1、上海交通大学硕士学位论文-i申请上海交通大学工学硕士学位论文基于最小熵谱估计的高频重建算法研究专 业：信号与信息处理研究方向：音频信号处理指导教师：胡剑凌学 号：1030349199作者姓名：白晓亮上海交通大学电子信息学院二六年一月上海交通大学硕士学位论文-iiThe Research of High Frequency Reconstruction Method based on Minimum Entropy Spectral Estimation A ThesisSubmitted to Shanghai Jiao Tong UniversityFor the Degree ofMast
2、er of EngineeringByBai XiaoliangShanghai Jiaotong University2006.01上海交通大学硕士学位论文-iii上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期： 年 月 日上海交通大学硕士学位论文-iv上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有
3、关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。（请在以上方框内打“” ）学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日上海交通大学硕士学位论文-v基于最小熵谱估计的高频重建算法研究摘 要在进行数字音频信号的传输和存储时，为了有效利用通信带宽和存储介质的容量往往会丢弃音频信号的高频成分，从而造成音频信号质量的降低。而在音频信
4、号的重建过程中人们又希望能利用已获得的低频信息按照某种算法重建出高频信息，从而得到尽可能高质的音频信号。因此研究音频信号的高频重建技术具有重要的理论意义和实用价值。本论文提出了一种基于最小熵谱估计的高频重建算法（论文中简称为（MEHFR） ，该算法利用最小熵准则对信号谱进行外推，从而重建出音频信号的高频分量，论文同时对提出的 MEHFR 算法作了改进和性能分析，并给出了 MEHFR 成功应用于目前主流音频编解码器MP3 的一个实例。最小熵谱估计是现代谱估计中的一个分支，具有现代谱估计的优点，即应用于较短数据序列时分辨率较高。最小熵解卷积技术(MED)是最小熵谱估计中的一种谱扩展算法，此算法最初
5、应用于地球物理方面，经过一些改进后，出现了频域受限的最小熵解卷积技术(FMED)，算法性能得到了明显的改善，尤其是抗噪性能得到了提高。本文在将最小熵解卷积技术应用于音频信号的高频重建的时候，得到了基于最小熵谱估计的高频重建算法，即本文提出的 MEHFR。MEHFR 利用了最小熵准，熵越小则分辨率越高，则重建的信号频谱越准确。本文在大量的音频信号上海交通大学硕士学位论文-vi的测试后，发现了 MEHFR 应用于音频信号时存在一些缺陷，因此做了很多的改进，比如进行迭代循环的限制、门限的限制和谱幅的限制等等，在改进后的测试中，重建后的音频都得到了不错的音质，因此表明了MEHFR 可以有效地进行音频信
6、号的高频重建。MEHFR 作为高频重建的方法可以应用于多数主流编解码算法中，本文将 MEHFR 作为插件配合 MP3 编解码器共同工作，使得 MP3 处理后的音质得到了明显的提高，而本身的压缩率相差不大，通过大量测试表明了实际应用的良好效果。关键词：数字音频处理，高频重建，最小熵，谱估计上海交通大学硕士学位论文-viiThe Research of High Frequency Reconstruction Method based Minimum Entropy Spectral EstimationABSTRACTIn the transfer and storage of the dig
7、ital audio signals, in order to make full use of the bandwidth and memory the bits are always distributed over the low frequency rather than the high frequency which will introduce great degradation of quality. In the reconstruction of high frequency, people expect to utilize the existing informatio
8、n of the low frequency to reconstruct the high frequency with some algorithm, so people could get audio signals of as high quality as possible. Therefore the research of high frequency reconstruction has important theoretical and practical importance.This thesis puts forward an algorithm of high fre
9、quency reconstruction based on minimum entropy spectral estimation (called MEHFR in this thesis). MEHFR spreads the spectrum in the principle of minimum entropy and reconstructs the high frequency of audio signals; also this thesis improves MEHFR and shows the analyses of performance; at last applie
10、s MEHFR to ME3 which is the most popular codec of audio.Minimum Entropy Spectral Estimation is a branch of modern spectral estimation; it has the advantage that it could gain high resolution when applying it to the short data sequence. Minimum Entropy Deconvolution (MED) is one of the Minimum Entrop
11、y Spectral Estimation; it is used in the physical geography originally. After some improvements, Minimum Entropy 上海交通大学硕士学位论文-viiiDeconvolution with Frequency-domain Constraints (FMED) appeared; it has gained great mend especially the anti-noise ability. When applies the FMED to HFR of audio signals
12、, this thesis brings forward a new method called high frequency reconstruction based minimum entropy (MEHFR) technique. MEHFR spreads the spectrum utilizing the principle of minimum entropy that is the less entropy the higher resolution. In plentiful tests with audio signals, its found that MEHFR ha
13、s some faults when processing the audio signals, so MEHFR has been mended during the thesis, such as the limitation of iteration cycle、the limitation of threshold and the limitation of energy. In the following tests, MEHFR got good scores and it shows that MEHFR could realize HFR efficiently. MEHFR
14、could be used in most codec of audio as a HFR module. This thesis applies the MEHFR module as a plug-in in the MP3 codec. After a lot of tests, the quality of audio signals improve apparently as well as the compress ratio changes a little. The results show that MEHFR has a bright future.KEY WORDS：Di
15、gital Audio Processing, High Frequency Reconstruction (HFR), Minimum Entropy, Spectrum Estimation上海交通大学硕士学位论文-ix目 录第一章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 国内外研究状况 .31.3 本文结构 .5第二章 最小熵谱估计 .72.1 熵谱估计 .72.1.1 谱估计概述 .72.1.2 熵的基本原理 .82.2 最小熵技术 .92.2.1 理论模型 .102.2.2 熵范数 .112.2.3 )(yV的最大化 .122.3 本章小结 .15第三章 基于最小熵谱估计的音频信号高
16、频重建 .173.1 高频重建常见算法 .173.1.1 SBR 法 .173.1.2 对数频域线性外推法 .223.2 MEHFR .283.2.1 理论模型 .283.2.2 算法结构 .313.2.3 影响因素分析 .323.3 MEHFR 算法改进 .32上海交通大学硕士学位论文-x3.3.1 谱幅的调整 .333.3.2 门限值的选择 .343.3.3 实验结果 .363.4 本章小结 .40第四章 MEHFR 在 MPEG-1 Layer 3 中的应用 .424.1 MP3 算法 .424.1.1 编码部分 .424.1.2 解码部分 .434.2 MEHFR 在 MP3 中的应用 .434.2.1 编码部分 .444.2.2 解码部分 .454.2.3 性能分析 .464.3 本章小结 .50第五章 总结与展望 .51参考文献 .53符号说明 .57致谢 .58攻读学位期间发表的学术论文 .59
