在用于音频信号的基于相角声码器的带宽扩展中改善的幅值响应和时间对准的制作方法

专利名称：在用于音频信号的基于相角声码器的带宽扩展中改善的幅值响应和时间对准的制作方法
技术领域：
背景技术：
利用相角声码器[1-3]或其它用于时间或音高修改演绎法则的技术，例如同步化重迭加法(S0LA)，音频信号例如可就回放速率做修改，其中保留原先音高。此外，这些方法可用来进行信号变换，同时维持原始回放持续时间。后者可通过下述方式实现使用整数因子延伸该音频信号，随后，施加相同因子调整经延伸的信号的回放速率。对于时间离散信号，假设取样率维持不变，则后者对应于时间延伸音频信号有关该延伸因子的向下取样。基于例如[4-5]的带宽扩展方法的相角声码器取决于所需要的总带宽，而产生可变数目的频带受限制的子带(补丁)，其加总形成具有所需总带宽的和(sum)信号。由相角声码器应用所得的单一补丁的时间对准变成特殊挑战。一般而言，这些补丁具有不同持续时间的时间延迟。原因在于相角声码器的窗设置在取决于延伸因素的固定中继段(hop)大小，因此每一个体补丁具有预定的持续时间的延迟。这导致带宽扩展的和信号的频率选择性时间延迟。由于这种频率选择性延迟影响总体信号的垂直相干性性质，其对带宽扩展方法的瞬时响应产生负面影响。考虑个体补丁，出现另一项挑战，缺乏交叉频率相干性对相角声码器的幅值响应造成负面影响。

发明内容
本发明的目的是提出一种用于产生带宽扩展的音频信号，其提供改进的音频质量的构想。该目的通过根据权利要求1中的用于产生带宽扩展的音频信号的装置、根据权利要求19中的用于产生带宽扩展的音频信号的方法或根据权利要求20的计算机程序而实现。—种用于由输入信号产生带宽扩展的音频信号的装置包括用于由该输入信号产生一个或多个补丁信号的补丁产生器。该补丁产生器被配置用以对来自分析滤波器组的子带信号执行时间延伸，且还包括用以使用取决于滤波器组-通道的相角校正调整子带信号的相角的相角调整器。本发明的又一优点为避免由用于带宽扩展的相角声码器类似结构或用于带宽扩展的其它结构通道对幅值响应所导入的负面冲击。本发明的又一优点为获得例如利用相角声码器或相角声码器类似结构而形成个体补丁的最佳化幅值响应。在又一实施例中，也可解决个体(individual)补丁的时间对准的问题，但可施加在补丁内的相角校正，亦即在使用一个且同一变换(transposition)因子处理的子带信号中的相角校正，有或无对补丁整体内的全部子带信号有价值的时间校正。本发明的实施例为一种利用相角声码器所形成的单一补丁的幅度响应及时间对准最佳化的新颖方法。这种方法基本上包括在复杂调制滤波器组实现中对变换子带的相角校正的选择，及包括因具有不同变换因子的相角声码器所导致的将额外时间延迟导入单一补丁。导引至特定补丁的额外延迟的持续时间取决于所施加的变换因子且可经理论上测定。可选地，延迟经调整使得施加狄拉克(Dirac)脉冲输入信号，在频谱图表示型态，每个补丁的经变换的狄拉克脉冲的时间重心对准同一个时间位置。许多方法通过单一变换因子进行音频信号的变换，诸如相角声码器。若须组合若干经变换信号，则可校正不同输出信号间的时间延迟。各补丁间的正确垂直对准为这些演绎法则的有用的但非必要部分。只要不考虑瞬时(transients)则如此无害。本领域现况参考文献尚未能解决不同补丁的正确对准问题。利用相角声码器的频谱变换并未保证保护(preserve)瞬时的垂直相干性。此外，在高频率频带出现后回声，原因在于在相角声码器所利用的重迭加法以及促成和(sum)信号的单一补丁的不同时间延迟。因此期望对准各补丁，使得带宽扩展参数后处理可探勘各补丁间的更佳垂直对准。藉此使得涵盖回声前至回声后的整个时间跨幅变成最小化。相角声码器通过在复杂调制滤波器组的分析/合成对域内子带样本的乘法整数相角调制而典型地实现。此程序并未自动保证来自各合成子带的所得输出贡献的相角的适当对准，如此导致相角声码器的非平坦幅值响应。此缺陷导致变换慢正弦扫掠的时间变化幅值。就一般音频的音频质量而言，缺点为输出信号被调制效应着色。


后文将就附图讨论本发明的优选实施例，附图中图1示出低通滤波狄拉克脉冲的频谱图；图2示出以变换因子2、3及4的业界现况狄拉克脉冲变换的频谱图；图3示出以变换因子2、3及4作狄拉克脉冲的时间对准变换的频谱图；图4示出以变换因子2、3及4作狄拉克脉冲的时间对准变换及延迟调整的频谱图；图5示出具有不良调整相角(phase)的慢正弦扫掠的时间图；图6示出具有较佳相角校正的慢正弦扫掠的变换；图7示出具有更进一步改良相角校正的慢正弦扫掠的变换；图8示出根据实施例的一种带宽扩展系统；图9示出用以处理单一子带信号的处理实现的另一实施例；图10示出说明一实施例，此处显示非线性子带处理及在一子带域内部的随后波封调整；图1la及Ilb示出说明第10图的非线性子带处理的又一实施例；图12示出用以选择子带通道相依性相角校正的不同实施例；图13示出相角调整器的实施例；图14a示出说明一分析滤波器组允许非取决于变换因子的相角校正的实现细节；以及图14b示出说明一分析滤波器组要求取决于变换因子的相角校正实现细节。
具体实施例方式本案提出在带宽扩展的情况下及在与带宽扩展不相关的其它音频应用的情况下用以处理音频信号的装置、方法或计算机程序的不同方面。下文描述的及所要求的个体方面的特征可部分组合或完整组合，但也可彼此分开使用，原因在于个体方面当在计算机系统或微处理器实现时已经提供了有关知觉质量、运算复杂度及处理器/内存资源等的优点。·
实施例采用由相角声码器所形成的不同谐波补丁的时间对准。该时间对准基于变换(transpose)狄拉克脉冲的重心进行。随后图I示出低通滤波狄拉克脉冲的频谱图因而具有有限带宽。此信号用作用于该变换的输入信号。通过借助于相角声码器变换此狄拉克脉冲，将频率选择性延迟导入所得子带。这些的持续时间取决于所利用的变换因子(transposition factor)。随后,具有变换因子2、3及4的狄拉克脉冲的变换示例性地示出于图2。频率选择性延迟通过将额外的个体时间延迟插入各个所得补丁而予补偿。通过方式，对准每个单一子带使得在每个补丁的狄拉克脉冲重心系位于与最高补丁中的狄拉克脉冲重心的相同位置。对准基于最高补丁进行，原因在于其通常具有最高时间延迟。应用本发明的延迟补偿，对频谱图内部的全部补丁而言，狄拉克脉冲重心位于相同时间位置。此种结果所得信号的表示型态如图3所示。如此导致整个瞬时能扩展的最小化。最终，需要额外补偿变换高频区与原先输入信号间的其余时间延迟。为了达成此项目的，输入信号也可延迟，使得事先已经对准某个时间位置的经变换的狄拉克脉冲重心(center of gravity)与频带受限制的狄拉克脉冲的时间位置匹配。随后,所得信号的频谱图示出于图4。对所述方法的应用，相角声码器用作为带宽扩展方法的基本组件在时域实现还是在滤波器组表示型态(例如，在PQMF滤波器组)内部实现无关紧要。使用SOLA技术，瞬时主观音频质量因重迭加法而受回声效应损害，而在瞬时满足垂直相干性标准。可能地，单一补丁重心位置略为偏离最高补丁的实际重心在屏蔽前或屏蔽后的范围内。以幅值响应表示的经不良调整的相角声码器结果在图5通过输出信号而例示说明，其是对应于恒定幅值的正弦扫掠输入。如图可知，在该输出中有强力幅值变化甚至抵消。来自经略佳调整的相角声码器的输出信号在图6中绘出。以复合调制滤波器组为基础的相角声码器内操作为子带样本的乘法相角修改。输入时域正弦曲线导致下述形式的复合值子带信号的极佳预测( VJco) exp [i{toq 丨/￠. -I- 9.,)]此处Co为正弦曲线的频率，n为子带指数，k为子带时隙指数，qA为分析滤波器组的时间跨幅，c为复合常数，为滤波器组原型滤波器的频率响应，及en为所关注的相角项特征，以要求变实数值定义。对典型正交镜像滤波器组(QMF)滤波器组设计，其可推定为正值。当相角修改时，典型结果则具有下述形式 Dv., (co) exp [i(7'cocisk + TO,)]此处T为变换次幂，及qs为分析滤波器组的时间跨幅。因合成滤波器组典型地被选择为分析滤波器组的镜像，适当正弦曲线合成要求此种最末表示型态对应正弦曲线的分析子带。未能符合此种情况将导致如图5所示的幅值调制。本发明的一实施例基于下式而使用加法后修改相角校正A 0n=(l-T) 9n此将未经修改的子带信号映射至具有期望的交叉子带相角演进。
权利要求
1.一种用于由输入信号产生带宽扩展的音频信号的装置，包括 补丁产生器(82,102a, 102b),用于由所述输入信号产生一个或多个补丁信号，其中补丁信号具有与不同补丁的补丁中心频率不同的或与输入音频信号的中心频率不同的补丁中心频率， 其中，所述补丁产生器(82，102a，102b)被配置用于对来自分析滤波器组(101)的子带信号执行时间延伸(90a，90b，90c ；1808 ;130)，以及 其中，所述补丁产生器(82，102a, 102b)包括用于使用取决于滤波器组-通道的相角校正(151，152，153)调整所述子带信号的相角的相角调整器(1806，124a，124b，124c)。
2.根据权利要求I所述的装置，其中，所述相角调整器(124a，124b，124c，1806)被配置为选择所述相角校正(151，152，153)，使得由滤波器组设计所导入的信号的幅值变化减少或消除。
3.根据权利要求I或2所述的装置，其中，所述相角调整器(124a，124b，124c,1806)被配置为施加所述相角校正(151，152，153)，所述相角校正与所述子带信号独立无关。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述相角调整器(124a，124b，124c，1806)被配置为根据所施加的变换因子(143)而额外地施加取决于信号的相角校正。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述补丁产生器(82，102a，102b)被配置为用于执行针对块的处理，包括 块抽取器(1800，120a，120b，120c)，用于使用块先行值(e)从所述子带信号提取随后的数值块； 所述相角调整器(124a，124b，124c，1806);以及 重迭-加法处理器(1808，130 )，其中，所述重迭-加法处理器被配置用于施加比所述块先行值大的块先行值(k · e)来获得所述时间延伸。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述块抽取器(120b，120c)被配置为额外地根据变换因子T执行降采样运算，并且在非整数降采样运算的情况下执行内插。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述相角调整器(124a，124b，124c，1806)被配置为施加相角校正(153)，所述相角校正包括π C (k+1/2) 其中，k指示滤波器组通道，C为2至4之间的实数。
8.根据权利要求5所述的装置，其中，所述补丁产生器(82，102a,102b)进一步包括用于使用窗函数对块开窗的开窗器(126a, 126b, 126c, 1802)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置被配置用于使用至少两个变换因子T执行频宽扩展，其中，所述补丁产生器被配置为 对第一变换因子， 使用块先行值且使用不含或运用第一降采样因子的第一降采样来抽取(120a，120b)； 对子带样本块的所述样本进行相角调整； 零填充相角调整块至一定长度以获得第一变换信号；对第二变换因子， 当已经执行第一降采样时，使用块先行值且使用运用比所述第一降采样因子大的第二降采样因子的降采样进行抽取； 对子带样本块的所述样本进行相角调整；以及零填充所述相角调整块至一定长度以获得第二变换信号； 将所述第一变换信号和所述第二变换信号以逐样本的方式添加以获得变换块；以及 使用比所述块先行值大的先行值来重迭-加法(130)随后的变换因子以获得变换子带信号。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，进一步包括 高频重建处理器(103)，用于在对所述子带信号施加相角校正而获得经调整的子带信号后，施加高频重建参数(104 )给所述子带信号。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，进一步包括合成滤波器组(105)，所述合成滤波器组(105)具有比所述分析滤波器组(101)的子带间隔大的子带间隔。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述补丁产生器(82，102a，102b)包括用于由低频带信号产生所述子带信号的分析滤波器组(101)，其中，所述分析滤波器组(101)为具有相角转动的正交镜像滤波器组，其中，所述相角校正取决于所述变换因子。
13.根据权利要求I至11中任一项所述的装置，其中，所述分析滤波器组(101)为QMF滤波器组，且被配置为施加相角转动，使得相角校正(153)与用于产生所述一个或多个补丁信号所使用的变换因子独立无关。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述补丁产生器包括时间延伸器(92a)，其中所述时间延伸器(92a)包括运用抽取先行值的块抽取器。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述补丁产生器(82，102a，102b)包括时间延伸器(92a)，其中，所述时间延伸器(92a)包括用于具有分析滤波器组的不同通道号的至少两个不同通道的块抽取器、开窗器或相角调整器，以及重迭-加法器， 其中，用于该至少两个通道的各通道的开窗器或相角调整器被配置用于为各通道施加相角调整，所述相角调整取决于所述通道号。
16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述相角调整器被配置用于对取样值块的取样值施加相角调整，所述相角调整为取决于时间延伸量和取决于所述块的实际相角的相角值与作为相角校正的取决于所述通道号的不取决于信号的相角值的组合。
17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述补丁产生器(82，102a，102b)被配置为产生所述一个或多个补丁信号，使得所述输入音频信号与所述一个或多个补丁信号之间的时间未对准或不同补丁信号间的时间未对准减少或消除。
18.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述补丁产生器(82，102a，102b)包括多个补丁器(87a，87b，87c，110a，110b，110c)，至少一个补丁器，具有降采样功能、时间延伸功能；以及补丁校正器，用于将时间校正施加至所述补丁信号，以减少或消除时间未对准。
19.一种用于由输入信号产生带宽扩展的音频信号的方法，所述方法包括下列步骤 由所述输入信号产生一个或多个补丁信号，其中，所述补丁信号具有与不同补丁的补丁中心频率或输入音频信号的中心频率不同的补丁中心频率， 其中，对来自分析滤波器组(101)的子带信号执行时间延伸(90a，90b，90c，1808 ;·130)，以及 其中，使用取决于滤波器组-通道的相角校正(151，152，153)调整(1806，124a，124b，·124c)所述子带信号的相角。
20.一种计算机程序，所述计算机程序具有程序代码，当所述计算机程序在计算机中运行时，执行根据权利要求19所述的方法。
全文摘要
一种用以由输入信号产生带宽扩展音频信号的装置，包括用以由该输入信号产生一个或多个补丁的补丁产生器，其中，该补丁产生器被配置用来对来自分析滤波器组的子带信号执行时间延伸(1800，1808)，及其中该补丁产生器进一步包括用以使用取决于滤波器组-通道的相角校正来调整子带信号的相角的相角调整器(1806)。
文档编号G10L21/02GK102985970SQ201180023451
公开日2013年3月20日 申请日期2011年3月4日 优先权日2010年3月9日
发明者萨沙·迪施, 福雷德里克·纳格尔, 斯特凡·维尔德, 拉尔斯·维莱蒙斯, 佩尔·埃克斯特兰德 申请人:弗兰霍菲尔运输应用研究公司, 杜比Ab国际公司