音频编码和解码原理

2012-11-07 10:10:43来源: 互联网 关键字:音频编码  解码

音频编码解码原理

每张CD光盘重放双声道立体声信号可达74分钟。VCD视盘机要同时重放声音和图像,图像信号数据需要压缩,其伴音信号数据也要压缩,否则伴音信号难于存储到VCD光盘中。

一、伴音压缩编码原理
伴音信号的结构较图像信号简单一些。伴音信号的压缩方法与图像信号压缩技术有相似性,也要从伴音信号中剔除冗余信息。人耳朵对音频信号的听觉灵敏度有其其规律性,对于不同频段或不同声压级的伴音有其特殊的敏感特性。在伴音数据压缩过程中,主要应用了听觉阈值及掩蔽效应等听觉心理特性。

1、阈值和掩蔽效应
(1) 阈值特性
人耳朵对不同频率的声音具有不同的听觉灵敏度,对低频段(例如100Hz以下)和超高频段(例如16KHZ以上)的听觉灵敏度较低,而在1K-5KHZ的中音频段时,听觉灵敏度明显提高。通常,将这种现象称为人耳的阈值特性。若将这种听觉特性用曲线表示出来,就称为人耳的阈值特性曲线,阈值特性曲线反映该特性的数值界限。将曲线界限以下的声音舍弃掉,对人耳的实际听音效果没有影响,这些声音属于冗余信息。
在伴音压缩编码过程中,应当将阈值曲线以上的可听频段的声音信号保留住,它是可听频段的主要成分,而那些听觉不灵敏的频段信号不易被察觉。应当保留强大的信号,忽略舍弃弱小的信号。经过这样处理的声音,人耳在听觉上几乎察觉不到其失真。在实际伴音压缩编码过程中,也要对不同频段的声音数据进行量化处理。可对人耳不敏感频段采用较粗的量化步长进行量化,可舍弃一些次要信息;而对人耳敏感频段则采用较细小的量化步长,使用较多的码位来传送。
(2)掩蔽效应
掩蔽效应是人耳的另一个重要生理特征。如果在一段较窄的频段上存在两种声音信号,当一个强度大于另一个时,则人耳的听觉阈值将提高,人耳朵可以听到大音量的声音信号,而其附近频率小音量的声音信号却听不到,好像是小音量信号被大音量信号掩蔽掉了。由于其它声音信号存在而听不到本声音存在的现象,称为掩蔽效应。
根据人耳的掩蔽特性,可将大音量附近的小音量信号舍弃掉,对实际听音效果不会发生影响。既使保留这些小音量信号,人耳也听不到它们的存在,它属于伴音信号中的冗余信息。舍弃掉这些信号,可以进一步压缩伴音数据总量。
经仔细观察,掩蔽效应分为两大类,一类是同时掩蔽效应,另一类是短时掩蔽效应。其中,同时掩蔽效应是指同时存在一个弱信号和一个强信号,两者频率接近,强信号将提高弱信号的听阈值,将弱信号的听阈值提高到一定程度时,可使人耳听不到弱信号。例如,同时出现A、B两声,若A声的听觉阈值为50dB,由于存在另一个不同频率的B声,将使A声的阈值提高到64~68dB,例如取68dB,那么数值(68~50)dB=18dB,该值称为掩蔽量。将强大的B声称为掩蔽声,而较弱的A声称为被掩蔽声。上述掩蔽现象说明,若仅有A声时,其声压级50dB以上的声音可以传送出去,而50dB以下的声音将听不到;若同时出现B声,B声具有同时掩蔽效应,使得A声在声压级68dB以下的声音也听不到了,即50~68dB之间的A声人耳也听不到了,这些声音不必传送,即使传送也听不到,只须传送声压级68dB以上的声音。总之,为了提高一个声音的阈值,可以同时设置另一个声音,使用这种办法可以压缩掉一部分声音数据。在周围十分安静的环境下,人耳可以听到声压级很低的各种频率声音,但对低频声和高频声的掩蔽阈值较高,即听觉不灵敏。经研究还发现,掩蔽声越强,掩蔽作用越强;当掩蔽声与被掩蔽声的频率相差越小,掩蔽效果越明显,两者频率相等时,掩蔽效果最佳;低频声(设为B)可有效地掩蔽高频声(设为A),而高频声(设为B)几乎不能掩蔽低频声(设为A)。因而输入信号时,在受掩蔽的频带内加入更大的噪声时,人耳也感觉不到与原始信号有所区别。上述的同时掩蔽效应,又称为频域掩蔽效应,它主要反映在频域方面对掩蔽作用的影响。在声音压缩编码中,更多地使用单频声音的掩蔽效应。
如果A声和B声不同时出现,也可发生掩蔽作用,称它为短时掩蔽效应。短时掩蔽又可分为两种类型,作用仍可持续一段时间,即后向掩蔽和前向掩蔽。后向掩蔽是指掩蔽声B消失后,其掩蔽作用仍可持续一段时间,一般可达0.5~2秒。掩蔽机理是人耳的存储效应所致。而前向掩蔽是指被掩蔽声A出现一段时间后出现掩蔽声B,只要A、B声音隔不太大(一般在0.05~0.2秒以内),B也可对A起掩蔽作用。掩蔽机理是A声尚未被人耳感知接受时,强大的B声已来临所致。在实践中,后向掩蔽有较高的应用价值。短时掩蔽效应具有很强的时域结构特性,故又称为时域掩蔽效应。在声音压缩编码中,应兼顾好人耳的频域和时域两种掩蔽效应。

2、子带编码原理
(1)子带编码和解码过程
所谓子带编码技术,是将原始信号由时间域转变为频率域,然后将其分割为若干个子频带,并对其分别进行数字编码的技术。它是利用带通滤波器(BPF)组把原始信号分割为若干(例如m个)子频带(简称子带)。

在接收端实现发送端的逆过程。输入子带编码数据流,将各子带信号分别送到相应的数字解码电路(共m个)进行数字解调,经过诸路低通滤波器(m路),并重新解调,可把各子带频域恢复为当初原始信号的分布状态。最后,将各路子带输出信号送到同步相加器,经过相加恢复为原始信号,该恢复的信号与原始信号十分相似。
(2)子带编码的应用
子带编码技术具有突出的优点。首先,声音频谱各频率分量的幅度值各不相同,若对不同子带分配以合适的比例系数,可以更合理地分别控制各子带的量化电平数目和相应的重建误差,使码率更精确地与各子带的信号源特性相匹配。通常,在低频基音附近,采用较大的比特数目来表示取样值,而在高频段则可分配以较小的编码比特。其次,通过合理分配不同子带的比特数,可控制总的重建误差频谱形状,通过与声学心理模型相结合,可将噪声频谱按人耳主观噪声感知特性来形成。于是,利用人耳听觉掩蔽效应可节省大量比特数。
在采用子带编码时,利用了听觉的掩蔽效应进行处理。它对一些子带信号予以删除或大量减少比特数目,可明显压缩传输数据总量。比如,不存在信号频率分量的子带,被噪声掩蔽的信号频率的子带,被邻近强信号掩蔽的信号频率分量子带等,都可进行删除处理。另外,全系统的传输信息量与信号的频带范围、动态范围等均有关系,而动态范围则决定于量化比特数,若对信号引入合理的比特数,可使不同子带内按需要给以不同的比特数,也可压缩其信息量。

二、MPEG-1音频编码方框图

1、MPEG-1音频编码的依据
MPEG-1音频压缩编码标准采用了心理学算法。利用感知模型删去那些听觉不灵敏的声音数据,而使重建的声音质量无明显下降。它采用子带编码技术,根据心理声学模型取得不同子带的听觉掩蔽阈值;对各子带的取样值进行动态量化。它根据不同频段上大音量信号所引起的小音量信号掩蔽阈值的变化规律,对不同频段给以不同的量化步长,以便保留主要信号,而舍弃对听觉效果影响很小的成分,经过数据压缩,可取得合理的比特流,将原来大约1.5Mbit/s的声音传输码率减少到0.3Mbit/s,即压缩率可达到1/5。

2、编码流程
图2.3.2是基于MUSICAM(掩蔽模式通用子带编码和多路复用)的MPEG-1音频压缩编码方框图。输入信号是经过取样的二进制PCM数字音频信号,取样频率可以取44.1KHz、48KHz或32KHz,该音频数码信号的码值与原来采样信号的幅度、频率成正比。

数字音频信号首先进入数字滤波器组,它被分成等带宽的32个子频带,可由数字滤波器输出32个子带数据信号。这种处理方法与图像编码信号进行DCT变换的作用相似,但不是像图像信号那样分为64种余弦频率信息,这里仅分成32个子带,即将音频数据流改为32种频率的组合。声音的分解力低于图像,这种处理方法是可行的。然后,对32个子带的伴音数据进行再量化,以便再压缩数据量。对于各个子频带的量化步长不相同,量化步长是根据人耳的听觉阈值和掩蔽效应而确定的。经过量化处理的已压缩数据,保留了伴音信息的主体部分,而舍弃了听觉效果影响较小的伴音信息。
进入编码系统的输入信号,分流部分信号送到并列的1024点快速傅利叶变换器(FFT)进行变换,它检测输入信号每一个瞬间取样点在主频谱分量频域的分布的强度,经变换的信号送到心理声学模型控制单元。根据听觉心理声学测量统计结果,可以归纳出一个心理声学控制对照表格,并按照此表格制成控制单元,而单元电路可以集中地反映出人耳的阈值特性和掩蔽特性。
经过量化的32个子频带数据已经被压缩,还要加上比例因子、位分配信息等辅助信息,共同加到1位流格式化单元,编码成为两个层次的伴音编码信号。它既含有32个子频带的伴音数码,又带有这些数码所对应的位分配数据和不同频带数据的强弱比例因子。待将来数据解码时,可根据各子频带的数据恢复声音信号,以及压缩时码位分配和强弱比例情况,在进行反量化时,参照压缩时的程序进行还原。
可见,伴音的压缩编码和图像处理一样,也要经过变换、量化、码位压缩等处理过程,它运用了许多数学模型和心理听觉测量的统计数据,对32个子频带和各个层次信号的处理也各有不相同的取样速率。实际的心理听觉模型和适时处理控制过程十分复杂。这些算法细节都已按硬件方式被固化在解码芯片中,这些内容不能再改变。

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关键字:音频编码  解码

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