DE60317722T2

DE60317722T2 - Verfahren zur Reduzierung von Aliasing-Störungen, die durch die Anpassung der spektralen Hüllkurve in Realwertfilterbanken verursacht werden

Info

Publication number: DE60317722T2
Application number: DE60317722T
Authority: DE
Inventors: Kristofer KJÖRLING; Lars Villemoes
Original assignee: Coding Technologies Sweden AB
Current assignee: Coding Technologies Sweden AB
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2023-08-28
Also published as: US20120284033A1; NO20180181A1; US8108209B2; NO20180074A1; AU2003270114A1; DE60317722D1; US10013991B2; EP1643642A1; NO20180076A1; US8606587B2; NO343510B1; NO343509B1; CA2496665A1; DK1986321T3; HK1077413A1; CA2924913A1; KR100890201B1; CA3040083A1; SE0202770D0; US20090259479A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Systeme, die eine Spektralhüllkurveneinstellung von Audiosignalen unter Verwendung einer reellwertigen Teilbandfilterbank aufweisen. Sie verringert das Aliasing, das eingeführt wird, wenn eine reellwertige Teilbandfilterbank zur Spektralhüllkurveneinstellung verwendet wird. Sie ermöglicht auch eine genaue Energieberechnung für sinusförmige Komponenten in einer reellwertigen Teilbandfilterbank.
Hintergrund der Erfindung
Es wurde in der PCT/SE02/00626 „Aliasing reduction using complex exponential modulated filterbanks", gezeigt, dass eine komplexexponentielle modulierte Filterbank ein hervorragendes Werkzeug für eine Spektralhüllkurveneinstellung von Audiosignalen ist. Bei einer derartigen Vorgehensweise wird die Spektralhüllkurve des Signals durch Energiewerte dargestellt, die bestimmten Filterbankkanälen entsprechen. Durch ein Schätzen der aktuellen Energie in diesen Kanälen können die entsprechenden Teilbandabtastwerte modifiziert werden, um die gewünschte Energie aufzuweisen, und somit wird die Spektralhüllkurve eingestellt. Falls Einschränkungen bezüglich einer Rechenkomplexität die Verwendung einer komplexen exponentiellen modulierten Filterbank verhindern und nur eine kosinusmodulierte (reellwertige) Implementierung ermöglichen, wird ein starkes Aliasing erhalten, wenn die Filterbank zur Spektralhüllkurveneinstellung verwendet wird. Dies ist besonders für Audiosignale mit einer starken Tonalstruktur offensichtlich, bei denen die Aliasing-Komponenten eine Intermodulation mit den ursprünglichen Spektralkomponenten verursachen. Die vorliegende Erfindung bietet dafür eine Lösung, indem Einschränkungen bezüglich der Verstärkungswerte in Abhängigkeit der Frequenz auf eine signalabhängige Weise vorgenommen werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Technik zum Beurteilen, welche Kanäle gekoppelte Verstärkungsfaktoren aufweisen sollen, zu liefern.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung oder ein Verfahren zur Spek gemäß den Ansprüchen 1 oder 7 oder durch ein Computerprogramm gemäß Anspruch 8 gelöst.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Problem einer Intermodulation, die durch ein Aliasing in einer reellwertigen Filterbank eingeführt wird, die zur Spektralhüllkurveneinstellung verwendet wird. Die vorliegende Erfindung analysiert das Eingangssignal und verwendet die erhaltenen Informationen, um die Hüllkurveneinstellungsfähigkeiten der Filterbank durch ein Gruppieren von Verstärkungswerten von benachbarten Kanälen in einer Reihenfolge, die durch die Spektralcharakteristik des Signals zu einer gegebenen Zeit bestimmt wird, einzuschränken. Für eine reellwertige Filterbank, z. B. einen Pseudo-QMF, bei der Übergangsbänder nur mit den nächsten Nachbarn überlappen, kann gezeigt werden, dass aufgrund von Aliasing-Aufhebungseigenschaften das Aliasing unter dem Sperrbereichspegel des Prototypfilters gehalten wird. Falls das Prototypfilter mit einer ausreichenden Aliasing-Unterdrückung konzipiert ist, weist die Filterbank wahrnehmungsmäßig einen perfekten Rekonstruktionstyp auf, obwohl dies in einem streng mathematischen Sinn nicht der Fall ist. Falls jedoch die Kanalverstärkung von benachbarten Kanälen zwischen Analyse und Synthese verändert wird, werden die Aliasing-Aufhebungseigenschaften verletzt, und Aliasing-Komponenten erscheinen hörbar in dem Ausgangssignal. Durch ein Durchführen einer linearen Vorhersage nied riger Ordnung bei den Teilbandabtastwerten der Filterbankkanäle ist es möglich, durch ein Beobachten der Eigenschaften des LPC-Polynoms zu beurteilen,
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nun mittels veranschaulichender Beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine Frequenzanalyse des Frequenzbereichs, der durch Kanal 15 bis 24 einer M-Kanal-Teilbandfilterbank abgedeckt wird, eines ursprünglichen Signals, das mehrere sinusförmige Komponenten enthält. Die Frequenzauflösung der angezeigten Analyse ist absichtlich höher als die Frequenzauflösung der verwendeten Filterbänke, um anzuzeigen, wo in einem Filterbankkanal die Sinusform vorhanden ist;
2 einen Verstärkungsvektor, der die Verstärkungswerte enthält, die an die Teilbandkanäle 15–24 des ursprünglichen Signals anzulegen sind.
3 das Ausgangssignal von der im Vorhergehenden genannten Verstärkungseinstellung bei einer reellwertigen Implementierung;
4 das Ausgangssignal von der im Vorhergehenden genannten Verstärkungseinstellung bei einer komplexwertigen Implementierung;
5 in welcher Hälfte jedes Kanals eine sinusförmige Komponente vorhanden ist;
6 die bevorzugte Kanalgruppierung;
7 das Ausgangssignal von der im Vorhergehenden genannten Verstärkungseinstellung bei einer reellwertigen Implementierung;
8 ein Blockdiagramm;
9 Kombinationen von Analyse- und Synthesefilterbänken.
10 ein Blockdiagramm der Einrichtung zum Untersuchen von 8; und
11 ein Blockdiagramm der Einrichtung zum Verstärkungseinstellen von 8.
Beschreibung von Beispielen
Die im Folgenden beschriebenen Beispiele dienen nur zur Veranschaulichung der Prinzipien der Verbesserung einer Spektralhüllkurveneinstellungsvorrichtung basierend auf einer reellwertigen Filterbank. Es sei darauf hingewiesen, dass Modifizierungen und Variationen der Anordnungen und der Details, die hier beschrieben sind, anderen Fachleuten ersichtlich sein werden. Deshalb soll nur durch den Schutzbereich der beiliegenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Details, die als Beschreibung und Erläuterung präsentiert sind, eingeschränkt sein.
In der folgenden Beschreibung wird ein reellwertiges Pseudo-QMF verwendet, das eine reellwertige Analyse und eine reellwertige Synthese aufweist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass das Aliasing-Problem, dem sich die vorliegende Erfindung widmet, auch bei Systemen mit einer komplexen Analyse und einer reellwertigen Synthese sowie bei jeder beliebigen anderen kosinusmodulierten Filterbank außer dem Pseudo-QMF, das in dieser Beschreibung verwendet wird, auftritt. Die vorliegende Erfindung ist bei derartigen Systemen ebenfalls anwendbar. Bei einem Pseudo-QMF überlappt jeder Kanal im Wesentlichen nur seinen benachbarten Nachbar bezüglich der Frequenz. Die Frequenzantwort der Kanäle ist in den nachfolgenden Figuren durch die gestichelten Linien gezeigt. Dies dient nur zu veranschaulichenden Zwecken, um das Überlappen der Kanäle anzuzeigen, und soll nicht als die tatsächliche Kanalantwort interpretiert werden, die durch das Prototypfilter gegeben wird. In 1 ist die Frequenzanalyse eines ursprünglichen Signals angezeigt. Die Figur zeigt nur den Frequenzbereich an, der durch 15·π/M bis 25·π/M der M-Kanal-Filterbank abgedeckt ist. In der folgenden Beschreibung sind die bezeichneten Kanalnummern von ihrer niedrigen Übergangsfrequenz abgeleitet, somit deckt Kanal 16 den Frequenzbereich 16·π/M bis 17·π/M ab, ausschließlich der Überlappung mit seinen Nachbarn. Falls keine Modifizierung bei den Teilbandabtastwerten zwischen Analyse und Synthese vorgenommen wird, ist das Aliasing durch die Eigenschaften des Prototypfilters begrenzt. Falls die Teilbandabtastwerte für benachbarte Kanäle gemäß einem Verstärkungsvektor modifiziert werden, wie es in 2 angezeigt ist, mit unabhängigen Verstärkungswerten für jeden Kanal, gehen die Aliasing-Aufhebungseigenschaften verloren. Somit zeigt sich eine Aliasing-Komponente in dem Ausgangssignal, die um die Übergangsregion der Filterbankkanäle gespiegelt ist, wie es in 3 angezeigt ist. Dies gilt nicht für eine komplexe Implementierung, wie dieselbe in der PCT/SE02/00626 umrissen ist, bei der das Ausgangssignal, wie es in 4 angezeigt ist, keinen störenden Aliasing-Komponenten unterworfen ist. Um die Aliasing-Komponenten zu vermeiden, die eine schwere Intermodulationsverzerrung in dem Ausgangssignal verursachen, lehrt die vorliegende Erfindung, dass zwei benachbarte Kanäle, die eine sinusförmige Komponente gemeinschaftlich verwenden, wie z. B. Kanal 18 und 19 in 1, auf ähnliche Weise modifiziert werden müssen, d. h. der Verstärkungsfaktor, der an die zwei Kanäle angelegt wird, muss identisch sein. Dies wird im Folgenden als eine gekoppelte Verstärkung für diese Kanäle bezeichnet. Dies impli ziert natürlich, dass die Frequenzauflösung der Hüllkurveneinstellungsvorrichtung geopfert wird, um das Aliasing zu verringern. Der Frequenzauflösungsverlust bei einer gegebenen ausreichenden Anzahl von Kanälen ist jedoch ein geringer Preis für die Abwesenheit einer schweren Intermodulationsverzerrung.
Um zu beurteilen, welche Kanäle gekoppelte Verstärkungsfaktoren aufweisen sollten, lehrt die vorliegende Erfindung die Verwendung einer bandinternen linearen Vorhersage. Falls eine lineare Vorhersage niedriger Ordnung verwendet wird, z. B. eine LPC zweiter Ordnung, ist dieses Frequenzanalysewerkzeug in der Lage, eine sinusförmige Komponente in jedem Kanal aufzulösen. Durch ein Beobachten des Vorzeichens des ersten Prädiktorpolynomkoeffizienten ist es einfach zu bestimmen, ob sich die sinusförmige Komponente in der oberen oder unteren Hälfte des Frequenzbereichs des Teilbandkanals befindet.
Ein Vorhersagepolynom zweiter Ordnung A(z) = 1 – α1z–1 – α2z–2 (1)wird durch eine lineare Vorhersage unter Verwendung des Autokorrelationsverfahrens oder des Kovarianzverfahrens für jeden Kanal in der QMF-Filterbank, der durch die Spektralhüllkurveneinstellung beeinflusst wird, erhalten. Das Vorzeichen des QMF-Bankkanals ist definiert gemäß:
wobei k die Kanalnummer ist, M die Anzahl von Kanälen ist, und wobei die Frequenzumkehrung jedes zweiten QMF-Kanals berücksichtigt wird. Somit ist es für jeden Kanal möglich zu beurteilen, wo sich eine starke Tonalkomponente befindet, und somit ein Gruppieren der Kanäle miteinander, die eine starke sinusförmige Komponente gemeinschaftlich verwenden. In 5 ist das Vorzeichen jedes Kanals angezeigt und somit, in welcher Hälfte des Teilbandkanals die Sinusform sich befindet, wobei +1 die obere Hälfte anzeigt und –1 die untere Hälfte anzeigt. Die Erfindung lehrt, dass, um die Aliasing-Komponenten zu vermeiden, die Teilbandkanalverstärkungsfaktoren für die Kanäle gruppiert werden sollten, bei denen Kanal k ein negatives Vorzeichen aufweist und Kanal k – 1 ein positives Vorzeichen aufweist. Dementsprechend ergeben die Kanalvorzeichen, wie sie in 5 veranschaulicht sind, die erforderliche Gruppierung gemäß 6, wobei Kanal 16 und 17 gruppiert sind, 18 und 19 gruppiert sind, 21 und 22 gruppiert sind und Kanal 23 und 24 gruppiert sind. Dies bedeutet, dass die Verstärkungswerte g_k(m) für die gruppierten Kanäle k und k – 1 zusammen anstatt getrennt berechnet werden, gemäß:
wobei E ref / k(m) die Referenzenergie und E_k(m) die geschätzte Energie zu dem Zeitpunkt m ist. Dies stellt sicher, dass die gruppierten Kanäle den gleichen Verstärkungswert erhalten. Eine derartige Gruppierung der Verstärkungsfaktoren bewahrt die Aliasing-Aufhebungseigenschaften der Filterbank und ergibt das Ausgangssignal gemäß 7. Hier ist es offensichtlich, dass die Aliasing-Komponenten, die in 3 vorhanden sind, verschwunden sind. Falls keine starke sinusförmige Komponente vorliegt, befinden sich die Nullen trotzdem in einer Hälfte der z-Ebene, was durch das Vorzeichen des Kanals angezeigt ist, und die Kanäle werden dementsprechend gruppiert. Dies bedeutet, dass kein Bedarf am Treffen einer erfassungsbasierten Entscheidung besteht, ob eine starke Tonalkomponente vorhanden ist oder nicht.
Bei einer reellwertigen Filterbank ist die Energieschätzung nicht einfach wie bei einer komplexen Darstellung. Falls die Energie durch ein Summieren der quadrierten Teilbandabtastwerte eines einzigen Kanals berechnet wird, besteht das Risiko eines Verfolgens der Zeithüllkurve des Signals anstatt der tatsächlichen Energie. Dies liegt an der Tatsache, dass eine sinusförmige Komponente eine willkürliche Frequenz von 0 bis zu der Filterbankkanalbreite aufweisen kann. Falls eine sinusförmige Komponente in einem Filterbankkanal vorhanden ist, kann dieselbe eine sehr niedrige relative Frequenz aufweisen, obwohl dieselbe in dem ursprünglichen Signal eine Hochfrequenzsinusform ist. Ein Beurteilen der Energie dieses Signals wird bei einem reellwertigen System schwierig, da, wenn die Mittelungszeit bezüglich der Frequenz der Sinusform schlecht ausgewählt ist, ein Tremolo (Amplitudenschwankung) eingeführt werden kann, wenn die Signalenergie tatsächlich konstant ist. Die vorliegende Erfindung lehrt jedoch, dass die Filterbankkanäle bei gegebener Position der sinusförmigen Komponenten immer zu zweit gruppiert werden sollten. Dies verringert das Tremoloproblem erheblich, wie es im Folgenden umrissen ist.
Bei einer kosinusmodulierten Filterbank sind die Analysefilter h_k(n) kosinusmodulierte Versionen eines symmetrischen Tiefpassprototypfilters p₀(n) wie
wobei M die Anzahl von Kanälen ist, k = 0, 1, ..., M – 1, N die Prototypfilterordnung ist und n = 0, 1, ..., N. Es wird hier angenommen, dass die Symmetrie des Prototypfilters bezüglich n = N/2 besteht. Die folgenden Ableitungen sind im Fall einer Halbabtastwertsymmetrie ähnlich.
Bei einem gegebenen sinusförmigen Eingangssignal x(n) = Acos(Ωn + θ) mit der Frequenz 0 ≤ Ω ≤ π kann das Teilbandsignal eines Kanals k ≥ 1 berechnet werden, um etwa
zu sein, wobei P(ω) die reellwertige diskrete Zeit-Fourier-Transformation des verschobenen Prototypfilters p₀(n + N/2) ist. Die Näherung ist gut, wenn P(Ω + π(k + 1/2)/M) klein ist, und dies gilt insbesondere, wenn P(ω) für |ω| ≥ π/M vernachlässigbar ist, eine Hypothese, die der folgenden Erörterung zugrunde liegt. Für eine Spektralhüllkurveneinstellung kann die gemittelte Energie in einem Teilband k berechnet werden als
wobei w(n) ein Fenster der Länge L ist. Ein Einsetzen von Gleichung (5) in Gleichung (6) führt zu
wobei Ψ(Ω) ein Phasenterm ist, der von k unabhängig ist, und W(ω) die diskrete Zeit-Fourier-Transformation des Fensters ist. Diese Energie kann hochgradig schwankend sein, wenn Ω einem ganzzahligen Vielfachen von π/M nahe ist, obwohl das Eingangssignal eine feststehende Sinuskurve ist. Artefakte eines Tremolotyps erscheinen in einem System basierend auf derartigen Einzelrealanalysebankkanalenergieschätzungen.
Andererseits weisen unter der Annahme, dass π(k – 1/2)/M ≤ Ω ≤ π(k + 1/2)/M und dass P(ω) für |w| ≥ π/M vernachlässigbar ist, nur die Teilbandkanäle k und k – 1 Ausgangssignale von nicht Null auf, und diese Kanäle werden zusammen gruppiert, wie es durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagen ist. Die Energieschätzung, die auf diesen beiden Kanälen basiert, ist
Für die meisten nützlichen Entwürfe von Prototypfiltern gilt, dass S(Ω) in dem im Vorhergehenden gegebenen Frequenzbereich in etwa konstant ist. Falls außerdem das Fenster w(n) einen Tiefpassfiltercharakter aufweist, dann ist |ε(Ω)| viel kleiner als |W(0)|, so dass die Schwankung der Energieschätzung von Gleichung (8) verglichen mit derjenigen von Gleichung (7) erheblich verringert wird.
8 veranschaulicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Spektralhüllkurveneinstellung eines Signals. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Einrichtung 80 zum Liefern einer Mehrzahl von Teilbandsignalen. Es sei darauf hingewiesen, dass einem Teilbandsignal eine Kanalnummer k zugeordnet ist, die einen Frequenzbereich anzeigt, der durch das Teilbandsignal abgedeckt ist. Das Teilbandsignal stammt von einem Kanalfilter, das die Kanalnummer k aufweist, in einer Analysefilterbank. Die Analysefilterbank weist eine Mehrzahl von Kanalfiltern auf, wobei das Kanalfilter, das die Kanalnummer k aufweist, eine bestimmte Kanalantwort aufweist, die mit einer Kanalantwort eines benachbarten Kanalfilters überlappt ist, das eine niedrigere Kanalnummer k – 1 aufweist. Das Überlappen erfolgt in einem bestimmten Überlappungsbereich. Bezüglich der Überlappungsbereiche wird Bezug genommen auf die 1, 3, 4 und 7, die in gestrichelten Linien überlappende Impulsantworten von benachbarten Kanalfiltern einer Analysefilterbank zeigen.
Die Teilbandsignale, die durch die Einrichtung 80 von 8 ausgegeben werden, werden in eine Einrichtung 82 zum Untersuchen der Teilbandsignale hinsichtlich Aliasing erzeugender Signalkomponenten eingegeben. Insbesondere ist die Einrichtung 82 wirksam, um das Teilbandsignal zu untersuchen, dem die Kanalnummer k zugeordnet ist, und um ein benachbartes Teilbandsignal zu untersuchen, dem die Kanalnummer k – 1 zugeordnet ist. Dies dient dazu, zu bestimmen, ob das Teilbandsignal und das benachbarte Teilbandsignal Aliasing erzeugende Signalkomponenten in dem Überlappungsbereich aufweisen, wie z. B. eine sinusförmige Komponente, wie es z. B. in 1 veranschaulicht ist. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die sinusförmige Signalkomponente z. B. in dem Teilbandsignal, dem eine Kanalnummer 15 zugeordnet ist, nicht in dem Überlappungsbereich positioniert ist. Dasselbe gilt für die sinusförmige Signalkomponente in dem Teilbandsignal, dem die Kanalnummer 20 zugeordnet ist. Hinsichtlich der anderen sinusförmigen Komponenten, die in 1 gezeigt sind, wird deutlich, dass diese sich in Überlappungsbereichen von entsprechenden benachbarten Teilbandsignalen befinden.
Die Einrichtung 82 zum Untersuchen ist wirksam, um zwei benachbarte Teilbandsignale zu identifizieren, die eine Aliasing erzeugende Signalkomponente in dem Überlappungsbe reich aufweisen. Die Einrichtung 82 ist mit einer Einrichtung 84 zum Berechnen von Verstärkungseinstellungswerten für benachbarte Teilbandsignale gekoppelt. Insbesondere ist die Einrichtung 84 wirksam, um den ersten Verstärkungseinstellungswert und einen zweiten Verstärkungseinstellungswert für das Teilbandsignal einerseits und das benachbarte Teilbandsignal andererseits zu berechnen. Die Berechnung wird ansprechend auf ein positives Ergebnis der Einrichtung zum Untersuchen durchgeführt. Insbesondere ist die Einrichtung zum Berechnen wirksam, um den ersten Verstärkungseinstellungswert und den zweiten Verstärkungseinstellungswert nicht unabhängig voneinander, sondern abhängig voneinander zu bestimmen.
Die Einrichtung 84 gibt einen ersten Verstärkungseinstellungswert und einen zweiten Verstärkungseinstellungswert aus. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der erste Verstärkungseinstellungswert und der zweite Verstärkungseinstellungswert bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bevorzugt einander gleich sind. In dem Fall eines Modifizierens von Verstärkungseinstellungswerten, die z. B. in einem Spektralbandreproduktionscodierer berechnet wurden, sind die modifizierten Verstärkungseinstellungswerte, die den ursprünglichen SBR-Verstärkungseinstellungswerten entsprechen, sowohl kleiner als der höhere Wert der ursprünglichen Werte als auch höher als der niedrigere Wert der ursprünglichen Werte, wie es später umrissen wird.
Die Einrichtung 84 zum Berechnen von Verstärkungseinstellungswerten berechnet deshalb zwei Verstärkungseinstellungswerte für die benachbarten Teilbandsignale. Diese Verstärkungseinstellungswerte und die Teilbandsignale selbst werden einer Einrichtung 86 zum Verstärkungseinstellen der benachbarten Teilbandsignale unter Verwendung der berechneten Verstärkungseinstellungswerte geliefert. Bevorzugt wird die Verstärkungseinstellung, die durch die Einrichtung 86 durchgeführt wird, durch eine Multiplikation von Teilbandabtastwerten mit den Verstärkungseinstellungs werten durchgeführt, so dass die Verstärkungseinstellungswerte Verstärkungseinstellungsfaktoren sind. In anderen Worten wird die Verstärkungseinstellung eines Teilbandsignals, das mehrere Teilbandabtastwerte aufweist, durch ein Multiplizieren jedes Teilbandabtastwerts von einem Teilband mit dem Verstärkungseinstellungsfaktor durchgeführt, der für das jeweilige Teilband berechnet wurde. Deshalb wird die Feinstruktur des Teilbandsignals durch die Verstärkungseinstellung nicht berührt. In anderen Worten werden die relativen Amplitudenwerte der Teilbandabtastwerte aufrechterhalten, während die absoluten Amplitudenwerte der Teilbandabtastwerte durch ein Multiplizieren dieser Abtastwerte mit dem Verstärkungseinstellungswert, der dem jeweiligen Teilbandsignal zugeordnet ist, verändert werden.
An dem Ausgang der Einrichtung 86 werden verstärkungseingestellte Teilbandsignale erhalten. Wenn diese verstärkungseingestellten Teilbandsignale in eine Synthesefilterbank eingegeben werden, bei der es sich bevorzugt um eine reellwertige Synthesefilterbank handelt, zeigt das Ausgangssignal der Synthesefilterbank, d. h. das synthetisierte Ausgangssignal, keine wesentlichen Aliasing-Komponenten, wie es im Vorhergehenden bezüglich 7 beschrieben wurde.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass eine vollständige Aufhebung von Aliasing-Komponenten erhalten werden kann, wenn die Verstärkungswerte der benachbarten Teilbandsignale einander gleich gemacht werden. Trotzdem kann zumindest eine Verringerung von Aliasing-Komponenten erhalten werden, wenn die Verstärkungseinstellungswerte für die benachbarten Teilbandsignale abhängig voneinander berechnet werden. Dies bedeutet, dass eine Verbesserung der Aliasing-Situation bereits erhalten wird, wenn die Verstärkungseinstellungswerte einander nicht völlig gleich sind, aber verglichen mit dem Fall, bei dem keine erfindungsgemäßen Schritte vorgenommen wurden, näher beieinander liegen.
Normalerweise wird dies in Verbindung mit einer Spektralbandreproduktion (SBR) oder einer Hochfrequenzrekonstruktion (HER) verwendet, was im Detail in der WO 98/57436 A2 beschrieben ist.
Wie es in der Technik bekannt ist, umfasst eine Spektralhüllkurvenreproduktion oder eine Hochfrequenzrekonstruktion bestimmte Schritte auf der Codiererseite sowie bestimmte Schritte auf der Decodiererseite.
Bei dem Codierer wird ein ursprüngliches Signal, das eine volle Bandbreite aufweist, durch einen Quellencodierer codiert. Der Quellencodierer erzeugt ein Ausgangssignal, d. h. eine codierte Version des ursprünglichen Signals, bei dem ein oder mehr Frequenzbänder, die in dem ursprünglichen Signal enthalten waren, nicht mehr in der codierten Version des ursprünglichen Signals enthalten sind. Normalerweise umfasst die codierte Version des ursprünglichen Signals nur ein niedriges Band der ursprünglichen Bandbreite. Das hohe Band der ursprünglichen Bandbreite des ursprünglichen Signals ist in der codierten Version des ursprünglichen Signals nicht enthalten. Auf der Codiererseite befindet sich außerdem ein Spektralhüllkurvenanalysator zum Analysieren der Spektralhüllkurve des ursprünglichen Signals bei den Bändern, die in der codierten Version des ursprünglichen Signals fehlen. Bei diesen fehlenden ein oder mehr Bändern handelt es sich z. B. um das hohe Band. Der Spektralhüllkurvenanalysator ist wirksam, um eine grobe Hüllkurvendarstellung des Bandes zu erzeugen, das in der codierten Version des ursprünglichen Signals fehlt. Diese grobe Spektralhüllkurvendarstellung kann auf mehrere Arten erzeugt werden. Eine besteht darin, den jeweiligen Frequenzabschnitt des ursprünglichen Signals durch eine Analysefilterbank zu leiten, so dass jeweilige Teilbandsignale für jeweilige Kanäle in dem entsprechenden Frequenzbereich erhalten werden, und die Energie jedes Teilbands zu berechnen, so dass diese Energiewerte die grobe Spektralhüllkurvendarstellung sind.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Fourier-Analyse des fehlenden Bandes durchzuführen und die Energie des fehlenden Frequenzbandes durch ein Berechnen einer Durchschnittsenergie der Spektralkoeffizienten in einer Gruppe, wie z. B. einem kritischen Band, wenn Audiosignale betrachtet werden, unter Verwendung einer Gruppierung gemäß der bekannten Bark-Skala zu berechnen.
In diesem Fall besteht die grobe Spektralhüllkurvendarstellung aus bestimmten Referenzenergiewerten, wobei ein Referenzenergiewert einem bestimmten Frequenzband zugeordnet ist. Der SBR-Codierer multiplext nun diese grobe Spektralhüllkurvendarstellung mit der codierten Version des ursprünglichen Signals, um ein Ausgangssignal zu bilden, das an einen Empfänger oder einen SBR-bereiten Decodierer übertragen wird.
Der SBR-bereite Decodierer ist, wie es in der Technik bekannt ist, wirksam, um das fehlende Frequenzband durch ein Verwenden eines bestimmten oder aller Frequenzbänder, die durch ein Decodieren der codierten Version des ursprünglichen Signals erhalten werden, um eine decodierte Version des ursprünglichen Signals zu erhalten, zu regenerieren. Natürlich enthält auch die decodierte Version des ursprünglichen Signals nicht das fehlende Band. Dieses fehlende Band wird nun unter Verwendung der Bänder, die in dem ursprünglichen Signal enthalten waren, durch eine Spektralbandreproduktion rekonstruiert. Insbesondere werden ein oder mehrere Bänder in der decodierten Version des ursprünglichen Signals ausgewählt und zu Bändern hinaufkopiert, die rekonstruiert werden müssen. Dann werden die Feinstruktur der hinaufkopierten Teilbandsignale oder Frequenz-/Spektralkoeffizienten unter Verwendung von Verstärkungseinstellungswerten eingestellt, die unter Verwendung der tatsächlichen Energie des Teilbandsignals, das einerseits hinaufkopiert wurde, und unter Verwendung der Referenzenergie, die von der groben Spektralhüllkurvendar stellung extrahiert wird, die von dem Codierer zu dem Decodierer übertragen wurde, berechnet werden. Normalerweise wird der Verstärkungseinstellungsfaktor durch ein Bestimmen des Quotienten zwischen der Referenzenergie und der tatsächlichen Energie und durch ein Ziehen der Quadratwurzel aus diesem Wert berechnet.
Dies ist die Situation, die vorher unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde. Insbesondere zeigt 2 solche Verstärkungseinstellungswerte, die z. B. durch einen Verstärkungseinstellungsblock in einem Hochfrequenzrekonstruktions- oder SBR-bereiten Decodierer bestimmt wurden.
Die Vorrichtung, die in 8 veranschaulicht ist, kann verwendet werden, um eine normale SBR-Verstärkungseinstellungsvorrichtung vollständig zu ersetzen, oder kann verwendet werden, um eine Verstärkungseinstellungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik zu verbessern. Bei der ersten Möglichkeit werden die Verstärkungseinstellungswerte für benachbarte Teilbandsignale abhängig voneinander bestimmt, wenn die benachbarten Teilbandsignale ein Aliasing-Problem haben. Dies bedeutet, dass bei den überlappenden Filterantworten der Filter, von denen die benachbarten Teilbandsignale stammen, Aliasing erzeugende Signalkomponenten, wie z. B. eine Tonalsignalkomponente, vorlagen, wie es in Verbindung mit 1 erörtert wurde. In diesem Fall werden die Verstärkungseinstellungswerte mittels der Referenzenergien, die von dem SBR-bereiten Codierer übertragen werden, und mittels einer Schätzung für die Energie der hinaufkopierten Teilbandsignale und ansprechend auf die Einrichtung zum Untersuchen der Teilbandsignale hinsichtlich Aliasing erzeugender Signalkomponenten berechnet.
In dem anderen Fall, bei dem die Vorrichtung zum Verbessern der Funktionsfähigkeit eines existierenden SBR-bereiten Decodierers verwendet wird, kann die Einrichtung zum Berechnen von Verstärkungseinstellungswerten für benachbarte Teilbandsignale derart implementiert sein, dass dieselbe die Verstärkungseinstellungswerte von zwei benachbarten Teilbandsignalen gewinnt, die ein Aliasing-Problem haben. Da ein normaler SBR-bereiter Codierer Aliasing-Probleme nicht beachtet, sind diese Verstärkungseinstellungswerte für diese beiden benachbarten Teilbandsignale unabhängig voneinander. Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Berechnen der Verstärkungseinstellungswerte ist wirksam, um berechnete Verstärkungseinstellungswerte für die benachbarten Teilbandsignale basierend auf den zwei gewonnenen „ursprünglichen" Verstärkungseinstellungswerten abzuleiten. Dies kann auf mehrere Arten erfolgen. Die erste besteht darin, den zweiten Verstärkungseinstellungswert gleich dem ersten Verstärkungseinstellungswert zu machen. Die andere Möglichkeit besteht darin, den ersten Verstärkungseinstellungswert gleich dem zweiten Verstärkungseinstellungswert zu machen. Die dritte Möglichkeit besteht darin, den Mittelwert beider ursprünglicher Verstärkungseinstellungswerte zu berechnen und diesen Mittelwert als den ersten berechneten Verstärkungseinstellungswert und den zweiten berechneten Hüllkurveneinstellungswert zu verwenden. Eine weitere Möglichkeit bestünde darin, unterschiedliche oder gleiche erste und zweite berechnete Verstärkungseinstellungswerte auszuwählen, die beide niedriger als der höhere ursprüngliche Verstärkungseinstellungswert sind und die beide höher als der niedrigere Verstärkungseinstellungswert der zwei ursprünglichen Verstärkungseinstellungswerte sind. Wenn 2 und 6 verglichen werden, wird deutlich, dass der erste und der zweite Verstärkungseinstellungswert für zwei benachbarte Teilbänder, die abhängig voneinander berechnet wurden, beide höher als der ursprüngliche niedrigere Wert sind und beide kleiner als der ursprüngliche höhere Wert sind.
Gemäß einem weiteren Beispiel, bei dem der SBR-bereite Codierer bereits die Merkmale eines Lieferns von Teilbandsignalen (Block 80 von 8) durchführt, werden ein Untersuchen der Teilbandsignale hinsichtlich Aliasing erzeugender Signalkomponenten (Block 82 von 8) und ein Berechnen von Verstärkungseinstellungswerten für benachbarte Teilbandsignale (Block 84) in einem SBR-bereiten Codierer durchgeführt, der keine Verstärkungseinstelloperationen vornimmt. In diesem Fall ist die Einrichtung zum Berechnen, die in 8 mit Bezugszeichen 84 dargestellt ist, mit einer Einrichtung zum Ausgeben des ersten und des zweiten berechneten Verstärkungseinstellungswerts zur Übertragung an einen Decodierer verbunden.
In diesem Fall empfängt der Decodierer eine bereits „Aliasing-verringerte" grobe Spektralhüllkurvendarstellung zusammen mit bevorzugt einer Anzeige, dass die Aliasing-verringernde Gruppierung von benachbarten Teilbandsignalen bereits durchgeführt wurde. Dann sind keine Modifizierungen bei einem normalen SBR-Decodierer notwendig, da die Verstärkungseinstellungswerte bereits in guter Form sind, so dass das synthetisierte Signal keine Aliasing-Verzerrung zeigen wird.
Im Folgenden sind bestimmte Implementierungen der Einrichtung 80 zum Liefern von Teilbandsignalen beschrieben. In dem Fall einer Implementierung in einem neuartigen Codierer implementiert ist, ist die Einrichtung zum Liefern einer Mehrzahl von Teilbandsignalen der Analysator zum Analysieren des fehlenden Frequenzbandes, d. h. des Frequenzbandes, das in der codierten Version des ursprünglichen Signals nicht enthalten ist.
In dem Fall einer Implementierung in einem neuartigen Decodierer implementiert ist, kann die Einrichtung zum Liefern einer Mehrzahl von Teilbandsignalen eine Analysefilterbank zum Analysieren der decodierten Version des ursprünglichen Signals kombiniert mit einer SBR-Vorrichtung zum Transponieren der Niedrigbandteilbandsignale zu Hochbandteilbandkanälen sein. In dem Fall jedoch, dass die codierte Version des ursprünglichen Signals quantisierte und möglicherweise entropiecodierte Teilbandsignale selbst umfasst, umfasst die Einrichtung zum Liefern keine Analyse filterbank. In diesem Fall ist die Einrichtung zum Liefern wirksam, um entropiedecodierte und neu quantisierte Teilbandsignale von der übertragenen Signaleingabe zu dem Decodierer zu extrahieren. Die Einrichtung zum Liefern ist ferner wirksam, um derartige extrahierte Niedrigbandteilbandsignale gemäß beliebiger der bekannten Transpositionsregeln zu dem hohen Band zu transponieren, wie es in der Technik einer Spektralbandreproduktion oder einer Hochfrequenzrekonstruktion bekannt ist.
9 zeigt das Zusammenwirken der Analysefilterbank (die in dem Codierer oder dem Decodierer angeordnet sei kann) und einer Synthesefilterbank 90, die sich in einem SBR-Decodierer befindet. Die Synthesefilterbank 90, die in dem Decodierer positioniert ist, ist wirksam, um die verstärkungseingestellten Teilbandsignale zu empfangen, um das Hochbandsignal zu synthetisieren, das dann nach der Synthese mit der decodierten Version des ursprünglichen Signals kombiniert wird, um ein decodiertes Vollbandsignal zu erhalten. Alternativ dazu kann die reellwertige Synthesefilterbank das gesamte ursprüngliche Frequenzband abdecken, so dass den Niedrigbandkanälen der Synthesefilterbank 90 die Teilbandsignale geliefert werden, die die decodierte Version des ursprünglichen Signals darstellen, während den Hochbandfilterkanälen die verstärkungseingestellten Teilbandsignale geliefert werden, die durch die Einrichtung 84 von 8 ausgegeben werden.
Wie es bereits vorher umrissen worden ist, ermöglicht die Berechnung von Verstärkungseinstellungswerten in Abhängigkeit voneinander, eine komplexe Analysefilterbank und eine reellwertige Synthesefilterbank zu kombinieren oder eine reellwertige Analysefilterbank und eine reellwertige Synthesefilterbank insbesondere für kostengünstige Decodiereranwendungen zu kombinieren.
10 veranschaulicht ein Beispiel der Einrichtung 82 zum Untersuchen der Teilbandsignale. Wie es im Vorhergehenden unter Bezugnahme auf 5 umrissen wurde, umfasst die Einrichtung 82 zum Untersuchen von 8 eine Einrichtung 100 zum Bestimmen eines Prädiktorpolynomkoeffizienten niedriger Ordnung für ein Teilbandsignal und ein benachbartes Teilbandsignal, so dass Koeffizienten von Prädiktorpolynomen erhalten werden. Bevorzugt wird, wie es bezüglich Gleichung (1) umrissen wurde, der erste Prädiktorpolynomkoeffizient eines Vorhersagepolynoms zweiter Ordnung, wie es in der Gleichung (1) definiert ist, berechnet. Die Einrichtung 100 ist mit einer Einrichtung 102 zum Bestimmen eines Vorzeichens eines Koeffizienten für die benachbarten Teilbandsignale gekoppelt. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Einrichtung 102 zum Bestimmen wirksam, um die Gleichung (2) zu berechnen, so dass ein Teilbandsignal und das benachbarte Teilbandsignal erhalten werden. Das Vorzeichen für ein Teilbandsignal, das durch die Einrichtung 102 erhalten wird, hängt einerseits von dem Vorzeichen des Prädiktorpolynomkoeffizienten und andererseits von der Kanalnummer oder Teilbandnummer k ab. Die Einrichtung 102 in 10 ist mit einer Einrichtung 104 zum Analysieren der Vorzeichen gekoppelt, um benachbarte Teilbandsignale zu bestimmen, die Aliasing-problematische Komponenten aufweisen.
Insbesondere ist die Einrichtung 104 wirksam, um Teilbandsignale als Teilbandsignale zu bestimmen, die Aliasing erzeugende Signalkomponenten aufweisen, falls das Teilbandsignal, das die niedrigere Kanalnummer aufweist, ein positives Vorzeichen aufweist, und das Teilbandsignal, das die höhere Kanalnummer aufweist, ein negatives Vorzeichen aufweist. Wenn 5 betrachtet wird, wird deutlich, dass sich diese Situation für die Teilbandsignale 16 und 17 ergibt, so dass bestimmt wird, dass die Teilbandsignale 16 und 17 benachbarte Teilbandsignale sind, die gekoppelte Verstärkungseinstellungswerte aufweisen. Das gleiche gilt für die Teilbandsignale 18 und 19 oder die Teilbandsignale 21 und 22 oder die Teilbandsignale 23 und 24.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass alternativ auch ein anderes Vorhersagepolynom, d. h. ein Vorhersagepolynom dritter, vierter oder fünfter Ordnung, verwendet werden kann, und dass auch ein anderer Polynomkoeffizient zum Bestimmen des Vorzeichens verwendet werden kann, wie z. B. der Vorhersagepolynomkoeffizient zweiter, dritter oder vierter Ordnung. Die Vorgehensweise, die bezüglich der Gleichungen 1 und 2 gezeigt wurde, wird jedoch bevorzugt, da dieselbe einen niedrigen Berechnungsmehraufwand umfasst.
11 zeigt eine Implementierung der Einrichtung zum Berechnen von Verstärkungseinstellungswerten für benachbarte Teilbandsignale. Insbesondere umfasst die Einrichtung 84 von 8 eine Einrichtung 110 zum Liefern einer Anzeige einer Referenzenergie für benachbarte Teilbänder, eine Einrichtung 112 zum Berechnen von geschätzten Energien für die benachbarten Teilbänder und eine Einrichtung 114 zum Bestimmen eines ersten und eines zweiten Verstärkungseinstellungswerts. Bevorzugt sind der erste Verstärkungseinstellungswert g_k und der zweite Verstärkungseinstellungswert g_k-1 gleich. Bevorzugt ist die Einrichtung 114 wirksam, um Gleichung (3) durchzuführen, wie es im Vorhergehenden gezeigt ist. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die Anzeige bezüglich der Referenzenergie für benachbarte Teilbänder normalerweise von einem codierten Signal erhalten wird, das durch einen normalen SBR-Codierer ausgegeben wird. Insbesondere stellen die Referenzenergien die groben Spektralhüllkurveninformationen dar, wie dieselben durch einen normalen SBR-bereiten Codierer erzeugt werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren, das dem Vorrichtungsanspruch 1 entspricht.
Abhängig von den Umständen kann das Verfahren zur Spektralhüllkurveneinstellung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, wie z. B. einer Diskette oder einer CD, erfolgen, die elektronisch lesbare Steuersignale aufweisen, die mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, so dass das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird. Allgemein ist die vorliegende Erfindung deshalb ein Computerprogrammprodukt, das einen Programmcode aufweist, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer läuft. In anderen Worten ist die Erfindung deshalb auch ein Computerprogramm, das einen Programmcode aufweist, zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogramm auf einem Computer läuft.

Claims

Vorrichtung zum Beurteilen, welche Kanäle unter einer Mehrzahl von Kanälen, die durch Filtern eines Signals unter Verwendung einer Analysefilterbank erzeugt werden, zu dem Zweck einer Verstärkungseinstellung der Kanäle gekoppelte Verstärkungsfaktoren aufweisen sollen, wobei die Filterbank Teilbandfilter aufweist, wobei benachbarte Filter der Filterbank Übergangsbänder aufweisen, die sich in einem Überlappungsbereich überlappen, mit folgendem Merkmal: einer Einrichtung (82) zum Untersuchen der benachbarten Kanäle, ob die benachbarten Kanäle Aliasing erzeugende Signalkomponenten in dem Überlappungsbereich aufweisen, wobei die Einrichtung zum Untersuchen wirksam ist, um: Vorzeichen der benachbarten Kanäle basierend auf Koeffizienten von Vorhersagepolynomen für die benachbarten Kanäle zu berechnen (100, 102), und die benachbarten Kanäle als Kanäle, für die gekoppelte Verstärkungsfaktoren erforderlich sind, anzuzeigen (104), wenn die Vorzeichen der benachbarten Kanäle eine vorbestimmte Beziehung zueinander aufweisen, wobei die vorbestimmte Beziehung derart definiert ist, dass der erste Kanal ein erstes Vorzeichen aufweist und der benachbarte zweite Kanal ein zweites Vorzeichen, das entgegengesetzt zu dem ersten Vorzeichen ist, aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einrichtung (82) zum Untersuchen wirksam ist, um ein Autokorrelationsverfahren oder ein Kovarianzverfahren anzuwenden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Vorhersagepolynom ein Polynom niedriger Ordnung mit einem Koeffizienten erster Ordnung ist, wobei die Ordnung des Polynoms niedriger Ordnung kleiner als 4 ist, und bei der die Einrichtung zum Untersuchen (82) wirksam ist, um die Koeffizienten erster Ordnung zum Berechnen der Vorzeichen der Kanäle zu verwenden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Einrichtung (82) zum Untersuchen wirksam ist, um das Vorzeichen für ein Teilbandsignal basierend auf der folgenden Gleichung zu berechnen:
wobei k die Kanalnummer ist und α₁ der Koeffizient erster Ordnung ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das erste Vorzeichen negativ ist und das zweite Vorzeichen positiv ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einrichtung (82) zum Untersuchen wirksam ist, um eine Tonalanalyse für den Kanal und den benachbarten Kanal durchzuführen, zum Bestimmen einer Tonalkomponente, die ein Tonalitätsmaß über einer Tonalitätsschwelle aufweist.
Verfahren zum Beurteilen, welche Kanäle unter einer Mehrzahl von Kanälen, die durch Filtern eines Signals unter Verwendung einer Analysefilterbank erzeugt werden, zu dem Zweck einer Verstärkungseinstellung der Kanäle gekoppelte Verstärkungsfaktoren aufweisen sollen, wobei die Filterbank Teilbandfilter aufweist, wobei benachbarte Filter der Filterbank Übergangsbänder aufweisen, die sich in einem Überlappungsbereich überlappen, mit folgendem Schritt: Untersuchen (82) der benachbarten Kanäle, ob die benachbarten Kanäle Aliasing erzeugende Signalkomponenten in dem Überlappungsbereich aufweisen, durch Berechnen (100, 102) von Vorzeichen der benachbarten Kanäle basierend auf Koeffizienten von Vorhersagepolynomen für die benachbarten Kanäle, und durch Anzeigen (104) der benachbarten Kanäle als Kanäle, für die gekoppelte Verstärkungsfaktoren erforderlich sind, wenn die Vorzeichen der benachbarten Kanäle eine vorbestimmte Beziehung zueinander aufweisen, wobei die vorbestimmte Beziehung derart definiert wird, dass der erste Kanal ein erstes Vorzeichen aufweist und der benachbarte zweite Kanal ein zweites Vorzeichen, das entgegengesetzt zu dem ersten Vorzeichen ist, aufweist.
Computerprogramm mit einem Programmcode zum Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 7, wenn das Computerprogramm auf einem Computer läuft.