音頻編碼和解碼原理

2、MPEG-4音頻解碼
MPEG-4音頻編碼和MPEG-4視頻編碼一樣，具有許多特點(diǎn)和功能，例如可分級(jí)性，有限時(shí)間音頻流，音頻變化/時(shí)間尺度變化，可編輯性，延遲性等。它具優(yōu)越的交互性能和高壓縮比。它不僅利用分級(jí)方法可對(duì)語言和音樂進(jìn)行編輯，也能解決合成語言和音樂問題，它將成為多媒體世界的一個(gè)主要格式，將成為“全能”的系統(tǒng)。
通過MPEG-4音頻編碼，可以存儲(chǔ)、傳送多種音頻內(nèi)容。它具有高質(zhì)量的音頻信號(hào)(單聲道、立體聲和多通道)。它采用低碼率編碼，而聲音重放質(zhì)量很高。它可以傳送寬帶語言信號(hào)(例如7KHz寬的語音)，也可傳送窄帶寬語言信號(hào)(例如長途電話)。可以傳輸、制作可理解的各種語音信號(hào)?？梢院铣烧Z言，例如進(jìn)行音素或其它記號(hào)為基礎(chǔ)的文本轉(zhuǎn)換；也可以合成音頻，例如支持音樂描述語言。

四、杜比AC-3技術(shù)
1、什么是杜比AC-3
在杜比定向邏輯環(huán)繞聲技術(shù)的基礎(chǔ)上，于1990年杜比公司與日本先鋒公司合作，采用先進(jìn)的數(shù)位壓縮技術(shù)，推出新穎的全數(shù)字化杜比數(shù)碼環(huán)繞聲系統(tǒng)。它可使多聲道信號(hào)有更多的信息被壓縮到雙聲道中去，并將這種系統(tǒng)稱為AC-3。AC是英語“音頻感覺編碼系統(tǒng)”的縮寫詞。AC-3技術(shù)首先應(yīng)用到電影院，后來又進(jìn)入普通家庭。
杜比AC-3系統(tǒng)設(shè)置完全獨(dú)立的6個(gè)聲道，即全頻帶的左、中、右、左環(huán)繞和右環(huán)繞聲道，再加上一個(gè)超重低音聲道。由于這樣聲道的結(jié)構(gòu)，AC-3系統(tǒng)又稱為5.1聲道。

2、杜比AC-3的基本原理
(1)應(yīng)用聽覺掩蔽效應(yīng)開發(fā)出自適應(yīng)編碼系統(tǒng)
AC-3技術(shù)的理論基礎(chǔ)，也是利用心理聲學(xué)中的聽覺閾值和掩蔽效應(yīng)，但具體技術(shù)上與MPEG標(biāo)準(zhǔn)又有所不同。
對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，都要進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，將沒有用途或用途不大的數(shù)據(jù)信息忽略掉。為此，可以應(yīng)用聽覺閾值和掩蔽規(guī)律，省略掉那些多余的數(shù)據(jù)信息。杜比公司除運(yùn)用上述聲學(xué)原理外，還運(yùn)用了它擁有的杜比降噪技術(shù)，開發(fā)出數(shù)碼化的“自適應(yīng)編碼”系統(tǒng)。這是一種極具選擇性和抑制噪聲能力的自適應(yīng)編碼體系。杜比公司依據(jù)音響心理學(xué)的基本原理，在未輸入音樂信號(hào)時(shí)，保持寧靜狀態(tài)；當(dāng)輸入音樂信號(hào)時(shí)，對(duì)復(fù)雜的音頻信號(hào)進(jìn)行分析和分解，用較強(qiáng)信號(hào)掩蔽噪聲，刪除聽覺界限以外，或由于頻率相近而音量小的信號(hào)，經(jīng)過這種處理方法，可以大大減少需要處理的數(shù)據(jù)信息。人耳的聽覺范圍是20Hz－20KHz，在如此寬闊的頻帶范圍內(nèi)，人耳對(duì)不同頻率的聽覺靈敏度具有極大的差異。杜比AC-3根據(jù)這個(gè)特性，將各聲道的音響頻道劃分為許多大小不等的狹窄頻帶，各個(gè)子頻帶與人耳臨界頻帶的寬度相接近，保留有效的音頻，將不同的噪聲頻率緊跟每個(gè)聲道信號(hào)進(jìn)行編碼，即編碼噪聲只能存在于編碼音頻信號(hào)的頻帶內(nèi)。這樣能夠更陡峭地濾除掉編碼噪聲，將頻帶內(nèi)多余信號(hào)和無音頻信號(hào)的編碼噪聲降低或除掉，而將有用的音頻信號(hào)保留下來。AC-3系統(tǒng)精確地運(yùn)用了掩蔽效應(yīng)和“公用位元群”的設(shè)計(jì)方法，使數(shù)據(jù)壓縮效率大大提高，且具有很高水平的音質(zhì)。該系統(tǒng)的比特率是根據(jù)個(gè)別頻譜的需要，或者音源的動(dòng)態(tài)狀況，再分配到每個(gè)窄頻段，它設(shè)計(jì)了內(nèi)置的聽覺掩蓋程序，可讓編碼器改變其頻率靈敏度和時(shí)間分解力，以確保有充足的比特被采用，掩蓋掉噪聲，而良好地記錄音樂信號(hào)。
為了高效地利用有限的信息傳輸介質(zhì)(光盤、膠片等)，它在壓縮音頻信號(hào)時(shí)與其它壓縮系統(tǒng)一樣，利用人耳的聽覺特性，根據(jù)當(dāng)時(shí)的具體情況，將某些聲道的系數(shù)合并(這些聲道系數(shù)反映了那個(gè)頻帶的能量大小)，以便提高壓縮率。并不是所有聲道都能進(jìn)行這種合并。編碼器可根據(jù)各聲道的信息特征自動(dòng)決定和調(diào)整，只有相似的聲道才能混合在一起，若壓縮比不要求很高時(shí)也不必合并。一般情況下，合并的起始頻率越高，音質(zhì)就越好，但要求數(shù)據(jù)傳輸速率也越高。當(dāng)取樣頻率為48KHz時(shí)，合并的起始頻率應(yīng)為3.42MHz；若取樣頻率為44.1KHz時(shí)，起始頻率應(yīng)為3.14MHz。若硬件和軟件搭配適當(dāng)，AC-3的音質(zhì)可達(dá)到或接近CD唱片的水平。
(2)杜比AC-3解碼器簡易方框圖
AC-3解碼器輸入信號(hào)是一組頻譜信號(hào)，它是由時(shí)域信號(hào)PCM數(shù)據(jù)經(jīng)過時(shí)－頻變換而得到。該頻譜數(shù)據(jù)流分為指數(shù)部和尾數(shù)部兩部分，指數(shù)部分采用差分方式進(jìn)行編碼，編碼后的指數(shù)代表了整個(gè)信號(hào)的頻譜，可作為頻譜包絡(luò)的參數(shù)。其尾數(shù)部分按照比特分配的結(jié)果進(jìn)行量化。于是，量化尾數(shù)和頻譜包絡(luò)形成了AC-3碼流的主要信息，連同其它輔助信號(hào)(例如比特分配等)構(gòu)成了AC-3比特流。
圖2.3.4是AC-3系統(tǒng)的解碼方框圖，它是AC-3編碼的逆過程。AC-3比特流首先進(jìn)入緩沖級(jí)，然后以幀為處理單元進(jìn)行誤碼糾錯(cuò)，經(jīng)糾錯(cuò)處理后對(duì)比特流中的固定數(shù)據(jù)(指數(shù)數(shù)據(jù)、匹配系數(shù)、模式符號(hào)等)解碼，使數(shù)據(jù)比特流恢復(fù)為原來的比特分配。

然后，數(shù)據(jù)信號(hào)分為兩路。其中一路，將比特流恢復(fù)為原來的比特分配之后，確定尾數(shù)部量化的大小，再對(duì)比特流中的可變數(shù)據(jù)解碼；再接著恢復(fù)高頻成分，為反頻率變換做好準(zhǔn)備。最后，將指數(shù)部數(shù)據(jù)和尾數(shù)部數(shù)據(jù)匯合，變換為固定小數(shù)點(diǎn)數(shù)據(jù)，再對(duì)它進(jìn)行頻率變換，以獲得時(shí)間軸數(shù)據(jù)。已經(jīng)恢復(fù)為時(shí)域的數(shù)據(jù)信號(hào)需進(jìn)行窗處理，進(jìn)行重疊加算，即可得到5.1環(huán)繞聲道的輸出信號(hào)。

3、杜比AC-3的特點(diǎn)
(1)配置5.1聲道
將輸入的音頻信號(hào)解碼后，可以輸出5.1聲道信號(hào)，其中有3個(gè)前置聲道(L、C、R)，還有2個(gè)后置環(huán)繞聲道(LS、RS)，它們互相獨(dú)立，頻響寬度都是全聲頻域，即20Hz－20KHz(±0.5dB)及3Hz－20.3KHz(-3dB)，各頻道的頻響十分寬闊。目前，廣泛應(yīng)用于音響系統(tǒng)的杜比定向邏輯環(huán)繞聲系統(tǒng)，無法和杜比AC-3頻帶寬度相比。還有，杜比定向邏輯環(huán)繞聲系統(tǒng)實(shí)為4聲道系統(tǒng)，即前置左、中、右和后置環(huán)繞聲，它的環(huán)繞聲實(shí)為單聲道環(huán)繞聲，兩個(gè)后置環(huán)繞聲道重放共同的聲音信號(hào)，兩聲道采取并聯(lián)甚至串聯(lián)方式；其環(huán)繞聲的頻響被限制在100Hz－7KHz范圍內(nèi)；另外，它沒有設(shè)置獨(dú)立的超低音聲道，它是由前置左、右聲道分離出20Hz－120Hz的超重低音，來重放具有震撼效果的超重低音。AC-3系統(tǒng)配置了獨(dú)立的超低聲道，其頻響為20Hz－120HZ(±0.5dB)及3Hz－121Hz(-3dB)，要求超低音箱的音量比其它各聲道大10dB，具有更加震撼的低效果。
(2)各聲道全數(shù)字化且互相獨(dú)立
AC-3各聲道互相獨(dú)立地?cái)y帶不同信號(hào)，是全數(shù)字化音頻信號(hào)。取樣頻率是32、44.1或48KHz，數(shù)據(jù)傳輸量每聲道為32kb/s－640kb/s，在5.1聲道模式下取典型值384kb/s，在雙聲道模式下典型值為192kb/s。經(jīng)過數(shù)字處理后，5個(gè)主聲道的頻率壓縮在20Hz－20KHz范圍內(nèi)。
(3)可將5.1聲道壓縮輸出
由于AC-3的“比特流”內(nèi)對(duì)每種節(jié)目方式(單聲道、立體聲、環(huán)繞聲等)都有一個(gè)“指導(dǎo)信號(hào)”，能使AC-3自動(dòng)地為使用者指出節(jié)目方式。它可把5.1聲道信號(hào)壓縮為雙聲道，以供給錄制常規(guī)VHS錄像帶，或作為杜比環(huán)繞聲的輸入節(jié)目源，以便與它兼容，它甚至可將5.1聲道信號(hào)壓縮為單聲道輸出?？傊珹C-3可輸出5.1聲道杜比環(huán)繞聲、混合4聲道杜比環(huán)繞聲、雙聲道立體聲及單聲道。將5.1聲道數(shù)據(jù)壓縮后所占頻帶較窄，例如可在LD影碟機(jī)的FM調(diào)制的右聲道所占用的頻帶寬度內(nèi)，編入AC-3數(shù)據(jù)編碼，輸出AC-3的RF信號(hào)，它的中心頻率取在2.88MHz，可由LD原先的模擬輸出右聲道取出頻率為2.88MHz的AC-3編碼信號(hào)。于是，在原有一個(gè)模擬聲道內(nèi)就能夠容納5.1聲道的全部內(nèi)容。
(4)經(jīng)過聲音時(shí)間校準(zhǔn)使音效極為理想
杜比AC-3將所有聲道通過“時(shí)間校準(zhǔn)”技術(shù)，使每個(gè)揚(yáng)聲器的聲音好像與聆聽者的距離相同，以產(chǎn)生更好的音響效果，其環(huán)繞聲效果不僅是前、后、左、右的聲源定位鮮明，上下的音場(chǎng)也清晰可辨。