专利名称：解码器、解码方法及其程序发布介质的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种解码器、解码方法和程序发布介质，其中该解码器用于将一个编码声信号重现为具有任意采样频率的时域信号以便输出所得信号，该程序发布介质包含该解码方法的一个运行程序。
背景技术：
下面将参照图1至5描述一种与用于将一个编码声信号重现为具有任意采样频率的时域信号以便输出所得信号的解码器相关的技术。近年来，已经开始通过网络例如因特网和电话线发送电子音乐，并且不同类型的高效压缩和编码的音乐通过不同方法发送至各个家庭。在电子音乐发布系统中，音乐数据被存于一个发布服务器内。用户一旦通过网络或流操作将所有音乐数据下载，即可将音乐数据传输至自己的用户终端。
在许多情况下，服务器包含销售的有效数据和主要用于预听的数据。一般销售的有效数据通常具有对应于CD(光盘)水平的音频质量、44.1kHz的采样频率和大约128kbps的位率。
对于预听数据，当为预听完成实时下载和流操作时，位率决定于网络。具体地，为使用PHS通过网络传输音乐信息，由于带宽被限于大约最多64kbps，因此可用位率被限于只大约32kbps。在此情况下，采样频率被减少至低于有效数据，及该数据被编码。下面将参照一个事例描述常规解码器的操作，在该事例中原始数据具有44.1kHz的采样频率，及采样数据具有16kHz的采样频率。
由于16kHz的采样频率的频带窄于44.1kHz的频带，将会产生一个难听的声音。在该解码器中，可以考虑以下方法1)采样频率处的数据仍然不变；
2)执行向上采样，并且以较高采样频率重现数据；3)执行向上采样，将信息加至更高频带上，因而使频带被准扩展。
现在描述将频带扩展的情况3)。在此情况下，参照MPEG-2高级音频编码的解码处理进行描述。图1是用于显示常规解码器的配置的框图。一个使用16kHz采样频率编码的输入位流通过一个位流输入单元1被输入，然后由一个位流分解器2进行分析。接着该位流信息被存入一个存储单元3。位流信息包含例如组成频谱的信息和采样频率fs的信息。
一个逆量化器5根据获得的位流信息、以通道为单位、在频带中生成一个频谱信号。一个频时域转换器7将该频谱信号转换为时域数据。以通道为单位被转换为时域信号的信号被提供给一个采样频率转换器9。采样频率转换器9将采样频率进行转换并且根据自一个外部频率信息输入单元4接收的命令输出一个时间信号8。在具体例子中，输入单元4显示出高达原始信号的两倍。
图2显示采样频率转换器9的配置。采样频率转换器9被配置为包括一个采样保持电路11和一个滤波单元12。图3显示滤波单元12的示例性特性，及图4显示滤波单元12的示例性配置。滤波单元12被配置为包括延迟设备13a至13d、乘法器14a至14e和一个加法器15。滤波单元13具有IIR滤波器的功能。该滤波器具有一个如图3中所示的低通滤波器的特性，当fs表示编码数据的采样频率时，增益在自fs/2至fs的范围内逐渐减少。
输入至采样频率转换器9的时域信号被转换并且输入至图2中所示采样保持电路11中。采样保持电路11的输入信号的信号频谱被假设为如图5A中所示。在采样保持电路11中，在收到一个采样输入时，它的采样频率被增加为输入的采样频率的两倍，并且生成两个采样输出，其中每个采样输出与输入相同。因此，信号频谱如图5B中所示地变化。图5B显示该频谱以1/2fs为中心水平地对称。
具有图5B中所示频谱的信号被输入至滤波单元12。在滤波单元12中，高频带分量被衰减，如图3中所示。根据这些操作，一个高频带分量被加入，并且重现频谱能够被扩展。
如上所述，根据常规方法，声信号被转换回为时域波形，采样频率被转换及高频带分量被加入。然而，在此方法中，相对于正常频带中的分量来计算高频带分量是困难的，从而使声音失真。当试图精确地预测高频带分量时，信号处理量将增加。因此，需要一个允许频带扩展而处理量和失真较小的解码器。
发明内容
本发明考虑到以上所述问题。本发明的一个目的是提供一种解码器和一种解码方法，当一个编码信号被解码时，它们使用在频时转换中获得的频谱信息来生成高频带频率数据，从而允许减少处理量和减少声信号中的失真，本发明还提供一种程序发布介质，它包含一种用于操作该解码方法的运行程序。
本发明的一种解码器包括一个位流输入单元、一个位流分解器、一个位流信息存储单元、一个逆量化器、一个频谱扩展器和一个外部频率信息输入单元和一个频时域转换器。该位流输入单元输入一个通过将从时域信号转换所得频域信号进行编码而得的位流。该位流分解器对从位流输入单元接收的信号进行分析及将位流信息解码。该位流信息存储单元临时地存储通过位流分解器获得的位流信息。该逆量化器根据位流信息存储单元中的位流信息在预定频带中生成一个频谱信号。该频谱扩展器将通过将一个高于预定频带的频带中的频谱加至从逆量化器输出的频谱中而生成的扩展频谱输出。该外部频率信息输入单元从位流信息存储单元中的位流信息中检索位流的采样频率信息以便确定准备解码的采样频率。该频时域转换器根据从外部频率信息输入单元接收的采样频率将从频谱扩展器输出的频谱数据转换为时域信号。
图1显示常规解码器的配置；
图2显示使用常规解码器的采样频率转换器的配置；图3显示常规采样频率转换器的滤波单元的频率特性；图4显示与采样频率转换器一起使用的滤波单元的配置；图5A至5C是根据常规解码器将频谱扩展时的频谱图；图6显示根据本发明实施例的解码器的配置；图7A和7B是根据本发明将频谱扩展时的频谱图；图8示出根据本发明的频谱的谐波分量；图9是一个用于显示根据本实施例的频谱扩展时的运算流程图；及图10是一个用于显示基频频谱的一次谐波值和二次谐波值的概念图。
具体实施例方式
现在参照附图描述根据本发明实施例的解码器和解码方法。图6显示根据本实施例的一个解码器的配置。将参照与常规例子中相同的方框和相同的数字来描述该配置。本实施例的解码器被配置为包括一个位流输入单元1、一个位流分解器2、一个存储单元3、一个外部频率信息输入单元4、一个逆量化器5、一个频谱扩展器6和一个频时域转换器7。
位流输入单元1输入一个通过将时域信号转换为频域信号所生成的信号进行编码所得的位流。位流分解器2对从位流输入单元1接收的信号进行分析，然后将位流信息进行解码。存储单元3用作一个位流信息存储单元，它用于临时地存储由位流分解器2中获得的位流信息。逆量化器5根据存于存储单元3中的位流信息在预定频带中生成一个频谱信号。频谱扩展器6将一个高于预定频带的频谱加至已经从逆量化器5输出的频谱中，并且输出一个扩展频谱。外部频率信息输入单元4从临时地存于存储单元3中的位流信息中检索位流的采样频率信息，及确定解码所需的采样频率。频时域转换器7根据从外部频率信息输入单元4中接收的采样频率将从频谱扩展器6中输出的频谱信号转换为一个时域信号(时间信号)。用于将时域信号转换为模拟信号的A/D转换器10被提供于解码器的稍后级中。输入单元4优选地选择可供D/A转换器10运用的采样率中的一个。
现在描述实施例中的解码器的操作。一个声信号的输入位流在位流分解器2中被分析，及位流信息被存入存储单元3中。位流信息包括例如组成频谱的信息和位流的采样频率信息。位流信息被提供给输入单元4和逆量化器5。
逆量化器5接收位流信息并且生成一个频谱信号。在收到位流信息后，输入单元4根据从系统输入的输出采样频率和位流的采样频率来输出一个放大系数(MF)给频谱扩展器6和频时域转换器7。
频谱扩展器6根据来自输入单元4的信息生成频谱的高频带信息。图7A显示输入至频谱扩展器6的数据的例子。输入数据所占据的频带被称为“带内频谱”。根据放大系数，为图7A中所示数据保留一个存储区域用于存储不包含于位流中的高频带频谱数据。此高频带频谱被称为“带外频谱”。
当放大系数为2时，需要一个与足够用于存储位流采样频率的频谱的区域同样大的区域。当放大系数为4时，需要一个为足够用于存储位流采样频率的频谱的区域三倍大的区域。优选地，频谱放大系数是2的n次幂的整倍数(n＝不等于0的自然数)，例如采样频率fs的两倍或四倍。如此操作，能够使用快速付立叶变换容易地计算谐波频谱。所保留的扩展区域被初始化为0。从图7A中所示的频谱中生成高频带频谱并且将它存储。图8显示用于生成高频带信息的示例性方法。此方法根据从逆量化器5中获得的基频频谱来预测谐波分量。
相对于图8中所示基频频谱(10-1)而言，该方法根据预定规则(功能)预测一次谐波至四次谐波频谱(10-2、10-3、…、10-5)。就谐波频谱的频率而言，一次谐波对应于基频频谱的两倍，二次谐波对应于基频频谱的三倍，三次谐波对应于基频频谱的四倍，及四次谐波对应于基频频谱的五倍。当谐波次数增加时，被显示于图8中的谐波预测方法造成具有常数衰减系数k1、k2、k3、…的衰减。以此方式计算带外频带。
现在参照图9中所示流程图和图10中所示频谱表描述一个用于为每个带内频谱设置高至n次谐波的系统。
首先，为每个带内频谱计算一次谐波。对于一次谐波，在步骤S1处将一个用于标示频率的指针f设为0，及在步骤S2处将谐波次数a设为1。随后在步骤S3处，本实施例的系统判断准备计算的频率是否处于基频fs/2被增加的范围内。如果该谐波是一次谐波，则在任何情况下都处于给定范围内。因此，在步骤S4处，该频谱被设至两倍频率的位置处，以及该频谱被扩展为具有通过乘以预定衰减系数k1也即完成k1Xfs的计算而获得的强度，如图8和10中所示。对于在步骤S5处一次谐波处于0至fs/2范围内的频谱而言，在步骤S6处该系统将一次谐波k1X0的强度与一个具有与一次谐波频率相同频率的带内频谱X1进行比较。如果带内频谱X1大于或等于一次谐波k1X0，则过程进至步骤S9，及在此状态下系统计算下一次谐波。如果带内频谱X1小于一次谐波k1X0，则过程进至步骤S10。此后系统停止计算下一次谐波，并且完成随后频率的处理。
对于其中一次谐波处于基频频带之外的频谱而言，在步骤S7处该系统将一次谐波k1X0的强度与一个具有与一次谐波频率相同频率的现有带外频谱进行比较。当计算一次谐波时，现有带外频谱的强度小于谐波的强度。因此，在步骤S8处系统使用一次谐波替代现有带外频谱。然后在此状态下，在步骤S9处系统计算下一次谐波。
随后，系统计算二次谐波。二次谐波是一个具有如图8中所示基频频谱的预定衰减强度的频谱，其位置为图10中所示的三倍频率位置，及衰减系数被设为K2。
在步骤S3处，当二次谐波所在的频率大于或等于采样频率，即fs的放大系数时(此例中是大于放大系数)，不进行随后的计算。
对于位于基频频带之内的二次谐波的频谱而言，过程自步骤S5进至步骤S6，系统将二次谐波k2X0的强度与一个具有与二次谐波频率相同频率的带内频谱X2进行比较。如果带内频谱X2大于或等于二次谐波k2X0，则过程进至步骤S9，及在此状态下系统计算下一次谐波。如果带内频谱X2小于二次谐波k2X0，则过程进至步骤S10。此后系统停止计算下一次谐波。
对于其中二次谐波处于基频频带之外的频谱而言，在步骤S7处该系统将二次谐波的强度与一个具有与二次谐波频率相同频率的现有带外频谱进行比较。如果现有带外频带频谱的强度小于谐波的强度，则在步骤S8处系统使用二次谐波替代现有带外频谱。如果现有带外频带频谱大于二次谐波，则过程进至步骤S9，及在此状态下系统计算下一次谐波。
随后以与二次谐波的计算相同的方式计算三次谐波直至n次谐波。使用以上所述方法获得具有自0至N-1频率的各谐波。如此操作，带外频谱被形成，如图7B中所示。
现在描述为每个带内频谱设置直至n次谐波的另一个方法。首先计算一次谐波。当采样频率由fs表示时，一次谐波被设为一个形成的频谱，以使每个带内频谱被移至两倍频率，即fs/2至fs的位置。在完成如图8中所示的预定衰减之后，该频谱具有一个强度。如此操作，一次谐波被设为具有位流的1/2至1/4fs的频谱。
随后计算二次谐波。二次谐波被设为一个形成的频谱，以使每个带内频谱被移至三倍频率，即fs/2至fs的位置。在完成如图8中所示的预定衰减之后，该频谱具有一个强度。如此操作，二次谐波被设为具有位流的1/3至1/6fs的频谱。
当一次谐波已被设为位流的1/3至1/4fs的频率范围内的频谱时，各谐波中的相对较大一个被设置。为处于位流的1/4至1/6fs的频率范围内的频谱计算一次谐波。当一次谐波大于现有带内频谱时，不计算二次谐波。
因此，根据本方法获得直至n次谐波，其中当低次谐波不存在时，不计算其次数高于该次数的谐波。从而完成如图7B中所示的带外频谱。
在收到如上所述获得的频谱和从外部频率信息输入单元4中输出的放大系数信息之后，频时域转换器7将该频谱转换为一个时域信号。当放大系数为1时，频时域转换器7中的转换表达式是一个根据MPEG-2AAC被显示于下面的等式(1)。在本实施例中，虽然在LONG块(帧长度1024)的情况下提供关于时域信号Xn的描述，但它类似于其他有关情况。Xn=ΣK=0N-1Xkcos[2πN(n+n0)(k+12)]---(1)]]>在以上表达式中，n是0至N-1的范围内的变量，它表示自时间轴信息的顶帧开始的顺序。在AAC中，SHORT块的N是128及其他块的N是1024。N0是(N/2+1)/2。Xk表示N个频谱中第k个值。
当放大系数为2时，N被一个乘以放大系数2的值所替代。即，它被2N所替代。
其结果是，转换表达式改变如下Xn=ΣK=02N-1Xkcos[πN(n+n0)(k+12)]---(2)]]>以上n从0改变至2N-1。
与等式(1)比较，等式(2)的特征在于累计计数量增加为两倍，及求余弦表的步骤减半。这标识当等式(2)的余弦表被做入设备中时，余弦表的读取间隔可以设为被跳过以便执行等式(1)。
因此，最大整倍数的转换运算所需参数表即最大放大系数表的准备操作允许实现所有放大系数的运算。根据对应于放大系数的频时转换方法允许重现一个声信号，其中根据自输入单元4输入的采样频率将其频带扩展。此外，输入单元4自动地选择安装于解码器上的D/A转换器的可输入采样率中的一个。
使用以上所示表达式中的每一个来建立一个高速算法。如此操作，能够使用小处理量实现运算。具体地，当N＝1024和采样频率＝16kHz时，能够使用大约2MIPS来实现运算，及当放大系数＝2时，能够使用大约4MIPS来实现运算。以上所述过程允许实施一种解码器，其中能够使用小处理量精确地实施各谐波并且在较小失真的条件下将频带扩展。
时域信号被转换为频域信号，通过编码获得的位流被分析，位流信息被解码，及信息被逆量化。此后频谱被扩展直至位流采样频率的整倍数，根据谐波分量预测位流中没有包括的高频带频谱，其中被加入所预测高频带频谱的频谱被转换为时间数据。这些过程允许实现解码器和解码方法，用于在小处理量的条件下精确地实施谐波，及在较小失真的条件下将频带扩展。此外，该解码方法被记录入一个程序发布介质中，从而允许使用所提供的解码器实施该方法。
应该理解，虽然本发明已经结合其优选实施例进行描述，但本领域技术人员知道能够作出不同的其他实施例和变动方案，这些都是在本发明的范围和实质内的，以及这类其他实施例和变动方案应该被以下权利要求书所覆盖。
于2001年11月15日递交的日本优先权申请号2001-349949的文本在此处引为参考。
权利要求
1.一种解码器包括一个位流输入单元，用于输入通过将从时域信号转换所得的频域信号进行编码而得的位流；一个位流分解器，用于对从所述位流输入单元接收的信号进行分析及用于将位流信息解码；一个位流信息存储单元，用于临时地存储通过所述位流分解器获得的位流信息；一个逆量化器，用于根据所述位流信息存储单元中的位流信息生成一个预定频带中的频谱信号；一个频谱扩展器，用于将高于所述预定频带的频带中的频谱加至从所述逆量化器输出的频谱中而生成的扩展频谱输出；一个外部频率信息输入单元，用于从所述位流信息存储单元中的位流信息中检索位流的采样频率信息以便确定应被解码的采样频率；及一个频时域转换器，用于根据从所述外部频率信息输入单元接收的采样频率将从所述频谱扩展器输出的频谱数据转换为时域信号。
2.根据权利要求1的解码器，其中所述频谱扩展器将输入位流的采样频率扩展为2的n次幂的整倍数(n＝不等于0的自然数)。
3.根据权利要求1的解码器，其中所述频时域转换器只包括一个用于将采样频率的可扩展最大整倍数进行转换运算所需参数表。
4.根据权利要求1的解码器，其中所述外部频率信息输入单元自动地选择连至解码器的D/A转换器的可输入采样率中的一个。
5.根据权利要求1的解码器，其中所述频谱扩展器如此执行一个谐波频谱，即根据从所述外部频率信息输入单元接收的信息而将从输入位流中获得的频谱信号扩展到2的n次幂的整倍数，及使用一个预定功能预测直至一个规定次数的高频带分量的能量。
6.根据权利要求5的解码器，其中所述频谱扩展器如此执行一个谐波频谱，即当基频的一个带外谐波频谱的强度高于现有频谱的强度时，进行处理而自低次开始顺序地使用谐波频谱替代基频频谱。
7.根据权利要求5的解码器，其中所述频谱扩展器如此执行频谱扩展，即当基频的一个带内谐波频谱的强度高于现有频谱的强度时，执行随后的高次的结束操作。
8.根据权利要求5的解码器，其中所述预定功能具有的特性在于当谐波次数增加时，谐波频谱能量减少。
9.一种解码方法包括以下步骤位流输入步骤，用于输入通过将从时域信号转换所得的频域信号进行编码而得的位流；位流分解步骤，用于对从所述位流输入单元中接收的信号进行分析及用于将位流信息解码；位流信息存储步骤，用于临时地存储通过所述位流分解步骤获得的位流信息；逆量化步骤，用于根据所述位流信息存储步骤中的位流信息生成一个在预定频带中的频谱信号；频谱扩展步骤，用于将高于所述预定频带的频带中的频谱加至从所述逆量化步骤中输出的频谱中而生成的扩展频谱输出；外部频率信息输入步骤，用于从所述位流信息存储步骤中的位流信息中检索位流的采样频率信息以便确定应被解码的采样频率；及频时域转换步骤，用于根据从所述外部频率信息输入步骤中接收的采样频率将从所述频谱扩展步骤中输出的频谱数据转换为一个时域信号。
10.一种以程序形式写入解码方法的程序发布介质，该方法包括位流输入步骤，用于输入通过将从时域信号转换所得的频域信号进行编码而得的位流；位流分解步骤，用于对从所述位流输入单元中接收的信号进行分析及用于将位流信息解码；位流信息存储步骤，用于临时地存储通过所述位流分解步骤获得的位流信息；逆量化步骤，用于根据所述位流信息存储步骤中的位流信息生成一个在预定频带中的频谱信号；频谱扩展步骤，用于将高于所述预定频带的频带中的频谱加至从所述逆量化步骤中输出的频谱中而生成的扩展频谱输出；外部频率信息输入步骤，用于从所述位流信息存储步骤中的位流信息中检索位流的采样频率信息以便确定准备解码的采样频率；及频时域转换步骤，用于根据从所述外部频率信息输入步骤中接收的采样频率将从所述频谱扩展步骤中输出的频谱数据转换为时域信号。
全文摘要
本发明提供解码器、解码方法及其程序发布介质。其中将一个时域信号转换为一个频域信号，并提供一个编码的位流。一个位流分解器将该位流信息进行解码，及一个存储单元临时地存储该信息。根据该位流信息，一个频谱扩展器将一个由逆量化器进行逆量化所得的频谱扩展到高至位流采样频率的整倍数。一个频时域转换器将该频谱转换为时域信号。本发明能够以小处理量精确地实施各谐波，及能够以较小失真将频带扩展。
文档编号G10H1/02GK1420634SQ02150478
公开日2003年5月28日 申请日期2002年11月14日 优先权日2001年11月15日
发明者片山崇, 松本正治 申请人:松下电器产业株式会社