Spektrogramm dieser Aufnahme eines Violinenspiels . Beachten Sie die Obertöne, die bei ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz auftreten. SBR nutzt diese Redundanz.

Die spektrale Bandreplikation ( SBR ) ist eine Technologie zur Verbesserung von Audio- oder Sprachcodecs , insbesondere bei niedrigen Bitraten , und basiert auf harmonischer Redundanz im Frequenzbereich.

Es lässt sich mit jedem Audiokompressionscodec kombinieren : Der Codec selbst überträgt die unteren und mittleren Frequenzen des Spektrums, während SBR die höheren Frequenzanteile durch Transponieren der Obertöne aus den unteren und mittleren Frequenzen im Decoder repliziert. [ 1 ] Zusätzlich werden Informationen zur Rekonstruktion der Hochfrequenz-Spektralhüllkurve als Zusatzinformationen übertragen.

Bei Bedarf rekonstruiert es außerdem rauschähnliche Informationen in ausgewählten Frequenzbändern oder mischt diese adaptiv hinzu, um Signale, die ursprünglich keine oder nur wenige Tonkomponenten enthielten, getreu wiederzugeben.

Die SBR-Idee basiert auf dem Prinzip, dass der psychoakustische Teil des menschlichen Gehirns höhere Frequenzen tendenziell weniger genau analysiert; daher müssen harmonische Phänomene, die mit dem Spektralbandreplikationsprozess verbunden sind, nur im wahrnehmungstechnischen Sinne genau und nicht technisch oder mathematisch exakt sein.

Geschichte und Verwendung

Das schwedische Unternehmen Coding Technologies ( 2007 von Dolby übernommen ) entwickelte und etablierte die Anwendung von SBR in seinem auf MPEG-2 AAC basierenden Codec aacPlus, der erstmals 2001 erschien. Dieser Codec wurde bei MPEG eingereicht und bildete die Grundlage für MPEG-4 High-Efficiency AAC (HE-AAC), der 2003 standardisiert wurde. [ 2 ] Lars Liljeryd , Kristofer Kjörling und Martin Dietz erhielten 2013 den IEEE Masaru Ibuka Consumer Electronics Award für ihre Arbeit an der Entwicklung und Vermarktung von HE-AAC. [ 3 ] [ 4 ] Die SBR-Methode von Coding Technologies wurde auch für WMA 10 Professional zur Entwicklung von WMA 10 Pro LBR und für MP3 zur Entwicklung von mp3PRO verwendet .

HE-AAC, das SBR verwendet, wird in Rundfunksystemen wie DAB+ , Digital Radio Mondiale (einschließlich xHE-AAC ), HD Radio und XM Satellite Radio eingesetzt . [ 5 ]

Kann der Player die mit den komprimierten Audiodaten übertragenen Zusatzinformationen nicht verarbeiten, gibt er die Basisbanddaten (z. B. mit 22,05 kHz statt 44,1 kHz abgetastet) möglicherweise trotzdem wie gewohnt wieder. Das Ergebnis ist ein dumpfer (da die hohen Frequenzen fehlen), aber ansonsten meist akzeptabler Klang. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine mp3PRO-Datei mit einer MP3-Software wiedergegeben wird, die die SBR-Informationen nicht nutzen kann.

Der CELT- Teil von Opus führt eine Spektralfaltung auf MDCT-Bin-Ebene durch, wodurch es sich im Vergleich zu SBR um eine deutlich weniger fortschrittliche, aber verzögerungsärmere Technik handelt. [ 6 ]

Dolby Digital Plus (E-AC3) nutzt Spectral Extension (SPX). SPX reduziert hochfrequente Komponenten auf Metadaten und ähnelt der Mehrkanal-Kopplungsberechnung von E-AC3. [ 7 ] Dolby AC-4 erweitert diese Technik zu Advanced Spectral Extension (A-SPX) und bietet die Möglichkeit, SPX mit regulären, nicht erweiterten Daten im Zeit- oder Frequenzbereich zu verschachteln. Dadurch kann SPX für problematische Abschnitte selektiv deaktiviert werden. [ 8 ]

Methoden

Die SBR-Codierung erzeugt ein heruntergesampeltes (üblicherweise 2:1) Audiosignal und Führungsinformationen. In einer früheren Veröffentlichung wird beschrieben, dass die Führungsdaten durch eine Quadraturspiegelfilteranalyse (QMF) und einen Hüllkurvenschätzer erzeugt werden . [ 9 ]

Die Dekodierung von SBR erfordert die Transponierung von Harmonischen, einen Fall von Audio-Zeitdehnung und Tonhöhenskalierung . [ 10 ]

  • Ein traditioneller Ansatz beginnt mit kleinen Intervallen der diskreten Fourier-Transformation (DFT), Phasenanpassungen, IDFT und endet mit der Überlappungsaddition. Diese Methode reagiert empfindlich auf transiente Signale, die Echos verursachen können und daher eine gewisse Auffüllung (50 % in USAC) in der DFT erfordern.
  • Ein neuerer Ansatz ist der QMF. Eine einzige Filterbank kann eine vollständige Zeitdehnungs- und Tonhöhenskalierungsoperation bei geringerer Rechenkomplexität durchführen.

Siehe auch

  • SBR wurde auf der Wayback Machine- Seite (archiviert am 27.12.2014) von Coding Technologies erklärt und beschrieb SBR, wie es 2007 bei der Dolby-Übernahme auftauchte.

Referenzen

  1. ^ Novak, Clark. „Spectral Band Replication and aacPlus Coding - An Overview“ (PDF) . Archiviert vom Original (PDF) am 30. November 2010. Abgerufen am 8. Februar 2010 .
  2. ^ ISO (2003). „Bandbreitenerweiterung, ISO/IEC 14496-3:2001/Amd 1:2003“ . ISO . Abgerufen am 13.10.2009 .
  3. ^ „IEEE Masaru Ibuka Consumer Electronics Award“ . IEEE.org . Archiviert vom Original am 8. April 2010. Abgerufen am 7. Juli 2015 .
  4. ^ „Interview mit Martin Dietz, Kristofer Kjörling und Lars Liljeryd“ . YouTube . Abgerufen am 7. Juli 2015 .
  5. ^ „XM Radio – Kurzinformationen“ . Archiviert vom Original am 15. November 2006. Abgerufen am 8. Februar 2010 .
  6. ^ Jean-Marc Valin; Gregory Maxwell; Timothy B. Terriberry; Koen Vos (17.–20. Oktober 2013). „Hochwertige, verzögerungsarme Musikkodierung im Opus-Codec“ (PDF) . www.xiph.org . New York, NY: Xiph.Org Foundation. S. 2. Archiviert vom Original (PDF) am 14. Juli 2018. Abgerufen am 19. August 2014 .
  7. ^ Andersen, Robert Loring; Crockett, B.; Davidson, G.; Davis, Mark; Fielder, L.; Turner, Stephen C.; Vinton, M.; Williams, P. (1. Oktober 2004). „Einführung in Dolby Digital Plus, eine Erweiterung des Dolby Digital Codierungssystems“ (PDF) . Journal of The Audio Engineering Society . Archiviert vom Original (PDF) am 19. November 2016.
  8. ^ „Dolby® AC-4: Audiowiedergabe für Unterhaltungsdienste der nächsten Generation“ (PDF) .
  9. ^ Ekstrand, Per (November 2022). „Bandbreitenerweiterung von Audiosignalen durch spektrale Bandreplikation“ (PDF) . Proc. 1st IEEE Benelux Workshop on Model based Processing and Coding of Audio (MPCA-2002), Leuven, Belgien .
  10. ^ Zhong, Haishan; Villemoes, Lars; Ekstrand, Per; Disch, Sascha; Nagel, Frederik; Wilde, Stephan; Chong, Kok Seng; Norimatsu, Takeshi (19. Oktober 2011). „QMF-basierte Replikation harmonischer Spektralbänder“ . Audio Engineering Society.