DE60100813T2 - Verbesserte spektrale übersetzung/faltung im subband-bereich - Google Patents

Verbesserte spektrale übersetzung/faltung im subband-bereich Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neues Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung von HFR-Techniken (HFR = High Frequency Reconstruction = Hochfrequenzrekonstruktion), die auf Audioquellen-Codiersysteme anwendbar sind. Unter Verwendung des neuen Verfahrens wird eine bedeutend verringerte Rechenkomplexität erreicht. Diese wird mittels einer Frequenzübersetzung oder eines Faltens im Teilbandbereich, der vorzugsweise in den Spektralhüllkurvenanpassungsprozeß integriert ist, erreicht. Die Erfindung verbessert auch die wahrnehmbare Audioqualität durch das Konzept eines Dissonanz-Wächterbandfilterns. Die vorgeschlagene Erfindung bietet ein HFR-Verfahren einer mittleren Qualität und einer geringen Komplexität und bezieht sich auf die PCT-Patentanmeldung, Spectral Band Replication (SBR), WO 98/57436.
  • Schemata, wo die ursprünglichen Audioinformationen über einer bestimmten Frequenz durch ein Gauß'sches Rauschen oder manipulierte Niederbandinformationen ersetzt werden, werden zusammen als HFR-Verfahren (HFR = High Frequency Reconstruction = Hochfrequenzrekonstruktion) bezeichnet. Bekannte HFR-Verfahren verwenden allgemein, neben einem Rauscheinbringen oder Nichtlinearitäten, wie z. B. einer Gleichrichtung, sogenannte Hochkopiertechniken zur Erzeugung eines Hochbandsignals. Diese Techniken verwenden hauptsächlich Breitband-Linearfrequenzverschiebungen, d. h. Übersetzungen, oder frequenzinvertierte Linearverschiebungen, d. h. Faltungen. Die bekannten HFR-Verfahren wurden vorwiegend für zum Verbessern eines Sprachcodecverhaltens geplant. Jüngste Entwicklungen in der Hochbandneuerzeugung unter Verwendung von wahrnehmbar exakten Verfahren haben jedoch die HFR-Verfahren auch für natürliche Audiocodecs, das Codieren von Musik oder eines anderen komplexen Pro grammaterialien mit Erfolg anwendbar gemacht, siehe z. B. PCT-Patentanmeldung WO 98/57436. Unter bestimmten Bedingungen haben sich einfache Hochkopiertechniken auch beim Codieren von einem komplexen Programmaterial als angemessen erwiesen. Diese Techniken haben nachweislich annehmbare Ergebnisse für mittlere Qualitätsanwendungen und speziell für Codec-Implementierungen erzeugt, wo strenge Einschränkungen für die rechnerische Komplexität des Gesamtsystems vorliegen.
  • Die Stimme eines Menschen und die meisten Musikinstrumente erzeugen quasi stationäre Tonsignale, die oszillierenden Systemen entstammen. Gemäß der Fourier'schen Lehre kann ein beliebiges periodisches Signal als eine Summe von Sinuskurven mit Frequenzen f, 2f, 3f, 4f, 5f etc. ausgedrückt werden, wobei f die Grundfrequenz ist. Die Frequenzen bilden eine harmonische Reihe. Eine Tonaffinität bezieht sich auf die Beziehungen zwischen den wahrgenommenen Tönen oder Harmonischen. Bei einer natürlichen Klangreproduktion ist eine solche Tonaffinität durch die unterschiedliche Art einer Stimme oder eines verwendeten Instruments gesteuert und gegeben. Die allgemeine Idee bei HFR-Techniken ist, die ursprünglichen Hochfrequenzinformationen durch Informationen zu ersetzen, die von dem verfügbaren Niederband erzeugt wurden, und anschließend eine Spektralhüllkurvenanpassung auf diese Informationen anzuwenden. Bekannte HFR-Verfahren erzeugen Hochbandsignale, wo die Tonaffinität häufig nicht gesteuert und beeinträchtigt wird. Die Verfahren erzeugen nichtharmonische Frequenzkomponenten, die wahrnehmbare Artefakte bewirken, wenn sie auf ein komplexes Programmaterial aufgewendet werden. Solche Artefakte werden in der Codierungsliteratur als „grobes" Klingen bezeichnet und vom Zuhörer als Störung empfunden.
  • Eine sensorische Dissonanz (Rauhigkeit) tritt im Gegensatz zu einer Konsonanz (Wohlklang) auf, wenn nahe beieinanderliegende Töne oder Partialtöne interferieren. Die Dissonanzlehre ist durch unterschiedliche Forscher erörtert worden, unter anderem vom Plomp und Levelt [„Tonal Consonance and Critical Bandwidth", R. Plomp, W. J. M. Levelt JASA, Band 38, 1965] und behauptet, daß zwei Partialtöne als Dissonanz gelten, wenn die Frequenzdifferenz innerhalb von näherungsweise 5 bis 50% der Bandbreite des kritischen Bands liegt, in dem sich die Partialtöne befinden. Die zum Abbilden der Frequenz als kritische Bänder verwendete Skala wird als die Bark-Skala bezeichnet. Ein Bark entspricht einer Frequenzdistanz von einem kritischen Band. Zur Bezugnahme kann die Funktion
    Figure 00030001
    verwendet werden, um von der Frequenz (f) zur Bark-Skala (z) zu konvertieren. Plomp behauptet, daß das menschliche Gehörsystem zwei Partialtöne nicht unterscheiden kann, wenn sie sich in der Frequenz durch näherungsweise weniger als 5% des kritischen Bandes unterscheiden, in dem sie sich befinden, oder, äquivalent, um weniger als 0,05 Bark in der Frequenz getrennt sind. Wenn andererseits die Distanz zwischen den Partialtönen mehr als näherungsweise 0,5 Bark beträgt, werden sie als separate Töne wahrgenommen.
  • Die Dissonanzlehre erklärt teilweise, warum die bekannten Verfahren ein unzufriedenstellendes Verhalten ergeben. Ein Satz von konsonanten Partialtönen, der in der Frequenz aufwärts übersetzt wurde, kann dissonant werden. In den Kreuzungsbereichen zwischen den Instanzen von übersetzten Bändern und dem Niedrigband können die Partialtöne außerdem interferieren, da sie nicht innerhalb der Grenzen der zulässigen Abweichung gemäß den Dissonanzregeln liegen können.
  • Die WO 98/57436 offenbart die Ausführung einer Frequenztransposition mittels einer Multiplizierung durch den Transpositionsfaktor M. Aufeinanderfolgende Kanäle von einer Analysefilterbank werden in Synthesefilterbankkanäle frequenztransliert, die jedoch um zwei Zwischenrekonstruktionsbereichskanäle voneinander beabstandet sind, wenn der Multiplizierungsfaktor M 3 ist, oder die um einen Rekonstruktionsbereich voneinander beabstandet sind, wenn der Multiplizierungsfaktor M gleich 2 ist. Alternativ können Amplituden- und Phaseninformationen von unterschiedlichen Analysatorkanälen kombiniert werden. Die Amplitudensignale sind so geschaltet, daß die Größen der aufeinanderfolgenden Kanäle der Analysefilterbank in die Größen der Teilbandsignale, die den aufeinanderfolgenden Synthesekanälen zugeordnet sind, frequenztransliert werden. Die Phasen der Teilbandsignale von den gleichen Kanälen unterliegen einer Frequenztransposition unter Verwendung eines Faktors M.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Konzept zum Erhalten eines hüllkurvenangepaßten und frequenztranslierten Signals durch eine Hochfrequenzspektralrekonstruktion und ein Konzept zum Decodieren unter Verwendung einer Hochfrequenz-Spektralrekonstruktion zu schaffen, die zu einer Rekonstruktion einer besseren Qualität führt.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 13 und 23 oder eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 19 und 20 oder einen Decodierer gemäß Anspruch 21 gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung sieht ein neues Verfahren und eine Vorrichtung für Verbesserungen der Übersetzungs- oder Falttechniken in Quellencodiersystemen vor. Die Aufgabe umfaßt eine beträchtliche Verringerung des Rechenaufwands und eine Verringerung der wahrnehmbaren Artefakte. Die Erfindung zeigt eine neue Implementierung einer unterabgetasteten digitalen Filterbank als eine Frequenzübersetzungs- oder Faltvorrichtung, die auch eine verbesserte Kreuzungsgenauigkeit zwischen dem Niederband und den übersetzten oder gefalteten Bändern anbietet. Ferner lehrt die Erfindung, daß Kreuzungsbereiche zum Vermeiden einer sensorischen Dissonanz davon profitieren, gefiltert zu sein. Die gefilterten Bereiche werden auch als Dissonanz- Wächterbänder bezeichnet, und die Erfindung bietet die Möglichkeit, dissonante Partialtöne in einer unkomplizierten und exakten Weise unter Verwendung der unterabgetasteten Filterbank zu verringern.
  • Der auf einer neuen Filterbank basierende Übersetzungs-Faltungs-Prozeß kann in vorteilhafter Weise in den Spektralhüllkurvenanpassungsprozeß integriert werden. Die für die Hüllkurvenanpassung verwendete Filterbank wird dann auch für den Frequenzübersetzungs- oder Faltprozeß in einer Weise verwendet, die den Bedarf an der Verwendung einer separaten Filterbank oder einem Prozeß zur Spektralhüllkurvenanpassung beseitigt. Die vorgeschlagene Erfindung bietet einen einzigartigen und flexiblen Filterbankentwurf zu geringen rechnerischen Kosten, wodurch ein sehr effektives Übersetzungs-/Falt-/Hüllkurvenanpassungssystem geschaffen wird.
  • Die vorgeschlagene Erfindung ist zusätzlich in vorteilhafter Weise mit dem Adaptive-Noise-Floor-Addition-Verfahren (Verfahren für ein Hinzufügen eines adaptiven Grundrauschens) kombiniert, das in der PCT-Patentanmeldung WO 00/45379 beschrieben ist. Diese Kombination verbessert die wahrnehmbare Qualität unter schwierigen Programmaterialbedingungen.
  • Die vorgeschlagene teilbandbereichsbasierte Übersetzungs- oder Falt-Technik weist die folgenden Schritte auf:
    • – Filtern eines Niederbandsignals durch den Analyseteil einer digitalen Filterbank zum Erhalten eines Satzes von Teilbandsignalen;
    • – Umschalten einer Anzahl von Teilbandsignalen von den aufeinanderfolgenden Niederbandkanälen zu den aufeinanderfolgenden Hochbandkanälen im Syntheseteil einer digitalen Filterbank;
    • – Anpassung der geschalteten Teilbandsignale gemäß einer gewünschten Spektralhüllkurve; und
    • – Filtern der angepaßten Teilbandsignale durch den Syntheseteil einer digitalen Filterbank, um ein hüllkurvenangepaßtes und frequenztransliertes oder gefaltetes Signal in einer sehr effektiven Weise zu erhalten.
  • Die vorteilhaften Anwendungen der vorgeschlagenen Erfindung beziehen sich auf die Verbesserung von verschiedenen Typen von Codecanwendungen einer mittleren Qualität, z. B. MPEG-2-Layer-III, MPEG 2/4 AAC, Dolby AC-3, NTT Twin VQ, AT&T/Lucent PAC etc., wo solche Codecs bei niedrigen Bitraten verwendet werden. Die Erfindung ist auch bei verschiedenen Sprachcodecs sehr nützlich, wie z. B. G. 729 MPEG-4 CELP und HVXC etc., um die wahrgenommene Qualität zu verbessern. Die vorstehenden Codecs werden weitgehend bei Multimedia, in der Telephonbranche oder im Internet sowie bei professionellen Multimediaanwendungen verwendet.
  • Die vorliegende Erfindung wird mittels darstellender Beispiele beschrieben, die den Schutzbereich der Erfindung nicht einschränken, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen:
  • 1 ein filterbankbasiertes Übersetzen oder Falten, das in ein Codiersystem gemäß der vorliegenden Erfindung integriert ist;
  • 2 einen Grundaufbau einer maximal dezimierten Filterbank;
  • 3 eine Spektralübersetzung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine Spektralfaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine Spektralübersetzung unter Verwendung von Wächterbändern gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Übersetzung und Faltung basierend auf einer digitalen Filterbank
  • Es werden nun Übersetzungs- oder Falttechniken, die auf einer neuen Filterbank basieren, beschrieben. Das berücksichtigte Signal wird in eine Reihe von Teilbandsignalen durch den Analyseteil der Filterbank zerlegt. Die Teilbandsignale werden dann durch die Neuverbindung der Analyse- und Syntheseteilbandkanäle umgeschaltet, um eine Spektralübersetzung oder -faltung oder eine Kombination aus denselben zu erreichen.
  • 2 zeigt den Grundaufbau eines maximal dezimierten Filterbank-Analyse-/Synthesesystems. Die Analysefilterbank 201 teilt das Eingangssignal in mehrere Teilbandsignale. Die Synthesefilterbank 202 kombiniert die Teilbandabtastwerte, um das Originalsignal erneut zu erzeugen. Die Implementierungen, die maximal dezimierte Filterbanken verwenden, verringern die Rechenkosten drastisch. Es wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung unter Verwendung mehrerer Typen von Filterbänken oder Transformationen einschließlich Cosinustransformationen oder komplexer exponentiell modulierter Filterbanken, Filterbankinterpretationen der Wavelett-Transformation oder Filterbanken ungleicher Bandbreite oder Transformationen und multidimensionaler Filterbanken oder Transformationen implementiert werden kann.
  • Bei den veranschaulichenden, jedoch uneingeschränkten Beschreibungen wird nachstehend davon ausgegangen, daß eine L-Kanalfilterbank das Eingangssignal x(n) in L Teilbandsignale aufteilt. Das Eingangssignal ist mit der Abtastfrequenz fS auf die Frequenz fc bandbegrenzt. Die Analysefilter einer maximal dezimierten Filterbank (2) werden als Hk(z) 203 bezeichnet, wobei k = 0, 1, ..., L – 1. Die Teilbandsignale vk(n) werden maximal dezimiert, jede Abtastfrequenz fS/L, nach dem Bewegen durch die Dezimatoren 204. Der Syntheseabschnitt, mit den Synthesefiltern, die mit Fk(z) bezeichnet werden, setzt die Teilbandsignale nach einer Interpolation 205 und einem Filtern 206 erneut zusammensetzen, um x ^(n) zu erzeugen. Die vorliegende Erfindung führt zusätzlich eine Spektralrekonstruktion auf x ^(n) auf, wodurch ein verbessertes Signal y(n) erzeugt wird.
  • Der Rekonstruktionsbereichs-Startkanal, der mit M bezeichnet ist, wird durch
    Figure 00080001
    bestimmt. Die Anzahl von Quellenbereichskanälen ist mit S(1 ≤ S ≤ M) bezeichnet. Das Ausführen einer Spektralrekonstruktion durch Übersetzung auf x ^(n) gemäß der vorliegenden Erfindung in Kombination mit einer Hüllkurvenanpassung wird durch Umschalten der Teilbandsignale erreicht, da vM+k(n) = eM+k(n)vM–S–P+k(n), (3)wobei k ∈ [0, S – 1], (–1)S+P = 1, d. h. S + P ist eine gerade Zahl, P ist ein Ganzzahlversatz (0 ≤ P ≤ M – S) und eM+k(n) ist die Hüllkurvenkorrektur. Das Ausführen einer Spektralrekonstruktion durch Falten auf x ^(n) gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner durch Umschalten der Teilbandsignale erreicht, da vM+k(n) = eM+k(n)v*M–P–S–k(n), (4)wobei k ∈ [0, S – 1], (–1)S+P = –1, d. h. S + P ist eine ungerade Ganzzahl, P ist ein Ganzzahlversatz (1 – S ≤ P ≤ M – 2S + 1) und eM+k(n) ist die Hüllkurvenkorrektur. Der Operator [*] bezeichnet eine komplexe Konjugation. Üblicherweise wird der Umschaltprozeß wiederholt, bis der beabsichtigte Betrag einer Hochfrequenzbandbreite erreicht ist.
  • Es wird darauf hingewiesen, daß durch die Verwendung einer teilbandbereichsbasierten Übersetzung und Faltung eine verbesserte Kreuzungsgenauigkeit zwischen dem Niederband und den Instanzen der übersetzten oder gefalteten Bänder erreicht wird, da alle Signale durch die Filterbankkanäle gefiltert werden, die mit den Frequenzantworten übereinstimmten.
  • Wenn die Frequenz fc von x(n) zu hoch ist oder entsprechend fS zu niedrig ist, um eine effektive Spektralrekonstruktion zu ermöglichen, d. h. M + S > L, kann die Anzahl von Teilbandkanälen nach dem Analysefiltern erhöht werden. Das Filtern der Teilbandsignale mit einer QL-Kanalsynthesefilterbank, wobei nur die L-Niederbandkanäle verwendet werden und der Hochtastungsfaktor Q so gewählt ist, daß QL ein Ganzzahlenwert ist, führt zu einem Ausgangssignal mit einer Abtastfrequenz QfS. Daher wird die erweiterte Filterbank so tun, als ob sie eine L-Kanalfilterbank ist, der ein Hochabtaster folgt. Da in diesem Fall die L(Q – 1)-Hochbandfilter nicht verwendet werden (mit Nullen gespeist), verändert sich die Audiobandbreite nicht – die Filterbank rekonstruiert lediglich eine hochabgetastete Version von x ^(n). Wenn jedoch die L-Teilbandsignale auf die Hochbandkanäle umgeschaltet werden, gemäß Gleichung 3 oder 4, wird die Bandbreite von x ^(n) erhöht. Unter Verwendung dieses Schemas wird der Hochabtastprozeß in das Synthesefiltern integriert. Es wird darauf hingewiesen, daß eine beliebige Größe der Synthesefilterbank verwendet werden kann, was zu unterschiedlichen Abtastraten des Ausgangssignals führt.
  • Unter Bezugnahme auf 3 sind die Teilbandkanäle von einer 16-Kanalanalysefilterbank zu berücksichtigen. Das Eingangssignal x(n) weist Frequenzinhalte bis zur Nyquist-Frequenz (fc = fS/2) auf. Bei der ersten Iteration werden die 16 Teilbänder auf 23 Teilbänder erweitert, und die Frequenzübersetzung gemäß Gleichung 3 wird mit den folgenden Parametern verwendet: M = 16, S = 7 und P = 1. Diese Operation wird durch das Umschalten der Teilbänder von einem Punkt a auf b in der Figur dargestellt. Bei der nächsten Iteration werden die 23 Teilbänder auf 28 Teilbänder erweitert, und Gleichung 3 wird mit den neuen Parametern verwendet: M = 23, S = 5 und P = 3. Diese Operation wird durch das Umschalten der Teilbänder vom Punkt b auf c dargestellt. Die so erzeugten Teilbänder können dann unter Verwendung einer 28-Kanalfilterbank synthetisiert werden. Dies würde ein kritisch abgetastetes Ausgangssignal mit einer Abtastfrequenz 28/16 fS = 1,75 fS erzeugen. Die Teilbandsignale könnten unter Verwendung einer 32-Kanalfilterbank synthetisiert werden, wo die vier obersten Kanäle mit Nullen gespeist werden, was durch die gestrichelten Linien in der Figur dargestellt ist, wodurch ein Ausgangssignal mit einer Abtastfrequenz 2fS erzeugt wird.
  • Unter Verwendung derselben Analysefilterbank und eines Eingangssignals mit demselben Frequenzinhalt, stellt 4 das Umschalten unter Verwendung eines Frequenzfaltens gemäß Gleichung 4 in zwei Iterationen dar. Bei der ersten Iteration ist M = 16, S = 8 und P = –7, und die 16 Teilbänder auf 24 erweitert. Bei der zweiten Iteration ist M = 24, S = 8 und P = –7, und die Anzahl der Teilbänder wird von 24 auf 32 erweitert. Die Teilbänder werden mit einer 32-Kanalfilterbank synthetisiert. Im Ausgangssignal, das bei der Frequenz 2fS abgetastet wurde, führt dieses Umschalten zu zwei rekonstruierten Frequenzbändern – einem Band, das vom Umschalten der Teilbandsignale auf die Kanäle 16 bis 23 entsteht, das eine gefaltete Version des Bandpaßsignals ist, das durch die Kanäle 8 bis 15 extrahiert wurde, und einem Band, das vom Umschalten auf die Kanäle 24 bis 31 entsteht, das eine übersetzte Version desselben Bandpaßsignals ist.
  • Wächterbänder in der Hochfrequenzrekonstruktion
  • Eine sensorische Dissonanz kann sich im Translations- oder Faltprozeß aufgrund einer benachbarten Bandinterferenz entwickeln, d. h. einer Interferenz zwischen Partialtönen in der Nachbarschaft des Kreuzungsbereichs zwischen den Instanzen der translierten Bänder und dem Niederband. Diese Art von Dissonanz ist bei einem harmonisch reichen, mehrfach beabstandeten Programmaterial üblicher. Um die Dissonanz zu verringern, werden Wächterbänder eingebracht und können vorzugsweise aus kleinen Frequenzbändern mit einer Nullenergie bestehen, d. h. der Kreuzungsbereich zwischen dem Niederbandsignal und dem reproduzierten Spektralband wird unter Verwendung eines Bandstopp- oder Kerbfilters gefiltert. Eine verringerte wahrnehmbare Verschlechterung wird wahrgenommen, wenn eine Dissonanzverringerung unter Verwendung von Wächterbändern ausgeführt wird. Die Bandbreite der Wächterbänder sollte vorzugsweise um 0,5 Bark liegen. Beträgt sie weniger, kann eine Dissonanz resultieren, und ist sie breiter, können kammfilterähnliche Klangcharakteristika resultieren.
  • Bei einem filterbankbasierten Übersetzen oder Falten könnten Wächterbänder eingebracht werden und können vorzugsweise aus einem oder mehreren Teilbandkanälen, die auf Null gesetzt wurden, bestehen. Die Verwendung von Wächterbändern verändert die Gleichung 3 vM+D+k(n) = eM+D+k(n)vM–S–P+k(n) (5)und die Gleichung 4 in vM+D+k(n) = eM+D+k(n)v*M–P–S–k(n). (6)
  • D ist eine kleine Ganzzahl und stellt die Anzahl von Filterbandkanälen dar, die als Wächterband verwendet werden.
  • Nun sollte P + S + D eine gerade Ganzzahl in der Gleichung 5 und eine ungerade Ganzzahl in der Gleichung 6 sein. P verwendet die gleichen Werte wie zuvor. 5 zeigt das Umschalten einer 32-Kanalfilterbank unter Verwendung von Gleichung 5. Das Eingangssignal weist einen Frequenzinhalt bis zu fc = 5/16 fS auf, wodurch M = 20 in der ersten Iteration ist. Die Anzahl von Quellenkanälen wird als S = 4 und P = 2 gewählt. Ferner sollte D vorzugsweise so gewählt sein, um die Bandbreite der Wächterbänder zu 0,5 Bark zu machen. Hier ist D gleich 2, wodurch die Wächterbänder fS/32 Hz breit gemacht werden. Bei der zweiten Iteration werden die Parameter als M = 26, S = 4, D = 2 und P = 0 gewählt. In der Figur werden die Wächterbänder durch die Teilbänder mit den gestrichelten Leitungsverbindungen dargestellt.
  • Um die Spektralhüllkurve kontinuierlich zu gestalten, können die Dissonanzwächterbänder teilweise unter Verwendung eines zufälligen Weißrauschsignals rekonstruiert werden, d. h. die Teilbänder werden mit einem weißen Rauschen gespeist, anstatt Null zu betragen. Das bevorzugte Verfahren verwendet eine ANA (ANA = Adaptive Noise-floor Addition = adaptive Addition eines Grundrauschesn), wie sie in der PCT-Patentanmeldung WO 00/45379 beschrieben ist. Dieses Verfahren schätzt das Grundrauschen des Hochbands des Originalsignals ein und fügt dem neu erzeugten Hochband im Decodierer ein synthetisches Rauschen in einer deutlich definierten Weise hinzu.
  • Praktische Implementierungen
  • Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Systemen zur Speicherung oder Übertragung von Audiosignalen unter Verwendung von willkürlichen Codecs implementiert sein. 1 zeigt den Decodierer eines Audiocodiersystems. Der Demultiplexer 101 trennt die Hüllkurvendaten und andere HFR-bezogene Steuerungssignale vom Bitstrom und führt den relevanten Teil dem willkürlichen Niederbanddecodierer 102 zu. Der Niederbanddecodierer erzeugt ein digitales Signal, das der Analysefilterbank 104 zugeführt wird. Die Hüllkurvendaten werden im Hüllkurvendecodierer 103 decodiert, und die resultierenden Spektralhüllkurveninformationen werden zusammen mit den Niederbandabtastwerten von der Analysefilterbank der integrierten Übersetzung oder dem Falten und einer Hüllkurvenanpassungsfilterbankeinheit 105 zugeführt. Diese Einheit übersetzt oder faltet das Niederbandsignal gemäß der vorliegenden Erfindung, um ein Breitbandsignal zu bilden und wendet die übertragene Spektralhüllkurve an. Die verarbeiteten Teilbandabtastwerte werden dann der Synthesefilterbank 106 zugeführt, die eine andere Größe als die Analysefilterbank aufweisen könnte. Das digitale Breitbandausgangssignal wird schließlich in ein analoges Ausgangssignal umgewandelt 107.
  • Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind lediglich Veranschaulichungen für die Grundsätze der vorliegenden Erfindung zur Verbesserung von HFR-Techniken unter Verwendung eines filterbankbasierten Frequenzübersetzens oder -faltens. Es wird darauf hingewiesen, daß Modifizierungen und Variationen der Anordnungen und der hierin beschriebenen Einzelheiten Fachleuten verständlich sind. Es besteht daher die Absicht, die Erfindung nur durch den Schutzbereich der angehängten Patentansprüche und nicht durch die mittels der Beschreibung und Erörterung der Ausführungsbeispiele dargestellten spezifischen Einzelheiten einzuschränken.

Claims (23)

  1. Verfahren zum Erhalten eines hüllkurvenangepaßten und frequenztranslierten Signals durch eine Hochfrequenz-Spektralrekonstruktion von komplexen Teilbandsignalen in Kanälen innerhalb eines Rekonstruktionsbereichs unter Verwendung von komplexen Teilbandsignalen in Quellenbereichskanälen, die von einem Niederbandsignal abgeleitet sind, unter Verwendung einer digitalen Filterbank mit einem Analyseteil (201) und eine Syntheseteil (202), wobei der Rekonstruktionsbereich Kanalfrequenzen umfaßt, die höher als Frequenzen in den Quellenbereichskanälen sind, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Filtern des Niederbandsignals mittels des Analyseteils (201), um komplexe Teilbandsignale in den Quellenbereichskanälen zu erhalten; Berechnen einer Anzahl von aufeinanderfolgenden komplexen Teilbandsignalen in Kanälen innerhalb des Rekonstruktionsbereichs unter Verwendung einer Anzahl von frequenztranslierten aufeinanderfolgenden komplexen Teilbandsignalen in den Quellenbereichskanälen und einer Hüllkurvenkorrektur zum Erhalten einer vorbestimmten Spektralhüllkurve, wobei ein komplexes Teilbandsignal in einem Quellenbereichskanal, der einen Index i aufweist, auf ein komplexes Teilbandsignal in einem Rekonstruktionsbereichskanal, der einen Index j aufweist, frequenztransliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein komplexes Teilbandsignal in einem Quellenbereichskanal, der einen Index i + 1 aufweist, auf ein komplexes Teilbandsignal in einem Rekonstruktionsbereichskanal frequenztransliert wird, der einen Index j + 1 aufweist, und Filtern der aufeinanderfolgenden komplexen Teilbandsignale in den Kanälen innerhalb des Rekonstruktionsbereichs mittels des Syntheseteils (202), um ein hüllkurvenangepaßtes und frequenztransliertes Signal zu erhalten.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem, in dem Schritt des Berechnens die folgende Gleichung verwendet wird: vM+k(n) = eM+k(n)vM–S–P+k(n),wobei M eine Nummer von einem Kanal des Syntheseteils (202) anzeigt, wobei der Kanal ein Startkanal des Rekonstruktionsbereichs ist, wobei S die Anzahl von Quellenbereichskanälen anzeigt, wobei S eine Ganzzahl größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich M ist, wobei P ein Ganzzahlversatz ist, der größer oder gleich 0 und kleiner oder gleich M – S ist; wobei vi ein Bandpaßsignal v für einen Kanal i des Syntheseteils anzeigt; wobei ei eine Hüllkurvenkorrektur für einen Kanal i des Syntheseteils anzeigt, um die gewünschte Spektralhüllkurve zu erhalten, wobei n ein Zeitindex ist, und wobei k ein Ganzzahlindex zwischen 0 und S – 1 ist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem S und P so ausgewählt sind, daß eine Summe von S und P eine gerade Zahl ist.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die digitale Filterbank durch eine Cosinus- oder Sinusmodulation eines Tiefpaß-Prototypfilters erhalten wird.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die digitale Filterbank durch eine Komplex-Exponential-Modulation eines Tiefpaß-Prototypfilters erhalten wird.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem das Tiefpaß-Prototypfilter so konzipiert ist, daß ein Übergangsband der Kanäle der digitalen Filterbank ein Paßband von ausschließlich den benachbarten Kanälen überlappt.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Syntheseteil ein Dissonanzwächterband umfaßt, wobei das Dissonanzwächterband zwischen den Quellenbereichskanälen und den Rekonstruktionsbereichskanälen positioniert ist.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wenn derselbe nicht von Anspruch 2 abhängig ist, bei dem, in dem Schritt des Berechnens, die folgende Gleichung verwendet wird: vM+D+k(n) = eM+D+k(n)vM–S–P+k(n),wobei D eine Ganzzahl ist, die eine Anzahl von Filterbankkanälen darstellt, die als das Dissonanzwächterband verwendet werden.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem P, S, D so ausgewählt sind, daß eine Summe von P, S und D eine gerade Ganzzahl ist.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem einer oder mehrere der Kanäle in dem Dissonanzwächterband mit Nullen oder einem Gauß'schen Rauschen gespeist werden, wodurch dissonanzbezogene Artefakte gedämpft werden.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem eine Bandbreite des Dissonanzwächterbands näherungsweise ein halbes Bark ist.
  12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Berechnens einen ersten Iterationsschritt implementiert, und bei dem das Verfahren ferner einen weiteren Schritt des Berechnens umfaßt, wobei ein zweiter Iterationsschrittes implementiert wird, wobei in dem zweiten Iterationsschritt die Quellenbereichskanäle die rekonstruktionsangeordneten Kanäle von dem ersten Iterationsschritt umfassen.
  13. Verfahren zum Erhalten eines hüllkurvenangepaßten und frequenzgefalteten Signals durch eine Hochfrequenz-Spektralrekonstruktion eines komplexen Teilbandsignals in Kanälen innerhalb eines Rekonstruktionsbereichs unter Verwendung von komplexen Teilbandsignalen in Qellenbereichskanälen, die von einem Niederbandsignal abgeleitet sind, unter Verwendung einer digitalen Filterbank, die einen Analyseteil (201) und einen Syntheseteil (202) aufweist, wobei der Rekonstruktionsbereich Kanalfrequenzen umfaßt, die höher als die Frequenzen in den Quellenbereichskanälen sind, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Filtern des Niederbandsignals mittels des Analyseteils (201), um die komplexen Teilbandsignale in den Quellenbereichskanälen zu erhalten; Berechnen einer Anzahl von aufeinanderfolgenden komplexen Teilbandsignalen in Kanälen innerhalb des Rekonstruktionsbereichs unter Verwendung einer Anzahl von frequenztranslierten aufeinanderfolgenden konjugiert-komplexen Teilbandsignalen in den Quellenbereichskanälen und einer Hüllkurvenkorrektur zum Erhalten einer vorbestimmten Spektralhüllkurve, wobei ein komplexes Teilbandsignal in einem Quellenbereichskanal, der einen Index i aufweist, auf ein komplexes Teilbandsignal in einem Rekonstruktionsbereichskanal, der einen Index j aufweist, frequenzgefaltet wird, dadurch gekennzeichnet daß ein komplexes Teilbandsignal in einem Quellenbereichskanal, der einen Index i + 1 aufweist, auf ein komplexes Teilbandsignal in einem Rekonstruktionsbereichskanal, der einen Index j – 1 aufweist, frequenzgefaltet wird, und Filtern der aufeinanderfolgenden komplexen Teilbandsignale in Kanälen innerhalb des Rekonstruktionsbereichs mittels des Syntheseteils (202), um ein hüllkurvenangepaßtes und frequenztransliertes Signal zu erhalten.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem, in dem Schritt des Berechnens die folgende Gleichung verwendet wird: vM+k(n) = eM+k(n)v*M–P–S+k(n),wobei M eine Nummer eines Kanals des Syntheseteils (202) anzeigt, wobei der Kanal ein Startkanal des Rekonstruktionsbereichs ist, wobei S die Anzahl von Quellenbereichskanälen anzeigt, wobei S eine Ganzzahl größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich M ist, wobei P ein Ganzzahlversatz größer oder gleich 1 – S und kleiner oder gleich M – 2S + 1, wobei vi ein Bandpaßsignal v für einen Kanal i des Syntheseteils anzeigt, wobei ei eine Hüllkurvenkorrektur für einen Kanal i des Syntheseteils anzeigt, um die gewünschte Spektralhüllkurve zu erhalten, wobei * konjugiert-komplex anzeigt, wobei n ein Zeitindex ist, und wobei k ein Ganzzahlindex zwischen 0 und S – 1 ist.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem S und P so ausgewählt sind, daß eine Summe von S und P eine ungerade Ganzzahl ist.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem der Syntheseteil ein Dissonanzwächterband umfaßt, wobei das Dissonanzwächterband zwischen den Quellenbereichskanälen und den Rekonstruktionsbereichskanälen positioniert ist.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem, in dem Schritt des Berechnens, die folgende Gleichung verwendet wird: vM+D+k(n) = eM+D+k(n)v*M–P–S–k(n),wobei D eine Ganzzahl ist, die eine Anzahl von Filterbankkanälen darstellt, die als das Dissonanzwächterband verwendet werden.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem P, S, D so ausgewählt sind, daß eine Summe von P, S und D eine ungerade Ganzzahl ist.
  19. Vorrichtung zum Erhalten eines hüllkurvenangepaßten und frequenztranslierten Signals durch eine Hochfrequenz-Spektralrekonstruktion von komplexen Teilbandsignalen in Kanälen innerhalb eines Rekonstruktionsbereichs unter Verwendung von komplexen Teilbandsignalen in Quellenbereichskanälen, die von einem Niederbandsignal abgeleitet sind, unter Verwendung einer digitalen Filterbank, die einen Analyseteil (201) und einen Syntheseteil (202) aufweist, wobei der Rekonstruktionsbereich Kanalfrequenzen umfaßt, die höher als Frequenzen in den Quellenbereichskanälen sind, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Filtern des Niederbandsignals mittels des Analyseteils (201), um die komplexen Teilbandsignale in den Quellenbereichskanälen zu erhalten, eine Einrichtung zum Berechnen einer Anzahl von aufeinanderfolgenden komplexen Teilbandsignalen in Kanälen innerhalb des Rekonstruktionsbereichs unter Verwendung einer Anzahl von frequenztranslierten aufeinanderfolgenden komplexen Teilbandsignalen in den Quellenbereichskanälen und einer Hüllkurvenkorrektur zum Erhalten einer vorbestimmten Spektralhüllkurve, wobei ein komplexes Teilbandsignal in einem Quellenbereichskanal, der einen Index i aufweist, auf ein komplexes Teilbandsignal in einem Rekonstruktionsbereichskanal, der einen Index j aufweist, frequenztransliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein komplexes Teilbandsignal in einem Quellenbereichskanal, der einen Index i + 1 aufweist, auf ein komplexes Teilbandsignal in einem Rekonstruktionsbereichskanal, der einen Index j + 1 aufweist, frequenztransliert wird, und eine Einrichtung zum Filtern der aufeinanderfolgenden komplexen Teilbandsignale in Kanälen innerhalb des Rekonstruktionsbereichs mittels des Syntheseteils (202), um ein hüllkurvenangepaßtes und frequenztransliertes Signal zu erhalten.
  20. Vorrichtung zum Erhalten eines hüllkurvenangepaßten und frequenzgefalteten Signals durch eine Hochfrequenz-Spektralrekonstruktion von komplexen Teilbandsignalen in Kanälen innerhalb eines Rekonstruktionsbereichs unter Verwendung von komplexen Teilbandsignalen in Quellenbereichskanälen, die von einem Niederbandsignal abgeleitet werden, unter Verwendung einer digitalen Filterbank, die einen Analyseteil (201) und einen Syntheseteil (202) aufweist, wobei der Rekonstruktionsbereich Kanalfrequenzen umfaßt, die höher als Frequenzen in den Quellenbereichskanälen sind, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Filtern des Niederbandsignals mittels des Analyseteils (201), um die komplexen Teilbandsignale in den Quellenbereichskanälen zu erhalten; eine Einrichtung zum Berechnen einer Anzahl von aufeinanderfolgenden komplexen Teilbandsignalen in Kanälen innerhalb des Rekonstruktionsbereichs unter Verwendung einer Anzahl von frequenztranslierten, aufeinanderfolgenden konjugiert-komplexen Teilbandsignalen in den Quellenbereichskanälen und einer Hüllkurvenkorrektur zum Erhalten einer vorbestimmten Spektralhüllkurve, wobei ein komplexes Teilbandsignal in einem Quellenbereichskanal, der einen Index i aufweist, auf ein komplexes Teilbandsignal in einem Rekonstruktionsbe reichskanal, der einen Index j aufweist, frequenzgefaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein komplexes Teilbandsignal in einem Quellenbereichskanal, der einen Index i + 1 aufweist, auf ein komplexes Teilbandsignal in einem Rekonstruktionsbereichskanal, der einen Index j – 1 aufweist, frequenzgefaltet wird, und eine Einrichtung zum Filtern der aufeinanderfolgenden komplexen Teilbandsignale in Kanälen innerhalb des Rekonstruktionsbereichs durch den Syntheseteil (202), um ein hüllkurvenangepaßtes und frequenztransliertes Signal zu erhalten.
  21. Decoder zu Decodieren von codierten Signalen, wobei die codierten Signale ein codiertes Niederband-Audiosignal umfassen, wobei der Decoder folgende Merkmale aufweist: einen Separator (101) zum Trennen des codierten Niederband-Audiosignals von den codierten Signalen; einen Audiodecoder (102) zum Audiodecodieren des codierten Niederband-Audiosignals, um ein audiodecodiertes Signal zu erhalten; gekennzeichnet durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 19 oder 20, um ein hüllkurvenangepaßtes und frequenztransliertes oder frequenzgefaltetes Signal unter Verwendung des audiodecodierten Signals als das Niederbandsignal zu erhalten, wobei das hüllkurvenangepaßte und frequenztranslierte oder frequenzcodierte Signal eine hochfrequenzrekonstruierte Version des Niederband-Audiosignals ist.
  22. Decodierer gemäß Anspruch 21, bei dem die codierten Signale ferner Hüllkurvendaten umfassen, bei dem der Separator (101) ferner angeordnet ist, um die Hüllkurvendaten von den codierten Signalen zu trennen, wobei der Decodierer ferner einen Hüllkurvendecodierer (103) zum Decodieren der Hüllkurvendaten umfaßt, um Spektralhüllkurveninformationen zu erhalten, wobei die Spektralhüllkurven Informationen der Vorrichtung zum Erhalten eines hüllkurvenangepaßten und frequenztranslierten oder frequenzgefalteten Signals zugeführt werden, um als Hüllkurvenkorrektur zum Erhalten der vorbestimmten Spektralhüllkurve verwendet zu werden.
  23. Verfahren zum Decodieren von codierten Signalen, wobei die codierten Signale ein codiertes Niederband-Audiosignal umfassen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Trennen (101) des codierten Niederband-Audiosignals von den codierten Signalen; Audiodecodieren (102) des codierten Niederband-Audiosignals, um ein audiodecodiertes Signal zu erhalten; gekennzeichnet durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 13, um ein hüllkurvenangepaßtes und frequenztransliertes oder frequenzgefaltetes Signal unter Verwendung des audiodecodierten Signals als das Niederbandsignal zu erhalten, wobei das hüllkurvenangepaßte und frequenztranslierte oder frequenzcodierte Signal eine hochfrequenzrekonstruierte Version des Niederband-Audiosignals ist.
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