CN102479513B - 解码器及对比特错误加以隐藏的方法 - Google Patents

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Abstract

一种解码器和一种方法，用于对子带已编码数字音频信号进行解码。解码器包括：输入，用于接收针对音频信号的多个子带的子带系数；错误检测单元(20)，适于对子带之一中的系数序列的内容进行分析，以针对每个系数获取对系数是否已被预定义类型的错误破坏加以指示的指示；错误掩蔽单元(30)，适于从系数序列中产生针对子带的已修改系数序列，其中，预定义类型的错误被减弱；系数组合单元(40)，适于基于错误的指示，组合所接收的系数与已修改系数；以及信号重构单元(50)，适于使用组合的系数来重构音频信号。

Description

解码器及对比特错误加以隐藏的方法
技术领域
本发明涉及一种方法和装置，用于隐藏接收的已经使用子带编码(SBC)方案进行了编码的数字音频信号中的错误。具体地，涉及一种DAB接收机，根据ISO/IEC11172-3中定义的MPEG-1音频层II(MP2)标准来实现源解码器。 
背景技术
数字音频广播(DAB)接收机受到尤其是移动和自动环境中恶劣的传输条件的影响。尽管信道解码器包括若干错误校正方案，但是不能完全避免残留的比特错误。 
掩蔽这种比特错误效应的帧级别的隐藏技术是本领域公知的。一个简单的示例是在检测到错误的音频帧的持续期间，使输出消音(mute)。另一种可能性是重复，其中，将相邻帧用于替代包括比特错误的帧。如果流包括立体声信道，那么当比特错误破坏了一个信道而没有破坏其它信道时，可以使用左右替代。 
已知的重复和替代技术的缺陷在于接收机需要(额外的)数据存储器，以存储如果必要就准备进行替代的(在时间上相邻，或来自其它立体声信道的)解码帧。 
发明内容
根据本发明，提供了一种用于子带已编码数字音频信号的解码器，所述解码器包括： 
输入，用于接收针对音频信号的多个子带的子带系数； 
错误检测单元，适于对子带之一中的系数序列的内容进行分析，以针对每个系数获取对系数是否已被预定义类型的错误破坏加以指示的指示； 
错误掩蔽单元，适于从系数序列中产生针对子带的已修改系数序列，其中，预定义类型的错误被减弱； 
系数组合单元，适于基于对错误的指示，组合所接收的系数和已修改系数；以及 
信号重构单元，适于使用组合的系数来重构音频信号。 
本发明人已意识到：已知的消音、重复以及左右替代技术均涉及丢弃包括错误的帧中的附加数据。即使音频帧仅包括了一个比特错误，也会丢弃整个帧，这导致浪费了有效、有用信息。此外，不利地是需要存储器来存储将被重复或替代的帧以掩蔽错误。 
根据本发明，可以本地分析独立的子带系数。这意味着如果比特错误仅在少量系数中出现，那么对这些错误的隐藏不会导致丢弃或替代正确接收到的系数。因此，可以减少对有效数据的不必要浪费。 
本发明建议了计算量少但更有效的方法来减少由DAB音频流的子带数据中的比特错误造成的主观音频品质损坏。在一个实施例中，所述方法包括：检测时间位置、可选地比特错误的密度以及时域滤波子带采样，以去除由比特错误造成的感觉上最恼人的频率分量。 
错误掩蔽单元产生已修改子带系数序列，其中，已经(在某种程度上)抑制了预定义类型的错误。当错误检测单元检测到错误时，系数组合单元通过优先地依赖已修改系数来组合系数。当没有检测到错误时，组合单元优先地依赖原始系数。这使得能够在使用尽可能多的有效接收的系数数据与减少不正确接收的系数数据的效果之间进行折衷。 
在简单实施例中，组合单元可以包括开关，操作用于当没有检测到错误时选择原始系数，以及当检测到错误时，选择已修改系数。 
系数组合单元可以包括平滑转换器(cross fader)，所述平滑转换器适于以加权组合的方式混合所接收的系数和已修改系数，其中，加权依赖于对错误的指示。 
对加权求和器中的所接收的系数与已修改系数进行平滑转换可以避免在检测到比特错误时在系数序列中引入不连续(discontinuities)。可以使用可变增益元件和求和器来实现平滑转换器。 
优选地，错误检测单元包括高通滤波器，所述高通滤波器被配置为 对系数序列进行高通滤波，优选地，高通滤波器的输出与绝对值计算单元的输入耦合，绝对值计算单元用于计算已滤波系数的绝对值，优选地，绝对值计算单元的输出与判决单元的输入耦合，判决单元用于通过比较绝对值与阈值来决定是否指示错误。 
子带系数中的比特错误通常会导致在已解码音频信号中产生可听的“喀嚓音(click)”或“砰声(pop)”。通过检测系数序列中的不连续以及应用错误隐藏可以避免这种伪象。高通滤波的系数序列的绝对值或幅度是一种针对会产生“喀嚓音”伪象的不连续的简单而有效的指示器。可以将该值与阈值相比较，已产生指示了是否已经出现比特错误的二值指示器。 
优选地，高通滤波器截止频率至少是由所接收到的子带系数表示的时域信号的带宽的二分之一。例如，在DAB中使用的SBC编码方案的情况下，以因子32对子带采样进行临界下采样，这意味着高通滤波器截止频率应该大于0.5*((fs/2)/32)Hz，即，在48kHz处是375Hz。 
错误掩蔽单元可以包括低通滤波器或带通滤波器，用于平滑系数序列中的不连续。 
低通滤波器或带通滤波器是减弱会引起“喀嚓音”伪象的不连续点的一种简单而有效的方法。滤波器减弱了序列的高频分量，从而平滑了不连续。典型地，低通角频率大于或等于由接收的子带系数表示的时域信号的带宽的二分之一，即，在DAB中使用SBC编码方案的情况下，是0.5*((fs/2)/32)Hz。高通滤波器有助于抑制由已损坏采样产生的低频隆隆声(rumble)，高通滤波器角频率典型地小于由接收的子带系数表示的时域信号的带宽的二分之一，即，在DAB中使用SBC编码方案情况下，是0.5*((fs/2)/32)Hz。 
解码器还可以包括信道解码器，适于接收信道编码比特流；执行信道解码；以及输出子带系数。 
信道解码器可以包括：例如，维特比(Viterbi)解码器、或执行错误检测或校正功能的其它解码器。 
优选地，解码器可操作用于接收根据MPEG Layer2音频编码的DAB音频流。 
具体地，本发明涉及DAB信号，尤其是在接收机针对便携式设备或车辆的情况下。这是因为这种接收机比静态接收机更易产生比特错误。 
根据另一方面，提供了一种对子带已编码数字音频信号中的比特错误加以隐藏的方法，包括： 
接收针对音频信号的多个子带的子带系数； 
对子带之一中的系数序列的内容进行分析，以针对每个系数获取对预定义类型的错误是否已经破坏了系数加以指示的指示； 
从系数序列中产生针对子带的已修改系数序列，其中，预定义类型的错误被减弱；以及 
基于错误的指示，使用所接收的系数和已修改系数来重构音频信号。 
所述方法可以应用于单个子带，优选地是第一子带、最低频率子带。但是，其还可以等同地用于其它子带，例如较高频子带。 
对内容的分析可以包括：检测会在已重构音频信号中产生喀嚓音或其它不连续的系数序列。 
优选地，检测喀嚓音或其它不连续包括对系数序列进行高通滤波。 
通过将已高通滤波的系数序列与阈值进行比较来获取对系数是否已被错误破坏加以指示的指示。 
优选地，产生已修改子带系数序列的步骤包括对系数序列进行低通或带通滤波。 
优选地，重构音频信号的步骤包括计算所接收系数与已修改系数的加权和，其中，基于对错误的指示来确定权重。 
例如，可以通过将由错误检测单元产生的脉冲序列与窗函数进行卷积并将卷积输出饱和到1来确定权重。所获得的信号是将应用到已修改系数的权重，称作wm。可以将用于接收到系数的权重限定为wr＝1-wm]。饱和的效果意味着彼此相近间隔的比特错误序列(或突发)会使权重保持非常有利于修改的序列。 
重构音频信号的步骤还包括：针对其余子带，通过将已加权、已求和的系数与所接收的子带系数相组合来合成音频信号。 
例如，可以使用多相合成滤波器组来执行合成，多相合成滤波器组 可操作用于将子带系数转换回时域。在合成中，可以使用已加权、求和的系数(所述系数是原始系数序列与已修改系数序列的组合)来替代原始接收到的系数。该步骤与子带编码逆变换相对应，子带编码变换典型地是时间频率变换。 
还提供了一种包括计算机程序代码装置的计算机程序，所述计算机程序代码装置适于当在计算机上运行时所述程序执行上述方法的全部步骤；该计算机程序包括在计算机可读介质中。 
附图说明
现在参考附图以示例的方式描述本发明，其中： 
图1是根据实施例采用了错误隐藏的接收机装置的框图； 
图2示出了用于图1实施例的适当带通滤波器的示例频率响应； 
图3示出了由喀嚓音检测器的输出产生的示例权重：上方曲线示出了喀嚓音检测输出，下方曲线是在卷积并饱和到1之后的结果权重； 
图4是适合于图1实施例中接收机的喀嚓音检测器的框图； 
图5示出了适合用于喀嚓音检测器的滤波器的频率响应； 
图6是根据实施例的错误隐藏方法的流程图。 
具体实施方式
在DAB中使用的MPEG音频层II音频编解码器是一种子带编码器。在时域中使用滤波器组来进行压缩，滤波器组生成等频率间距的32个子带，其在48kHz的采样率处具有750Hz的带宽。所有这些子带不是等同地感知上相关。第一子带覆盖了从0Hz(DC)到750Hz的带宽，这与人类听觉系统的8个临界波段相对应，，而第二子带仅覆盖了4个临界波段。 
子带中隔离的比特错误产生时域不连续，典型地，不连续可被听做是波段受限的“喀嚓音”噪声。比特错误突发倾向于使被破坏子带的时域信号随机化，这会被听做是波段受限的白噪声。 
本发明人已察觉到：从0到750Hz范围内的第一子带中的这些伪象是最烦人的。这不仅是由于MPEG音频层II滤波器组的相对低的频率分辨率，还因为典型音频信号的明显能量部分集中在该频率范围中。 
本发明建议了一种简单方法来减少DAB音频流的子带数据中由比特错误引起的主观品质损坏，尤其是第一子带。该方法完成了以上目的而不需要有关音频信号的过去或将来部分的任何知识，这意味着提供了较低的等待时间(latency)。 
图1示出了根据实施例的DAB接收机装置的框图。信道解码器10被配置为从RF前端(未示出)接收已信道编码的DAB比特流。信道解码器执行信道解码，典型地包括错误检测能力。信道解码器10可以与现有技术中已知的常规DAB信道解码器相同。对于标准中定义的32个子带，信道解码器的输出是子带系数sb0到sb31的集合。 
源解码器50可以是常规的MPEG音频层II源解码器。解码器50包括多相滤波器组，用于根据MP2标准利用所接收的子带系数来重构音频信号。源解码器50的输出是脉冲编码调制(PCM)音频信号。 
根据本实施例，错误隐藏装置用于在第一子带sb0的系数被输入到源解码器50之前对其进行处理。所应用的处理是非线性的。错误隐藏装置包括喀嚓音检测器20和带通滤波器30，喀嚓音检测器20和带通滤波器30被配置为从信道解码器10接收第一子带sb0的子带系数。 
喀嚓音检测器20检测源解码器50的输出中可能引起喀嚓音或类似不连续的系数序列中的模式(pattern)。这些模式可以与所接收信号中的比特错误相关联。当喀嚓音检测器20检测到这些伪象时，其控制系数组合单元40以抑制或掩蔽伪象。 
带通滤波器30对子带系数滤波。带通滤波减弱了系数序列的低频和高频分量，这降低了与错误相关的不连续的尖锐处与低频隆隆声。将生成的平滑系数序列输入到系数组合单元40中。在图2中示出了适合于带通滤波器的示例性频率响应。 
系数组合单元40被配置为：从喀嚓音检测器20接收控制输入；从信道解码器10接收第一子带sb0的子带系数以及从带通滤波器30接收已滤波的子带系数。组合单元包括两个可变增益元件42和44以及加法器46。第一可变增益元件42被配置为接收第一子带sb0的原始子带系数。第二可变增益元件被配置为接收来自带通滤波器30的已修改(已滤波)子带系 数。每个可变增益元件42、44的增益受控于来自喀嚓音检测器的控制输入。每个元件将输入系数值缩放可变因子，在喀嚓音检测器控制下确定所述可变因子。两个增益元件42、44的输出与加法器耦合，加法器将其相加。因此，组合器40实现了对原始系数和已修改(已带通滤波)系数的加权求和，其中，权重(缩放因子)依赖于喀嚓音检测器是否检测到错误。因此，在本实施例中，组合单元40是平滑转换器。 
平滑转换器40中的加法器46的输出与用于子带sb0的源解码器的输入耦合。按照这种方式，本实施例的错误隐藏装置包括在信道解码器10与源解码器50之间的附加处理级。当重构音频信号时，源解码器50使用已处理的第一子带sb0的系数。 
根据本实施例，当喀嚓音检测器检测到喀嚓音(即，所接收到的系数中的错误)时，通过将错误检测单元产生的脉冲序列与窗函数进行卷积以及将结果饱和为1来确定权重。所获得的信号是将被用于的已修改系数的权重，称作wm。将用于所接收的系数的权重限定为wr＝1-wm。当没有检测到错误时，对于原始接收到的系数，权重具有值1，对于已滤波的系数，权重具有值0。 
在图3中示出了确定权重的这个过程。如图3上部所示，喀嚓音检测器在检测到错误的每个时刻产生脉冲(δ函数)。与窗函数进行卷积确保：在喀嚓音(或一系列喀嚓音)之前和之后，权重显现出平滑过渡状态。如图3的下部所示，卷积的结果被裁剪为最大权重值1。这意味着快速会话中的一系列喀嚓音将导致在wm＝1，wr＝0处，权重值保持，恒定。 
在图4中示出了喀嚓音检测器的实施例。喀嚓音检测器包括高通滤波器22，被配置为从信道解码器20接收子带系数并对其滤波；绝对值计算器24，被配置为从高通滤波器22接收已滤波的系数序列并计算绝对值；以及阈值比较器，被配置为从绝对值计算器24接收一系列绝对值，并将其与阈值比较。如果绝对值大于阈值，则喀嚓音检测器20指示已经检测到错误。 
在该实施例中，将滤波器设计为具有600Hz截止频率的二阶巴特沃斯IIR滤波器。应用到绝对值的阈值是-24dBFS。在图5中示出了该滤波 器的频率响应。 
由喀嚓音检测器20引起的包括高通滤波器22的群延迟的延迟，应该与带通滤波器30的群延迟相匹配。这意味着施加到可变增益元件42和44上的控制信号将与来自带通滤波器30的已滤波系数到达增益元件44处同步。对本领域技术人员显而易见地是，还应该在其它信号路径中引入等价的延迟元件来保持同步。 
图6示出了根据本发明实施例的方法。可以由类似图1的装置来实现该方法。该方法包括接收100用于子带编码方案中若干子带的子带系数。至少在针对最低频率子带的系数序列中检测110喀嚓音。执行滤波120以产生已滤波系数序列。在该已修改序列中抑制了喀嚓音错误。在步骤130中，使用所接收系数与已修改系数的组合来重构音频信号。 
在重构130中，以加权求和的方式组合已修改系数和原始接收的系数。根据在系数序列中检测110到的喀嚓音来确定所要使用的权重。当检测到喀嚓音时，权重优先选择其中喀嚓音已被削弱的已修改序列。当没有检测到喀嚓音时，权重优先选择原始未修改的系数序列。这保证了可以减少输出信号中的喀嚓音(以及类似的不连续)，并同时使得正确接收的系数尽可能少的地发生失真。 
尽管在附图和上述描述中对本发明进行了详细地解释和描述，但是应该将这些解释和描述看作是示意性或示例性的，而非限制性的；本发明不限于公开的实施例。 
例如，可以在以下实施例中操作本发明：针对(除最低频率子带以外的)其它子带，附加地或替代地使用错误隐藏处理。 
如本领域技术人员将认识到的，可以根据图1中示出的类似框图在预定硬件中实现本发明。备选地，可以使用可适当编程的)通用处理器来实现，例如，可编程来实现图3中示出的类似方法。 
同样，本发明技术人员将理解：作为上述示例性技术的备选，可以采用其它技术来检测诸如喀嚓音的错误，或抑制或掩蔽错误的效果。 
例如，已在http://gwc.sourceforge.net/gwc_science/node6.html中公开了一种更复杂的喀嚓音检测技术。该技术还采用高通滤波来检测尖锐的 不连续，例如喀嚓音或砰声。但是，其使用比上述实施例更复杂的测试。检查高通滤波器输出的第一派生物以确定是否存在喀嚓音。分别基于派生物的均值和标准差以及滤波器输出的均值来应用两种阈值测试。 
通过学习附图、说明书和附加权利要求书，本领域技术人员在实践本发明时可以理解和实施相对于所公开实施例的其它变体。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，不定冠词“一个”不排斥多个。单个处理器或其它单元可以满足权利要求中所记载的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中记载特定特征的唯一事实并不表示不可以有利地使用这些特征的组合。不仅可以将计算机程序存储/分配在诸如光存储介质或由其它硬件一起提供或作为其它硬件的一部分的固态介质之类的适当介质上，但是还可以诸如通过因特网或其它有线或无线通信系统之类的其它形式分配。权利要求中的任何参考标记不应该解释为限制范围。 

Claims (11)

1.一种用于子带已编码数字音频信号的解码器，所述解码器包括：
输入，用于接收针对音频信号的多个子带的子带系数；
错误检测单元（20），适于对子带之一中的系数序列的内容进行分析，以针对每个系数获取对该系数是否已被预定义类型的错误破坏加以指示的指示；
错误掩蔽单元（30），适于从系数序列中产生针对子带的已修改系数序列，其中，预定义类型的错误被减弱；
系数组合单元（40），适于基于对错误的指示，组合所接收的系数和已修改系数；以及
信号重构单元（50），适于使用组合的系数来重构音频信号；
其中，系数组合单元包括平滑转换器（40），所述平滑转换器适于以加权组合的方式混合所接收的系数和已修改系数，其中，加权依赖于错误的指示。
2.如权利要求1所述的解码器，其中，错误检测单元（20）包括高通滤波器（22），所述高通滤波器被配置为对系数序列进行高通滤波，
高通滤波器的输出与绝对值计算单元（24）的输入相耦合，绝对值计算单元（24）用于计算已滤波系数的绝对值，
绝对值计算单元的输出与判决单元（26）的输入相耦合，判决单元（26）用于通过比较绝对值和阈值来决定是否指示错误。
3.如权利要求1所述的解码器，其中，错误掩蔽单元包括低通滤波器或带通滤波器（30），用于平滑系数序列中的不连续。
4.如前述权利要求中任一项所述的解码器，还包括信道解码器（10），所述信道解码器适于接收信道编码的比特流；执行信道解码；以及输出子带系数。
5.如权利要求4所述的解码器，解码器可操作用于接收根据MPEGlayer2音频编码的DAB音频流。
6.一种对子带已编码数字音频信号中的比特错误加以隐藏的方法，包括：
接收（100）针对音频信号的多个子带的子带系数；
对子带之一中的系数序列的内容进行分析（110），以针对每个系数获取对该系数是否已被预定义类型的错误破坏加以指示的指示；
从系数序列中产生（120）针对子带的已修改系数序列，其中，预定义类型的错误被减弱；以及
基于对错误的指示，使用所接收的系数和已修改系数来重构（130）音频信号；
其中，重构（130）音频信号的步骤包括计算所接收的系数与已修改系数的加权和，其中，基于对错误的指示来确定权重。
7.如权利要求6所述的方法，其中，对内容的分析包括：检测（110）会导致在已重构音频信号中产生喀嚓音的系数序列。
8.如权利要求7所述的方法，其中，检测喀嚓音包括：对系数序列进行高通滤波。
9.如权利要求8所述的方法，其中，通过将已高通滤波的系数序列的幅度与阈值进行比较，来获取对系数是否已被错误破坏加以指示的指示。
10.如权利要求9所述的方法，其中，产生针对子带的已修改系数序列的步骤包括：对序列进行低通滤波或带通滤波（120）。
11.如权利要求6至10中任一项所述的方法，其中，重构音频信号的步骤还包括：针对其余子带，通过将已加权、已求和系数与所接收的子带系数相组合，来合成音频信号。
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