CN101996640B - 频带扩展方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种频带扩展方法及装置，涉及通信领域，实现了针对不同的语言或者语种的信号，能够获得质量比较好的宽频带信号。本发明实施例包括：获得宽频带信号的类型；根据所述宽频带信号的类型以及低频带频谱，预测高频带频谱精细结构和高频带频谱包络；将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络相加权，获得高频带频谱；将低频带频谱与所述高频带频谱合成宽频带频谱；将所述的宽频带频谱进行频时变换获得宽频带信号。

Description

频带扩展方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及频带扩展方法及装置。

背景技术

由于传输带宽和其它一些条件的限制，传统的PSTN(Public SwitchedTelephone Network，公共交换电话网)网络中的语音信号都是以窄带形式进行传输的。而窄带信号大大限制了人耳的听觉质量。

针对上述问题，现有技术中提供一种简单有效的不用切换目前的窄带网络又能得到宽带语音的方法，该方法为盲频带扩展技术。目前的盲扩展技术基本都是在时域进行的处理，具体的操作包括：将窄带信号首先进行线性预测分析，得到窄带信号的线性预测系数和残差信号，分别将窄带的线性预测系数和残差信号扩展成宽带的线性预测系数和宽带激励，然后将宽带激励信号通过宽带线性合成滤波器，输出宽带语音。其中，在将窄带的线性预测系数扩展成宽带的线性预测系数时，具体为：将窄带的线性预测系数换算成线谱频率参数、梅尔倒谱系数等其它表示的域里，根据宽带信号低频和高频的关系，训练出一个有高频和低频映射关系的码书，在终端设备上，根据得到的窄带信号的线性预测系数的特性，在码书中找寻表示相应高频线性预测系数的一组参数，联合高频和低频的线性预测系数，将窄带线性预测系数扩展成宽带线性预测系数。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：现有技术中使用的码书，是将线性预测系数换算成线谱频率参数、梅尔倒谱系数等其它表示的域里，根据宽带信号低频和高频的关系，训练出一个有高频和低频映射关系的码书，此码书与训练过程中使用的语言有很大的关系；当编码端输入的语言或者语种与训练码书时使用的语言或语种不同时，根据该码书获取的宽频带的线性预测系数可能与实际的线性预测系数存在很大误差，使预测的宽频带的线性预测系数很不准确，从而使获取的宽带信号的质量性能不是很好。所以，现有技术对不同的语种或者语言处理时，输出信号的性能可能差别很大。

发明内容

本发明的实施例提供一种频带扩展方法及装置，对不同语言或者语种的信号进行频带扩展时，获取的宽频带信号的质量性能都比较好。

本发明的实施例提供一种频带扩展方法，包括：

获得宽频带信号的类型；

根据所述宽频带信号的类型以及低频带频谱，预测高频带频谱精细结构和高频带频谱包络；

将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络相加权获得高频带频谱；

将所述低频带频谱与所述高频带频谱合成宽频带频谱；

将所述宽频带频谱进行频时变换获得宽频带信号。

本发明的实施例还提供一种频带扩展装置，包括：

获得单元，用于获得宽频带信号的类型；

结构预测单元，用于根据所述获取单元获得的宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱精细结构；

包络预测单元，用于根据所述获取单元获得的宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱包络；

计算单元，用于将所述结构预测单元预测的高频带频谱精细结构与所述包络预测单元预测的高频带频谱包络相加权获得高频带频谱；

合成单元，用于将所述低频带频谱与所述计算单元获得的高频带频谱合成宽频带频谱；

变换单元，用于将所述合成单元获得的宽频带频谱进行频时变换获得宽频带信号。

本发明实施例提供的技术方案中，在接收到低频带信号后，根据宽频带信号的类型以及低频带频谱，预测高频带频谱精细结构和高频带频谱包络，进而将所述高频带频谱精细结构和高频带频谱包络相加权获得高频带频谱，将计算得到的高频带频谱和已知的低频带频谱合成宽频带频谱，将合成的宽频带频谱进行频时变换获得宽频带信号；通过采用上述技术手段，本发明实施例的技术方案根据接收到的信号类型和低频带的频谱，准确的实现针对不同类型信号的高频带频谱精细结构和高频带频谱包络的预测，从而使获取的宽频带信号的性能质量比较好，实现了对不同语言或者语种的信号进行频带扩展时，获取的宽频带信号的质量性能都比较好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中频带扩展方法的流程图；

图2为本发明实施例1中频带扩展装置的组成框图；

图3为本发明实施例2中频带扩展方法的流程图；

图4为本发明实施例2中频带扩展装置的组成框图；

图5为本发明实施例3中频带扩展方法的流程图；

图6为本发明实施例3中频带扩展装置的组成框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例提供一种频带扩展方法，如图1所示，该方法包括：

101、获得宽频带信号的类型；所述宽频带信号的类型一般根据信号自身的特性，例如基音周期、过零率以及相关性等来具体的分类，可以包括浊音信号、清音信号等；不同的语言和语种发出的声音信号都包含基音周期、过零率以及相关性等信号特性，因此对宽频带信号进行分类时，不受语言和语种的限制只根据信号自身的特性来分类，从而使由不同语言和语种发出的语音信号在频带扩展的过程中，都能够获得质量比较好的宽频带信号，进而提高人耳的听觉质量。

其中，在将低频带信号扩展为高频带信号时，由于不同类型信号的频谱精细结构和频谱包络特性不尽相同，为了使各种类型的低频信号能够较准确的预测到高频带的频谱精细结构和频谱包络，一般根据宽频带信号类型具体选择不同频段的低频带频谱系数和低频带频谱包络进行预测。而在接收端一般无法直接预知该上述宽频带信号的类型，具体可以通过两种方式获取，该两种方式具体包括：第一种，当编码端除了传送低频带信息外不传输任何其他信息时，解码端根据低频带信号的时频参数将低频带信号进行分类，将分类获得的低频带信号的类型作为宽频带信号的类型；第二种，当编码端除了传送低频带信息外还可以传送少量其它信息，将宽频带信号类型信息传送给解码端，解码端接收发送端发送的宽频带信号的类型信息，获取宽频带信号的类型。

102、根据所述宽频带信号的类型以及低频带频谱，预测高频带频谱精细结构和高频带频谱包络。

其中，根据所述宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱精细结构所采用的方法可以为但不局限于以下两种形式，该两种形式具体为：通过在频域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构；或者通过在时域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构。所述在频域对低频带频谱进行平坦化的方法可以为但不局限于频域包络归一化方法，还可以为频域的线性预测方法；本发明实施例对此不进行限制，其他可以预测精细结构的方法都属于本发明保护的范围。

103、将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络相加权获得高频带频谱。其中，所述将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络相加权可以为但不局限于将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络相乘，还可以为将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络进行卷积运算得到高频带频谱等其他方法。

104、将所述低频带频谱与所述高频带频谱合成宽频带频谱。

105、将所述宽频带频谱进行频时变换获得宽频带信号。

本发明实施例还提供一种频带扩展装置，如图2所述，该装置包括：获取单元21、结构预测单元22、包络预测单元23、计算单元24、合成单元25和变换单元26。

获取单元21用于获得宽频带信号的类型；在获得宽频带信号的类型后，结构预测单元22用于根据所述获取单元21获得的宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱精细结构；包络预测单元23用于根据所述获取单元21获得的宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱包络；在所述结构预测单元22预测获得高频带频谱精细结构，以及所述包络预测单元23预测获得高频带频谱包络后，计算单元24用于将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络相加权获得高频带频谱；合成单元25，用于将所述低频带频谱与所述计算单元44获得的高频带频谱合成宽频带频谱；变换单元25用于将所述合成单元合成的宽频带频谱进行频时变换获得宽频带信号。

其中，根据所述宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱精细结构所采用的方法可以为但不局限于以下两种形式，该两种形式具体为：通过在频域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构；或者通过在时域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构。所述在频域对低频带频谱进行平坦化的方法可以为但不局限于频域包络归一化方法，还可以为频域的线性预测方法；本发明实施例对此不进行限制，其他可以预测精细结构的方法都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中，在接收到低频带信号后，根据宽频带信号的类型以及低频带频谱，预测高频带频谱精细结构和高频带频谱包络，进而将所述高频带频谱精细结构和高频带频谱包络相加权获得高频带频谱，将计算得到的高频带频谱和已知的低频带频谱合成宽频带频谱，将合成的宽频带频谱进行频时变换获得宽频带信号；与现有技术中使用码书获取高频带线性预测系数相比，本发明实施例根据接收到的信号类型和低频带的频谱，准确的实现针对不同类型信号的高频带频谱精细结构和高频带频谱包络的预测，从而使获取的宽频带信号的性能质量比较好，实现了对不同语言或者语种的信号进行频带扩展时，获取的宽频带信号的质量性能都比较好。

实施例2

本发明实施例提供一种频带扩展方法，如图3所示，该方法包括：

301、获得宽频带信号的类型。

其中，在将低频带信号扩展为高频带信号时，由于不同类型的信号的频谱精细结构和频谱包络特性不尽相同，为了使各种类型的低频信号能够较准确的预测到高频带的频谱精细结构和频谱包络，一般根据宽频带信号类型具体选择不同频段的低频带频谱系数和低频带频谱包络进行预测。而在接收端一般无法直接预知该上述宽频带信号的类型，具体可以通过两种方式获取，该两种方式具体包括：第一种，当编码端除了传送低频带信息外不传输任何其他信息时，即，不对现有网络做任何改变，在解码端只接收到低频带信号，根据低频带信号获取时频参数，并根据所述时频参数对低频带信号进行分类获取低频带信号的类型，并将所述低频带信号的类型作为宽频带信号的类型；第二种，当编码端除了传送低频带信息外还可以传送少量其它信息时，将宽频带信号类型信息传送给解码端，解码端接收编码端发送的宽频带信号类型信息获得宽频带信号的类型。

本发明实施例以第一种获取宽频带信号类型的方法为例具体阐述获取宽频带信号的类型，该方法可以包括：

3011、根据低频带信号获取低频带信号的时频参数；其中，获取低频带信号的时频参数具体包括：在接收到低频带信号后从所述低频带信号中直接提取时域的参数，所述时域的参数包括时域包络、相关性、基音周期以及过零率等；所述频域参数要通过对接收到的低频带信号进行处理后才可以获得，具体为：在接收到低频带信号后，首先对所述低频带信号进行上采样，然后对上采样的信号进行时频变换之后求解低频带信号的频域参数，所述频域参数包括频域包络、频谱的平坦度以及高低带间能量的比值等。

3012、在获取所述低频带信号的时频参数后，根据所述时频参数对低频带信号进行分类，并将所述低频带信号的类型作为宽频带信号的类型。其中，在根据所述低频带信号的时频参数对低频带信号进行分类时，可以根据所述获得的时频参数中的一项或者任意项的组合对所述低频带信号进行分类；本发明实施对此不进行限制，任何将低频带信号进行分类的方法，都属于本发明保护的范围；例如根据相关性对低频带的信号进行分类，具体为：设定一个相关性的阈值，该阈值可以为0到1中的某个数值，然后分析低频带信号的相关性与该阈值的关系，若所述低频带信号的相关性大于所述设置的相关性的阈值，则将所述低频带信号分为浊音，并记为mode＝1等。

302、根据所述宽频带信号的类型和低频带频谱预测高频带频谱精细结构。

其中，根据宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱精细结构所采用的方法可以为但不局限于以下两种形式，该两种形式具体为：通过在频域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构；或者通过在时域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构。所述在频域对低频带频谱进行平坦化的方法可以为但不局限于频域包络归一化方法，还可以为频域的线性预测方法；本发明实施例对此不进行限制，其他可以预测精细结构的方法都可以用于本步骤中都属于本发明保护的范围。

本发明实施例以通过在频域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构为例具体阐述频带扩展的方法。在根据宽频带信号的类型和低频带频谱预测高频带频谱精细结构的过程中，可以包括：

3021、根据宽频带信号的类型选取相应频段的低频带频谱系数。由于宽频带信号的类型不同，所以低频带频谱系数的特性不同，要想预测到相对准确的高频带频谱系数，则需要根据宽频带信号的类型选取合适的低频带频谱系数。

3022、将所述选取的低频带频谱系数预测到高频带获得高频带频谱系数；其中，将所述低频带频谱系数预测到高频带获得高频带频谱系数，可以采用但不局限于将低频带频谱系数折叠、搬移的方式，本发明实施例对此不进行限制，其他可以将所述低频带频谱系数预测到高频带获得高频带频谱系数的方法，都可以应用于本步骤中。

3023、利用所述获得的高频带频谱系数除以与所述宽频带信号的类型相对应的归一化频谱包络进行归一化，得到高频带频谱精细结构。其中，在根据宽频带信号的类型对所述获得的高频带频谱系数进行归一化的过程中，可以针对不同类型的信号，将所述获得高频带频谱系数分成不同的频域子带个数，即每个频域子带内频谱系数个数不同，在进行具体预测高频带频谱精细结构时，根据宽频带信号的类型，选取一定的频域子带个数，在每个频域子带内，求取一个频谱包络，然后将此频域子带内的频谱系数除以相应的归一化频谱包络，得到此频域子带的高频带频谱精细结构，然后逐个频域子带归一化，最后得到整个高频带频谱的精细结构。总之在预测高频带频谱精细结构时，不同类型的信号，采用不同的归一化频域子带长度。

303、根据所述宽频带信号的类型和低频带频谱预测高频带频谱包络。

在根据所述宽频带信号的类型和低频带频谱预测高频带频谱包络的过程中，可以包括：

3031、根据所述宽频带信号的类型选取相应频段的低频带频谱包络。

3032、在选取与所述宽频带信号的类型相对应频段的低频带频谱包络后，利用所述选取的低频带频谱包络预测高频带频谱包络。

其中，利用所述选取的低频带频谱包络预测高频带频谱包络具体为：将所述选取的低频带频谱包络分为能量信息和波形信息；将所述选取的低频带频谱包络的波形信息预测到高频带得到高频带频谱包络的波形信息；计算所述选取的低频带频谱包络的能量信息，并根据所述计算获得的能量信息预测高频带的包络能量信息；将所述高频带频谱包络的波形信息与高频带频谱包络的能量信息相乘得到高频带频谱包络。

为了使恢复出的高频带频谱和真实的高频带频谱更接近，需要对所述预测出高频带的频谱包络进行帧间和帧内的平滑处理，使得帧间和帧内的能量连续，从而提高了人耳的听觉体验，因此在获得高频带频谱包络后执行步骤3033对获得的高频带频谱包络进行平滑处理。

3033、根据所述宽频带信号的类型选取相应高频带频谱包络的加权因子；将所述加权因子与所述预测的高频带频谱包络相乘得到修正后的高频带频谱包络。

304、将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络相加权获得高频带频谱。其中，所述将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络相加权可以为但不局限于将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络相乘，还可以为将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络进行卷积运算得到高频带频谱等其他方法。

305、将低频带频谱与所述高频带频谱合成宽频带频谱。其中，所述低频带频谱是通过已知的低频带时域信号获得的。

进一步，由于所述合成的宽频带中的高频带部分是由所述合成的宽频带中的低频带部分预测获得，合成的宽频带频谱中可能存在高频带的能量过大，使声音听起来有机械的感觉；或者高频带频谱和低频带频谱相邻处的谐波间距比低频带频谱中的谐波间距小一定的倍数时，使听到的声音带有明显的重音。

为了消除声音听起来有机械的感觉或者带有明显的重音，本发明实施例在将所述低频带频谱和高频带频谱合成宽频带频谱后，执行步骤306。

306、对所述合成的宽频带频谱进行后处理得到修正后的宽频带频谱；所述对所述合成的宽频带频谱进行后处理具体包括：检测所述高频带频谱的谐波间距；若检测到所述高频带频谱中预测的多段频谱间和/或所述高频带频谱与低频带频谱的谐波间距比低频带频谱的谐波间距小预定的倍数，则将高频带中与低频带相邻的谐波去除；或者将高频带频谱在频域轴上向高频带或者低频带搬移谐波距离的预定倍数，该预定倍数可以根据实际的波形确定。

为了避免高频带能量太大使听者听到的声音有机械的感觉，在将谐波间的间距调整好后，进一步对宽频带频谱采用低通滤波的形式进行加权处理，使得宽频带能量从低频到高频进一步压低。

307、将所述修正后的宽频带频谱进行频时变换获得宽频带信号。

其中，本发明实施例中根据所述宽频带信号的类型以及低频带频谱，预测高频带频谱的精细结构和高频带频谱的包络的过程不存在先后之分，此处为了描述的方便，将根据所述宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱的精细结构写在了步骤302中，将根据所述宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱的包络写在了步骤303中；故本发明实施例对根据所述宽频带信号的类型以及低频带频谱，预测高频带频谱的精细结构和高频带频谱的包络之间的先后顺序没有限制，只要是根据所述宽频带信号的类型以及低频带频谱，预测高频带频谱的精细结构和高频带频谱的包络都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种频带扩展装置，如图4所示，该装置包括：

获取单元41、结构预测单元42、包络预测单元43、计算单元44、合成单元45、检测单元46、调整单元47和变换单元48。

获取单元41，用于获得宽频带信号的类型；其中，所述获取宽频带信号的类型具体可以包括以下两种方式：第一种，当编码端除了传送低频带信息外不传输任何其他信息时，解码端获取低频带信号的时频参数，并根据所述时频参数对低频带信号进行分类获取低频带信号的类型，将获取的低频带信号的类型作为宽频带信号的类型；第二种，当编码端除了传送低频带信息外还可以传送少量其它信息，将宽频带信号类型信息传送给解码端时，解码端接收编码端发送的宽频带信号类型信息获得宽频带信号的类型。

结构预测单元42用于根据所述获取单元41获得的宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱精细结构；包络预测单元43用于根据所述获取单元41获得的宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱包络；在所述结构预测单元42预测获得高频带频谱精细结构，以及所述包络预测单元43预测获得高频带频谱包络后，计算单元44用于将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络相加权获得高频带频谱；在所述计算单元44计算获得高频带频谱后，合成单元45用于将所述低频带频谱与所述计算单元44计算获得的高频带频谱合成宽频带频谱。

在将所述低频带频谱与所述高频带频谱合成宽频带频谱后，为了避免听到机械感很重或者明显存在重音的声音，进一步在所述合成单元45将所述低频带频谱与所述高频带频谱合成宽频带频谱后，通过所述检测单元46检测所述高频带频谱的谐波间距；若所述检测单元46检测到所述高频带频谱中预测的多段频谱间和/或所述高频带频谱与低频带频谱相邻处的谐波间距比低频带频谱的谐波间距小预定的倍数时，调整单元47用于将高频带频谱中和低频带频谱相邻的谐波去除；或者将高频带频谱在频域轴上向高频带或者低频带搬移谐波距离的预定倍数，该预定的倍数可以根据实际的频谱波形确定。

在所述调整单元47对所述合成的宽频带频谱进行后处理后，变换单元48用于将所述处理后的宽频带频谱进行频时变换获得宽频带信号。

若所述检测单元46检测到所述高频带频谱中预测的多段频谱间和/或所述高频带频谱与低频带频谱相邻处的谐波间距和低频带频谱的谐波间距相同，则直接通过变换单元48将所述宽频带频谱进行频时变换获得宽频带信号。

其中，所述获取单元41采用第一种方法获取宽频带信号的类型时，获取低频带信号的时频参数具体包括：在接收到低频带信号后从所述低频带信号中直接提取时域的参数，所述时域的参数包括时域包络、相关性、基音周期以及过零率等；所述频域参数要通过对接收到的低频带信号进行处理后才可以获得，具体为：在接收到低频带信号后，首先对所述低频带信号进行上采样，然后对上采样的信号进行时频变换之后求解低频带信号的频域参数，所述频域参数包括频域包络、频谱的平坦度以及高低带间能量的比值等。

其中，在根据所述低频带信号的时频参数对低频带信号进行分类时，可以根据所述获得的时频参数中的一项或者任意项的组合对所述低频带信号进行分类；本发明实施对此不进行限制，任何将低频带信号进行分类的方法，都属于本发明保护的范围；例如根据相关性对低频带的信号进行分类，具体为：设定一个相关性的阈值，该阈值可以为0到1中的某个数值，然后分析低频带信号的相关性与该阈值的关系，若所述低频带信号的相关性大于所述设置的相关性的阈值，则将所述低频带信号分为浊音，并记为mode＝1等。

其中，根据宽频带信号的类型和低频带频谱预测高频带频谱精细结构所采用的方法可以为但不局限于以下两种形式，该两种形式具体为：通过在频域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构；或者通过在时域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构。所述在频域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构可以为但不局限于频域包络归一化方法，还可以为频域的线性预测方法；本发明实施例对此不进行限制，其他可以预测精细结构的方法都属于本发明保护的范围。

其中，当结构预测单元42通过在频域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构时，结构预测单元42具体包括：第一选取模块421、第一预测模块422和精细结构计算模块423。

第一选取模块421用于根据所述宽频带信号的类型选取相应频段的低频带频谱系数；在所述第一选取模块421根据所述宽频带信号的类型选取相应频段的低频带频谱系数后，第一预测模块422用于将所述第一选取模块421选取的低频带频谱系数预测到高频带获得高频带频谱系数，其中，将所述低频带频谱系数预测到高频带获得高频带频谱系数，可以采用但不局限于将低频带频谱系数折叠、搬移的方式，本发明实施例对此不进行限制，其他可以将所述低频带频谱系数预测到高频带获得高频带频谱系数的方法，都可以应用于本模块中；

在所述第一预测模块422将所述选取的低频带频谱系数预测到高频带获得高频带频谱系数后，精细结构计算模块423用于利用所述第一预测模块预测的高频带频谱系数除以与所述宽频信号的类型相对应的归一化频谱包络得到高频带频谱精细结构。

其中，所述包络预测单元43包括：包络选取模块431、包络预测模块432。

包络选取模块431，用于根据所述宽频带信号的类型选取相应频段的低频带频谱包络；在所述包络选取模块431选取与所述宽频带的信号类型相对应频段的频谱包络后，包络预测模块432用于利用所述选取的低频带频谱包络预测高频带频谱包络，其中所述包络预测模块432利用所述选取的低频带频谱包络预测高频带频谱包络具体为：将所述选取的低频带频谱包络的波形信息预测到高频带得到高频带频谱包络的波形信息；计算所述选取的低频带频谱包络的能量信息，并根据所述计算获得的能量信息预测高频带的包络能量信息；将所述高频带频谱包络的波形信息与高频带频谱包络的能量信息相乘得到高频带频谱包络。

某些实施方式中，所述包络预测单元42还可以包括加权因子选取模块433和包络计算模块434。在所述包络预测模块432根据所述包络选取模块431选取的低频带频谱包络预测获得高频带频谱包络后，所述加权因子选取模块433用于根据所述宽频带信号的类型选取相应高频带频谱包络的加权因子，并通过包络计算模块434用于将所述加权因子与所述预测的高频带频谱包络相加权获取修正后的高频带频谱包络。

本发明实施例中，在接收到低频带信号后，根据宽频带信号的类型以及低频带频谱，预测高频带频谱精细结构和高频带频谱包络，进而将所述高频带频谱精细结构和高频带频谱包络相加权获得高频带频谱，将计算得到的高频带频谱和已知的低频带频谱合成宽频带频谱，将合成的宽频带频谱进行频时变换获得宽带信号，与现有技术中使用码书获取高频带频谱的线性预测系数相比，本发明技术方案根据接收到的信号类型和低频带的频谱，准确的实现针对不同类型信号的高频带频谱精细结构和高频带频谱包络的预测，从而使获取的宽频带信号的性能质量比较好，实现了对不同语言或者语种的信号进行频带扩展时，获取的宽频带信号的质量性能都比较好。

并且与现有技术中为实现高频带频谱包络的预测，需要额外的比特数传输高频带的频谱包络信息相比，本发明实施例不需要额外的比特数传输包络信息，只需要根据接收端接收到的低频带信号的频谱包络便可以实现高频带的频谱包络，在一定程度上节约了网络资源。

进一步，在根据宽频带信号的类型和所述低频带频谱预测高频带频谱包络时，在预测出高频带的频谱包络后，又利用与所述宽频带信号的类型相对应的加权因子进行修正，使得恢复出的高频带频谱和真实的高频带频谱更接近，同时，对所述预测出高频带的频谱包络进行帧间和帧内的平滑处理，使得帧间和帧内的能量连续，从而提高了人耳的听觉体验。

更进一步，与现有技术中通过线性预测系数扩展获得的宽带信号相比，本发明实施例中，合成的宽带信号中的低频带部分就是接收到的窄带信号，没有对其进行任何处理，保持了原有窄带信号的完整性，实现了在保证窄带信号完整性的同时，实现窄带信号向宽带信号的扩展。

实施例3

本发明实施例提供一种频带扩展方法，如图5所示，该方法包括：

501、获得宽频带信号的类型；其中，所述获得宽频带信号的类型的具体方法如实施例2中的步骤301中所述，此处将不进行赘述。

502、根据所述宽频带信号的类型和低频带频谱预测高频带频谱精细结构。本发明实施例以通过在时域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱的精细结构为例，具体阐述频带扩展方法。

在根据宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱精细结构的过程中，首先需要执行步骤5021。

5021、将低频带信号进行线性预测分析获得低频带信号的残差信号；并将所述残差信号变换到频域得到低频带频谱系数。

5022、根据所述宽频带信号的类型选取相应频段的低频带频谱系数；由于低频带信号的类型不同，所以低频带频谱系数的特性不同，要想预测到相对准确的高频带频谱系数，则需要根据低频带信号的类型，选取合适的低频带频谱系数。

5023、在选取相应的频段的频域系数后，将所述选取的低频带频谱系数预测到高频带得到高频带频谱系数；其中，将所述低频带频谱系数预测到高频带获得高频带频谱系数，可以采用但不局限于将低频带频谱系数折叠、搬移的方式，本发明实施例对此不进行限制，其他可以将所述低频带频谱系数预测到高频带获得高频带频谱系数的方法，都可以应用于本步骤中。

5024、将所述高频带频谱系数对应的能量信息去除获得高频带频谱精细结构。

503、根据宽频带信号的类型和低频带频谱预测高频带频谱包络。在预测高频带频谱包络的过程中，首先需要执行步骤5031。

5031、根据所述宽频带信号的类型选取相应频段的低频带频谱包络。

5032、在选取所述低频带频谱包络后，利用所述选取的低频带频谱包络预测高频带频谱包络。

其中，利用所述选取的低频带频谱包络预测高频带频谱包络具体为：将所述选取的低频带频谱包络分为能量信息和波形信息；将所述选取的低频带频谱包络的波形信息预测到高频带得到高频带频谱包络的波形信息；计算所述选取的低频带频谱包络的能量信息，并根据所述计算获得的能量信息预测高频带的包络能量信息；将所述高频带频谱包络的波形信息与高频带频谱包络的能量信息相乘得到高频带频谱包络

本发明实施例，以将接收到的宽带信号的类型分为清音信号和浊音信号为例具体阐述利用所述选取的低频带频谱包络预测高频带频谱包络。若接收到的窄带信号为清音，则其过程具体如下：

首先将所述选取的低频带频谱包络分为能量信息和波形信息；判断低频带频谱的能量信息从低频到高频的变化趋势，若所述低频带频谱的能量信息从低频到高频有逐渐增加的趋势，则将低频带频谱的整个波形信息复制并搬移到高频带得到高频带频谱包络的波形信息，并且选取低频带频谱中能量较大的一个或某几个频段能量的加权和作为高频带频谱包络的能量信息，将所述高频带频谱包络的波形信息与高频带频谱包络的能量信息相乘得到高频带包络；若所述低频带频谱的能量信息从低频到高频没有逐渐增加的趋势，则选取低频带频谱中的比较合适的频段的波形信息复制到高频带得到高频带频谱包络的波形信息，并以低频带频谱中能量较小的某个频段或某几个频段的加权和作为高频带频谱包络的能量信息，将所述高频带频谱包络的波形信息与高频带频谱包络的能量信息相乘得到高频带包络。

若接收到的宽频带信号的类型为浊音信号：将低频带某频段的波形信息复制几次或对折几次复制到高频带，并以低频带信号能量较小的某个频段或某几个频段的加权和作为高频带的包络能量，并与包络波形相乘，得到高频带的频谱包络，如果低频带能量从低频到高频有逐渐增加的趋势，则将包络值进一步衰减。

504、将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络相加权获得高频带频谱。其中，所述将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络相加权可以为但不局限于将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络相乘，还可以为将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络进行卷积运算得到高频带频谱等其他方法。

505、将所述低频带频谱与所述高频带频谱合成宽频带频谱。

506、将所述合成的宽频带频谱进行后处理得到修正后的宽频带频谱。其中，所述后处理的过程如实施例3中的步骤306中所述的相同，此处将不再赘述。

507、将所述修正后的宽频带频谱进行频时变换获得宽频带信号。

其中，本发明实施例中根据所述宽频带信号的类型以及低频带频谱，预测高频带频谱的精细结构和高频带频谱的包络的过程不存在先后之分，此处为了描述的方便，将根据所述宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱的精细结构写在了步骤502中，将根据所述宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱的包络写在了步骤503中；故本发明实施例对根据所述宽频带信号的类型以及低频带频谱，预测高频带频谱的精细结构和高频带频谱的包络之间的先后顺序没有限制，只要是根据所述宽频带信号的类型以及低频带频谱，预测高频带频谱的精细结构和高频带频谱的包络都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种频带扩展装置，如图6所示，该装置包括：

获取单元61、结构预测单元62、包络预测单元63、计算单元64、合成单元65、检测单元66、调整单元67和变换单元68。

获取单元61，用于获的宽频带信号的信号类型；其中，所述获取宽频带信号的类型具体可以包括以下两种方式：第一种，当编码端除了传送低频带信息外不传输任何其他信息时，在解码端根据低频带信号获取低频带信号的时频参数，并根据所述时频参数对低频带信号进行分类获取低频带信号的类型，并将所述获取的低频带信号的类型作为宽频带信号的类型；第二种，当编码端除了传送低频带信息外还可以传送少量其它信息，将宽频带信号类型信息传送给解码端时，解码端接收编码端发送的宽频带信号类型信息获得宽频带信号的类型。

结构预测单元62用于根据所述获取单元61获得的宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱精细结构；包络预测单元63用于根据所述获取单元61获得的宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱包络；在所述结构预测单元62预测获得高频带频谱精细结构，以及所述包络预测单元63预测获得高频带频谱包络后，计算单元64用于将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络相加权获得高频带频谱；在所述计算单元64计算获得高频带频谱后，合成单元65用于将所述低频带频谱与所述计算单元64计算获得的高频带频谱合成宽频带频谱。

在将所述低频带频谱与所述高频带频谱合成宽频带频谱后，为了避免听到机械感很重或者明显存在重音的声音，进一步在所述合成单元65将所述低频带频谱与所述高频带频谱合成宽频带频谱后，通过所述检测单元66检测所述高频带频谱的谐波间距；若所述检测单元66检测到所述高频带频谱中预测的多段频谱间和/或所述高频带频谱与低频带频谱相邻处的谐波间距比低频带频谱的谐波间距小预定的倍数时，调整单元67用于将高频带频谱中和低频带频谱相邻的谐波去除；或者将高频带频谱在频域轴上向高频带或者低频带搬移谐波距离的预定倍数，该预定的倍数可以根据实际的频谱波形确定。

在所述调整单元67对所述合成的宽频带频谱进行后处理后，变换单元68用于将所述处理后的宽频带频谱进行频时变换获得宽频带信号。

若所述检测单元66检测到所述高频带频谱中预测的多段频谱间和/或所述高频带频谱与低频带频谱相邻处的谐波间距和低频带频谱的谐波间距相同，则直接通过变换单元68将所述宽频带频谱进行频时变换获得宽频带信号。

其中，当所述结构预测单元62通过在时域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构时，所述结构预测单元62具体包括：分析模块621、变换模块622、第二选取模块623、第二预测模块624和删除模块625。

分析模块621用于将低频带信号进行线性预测分析获得低频带信号的残差信号；在获得所述残差信号后，变换模块622用于将所述分析模块621获得的残差信号变换到频域得到低频带频谱系数；第二选取模块623用于根据所述宽频带信号的类型从所述变换模块622得到的低频带频谱系数中选取相应频段的低频带频谱系数；第二预测模块624用于将所述第二选取模块623选取的低频带频谱系数预测到高频带得到高频带频谱系数；删除模块625将所述第二预测模块624预测的高频带频谱系数对应的能量信息去除获得高频带频谱精细结构。

其中，所述包络预测单元如实施例2中图4中的包络预测单元的结构相同，此处将不再赘述。

本发明实施例中，在接收到窄带信号后，根据宽频带信号的类型以及低频带频谱，预测高频带频谱精细结构和高频带频谱包络，进而将所述高频带频谱精细结构和高频带频谱包络相加权获得高频带频谱，将计算得到的高频带频谱和已知的低频带频谱合成宽频带频谱，将合成的宽频带频谱进行频时变换获得宽频带信号；与现有技术中使用码书获取高频带线性预测系数相比，本发明技术方案根据接收到的信号类型和低频带的频谱，准确的实现针对不同类型信号的高频带频谱精细结构和高频带频谱包络的预测，从而使获取的宽频带信号的性能质量比较好，实现了对不同语言或者语种的信号进行频带扩展时，获取的宽频带信号的质量性能都比较好。

并且与现有技术中为实现高频带频谱包络的预测，需要额外的比特数传输高频带的频谱包络信息相比，本发明实施例不需要额外的比特数传输包络信息，只需要根据接收端接收到的低频带信号的频谱包络便可以实现高频带的频谱包络，在一定程度上节约了网络资源。

进一步，在根据低频带信号的类型和所述低频带频谱预测高频带频谱包络时，在预测出高频带的频谱包络后，又利用与所述低频带信号的类型相对应的加权因子进行修正，使得恢复出的高频带频谱和真实的高频带频谱更接近，同时，对所述预测出高频带的频谱包络进行帧间和帧内的平滑处理，使得帧间和帧内的能量连续，从而提高了人耳的听觉体验。

更进一步，与现有技术中通过线性预测系数扩展获得的宽带信号相比，本发明实施例中，合成的宽带信号中的低频带部分就是接收到的窄带信号，没有对其进行任何处理，保持了原有窄带信号的完整性，实现了在保证窄带信号完整性的同时，实现窄带信号向宽带信号的扩展。

当在不改变已有窄频带网络的情况下，在终端设备上将窄频带信号直接扩展成宽频带信号时，可以采用上述方法实现频带的扩展，通过将低频带频谱的精细结构和包络预测高频带频谱，再将接收到的低频带频谱和高频带频谱合成宽带信号。在恢复高频带频谱包络和精细结构时，虽然依据了高频带和低频带之间的相关性，但和真实的高频带频谱具有一定差别，所以，当从编码端可以传送少量高频带信息时，可以通过少量的比特传送一些高频带频谱的包络或精细结构的修正信息，使得预测的高频带信号更准确，从而提升扩展出的高频带信号的质量。上述修正预测高频带包络或精细结构的方法，同样属于本发明保护的范围。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种频带扩展方法，其特征在于，包括：

获得宽频带信号的类型；

根据所述宽频带信号的类型以及低频带频谱，预测高频带频谱精细结构和高频带频谱包络；所述根据所述宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱精细结构包括：通过在频域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构；或者通过在时域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构；所述根据宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱包络包括：根据所述宽频带信号的类型选取相应频段的低频带频谱包络；利用选取的低频带频谱包络预测高频带频谱包络；

将所述高频带频谱精细结构与所述高频带频谱包络相加权获得高频带频谱；

将所述低频带频谱与所述高频带频谱合成宽频带频谱；

将所述宽频带频谱进行频时变换获得宽频带信号。

2.根据权利要求1所述的频带扩展方法，其特征在于，所述获得宽频带信号的类型包括：

获取低频带信号的时频参数，并根据所述时频参数对低频带信号进行分类获取低频带信号的类型，并将低频带信号的类型作为宽频带信号类型；或者

接收编码端发送的宽频带信号类型信息，获得宽频带信号的类型。

3.根据权利要求1所述的频带扩展方法，其特征在于，所述通过在频域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构包括：

根据宽频带信号的类型选取相应频段的低频带频谱系数；

将选取的低频带频谱系数预测到高频带获得高频带频谱系数；

利用所述获得的高频带频谱系数除以与所述宽频带信号类型相对应的归一化频谱包络得到高频带频谱精细结构。

4.根据权利要求1所述的频带扩展方法，其特征在于，所述通过在时域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构包括：

将低频带信号进行线性预测分析获得低频带信号的残差信号；

将所述残差信号变换到频域得到低频带频谱系数；

根据所述宽频带信号的类型选取相应频段的低频带频谱系数；

将选取的低频带频谱系数预测到高频带得到高频带频谱系数；

去除得到的高频带频谱系数对应的能量信息获得高频带频谱精细结构。

5.根据权利要求1所述的频带扩展方法，其特征在于，所述利用选取的低频带频谱包络预测高频带频谱包络包括：

将所述选取的低频带频谱包络分为能量信息和波形信息；

将所述选取的低频带频谱包络的波形信息预测到高频带得到高频带频谱包络的波形信息；

计算所述选取的低频带频谱包络的能量信息，并根据计算获得的低频带频谱包络的能量信息预测高频带频谱包络的能量信息；

将所述高频带频谱包络的波形信息与高频带频谱包络的能量信息相乘得到高频带频谱包络。

6.根据权利要求5所述的频带扩展方法，其特征在于，在利用选取的低频带频谱包络预测高频带频谱包络之后，还包括：

根据所述宽频带信号的类型选取相应高频带频谱包络的加权因子；

将所述加权因子与所述高频带频谱包络相加权得到修正后的高频带频谱包络。

7.根据权利要求1至6任一项所述的频带扩展方法，其特征在于，在将所述低频带频谱与所述高频带频谱合成宽频带频谱后，还包括：

检测所述高频带频谱的谐波间距；

若检测到所述高频带频谱中预测的多段频谱间和/或所述高频带频谱与低频带频谱相邻处的谐波间距比低频带频谱的谐波间距小预定的倍数，则将高频带频谱中与低频带频谱相邻的谐波去除，或者将高频带频谱在频域轴上向高频带或者低频带搬移谐波距离的预定倍数。

8.一种频带扩展装置，其特征在于，包括：

获取单元，用于获得宽频带信号的类型；

结构预测单元，用于根据所述获取单元获得的宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱精细结构；所述根据所述获取单元获得的宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱精细结构包括：通过在频域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构；或者通过在时域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构；

包络预测单元，用于根据所述获取单元获得的宽频带信号的类型以及低频带频谱预测高频带频谱包络；所述包络预测单元包括：包络选取模块，用于根据所述宽频带信号的类型选取相应频段的低频带频谱包络；包络预测模块，用于利用所述包络选取模块选取的低频带频谱包络预测高频带频谱包络；

计算单元，用于将所述结构预测单元预测的高频带频谱精细结构与所述包络预测单元预测的高频带频谱包络相加权获得高频带频谱；

合成单元，用于将所述低频带频谱与所述计算单元获得的高频带频谱合成宽频带频谱；

变换单元，用于将所述合成单元获得的宽频带频谱进行频时变换获得宽频带信号。

9.根据权利要求8所述的频带扩展装置，其特征在于，所述结构预测单元用于通过在频域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构，包括：

第一选取模块，用于根据所述宽频带信号的类型选取相应频段的低频带频谱系数；

第一预测模块，用于将所述第一选取模块选取的低频带频谱系数预测到高频带获得高频带频谱系数；

精细结构计算模块，用于利用所述第一预测模块预测的高频带频谱系数除以与所述宽频带信号类型相对应的归一化频谱包络得到高频带频谱精细结构。

10.根据权利要求8所述的频带扩展装置，其特征在于，所述结构预测单元用于通过在时域对低频带频谱进行平坦化预测高频带频谱精细结构，包括：

分析模块，用于将低频带信号进行线性预测分析获得低频带信号的残差信号；

变换模块，用于将所述分析模块获得的残差信号变换到频域得到低频带频谱系数；

第二选取模块，用于根据所述宽频带信号的类型从所述变换模块得到的低频带频谱系数中选取相应频段的低频带频谱系数；

第二预测模块，用于将所述第二选取模块选取的低频带频谱系数预测到高频带得到高频带频谱系数；

删除模块，用于去除所述第二预测模块预测的高频带频谱系数对应的能量信息获得高频带频谱精细结构。

11.根据权利要求8所述的频带扩展装置，其特征在于，所述包络预测单元还包括：

加权因子选取模块，用于根据所述宽频带信号的类型选取相应高频带频谱包络的加权因子；

包络计算模块，用于将所述加权因子选取模块选取的加权因子与所述高频带频谱包络相加权得到修正后的高频带频谱包络。

12.根据权利要求8至11任一项所述的频带扩展装置，其特征在于，还包括：

检测单元，用于在合成单元将所述低频带频谱与所述计算单元计算得到的高频带频谱合成宽频带频谱后，检测所述高频带频谱的谐波间距；

调整单元，用于在所述检测单元检测到所述高频带频谱中预测的多段频谱间和/或所述高频带频谱与低频带频谱相邻处的谐波间距比低频带频谱的谐波间距小预定的倍数时，将高频带频谱中与低频带频谱相邻的谐波去除，或者将高频带频谱在频域轴上向高频带或者低频带搬移谐波距离的预定倍数。

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