Frequency-domain bandwidth extension for low-delay audio coding applications

Gorlow, Stanislaw

MPEG-4 Spectral Band Replication (SBR) is a sophisticated high-frequency reconstruction (HFR) tool for speech and natural audio which when used in conjunction with an audio codec delivers a broadband high-quality signal at a bit rate of 48 kbps or even below. The major drawback of this technique is that it significantly increases the delay of the underlying core codec. The idea of synthetic signal reconstruction is of particular interest also in real-time communications. There, a HFR method can be employed to further loosen the channel capacity requirements. In this thesis a delay-optimized derivative of SBR is elaborated, which can be used together with a low-delay speech and audio coder like the Fraunhofer ULD. The presented approach is based on a short-time subband representation of an acoustic signal of natural or artificial origin, and as such it utilizes a filter bank for the extraction and the manipulation of sound characteristics. The system delay for a combination of the ULD coder with the proposed low-delay bandwidth extension (LD-BWE) tool adds up to 12 ms at a sampling rate of 48 kHz. At the present stage, LD-BWE generates a subjectively confirmed excellent-quality highband replica at a simulated mean data rate of 12.8 kbps.

MPEG-4 Spectral Band Replication (SBR) ist ein technisch ausgereiftes Verfahren zur Rückgewinnung von hochfrequenten Signalkomponenten für Sprache und natürliches Audio, das in Verbindung mit einem Audiocodec angewandt ein hochwertiges Breitbandsignal bei einer Bitrate von nicht mehr als 48 kbps liefert. Ein wesentlicher Nachteil dieser Methode ist, dass sie die Zeitverzögerung des darunter liegenden Kerncodecs maßgeblich vergrößert. Die Idee der synthetischen Signalwiederherstellung ist in Echtzeitkommunikation ebenso von besonderem Interesse. Ein derartiges Verfahren könnte dort eingesetzt werden, um die Anforderungen an die Kanalkapazität weiter zu lockern. In dieser Arbeit wird ein latenzoptimiertes Derivat von SBR ausgearbeitet, welches zusammen mit einem minimal verzögernden Sprach- und Audiocoder, wie dem Fraunhofer ULD, verwendet werden kann. Der vorgestellte Ansatz basiert auf einer Kurzzeit-Teilband-Darstellung eines akustischen Signals natürlichen oder künstlichen Ursprungs, und greift als solcher auf eine Filterbank zur Extraktion und Manipulation von Klangcharakteristika zurück. Die Verzögerungszeit des Gesamtsystems bestehend aus dem ULD-Coder und der vorgeschlagenen Bandbreitenerweiterung beläuft sich bei einer Abtastrate von 48 kHz auf 12 ms. Einem subjektiven Hörtest zufolge, erzeugt die neu entwickelte Bandbreitenerweiterung in ihrem derzeitigen Stadium eine Kopie des Hochbandes von hervorragender Qualität bei einer simulierten mittleren Datenrate von 12.8 kbps.

Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2010

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Gorlow, Stanislaw: Frequency-domain bandwidth extension for low-delay audio coding applications. 2014.

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