对音频信号进行代码变换的方法、码变换器、网元、无线通信网和通信系统

摘要

本发明与在一个通信系统对音频信号进行代码变换的方法有关。为了改进在能处理宽带音频信号的单元(2，40)与能处理窄带音频信号的单元(3，46)或网络组成部分(50)之间的互操作性，提出首先在发送所述音频信号所经过的通信网的一个网元(42)内接收音频信号。然后，在所述网元(42)内确定是否需要对接收到的音频信号进行代码变换。在需要对接收到的信号进行窄带－宽带代码变换的情况下，在网元(1，42)内将接收到的窄带音频信号代码变换成一个宽带音频信号。再将所产生的宽带音频信号转发给接收终揣(2，40)。本发明同样还涉及到相应的通信系统及其组成部分。

说明书

技术领域

本发明与对通信系统内需通过通信网发送给一个接收单元的音频信号进行代码变换(transcoding)的方法有关。本发明同样也与码变换器有关、与包括码变换器的网元有关和与包括带有码变换器的网元的无线通信网和通信系统有关。

背景技术

在传统的电信系统中，发送语音信号所用的带宽通常被限制在300至3400Hz的频率范围内，采样率为8kHz。这个限制适合采用在ITU-T G.711规范内规定的64kbit/s编码的普通PCM(脉冲编码调制)语音，以及适合在电信系统内使用的大多数低比特率语音编码方法。

用这样窄的频率范围传输语音降低了语音出现在接收端时的自然性和明了性。因此，引进了宽带语音，为接收端的用户提供较好的语音质量。宽带语音编解码器(压缩器/解压缩器)例如在ITU-T G.722中标准化，将带宽扩展到高达8kHz，而采样频率为16kHz。然而，当前的宽带语言传输需要例如ISDN(综合业务数字网)的比特透明的端到端连接。只有在两个宽带终端之间的免汇接操作(TFO)或免码变换器操作(TrFO)的连接允许完全运用宽带终端能力。此外，要求在传输端双方配备有同样的宽带编解码器的专用终端。这些限制至今还限制着宽带语音的应用。

将来，随着即将出现的在各个3GPP规范中标准化的自适应多速率宽带(AMR-WB)语音编解码器将用于2G(第二代)和3G(第三代)网络，宽带语音的重要性日益增加。但是AMR WB也要求终端具有比特透明的免汇接操作和AMR-WB能力。

迄今为止，大多数终端仍然还使用窄带语言传输，而每个在一方是宽带终端与另一方是窄带终端之间的连接都是窄带连接。为了在一个有AMR-WB能力的终端与一个象PSTN(公用电话交换网)或PLMN(公共陆地移动网)终端那样的传统的窄带(NB)终端之间建立呼叫，需要协商编码方法，从而AMR-WB终端应该用窄带编解码器，或者需要在网络内将AMR-WB语音帧代码变换成窄带语音和将窄带语音代码变换成AMR-WB语音帧。在这两种情况下，接收AMR-WB终端的用户将感受到窄带语音。因此，AMR-WB对AMR-WB的呼叫与窄带对AMR-WB呼叫之间将有令人烦恼的质量差异。这还降低了采用宽带终端所获得的效益，直到这样的终端成为广泛可用。

宽带终端的用户接入窄带业务，例如广播、语音邮件系统、交互语音接口和窄带音频流应用，也会遇到同样的问题。在需为宽带和窄带两种终端提供基于语音的网络业务的情况下，存储两种终端的语音样本所需的存储容量是传统的窄带情况的三倍。

传输宽带音频信号的另一个问题是宽带终端所用的扩展了的音频带宽需要更大的传输容量。具体地说，传输容量要求为相当的语音编码方案的两倍。此外，在无线通信网内采用宽带语言传输是困难的，因为缺乏为电信网设立的宽带编解码器。

发明内容

本发明的一个目的是改进在能处理宽带音频信号的单元与能处理窄带音频信号的单元或网络组成部分之间的互操作性。

本发明的另一个目的是可在将窄带音频信号发送给一个能处理宽带音频信号的接收单元时获得较好的音频质量。

在一个方面，本发明提出了一种在一个通信系统内对一个要通过一个通信网发送给一个接收单元的音频信号进行代码变换的方法。所提出的方法包括在通信网的一个网元内接收一个音频信号的第一步骤。在本方法的第二步骤，在这个网元内确定是否需要对接收到的音频信号进行代码变换。这个决定是根据接收到的信号的类型和根据接收单元的能力和/或将网元与接收单元互连的互连网络的能力作出的。然后，在接收到的音频信号是一个窄带音频信号的情况下和在确定需要对接收到的信号进行窄带-宽带代码变换的情况下，在这个网元内将接收到的窄带音频信号变换成一个宽带音频信号。最后，将所产生的宽带音频信号转发给接收单元。

另一方面，本发明提出了一种用于一个通信网的网元的码变换器，这种码变换器包括将一个接收到的窄带音频信号变换成一个宽带音频信号的变换装置。实际上是否执行代码变换取决于一个来自所述网元内的是否需要对一个接收到的信号进行窄带-宽带代码变换的指示。这个指示甚至可以在码变换器本身内产生。

此外，本发明提出了一种用于一个通信网的网元，这种网元除了所提出的码变换器之外还包括根据接收到的音频信号的类型和根据接收终揣的能力和/或将这网元与一个接收单元互连的互连网络的能力确定是否需要对接收到的音频信号进行代码变换的处理装置。此外，这种网元还包括将音频信号转发给一个接收单元的装置。同样还提出了一种具有这样一个网元的无线通信网。

最后，提出了一种通信系统，这种通信系统包括一个具有所提出的网元的通信网以及至少一个能处理窄带音频信号的单元和至少另一个能处理宽带音频信号的单元。这两个单元可以经所述通信网互连。能发送窄带音频信号的装置特别可以是一个为接收终端提供服务的服务器或者是另一个终端，例如移动终端。所提出的另一种通信网包括至少两个能处理宽带音频信号的单元，它们可以经一个包括所提出的网元的无线通信网互连。

本发明出于在一个通信系统的网元内可以有益地实现将一个窄带音频信号代码变换成一个宽带音频信号的思想。通过将由代码变换和决定是否需要代码变换所引起的所有负荷归入一个通信系统的网元内，可以改进能处理宽带音频信号的单元和能处理窄带音频信号的单元或网络组成部分的互操作性。

本发明的一个优点是可以避免在呼叫建立或转发期间为代码变换发送额外信令。终端及其他单元从而可以更为简单，因为它们不需要知道许多不同的编码解码情况和对它们进行代码变换。因此，按照本发明，在通信中可以使用任何终端或其他单元而不需要有额外的功能。此外，终端通常也只有有限的可用容量，因此将所需的处理容量配置在网络内就更为方便。

从各从属权利要求项中可以看到本发明的一些优选实施例。

可取的是，代码变换包括根据接收到的窄带音频信号产生一个至少部分仿真的宽带音频信号。这样，在将一个窄带音频信号变换成一个宽带音频信号时可以仿真地添加在窄带音频信号内缺失的频段。提供给接收单元的宽带音频信号因此是至少部分仿真的，但是由于它是根据接收到的窄带信号产生的，因此可以接近原来的音频信号。所以，本发明可以为宽带终端用户提供高质量的音频信号，特别是高质量的语音。

由于接收到的窄带音频信号通常是以编码形式发送的，因此有益的是首先将编码的信号解码成一个线性窄带音频信号，然后予以变换。变换成一个线性宽带音频信号后，就可以对这信号再进行编码，转发给接收单元。

可以用不同的方式根据接收到的窄带信号产生至少部分仿真的宽带信号。特别是可以根据对接收到的窄带信号的统计估计，例如使用窄带和宽带信号的专用码本和将窄带码本值映射为宽带码本值，建成一个频谱整形滤波器。或者，也可以采用其他的统计映射方法。仿真的宽带信号还可以基于对窄带音频信号高采样(up-sample)再予以频率整形，或者基于窄带音频信号的频谱折叠情况。

可取的是，本发明的码变换器除了将一个接收到的窄带音频信号变换成一个宽带音频信号的变换装置之外还包括将一个接收到的宽带音频信号变换成一个窄带音频信号的装置。于是，每当需将一个音频信号从一个宽带单元发送给一个窄带单元时，在确定必需执行宽带-窄带的代码变换的情况下，能应用后一个装置。这保证了这个码变换器可以双向使用，从而改进了在不同的单元之间的互操作性。因此，在呼叫建立或呼叫转移期间不需要商定有关单元内的公共窄带编码解码。这也使得在不能找到一个公共的窄带编码解码方式的情况下也可以通话。本发明的方法因此可以扩展到包括双向代码变换。

按照本发明，所用的接收单元因此可以具体是一个宽带终端、窄带终端或基于语音的网络业务设备。

有益的是，首先也是将一个接收到的宽带音频信号解码成一个线性宽带音频信号，再变换成一个线性窄带音频信号。然后，将这个线性窄带音频信号编码后转发给接收窄带单元。变换可以包括对线性宽带音频信号进行低通滤波和对经低通滤波的宽带音频信号进行低采样(down-sample)，以获得一个无混叠畸变的窄带音频信号。

或者，也可以将编码的宽带语音直接在语音参数域内变换成一个编码的窄带音频信号，即不需在码变换器内进行解码和编码。然而，这要求窄带和宽带编解码器同属一个技术系列，例如为AMR窄带编解码器和AMR宽带编解码器。采用参数域变换，需要在编解码器内变换一些参数，例如频谱和激励参数。其他参数，例如音调和增益参数，不需要调整或者只要作微小的调整。这种方法同样可以用于窄带-宽带变换和宽带-窄带变换。在参数域内的窄带-宽带变换可以包括但不是必需包括仿真带宽扩展。

本发明特别适合于以下四种不同的情况。

在第一种情况下，一个PSTN(公共电话交换网)窄带终端经一个通信网与一个宽带终端连接。宽带终端具体地说可以是一个移动宽带终端，而在这样情况下通信网由一个互连网络再加一个宽带终端与之连接的无线通信网形成。如果PSTN终端经通信网发送一个要发给宽带终端的窄带音频信号，这个窄带音频信号就在一个通信网的网元内变换成一个至少部分仿真的宽带音频信号。在宽带终端是一个移动终端的情况下，这个网元最好是宽带终端所连接的无线通信网的一个网元。

此外，在其他三种情况下，代码变换将有益地在一个无线通信网(例如，GSM(全球数字移动通信)或UNTS(通用移动电信系统)网))的网元内执行。

在第二种情况下，音频信号需从一个窄带终端发送给一个宽带终端。通过在信号从窄带终端发送给宽带终端所经过的通信网的一个网元内提供仿真带宽扩展，宽带终端的用户可以立即运用终端的宽带能力。因此，宽带与窄带终端之间的互操作性得到了改善。对于窄带终端需用作接收单元的情况，网元还应包括将宽带音频信号变换成窄带音频信号的装置。代码变换在任何一个方向上最好在接近宽带终端处执行，以免要在整个传输路径上传输宽带信号。

在第三种情况下，音频信号需在一个作为接收单元的宽带终端与一个基于语音的网络业务设备之间发送。如果在通信网的一个用来向作为接收单元的宽带终端发送音频信号的网元内配置有仿真带宽扩展功能，在网络业务设备内就只需要存储窄带语音样本。此外，宽带终端因此可以接入现有的基于窄带语音的网络业务设备，而不会使用户感觉到语音质量有显著降低。与第二种情况相应，对于在连接期间业务设备专用作或也用作接收单元的情况，网元还应包括将宽带音频信号变换成窄带音频信号的装置。代码变换在任何一个方向上最好也是在接近宽带终端处执行，以免要在整个传输路径上传输宽带信号。

在音频信号需在两个宽带终端之间发送的第四种情况下，可取的是至少在互连网络的一部分内将音频信号作为窄带信号发送。通过在相应宽带终端所连接的每个无线通信网的一个网元内综合运用带宽缩减(例如低通滤波)和仿真带宽扩展，可以在传输路径的开始处将宽带音频信号变换成窄带音频信号而在传输路径的末尾处再变换回宽带音频信号。因此，运营方能以不大的传输容量特别是可以用现有的中继网(trunking network)发送宽带语音而不会使宽带终端的用户感到语音质量有明显的降低。

本发明的网元可以是任何可以接入电路交换网的业务信道或者可以接入分组网的用户平面的网元。如果它是一个无线通信网的网元，它可以例如是一个GSM BSS(基站子系统)、RAN(无线电接入网)或核心网的网元。这网元还应该具有足够的信号处理容量来按照本发明执行代码变换。因此，按照本发明设计的网元可以具体是(但不仅仅是)一个2G网络的代码变换单元、3G网络的代码变换单元、使分组和电路交换网之间的用户数据可以互相配合的媒体网关、全IP(因特网协议)网络内的多资源功能、任何网络内的广播设备、交互语音接口装置或分组网内的成流服务器。

附图说明

下面将结合附图对本发明进行详细说明，在这些附图中：

图1为本发明的通信系统的一个实施例的原理方框图；

图2为例示按照本发明设计的窄带-宽带变换的第一实施例的方框图；以及

图3为例示按照本发明设计的窄带-宽带变换的第二实施例的方框图。

具体实施方式

图1原理性地示出了按照本发明设计的通信系统的一个实施例的一些所选的组成部分。

在这个系统中，通信网在它的网元中的一个网元内包括一个码变换器1。这个网可以是电路交换或分组交换网，但只示出了码变换器1。系统还包括宽带终端2和窄带终端3。有码变换器1的网元可以接入分别在终端2、3与网络之间建立的供上行链路和下行链路传输的业务信道11、12、21和22。

宽带终端2包括宽带编码器13和宽带解码器24。窄带终端3包括相应的窄带编码器23和窄带解码器14。码变换器1一方面包括一个宽带解码器15，通过宽带-窄带变换器16与窄带编码器17连接。另一方面，码变换器1包括一个窄带解码器25，通过窄带-宽带变换器26与宽带编码器27连接。

所示通信系统的这个部分的工作原理如下。

在第一种情况下，需将语音从宽带终端2发送给窄带终端3。宽带终端2在集成的宽带编码器13内对语音编码，得到一个编码的宽带信号。这个编码的信号通过为宽带终端2与网络之间的上行链路传输建立的物理信道11发送给码变换器1。

在码变换器1内，接收到的宽带信号首先由宽带解码器1 5解码，得到一个线性宽带信号。这个线性宽带信号然后由宽带-窄带变换器16变换成一个线性窄带信号。码变换器1内执行的最后一个步骤是窄带编码器17对所得到的线性窄带信号进行编码。

编码的窄带信号由网络通过在网络与窄带终端3之间建立的下行链路信道12发送给窄带终端3。窄带终端3就用它的窄带解码器14对接收到的窄带信号解码后，提供给用户。

在第二种情况下，需将语音在相反方向上发送，即从窄带终端3发送给宽带终端2。在这种情况下，窄带终端3用集成的窄带编码器23对需发送的语音编码。所得到的信号通过在窄带编码器23与网络之间建立的上行链路信道21发送给具有码变换器1的网元。

在这个网元内，码变换器1的窄带解码器25将接收到的信号解码成一个线性窄带信号。然后，码变换器1的窄带-宽带变换器26将这个线性窄带信号变换成一个线性宽带信号。这个变换包括根据线性窄带信号产生一个仿真的线性宽带信号。这个线性宽带信号再由码变换器1的宽带编码器27编码后，通过在网络与宽带终端2之间建立的下行链路信道22转发给宽带终端2。

在宽带终端2内，宽带解码器24将接收到的信号解码成线性宽带信号后，提供给用户。

因此，所示的这个系统可以在宽带终端2与窄带终端3之间双向传输语音信号。

下面将结合图2和3说明在窄带-线性变换期间所选的产生仿真的宽带信号的一些可能情况。

图2为图1的窄带-宽带变换器26的第一实施例的原理方框图。这个实施例的变换器26包括用于进行高采样装置31和进行频率整形的装置32。

在第一实施例中，线性窄带信号不需低通滤波由高采样装置31高采样。这导致在宽带信号的较高频带上混叠有窄带信号的一些频率分量，即窄带信号的频域镜像。然而，这个混叠的宽带信号含有过度的失真，会使接收的宽带终端2的用户感到很不舒服。因此，在频率整形装置32内根据窄带信号动态地衰减混叠的分量。应指出的是，特别是对于混叠有浊音音素的分量需要比对于混叠有清音音素的分量更大的衰减。

将线性窄带信号变换成线性宽带信号的另一种可能情况示于图3，图中以原理方框图的形式例示了图1的窄带-宽带变换器26的第二

实施例。

窄带-宽带变换器26的第二实施例包括一个具有对接收到的信号进行高采样和低通滤波的装置33、34的第一处理分支。一个第二处理分支包括窄带分析装置35和高频段信号产生装置36。这两个处理分支的输出端与加法装置37连接，由它形成图1的窄带-宽带变换器26的输出。

在变换器26的第一处理分支内，线性窄带信号由相应的装置33、34高采样后予以低通滤波，得到一个无畸变的低频段的线性宽带信号。

在变换器26的第二处理分支内，用接收到的窄带信号的频率分量的频谱特性统计地恢复宽带信号的高频段。

第二处理分支内的窄带分析装置35首先对接收到的窄带信号进行频谱分析。高频段信号产生装置36可以接入窄带语音频谱参数的一个存储码本和一个相应的高频段宽带语音频谱参数的存储码本。高频段信号产生装置36因此能执行窄带与宽带码本值之间的映射，其中所需的窄带码本值通过对窄带信号的频谱分析得出。这映射因此适合于根据接收到的窄带信号预测宽带语音的高频段频谱。具体地说，通过用一个由确定的宽带码本值规定的频谱整形滤波器对高频段激励信号进行整形来产生高频段信号。高频段激励信号可以是一个本地产生的噪声或脉冲激励，象在一个基于线性预测编码(LPC)的语音编解码器内的那样。或者，高频段激励信号也可以是窄带信号的一个镜像，象在第一实施例中的那样，或者是经频率整形的镜像。

为了最终得到完整的宽带信号，加法装置37将第二处理分支输出的仿真产生的高频段信号叠加到第一处理分支输出的低频段信号上。

图1的宽带-窄带变换器16内的宽带-窄带变换可以通过例如对线性宽带信号进行低通滤波后再对经低通滤波的宽带信号进行低采样来实现。结果得到一个无混叠畸变的窄带信号。

在两个方向上，同样可以用其他适当的方法实现代码变换，只要窄带信号到宽带信号的代码变换可以产生一个频率范围比原来的窄带信号宽的至少部分仿真的宽带信号。

下面将结合图4、5和6介绍可以有益地采用本发明的三种不同的情况。在这些图中相应的组成部分标以同样的标号。

图4为一个通信系统的原理方框图，例示了在一个宽带终端与一个窄带终端之间发送音频信号的第一种情况。这个系统基本上与图1的系统相应，只是更为详细地示出了网络部分。在图4中，宽带终端40可以接入一个第一UTRAN-RAN(无线电接入网)或GSM-BSS(基站系统)41。第一RAN或BSS 41经具有第一网元42的第一核心网、互连网络43和具有第二网元44的第二核心网与第二RAN或BSS 45连接。窄带终端46可以接入第二RAN或BSS 45。所示的网元42、44两个都是3G媒体网关MGW或2G码变换器TC，在核心网内用来执行不同语音编码方案之间的代码变换。第一网元42包括对接收到的窄带音频信号进行仿真带宽扩展的装置47和对接收到的宽带音频信号进行带宽缩减的装置48。宽带终端40与窄带终端46之间的传输如图内箭头所示。

图4的宽带终端40发送的一个要发给窄带终端46的宽带音频信号由第一RAN或BSS 41接收后转发给所连接的核心网的所示网元42。在网元42内，宽带音频信号受到带宽缩减处理，得到一个窄带音频信号。带宽缩减由带宽缩减装置48例如如上所述用低通滤波实现。这个窄带音频信号于是经互连网络43、第二核心网的第二网元44和第二RAN或BSS 45发送给窄带终端46。窄带终端46能将接收到的窄带音频信号提供给用户。

在相反方向上，图4的窄带终端46发送的一个要发给宽带终端40的窄带音频信号由第二RAN或ESS 45接收后转发给所连接的核心网的所示网元44。这个窄带音频信号于是经互连网络43发送给第一核心网的网元42。在网元42内，由带宽扩展装置47根据接收到的窄带音频信号例如按照结合图1至3所说明的方法中的一种方法产生一个仿真的宽带音频信号。所产生的宽带音频信号然后经第一RAN或BSS 41转发给宽带终端40。宽带终端40能将接收到的音频信号提供给用户而不会使用户感到语音质量比接收原来宽带语音的差。

图5例示了在一些终端与一个基于语音的网络业务设备之间发送音频信号的第二种情况。图中示出了一个与图4的系统相应的通信系统，只是终端40、46还可以经相应的RAN或BSS 41、45、具有网元42或44的相应核心网和互连网络43接入基于语音的网络业务设备50。基于语音的网络业务设备50只存储窄带语音样本，设计成只用来处理窄带音频信号。

在基于语音的网络业务设备50与窄带终端46之间的传输在任何一个方向上都可以经互连网络43、第二核心网的第二网元44和第二RAN或BSS 45进行，而无需根据本发明的码变换。

基于语音的网络业务设备50与宽带终端40之间的传输如图内箭头所示。这传输经互连网络43、第一核心网的第一网元42和第一RAN或BSS 41或以相反的顺序进行。然而，在这种情况下，来自宽带终端40的宽带音频信号由第一网元42的相应装置48缩减带宽，形成一个窄带音频信号，而来自基于语音的网络业务设备50的窄带音频信号由第一网元的相应装置47扩展为仿真的宽带音频信号。因此，这处理就与在图4的情况下的处理类似。

在第一核心网络的网元42内是需要进行带宽缩减或仿真带宽扩展还是需要进行这两种处理取决于相应的应用。

在图5的情况下，也可以是一个PSTN窄带终端而不是基于语音的网络业务设备50与互连网络43连接。为了能按照本发明在这样一个PSTN窄带终端与所示宽带终端40之间进行通信，可以采用与结合图5对涉及基于语音的网络业务设备50的通信所说明的处理相应的处理。

在所介绍的最后一种情况下，信号在两个宽带终端之间发送。因此，图6示出了一个也基本上与图4的系统一致的通信系统，只是在这个通信系统内两个终端40、60都是宽带终端。第一宽带终端40如图4中那样与第一RAN或BSS 41连接，而第二宽带终端60如图4中的窄带终端那样与第二RAN或BSS 45连接。图6这个系统的互连网络43假设为一个专为发送窄带信号设计的中继网。在图6的系统中，第二网元44也包括对接收到的窄带音频信号进行仿真带宽扩展的装置61而对接收到的宽带音频信号进行带宽缩减的装置62。

在图6的系统中，不是由于发送和接收音频信号所用的单元的类型不同而必需进行代码变换，因为所涉及的两个单元40、60都是宽带终端。而是用代码变换实现通过中继网路43的低容量传输。

因此，每当第一宽带终端40发送一个要发给第二宽带终端60的宽带音频信号时，这个音频信号经第一RAN或BSS 41转发给第一网元42，在那里受到第一次处理。具体地说，第一网元42的带宽缩减装置48根据接收到的宽带音频信号产生一个可由所用的互连网络43发送的窄带音频信号。互连网络43将窄带音频信号转发给第二核心网的第二网元44。第二网元44的仿真带宽扩展装置61将接收到的窄带音频信号再仿真地变换成一个宽带音频信号。这个宽带音频信号经第二RAN或BSS 45转发给第二宽带终端60。对于带宽缩减和扩展来说，例如可以采用结合图1至3所说明的这些方法，正如在图4和5所例示的情况。通过这样处置，第二宽带终端60可以得到经中继网络43的宽带语音而不会使用户感到语音质量有显著的降低。

在相反方向上，处理完全相同，由第二网元44的相应装置62对所发送的宽带音频信号执行带宽缩减处理，而由第一网元42的相应装置47产生仿真宽带音频信号。

在以上所说明的本发明的实施例中所用的产生仿真带宽的方法需理解为一些示范性的方法。可以用任何其他适合的方法代替。