La extensión del ancho de banda de una señal se define como el proceso deliberado de ampliar el rango de frecuencia ( ancho de banda ) de una señal en el que contiene un contenido apreciable y útil, y/o el rango de frecuencia en el que sus efectos son tales. Su importante avance en los últimos años ha llevado a que la tecnología se adopte comercialmente en varias áreas, incluida la mejora psicoacústica de graves de pequeños altavoces y la mejora de altas frecuencias de voz y audio codificados.
La extensión de ancho de banda se ha utilizado en aplicaciones de compresión de voz y audio. Los algoritmos utilizados en G.729.1 y la replicación de banda espectral (SBR) son dos de los muchos ejemplos de algoritmos de extensión de ancho de banda actualmente en uso. En estos métodos, la banda baja del espectro se codifica utilizando un códec existente, mientras que la banda alta se parametriza de forma aproximada utilizando menos parámetros. Muchos de estos algoritmos de extensión de ancho de banda utilizan la correlación entre la banda baja y la banda alta para predecir la señal de banda más ancha a partir de características extraídas de la banda inferior. Otros codifican la banda alta utilizando muy pocos bits. Esto suele ser suficiente, ya que el oído es menos sensible a las distorsiones en la banda alta que en la banda baja.
En la mayoría de los casos, los altavoces pequeños son físicamente incapaces de reproducir material de baja frecuencia. [1] Utilizando un fenómeno psicoacústico como la fundamental faltante , la percepción de las bajas frecuencias se puede aumentar considerablemente. Al generar armónicos de frecuencias más bajas y eliminar las frecuencias más bajas, se crea la sugerencia de que estas frecuencias aún permanecen en la señal. Este proceso generalmente se aplica a través de equipos externos o integrado en el sistema de altavoces mediante un procesador de señal digital.
La respuesta de alta frecuencia también se puede mejorar mediante la generación de armónicos. En lugar de mapear frecuencias dentro de la región reproducible del altavoz, el propio altavoz se utiliza para generar frecuencias fuera de la región reproducible normal. Al aumentar las frecuencias altas y sobrecargar ligeramente el altavoz o amplificador, se pueden generar armónicos más altos.
Las señales de voz telefónicas suelen tener una calidad muy degradada. Parte de esta degradación se debe al limitado ancho de banda utilizado en los sistemas telefónicos. En la mayoría de los sistemas se cortan las frecuencias inferiores a 250 Hz y el ancho de banda sólo se extiende a frecuencias de 4 u 8 kHz. Se puede ampliar la respuesta de baja y alta frecuencia mediante filtrado y modelado de ondas.
Mediante el filtrado de paso bajo, la octava más baja y la rectificación de media onda se crea una forma de onda con la mitad fundamental de la frecuencia original. Debido a la discontinuidad en la forma de onda, se necesita un filtrado de paso bajo para filtrar todos los armónicos. Utilizando un sintetizador subarmónico de este tipo se recrea la banda de frecuencia esencial entre 125 y 250 Hz, añadiendo peso a la señal.
Para ampliar el ancho de banda de alta frecuencia, podemos aislar la octava superior utilizando un filtrado de paso alto y luego generar armónicos de esta. La generación de armónicos se puede realizar mediante una simple rectificación de onda completa, que es computacionalmente económica y no depende de la amplitud. Como alternativa, se puede utilizar la modulación de banda lateral única , lo que proporciona un control preciso sobre el número y la amplitud de los armónicos. En teoría, la estimación de la envolvente se puede utilizar para extraer la envolvente de alta frecuencia original y regenerar las altas frecuencias utilizando una fuente de ruido. La escasa información disponible en el pequeño ancho de banda probablemente será demasiado limitada para extraer una envolvente adecuada.
La replicación de banda espectral (SBR) es una nueva técnica que ha ganado popularidad como "complemento" de códecs de audio de percepción populares como MP3 y Advanced Audio Coding (AAC). Se han formado nuevos codificadores de audio que consisten en una unión entre SBR y los codificadores de audio convencionales, concretamente el MP3Pro y el AAC+ . En estos algoritmos, el espectro inferior se codifica mediante MP-3 o AAC, mientras que la banda alta se codifica mediante SBR. La clave del algoritmo SBR es la información utilizada para describir la porción de alta frecuencia de la señal. El objetivo principal del diseño de este algoritmo es reconstruir el espectro de banda alta sin introducir ningún artefacto de aliasing y proporcionar una buena resolución espectral y temporal. En la parte de análisis se utiliza un banco de filtros polifásicos de valores complejos de 64 bandas . En el codificador, el banco de filtros se utiliza para obtener muestras de energía de la banda alta de la señal de entrada original. Estas muestras de energía se utilizan luego como valores de referencia para el esquema de ajuste de envolvente utilizado en el decodificador.