利用減少的帶寬在傳輸通道上傳輸寬帶音頻信號的方法
2023-05-23 17:56:31
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
技術領域：
本發明涉及寬帶音頻信號的處理，以便提供適合於在諸如電話網絡的窄帶基礎設施上傳輸的窄帶音頻信號。
從德國專利申請號DE3418297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並且對於每個子帶確定瞬時信號功率值。以倍增因數的形式提供了分布在這些子帶上的瞬時信號功率的信息，該倍增因數識別所述功率值的最大幅度以及其餘子帶的相關信號功率值。這些信息被轉換成數字字，通過普通的窄帶傳輸通道將該數字字與所述的低頻帶一起傳輸，該信息以導頻信號的形式被嵌入在該低頻帶信號中，該導頻信號是處於或者低於最低的可感覺到的聲級。
該方法的缺點在於包含高頻帶的信息的該導頻信號不是建立在真實的明確的基礎上的，因為該導頻信號只在信號功率分布的基礎之上提供。因此有時候已公開的方法對於不同的輸入將很可能給出相同的輸出，並且因此將很可能給出錯誤的補償頻譜分量，在這種情況下導致該窄帶信號的衰減而不是增強。
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關於聲音、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(碼激勵線性預測)編碼器來編碼低頻帶，並且使用二階線性預測器和非常低比特率的增益形狀矢量數字轉換器(shape vector quantiser)來編碼該高頻帶。
使用特定的語法將兩個比特流合併；該結果是具有比特率為7.2kb/s的數位訊號。在遠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，並且然後組合成所期望的寬帶語音信號。
這個方法的缺點在於該合成的比特流不適合於通過現有的窄帶網絡諸如電話中繼線或者電話線或者電話交換機進行傳輸。
從歐洲專利第658874號，公知用於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，藉助於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；並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行補償。
該合成的頻譜和所存儲的頻譜都是以線性預測方式(LPC；線性預測編碼)被編碼。該所存儲的頻譜是寬帶的，並且被立即用來確定將被用作對於窄帶信號的補償的頻譜分量。調節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在於，從所存儲的頻譜中得到的並且被添加到窄帶信號的頻譜分量不是建立在真實明確的基礎之上，這是因為該將被添加的頻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償頻譜分量而導致窄帶信號的衰減而不是增強。
從Michiel van der Veen等人的會議論文「穩定的、多功能和高質量音頻水印技術(Robust，Multi Functional and High QualityAudio Watermarking Technology)」，音頻工程協會(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荷存在和提取這種水印中的有效負荷的方法。
基於用在圖像和視頻水印中的現有技術，在論文中提出了穩固的、多功能的和高質量的音頻水印技術。該嵌入的算法工作在頻域，在該頻域稍微修改了傅立葉係數的幅度。水印檢測依賴於互相關技術，在該技術中不僅檢測水印的存在而且檢測它的有效負荷。
實驗證明對於在所述論文中公開的特定的水印，客觀的和主觀的音頻質量測量非常好地關聯。對於感覺的音頻質量和堅固性的組合分析指示特定水印參數可以被優化用於不同應用。其範圍從複製管理(有限的信息容量、高穩定性和非常高的音頻質量)到廣播監視(中等信息容量到大信息容量，中等穩定性，中等音頻質量到高的音頻質量)。
本發明的目的在於提供高質量地將寬帶音頻信號編碼成窄帶音頻信號和相應的解碼，以及相關的設施，諸如用於執行必要處理的設備。
在含有用於將窄帶音頻信號處理成相應的寬帶音頻信號的信息的窄帶音頻信號中，由於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現了該目標。
對根據本發明實施方案的信號的實驗已經表明超出對應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。
實驗進一步表明可能以可靠的方式通過互相關方法可靠地提取作為失真嵌入在窄帶音頻信號中的信息。
優選地，該編碼的窄帶音頻信號與現有的窄帶設備和基礎設施是兼容的，以便1)在沒有惡化或者損失寬帶信息的質量的情況下，通過現有的窄帶設備可傳輸、和藉助於現有的窄帶設備可記錄的和/或可存儲該窄帶音頻信號，以及2)在該信號的窄帶內容質量沒有嚴重惡化的情況通過現有的窄帶設備以窄帶的形式應可接收和所複製該窄帶音頻信號。
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設施相兼容，因為在窄帶音頻信號的帶寬內的失真將不受影響地通過所述基礎設施。
當窄帶音頻信號存儲在存儲介質上時，它將比相應的寬帶音頻信號佔據較少的空間並且因此表現為寬帶音頻信號的壓縮形式，而節省了存儲空間。
優點在於，通過傳統的窄帶設備使得這種存儲的、壓縮的信號容易可讀，因此當譬如對於音頻信號引入新的存儲介質時，確保向後兼容。
將所述信息作為水印嵌入在窄帶音頻信號中，優選地以在感覺上聽不到的方式。因此當製作窄帶音頻信號時，能利用用於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，位於所述標準化的頻率界限內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，並且優選地以在感覺上聽不到的方式將可用於恢復寬帶音頻信號的剩餘的頻譜部分的恢復信息嵌入到所述第一頻譜部分，滿足本發明的目的在於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。
本發明實施方案的實驗已經表明包含在超出相應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容可以被包括在窄帶音頻信號中。
實驗進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、高質量地重構該寬帶音頻信號的剩餘的頻譜部分。
優選的是，所述恢復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荷的所述恢復信息。
因此，當執行本發明的方法時，能夠使用用於水印音頻信號的可獲得的電路和方法。
特別優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字形式提供所述第一頻譜部分和所述剩餘的頻譜部分；將所述第一頻譜部分組織成幀；將每幀變換到頻域，並且執行所述幀的傅立葉變換；根據所述水印修改傅立葉係數；對修改的傅立葉係數進行逆傅立葉變換來獲得頻域、加了水印的幀；以及優選地將所述頻域、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定的水印，該水印可以承載包括恢復信息的期望的有效負荷。
在優選的實施方案中，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上之後。
這樣，從本發明增加的益處在於沒有必要對於基礎設施進行任意改進，通過現有的窄帶基礎設施就能容易地傳輸高質量的音頻信號。
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，由於編碼器包括下列部件從而滿足了本發明的目的，該編碼器包括濾波器，用於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於標準化的頻率界限內；信息產生電路，用於從寬帶音頻信號中或者從該寬帶音頻信號的剩餘頻譜部分中提取恢復信息，所述信息可被用於恢復該寬帶音頻信號的所述剩餘頻譜部分；嵌入器，優選地以承載作為有效負荷的所述恢復信息的水印的形式，將所述恢復信息作為可識別的失真嵌入到所述第一頻譜部分，以用於獲得所述窄帶音頻信號。
通過這些措施，編碼器將能產生基本上包含寬帶音頻信號的全部信息和頻譜內容的窄帶音頻信號，該窄帶音頻信號是與窄帶信號的基礎設施相兼容的。
在優選的實施方案中，所述信息產生電路包括外推器，用於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的頻率界限；以及比較器，用於比較所述被外推的音頻信號與寬帶音頻信號，並且根據該比較來提供所述恢復信息。
這樣，藉助於信號處理的相當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量水平。
由於這種被外推的音頻信號相對於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行傳輸，並且只有寬帶音頻信號和被外推的音頻信號之間的區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。
在將包含用於處理信號的恢復信息的窄帶音頻信號解碼為相應寬帶音頻信號的解碼器中，通過解碼器滿足了本發明的目的，該解碼器包括提取器，用於提取所述恢復信息，優選的是用於提取以水印形式存在的恢復信息的水印提取器；恢復電路，使用所述恢復信息來恢復一個或者多個頻譜音頻信號部分，並且將所述頻譜音頻信號部分與所述窄帶音頻信號合併，以獲得所述相應的寬帶音頻信號。
通過這些措施，解碼器將能非常忠實地恢復該原始寬帶音頻信號，所恢復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容。
在優選的實施方案中，所述恢復電路包括外推器，用於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的寬帶音頻信號的頻率界限相對應的頻率界限；以及校正器，用於根據所述恢復信息修改所述外推器的特徵，該校正器優選的是被併入到外推器中。
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餘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別需要從被嵌入到第一頻譜部分的可識別的失真中恢復。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中，通過這個系統滿足本發明的目的，該系統包括根據本發明在傳輸端用於將寬帶音頻信號處理成窄帶音頻信號的編碼器，和根據本發明在接收端用於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的情況下，建立了用於傳輸寬帶音頻信號的完整的系統。這樣，僅僅需要在該整個傳輸通道的發送端和接收端安裝新的系統。
根據本發明的實施方案，這種新的安裝優選地是暫時性的，原因在於它們可能是出於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目的高質量傳輸，或者這種新的安裝可以併入在諸如與公共電話網絡相連的電話機或者行動電話的裝置中，這樣當與具有相同設施的遠端裝置相連時，給用戶提供了增強的傳輸質量。
因為窄帶音頻信號在存儲介質中將佔據比寬帶音頻信號更小的存儲空間，所以明顯地增加了用於存儲音頻信號的任意存儲介質的有效容量。
當使用這樣一種存儲介質時，根據本發明的實施方案當然必須配置用於存儲和恢復的系統，但是因為不管存儲介質的容量有多大只需要配置一個這種系統，對於具有更大容量的存儲介質而言經濟效益將很大。
出於存儲目的而不是傳輸目的，分別使用用於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明和權利要求書的範圍之內。
出於傳輸的目的，優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。
然而出於存儲的目的，使用本發明的存儲系統，對於期望的重放質量水平，提供最大壓縮比的本發明的窄帶音頻信號的頻率界限將不必與用於傳輸目的的所述優選頻率界限相同。
下面，將藉助於實施方案的實例和參考附圖更加詳細的解釋本發明，其中
圖1說明根據本發明實施方案的編碼器的原理；圖2說明根據本發明實施方案的解碼器的原理；圖3是圖1中編碼器的優選實施方案的示意圖；以及圖4是圖2中解碼器的優選實施方案的示意圖。
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，而這部分構成了窄帶音頻信號4。對於帶通濾波器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將具有對應於濾波器2的頻率界限的頻率界限。
優選地，帶阻濾波器3的頻率界限或者截止頻率是對應於帶通濾波器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的剩餘的頻譜部分5通過。
該寬帶音頻信號1可以是例如範圍從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。然後通過從20或100Hz到300Hz和從3.4kHz到10或者20kHz的頻帶將構成該剩餘的頻譜部分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，剩餘的頻譜部分5將是從3.4kHz到8kHz的頻帶，並且帶阻濾波器3將被替換為3.4kHz的高通濾波器。
用信息產生器或者信息產生電路6來處理剩餘的頻譜部分5。這個電路6以適當的格式將剩餘頻譜部分5的內容上的信息7輸送到嵌入器8。根據本發明，所述信息7適合於作為用於恢復剩餘頻譜部分5的基礎，但是優選地構成比剩餘頻譜部分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，優選地以感覺上聽不到的方式，因此來自嵌入器8的輸出構成具有對應於帶通濾波器2的截止頻率的頻率界限的窄帶音頻信號9。
存在幾種用於這種嵌入的可用的方法，一種優選的方法是水印，此處信息7優選地作為水印的「有效負荷」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，並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幹擾人們去收聽該窄帶音頻信號9。
因為窄帶音頻信號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計用於處理窄帶音頻信號的任意基礎設施處理或者傳輸。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來傳輸窄帶音頻信號9。
現在轉向參考圖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於圖1中的信息7，並且優選地作為水印出現在信號20中。對於這種提取嵌入的信息，方法和設備本身是公知的。
在這個信息22的基礎上，剩餘的頻譜部分24被恢復器23恢復。這些頻譜部分與窄帶音頻信號20在合併電路26中合併以獲得寬帶音頻信號27。這個信號27是例如對應於圖1中的寬帶音頻信號1。
圖1的編碼器和圖2的解碼器是例如並且優選地分別在諸如電話線的窄帶傳輸通道的發送端和接收端起作用。
現在達到了這樣的程度即傳輸通道保持了被傳輸的窄帶音頻信號的質量，並且還達到了這樣的程度即圖1中的信息產生(6)和嵌入(7)保持了寬帶音頻信號1的剩餘頻譜部分的質量，隨後是圖2中的提取(21)和恢復(23)，在沒有明顯地質量損失特別是頻譜質量損失的情況下，通過窄帶傳輸通道現在可以傳輸這個寬帶信號並且如上所述被再次恢復。
用於這樣一個傳輸信道的調製和解調原理的選擇將不會影響本發明的窄帶音頻信號的可傳送性。
這種調製可以是例如使用GSM行動電話網絡或者傳統的模擬電話網絡。在前一種情況下，調製器可以是在發送端的GSM行動電話，解調器可以是在接收端的GSM行動電話。沿著傳輸通道現在可以使用多種類型的調製。
例如，通過使用傳統形式的模擬調製的傳統長途模擬電話網絡，可以將在發送端服務於行動電話的GSM網絡之間的連接連接到在接收端服務於行動電話的GSM網絡。
明顯的是，這種通過現有的窄帶基礎設施傳輸寬帶音頻信號將提供巨大的經濟價值。公共電話系統提供了用於標準化的窄帶音頻信號的幾乎通用分布的傳輸系統。用於任意傳輸寬帶音頻信號的這種系統的使用將省略在許多情況下不必要的用於寬帶音頻信號的特殊的傳輸服務，並且因此節省了成本。
本發明的明顯的優點在於編碼的窄帶音頻信號9、20是直接與現有的傳統窄帶音頻信號處理方法和設備兼容的。正如所提到的，優選地該嵌入信息在本發明的窄帶音頻信號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將可容易地由現有的窄帶終端，即連接到現有的窄帶基礎設施的任何以前公知的終端設備播放或接收。在這種設備中，將識別本發明的窄帶音頻信號並且將其作為傳統的信號處理。嵌入的信息對於這種設備將沒有用處，但是它確實也沒有產生幹擾，如果它是可聞的，則將以噪聲出現。
上述說明的本發明的編碼器和解碼器的有前途的應用可以是電話設備，該電話設備包括電話機和行動電話。如果本發明的編碼器和解碼器被構建到這種電話中，當這種設備連接到公共電話網絡時，寬帶語音連接將容易地成為可能。
如果在這種電話和傳統的電話之間建立了電話連接，那麼這種連接當然將是窄帶連接。傳統的電話將可以把嵌入的信息再現為非常輕的噪聲，而本發明的電話將僅從傳統的電話中再現窄帶音頻信號，因為沒有出現信息22(圖2)並且因此沒有剩餘的頻譜部分24會合併到窄帶音頻信號，但是毫無問題這種連接將是成功的。
然而無論何時本發明的兩部電話連接在一起，隨後將是寬帶電話連接並且因此電話用戶將可以體驗到非常高的信號質量。這種增強的連接質量證明是在仍然增長的行動電話市場上重要的競爭因素。
當傳輸演講者或者相應的評論時，諸如用於互連廣播演播室的特殊的終端設備也將能從本發明中受益。迄今，這種連接最經常通過公共電話網絡進行，造成傳輸質量非常的差。在這樣的設備中使用本發明將提供有很大改進的廣播音頻質量。
在圖3中示出了本發明的編碼器的一種優選的實施方案。在A/D轉換器41中模擬寬帶音頻信號40被轉換成數字寬帶音頻信號，並且隨後在兩個數字濾波器42、43處濾波。數字濾波器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構成窄帶音頻信號，並且數字濾波器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的剩餘的頻譜部分52。
第一頻譜部分51和剩餘的頻譜部分52被傳送到信息發生器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中與剩餘的頻譜部分52進行比較，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包括對應於寬帶音頻信號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餘的頻譜部分52的頻譜對應的。
外推器應當理解成相對簡單的電路。這種電路在先前是公知的，並且目的在於增強窄帶音頻信號，以便獲得較高質量的寬帶音頻信號；然而通常結果不能令人滿意。
在比較器54中將偽信號57與剩餘的頻譜部分52進行比較，產生了上面提到的差信號。
這種布置的目的在於減少將被嵌入到第一頻譜部分中的信息量。即使偽信號57可能對於剩餘的頻譜部分52的較差的模擬，但是這可足夠好以至於差信號56中的信息量明顯的少於剩餘的頻譜部分52中的信息量。
在圖3實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進行比較，並且因此省略了數字濾波器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，但是儘管如此差信號56通常表示剩餘的頻譜部分52與偽信號57的對應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節器44，該除法電路或者幀調節器44將第一頻譜部分分段成多個幀。這些幀46被繼續傳送到嵌入器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。該傅立葉係數被傳送到調節器48，在該調節器處根據差信號56對傅立葉係數進行修改，這樣將差信號56中的信息嵌入到頻域的第一頻譜部分中。
該修改的傅立葉係數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，並且該時域信號50還具有嵌入其中的差信號56。
出於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併入到在本發明的解碼器的實施方案中的。然而數字音頻信號的分段也可以用於其他的目的。
在圖3實施方案的第三方案中，無需信息發生器，剩餘的頻譜部分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。
在調節器48中，通過將來自公知的二進位字序列(特定的「水印」)的樣本添加到傅立葉係數的絕對值，差信號56或者剩餘的頻譜部分52可以分別優選地在修改的傅立葉係數中表示。所述序列將優選地包括對應於每個幀46中的信號樣本數量的多個二進位字。
分別根據差信號56或者剩餘的頻譜部分52的值可以優選地將用於每個幀46的所述樣本序列進行循環移位，從而所述值事實上由水印樣本序列的移動量來表示。
當通過傳統的窄帶設備來重新產生信號時，實驗已經表明根據本發明將產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中示出本發明的解碼器的一個優選的實施方案，根據本發明在輸入終端接收數字、成幀的窄帶音頻信號70，並且該窄帶音頻信號70被傳送到提取器71，在提取器71處從窄帶音頻信號70提取根據本發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進行離散的傅立葉變換，並且該傅立葉係數被傳送到互相關電路73。
在對應於圖3中的嵌入器45的優選實施方案的這個電路的優選實施方案中，對於在嵌入器45中使用的水印字的每個可能的循環移位值，建立了傅立葉係數和公知水印(如在圖3中的相同的二進位字位列)之間的相關性。
當循環移位是與在嵌入處所使用的移位相同時，該相關性將呈現明顯的值，並且這樣該嵌入的值(「有效負荷」)可以被識別並且因此被提取。該提取是通過在圖4中的表示有效負荷提取電路的方框75來符號表示的。分別對應於差信號56或者剩餘的頻譜部分52的被提取的有效負荷將出現在圖4中的終端76處，並且從終端76處連同接收到的窄帶音頻信號70一起提供給恢復器79。
在恢復器中，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處根據提取的有效負荷76來修改該偽信號。實質上偽信號74是對應於圖3中的偽信號57的。
在圖4實施方案的第一方案中，通過外推器80傳送的偽信號74包括對應於寬帶音頻信號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，採用的方式是對應於圖3中的編碼器的第一方案。
在這種方案中，有效負荷76將構成要被添加到偽信號74的差信號，並且和信號82將對應於剩餘的頻譜部分52。在合併電路83中這些信號將與接收到的窄帶音頻信號70進行合併，並且來自合併電路83的輸出信號84將構成恢復的寬帶音頻信號。
在圖4中的實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，有效負荷76將仍然通常表示剩餘的頻譜部分52和對應的偽信號74的頻譜部分之間的差。將這個差添加到偽信號74將再次產生對應於剩餘的頻譜部分52的和信號82，該和信號82與接收到的窄帶音頻信號70合併以得到恢復的寬帶音頻信號84。
在圖4解碼器的第三方案中(其對應於圖3中的編碼器的第三方案)，有效負荷將對應於整個剩餘頻譜部分52，並且將被直接傳送到合併電路83。在這種情況下，將省略恢復器79。
圖3的編碼器的三種方案和圖4的解碼器的對應方案現在構成根據本發明的編碼器-解碼器對的三個實施方案，用於沿著窄帶基礎設施來傳送寬帶音頻信號。該寬帶音頻信號在發送端被編碼並且在接收端被解碼。
然而，窄帶基礎設施不必是傳輸通道，而能是任意的窄帶結構諸如存儲器系統。在那種情況下，寬帶音頻信號可以以根據本發明的窄帶音頻信號的形式被存儲，並且如參考圖2和4說明的從解碼成寬帶形式的存儲器中進行恢復。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討論了從該系統中的受益之處。
對於第一頻譜部分來設計頻率界限是位於本發明的範圍之內的，對於任意期望的再現質量水平該第一頻譜部分提供更大的壓縮程度。
類似的，本發明的窄帶音頻信號可以進行任何其他形式的窄帶音頻信號處理或者結構，提供了相應的益處。
儘管上面參考了將恢復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信息嵌入到第一頻譜部分及隨後所述信息的提取都落入在本發明的範圍內。
儘管上面已經總體上涉及寬帶音頻信號，但是將本發明應用於寬帶語音信號是特別有利的。
語音構成音頻信號，在該音頻信號處對於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，當使用本發明時這些帶可以分別被傳輸或者存儲，從而剩餘的頻譜部分不一定需要忠實地如同300-3.400Hz頻帶而被再現。
因此，當再現語音信號而不是音樂時，可以以較低的標準來再現剩餘的頻譜部分。這樣，可以使用本發明來選擇較低的但仍然是可接受的將被使用的再現質量，並且因此節省處理功率。
應當注意的是上面提到的實施方案是說明而不是限制本發明，並且本領域的技術人員在沒有背離附屬權利要求書的範圍的情況下通史設計許多修改的實施方案。在權利要求書中，任意位於括號之間的參考標記不應當解釋為限制本發明。術語「包括」不排除在權利要求中列出的那些其他的單元或者步驟。藉助於包括幾種不同的單元的硬體和藉助於適當編程的計算機能夠實施本發明。在枚舉幾種裝置的設備權利要求中，這些裝置中的幾個裝置可以通過相同的硬體來實現。在互不相同的從屬權利要求中記載的某些措施並非表示不能從這些措施的組合中獲益。
權利要求
1.一種窄帶音頻信號(9；50)，包括可用於將窄帶音頻信號處理成對應的寬帶音頻信號(27；84)的信息，其特徵在於所述信息作為可識別的失真出現在窄帶音頻信號中。
2.根據權利要求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，優選地以感覺上聽不到的方式。
3.用於將寬帶音頻信號(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，其中位於所述標準化的頻率界限之內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，而可用於恢復寬帶音頻信號的剩餘的頻譜部分(5；52)的恢復信息(7；56)被嵌入到所述第一頻譜部分，其特徵在於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信息嵌入到所述第一頻譜部分中。
4.根據權利要求3的方法，其中所述恢復信息(7；56)作為水印被嵌入到所述第一頻譜部分(4；51)中，該水印作為有效負荷承載了所述恢復信息。
5.根據權利要求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-以數字形式提供所述第一頻譜部分(51)和所述剩餘的頻譜部分(52)；-將所述第一頻譜部分(51)組織成幀(46)；-對所述幀進行傅立葉變換(47)；-根據所述水印修改(48)傅立葉係數；以及-對修改後的傅立葉係數進行逆傅立葉變換(49)以獲得時域的、加了水印的幀。
6.根據權利要求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，優選地在通過傳輸通道傳輸所述窄帶音頻信號之後或者是將其存儲到存儲介質上之後。
7.一種用於將寬帶音頻信號(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，其特徵在於包括-濾波器(2；43)，用於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於標準化的頻譜界限內；-信息產生電路(6；55)，用於從寬帶音頻信號中或者從寬帶音頻信號的剩餘的頻譜部分(5；52)中提取恢復信息(7；56)，所述信息可用於恢復寬帶音頻信號的所述剩餘的頻譜部分；-嵌入器(8；45)，用於將所述恢復信息嵌入在所述第一頻譜部分，優選地以水印的形式，該水印承載作為有效負荷的所述恢復信息，以獲得所述窄帶音頻信號。
8.根據權利要求7的編碼器，其中所述信息產生電路(55)包括-外推器(53)，用於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)具有基本上對應於寬帶音頻信號的頻率界限的頻率界限；以及-比較器(54)，用於將所述被外推的音頻信號同寬帶音頻信號(40)或者同所述剩餘的頻譜部分(52)進行比較，並且根據該比較提供所述的恢復信息(56)。
9.用於解碼窄帶音頻信號(20；70)的解碼器，該窄帶音頻信號包括可用於將該窄帶音頻信號處理成對應的寬帶音頻信號(27；84)的恢復信息，其特徵在於包括-提取器(21；71)，用於提取所述恢復信息(22；76)，-恢復電路(23；79)，使用所述恢復信息來恢復一個或者多個頻譜音頻信號部分(24；82)，並且將所述頻譜音頻信號部分與所述窄帶音頻信號進行合併(26；83)以獲得所述對應的寬帶音頻信號。
10.根據權利要求9的解碼器，其中所述恢復電路(79)包括-外推器(80)，用於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)具有基本上對應於相應的寬帶音頻信號的頻率界限的頻率界限；以及-校正器(81)，用於根據所述恢復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，其特徵在於在發送端包括根據權利要求7的編碼器，用於將寬帶音頻信號處理成窄帶音頻信號，並且在接收端包括根據權利要求9的解碼器，用於將所述窄帶音頻信號重新處理成寬帶音頻信號。
12.一種用於將寬帶音頻信號存儲在存儲介質上並且從存儲設備中恢復寬帶音頻信號的系統，其特徵在於包括根據權利要求7的編碼器，用於在存儲之前將寬帶音頻信號處理成窄帶音頻信號，並且包括根據權利要求9的解碼器，用於在存儲設備中恢復之後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，承載有根據權利要求1的窄帶音頻信號。
14.一種再現設備，包括權利要求9所述的解碼器。
15.一種發射機，包括權利要求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用於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，並且通過以可識別的方式使所述第一頻譜部分失真並且優選地作為水印來嵌入(8)可用於恢復剩餘的頻譜部分(5)的信息(7)，優選地以感覺上聽不到的方式。公開了一種用於將寬帶音頻信號(1)編碼成窄帶信號(9)的編碼器、和一種用於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，一種將寬帶音頻信號存儲在存儲介質上並且從存儲設備中恢復該寬帶信號的系統，和一種承載窄帶音頻信號的存儲介質。
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 優先權日2001年10月25日
發明者R·塔奧裡, A·J·格裡特斯, R·J·斯魯特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司