CN1254221A - 基于窄带信号产生宽带信号的方法装置及其技术设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用在给定频带内的谐波信号改善音响设备的音响质量的方法。该方法包括通过将基于包含在原始频带内的数据产生的频频分量加到谐波信号的频带内来加宽谐波信号的频带。为此,原始谐波信号被乘一自身函数,以便恢复缺少的诸如基波或一次谐波频率的频率。

Description

基于窄带信号产生宽带信号的方法、 装置及其技术设备
本发明涉及一种基于窄带谐波输入信号产生宽带信号的装置，该装置包括：
频谱扩展装置，用来在输入端接收窄带信号以便基于包含在所述窄带信号中的数据产生一个具有扩展频带的中间信号，
滤波装置，用来滤波具有扩展频带的所述中间信号并从中提取未包含在输入信号的窄带中的频谱部分，以及
加法器，用来将所述滤波装置的输出信号加到所述窄带输入信号上并在输出端产生所述宽带信号。
本发明也涉及用来在输入端接收窄带谐波信号以便在扬声器/耳机的输出端产生一个称之为宽带信号的模拟谐波信号的接收机，该宽带信号包括电话频带以外频率。
本发明最后涉及基于窄带谐波信号产生宽带信号的方法，包括如下步骤：
接收窄带谐波信号的步骤，
频谱扩展步骤，用来基于包含在所接收的窄带信号中的频谱数据产生一个具有频谱扩展的中间信号，
滤波步骤，用来滤波该中间信号和从中提取未包含在窄带中的频谱部分，
相加步骤，用来将在滤波步骤步骤获得的信号加到所接收的窄带信号上并在输出端产生宽带信号。
本发明有许多应用，特别在应用于音响和数字电话中，用来加宽谐波信号的频带从而改善用户的音响的舒适感。
在欧州专利申请EP732 687 A2描述了一种在本文开头部分所述那种类型的应用于语音信号的装置。它包括一个频谱扩展装置，该装置包括一个线性预测编码器LPC，用来进行窄带信号的LPC分析和从中提取LPC特征，和一个LP综合器，用来根据由窄带信号中提取的LPC特征综合数字宽带语音信号。
引用的专利只应用于语音信号和带有某些缺点，诸如，使用高成本的预测编码和LPC综合电路，这必须有可观的计算量和包含复杂的语音编码/译码装置。而且，所述方法引入了用来处理在数字数据帧中传输的数据消息的延迟。
本发明的目的是为了描述一种比现有技术更简单而又无上述缺点的方法，它可应用于以窄带接收的任何谐波信号，即低和/或高频受限的频带，在接收端扩展频频带宽。
为此，本发明的目的是为了提供一种如开头部分所述的装置，其特征在于：频谱扩展装置包括一个用来将所述窄带输入信号与其自身的函数相乘的部件。
根据本发明的一个优选实施例，表示为s(t)的所述中间信号通过乘积计算得到：
        s(t)＝e(t)*f(t)
其中e(t)为窄带输入信号并包括至少两个谐波，
f(t)为与e(t)的符号和幅度有关的函数，
符号*表示乘法运算。
还提供一种如开头段中所述类型的方法，其特征在于：所述频谱扩展步骤包括有关用来相乘所述窄带输入信号和自身函数的步骤。本发明的这些和其它方面将通过参阅此后作为非限制的例子的实施例的描述而明了。
附图中，
图1是作为例子的本发明的装置的例子的方框图，
图2示出了以分贝表示的作为频率函数的滤波器BPL和BPF1的两个特性曲线，
图3是分别在图1中表示的装置中的输入和输出端的窄带接收谐波信号的频谱表示，以及
图4是本发明的方法的一个例子的流程图。
图1的装置主要用于DECT(数字增强型无绳电信)型数字电话接收机或GSM型(全球移动通信)电话接收机，但也可用于任何能传送诸如语音信号或音乐信号的谐波信号的音频设备，以便加宽其频谱来改善其音质。这实际是一个通过返回未包含在其频带内的“缺乏的”频谱分量来改善在音响设备的输出端发送的信号的主观质量的问题。显然，这些频谱分量可能因为数字化或滤波在编码/解码操作时从原始信号中已经被抑制了，而这些操作是为了用一个比原始信号频带窄的给定的通带的信道来传输信号。不过，该装置也可用于基于原始信号产生并不包括在原始信号中的人为频谱分量。，根据图1作为例子的表示的优先实施例，该装置接收输入端的谐波信号e(t)，其频谱位于例如包括300Hz到3400Hz之间的电话或窄带内。该装置通过数/模转换器D/A，将其频谱在50Hz到3400Hz之间的数字信号L(t)传送到输出端，例如扬声器/耳机HP上。输入信号e(t)，例如是经对在电话频带(300Hz-3400Hz)传输的，特别是语音信号的原始谐波信号数字滤波和/或编码的数字电话信号。它至少有两个以相应于原始语音信号的依次两个谐波ω0和ω1为中心的两个谐波。
该装置包括：
一个频谱扩展装置NLP，它接收输入信号e(t)用来产生一个包括为包含在电话频带内的频谱成分的中间信号s(t)，
一个滤波器BPF，用来滤波中间信号，并从中提取为包含在输入信号e(t)中的频谱分量，
一个加法器，用来将滤波器BPF的输出信号加到输入信号e(t)并在输出端产生其频谱为滤波器BPF的输出信号带宽和电话带宽之和的输出信号L(t)，
一个滤波器BPF1，用来在e(t)加到滤波器BPF的输出信号之前对在300Hz-3400Hz之间的电话信号e(t)进行滤波，以避免重叠。因为该滤波是任选的，所以图中将其加以括号。
用来扩展频谱的装置NLP和滤波器可，例如，用诸如数字信号处理器这样的数字信号处理元件实现。
按照传统的方法，电话输入信号e(t)以8kHz频率取样并且其幅度包括在-1和+1之间。
通过如下定义的乘法运算获得具有大频宽的中间信号s(t)：
        s(t)＝e(t)*f(t)
其中e(t)是具有至少两个谐波的窄带输入信号，
符号*表示乘法，
f(t)是输入信号e(t)的函数，用来在乘法运算时考虑输入信号的幅度。
根据本发明的优先实施例，如果e(t)＞o，则函数f(t)等于一个正的常数A，否则，等于e(t)的反向符号值。常数A可由用户根据对在扬声器HP的输出的信号要求的音响质量进行调整。实际上，A值越高，使用者越会明显地感觉到所综合和附加的频率对原始“窄”带信号的影响。至于确定值A的准则一方面根据每个使用者的感觉的主观舒适度，另一方面，根据装入本装置的接收机的音响特性，更具体地说，根据扬声器HP的音响特性。根据对DECT型数字电话所作的主观测试表明A值根据用户在2和6之间变化。
根据实施例的变型，函数f(t)可用e(t)符号函数代替，e(t)绝对值，或任何其它取决e(t)的任何非线性函数。
通过将输入信号e(t)与其镜象相乘获得的乘积s(t)包括未在窄带中出现的原始语音信号的谐波，例如，基波和/或一次谐波的频率成分。例如，对于相应于男性声音的语音信号，在电话频带内的输入信号e(t)一般包含原始语音信号的二次谐波和三次谐波。因为基波和一次谐波是在(300Hz，3400Hz)频带之外，因此它们已经在电话信道传输过程中被抑制。以包括原始语音信号的二次和三次谐波的虽然信号获得的乘积s(t)能够恢复基频。实际上，例如在时域中用cos(ωot)和cos(ω1t)表示的二次和三次谐波之积，使得它们之差在频域中出现为相应于基频cos((ω1-ωo)t)的差频。如果输入信号至少包括二次和四次谐波，则乘积s(t)包括原始语音信号的一次谐波等谐波。用这种方式，通过恢复基频和/或缺乏一次谐波可以加宽由电话信道所接收的信号的带宽。
图2A以举例表示根据本发明的滤波器BPF的特性曲线。它是用一个单位增益8阶带通滤波器实现的，在50Hz和250Hz之间截断，以避免与300Hz附近的电话频带相重叠。在图2B中示出了滤波器BPF1的特性曲线。该曲线相应于一个具有单位增益在300Hz-3400Hz之间截断的12阶带通滤波器。
图3A表示了相应于原始谐波信号的输入信号e(t)的频谱，例如在300至3400Hz之间的电话频带内传输的音乐或语音信号的频谱。它有三个在260Hz，400Hz和520Hz频率附近幅度峰值，这些峰值相应于原始信号的一次，二次和三次谐波。图3B表示了输出信号L(t)的频谱。除了在输入信号e(t)观测到的峰值外，它还包括在相应于原始信号的基频的140Hz频率附近的第四峰值。
图4示出了基于在窄带中接收的谐波信号产生具有扩展带宽的信号方法。它包括用方框K0-K3表示的如下步骤：
接收包括至少两个在某个称之为窄带的例如电话频带(300Hz，3400Hz)的谐波的信号e(t)的初始步骤K0，
计算在输入信号和自身函数之间的乘积e(t)*f(t)来扩展频谱的步骤K1，以便获得包括在输入信号的窄带之外的频谱成分的中间信号s(t)，
滤波中间信号s(t)并从中提取未包括在输入信号的窄带中的频谱的部分的滤波步骤K2，
将在前面步骤末尾获得的信号加到窄带输入信号e(t)以便在输出端获得其频频分布在比输入信号带宽宽的称之为宽带的频带的信号。
已经描述和示出了以举例为目的用来基于窄带信号产生称之为宽带信号信号方法，一种用来实现该方法的装置和包括这种这种的接收机。显然，还可提供一些实施例的变例而无需离开本发明的范围，特别在仅用作非限制例子中所述的频带，函数f(t)的定义以及所使用的滤波器结构方面。

Claims (12)

1.一种用来基于一个窄带谐波输入信号产生一个宽带谐波的装置，
包括：
频谱扩展装置，用来在输入端接收窄带信号以便基于包含在所述窄带信号中的数据产生一个具有扩展频带的中间信号，
滤波装置，用来滤波具有扩展频带的所述中间信号并从中提取未包含在输入信号的窄带中的频谱部分，以及
加法器，用来将所述滤波装置的输出信号加到所述窄带输入信号上并在输出端产生所述宽带信号，
其特征在于：所述频频扩展装置包括一个用来将所述窄带输入信号与自身函数相乘的信号处理元件。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述以s(t)表示的中
间信号由如下定义的乘法运算获得：
          s(t)＝e(t)*f(t)
其中e(t)是窄带输入信号并至少包括两个谐波，
f(t)是一个由e(t)的符号和/或幅度确定的函数，
符号*表示乘法运算。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：如果e(t)为正，函数f(t)
等于常数A，否则，等于e(t)的反符号值。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述处理元件包括用来
调节常数值的装置。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于：函数f(t)等于e(t)符
号函数。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于：函数f(t)等于绝对值e(t)的绝对值函数。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：窄带输入信号是通过用窄带滤波原始信号获得的，窄带输入信号至少包括两个以ω0和ω1为中心两个谐波，该ω0和ω1相应于其基频和/一次谐波在输入信号的窄带之外的所述原始信号的两个谐波，和该信号处理元件包括用来计算这两个谐波之积的装置。
8.如权利要求1到7之一的装置，其特征在于所述输入信号是一个语音信号。
9.如权利要求1到8之一所述的装置，其特征在于，所述窄带信号是在约300Hz和3400Hz之间的电话频带，和所述未包含在窄带中的一部分频频包括在300Hz以下的频率。
10.如权利要求1到9之一所述装置，其特征在于，所述滤波装置包括截断在50zHz到250Hz之间的带通滤波器。
11.一种用来在输入端接收窄带谐波信号的电话接收机，以便在扬声器/耳机的输出端放送包括位于电话频带之外的频率的宽带语音信号，其特征在于：该接收机还包括如权利要求1至8中所述的装置。
12.一种基于窄带谐波信号产生宽带信号的方法，包括如下步骤：
接收所述窄带谐波的接收步骤，
基于包含在接收的窄带信号中的频频数据产生具有一个扩展频带的中间信号的频频扩展步骤，滤波该中间信号并从中提取未包含在窄带中的频频部分的滤波步骤，
将在滤波步骤末了获得的信号加到所接收窄带信号上和在输出端产生一个宽带学的加法步骤，
其特征在于：所述频频扩展步骤包括用来将所述窄带输入信号与其自身函数相乘的处理信号的步骤。
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