專利名稱：諧波信號的頻率擴展的制作方法
技術領域：
本發明提供了一種用于擴展諧波信號的頻帶寬度的系統和方法。
背景技術：
所有通信系統，尤其是無線通信系統，都受到帶寬限制。在這種系統中傳輸的語音信號的質量和清晰度受到該系統可以獲得的有限帶寬的影響。例如，在無線電話網絡中，帶寬一般根據為成功進行通信所必需的最小帶寬來設置。對理解一個元音所必需的最低頻率為大約200Hz，而元音中的主要頻率成分的最高頻率大約為3,000Hz。然而，大部分輔音是寬帶的，通常具有低于大約3,400Hz的頻率的能量。因此，大部分無線語音通信系統被優化為使300和3,400Hz之間的頻率成分通過。
用于語音通信系統的典型通帶10如圖1所示。通常，通帶10足以傳遞既清晰并且又為人類語音的合理傳真的語音信號。但是，包含在通帶10之外的更高頻率中的許多語音信息由于帶通濾波而丟失。這在有大量噪聲的環境中會對清晰度和質量二者造成有害影響。
在許多情況下，通過重新引入由于位于系統通帶之外而已經丟失的信號的諧波成分，能改善限帶信號的質量。在一些系統(諸如在標題為“System for Improving Speech Quality and Intelligibility”的同時待審的美國專利申請序列號11/110,556中公開的系統，其全部公開在此作為參考)中，將語音信號的較高頻率成分變換或壓縮到位于系統通帶內的較低頻率范圍內。在這種情況下，經壓縮的語音信號保留了大量通帶之外的較高頻率范圍內的信息，如果該信號不經壓縮，這些信息將會丟失。僅該步驟就顯著地改善了限帶語音信號的質量和清晰度。但是，如果在這種頻率壓縮信號已經經由窄帶通信信道傳輸，并且已在較高頻率處重新引入諧波之后，將其重新擴展，則這種頻率壓縮信號的質量和清晰度將能得到進一步的顯著改善。
目前，存在好幾種可用于擴展語音和音樂二者的諧波信號的頻率范圍的技術。在許多情況下，擴展諧波信號內容可被描述為“激勵信號生成”。這些技術能大致分為兩類移頻方法；和非線性失真方法。
移頻方法包括某種形式的頻譜復制、變換或折疊，以便在較高頻率處引入較低頻率諧波的重復。這些方法中的許多方法使用固定的復制方案，這會導致高頻諧波的不適當的分布。在許多情況下，重新引入的高頻諧波將不能被精確地置于基音頻率的各個倍數處。一些頻譜復制方法使用音調估計來確保經變換的諧波的正確分布。然而，如果音調估計不精確，則這些方法的性能會嚴重下降。這常常是信號具有低SNR的情況。
第二類諧波擴展方法包括產生諧波失真，以便在整個頻譜范圍內引入諧波。這些方法使用時域非線性變換(諸如平方函數x2(n)，立方函數x3(n)，或全波整流|x(n)|)來引入諧波失真。在這些方法之后通常使用用于確保最終的寬帶激勵信號為頻譜平坦的譜包絡估計技術，諸如線性預測技術。
非線性變換方法與頻譜復制或折疊方法相比的主要優勢在于，在基本頻率的倍數處生成諧波，而不需要使用音調估計算法。然而，這些技術的主要缺點是新諧波可能會在較高頻率中包含混疊現象(aliasing artifacts)。此外，由于是時域方法，所以很難控制所生成的諧波的帶寬。新諧波在所有頻率范圍內生成，而不是僅在相關的頻率范圍內生成。
發明內容
本發明提供了一種系統和方法以用于擴展限帶諧波信號的諧波。通過對限帶信號的復頻譜執行頻域上的非線性變換，限帶諧波信號的諧波內容被擴展到信號通帶之外的頻率。該非線性變換可通過復頻譜與其自身的線性卷積來實現。用于擴展諧波信號的頻帶寬度的系統包括信號處理器，該信號處理器具有用于將時域信號變換到頻域的正向變換模塊；用于在諧波信號的復頻譜上執行非線性變換的非線性變換模塊；和用于將諧波信號的擴展頻譜變換回時域的逆向變換模塊。在許多應用中，可能期望將原限帶信號與經頻譜擴展的諧波信號的所有或一些頻譜部分組合在一起(例如，以便獲得最終的具有改善的質量或清晰度的語音或音樂信號)。這能通過使用如在名為“System forImproving Speech Quality and Intelligibility”的同時待審的美國專利申請序列號11/110,556中描述的各種技術來實現。
根據本發明的一個實施例，提供了一種擴展限帶諧波信號的諧波的方法。該方法需要將限帶諧波信號從時域變換到頻域。該變換產生限帶諧波信號的復頻譜。一旦已經獲得了該復頻譜，就在該復頻譜上執行非線性變換。該非線性變換可包括復頻譜與其自身的線性卷積。該非線性變換將復頻譜的諧波內容擴展到原限帶諧波信號的有限頻帶之外的頻率。最后，在經擴展的復頻譜上執行逆向變換，從而將復頻譜變換回時域。
根據另一個實施例，提供了一種諧波擴展方法。該方法包括接收限帶諧波信號。根據定義，限帶諧波信號包括在限帶信號的有限頻帶內的固定頻率間隔處的顯著的信號能量。信號通帶由通帶的頻率下限和通帶的頻率上限限定。將限帶諧波信號從時域變換到頻域。時域到頻域的變換產生表示所接收信號的頻率內容的復頻譜。為了將諧波內容添加到原信號的窄頻帶之外的頻率中，在接收到的限帶諧波信號的復頻譜上執行非線性變換。然后，將經諧波擴展的頻譜變換回時域。
本發明還提供了一種用于擴展限帶諧波信號的諧波的系統。該系統包括用于接收限帶諧波信號的裝置，諸如麥克風、無線手持電話、音頻系統或者能接收諧波信號的任何其它裝置或系統。該系統還包括用于處理由接收裝置接收的信號的信號處理器。該信號處理器包括用于將接收到的限帶諧波信號從時域變換到頻域的正向變換模塊。該正向變換模塊生成表示限帶信號的頻率內容的復頻譜。非線性變換模塊由用于執行限帶信號的復頻譜的頻域上的非線性變換的信號處理器提供。該非線性變換產生包括所接收信號的原頻帶之外的頻率上的諧波的擴展頻譜。最后，信號處理器包括用于將限帶諧波信號的經諧波擴展的頻譜變換回時域的逆向變換模塊。
通過查看以下附圖和詳細說明，本發明的其它系統、方法、特征和優點，對本領域的技術人員來說將是或將變得顯而易見。希望將所有這些附加的系統、方法、特征和優點包括在本說明書內，包括在本發明的范圍內，并受到所附的權利要求保護。
圖1顯示出電話系統的典型通帶；圖2顯示出限帶諧波信號的頻譜；圖3顯示出圖2中的限帶諧波信號在時域上被平方之后的信號的頻譜；圖4顯示出圖2中的限帶諧波信號在頻域中經非線性變換之后的信號的頻譜；圖5顯示出由于典型電話系統的通帶而缺少了一個低頻諧波峰的限帶諧波信號的頻譜；圖6顯示出具有擴展到低頻范圍內的諧波峰的圖5的限帶諧波信號的頻譜；圖7顯示出圖5的限帶諧波信號的兩個擴展的頻譜，第一個是在整個復頻譜與其自身的完全線性卷積之后的擴展的頻譜，第二個是在復頻譜僅與其自身的一部分的線性卷積之后的擴展的頻譜；圖8顯示出已被噪聲惡化的諧波信號的頻譜；圖9顯示出兩個頻譜，第一個頻譜對應于圖7的被惡化的諧波頻譜與其自身的線性卷積，第二個頻譜對應于加權的卷積；圖10顯示出限帶諧波信號的頻譜，其中，一些諧波峰已由背景噪聲掩蔽；圖11顯示出圖10的頻譜在SNR加權卷積操作之后的頻譜；圖12為用于擴展限帶諧波信號的諧波的方法的流程圖；圖13為用于擴展限帶諧波信號的諧波的系統的框圖；圖14為用于擴展限帶諧波信號的諧波和譜包絡并將經擴展的信號與原限帶信號組合的系統的框圖。
具體實施例方式
本發明涉及一種用于擴展諧波信號的頻帶寬度的系統和方法。該系統和方法可用于重新引入限帶信號的高頻和低頻諧波，以及恢復可能已由背景噪聲掩蔽的中頻帶諧波。用于擴展諧波信號的頻帶寬度的該系統和方法可被有效地用于提高諸如語音或音樂信號的諧波信號的質量或清晰度。此外，本系統和方法可提供如在背景技術部分提到的標題為“System For Improving Speech Quality and Intelligibility”的同時待審的專利申請中所述的擴展壓縮信號的帶寬的優化機制，所述技術包括在本公開中。
用于擴展諧波信號的帶寬的本系統和方法以類似于在背景技術部分中所描述的通過產生在時域上的諧波失真來引入諧波的方法的方式來工作。然而，已有的通過諧波失真來引入或重新引入諧波內容的技術利用時域上的限帶信號的非線性變換，而本文公開的系統和方法利用限帶信號在頻域上的變換。如在本發明的背景技術中所述，時域上的非線性變換可通過將原時域信號x(n)平方來實現，如下面的等式所不。
y(n)＝x2(n) (1)其中n表示時間標記(time index)，y為經變換的輸出信號，其包括在較寬帶寬中產生諧波的諧波失真。將在時域上時間采樣的信號平方等價于在頻域上執行信號的復頻譜與其自身的圓周或循環卷積。然而，頻域上的圓周卷積會受到與將時域信號平方的操作相同的缺陷(即，如圖3所示的混疊現象)的影響。通過使用線性卷積來將信號的復頻譜與其自身卷積，而不是使用圓周卷積，由此消除混疊現象。因此，用于擴展諧波信號的頻帶寬度的本系統和方法使用線性卷積來將諧波信號的頻域復頻譜與其自身卷積。該線性卷積操作可表示為Y(k)＝X(k)*X(k)k＝0...N/2(2)其中*表示線性卷積操作，k是頻率標記(frequency index)，N是用于將時域信號變換到頻域的FFT的長度。注意到，本文中顯示出頻譜的附圖是通過使用經過在哈寧(hanning)窗口的時間段上的256點FFT變換的、以11kHz采樣的具有50％重疊的數字信號，來生成的。其它采樣率、窗口函數或FFT長度也可用于本發明。
圖4顯示出圖1中所示的限帶諧波信號的頻譜10與其自身的線性卷積而產生的頻譜28。附加的較高頻率諧波的生成是明顯的。限帶信號的頻譜10被限制為12個諧波峰(如峰12)，其中最高頻率諧波峰14出現在大約3200Hz處。然而，圖4中的經諧波擴展的頻譜28在3500和5500Hz之間的頻率范圍中包括8個經擴展的諧波峰30，其中最高頻率諧波峰32位于大約5300Hz處。
同樣明顯的是，當在時域上執行非線性變換時普遍存在于頻譜16的較高頻率中的混疊現象26，并沒有出現在頻域上的線性卷積所產生的頻譜28中。在頻域上執行諧波信號的復頻譜與其自身的線性卷積的附加優點，是更容易控制所生成的諧波的帶寬。例如，在圖3中，在時域中將非線性失真加入諧波信號產生所有頻率范圍上的諧波。然而，實現如在此處描述的頻域上的線性卷積，僅需要為期望進行信號諧波擴展的頻率點k計算濾波輸出Y(k)(等式2)。例如，如果期望僅生成高于3400Hz的諧波，則僅需要為大于3400Hz的頻率計算濾波輸出Y(k)。
在上述實例中，原限帶信號的頻譜10的諧波范圍從大約3500Hz被擴展到5,500Hz。在頻域中執行非線性變換，還可被用于將諧波從較高頻率范圍擴展到較低頻率范圍，盡管這需要使用略微不同的方法。為了引入在低于原限帶信號的諧波頻率的頻率中的諧波，使用限帶信號的初始復頻譜的鏡像復數共軛。將限帶信號的初始復頻譜與其自身的鏡像復數共軛形式進行卷積。該操作在數學上可表示為Y′(k)＝X(k)*conj(X(N/2-k)) k＝0...N/2(3)其中conj表示復頻譜的復數共軛。最終的輸出Y(k)，即包括較低頻率諧波的頻譜，通過再次進行鏡像并提取線性卷積的結果Y′(k)的復數共軛而獲得。這可表示為Y(k)＝conj(Y′(N/2-k )) k＝0...N/2(4)如同將諧波擴展到較高頻率的情況，僅需要為期望進行信號諧波擴展的頻率點k計算濾波輸出Y(k)。
圖5顯示出限帶諧波信號的頻譜50。該頻譜50的特征為具有多個諧波峰52，其中最低諧波峰54位于大約500Hz處。圖6顯示出通過將圖5的初始頻譜50與如上所述的其自身的鏡像復數共軛進行線性卷積而產生的頻譜60。附加的諧波峰62在大約250Hz處明顯可見，從而確定執行初始頻譜與其自身的鏡像復數共軛的線性卷積以使諧波擴展到較低頻率范圍內。
通過使用在此討論的用于擴展限帶信號中的諧波信息的系統和方法，可僅將部分初始復數頻譜與其自身進行線性卷積。例如，對于電話頻帶語音信號而言，最多的諧波能量通常包含在0-2.5KHz之間的頻率范圍內。因此，為了減小系統的計算量，可期望僅使用含有大部分諧波能量的部分初始復數頻譜來進行卷積。上述的線性卷積等式(2)可改寫為Y(k)=X(k1)*X(k2)k1=0...M1k2=0...M2---(5)]]>其中M1,M2<N2.]]>限制復數頻譜中用于執行線性卷積的部分也可能在初始諧波信號的一部分已被噪聲惡化時起到作用。當把頻譜中具有低信號噪聲比(SNR)的部分排除在線性卷積之外時，生成附加諧波可能會更加有效。
圖7顯示出兩個大致相似的頻譜70、72。兩個頻譜70、72是通過使用等式(5)產生的。對于實線頻譜，選擇值M1和M2，以使M1＝M2＝N/2。在這種情況下，等式(5)簡化為等式(2)，并且實線頻譜70表示與其自身進行線性卷積的整個初始頻譜50。然而，對于虛線頻譜72，選擇M1和M2的值以使M1＝N/2和M2＝N/4。這相當于初始復數頻譜僅與其自身的1/2進行線性卷積。但是，虛線頻譜72與實線頻譜70相比僅有少量改變。因此，如上所述的減小復數濾波器的系數，減小了計算量，并且生成了擴展的諧波頻譜，其中所生成的諧波的強度沒有受到顯著的影響。
如上所述，在部分原信號被噪聲惡化時，從線性卷積中排除一部分初始復數頻譜可能是有效的。用于排除頻譜的低SNR部分的另一可選方案是使用加權卷積方法。在一些情況下，在執行線性卷積之前排除或抑制部分頻譜可能是有利的。這可通過在執行卷積之前將頻譜乘以一個或多個加權系數來實現。在這種情況下，等式(4)可重寫為Y(k)=[G1(k1)X(k1)]*[G2(k2)X(k2)]k1=0...M1k2=0...M2---(6)]]>其中M1,M2<N2]]>并且G1和G2為加權系數向量。適當的G1和G2的值可以是例如0和1之間的值。在用于由背景噪聲惡化的語音信號中抑制背景噪聲和生成經擴展的諧波的特定實現方案中，G1和G2可與根據所輸入的語音信號的初始頻譜的SNR特性而估算出的Weiner濾波器系數相對應。
圖8顯示出由白噪聲惡化的限帶諧波信號的頻譜80。圖9顯示出根據等式(6)將頻譜80與其自身卷積而產生的兩個頻譜82、84。第一實線頻譜82與加權系數G1、G2＝1相對應，換言之就是沒有加權。第二虛線頻譜84與使用Weiner濾波器系數(12dB的最大噪聲衰減)的SNR加權的加權系數G1、G2相對應。從SNR加權的卷積處理所產生的頻譜84，包括在諧波峰之間深得多的波谷，指示出更加明確定義的且具有更少噪聲惡化的諧波。
在等式(6)中實施的加權卷積處理還可用于恢復或增強已由噪聲完全或部分掩蔽的中頻帶諧波。例如，圖10顯示出已由噪聲掩蔽的頻譜90。圖10還以虛線顯示出初始的未惡化的頻譜92。通過將噪聲惡化的頻譜90與初始諧波信號頻譜92進行比較，很明顯的是，諧波峰94、96、98完全被背景噪聲掩蔽，并且幾乎不能識別諧波峰100、102。應用上述的SNR加權卷積操作會導致圖11中所示的頻譜104。在頻譜104中，被掩蔽的諧波峰已被恢復，并且附加的諧波已在高于3.4KHz的頻率處生成。此外，如在名為“System for Improving Speech Qualityand Intelligibility”的同時待審的美國專利申請序列號11/110,556中所述，可將初始頻譜90與經諧波擴展的頻譜104混合。這可能產生不僅包含經擴展的高頻諧波(例如，高于3.4KHz)而且包含經重建的由背景噪聲掩蔽的諧波的最終信號。
基于上面的討論，在圖12中顯示說明用于擴展限帶諧波信號的帶寬的方法的流程圖。第一步驟S1是接收基于時間的限帶諧波信號。該信號可以是例如經由無線網絡接收的語音信號。第二步驟S2是將接收到的時域信號變換到頻域，以獲得所接收信號的頻譜。該變換可經由以下方法來實現FFT，離散傅立葉變換(DFT)；離散余弦變換(DCT)；數字濾波器組；小波變換，或者用于將數字采樣時域信號轉換到頻域的一些其它方法。在步驟S3中，在復頻譜上執行非線性變換。如上所述，頻域上的非線性變換可包括經變換的信號的復頻譜與其自身的線性卷積；復頻譜或復頻譜的一部分與其自身的一部分的線性卷積；復頻譜與其自身的鏡像復數共軛的卷積；復頻譜的第一加權形式與復頻譜的第二加權形式的卷積；或者能生成所期望的諧波的一些其它非線性頻域變換。最后的步驟S4是將包括最新生成的諧波的頻譜變換回時域。這可通過以下方法來實現反FFT，離散傅立葉反變換(IDFT)；反余弦變換(IDCT)；數字濾波器組；小波逆變換；或者用于將頻域信號轉換回時域的一些其它方法。優選地，轉換回時域的逆變換將經由最初用于將時域信號變換到頻域的變換的逆變換來實現。
圖13顯示出用于擴展限帶諧波信號的諧波內容的系統200的框圖。系統200包括信號接收裝置202。信號接收裝置202可以是麥克風、無線電話、音頻記錄裝置或者能接收或產生音頻信號的任何其它裝置。由信號接收裝置202輸出的音頻信號可以是模擬的或數字的。如果接收到的信號是模擬的，則可設置A/D轉換器204以將接收到的模擬音頻信號轉換為數字音頻信號。否則，可省略A/D轉換器204。數字音頻信號被輸入給諧波擴展器206。該諧波擴展器206包括用于將接收到的音頻信號變換到頻域的正向變換模塊208。該正向變換模塊208可使用FFT算法，離散傅立葉變換(DFT)；離散余弦變換(DCT)；數字濾波器組；或者小波變換，或者用于將時域音頻信號轉換到頻域的一些其它機制。
諧波擴展器206還包括非線性變換模塊210。諧波生成模塊210執行在從正向變換模塊208輸出的所接收的音頻信號的復頻譜上的非線性變換。該非線性變換可包括經變換的信號的復頻譜與其自身的線性卷積；復頻譜或復頻譜的一部分與其自身的一部分的線性卷積；復頻譜與其自身的鏡像復數共軛的卷積；復頻譜的第一加權形式與復頻譜的第二加權形式的卷積；或者能生成所期望的諧波的一些其它非線性頻域變換。
一旦已經生成了附加諧波，反向或逆向變換模塊212就將諧波擴展頻譜變換回時域。逆向變換模塊212可使用逆FFT算法，離散傅立葉反變換(IDFT)；離散余弦逆變換(IDCT)；數字濾波器組；或者小波(逆)變換或者用于將經諧波擴展的信號的復頻譜變換回時域的一些其它機制。優選地，逆向變換模塊212將使用由正向變換模塊208使用的變換的逆變換。逆向變換模塊212輸出包括初始信號的有限頻帶之外的頻率中的諧波的時域信號214。
圖14顯示出用于擴展限帶諧波的諧波內容和譜包絡并將經擴展的信號與初始限帶信號組合的系統300的框圖。這種系統還在標題為“System for Improving Speech Quality and Intelligibility”的同時待審的美國專利申請序列號11/110,556中被說明。組合器模塊306將初始限帶頻譜304與來自諧波生成模塊210的輸出和來自譜包絡擴展器302的輸出混合。譜包絡擴展器302確保諧波生成器210的輸出的譜包絡與初始限帶頻譜304的譜包絡相對應(complimentary)。因此，最終的輸出信號308與所接收的限帶輸入信號202相比，可具有改善的帶寬、質量和清晰度。
盡管已經說明了本發明的各種實施例，但對于本領域的普通技術人員來說顯而易見的是，在本發明的范圍內可能還有許多實施例和實施方案。因此，除了由所附權利要求及其等價物限定之外，本發明不受其它限制。
權利要求
1.一種用于擴展限帶諧波信號的諧波的方法，所述方法包括將限帶諧波信號從時域變換到頻域，以獲得所述限帶諧波信號的復頻譜；在所述頻域上的所述限帶諧波信號的所述復頻譜上執行非線性變換，以將所述限帶諧波信號的諧波內容擴展到所述限帶諧波信號的所述有限頻帶之外的頻率；和將所述限帶諧波信號的所述經擴展的復頻譜逆變換回所述時域。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，將限帶諧波信號從所述時域變換到所述頻域的所述步驟包括，在所述限帶諧波信號上執行快速傅立葉變換(FFT)。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，在所述限帶諧波信號的所述復頻譜上執行非線性變換的所述步驟包括，執行所述限帶諧波信號的所述復頻譜與其自身的線性卷積。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述線性卷積根據以下公式執行Y(k)＝X(k)*X(k) k＝0...N/2其中*表示線性卷積操作，k是頻率標記(frequency index)，N是在將所述限帶諧波信號從所述時域變換到所述頻域時使用的所述FFT的長度。
5.如權利要求2所述的方法，其特征在于，在所述限帶諧波信號的所述復頻譜上執行非線性變換的所述步驟包括，執行所述限帶諧波信號的所述復頻譜與所述限帶諧波信號的所述復頻譜的鏡像復數共軛的線性卷積。
6.如權利要求2所述的方法，其特征在于，在所述限帶諧波信號的所述復頻譜上執行非線性變換的所述步驟包括，執行由第一加權系數加權的所述限帶諧波信號的所述頻譜與由第二加權系數加權的所述限帶諧波信號的所述復頻譜的線性卷積。
7.如權利要求2所述的方法，其特征在于，在所述限帶諧波信號的所述復頻譜上執行非線性變換的所述步驟包括，執行所述限帶諧波信號的所述復頻譜的一部分與所述限帶諧波信號的所述復頻譜的一部分的線性卷積。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在在所述頻域上的所述限帶諧波信號的所述復頻譜上執行非線性變換的所述步驟中，選擇所述非線性變換，以使諧波能量被添加到高于所述限帶諧波信號的頻率上限的至少一個諧波頻率處。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在在所述頻域上的所述限帶諧波信號的所述復頻譜上執行非線性變換的所述步驟中，選擇所述非線性變換，以使諧波能量被添加到低于所述限帶諧波信號的頻率下限的至少一個諧波頻率處。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，將限帶諧波信號從所述時域變換到所述頻域的所述步驟包括使用下述中的一個離散傅立葉變換(DFT)；離散余弦變換(DCT)；濾波器組；或者小波變換。
11.一種諧波擴展方法，其包括接收在由通帶頻率下限和通帶頻率上限限定的有限頻帶內的規則頻率間隔處具有顯著信號能量的限帶諧波信號；將所述限帶諧波信號從時域變換到頻域，以獲得所述接收到的限帶諧波信號的復頻譜；在所述頻域上執行所述接收到的限帶諧波信號的所述復頻譜的非線性變換，以生成在所述接收到的限帶諧波信號中缺少諧波能量的至少一個諧波頻率處具有諧波能量的擴展頻譜；和將所述擴展頻譜變換到所述時域。
12.如權利要求11所述的諧波擴展方法，其特征在于，將所述限帶諧波信號從所述時域變換到所述頻域的所述步驟包括在所述限帶諧波信號上執行快速傅立葉變換。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，在所述限帶諧波信號的所述復頻譜上執行非線性變換的所述步驟包括，執行所述限帶諧波信號的所述復頻譜與其自身的線性卷積。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述線性卷積操作根據以下公式執行Y(k)＝X(k)*X(k)k＝0...N/2其中*表示線性卷積操作，k是頻率標記(frequency index)，N是在將所述限帶諧波信號從所述時域變換到所述頻域時使用的所述FFT的長度。
15.如權利要求2所述的方法，其特征在于，在所述限帶諧波信號的所述復頻譜上執行非線性變換的所述步驟包括，執行所述限帶諧波信號的所述復頻譜與所述限帶諧波信號的所述復頻譜的鏡像復數共軛的線性卷積。
16.如權利要求12所述的方法，其特征在于，在所述限帶諧波信號的所述復頻譜上執行非線性變換的所述步驟包括，執行由第一加權系數加權的所述限帶諧波信號的所述頻譜與由第二加權系數加權的所述限帶諧波信號的所述復頻譜的線性卷積。
17.如權利要求12所述的方法，其特征在于，在所述限帶諧波信號的所述復頻譜上執行非線性變換的所述步驟包括，執行所述限帶諧波信號的所述復頻譜的一部分與所述限帶諧波信號的所述復頻譜的一部分的線性卷積。
18.如權利要求11所述的方法，其特征在于，在所述頻域上的所述限帶諧波信號的所述復頻譜上執行非線性變換的所述步驟，選擇所述非線性變換，以使諧波能量被添加到高于所述限帶諧波信號的頻率上限的至少一個諧波頻率處。
19.如權利要求11所述的方法，其特征在于，在所述頻域上的所述限帶諧波信號的所述復頻譜上執行非線性變換的所述步驟，選擇所述非線性變換，以使諧波能量被添加到低于所述限帶諧波信號的頻率下限的至少一個諧波頻率處。
20.如權利要求11所述的方法，其特征在于，將限帶諧波信號從所述時域變換到所述頻域的所述步驟包括使用下述中的一個離散傅立葉變換(DFT)；離散余弦變換(DCT)；數字濾波器組；或者小波變換。
21.一種用于擴展限帶諧波信號的諧波的系統，所述系統包括用于接收限帶諧波信號的裝置；和信號處理器，所述信號處理器具有正向變換模塊，其用于將所述接收到的限帶諧波信號從時域變換到頻域，以生成所述限帶信號的復頻譜；和諧波生成模塊，其用于在所述頻域上執行所述限帶信號的所述復頻譜的非線性變換，以生成所述限帶諧波信號的經諧波擴展的頻譜；和逆向變換模塊，其用于將所述限帶諧波信號的所述經諧波擴展的頻譜變換回所述時域。
22.如權利要求21所述的系統，其特征在于，所述正向變換使用下述中的一個來將所述限帶諧波信號變換到所述頻域離散傅立葉變換(FFT)；離散傅立葉變換(DFT)；離散余弦變換(DCT)；數字濾波器組；或者小波變換。
23.如權利要求21所述的系統，其特征在于，所述非線性變換模塊使用所述頻域上的線性卷積來生成所述限帶諧波信號的所述經諧波擴展的頻譜。
24.如權利要求23所述的系統，其特征在于，執行所述限帶諧波信號的所述復頻譜與其自身的線性卷積。
25.如權利要求23所述的系統，其特征在于，執行所述限帶諧波信號的所述復頻譜與所述限帶諧波信號的所述復頻譜的鏡像復數共軛的線性卷積。
26.如權利要求23所述的系統，其特征在于，執行由第一加權系數加權的所述限帶諧波信號的所述復頻譜與由第二加權系數加權的所述限帶諧波信號的所述復頻譜的線性卷積。
27.一種用于擴展限帶諧波信號的諧波和譜包絡，并將經擴展的信號與初始限帶信號組合的系統，所述系統包括用于接收限帶諧波信號的裝置；和信號處理器，所述信號處理器具有正向變換模塊，其用于將所述接收到的限帶諧波信號從時域變換到頻域，以生成所述限帶信號的復頻譜；和諧波生成模塊，其用于在所述頻域上執行所述限帶信號的所述復頻譜的非線性變換，以生成所述限帶諧波信號的經諧波擴展的頻譜；和譜包絡擴展器模塊，其用于確保所述經擴展的諧波的所述譜包絡與所述初始限帶信號的譜包絡相對應；和組合器模塊，其用于將所述諧波擴展頻譜與所述初始限帶頻譜組合；和逆向變換模塊，其用于將所述最終的頻率擴展諧波頻譜變換回所述時域。
28.如權利要求27所述的系統，其特征在于，所述正向變換使用下述中的一個來將所述限帶諧波信號變換到所述頻域離散傅立葉變換(FFT)；離散傅立葉變換(DFT)；離散余弦變換(DCT)；數字濾波器組；或者小波變換。
29.如權利要求27所述的系統，其特征在于，所述非線性變換模塊使用所述頻域上的線性卷積來生成所述限帶諧波信號的所述經諧波擴展的頻譜。
30.如權利要求29所述的系統，其特征在于，執行所述限帶諧波信號的所述復頻譜與其自身的線性卷積。
31.如權利要求29所述的系統，其特征在于，執行所述限帶諧波信號的所述復頻譜與所述限帶諧波信號的所述復頻譜的鏡像復數共軛的線性卷積。
32.如權利要求29所述的系統，其特征在于，執行由第一加權系數加權的所述限帶諧波信號的所述復頻譜與由第二加權系數加權的所述限帶諧波信號的所述復頻譜的線性卷積。
全文摘要
本發明提供了一種系統和方法以用于擴展諧波信號的頻帶寬度。限帶信號的諧波內容通過在頻域上在限帶信號的復頻譜上執行非線性變換，而被擴展到信號通帶之外的頻率。該非線性變換可通過復頻譜與其自身的線性卷積來實現。用于擴展諧波信號的頻帶寬度的系統包括信號處理器，該信號處理器具有用于將時域信號變換到頻域的正向變換模塊，用于在諧波信號的復頻譜上執行非線性變換的非線性變換模塊，以及用于將諧波信號的經擴展的頻譜變換回時域的逆向變換模塊。
文檔編號H04L27/26GK1893412SQ20061009317
公開日2007年1月10日 申請日期2006年6月23日 優先權日2005年6月28日
發明者D·吉斯布雷希特, P·A·赫瑟林頓, X·李 申請人:哈曼貝克自動系統-威美科公司