DE60202881T2 - Wiederherstellung von hochfrequenzkomponenten - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Quellcodierungssysteme, die eine Hochfrequenzwiederherstellung (HFR), wie z. B. eine Spektralbandreplikation, SBR [WO 98/57436] oder verwandte Verfahren verwenden. Sie verbessert das Verhalten von sowohl Hochqualitätsverfahren (SBR) als auch Niedrigqualitäts-Kopieverfahren [US-Patent 5,127,054]. Sie ist sowohl an Sprachcodierungs- als auch natürliche Audiocodierungs-Systeme anwendbar.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Eine Hochfrequenzwiederherstellung (HFR; HFR = high frequency reconstruction) ist eine relativ neue Technik zum Verbessern der Qualität von Audio- und Sprach-Codierungsalgorithmen. Gegenwärtig wurde dieselbe zur Verwendung bei Sprachcodecs eingeführt, wie z. B. dem Breitband-AMR-Codierer für Dritte-Generation-Zellularsysteme und Audiocodierer wie z. B. MP3 oder AAC, wo die traditionellen Signalverlaufcodecs ergänzt werden mit dem Hochfrequenz-Wiederherstellungsalgorithmus-SBR (was zu MP3 PRO oder AAC plus SBR führt).
  • Die Hochfrequenzwiederherstellung ist ein sehr effizientes Verfahren zum Codieren hoher Frequenzen von Audio- und Sprach-Signalen. Da sie alleine keine Codierung ausführen kann, wird sie immer in Kombination mit einem normalen Signalverlauf-basierten Audiocodierer (z. B. AAC, MP3) oder einem Sprachcodierer verwendet. Diese sind verantwortlich für die Codierung der niedrigeren Frequenzen des Spektrums. Die grundlegende Idee der Hochfrequenzwiederherstellung ist, dass die höheren Frequenzen nicht codiert und übertragen werden sondern in dem Decodierer basierend auf dem niedrigeren Spektrum mit der Hilfe einiger zusätzlicher Parameter wiederhergestellt werden (hauptsächlich Daten, die die Hochfrequenz-Spektralhüllkurve des Audiosignals beschreiben), die in einem Niedrigbitraten-Bitstrom übertragen werden (siehe z. B. VALIN J ET AL: „Bandwidth extension of narrowbard speech for low bit-rate wideband coding", PROC. IEEE WORKSHOP ON SPEECH CODING, 17.–20. September 2000, Seiten 130–132), der separat oder als Zusatzdaten des Basiscodierers übertragen werden kann. Die zusätzlichen Parameter könnten auch weggelassen werden, aber heute ist die Qualität, die durch einen solchen Lösungsansatz erreichbar ist, schlechter im Vergleich zu einem System, das zusätzliche Parameter verwendet.
  • Insbesondere für die Audiocodierung verbessert HFR bedeutend die Codierungseffizienz, insbesondere im Qualitätsbereich „klingt gut, ist aber nicht transparent". Dies hat zwei Gründe:
    • – Traditionelle Signalverlaufscodecs, wie z. B. MP3, müssen die Audiobandbreite für sehr niedrige Bitraten reduzieren, da anderweitig der Artefaktpegel in dem Spektrum zu hoch wird. HFR regeneriert diese hohen Frequenzen zu sehr niedrigen Kosten und mit guter Qualität. Da HFR eine kostengünstige Möglichkeit zum Erzeugen von Hochfrequenzkomponenten ermöglicht, kann die Audiobandbreite, die durch Audiocodierer codiert wird, weiter reduziert werden, was zu weniger Artefakten und einem besseren Worst-Case-Verhalten des Gesamtsystems führt.
    • – HFR kann in Kombination mit einer Abwärtsabtastung in dem Codierer/Aufwärtsabtastung in dem Decodierer verwendet werden. Bei diesem häufig verwendeten Szenario analysiert der HFR-Codierer das Gesamtbandbreiten-Audiosignal, aber das Signal, das in den Audiocodierer zugeführt wird, wird abwärts zu einer niedrigeren Abtastrate abgetastet. Ein typisches Beispiel ist die HFR-Rate bei 44,1 kHz, und die Audiocodiererrate bei 22,05 kHz. Das Betreiben des Audiocodierers bei einer niedrigen Abtastrate ist ein Vorteil, da er üblicherweise bei der niedrigeren Abtastrate effizienter ist. Auf der Decodierseite wird das decodierte Audiosignal mit niedriger Abtastrate aufwärts abgetastet und der HFR-Teil wird hinzugefügt – somit können Frequenzen bis zu der Original-Nyquistfrequenz erzeugt werden, obwohl der Audiocodierer z. B. bei der Hälfte der Abtastrate läuft.
  • Ein Grundparameter für ein System, das HFR verwendet, ist die so genannte Überkreuzungsfrequenz (COF; COF = cross over frequency), d. h. die Frequenz, wo die normale Signalverlaufcodierung stoppt und der HFR-Frequenzbereich beginnt. Die einfachste Anordnung ist, die COF auf einer konstanten Frequenz zu haben. Eine fortschrittlichere Lösung, die bereits vorgestellt wurde, ist das dynamische Einstellen der COF auf die Charakteristika des Signals, das codiert werden soll.
  • Ein Hauptproblem der HFR ist, dass ein Audiosignal Komponenten in höheren Frequenzen enthalten kann, die schwierig mit dem aktuellen HFR-Verfahren wiederherzustellen sind, aber einfacher durch eine andere Einrichtung wiederhergestellt werden könnten, z. B. Signalverlaufcodierungsverfahren oder durch eine Synthetiksignalerzeugung. Ein einfaches Beispiel ist das Codieren eines Signals, das nur aus einer Sinuswelle über der COF besteht, 1. Hier ist die COF 5,5 kHz. Da kein nützliches Signal in den niedrigen Frequenzen verfügbar ist, wird das HFR-Verfahren, basierend auf dem Extrapolieren des Unterbandes, um ein Oberband zu erhalten, kein Signal erzeugen.
  • Dementsprechend kann das Sinuswellensignal nicht wiederhergestellt werden. Andere Mittel werden benötigt, um dieses Signal auf nützliche Weise zu codieren. Bei diesem einfachen Fall können HFR-Systeme, die eine flexible Einstellung der COF liefern, bereits das Problem zu einem bestimmten Ausmaß lösen. Wenn die COF über der Frequenz der Sinuswelle eingestellt ist, kann das Signal sehr effizient unter Verwendung des Kerncodierers codiert werden. Somit wird jedoch angenommen, dass dies möglich ist, was vielleicht nicht immer der Fall ist. Wie vorangehend erwähnt wurde, ist einer der Hauptvorteile des Kombinierens von HFR mit Audiocodierung die Tatsache, dass der Kerncodierer bei der Hälfte der Abtastrate arbeiten kann (was eine höhere Kompressionseffizienz ergibt). Bei einem realistischen Szenario, wie z. B. einem 44,1-kHz-System, bei dem der Kern bei 22,05 kHz läuft, kann ein solcher Kerncodierer nur Signale bis zu ungefähr 10,5 kHz codieren. Abgesehen davon jedoch wird das Problem bedeutend komplizierter, sogar für Teile des Spektrums innerhalb der Reichweite des Kerncodierers, wenn komplexere Signale betrachtet werden. Echte Signale können z. B. hörbare sinuswellenähnliche Komponenten bei hohen Frequenzen innerhalb eines komplexen Spektrums enthalten (z. B. kleines Klingeln), 2. Das Einstellen der COF ist keine Lösung in diesem Fall, da ein Großteil der Verstärkung, die durch das HFR-Verfahren erreicht wird, abgeschwächt würde, durch Verwenden des Kerncodierers für einen viel größeren Teil des Spektrums.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine Lösung für die oben ausgeführten Probleme und den Gegenstand dieser Erfindung ist daher die Idee eines hochflexiblen HFR-Systems, das nicht nur das Ändern der COF ermöglicht, sondern ferner eine viel flexiblere Zusammensetzung des decodierten/wiederhergestellten Spektrums ermöglicht, durch eine Frequenz-selektive Zusammensetzung unterschiedlicher Verfahren.
  • Die Grundlage für die Erfindung ist ein Mechanismus in dem HFR-System, der eine Frequenz-abhängige Auswahl von unterschiedlichen Codierungs- oder Wiederherstellungs-Verfahren ermöglicht. Dies könnte z. B. mit dem 64-Band-Filterbank-Analyse-/Synthese-System durchgeführt werden, wie es bei der SBR verwendet wird. Eine komplexe Filterbank, die Alias-freie Ausgleichsfunktionen bereitstellt, kann besonders nützlich sein.
  • Der Hauptschritt der Erfindung ist, dass die Filterbank nun nicht nur verwendet wird, um als ein Filter für die COF und die nachfolgende Hüllkurveneinstellung zu dienen. Sie wird ferner auf hochflexible Weise verwendet, um den Eingang für jeden der Filterbankkanäle aus den nachfolgenden Quellen auszuwählen:
    Signalverlaufcodierung (unter Verwendung des Kerncodierers);
    Transposition (mit nachfolgender Hüllkurveneinstellung);
    Signalverlaufcodierung (unter Verwendung zusätzlicher Codierung über Nyquist hinaus);
    parametrische Codierung;
    ein beliebiges anderes Codierungsl/Wiederherstellungs-Verfahren das bei bestimmten Teilen des Spektrums anwendbar ist;
    oder eine Kombination derselben.
  • Somit kann eine Signalverlaufcodierung oder andere Codierungsverfahren und HFR-Wiederherstellung nun bei jeder beliebigen Spektralanordnung verwendet werden, um die höchstmögliche Qualität und Codierungsverstärkung zu erreichen. Es sollte jedoch offensichtlich sein, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung einer Teilband-Filterbank beschränkt ist sondern natürlich mit einer beliebigen Frequenz-selektiven Filterung verwendet werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung weist nachfolgende Merkmale auf:
    ein HFR-Verfahren, das das verfügbare Unterband in dem Decodierer verwendet, um ein Oberband zu extrapolieren;
    auf der Codiererseite, unter Verwendung des HFR-Verfahrens zum Bewerten, innerhalb unterschiedlicher Frequenzregionen, wo das HFR-Verfahren, basierend auf dem Frequenzbereich unter der COF, nicht korrekt eine Spektrallinie oder mehrere Spektrallinien ähnlich zu der Spektrallinie oder den Spektrallinien des Originalsignals erzeugt;
    Codieren der Spektrallinie oder der Spektrallinien für die unterschiedlichen Frequenzregionen;
    Übertragen der codierten Spektrallinie oder Spektrallinien für die unterschiedlichen Frequenzregionen von dem Codierer zu dem Decodierer;
    Decodieren der Spektrallinie oder Spektrallinien;
    Hinzufügen der decodierten Spektrallinie oder Spektrallinien zu den unterschiedlichen Frequenzregionen des von dem Ausgangssignal von dem HFR-Verfahren in den Decodierer;
    das Codieren ist ein parametrisches Codieren der Spektrallinie oder Spektrallinien;
    das Codieren ist ein Signalverlaufcodieren der Spektrallinie oder Spektrallinien;
    die Spektrallinie oder Spektrallinien, parametrisch codiert, werden unter Verwendung einer Teilband-Filterband synthetisch hergestellt;
    die Signalverlaufcodierung der Spektrallinie oder Spektrallinien wird durchgeführt durch den zu Grunde liegenden Kerncodierer des Quellcodierungssystems;
    die Signalverlaufcodierung der Spektrallinie oder Spektrallinien wird durchgeführt durch einen beliebigen Signalverlaufcodierer.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird nun mit Hilfe von darstellenden Beispielen beschrieben, die den Schutzbereich oder das Wesen der Erfindung nicht einschränken, Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen:
  • 1 ein Spektrum eines Originalsignals mit nur einem Sinus über einer 5,5 kHz COF darstellt;
  • 2 ein Spektrum des Originalsignals darstellt, das Klingeln in der Popmusik enthält;
  • 3 eine Erfassung von fehlenden Harmonischen unter Verwendung des Prädiktionsgewinns darstellt;
  • 4 das Spektrum eines Originalsignals darstellt;
  • 5 das Spektrum ohne die vorliegende Erfindung darstellt;
  • 6 das Ausgabespektrum mit der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 7 eine mögliche Codiererimplementierung der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 8 eine mögliche Codiererimplementierung der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 9 ein schematisches Diagramm eines erfinderischen Codierers darstellt;
  • 10 ein schematisches Diagramm eines erfinderischen Codierers darstellt;
  • 11 ein Diagramm ist, das die Organisation des Spektralbereichs in Skalierfaktorbänder und -kanäle in Bezug auf die Überkreuzungsfrequenz und die Abtastfrequenz zeigt; und
  • 12 das schematische Diagramm für den erfinderischen Codierer in Verbindung mit einem HFR-Transpositionsverfahren basierend auf einem Filterbank-Lösungsansatz ist.
  • Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
  • Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele sind ausschließlich darstellend für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zur Verbesserung von Hochfrequenz-Wiederherstellungssystemen. Es wird darauf hingewiesen, dass Modifikationen und Abweichungen der Anordnungen und der Details, die hierin beschrieben sind, für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sind. Es ist daher die Absicht, nur durch den Schutzbereich der anhängigen Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Details eingeschränkt zu sein, die mit Hilfe der Beschreibung und Erklärung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert werden.
  • 9 stellt einen erfinderischen Codierer dar. Der Codierer umfasst einen Kerncodierer 702. Es wird hier darauf hingewiesen, dass das erfinderische Verfahren ebenfalls als ein so genanntes Zusatz-Modul für einen existierenden Kerncodierer verwendet werden kann. In diesem Fall umfasst der erfinderische Codierer einen Eingang zum Empfangen eines codierten Eingangssignals, das durch einen separat stehenden Kerncodierer 702 ausgegeben wird.
  • Der erfinderische Codierer in 9 umfasst zusätzlich einen Hochfrequenz-Regenerationsblock 703c, einen Differenzdetektor 703a, einen Differenzbeschreiberblock 703b sowie einen Kombinierer 705.
  • Nachfolgend wird die gegenseitige Funktionsabhängigkeit der oben beschriebenen Einrichtungen beschrieben.
  • Insbesondere ist der erfinderische Codierer zum Codieren eines Audiosignals vorgesehen, das an einem Audiosignaleingang 900 eingegeben wird, um ein codiertes Signal zu erhalten. Das codierte Signal ist vorgesehen zum Decodieren unter Verwendung einer Hochfrequenz-Regenerationstechnik, die geeignet ist zum Erzeugen von Frequenzkomponenten über einer vorbestimmten Frequenz, die ebenfalls die Überkreuzungsfrequenz genannt wird, basierend auf den Frequenzkomponenten unter der vorbestimmten Frequenz.
  • Es wird hier darauf hingewiesen, dass als eine Hochfrequenz-Regenerationstechnik eine breite Vielzahl solcher Techniken verwendet werden kann, die kürzlich bekannt wurden. Diesbezüglich ist der Ausdruck „Frequenzkomponente" in einem umfassenden Sinn zu verstehen. Dieser Ausdruck umfasst zumindest Spektralkoeffizienten, die mit Hilfe einer Zeitbereich/Frequenzbereich-Transformation erhalten werden, wie z. B. einer FFT, einer MDCT oder ähnlichem. Zusätzlich dazu umfasst der Ausdruck „Frequenzkomponente" ferner Bandpasssignale, d. h. Signale, die an dem Ausgang von frequenzselektiven Filtern erhalten werden, wie z. B. einem Tiefpassfilter, einem Bandpassfilter oder einem Hochpassfilter.
  • Unabhängig von der Tatsache, ob der Kerncodierer 702 ein Teil des erfinderischen Codierers ist, oder ob der erfinderische Codierer als ein Zusatzmodul für einen existierenden Kerncodierer verwendet wird, umfasst der Codierer eine Einrichtung zum Liefern eines codierten Eingangssignals, das eine codierte Darstellung eines Eingangssignals ist, und das unter Verwendung eines Codierungsalgorithmus codiert ist. Diesbezüglich wird darauf hingewiesen, dass das Eingangssignal einen Frequenzgehalt des Audiosignals unter einer vorbestimmten Frequenz darstellt, d. h. unter der so genannten Überkreuzungsfrequenz. Um die Tatsache darzustellen, dass der Frequenzgehalt des Eingangssignals nur ein Unterbandteil des Audiosignals umfasst, ist ein Tiefpassfilter 902 in 9 gezeigt. Der erfinderische Codierer kann tatsächlich ein solches Tiefpassfilter aufweisen. Alternativ kann ein solches Tiefpassfilter in dem Kerncodierer 702 umfasst sein. Alternativ kann ein Kerncodierer die Funktion des Verwerfens eines Frequenzbandes des Audiosignals durch eine andere bekannte Einrichtung durchführen.
  • An dem Ausgang des Kerncodierers 702 liegt ein codiertes Eingangssignal vor, das im Hinblick auf seinen Frequenzgehalt ähnlich zu dem Eingangssignal ist aber unterschiedlich von dem Audiosignal, insofern, dass das codierte Eingangssignal keine Frequenzkomponenten über der vorbestimmten Frequenz umfasst.
  • Der Hochfrequenz-Regenerationsblock 703c ist zum Durchführen der Hochfrequenz-Regenerationstechnik an dem Eingangssignal, d. h. dem Signal, das in den Kerncodierer 702 eingegeben wird, oder an einer codierten und wiederum decodierten Version desselben. Falls diese Alternative ausgewählt wird, umfasst der erfinderische Codierer ferner einen Kerndecodierer 903, der das codierte Eingangssignal von dem Kerncodierer empfängt und dieses Signal decodiert, sodass genau dieselbe Situation erhalten wird, die an der Decodierer/Empfänger-Seite vorliegt, auf der eine Hochfrequenz-Regenerationstechnik durchgeführt werden soll, zum Verbessern der Audiobandbreite für codierte Signale, die unter Verwendung einer niedrigen Bitrate übertragen wurden.
  • Der HFR-Block 702 gibt ein regeneriertes Signal aus, das Frequenzkomponenten über der vorbestimmten Frequenz aufweist.
  • Wie in 9 gezeigt ist, wird das regenerierte Signal, das durch den HFR-Block 703c ausgegeben wird, in eine Differenzdetektoreinrichtung 703a eingegeben. Andererseits empfängt die Differenzdetektoreinrichtung ferner das Originalaudiosignal, das an dem Audiosignaleingang 900 eingegeben wird. Die Einrichtung zum Erfassen von Differenzen zwischen dem regenerierten Signal von dem HFR-Block 703c und dem Audiosignal von dem Eingang 900 ist angeordnet zum Erfassen einer Differenz zwischen jenen Signalen, die über einer vorbestimmten Signifikanzschwelle sind. Verschiedene Beispiele für bevorzugte Schwellen, die als eine Signifikanzschwelle funktionieren, werden nachfolgend beschrieben.
  • Der Differenzdetektorausgang ist mit einem Eingang eines Differenzbeschreiberblocks 703b verbunden. Der Differenzbeschreiberblock 703b ist zum Beschreiben von erfassten Differenzen auf eine bestimmte Weise, um zusätzliche Informationen über die erfassten Differenzen zu erhalten. Diese zusätzlichen Informationen sind geeignet, um in eine Kombinierereinrichtung 705 eingegeben zu werden, die das codierte Eingangssignal, die zusätzlichen Informationen und verschiedene andere Signale kombiniert, die erzeugt werden können, um ein codiertes Signal zu erhalten, das zu einem Empfänger übertragen oder auf einem Speicherungsmedium gespeichert werden soll. Ein hervorstechendes Beispiel für zusätzliche Informationen sind Spektralhüllkurveninformationen, die durch einen Spektralhüllkurvenschätzer 704 erzeugt werden. Der Spektralhüllkurvenschätzer 704 ist ange ordnet zum Liefern von Spektralhüllkurveninformationen des Audiosignals über der vorbestimmten Frequenz, d. h. über der Überkreuzungsfrequenz. Diese Spektralhüllkurveninformationen werden in einem HFR-Modul auf der Decodiererseite verwendet, um Spektralkomponenten eines decodierten Audiosignals über der vorbestimmten Frequenz zu generieren.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Spektralhüllkurvenschätzer 704 angeordnet, um nur eine grobe Darstellung der Spektralhüllkurve zu liefern. Genauer gesagt ist es bevorzugt, nur einen Spektralhüllkurvenwert für jedes Skalierfaktorband zu liefern. Die Verwendung von Skalierfaktorbändern ist Fachleuten auf dem Gebiet bekannt. In Verbindung mit Transformationscodierern, wie z. B. MP3 oder MPEG-AAC, umfasst ein Skalierfaktorband verschiedene MDCT-Linien. Die detaillierte Organisation, welche Spektrallinien zu welchen Skalierfaktorband gehören, ist standardisiert, kann jedoch variieren. Allgemein umfasst ein Skalierfaktorband verschiedene Spektrallinien (z. B. MDCT-Linien, wobei MDCT für modifizierte diskrete Cosinustransformation steht) oder Bandpasssignale, wobei die Anzahl derselben von Skalierfaktorband zu Skalierfaktorband variiert. Im Allgemeinen umfasst ein Skalierfaktorband zumindest mehr als zwei und normalerweise mehr als 10 oder 20 Spektrallinien oder Bandpasssignale.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der erfinderische Codierer zusätzlich eine variable Überkreuzungsfrequenz. Die Steuerung dieser Überkreuzungsfrequenz wird durchgeführt durch den erfinderischen Differenzdetektor 703a. Die Steuerung ist derart angeordnet, dass wenn der Differenzdetektor zu der Schlussfolgerung kommt, dass eine höhere Überkreuzungsfrequenz wahrscheinlich zum Reduzieren von Artefakten beitragen würde, die durch eine reine HFR erzeugt werden würden, der Differenzdetektor den Tiefpassfilter 702 und den Spektralhüllkurvenschätzer 704 sowie den Kerncodierer 702 anweisen kann, die Überkreuzungsfrequenz auf höhere Frequenzen zu setzen, zum Ausdehnen der Bandbreite des codierten Eingangssignals.
  • Andererseits kann der Differenzdetektor ferner zum Reduzieren der Überkreuzungsfrequenz in dem Fall angeordnet sein, dass er herausfindet, dass eine bestimmte Bandbreite unter der Überkreuzungsfrequenz akustisch nicht wichtig ist und daher ohne weiteres durch eine HFR-Synthese in dem Decodierer erzeugt werden kann und nicht direkt durch den Kerncodierer codiert werden muss.
  • Bits, die gespeichert werden, durch Verringern der Überkreuzungsfrequenz, können andererseits für den Fall verwendet werden, in dem die Überkreuzungsfrequenz erhöht werden muss, sodass eine Art eine Bitsparoption erhalten werden kann, die für ein psychoakustisches Beschichtungsverfahren bekannt ist. Bei diesen Verfahren können hauptsächlich Tonal-Komponenten, die schwer zu codieren sind, d. h. die viele Bits benötigen, um ohne Artefakte codiert zu werden, mehr Bits verbrauchen, wobei andererseits mit Weißrauschen behaftete Signalabschnitte, die leicht zu codieren sind, d. h. die nur eine geringe Anzahl von Bits benötigen, um ohne Artefakte codiert zu werden, ebenfalls in dem Signal vorliegen und durch eine bestimmte Bitsparsteuerung erkannt werden.
  • Zusammenfassend ist die Überkreuzungsfrequenzsteuerung angeordnet zum Erhöhen oder Verringern der vorbestimmten Frequenz, d. h. der Überkreuzungsfrequenz, ansprechend auf Erkenntnisse, die durch den Differenzdetektor gemacht werden, die im Allgemeinen die Effektivität und das Verhalten des HFR-Blocks 703c bewertet, um die tatsächliche Situation in einem Decodierer zu simulieren.
  • Vorzugsweise ist der Differenzdetektor 703a angeordnet zum Erfassen von Spektrallinien in dem Audiosignal, die nicht in dem regenerierten Signal umfasst sind. Um dies durchzuführen umfasst der Differenzdetektor vorzugsweise einen Prädiktor zum Durchführen von Voraussageoperationen über das regenerierte Signal und das Audiosignal, und eine Einrichtung zum Bestimmen einer Differenz bei erhaltenen Prädiktionsgewinnen für das regenerierte Signal und das Audiosignal. Insbesondere werden Frequenz-verwandte Abschnitte in dem regenerierten Signal und in dem Audiosignal bestimmt, bei denen eine Differenz bei den Prädiktorgewinnen größer als die Gewinnschwelle ist, die bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Signifikanzschwelle ist.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass der Differenzdetektor 703a vorzugsweise als ein Frequenz-selektives Element arbeitet, insofern, dass er entsprechende Frequenzbänder in dem regenerierten Signal einerseits und dem Audiosignal andererseits bewertet. Zu diesem Zweck kann der Differenzdetektor Zeitfrequenz-Umwandlungselemente umfassen, zum Umwandeln des Audiosignals und des regenerierten Signals. Im Fall, dass das regenerierte Signal, das durch den HFR-Block 703c erzeugt wird, bereits als eine Frequenz-verwandte Darstellung vorliegt, was bei dem bevorzugten Hochfrequenz-Regenerationsverfahren der Fall ist, das für die vorliegende Erfindung angewendet wird, ist keine solche Zeitbereichs-/Frequenzbereichs-Umwandlungseinrichtung notwendig.
  • In dem Fall, dass ein Zeitbereich-Frequenzbereich-Umwandlungselement verwendet werden muss, wie z. B. zum Umwandeln des Audiosignals, das normalerweise ein Zeitbereichssignal ist, ist ein Filterbanklösungsansatz bevorzugt. Eine Analysefilterbank umfasst eine Bank von geeignet dimensionierten, benachbarten Bandpassfiltern, wobei jedes Bandpassfilter ein Bandpasssignal mit einer Bandbreite ausgibt, die durch die Bandbreite des jeweiligen Bandpassfilters definiert wird. Das Bandpassfiltersignal kann als ein Zeitbereichssignal interpretiert werden, das eine eingeschränkte Bandbreite aufweist, im Vergleich zu dem Signal, von dem es hergeleitet wurde. Die Mittenfrequenz eines Bandpasssignals wird definiert durch die Position des jeweiligen Bandpass filters in der Analysefilterbank, wie in der Technik bekannt ist.
  • Wie später beschrieben wird, ist das bevorzugte Verfahren zum Bestimmen von Differenzen über einer Signifikanzschwelle eine Bestimmung basierend auf Tonalitätsmaßen und insbesondere auf einem Tonal-zu-Rauschen-Verhältnis, da solche Verfahren geeignet sind zum Herausfinden von Spektrallinien in Signalen oder zum Herausfinden von rauschähnlichen Abschnitten in Signalen auf robuste und effiziente Weise.
  • Erfassung von Spektrallinien, die codiert werden sollen
  • Um in der Lage zu sein, die Spektrallinien zu decodieren, die in dem decodierten Ausgangssignal nach der HFR fehlen, ist es wesentlich, diese in dem Codierer zu erfassen. Um dies zu erreichen, muss eine geeignete Synthese der nachfolgenden Decodierer-HFR in dem Codierer durchgeführt werden. Dies impliziert nicht, dass das Ausgangssignal dieser Synthese ein Zeitbereich-Ausgangssignal ähnlich zu dem des Decodierers sein muss. Es ist ausreichend, eine absolute Spektraldarstellung der HFR in dem Decodierer zu beobachten und zu generieren. Dies kann erreicht werden durch Verwenden einer Voraussage in einer QMF-Filterbank mit nachfolgendem Spitzenerfassen der Differenz bei dem Prädiktionsgewinn zwischen dem Original und einem HFR-Gegenstück. Statt einer Spitzenerfassung der Differenz bei dem Prädiktionsgewinn können ebenfalls Differenzen des absoluten Spektrums verwendet werden. Für beide Verfahren werden der frequenzabhängige Prädiktionsgewinn oder das absolute Spektrum der HFR generiert, durch einfaches Neuanordnen der Frequenzverteilung der Komponenten, ähnlich dem was die HFR in dem Decodierer durchführt.
  • Sobald die zwei Darstellungen erhalten wurden, das Originalsignal und das generierte HFR-Signal, kann die Erfassung auf verschiedene Weisen durchgeführt werden.
  • In einer QMF-Filterbank kann eine lineare Voraussage niedrigeren Ordnung durchgeführt werden, z. B. LPC-Ordnung 2, für die unterschiedlichen Kanäle. Unter Berücksichtigung der Energie des vorhergesagten Signals und der Gesamtenergie des Signals kann das Tonal-zu-Rauschen-Verhältnis definiert werden, gemäß
    Figure 00160001
    wobei Ψ = |x(0)|2 + |x(1)|2 + ... + |x(N – 1)|2 die Energie des Signalblocks ist und E die Energie des Voraussagefehlerblocks ist, für einen gegebenen Filterbankkanal. Dies kann für das Originalsignal berechnet werden, und wenn dies gegeben ist, eine Darstellung darüber, wie das Tonal-zu-Rauschen-Verhältnis für unterschiedliche Frequenzbänder in dem HFR-Ausgangssignal in dem Decodierer erhalten werden kann. Die Differenz zwischen den beiden auf einer beliebigen Frequenz-selektiven Basis (größer als die Frequenzauflösung der QMF) kann somit berechnet werden. Dieser Differenzvektor, der die Differenz des Tonal-zu-Rauschen-Verhältnisses darstellt, zwischen dem ursprünglichen und dem erwarteten Ausgangssignal aus der HFR in dem Decodierer, wird nachfolgend verwendet, um zu bestimmen, wo ein zusätzliches Codierungsverfahren erforderlich ist, um die Mängel der gegebenen HFR-Technik zu kompensieren, 3. Hier ist das Tonal-zu-Rauschen-Verhältnis, das dem Frequenzbereich zwischen dem Teilband-Filterbank-Band 15–41 entspricht, für das ursprüngliche und ein generiertes HFR-Ausgangssignal angezeigt. Das Gitter zeigt die Skalierfaktorbänder des Frequenzbereichs an, der auf eine Weise einer Rindenskalierung gruppiert ist. Für jedes Skalierfaktorband wird die Differenz zwischen den größten Komponenten des ur sprünglichen und des HFR-Ausgangssignals berechnet und in der dritten Skizze angezeigt.
  • Die obige Erfassung kann ebenfalls durchgeführt werden unter Verwendung einer beliebigen Spektraldarstellung des Originals und eines generierten HFR-Ausgangssignals, z. B. Spitzenerfassung in einem absoluten Spektrum [„Extrahierung der spektralen Spitzenparameter unter Verwendung einer kurzzeitigen Fourier-Transformationsmodellierung [sic] und ohne Seitenlappenfenster." Ph Depalle, T Hélie, IRCAM] oder ähnlicher Verfahren, und dann Vergleichen der Tonal-Komponenten, die in dem Original erfasst wurden mit den Komponenten, die in dem generierten HFR-Ausgangssignal erfasst wurden.
  • Wenn eine Spektrallinie derart betrachtet wird, dass sie aus dem HFR-Ausgangssignal fehlt, muss sie effizient codiert werden, zu dem Decodierer übertragen werden und zu dem HFR-Ausgangssignal hinzugefügt werden. Verschiedene Lösungsansätze können verwendet werden; eine verschachtelte Signalverlaufcodierung oder z. B. eine parametrische Codierung der Spektrallinie.
  • QMF/Hybrid-Filterbank, verschachtelte Signalverlaufcodierung
  • Wenn die Spektrallinie, die codiert werden soll, unter FS/2 des Kerncodierers positioniert ist, kann sie durch denselben codiert werden. Dies bedeutet, dass der Kerncodierer den gesamten Frequenzbereich bis zu COF codiert und ferner einen definierten Frequenzbereich, der die Tonal-Komponente umgibt, die nicht durch die HFR in dem Decodierer reproduziert wird. Alternativ kann die Tonal-Komponente durch einen beliebigen Signalverlaufcodierer codiert werden, wobei das System bei diesem Lösungsansatz nicht durch die FS/2 des Kerncodierers eingeschränkt ist sondern an dem gesamten Frequenzbereich des Originalsignals wirksam sein kann.
  • Zu diesem Zweck wird die Kerncodierer-Steuerungseinheit 910 in dem erfinderischen Codierer bereitgestellt. In dem Fall, dass der Differenzdetektor 703a eine signifikante Spitze über der vorbestimmten Frequenz aber unter der Hälfte des Werts der Abtastfrequenz (FS/2) bestimmt, adressiert er den Kerncodierer 702 zum Kerncodieren eines Bandpasssignals, das aus dem Audiosignal hergeleitet wird, wobei das Frequenzband des Bandpasssignals die Frequenz umfasst, wo die Spektrallinie erfasst wurde, und abhängig von der tatsächlichen Implementierung auch ein spezifisches Frequenzband, das die erfasste Spektrallinie einbettet. Zu diesem Zweck filtert der Kerncodierer 702 selbst, oder ein steuerbares Bandpassfilter innerhalb des Kerncodierers, den relevanten Abschnitt aus dem Audiosignal heraus, das direkt zu dem Kerncodierer weitergeleitet wird, wie durch die gestrichelte Linie 912 gezeigt ist.
  • In diesem Fall funktioniert der Kerncodierer 702 als der Differenzbeschreiber 703b, insofern, dass er die Spektrallinie über der Überkreuzungsfrequenz codiert, die durch den Differenzdetektor erfasst wurde. Die zusätzlichen Informationen, die durch den Differenzbeschreiber 703b erhalten werden, entsprechen daher dem codierten Signal, das durch den Kerncodierer 702 ausgegeben wird, das sich auf das bestimmte Band des Audiosignals über der vorbestimmten Frequenz aber unter der Hälfte des Werts der Abtastfrequenz (FS/2) bezieht.
  • Um die vorangehend erwähnte Frequenzplanung besser darzustellen, wird Bezug auf 11 genommen. 11 zeigt die Frequenzskala, die bei einer Nullfrequenz beginnt und sich nach rechts in 11 erstreckt. Bei einem bestimmten Frequenzwert ist die vorbestimmte Frequenz 1100 ersichtlich, die auch die Überkreuzungsfrequenz genannt wird. Unter dieser Frequenz ist der Kerncodierer 702 aus 9 aktiv, um das codierte Eingangssignal zu erzeugen. Über der vorbestimmten Frequenz ist nur der Spektral-Hüllkurvenschätzer 704 aktiv, um z. B. einen Spektralhüllkurvenwert für jedes Skalierfaktorband zu erhalten. Aus 11 wird deutlich, dass ein Skalierfaktorband verschiedene Kanäle umfasst, die in dem Fall von bekannten Transformationscodierern Frequenzkoeffizienten oder Bandpasssignalen entsprechen. 11 ist ferner nützlich zum Zeigen der Synthesefilterbankkanäle aus der Synthesefilterbank aus 12, die später beschrieben wird. Zusätzlich dazu wird Bezug auf die Hälfte des Werts der Abtastfrequenz FS/2 genommen, die in dem Fall aus 11 über der vorbestimmten Frequenz liegt.
  • In dem Fall, dass eine erfasste Spektrallinie über FS/2 ist, kann der Kerncodierer 702 nicht als der Differenzbeschreiber 703b arbeiten. In diesem Fall, wie oben ausgeführt ist, müssen vollständig unterschiedliche Codierungsalgorithmen in dem Differenzbeschreiber zum Codieren/Erhalten zusätzlicher Informationen über Spektrallinien in dem Audiosignal angewendet werden, die nicht durch eine normale HFR-Technik reproduziert werden.
  • Nachfolgend wird Bezug auf 10 genommen, um einen erfinderischen Decodierer zum Decodieren eines codierten Signals darzustellen. Das codierte Signal wird an einem Eingang 1000 in einen Datenstrom-Demultiplexer 801 eingegeben. Genauer gesagt umfasst das codierte Signal ein codiertes Eingangssignal (ausgegeben aus dem Kerncodierer 702 in 9), das einen Frequenzgehalt eines Originalaudiosignals (eingegeben in den Eingang 900 aus 9) unter einer vorbestimmten Frequenz darstellt. Das Codieren des Originalsignals wurde in dem Kerncodierer 702 unter Verwendung eines bestimmten bekannten Codierungsalgorithmus durchgeführt. Das codierte Signal an dem Eingang 1000 umfasst zusätzliche Informationen, die erfasste Differenzen zwischen einem regenerierten Signal und dem Originalaudiosignal beschreiben, wobei das regenerierte Signal durch Hochfrequenz-Regenerationstechniken erzeugt wird (implementiert bei dem HFR-Block 703c in 9), aus dem Eingangssignal oder einer codierten und decodierten Version desselben (Ausführungsbeispiel mit dem Kerncodierer 903 in 9).
  • Genauer gesagt umfasst der erfinderische Decodierer eine Einrichtung zum Erhalten eines decodierten Eingangssignals, das erzeugt wird durch Decodieren des codierten Eingangssignals gemäß dem Codierungsalgorithmus. Zu diesem Zweck kann der erfinderische Decodierer einen Kerndecodierer 803 umfassen, wie in 10 gezeigt ist. Alternativ kann der erfinderische Decodierer ferner als ein Zusatzmodul zu einem existierenden Kerndecodierer verwendet werden, sodass die Einrichtung zum Erhalten eines codierten Eingangssignals implementiert werden würde durch Verwenden eines bestimmten Eingangs eines nachfolgend positionierten HFR-Blocks 804, wie in 10 gezeigt ist. Der erfinderische Decodierer umfasst ferner einen Rekonstruierer zum Rekonstruieren von erfassten Differenzen basierend auf den zusätzlichen Informationen, die durch den Differenzbeschreiber 703b erzeugt wurden, der in 9 gezeigt ist.
  • Als eine Schlüsselkomponente umfasst der erfinderische Decodierer zusätzlich eine Hochfrequenz-Regenerationseinrichtung zum Durchführen einer Hochfrequenz-Regenerationstechnik ähnlich zu der Hochfrequenz-Regenerationstechnik, die durch den HFR-Block 703c implementiert wurde, wie in 9 gezeigt ist. Der Hochfrequenz-Regenerationsblock gibt ein regeneriertes Signal aus, das bei einem normalen HFR-Decodierer zum Generieren des Spektralabschnitts des Audiosignals verwendet werden würde, das in dem Codierer verworfen wurde.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Produzierer bereitgestellt, der die Funktionalitäten von Block 806 und 807 aus 8 umfasst, sodass das Audiosignal, das durch den Produzierer ausgegeben wird, nicht nur einen rekonstruierten Hochfrequenzabschnitt umfasst, sondern ferner erfasste Differenzen umfasst, vorzugsweise Spektrallinien, die nicht durch den HFR-Block 804 synthetisiert werden können, aber die in dem Originalaudiosignal vorhanden waren.
  • Wie nachfolgend ausgeführt wird, kann der Produzierer 806, 807 das regenerierte Signal verwenden, das durch den HFR-Block 804 ausgegeben wird, und dasselbe einfach mit dem codierten Unterbandsignal kombinieren, das durch den Kerndecodierer 803 ausgegeben wird, und dann Spektrallinien basierend auf den zusätzlichen Informationen einfügen. Alternativ und vorzugsweise führt der Produzierer ferner eine Manipulation der HFR-erzeugten Spektrallinien durch, wie Bezug nehmend auf 12 ausgeführt wird. Im Allgemeinen fügt der Produzierer nicht einfach eine Spektrallinie in das HFR-Spektrum an einer bestimmten Frequenzposition ein, sondern berücksichtigt die Energie der eingefügten Spektrallinie beim Dämpfen von HFR-regenerierten Spektrallinien in der Umgebung der eingefügten Spektrallinien.
  • Die obige Vorgehensweise basiert auf einer Spektralhüllkurvenparameterschätzung, die in dem Codierer durchgeführt wird. Bei einem Spektralband über der vorbestimmten Frequenz, d. h. der Überkreuzungsfrequenz, in dem eine Spektrallinie positioniert ist, schätzt der Spektralhüllkurvenschätzer die Energie in diesem Band. Ein solches Band ist z. B. ein Skalierfaktorband. Da der Spektralhüllkurvenschätzer die Energie in diesem Band ansammelt, unabhängig von der Tatsache, ob die Energie von rauschbehafteten Spektrallinien oder bestimmten hervorstehenden Spitzen stammt, d. h. Tonal-Spektrallinien, umfasst die Spektralhüllkurvenschätzung für das gegebene Skalierfaktorband die Energie der Spektrallinie sowie die Energie der „rauschbehafteten" Spektrallinien in dem gegebenen Skalierfaktorband.
  • Um die Spektralenergie-Schätzungsinformationen, die in Verbindung mit dem codierten Signal übertragen werden, so genau wie möglich zu verwenden, berücksichtigt der erfinderische Decodierer das Energieansammlungsverfahren bei dem Co dierer durch Einstellen der eingefügten Spektrallinie sowie der benachbarten „rauschbehafteten" Spektrallinien in dem gegebenen Skalierfaktorband, sodass die Gesamtenergie, d. h. die Energie aller Linien in diesem Band, der Energie entspricht, die durch die übertragene Spektralhüllkurvenschätzung für dieses Skalierfaktorband vorgegeben ist.
  • 12 zeigt ein schematisches Diagramm für die bevorzugte HFR-Wiederherstellung basierend auf einer Analysefilterbank 1200 und einer Synthesefilterbank 1202. Die Analysefilterbank sowie die Synthesefilterbank bestehen aus mehreren Filterbankkanälen, die ebenfalls in 11 im Hinblick auf ein Skalierfaktorband und die vorbestimmte Frequenz dargestellt sind. Filterbankkanäle über der vorbestimmten Frequenz, was durch 1204 in 12 angezeigt wird, müssen mit Hilfe von Filterbanksignalen wiederhergestellt werden, d. h. Filterbankkanäle unter der vorbestimmten Frequenz, wie in 12 durch die Linien 1206 angezeigt ist. Es wird hier darauf hingewiesen, dass in jedem Filterbankkanal ein Bandpasssignal mit komplexen Bandpasssignalabtastwerten vorhanden ist. Der Hochfrequenzwiederherstellungsblock 804 in 10 und auch der HFR-Block 703c in 9 umfassen ein Transpositions/Hüllkurven-Einstellmodul 1208, das zum Durchführen einer HFR im Hinblick auf bestimmte HFR-Algorithmen angeordnet ist. Es wird darauf hingewiesen, dass der Block auf der Codiererseite nicht notwendigerweise ein Hüllkurveneinstellmodul umfassen muss. Es ist bevorzugt, ein Tonalitätsmaß als eine Frequenzfunktion zu schätzen. Dann, wenn die Tonalität zu sehr abweicht, ist die Differenz bei der absoluten spektralen Hüllkurve irrelevant.
  • Der HFR-Algorithmus kann ein Reine-Harmonische- oder ein Ungefähre-Harmonische-HFR-Algorithmus sein oder kann ein Niedrigkomplexitäts-HFR-Algorithmus sein, der die Transposition von verschiedenen aufeinander folgenden Analysefilterbankkanälen unter der vorbestimmten Frequenz auf bestimmte aufeinander folgende Synthesefilterbankkanäle über der vorbestimmten Frequenz umfasst. Zusätzlich dazu umfasst der Block 1208 vorzugsweise eine Hüllkurveneinstellfunktion, sodass die Größen der transpositionierten Spektrallinien derart eingestellt sind, dass die angesammelte Energie der eingestellten Spektrallinien in einem Skalierfaktorband z. B. dem Spektralhüllkurvenwert des Skalierfaktorbands entspricht.
  • Aus 12 wird deutlich, dass ein Skalierfaktorband verschiedene Filterbankkanäle umfasst. Ein exemplarisches Skalierfaktorband erstreckt sich von einem Filterbankkanal llow zu einem Filterbankkanal lup.
  • Im Hinblick auf das nachfolgende Adaptions-/Sinuseinfügungs-Verfahren wird darauf hingewiesen, dass diese Adaption oder „Manipulation" durch den Produzierer 806, 807 in 10 ausgeführt wird, der einen Manipulierer 1210 zum Manipulieren von HFR-produzierten Bandpasssignalen umfasst. Als ein Eingangssignal empfängt dieser Manipulierer 1210 von dem Rekonstruierer 805 in 10 zumindest die Position der Linie, d. h. vorzugsweise die Zahl ls, bei der der Sinus positioniert sein soll, der generiert werden soll. Zusätzlich dazu empfängt der Manipulierer 1210 vorzugsweise einen geeigneten Pegel für diese Spektrallinie (Sinuswelle) und vorzugsweise ebenfalls Informationen über eine Gesamtenergie des gegebenen Skalierfaktorbandes sfb 1212.
  • Es wird hier darauf hingewiesen, dass ein bestimmter Kanal ls, in den das synthetische Sinussignal eingefügt werden soll, unterschiedlich von den anderen Kanälen in dem gegebenen Skalierfaktorband 1212 behandelt wird, wie nachfolgend ausgeführt wird. Diese „Behandlung" der HFR-regenerierten Kanalsignale, die durch den Block 1208 ausgegeben werden, wird, wie oben ausgeführt wurde, durch den Manipulierer 1210 durchgeführt, der Teil des Produzierers 806, 807 aus 10 ist.
  • Parametrische Codierung von Spektrallinien
  • Ein Beispiel eines Filterbank-basierten Systems, das eine parametrische Codierung von fehlenden Spektrallinien verwendet, wird nachfolgend ausgeführt.
  • Wenn ein HFR-Verfahren verwendet wird, wo das System eine adaptive Grundrauschen-Addition gemäß [PCT/SE00/00159] verwendet, muss nur die Frequenzposition der fehlenden Spektrallinie codiert werden, da der Pegel der Spektrallinie implizit gegeben ist durch die Hüllkurvendaten und die Grundrauschdaten. Die Gesamtenergie für ein gegebenes Skalierfaktorband ist durch die Energiedaten gegeben, und das Tonal/Rauschenergie-Verhältnis ist gegeben durch die Grundrauschpegeldaten. Ferner ist in dem Hochfrequenzbereich die exakte Position der Spektrallinie weniger wichtig, da die Frequenzauflösung des menschlichen Gehörsystems bei höheren Frequenzen eher grob ist. Dies impliziert, dass die Spektrallinien sehr effektiv codiert werden können, im Wesentlichen mit einem Vektor, der für jedes Skalierfaktorband anzeigt, ob ein Sinus bei diesem bestimmten Band in dem Decodierer hinzugefügt werden sollte.
  • Die Spektrallinien können in dem Decodierer auf verschiedene Weisen erzeugt werden. Ein Lösungsansatz verwendet die QMF-Filterbank, die bereits für die Hüllkurveneinstellung des HFR-Signals verwendet wird. Dies ist sehr effizient, da es einfach ist, Sinuswellen in einer Teilbandfilterbank zu erzeugen, vorausgesetzt dass sie in der Mitte eines Filterkanals platziert sind, um kein Aliasing bei benachbarten Kanälen zu erzeugen. Dies ist keine gravierende Einschränkung, da die Frequenzposition der Spektrallinie üblicherweise eher grob quantisiert ist.
  • Wenn die Spektralhüllkurvendaten, die von dem Codierer zu dem Decodierer gesendet werden, durch gruppierte Teilbandfilterbankenergien dargestellt sind, in Zeit und Frequenz, kann der Spektralhüllkurvenvektor zu einer gegebenen Zeit dargestellt sein durch: e = [e(1), e(2), ..., e(M)]und der Grundrauschpegelvektor kann beschrieben werden gemäß: q = [q(1), q(2), ..., q(M)]
  • Hier werden die Energien und die Grundrauschdaten über die QMF-Filterbankbänder gemittelt, die durch einen Vektor beschrieben werden, v = [lsb, ..., usb],der die QMF-Bandeinträge von dem verwendeten untersten QMF-Band (lsb) zu dem höchsten (usb) enthält, dessen Länge M + 1 ist, und bei dem die Grenzen jedes Skalierfaktorbandes (in QMF-Bändern) gegeben sind durch:
    Figure 00250001
    wobei ll die untere Grenze und lu die obere Grenze des Skalierfaktorbandes n ist. Oben wurde der Grundrauschpegeldatenvektor q auf dieselbe Frequenzauflösung abgebildet wie die der Energiedaten e.
  • Wenn ein synthetischer Sinus in einem Filterbankkanal erzeugt wird, muss dies für alle Teilbandfilterbankkanäle berücksichtigt werden, die in diesem bestimmten Skalierfaktorband umfasst sind. Da dies die höchste Frequenzauflösung der Spektralhüllkurve in diesem Frequenzbereich ist. Wenn diese Frequenzauflösung auch zum Signalisieren der Frequenzposition der Spektrallinien verwendet wird, die aus der HFR fehlen und zu dem Ausgangssignal hinzugefügt werden müssen, kann die Erzeugung und Kompensation dieser synthe tischen Sinuskurven gemäß dem Nachfolgenden durchgeführt werden.
  • Zuerst müssen alle Teilbandkanäle innerhalb des aktuellen Skalierfaktorbandes eingestellt werden, sodass die Durchschnittsenergie für das Band bewahrt wird, gemäß:
    Figure 00260001
    wo ll und lu die Grenzen für das Skalierfaktorband sind, wo ein synthetischer Sinus hinzugefügt wird, xre und xim der echte und der imaginäre Teilbandabtastwert sind, l der Kanalindex ist und
    Figure 00260002
    der erforderliche Gewinneinstellfaktor ist, wobei n das aktuelle Skalierfaktorband ist. Es sollte hier erwähnt werden, dass die obige Gleichung für das Spektrallinien-/Bandpass-Signal des Filterbankkanals nicht gültig ist, in dem der Sinus platziert wird.
  • Es sollte hier darauf hingewiesen werden, dass die obige Gleichung nur gültig für die Kanäle in dem gegebenen Skalierfaktorband ist, das sich von llow bis lup erstreckt, mit Ausnahme des Bandpasssignals in dem Kanal mit der Zahl ls. Dieses Signal wird mit Hilfe der nachfolgenden Gleichungsgruppe behandelt.
  • Der Manipulierer 1210 führt die nachfolgende Gleichung für den Kanal mit der Kanalzahl ls durch, d. h. Modulieren des Bandpasssignals in dem Kanal ls mit Hilfe des komplexen Modulationssignals, das eine synthetische Sinuswelle darstellt. Zusätzlich dazu führt der Manipulierer 1210 ein Gewichten des Spektrallinienausgangssignals aus dem HFR-Block 1208 sowie das Bestimmen des Pegels des synthetischen Sinus durch, mit Hilfe des Synthetischer-Sinus-Einstellfaktors gsine. Daher ist die nachfolgende Gleichung nur für einen Filterbankkanal ls gültig, in den ein Sinus platziert wird.
  • Dementsprechend wird der Sinus in den QMF-Kanal ls platziert, wobei l1 ≤ ls < lu, gemäß:
    Figure 00270001
    wobei k der Modulationsvektorindex ist (0 ≤ k < 4) und
    Figure 00270002
    die konjugiert Komplexe für jeden anderen Kanal ist. Dies ist erforderlich, da jeder zweite Kanal in der QMF-Filterbank frequenzinvertiert ist. Der Modulationsvektor zum Platzieren eines Sinus in der Mitte eines komplexen Teilband-Filterbankbandes ist:
    Figure 00270003
    und der Pegel des synthetischen Sinus ist gegeben durch:
    Figure 00270004
  • Das oben Genannte ist angezeigt in 4–6, wo ein Spektrum des Originals in 4 angezeigt ist und die Spektren des Ausgangssignals mit und ohne das oben Genannte in 5–6 angezeigt sind. In 5 wird der Ton in dem 8 kHz-Bereich ersetzt durch Breitbandrauschen. In 6 wird ein Sinus in die Mitte des Skalierfaktorbandes in dem 8 kHz-Bereich eingefügt und die Energie für das gesamte Skalierfaktorband wird eingestellt, sodass es die korrekte Durchschnittsenergie für dieses Skalierfaktorband beibehält.
  • Praktische Implementierungen
  • Die vorliegende Erfindung kann sowohl in Hardwarechips als auch DSPs implementiert werden, für verschiedene Arten von Systemen, zur Speicherung oder Übertragung von Signalen, analog oder digital, unter Verwendung beliebiger Codecs. In 7 ist eine mögliche Codiererimplementierung der vorliegenden Erfindung angezeigt. Das analoge Eingangssignal wird in eine digitale Entsprechung 701 umgewandelt und zu dem Kerncodierer 702 sowie zu dem Parameterextraktionsmodul für die HFR 704 zugeführt. Eine Analyse wird durchgeführt 703, um zu bestimmen, welche Spektrallinien nach einer Hochfrequenzwiederherstellung in dem Decodierer fehlen. Diese Spektrallinien werden auf geeignete Weise codiert und in den Bitstrom zusammen mit dem Rest der codierten Daten 705 gemultiplext. 8 zeigt eine mögliche Decodiererimplementierung der vorliegenden Erfindung. Der Bitstrom wird gedemultiplext 801 und das Unterband wird durch den Kerndecodierer 803 decodiert, das Oberband wird unter Verwendung einer geeigneten HFR-Einheit 804 wiederhergestellt und die zusätzlichen Informationen auf den Spektrallinien, die fehlen, nachdem die HFR decodiert 805 und verwendet wurde, um die fehlenden Komponenten 806 zu regenerieren. Die Spektralhüllkurve des Oberbandes wird decodiert 802 und verwendet, um die spektrale Hüllkurve des wiederhergestellten Oberbandes 807 einzustellen. Das Unterband wird verzögert 808, um eine korrekte Zeitsynchronisierung mit dem wiederhergestellten Oberband sicherzustellen, und die zwei werden zusammenaddiert. Das digitale Breitbandsignal wird in ein analoges Breitbandsignal umgewandelt 809.
  • Abhängig von Implementierungsdetails können die erfinderischen Verfahren zum Decodieren oder Codieren in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speicherungsmedium stattfinden, insbesondere einer Platte, einer CD mit elektronisch lesbaren Steuerungssignalen, die mit einem programmierbaren Computersystem zusammenarbeiten können, sodass das entspre chende Verfahren ausgeführt wird. Im Allgemeinen bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zum Durchführen der erfinderischen Verfahren, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer läuft. Anders ausgedrückt ist die vorliegende Erfindung daher ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Durchführen des erfinderischen Verfahrens zum Codieren oder Decodieren, wenn das Computerprogramm auf einem Computer läuft.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die obige Beschreibung sich auf ein komplexes System bezieht. Die erfinderische Decodiererimplementierung funktioniert jedoch ebenfalls in einem Echtwertsystem. In diesem Fall umfassen die Gleichungen, die durch den Manipulierer 1210 durchgeführt werden, nur die Gleichungen für den Echtteil.

Claims (30)

  1. Codierer zum Codieren eines Audiosignals, um ein codiertes Signal zu erhalten, wobei das codierte Signal zum Decodieren unter Verwendung einer Hochfrequenz-Regenerationstechnik vorgesehen ist, die geeignet ist zum Erzeugen von Frequenzkomponenten über einer vorbestimmten Frequenz basierend auf Frequenzkomponenten unter der vorbestimmten Frequenz, wobei der Codierer folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung (702) zum Liefern eines codierten Eingangssignals, das eine codierte Darstellung eines Eingangssignals ist, wobei das Eingangssignal unter Verwendung eines Codierungsalgorithmus codiert wird, und einen Frequenzinhalt des Audiosignals unter der vorbestimmten Frequenz darstellt; einen Hochfrequenzregnerator (703c) zum Durchführen der Hochfrequenz-Regenerationstechnik an dem Eingangssignal oder einer codierten und decodierten Version desselben, um ein regeneriertes Signal zu erhalten, das Frequenzkomponenten über der vorbestimmten Frequenz aufweist; einen Detektor zum Erfassen (703a) von Differenzen zwischen dem regenerierten Signal und dem Audiosignal, die über einer Signifikanzschwelle sind; einen Beschreiber zum Beschreiben (703b) von erfassten Differenzen, um zusätzliche Informationen zu erhalten; und einen Kombinierer (705) zum Kombinieren des codierten Eingangssignals und der zusätzlichen Informationen, um das codierte Signal zu erzeugen.
  2. Codierer gemäß Anspruch 1, bei dem die erfassten Differenzen Spektrallinien in dem Audiosignal sind, die in dem regenerierten Signal nicht umfasst sind.
  3. Codierer gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die vorbestimmte Frequenz eine Überkreuzungsfrequenz ist, die eine Frequenz bestimmt, bis zu der das Eingangssignal durch den Codierungsalgorithmus codiert ist.
  4. Codierer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Detektor (703a) zum Verwenden einer Mehrzahl von Frequenzbändern für das regenerierte Signal und das Audiosignal angeordnet ist, wobei die Differenzen basierend auf Frequenzbändern des regenerierten Signals und denselben Frequenzbändern des Audiosignals erfasst werden.
  5. Codierer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Detektor (703a) und/oder der Hochfrequenzregnerator einen Zeitbereich-zu-Frequenzbereich-Wandler umfassen.
  6. Codierer gemäß Anspruch 5, bei dem der Zeitbereich-zu-Frequenzbereich-Wandler eine Transformation oder eine Filterbank ist.
  7. Codierer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Detektor (703) folgende Merkmale aufweist: einen Prädiktor zum Durchführen von Voraussagen über das regenerierte Signal und das Audiosignal; und einen Detektor zum Erfassen einer Differenz bei Vorhersageverstärkungen, die durch den Prädiktor erhalten werden, die größer sind als eine Verstärkungsschwelle, die die Signifikanzschwelle bildet.
  8. Codierer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Detektor (703a) zum Erfassen einer Differenz bei den absoluten Spektren des Audiosignals und des regenerierten Signals angeordnet ist, die über der vorbestimmten Differenzschwelle ist, die die Signifikanzschwelle bildet.
  9. Codierer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Detektor (703a) zum Erfassen zum Bestimmen eines frequenzabhängigen Tonalitätsmaßes für das Audiosignal und das regenerierte Signal angeordnet ist, wobei ein Frequenzband erfasst wird, bei dem die Tonalitätsmaße um mehr als eine Schwellendifferenz abweichen, die die Signifikanzschwelle bildet.
  10. Codierer gemäß Anspruch 9, bei dem das Tonalitätsmaß ein Tonal-zu-Rauschen-Verhältnis ist.
  11. Codierer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Audiosignal ein einzelnes Audiosignal ist, das unter Verwendung einer Abtastfrequenz abgetastet wird; bei dem die vorbestimmte Frequenz niedriger ist als die Hälfte des Werts der Abtastfrequenz; bei dem der Detektor (703a) angeordnet ist zum Bestimmen einer Differenz für ein spezifisches Frequenzband über dem vorbestimmten Frequenzband, wobei eine Mittenfrequenz des spezifischen Frequenzbandes niedriger ist als die Hälfte des Werts der Abtastfrequenz, wobei der Codierer ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Steuerung (910) zum Steuern eines Codierers, der das codierte Eingangssignal erzeugt, um zusätzlich das Audiosignal im Hinblick auf das spezifische Frequenzband gemäß dem Codierungsalgorithmus zu codieren, um die bestimmte Differenz zu beschreiben, wobei ein Ausgangssignal des Codierers (702) für das spezifische Frequenzband als die zusätzlichen Informationen dient.
  12. Codierer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Beschreiber (703b) ein Bandpassfilter zum Bandpassfiltern des Audiosignals umfasst, wobei das Bandpassfilter auf ein spezifisches Frequenzband eingestellt ist, das eine erfasste Differenz umfasst, und wobei der Beschreiber (703b) einen Codierer zum Codieren eines Ausgangssignals des Bandpassfilters umfasst, um das zusätzliche Signal zu erhalten, wobei der Codierer einen Codierungsalgorithmus verwendet, der sich von dem Codierungsalgorithmus unterscheidet, mit dem das codierte Eingangssignal codiert wird.
  13. Codierer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Detektor zum Erfassen von Differenzen zum Erfassen von Spektrallinien angeordnet ist, und bei dem der Beschreiber zum Erzeugen von Informationen über die Frequenzposition der erfassten Spektrallinie angeordnet ist.
  14. Codierer gemäß Anspruch 13, bei dem die Informationen über die Frequenzposition einen Vektor umfassen, der anzeigt, für ein Skalierfaktorband, ob eine Spektrallinie in dem spezifischen Skalierfaktorband hinzugefügt werden muss, wenn das codierte Signal decodiert wird.
  15. Codierer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Audiosignal rahmenweise verarbeitet wird, und bei dem die bestimmte Frequenz von Rahmen zu Rahmen variabel ist.
  16. Codierer gemäß Anspruch 15, bei dem der Differenzdetektor (703a) ferner eine Überkreuzungsfrequenzsteuerung aufweist, zum Variieren der vorbestimmten Frequenz basierend auf einer erfassten Differenz.
  17. Codierer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die HFR-Technik angeordnet ist, um Spektralwerte über der vorbestimmten Frequenz aus Spektralwerten unter der vorbestimmten Frequenz zu erzeugen.
  18. Codierer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die HFR-Technik angeordnet ist, um eine Gruppe von Spektralwerten oder Bandpasssignalen, die sich auf aufeinanderfolgende Frequenzen beziehen, zu einer Gruppe von Spektralwerten oder Bandpasssignalen über der vorbestimmten Frequenz zu transponieren, die aufeinanderfolgenden Frequenzen entsprechen.
  19. Codierer gemäß Anspruch 17 oder 18, der ferner einen Spektral-Hüllekurven-Schätzer (704) zum Bestimmen einer spektralen Hüllkurve des Audiosignals aufweist, wobei sich die spektrale Hüllkurve auf ein spektrales Teil des Audiosignals über der vorbestimmten Frequenz bezieht.
  20. Codierer gemäß Anspruch 19, bei dem die spektralen Hüllkurvendaten eine Anzahl von Hüllkurvendatenpunkten umfassen, die geringer ist als eine Anzahl von Spektralwerten, wobei ein Datenpunkt für ein Skalierfaktorband vorgesehen ist.
  21. Codierer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Spektralkomponenten komplexe Transformationskoeffizienten oder komplexe Bandpasssignale sind.
  22. Decodierer zum Decodieren eines codierten Signals, wobei das codierte Signal ein codiertes Eingangssignal umfasst, das einen Frequenzinhalt eines Originalaudiosignals unter einer vorbestimmten Frequenz darstellt, wobei die Codierung unter Verwendung eines Codierungsalgorithmus und zusätzlicher Informationen durchgeführt wird, die erfasste Differenzen zwischen einem regenerierten Signal und dem Originalaudiosignal beschreiben, wobei das regenerierte Signal durch eine Hochfrequenz-Regenerierungstechnik aus dem Eingangssignal oder einer codierten und decodierten Version desselben erzeugt wird, wobei der Decodierer folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung (803) zum Erhalten eines decodierten Eingangssignals, das durch Decodieren des codierten Eingangssignals gemäß dem Codierungsalgorithmus erzeugt wird; einen Rekonstruierer (805) zur Rekonstruktion von erfassten Differenzen basierend auf den zusätzlichen Informationen; einen Hochfrequenzregenerator (804) zum Durchführen einer Hochfrequenz-Regenerationstechnik ähnlich zu der Hochfrequenz-Regenerationstechnik zum Erhalten der erfassten Differenzen, um das regenerierte Signal zu erhalten; einen Erzeuger (806, 807) zum Erzeugen eines regenerierten Hochfrequenz-Audiosignals basierend auf dem decodierten Eingangssignal, den rekonstruierten Differenzen und dem regenerierten Signal.
  23. Decodierer gemäß Anspruch 22, bei dem eine erfasste Differenz Spektrallinien in einer spezifizierten Fre quenzregion umfasst und sich die zusätzlichen Informationen auf die spezifische Frequenzregion beziehen, wobei der Rekonstruierer (805) angeordnet ist zum Erzeugen einer Spektrallinie in der spezifizierten Region ansprechend auf die zusätzlichen Informationen.
  24. Decodierer gemäß Anspruch 22 oder 23, bei dem die zusätzlichen Informationen ein Skalierfaktorband spezifizieren, in dem eine Spektrallinie rekonstruiert werden soll, bei dem das codierte Signal ferner Spektralhüllkurvendaten aufweist zum Beschreiben eines spektralen Abschnitts des Audiosignals über der vorbestimmten Frequenz, bei dem der Erzeuger (806, 807) zum Erzeugen einer Spektrallinie in dem Skalierfaktorband angeordnet ist, und bei dem der Erzeuger (806, 807) ferner zum Einstellen von Spektrallinien in dem Skalierfaktorband angeordnet ist, so dass eine gegebene Energie für das Skalierfaktorband, das die erzeugte Spektrallinie umfasst, beibehalten wird.
  25. Decodierer gemäß einem der Ansprüche 22 bis 24, bei dem der Hochfrequenzregenerator (804) eine Synthesefilterbank (1203) mit Synthesefilterbankkanälen umfasst, wobei ein Skalierfaktorband mehr als einen Filterbankkanal umfasst, bei dem das codierte Signal ferner einen Spektralhüllkurvenvektor und einen Rauschbodenpegelvektor umfasst, und bei dem der Rekonstruierer (805) angeordnet ist zum Berechnen eines Pegels der rekonstruierten Spektrallinie basierend auf dem Spektralhüllkurvenvektor.
  26. Decodierer gemäß Anspruch 25, bei dem der Erzeuger (806, 807) zum Bestimmen von Bandpasssignalen für Filterbankkanäle angeordnet ist, in die kein Sinus eingefügt werden soll, in einem Skalierfaktorband gemäß der nachfolgenden Gleichung
    Figure 00370001
    wobei l eine Filterbankkanalnummer ist, wobei ll die niedrigste Filterbankkanalnummer für das Skalierfaktorband ist, wobei lu der höchste Filterbankkanal für das Skalierfaktorband ist, wobei xre der echte Teil eines Bandpasssignalabtastwerts ist, ausgegeben durch den HFR-Block (804), wobei xim ein imaginärer Teil des Bandpasssignalabtastwerts ist, ausgegeben durch den HFR-Block (804), wobei yre und yim der echte Teil und der imaginäre Teil eines eingestellten Bandpasssignals für einen Filterbankkanal sind, und wobei ghfr ein Gewinneinstellfaktor ist, hergeleitet aus dem Rauschbodenpegelvektor.
  27. Decodierer gemäß Anspruch 25 oder 26, bei dem der Rekonstruierer (805) zum Bestimmen eines bestimmten Skalierfaktorbandes ls angeordnet ist, in das ein synthetischer Sinus eingefügt werden soll, und bei dem eine Ebene eines synthetischen Sinus, der eingefügt werden soll, wie folgt definiert ist:
    Figure 00370002
    wobei n eine Nummer des gegebenen Skalierfaktorbandes ist und e der Spektralhüllkurvenvektor ist, und wobei der Erzeuger zum Bestimmen eines Bandpasssignals für den Kanal angeordnet ist, in dem der synthetische Sinus gemäß der nachfolgenden Gleichung platziert werden soll:
    Figure 00380001
    wobei ls eine Filterbankkanalnummer ist, in die ein Sinus eingefügt werden soll, wobei ll die niedrigste Filterbankkanalnummer für das Skalierfaktorband ist, wobei lu der höchste Filterbankkanal für das Skalierfaktorband ist, wobei xre der echte Teil eines Bandpasssignalabtastwerts ist, ausgegeben durch den HFR-Block (804), wobei xim ein imaginärer Teil des Bandpasssignalabtastwerts ist, ausgegeben durch den HFR-Block (804), und wobei yre und yim der echte Teil und der imaginäre Teil eines eingestellten Bandpasssignals für einen Filterbankkanal sind, und wobei ghfr ein Gewinneinstellfaktor ist, hergeleitet aus dem Rauschbodenpegelvektor, wobei φre und φim einen komplexen Modulationsvektor zum Platzieren eines Sinus in ein Bandpasssignal bilden, und wobei k ein Modulationsvektorindex im Bereich zwischen 0 und 4 ist.
  28. Verfahren zum Codieren eines Audiosignals, um ein codiertes Signal zu erhalten, wobei das codierte Signal zum Decodieren unter Verwendung einer Hochfrequenz-Regenerationstechnik vorgesehen ist, die geeignet ist zum Erzeugen von Frequenzkomponenten über einer vorbestimmten Frequenz basierend auf Frequenzkomponenten unter der vorbestimmten Frequenz, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Liefern eines codierten Eingangssignals, das eine codierte Darstellung eines Eingangssignals ist, wobei das Eingangssignal unter Verwendung eines Codierungsalgorithmus codiert ist und einen Frequenzinhalt des Audiosignals unter der vorbestimmten Frequenz darstellt; Durchführen der Hochfrequenzregenerationstechnik an dem Eingangssignal oder einer codierten und decodierten Version desselben, um ein regeneriertes Signal mit Frequenzkomponenten über der vorbestimmten Frequenz zu erhalten; Erfassen (703a) von Differenzen zwischen dem regenerierten Signal und dem Audiosignal, die über einer Signifikanzschwelle sind; Beschreiben (703b) von erfassten Differenzen, um zusätzliche Informationen zu erhalten; und Kombinieren des codierten Eingangssignals und der zusätzlichen Informationen, um das codierte Signal zu erzeugen.
  29. Verfahren zum Decodieren eines codierten Signals, wobei das codierte Signal ein codiertes Eingangssignal umfasst, das einen Frequenzinhalt eines Originalaudiosignals unter einer vorbestimmten Frequenz darstellt, wobei das Codieren unter Verwendung eines Codierungsalgorithmus durchgeführt wird, und wobei zusätzliche Informationen erfasste Differenzen zwischen einem regenerierten Signal und dem Originalaudiosignal beschreiben, wobei das regenerierte Signal durch eine Hochfrequenz-Regenerationstechnik aus dem Eingangssignal oder einer codierten und decodierten Version des selben erzeugt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erhalten eines decodierten Eingangssignals, das durch Decodieren des codierten Eingangssignals gemäß dem Codierungsalgorithmus erzeugt wird; Rekonstruieren der erfassten Differenz basierend auf den zusätzlichen Informationen; Durchführen einer Hochfrequenz-Regenerationstechnik ähnlich zu der Hochfrequenz-Regenerationstechnik zum Erhalten der erfassten Differenzen, um das regenerierte Signal zu erhalten; Erzeugen eines regenerierten Hochfrequenz-Audiosignals basierend auf dem decodierten Eingangssignal, den rekonstruierten Differenzen und dem regenerierten Signal.
  30. Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens zum Codieren gemäß Anspruch 21 oder des Verfahrens zum Codieren gemäß Anspruch 22, wenn das Computerprogramm auf einem Computer läuft.
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