La extensión del ancho de banda de una señal se define como el proceso deliberado de expansión del rango de frecuencias ( ancho de banda ) de una señal en el que contiene un contenido apreciable y útil, y/o el rango de frecuencias en el que sus efectos son tales. Su avance significativo en los últimos años ha llevado a que la tecnología se adopte comercialmente en varias áreas, incluida la mejora de graves psicoacústica de pequeños altavoces y la mejora de alta frecuencia del habla y el audio codificados.
La extensión del ancho de banda se ha utilizado tanto en aplicaciones de compresión de voz como de audio. Los algoritmos utilizados en G.729.1 y Spectral Band Replication (SBR) son dos de los muchos ejemplos de algoritmos de extensión del ancho de banda que se utilizan actualmente. 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 del 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 baja. 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 en comparación con la banda baja.
La mayoría de las veces, 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 frecuencias bajas puede aumentar considerablemente. Al generar armónicos de frecuencias más bajas y eliminar las frecuencias más bajas en sí, se crea la sugerencia de que estas frecuencias aún permanecen en la señal. Este proceso generalmente se aplica a través de un equipo externo o se integra en el sistema de altavoces utilizando 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, se utiliza el propio altavoz para generar frecuencias fuera de la región reproducible normal. Al potenciar las frecuencias altas y sobrecargar ligeramente el altavoz o el 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 que utilizan los sistemas telefónicos. En la mayoría de los sistemas, las frecuencias inferiores a 250 Hz se cortan y el ancho de banda solo se extiende a frecuencias de 4 u 8 kHz. Mediante el uso de filtros y modelado de ondas, se puede ampliar la respuesta de baja y alta frecuencia.
Mediante el filtrado de paso bajo de 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. Al utilizar un sintetizador de subarmónicos de este tipo , se recrea la banda de frecuencia esencial entre 125 y 250 Hz, lo que añade peso a la señal.
Para ampliar el ancho de banda de alta frecuencia, podemos aislar la octava superior mediante un filtro de paso alto y luego generar armónicos a partir de ella. La generación de armónicos se puede realizar mediante una rectificación de onda completa simple, que es computacionalmente barata y no depende de la amplitud. Como alternativa , se puede utilizar la modulación de banda lateral única , que brinda 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 frecuencias altas 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 un "complemento" a los códecs de audio perceptuales 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, a saber, MP3Pro y AAC+ . En estos algoritmos, el espectro inferior se codifica utilizando MP-3 o AAC, mientras que la banda alta se codifica utilizando SBR. La clave del algoritmo SBR es la información utilizada para describir la parte de alta frecuencia de la señal. El objetivo principal de 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 valor complejo 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.