组合换位滤波器组的过采样的制作方法

组合换位滤波器组的过采样的制作方法
【专利摘要】本发明涉及组合换位滤波器组的过采样。描述了一种用于对于音频信号产生高频分量的系统，其包括：分析窗单元，用于对音频信号应用长度为LA个样本的分析窗；M阶的分析变换单元，具有频率分辨率Δf，用于将LA个样本变换为M个复数系数；非线性处理单元，用于通过使用换位阶T来改变复数系数的相位；M阶的分析变换单元，具有频率分辨率QΔf，用于将经改变的系数变换为时域样本；以及合成窗单元，用于将长度为LS个样本的合成窗应用于时域样本；其中变换阶M依赖于换位阶T、分析窗尺寸LA、和合成窗尺寸Ls。
【专利说明】组合换位滤波器组的过采样
[0001]本分案申请是基于申请号为201080043407.2 (国际申请号为PCT/EP2010/057156),申请日为2010年5月25日，发明名称为“组合换位滤波器组的过采样”的中国专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及音频信号的编码,尤其涉及包括频域谐波换位器(transposer)的高频重建方法。
【背景技术】
[0003]HFR技术(例如谱带复制(SBR)技术)使得能够显著提高传统感知音频编解码器的编码效率。与MPEG-4高级音频编码(AAC)组合，HFR技术形成非常高效的音频编解码器，其已用在XM卫星无线电系统和全球数字无线电系统(Digital RadioMondiale)中，而且还在3GPP、DVD论坛和其他组织中得到标准化。AAC与SBR的组合被称作aacPlus。它是MPEG-4标准的一部分，其中其被称作高效AAC规格(HE-ACC)。通常，HFR技术可被以后向兼容以及前向兼容的方式与任何感知音频编解码器组合，因此提供了升级已建立的广播系统(类似于Eureka DAB系统中使用的MPEG层-2)的可能性。HFR换位方法也可以与语音编解码器组合以允许超低比特率的宽带语音。
[0004]HFR背后的基本理念是观测到信号的高频率范围的特性与同一信号的低频率范围的特性之间通常存在强相关性。因此，通过从低频率范围至高频率范围的信号换位可以实现对于信号的原始输入高频率范围的表示的良好近似。
[0005]在通过引用并入的W098/57436中，此换位概念建立作为从音频信号的较低频带重建高频带的方法。通过在音频编码和/或语音编码中使用此概念，可以获得比特率的显著节省。下文中，将参考音频编码，但应当注意，所描述的方法和系统同样可应用于语音编码和统一的语音和音频编码(USAC)中。
[0006]在基于HFR的音频编码系统中，低带宽信号被提供给用于编码的核心波形编码器，使用附加辅助信息和该低带宽信号的换位在解码器侧再生较高频率，该附加辅助信息通常以非常低的比特率被编码并且描述目标谱形状。对于经核心编码的信号的带宽窄的低比特率，再现或合成具有感知愉悦特性的高频带(即音频信号的高频率范围)变得愈加重要。
[0007]谐波HFR方法存在的潜在问题中的一个是，为了获得稳定声音的高质量换位的预期的高频分辨率和系统对于瞬态声音或震音的时间响应的相反的约束。换句话说，虽然使用高频率分辨率对稳定信号的换位有利，但是这样的高频分辨率通常需要大的窗尺寸，而这在处理信号的瞬态部分时是有害的。处理该问题的一个方法可根据输入信号特性例如通过使用窗切换来自适应地改变换位器的窗。典型地，将对信号的稳定部分使用长窗以便实现高频率分辨率，而对于信号的瞬态部分使用短窗以便实现换位器良好的瞬态响应、即良好的时间分辨率。但是，该方法具有的缺点在于，不得不将信号分析措施诸如瞬态检测或类似措施并入换位系统中。这样的信号分析措施常常涉及触发信号处理的切换的判定步骤，例如对瞬态的存在的判定。此外，这样的措施通常影响系统的可靠性，以及当切换信号处理时，例如当在窗尺寸之间切换时，这样的措施可能引入信号伪像。
[0008]为了实现改进的音频质量以及为了合成高频带信号的所需带宽，谐波HFR方法通常采用若干换位阶(transposition order)。为了实施具有不同的换位阶的多个换位,现有技术的解决方案在分析级中或在合成级中或在这两个级中需要多个滤波器组。通常，针对各不同的换位阶需要不同的滤波器组。此外，在核心波形编码器以低于最终输出信号的采样率的采样率运行的情况下，通常还需要将核心信号转化为输出信号的采样率，且通常通过添加又一个滤波器组实现核心信号的此上取样。总而言的，计算的复杂度随不同换位阶的增加而显著增大。
[0009]本发明解决了上述的与谐波换位的瞬态性能有关的以及与计算复杂度相关的问题。因此，以低的追加的复杂度实现改进的谐波换位。

【发明内容】

[0010]根据一个方面，描述了一种被配置用于从信号的低频分量产生该信号的高频分量的系统。该系统可包括分析滤波器组，该分析滤波器组包括具有频率分辨率的分析变换单元。该分析变换单元可以被配置用于执行例如傅里叶(Fourier)变换、快速傅里叶变换、离散傅里叶变换或小波变换。分析滤波器组还可以包括分析窗，该分析窗具有持续时间Daο分析窗可以具有例如高斯(Gaussian)窗；余弦窗；汉明(Hamming)窗；汉宁(Hann)窗；矩形窗；巴特利特(Bartlett)窗；或勃勒克曼(Blackman)窗的形状。分析滤波器组可以被配置用于从信号的低频分量提供一组分析子带信号。
[0011]该系统可包括非线性处理单元，该非线性处理单元被配置用于基于该组分析子带信号的一部分来确定一组合成子带信号，其中通过换位阶T使该组分析子带信号的该部分相移。具体地说，子带信号可以包括复数值，并且相移可包括将复数子带值的相位乘以阶T。
[0012]该系统可包括合成滤波器组，该合成滤波器组包括具有频率分辨率Q Af的合成变换单元。合成变换单元可以被配置用于执行与分析变换单元所执行的变换对应的逆变换。此外，合成滤波器组可以包括具有持续时间Ds且具有上文列举的形状中的任何一个的合成窗。Q为频率分辨率因子，Q > I且小于换位阶T。在特定实施方案中，频率分辨率因子选为Q>1。合成滤波器组可以被配置用于从该组合成子带信号产生信号的高频分量。
[0013]通常，基于频率分辨率因子Q选择分析滤波器组的频率分辨率Λ f与持续时间Da
的乘积的值。特别地，乘积ΔfDA可与1/Q+1成比例。在一个实施方案中,乘积AfDA的值小
于或等于2/Q+1。此外，乘积ΔfD可大于2/T+1分析滤波器组的乘积值可等于合成
滤波器组的乘积Q Δ fDs的值。通过根据上述规则中的任何一个选择分析和/或合成滤波器组，可减小或完全去除信号瞬态上的由谐波换位所导致的假象，同时允许谐波换位器的计算复杂度降低。
[0014]系统还可以包括第二非线性处理单元，该第二非线性处理单元被配置用于使用第二换位阶1~2从该组分析子带信号确定第二组合成子带信号；其中基于该组分析子带信号的一部分确定第二组合成子带信号以及其中通过第二换位Mt2使该组分析子带信号的该部分相移。换位阶τ与第二换位阶T2可以不同。系统还可以包括组合单元，该组合单元被配置用于组合该组合成子带信号与该第二组合成子带信号；从而产生组合的一组合成子带信号作为到合成滤波器组的输入。组合单元可被配置用于将来自该组合成子带信号与该第二组合成子带信号的对应子带信号进行相加和/或平均。换句话说，组合单元可被配置用于叠加对应于交叠频率范围的该组合成子带信号和该第二组合成子带信号的合成子带信号。
[0015]在一个实施方案中，分析滤波器组可以具有Ka个分析子带，KA>1，其中k为分析子带指数，k=0,...，Ka-1。合成滤波器组可以具有Ns个合成子带，Ns>0,其中η为合成子带指数，n=0，...，NS-1。在此情况下，非线性处理单元可以被配置用于从该组分析子带信号的第k个分析子带信号与第k+Ι个分析子带信号确定该组合成子带信号的第η个合成子带信号。特别地，非线性处理单元可以被配置用于确定第η个合成子带信号的相位为第k个分析子带信号的经移位的相位与第k+Ι个分析子带信号的经移位的相位之和。此外，非线性处理单元可以被配置用于确定第η个合成子带信号的量值为第k个分析子带信号的经取幂的量值与第k+Ι个分析子带信号的经取幂(exponentiate)的量值的乘积。
[0016]对于具有合成子带指数η的合成子带作贡献(contribution)的分析子带信号的
分析子带指数k可以由对表达式截取(truncate)而取得的整数给出；其中余数r可由
*/7-λ给出。在此情况下，非线性处理单元可以被配置用于确定第η个合成子带信号的相
位为第k个分析子带信号的相位乘以T (Ι-r)与第k+Ι个分析子带信号的相位乘以T(r)之和，即通过执行相位的线性内插来进行确定。此外，非线性处理单元可以被配置用于确定第η个合成子带信号的量值为第k个分析子带信号的量值的(Ι-r)次幂与第k+Ι个分析子带信号的量值的r次幂的乘积，即通过确定量值的几何平均数进行确定。
[0017]分析滤波器组与合成滤波器组可偶堆叠，使得分析子带的中心频率由kAf给出并且合成子带的中心频率由nQAf给出。在一个替代实施方案中，分析滤波器组与合成滤
波器组可以奇堆叠，使得分析子带的中心频率由
【权利要求】
1.一种用于对于音频信号产生高频分量的系统，包括: -分析窗单元，用于对音频信号应用长度为La个样本的分析窗(611)； -M阶的分析变换单元(601 )，具有频率分辨率Λ f，用于将La个样本变换为M个复数系数；
2.根据权利要求1所述的系统,其中变换阶M为:M=F.Ls并且其中
3.根据权利要求2所述的系统，其中F。

4.根据权利要求1一 3中的任一项所述的系统，其中变换阶M满足:M
5.根据前述任一权利要求所述的系统，其中 -所述分析变换单元(601)执行傅立叶变换、快速傅立叶变换、离散傅立叶变换、小波变换中的一个；并且 -所述合成变换单元(602)执行相应的逆变换。
6.根据前述任一权利要求所述的系统，其中所述分析窗(611)和/或合成窗(612)是下列中的一个: -高斯窗； -余弦窗； -汉明窗； -汉宁窗； -矩形窗； -巴特利特窗； -勃勒克曼窗。
7.根据前述任一权利要求所述的系统，进一步包括: -第二非线性处理单元(502)，用于通过使用第二换位阶T2改变所述复数系数的相位；其中所述换位阶T和所述第二换位阶T2不同；以及 -组合单元(503)，其被配置用于组合通过所述换位阶T和所述第二换位阶T2改变的复数系数，作为所述合成变换单元(602)的输入。
8.根据权利要求7所述的系统，其中: -所述组合单元(503)被配置用于叠加对应于交叠频率范围的通过所述换位阶T和所述第二换位阶T2改变的复数系数。
9.根据前述任一权利要求所述的系统，其中: -所述音频信号的采样率为fA; -所述分析窗(611)沿着所述音频信号移位AsaA样本的分析跃距尺寸；-所述分析变换单元(601)的频率分辨率
10.根据前述任一权利要求所述的系统，其中: -所述高频分量的采样率为fs=QfA ； -所述合成窗(612)沿着所述高频分量移位△ ss个样本的合成跃距尺寸； -所述合成变换单元(602)的频率分辨率
11.根据前述任一权利要求所述的系统，其中所述系统被用于统一的语音和音频编码或解码。
12.一种对于音频信号产生高频分量的方法，所述方法包括: -对音频信号应用长度为La个样本的分析窗(611); -使用M阶的频率分辨率为△ f的分析变换将La个样本变换为M个复数系数； -通过使用换位阶T改变所述复数系数的相位； -使用M阶的频率分辨率为QA f的合成变换将经改变的系数变换为时域样本；以及 -将长度为Ls个样本的合成窗(612)应用于时域样本； 其中变换阶M依赖于换位阶T、分析窗尺寸La、和合成窗尺寸Ls。
13.一种用于设计用于对于音频信号产生高频分量的换位器的方法，所述方法包括: -提供分析窗单元，所述分析窗单元用于对音频信号应用长度为La个样本的分析窗(611)； -提供M阶的具有频率分辨率Λ f的分析变换单元(601)，所述分析变换单元(601)用于将La个样本变换为M个复数系数； -提供非线性处理单元(643、644、650)，所述非线性处理单元(643，644，650)用于通过使用换位阶T改变所述复数系数的相位； -提供M阶的具有频率分辨率QAf的合成变换单元(602)，所述合成变换单元(602)用于将经改变的系数变换为时域样本； -提供合成窗单兀，所述合成窗单兀用于将长度为Ls个样本的合成窗(612)应用于时域样本；和 -基于换位阶T、分析窗尺寸La、和合成窗尺寸Ls来选择变换阶M。
【文档编号】G10L21/02GK103559889SQ201310423103
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2010年5月25日 优先权日:2009年10月21日
【发明者】L·威勒姆斯, P·埃斯特兰德 申请人:杜比国际公司