La présente invention concerne un procédé et un dispositif de codage de l'énergie du signal vocal dans des vocodeurs à très faibles débits.

Elle s'applique notamment à la réalisation de dispositifs vocodeurs à prédiction linéaire du type de ceux qui sont décrits dans les "Revues Techniques THOMSON-CSF" vol. 14 n°3 Septembre 1982 pages 715 à 731 et vol. 15 n°2 pages 495 à 516 éditées par MASSON, 120 boulevard Saint Germain 75280 Paris.

Dans ces dispositifs le signal vocal est découpé en tranches de temps ou fenêtres de longueurs fixes d'environ 20 millisecondes dans les vocodeurs d'émission,et chaque fenêtre de signal est analysée pour extraire les paramètres nécessaires à la commande des filtres numériques des vocodeurs de réception. Ces paramètres se composent, des coefficients de commande des filtres de réception, de la valeur moyenne efficace VME du signal vocal et d'une indication sur la nature voisée ou non du signal vocal.

Pour coder numériquement le signal de parole de façon à assurer des liaisons à très faible débit, typiquement moins de 1000 bits/s, la méthode de codage du paramètre VME consiste à quantifier le paramètre VME sur 32 valeurs (0 à 31) selon une échelle logarithmique normalisée par la norme OTAN "Stanag 4198" relative au codage prédictif linéaire d'ordre 10 dont une description figure dans l'article de M TREMAIN ayant pour titre "The Government Standard Linear Predictive Coding Algorithm-LPC 10" et qui est publié dans la revue Speech Technology April 1982 pages 40-49.

Le signal VME quantifié est ensuite codé sur 11 bits durant trois fenêtres consécutives. La valeur moyenne efficace de la fenêtre du milieu est codée sur 5 bits et celle de chacune des fenêtres extrêmes est codée par une méthode de codage de la fenêtre médiane. Une description de ce procédé de codage peut être trouvée dans un article publié par les auteurs Wong D, Juang BH Gray AH dans la revue IEEE Transactions on ASSP vol. 30, 1982 pages 770-780 ayant pour titre "An 800 bits/s Vector Quantization LPC Vocoder".

Cependant, le codage sur 11 bits du paramètre VME limite les possibilités de réduction de débit des vocodeurs notamment aux bas débits inférieurs à 800 bits/secondes.

D'autres procédés de codages sont également connus de la demande de brevet allemand DE A 2 608 244 et de l'article de J. MAKHOUL et al IEEE vol. 73 n°11 novembre 1985 pages 1551-1588 New York ayant pour titre "Vector quantization in speech coding" ceux-ci permettant par changement de base de coder le vecteur énergie du signal vocal' avec un nombre réduit de bits

Mais ces procédés ne permettent pas non plus d'obtenir des réductions de débit appréciables en dessous de 800 bits/s par le fait que les calculs ont lieu pendant la durée de 20 à 30 ms de chaque trame de parole pendant laquelle le signal est considéré comme stationnaire sans prendre en compte le fait que les échantillons peuvent en fait être corrélés sur plusieurs trames successives

Le but de l'invention est de pallier l'inconvénient précité.

A cet effet, l'invention a pour objet, un procédé de codage de l'énergie de signaux vocaux dans des vocodeurs à très faibles débits du type consistant à analyser les signaux vocaux dans des fenêtres consécutives, à mesurer dans chacune des fenêtres l'énergie en valeur moyenne efficace (VME) des échantillons du signal vocal et à quantifier ladite énergie VME sur un nombre déterminé m de niveaux, caractérisé en ce qu'il consiste à construire, dans un espace vectoriel à n dimensions ayant pour première base les vecteurs unitaires un vecteur énergie résultant dont les composantes dans la base sont les énergies VME mesurées respectivement dans n fenêtres d'analyse consécutives du signal vocal, à opérer dans cet espace un changement de base ayant pour premier axe principal un axe orienté correspondant à la somme des vecteurs unitaires de la première base, à projeter dans la nouvelle base obtenue le vecteur énergie résultant, et à coder sur q bits tel que 2^q=m la composante du vecteur résultant projeté sur l'axe principal de la nouvelle base et sur un nombre réduit de bits inférieurs à q, les composantes du vecteur énergie projeté sur les n-1 autres axes principaux de l'espace vectoriel défini dans la nouvelle base.

L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront ci-après à l'aide de la description faite en regard des dessins annexés qui représentent.

• La figure 1 le principe de codage mis en oeuvre par l'invention dans un espace à deux dimensions.
• La figure 2 le principe de codage mis en oeuvre par l'invention dans un espace à trois dimensions.
• La figure 3 un tableau récapitulatif des énergies portées par les axes principaux de l'espace à trois dimensions défini dans la nouvelle base.
• La figure 4 un dispositif mis en oeuvre par l'invention pour mesurer l'énergie des échantillons du signal à l'intérieur de chaque fenêtre de signal.
• La figure 5 un dispositif de codage du paramètre VME selon l'invention.
• La figure 6 un dispositif de décodage du paramètre VME selon l'invention.
• Les figures 7 et 8 des deuxième et troisième variantes de réalisation de dispositifs de codage du paramètre VME selon l'invention.

Le procédé selon l'invention repose sur la constatation que l'énergie contenue dans le signal vocal varie très lentement au cours du temps, de sorte que les énergies E₀, E₁ et E₂ des échantillons quantifiés dans chaque fenêtre de signal peuvent être considérées comme fortement corrélées les unes aux autres. Il est possible de constater en effet, en considérant seulement un nombre très important de groupes de deux fenêtres successives, et en référençant le vecteur énergie correspondant de chaque groupe dans un espace vectoriel orthonormé à deux dimensions où les énergies E₁ et E₂ de chaque fenêtre représentent les projections du vecteur énergie E de chaque groupe dans la base représentative de cet espace, les origines des vecteurs énergie E de tous les groupes étant confondues avec celle de l'espace vectoriel à deux dimensions, que les extrémités des vecteurs énergie E se répartissent, de la façon représentée à la figure 1, dans un domaine (D) du plan formé par les deux vecteurs E₁ et E₂, sensiblement symétriques par rapport à une bissectrice E'₁ de l'angle (E₁, E₂) formé par les deux vecteurs, en étant très allongé dans la direction de la bissectrice et par contre aplati dans la direction normale à celle-ci.

La même constatation peut être faite en analysant l'énergie du signal de parole par groupes de n fenêtres successives.Par exemple, sur un nombre très grand d'observations on peut remarquer, en référençant comme sur la figure 2 les énergies E₀ E₁ et E₂ dans un espace à 3 dimensions, que les extrémités des vecteurs résultant chacun de la somme de trois vecteurs E₀, E₁ et E₂ sont toutes contenues dans un domaine ou "nuage" comportant trois axes d'inertie principaux.

Sur les axes E₀, E₁ et E₂ du trièdre représenté à la figure 2, le vecteur unitaire du premier axe d'inertie a pour composantes (3^-½, 3^-½, 3^-½), le vecteur unitaire du deuxième axe d'inertie a pour composantes (-2^-½, 0, 2^-½) et le vecteur unitaire du troisième axe d'inertie a pour composantes (-6^-½, 2x6^-½, -6^-½). Comme indiqué dans le tableau de la figure 3, il apparaît qu'en projetant l'énergie de chaque vecteur E de composantes E₀, E₁, E₂ sur chaque axe d'inertie, que les pourcentages des énergies des vecteurs projetés sont de 90% pour le premier axe, 8% pour le deuxième et 2% seulement pour le troisième. Il apparaît, qu'une économie en bits de codage peut être réalisée en ne codant pas les composantes E₀, E₁ et E₂ dans tout l'espace de codage maximal formé par le cube dont les longueurs des côtés représentent les énergies maximales E_0max, E_1max et E_2max que peut prendre le signal de parole selon trois fenêtres consécutives, mais en codant par contre leur résultante E dans la nouvelle base orthonormée formée par les 3 vecteurs unitaires formant les axes principaux d'inertie, ce qui n'occupe qu'un faible volume du cube défini précédemment.

En notant par P, la matrice des composantes des 3 vecteurs unitaires telle que :
avec a=3^-½ , b=-2^-½ et c=-6^-½
et en notant par (E'₀, E'₁ et E'₂) les composantes dans la nouvelle base du vecteur résultant de l'addition des trois vecteurs E₀, E₁ et E₂, le vecteur de composantes (E'₀, E'₁ et E'₂) vérifie la relation matricielle suivante :$${\text{[E'] = P⁻¹x[E] =}}^{\text{t}}\text{P x [E].}$$

Dans cette relation la matrice [E'] a pour vecteurs colonnes les composantes E'₀, E'₁ et E'₂, la matrice [E] a pour vecteurs colonnes la composantes E₀, E₁ et E₂, et ^tP désigne la matrice transposée de P.

A titre d'exemple, les transformations précédentes permettent, en limitant les valeurs de E'₀ entre 0 et 54, de coder celle-ci sur seulement 4 bits selon une échelle linéaire comprise entre ces deux valeurs et en troncaturant les valeurs E'₁ et E'₂ entre les valeurs -16 et +16, celles-ci, peuvent être codées respectivement sur 3 bits et 2 bits selon également une échelle linéaire comprise également entre ces 2 valeurs. Le résultat est alors l'obtention de 3 valeurs codées (E''₀, E''₁ et E''₂) sur un total de seulement 9 bits au lieu de 11 dans l'art antérieur ce qui est suffisant pour assurer des transmissions à 800 bits/s de bonne qualité.

En réception les opérations effectuées sont les opérations inverses du codage. A partir des valeurs codées E''₀, E''₁ et E''₂ le procédé détermine dans une première étape le vecteur de composante E'₀, E'₁ et E'₂ exprimé dans la base des vecteurs unitaires des axes principaux d'inertie. Puis selon une deuxième étape, il multiplie la matrice P par le vecteur de composantes E'₀, E'₁, E'₂ pour obtenir un vecteur de composantes E₀, E₁ et E₂. Enfin, selon une troisième étape il applique aux composantes E₀, E₁ et E₂ la loi de décodage de la norme de codage prédictif linéaire d'ordre 10, pour obtenir les trois valeurs efficaces VME₀, VME₁ et VME₂ des trois fenêtres de signal consécutives traitées.

Un dispositif de codage correspondant est représenté aux figures 4 et 5. Sur la figure 4 le dispositif de mesure de l'énergie des échantillons du signal vocal comprend un circuit accumulateur 1, représenté à l'intérieur d'une ligne fermée en pointillés, ce circuit étant couplé à deux registres 2 et 3 reliés en série. Le circuit accumulateur 1 se compose, de façon connue, d'un registre accumulateur 4 et d'un circuit additionneur 5. Chaque échantillon S_i du signal vocal est appliqué sur une première entrée d'opérande du circuit additionneur 5 et est additionné au contenu du registre accumulateur 4 qui est appliqué sur la deuxième entrée d'opérande du circuit additionneur 5. Le cumul des échantillons S_i d'une fenêtre a ainsi lieu dans le registre accumulateur 4 pendant toute la durée de la fenêtre. A la fin de chaque fenêtre le contenu de l'accumulateur 4 est transféré dans le registre 2 pour être ensuite chargé à la fenêtre suivante dans le registre 3. En régime établi, les contenus des registres 3, 2 et 4 indiquent en permanence en fin de fenêtre, les énergies respectives E₀ E₁ et E₂ contenues dans trois fenêtres consécutives d'exploration du signal vocal. Ces valeurs d'énergies E₀, E₁, E₂ sont appliquées au dispositif de codage de la figure 5, aux entrées correspondantes d'un circuit additionneur 6. Le dispositif de codage comprend également trois voies de traitement 7, 8 et 9 représentées à l'intérieur de lignes fermées en pointillées. La voie 7 comprend, un circuit atténuateur 10 de rapport d'atténuation 3^-½, un étage limiteur 11 et un codeur 12. L'ensemble des éléments 10, 11, 12 sont couplés entre eux, dans cet ordre, et en série à la sortie du circuit additionneur 6. La voie 8 comprend un circuit amplificateur 13 de gain 3, couplé à un circuit atténuateur 15 de rapport d'atténuation 6^-½ au travers d'un circuit soustracteur 14. Le circuit soustracteur 14 comporte une première entrée d'opérande, marquée "+" qui est reliée à la sortie du circuit amplificateur 13 et une deuxième entrée d'opérande marquée "-" qui est reliée à la sortie du circuit additionneur 6.

La voie 9 comprend un circuit atténuateur 16 de rapport d'atténuation 2^-½ couplé à la sortie d'un circuit additionneur 17. Un circuit aiguilleur 18 applique l'un ou l'autre des signaux obtenus en sortie des voies 8 et 9 à l'entrée d'un codeur 19 au travers d'un étage limiteur 20.

Le décodeur de réception est représenté à la figure 6. Il comprend un ensemble de trois voies de réceptions 21, 22 et 23 représentées à l'intérieur de lignes fermées en pointillées.

La première voie 21 comprend, reliés en série, un circuit d'atténuation 24 de rapport d'atténuation 3^-½ et deux circuits soustracteurs 25 et 26.

La deuxième voie 22 comprend reliés en série, un circuit atténuation 27 de rapport d'atténuation 2^-½, un circuit additionneur 28 et un circuit soustracteur 29;
   la troisième voie 23 comprend, reliés en série un circuit d'atténuation 30 de rapport d'atténuation 6^-½, un amplificateur 31 de gain 2 et un circuit additionneur 32.

Le circuit soustracteur 25 est relié par une première entrée d'opérande marquée "+" à la sortie du circuit atténuateur 24 et par une deuxième entrée d'opérande marquée "-" à la sortie du circuit atténuateur 27. Le résultat de la soustraction effectuée par le circuit soustracteur 25 est appliqué sur une première entrée d'opérande marquée "+" du circuit soustracteur 26. La deuxième entrée d'opérande marquée "-" du circuit soustracteur 26 est reliée à la sortie du circuit atténuateur 30. La sortie du circuit soustracteur 26 fournit l'énergie E₀ de la première fenêtre du signal vocal. Le circuit additionneur 28 possède une première entrée d'opérande reliée à la sortie du circuit atténuateur 27 et une deuxième entrée d'opérande reliée à la sortie du circuit atténuateur 24. Le résultat obtenu à la sortie du circuit additionneur 28 est appliqué sur une première entrée d'opérande marquée "+" du circuit soustracteur 29. La deuxième entrée d'opérande marquée "-" du circuit soustracteur 29 est reliée à la sortie du circuit atténuateur 30. L'énergie E₂ du signal est obtenue à la sortie du circuit soustracteur 29. Enfin le circuit additionneur 32 est relié par une première entrée d'opérande à la sortie de l'amplificateur 31 et par une deuxième entrée d'opérande à la sortie du circuit atténuateur 24. L'énergie E₁ du signal est obtenue à la sortie du circuit additionneur 23.

Plutôt que de réaliser un codage scalaire du vecteur E'₀, E'₁, E'₂ dans la base des trois vecteurs unitaires des axes principaux d'inertie, une deuxième variante de mise en oeuvre du procédé selon l'invention peut consister à effectuer, comme le montre la figure 7, un codage vectoriel du vecteur (E'₀, E'₁, E'₂), en cherchant le plus proche vecteur du vecteur (E'₀, E'₁, E'₂) parmi 2^N vecteurs dont les extrémités coïncideraient avec les noeuds d'un sous-ensemble borné d'un réseau cubique à face centrée, de façon à obtenir un codage sur N bits. Ce mode de codage est réalisé par les circuits de la figure 7, qui comprennent une mémoire morte programmable 33 adressée par un compteur d'adresse 34, trois circuits soustracteurs 35 à 37, trois circuits d'élévation au carré 38 à 40, un circuit sommateur 41, un circuit comparateur 42, et deux registres 43 et 44. La mémoire morte 33 contient les trois composantes des 2^N vecteurs estimés (E₀, E₁ et E₂) et ceux-ci sont adressés par le compteur d'adresse à N bits 24. Chacune des composantes lues dans la mémoire 33 est appliquée respectivement sur une première entrée d'opérande des circuits soustracteurs 35 à 37. Les composantes E₀, E₁ et E₂ de l'énergie du signal vocal de chacune des trois fenêtres sont appliquées respectivement sur les deuxièmes entrées d'opérande des circuits soustracteurs 35 à 37. Les résultats des soustractions effectuées par les circuits soustracteurs 35 à 37 sont appliqués respectivement sur l'entrée des circuits d'élévation au carré 38 à 40, et les résultats des élévations au carré sont appliqués aux entrées du circuit sommateur 41. Les sommes des carrés des différences entre, chaque composante (E₀, E₁, E₂) d'un vecteur représentant les énergies du signal vocal dans trois fenêtres consécutives et les composantes E₀, E₁, E₂ d'un vecteur estimé adressé par le compteur d'adresses 34, sont appliquées successivement par la sortie du circuit sommateur 41 sur une première entrée de comparaison d'un circuit comparateur 42 pour être comparées au contenu du registre 43 qui est appliqué sur la deuxième entrée de comparaison du comparateur 42. A chaque comparaison le contenu du registre 43 est mis à jour par le résultat de la sommation obtenu à la sortie du circuit sommateur 41 si ce résultat est inférieur au contenu existant dans le registre 43. De la sorte après chaque progression du compteur d'adresse 34, le registre 43 garde en mémoire la somme des carrés obtenue du circuit sommateur 41 qui est la plus petite parmi toutes les sommes déjà effectuées depuis le début de l'adressage des vecteurs estimés dans la mémoire 33. Parallèlement à chaque mise à jour du contenu du registre 43 le contenu du registre 44 est remplacé par l'adresse du vecteur correspondant qui a été lu dans la mémoire 33. On obtient ainsi directement dans le registre 44 le n° du vecteur VME codé sur N bits.

Une troisième variante de mise en oeuvre du procédé selon l'invention est représenté à la figure 8. Comme cette troisième variante découle du mode de réalisation de la deuxième variante décrite précédemment les éléments homologues de la figure 7 sont représentés sur la figure 8 avec les mêmes références. Cette troisième variante diffère de la précédente par le fait que l'espace de la mémoire 33 est partagé en trois sous espaces mémoires 33_a, 33_b et 33_c. Dans ce cas les N/3 premiers bits du compteur d'adresse 34 adressent les sous espaces 33_a, les N/3 bits suivants adressent le deuxième sous-espace et N/3 bits restants adressent le sous-espace 33_c. Ceci permet d'avoir une représentation vectoriel des vecteurs dans un espace à trois dimensions ayant la forme d'un réseau cubique à face centrée, en affectant à chaque vecteur un groupe et un sous groupe de cet espace. En affectant les groupes du réseau cubique à l'espace mémoire 33_a les sous groupes à l'espace mémoire 33_b, 2^N/3 vecteurs énergie estimés peuvent être codés dans l'espace mémoire 33_a et 2^N/3 vecteurs énergie estimés peuvent être codés dans l'espace mémoire 33_b. Les 2^N/3 vecteurs restants sont codés dans l'espace mémoire 33_c. Pour N = 9 on obtient ainsi 8 groupes comportant chacun 8 sous groupes de 8 vecteurs chacun.

De manière similaire au dispositif représenté à la figure 7 l'énergie du signal vocal de composante E₀, E₁ et E₂ est mesurée par les circuits 35 à 43 relativement à l'énergie des vecteurs estimés correspondants formée successivement au travers d'un multiplexeur 45 par les mémoires 33_a, 33_b et 33_c.

On définit ainsi successivement le groupe, le sous groupe puis le vecteur du sous groupe qui possède l'énergie la plus proche du vecteur de composante E₀, E₁ et E₂. Les numéros de groupe sous groupe et de vecteur à l'intérieur d'un sous groupe sont enregistrés respectivement dans le registre 44 qui a sur la figure 8 la forme d'un banc de registres composés des registres 44_a, 44_b et 44_c. Des portes ET 48, 49 et 50 permettent le transfert des adresses groupe, sous groupe et vecteur à l'intérieur d'un groupe, chaque fois que le résultat de la comparaison effectuée par le comparateur 42 indique que la somme formée par le sommateur 41 est inférieure au contenu du registre 43.