CN104269173A - 切换模式的音频带宽扩展装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种切换模式的音频带宽扩展编解码装置与方法，将输入的带宽信号进行语音信号、音频信号的分类并根据分类进行变换域带宽扩展编码或线性预测带宽扩展编码的选择，对高频信号或低频信号进行编码；根据不同的编码方式选择解码方式，合成高频信号。本发明综合考虑了语音和音频信号的类型差异，针对不同信号采用不同的带宽扩展策略。与AVS-P10编码器相比，主观听力MOS分略有提升，客观质量信噪比提升明显。

Description

切换模式的音频带宽扩展装置与方法

技术领域

本发明涉及音频编码技术领域，尤其涉及切换模式的音频带宽扩展编解码装置与方法。

背景技术

相对于音频信号的高频信息,人耳对音频信号的低频信息更敏感。大多低比特率音频编码为提高编码效率,高频信息几乎被截去,而只对低频信息编码,因此重建的音频信号丧失了明亮度与自然度,导致整体音频质量下降。为了还原音频信号的带宽,提高音频解码质量,带宽扩展技术被引入到音频解码器中以恢复截去的高频信息。但现有带宽扩展技术对于音频类型的考虑不周，导致高频信息重建音质欠缺。

发明内容

本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷，而提供一种切换模式的音频带宽扩展编解码装置与方法，以提高音频带宽扩展中高频信息的重建音质。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种切换模式的音频带宽扩展编解码的方法，包括具体以下的步骤：

S1、输入的带宽信号由分析滤波得到高频信号和低频信号；

S2、将输入的带宽信号进行语音信号、音频信号的分类并根据分类进行编码模式的选择，若为音频信号，模式位输出1，执行步骤S3；若为语音信号，模式位输出0，执行步骤S4；

S3、若步骤S2的模式位为1，进行变换域带宽扩展编码，将高频信号和低频信号依次快速傅立叶变换、子带划分、增益计算、增益编码，最后输出码流；

S4、若步骤S2的模式位为0，进行线性预测带宽扩展编码，对分频得到的高频信号进行LPC分析、LPC编码、合成滤波冲击响应；对分频得到的低频信号进行残差提取、快速傅立叶变换；所述冲击响应信号与进行残差提取、快速傅立叶变换后的低频信号进行相乘运算，该运算结果与经过快速傅立叶变换后的高频信号进行增益计算，最后对增益编码并输出到码流；

S5、根据步骤S2的语音信号、音频信号的分类进行解码模式的选择，步骤S2的模式位为1时执行步骤S6，步骤S2模式位为0时则执行步骤S7；

S6、将步骤S3所输出的码流解码，通过低频解码后的低频信号与解码后的高频增益参数进行相乘得到合成后的高频信号；

S7、将步骤S4所输出的码流解码，对解码后的低频信号进行快速傅立叶变换，对高频LPC系数解码，同时生成高频冲击响应，对增益解码及平滑处理得到增益因子，将解码后快速傅立叶变换的低频信号与高频冲击响应信号进行相乘运算得到基础信号，将基础信号与增益因子进行相乘运算得到生成的高频信号；

S8、将步骤S6得到的高频信号与解码后的低频信号通过合成滤波器合成解码信号或将步骤S7得到的高频信号与解码后的低频信号通过合成滤波器合成解码信号。

所述步骤S2对输入信号进行残差能量计算并预设一个阈值，若残差能量大于预设的阈值，分类为音频信号，模式位输出1；反之，若残差能量小于预设的阈值，分类为语音信号，模式位输出0。

所述步骤S2预设的阀值为0.18。

一种切换模式的音频带宽扩展编解码装置，包括编码单元和解码单元，所述编码单元包括分析滤波模块、编码模式选择模块、变换域带宽扩展编码模块、线性预测带宽扩展编码模块；所述解码单元由解码模式选择模块、变换域带宽扩展解码模块、线性预测带宽扩展解码模块、高频信号合成滤波模块；

所述分析滤波模块，用于将输入的带宽信号分频成高频信号与低频信号；

所述编码模式选择模块，用于将输入的带宽信号进行语音信号、音频信号的分类并根据分类进行编码模式的选择；

所述变换域带宽扩展编码模块，用于将高频信号和低频信号依次快速傅立叶变换、子带划分、增益计算、增益编码，最后输出码流；

所述线性预测带宽扩展编码模块，用于对分频得到的高频信号进行LPC分析、LPC编码、合成滤波冲击响应；对分频得到的低频信号进行残差提取、快速傅立叶变换；所述冲击响应信号与进行残差提取、快速傅立叶变换后的低频信号进行相乘运算，该运算结果与经过快速傅立叶变换后的高频信号进行增益计算，最后对增益编码并输出到码流；

所述解码模式选择模块，用于根据编码模式选择模块确定的编码模式进行解码模式模式的选择；

所述变换域带宽扩展解码模块，用于接收由变换域带宽扩展编码模块输入的码流，并将通过低频解码后的低频信号与解码后的高频增益参数进行相乘得到合成后的高频信号；

所述线性预测带宽扩展解码模块，用于接收由线性预测带宽扩展编码模块输入的码流，并对解码后的低频信号进行快速傅立叶变换，对高频LPC系数解码，同时生成高频冲击响应，对增益解码及平滑处理得到增益因子，将解码后快速傅立叶变换的低频信号与高频冲击响应信号进行相乘运算得到基础信号，将基础信号与增益因子进行相乘运算得到生成的高频信号；

所述合成滤波模块，用于将变换域带宽扩展解码模块得到的高频信号与解码后的低频信号合成解码信号或者用于将线性预测带宽扩展解码模块得到的高频信号与解码后的低频信号合成解码信号。

所述编码模式选择模块依据带宽输入信号计算预测残差能量并预设一个阈值，若残差能量大于预设的阈值，分类为音频信号，模式位输出1，选择变换域带宽扩展编码；反之，若残差能量小于预设的阈值，分类为语音信号，模式位输出0，选择线性预测带宽扩展编码。

所述编码模式选择模块预设的阀值为0.18。

所述解码模式选择模块在编码模式选择模块输出位为1时则选择变换域带宽扩展解码模式，输出位为0时则进行线性预测带宽扩展解码模式。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明综合考虑了语音和音频信号的类型差异，针对不同信号采用不同的带宽扩展策略。与AVS-P10编码器相比，主观听力MOS分略有提升，客观质量信噪比提升明显。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1是本发明实施例的编解码方法流程图；

图2是本发明实施例的变换域带宽扩展编码流程图；

图3是本发明实施例的线性预测带宽扩展编码流程图；

图4是本发明实施例的变换域带宽扩展解码流程图；

图5是本发明实施例的线性预测带宽扩展解码流程图；

图6是本发明实施例的编解码结构框图；

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明。

如图1所示，一种切换模式的音频带宽扩展编解码的方法，包括具体以下的步骤：

编码工作部分

在步骤S1中，输入的带宽信号由分析滤波得到高频信号和低频信号。

在步骤S2中，将输入的带宽信号进行语音信号、音频信号的分类并根据分类进行编码模式的选择，若为音频信号，模式位输出1，执行步骤S3；若为语音信号，模式位输出0，执行步骤S4。

在步骤S3中，若步骤S2的模式位为1，进行变换域带宽扩展编码，将高频信号和低频信号依次快速傅立叶变换、子带划分、增益计算、增益编码，最后输出码流。

在步骤S4中，若步骤S2的模式位为0，进行线性预测带宽扩展编码，对分频得到的高频信号进行LPC分析、LPC编码、合成滤波冲击响应；对分频得到的低频信号进行残差提取、快速傅立叶变换；所述冲击响应信号与进行残差提取、快速傅立叶变换后的低频信号进行相乘运算，该运算结果与经过快速傅立叶变换后的高频信号进行增益计算，最后对增益编码并输出到码流。

解码工作部分

在步骤S5中，根据步骤S2的语音信号、音频信号的分类进行解码模式的选择，步骤S2的模式位为1时执行步骤S6，步骤S2模式位为0时则执行步骤S7。

在步骤S6中，将步骤S3所输出的码流解码，通过低频解码后的低频信号与解码后的高频增益参数进行相乘得到合成后的高频信号。

在步骤S7中，将步骤S4所输出的码流解码，对解码后的低频信号进行快速傅立叶变换，对高频LPC系数解码，同时生成高频冲击响应，对增益解码及平滑处理得到增益因子，将解码后快速傅立叶变换的低频信号与高频冲击响应信号进行相乘运算得到基础信号，将基础信号与增益因子进行相乘运算得到生成的高频信号。

在步骤S8中，将步骤S6得到的高频信号与解码后的低频信号通过合成滤波器合成解码信号或将步骤S7得到的高频信号与解码后的低频信号通过合成滤波器合成解码信号。

优选的，在步骤S2对输入信号进行残差能量计算并预设一个阈值，若残差能量大于预设的阈值，分类为音频信号，模式位输出1；反之，若残差能量小于预设的阈值，分类为语音信号，模式位输出0。

根据统计特性，步骤S2预设的阀值为0.18。

如图6所示，一种切换模式的音频带宽扩展编解码装置，包括编码单元和解码单元，编码单元包括分析滤波模块1、编码模式选择模块2、变换域带宽扩展编码模块3、线性预测带宽扩展编码模块4；解码单元由解码模式选择模块5、变换域带宽扩展解码模块6、线性预测带宽扩展解码模块7、高频信号合成滤波模块8；

分析滤波模块1，用于将输入的带宽信号分频成高频信号与低频信号；

编码模式选择模块2，用于将输入的带宽信号进行语音信号、音频信号的分类并根据分类进行编码模式的选择；

变换域带宽扩展编码模块3，用于将高频信号和低频信号依次快速傅立叶变换、子带划分、增益计算、增益编码，最后输出码流；

线性预测带宽扩展编码模块4，用于对分频得到的高频信号进行LPC分析、LPC编码、合成滤波冲击响应；对分频得到的低频信号进行残差提取、快速傅立叶变换；所述冲击响应信号与进行残差提取、快速傅立叶变换后的低频信号进行相乘运算，该运算结果与经过快速傅立叶变换后的高频信号进行增益计算，最后对增益编码并输出到码流；

解码模式选择模块5，用于根据编码模式选择模块确定的编码模式进行解码模式模式的选择；

变换域带宽扩展解码模块6，用于接收由变换域带宽扩展编码模块3输入的码流，并将通过低频解码后的低频信号与解码后的高频增益参数进行相乘得到合成后的高频信号；

线性预测带宽扩展解码模块7，用于接收由线性预测带宽扩展编码模块4输入的码流，并对解码后的低频信号进行快速傅立叶变换，对高频LPC系数解码，同时生成高频冲击响应，对增益解码及平滑处理得到增益因子，将解码后快速傅立叶变换的低频信号与高频冲击响应信号进行相乘运算得到基础信号，将基础信号与增益因子进行相乘运算得到生成的高频信号；

合成滤波模块8，用于将变换域带宽扩展解码模块得到的高频信号与解码后的低频信号合成解码信号或者用于将线性预测带宽扩展解码模块得到的高频信号与解码后的低频信号合成解码信号。

优选的，编码模式选择模块2依据带宽输入信号计算预测残差能量并预设一个阈值，若残差能量大于预设的阈值，分类为音频信号，模式位输出1，选择变换域带宽扩展编码3；反之，若残差能量小于预设的阈值，分类为语音信号，模式位输出0，选择线性预测带宽扩展编码4。

优选的，根据统计特性，编码模式选择模块预设的阀值为0.18。

优选的，解码模式选择模块5在编码模式选择模块2输出位为1时则选择变换域带宽扩展解码模式6，输出位为0时则进行线性预测带宽扩展解码模式7。

下面以具体的实施例对本发明的工作原理进行进一步阐述：

编码部分：

在步骤S1中：输入的带宽信号S(n)由分析滤波得到高频信号HB和低频信号LB；

得到的残差能量值与预先设定的阈值0.18进行比较，若残差能量值大于阈值0.18，则分类为音频信号，模式位输出1，选择变换域带宽扩展编码，执行步骤S3，反之，若残差能量值小于阈值0.18，分类为语音信号，模式位输出0，选择线性预测带宽扩展编码，执行步骤S4。

若模式位为1，进行变换域带宽扩展编码,执行步骤S3，参见图2，高频信号HB、低频信号LB首先经过快速傅立叶变换变化，得到频域信号HF和LF，对频域信号HF和LF通过子带划分，两个信号各有128个点，它们被均匀划分成8个子带，即每个子带有16个点。其中每个子带再根据公式 $G_i=\frac{E_{{\mathrm{HF}}_i}}{E_{{\mathrm{lf}}_I}},I\∈\left[\mathrm{0,7}\right],E_{\mathrm{HF}}=\underset{i=0}{\overset{15}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{HF}}_i}^2,E_{\mathrm{LF}}=\underset{i=0}{\overset{15}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{LF}}_i}^2,$ 分别计算它们的增益。最后一步是进行增益编码，得到的8个增益分成2组(第一组为前四个，第二组为后四个)，用7bit矢量量化第一组，用6bit矢量量化第二组，输出总共13bit到码流。

若模式位为0，进行线性预测带宽扩展编码，执行步骤S4，参见图3，对分频得到的高频信号HB进行LPC分析、计算6阶LPC系数、通过6bit矢量量化LPC编码、合成滤波冲击响应；该冲击响应信号与进行残差提取、快速傅立叶变换后的低频信号LB进行相乘运算得到基础信号BF，BF与经过快速傅立叶变换后的高频信号进行增益计算，最后对增益编码并输出到13bit码流；

解码部分

在步骤S5中:输入编码后的码流和模式位，若模式位为1，选择变换域带宽扩展解码，跳到步骤S6；若模式位为0，则选择线性预测带宽扩展解码，跳到步骤S7。

在步骤S6中：进行所述变换域带宽扩展解码，参见图4。根据公式通过低频解码后的低频信号与解码后的高频增益参数进行相乘得到合成后的高频信号；

在步骤S7中：进行线性预测带宽扩展，参见图5。输入编码后的码流，对解码后的低频信号进行快速傅立叶变换，对高频LPC系数解码，同时生成高频冲击响应，对增益解码及平滑处理得到增益因子，将解码后快速傅立叶变换的低频信号与高频冲击响应信号进行相乘运算得到基础信号，将基础信号与增益因子进行相乘运算得到生成的高频信号。

在步骤S8：将步骤S6或步骤S7得到的高频信号与低频信号通过合成滤波器合成解码信号S(n)。

以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。

Claims (7)

1.一种切换模式的音频带宽扩展编解码的方法，其特征在于，包括具体以下的步骤：

S1、输入的带宽信号由分析滤波得到高频信号和低频信号；

S2、将输入的带宽信号进行语音信号、音频信号的分类并根据分类进行编码模式的选择，若为音频信号，模式位输出1，执行步骤S3；若为语音信号，模式位输出0，执行步骤S4；

S3、若步骤S2的模式位为1，进行变换域带宽扩展编码，将高频信号和低频信号依次快速傅立叶变换、子带划分、增益计算、增益编码，最后输出码流；

S4、若步骤S2的模式位为0，进行线性预测带宽扩展编码，对分频得到的高频信号进行LPC分析、LPC编码、合成滤波冲击响应；对分频得到的低频信号进行残差提取、快速傅立叶变换；所述冲击响应信号与进行残差提取、快速傅立叶变换后的低频信号进行相乘运算，该运算结果与经过快速傅立叶变换后的高频信号进行增益计算，最后对增益编码并输出到码流；

S5、根据步骤S2的语音信号、音频信号的分类进行解码模式的选择，步骤S2的模式位为1时执行步骤S6，步骤S2模式位为0时则执行步骤S7；

S6、将步骤S3所输出的码流解码，通过低频解码后的低频信号与解码后的高频增益参数进行相乘得到合成后的高频信号；

S7、将步骤S4所输出的码流解码，对解码后的低频信号进行快速傅立叶变换，对高频LPC系数解码，同时生成高频冲击响应，对增益解码及平滑处理得到增益因子，将解码后快速傅立叶变换的低频信号与高频冲击响应信号进行相乘运算得到基础信号，将基础信号与增益因子进行相乘运算得到生成的高频信号；

S8、将步骤S6得到的高频信号与解码后的低频信号通过合成滤波器合成解码信号或将步骤S7得到的高频信号与解码后的低频信号通过合成滤波器合成解码信号。

2.根据权利要求1所述切换模式的音频带宽扩展编解码的方法，其特征在于，所述步骤S2对输入信号进行残差能量计算并预设一个阈值，若残差能量大于预设的阈值，分类为音频信号，模式位输出1；反之，若残差能量小于预设的阈值，分类为语音信号，模式位输出0。

3.根据权利要求2所述切换模式的音频带宽扩展编解码的方法，其特征在于，所述步骤S2预设的阀值为0.18。

4.一种切换模式的音频带宽扩展编解码装置，包括编码单元和解码单元，其特征在于，所述编码单元包括分析滤波模块、编码模式选择模块、变换域带宽扩展编码模块、线性预测带宽扩展编码模块；所述解码单元由解码模式选择模块、变换域带宽扩展解码模块、线性预测带宽扩展解码模块、高频信号合成滤波模块；

所述分析滤波模块，用于将输入的带宽信号分频成高频信号与低频信号；

所述编码模式选择模块，用于将输入的带宽信号进行语音信号、音频信号的分类并根据分类进行编码模式的选择；

所述变换域带宽扩展编码模块，用于将高频信号和低频信号依次快速傅立叶变换、子带划分、增益计算、增益编码，最后输出码流；

所述线性预测带宽扩展编码模块，用于对分频得到的高频信号进行LPC分析、LPC编码、合成滤波冲击响应；对分频得到的低频信号进行残差提取、快速傅立叶变换；所述冲击响应信号与进行残差提取、快速傅立叶变换后的低频信号进行相乘运算，该运算结果与经过快速傅立叶变换后的高频信号进行增益计算，最后对增益编码并输出到码流；

所述解码模式选择模块，用于根据编码模式选择模块确定的编码模式进行解码模式模式的选择；

所述变换域带宽扩展解码模块，用于接收由变换域带宽扩展编码模块输入的码流，并将通过低频解码后的低频信号与解码后的高频增益参数进行相乘得到合成后的高频信号；

所述线性预测带宽扩展解码模块，用于接收由线性预测带宽扩展编码模块输入的码流，并对解码后的低频信号进行快速傅立叶变换，对高频LPC系数解码，同时生成高频冲击响应，对增益解码及平滑处理得到增益因子，将解码后快速傅立叶变换的低频信号与高频冲击响应信号进行相乘运算得到基础信号，将基础信号与增益因子进行相乘运算得到生成的高频信号；

所述合成滤波模块，用于将变换域带宽扩展解码模块得到的高频信号与解码后的低频信号合成解码信号或者用于将线性预测带宽扩展解码模块得到的高频信号与解码后的低频信号合成解码信号。

5.根据权利要求4所述切换模式的音频带宽扩展编解码装置，其特征在于，所述编码模式选择模块依据带宽输入信号计算预测残差能量并预设一个阈值，若残差能量大于预设的阈值，分类为音频信号，模式位输出1，选择变换域带宽扩展编码；反之，若残差能量小于预设的阈值，分类为语音信号，模式位输出0，选择线性预测带宽扩展编码。

6.根据权利要求2所述切换模式的音频带宽扩展编解码装置，其特征在于，所述编码模式选择模块预设的阀值为0.18。

7.根据权利要求2所述切换模式的音频带宽扩展编解码装置，其特征在于，所述解码模式选择模块在编码模式选择模块输出位为1时则选择变换域带宽扩展解码模式，输出位为0时则进行线性预测带宽扩展解码模式。