CN101527138A - 超宽带扩展编码、解码方法、编解码器及超宽带扩展系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超宽带扩展编码、解码方法、编解码器及超宽带扩展系统，编码方法、编码器通过宽带增强获得重构7k～8kHz信号的编码参数，并在此基础上进行感知加权，根据均方误差最小原则获得8k～14kHz重构高频信号的频带扩展参数，通过编码传输，使得解码端能够重构7～14kHz高频信号，从而实现7k～14kHz超宽带信号的扩展。解码方法、解码器通过对残差MDCT编码参数进行解码，得到7k～8kHz的残差MDCT恢复系数，在此基础上进行感知加权，并根据均方误差最小原则重构8k～14kHz信号，从而实现了7k～14kHz高频信号的重构，获得了0～14kHz超宽带信号。

Description

超宽带扩展编码、解码方法、编解码器及超宽带扩展系统

技术领域

本发明涉及语音通信技术，尤其涉及一种超宽带扩展编码、解码方法、编解码器及超宽带扩展系统。

背景技术

在实时语音通信中，由于语音信号的传输质量受采样率和带宽等因素的影响，现有的语音频编解码器通常采用降低采样率、损失高频部分的内容等手段，以保证编解码过程的实现。对于宽带语音信号(50Hz～7kHz)的传输，更是如此，为了避免混叠效应，通常将宽带信号转换成带限信号后，再进行编码，这样，在码率确定的情况下，特别是对于中、低比特率，保证有足够的比特对低频内容进行编码。但是，宽带信号的高频部分包含丰富的内容，缺少这部分内容，对音频的音质有很大的损伤。针对这个问题，产生了频带扩展技术，如图1所示。对低频部分信号参数X[k]仍采用原始的编解码流程；同时在编解码端，建立合适的参数模型，增加有限数据量和计算量，对高频部分进行重构，并与解码后的低频部分进行整合，将频率范围扩大，得到频带扩展后的信号参数Y[k]，从而达到提高整体音频质量的目的。

目前，用于实时语音通信的频带扩展技术，主要是通过时域带宽扩展方法(The Time Domain Bandwidth Extension，TD-BWE)，实现在较低的码率下从0～3.4kHz的窄带语音信号扩展到0～7kHz的宽带语音信号，详见国际电信联盟电信标准部门(ITU-T)提出的语音编码标准G.729.1。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术至少存在以下问题：现有技术将窄带语音信号从0～3.4kHz扩展到0～7kHz，仅完成了不到4kHz的频带扩展，解码后的语音信号缺少7kHz以上的超宽带信号，使得音频质量仍然得不到很大提高；频带扩展中使用的激励信号源自语音生成模型，无法准确地描述音乐信号，对于类音乐信号的编码效果比较差，在超宽带部分重用效果欠佳。

发明内容

本发明实施例的第一目的在于提出一种超宽带扩展编码方法及编码器，以获取能够重构7k～8kHz的残差MDCT编码参数以及能够重构8k～14kHz高频信号的频带扩展参数。

本发明实施例的第二目的在于提出一种超宽带扩展解码方法及解码器，以实现7k～14kHz高频信号的重构，获得0～14kHz超宽带信号。

本发明实施例的第三目的在于提出一种超宽带扩展系统，以实现7k～14kHz的频带扩展。

为实现上述第一目的，本发明实施例提供了一种超宽带扩展编码方法，包括：

将超宽带语音信号拆分为高频子带信号和低频子带信号；

对所述低频子带信号进行语音编码，得到低频信号参数；

对所述低频信号参数进行语音解码，得到低带恢复信号；

对所述低带恢复信号进行改进型离散余弦变换MDCT，得到低频MDCT恢复系数；

对所述低带恢复信号进行宽带增强，获得残差MDCT系数及残差MDCT编码参数；

根据所述低频子带信号对所述低频MDCT恢复系数及残差MDCT系数进行感知加权，得到模板MDCT系数；

对所述高频子带信号进行频谱折叠以及MDCT变换，得到高频MDCT系数；

根据均方误差最小原则对所述模板MDCT系数与高频MDCT系数进行匹配，得到频带扩展参数；

对所述频带扩展参数进行编码；

传输所述低频信号参数、残差MDCT编码参数及编码后的频带扩展参数。

为实现上述第一目的，本发明实施例还提供了一种超宽带扩展编码器，包括：

正交镜像分析滤波器，用于将超宽带语音信号拆分为高频子带信号和低频子带信号；

核心层编码器，用于对所述低频子带信号进行语音编码，得到低频信号参数；

核心层解码器，用于将所述低频子带信号进行语音编码后得到的低频信号参数，进行语音解码，得到低带恢复信号；

低频MDCT模块，用于对所述低带恢复信号进行MDCT变换，得到低频MDCT恢复系数；

宽带增强模块，用于对所述低带恢复信号进行宽带增强，获得残差MDCT系数及残差MDCT编码参数；

感知加权处理模块，用于根据所述低频子带信号对所述低频MDCT恢复系数及残差MDCT系数进行感知加权，得到模板MDCT系数；

频谱折叠模块，用于对所述高频子带信号进行频谱折叠；

高频MDCT模块，用于对经过频谱折叠的所述高频子带信号进行MDCT变换，得到高频MDCT系数；

高带超宽带扩展处理器，用于根据均方误差最小原则对所述模板MDCT系数与高频MDCT系数进行匹配，得到频带扩展参数；

高带超宽带扩展编码器，用于对所述频带扩展参数进行编码；

复用器，用于传输所述低频信号参数、残差MDCT编码参数及编码后的频带扩展参数。

上述方案通过宽带增强获得重构7k～8kHz信号的编码参数，并在此基础上选择模板MDCT系数，根据均方误差最小原则匹配，获得了8k～14kHz重构高频信号的频带扩展参数，通过编码传输，使得解码端能够通过频带扩展参数重构8k～14kHz高频信号，从而实现了7k～14kHz超宽带信号的扩展。

为实现上述第二目的，本发明实施例还提供了一种超宽带扩展解码方法，包括：

接收超宽带语音编码信号，并从中提取低频信号参数、残差MDCT编码参数及编码后的频带扩展参数；

对接收到的低频信号参数、残差MDCT编码参数及编码后的频带扩展参数进行解码，得到低带恢复信号、残差MDCT恢复系数以及频带扩展恢复参数；

对所述低带恢复信号进行MDCT变换，得到低频MDCT恢复系数；

叠加所述低频MDCT恢复系数与残差MDCT恢复系数，得到低带增强MDCT系数；

对叠加后得到的信号进行反改进型离散余弦变换IMDCT，得到低频子带恢复信号；

根据所述低频子带恢复信号对所述低带增强MDCT系数进行感知加权，得到模板MDCT系数；

根据所述模板MDCT系数以及频带扩展恢复参数重构高频MDCT恢复系数；

将所述高频MDCT恢复系数进行IMDCT变换及频谱折叠，得到高频子带恢复信号；

合并所述低频子带恢复信号与高频子带恢复信号，得到超宽带语音恢复信号。

为实现上述第二目的，本发明实施例还提供了一种超宽带扩展解码器，包括：

解复用器，用于接收所述低频信号参数、残差MDCT编码参数及编码后的误差参数；

核心层解码器，用于对接收到的所述低频信号参数进行解码，得到低带恢复信号；

宽带增强解码器，用于对接收到的残差MDCT编码参数进行解码，得到残差MDCT恢复系数；

高带超宽带扩展解码器，用于对接收到的所述编码后的频带扩展参数进行解码，得到频带扩展恢复参数；

MDCT模块，用于对所述低带恢复信号进行MDCT变换，得到低频MDCT恢复系数；

叠加模块，用于对所述低频MDCT恢复系数与残差MDCT恢复系数进行叠加，得到低带增强MDCT系数；

低频IMDCT模块，用于对所述低带增强MDCT系数进行IMDCT变换，得到低频子带恢复信号；

感知加权处理模块，用于根据所述低频子带恢复信号对所述低带增强MDCT系数进行感知加权，得到模板MDCT系数；

高带超宽带扩展反处理器，用于根据所述模板MDCT系数以及频带扩展恢复参数重构高频MDCT恢复系数；

高频IMDCT模块，用于将所述高频MDCT恢复系数进行IMDCT变换；

频谱折叠模块，用于将经过IMDCT变换的高频MDCT恢复系数进行频谱折叠，得到高频子带恢复信号；

正交镜像合成滤波器，用于合并所述低频子带恢复信号与高频子带恢复信号，得到超宽带语音恢复信号。

上述解码方案通过对残差MDCT编码参数进行解码，得到7k～8kHz的残差MDCT恢复系数，将0～7kHz信号扩展到了0～8kHz，并对扩展后的低带增强MDCT系数进行感知加权获得重构8k～14kHz高频信号频谱的模板，并将频带扩展恢复参数作用于模板，重构了8k～14kHz信号，从而实现了7k～14kHz高频信号的重构，获得了0～14kHz超宽带信号，大大丰富了信号内容，提高了音频质量。

为实现上述第三目的，本发明实施例还提供了一种超宽带扩展系统，包括：上述实施例中任一超宽带扩展编码器及超宽带扩展解码器。

本方案通过上述实施例中的超宽带扩展编码器能够获取用于重构7k～8kHz的残差MDCT编码参数以及用于重构8k～14kHz高频信号的频带扩展参数，并且超宽带扩展解码器能够利用残差MDCT编码参数重构7k～8kHz信号，利用频带扩展参数重构8k～14kHz高频信号，实现了7k～14kHz的超宽带扩展，大大丰富了信号内容，提高了音频质量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为现有技术中频带扩展示意图；

图2为本发明超宽带扩展编码方法实施例的流程图；

图3为本发明超宽带扩展解码方法实施例的流程图；

图4为本发明超宽带扩展编码器实施例的结构示意图；

图5为本发明超宽带扩展解码器实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明下述实施例基于信号低频和高频之间的相关性，实现超宽带扩展；其中，语音编解码时可使用现有的语音编解码标准，下述实施例中均以G.729.1编解码标准为例进行说明。

图2为本发明超宽带扩展编码方法实施例的流程图，具体包括：

步骤101、将输入的超宽带语音信号如0～16kHz的s_SWB(n)拆分为高频子带信号s_H ^QMF(n)和低频子带信号s_L ^QMF(n)。其中，输入信号s_SWB(n)为采样率32kHz的超宽带信号，经过QMF分析滤波和↓2采样，分成低带和高带两个通道，分别输出采样率为16kHz的低频子带信号s_L ^QMF(n)和高频子带信号s_H ^QMF(n)。其中，低带通道的有效带宽为0-8kHz，高带通道的有效带宽为8-16kHz；

步骤102、为了避免工频噪声对超宽带扩展编码的影响，可使得低频子带信号s_L ^QMF(n)经过一个高通滤波器H_hl，滤除50Hz的工频噪声，输出为去除工频噪声的低带信号s_L(n)；同时，高频子带信号s_H ^QMF(n)通过乘以(-1)ⁿ进行频谱折叠，输出s_H ^fold(n)。

步骤103、对低频子带信号滤除工频噪声后得到的低带信号s_L(n)进行语音编码，输出码流，得到低频信号参数，将低频信号参数传输到解码端。其中，将原始的子带信号s_L(n)进行分帧处理，每帧长为20ms，包括320个样本，s_L(n)经过核心层编码器如G.729.1编码器编码，得到所述低频信号参数；

步骤104、对低频信号参数进行语音解码，得到低带恢复信号

步骤105、参考去除工频噪声的低带信号s_L(n)对低带恢复信号

进行宽带增强，获得残差MDCT(Modified Diserete Cosine Transform，即改进型离散余弦变换)系数S_enh(k)及残差MDCT编码参数。

实验结果表明，核心层编码器采用的码激励线性预测(Codebookexcitation linear prediction，CELP)技术对4kHz以下的信号编码精度较高，而对4kHz以上宽带信号特别是音乐信号的编码精度不甚理想，因此，可对4kHz以上的宽带信号进行增强，进一步提高核心层输出音频的质量。具体为：

s_L(n)减去

得到低带的残差信号r_L(n)；

残差信号r_L(n)进行640点的MDCT变换，得到大小为320的残差MDCT系数S_enh(k)，

$S_{\mathrm{enh}}\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{639}{\mathrm{\Σ}}}{r}_L\left(n\right)h_k\left(n\right),k=\mathrm{0,1},\·\·\·,319$

其中，h_k(n)是MDCT正变换的基函数

$h_k\left(n\right)=\mathrm{\ω}\left(n\right)\sqrt{\frac{2}{320}}\cos \left(\frac{(2n+320+1)(2k+1)\mathrm{\π}}{1280}\right)$

此处，选择正弦窗 $\mathrm{\ω}\left(n\right)=\sin \left((n+0.5)\frac{\mathrm{\π}}{640}\right)$

核心层编码器中使用的CELP模型对4kHz以下的信号能够比较精确地编码，因此，残差信号r_L(n)的主要贡献来自于4k～7kHz的编码误差和未经核心层编码器处理的7k～8kHz的信号。S_enh(k)编码时，首先对6.8k～8kHz信号的MDCT系数进行编码，即，针对S_enh(k)中后48个MDCT系数进行编码处理，以重构7k～8kHz信号，并用于后续8k～14kHz信号的重构；当有足够的比特可用时，再对4k～6.8kHz的MDCT系数进行编码，即，针对S_enh(k)中前112个MDCT系数进行编码处理，并将S_enh(k)的编码处理结果叠加到核心层处理的宽带信号，达到宽带增强的目的。

对所述残差MDCT系数S_enh(k)进行编码，可采用分段球型矢量量化技术，对4k～8kHz的MDCT系数进行编码，即对S_enh(k)后160个MDCT系数进行编码，得到残差MDCT编码参数，将残差MDCT编码参数输出到解码端；对残差MDCT系数进行编码，得到残差MDCT编码参数具体包括：

首先，将S_enh(k)按16点大小均分成10个子带，并求得每个子带的频谱包络

$\mathrm{rms}\left(r\right)=\sqrt{\frac{1}{16}\underset{n=0}{\overset{15}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{enh}}(16r+n)S_{\mathrm{enh}}(16r+n)},r=\mathrm{0,1},\·\·\·,9$

其次，对子带的频谱包络，采用Huffman编码，以上频谱包络用于球型矢量量化前的z-16格的比特分配。

将归一化后的频点(即残差MDCT系数)用球型矢量量化进行量化处理，得到残差MDCT编码参数。其中，球型矢量量化可采用Z-16格，即连续地对16个MDCT系数统一进行量化，所采用的码书和量化过程与G.729.1一致。实际应用中，可至少先对MDCT系数与6.8k～8kHz相关的后3个子带进行编码处理，即可对8kHz至6.8k信号的进行宽带增强，其余7个子带可根据实际需要进行优先级排序，按照可用的比特量按序对按优先级排序的子带进行编码处理；当6.8k～8kHz的MDCT系数全部进行编码处理后，根据剩余可用的比特量对4k～6.8kHz的MDCT系数进行部分或全部编码处理。

可进一步对残差MDCT编码参数进行解码，得到残差MDCT恢复系数

步骤106、对低带恢复信号

进行MDCT变换，得到低频MDCT恢复系数

步骤105与步骤106可同时进行。

步骤107、根据低频子带信号s_L(n)对低频MDCT恢复系数

及残差MDCT系数

进行感知加权，得到模板MDCT系数S_L(k)。其中，当对残差MDCT系数

进行解码恢复后，叠加

与残差MDCT恢复系数

根据低频子带信号s_L(n)对叠加信号进行感知加权，得到模板MDCT系数S_L(k)，其带宽为8kHz。

本发明实施例首先通过宽带增强重构了7kHz～8kHz信号编码参数，然后利用宽带与超宽带部分频谱的相关性，在0～8kHz宽带选择合适的“模板”，复制到超宽带部分，以重建8k～14kHz的频谱。

其中，选择“模板”首先需要对叠加得到的0～8kHz的MDCT系数进行前置处理：一方面，在信号的低频部分共振峰的数量要比高频部分共振峰的数量多，特别是3kHz以下的共振峰导致频谱包络并不平坦，为了保证复制后频谱与原始频谱尽可能相近，本实施例将“模板”的选择频率范围限制在3kHz～8kHz之间；另一方面，宽带部分的频谱即低带频谱除了较低频带的频谱平坦以外，低带频谱的下降速度也较超宽带部分快，若直接将低带频谱分别复制到超宽带部分，易造成频谱不平坦，以及重建后的超宽带各子带边界处的能量不连续的问题，因此，本实施例还可进一步对低带频谱进行频谱整形，使得频谱更加平坦。

本实施例使用宽带信号感知加权的方法对低带频谱进行频谱整形处理。具体包括：对原始低频子带信号s_L(n)进行线性预测编码(Linearpredictive coding，LPC)分析，得到分析结果A_L，并计算感知加权参数 $H\left(z\right)=\frac{A_L(z/{\mathrm{\γ}}_L)}{1-\mathrm{\β}\·z^{-1}};$

宽带增强后的低带频谱信号通过该感知加权处理模块后，输出信号的模板MDCT系数S_L(k)，有效降低了低带频谱中的共振峰高度，达到了频谱平坦化的目的，并避免了重建后的子带边界处能量不连续的现象。

可在执行上述步骤的同时，对高频子带信号进行频谱折叠以及MDCT变换，得到高频MDCT系数。即，高频子带信号s_H ^QMF(n)通过乘以(-1)ⁿ进行频谱折叠，输出s_H ^fold(n)。将s_H ^fold(n)进行MDCT变换，得到高频MDCT系数S_H(k)。

步骤108、根据均方误差最小原则对模板MDCT系数S_L(k)与高频MDCT系数S_H(k)进行匹配，得到频带扩展参数，即在3-8kHz间选择连续的模板MDCT系数，经过能量增益调整后，与待重建的频谱即高频MDCT系数S_H(k)进行匹配，以均方误差最小原则，通过设置频带扩展参数选择用于复制的最优频谱“模板”。

其中，对于高频的子带信号的高频MDCT系数S_H(k)，将表示8k～14kHz的前240个频点分成3个子带，每个子带分别包含60、60和120个MDCT系数。后80个频点(即残差MDCT系数)属于14～16kHz，已超出了本发明实施例所涉及的频率范围，直接置零即可。

通过如下公式选择用于最优频谱复制“模板”的频带扩展参数：

$E=\underset{k=0}{\overset{N_j-1}{\mathrm{\Σ}}}{(S_{H,j}(k_{0,j}+k)-g_j\·S_L({\mathrm{\Δ}}_j+k))}^2,j=\mathrm{0,1,2}$

其中，S_H，j(k)是待复制区域的原始频谱(j＝0代表8k～9.5kHz的频谱，j＝1代表9.5k～11kHz的频谱，j＝2代表11k～14kHz的频谱)；k_0，j表示8k～14kHz范围内子带的起始频点位置；N_j为子带频点数；S_L(Δ_j+k)是3k～8kHz内的一段频谱；Δ_j是该段频谱的起始点位置；g_j表示能量增益值， $g\left(j\right)=\sqrt{\frac{\underset{k=0}{\overset{N_j-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{H,j}{(k_{0,j}+k)}^2}{\underset{k=0}{\overset{N_j-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{S}}_L{({\mathrm{\Δ}}_j+k)}^2}};$

通过上述计算过程，选择重建超宽带部分3个子带的最优“模板”，同时得到频带扩展参数Δ_j、g_j。

步骤109、对频带扩展参数进行编码，具体可为：对于“模板”的起始点位置Δ_j，直接进行二进制编码；对于能量增益值g_j进行哈夫曼(Huffman)编码。

步骤110、传输编码后的频带扩展参数Δ_j、g_j。到此时，编码端便完成了超宽带扩展，本实施例通过宽带增强编码重构了7k～8kHz频谱信号，并由3k～8kHz信号复制8k～14kHz信号，从而实现7k～14kHz的带宽扩展，使得解码端能够更准确再现语音信号、准确地描述音乐信号。

图3为本发明超宽带扩展解码方法实施例的流程图，解码端接收到编码端传输的码流，进行分离，得到低频信号参数、残差MDCT编码参数与编码后的频带扩展参数，由于编解码实际应用及传输过程中难免产生误差，因此将解码端得到的相应信号、系数或参数均记为恢复系数或恢复参数；然后，通过以下步骤实现超宽带扩展解码：

步骤201、对接收到的低频信号参数、残差MDCT编码参数及编码后的频带扩展参数进行解码，得到0～7kHz的低带恢复信号

6.8k～8kHz的残差MDCT恢复系数

以及频带扩展恢复参数

其中，低带恢复信号

可通过核心层解码器如G.729.1解码器解码得到；频带扩展恢复参数

可通过高带超宽带扩展解码器解码得到；当编码端对宽带信号增强时，接收到的码流中还有残差MDCT编码参数，此时，可通过宽带增强解码器解码残差MDCT编码参数，得到至少与6.8k～8kHz相关的残差MDCT恢复系数

实现了7k～8kHz的扩展(即7k～8kHz的频域信号)；

步骤202、对低带恢复信号

进行MDCT变换，得到低频MDCT恢复系数

步骤203、叠加低频MDCT恢复系数

与残差MDCT恢复系数

得到低带增强MDCT系数，即有效带宽为8kHz的MDCT系数；

步骤204、对叠加后得到的系数进行反改进型离散余弦变换(IMDCT)，得到低频子带恢复信号

由于实现了7k～8kHz的扩展，处理后得到的低频子带恢复信号

与原始低频子带信号s_L ^QMF(n)更为接近。因此，本实施例可直接在解码端将经过宽带增强的低频子带恢复信号

作为低频子带信号s_L ^QMF(n)的逼近值，实时地计算感知加权参数，避免了在编码端对感知加权参数进行编码，进一步节省了比特开销。

步骤205、根据低频子带恢复信号

对低带增强MDCT系数进行感知加权，得到模板MDCT恢复系数

其中，与编码端类似，在重构8k～14kHz信号前，将

与低带增强MDCT系数输入相同的感知加权处理模块，根据

对低带增强MDCT系数进行感知加权，得到近似于编码端S_L(k)的模板MDCT恢复系数，为与编码端的模板MDCT系数相区别，将该近似的模板MDCT恢复系数记为

感知加权处理的内容具体包括：将“模板”的频率范围限制在3k～8kHz，并进行加权感知处理，以降低信号频谱中共振峰的高度，让频谱更加平坦，并避免重建后的子带边界处能量不连续的现象。感知加权过程中，由于实际解码得到的

与

的叠加经过IMDCT变换得到的低频子带恢复信号与原始低频子带信号s_L ^QMF(n)有差异，因而经过线性预测编码得到的分析结果近似于编码端的分析结果，记为

以示区别，则对重建后的0-8kHz信号，得到感知加权参数 $\hat{H}\left(z\right)=\frac{{\hat{A}}_L(z/{\mathrm{\γ}}_L)}{1-\mathrm{\β}\·z^{-1}},$ 重建后的0-8kHz信号通过该感知加权处理模块进行感知加权处理后，输出模板MDCT恢复系数

步骤206、根据模板MDCT恢复系数

以及频带扩展恢复参数

重构高频MDCT恢复系数

其中，根据

提取出超宽带部分各子带进行扩展时所选择的宽带部分MDCT恢复系数

的起始位置，根据

提取出超宽带部分各子带进行扩展时所选择的宽带部分MDCT系数

对应的能量增益，从而得到超宽带部分的MDCT系数 ${\hat{S}}_H(k_{0,j}+k)={\hat{g}}_j\·{\hat{S}}_L({\widehat{\mathrm{\Δ}}}_j+k),j=\mathrm{0,1,2};$ 将3个子带的MDCT系数进行合并，并添加80个全零系数，即完成了超宽带部分MDCT系数的重建，得到高频MDCT恢复系数

步骤207、将高频MDCT恢复系数

进行IMDCT变换及频谱折叠，得到高频子带恢复信号

其中，经过频带扩展得到的高频MDCT恢复系数

经IMDCT变换回时域，并且与编码端对应，然后再进行一次频谱折叠，即输出为高频子带恢复信号

由于3k～8kHz信号的频谱下降的坡势相对于8k～14kHz信号的频谱较陡，为了获得更接近高频信号的频谱，可进一步作去加重处理，使得重构超宽带部分的频谱从整体上呈大体下降趋势略缓，从而获得更好的音质。去加重的传递方程表达式为 $D\left(z\right)=\frac{1}{1-\mathrm{\α}\·z^{-1}},$ 其中，α为预先设定的常数。

步骤208、合成低频子带恢复信号

与高频子带恢复信号

得到超宽带语音恢复信号

具体可为：分别对低带和高带的16kHz采样信号进行↑2采样，并分别通过QMF合成滤波并进行叠加，得到32kHz采样的超宽带信号并输出。此时解码端便通过3k～8kHz频谱信号复制8k～14kHz频谱信号，完成了一帧超宽带语音信号的解码。

上述编解码方法实施例，首先通过宽带增强重构7k～8kHz频谱信号的编码参数，然后根据均方误差最小原则，在编码端得到宽带信号复制超宽带信号的频带扩展参数，并对参数进行二进制、huffman编码，解码端在现有语音编码器的基础上，通过宽带增强解码重构7k～8kHz频谱信号，将0～7kHz信号扩展到了0～8kHz，使得到的0～8kHz信号更接近原始信号；并且，利用得到的0～8kHz信号与解码得到的频带扩展参数重构8～14kHz频谱信号，计算复杂度低，且需要传输的参数少，实现了7k～14kHz的超宽带扩展，大大丰富了信号内容，提高了音质，通过上述实施例能够更准确地再现了语音信号、音乐信号。

图4为本发明超宽带扩展编码器实施例的结构示意图，如图4所示，正交镜像分析滤波器通过高通滤波器H₁、低通滤波器H₀以及2比1采样模块将超宽带语音信号s_SWB(n)拆分为高频子带信号s_H ^QMF(n)和低频子带信号s_L ^QMF(n)；高通滤波器H_hl滤除低频子带信号s_L ^QMF(n)中的工频噪声，得到s_L(n)；核心层编码器可使用现有的标准语音编码器如G.729.1编码器对滤除s_L(n)进行语音编码，得到低频信号参数；核心层解码器对所述低频信号参数进行语音解码，得到低带恢复信号

低频MDCT模块对低带恢复信号

进行MDCT变换，得到宽带增强模块用于对低带恢复信号进行宽带增强，获得残差MDCT编码参数，可包括残差获取模块、残差MDCT模块、宽带增强编码器及叠加模块，残差获取模块通过合并低频子带信号s_L(n)与低带恢复信号

即滤除工频噪声后的低频子带信号s_L(n)减去所述低带恢复信号

得到残差信号r_L(n)；残差MDCT模块对残差信号r_L(n)进行MDCT变换，得到残差MDCT系数S_enh(k)；宽带增强编码器对残差MDCT系数S_enh(k)进行编码，得到残差MDCT编码参数；叠加模块将

与残差MDCT系数S_enh(k)进行叠加；感知加权处理模块通过LPC模块对s_L(n)进行LPC分析，得到A_L，通过感知加权参数为 $H\left(z\right)=\frac{A_L(z/{\mathrm{\γ}}_L)}{1-\mathrm{\β}\·z^{-1}}$ 约感知加权模块对低频MDCT系数及残差MDCT系数S_enh(k)即二者的叠加信号进行处理，得到模板MDCT系数

频谱折叠模块(-1)ⁿ对高频子带信号s_H ^QMF(n)进行频谱折叠，得到s_H ^fold(n)；高频MDCT模块对s_H ^fold(n)进行MDCT变换，得到高频MDCT系数S_H(k)；高带超宽带扩展高带超宽带扩展处理器对模板MDCT系数

与高频MDCT系数S_H(k)进行均方误差最小原则匹配计算，得到频带扩展参数Δ_j、g_j；高带超宽带扩展编码器对频带扩展参数Δ_j、g_j进行编码；通过多路器MUX传输低频信号参数、残差MDCT编码参数及编码后的误差参数。

为提高音质，宽带增强模块还可进一步增加宽带增强解码器，对残差MDCT编码参数进行解码，得到残差MDCT恢复系数此时，叠加模块将

与

叠加，感知加权处理模块将与

的叠加信号与s_L(n)作为输入信号，根据s_L(n)对叠加信号进行感知加权处理，进一步减少了编码器与解码器之间的误差。

图5为本发明超宽带扩展解码器实施例的结构示意图，本实施例与图4给出的编码器相对应，解复用器DEMUX将接收编码器发送的码流，得到低频信号参数及编码后的频带扩展参数；核心层解码器对低频信号参数进行解码，得到低带恢复信号

宽带增强解码器对接收到的残差MDCT编码参数进行解码，得到残差MDCT恢复系数

MDCT模块对低频子带恢复信号进行MDCT变换，得到低频MDCT恢复系数

叠加模块对低频MDCT恢复系数

与残差MDCT恢复系数进行叠加，得到低带增强MDCT系数；低频IMDCT模块对低带增强MDCT系数进行IMDCT变换，得到低频子带恢复信号

高带超宽带扩展解码器对接收到的编码后的频带扩展参数进行解码，得到频带扩展恢复参数

感知加权处理模块根据

对低带增强MDCT系数进行感知加权，得到模板MDCT恢复系数

高带超宽带扩展反处理器用模板MDCT恢复系数

以及频带扩展恢复参数

重构高频MDCT恢复系数

高频IMDCT模块对高频MDCT恢复系数

进行IMDCT变换得到

频谱折叠模块对

进行频谱折叠，得到高频子带恢复信号

去加重模块对

进行去加重处理；正交镜像合成滤波器合成低频子带恢复信号

与高频子带恢复信号

得到超宽带语音恢复信号

其中，去加重模块可根据编码器端的实际需求进行保留或去除。

超宽带扩展系统由上述任意编码器实施例中的编码器及上述任意解码器实施例中的解码器组成，能够实现7k～14kHz的扩展，保证了0～14kHz音频信号的良好传输。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (19)

1、一种超宽带扩展编码方法，其特征在于，包括：

将超宽带语音信号拆分为高频子带信号和低频子带信号；

对所述低频子带信号进行语音编码，得到低频信号参数；

对所述低频信号参数进行语音解码，得到低带恢复信号；

对所述低带恢复信号进行改进型离散余弦变换MDCT，得到低频MDCT恢复系数；

对所述低带恢复信号进行宽带增强，获得残差MDCT系数及残差MDCT编码参数；

根据所述低频子带信号对所述低频MDCT恢复系数及残差MDCT系数进行感知加权，得到模板MDCT系数；

对所述高频子带信号进行频谱折叠以及MDCT变换，得到高频MDCT系数；

根据均方误差最小原则对所述模板MDCT系数与高频MDCT系数进行匹配，得到频带扩展参数；

对所述频带扩展参数进行编码；

传输所述低频信号参数、残差MDCT编码参数及编码后的频带扩展参数。

2、根据权利要求1所述的超宽带扩展编码方法，其特征在于，对所述低频子带信号进行语音编码之前还包括：

滤除所述低频子带信号中的工频噪声。

3、根据权利要求1所述的超宽带扩展编码方法，其特征在于，

对所述低带恢复信号进行宽带增强，获得残差MDCT系数及残差MDCT编码参数具体为：

用所述低频子带信号减去所述低带恢复信号，得到残差信号；

对所述残差信号进行MDCT变换，得到残差MDCT系数；

对所述残差MDCT系数进行编码，得到残差MDCT编码参数。

4、根据权利要求3所述的超宽带扩展编码方法，其特征在于，

根据所述低频子带信号对所述低频MDCT恢复系数及残差MDCT系数进行感知加权具体为：

将所述低频MDCT恢复系数与所述残差MDCT系数进行叠加；

根据所述低频子带信号获得的感知加权参数，对叠加得到的信号进行感知加权。

5、根据权利要求3所述的超宽带扩展编码方法，其特征在于，对所述残差MDCT系数进行编码具体为：

根据比特量首先对所述残差MDCT系数的后48个进行部分或全部编码，然后根据剩余比特量对所述后48个之前的112个残差MDCT系数进行部分或全部编码。

6、根据权利要求5所述的超宽带扩展编码方法，其特征在于，进行部分或全部编码具体为：

将所述残差MDCT系数每16个分成一个子带，对部分或全部子带进行球型矢量量化。

7、根据权利要求4所述的超宽带扩展编码方法，其特征在于，将所述低频MDCT恢复系数与所述残差MDCT系数进行叠加具体为：

对所述残差MDCT系数经过编码后得到的残差MDCT编码参数，进行解码，得到残差MDCT恢复系数；

将所述低频MDCT恢复系数与所述残差MDCT恢复系数进行叠加。

8、根据权利要求1所述的超宽带扩展编码方法，其特征在于，根据均方误差最小原则对所述模板MDCT系数与高频MDCT系数进行匹配，得到频带扩展参数具体为：

将所述高频MDCT系数分段；

根据均方误差最小原则，得到所述模板MDCT系数相对于每段高频MDCT系数的能量增益值，以及所述能量增益值对应的所述模板MDCT系数起始位置；

对所述频带扩展参数进行编码具体为：对所述能量增益值及起始位置进行编码。

9、根据权利要求1所述的超宽带扩展编码方法，其特征在于，根据所述低频子带信号对所述低频MDCT恢复系数及残差MDCT系数进行感知加权，得到模板MDCT系数具体为：

根据所述低频子带信号对3kHz～8kHz范围内的所述低频MDCT恢复系数及残差MDCT系数进行感知加权，得到模板MDCT系数。

10、一种超宽带扩展解码方法，其特征在于，包括：

接收超宽带语音编码信号，并从中提取低频信号参数、残差MDCT编码参数及编码后的频带扩展参数；

对接收到的低频信号参数、残差MDCT编码参数及编码后的频带扩展参数进行解码，得到低带恢复信号、残差MDCT恢复系数以及频带扩展恢复参数；

对所述低带恢复信号进行MDCT变换，得到低频MDCT恢复系数；

叠加所述低频MDCT恢复系数与残差MDCT恢复系数，得到低带增强MDCT系数；

对叠加后得到的系数进行反改进型离散余弦变换IMDCT，得到低频子带恢复信号；

根据所述低频子带恢复信号对所述低带增强MDCT系数进行感知加权，得到模板MDCT恢复系数；

根据所述模板MDCT恢复系数以及频带扩展恢复参数重构高频MDCT恢复系数；

将所述高频MDCT恢复系数进行IMDCT变换及频谱折叠，得到高频子带恢复信号；

合并所述低频子带恢复信号与高频子带恢复信号，得到超宽带语音恢复信号。

11、根据权利要求10所述的超宽带扩展解码方法，其特征在于，对所述低频MDCT恢复系数进行感知加权还包括：提取3kHz～8kHz所述低频MDCT恢复系数。

12、根据权利要求10或11所述的超宽带扩展解码方法，其特征在于，将所述高频MDCT恢复系数进行改进型反离散余弦变换IMDCT之后还包括：

对经过IMDCT变换的高频MDCT恢复系数进行去加重处理。

13、一种超宽带扩展编码器，其特征在于，包括：

正交镜像分析滤波器，用于将超宽带语音信号拆分为高频子带信号和低频子带信号；

核心层编码器，用于对所述低频子带信号进行语音编码，得到低频信号参数；

核心层解码器，用于将所述低频子带信号进行语音编码后得到的低频信号参数，进行语音解码，得到低带恢复信号；

低频MDCT模块，用于对所述低带恢复信号进行MDCT变换，得到低频MDCT恢复系数；

宽带增强模块，用于对所述低带恢复信号进行宽带增强，获得残差MDCT系数及残差MDCT编码参数；

感知加权处理模块，用于根据所述低频子带信号对所述低频MDCT恢复系数及残差MDCT系数进行感知加权，得到模板MDCT系数；

频谱折叠模块，用于对所述高频子带信号进行频谱折叠；

高频MDCT模块，用于对经过频谱折叠的所述高频子带信号进行MDCT变换，得到高频MDCT系数；

高带超宽带扩展处理器，用于根据均方误差最小原则对所述模板MDCT系数与高频MDCT系数进行匹配，得到频带扩展参数；

高带超宽带扩展编码器，用于对所述频带扩展参数进行编码；

复用器，用于传输所述低频信号参数、残差MDCT编码参数及编码后的频带扩展参数。

14、根据权利要求13所述的超宽带扩展编码器，其特征在于，还包括：

高通滤波器，用于滤除所述低频子带信号中的工频噪声；

所述核心层编码器还用于对滤除工频噪声的低频子带信号进行语音编码。

15、根据权利要求13所述的超宽带扩展编码器，其特征在于，所述宽带增强模块包括：

残差获取模块，用于用所述低频子带信号减去所述低带恢复信号，得到残差信号；

残差MDCT模块，用于对所述残差信号进行MDCT变换，得到残差MDCT系数；

宽带增强编码器，用于对所述残差MDCT系数进行编码，得到残差MDCT编码参数；

叠加模块，用于将经过MDCT的所述低带恢复信号与所述残差MDCT系数进行叠加。

16、根据权利要求15所述的超宽带扩展编码器，其特征在于，所述宽带增强模块还包括：

宽带增强解码器，用于对所述残差MDCT系数经过编码后得到的残差MDCT编码参数，进行解码，得到残差MDCT恢复系数；

所述叠加模块还用于将经过MDCT变换的所述低带恢复信号与所述残差MDCT恢复系数进行叠加。

17、一种超宽带扩展解码器，其特征在于，包括：

解复用器，用于接收所述低频信号参数、残差MDCT编码参数及编码后的误差参数；

核心层解码器，用于对接收到的所述低频信号参数进行解码，得到低带恢复信号；

宽带增强解码器，用于对接收到的残差MDCT编码参数进行解码，得到残差MDCT恢复系数；

高带超宽带扩展解码器，用于对接收到的所述编码后的频带扩展参数进行解码，得到频带扩展恢复参数；

MDCT模块，用于对所述低带恢复信号进行MDCT变换，得到低频MDCT恢复系数；

叠加模块，用于对所述低频MDCT恢复系数与残差MDCT恢复系数进行叠加，得到低带增强MDCT系数；

低频IMDCT模块，用于对所述低带增强MDCT系数进行IMDCT变换，得到低频子带恢复信号；

感知加权处理模块，用于根据所述低频子带恢复信号对所述低带增强MDCT系数进行感知加权，得到模板MDCT恢复系数；

高带超宽带扩展反处理器，用于根据所述模板MDCT恢复系数以及频带扩展恢复参数重构高频MDCT恢复系数；

高频IMDCT模块，用于将所述高频MDCT恢复系数进行IMDCT变换；

频谱折叠模块，用于将经过IMDCT变换的高频MDCT恢复系数进行频谱折叠，得到高频子带恢复信号；

正交镜像合成滤波器，用于合并所述低频子带恢复信号与高频子带恢复信号，得到超宽带语音恢复信号。

18、根据权利要求17所述的超宽带扩展解码器，其特征在于，还包括：

去加重模块，用于对经过IMDCT变换的高频MDCT恢复系数进行去加重处理。

19、一种超宽带扩展系统，其特征在于，包括：上述权利要求13-16中任一项所述的超宽带扩展编码器及上述权利要求17-18中任一项所述的超宽带扩展解码器。

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