CN1328707C - 音频解码设备以及解码方法 - Google Patents

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CN1328707C CNB038172488A CN03817248A CN1328707C CN 1328707 C CN1328707 C CN 1328707C CN B038172488 A CNB038172488 A CN B038172488A CN 03817248 A CN03817248 A CN 03817248A CN 1328707 C CN1328707 C CN 1328707C
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Abstract

最新提供一种用于校正高频分量的目标能量的能量校正器(105)和从低频子带信号计算能量校正系数的校正系数计算器(106)。这些处理器执行只在实数上执行频带扩展处理时需要的校正目标能量的处理。因此，可以使用需要较少计算量的实数子带组合滤波器和实数频带扩展器，而不是使用复数子带组合滤波器和复数频带扩展器，在保持高音质水平的同时可以减少所需计算量和设备规模。

Description

音频解码设备以及解码方法
技术领域
本发明涉及一种用于解码编码音频信号的音频解码设备和解码方法。
背景技术
MPEG-2 AAC(先进音频编码)是一种ISO/IEC的国际标准处理，其作为一种以低比特率、高音质来编码音频信号的音频编码/解码处理为大家所公知。根据由MPEG-2 AAC代表的常规音频编码/解码处理，将来自时域PCM信号中的多个采样一起放入到一帧中，通过诸如MDCT(改进离散余弦变换)这样的映射变换将该帧变换为频域信号。然后对频域信号进行量化并经过霍夫曼编码，从而产生比特流。考虑到人类的听觉特性，对于量化频域信号而言，要提高频域信号中可感觉到的频率分量的量化精度，而降低频域信号中感觉不到的频率分量的量化精度，从而通过有限量的编码实现高音质水平。例如，根据MPEG-2 AAC的大约为96kbps的比特率可以提供与CD相同的音质水平(对于立体声信号为44.1KHz的采样频率)。
如果以例如大约为48kbps的比特率的较低比特率对以采样频率为44.1KHz采样的立体声信号进行编码，那么要进行努力，通过对较少听觉重要性的高频分量不进行编码，即将它们的量化值设为0，使得以有限比特率将主观音质最大化。然而，由于不对高频分量进行编码，因此导致音质水平变差，并且重放的声音一般为含混性质。
为了解决在低比特率下音质变差的问题，现在已将注意力放在了频带扩展技术上。根据频带扩展技术，通过诸如MPEG-2 AAC处理等的编码处理将作为辅助信息的少量编码(通常为几kbps)的高频比特流添加到已经以低比特率编码的表示音频信号的低频比特流中，从而产生组合比特流。由音频解码器如同下述那样对组合比特流进行解码：音频解码器根据诸如MPEG-2 AAC处理等这样的解码处理解码低频比特流，产生不含高频分量的低频音频信号。根据频带扩展技术，音频解码器然后基于由高频比特流所表示的辅助信息来处理低频音频信号，从而产生高频分量。由此产生的高频分量和通过解码低频比特流所产生的低频音频信号被组合为包含高频分量的已解码音频信号。
基于频带扩展技术的一种常规音频解码器的例子之一是下面所示的文献1，5.6节所描述的称为SBR的频带扩展技术和MPEG-2 AAC解码器的结合。附图的图1说明文献1中所描述的基于频带扩展技术的常规音频解码器。
文献1：“Digital Radio Mondiale(DRM)；System Specification″(ETSI TS 101 980 V1.1.1)，2001年9月出版，页42-57。
图1所示的常规音频解码器包括比特流分离器100、低频解码器101、子带分割器402、复数频带扩展器403和复数子带组合器404。
比特流分离器分离输入比特流并将分离的比特流输出给低频解码器101和复数频带扩展器403。具体地说，输入比特流包括已多路复用的低频比特流和高频比特流的组合，其中低频比特流表示已通过诸如MPEG-2 AAC处理这样的编码处理所编码的低频信号，而高频比特流包括复数频带扩展器403产生高频信号所需的信息。低频比特流输出到低频解码器101，而高频比特流输出到复数频带扩展器403。
低频解码器101将输入低频比特流解码为低频音频信号，并将低频音频信号输出给子带分割器402。低频解码器101根据诸如MPEG-2 AAC处理等这样的现有的音频解码处理解码输入低频比特流。
子带分割器402具有复数子带分频滤波器，其将输入低频比特流分割为各频带中的多个低频子带信号，并将它们输出到复数频带扩展器403和复数子带组合器404。复数子带分频滤波器可以包括迄今为止本领域已公知的32频带复数QMF(正交镜像滤波器)组。分割为各32个子带的复数低频子带信号被输出到复数频带扩展器403和复数子带组合器404中。32频带复数QMF组根据下列公式处理输入低频比特流：
X k ( m ) = Σ n = - ∞ ∞ h ( mM - n ) x ( n ) W K 1 - ( k + k 0 ) ( n + n 0 ) , k = 0,1 · · · K 1 - 1 - - - 402.1
W K 1 = e j 2 π K 1 - - - 402.2
其中x(n)表示低频音频信号，Xk(m)表示第k频带低频子带信号，而h(n)表示解析低通滤波器。在这个例子中，K1＝64。
复数频带扩展器403根据已输入其的高频比特流和低频子带信号产生表示高频音频信号的高频子带信号，并将所产生的高频子带信号输出给复数子带组合器404。如附图的图2所示，复数频带扩展器403包括复数高频产生器500和复数振幅调节器501。复数频带扩展器403从输入端502接收高频比特流，以及从输入端504接收低频子带信号，并且从输出端503输出高频子带信号。
向复数高频产生器500提供低频子带信号和高频比特流，由该产生器500将由高频比特流在低频子带信号中指定的子带中的信号复制到高频子带。当复制该信号时，复数高频产生器500可以执行高频比特流指定的信号处理过程。例如，假定存在频率递增顺序的从子带0到子带63的64个子带，并且将这64个子带中的从子带0到子带19的复数子带信号作为低频子带信号提供给输入端504。再假定高频比特流包含指示要从哪一个低频子带(子带0到子带19)复制信号以便产生子带A(A＞19)的复制信息，并且包含表示要在信号上执行的(从包括滤波处理的多个处理中选择的)信号处理过程的信号处理信息。在复数高频产生器500中，高频子带中的复值信号(称为“复制/已处理子带信号”)与由复制信息指示的低频子带中的复值信号相同。如果信号处理信息指示获得较好音质所需的任一信号处理，那么复数高频产生器500执行由复制/已处理子带信号上的信号处理信息指示的信号处理过程。将这样产生的复制/已处理子带信号输出到复数振幅调节器501。
由复数高频产生器500执行的信号处理的一个实例是通常公知用于音频编码领域的线性预测反相滤波器。通常，已知可以通过线性预测输入信号来计算线性预测反相滤波器的滤波系数，并且使用该滤波系数的线性预测反相滤波器操作以便变白输入信号的频谱特性。线性预测反相滤波器用于信号处理的原因是使得高频子带信号的频谱特性比从其中复制它的低频子带信号的频谱特性平滑。音频信号的低频和高频子带信号的频谱特性之间的比较例如显示了高频子带信号的频谱特性通常比低频子带信号的频谱特性平滑。因此，可以通过使用上述平滑技术来实现高质量的频带扩展技术。
复数振幅调节器501在输入的复制/已处理子带信号的振幅上执行由高频比特流指定的校正，从而产生高频子带信号。具体地说，复数振幅调节器501在复制/已处理子带信号上执行振幅校正，以便使在编码侧上输入信号的高频分量的信号能量(称为″目标能量″)和由复数频带扩展器403产生的信号的高频信号能量彼此相等。高频比特流包含表示目标能量的信息。所产生的高频子带信号输出到输出端503。例如，由高频比特流描述的目标能量可以认为是以每个子带的帧为单位计算的。或者，鉴于输入信号在时间和频率方向上的特性，可以相对于时间方向以帧分割的时间为单位计算目标能量，以及可以相对于频率方向的由多个子带组成的频带为单位计算目标能量。如果以相对于时间方向以帧分割的时间为单位计算目标能量，那么可进一步详细地表示能量的时间依赖变化。如果以相对于频率方向的由多个子带组成的频带为单位计算目标能量，那么可以减少编码目标能量所需的比特数。用于计算目标能量的时间和频率方向的分界单位由时间频率网格表示，并且它的信息由高频比特流来描述。
根据复数振幅调节器501的另一结构，将一种附加信号添加到复制/已处理子带信号上，以便产生高频子带信号。调整复制/已处理子带信号的振幅和附加信号的振幅，以致使高频子带信号的能量用作目标能量。附加信号的一个例子是噪音信号或蜂音信号。假定复制/已处理子带信号和附加信号中的任意一个用作产生的高频子带信号的主分量，另一个作为其辅助分量，那么用于调整复制/已处理子带信号和附加信号的振幅的增益可如下计算：如果复制/已处理子带信号用作产生的高频子带信号的主分量，那么
Gmain＝sqrt(R/E/(1+Q))
Gsub＝sqrt(R×Q/N/(1+Q))
其中，Gmain表示调整主分量振幅的增益，Gsub表示调整辅助分量振幅的增益，以及E、N分别表示复制/已处理子带信号和附加信号的各能量。如果将附加信号的能量归一化为1，那么N＝1。在上述公式中，R表示目标能量，Q表示主分量的能量和辅助分量的能量之间的比率，R、Q由高频比特流描述，并且sqrt()表示平方根。如果附加信号用作产生的高频子带信号的主分量，那么
Gmain＝sqrt(R/N/(1+Q))
Gsub＝sqrt(R×Q/E/(1+Q))
可以通过使用这样计算的振幅调整增益对复制/已处理子带信号和附加信号加权并相加由此加权的复制/已处理子带信号和附加信号来计算高频子带信号。
将参考图3来详细地描述复值振幅调节器501用于振幅调整的操作和其优点。如图3所示，编码侧上输入信号的高频分量的信号相位(图3中的相位A)和从低频子带信号导出的高频子带信号的信号相位(图3中的相位B)彼此完全不同。然而，由于调整了高频子带信号的振幅，以致其信号能量等于目标能量，因此可防止听到的音质的降低。这是因为人的听觉对信号能量变化的敏感度强于对信号相位变化的敏感度。
复数子带组合器404具有复数子带组合滤波器，其用于组合已输入到它的低频子带信号和高频子带信号的频带。音频解码器输出通过组合频带所产生的音频信号。所使用的复数子带组合滤波器相应于子带分频器402所使用的复数子带分频滤波器。也就是说，这样选择这些滤波器，即由复数子带分频滤波器将某一信号分离为子带信号，子带信号由复数子带组合滤波器组合以便充分地重构原始信号(输入到复数子带分频滤波器的信号)。例如，如果将由公式402.1表示的32频带复数QMF分频滤波器组(K1＝64)用作复数子带组合滤波器，那么可以应用下列公式404.1：
x ( n ) = Σ m = - ∞ ∞ f ( n - mM ) 1 K 2 Σ k = 0 K 2 - 1 X k ( m ) W K 2 ( k + k 0 ) ( n + n 0 ) - - - 404.1
其中，f(n)表示组合低通滤波器。在这个例子中，K2＝64。
根据频带扩展技术，如果从复数子带组合器404输出的音频信号的采样频率高于从低频解码器101输出的音频信号的采样频率，那么这样选择这些滤波器，即使复数子带组合器404输出的音频信号的低频部分(下采样结果)等于低频解码器101输出的音频信号。复数子带组合器404可以利用64频带复数QMF组合滤波器组(在公式404.1中，K2＝128)。在这种情况下，低频的32个频带将32频带复数QMF组合滤波器组的输出作为信号值利用。
常规音频解码器存在的问题在于其具有需要大量计算的子带分频器和复数子带组合器，并且因为使用复数来执行频带扩展处理，因此所需要的计算量和设备规模很大。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于保持高音质且减少所需计算量的频带扩展技术，以及提供一种利用该频带扩展技术的音频解码设备、音频解码方法和音频解码程序。
为了达到上述目的，根据本发明的音频解码设备包括：
比特流分离器，用于将比特流分离为低频比特流和高频比特流；
低频解码器，用于解码低频比特流以便产生低频音频信号；
子带分割器，用于将低频音频信号分割为多个各频带中的多个复值信号，以便产生低频子带信号；
校正系数提取器，用于根据低频子带信号计算能量校正系数；
能量校正器，用于使用能量校正系数校正由高频比特流描述的目标能量，以便计算校正后的目标能量；
频带扩展器，用于通过以校正后的目标能量在振幅中校正通过复制和处理由高频比特流所指示的低频子带信号所产生的信号的信号能量，从而产生高频子带信号；以及
子带组合器，用于用子带组合滤波器互相组合低频子带信号的频带和高频子带信号的实部，以便产生解码音频信号。
在根据本发明的另一音频解码设备中，校正系数提取器可以计算低频子带信号的信号相位，并且可以根据该信号相位计算能量校正系数。或者，校正系数提取器也可以计算低频子带信号的实部的能量和低频子带信号的信号能量之间的比率，将该比率作为能量校正系数。再者，校正系数提取器可以平均低频子带信号的采样相位，以便计算能量校正系数。又再者，校正系数提取器可以平滑在各频带中分别计算的能量校正系数。
根据本发明的又一音频解码设备包括：
比特流分离器，用于将比特流分离为低频比特流和高频比特流；
低频解码器，用于解码低频比特流以便产生低频音频信号；
子带分割器，用于将低频音频信号分割为多个各频带中的实值信号，以便产生低频子带信号；
校正系数产生器，用于产生预定的能量校正系数；
能量校正器，用于使用能量校正系数校正由高频比特流描述的目标能量，以便计算校正后的目标能量；
频带扩展器，用于通过以校正后的目标能量在振幅中校正通过复制和处理由高频比特流所指示的低频子带信号所产生的信号的信号能量，从而产生高频子带信号；以及
子带组合器，用于用子带组合滤波器互相组合低频子带信号的频带和高频子带信号的实部，以便产生解码音频信号。
在又一音频解码设备中，校正系数产生器可以产生一随机数，并且将该随机数用作能量校正系数。或者，校正系数产生器可以在各频带中分别产生预定能量校正系数。
根据本发明的音频解码设备在于其具有校正高频分量的目标能量的能量校正器以及从低频子带信号计算能量校正系数的校正系数计算器或根据预定处理产生能量校正系数的校正系数产生器。这些处理器执行只在实数上执行频带扩展处理时需要的校正目标能量的处理。因此，可以使用需要较少计算量的实数子带组合滤波器和实数频带扩展器，而不是使用复数子带组合滤波器和复数频带扩展器，在保持高音质水平的同时可以减少所需计算量和设备规模。如果利用不需使用低频子带信号而产生能量校正系数的校正系数产生器，那么除了子带组合滤波器和频带扩展器之外可以使用需要少量计算的实数子带分频滤波器，进一步减少所需的计算量和设备规模。
附图说明
图1是示出常规音频解码器的结构的方框图；
图2是示出常规音频解码器的复数频带扩展器403的方框图；
图3是说明根据常规音频解码器的振幅调整处理的图；
图4是说明根据本发明的振幅调整处理的图；
图5是说明在没有能量校正情况下的振幅调整处理的图；
图6是根据本发明第一具体实施例的音频解码设备的方框图；
图7是根据本发明第二具体实施例的音频解码设备的方框图；以及
图8是根据本发明的频带扩展器103的方框图。
具体实施方式
下面将参考附图来详细地描述本发明的具体实施例。
(第一具体实施例)
图6是根据本发明第一具体实施例的音频解码设备的方框图。根据本具体实施例的音频解码设备包括比特流分离器100、低频解码器101、子带分割器102、频带扩展器103、子带组合器104，能量校正器105和校正系数提取器106。
比特流分离器100分离输入比特流，并将分离的比特流输入到低频解码器101、频带扩展器103和能量校正器105。具体地说，输入比特流包括表示已编码的低频信号的低频比特流和包括频带扩展器103产生高频信号所需信息的高频比特流的多路复用组合。低频比特流输出到低频解码器101，而高频比特流输出到频带扩展器103和能量校正器105。
低频解码器101将低频比特流解码为低频音频信号，并输出该低频音频信号给子带分割器102。低频解码器101根据诸如MPEG-2 AAC处理等现有的音频解码处理解码输入的低频比特流。
子带分割器102具有复数子带分频滤波器，其将输入的低频比特流分割为各频带中的多个低频子带信号，将这些低频子带信号输出给频带扩展器103、子带组合器104和校正系数提取器106。
校正系数提取器106根据随后描述的处理从低频子带信号中计算出能量校正系数，并将计算出的能量校正系数输出给能量校正器105。
能量校正器105根据能量校正系数校正由输入其的高频比特流描述的高频分量的目标能量，由此计算校正后的目标能量，并且将校正后的目标能量输出给频带扩展器103。
频带扩展器103从已输入其的高频比特流、低频子带信号和校正后的目标能量中产生表示高频音频信号的高频子带信号，并将产生的高频子带信号输出给子带组合器104。
子带组合器104具有子带组合滤波器，其用于组合已输入其的低频子带信号和高频子带信号的频带。音频解码设备输出通过组合频带所产生的音频信号。
根据本发明的如上述设置的音频解码设备与图1所示的常规音频解码器的区别在于：根据本发明的音频解码设备具有图6所示的子带分割器102而不是图1所示的子带分割器402，图6所示的子带组合器104而不是图1所示的子带组合器404，图6所示的频带扩展器103而不是图1所示的复数频带扩展器403，并且另外具有根据本具体实施例(图6)的校正系数提取器106和能量校正器105。由于其他处理部件与常规音频解码器的其他部件相同，并且为本领域熟练的技术人员所公知，而且对本发明没有直接意义，因此以下将不再详细地描述这些其他处理部件。以下将详细地描述区别于常规音频解码器的子带分割器102、频带扩展器103、子带组合器104，能量校正器105和校正系数提取单元106。
首先，下面将描述子带分割器102和子带组合器104。迄今为止，已将根据公式402.1产生复数子带信号的滤波器组作为子带分频滤波器使用。对于相应的逆转换而言，根据公式404.1的滤波器组已用作子带组合滤波器。公式404.1的输出或者以公式402.1的输入信号的采样频率对公式404.1的输出进行下采样所产生的信号可被充分地与公式402.1的输入信号完全一致地重构。为了获得高音质的解码音频信号，子带分频和组合滤波器需要这种完全可重构性。
在本具体实施例中，用于常规复数子带组合器404的复数子带组合滤波器替换为实数子带组合滤波器。然而，简单地将复数子带组合滤波器改为实数子带组合滤波器将会丧失完全可重构性，这将导致音质恶化。
迄今为止，本领域已公知的是在常规复数子带分频滤波器的输出上实施旋转计算，用于实现复数子带组合滤波器和实数子带组合滤波器之间的完全可重构性。这种旋转计算用来将复数的实轴和虚轴旋转(π÷4)，并且其与公知的从DFT导出DCT的处理相同。例如，如果k0＝1/2，则可在每个子带k上执行旋转计算(K＝K1)，以便根据公式402.1计算32频带复数QMF分频滤波器组：
W K - ( k + k 0 ) 3 4 K - - - 102.1
在公式102.1中，3/4K可以替换为1/4K。
随后添加的具有根据公式102.1执行旋转计算的处理器的常规子带分割器402可以用作子带分割器102。然而，子带分割器102可计算下列公式，其可以较少量计算实现与包括子带分频滤波和旋转计算处理的处理等价的处理：
X k ( m ) = Σ n = - ∞ ∞ h ( mM - n ) x ( n ) W K 1 - ( k - k 0 ) ( n + n 0 + 3 4 K 1 ) , k = 0,1 · · · , K 1 - 1 - - - 102.2
如下所示，由公式104.1表示的变换作用于公式404.1，并且以下示出的只表示其实部的公式104.2用作子带组合器104中的相应实数子带组合滤波器。用这样的方式，可实现完全可重构性。
W K ( k + k 0 ) 3 4 K - - - 104.1
x ( n ) = Σ m = - ∞ ∞ f ( n - mM ) 2 K 2 Σ k = 0 K 2 - 1 Re [ X K ( m ) ] cos ( 2 π K 2 ( n + n 0 ) ( k + k 0 + 3 4 K 2 ) ) - - - 104.2
其中Re[.]表示只取出复数子带信号的实部。
下面将描述频带扩展器103。频带扩展器103从已输入其的高频比特流、低频子带信号和校正后的目标能量中产生表示高频音频信号的高频子带信号，并将产生的高频子带信号输出给子带组合器104。如图8所示，频带扩展器103包括高频产生器300、振幅调节器301和转换器305。频带扩展器103从输入端302接收高频比特流，从输入端304接收低频子带信号以及从输入端306接收校正后的目标能量，并且从输出端303输出高频子带信号。
转换器305只取出从输入端304输入的复数低频子带信号的实部，将取出的实部转换为实数低频子带信号(除非另外指出，否则以下的低频子带信号是实数的)，并且输出实数低频子带信号给高频产生器300。
向高频产生器300提供低频子带信号和高频比特流，该产生器300将由高频比特流在低频子带信号中指定的子带中的信号复制到高频子带。当复制该信号时，高频产生器300可以执行由高频比特流指定的信号处理过程。例如，假定以频率递减顺序存在从子带0到子带63的64个子带，并且将这些64个子带中的从子带0到子带19的实数子带信号作为来自转换器305的低频子带信号来提供。再假定高频比特流包含指示要从哪一个低频子带(子带0到子带19)中复制信号以便产生子带A(A＞19)的复制信息，并且包含指示要在信号上执行的(从包括滤波处理的多个处理中选择的)信号处理过程的信号处理信息。在高频产生器300中，高频子带中的实值信号(称为“复制/已处理子带信号”)与由复制信息指示的低频子带中的实值信号相同。如果信号处理信息指示获得较好音质所需的任何信号处理，那么高频产生器300在复制/已处理子带信号上执行信号处理信息指示的信号处理过程。将如此产生的复制/已处理子带信号输出到振幅调节器301。
由高频产生器300执行的信号处理的一个例子是线性预测反相滤波器，这与常规复数高频产生器500相同。这种滤波器的效果将不在下面描述，这是因为与复数高频产生器500的效果相同。如果线性预测反相滤波器用于高频产生处理，那么操作实值信号的高频产生器300的优点在于计算滤波系数所需的计算量小于操作复值信号的复数高频产生器500所需的计算量。
振幅调节器301在输入的复制/已处理子带信号的振幅上执行由高频比特流指定的校正，以便使其等于校正后的目标能量，从而产生高频子带信号。所产生的高频子带信号输出给输出端303。例如，由高频比特流描述的目标能量可以认为是以每个子带的帧为单位计算的。或者，鉴于输入信号在时间和频率方向上的特性，可以相对于时间方向以帧分割的时间为单位和以相对于频率方向的由多个子带组成的频带为单位计算目标能量。如果以相对于时间方向以帧分割的时间为单位计算目标能量，那么可进一步详细地表示能量的时间依赖变化。如果以相对于频率方向的由多个子带组成的频带为单位计算目标能量，那么可以减少编码目标能量所需的比特数。用于计算目标能量的时间和频率方向的分界单位由时间频率网格表示，并且它的信息由高频比特流来描述。
根据振幅调节器301的另一具体实施例，其如同常规配置的情况一样，将附加信号添加到复制/已处理子带信号上，以产生高频子带信号。调整复制/已处理子带信号的振幅和附加信号的振幅，以致使高频子带信号的能量用作目标能量。附加信号的一个例子是噪音信号或蜂音信号。假定复制/已处理子带信号和附加信号中的任意一个用作产生的高频子带信号的主分量，另一个作为其辅助分量，那么用于调整复制/已处理子带信号和附加信号的振幅的增益可如下计算：如果复制/已处理子带信号用作产生的高频子带信号的主分量，那么
Gmain＝sqrt(a×R/Er/(1+Q))
Gsub＝sqrt(a×R×Q/Nr/(1+Q))
其中，Gmain表示用于调整主分量振幅的增益，Gsub表示用于调整辅助分量振幅的增益，以及Er、Nr分别表示复制/已处理子带信号和附加信号的各能量。符号Er、Nr与在常规配置中说明的符号E、N不同，以便区分作为根据本发明的复制/已处理子带信号和附加信号的实值信号和作为根据常规配置的复制子带信号和附加信号的复值信号。如果将附加信号的能量归一化为1，那么Nr＝1。在上述公式中，R表示目标能量，″a″表示由校正因数提取器106计算的能量校正系数，其将随后描述，a×R表示校正后的目标能量，Q表示主分量和/辅助分量的能量比率，R、Q由高频比特流描述，而sqrt()表示平方根。如果附加信号用作产生的高频子带信号的主分量，那么
Gmain＝sqrt(a×R/Nr/(1+Q))
Gsub＝sqrt(a×R×Q/Er/(1+Q))
如果附加信号用作产生的高频子带信号的主分量，那么通过使用能量校正系数″b″，而不是通过使用根据基于复数低频子带信号计算的能量校正系数″a″，Gmain、Gsub可由下列公式表示，该能量校正系数″b″是根据与能量校正系数″a″相同的处理基于附加信号计算出来的：
Gmain＝sqrt(b×R/Nr/(1+Q))
Gsub＝sqrt(b×R×Q/Er/(1+Q))
如果将预先存储在存储区的信号用作附加信号，那么可以预先计算能量校正系数″b″并且将其用作常数，这样可省去计算能量校正系数″b″的过程。可以通过使用由此计算的振幅调整增益对复制/已处理子带信号和附加信号加权并相加由此加权的复制/已处理子带信号和附加信号来计算高频子带信号。
将参考图4来详细地描述用于振幅调整的振幅调节器301的操作和其优点。调整实数高频子带信号的振幅(在图4中的振幅已被调节的高频分量的实部)，以使其的信号能量等于校正后的目标能量，该目标能量是通过校正表示输入信号的高频分量的信号能量的目标能量获得的。如图4所示，如果在校正的目标能量被转换器105转换之前根据复数低频子带信号的信号相位(图4中的相位B)计算校正后的目标能量，那么从复数低频子带信号导出的假想复数高频子带信号的信号能量等于目标能量。在本具体实施例所使用的包括子带分割器102和子带组合器104的分析组合系统中，只使用子带信号的实部就能如同使用子带信号的实部和虚部两者时一样地获得完全可重构性。因此，当调节了实数高频子带信号的振幅以使其信号能量等于校正后的目标能量时，可使对人的听觉敏感度重要的能量变化最小，从而可防止可听到的音质的降低。图5示出其中使用目标能量，而不是使用校正后的目标能量来调节振幅的例子。如图5所示，如果调节实数高频子带信号的振幅以使其信号能量等于校正后的目标能量，那么假想复数高频子带信号的信号能量变得要大于目标能量。结果，频带已由子带组合器104组合的音频信号的高频分量要大于编码侧上输入信号的高频分量，从而导致音质的恶化。
上面已描述了频带扩展器103。如上所述，为了低计算量地实现只使用实部的频带扩展器103的处理，以及为了获得高质量的解码信号，因此需要将校正后的目标能量应用于振幅调节。在本具体实施例中，校正系数提取器106和能量校正器105计算校正后的目标能量。
校正系数提取器106根据已输入的复数低频子带信号计算出能量校正系数，并将计算出的能量校正系数输出给能量校正器105。通过计算复数低频子带信号的信号相位并将计算出的信号相位作为能量校正系数，可以计算能量校正系数。例如，可以计算包括复值信号采样的低频子带信号的能量和从其实部计算出的能量，并且这些能量的比率可以用作能量校正系数。或者，也可以计算低频子带信号的各个复值信号采样值的相位，并且取其平均数作为能量校正系数。根据上述处理，为每个分割的频带范围计算能量校正系数。可以平滑邻频带的能量校正系数和某一频带的能量校正系数，并将其用作某一频带的能量校正系数。或者，在时间方向上可以使用预定时间常数和在前帧的能量校正系数来平滑当前帧的能量校正系数。通过这样平滑能量校正系数，可以防止能量校正系数突然变化，结果是提高了频带已扩展的音频信号的音质。
根据上述处理，使用包含于已相对于常规配置如上描述的目标能量的时间频率网格中的信号采样，可以计算能量或平均信号采样值的相位。为了提高频带已扩展的音频信号的音质，需要计算精确指示相位特性的能量校正系数。为了满足这种要求，使用相位特性呈小变化的信号采样来计算能量校正系数是合乎需要的。通常，建立时间频率网格使得网格中的信号变化小。因此，根据时间频率网格来计算能量校正系数，有可能计算出精确指示相位特性的能量校正系数，结果是将提高频带已扩展的音频信号的音质。考虑到信号在时间方向和频率方向的任意一个上的变化，以及使用包括在只以时间方向和频率方向中的任意一个的网格边界分割的范围中的信号采样，可以执行当前处理。
能量校正器105利用由校正系数提取器106计算的能量校正系数来校正指示由高频比特流描述的输入信号的高频分量的信号能量的目标能量，由此计算校正后的目标能量，并向频带扩展器103输出校正后的目标能量。
(第二具体实施例)
下面将参考附图7来详细地描述本发明的第二具体实施例。
图7示出根据本发明第二具体实施例的音频解码设备。根据本具体实施例的音频解码设备包括比特流分离器100、低频解码器101、子带分割器202、频带扩展器103、子带组合器104，能量系数产生器206和能量校正器105。
本发明的第二具体实施例与本发明的第一具体实施例的区别在于：用子带分割器202替换了子带分割器102，用校正系数产生器206代替了校正系数提取器106，其他部件与第一具体实施例中的完全一致。以下将详细描述子带分割器202和校正系数产生器206。
子带分割器202具有子带分频滤波器，其将输入的低频比特流分割为各频带中的多个实数低频子带信号，并将这些低频子带信号输出给频带扩展器103和子带组合器104。由子带分割器202使用的子带分频滤波器仅由公式102.2的实数处理器提供，并且其具有作为实数低频子带信号的输出信号。因此，由于输入到频带扩展器103的低频子带信号由实数表示，因此转换器305将输入其的实数低频子带信号直接输出给高频产生器300。
校正系数产生器206根据预定的处理计算出能量校正系数，并将计算出的能量校正系数输出给能量校正器105。校正系数产生器206也可以通过产生一个随机数并将该随机数作为能量校正系数使用来计算能量校正系数。所产生的随机数被归一化为0到1之间的值。如以上所述的第一具体实施例那样，如果调节实数高频子带信号的振幅，使其信号能量等于目标能量，那么解码音频信号的高频分量的能量变得大于目标能量。然而，通过使用从归一化为0到1之间的值的随机数导出的能量校正系数，可以使校正后的目标能量小于目标能量。结果，由于解码音频信号的高频分量的能量不是必需大于目标能量，因此可预期改善音质。或者可以事先确定各频带内的能量校正系数，并且可以根据频带扩展器103从其复制信号的子带的频率范围和频带扩展器103将信号复制到其的子带的频率范围两者中或者其中一个来产生能量校正系数。在这种情况下，每个预定的能量校正系数仍然是0到1之间的数值。根据本处理，相比于使用随机数计算能量校正系数的处理，可以使用人的听觉特性，并得到更好的音质改善。可以结合上述两个处理来确定每个频带范围内的随机数的最大值，以及将在该范围内归一化的随机数作为能量校正系数使用。或者，可以在每个频带范围内事先确定平均值，以及可以在平均值附近产生随机数以便计算能量校正系数。此外，对每个分割的频带范围计算能量校正系数，并且可以平滑邻频带的能量校正系数并将其作为某一频带的能量校正系数使用。或者，在时间方向上可以使用预定时间常数和在前帧的能量校正系数来平滑当前帧的能量校正系数。
根据本发明的第二具体实施例，由于不考虑低频子带信号的信号相位，因此解码音频信号的质量低于本发明的第一具体实施例的质量。但是，由于不需要使用复数低频子带，因此本发明的第二具体实施例可以进一步减少所需的计算量，并且可以使用实数子带分频滤波器。
本发明并不限于上述具体实施例，在本发明的技术构思的范围内可以修改这些具体实施例。
尽管没有示出，根据这些具体实施例的音频解码设备具有一种记录介质，该记录介质存储了用于执行上述音频解码方法的程序。记录介质可以包括磁盘，半导体存储器或其它的记录介质。程序是从记录介质读入音频解码设备内的，并且该程序控制音频解码设备的操作。具体地说，程序控制音频解码设备中的CPU，使其命令音频解码设备的硬件资源执行用于实施上述处理序列的特定处理。

Claims (26)

1.一种音频解码设备，包括：
比特流分离器，用于将比特流分为低频比特流和高频比特流；
低频解码器，用于解码所述低频比特流以便产生低频音频信号；
子带分割器，用于将所述低频音频信号分割为各频带中的多个复值信号，以产生低频子带信号；
校正系数提取器，用于根据所述低频子带信号计算能量校正系数；
能量校正器，用于使用所述能量校正系数校正由所述高频比特流描述的目标能量，以计算校正后的目标能量；
频带扩展器，用于通过以所述校正后的目标能量在振幅中校正通过复制和处理由所述高频比特流所指示的所述低频子带信号所产生的信号的信号能量，从而产生高频子带信号；以及
子带组合器，用于组合所述低频子带信号和所述高频子带信号的实部，以便产生解码音频信号。
2.根据权利要求1所述的音频解码设备，其中所述校正系数提取器计算所述低频子带信号的信号相位，并且根据所述信号相位计算能量校正系数。
3.根据权利要求1所述的音频解码设备，其中所述校正系数提取器计算所述低频子带信号的实部的能量和所述低频子带信号的信号能量的比率作为能量校正系数。
4.根据权利要求1所述的音频解码设备，其中所述校正系数提取器平均所述低频子带信号的采样相位以计算能量校正系数。
5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的音频解码设备，其中所述校正系数提取器平滑分别在所述各频带中计算的能量校正系数。
6.一种音频解码设备，包括：
比特流分离器，用于将比特流分为低频比特流和高频比特流；
低频解码器，用于解码所述低频比特流以便产生低频音频信号；
子带分割器，用于将所述低频音频信号分割为各频带中的多个实值信号，以产生低频子带信号；
校正系数产生器，用于产生预定的能量校正系数；
能量校正器，用于使用所述能量校正系数校正由所述高频比特流描述的目标能量，以计算校正后的目标能量；
频带扩展器，用于通过以所述校正后的目标能量在振幅中校正通过复制和处理由所述高频比特流所指示的所述低频子带信号所产生的信号的信号能量，从而产生高频子带信号；以及
子带组合器，用于组合所述低频子带信号和所述高频子带信号，以产生解码音频信号。
7.根据权利要求6所述的音频解码设备，其中所述校正系数产生器产生一随机数，并且将该随机数用作所述能量校正系数。
8.根据权利要求6所述的音频解码设备，其中所述校正系数产生器分别在各频带中产生预定的能量校正系数。
9.一种音频解码方法，包括步骤：
将比特流分为低频比特流和高频比特流；
解码所述低频比特流以产生低频音频信号；
将所述低频音频信号分割为各频带中的多个复值信号，以产生低频子带信号；
根据所述低频子带信号计算能量校正系数；
使用所述能量校正系数校正由所述高频比特流描述的目标能量，以计算校正后的目标能量；
通过以所述校正后的目标能量在振幅中校正通过复制和处理由所述高频比特流所指示的所述低频子带信号所产生的信号的信号能量，从而产生高频子带信号；以及
组合所述低频子带信号和所述高频子带信号的实部，以便产生解码音频信号。
10.根据权利要求9所述的音频解码方法，其中为了计算所述校正后的目标能量，计算所述低频子带信号的信号相位，并且根据所述信号相位计算能量校正系数。
11.根据权利要求9所述的音频解码方法，其中为了计算所述校正后的目标能量，计算所述低频子带信号的实部的能量和所述低频子带信号的信号能量的比率作为能量校正系数。
12.根据权利要求9所述的音频解码方法，其中为了计算所述校正后的目标能量，平均所述低频子带信号的采样相位，以计算能量校正系数。
13.根据权利要求9-12中任一权利要求所述的音频解码方法，其中为了计算所述校正后的目标能量，平滑分别在所述各频带中计算的能量校正系数。
14.一种音频解码方法，包括步骤：
将比特流分为低频比特流和高频比特流；
解码所述低频比特流以便产生低频音频信号；
将所述低频音频信号分割为各频带中的多个实值信号，以产生低频子带信号；
产生预定的能量校正系数；
使用所述能量校正系数校正由所述高频比特流描述的目标能量，以计算校正后的目标能量；
通过以所述校正后的目标能量在振幅中校正通过复制和处理由所述高频比特流所指示的所述低频子带信号所产生的信号的信号能量，从而产生高频子带信号；以及
组合所述低频子带信号和所述高频子带信号，以产生解码音频信号。
15.根据权利要求14所述的音频解码方法，其中为了产生所述能量校正系数，产生一随机数并将其用作所述能量校正系数。
16.根据权利要求14所述的音频解码方法，其中为了产生所述能量校正系数，在各频带中分别产生预定的能量校正系数。
17.一种音频解码设备，包括：
比特流分离器，用于将比特流分为低频比特流和高频比特流；
低频解码器，用于解码所述低频比特流以产生低频音频信号；
子带分割器，用于将所述低频音频信号分割为各频带中的多个实值信号，以产生低频子带信号；
能量校正器，用于使用预定的能量校正系数校正由所述高频比特流描述的目标能量，以便计算校正后的目标能量；
频带扩展器，用于通过以所述校正后的目标能量在振幅中校正通过复制和处理由所述高频比特流所指示的所述低频子带信号所产生的信号的信号能量，从而产生高频子带信号；以及
子带组合器，用于组合所述低频子带信号和所述高频子带信号，以产生解码音频信号。
18.一种音频解码设备，包括：
比特流分离器，用于将比特流分为低频比特流和高频比特流；
低频解码器，用于解码所述低频比特流以产生低频音频信号；
子带分割器，用于将所述低频音频信号分割为各频带中的多个实值信号，以产生低频子带信号；
能量校正器，用于输出通过复制和处理所述低频子带信号产生的信号的能量校正系数；
频带扩展器，用于通过使用所述能量校正系数在振幅中校正通过复制和处理由所述高频比特流所指示的所述低频子带信号所产生的信号的信号能量来产生高频子带信号；以及
子带组合器，用于组合所述低频子带信号和所述高频子带信号，以产生解码音频信号。
19.一种音频解码设备，包括：
比特流分离器，用于将比特流分为低频比特流和高频比特流；
低频解码器，用于解码所述低频比特流以产生低频音频信号；
子带分割器，用于将所述低频音频信号分割为各频带中的多个实值信号，以产生低频子带信号；
能量校正器，用于使用所述高频比特流的指示和预定能量校正系数来计算校正后的目标能量；
频带扩展器，用于通过在振幅中校正通过复制和处理由所述高频比特流所指示的所述低频子带信号所产生的信号的信号能量来产生高频子带信号；以及
子带组合器，用于组合所述低频子带信号和所述高频子带信号，以产生解码音频信号。
20.一种音频解码设备，包括：
比特流分离器，用于将比特流分为低频比特流和高频比特流；
低频解码器，用于解码所述低频比特流以产生低频音频信号；
子带分割器，用于将所述低频音频信号分割为各频带中的多个实值信号，以产生低频子带信号；
频带扩展器，用于通过使用包括在所述高频比特流中的指示和预定的能量校正系数在振幅中校正通过复制和处理所述低频子带信号所产生的信号的信号能量来产生高频子带信号；以及
子带组合器，用于组合所述低频子带信号和所述高频子带信号，以产生解码音频信号。
21.一种音频解码设备，包括：
比特流分离器，用于将比特流分为低频比特流和高频比特流；
低频解码器，用于解码所述低频比特流以产生低频音频信号；
子带分割器，用于将所述低频音频信号分割为各频带中的多个实值信号，以产生低频子带信号；
频带扩展器，用于当通过在振幅上校正校正后的目标能量(aR)和信号能量(Er)以致校正后的目标能量(aR)和信号能量(Er)彼此相等时，其中校正后的目标能量(aR)是使用所述预定的能量校正系数(a)校正所述目标能量(R)产生的，通过使用预定的能量校正系数(a)的倒数(1/a)校正一信号的信号能量(Er)产生高频子带信号，其中该信号是通过复制和处理所述低频子带信号而不是由所述高频比特流描述的目标能量(R)产生的；以及
子带组合器，用于组合所述低频子带信号和所述高频子带信号，以产生解码音频信号。
22.一种音频解码方法，包括步骤：
将比特流分为低频比特流和高频比特流；
解码所述低频比特流以产生低频音频信号；
将所述低频音频信号分割为各频带中的多个实值信号，以产生低频子带信号；
使用预定的能量校正系数校正由所述高频比特流描述的目标能量，以计算校正后的目标能量；
通过以所述校正后的目标能量在振幅中校正通过复制和处理由所述高频比特流所指示的所述低频子带信号所产生的信号的信号能量，从而产生高频子带信号；以及
组合所述低频子带信号和所述高频子带信号，以产生解码音频信号。
23.一种音频解码方法，包括步骤：
将比特流分为低频比特流和高频比特流；
解码所述低频比特流以产生低频音频信号；
将所述低频音频信号分割为各频带中的多个实值信号，以产生低频子带信号；
输出通过复制和处理所述低频子带信号产生的信号的能量校正系数；
通过使用所述能量校正系数在振幅中校正通过复制和处理由所述高频比特流所指示的所述低频子带信号所产生的信号的信号能量来产生高频子带信号；以及
组合所述低频子带信号和所述高频子带信号，以产生解码音频信号。
24.一种音频解码方法，包括步骤：
将比特流分为低频比特流和高频的比特流；
解码所述低频比特流以产生低频音频信号；
将所述低频音频信号分割为各频带中的多个实值信号，以产生低频子带信号；
使用所述高频比特流的指示和预定能量校正系数来计算校正后的目标能量；
通过在振幅中校正通过复制和处理由所述高频比特流所指示的所述低频子带信号所产生的信号的信号能量来产生高频子带信号；以及
组合所述低频子带信号和所述高频子带信号，以产生解码音频信号。
25.一种音频解码方法，包括步骤：
将比特流分为低频比特流和高频的比特流；
解码所述低频比特流以产生低频音频信号；
将所述低频音频信号分割为各频带中的多个实值信号，以产生低频子带信号；
通过使用包括在所述高频比特流中的指示和预定的能量校正系数在振幅中校正通过复制和处理所述低频子带信号所产生的信号的信号能量来产生高频子带信号；以及
组合所述低频子带信号和所述高频子带信号，以产生解码音频信号。
26.一种音频解码方法，包括步骤：
将比特流分为低频比特流和高频比特流；
解码所述低频比特流以产生低频音频信号；
将所述低频音频信号分割为各频带中的多个实值信号，以产生低频子带信号；
当通过在振幅上校正校正后的目标能量(aR)和信号能量(Er)以致校正后的目标能量(aR)和信号能量(Er)彼此相等时，其中校正后的目标能量(aR)是使用所述预定的能量校正系数(a)校正所述目标能量(R)产生的，通过使用预定的能量校正系数(a)的倒数(1/a)校正一信号的信号能量(Er)产生高频子带信号，其中该信号是通过复制和处理所述低频子带信号而不是由所述高频比特流描述的目标能量(R)产生的；以及
组合所述低频子带信号和所述高频子带信号，以产生解码音频信号。
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