Förlängning av bandbredd

Bandbreddsförlängning av signal definieras som den avsiktliga processen att utöka frekvensområdet ( bandbredden ) för en signal i vilken den innehåller ett märkbart och användbart innehåll, och/eller det frekvensområde inom vilket dess effekter är sådana. Dess betydande framsteg under de senaste åren har lett till att tekniken har antagits kommersiellt inom flera områden, inklusive psykoakustisk basförstärkning av små högtalare och högfrekvent förbättring av kodat tal och ljud.

Bandbreddsförlängning har använts i både tal- och ljudkomprimeringsapplikationer. Algoritmerna som används i G.729.1 och Spectral Band Replication (SBR) är två av många exempel på bandbreddsförlängningsalgoritmer som för närvarande används. I dessa metoder kodas det låga bandet i spektrumet med hjälp av en existerande codec, medan det höga bandet är grovt parametriserat med färre parametrar. Många av dessa bandbreddsförlängningsalgoritmer använder sig av korrelationen mellan lågbandet och högbandet för att förutsäga den bredare bandsignalen från extraherade funktioner på lägre band. Andra kodar det höga bandet med mycket få bitar. Detta är ofta tillräckligt eftersom örat är mindre känsligt för förvrängningar i det höga bandet jämfört med det låga bandet.

Basförstärkning av små högtalare

Oftast är små högtalare fysiskt oförmögna att återge lågfrekvent material. Genom att använda ett psyko-akustiskt fenomen som den saknade fundamentala , kan uppfattningen av låga frekvenser ökas avsevärt. Genom att generera övertoner av lägre frekvenser och själva ta bort de lägre frekvenserna skapas förslaget att dessa frekvenser fortfarande finns kvar i signalen. Denna process tillämpas vanligtvis genom extern utrustning eller inbäddad i högtalarsystemet med hjälp av en digital signalprocessor.

Högfrekvensresponsen kan också förbättras genom generering av övertoner. Istället för att kartlägga frekvenser inom högtalarens reproducerbara område, används själva högtalaren för att generera frekvenser utanför det normala reproducerbara området. Genom att förstärka höga frekvenser och överstyra högtalaren eller förstärkaren något kan högre övertoner genereras.

Bandbreddsförlängning av tal i telefonsystem

Telefontalsignaler är vanligtvis mycket försämrade i kvalitet. En del av denna försämring beror på den begränsade bandbredden som används i telefonsystemen. I de flesta system skärs frekvenser lägre än 250 Hz och bandbredden sträcker sig bara till frekvenser på 4 eller 8 kHz. Genom att använda filtrering och vågformning kan låg- och högfrekvent respons utökas.

Genom lågpassfiltrering skapas den lägsta oktav- och halvvågslikriktningen en vågform med en grundhalva av den ursprungliga frekvensen. På grund av diskontinuiteten i vågformen behövs lågpassfiltrering för att filtrera alla övertoner. Med hjälp av en sådan subharmonisk synthesizer återskapas det väsentliga frekvensbandet mellan 125 – 250 Hz, vilket ökar vikten till signalen.

För att utöka den högfrekventa bandbredden kan vi isolera toppoktaven med hjälp av högpassfiltrering och sedan generera övertoner av denna. Genereringen av övertoner kan göras genom en enkel helvågslikriktning, som är beräkningsmässigt billig och inte amplitudberoende. Som ett alternativ enkelsidbandsmodulering användas, vilket ger exakt kontroll över antalet och amplituden av övertonerna. I teorin kan enveloppuppskattning användas för att extrahera den ursprungliga högfrekvensenveloppen och regenerera höga frekvenser med hjälp av en bruskälla. Den sparsamma information som finns tillgänglig i den lilla bandbredden kommer förmodligen att vara för begränsad för att extrahera ett ordentligt kuvert.

Bandbreddsförlängning av ljud

Spektralbandsreplikering (SBR) är en ny teknik som har vunnit popularitet som ett "tillägg" till populära perceptuella ljudkodekar som MP3 och Advanced Audio Coding (AAC). Nya ljudkodare som består av ett äktenskap mellan SBR och de konventionella ljudkodarna har bildats, nämligen MP3Pro och AAC+ . I dessa algoritmer kodas det lägre spektrumet med antingen MP-3 eller AAC, medan det höga bandet kodas med SBR. Nyckeln till SBR-algoritmen är informationen som används för att beskriva den högfrekventa delen av signalen. Det primära designmålet med denna algoritm är att rekonstruera högbandsspektrumet utan att introducera några aliasartefakter och att tillhandahålla bra spektral- och tidsupplösning. En 64-bands komplexvärderad flerfasfilterbank används vid analysdelen. Vid kodaren används filterbanken för att erhålla energisampel av den ursprungliga insignalens höga band. Dessa energiprover används sedan som referensvärden för enveloppjusteringsschemat som används vid avkodaren.

Anteckningar

• RM Aarts, Erik Larsen och O. Ouweltjes (2003), "A unified approach to low- and high-frequency bandwidth extension", Convention paper 5921 presenterad vid Audio Engineering Society 115th Convention 2003, 10–13 oktober, New York, USA
• V. Berisha och A. Spains "Wideband Speech Recovery Using Psychoacoustic Criteria" EURASIP Journal on Audio, Speech, and Music Processing , 2007
• V. Berisha och A. Spains "A Scalable Bandwidth Extension Algorithm", Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, 2007. Vol. 4, sidor: 601–604, april 2007
• A. McCree, T. Unno, A. Anandakumar, A. Bernard och E. Paksoy, "En inbyggd adaptiv multi-rate bredbandstalkodare", i Proc . IEEE Int. Konf. Acoust., Speech Signal Processing , vol. 2, maj 2001, s. 761–764.
• P. Jax och P. Vary, "Enhancement of band-limited speech signals", i Proc. av Aachen Symposium on Signal Theory , september 2001, s. 331–336.
• M. Nilsson och W. Kleijn, "Avoiding over-estimation in bandwidth extension of telefony speech", i Proc. IEEE Int. Konf. Acoust., Speech Signal Processing , vol. 2, maj 2001, s. 869–872.