多声道数字音频系统的编码及应用
作者:胡泽
来源:论文网
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加入时间:2008-02-12
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每个声道中的音频采样块首先要根据心理声学模型来计算掩蔽门限值，然后由计算出的掩蔽门限值来决定
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如何将公用比特区中的比特分配给不同的频率范围内的信号，如MPEG Layers I，II，DTS所采用；或由计
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算出的掩蔽门限值来决定哪些频率范围内的量化噪声可以引入而不需要去除，如AC-3，MPEG AAC所采用。
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然后根据音频信号的时域表达式进行量化，随后采用静噪编码（如MPEG Layers I，II，DTS，MPEG AAC）。
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最后，将控制参数及辅助数据进行交织产生编码后的数据流。解码过程则首先将编码后的数据流进行解复
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用，然后通过比特流中传输的控制参数对音频数据反量化，或通过心理声学模型参数反向运算得到音频信
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号（如AC-3），最后将得到的音频信号由频域反变换到时域，完成解码过程。
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另外多声道数字音频编码技术还充分利用了声道之间的相关性及双耳听觉效应，来进一步去除声道之间的
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冗余度和不相关度。去除通道之间的相关度，一种最常用的方法是M/S方式，在这种方式中是将两个独立
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声道的频谱相加和相减，根据两个声道的相关度大小，来决定是传输和/差信号还是传输原始信号。
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由于人耳对于频率超过2-3kHz的声音定位主要是通过内耳密度差分（IID）实现的，因此为了进一步减少
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数据率，将各个声道中频率超过约定门限值的信号组合后再进行传输。这种技术应用在MPEG Layers I，
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II，III中，实现强度立体声编码；用在AC-3中对两个声道或耦合声道实现多声道编码。在MPEG AAC中，
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则既可实现强度立体声编码，又可实现多声道编码。
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1、杜比数字AC-3编解码压缩过程
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AC-3最早是在1991年的电影“Batman Returns”中应用的。它的应用不仅在电影界占有一席之地，而且
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它已被北美地区的数字电视及DVD视频定为其数字音频实施规范。我们熟知的AC-2，AC-3都是由两声道发
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展而来的，即杜比数字（Dolby Digital）。对于数字音频信号来说，通过应用数字压缩算法，来减少正
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确再现原始脉冲编码调制（PCM）样本所需要的数字信息量，得出原始信号经数字压缩后的表达式。
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3.1 AC-3编码过程
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AC-3编码器接受PCM音频并产生相应的AC-3数码流。在编码时，AC-3算法通过对音频信号的频域表达式进
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行粗量化，达到高的编码增益（输入码率对输出码率之比）。如图8所示。
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编码过程的第一步是把音频表达式从一个PCM时间样本的序列变换为一个频率系数样本块的序列。这在分
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析滤波器中完成。512个时间样本的相互重叠样本块被乘以时间窗而变换到频域。由于相互重叠的样本
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块，每个PCM输入样本将表达在两个相继的变换样本块中。频域表达式则可以二取一，使每个样本块包含
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256个频率系数。这些单独的频率系数用二进制指数记数法表达为一个二进制指数和一个尾数。这个指数
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的集合被编码为信号频谱的粗略表达式，称作频谱包络。核心的比特指派例行程序用这个频谱包络，确
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定每个单独尾数需要用多少比特进行编码。将频谱包络和6个音频样本块粗略量化的尾数，格式化成一个
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AC-3数据帧（FRAME）。AC-3数码流是一个AC-3数据帧的序列。
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图8 AC-3编码框图
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在实际的AC-3编码器中，还包括下述功能：
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l附有一个数据帧的信头（header），其中包含与编码的数码流同步及把它解码的信息（比特
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率、取样率、编码的信道数目等）。
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l插入误码检测码字，以便解码器能检验接收的数据帧是否有误码。
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l可以动态的改变分析滤波器组的频谱分辨率，以便同每个音频样本块的时域/频域特性匹配的
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更好。
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l频谱包络可以用可变的时间/频率分辨率进行编码。
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l可以实行更复杂的比特指派，并修改核心比特分派例行程序的一些参数，以便产生更加优化
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的比特指派。
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l一些声道在高频可以耦合在一起，以便工作在较低比特率时，可得到更高的编码增益。
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l在两声道模式中，可以有选择的实行重新设置矩阵的过程，以便提供附加的编码增益，以及
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当两信道的信号解码时使用一个矩阵环绕声解码器，还能获得改进的结果。
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3. 2 AC-3解码过程
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解码过程基本上是编码的逆过程。解码器必须同编码数码流同步，检查误码，以及将不同类型的数据
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（例如编码的频谱包络和量化的尾数）进行解格式化。运行比特指派例行程序，将其结果用于解数据
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大包（unpack）和尾数的解量化。将频谱包络进行解码而产生各个指数。各个指数和尾数被变换回到
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时域成为解码的PCM时间样本。如图9所示：
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