多声道数字音频系统的编码及应用

    [摘要]随着存储媒体容量和传输带宽的不断提高，高质量多声道数字音频系统也逐渐取代传统的单声道、立     体声系统，而成为新的传播媒体方式。本文着重介绍当前几种典型的多声道数字音频系统的编、解码技术。     以MPEG-2、AC-3、DTS、MPEG AAC多声道数字音频系统来讨论它们各自声道的配置、数据容量、数据率等所     带来的优缺点，最后介绍在数字音视频广播中，多声道数字音频系统的应用。     1、前言     对于CD格式来说，大家都知道它具有良好的信噪比、超过80dB以上的动态范围以及超过15kHz的频率范围，这     使得它具有良好的音频质量和满意的收听效果，但是它仅仅提供了两个声道。多声道数字音频系统通过声道     的扩展，不仅在质量上与CD音频不相上下，同时还带给听众身临其境的感受，而这是传统单声道和立体声无     法实现的，因此多声道数字音频系统已被更多的听众接受，同时也逐渐成为音乐制作的主流。     在众多的国际标准中，如SMPTE、EBU、ITU-R、ISO/IEC、MPEG等，都涵盖着一种称之为5.1声道的多声道数     字音频格式。在即将制定的DVD-Audio标准中，也规定将采用24bit采样精度、88.2，96，192KHz采样率的多     声道数字音频格式。     一种广泛接受的多声道数字音频系统配置方案就是我们常称的5.1声道系统，也就是3/2/.1的配置方案。这     种方法是按照ITR-U的建议BS.775来确定用于重放的扬声器摆放位置的，如图1所示。     根据建议可知，5个全频带的重放扬声器分为前置扬声器（包括L、R、C）和后置扬声器（也称环绕扬声器，     包括Ls、Rs），按照图示所规定的角度和方位进行摆放，并且它们都位于一个圆的边界上，其中L、R扬声器     与C扬声器分别呈30度夹角，Ls、Rs扬声器与C扬声器分别呈110度夹角。除此5个全频带的声道外，还有一个     低频增强声道，称之为LFE，它的频率范围在200Hz以下，大约是全频带倍频程的10%左右，因此也称点一声     道。它的放置没有特殊的要求，一般放置在前面。     5个重放扬声器的摆放并不是说能够完全重现真实的空间声像，其实5个扬声器的使用仅仅是一种重现空间声     像而采用的粗略的实现方式。当然，一方面重放的效果取决于音频素材的制作，另一方面则需要严格的重放     扬声器的空间位置摆放和收听者的位置关系。在电影院里我们往往能够感受到声像定位准确的音频效果，现     在也有一些提法，认为8个、10个、12个甚至更多的重放扬声器会有更加完美的音频效果。这些观点有它存在     的理由，声像的表现当然是越准确越好，但是一味的通过增加重放扬声器的数量以及增加音频声道数的话，     它也会带来另外的负面影响，如声像的定位更加困难等等，因此我们在此仅仅通过5.1声道的实现方式来进     行阐述。另外，我们还应明确一点，对于家庭消费者来说，5.1声道已经足够表现较完美的音频效果了。     不管是那种摆放方式，它的实现都离不开基本的编码方式和主要规则。另外5.1声道方式还会带来较大的压     缩比和较低的比特率（相对于更多声道的情况），下面就详细的来介绍一下多声道数字音频系统的编码方式。       图1 ITR-U的建议BS.775确定的用于重放的扬声器摆放位置   1、多声道数字音频的编码   从立体声向多声道的过渡，增加了对存储和传输媒体的需要。下面以CD格式为例，假设它的采样频率为   Fs=44.1kHz，采样精度R为16bit，那么CD格式的音频数据率B为：   BCD=2×R×Fs=1.411Mb/s   由此可知，一个小时的CD格式的音乐需要635MB的存贮空间，其实CD最长的重放时间为74分钟。那么如果使   用的是多声道时，此时的数据率为：   Bcdmultichannel=5.1×R×Fs=3.598Mb/s   同样一个小时的多声道格式的音乐需要1.62GB的存储空间，远远大于CD的容量。同时当前已应用的多   声道系统面临着带宽的问题。如美国的数字电视中仅仅给多声道的音频384kb/s的带宽，在Internet音频广   播中，也只有56kb/s的数据通道，因此由上可知，多声道数字音频系统面临者存储容量和传输带宽的限制。   如何将多声道数字音频数据率降低的同时又能够保证音频质量，是多声道数字音频系统面临的重大问题。众   所周知，对于线性PCM来说，它的实现简单，在高容量/高带宽的前提下可以提供CD质量的音频信号。从另一   个角度来看，采样精度的提高以及采样频率的提高，会带来更高的音频质量，如将采样精度由R=16提高到   R=24；将采样频率由Fs=44.1kHz或Fs=48kHz提高到Fs=96kHz或Fs=192kHz。这种发展趋势已经逐渐地由一些


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