專利名稱：利用減少的帶寬在傳輸通道上傳輸寬帶音頻信號的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及寬帶音頻信號的處理，以便提供適合于在諸如電話網(wǎng)絡(luò)的窄帶基礎(chǔ)設(shè)施上傳輸?shù)恼瓗б纛l信號。
從德國專利申請?zhí)朌E3418297號，公知一種通過窄帶傳輸通道傳輸寬帶音頻信號的方法。
寬帶音頻信號被分成低頻帶和高頻帶。該高頻帶被分成多個子帶并且對于每個子帶確定瞬時信號功率值。以倍增因數(shù)的形式提供了分布在這些子帶上的瞬時信號功率的信息，該倍增因數(shù)識別所述功率值的最大幅度以及其余子帶的相關(guān)信號功率值。這些信息被轉(zhuǎn)換成數(shù)字字，通過普通的窄帶傳輸通道將該數(shù)字字與所述的低頻帶一起傳輸，該信息以導(dǎo)頻信號的形式被嵌入在該低頻帶信號中，該導(dǎo)頻信號是處于或者低于最低的可感覺到的聲級。
該方法的缺點(diǎn)在于包含高頻帶的信息的該導(dǎo)頻信號不是建立在真實(shí)的明確的基礎(chǔ)上的，因?yàn)樵搶?dǎo)頻信號只在信號功率分布的基礎(chǔ)之上提供。因此有時候已公開的方法對于不同的輸入將很可能給出相同的輸出，并且因此將很可能給出錯誤的補(bǔ)償頻譜分量，在這種情況下導(dǎo)致該窄帶信號的衰減而不是增強(qiáng)。
從C.McElroy等人的會議論文，“7.2kb/s的寬帶語音編碼(Wideband Speech Coding in 7.2kb/s)”，1993 IEEE關(guān)于聲音、語音和信號處理的國際會議(IEEE International Conference onAcoustics，Speech，and Signal Processing)4月27-30日，1993(ICASSP-93)，明尼阿波利斯(Minneapolis)，明尼蘇達(dá)州(Minnesota)(美國)，公知一種將寬帶語音信號編碼成媒體比特率信號的方法。
同樣，該寬帶信號被分成低頻帶和高頻帶。使用每個編碼器將這些帶編碼成每個比特流；使用公知的CELP(碼激勵線性預(yù)測)編碼器來編碼低頻帶，并且使用二階線性預(yù)測器和非常低比特率的增益形狀矢量數(shù)字轉(zhuǎn)換器(shape vector quantiser)來編碼該高頻帶。
使用特定的語法將兩個比特流合并；該結(jié)果是具有比特率為7.2kb/s的數(shù)字信號。在遠(yuǎn)端必須使用所述的語法以在該比特流被分別解碼成高頻段音頻信號和低頻段音頻信號之前將該比特流分成高頻段比特流和低頻段比特流，并且然后組合成所期望的寬帶語音信號。
這個方法的缺點(diǎn)在于該合成的比特流不適合于通過現(xiàn)有的窄帶網(wǎng)絡(luò)諸如電話中繼線或者電話線或者電話交換機(jī)進(jìn)行傳輸。
從歐洲專利第658874號，公知用于加寬窄帶音頻信號帶寬的一種方法和一種電路。
在該專利中，借助于短期頻譜分析來分析窄帶音頻信號；將該合成的頻譜與所存儲的頻譜相比較；并且用不包含在該合成頻譜中的頻譜分量對該合成的頻譜進(jìn)行補(bǔ)償。
該合成的頻譜和所存儲的頻譜都是以線性預(yù)測方式(LPC；線性預(yù)測編碼)被編碼。該所存儲的頻譜是寬帶的，并且被立即用來確定將被用作對于窄帶信號的補(bǔ)償?shù)念l譜分量。調(diào)節(jié)所存儲的頻譜的幅度以便獲得窄頻帶中所存儲的頻譜和窄帶音頻信號之間的最大匹配。
所述方法和電路的缺點(diǎn)在于，從所存儲的頻譜中得到的并且被添加到窄帶信號的頻譜分量不是建立在真實(shí)明確的基礎(chǔ)之上，這是因?yàn)樵搶⒈惶砑拥念l譜分量是僅僅從比較被分析的頻譜與有限個頻譜中而確定的。因此有時候所公開的方法和電路將很可能提供不正確的補(bǔ)償頻譜分量而導(dǎo)致窄帶信號的衰減而不是增強(qiáng)。
從Michiel van der Veen等人的會議論文“穩(wěn)定的、多功能和高質(zhì)量音頻水印技術(shù)(Robust，Multi Functional and High QualityAudio Watermarking Technology)”，音頻工程協(xié)會(AudioEngineering Society)第110屆大會，2001年5月12-15，阿姆斯特丹(Amsterdam)(NL)，公知將承載有效負(fù)荷的水印嵌入在音頻信號中的方法和檢測這種水印中的有效負(fù)荷存在和提取這種水印中的有效負(fù)荷的方法。
基于用在圖像和視頻水印中的現(xiàn)有技術(shù)，在論文中提出了穩(wěn)固的、多功能的和高質(zhì)量的音頻水印技術(shù)。該嵌入的算法工作在頻域，在該頻域稍微修改了傅立葉系數(shù)的幅度。水印檢測依賴于互相關(guān)技術(shù)，在該技術(shù)中不僅檢測水印的存在而且檢測它的有效負(fù)荷。
實(shí)驗(yàn)證明對于在所述論文中公開的特定的水印，客觀的和主觀的音頻質(zhì)量測量非常好地關(guān)聯(lián)。對于感覺的音頻質(zhì)量和堅(jiān)固性的組合分析指示特定水印參數(shù)可以被優(yōu)化用于不同應(yīng)用。其范圍從復(fù)制管理(有限的信息容量、高穩(wěn)定性和非常高的音頻質(zhì)量)到廣播監(jiān)視(中等信息容量到大信息容量，中等穩(wěn)定性，中等音頻質(zhì)量到高的音頻質(zhì)量)。
本發(fā)明的目的在于提供高質(zhì)量地將寬帶音頻信號編碼成窄帶音頻信號和相應(yīng)的解碼，以及相關(guān)的設(shè)施，諸如用于執(zhí)行必要處理的設(shè)備。
在含有用于將窄帶音頻信號處理成相應(yīng)的寬帶音頻信號的信息的窄帶音頻信號中，由于在窄帶音頻信號中的所述信息是作為可識別的失真存在的因此實(shí)現(xiàn)了該目標(biāo)。
對根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的信號的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明超出對應(yīng)的窄帶音頻信號帶寬的、包含在寬帶音頻信號中的信息可以被嵌入在該窄帶音頻信號的非常小的失真中。
實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明可能以可靠的方式通過互相關(guān)方法可靠地提取作為失真嵌入在窄帶音頻信號中的信息。
優(yōu)選地，該編碼的窄帶音頻信號與現(xiàn)有的窄帶設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施是兼容的，以便1)在沒有惡化或者損失寬帶信息的質(zhì)量的情況下，通過現(xiàn)有的窄帶設(shè)備可傳輸、和借助于現(xiàn)有的窄帶設(shè)備可記錄的和/或可存儲該窄帶音頻信號，以及2)在該信號的窄帶內(nèi)容質(zhì)量沒有嚴(yán)重惡化的情況通過現(xiàn)有的窄帶設(shè)備以窄帶的形式應(yīng)可接收和所復(fù)制該窄帶音頻信號。
可以使得這樣失真的窄帶音頻信號與諸如電話連接的窄帶信號基礎(chǔ)設(shè)施相兼容，因?yàn)樵谡瓗б纛l信號的帶寬內(nèi)的失真將不受影響地通過所述基礎(chǔ)設(shè)施。
當(dāng)窄帶音頻信號存儲在存儲介質(zhì)上時，它將比相應(yīng)的寬帶音頻信號占據(jù)較少的空間并且因此表現(xiàn)為寬帶音頻信號的壓縮形式，而節(jié)省了存儲空間。
優(yōu)點(diǎn)在于，通過傳統(tǒng)的窄帶設(shè)備使得這種存儲的、壓縮的信號容易可讀，因此當(dāng)譬如對于音頻信號引入新的存儲介質(zhì)時，確保向后兼容。
將所述信息作為水印嵌入在窄帶音頻信號中，優(yōu)選地以在感覺上聽不到的方式。因此當(dāng)制作窄帶音頻信號時，能利用用于水印音頻信號的可獲得的電路和方法。
在將寬帶音頻信號處理成基本上包含與該寬帶音頻信號相同的信息的窄帶音頻信號的方法中，位于所述標(biāo)準(zhǔn)化的頻率界限內(nèi)的寬帶音頻信號的第一頻譜部分在窄帶音頻信號中基本保持不變，并且優(yōu)選地以在感覺上聽不到的方式將可用于恢復(fù)寬帶音頻信號的剩余的頻譜部分的恢復(fù)信息嵌入到所述第一頻譜部分，滿足本發(fā)明的目的在于通過以可識別的方式使所述第一頻譜部分失真，將所述恢復(fù)信息嵌入到所述第一頻譜部分以獲得所述窄帶音頻信號。
本發(fā)明實(shí)施方案的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明包含在超出相應(yīng)的窄帶音頻信號帶寬的寬帶音頻信號中的信息可以被嵌入在該窄帶音頻信號的非常小的失真中。
基本上，寬帶音頻信號的全部音頻信息內(nèi)容可以被包括在窄帶音頻信號中。
實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明可以使得接近聽不到的或者感覺上聽不到的可識別的失真包含足夠的信息量，以能夠可靠地、高質(zhì)量地重構(gòu)該寬帶音頻信號的剩余的頻譜部分。
優(yōu)選的是，所述恢復(fù)信息被嵌入在所述第一頻譜部分作為水印，該水印承載作為有效負(fù)荷的所述恢復(fù)信息。
因此，當(dāng)執(zhí)行本發(fā)明的方法時，能夠使用用于水印音頻信號的可獲得的電路和方法。
特別優(yōu)選的是通過下述步驟將所述水印嵌入到所述第一頻譜部分以數(shù)字形式提供所述第一頻譜部分和所述剩余的頻譜部分；將所述第一頻譜部分組織成幀；將每幀變換到頻域，并且執(zhí)行所述幀的傅立葉變換；根據(jù)所述水印修改傅立葉系數(shù)；對修改的傅立葉系數(shù)進(jìn)行逆傅立葉變換來獲得頻域、加了水印的幀；以及優(yōu)選地將所述頻域、加了水印的幀變換到時域。
這種水印嵌入方案的使用已被證明提供了穩(wěn)定的水印，該水印可以承載包括恢復(fù)信息的期望的有效負(fù)荷。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，將所述窄帶音頻信號重新處理成寬帶音頻信號，優(yōu)選的是在通過傳輸通道傳輸所述窄帶音頻信號或者將它存儲在存儲介質(zhì)上之后。
這樣，從本發(fā)明增加的益處在于沒有必要對于基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行任意改進(jìn)，通過現(xiàn)有的窄帶基礎(chǔ)設(shè)施就能容易地傳輸高質(zhì)量的音頻信號。
在將寬帶音頻信號編碼成基本上包含與該寬帶音頻信號相同的信息的窄帶音頻信號的編碼器中，由于編碼器包括下列部件從而滿足了本發(fā)明的目的，該編碼器包括濾波器，用于從寬帶音頻信號中提取第一頻譜部分，所述第一頻譜部分位于標(biāo)準(zhǔn)化的頻率界限內(nèi)；信息產(chǎn)生電路，用于從寬帶音頻信號中或者從該寬帶音頻信號的剩余頻譜部分中提取恢復(fù)信息，所述信息可被用于恢復(fù)該寬帶音頻信號的所述剩余頻譜部分；嵌入器，優(yōu)選地以承載作為有效負(fù)荷的所述恢復(fù)信息的水印的形式，將所述恢復(fù)信息作為可識別的失真嵌入到所述第一頻譜部分，以用于獲得所述窄帶音頻信號。
通過這些措施，編碼器將能產(chǎn)生基本上包含寬帶音頻信號的全部信息和頻譜內(nèi)容的窄帶音頻信號，該窄帶音頻信號是與窄帶信號的基礎(chǔ)設(shè)施相兼容的。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述信息產(chǎn)生電路包括外推器，用于將所述第一頻譜部分外推到被外推的音頻信號中，該被外推的音頻信號具有基本上與寬帶音頻信號的頻率界限相對應(yīng)的頻率界限；以及比較器，用于比較所述被外推的音頻信號與寬帶音頻信號，并且根據(jù)該比較來提供所述恢復(fù)信息。
這樣，借助于信號處理的相當(dāng)原始的形式將該被外推的第一頻譜部分重新處理成寬帶音頻信號。因此提供的該被外推(寬帶)音頻信號將不滿足所期望的質(zhì)量水平，但是使用合適的信號處理功率的量將可以提供以滿足所期望的質(zhì)量水平。
由于這種被外推的音頻信號相對于原始寬帶音頻信號將是確定性的，因此它不需要沿著窄帶音頻信號進(jìn)行傳輸，并且只有寬帶音頻信號和被外推的音頻信號之間的區(qū)別需要被嵌入到第一頻譜部分。這樣，可以降低對嵌入器的處理功率需求。
在將包含用于處理信號的恢復(fù)信息的窄帶音頻信號解碼為相應(yīng)寬帶音頻信號的解碼器中，通過解碼器滿足了本發(fā)明的目的，該解碼器包括提取器，用于提取所述恢復(fù)信息，優(yōu)選的是用于提取以水印形式存在的恢復(fù)信息的水印提取器；恢復(fù)電路，使用所述恢復(fù)信息來恢復(fù)一個或者多個頻譜音頻信號部分，并且將所述頻譜音頻信號部分與所述窄帶音頻信號合并，以獲得所述相應(yīng)的寬帶音頻信號。
通過這些措施，解碼器將能非常忠實(shí)地恢復(fù)該原始寬帶音頻信號，所恢復(fù)的寬帶音頻信號基本上包含原始寬帶音頻信號的全部信息和頻譜內(nèi)容。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述恢復(fù)電路包括外推器，用于將所述窄帶音頻信號被外推到被外推的音頻信號中，該被外推的音頻信號具有基本上與相應(yīng)的寬帶音頻信號的頻率界限相對應(yīng)的頻率界限；以及校正器，用于根據(jù)所述恢復(fù)信息修改所述外推器的特征，該校正器優(yōu)選的是被并入到外推器中。
這樣，使用合適的信號處理功率量，該外推提供了原始寬帶音頻信號的剩余頻譜部分的基本部分。因此，只有寬帶音頻信號和被外推的音頻信號之間的區(qū)別需要從被嵌入到第一頻譜部分的可識別的失真中恢復(fù)。這樣，可以降低對提取器的處理功率需求。
在通過窄帶傳輸通道傳輸寬帶音頻信號的系統(tǒng)中，通過這個系統(tǒng)滿足本發(fā)明的目的，該系統(tǒng)包括根據(jù)本發(fā)明在傳輸端用于將寬帶音頻信號處理成窄帶音頻信號的編碼器，和根據(jù)本發(fā)明在接收端用于將所述窄帶音頻信號重新處理成寬帶音頻信號的解碼器。
通過這些措施，在不需要將該傳輸信道從窄帶升級到寬帶狀態(tài)的情況下，建立了用于傳輸寬帶音頻信號的完整的系統(tǒng)。這樣，僅僅需要在該整個傳輸通道的發(fā)送端和接收端安裝新的系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，這種新的安裝優(yōu)選地是暫時性的，原因在于它們可能是出于一個或者多個傳輸目的而被安裝的，諸如通過電話線的無線電節(jié)目的高質(zhì)量傳輸，或者這種新的安裝可以并入在諸如與公共電話網(wǎng)絡(luò)相連的電話機(jī)或者移動電話的裝置中，這樣當(dāng)與具有相同設(shè)施的遠(yuǎn)端裝置相連時，給用戶提供了增強(qiáng)的傳輸質(zhì)量。
因?yàn)檎瓗б纛l信號在存儲介質(zhì)中將占據(jù)比寬帶音頻信號更小的存儲空間，所以明顯地增加了用于存儲音頻信號的任意存儲介質(zhì)的有效容量。
當(dāng)使用這樣一種存儲介質(zhì)時，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案當(dāng)然必須配置用于存儲和恢復(fù)的系統(tǒng)，但是因?yàn)椴还艽鎯橘|(zhì)的容量有多大只需要配置一個這種系統(tǒng)，對于具有更大容量的存儲介質(zhì)而言經(jīng)濟(jì)效益將很大。
出于存儲目的而不是傳輸目的，分別使用用于窄帶音頻信號或者第一頻譜部分的其他頻率界限都落入在本發(fā)明和權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
出于傳輸?shù)哪康?，?yōu)選地窄帶音頻信號將被給出與傳輸通道相同的頻率界限，這樣降低了將被嵌入到第一頻譜部分中的信息量。
然而出于存儲的目的，使用本發(fā)明的存儲系統(tǒng)，對于期望的重放質(zhì)量水平，提供最大壓縮比的本發(fā)明的窄帶音頻信號的頻率界限將不必與用于傳輸目的的所述優(yōu)選頻率界限相同。
下面，將借助于實(shí)施方案的實(shí)例和參考附圖更加詳細(xì)的解釋本發(fā)明，其中

圖1說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的編碼器的原理；圖2說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的解碼器的原理；圖3是圖1中編碼器的優(yōu)選實(shí)施方案的示意圖；以及圖4是圖2中解碼器的優(yōu)選實(shí)施方案的示意圖。
在圖1中，在輸入端存在寬帶音頻信號1。該信號被輸送到兩個濾波器即帶通濾波器2和帶阻濾波器3的輸入端。帶通濾波器2允許寬帶音頻信號的第一頻譜部分通過，而這部分構(gòu)成了窄帶音頻信號4。對于帶通濾波器2的頻率界限或者截止頻率分別是例如300Hz和3.4kHz。窄帶音頻信號4將具有對應(yīng)于濾波器2的頻率界限的頻率界限。
優(yōu)選地，帶阻濾波器3的頻率界限或者截止頻率是對應(yīng)于帶通濾波器2的頻率界限或者截止頻率。因此帶阻濾波器3將允許未包含在窄帶音頻信號4中的寬帶音頻信號1的剩余的頻譜部分5通過。
該寬帶音頻信號1可以是例如范圍從20或100Hz到10或者20kHz的滿帶音頻信號。在那種情況下，帶阻濾波器3將具有與帶通濾波器2相同的截止頻率，例如300Hz和3.4kHz。然后通過從20或100Hz到300Hz和從3.4kHz到10或者20kHz的頻帶將構(gòu)成該剩余的頻譜部分5。
該寬帶音頻信號1也可以是包括頻率從例如300Hz到8kHz的中頻帶語音信號；在那種情況下，剩余的頻譜部分5將是從3.4kHz到8kHz的頻帶，并且?guī)ё铻V波器3將被替換為3.4kHz的高通濾波器。
用信息產(chǎn)生器或者信息產(chǎn)生電路6來處理剩余的頻譜部分5。這個電路6以適當(dāng)?shù)母袷綄⑹Ｓ囝l譜部分5的內(nèi)容上的信息7輸送到嵌入器8。根據(jù)本發(fā)明，所述信息7適合于作為用于恢復(fù)剩余頻譜部分5的基礎(chǔ)，但是優(yōu)選地構(gòu)成比剩余頻譜部分5本身要小的信息量。
在沒有增加所述部分4的頻率界限的情況下，嵌入器8將信息7嵌入到第一頻譜部分4，優(yōu)選地以感覺上聽不到的方式，因此來自嵌入器8的輸出構(gòu)成具有對應(yīng)于帶通濾波器2的截止頻率的頻率界限的窄帶音頻信號9。
存在幾種用于這種嵌入的可用的方法，一種優(yōu)選的方法是水印，此處信息7優(yōu)選地作為水印的“有效負(fù)荷”而被嵌入。
圖1中的編碼器的一個目的是以如此一種方式將信息7嵌入到第一頻譜部分中，以致全部信息7從信號9中明確地恢復(fù)，并且同時確保不會聽到窄帶音頻信號9中的嵌入的信息，或者至少將不會明顯地干擾人們?nèi)ナ章犜撜瓗б纛l信號9。
因?yàn)檎瓗б纛l信號9不包含超出帶通濾波器2的頻率界限的頻率，所以它將容易地被設(shè)計(jì)用于處理窄帶音頻信號的任意基礎(chǔ)設(shè)施處理或者傳輸。在所提到的情況下，帶通濾波器2的頻率界限及因此音頻信號9的頻率界限分別為300Hz和3.4kHz，在沒有明顯的頻譜衰減的情況下，可以通過例如公共電話系統(tǒng)來傳輸窄帶音頻信號9。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向參考圖2，在圖1中的諸如信號9的編碼窄帶音頻信號20出現(xiàn)在輸入端。窄帶音頻信號20被傳送到提取器21，在提取器21處從該信號中提取嵌入信息22。這樣信息是例如對應(yīng)于圖1中的信息7，并且優(yōu)選地作為水印出現(xiàn)在信號20中。對于這種提取嵌入的信息，方法和設(shè)備本身是公知的。
在這個信息22的基礎(chǔ)上，剩余的頻譜部分24被恢復(fù)器23恢復(fù)。這些頻譜部分與窄帶音頻信號20在合并電路26中合并以獲得寬帶音頻信號27。這個信號27是例如對應(yīng)于圖1中的寬帶音頻信號1。
圖1的編碼器和圖2的解碼器是例如并且優(yōu)選地分別在諸如電話線的窄帶傳輸通道的發(fā)送端和接收端起作用。
現(xiàn)在達(dá)到了這樣的程度即傳輸通道保持了被傳輸?shù)恼瓗б纛l信號的質(zhì)量，并且還達(dá)到了這樣的程度即圖1中的信息產(chǎn)生(6)和嵌入(7)保持了寬帶音頻信號1的剩余頻譜部分的質(zhì)量，隨后是圖2中的提取(21)和恢復(fù)(23)，在沒有明顯地質(zhì)量損失特別是頻譜質(zhì)量損失的情況下，通過窄帶傳輸通道現(xiàn)在可以傳輸這個寬帶信號并且如上所述被再次恢復(fù)。
用于這樣一個傳輸信道的調(diào)制和解調(diào)原理的選擇將不會影響本發(fā)明的窄帶音頻信號的可傳送性。
這種調(diào)制可以是例如使用GSM移動電話網(wǎng)絡(luò)或者傳統(tǒng)的模擬電話網(wǎng)絡(luò)。在前一種情況下，調(diào)制器可以是在發(fā)送端的GSM移動電話，解調(diào)器可以是在接收端的GSM移動電話。沿著傳輸通道現(xiàn)在可以使用多種類型的調(diào)制。
例如，通過使用傳統(tǒng)形式的模擬調(diào)制的傳統(tǒng)長途模擬電話網(wǎng)絡(luò)，可以將在發(fā)送端服務(wù)于移動電話的GSM網(wǎng)絡(luò)之間的連接連接到在接收端服務(wù)于移動電話的GSM網(wǎng)絡(luò)。
明顯的是，這種通過現(xiàn)有的窄帶基礎(chǔ)設(shè)施傳輸寬帶音頻信號將提供巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。公共電話系統(tǒng)提供了用于標(biāo)準(zhǔn)化的窄帶音頻信號的幾乎通用分布的傳輸系統(tǒng)。用于任意傳輸寬帶音頻信號的這種系統(tǒng)的使用將省略在許多情況下不必要的用于寬帶音頻信號的特殊的傳輸服務(wù)，并且因此節(jié)省了成本。
本發(fā)明的明顯的優(yōu)點(diǎn)在于編碼的窄帶音頻信號9、20是直接與現(xiàn)有的傳統(tǒng)窄帶音頻信號處理方法和設(shè)備兼容的。正如所提到的，優(yōu)選地該嵌入信息在本發(fā)明的窄帶音頻信號9、20中是聽不到的，或者至少幾乎聽不到或者感覺上聽不到。
這意味著窄帶音頻信號9將可容易地由現(xiàn)有的窄帶終端，即連接到現(xiàn)有的窄帶基礎(chǔ)設(shè)施的任何以前公知的終端設(shè)備播放或接收。在這種設(shè)備中，將識別本發(fā)明的窄帶音頻信號并且將其作為傳統(tǒng)的信號處理。嵌入的信息對于這種設(shè)備將沒有用處，但是它確實(shí)也沒有產(chǎn)生干擾，如果它是可聞的，則將以噪聲出現(xiàn)。
上述說明的本發(fā)明的編碼器和解碼器的有前途的應(yīng)用可以是電話設(shè)備，該電話設(shè)備包括電話機(jī)和移動電話。如果本發(fā)明的編碼器和解碼器被構(gòu)建到這種電話中，當(dāng)這種設(shè)備連接到公共電話網(wǎng)絡(luò)時，寬帶語音連接將容易地成為可能。
如果在這種電話和傳統(tǒng)的電話之間建立了電話連接，那么這種連接當(dāng)然將是窄帶連接。傳統(tǒng)的電話將可以把嵌入的信息再現(xiàn)為非常輕的噪聲，而本發(fā)明的電話將僅從傳統(tǒng)的電話中再現(xiàn)窄帶音頻信號，因?yàn)闆]有出現(xiàn)信息22(圖2)并且因此沒有剩余的頻譜部分24會合并到窄帶音頻信號，但是毫無問題這種連接將是成功的。
然而無論何時本發(fā)明的兩部電話連接在一起，隨后將是寬帶電話連接并且因此電話用戶將可以體驗(yàn)到非常高的信號質(zhì)量。這種增強(qiáng)的連接質(zhì)量證明是在仍然增長的移動電話市場上重要的競爭因素。
當(dāng)傳輸演講者或者相應(yīng)的評論時，諸如用于互連廣播演播室的特殊的終端設(shè)備也將能從本發(fā)明中受益。迄今，這種連接最經(jīng)常通過公共電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，造成傳輸質(zhì)量非常的差。在這樣的設(shè)備中使用本發(fā)明將提供有很大改進(jìn)的廣播音頻質(zhì)量。
在圖3中示出了本發(fā)明的編碼器的一種優(yōu)選的實(shí)施方案。在A/D轉(zhuǎn)換器41中模擬寬帶音頻信號40被轉(zhuǎn)換成數(shù)字寬帶音頻信號，并且隨后在兩個數(shù)字濾波器42、43處濾波。數(shù)字濾波器43是提供第一頻譜部分51的帶通濾波器，該第一頻譜部分51構(gòu)成窄帶音頻信號，并且數(shù)字濾波器42可以是帶阻濾波器或者高通濾波器，該帶阻濾波器或者高通濾波器提供寬帶音頻信號40的剩余的頻譜部分52。
第一頻譜部分51和剩余的頻譜部分52被傳送到信息發(fā)生器55。在此處，第一頻譜部分51在外推器53中被外推以形成偽信號57。偽信號57可以在比較器54中與剩余的頻譜部分52進(jìn)行比較，該比較器54在其輸出端輸出差信號56。
在圖3中的實(shí)施方案的第一方案中，由外推器53輸送的偽信號57包括對應(yīng)于寬帶音頻信號40的那些頻率的頻率，而這些頻率是沒有包含在第一頻譜部分51中的。也就是說，偽信號的頻譜是與剩余的頻譜部分52的頻譜對應(yīng)的。
外推器應(yīng)當(dāng)理解成相對簡單的電路。這種電路在先前是公知的，并且目的在于增強(qiáng)窄帶音頻信號，以便獲得較高質(zhì)量的寬帶音頻信號；然而通常結(jié)果不能令人滿意。
在比較器54中將偽信號57與剩余的頻譜部分52進(jìn)行比較，產(chǎn)生了上面提到的差信號。
這種布置的目的在于減少將被嵌入到第一頻譜部分中的信息量。即使偽信號57可能對于剩余的頻譜部分52的較差的模擬，但是這可足夠好以至于差信號56中的信息量明顯的少于剩余的頻譜部分52中的信息量。
在圖3實(shí)施方案的第二方案中，由外推器53輸送的偽信號57包括寬帶音頻信號40的整個頻譜。
在這種情況下，將偽信號57與真正的寬帶音頻信號40進(jìn)行比較，并且因此省略了數(shù)字濾波器42。在該第二方案中，差信號56不一定是與第一方案中的差信號相同，但是盡管如此差信號56通常表示剩余的頻譜部分52與偽信號57的對應(yīng)的頻譜部分之間的差別。
該第一頻譜部分51也被傳送到除法電路或者幀調(diào)節(jié)器44，該除法電路或者幀調(diào)節(jié)器44將第一頻譜部分分段成多個幀。這些幀46被繼續(xù)傳送到嵌入器45。
在嵌入器45中，在快速傅立葉變換電路47中每個幀首先從時域變換到頻域。該傅立葉系數(shù)被傳送到調(diào)節(jié)器48，在該調(diào)節(jié)器處根據(jù)差信號56對傅立葉系數(shù)進(jìn)行修改，這樣將差信號56中的信息嵌入到頻域的第一頻譜部分中。
該修改的傅立葉系數(shù)被傳送到逆傅立葉變換電路49，在逆傅立葉變換電路49處將修改的第一頻譜部分從頻域又變換回到時域。
合成的時域信號50除了被分段成多個幀之外，與第一頻譜部分51是相類似的，并且該時域信號50還具有嵌入其中的差信號56。
出于所使用的嵌入原理的目的，將第一頻譜部分分段成多個幀的步驟首先并入到在本發(fā)明的解碼器的實(shí)施方案中的。然而數(shù)字音頻信號的分段也可以用于其他的目的。
在圖3實(shí)施方案的第三方案中，無需信息發(fā)生器，剩余的頻譜部分52被直接傳送到嵌入器而不是差信號56被直接傳送到嵌入器。這樣就簡化了編碼器，但是同時明顯增加了將被嵌入的信息量。
在調(diào)節(jié)器48中，通過將來自公知的二進(jìn)制字序列(特定的“水印”)的樣本添加到傅立葉系數(shù)的絕對值，差信號56或者剩余的頻譜部分52可以分別優(yōu)選地在修改的傅立葉系數(shù)中表示。所述序列將優(yōu)選地包括對應(yīng)于每個幀46中的信號樣本數(shù)量的多個二進(jìn)制字。
分別根據(jù)差信號56或者剩余的頻譜部分52的值可以優(yōu)選地將用于每個幀46的所述樣本序列進(jìn)行循環(huán)移位，從而所述值事實(shí)上由水印樣本序列的移動量來表示。
當(dāng)通過傳統(tǒng)的窄帶設(shè)備來重新產(chǎn)生信號時，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明根據(jù)本發(fā)明將產(chǎn)生窄帶音頻信號的被嵌入在第一頻譜部分的差信號不會惡化窄帶音頻信號50到任何明顯的程度。
在圖4中示出本發(fā)明的解碼器的一個優(yōu)選的實(shí)施方案，根據(jù)本發(fā)明在輸入終端接收數(shù)字、成幀的窄帶音頻信號70，并且該窄帶音頻信號70被傳送到提取器71，在提取器71處從窄帶音頻信號70提取根據(jù)本發(fā)明的任意嵌入的信息。
在提取器71中，將成幀的窄帶音頻信號70進(jìn)行離散的傅立葉變換，并且該傅立葉系數(shù)被傳送到互相關(guān)電路73。
在對應(yīng)于圖3中的嵌入器45的優(yōu)選實(shí)施方案的這個電路的優(yōu)選實(shí)施方案中，對于在嵌入器45中使用的水印字的每個可能的循環(huán)移位值，建立了傅立葉系數(shù)和公知水印(如在圖3中的相同的二進(jìn)制字位列)之間的相關(guān)性。
當(dāng)循環(huán)移位是與在嵌入處所使用的移位相同時，該相關(guān)性將呈現(xiàn)明顯的值，并且這樣該嵌入的值(“有效負(fù)荷”)可以被識別并且因此被提取。該提取是通過在圖4中的表示有效負(fù)荷提取電路的方框75來符號表示的。分別對應(yīng)于差信號56或者剩余的頻譜部分52的被提取的有效負(fù)荷將出現(xiàn)在圖4中的終端76處，并且從終端76處連同接收到的窄帶音頻信號70一起提供給恢復(fù)器79。
在恢復(fù)器中，該接收到的窄帶音頻信號70被傳送到外推器80，該外推器提供了外推的偽信號74。這個偽信號74被提供給校正器81，在校正器81處根據(jù)提取的有效負(fù)荷76來修改該偽信號。實(shí)質(zhì)上偽信號74是對應(yīng)于圖3中的偽信號57的。
在圖4實(shí)施方案的第一方案中，通過外推器80傳送的偽信號74包括對應(yīng)于寬帶音頻信號40的那些頻率的頻率，而這些頻率是沒有包含在第一頻譜部分51中的，采用的方式是對應(yīng)于圖3中的編碼器的第一方案。
在這種方案中，有效負(fù)荷76將構(gòu)成要被添加到偽信號74的差信號，并且和信號82將對應(yīng)于剩余的頻譜部分52。在合并電路83中這些信號將與接收到的窄帶音頻信號70進(jìn)行合并，并且來自合并電路83的輸出信號84將構(gòu)成恢復(fù)的寬帶音頻信號。
在圖4中的實(shí)施方案的第二方案將與圖3中的編碼器的第二方案一起使用，由外推器80傳送的偽信號74包括原始寬帶音頻信號40的整個頻譜。
在那種情況下，有效負(fù)荷76將仍然通常表示剩余的頻譜部分52和對應(yīng)的偽信號74的頻譜部分之間的差。將這個差添加到偽信號74將再次產(chǎn)生對應(yīng)于剩余的頻譜部分52的和信號82，該和信號82與接收到的窄帶音頻信號70合并以得到恢復(fù)的寬帶音頻信號84。
在圖4解碼器的第三方案中(其對應(yīng)于圖3中的編碼器的第三方案)，有效負(fù)荷將對應(yīng)于整個剩余頻譜部分52，并且將被直接傳送到合并電路83。在這種情況下，將省略恢復(fù)器79。
圖3的編碼器的三種方案和圖4的解碼器的對應(yīng)方案現(xiàn)在構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的編碼器-解碼器對的三個實(shí)施方案，用于沿著窄帶基礎(chǔ)設(shè)施來傳送寬帶音頻信號。該寬帶音頻信號在發(fā)送端被編碼并且在接收端被解碼。
然而，窄帶基礎(chǔ)設(shè)施不必是傳輸通道，而能是任意的窄帶結(jié)構(gòu)諸如存儲器系統(tǒng)。在那種情況下，寬帶音頻信號可以以根據(jù)本發(fā)明的窄帶音頻信號的形式被存儲，并且如參考圖2和4說明的從解碼成寬帶形式的存儲器中進(jìn)行恢復(fù)。從而獲得了寬帶音頻信號的有效壓縮。在本說明書的第一部分中已經(jīng)討論了從該系統(tǒng)中的受益之處。
對于第一頻譜部分來設(shè)計(jì)頻率界限是位于本發(fā)明的范圍之內(nèi)的，對于任意期望的再現(xiàn)質(zhì)量水平該第一頻譜部分提供更大的壓縮程度。
類似的，本發(fā)明的窄帶音頻信號可以進(jìn)行任何其他形式的窄帶音頻信號處理或者結(jié)構(gòu)，提供了相應(yīng)的益處。
盡管上面參考了將恢復(fù)信息嵌入到第一頻譜部分的特定方法，包括使用從信號的水印中已知的嵌入方法，使用任意的方法將恢復(fù)信息嵌入到第一頻譜部分及隨后所述信息的提取都落入在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
盡管上面已經(jīng)總體上涉及寬帶音頻信號，但是將本發(fā)明應(yīng)用于寬帶語音信號是特別有利的。
語音構(gòu)成音頻信號，在該音頻信號處對于理解語音信息所必須的信號的必不可少的部分包含在信號的已定義好的頻譜部分中，即300-3.400Hz頻帶。在沒有改變的情況下，當(dāng)使用本發(fā)明時這些帶可以分別被傳輸或者存儲，從而剩余的頻譜部分不一定需要忠實(shí)地如同300-3.400Hz頻帶而被再現(xiàn)。
因此，當(dāng)再現(xiàn)語音信號而不是音樂時，可以以較低的標(biāo)準(zhǔn)來再現(xiàn)剩余的頻譜部分。這樣，可以使用本發(fā)明來選擇較低的但仍然是可接受的將被使用的再現(xiàn)質(zhì)量，并且因此節(jié)省處理功率。
應(yīng)當(dāng)注意的是上面提到的實(shí)施方案是說明而不是限制本發(fā)明，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員在沒有背離附屬權(quán)利要求書的范圍的情況下通史設(shè)計(jì)許多修改的實(shí)施方案。在權(quán)利要求書中，任意位于括號之間的參考標(biāo)記不應(yīng)當(dāng)解釋為限制本發(fā)明。術(shù)語“包括”不排除在權(quán)利要求中列出的那些其他的單元或者步驟。借助于包括幾種不同的單元的硬件和借助于適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。在枚舉幾種裝置的設(shè)備權(quán)利要求中，這些裝置中的幾個裝置可以通過相同的硬件來實(shí)現(xiàn)。在互不相同的從屬權(quán)利要求中記載的某些措施并非表示不能從這些措施的組合中獲益。
權(quán)利要求
1.一種窄帶音頻信號(9；50)，包括可用于將窄帶音頻信號處理成對應(yīng)的寬帶音頻信號(27；84)的信息，其特征在于所述信息作為可識別的失真出現(xiàn)在窄帶音頻信號中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的窄帶音頻信號(50)，其中所述信息作為水印被嵌入到窄帶音頻信號中，優(yōu)選地以感覺上聽不到的方式。
3.用于將寬帶音頻信號(1；40)處理成基本上包括與寬帶音頻信號相同的信息的窄帶音頻信號(9；50)的方法，其中位于所述標(biāo)準(zhǔn)化的頻率界限之內(nèi)的寬帶音頻信號的第一頻譜部分(4；51)在窄帶音頻信號中基本保持不變，而可用于恢復(fù)寬帶音頻信號的剩余的頻譜部分(5；52)的恢復(fù)信息(7；56)被嵌入到所述第一頻譜部分，其特征在于為了獲得所述窄帶音頻信號通過以可識別的方式使所述第一頻譜部分失真將所述恢復(fù)信息嵌入到所述第一頻譜部分中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述恢復(fù)信息(7；56)作為水印被嵌入到所述第一頻譜部分(4；51)中，該水印作為有效負(fù)荷承載了所述恢復(fù)信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中通過下述步驟將所述水印嵌入到所述第一頻譜部分中-以數(shù)字形式提供所述第一頻譜部分(51)和所述剩余的頻譜部分(52)；-將所述第一頻譜部分(51)組織成幀(46)；-對所述幀進(jìn)行傅立葉變換(47)；-根據(jù)所述水印修改(48)傅立葉系數(shù)；以及-對修改后的傅立葉系數(shù)進(jìn)行逆傅立葉變換(49)以獲得時域的、加了水印的幀。
6.根據(jù)權(quán)利要求3-5任意一個的方法，其中所述窄帶音頻信號被重新處理成寬帶音頻信號，優(yōu)選地在通過傳輸通道傳輸所述窄帶音頻信號之后或者是將其存儲到存儲介質(zhì)上之后。
7.一種用于將寬帶音頻信號(1；40)編碼成基本上包括與寬帶音頻信號相同的信息的窄帶音頻信號(9；50)的編碼器，其特征在于包括-濾波器(2；43)，用于從寬帶音頻信號中提取第一頻譜部分(4；51)，所述第一頻譜部分位于標(biāo)準(zhǔn)化的頻譜界限內(nèi)；-信息產(chǎn)生電路(6；55)，用于從寬帶音頻信號中或者從寬帶音頻信號的剩余的頻譜部分(5；52)中提取恢復(fù)信息(7；56)，所述信息可用于恢復(fù)寬帶音頻信號的所述剩余的頻譜部分；-嵌入器(8；45)，用于將所述恢復(fù)信息嵌入在所述第一頻譜部分，優(yōu)選地以水印的形式，該水印承載作為有效負(fù)荷的所述恢復(fù)信息，以獲得所述窄帶音頻信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的編碼器，其中所述信息產(chǎn)生電路(55)包括-外推器(53)，用于將所述第一頻譜部分(51)外推到被外推的音頻信號(57)，該音頻信號(57)具有基本上對應(yīng)于寬帶音頻信號的頻率界限的頻率界限；以及-比較器(54)，用于將所述被外推的音頻信號同寬帶音頻信號(40)或者同所述剩余的頻譜部分(52)進(jìn)行比較，并且根據(jù)該比較提供所述的恢復(fù)信息(56)。
9.用于解碼窄帶音頻信號(20；70)的解碼器，該窄帶音頻信號包括可用于將該窄帶音頻信號處理成對應(yīng)的寬帶音頻信號(27；84)的恢復(fù)信息，其特征在于包括-提取器(21；71)，用于提取所述恢復(fù)信息(22；76)，-恢復(fù)電路(23；79)，使用所述恢復(fù)信息來恢復(fù)一個或者多個頻譜音頻信號部分(24；82)，并且將所述頻譜音頻信號部分與所述窄帶音頻信號進(jìn)行合并(26；83)以獲得所述對應(yīng)的寬帶音頻信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的解碼器，其中所述恢復(fù)電路(79)包括-外推器(80)，用于將所述窄帶音頻信號外推到被外推的音頻信號(74)，該被外推的音頻信號(74)具有基本上對應(yīng)于相應(yīng)的寬帶音頻信號的頻率界限的頻率界限；以及-校正器(81)，用于根據(jù)所述恢復(fù)信息來修改所述被外推的音頻信號的特性。
11.一種通過窄帶傳輸通道來傳輸寬帶音頻信號的系統(tǒng)，其特征在于在發(fā)送端包括根據(jù)權(quán)利要求7的編碼器，用于將寬帶音頻信號處理成窄帶音頻信號，并且在接收端包括根據(jù)權(quán)利要求9的解碼器，用于將所述窄帶音頻信號重新處理成寬帶音頻信號。
12.一種用于將寬帶音頻信號存儲在存儲介質(zhì)上并且從存儲設(shè)備中恢復(fù)寬帶音頻信號的系統(tǒng)，其特征在于包括根據(jù)權(quán)利要求7的編碼器，用于在存儲之前將寬帶音頻信號處理成窄帶音頻信號，并且包括根據(jù)權(quán)利要求9的解碼器，用于在存儲設(shè)備中恢復(fù)之后將所存儲的窄帶音頻信號重新處理成寬帶音頻信號。
13.一種存儲介質(zhì)，承載有根據(jù)權(quán)利要求1的窄帶音頻信號。
14.一種再現(xiàn)設(shè)備，包括權(quán)利要求9所述的解碼器。
15.一種發(fā)射機(jī)，包括權(quán)利要求7所述的編碼器。
全文摘要
一種窄帶音頻信號(9)包括以可識別的失真出現(xiàn)用于將該信號處理成寬帶信號的信息。在將寬帶音頻信號(1)處理成窄帶信號(9)的方法中，第一頻譜部分(4)在窄帶信號中保持不變，并且通過以可識別的方式使所述第一頻譜部分失真并且優(yōu)選地作為水印來嵌入(8)可用于恢復(fù)剩余的頻譜部分(5)的信息(7)，優(yōu)選地以感覺上聽不到的方式。公開了一種用于將寬帶音頻信號(1)編碼成窄帶信號(9)的編碼器、和一種用于解碼窄帶音頻信號的解碼器，以及一種通過窄帶傳輸通道來傳輸寬帶音頻信號的系統(tǒng)，一種將寬帶音頻信號存儲在存儲介質(zhì)上并且從存儲設(shè)備中恢復(fù)該寬帶信號的系統(tǒng)，和一種承載窄帶音頻信號的存儲介質(zhì)。
文檔編號G10L21/02GK1575492SQ02821028
公開日2005年2月2日 申請日期2002年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月25日
發(fā)明者R·塔奧里, A·J·格里特斯, R·J·斯魯特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司