多声道数字音频系统的编码及应用

文章摘要：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）。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。 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声道的频谱相加和相减，根据两个声道的

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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）。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。
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。
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，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，则既可实现强度立体声编码，又可实现多声道编码。
1、杜比数字AC-3编解码压缩过程
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。 
3.1 AC-3编码过程
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。
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AC-3数据帧（FRAME）。AC-3数码流是一个AC-3数据帧的序列。
在实际的AC-3编码器中，还包括下述功能：
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（比特率、取样率、编码的信道数目等）。
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。
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/频域特性匹配的更好。
l频谱包络可以用可变的时间/频率分辨率进行编码。
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，以便产生更加优化的比特指派。
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。
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。发展是从85年以后开始的，其中包括了我们熟知的Eureka 147 DAB（尤里卡147数字音频广播）和DVB。不断发展的数字调制方式及编码算法都为数字音频广播提供了更加有效的传输和存储方式，使得在有限的带宽中以较低比特率来传输声道数更多、质量更优的音频信号成为可能。同样在数字音频广播系统的发展中也充分利用了这些以此为核心的新技术。以前，立体声广播起着主导的作用，现在随着越来越多的多声道数字音频系统的应用，在数字音频广播领域也已经开始接纳并制定相关的音频标准了。在Eureka 147 DAB和DVB中，已经包括了多声道数字音频的扩展。

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