选权系数矢量w1和w2使得码本CB1和CB2的权系数矩阵W1和W2之 和成为如下的单位矩阵乘以一常数： 其中k是一预定常数。由样本矢量z1i和z2j分别乘以权系数矢量w1和w2所 得到的矢量w1z1i和w2z2j在矢量合成部件3中合成，并且对码本CB1和CB2 搜索z1i和z2j使得合成矢量yij与输入矢量X间的距离最小化。

对于上述的这种配置，例如当L＝2时，样品矢量z1i和z2j分别由两维 矢量z1j＝(z1i1，z1i2)和z2j＝(z2j1，z2j2)表示。假定k＝2及满足式(3)的权系数是 w1＝(w11＝1.8，W12＝0.2)和w2＝(W21＝0.2，W22＝1.8)。假定码本CB1的各 样品矢量z11，z12，……如图3A所示在由第一维方向内的z1i1和第二维方向内的 z1i2所确定的某一二维范围的平面内充分均匀分布，则由每一样品矢量z1i＝ (z1i1，z1i2)乘以权系数矢量w1＝(1.8，0.2)所得到的加权样品矢量z11′和z12′如图 3B所示集中靠近于第一维的轴。类似地，假设码本CB2的各样品矢量z21， z22，……如图3C所示在由两个轴所确定的某一两维范围的平面内充分地均匀 分布，由各样品矢量z21，z22，……乘以权系数矢量w2＝(0.2，1.8)所得到的加权 样品矢量如图3D所示集中靠近第二维的轴。

例如假定在发送端判断样品矢量z1i和z2j的合成矢量yij相对于输入信号 X具有最小的失真时由于信道差错一个加权样品矢量z1i如图3E所示变成了 z1i′。在这种情况下在接收端该合成矢量yij变成了yij′。加权样品矢量z1i有可 能变成任何其它的加权样品矢量z1i′，但是由于矢量z1i具有有偏的分布，则 不管矢量z1i可能变化多大，合成矢量yij与yij′之间的误差矢量Δy＝yij- yij′的第二维分量值是相对小的。与此相反，在合成矢量未经与权系数相乘的 情况下，如果一个样品矢量z1i变成样品矢量z1i′，则矢量z1i和z1i′与其它样品 矢量z2j的合成矢量如图3F所示分别成了yij和yij′。由于样品矢量z1i可能变 成码本CB1的任何样品矢量同时由于样品矢量z11，z12，……在一大范围内分 布，则合成矢量yij与改变后的合成矢量yij′之间的误差矢量可能有很大的第 一维和第二维分量。

换句话说，在图3E的例子中，当加权样品矢量w1z1i＝(w11z1i，W12z1i2) 由于信道差错变成了w1z1i′＝(w1121i1′，w12z1i1′)时，失真集中于第一维分量 w1z1i1′上以减轻第二维分量W2z1i2′的失真，由此总的失真降低了。

图2B以方框图形式说明本发明解码器的一实施例，该解码器由图2A 编码器的标号i和j以及权系数矢量w1和w2供给，并将码yij解码。该解码 器具有与图2A的CB1和CB2相同的码本CB3和CB4，从码本CB3和CB4 读出输入码标号i和j的样品矢量并和图1B情况那样将它们合成。在本实施 例中，开关13，14和矢量合成部件17之间设置有乘法器24和25，利用该 两乘法器将读自码本CB3和CB4的样品矢量z1i和z2j乘以图2A编码器中相 应乘法器21和22所用的相同权系数w1和w2。如此乘得的样品矢量w1z1i 和w2z2j在矢量合成部件17中合成为重构矢量yij。显然，也可以将各样品矢 量z1i和z2j分别与各权系数矢量w1和w2相乘所得到的各加权样品矢量预先 储存在图2A和2B的码本CB1，CB3和CB2，CB4中从而节省了乘法器21，22， 24和25。

在图2A的编码器中对预先存储在码本CB1和CB2中的各样品矢量z1i 和z2j的每一组合确定其合成矢量yij，随后计算每一合成矢量相对于输入矢 量X的失真并作为判决哪对样品矢量z1i和z2j给出最小的失真。然而对于这 种方法随着码本CB1和CB2规模的增加其计算量急剧地上升。下面将说明 一种方案，该方案预先选择少量的样品矢量z1i和z2j，并在它们之间确定最 小失真的样品质量对，从而降低了计算复杂性并因而缩短了操作时间。

例如假设图2A的码本CB1和CB2分别有8和16个样品矢量，而矢量 z1i和z2j都是两维的。在图4中码本CB1的8个样品矢量z1i和权系数矢量w1 ＝(w11＝1.8，W12＝0.2)相乘所得到的8个加权样品矢量用叉来表示；类似 地，码本CB2的16个样品矢量z2j与权系数矢量w2＝(w21＝0.2，w22＝1.8) 相乘所得到的16个加权样品矢量用白圈来表示。输入信号矢量用X表示， 它由每帧预定数目的信号抽样组成，在本例中为两个抽样。

两维矢量z1i和z2j的两维权系数矢量w1和w2是按满足式(3)来确定的； 在本例中w11+W21＝W12+w22＝2。如图4所示，以白圈标记的各加权样品矢 量和以叉标记的各加权样品矢量分开地分布在一条通过原点(0，0)的45°斜 率直线的两边。以下说明将假定图2A的码本CB1和CB2以及图2B的CB3 和CB4中存储的是省去乘法器21，22，24和25的这种加权样品矢量。

对于这种方案，码本CB1的加权样品矢量集(以叉表示)由一直线27来 逼近。这就是说，直线27的确定使它与有关各叉点之间的各距离D11， D12......D18(或者说第二维方向轴内的距离)的总和为最小。同样地，码本CB2 的加权样品矢量集(以白圈表示)由一直线28逼近。该直线28的确定也是使 它与有关各白圈点之间的距离D21，D22，......D216(或者说第一维方向轴内的距 离)的总和为最小。

将该输入矢量X投影到逼近直线27和28上，并且选择出现在投影周围 的许多加权样品矢量。计算是由横坐标上的值构成的，即计算穿过输入信号 矢量X并和逼近直线28平行的一直线29与逼近直线27的交点P1的第一维 的值P1x，随后将P1x值与有很宽的第一维分布的叉标记的各加权样品矢量的 第一维值(第一分量值)作比较，并按P1x值与有关各加权样品矢量第一维值间 的差的增序选择预定数量(例如三个)的加权样品矢量组成一子组H1。用这种 办法为码本CB1预先选择了各加权样品矢量。类似地计算出纵坐标的值，也 就是计算出穿过输入信号矢量并和逼近直线27平行的一条直线31与逼近直 线28的交点P2的第二维的值P2y，随后将P2y与有很宽的第二维分布的白圈 标记的各加权样品矢量第二维值(第二分量值)作比较，并按P2y值与各加权样 品矢量第二维值之间的差的增序选择预定数量(例如三个)的加权样品矢量组 成一子组H2。这是为码本CB2预先选择加权样品矢量。

只有从码本CB1和CB2中如此预选出的各加权样品矢量才被搜索以得 到一对加权样品矢量使它们的合成矢量与输入信号矢量间的距离最小。在本 例中，由于从每一码本CB1和CB2中预选三个加权样品矢量，它们的组合 数是9，因此合成矢量数是9。当不采用预选方案时，加权样品矢量的组合 数(合成矢量数)是8×16＝128，因此当作预选时，与输入信号矢量X间距 离的计算量降低为不作预选时的计算量的9/128。在这个预选方案中，当使 用M个码本时，各样品矢量的维数也定为M。M个权系数矢量各有至少一 个最大分量在不同的分量位置上(即在不同的维内)，而由于各样品矢量乘以 权系数矢量，该维比其它各维加强。

图5说明本发明编码方法用于CELP(码激励线性预测编码)系统的语音 编码的实施例。在ECLP系统中，如M.R.Schroeder和B.S.Atal在“Code Excited Linear Prediction(CELP)：High Quality Speeeh at Very Low Bit Rates”， Proc.ICASSP′85，pp 937-940，1985中所揭示的，例如，将一基音激励源 码本读出的各基音激励矢量和一随机激励源码本读出的各随机激励矢量分别 配以增益并组合成对，随后将各该合成矢量作为激励信号反馈给一综合滤波 器以得到综合语音，然后，确定出使综合语音相对输入语音的失真最小化的 两个矢量和两个增益，并将这些矢量的标号和增益的标号和综合滤波器的各 滤波器系数一起作为输入语音的编码结果输出。将本发明的矢量编码方法用 于对CELP系统中两个矢量的增益进行编码，可能防止代表增益的码中有信 道差错造成解码后的或者重构的语音严重失真。

通过输入端口34馈入的输入语音信号X以一固定的周期采样并表示成 一矢量，该矢量是每个帧周期的一序列数字采样值。将一帧的输入信号矢量 X例如在一滤波器系数确定部件35中作一LPC分析由此得到各线性预测系 数。各线性预测系数用来计算谱包络参数，该参数在滤波器系数量化部件36 中进行量化，而量化后的值作为综合滤波器37的滤波器系数。在一基音激励 源码本39中储存着分别包含不同基音周期分量的波形的各采样值序列并标 以各基音激励矢量标号。在一随机激励源码本43中储存着各种随机波形的采 样值序列并分别标以各随机激励矢量标号。储存在基音激励源码本39和随机 激励源码本43中的各基音激励矢量和随机激励矢量各由与一个帧中采样数 相同的数目的分量所组成。一选择开关38受控制部件6的控制选择基音激励 源码本39中的一个基音激励矢量，而将选得的基音激励矢量乘以增益提供部 件41内的一给定增益，然后加到综合滤波器37。由一减法器48计算来自综 合滤波器37的综合语音信号XP与输入语音信号X的差值，并在失真计算部 件5中利用该差值计算失真量D，D＝‖X-XP‖2。类似地，其它各基音 激励矢量通过受控于控制部件6的开关38序贯地从基音激励源码本39中取 出，然后对每一基音激励矢量计算出上述失真量，并确定出失真最小的该基 音激励矢量。其次，通过开关42取出储存在随机激励源码本43中的一个随 机激励矢量，并乘以增益提供部件46中的给定增益，然后加到一加法器47， 在加法器47中，与前已确定的该基音激励矢量合成一激励信号矢量E。将 该激励信号矢量E加到综合滤波器37以产生综合语音并类似地计算出它相 对于输入语音信号的失真量。同样，对随机激励源码本43中其它每一个随机 激励矢量计算这种失真量并确定出最小失真的该随机激励矢量。

在如上所述地选择出基音激励矢量和随机激励矢量后，按下面所述确定 增益提供部件41和46的增益gp和gc以便使失真最小化。在增益码本CB1 和CB2分别储存增益矢量z1i(其中i＝1，……a)和z2j(其中j＝1，……b)。增益 矢量z1i和Z2j都由二个分量组成，分别表示成z1i＝(z1i，z1i2)和z2j＝(z2j1，z2j2)。 取自增益码本CB1和CB2的增益矢量z1i和z2j由乘法器21和22分别乘以权 系数w1＝(w11，W12)和w2＝(w21，W22)，并由此得到加权增益矢量yi＝(yi1，yi2) 和yj＝(yj1，yj2)。这里

yi1＝z1i1 w11，yi2＝z1i2 w12，yj1＝z2j1 w21，yj2＝z2j2w22    (4) 在矢量合成部件3中加权增益矢量yi和yj按下列方式组合成一合成增益矢量 G＝(gp，gc)：

gp＝yi1+yi1，gc＝yi2+yj2                     (5) 该合成增益矢量G的第一和第二分量gp和gc作为第一和第二增益加到增益 提供部件41和46，在该部件41和46中该两增益用来与来自基音激励源码 本39及随机激励源码本46的基音激励矢量CP及随机激励矢量CR分别相 乘。

与增益提供部件41及46中的增益gp及gc相乘后的基音激励矢量gpCP 及随机激励矢量gcCR由加法器47相加在一起，相加后的输出作为激励矢量E ＝gpCP+gcCR加到综合滤波器37以综合出语音 由减法器48计算综合语 音 和输入语音信号X的差值，并将差值送到失真计算部件5计算出作为综 合语音 相对输入语音信号X的失真量D＝‖X-X‖2。控制部件6控 制选择开关7和8以控制增益码本CB1和CB2的各增益矢量的选择，而选 出的增益矢量z1i和z2j由乘法器21和22分别乘以不同的权利系数矢量w1和 w2，然后加到矢量合成部件3。权系数矢量w1和w2是满足式(3)的两维矢量， 每一矢量的两个元素彼此不同。码本CB1和CB2的增益矢量的选择是使失 真计算部件5计算出的失真量最小化。在选择出使失真量最小化的增益矢量 后，将代表增益码本CB1及CB2所选增益矢量的各增益标号，代表上述所 确定的基音激励源码本39及随机激励源码本43的基音激励矢量及随机激励 矢量的各标号以及代表综合滤波器37内所置滤波器系数的标号作为输入语 音信号X的编码结果从一码输出部件49输出。

在图5的实施例中，对选自增益码本CB1及CB2的各增益矢量的每一 组合都计算出失真量以便确定提供最小失真的增益矢量对。然而，参照以前 图4的情况，提供最小失真的增益矢量对也可以由预选许多增益矢量z1i及z2j 并对这些预选增益矢量的每一组合和基音激励矢量CP及随机激励矢量CR结 合在一起计算失真量来确定。在这种情况下，如图4情况一样。例如，由预 先计算出加权增益矢量

y1i＝z1iw1＝(z1i1w1，z1i2w22)＝(y1i1，y1i2)

y2j＝z2jw2＝(z2j1w2i，z2j2w22)＝(y2j1，y2j2) 来制定如图6A及6B所示的表1及表2加权增益码本CB1′及CB2′，其中y1i 及y2j是增益码本CB1及CB2的增益矢量z1i及z2j与权系数矢量w1＝(w1i，w12) 及w2＝(w21，w22)的乘积，码本CB1′及CB2′用来作为图5中码本CB1及CB2 的替代物而省去了乘法器。和图4情况一样，加权增益码本CB1′的所有两维 加权矢量y1i绘制成一两维坐标上的各个点，如图7中黑圈所示并用最小二乘 法预先算出一条最靠近这些点组的直线L1。类似地，加权增益码本CB2′的 所有两维加权矢量y2j画成一两维坐标上的各个点，如图7中白圈所示，并用 最小二乘法预先算出一条最靠近这些点组的直线L2。

和图5例子情况一样，任意设定增益提供部件41和46的增益，确定给 出最小失真的基音激励矢量CP，接着确定给出最小失真的随机激励矢量 CR。其次，当只加有基音激励矢量CP作为增益gp＝1和gc＝0的激励信号 时计量综合滤波器37的输出 。类似地，当只加有随机激励矢量CR作为增 益gp＝0和gc＝1的激励信号时，计量综合滤波器37的输出 。当选自码 本39和43的矢量CP和CR乘以增益gp和gc时，综合滤波器37的综合语音 输出 表示成 ，综合语音 相对输入语音X的失真量D 由下式给出： $D=\left|\right|X-g_p{\hat{X}}_p-g_c{\hat{X}}_R{\left|\right|}^2$ $=X^{t}X+{g_p}^2{{\hat{X}}_P}^t{\hat{X}}_P+{g_c}^2{{\hat{X}}_R}^t{\hat{X}}_R$ $-2g_p{\hat{X}}^t{\hat{X}}_P-2g_c{\hat{X}}^t{\hat{X}}_R-2g_p{g}_c{{\hat{X}}_P}^t{\hat{X}}_R---\left(6\right)$ 其中t表示转置。将上式对增益gp和gc作偏微分以求得失真量最小化的增益， 得到下列各方程式： $\partial D/{\partial g}_p=2g_p{{\hat{X}}_P}^t{\hat{X}}_P-2{\hat{X}}^t{\hat{X}}_P-2g_c{{\hat{X}}_P}^t{\hat{X}}_R---\left(7\right)$ $\partial D/{\partial g}_c=2g_c{{\hat{X}}_R}^t{\hat{X}}_R-2{\hat{X}}^t{\hat{X}}_R-2g_p{{\hat{X}}_P}^t{\hat{X}}_R---\left(8\right)$ 由于由式(6)显见失真量D相对增益gp和gc是一朝下凸出的函数，则使失真 量D最小化的增益gp和gc是当D/gp＝0及D/gc＝0时的值。因此，由 式(7)，(8)我们分别有 $g_p{{\hat{X}}_P}^t{\hat{X}}_P-g_c{{\hat{X}}_P}^t{\hat{X}}_R={\hat{X}}^t{\hat{X}}_P---\left(9\right)$ $-g_c{{\hat{X}}_P}^t{\hat{X}}_R+g_c{{\hat{X}}_R}^t{\hat{X}}_R={\hat{X}}^t{\hat{X}}_R---\left(10\right)$ 由下式 $\left[\begin{array}{cc}{{\hat{X}}_P}^t{\hat{X}}_P& -{{\hat{X}}_P}^t{\hat{X}}_R\\ -{{\hat{X}}_P}^t{\hat{X}}_R& {{\hat{X}}_R}^t{\hat{X}}_R\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{g}_p\\ g_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\hat{X}}^t{\hat{X}}_P\\ {\hat{X}}^t{\hat{X}}_R\end{array}\right]---\left(11\right)$ 同时满足式(9)和(10)的增益gp和gc表示成： $\left[\begin{array}{c}{g}_p\\ g_c\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{{\hat{X}}_P}^t{\hat{X}}_P& -{{\hat{X}}_P}^t\\ -{{\hat{X}}_P}^t{\hat{X}}_R& {{\hat{X}}_P}^t{\hat{X}}_R\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{\hat{X}}^t{\hat{X}}_P\\ {\hat{X}}^t{\hat{X}}_R\end{array}\right]---\left(12\right)$ 将式(12)展开，增益gp和gc分别由下列方程给出 $g_p=k\{{{\hat{X}}_R}^t{\hat{X}}_R·{\hat{X}}^t{\hat{X}}_P+{{\hat{X}}_P}^t{\hat{X}}_R·{\hat{X}}^t{\hat{X}}_R\}---\left(13\right)$ $g_c=k\{{{\hat{X}}_P}^t{\hat{X}}_P·{\hat{X}}^t{\hat{X}}_R+{{\hat{X}}_P}^t{\hat{X}}_R·{\hat{X}}^t{\hat{X}}_P\}---\left(14\right)$ 其中 。这样得到的增益对{gp，gc}是使失 真量D最小化的增益组合。这对增益绘制成最佳增益矢量用图7的点g0表 示，从点P0画两条与直线L2和L1平行的直线，确定它们与直线L1和L2的 交点P1和P2。从码本CB1′(见说明书后的表I)选一些其纵坐标靠近点P1的 加权增益矢量y1i＝(y1i1，y1i2)组成第一个子组。类似地从码本CB2′(见说明书 后的表II)选一些其横坐标值靠近点P2的加权增矢量y2j＝(y2j1，y2j2)组成第二 个子组。

在本情况下，按离开点P1和P2距离的增序选择预定数目的加权增益矢 量(例如对于点P1从表I选4个，对于点P2从表II选8个)。另一种方法是选 择处于离P1和P2预定距离d1和d2内的各加权增益矢量。还有一种办法是， 由于码本CB1′中预存有8个矢量y1i，分别计算出n＝1，2，3，4时第i＝n与 第i＝n+4的增益分量y1i2的各平均值，这样得到的值作为阈值Th1，Th2，Th3 及T4。如果交点P1的纵坐标值P1C是P1C≤Th1，则选择第(i＝1，……，4)个 加权增益矢量，如果Thn＜P1C≤Thn+1，其中n＝1，2，3，4，则选择第(i ＝n+1，……，n+4)个加权增益矢量。类似地，由于存储在码本CB2′中的矢 量y2j的数目为16，分别算出m＝1，……，8时第j＝m与第j＝m+8的增 益分量y2j1的各平均值，这样得到的值作为阈值Th1，……Th8。如果交点P2 的横坐标值P2P是P2P≤Th1，选择第(j＝1，……，8)个加权增益矢量，而如 果Thm＜P2P≤Thm+1(其中m＝1，……，8)则选择第(i＝m+1，……，m+ 8)个矢量。还可以采用其它不同的选择方法。

下面将说明另一种从码本中预选矢量的方法，该方法不利用上述基于最 小二乘法的逼近直线L1和L2。首先，当综合滤波器37只加有来自基音激励 源码本39的基音激励矢量CP作为增益gp＝1和gc＝0的激励信号矢量E时， 计量该综合语音信号XP，类似地，当只加有来自随机激励源码本43的随机 激励矢量CR作为增益矢量gp＝0和gc＝1的激励信号矢量E时，计量该综 合语音信号XC。对于预选选定的存于增益码本CB1中的各增益矢量，对每 一i计算出如下的D1(i)值： $D_1\left(i\right)=\left|\right|X-w_{11}{z}_{1i1}{\hat{X}}_P{\left|\right|}^2---\left(15\right)$ 然后按D1(i)值的增序从增益码本CB1预选出预定数目(例如三个)的增益矢 量。类似地，对于预先选定的存于码本CB2中的各增益矢量，对每一j计算 出如下的D2(j)值： $D_2\left(j\right)=\left|\right|X-w_{11}{z}_{2j2}{\hat{X}}_C{\left|\right|}^2---\left(16\right)$ 然后按D2(j)值的增序从增益码本CB2预选出三个增益矢量。只对从码本CB1 和CB2如此预选出的三对增益矢量z1i和z2j，计算D(i，j)如下： $D(i,j)=\left|\right|X-(w_{11}{z}_{1i1}+w_{12}{z}_{1i2}){\hat{X}}_P-(w_{12}{z}_{2j1}+w_{11}{z}_{2j2}){\hat{X}}_C{\left|\right|}^2\left(17\right)$ 然后将使D(i，j)值最小化的i和j作为编码输出。这个方法也能降低计算复杂 性。

在从第一和第二个子组中分别逐一挑出的所有对预选加权增益矢量中 找出提供离输入语音失真最小的一对加权增益矢量，这就是说，这样确定并 组合成了第一和第二增益gp和gc的最佳配对。然后，将代表前已确定的基音 激励矢量与随机激励矢量对和合成增益矢量(gp，gc)的各标号，也就是基音激 励源码本39内的基音激励矢量的标号，随机激励源码本43内的随机激励矢 量的标号，加权增益码本CB1′及CB2′(或增益码本CB1及CB2)内的增益矢 量的标号以及由量化滤波器系数所产生的标号作为输入语音矢量X的编码结 果输出。

总之，在权系数矢量相应分量w11和W21的比例例如超过2∶1时由乘法器 21和22乘以权系数矢量w1和w2(的这一步骤)开始产生防止信道差错造成严 重失真的效应。然而，该比例为10∶1或更高时，信道差错的失真不能明显改 善或抑制，相反，当无信道差错时，即当信道正常时解码输出反倒严重失真。

在图5的实施例中，为了对读自基音激励源码本39和随机激励源码本 43的各激励矢量提供增益，各权系数矢量，加权增益矢量以及合成增益矢量 都被描述成是两维的矢量。然而在CELP系统中，有些场合配置有许多基音 激励源码本和随机激励源码本(以后简称为各激励源码本)并且将读自各激励 源码本的各激励矢量分别乘以增益而组成激励信号矢量E。一般说来，按照 本发明，当采用M个激励源码本时，配备M个增益码本(或加权增益码本) 以提供增益给M个激励矢量而合成增益矢量，各权系数矢量以及各加权增益 矢量相应地都是M维的矢量。

在图5的实施例中，随机激励源码本43可能由许多码本组成。例如， 如图8所示，随机激励源码本43由两个码本43a和43b组成；在这种情况下， 从码本43a和43b各选择一个随机激励矢量并将选出的随机激励矢量分别由 权系数乘法器51a和51b乘以权系数矢量wRa和wRb。选择的权系数矢量wR。 和wRb具有与前面所述图2A的权系数矢量w1和w2间同样的关系。乘法器 51a和51b的输出在随机矢量合成部件52内合成，而合成后的输出当成图5 中随机激励源码本43选出的随机激励矢量加到增益提供部件46。如前面参 照图5所述的，在控制部件6的控制下从随机激励源码本43a和43b中选择 的随机激励矢量使综合语音信号 离输入语音信号X的失真成为最小。

和随机激励矢量编码情况一样，本发明也能用于图5中基音激励矢量的 编码。这就是说，如图8所示，基音激励源码本由两个码本39a和39b组成， 从码本39a和39b中各选出一个基音激励矢量，然后由权系数乘法器53a和 53b分别乘以权系数矢量wpa和wpb，随后将这些相乘后的输出在基音激励矢 量合成部件54内合成，合成后的输出当成图5中从基音激励源码本43选出 的基音激励矢量加到乘法器41。乘法器53a和53b内所置的权系数矢量wp。 和wpb以图2A中权系数w1和w2相同的方式确定。

将滤波器系数量化部件36构造成如同图2A的形式则本发明可用于图5 中所示的滤波器系数量化部件中的量化过程。即，在图2A的码本CB1和CB2 中预先储存各样品谱包络矢量，然后从码本CB1和CB2各选一个样品谱包 络矢量，与权系数矢量w1和w2的相应的一个矢量相乘，而相乘后的矢量在 矢量合成部件3中合成。搜索由码本CB1和CB2选出的各样品谱包络矢量 找出一种样品谱包络矢量的组合使它们的合成矢量与来自滤波器系数确定部 件35(图5)的输入谱包络矢量之间的距离最小。

本发明的矢量编码方法也可用于VSELP系统。图l0说明它的实施例的 主要部件。在这种情况下，图5的随机激励源码本43由许多基本矢量码本 431到43n组成，每一基本矢量码本中存储一个随机激励矢量。从基本矢量码 本431到43n读出的随机激励矢量在极性控制部件561到56n中被极化成正或 负而极化控制后的随机激励矢量由权系数乘法器571到57n乘以系数矢量wR1 到wRn。各相乘后的输出由一加法器58相加在一起，而相加后输出作为随机 激励矢量加到图5的乘法器46。极性控制部件561到56n由图5的控制部件 6逐一控制从而使综合语音信号离输入语音信号的失真最小化。换句话说， 每一对基本矢量码本43i(其中i＝1，……，n)和极性控制部件56i组成一个随机 激励源码本，由控制部件6选择正和负随机激励矢量的两者之一。权系数乘 法器571到57n的权利系数矢量wR1到wRn间的关系与前面图2的各权系数矢 量之间的关系相同。

由以上参照图10的说明可知，图5中随机激励源码本43也可用图10 的基本矢量码本431到43n和极化控制部件561到56n来替代。对图8的码本 43a和43b也同样成立。图5中基音激励源码本39也可以用所谓的自适应码 本来组成，该自适应码本从分析前一帧的激励信号矢量E和输入语音信号所 得到的基音周期自适应地产生基音激励矢量。当采用图8或图10的结构代替 随机激励源码本43时，这种自适应码本可用作基音激励源码本39。另外， 本发明也可用于语音信号功率的矢量编码、谱包络参数的矢量编码，基音激 励源码本的矢量编码以及随机激励源码本的矢量编码的任意组合。

如前所述，图2A中将加权样品矢量w1z1i和w2z2j作为样品矢量预先储 存可以省去乘法器21和22，该加权样品矢量是由码本CB1和CB2中的各 样品矢量乘以权系数w1和w2得到的。类似地，图2B中将加权样品矢量w1z1i 和w2z2j分别预先储存在码本CB3和CB4中则也可省去乘法器24和25。同 样在图5的实施例中，将加权增益矢量预先储存在增益码本CB1和CB2中 可省去乘法器21和22。在图8和图9中将加权矢量预先储存在码本43a， 43b和39a，39b中同样能省去乘法器51a，51b和53a，53b。虽然以上从两个 码本中读出的样品矢量是作矢量合成的，本发明也可用于从三个或更多码本 中读出样品矢量作矢量合成的系统。此外，本发明的图5实施例是作为用于 语音信号编码来说明的，但不须多说本发明除了用作语音信号编码外还可用 于普通声学信号编码。

下面将说明常规技术和本发明应用于图5所示CELP语音编码中增益gp 和gc的矢量编码场合下所得到的性能。

(A)第一个常规技术用由7位标号指定并有27＝128个标号的两维增益 矢量的一个增益码本替代图5中的两个增益码本CB1和CB2。从增益码本 读出的两维矢量的一个分量用作基音激励矢量的增益gp而另一个分量用作 随机激励矢量的增益gc。

(B)第二个常规技术采用图5的两个增益码本CB1和CB2但没有使用权 系数矢量。码本CB1中预先储存23个两维矢量，每一个由3位标号指定而 码本CB2中预先储存24个两维矢量，每一个由4位标号指定。从两个码本 中分别选出的矢量合成为一个两维合成矢量；合成矢量的一个成分用作增益 gp而另一个用作gc。

(C)在本发明用于图5中增益矢量编码的例子中，从上述(B)情况的增益 码本CB1和CB2读出的增益矢量乘以权系数矢量w1＝(1.8，0.2)及w2＝(0.2， 1.8)并随后相加在一起成一合成矢量。储存加权增益矢量的码本CB1′和CB2′ 和图6A和6B中的相同，该加权增益矢量是由两码本CB1和CB2读出的增 益矢量乘以权系数矢量w1和w2而得到的。

图11图中曲线A11和B11表示图5中由情况(A)和(B)的结构产生的语 音编码输出中增益标号发生信道差错时重构语音的分段信噪比的测量结果与 错误率的关系。分段信噪比是由测量几分钟的每帧信噪比并将测量结果取平 均而得到的。采用两个码本(曲线B11)要比采用一个码本(曲线A11)得到更好 的分段信噪比与信道差错的关系。

图12中曲线A12和B12表示图11情况下24个普通人对重构语音的平 均评价记分所转换成的等效Q值相对于增益标号信道差错率的关系曲线。由 图12显见，从信道差错率的观点看采用两个码本更为可取，即使图11的两 种情况的信噪比性能没有很大差别，但它们音质上差别是很大的。

和图11一样，图13中曲线C13表示情况(C)的重构语音分段信噪比测 量值与信道错误率的关系，所示情况(B)的曲线B11是为了比较用。显然，本 发明情况下的重构语音信噪比与信道错误率的关系要优于现有技术。由于图 11和12中所示信噪比的差异对等效Q值产生很大影响，可以料到采用两个 加权码本的本发明要比采用两个非加权码本的情况进一步改善等效Q值。

如上所述，在采用各有L维矢量的许多(M)个码本的情况下，对各码本 选择L维的权利系数矢量w1，……wM使得权系数矩阵w1，……，wM(每一矩阵的 对角元素为各权系数矢量分量)的总和成为一常数乘以单位矩阵。其结果是每 一码本的矢量的分布被L个权系数矢量偏移成各个矢量逼近L维坐标系的不 同的坐标轴(即压缩其它维的分量值)。在信号由每一码本的一对这种加权矢 量以最小化失真方式编码并且对应该权系数矢量M码本的标号被传输的情 况下，如果例如在信道传输中一个标号发生差错，有可能在某一维的坐标轴 方向的误差是大的，但是由于其它所有维的坐标轴方向的误差被压缩了，合 成矢量的绝对值误差不会变得太大。因此，本发明应用于语音信号编码时对 抑制信道差错造成的不正常是有效的。

另外，按照本发明，为输入信号矢量对每一码本预选许多加权矢量，并 只对这些预选矢量计算编码失真，这将显著降低编码过程中的计算量因而加 速了编码过程。

本发明还可用于所谓的CELP或VSELP语音编码方案，在这种情况下， 本发明可单独或同时用于谱包络参数的矢量编码、功率的矢量编码以及每一 码本的矢量编码。

显然，对本发明可以进行许多改进和变型，但都未脱离本发明的新概念 的范畴。