Artificial Bandwidth Extension of Speech Signals using Neural Networks

Although mobile wideband telephony has been standardized for over 15 years, many countries still do not have a nationwide network with good coverage. As a result, many cellphone calls are still downgraded to narrowband telephony. The resulting loss of quality can be reduced by artificial bandwidth extension. There has been great progress in bandwidth extension in recent years due to the use of neural networks. The topic of this thesis is the enhancement of artificial bandwidth extension using neural networks. A special focus is given to hands-free calls in a car, where the risk is high that the wideband connection is lost due to the fast movement. The bandwidth of narrowband transmission is not only reduced towards higher frequencies above 3.5 kHz but also towards lower frequencies below 300 Hz. There are already methods that estimate the low-frequency components quite well, which will therefore not be covered in this thesis. In most bandwidth extension algorithms, the narrowband signal is initially separated into a spectral envelope and an excitation signal. Both parts are then extended separately in order to finally combine both parts again. While the extension of the excitation can be implemented using simple methods without reducing the speech quality compared to wideband speech, the estimation of the spectral envelope for frequencies above 3.5 kHz is not yet solved satisfyingly. Current bandwidth extension algorithms are just able to reduce the quality loss due to narrowband transmission by a maximum of 50% in most evaluations. In this work, a modification for an existing method for excitation extension is proposed which achieves slight improvements while not generating additional computational complexity. In order to enhance the wideband envelope estimation with neural networks, two modifications of the training process are proposed. On the one hand, the loss function is extended with a discriminative part to address the different characteristics of phoneme classes. On the other hand, by using a GAN (generative adversarial network) for the training phase, a second network is added temporarily to evaluate the quality of the estimation. The neural networks that were trained are compared in subjective and objective evaluations. A final listening test addressed the scenario of a hands-free call in a car, which was simulated acoustically. The quality loss caused by the missing high frequency components could be reduced by 60% with the proposed approach.Obwohl die mobile Breitbandtelefonie bereits seit über 15 Jahren standardisiert ist, gibt es oftmals noch kein flächendeckendes Netz mit einer guten Abdeckung. Das führt dazu, dass weiterhin viele Mobilfunkgespräche auf Schmalbandtelefonie heruntergestuft werden. Der damit einhergehende Qualitätsverlust kann mit künstlicher Bandbreitenerweiterung reduziert werden. Das Thema dieser Arbeit sind Methoden zur weiteren Verbesserungen der Qualität des erweiterten Sprachsignals mithilfe neuronaler Netze. Ein besonderer Fokus liegt auf der Freisprech-Telefonie im Auto, da dabei das Risiko besonders hoch ist, dass durch die schnelle Fortbewegung die Breitbandverbindung verloren geht. Bei der Schmalbandübertragung fehlen neben den hochfrequenten Anteilen (etwa 3.5–7 kHz) auch tiefe Frequenzen unterhalb von etwa 300 Hz. Diese tieffrequenten Anteile können mit bereits vorhandenen Methoden gut geschätzt werden und sind somit nicht Teil dieser Arbeit. In vielen Algorithmen zur Bandbreitenerweiterung wird das Schmalbandsignal zu Beginn in eine spektrale Einhüllende und ein Anregungssignal aufgeteilt. Beide Anteile werden dann separat erweitert und schließlich wieder zusammengeführt. Während die Erweiterung der Anregung nahezu ohne Qualitätsverlust durch einfache Methoden umgesetzt werden kann ist die Schätzung der spektralen Einhüllenden für Frequenzen über 3.5 kHz noch nicht zufriedenstellend gelöst. Mit aktuellen Methoden können im besten Fall nur etwa 50% der durch Schmalbandübertragung reduzierten Qualität zurückgewonnen werden. Für die Anregungserweiterung wird in dieser Arbeit eine Variation vorgestellt, die leichte Verbesserungen erzielt ohne dabei einen Mehraufwand in der Berechnung zu erzeugen. Für die Schätzung der Einhüllenden des Breitbandsignals mithilfe neuronaler Netze werden zwei Änderungen am Trainingsprozess vorgeschlagen. Einerseits wird die Kostenfunktion um einen diskriminativen Anteil erweitert, der das Netz besser zwischen verschiedenen Phonemen unterscheiden lässt. Andererseits wird als Architektur ein GAN (Generative adversarial network) verwendet, wofür in der Trainingsphase ein zweites Netz verwendet wird, das die Qualität der Schätzung bewertet. Die trainierten neuronale Netze wurden in subjektiven und objektiven Tests verglichen. Ein abschließender Hörtest diente zur Evaluierung des Freisprechens im Auto, welches akustisch simuliert wurde. Der Qualitätsverlust durch Wegfallen der hohen Frequenzanteile konnte dabei mit dem vorgeschlagenen Ansatz um etwa 60% reduziert werden

Perkeptuaalinen spektrisovitus glottisherätevokoodatussa tilastollisessa parametrisessa puhesynteesissä käyttäen mel-suodinpankkia

This thesis presents a novel perceptual spectral matching technique for parametric statistical speech synthesis with glottal vocoding. The proposed method utilizes a perceptual matching criterion based on mel-scale filterbanks. The background section discusses the physiology and modelling of human speech production and perception, necessary for speech synthesis and perceptual spectral matching. Additionally, the working principles of statistical parametric speech synthesis and the baseline glottal source excited vocoder are described. The proposed method is evaluated by comparing it to the baseline method first by an objective measure based on the mel-cepstral distance, and second by a subjective listening test. The novel method was found to give comparable performance to the baseline spectral matching method of the glottal vocoder.Tämä työ esittää uuden perkeptuaalisen spektrisovitustekniikan glottisvokoodattua tilastollista parametristä puhesynteesiä varten. Ehdotettu menetelmä käyttää mel-suodinpankkeihin perustuvaa perkeptuaalista sovituskriteeriä. Työn taustaosuus käsittelee ihmisen puheentuoton ja havaitsemisen fysiologiaa ja mallintamista tilastollisen parametrisen puhesynteesin ja perkeptuaalisen spektrisovituksen näkökulmasta. Lisäksi kuvataan tilastollisen parametrisen puhesynteesin ja perusmuotoisen glottisherätevokooderin toimintaperiaatteet. Uutta menetelmää arvioidaan vertaamalla sitä alkuperäiseen metodiin ensin käyttämällä mel-kepstrikertoimia käyttävää objektiivista etäisyysmittaa ja toiseksi käyttäen subjektiivisia kuuntelukokeita. Uuden metodin havaittiin olevan laadullisesti samalla tasolla alkuperäisen spektrisovitusmenetelmän kanssa

Beiträge zu breitbandigen Freisprechsystemen und ihrer Evaluation

This work deals with the advancement of wideband hands-free systems (HFS’s) for mono- and stereophonic cases of application. Furthermore, innovative contributions to the corr. field of quality evaluation are made. The proposed HFS approaches are based on frequency-domain adaptive filtering for system identification, making use of Kalman theory and state-space modeling. Functional enhancement modules are developed in this work, which improve one or more of key quality aspects, aiming at not to harm others. In so doing, these modules can be combined in a flexible way, dependent on the needs at hand. The enhanced monophonic HFS is evaluated according to automotive ITU-T recommendations, to prove its customized efficacy. Furthermore, a novel methodology and techn. framework are introduced in this work to improve the prototyping and evaluation process of automotive HF and in-car-communication (ICC) systems. The monophonic HFS in several configurations hereby acts as device under test (DUT) and is thoroughly investigated, which will show the DUT’s satisfying performance, as well as the advantages of the proposed development process. As current methods for the evaluation of HFS’s in dynamic conditions oftentimes still lack flexibility, reproducibility, and accuracy, this work introduces “Car in a Box” (CiaB) as a novel, improved system for this demanding task. It is able to enhance the development process by performing high-resolution system identification of dynamic electro-acoustical systems. The extracted dyn. impulse response trajectories are then applicable to arbitrary input signals in a synthesis operation. A realistic dynamic automotive auralization of a car cabin interior is available for HFS evaluation. It is shown that this system improves evaluation flexibility at guaranteed reproducibility. In addition, the accuracy of evaluation methods can be increased by having access to exact, realistic imp. resp. trajectories acting as a so-called “ground truth” reference. If CiaB is included into an automotive evaluation setup, there is no need for an acoustical car interior prototype to be present at this stage of development. Hency, CiaB may ease the HFS development process. Dynamic acoustic replicas may be provided including an arbitrary number of acoustic car cabin interiors for multiple developers simultaneously. With CiaB, speech enh. system developers therefore have an evaluation environment at hand, which can adequately replace the real environment.Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung breitbandiger Freisprechsysteme für mono-/stereophone Anwendungsfälle und liefert innovative Beiträge zu deren Qualitätsmessung. Die vorgestellten Verfahren basieren auf im Frequenzbereich adaptierenden Algorithmen zur Systemidentifikation gemäß Kalman-Theorie in einer Zustandsraumdarstellung. Es werden funktionale Erweiterungsmodule dahingehend entwickelt, dass mindestens eine Qualitätsanforderung verbessert wird, ohne andere eklatant zu verletzen. Diese nach Anforderung flexibel kombinierbaren algorithmischen Erweiterungen werden gemäß Empfehlungen der ITU-T (Rec. P.1110/P.1130) in vorwiegend automotiven Testszenarien getestet und somit deren zielgerichtete Wirksamkeit bestätigt. Es wird eine Methodensammlung und ein technisches System zur verbesserten Prototypentwicklung/Evaluation von automotiven Freisprech- und Innenraumkommunikationssystemen vorgestellt und beispielhaft mit dem monophonen Freisprechsystem in diversen Ausbaustufen zur Anwendung gebracht. Daraus entstehende Vorteile im Entwicklungs- und Testprozess von Sprachverbesserungssystem werden dargelegt und messtechnisch verifiziert. Bestehende Messverfahren zum Verhalten von Freisprechsystemen in zeitvarianten Umgebungen zeigten bisher oft nur ein unzureichendes Maß an Flexibilität, Reproduzierbarkeit und Genauigkeit. Daher wird hier das „Car in a Box“-Verfahren (CiaB) entwickelt und vorgestellt, mit dem zeitvariante elektro-akustische Systeme technisch identifiziert werden können. So gewonnene dynamische Impulsantworten können im Labor in einer Syntheseoperation auf beliebige Eingangsignale angewandt werden, um realistische Testsignale unter dyn. Bedingungen zu erzeugen. Bei diesem Vorgehen wird ein hohes Maß an Flexibilität bei garantierter Reproduzierbarkeit erlangt. Es wird gezeigt, dass die Genauigkeit von darauf basierenden Evaluationsverfahren zudem gesteigert werden kann, da mit dem Vorliegen von exakten, realen Impulsantworten zu jedem Zeitpunkt der Messung eine sogenannte „ground truth“ als Referenz zur Verfügung steht. Bei der Einbindung von CiaB in einen Messaufbau für automotive Freisprechsysteme ist es bedeutsam, dass zu diesem Zeitpunkt das eigentliche Fahrzeug nicht mehr benötigt wird. Es wird gezeigt, dass eine dyn. Fahrzeugakustikumgebung, wie sie im Entwicklungsprozess von automotiven Sprachverbesserungsalgorithmen benötigt wird, in beliebiger Anzahl vollständig und mind. gleichwertig durch CiaB ersetzt werden kann