EP3103116B1 - Extension ameliorée de bande de fréquence dans un décodeur de signaux audiofréquences - Google Patents

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EP3103116B1
EP3103116B1 EP15705687.0A EP15705687A EP3103116B1 EP 3103116 B1 EP3103116 B1 EP 3103116B1 EP 15705687 A EP15705687 A EP 15705687A EP 3103116 B1 EP3103116 B1 EP 3103116B1
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extension
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    • G10L21/02—Speech enhancement, e.g. noise reduction or echo cancellation

Definitions

  • the present invention relates to the field of coding / decoding and processing of audio-frequency signals (such as speech, music or other signals) for their transmission or their storage.
  • audio-frequency signals such as speech, music or other signals
  • the invention relates to a method and a frequency band extension device in a decoder or a processor performing an audio-frequency signal improvement.
  • Classical coding methods for conversational applications are generally classified into waveform coding (PCM for "Pulse Modulation and Coding", ADPCM for “Pulse Modulation and Adaptive Differential Coding", transform coding, etc.) , parametric coding (LPC for "Linear Predictive Coding” in English, sinusoidal coding 7) and hybrid parametric coding with a quantization of the parameters by "analysis by synthesis” including CELP coding (for "Code Excited Linear Prediction” in English) is the best known example.
  • the limitation of the coded band of the AMR-WB codec to 7kHz is essentially linked to the fact that the transmission frequency response of the wideband terminals was approximated at the time of standardization (ETSI / 3GPP then UIT- T) according to the frequency mask defined in standard ITU-T P.341 and more precisely by using a so-called "P341" filter defined in standard ITU-T G.191 which cuts frequencies above 7 kHz (this filter respects the mask defined in P.341).
  • the 3GPP AMR-WB speech codec was standardized in 2001 primarily for circuit mode (CS) telephony applications over GSM (2G) and UMTS (3G). This same codec was also standardized in 2003 at the ITU-T as recommendation G.722.2 "Wideband coding speech at around 16kbit / s using Adaptive Multi-Rate Wideband (AMR-WB)".
  • the principle of band extension in the AMR-WB codec is quite rudimentary. Indeed, the high band (6.4-7 kHz) is generated by shaping a white noise through a temporal envelope (applied in the form of gains per subframe) and frequency (by the application of a linear prediction synthesis filter or LPC for "Linear Predictive Coding").
  • This tape extension technique is illustrated in figure 1 .
  • correction information is transmitted by the AMR-WB encoder and decoded (blocks 107, 108) in order to refine the estimated gain per subframe (4 bits every 5ms, i.e. 0.8 kbit / s) .
  • the AMR-WB decoding algorithm was improved in part with the development of the scalable ITU-T G.718 codec which was standardized in 2008.
  • the ITU-T G.718 standard includes a so-called interoperable mode, for which the core coding is compatible with the G.722.2 (AMR-WB) coding at 12.65 kbit / s; moreover, the G.718 decoder has the particularity of being able to decode an AMR-WB / G.722.2 bit stream at all the possible bit rates of the AMR-WB codec (from 6.6 to 23.85 kbit / s).
  • the interoperable G.718 decoder in low delay mode (G.718-LD) is illustrated on figure 2 .
  • the band extension (described for example in clause 7.13.1 of recommendation G.718, block 206) is identical to that of the AMR-WB decoder, except that the 6-7 kHz bandpass filter and the synthesis 1 / AHB (z) (blocks 111 and 112) are in reverse order.
  • the 4 bits transmitted by sub-frames by the AMR-WB encoder are not used in the interoperable G.718 decoder; the synthesis of high frequencies (HF) at 23.85 kbit / s is therefore identical to 23.05 kbit / s which avoids the known problem of quality of AMR-WB decoding at 23.85 kbit / s.
  • HF high frequencies
  • the 7 kHz low-pass filter (block 113) is not used, and the specific decoding of the 23.85 kbit / s mode is omitted (blocks 107 to 109).
  • a 16 kHz synthesis post-processing (see clause 7.14 of G.718) is implemented in G.718 by "noise gate” in block 208 (to “improve” the quality of the silences by reducing the level) , high-pass filtering (block 209), low-frequency post-filter (called “ bass posfilter ”) in block 210 attenuating inter-harmonic noise at low frequencies and conversion to 16-bit integers with saturation control (with control gain or AGC) in block 211.
  • band extension in the AMR-WB and / or G.718 codecs is still limited in several aspects.
  • the synthesis of high frequencies by shaped white noise is a very limited model of the signal in the band of frequencies above 6.4 kHz.
  • ABET Audio Bandwidth Extension Toolkit
  • ASR Accurate Spectral Replacement
  • FSSM Fractal Self Similarity Model
  • MBTAC Multi-Band Temporal Amplitude Amplitude Coding. Coding
  • the present invention improves the situation.
  • the invention proposes a method for extending the frequency band of an audio-frequency signal during a decoding or improvement process comprising a step of obtaining the decoded signal in a first frequency band called the low band.
  • the method is as it comprises the steps of claim 1.
  • band extension will be taken in the broad sense and will include not only the case of the extension of a sub-band at high frequencies but also the case of a replacement of sub-bands placed. to zero (of the “noise filling” type in transform coding).
  • both the taking into account of tonal components and of a surround signal extracted from the signal resulting from the decoding of the low band makes it possible to carry out the band extension with a signal model adapted to the true nature of the sound. signal unlike the use of artificial noise.
  • the quality of the band extension is thus improved and in particular for certain types of signals such as music signals.
  • the decoded signal in the low band includes a part corresponding to the sound environment which can be transposed to high frequency so that a mixing of the harmonic components and the existing environment makes it possible to ensure a reconstructed high band. consistent.
  • the band extension is performed in the field of excitation and the decoded low band signal is a decoded low band excitation signal.
  • the advantage of this embodiment is that a transformation without windowing (or equivalently with an implicit rectangular window of the length of the frame) is possible in the field of the excitation. In this case no artifact (block effects) is then audible.
  • this control factor allows the combining step to adapt to the characteristics of the signal to optimize the relative proportion of surround signal in the mixture.
  • the energy level is thus controlled so as to avoid audible artifacts.
  • the decoded low-band signal undergoes a step of decomposition into sub-bands by transform or by bank of filters, the extraction and combination steps then being carried out in the frequency domain or in sub-bands.
  • the implementation of the band extension in the frequency domain makes it possible to obtain a precision of frequency analysis which is not available with a temporal approach, and also makes it possible to have a frequency resolution sufficient to detect the tonal components. .
  • this function includes a resampling of the signal by adding samples to the spectrum of this signal.
  • Other ways of extending the signal are however possible, for example by translation in a sub-band processing.
  • the present invention also relates to a device for extending the frequency band of an audiofrequency signal, the signal having been decoded in a first frequency band called the low band.
  • the device is such that it comprises the characteristics of claim 6.
  • This device has the same advantages as the method described above, which it implements.
  • the invention relates to a decoder comprising a device as described.
  • the invention relates to a storage medium, readable by a processor, integrated or not into the tape extension device, possibly removable, storing a computer program implementing a tape extension method as described above.
  • the figure 3 illustrates an example of a decoder, compatible with the AMR-WB / G.722.2 standard in which there is a post-processing similar to that introduced in G.718 and described with reference to figure 2 and an improved tape extension according to the extension method of the invention, implemented by the tape extension device illustrated by block 309.
  • CELP decoding (BF for low frequencies) always operates at the internal frequency of 12.8 kHz, as in AMR-WB and G.718, and the band extension (HF for high frequencies) which is the subject of the invention operates at the frequency of 16 kHz, the LF and HF syntheses are combined (block 312) at the frequency fs after adequate resampling (blocks 307 and 311).
  • the combination of the low and high bands can be done at 16 kHz, after having resampled the low band from 12.8 to 16 kHz, before resampling the combined signal at the frequency fs .
  • This example of a decoder operates in the field of excitation and therefore comprises a step of decoding the low band excitation signal.
  • the band extension device and the band extension method within the meaning of the invention also operate in a field different from the field of excitation and in particular with a direct signal decoded in low band or a signal weighted by a filter. perceptual.
  • the decoder described allows the decoded low band to be extended (50-6400 Hz taking into account the high-pass filtering at 50 Hz at the decoder, 0-6400 Hz in the general case ) to an extended band whose width varies, ranging from approximately 50-6900 Hz to 50-7700 Hz depending on the mode implemented in the current frame.
  • the excitation for the high frequencies is generated in the frequency domain in a band from 5000 to 8000 Hz, to allow band-pass filtering of width 6000 to 6900 or 7700 Hz, the slope of which is not too steep in the upper rejected band.
  • the high band synthesis part is carried out in block 309 representing the band extension device according to the invention and which is detailed at figure 5 in one embodiment.
  • a delay (block 310) is introduced to synchronize the outputs of blocks 306 and 309 and the high band synthesized at 16 kHz is resampled from 16 kHz to the frequency fs (output of block 311).
  • the extension method of the invention implemented in block 309 according to the first embodiment preferentially does not introduce any additional delay with respect to the low band reconstructed at 12.8 kHz; however, in variants of the invention (for example using a time / frequency transformation with overlap), a delay may be introduced.
  • the low and high bands are then combined (added) in block 312 and the synthesis obtained is post-processed by high-pass filtering at 50 Hz (IIR type) of order 2, the coefficients of which depend on the frequency fs (block 313) and output post-processing with optional application of the "noise gate” similar to G.718 (block 314).
  • the band extension device according to the invention illustrated by the block 309 according to the embodiment of the decoder of the figure 5 , implements a band extension method (in the broad sense) described now with reference to figure 4 .
  • This extension device can also be independent of the decoder and can implement the method described in figure 4 to perform a band extension of an existing audio signal stored or transmitted to the device, with an analysis of the audio signal to extract, for example, an excitation and an LPC filter.
  • This device receives as input a decoded signal in a first frequency band called the low band u ( n ) which may be in the field of excitation or in that of the signal.
  • a step of decomposition into sub-bands (E401b) by time-frequency transform or bank of filters is applied to the decoded low-band signal to obtain the spectrum of the decoded low-band signal U ( k ) for a setting. implemented in the frequency domain.
  • a step E401a of extending the low-band decoded signal into a second frequency band greater than the first frequency band, to obtain an extended low-band decoded signal U HB 1 ( k ), can be performed on this decoded low-band signal before or after the analysis step (decomposition into sub-bands).
  • This extension step can include both a resampling step and an extension step or simply a frequency translation or transposition step as a function of the signal obtained at the input. It will be noted that in variants, step E401a could be carried out at the end of the processing described in figure 4 ,, that is to say on the combined signal, this processing then being mainly carried out on the low band signal before extension, the result being equivalent.
  • a step E402 of extracting a surround signal ( U HBA ( k )) and tonal components (y (k)) is performed from the decoded ( U ( k )) or decoded and extended ( U HB 1 ( k )) .
  • the ambience is defined here as the residual signal which is obtained by removing the main (or dominant) harmonics (or tonal components) from the existing signal.
  • the high band (> 6 kHz) contains surround information which is generally similar to that present in the low band.
  • step E403 The tonal components and the surround signal are then adaptively combined using energy level control factors in step E403 to obtain a so-called combined signal ( U HB2 ( k )).
  • the extension step E401a can then be implemented if it has not already been performed on the decoded low band signal.
  • the combination of these two types of signals makes it possible to obtain a combined signal with characteristics more suited to certain types of signals such as musical signals and richer in frequency content and in the extended frequency band corresponding to the entire frequency band. frequency including the first and the second frequency band.
  • the band extension according to the method improves the quality for this type of signals compared to the extension described in the AMR-WB standard.
  • a synthesis step which corresponds to the analysis in 401b, is performed in E404b to bring the signal back into the time domain.
  • a step of adjusting the energy level of the high band signal can be carried out in E404a, before and / or after the synthesis step, by applying a gain and / or by suitable filtering. This step will be explained in more detail in the embodiment described in section figure 5 for blocks 501 to 507.
  • the tape extender 500 is now described with reference to figure 5 illustrating both this device but also processing modules suitable for implementation in a decoder of the interoperable type with AMR-WB coding.
  • This device 500 implements the band extension method described above with reference to the figure 4 .
  • the processing block 510 receives a decoded low band signal ( u ( n )).
  • the band extension uses the excitation decoded at 12.8 kHz (exc2 or u ( n )) at the output of block 302 of the figure 3 .
  • This signal is broken down into frequency sub-bands by the sub-band decomposition module 510 (which implements step E401b of the figure 4 ) which generally performs a transform or applies a bank of filters, to obtain a decomposition into sub-bands U (k) of the signal u ( n ) .
  • a transformation without windowing (or equivalently with an implicit rectangular window of the length of the frame) is possible when the processing is carried out in the domain of the excitation, and not the domain of the signal. In this case, no artifact (block effects) is audible, which constitutes an important advantage of this embodiment of the invention.
  • the DCT-IV transformation is implemented by FFT according to the so-called “Evolved DCT (EDCT)” algorithm described in the article by DM Zhang, HT Li, A Low Complexity Transform - Evolved DCT, IEEE 14th International Conference on Computational Science and Engineering (CSE), Aug. 2011, pp. 144-149 , and implemented in ITU-T G.718 Annex B and G.729.1 Annex E.
  • EDCT Evolved DCT
  • the DCT-IV transformation can be replaced by other short-term time-frequency transformations of the same length and in the field of excitation or in the field of the signal, like an FFT (for "Fast Fourier Transform” in English ) or a DCT-II ( Discrete Cosine Transform - Type II).
  • FFT Fast Fourier Transform
  • DCT-II Discrete Cosine Transform - Type II
  • MDCT for "Modified Discrete Cosine Tranform” in English
  • the delay T in the block 310 of the figure 3 should be adjusted (reduced) adequately as a function of the additional delay due to the analysis / synthesis by this transform.
  • the decomposition into sub-bands is carried out by applying a bank of filters, for example of the real or complex PQMF (Pseudo-QMF) type.
  • a bank of filters for example of the real or complex PQMF (Pseudo-QMF) type.
  • PQMF Pseudo-QMF
  • the preferred embodiment in the invention can be applied by performing for example a transform of each sub-band and by calculating the ambient signal in the domain of absolute values, the tonal components always being obtained by difference between the signal (in absolute value) and the surround signal.
  • the complex modulus of the samples will replace the absolute value.
  • the invention will be applied in a system using two sub-bands, the low band being analyzed by transform or by bank of filters.
  • Block 511 implements step E401a of figure 4 , that is to say the extension of the decoded low band signal.
  • the original spectrum is preserved, in order to be able to apply a progressive attenuation response of the high-pass filter to it in this frequency band and also not to introduce audible defects. during the step of adding the low frequency synthesis to the high frequency synthesis.
  • the generation of the oversampled extended spectrum is carried out in a frequency band ranging from 5 to 8 kHz therefore including a second frequency band (6.4-8 kHz) greater than the first frequency band. (0-6.4 kHz).
  • the extension of the decoded low band signal takes place at least over the second frequency band but also over part of the first frequency band.
  • the 6000-8000 Hz band of U HB 1 ( k ) is defined here by copying the 4000-6000 Hz band of U (k) since the value of start_band is preferably set at 160.
  • start_band could be made adaptive around the value of 160, without modifying the nature of the invention.
  • the details of the adaptation of the start_band value are not described here because they go beyond the scope of the invention without changing its scope.
  • the high band (> 6 kHz) contains surround information which is naturally similar to that present in the low band.
  • the ambience is defined here as the residual signal which is obtained by removing the main (or dominant) harmonics from the existing signal. Harmonicity level in the 6000-8000 Hz band generally correlates with that of the lower frequency bands.
  • This decoded and extended low-band signal is supplied at the input of the extension device 500 and in particular at the input of the module 512.
  • the block 512 for extracting tonal components and a surround signal implements the step E402 of the figure 4 in the frequency domain.
  • this ambient signal can be extracted from a low frequency signal or possibly another frequency band (or several frequency bands). The detection of peaks or tonal components can be done differently. The extraction of this ambient signal could also be done on the decoded excitation but not extended, that is to say before the step of spectral extension or translation, that is to say for example on a portion of the low frequency signal rather than directly on the high frequency signal.
  • the absolute value of the spectral values will be replaced, for example the square of the spectral values, without changing the principle of the invention; in this case a square root will be necessary to return to the signal domain, which is more complex to achieve.
  • the combining module 513 performs a combining step by adaptive mixing of the surround signal and the tonal components.
  • an energy level control factor is calculated based on the total energy of the decoded (or decoded and extended) low band signal and tonal components.
  • ⁇ makes it possible to avoid an overestimation of the energy.
  • ⁇ is calculated so as to keep the same level of the ambient signal with respect to the energy of the tonal components in the consecutive bands of the signal.
  • N ( k 1 , k 2 ) is the set of indices k for which the coefficient of index k is classified as being associated with the tonal components. This set can be for example obtained by detecting the local peaks in U ' ( k ) verifying
  • the calculation of ⁇ may be replaced by other methods.
  • we can extract (calculate) various parameters (or “features” in English) characterizing the signal in low band, including a “tilt” parameter similar to that calculated in the AMR-WB codec, and we will estimate the postman ⁇ as a function of a linear regression from these different parameters by limiting its value between 0 and 1.
  • the linear regression can for example be estimated in a supervised way by estimating the factor ⁇ by giving the original high band in a base d 'learning. It will be noted that the method of calculating ⁇ does not limit the nature of the invention.
  • ⁇ and ⁇ are possible within the framework of the invention.
  • the block 501 in a particular embodiment optionally performs a double operation of applying the band-pass filter frequency response and de-emphasis (or de-emphasis) filtering ) in the frequency domain.
  • the de-emphasis filtering can be carried out in the time domain, after block 502 or even before block 510; however, in this case, the bandpass filtering performed in block 501 may leave some low frequency components of very low levels which are amplified by de-emphasis, which may slightly noticeably alter the decoded low band. For this reason, it is preferred here to carry out the de-emphasis in the frequency domain.
  • ⁇ k can be adjusted (for example for even frequencies).
  • the HF synthesis is not de-emphasized.
  • the high-frequency signal is on the contrary de-emphasized so as to bring it back into a domain coherent with the low-frequency signal (0-6.4 kHz) which leaves block 305 of the figure 3 . This is important for the estimation and subsequent adjustment of the energy of the HF synthesis.
  • the de-emphasis may be performed in an equivalent manner in the time domain after reverse DCT.
  • bandpass filtering is applied with two separate parts: one fixed high pass, the other adaptive low pass (rate dependent).
  • This filtering is performed in the frequency domain.
  • the band-pass filtering can be adapted by defining a single filtering step combining the high-pass and low-pass filtering.
  • the band-pass filtering could be performed in an equivalent manner in the time domain (as in block 112 of the figure 1 ) with different filter coefficients depending on the flow, after a reverse DCT step.
  • it is advantageous to carry out this step directly in the frequency domain because the filtering is carried out in the domain of the LPC excitation and therefore the problems of circular convolution and of edge effects are very limited in this domain. .
  • the block 502 carries out the synthesis corresponding to the analysis carried out in the block 510.
  • the signal sampled at 16 kHz is then optionally scaled by gains defined by subframe of 80 samples (block 504).
  • block 503 differs from that of block 101 of figure 1 , because the energy at the level of the current frame is taken into account in addition to that of the sub-frame. This makes it possible to have the ratio of the energy of each sub-frame compared to the energy of the frame. We therefore compare energy ratios (or relative energies) rather than absolute energies between low band and high band.
  • this scaling step makes it possible to keep the energy ratio between the sub-frame and the frame in the high band in the same way as in the low band.
  • Blocks 505 and 506 are useful for adjusting the level of the LPC synthesis filter (block 507), here as a function of the tilt of the signal. Other methods of calculating the gain g HB 2 ( m ) are possible without changing the nature of the invention.
  • this filtering could be carried out in the same way as what is described for block 111 of the figure 1 of the AMR-WB decoder, however, the order of the filter changes to 20 at the rate of 6.6, which does not significantly change the quality of the synthesized signal.
  • the LPC synthesis filtering could be carried out in the frequency domain, after having calculated the frequency response of the filter implemented in the block 507.
  • the encoding of the low band (0-6.4 kHz) could be replaced by a CELP encoder other than that used in AMR-WB, such as for example the CELP encoder in G.718 to 8 kbit / s.
  • a CELP encoder other than that used in AMR-WB, such as for example the CELP encoder in G.718 to 8 kbit / s.
  • other wideband encoders or encoders operating at frequencies above 16 kHz in which the low band encoding operates at an internal frequency of 12.8 kHz could be used.
  • the invention can obviously be adapted to sampling frequencies other than 12.8 kHz, when a low frequency encoder operates at a sampling frequency lower than that of the original or reconstructed signal.
  • the low-band decoding does not use linear prediction, there is no excitation signal to extend, in this case an LPC analysis of the signal reconstructed in the current frame can be performed and an LPC excitation will be calculated. so as to be able to apply the invention
  • the excitation or the low band signal ( u ( n )) is resampled, for example by linear interpolation or cubic "spline", of 12.8 to 16 kHz before transformation (for example DCT-IV) of length 320.
  • This variant has the drawback of being more complex, because the transform (DCT-IV) of the excitation or of the signal is then calculated on a larger length and resampling is not performed in the transform domain.
  • the figure 6 shows an exemplary hardware embodiment of a tape extension device 600 according to the invention. This can be an integral part of an audio-frequency signal decoder or of equipment receiving audio-frequency signals, whether or not decoded.
  • This type of device comprises a processor PROC cooperating with a memory block BM comprising a storage and / or working memory MEM.
  • a device comprises an input module E capable of receiving a decoded or extracted audio signal in a first frequency band called the low band brought back to the frequency domain ( U ( k )) . It comprises an output module S capable of transmitting the extension signal in a second frequency band ( U HB 2 ( k )) for example to a filtering module 501 of the figure 5 .
  • the memory block can advantageously comprise a computer program comprising code instructions for the implementation of the steps of the band extension method within the meaning of the invention, when these instructions are executed by the processor PROC, and in particular the steps extracting (E402) tonal components and a surround signal from a signal from the decoded low-band signal ( U ( k )) , combining (E403) tonal components (y (k)) and the surround signal (U HBA ( k )) by adaptive mixing using energy level control factors to obtain an audio signal, called the combined signal ( U HB 2 ( k )), of extension (E401a) on at least a second frequency band greater than the first frequency band of the low-band decoded signal before the extraction step or of the combined signal after the combining step.
  • the description of the figure 4 repeats the steps of an algorithm of such a computer program.
  • the computer program can also be stored on a memory medium readable by a reader of the device or downloadable in the memory space of the latter.
  • the memory MEM generally records all the data necessary for the implementation of the method.
  • the device thus described can also include the low-band decoding functions and other processing functions described for example in figure 5 and 3 in addition to the band extension functions according to the invention.

Description

  • La présente invention se rapporte au domaine du codage/décodage et du traitement de signaux audiofréquences (comme des signaux de parole, de musique ou autres) pour leur transmission ou leur stockage.
  • Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé et un dispositif d'extension de bande de fréquence dans un décodeur ou un processeur réalisant une amélioration de signal audiofréquence.
  • De nombreuses techniques existent pour compresser (avec perte) un signal audiofréquence comme la parole ou la musique.
  • Les méthodes classiques de codage pour les applications conversationnelles sont en général classifiées en codage de forme d'onde (MIC pour "Modulation par Impulsion et codage", MICDA pour "Modulation par Impulsion et Codage Différentiel Adaptatif", codage par transformée...), codage paramétrique (LPC pour "Linear Prédictive Coding" en anglais, codage sinusoïdal...) et codage hybride paramétrique avec une quantification des paramètres par "analyse par synthèse" dont le codage CELP (pour "Code Excited Linear Prédiction" en anglais) est l'exemple le plus connu.
  • Pour les applications non conversationnelles, l'état de l'art en codage de signal audio (mono) est constitué par le codage perceptuel par transformée ou en sous-bandes, avec un codage paramétrique des hautes fréquences par réplication de bande (SBR pour Spectral Band Replication en anglais).
    Une revue des méthodes classiques de codage de parole et audio se trouve dans les ouvrages W.B. Kleijn and K.K. Paliwal (Eds.), Speech Coding and Synthesis, Elsevier, 1995 ; M. Bosi, R.E. Goldberg, Introduction to Digital Audio Coding and Standards, Springer 2002 ; J. Benesty, M.M. Sondhi, Y. Huang (Eds.), Handbook of Speech Processing, Springer 2008.
  • On s'intéresse ici plus particulièrement au codec (codeur et décodeur) normalisé 3GPP AMR-WB (pour "Adaptive Multi-Rate Wideband" en anglais) qui fonctionne à une fréquence d'entrée/sortie de 16 kHz et dans lequel le signal est divisé en deux sous-bandes, la bande basse (0-6.4 kHz) qui est échantillonnée à 12.8 kHz et codée par modèle CELP et la bande haute (6.4-7 kHz) qui est reconstruite de façon paramétrique par « extension de bande» (ou BWE pour "Bandwidth Extension" en anglais) avec ou sans information supplémentaire selon le mode de la trame courante. On peut noter ici que la limitation de la bande codée du codec AMR-WB à 7kHz est essentiellement liée au fait que la réponse en fréquence en émission des terminaux en bande élargie a été approximée au moment de la normalisation (ETSI/3GPP puis UIT-T) selon le masque fréquentiel défini dans la norme UIT-T P.341 et plus précisément en utilisant un filtre dit « P341 » défini dans la norme UIT-T G.191 qui coupe les fréquences au-dessus de 7 kHz (ce filtre respecte le masque défini dans P.341). Cependant, en théorie, il est bien connu qu'un signal échantillonné à 16 kHz peut avoir une bande audio définie de 0 à 8000 Hz ; le codec AMR-WB introduit donc une limitation de la bande haute en comparaison à la largeur de bande théorique de 8 kHz.
  • Le codec de parole 3GPP AMR-WB a été normalisé en 2001 principalement pour les applications de téléphonie en mode circuit (CS) sur GSM (2G) et UMTS (3G). Ce même codec a été aussi normalisé en 2003 à l'UIT-T en tant que recommandation G.722.2 "Wideband coding speech at around 16kbit/s using Adaptive Multi-Rate Wideband (AMR-WB)".
  • Il comprend neuf débits, appelés modes, de 6.6 à 23.85 kbit/s, et comprend des mécanismes de transmission continue (DTX pour "Discontinuous Transmission") avec détection d'activité vocale (VAD pour "Voice Activity Detection") et génération de bruit de confort (CNG pour "Confort Noise Génération") à partir de trames de description de silence (SID pour "Silence Insertion Descriptor"), ainsi que des mécanismes de correction de trames perdues (FEC pour "Frame Erasure Concealment", parfois appelé PLC pour "Packet Loss Concealment").
  • On ne reprend pas ici les détails de l'algorithme de codage et de décodage AMR-WB, une description détaillée de ce codec se trouve dans les spécifications 3GPP (TS 26.190, 26.191, 26.192, 26.193, 26.194, 26.204) et UIT-T-G.722.2 (et les Annexes et Appendice correspondantes) ainsi que dans l'article de B. Bessette et al. intitulé « The adaptive multirate wideband speech codec (AMR-WB) », IEEE Transactions on Speech and Audio Processing, vol. 10, no. 8, 2002, pp. 620-636 et les codes sources des standards 3GPP et UIT-T associés.
  • Le principe de l'extension de bande dans le codec AMR-WB est assez rudimentaire. En effet, la bande haute (6.4-7 kHz) est générée en mettant en forme un bruit blanc par le biais d'une enveloppe temporelle (appliquée sous la forme de gains par sous-trame) et fréquentielle (par l'application d'un filtre de synthèse de prédiction linéaire ou LPC pour "Linear Prédictive Coding"). Cette technique d'extension de bande est illustrée à la figure 1 .
  • Un bruit blanc, u HB1(n), n = 0,···, 79 , est généré à 16 kHz par sous-trame de 5 ms par générateur congruentiel linéaire (bloc 100). Ce bruit u HB1(n) est mis en forme dans le temps par application de gains par sous-trame ; cette opération est décomposée en deux étapes de traitement (blocs 102, 106 ou 109) :
    • Un premier facteur est calculé (bloc 101) pour mettre le bruit blanc u HB1(n) (bloc 102) à un niveau semblable à celui de l'excitation, u(n) , n = 0,···, 63, décodée à 12.8 kHz dans la bande basse : u HB 2 n = u HB 1 n ∑ l = 0 63 u l 2 ∑ l = 0 79 u HB 1 l 2
      Figure imgb0001
  • On peut noter ici que la normalisation des énergies se fait en comparant des blocs de taille différente (64 pour u(n) et 80 pour u HB1(n)), sans compensation des différences de fréquences d'échantillonnage (12.8 ou 16 kHz).
    • L'excitation dans la bande haute est ensuite obtenue (bloc 106 ou 109) sous la forme : u HB n = g ^ HB u HB 2 n
      Figure imgb0002
       où le gain ĝHB est obtenu différemment selon le débit. Si le débit de la trame actuelle est <23.85 kbit/s, le gain ĝHB est estimé « en aveugle » (c'est-à-dire sans information supplémentaire); dans ce cas, le bloc 103 filtre le signal décodé en bande basse par un filtre passe-haut ayant une fréquence de coupure à 400 Hz pour obtenir un signal Ŝhp (n) , n = 0,···, 63 - ce filtre passe-haut élimine l'influence des très basses fréquences qui peuvent biaiser l'estimation faite dans le bloc 104 - puis on calcule le «tilt» (indicateur de pente spectrale) noté etilt du signal Ŝhp (n) par autocorrélation normalisée (bloc 104): e tilt = ∑ n = 1 63 s ^ hp n s ^ hp n − 1 ∑ n = 0 63 s ^ hp n 2
      Figure imgb0003
       et enfin on calcule ĝHB sous la forme : g ^ HB = w SP g SP + 1 − w SP g BG
      Figure imgb0004
       où gSP =1-etilt est le gain appliqué dans les trames actives de parole (SP pour speech), gBG = 1.25gSP est le gain appliqué dans les trames inactives de parole associées à un bruit de fond (BG pour Background) et wSP est une fonction de pondération qui dépend de la détection d'activité vocale (VAD). On comprend que l'estimation du tilt (etilt ) permet d'adapter le niveau de la bande haute en fonction de la nature spectrale du signal ; cette estimation est particulièrement importante quand la pente spectrale du signal décodé CELP est telle que l'énergie moyenne décroît quand la fréquence augmente (cas d'un signal voisé où etilt est proche de 1, donc gSP =1-etilt est ainsi réduit). A noter aussi que le facteur ĝHB dans le décodage AMR-WB est borné pour prendre des valeurs dans l'intervalle [0.1, 1.0]. En fait, pour les signaux dont le spectre a plus d'énergie en hautes fréquences (etilt proche de -1, gSP proche de 2), le gain ĝHB est d'habitude sous-estimé.
  • A 23.85 kbit/s, une information de correction est transmise par le codeur AMR-WB et décodée (blocs 107, 108) afin d'affiner le gain estimé par sous-trame (4 bits toutes les 5ms, soit 0.8 kbit/s).
  • L'excitation artificielle uHB (n) est ensuite filtrée (bloc 111) par un filtre de synthèse LPC de fonction de transfert 1/AHB (z) et fonctionnant à la fréquence d'échantillonnage de 16 kHz. La réalisation de ce filtre dépend du débit de la trame courante:
    • A 6.6 kbit/s, le filtre 1/AHB (z) est obtenu en pondérant par un facteur γ=0.9 un filtre LPC d'ordre 20, 1/Âext(z) qui « extrapole » le filtre LPC d'ordre 16, 1/Â(z), décodé dans la bande basse (à 12.8 kHz) - les détails de l'extrapolation dans le domaine des paramètres ISF (pour "Imittance Spectral Frequency" en anglais) sont décrits dans la norme G.722.2 à la section 6.3.2.1; dans ce cas, 1 / A HB z = 1 / Â ext z / γ
      Figure imgb0005
    • Aux débits > 6.6 kbit/s, le filtre 1/AHB (z) est d'ordre 16 et correspond simplement à : 1 / A HB z = 1 / Â z / γ
      Figure imgb0006
       où γ=0.6. A noter que dans ce cas le filtre 1/Â(z/γ) est utilisé à 16 kHz, ce qui résulte en un étalement (par homothétie) de la réponse en fréquence de ce filtre de [0, 6.4 kHz] à [0, 8 kHz].
    Le résultat, SHB (n), est enfin traité par un filtre passe-bande (bloc 112) de type FIR ("Finite Impulse Response"), pour ne garder que la bande 6 - 7 kHz ; à 23.85 kbit/s, un filtre passe-bas également de type FIR (bloc 113) se rajoute au traitement pour atténuer encore plus les fréquences supérieures à 7 kHz. La synthèse en hautes fréquences (HF) est finalement additionnée (bloc 130) à la synthèse en basses fréquences (BF) obtenue avec les blocs 120 à 123 et ré-échantillonnée à 16 kHz (bloc 123). Ainsi même si la bande haute s'étend en théorie de 6.4 à 7 kHz dans le codec AMR-WB, la synthèse HF est plutôt comprise dans la bande 6-7 kHz avant addition avec la synthèse BF.
  • On peut identifier plusieurs inconvénients à la technique d'extension de bande du codec AMR-WB :
    • Le signal dans la bande haute est un bruit blanc mis en forme (par gains temporels par sous-trame, par filtrage par 1/AHB (z) et filtrage passe-bande), ce qui n'est pas un bon modèle général du signal dans la bande 6.4-7 kHz. Il existe par exemple des signaux de musique très harmoniques pour lesquels la bande 6.4-7 kHz contient des composantes sinusoïdales (ou tones) et aucun bruit (ou peu de bruit), pour ces signaux l'extension de bande du codec AMR-WB dégrade fortement la qualité.
    • Le filtre passe-bas à 7 kHz (bloc 113) introduit un décalage de près de 1 ms entre les bandes basses et hautes, ce qui peut potentiellement dégrader la qualité de certains signaux en désynchronisant légèrement les deux bandes à 23.85 kbit/s - cette désynchronisation peut également poser problème lors d'une commutation de débit de 23.85 kbit/s à d'autres modes.
    • L'estimation de gains par sous-trame (bloc 101, 103 à 105) n'est pas optimale. Pour partie, elle se base sur une égalisation de l'énergie « absolue » par sous-trame (bloc 101) entre des signaux à des fréquences différentes : l'excitation artificielle à 16 kHz (bruit blanc) et un signal à 12.8 kHz (excitation ACELP décodée). On peut noter en particulier que cette approche induit implicitement une atténuation de l'excitation bande haute (par un ratio 12.8/16=0.8) ; en fait, on notera également qu'aucune désaccentuation (ou déemphase) n'est effectuée sur la bande haute dans le codec AMR-WB, ce qui induit implicitement une amplification relative proche de 0.6 (qui correspond à la valeur de la réponse en fréquence de 1/(1-0.68z -1) à 6400 Hz).
  • En fait, les facteurs de 1/0.8 et de 0.6 se compensent approximativement.
    • Sur la parole, les tests de caractérisation du codec 3GPP AMR-WB documentés dans le rapport 3GPP TR 26.976 ont montré que le mode à 23.85 kbit/s a une qualité moins bonne qu'à 23.05 kbit/s, sa qualité est en fait similaire à celle du mode à 15.85 kbit/s. Ceci montre en particulier que le niveau du signal HF artificiel doit être contrôlé de façon très prudente, car la qualité est dégradée à 23.85 kbit/s alors que les 4 bits par trame sont sensés permettre de mieux approcher l'énergie des hautes fréquences originales.
    • La limitation de la bande codée à 7 kHz résulte de l'application d'un modèle strict de la réponse en émission des terminaux acoustiques (filtre P.341 dans la norme UIT-T G.191). Or, pour une fréquence d'échantillonnage de 16 kHz, les fréquences dans la bande 7-8 kHz restent importantes, en particulier pour les signaux de musique, pour assurer un bon niveau de qualité.
  • L'algorithme de décodage AMR-WB a été amélioré en partie avec le développement du codec scalable UIT-T G.718 qui a été normalisé en 2008.
  • La norme UIT-T G.718 comprend un mode dit interopérable, pour lequel le codage cœur est compatible avec le codage G.722.2 (AMR-WB) à 12.65 kbit/s ; de plus, le décodeur G.718 a la particularité de pouvoir décoder un train binaire AMR-WB/G.722.2 à tous les débits possibles du codec AMR-WB (de 6.6 à 23.85 kbit/s).
  • Le décodeur interopérable G.718 en mode bas délai (« low delay » en anglais) (G.718-LD) est illustré à la figure 2 . On liste ci-dessous les améliorations apportées à la fonctionnalité de décodage de train binaire AMR-WB dans le décodeur G.718, avec des références à la figure 1 lorsque nécessaire :
    L'extension de bande (décrite par exemple dans la clause 7.13.1 de la recommandation G.718, bloc 206) est identique à celle du décodeur AMR-WB, sauf que le filtre passe-bande 6-7 kHz et le filtre de synthèse 1/AHB(z) (blocs 111 et 112) sont en ordre inversé. De plus, à 23.85 kbit/s les 4 bits transmis par sous-trames par le codeur AMR-WB ne sont pas utilisés dans le décodeur G.718 interopérable ; la synthèse des hautes fréquences (HF) à 23.85 kbit/s est donc identique à 23.05 kbit/s ce qui évite le problème connu de qualité du décodage AMR-WB à 23.85 kbit/s. A fortiori, le filtre passe-bas à 7 kHz (bloc 113) n'est pas utilisé, et le décodage spécifique du mode à 23.85 kbit/s est omis (blocs 107 à 109).
  • Un post-traitement de la synthèse à 16 kHz (voir clause 7.14 de G.718) est mis en œuvre dans G.718 par "noise gate" dans le bloc 208 (pour « améliorer » la qualité des silences par réduction du niveau), filtrage passe-haut (bloc 209), post-filtre de basses fréquences (dit «bass posfilter») dans le bloc 210 atténuant le bruit inter-harmonique en basses fréquences et une conversion en entiers 16 bits avec contrôle de saturation (avec contrôle de gain ou AGC) dans le bloc 211.
  • Cependant l'extension de bande dans les codecs AMR-WB et/ou G.718 (mode interopérable) reste encore limitée sur plusieurs aspects.
  • En particulier, la synthèse de hautes fréquences par bruit blanc mis en forme (par une approche temporelle de type source-filtre LPC) est un modèle très limité du signal dans la bande des fréquences supérieures à 6.4 kHz.
  • Seule la bande 6.4-7 kHz est re-synthétisée de façon artificielle, alors qu'en pratique une bande plus large (jusqu'à 8 kHz) est en théorie possible à la fréquence d'échantillonnage de 16 kHz, ce qui peut potentiellement améliorer la qualité des signaux, s'ils ne sont pas prétraités par un filtre de type P.341 (50-7000 Hz) tel que définie dans la Software Tool Library (norme G.191) de l'UIT-T.
  • New Enhancements to the Audio Bandwidth Extension Toolkit (ABET) est un article présentant un ensemble d'outils de traitement de signaux acoustiques et certaines possibles améliorations (ABET). ABET comprend un procédé de remplacement spectral précis (Accurate Spectral Replacement, ou ASR), un modèle d'autosimilarité fractale (Fractal Self Similarity Model ou FSSM) et un codage d'amplitude d'enveloppe temporel Multi-bande (Multi-Band Temporal Amplitude Coding ou MBTAC)
  • Il existe donc un besoin pour améliorer l'extension de bande dans un codec de type AMR-WB ou une version interopérable de ce codec ou plus généralement pour améliorer l'extension de bande d'un signal audio, notamment pour améliorer le contenu fréquentiel de l'extension de bande.
  • La présente invention vient améliorer la situation.
  • L'invention propose à cet effet, un procédé d'extension de bande de fréquence d'un signal audiofréquence lors d'un processus de décodage ou d'amélioration comportant une étape d'obtention du signal décodé dans une première bande de fréquence dite bande basse. Le procédé est tel qu'il comporte les étapes de la revendication 1.
  • On notera que par la suite l' « extension de bande » sera prise au sens large et inclura non seulement le cas de l'extension d'une sous-bande en hautes fréquences mais également le cas d'un remplacement de sous-bandes mises à zéro (de type « noise filling » en codage par transformée).
  • Ainsi, à la fois la prise en compte de composantes tonales et d'un signal d'ambiance extrait du signal issu du décodage de la bande basse permet d'effectuer l'extension de bande avec un modèle de signal adapté à la vraie nature du signal contrairement à l'utilisation d'un bruit artificiel. La qualité de l'extension de bande est ainsi améliorée et notamment pour certains types de signaux comme les signaux de musique.
  • En effet, le signal décodé dans la bande basse comporte une partie correspondant à l'ambiance sonore qui peut être transposée en haute fréquence de telle sorte qu'un mixage des composantes harmoniques et de l'ambiance existante permet d'assurer une bande haute reconstruite cohérente.
  • On remarquera que même si l'invention est motivée par l'amélioration de la qualité de l'extension de bande dans le contexte du codage AMR-WB interopérable, les différents modes de réalisation s'appliquent au cas plus général de l'extension de bande d'un signal audio, en particulier dans un dispositif d'amélioration effectuant une analyse du signal audio pour extraire les paramètres nécessaires à l'extension de bande.
  • Les différents modes particuliers de réalisation mentionnés ci-après peuvent être ajoutés indépendamment ou en combinaison les uns avec les autres, aux étapes du procédé d'extension défini ci-dessus.
  • Dans un mode de réalisation, l'extension de bande est effectuée dans le domaine de l'excitation et le signal bande basse décodé est un signal d'excitation bande basse décodé.
  • L'avantage de ce mode de réalisation est qu'une transformation sans fenêtrage (ou de façon équivalente avec une fenêtre rectangulaire implicite de la longueur de la trame) est possible dans le domaine de l'excitation. Dans ce cas aucun artefact (effets de bloc) n'est alors audible.
  • L'extraction des composantes tonales et du signal d'ambiance s'effectue selon les étapes suivantes :
    • obtention du signal d'ambiance par calcul d'une valeur moyenne du spectre du signal bande basse décodé ou décodé et étendu ;
    • obtention des composantes tonales par soustraction du signal d'ambiance calculé au signal bande basse décodé ou décodé et étendu.
    Dans un mode de réalisation de l'étape de combinaison, un facteur de contrôle du niveau d'énergie utilisé pour le mixage adaptatif, est calculé en fonction de l'énergie totale du signal bande basse décodé ou décodé et étendu et des composantes tonales.
  • L'application de ce facteur de contrôle permet à l'étape de combinaison de s'adapter aux caractéristiques du signal pour optimiser la proportion relative de signal d'ambiance dans le mélange. Le niveau d'énergie est ainsi contrôlé de façon à éviter les artefacts audibles.
  • Le signal bande basse décodé subit une étape de décomposition en sous-bandes par transformée ou par banc de filtres, les étapes d'extraction et de combinaison s'effectuant alors dans le domaine fréquentiel ou en sous-bandes.
  • La mise en œuvre de l'extension de bande dans le domaine fréquentiel permet d'obtenir une finesse d'analyse en fréquence dont on ne dispose pas avec une approche temporelle, et permet aussi d'avoir une résolution fréquentielle suffisante pour détecter les composantes tonales.
  • Dans un mode de réalisation détaillé, le signal bande basse décodé et étendu est obtenu selon l'équation suivante: U HB 1 k = { 0 k = 0 , ⋯ , 199 U k k = 200 , ⋯ , 239 U k + start _ band − 240 k = 240 , ⋯ , 319
    Figure imgb0007
     avec k l'indice de l'échantillon, U(k) le spectre du signal obtenu après une étape de transformée U HB1(k) le spectre du signal étendu, et start_band une variable prédéfinie. Ainsi, cette fonction comprend un ré-échantillonnage du signal en ajoutant des échantillons au spectre de ce signal. D'autres façons d'étendre le signal sont cependant possibles, par exemple par translation dans un traitement sous-bandes.
  • La présente invention vise également un dispositif d'extension de bande de fréquence d'un signal audiofréquence, le signal ayant été décodé dans une première bande de fréquence dite bande basse. Le dispositif est tel qu'il comporte les caractéristiques de la revendication 6.
  • Ce dispositif présente les mêmes avantages que le procédé décrit précédemment, qu'il met en œuvre.
  • L'invention vise un décodeur comportant un dispositif tel que décrit.
  • Elle vise un programme informatique comportant des instructions de code pour la mise en œuvre des étapes du procédé d'extension de bande tel que décrit, lorsque ces instructions sont exécutées par un processeur.
  • Enfin l'invention se rapporte à un support de stockage, lisible par un processeur, intégré ou non au dispositif d'extension de bande, éventuellement amovible, mémorisant un programme informatique mettant en œuvre un procédé d'extension de bande tel que décrit précédemment.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
    • la figure 1 illustre une partie d'un décodeur de type AMR-WB mettant en œuvre des étapes d'extension de bande de fréquence de l'état de l'art et tel que décrit précédemment;
    • la figure 2 illustre un décodeur de type interopérable G.718-LD à 16kHz selon l'état de l'art et tel que décrit précédemment;
    • la figure 3 illustre un décodeur interopérable avec le codage AMR-WB et intégrant un dispositif d'extension de bande selon un mode de réalisation de l'invention;
    • la figure 4 illustre sous forme d'organigramme, les étapes principales d'un procédé d'extension de bande selon un mode de réalisation de l'invention;
    • la figure 5 illustre un mode de réalisation dans le domaine fréquentiel d'un dispositif d'extension de bande selon l'invention intégré dans un décodeur; et
    • la figure 6 illustre une réalisation matérielle d'un dispositif d'extension de bande selon l'invention.
  • La figure 3 illustre un exemple de décodeur, compatible avec la norme AMR-WB/G.722.2 dans lequel on retrouve un post-traitement similaire à celui introduit dans G.718 et décrit en référence à la figure 2 et une extension de bande améliorée selon le procédé d'extension de l'invention, mis en œuvre par le dispositif d'extension de bande illustré par le bloc 309.
  • Contrairement au décodage AMR-WB qui fonctionne avec une fréquence d'échantillonnage de sortie de 16 kHz et au décodage G.718 qui fonctionne à 8 ou 16 kHz, on considère ici un décodeur qui peut fonctionner avec un signal de sortie (synthèse) à la fréquence fs = 8, 16, 32 ou 48 kHz. A noter qu'on suppose ici que le codage a été effectué selon l'algorithme AMR-WB avec une fréquence interne de 12.8 kHz pour le codage CELP en bande basse et à 23.85 kbit/s un codage de gain par sous-trame à la fréquence de 16 kHz, mais des variantes interopérables du codeur AMR-WB sont également possibles ; même si l'invention est décrite ici au niveau du décodage, on suppose ici que le codage peut aussi fonctionner avec un signal d'entrée à la fréquence fs = 8, 16, 32 ou 48 kHz et des opérations de ré-échantillonnage adéquates, dépassant le cadre de l'invention, sont mises en œuvre au codage en fonction de la valeur de fs. On peut noter que quand fs=8 kHz au décodeur, dans le cas d'un décodage compatible avec AMR-WB, il n'est pas nécessaire d'étendre la bande basse 0-6.4 kHz, car la bande audio reconstruite à la fréquence fs est limitée à 0-4000 Hz.
  • A la figure 3, le décodage CELP (BF pour basses fréquences) fonctionne toujours à la fréquence interne de 12.8 kHz, comme dans AMR-WB et G.718, et l'extension de bande (HF pour hautes fréquences) faisant l'objet de l'invention fonctionne à la fréquence de 16 kHz, les synthèses BF et HF sont combinées (bloc 312) à la fréquence fs après ré-échantillonnage adéquat (blocs 307 et 311). Dans des variantes de l'invention, la combinaison des bandes basse et haute pourra se faire à 16 kHz, après avoir ré-échantillonnée la bande basse de 12.8 à 16 kHz, avant de ré-échantillonner le signal combiné à la fréquence fs.
  • Le décodage selon la figure 3 dépend du mode (ou débit) AMR-WB associé à la trame courante reçue. A titre indicatif et sans que cela impacte le bloc 309, le décodage de la partie CELP en bande basse comporte les étapes suivantes:
    • Démultiplexage des paramètres codés (bloc 300) en cas de trame correctement reçue (bfi=0 où bfi est le « bad frame indicator» valant 0 pour une trame reçue et 1 pour une trame perdue).
    • Décodage des paramètres ISF avec interpolation et conversion en coefficients LPC (bloc 301) comme décrit dans la clause 6.1 de la norme G.722.2.
    • Décodage de l'excitation CELP (bloc 302), avec une partie adaptative et fixe pour reconstruire l'excitation (exc ou u'(n)) dans chaque sous-trame de longueur 64 à 12.8 kHz: u ′ n = g ^ p v n + g ^ c c n , nn = 0 , ⋯ , 63
      Figure imgb0008
       en suivant les notations de la clause 7.1.2.1 de G.718 concernant le décodage CELP, où v(n) et c(n) sont respectivement les mots de code des dictionnaires adaptatif et fixe, et ĝp et ĝc sont les gains décodés associés. Cette excitation u'(n) est utilisée dans le dictionnaire adaptatif de la sous-trame suivante ; elle est ensuite post-traitée et on distingue comme dans G.718 l'excitation u'(n) (aussi notée exc) de sa version post-traitée modifiée u(n) (aussi notée exc2) qui sert d'entrée au filtre de synthèse, 1/Â(z), dans le bloc 303. Dans des variantes qui peuvent être mises en œuvre pour l'invention, les post-traitements appliqués à l'excitation peuvent être modifiés (par exemple, la dispersion de phase peut être améliorée) ou ces post-traitements peuvent être étendus (par exemple, une réduction du bruit inter-harmonique peut être mise en œuvre), sans affecter la nature du procédé d'extension de bande selon l'invention.
    • Filtrage de synthèse par 1/Â(z) (bloc 303) où le filtre LPC décodé Â(z) est d'ordre 16
    • Post-traitement bande étroite (bloc 304) selon la clause 7.3 de G.718 si fs=8 kHz.
    • Désaccentuation (bloc 305) par le filtre 1/(1-0.68z-1)
    • Post-traitement des basses fréquences (bloc 306) tel que décrit à la clause 7.14.1.1 de G.718. Ce traitement introduit un retard qui est pris en compte dans le décodage de la bande haute (>6.4 kHz).
    • Ré-échantillonnage de la fréquence interne de 12.8 kHz à la fréquence de sortie fs (bloc 307). Plusieurs réalisations sont possibles. Sans perte de généralité, on considère ici à titre d'exemple que si fs=8 ou 16 kHz, le ré-échantillonnage décrit dans la clause 7.6 de G.718 est repris ici, et si fs=32 ou 48 kHz, des filtres à réponse impulsionnelle finie (FIR) supplémentaires sont utilisés.
    • Calcul des paramètres du "noise gate" (bloc 308) qui est réalisé de façon préférentielle comme décrit dans la clause 7.14.3 de G.718.
    Dans des variantes qui peuvent être mises en œuvre pour l'invention, les post-traitements appliqués à l'excitation peuvent être modifiés (par exemple, la dispersion de phase peut être améliorée) ou ces post-traitements peuvent être étendus (par exemple, une réduction du bruit inter-harmonique peut être mise en œuvre), sans affecter la nature de l'extension de bande. On ne décrit pas ici le cas du décodage de la bande basse lorsque la trame courante est perdue (bfi=1) qui est informatif dans la norme 3GPP AMR-WB ; en général, qu'il s'agisse du décodeur AMR-WB ou d'un décodeur général s'appuyant sur le modèle source-filtre, il s'agit typiquement d'estimer au mieux l'excitation LPC et les coefficients du filtre LPC de synthèse afin de reconstituer le signal perdu en gardant le modèle source-filtre. Lorsque bfi=1 on considère ici que l'extension de bande (bloc 309) peut fonctionner comme dans le cas bfi=0 et un débit <23.85 kbit/s ; ainsi, la description de l'invention supposera par la suite et sans perte de généralité que bfi=0.
    On peut noter que l'utilisation des blocs 306, 308, 314 est optionnelle.
    On notera également que le décodage de la bande basse décrit ci-dessus suppose une trame courante dite « active » avec un débit entre 6.6 et 23.85 kbit/s. En fait, quand le mode DTX (transmission continue en français) est activé, certaines trames peuvent être codées comme « inactives » et dans ce cas on peut soit transmettre un descripteur de silence (sur 35 bits) soit ne rien transmettre. En particulier, on rappelle que la trame SID du codeur AMR-WB décrit plusieurs paramètres : paramètres ISF moyennés sur 8 trames, énergie moyenne sur 8 trames, "flag de dithering" pour la reconstruction de bruit non stationnaire. Dans tous les cas, au décodeur, on retrouve le même modèle de décodage que pour une trame active, avec une reconstruction de l'excitation et d'un filtre LPC pour la trame courante, ce qui permet d'appliquer l'invention même sur des trames inactives. Le même constat s'applique pour le décodage de « trames perdues » (ou FEC, PLC) dans lequel le modèle LPC est appliqué.
  • Cet exemple de décodeur fonctionne dans le domaine de l'excitation et comporte donc une étape de décodage du signal d'excitation bande basse. Le dispositif d'extension de bande et le procédé d'extension de bande au sens de l'invention fonctionne également dans un domaine différent du domaine de l'excitation et notamment avec un signal direct décodé en bande basse ou un signal pondéré par un filtre perceptuel.
  • Contrairement au décodage AMR-WB ou G.718, le décodeur décrit permet d'étendre la bande basse décodée (50-6400 Hz en tenant en compte du filtrage passe-haut à 50 Hz au décodeur, 0-6400 Hz dans le cas général) à une bande étendue dont la largeur varie, allant approximativement de 50-6900 Hz à 50-7700 Hz en fonction du mode mis en œuvre dans la trame courante. On peut ainsi parler d'une première bande de fréquence de 0 à 6400Hz et d'une deuxième bande de fréquence de 6400 à 8000Hz. En réalité, dans le mode de réalisation privilégié, l'excitation pour les hautes fréquences et généré dans le domaine fréquentiel dans une bande de 5000 à 8000 Hz, pour permettre un filtrage passe-bande de largeur 6000 à 6900 ou 7700 Hz dont la pente n'est pas trop raide dans la bande supérieure rejetée.
  • La partie synthèse bande haute est réalisée dans le bloc 309 représentant le dispositif d'extension de bande selon l'invention et qui est détaillé à la figure 5 dans un mode de réalisation.
  • Afin d'aligner les bandes basses et hautes décodées, un retard (bloc 310) est introduit pour synchroniser les sorties des blocs 306 et 309 et la bande haute synthétisée à 16 kHz est ré-échantillonnée de 16 kHz à la fréquence fs (sortie de bloc 311). La valeur du retard T devra être adaptée pour les autres cas (fs=32, 48 kHz) en fonction des traitements mis en œuvre. On rappelle que quand fs=8 kHz, il n'est pas nécessaire d'appliquer les blocs 309 à 311 car la bande du signal en sortie du décodeur est limité à 0-4000 Hz.
  • A noter que le procédé d'extension de l'invention mis en œuvre dans le bloc 309 selon le premier mode de réalisation n'introduit de façon préférentielle aucun retard supplémentaire par rapport à la bande basse reconstruite à 12.8 kHz ; cependant, dans des variantes de l'invention (par exemple en utilisant une transformation temps/fréquence avec recouvrement), un retard pourra être introduit. Ainsi, de façon générale la valeur de T dans le bloc 310 devra être ajustée en fonction de la mise en œuvre spécifique. Par exemple dans le cas où le post-traitement des basses fréquences (bloc 306) n'est pas utilisé, le retard à introduire pour fs= 16 kHz pourra être fixé à T=15.
  • Les bandes basse et haute sont ensuite combinées (ajoutées) dans le bloc 312 et la synthèse obtenue est post-traitée par filtrage passe-haut à 50 Hz (de type IIR) d'ordre 2 dont les coefficients dépendent de la fréquence fs (bloc 313) et post-traitement de sortie avec application optionnelle du "noise gate" de façon similaire à G.718 (bloc 314).
  • Le dispositif d'extension de bande selon l'invention, illustré par le bloc 309 selon le mode de réalisation du décodeur de la figure 5, met en œuvre un procédé d'extension de bande (au sens large) décrit maintenant en référence à la figure 4 .
  • Ce dispositif d'extension peut également être indépendant du décodeur et peut mettre en œuvre le procédé décrit à la figure 4 pour effectuer une extension de bande d'un signal audio existant stocké ou transmis au dispositif, avec une analyse du signal audio pour en extraire par exemple une excitation et un filtre LPC.
    Ce dispositif reçoit en entrée un signal décodé dans une première bande de fréquence dite bande basse u(n) qui peut être dans le domaine de l'excitation ou dans celui du signal. Dans le mode de réalisation décrit ici, une étape de décomposition en sous-bandes (E401b) par transformée temps fréquence ou banc de filtres est appliquée au signal décodé bande basse pour obtenir le spectre du signal décodé bande basse U(k) pour une mise en œuvre dans le domaine fréquentiel.
  • Une étape E401a d'extension du signal décodé bande basse dans une deuxième bande de fréquence supérieure à la première bande de fréquence, pour obtenir un signal décodé bande basse étendu U HB1(k), peut être effectuée sur ce signal décodé bande basse avant ou après l'étape d'analyse (décomposition en sous-bandes). Cette étape d'extension peut comporter à la fois une étape de ré-échantillonnage et une étape d'extension ou simplement une étape de translation ou transposition fréquentielle en fonction du signal obtenu en entrée. On notera que dans des variantes, l'étape E401a pourra être effectuée à la fin du traitement décrit à la figure 4,, c'est-à-dire sur le signal combiné, ce traitement étant alors principalement réalisé sur le signal bande basse avant extension, le résultat étant équivalent.
  • Cette étape est détaillée ultérieurement dans le mode de réalisation décrit en référence à la figure 5.
  • Une étape E402 d'extraction d'un signal d'ambiance (UHBA (k)) et de composantes tonales (y(k)) est effectuée à partir du signal bande basse décodé (U(k)) ou décodé et étendu (U HB1(k)). On définit ici l'ambiance comme le signal résiduel qui est obtenu en supprimant dans le signal existant les harmoniques (ou composantes tonales) principales (ou dominantes).
  • Dans la plupart des signaux en bande élargie (échantillonnés à 16 kHz), la bande haute (>6 kHz) contient une information d'ambiance qui est en général similaire à celle présente dans la bande basse.
  • Cette étape est obtenue par:
    • obtention du signal d'ambiance par calcul d'une moyenne du signal bande basse décodé (ou décodé et étendu); et
    • obtention des composantes tonales par soustraction du signal d'ambiance calculé au signal bande basse décodé (ou décodé et étendu).
  • Les composantes tonales et le signal d'ambiance sont ensuite combinés de façon adaptative à l'aide de facteurs de contrôle de niveau d'énergie à l'étape E403 pour obtenir un signal dit combiné (UHB2 (k)). L'étape d'extension E401a peut alors être mise en œuvre si elle n'a pas été déjà effectuée sur le signal bande basse décodé.
  • Ainsi, la combinaison de ces deux types de signaux permet d'obtenir un signal combiné avec des caractéristiques plus adaptées à certains types de signaux comme des signaux musicaux et plus riche en contenu fréquentiel et dans la bande de fréquence étendue correspondant à toute la bande de fréquence incluant la première et la deuxième bande de fréquence.
  • L'extension de bande selon le procédé améliore la qualité pour ce type de signaux par rapport à l'extension décrite dans la norme AMR-WB.
  • Le fait d'utiliser une combinaison de signal d'ambiance et de composantes tonales permet d'enrichir ce signal d'extension pour le rendre plus proche des caractéristiques du vrai signal et non pas d'un signal artificiel.
  • Cette étape de combinaison sera détaillée ultérieurement en référence à la figure 5.
  • Une étape de synthèse, qui correspond à l'analyse en 401b, est effectuée en E404b pour ramener le signal dans le domaine temporel.
  • De façon optionnelle, une étape d'ajustement de niveau d'énergie du signal bande haute peut être effectuée en E404a, avant et/ou après l'étape de synthèse, par application d'un gain et/ou par filtrage adéquat. Cette étape sera expliquée plus en détails dans le mode de réalisation décrit à la figure 5 pour les blocs 501 à 507.
  • Dans un exemple de réalisation, le dispositif d'extension de bande 500 est décrit maintenant en référence à la figure 5 illustrant à la fois ce dispositif mais aussi des modules de traitement adaptés à la mise en œuvre dans un décodeur de type interopérable avec un codage AMR-WB. Ce dispositif 500 met en œuvre le procédé d'extension de bande décrit précédemment en référence à la figure 4.
  • Ainsi, le bloc de traitement 510 reçoit un signal bande basse décodé (u(n)). Dans un mode de réalisation particulier, l'extension de bande utilise l'excitation décodée à 12.8 kHz (exc2 ou u(n)) en sortie du bloc 302 de la figure 3.
  • Ce signal est décomposé en sous-bandes de fréquence par le module de décomposition en sous-bandes 510 (qui met en œuvre l'étape E401b de la figure 4) qui réalise en général une transformée ou applique un banc de filtres, pour obtenir une décomposition en sous-bandes U(k) du signal u(n).
  • Dans un mode de réalisation particulier, une transformée de type DCT-IV (pour "Discrete Cosine Transform" - Type IV en anglais) (bloc 510) est appliquée sur la trame courante de 20 ms (256 échantillons), sans fenêtrage, ce qui revient à transformer directement u(n) avec n = 0,···, 255 selon la formule suivante : U k = ∑ n = 0 N − 1 u n cos π N n + 1 2 k + 1 2
    Figure imgb0009
     où N = 256 et k = 0 , ⋯ , 255 .
    Figure imgb0010
  • Une transformation sans fenêtrage (ou de façon équivalente avec une fenêtre rectangulaire implicite de la longueur de la trame) est possible lorsque le traitement est effectué dans le domaine de l'excitation, et non le domaine du signal. Dans ce cas aucun artefact (effets de bloc) n'est audible, ce qui constitue un avantage important de ce mode de réalisation de l'invention.
  • Dans ce mode de réalisation, la transformation DCT-IV est mise en œuvre par FFT suivant l'algorithme dit « Evolved DCT(EDCT) » décrit dans l'article de D.M. Zhang, H.T. Li, A Low Complexity Transform - Evolved DCT, IEEE 14th International Conférence on Computational Science and Engineering (CSE), Aug. 2011, pp. 144-149, et mis en œuvre dans les normes UIT-T G.718 Annex B et G.729.1 Annex E.
  • Dans des variantes de l'invention et sans perte de généralité, la transformation DCT-IV pourra être remplacée par d'autres transformations temps-fréquences court-terme de même longueur et dans le domaine de l'excitation ou dans le domaine du signal, comme une FFT (pour "Fast Fourier Transform" en anglais) ou une DCT-II (Discrete Cosine Transform - Type II). De façon alternative, on pourra remplacer la DCT-IV sur la trame par une transformation avec recouvrement-addition et fenêtrage de longueur supérieure à la longueur de la trame courante, par exemple en utilisant une MDCT (pour "Modified Discrete Cosine Tranform" en anglais). Dans ce cas le retard T dans le bloc 310 de la figure 3, devra être ajusté (réduit) de façon adéquate en fonction du retard additionnel dû à l'analyse/synthèse par cette transformée.
  • Dans un autre mode de réalisation, la décomposition en sous-bandes est effectuée par l'application d'un banc de filtres, par exemple de type PQMF (Pseudo-QMF) réels ou complexes. Pour certains bancs de filtres, on obtient, pour chaque sous-bande dans une trame donnée, non pas une valeur spectrale mais une série de valeurs temporelles associée à la sous-bande ; dans ce cas, le mode de réalisation privilégié dans l'invention peut être appliqué en réalisant par exemple une transformée de chaque sous-bande et en calculant le signal d'ambiance dans le domaine des valeurs absolues, les composantes tonales étant toujours obtenues par différence entre le signal (en valeur absolue) et le signal d'ambiance. Dans le cas d'un banc de filtre complexe, le module complexe des échantillons remplacera la valeur absolue.
  • Dans d'autres modes de réalisation, l'invention sera appliqué dans un système utilisant deux sous-bandes, la bande basse étant analysé par transformée ou par banc de filtres.
  • Dans le cas d'une DCT, le spectre DCT, U(k), de 256 échantillons couvrant la bande 0-6400 Hz (à 12.8 kHz), est ensuite étendu (bloc 511) en un spectre de 320 échantillons couvrant la bande 0-8000 Hz (à 16 kHz) sous la forme suivante : U HB 1 k = { 0 k = 0 , ⋯ , 199 U k k = 200 , ⋯ , 239 U k + start _ band − 240 k = 240 , ⋯ , 319
    Figure imgb0011
     où on prend de façon préférentielle start_band = 160.
  • Le bloc 511 met en œuvre l'étape E401a de la figure 4, c'est-à-dire l'extension du signal décodé bande basse. Cette étape peut également comporter un ré-échantillonnage de 12.8 à 16 kHz dans le domaine fréquentiel, en rajoutant ¼ d'échantillons (k = 240,···,319) au spectre, le ratio entre 16 et 12.8 étant de 5/4.
  • Dans la bande de fréquence correspondant aux échantillons allant des indices 200 à 239, le spectre original est conservé, pour pouvoir y appliquer une réponse d'atténuation progressive du filtre passe-haut dans cette bande de fréquence et aussi pour ne pas introduire de défauts audibles lors de l'étape d'addition de la synthèse basse fréquence à la synthèse haute fréquence.
  • On notera que dans ce mode de réalisation, la génération du spectre étendu sur-échantillonné s'effectue dans une bande de fréquence allant de 5 à 8 kHz incluant donc une deuxième bande de fréquence (6.4-8kHz) supérieure à la première bande de fréquence (0-6.4 kHz).
  • Ainsi, l'extension du signal bande basse décodé s'effectue au moins sur la deuxième bande de fréquence mais aussi sur une partie de la première bande de fréquence.
  • Bien évidemment, les valeurs définissant ces bandes de fréquences peuvent être différentes selon le décodeur ou le dispositif de traitement dans lequel l'invention s'applique.
  • De plus, le bloc 511 réalise un filtrage passe-haut implicite dans la bande 0-5000 Hz puisque les 200 premiers échantillons de U HB1(k) sont mis à zéro ; comme expliqué plus tard, ce filtrage passe-haut peut également être complété par une partie d'atténuation progressive des valeurs spectrales d'indices k = 200,···,255 dans la bande 5000-6400 Hz, cette atténuation progressive est mise en œuvre dans le bloc 501 mais pourrait être réalisée séparément en dehors du bloc 501. De façon équivalente et dans des variantes de l'invention, la mise en œuvre du filtrage passe-haut séparée en blocs de coefficients d'indice k = 0,···,199 mis à zéro, de coefficients k = 200,···,255 atténués, dans le domaine transformé, pourra donc être effectué en une seule étape.
  • Dans cet exemple de réalisation et selon la définition de U HB1(k), on remarque que la bande 5000-6000 Hz de U HB1(k) (qui correspond aux indices k = 200,···,239) est copiée à partir de la bande 5000-6000 Hz de U(k). Cette approche permet de conserver le spectre original dans cette bande et elle évite d'introduire des distorsions dans la bande 5000-6000 Hz lors de l'addition de la synthèse HF avec la synthèse BF - en particulier la phase du signal (implicitement représentée dans le domaine DCT-IV) dans cette bande est préservée.
  • La bande 6000-8000 Hz de U HB1(k) est ici définie en copiant la bande 4000-6000 Hz de U(k) puisque la valeur de start_band est fixée préférentiellement à 160.
  • Dans une variante du mode de réalisation, la valeur de start_band pourra être rendue adaptative autour de la valeur de 160, sans modifier la nature de l'invention. Les détails de l'adaptation de la valeur start_band ne sont pas décrits ici car ils dépassent le cadre de l'invention sans en changer la portée.
  • Dans la plupart des signaux en bande élargie (échantillonnés à 16 kHz), la bande haute (>6 kHz) contient une information d'ambiance qui est naturellement similaire à celle présente dans la bande basse. On définit ici l'ambiance comme le signal résiduel qui est obtenu en supprimant dans le signal existant les harmoniques principales (ou dominantes).Le niveau d'harmonicité dans la bande 6000-8000 Hz est généralement corrélé à celui des bandes de fréquences inférieures.
  • Ce signal bande basse décodé et étendu est fourni en entrée du dispositif d'extension 500 et notamment en entrée du module 512. Ainsi le bloc 512 d'extraction de composantes tonales et d'un signal d'ambiance, met en œuvre l'étape E402 de la figure 4 dans le domaine fréquentiel. Le signal d'ambiance, U HBA(k) pour k = 240,···,319 (80 échantillons) est ainsi obtenu pour une deuxième bande de fréquence dite haute fréquence afin de le combiner ensuite de façon adaptative aux composantes tonales extraites y(k), dans le bloc de combinaison 513.
  • Dans un mode de réalisation particulier, l'extraction des composantes tonales et du signal d'ambiance (dans la bande 6000-8000 Hz) est effectuée selon opérations suivantes:
    • Calcul de l'énergie totale du signal bande basse décodé étendu enerHB: ener HB = ∑ k = 240 319 U HB 1 k 2 + ε
      Figure imgb0012
       où ε=0.1 (cette valeur peut être différente, elle est fixée ici à titre d'exemple).
    • Calcul de l'ambiance (en valeur absolue) qui correspond ici au niveau moyen du spectre lev(i) (raie par raie) et calcul de l'énergie enertonal des parties tonales dominantes (dans le spectre hautes fréquences)
    Pour i = 0...L-1, on obtient ce niveau moyen par l'équation suivante: lev i = 1 fn i − fb i + 1 ∑ j = fb i fn i U HB 1 j + 240
    Figure imgb0013
     Ceci correspond au niveau moyen (en valeur absolu) et représente donc une sorte d'enveloppe du spectre. Dans ce mode de réalisation, L = 80 et représente la longueur du spectre et l'indice i de 0 à L-1 correspond aux indices j+240 de 240 à 319, soit le spectre de 6 à 8 kHz.
    En général fb(i) = i-7 et fn(i) = i + 7 , cependant les 7 premiers et derniers indices ( i = 0,···,6 et i=L-7,···,L-1) demandent un traitement spécial et sans perte de généralité on définit alors : fb i = 0 et fn i = i + 7 pour i = 0 , ⋯ , 6
    Figure imgb0014
     fb i = i − 7 et fn i = L − 1 pour i = L − 7 , ⋯ , L − 1
    Figure imgb0015
     Dans des variantes de l'invention, la moyenne de |U HB1(j + 240)|, j = fb(i),..., fn(i), pourra être remplacée par une valeur médiane sur le même ensemble de valeurs, soit lev(i) = médian j=fb(i),...,fn(i) (|U HB1(j + 240)|) Cette variante a le défaut d'être plus complexe (en termes de nombre de calculs) qu'une moyenne glissante. Dans d'autres variantes une pondération non-uniforme pourra être appliquée aux termes moyennés, ou le filtrage médian pourra être remplacé par exemple par d'autres filtres non linéaires de type « stack filters ».
  • On calcule également le signal résiduel: y i = U HB 1 i + 240 − lev i , i = 0 , ... , L − 1
    Figure imgb0016
     qui correspond (approximativement) aux composantes tonales si la valeur y(i) à une raie i donnée est positive (y(i) >0).
    Ce calcul fait donc intervenir une détection implicite des composantes tonales. Les parties tonales sont donc implicitement détectées à l'aide du terme intermédiaire y(i) représentant un seuil adaptatif. La condition de détection étant y(i) >0. Dans des variantes de l'invention cette condition pourra être changée par exemple en définissant un seuil adaptatif fonction de l'enveloppe locale du signal ou sous la forme y(i) > lev(i) + x dB où x a une valeur prédéfinie (par exemple x = 10 dB).
    L'énergie des parties tonales dominantes est définie par l'équation suivante: ener tonal = ∑ i = 0 … 7 y i > 0 y i 2
    Figure imgb0017
     D'autres méthodes d'extraction du signal d'ambiance peuvent bien sûr être envisagées. Par exemple, ce signal d'ambiance peut être extrait d'un signal basse fréquence ou éventuellement une autre bande de fréquence (ou plusieurs bandes de fréquence).
    La détection des pics ou composantes tonales pourra être faite différemment.
    L'extraction de ce signal d'ambiance pourrait également être fait sur l'excitation décodé mais pas étendu, c'est-à-dire avant l'étape d'extension ou de translation spectrale, c'est-à-dire par exemple sur une portion du signal basse fréquence plutôt que directement sur le signal haute fréquence.
  • Dans d'autres variantes de l'invention, la valeur absolue des valeurs spectrales sera remplacée par exemple le carré des valeurs spectrales, sans changer le principe de l'invention ; dans ce cas une racine carrée sera nécessaire pour revenir au domaine du signal, ce qui est plus complexe à réaliser.
  • Le module de combinaison 513 effectue une étape de combinaison par mixage adaptatif du signal d'ambiance et des composantes tonales. Pour cela, un facteur Γ de contrôle du niveau d'ambiance est défini par l'équation suivante : Γ = β ener HB − ener tonal ener HB − βener tonal
    Figure imgb0018
     β étant un facteur dont un exemple de calcul est donné ci-dessous.
    Pour obtenir le signal étendu, on obtient d'abord le signal combiné en valeurs absolues pour i = 0...L-1 : y ′ i = { Γ y i + 1 Γ lev i y i > 0 y i + 1 Γ lev i y i ≤ 0
    Figure imgb0019
     auquel on applique les signes de U HB1(k) : y " i = sgn U HB 1 i + 240 . y ′ i
    Figure imgb0020
     où la fonction sgn(.) donne le signe : sgn x = { 1 x ≥ 0 − 1 x < 0
    Figure imgb0021
     Par définition le facteur Γ est >1. Les composantes tonales, détectées raie par raie par la condition y(i) > 0, sont réduites par le facteur Γ ; le niveau moyen est amplifié par le facteur 1/Γ.
    Dans le bloc 513 de mixage adaptatif, un facteur de contrôle du niveau d'énergie est calculé en fonction de l'énergie totale du signal bande basse décodé (ou décodé et étendu) et des composantes tonales.
    Dans un mode de réalisation préféré du mixage adaptatif, l'ajustement d'énergie est effectué de la façon suivante: U HB 2 k = fac . y " k − 240 , k = 240 , ⋯ , 319
    Figure imgb0022
     U HB2(k) étant le signal combiné d'extension de bande.
    Le facteur d'ajustement est défini par l'équation suivante: fac = γ ener HB ∑ i = 0 L − 1 y " i
    Figure imgb0023
     Où γ permet d'éviter une sur-estimation de l'énergie. Dans un exemple de réalisation, on calcule β de façon à garder le même niveau de signal d'ambiance par rapport à l'énergie des composantes tonales dans les bandes consécutives du signal. On calcule l'énergie des composantes tonales dans trois bandes : 2000-4000 Hz, 4000-6000 Hz et 6000-8000 Hz, avec E N 2 − 4 = ∑ k ∈ N 80,159 U ′ 2 k
    Figure imgb0024
     E N 4 − 6 = ∑ k ∈ N 160,239 U ′ 2 k E N 4 − 6 = ∑ k ∈ N 240,319 U ′ 2 k
    Figure imgb0025
     où U ′ k = { ∑ k = 160 239 U 2 k ∑ k = 80 159 U 2 k U k k = 80 , … , 159 U k k = 160 , … , 239 ∑ k = 160 239 U 2 k ∑ k = 240 319 U HB 1 2 k U HB 1 k k = 240 , … , 319
    Figure imgb0026
     Et où N(k 1,k 2) est l'ensemble des indices k pour lesquels le coefficient d'indice k est classifié comme étant associé aux composantes tonales. Cet ensemble peut être par exemple obtenu en détectant les pics locaux dans U'(k) vérifiant |U'(k)|> lev(k) ou lev(k) est calculé comme le niveau moyen du spectre raie par raie.
    On peut noter que d'autres méthodes de calcul de l'énergie des composantes tonales sont possibles, par exemple en prenant la valeur médiane du spectre sur la bande considérée.
    On fixe β de telle sorte que le ratio entre l'énergie des composantes tonales dans les bandes 4-6 kHz et 6-8 kHz soit le même qu'entre les bandes 2-4 kHz et 4-6 kHz : β = ρ − E N 6 − 8 ∑ k = 160 239 U 2 k − E N 6 − 8
    Figure imgb0027
     où E N 4 − 6 = max E N 4 − 6 E N 2 − 4 , ρ = E N 4 − 6 2 E N 2 − 4 , ρ = max ρ E N 6 − 8
    Figure imgb0028
     et max(.,.) est la fonction qui donne le maximum des deux arguments.
    Dans des variantes de l'invention, le calcul de β pourra être remplacé par d'autres méthodes. Par exemple, dans une variante, on pourra extraire (calculer) différents paramètres (ou « features » en anglais) caractérisant le signal en bande basse, dont un paramètre « tilt » similaire à celui calculé dans le codec AMR-WB, et on estimera le facteur β en fonction d'une régression linéaire à partir de ces différents paramètres en limitant sa valeur entre 0 et 1. La régression linéaire pourra par exemple être estimée de façon supervisée en estimant le facteur β en se donnant la bande haute originale dans une base d'apprentissage. On notera que le mode de calcul de β ne limite pas la nature de l'invention.
    Ensuite, le paramètre β peut être utilisé pour calculer γ en tenant compte du fait qu'un signal avec un signal d'ambiance rajouté dans une bande donnée est perçu en général comme plus fort qu'un signal harmonique à la même énergie dans la même bande. Si on définit α comme la quantité de signal d'ambiance rajouté au signal harmonique : α = 1 − β
    Figure imgb0029
     on pourra calculer γ comme une fonction décroissante de α, par exemple γ = b − a α ,
    Figure imgb0030
     b = 1.1, a = 1.2 et γ limité de 0.3 à 1. Là encore d'autres définitions de α et γ sont possibles dans le cadre de l'invention.
  • A la sortie du dispositif d'extension de bande 500, le bloc 501, dans un mode de réalisation particulier réalise de façon optionnelle, une double opération d'application de réponse en fréquence de filtre passe-bande et de filtrage de désaccentuation (ou déemphase) dans le domaine fréquentiel.
  • Dans une variante de l'invention, le filtrage de désaccentuation pourra être réalisé dans le domaine temporel, après le bloc 502 voire avant le bloc 510 ; cependant, dans ce cas, le filtrage passe-bande réalisé dans le bloc 501 peut laisser certaines composantes basses fréquences de très faibles niveaux qui se voient amplifier par désaccentuation, ce qui peut modifier de façon légèrement perceptible la bande basse décodée. Pour cette raison, on préfère ici réaliser la désaccentuation dans le domaine fréquentiel. Dans le mode de réalisation privilégié, les coefficients d'indice k = 0,···,199 sont mis à zéro, ainsi la désaccentuation est limitée aux coefficients supérieurs.
    L'excitation est d'abord désaccentuée selon l'équation suivante : U HB 2 ′ k = { 0 k = 0 , ⋯ , 199 G deemph k − 200 U HB 2 k k = 200 , ⋯ , 255 G deemph 55 U HB 2 k k = 256 , ⋯ , 319
    Figure imgb0031
     où Gdeemph (k) est la réponse en fréquence du filtre 1/(1-0.68z-1) sur une bande de fréquence discrète restreinte. En prenant en compte les fréquences discrètes (impaires) de la DCT-IV, on définit ici Gdeemph (k) comme: G deemph k = 1 e jθ k − 0.68 , k = 0 , ⋯ , 255
    Figure imgb0032
     où θ k = 256 − 80 + k + 1 2 256 .
    Figure imgb0033
     Dans le cas où une autre transformation que la DCT-IV est utilisée, la définition de θk pourra être ajustée (par exemple pour des fréquences paires).
    On note que la désaccentuation est appliquée en deux phases pour k = 200,···,255 correspondant à la bande de fréquence 5000-6400 Hz, où la réponse 1/(1-0.68z-1) est appliquée comme à 12.8 kHz, et pour k = 256,···,319 correspondant à la bande de fréquence 6400-8000 Hz, où la réponse est étendue de 16 kHz ici à une valeur constante dans la bande 6.4-8 kHz.
  • On peut noter que dans le codec AMR-WB la synthèse HF n'est pas désaccentuée. Dans le mode de réalisation présenté ici, le signal haute-fréquence est au contraire désaccentué de manière à le ramener dans un domaine cohérent avec le signal basse-fréquence (0-6.4 kHz) qui sort du bloc 305 de la figure 3. Ceci est important pour l'estimation et l'ajustement ultérieur de l'énergie de la synthèse HF.
  • Dans une variante du mode de réalisation, afin de réduire la complexité, on pourra fixer Gdeemph (k) à une valeur constante indépendante de k, en prenant par exemple Gdeemph (k) = 0.6 ce qui correspond approximativement à la valeur moyenne de Gdeemph (k) pour k = 200,···,319 dans les conditions du mode de réalisation décrit ci-dessus.
  • Dans une autre variante du mode de réalisation du décodeur, la désaccentuation pourra être réalisée de façon équivalente dans le domaine temporel après DCT inverse.
  • En plus de la désaccentuation, un filtrage passe-bande est appliqué avec deux parties séparées : l'une passe-haut fixe, l'autre passe-bas adaptative (fonction du débit).
  • Ce filtrage est effectué dans le domaine fréquentiel.
  • Dans le mode de réalisation privilégiée, on calcule la réponse partielle de filtre passe-bas dans le domaine fréquentiel comme suit: G lp k = 1 − 0.999 k N lp − 1
    Figure imgb0034
     où Nlp =60 à 6.6 kbit/s, 40 à 8.85 kbit/s, 20 aux débits >8.85 bit/s. Ensuite on applique un filtre passe-bande sous la forme : U HB 3 k = { 0 k = 0 , ⋯ , 199 G hp k − 200 U HB 2 ′ k k = 200 , ⋯ , 255 U HB 2 ′ k k = 256 , ⋯ , 319 − N lp G lp k − 320 − N lp U HB 2 ′ k k = 320 − N lp , ⋯ , 319
    Figure imgb0035
     La définition de Ghp (k), k = 0,···,55, est donnée par exemple au tableau 1 ci-dessous. Tableau 1
    K ghp (k) K ghp (k) K ghp (k) k ghp (k)
    0 0.001622428 14 0.114057967 28 0.403990611 42 0.776551214
    1 0.004717458 15 0.128865425 29 0.430149896 43 0.800503267
    2 0.008410494 16 0.144662643 30 0.456722014 44 0.823611104
    3 0.012747280 17 0.161445005 31 0.483628433 45 0.845788355
    4 0.017772424 18 0.179202219 32 0.510787115 46 0.866951597
    5 0.023528982 19 0.197918220 33 0.538112915 47 0.887020781
    6 0.030058032 20 0.217571104 34 0.565518011 48 0.905919644
    7 0.037398264 21 0.238133114 35 0.592912340 49 0.923576092
    8 0.045585564 22 0.259570657 36 0.620204057 50 0.939922577
    9 0.054652620 23 0.281844373 37 0.647300005 51 0.954896429
    10 0.064628539 24 0.304909235 38 0.674106188 52 0.968440179
    11 0.075538482 25 0.328714699 39 0.700528260 53 0.980501849
    12 0.087403328 26 0.353204886 40 0.726472003 54 0.991035206
    13 0.100239356 27 0.378318805 41 0.751843820 55 1.000000000
    On notera que dans des variantes de l'invention les valeurs de Ghp (k) pourront être modifiées tout en gardant une atténuation progressive. De même le filtrage passe-bas à largeur de bande variable, Glp (k), pourra être ajusté avec des valeurs ou un support fréquentiel différents, sans changer le principe de cette étape de filtrage.
  • On notera aussi que le filtrage passe-bande pourra être adapté en définissant une seule étape de filtrage combinant les filtrages passe-haut et passe-bas.
  • Dans un autre mode de réalisation, le filtrage passe-bande pourra être réalisé de façon équivalente dans le domaine temporel (comme dans le bloc 112 de la figure 1) avec différents coefficients de filtre selon le débit, après une étape de DCT inverse. Cependant, on notera qu'il est avantageux de réaliser cette étape directement dans le domaine fréquentiel car le filtrage est effectué dans le domaine de l'excitation LPC et donc les problèmes de convolution circulaire et d'effets de bord sont très limités dans ce domaine.
  • Le bloc 502 de transformée inverse réalise une DCT inverse sur 320 échantillons pour trouver le signal haute-fréquence échantillonnée à 16 kHz. Sa mise en œuvre est identique au bloc 510, car la DCT-IV est orthonormée, sauf que la longueur de la transformée est de 320 au lieu de 256, et on obtient: u HB n = ∑ k = 0 N 16 k − 1 U HB 3 k cos π N 16 k k + 1 2 n + 1 2
    Figure imgb0036
     où n 16 k = 320 et k = 0 , ⋯ , 319 .
    Figure imgb0037
  • Dans le cas où le bloc 510 n'est pas une DCT, mais une autre transformation ou décomposition en sous-bandes, le bloc 502 réalise la synthèse correspondante à l'analyse réalisée dans le bloc 510.
  • Le signal échantillonné à 16 kHz est ensuite de façon optionnelle mis à l'échelle par des gains définis par sous-trame de 80 échantillons (bloc 504).
    Dans un mode de réalisation privilégié, on calcule d'abord (bloc 503) un gain gHB1(m) par sous-trame par des ratios d'énergie des sous-trames tel que dans chaque sous-trame d'indice m=0, 1, 2 ou 3 de la trame courante: g HB 1 m = e 3 m e 2 m
    Figure imgb0038
     où e 1 m = ∑ n = 0 63 u n + 64 m 2 + ε
    Figure imgb0039
     e 2 m = ∑ n = 0 79 u HB n + 80 m 2 + ε
    Figure imgb0040
     e 3 m = e 1 m ∑ n = 0 319 u HB n 2 + ε ∑ n = 0 255 u n 2 + ε
    Figure imgb0041
     avec ε = 0.01. On peut écrire le gain par sous-trame g HB1(m) sous la forme : g HB 1 m = ∑ n = 0 63 u n + 64 m 2 + ε ∑ n = 0 255 u n 2 + ε ∑ n = 0 79 u HB n + 80 m 2 + ε ∑ n = 0 319 u HB n 2 + ε
    Figure imgb0042
     ce qui montre qu'on assure dans le signal uHB le même ratio entre énergie par sous-trame et énergie par trame que dans le signal u(n).
    Le bloc 504 effectue la mise à l'échelle du signal combiné (comprise dans l'étape E404a de la figure 4) selon l'équation suivante: u HB ′ n = g HB 1 m u HB n , n = 80 m , ⋯ , 80 m + 1 − 1
    Figure imgb0043
  • On notera que la réalisation du bloc 503 diffère de celle du bloc 101 de la figure 1, car l'énergie au niveau de la trame courante est prise en compte en plus de celle de la sous-trame. Cela permet d'avoir le ratio de l'énergie de chaque sous-trame par rapport à l'énergie de la trame. On compare donc des ratios d'énergie (ou énergies relatives) plutôt que les énergies absolues entre bande basse et bande haute.
  • Ainsi, cette étape de mise à l'échelle permet de conserver dans la bande haute le ratio d'énergie entre la sous-trame et la trame de la même façon que dans la bande basse.
    De façon optionnelle, le bloc 506 effectue ensuite la mise à l'échelle du signal (comprise dans l'étape E404a de la figure 4) selon l'équation suivante: u HB " n = g HB 2 m u HB ′ n , n = 80 m , ⋯ , 80 m + 1 − 1
    Figure imgb0044
     où le gain g HB2(m) est obtenu à partir du bloc 505 en exécutant les blocs 103, 104 et 105 du codec AMR-WB (l'entrée du bloc 103 étant l'excitation décodée en bande basse, u(n)). Les blocs 505 et 506 sont utiles pour ajuster le niveau du filtre de synthèse LPC (bloc 507), ici en fonction du tilt du signal. D'autres méthodes de calcul du gain g HB2(m) sont possibles sans changer la nature de l'invention.
  • Enfin, le signal, uHB'(n) ou uHB"(n), est filtrée par le module de filtrage 507 qui peut être réalisé ici en prenant comme fonction de transfert 1/Â(z/γ), où γ=0.9 à 6.6 kbit/s et γ=0.6 aux autres débits, ce qui limite l'ordre du filtre à l'ordre 16.
    Dans une variante, ce filtrage pourra être réalisé de la même façon que ce qui est décrit pour le bloc 111 de la figure 1 du décodeur AMR-WB, cependant l'ordre du filtre passe à 20 au débit de 6.6, ce qui ne change pas de façon significative la qualité du signal synthétisé. Dans une autre variante, on pourra effectuer le filtrage de synthèse LPC dans le domaine fréquentiel, après avoir calculé la réponse en fréquence du filtre mis en œuvre dans le bloc 507.
  • Dans des variantes de réalisation de l'invention, le codage de la bande basse (0-6.4 kHz) pourra être remplacé par un codeur CELP autre que celui utilisé dans AMR-WB, comme par exemple le codeur CELP dans G.718 à 8 kbit/s. Sans perte de généralité d'autres codeurs en bande élargie ou fonctionnant à des fréquences supérieurs à 16 kHz, dans lesquels le codage de la bande basse fonctionne à une fréquence interne à 12.8 kHz pourraient être utilisés. Par ailleurs, l'invention peut être adaptée de façon évidente à d'autres fréquences d'échantillonnage que 12.8 kHz, lorsqu'un codeur de basses fréquences fonctionne à une fréquence d'échantillonnage inférieure à celle du signal original ou reconstruit. Lorsque le décodage en bande basse n'utilise pas de prédiction linéaire, on ne dispose pas d'un signal d'excitation à étendre, dans ce cas on pourra réaliser une analyse LPC du signal reconstruit dans la trame courante et on calculera une excitation LPC de manière à pouvoir appliquer l'invention.
  • Enfin, dans une autre variante de l'invention, l'excitation ou le signal bande basse ( u(n)) est ré-échantillonnée, par exemple par interpolation linéaire ou "spline" cubique, de 12.8 à 16 kHz avant transformation (par exemple DCT-IV) de longueur 320. Cette variante a le défaut d'être plus complexe, car la transformée (DCT-IV) de l'excitation ou du signal est alors calculée sur une plus grande longueur et le ré-échantillonnage n'est pas effectué dans le domaine de la transformée.
  • De plus, dans des variantes de l'invention, tous les calculs nécessaires à l'estimation des gains (GHBN , g HB1(m), gHB2 (m), gHBN ,...) pourront être effectués dans un domaine logarithmique.
  • La figure 6 représente un exemple de réalisation matérielle d'un dispositif de d'extension de bande 600 selon l'invention. Celui-ci peut faire partie intégrante d'un décodeur de signal audiofréquence ou d'un équipement recevant des signaux audiofréquences décodés ou non.
  • Ce type de dispositif comporte un processeur PROC coopérant avec un bloc mémoire BM comportant une mémoire de stockage et/ou de travail MEM.
    Un tel dispositif comporte un module d'entrée E apte à recevoir un signal audio décodé ou extrait dans une première bande de fréquence dite bande basse ramené dans le domaine fréquentiel (U(k)). Il comporte un module de sortie S apte à transmettre le signal d'extension dans une deuxième bande de fréquence (U HB2(k)) par exemple à un module de filtrage 501 de la figure 5.
  • Le bloc mémoire peut avantageusement comporter un programme informatique comportant des instructions de code pour la mise en œuvre des étapes du procédé de d'extension de bande au sens de l'invention, lorsque ces instructions sont exécutées par le processeur PROC, et notamment les étapes d'extraction (E402) de composantes tonales et d'un signal d'ambiance à partir d'un signal issu du signal bande basse décodé (U(k)), de combinaison (E403) des composantes tonales (y(k)) et du signal d'ambiance (UHBA (k)) par mixage adaptatif utilisant des facteurs de contrôle de niveau d'énergie pour obtenir un signal audio, dit signal combiné (U HB2(k)), d'extension (E401a) sur au moins une deuxième bande de fréquence supérieure à la première bande de fréquence du signal décodé bande basse avant l'étape d'extraction ou du signal combiné après l'étape de combinaison.
  • Typiquement, la description de la figure 4 reprend les étapes d'un algorithme d'un tel programme informatique. Le programme informatique peut également être stocké sur un support mémoire lisible par un lecteur du dispositif ou téléchargeable dans l'espace mémoire de celui-ci.
  • La mémoire MEM enregistre de manière générale, toutes les données nécessaires à la mise en œuvre du procédé.
  • Dans un mode possible de réalisation, le dispositif ainsi décrit peut également comporter les fonctions de décodage bande basse et autre fonctions de traitement décrites par exemple en figure 5 et 3 en plus des fonctions d'extension de bande selon l'invention.

Claims (9)

  1. Procédé d'extension de bande de fréquence d'un signal audiofréquence lors d'un processus de décodage ou d'amélioration comportant une étape d'obtention du signal décodé dans une première bande de fréquence dite bande basse, le procédé comportant les étapes suivantes effectuées dans le domaine fréquentiel:
    - extraction (E402) de composantes tonales et d'un signal d'ambiance à partir d'un signal issu du signal bande basse décodé;
    - combinaison (E403) des composantes tonales et du signal d'ambiance par mixage adaptatif utilisant des facteurs de contrôle de niveau d'énergie pour obtenir un signal combiné;
    - extension (E401a) sur au moins une deuxième bande de fréquence supérieure à la première bande de fréquence du signal décodé bande basse avant l'étape d'extraction ou du signal combiné après l'étape de combinaison ;
    - synthèse (E404b) d'un signal audio pour ramener dans le domaine temporel :
    - le signal combiné si l'étape d'extension (E401a) est effectuée avant l'étape d'extraction (E402), ou
    - le signal combiné étendu si l'étape d'extension (E401a) est effectuée après l'étape de combinaison (E403) ;
    le procédé étant caractérisé en ce que l'étape d'extraction des composantes tonales et du signal d'ambiance s'effectue selon les étapes suivantes :
    - obtention du signal d'ambiance par le calcul d'une valeur moyenne du spectre du signal bande basse décodé ou décodé et étendu ;
    - obtention des composantes tonales par soustraction du signal d'ambiance calculé, au signal bande basse décodé ou décodé et étendu.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal bande basse décodé est un signal d'excitation bande basse décodé.
  3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que un facteur de contrôle du niveau d'énergie utilisé pour le mixage adaptatif, est calculé en fonction de l'énergie totale du signal bande basse décodé ou décodé et étendu et des composantes tonales.
  4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal bande basse décodé subit une étape de décomposition en sous-bandes par transformée ou par banc de filtres, les étapes d'extraction et de combinaison s'effectuant alors dans le domaine fréquentiel ou en sous-bandes.
  5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d'extension du signal bande basse décodé est effectuée selon l'équation suivante: U HB 1 k = { 0 k = 0 , ⋯ , 199 U k k = 200 , ⋯ , 239 U k + start _ band − 240 k = 240 , ⋯ , 319
    Figure imgb0045
     avec k l'indice de l'échantillon, U(k) le spectre du signal bande basse décodé obtenu après une étape de transformée, UHB1 (k) le spectre du signal étendu, et start_band une variable prédéfinie.
  6. Dispositif d'extension de bande de fréquence d'un signal audiofréquence le signal ayant été décodé dans une première bande de fréquence dite bande basse, le dispositif comportant:
    - un module d'extraction (512), dans le domaine fréquentiel, de composantes tonales et d'un signal d'ambiance à partir d'un signal issu du signal bande basse décodé ;
    - un module de combinaison (513), dans le domaine fréquentiel, des composantes tonales et du signal d'ambiance par mixage adaptatif utilisant des facteurs de contrôle de niveau d'énergie pour obtenir un signal combiné;
    - un module d'extension (511) dans le domaine fréquentiel sur au moins une deuxième bande de fréquence supérieure à la première bande de fréquence mis en œuvre sur le signal décodé bande basse avant le module d'extraction ou sur le signal combiné après le module decombinaison,
    - un module de synthèse (502) d'un signal audio pour ramener dans le domaine temporel :
    • -le signal combiné si le module d'extension (511) est mis en œuvre avant le module d'extraction (512), ou
    • le signal combiné étendu si le module d'extension (511) est mis en œuvre après le module de combinaison (513);
    le dispositif étant caractérisé en ce que le module d'extraction des composantes tonales et du signal d'ambiance est configuré pour
    - obtenir du signal d'ambiance par le calcul d'une valeur moyenne du spectre du signal bande basse décodé ou décodé et étendu ;
    - obtenir des composantes tonales par soustraction du signal d'ambiance calculé, au signal bande basse décodé ou décodé et étendu.
  7. Décodeur de signal audiofréquence caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'extension de bande de fréquence conforme à la revendication 6.
  8. Programme informatique comportant des instructions de code pour la mise en œuvre des étapes du procédé d'extension de bande de fréquence selon l'une des revendications 1 à 5, lorsque ces instructions sont exécutées par un processeur.
  9. Support de stockage lisible par un dispositif d'extension de bande de fréquence sur lequel est enregistré un programme informatique comprenant des instructions de code pour l'exécution des étapes du procédé d'extension de bande de fréquence selon l'une des revendications 1 à 5.
EP15705687.0A 2014-02-07 2015-02-04 Extension ameliorée de bande de fréquence dans un décodeur de signaux audiofréquences Active EP3103116B1 (fr)

Priority Applications (8)

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