多聲道數(shù)字音頻系統(tǒng)的編碼及應(yīng)用

1、前言
對于CD格式來說，大家都知道它具有良好的信噪比、超過80dB以上的動態(tài)范圍以及超過15kHz的頻率范圍，這使得它具有良好的音頻質(zhì)量和滿意的收聽效果，但是它僅僅提供了兩個聲道。多聲道數(shù)字音頻系統(tǒng)通過聲道的擴(kuò)展，不僅在質(zhì)量上與CD音頻不相上下，同時還帶給聽眾身臨其境的感受，而這是傳統(tǒng)單聲道和立體聲無法實現(xiàn)的，因此多聲道數(shù)字音頻系統(tǒng)已被更多的聽眾接受，同時也逐漸成為
圖2 編碼、傳輸、人耳聽音的實現(xiàn)
2．1 根據(jù)聽覺域度對可聞信號進(jìn)行編碼
　　人耳對聲振動的感受，在頻率及聲壓級方面都有一定的范圍，頻率范圍正常人約為20Hz~20kHz，而聲壓級范圍則是如圖聽閾曲線來描述的。意即在這條曲線之下的對應(yīng)頻率的信號是聽不到的。
圖16 MPEG-2音頻混合后環(huán)繞聲兼容性 如圖3所示，對于信號A來說，由于其聲壓級超過聽閾曲線的聲壓級域值，所以可以對人耳造成聲振動的感
受，意即聽到A信號。而對B信號來說，其聲壓級位于聽閾曲線之下，雖然它是客觀存在的，但人耳是不可聞的。因此，可以將類似的信號去除掉，以減少音頻數(shù)據(jù)率。
2.2 根據(jù)掩蔽效應(yīng)，只對幅度強(qiáng)的掩蔽信號進(jìn)行編碼
人耳能在寂靜的環(huán)境中分辨出輕微的聲音，但在嘈雜的環(huán)境中，同樣的這些聲音則被嘈雜聲淹沒而聽不到了。這種由于一個聲音的存在而使另一個聲音要提高聲壓級才能被聽到的現(xiàn)象稱為聽覺掩蔽效應(yīng)。 
  如圖4所示，雖然B、C兩信號的聲壓級已超過聽閾曲線的范圍，人耳已可以聽到B、C兩信號的存在，但是由于A信號的存在，通過前向掩蔽將C信號淹沒掉，通過后向掩蔽將B信號淹沒掉，從而最終到達(dá)人耳引起感覺的只有A信號。因此，可以將類似的B、C信號去除掉以減少音頻數(shù)據(jù)率。
2．3 量化噪聲使得不必全部編碼原始信號
類似于人耳的聽閾曲線，由于數(shù)字信號存在著量化噪聲，如圖5所示，對于信號A和B來說，并不一定要將A、B信號進(jìn)行全部幅度的編碼，而只需將A、B信號與量化噪聲的差值進(jìn)行編碼就可以達(dá)到相同的聽覺效果，因此，在編碼過程中實際量化幅度就可以大大的減少，而減少數(shù)據(jù)率。

2.4 通過子帶分割來進(jìn)行優(yōu)化、編碼
在傳統(tǒng)的編碼過程中，都是將整個頻帶作為操作對象，采用相同的比特分配對每個信號進(jìn)行量化。而實際上，由于聽覺曲線的存在及其它因素，對于幅度較小的信號可以分配較少的比特數(shù)就可以達(dá)到要求，因此將整個頻帶分成多個子頻帶，然后對每個子頻帶的信號獨立編碼，從而使得在每個子頻帶中比特分配可以根據(jù)信號自身來適應(yīng)。
如圖ABCD四個信號，如果對整個頻帶編碼，對于D信號來說分配16比特來量化則顯得多余浪費，所以如果將ABCD分別置于不同的子帶內(nèi)，則可在分別所處的子帶內(nèi)使用最適合的比特數(shù)分配給信號來編碼，從而減少數(shù)據(jù)率，同時如果用于分割的子帶分辨率越高，意即子帶的頻帶相對越窄，那么在子帶中分配的比特數(shù)
就越精確，而減少了比特率。
2.5 不同的實現(xiàn)方式
當(dāng)前在數(shù)字音頻編碼領(lǐng)域存在著各種不同的編碼方案和實現(xiàn)方式，為了能夠讓大家對此有一個較完整的認(rèn)識，在本文中僅對當(dāng)前流行的幾種典型的編碼方法做一個介紹。不管是通過那一種方式實現(xiàn)，其基本的編碼思路方框圖都大同小異，如圖7所示。對于每一個音頻聲道中的PCM音頻信號來說，首先都要將它們映射到頻域中，這種時域到頻域的映射可以通過子帶濾波器（如MPEG Layers I，II，DTS）或通過變換濾波器組（如AC-3，MPEG AAC）實現(xiàn)。這兩種方式的最大不同之處在于濾波器組中的頻率分辨率的不同。
每個聲道中的音頻采樣塊首先要根據(jù)心理聲學(xué)模型來計算掩蔽門限值，然后由計算出的掩蔽門限值來決定如何將公用比特區(qū)中的比特分配給不同的頻率范圍內(nèi)的信號，如MPEG Layers I，II，DTS所采用；或由計算出的掩蔽門限值來決定哪些頻率范圍內(nèi)的量化噪聲可以引入而不需要去除，如AC-3，MPEG AAC所采用。
然后根據(jù)音頻信號的時域表達(dá)式進(jìn)行量化，隨后采用靜噪編碼（如MPEG Layers I，II，DTS，MPEG AAC）。最后，將控制參數(shù)及輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行交織產(chǎn)生編碼后的數(shù)據(jù)流。解碼過程則首先將編碼后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行解復(fù)用，然后通過比特流中傳輸?shù)目刂茀?shù)對音頻數(shù)據(jù)反量化，或通過心理聲學(xué)模型參數(shù)反向運算得到音頻信號（如AC-3），最后將得到的音頻信號由頻域反變換到時域，完成解碼過程。
另外多聲道數(shù)字音頻編碼技術(shù)還充分利用了聲道之間的相關(guān)性及雙耳聽覺效應(yīng)，來進(jìn)一步去除聲道之間的冗余度和不相關(guān)度。去除通道之間的相關(guān)度，一種最常用的方法是M/S方式，在這種方式中是將兩個獨立聲道的頻譜相加和相減，根據(jù)兩個聲道的相關(guān)度大小，來決定是傳輸和/差信號還是傳輸原始信號。
由于人耳對于頻率超過2-3kHz的聲音定位主要是通過內(nèi)耳密度差分（IID）實現(xiàn)的，因此為了進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)率，將各個聲道中頻率超過約定門限值的信號組合后再進(jìn)行傳輸。這種技術(shù)應(yīng)用在MPEG Layers I，II，III中，實現(xiàn)強(qiáng)度立體聲編碼；用在AC-3中對兩個聲道或耦合聲道實現(xiàn)多聲道編碼。在MPEG AAC中，則既可實現(xiàn)強(qiáng)度立體聲編碼，又可實現(xiàn)多聲道編碼。
1、杜比數(shù)字AC-3編解碼壓縮過程
AC-3最早是在1991年的電影“Batman Returns”中應(yīng)用的。它的應(yīng)用不僅在電影界占有一席之地，而且它已被北美地區(qū)的數(shù)字電視及DVD視頻定為其數(shù)字音頻實施規(guī)范。我們熟知的AC-2，AC-3都是由兩聲道發(fā)展而來的，即杜比數(shù)字（Dolby Digital）。對于數(shù)字音頻信號來說，通過應(yīng)用數(shù)字壓縮算法，來減少正確再現(xiàn)原始脈沖編碼調(diào)制（PCM）樣本所需要的數(shù)字信息量，得出原始信號經(jīng)數(shù)字壓縮后的表達(dá)式。 
3.1 AC-3編碼過程
AC-3編碼器接受PCM音頻并產(chǎn)生相應(yīng)的AC-3數(shù)碼流。在編碼時，AC-3算法通過對音頻信號的頻域表達(dá)式進(jìn)行粗量化，達(dá)到高的編碼增益（輸入碼率對輸出碼率之比）。如圖8所示。
編碼過程的第一步是把音頻表達(dá)式從一個PCM時間樣本的序列變換為一個頻率系數(shù)樣本塊的序列。這在分析濾波器中完成。512個時間樣本的相互重疊樣本塊被乘以時間窗而變換到頻域。由于相互重疊的樣本塊，每個PCM輸入樣本將表達(dá)在兩個相繼的變換樣本塊中。頻域表達(dá)式則可以二取一，使每個樣本塊包含256個頻率系數(shù)。這些單獨的頻率系數(shù)用二進(jìn)制指數(shù)記數(shù)法表達(dá)為一個二進(jìn)制指數(shù)和一個尾數(shù)。這個指數(shù)的集合被編碼為信號頻譜的粗略表達(dá)式，稱作頻譜包絡(luò)。核心的比特指派例行程序用這個頻譜包絡(luò)，確定每個單獨尾數(shù)需要用多少比特進(jìn)行編碼。將頻譜包絡(luò)和6個音頻樣本塊粗略量化的尾數(shù)，格式化成一個AC-3數(shù)據(jù)幀（FRAME）。AC-3數(shù)碼流是一個AC-3數(shù)據(jù)幀的序列。
在實際的AC-3編碼器中，還包括下述功能：
l附有一個數(shù)據(jù)幀的信頭（header），其中包含與編碼的數(shù)碼流同步及把它解碼的信息（比特率、取樣率、編碼的信道數(shù)目等）。
l插入誤碼檢測碼字，以便解碼器能檢驗接收的數(shù)據(jù)幀是否有誤碼。
l可以動態(tài)的改變分析濾波器組的頻譜分辨率，以便同每個音頻樣本塊的時域/頻域特性匹配的更好。
l頻譜包絡(luò)可以用可變的時間/頻率分辨率進(jìn)行編碼。
l可以實行更復(fù)雜的比特指派，并修改核心比特分派例行程序的一些參數(shù)，以便產(chǎn)生更加優(yōu)化的比特指派。
l一些聲道在高頻可以耦合在一起，以便工作在較低比特率時，可得到更高的編碼增益。
l在兩聲道模式中，可以有選擇的實行重新設(shè)置矩陣的過程，以便提供附加的編碼增益，以及當(dāng)兩信道的信號解碼時使用一個矩陣環(huán)繞聲解碼器，還能獲得改進(jìn)的結(jié)果。發(fā)展是從85年以后開始的，其中包括了我們熟知的Eureka 147 DAB（尤里卡147數(shù)字音頻廣播）和DVB。不斷發(fā)展的數(shù)字調(diào)制方式及編碼算法都為數(shù)字音頻廣播提供了更加有效的傳輸和存儲方式，使得在有限的帶寬中以較低比特率來傳輸聲道數(shù)更多、質(zhì)量更優(yōu)的音頻信號成為可能。同樣在數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)的發(fā)展中也充分利用了這些以此為核心的新技術(shù)。以前，立體聲廣播起著主導(dǎo)的作用，現(xiàn)在隨著越來越多的多聲道數(shù)字音頻系統(tǒng)的應(yīng)用，在數(shù)字音頻廣播領(lǐng)域也已經(jīng)開始接納并制定相關(guān)的音頻標(biāo)準(zhǔn)了。在Eureka 147 DAB和DVB中，已經(jīng)包括了多聲道數(shù)字音頻的擴(kuò)展。
7.1
Eureka 147 DAB國際協(xié)議是于1986年由16個歐洲成員組織為制定數(shù)字音頻廣播標(biāo)準(zhǔn)而制定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。隨后又有一些新的組織機(jī)構(gòu)加入到這項協(xié)議工作中去，并于1995年形成了第一個DAB的標(biāo)準(zhǔn)。在同一年中，世界范圍的DAB論壇也相繼成立，它們的目標(biāo)就是促進(jìn)世界各地更多的組織機(jī)構(gòu)采用以Eureka 147 DAB為藍(lán)本的數(shù)字音頻廣播的實現(xiàn)。
Eureka 147 DAB系統(tǒng)的設(shè)計是用來取代現(xiàn)行的FM廣播業(yè)務(wù)的，它采用COFDM（編碼正交頻分復(fù)用）以便于更好地進(jìn)行移動接收和克服多徑效應(yīng)，載波采用DQPSK（差值正交相移鍵控）進(jìn)行調(diào)制，通道編碼采用卷積編碼，以滿足可調(diào)整碼率的需要。
Eureka 147 DAB系統(tǒng)使用1.536MHz的頻譜帶寬來傳輸最大不超過1.5Mb/s的數(shù)據(jù)，因此對于多聲道來說， 如為6個聲道，則每個聲道的數(shù)據(jù)率最大不超過256kb/s。對于聲道如何分配及使用，則是根據(jù)節(jié)目數(shù)量/ 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與音頻質(zhì)量來折衷考慮的。由于早期的Eureka 147 DAB源編碼的發(fā)展沒有反映出當(dāng)前最新發(fā)展的技術(shù)，同時由于歷史原因及DAB標(biāo)準(zhǔn)由歐洲制定，而歐洲長期以來都采用的是MPEG技術(shù)，考慮到兼容等問題，因此DAB系統(tǒng)中音頻編碼系統(tǒng)采用的是MPEG Layer II編碼方案。不能說MPEG Layer II編碼方案有什么不好，但是如果我們綜觀當(dāng)前多聲道數(shù)字音頻系統(tǒng)的最新發(fā)展，不難看出，有更多更好的方案可以被采用，如在提高聲音質(zhì)量上可采用DTS系統(tǒng)，在增加聲道數(shù)目上可采用MPEG AAC系統(tǒng)。
7.2
DVB項目是在1993年由220多個世界組織來制定建立的。這些世界組織包括廣播業(yè)者、制造商、網(wǎng)絡(luò)管理者和致力于發(fā)展數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)的各種組織機(jī)構(gòu)。最早的DVB業(yè)務(wù)是在歐洲開始的，現(xiàn)在DVB標(biāo)準(zhǔn)不僅是歐洲的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，而且它也擴(kuò)展到亞洲、非洲、美洲及澳大利亞等地區(qū)，成為這些地區(qū)數(shù)字電視的選擇標(biāo)準(zhǔn)之一。與此不同的美國采用的是ATSC系統(tǒng)。
在DVB的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了三個子系統(tǒng)：DVB-S（衛(wèi)星）、DVB-C（有線）和DVB-T（地面）系統(tǒng)。DVB-S系統(tǒng)是一種單載波系統(tǒng)，是最早實現(xiàn)的DVB標(biāo)準(zhǔn)，它是建立在正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制和通道編碼（卷積編碼和里得-所羅門塊編碼）的基礎(chǔ)之上的，典型的碼率為40Mb/s左右。DVB-C系統(tǒng)是以DVB-S系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立的，不同的是它采用QAM（正交調(diào)幅）調(diào)制方式，取代了用于DVB-S中的QPSK調(diào)制方式。在DVB-C中如果使用64點QAM調(diào)制，則可以實現(xiàn)在8MHz的帶寬中傳輸38.5Mb/s的數(shù)據(jù)。DVB-T系統(tǒng)與以上兩者都不同的是采用了COFDM的調(diào)制方式，而通道編碼則與前兩者基本相同。在DVB-T系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)在7MHz的帶寬中傳輸19.35Mb/s的數(shù)據(jù)。
DVB系統(tǒng)的源編碼是建立在MPEG-2視頻和MPEG-2系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)上的。同時在DVB中也提供了與立體聲相兼容的多聲道數(shù)字音頻系統(tǒng)。同樣由于歷史及其他一些原因，在DVB音頻部分中仍然采用的是MPEG Layer II多聲道數(shù)字音頻系統(tǒng)，在DVB的標(biāo)準(zhǔn)中也同時規(guī)定可以采用靈活性更大、質(zhì)量更高，超過MPEG Layer II MC系統(tǒng)的多聲道數(shù)字音頻系統(tǒng)作為DVB的音頻部分。
總之，隨著數(shù)字廣播的不斷發(fā)展，相信這些已經(jīng)成熟的各種技術(shù)都將有它們各自的用武之地。
8、結(jié)語
在本文中，我們主要討論了當(dāng)前較流行、較成熟的幾種多聲道數(shù)字音頻系統(tǒng)，同時也對它們所采用的編碼方法的主要技術(shù)做了詳盡的分析比較。隨著存儲媒體及傳輸帶寬技術(shù)的不斷發(fā)展，相信多聲道數(shù)字音頻系統(tǒng)會逐漸取代傳統(tǒng)的如CD格式的音頻系統(tǒng)；同樣應(yīng)用于多聲道數(shù)字音頻系統(tǒng)中的音頻編碼及傳輸方案也會不斷的進(jìn)行更新、發(fā)展。更多聲道的實現(xiàn)及更高質(zhì)量的音頻系統(tǒng)實現(xiàn)都會成為可能，如新建立的DVD-Audio音頻技術(shù)中的編碼方案已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了PCM音頻方式。
總而言之，我們相信在今后的數(shù)字廣播的發(fā)展中，不管是DVB、DAB、數(shù)字視頻、音頻廣播，還是ATSC數(shù)字電視系統(tǒng)等，都將會采用不受帶寬限制（相對而言）、可提供更高質(zhì)量、更多聲道的多聲道數(shù)字音頻系統(tǒng)。

3. 2 AC-3解碼過程
解碼過程基本上是編碼的逆過程。解碼器必須同編碼數(shù)碼流同步，檢查誤碼，以及將不同類型的數(shù)據(jù)（例如編碼的頻譜包絡(luò)和量化的尾數(shù)）進(jìn)行解格式化。運行比特指派例行程序，將其結(jié)果用于解數(shù)據(jù)大包（unpack）和尾數(shù)的解量化。將頻譜包絡(luò)進(jìn)行解碼而產(chǎn)生各個指數(shù)。各個指數(shù)和尾數(shù)被變換回到時域成為解碼的PCM時間樣本。

在實際的AC-3解碼器中，還包括下述功能：
l假若檢測出一個數(shù)據(jù)誤碼，可以使用誤碼掩蓋或靜噪。
l高頻內(nèi)容耦合在一起的那些聲道必須去除耦合。
l無論何時已被重新設(shè)置矩陣的聲道，必須進(jìn)行去除矩陣化的過程（在2-聲道模式中）。
l必須動態(tài)的改變綜合濾波器組的分辨率，與編碼器分析濾波器組在編碼過程中所用的方法
相同。
3. 3 杜比數(shù)字AC-3編碼數(shù)據(jù)格式
經(jīng)過杜比數(shù)字AC-3編碼器的編碼處理，可以將原始的數(shù)據(jù)PCM信號編碼為杜比數(shù)字AC-3音頻數(shù)據(jù)流。一個AC-3串行編碼的音頻數(shù)據(jù)流是由一個同步幀的序列所組成。如圖10所示。

由圖可見，每個同步幀包含六個編碼的音頻樣本塊（AB）其中每個代表256個新的音頻樣本。在每個同步幀開始的同步信息（SI）的信頭中，包含為了獲得同步和維持同步所需要的信息。接著SI后面的是數(shù)碼流信息（BSI）的信頭；它包含描述編碼數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)的各種參數(shù)。編碼的音頻樣本塊之后接 著是一個輔助數(shù)據(jù)（AUX）字段。在每個同步幀結(jié)尾處是誤碼檢驗字段，其中包含一個用于誤碼檢測的CRC字。一個附加的CRC字位于SI信頭中，以供選用。
AB0~AB5的每一塊代表一個編碼通道，可以被分別獨立解碼，塊的大小可以調(diào)整，但總數(shù)據(jù)量不變。在圖中還有兩個未標(biāo)出的CRC，其中第一個位于幀的5/8處，另一個位于幀未。之所以如此安排，目的就是可以減少解碼器的RAM需求量，使得解碼器不必完全接收一幀后才解碼音頻數(shù)據(jù)，而是分成了兩部 分進(jìn)行解碼。
3.4 杜比數(shù)字AC-3的兼容性
由于AC-3比特流中同步結(jié)構(gòu)中的AB0~AB5是獨立解碼的，因此可以將這些編碼信號重新構(gòu)造為所需的輸
出信號，即輸出的下行兼容性。

在許多重放系統(tǒng)中，揚聲器的數(shù)目不能同編碼的音頻聲道的數(shù)目匹配。為了重現(xiàn)完整的音頻節(jié)目需要向下混合。在幀同步中，AB0~AB5中記錄著六個獨立聲道的音頻數(shù)據(jù)，按照AC-3重放時的安排，我們稱之為L、R、C、Ls、Rs、LFE。一般用于向下混合的過程中，低音增強(qiáng)LFE通道記錄的音頻信號主要用于渲染烘托氣氛，所以向下混合時，只用其中的L、R、C、Ls、Rs。從圖中可以看到編碼后的AC-3數(shù)據(jù)流可以直接傳輸后經(jīng)解碼器解碼為5.1通道音頻信息進(jìn)行重放，也可以向下混合為兩個聲道信號，然后經(jīng)不同的解碼器得到不同的重放模式。就單一環(huán)繞聲道（n/1模式）而言，把S稱為單個環(huán)繞聲道。從圖中可看出，向下混合提供兩種類型：向下混合為Lt、Rt矩陣環(huán)繞編碼的立體聲對；
向下混合為通常的立體聲信號Lo、Ro。向下混合的立體聲信號（Lo、Ro或Lt、Rt）可進(jìn)一步向下混合為單聲道M，通過兩個聲道簡單的相加即可。如果將Lt、Rt向下混合為單聲道，環(huán)繞信息將會丟失。當(dāng)希望需要一個單聲道信號時則Lo、Ro向下混合更可取。
用于Lo、Ro立體聲信號的一般3/2向下混合方程式為：
Lo=1.0′L+clev′C+slev′Ls；
Ro=1.0′R+clev′C+slev′Rs；
如果接著Lo、Ro被組合成單聲道信號重放，有效的向下混合方程式為：
M=1.0′L+2.0′clev′C+1.0′R+slev′Ls+slev′Rs；
如果只出現(xiàn)單個環(huán)繞聲道S（3/1模式），則向下混合方程式為：
Lo=1.0′L+clev′C+0.7′slev′S；
Ro=1.0′R+clev′C+0.7′slev′S；
M=1.0′L+2.0′clev′C+1.0′R+1.4′slev′S；
其中clev、slev分別代表中央聲道混合聲級系數(shù)和環(huán)繞聲道混合聲級系數(shù)，在BSI數(shù)據(jù)中由Cmixlev、Surmixlev比特字段來指出相對應(yīng)的值。
用于Lt、Rt立體聲信號的一般3/2向下混合方程式為：
Lt=1.0′L+0.707′C-0.707′Ls-0.707′Rs；
Rt=1.0′R+0.707′C+0.707′Ls+0.707′Rs；
如果只出現(xiàn)單個環(huán)繞聲道S（3/1模式），則向下混合方程式為：
Lt=1.0′L+0.707′C-0.707′S；
Rt=1.0′R+0.707′C+0.707′S；
經(jīng)過對獨立聲道的音頻信號進(jìn)行不同的分配及矩陣重組，則實現(xiàn)了AC-3數(shù)據(jù)流的向下兼容性， 意即通過不同的解碼器、解碼矩陣方式，可以得到杜比數(shù)字5.1聲道環(huán)繞聲、立體聲、杜比Prologic、單聲道以及杜比的虛擬環(huán)繞聲方式。其中Lo、Ro與Lt、Rt的最大區(qū)別就是Lt、Rt是記錄的全部的L、R、環(huán)繞聲的信息，經(jīng)過矩陣重解可得到環(huán)繞聲信息，而Lo、Ro則是將環(huán)繞聲信息增加支立體聲信號中，無法再重現(xiàn)環(huán)繞聲信號信息。
4、MPEG-2多聲道編解碼過程
MPEG-2感知編碼系統(tǒng)充分利用了心理聲學(xué)中的掩蔽效應(yīng)和哈斯效應(yīng)，利用壓縮編碼技術(shù)，將原始音頻信號中不相關(guān)分量和冗余分量有效的去除掉，在不影響人耳聽覺閾度和聽音效果質(zhì)量上，將音頻信號壓縮。
4．1 MPEG音頻子帶編碼器的基本結(jié)構(gòu)
感知型子帶音頻編碼器不斷地對音頻輸入信號進(jìn)行分析。由一個心理聲學(xué)模型動態(tài)地確定掩蔽門限，即在該掩蔽門限之下的多余的噪聲是無法為人的聽覺系統(tǒng)聽到的。由該心理聲學(xué)模型產(chǎn)生的信息被饋至一個比特分配模塊，該模塊的任務(wù)是將各聲道可用的比特以一種優(yōu)化的方式在頻譜范圍內(nèi)進(jìn)行分配。輸入信號還與上述過程并行地被分割到一系列稱為子帶的頻帶中。每個子帶信號都在經(jīng)過定
標(biāo)處理后被重新進(jìn)行量化，該量化編碼過程引入的量化噪聲不能超過已確定的對應(yīng)子帶的掩蔽門限。因此量化噪聲頻譜就與信號頻譜進(jìn)行了動態(tài)自適應(yīng)。“比例因子”和各子帶所使用的量化器的相關(guān)信息與編碼后的子帶樣值一同進(jìn)行傳輸。
解碼器可以在不了解編碼器如何確定編碼所需信息的情況下對碼流進(jìn)行解碼。這可以降低解碼器的復(fù)雜度，并為編碼器的選擇和解碼器開發(fā)提供了很大的靈活性。如在心理聲學(xué)研究上取得了新的結(jié)果，則更高效率和更高性能的編碼器可在與所有現(xiàn)有解碼器完全兼容的條件下得以應(yīng)用。這一靈活性目前已有了成功的例子，現(xiàn)在最高技術(shù)水平的編碼器的性能已超過了標(biāo)準(zhǔn)化過程中使用的早期編碼器。

4．2 層
MPEG音頻標(biāo)準(zhǔn)包括了三種不同的算法，稱為層。層數(shù)越高，相應(yīng)可達(dá)到的壓縮比就越高，而復(fù)雜度、延時及對傳輸誤碼的敏感度也越高。層II專門對廣播應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。它使用了具有32個等寬子帶劃分的子帶濾波，自適應(yīng)比特分配和塊壓擴(kuò)。單聲道的碼率范圍為32-192 kbps，立體聲為64-384 kbps。
它在256 kbps及192 kbps相關(guān)立體聲條件下的表現(xiàn)十分出色。128 kbps（立體聲）條件下的性能在許多應(yīng)用中仍可接受。
4．3 MPEG-2在多聲道音頻方面的擴(kuò)展
ITU-R工作組TG10-1在關(guān)于多聲道聲音系統(tǒng)的建議方面進(jìn)行了工作。該項工作的主要成果就是建議BS.775，其中說明一個適當(dāng)?shù)亩嗦暤缆曇襞渲脩?yīng)包含五個聲道，分別代表左、中央、右、左環(huán)繞、右環(huán)繞聲道。如果使用了一個作為選項的低頻增強(qiáng)聲道（LFE），則該配置被稱為“5.1”。五聲道配置也可表示為‘3/2’，即三個前置聲道及兩個環(huán)繞（后置）聲道。
MPEG已認(rèn)識到應(yīng)根據(jù)ITU-R建議775來增加音頻標(biāo)準(zhǔn)的多聲道能力的必要性。

這是在第二階段完成的，由此產(chǎn)生了MPEG-2音頻標(biāo)準(zhǔn)。在多聲道聲音方面的擴(kuò)展支持在一路碼流中傳輸五個輸入聲道、低頻增強(qiáng)聲道以及7個旁白聲道。該擴(kuò)展與MPEG-1保持前向及后向兼容。前向兼容性意味著多聲道解碼器可正確地對立體聲碼流進(jìn)行解碼。后向兼容性則意味著一個標(biāo)準(zhǔn)的立體聲解碼器
在對多聲道碼流進(jìn)行解碼時可輸出兼容的立體聲信號。
這是通過一種真正的可分級方式實現(xiàn)的。在編碼器端，五個輸入聲道被向下混合為一路兼容立體聲信號。該兼容立體聲信號按照MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼。所有用于在解碼器端恢復(fù)原來的五個聲道的信息都被置于MPEG-1的附加數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)，該數(shù)據(jù)區(qū)被MPEG-1解碼器忽略。這些附加的信息在信息聲道T2、T3及T4以及LFE聲道中傳輸，這幾個信息聲道通常包含中央、左環(huán)繞和右環(huán)繞聲道。MPEG-2多聲道解碼器不但對碼流中的MPEG-1部分進(jìn)行解碼，還對附加信息聲道T2、T3、T4及LFE解碼。根據(jù)這些信息，它可以恢復(fù)原來的5.1聲道聲音。

當(dāng)相同碼流饋送至MPEG-1解碼器時，解碼器將只對碼流的MPEG-1部分進(jìn)行解碼，而忽略所有附加的多聲道信息。由此它將輸出在MPEG-2編碼器中經(jīng)向下混合產(chǎn)生的兩個聲道。這種方式實現(xiàn)了與現(xiàn)有的雙聲道解碼器的兼容性。也許更為重要的是，這種可分級的方式使得即使在多聲道業(yè)務(wù)中仍可使用低成 本的雙聲道解碼器?？紤]到所使用的其它所有編碼策略，多聲道業(yè)務(wù)中的雙聲道解碼器本質(zhì)上就是一 個對所有聲道進(jìn)行解碼并在解碼器中產(chǎn)生雙聲道向下混合信號的多聲道解碼器。如圖14所示。

就其包含了不同的可由編碼器使用以進(jìn)一步提高音頻質(zhì)量的技術(shù)而言，該標(biāo)準(zhǔn)是具有很大靈活性的。
4．4 定向邏輯兼容性
如果源素材已經(jīng)經(jīng)過環(huán)繞聲編碼（如Dolby環(huán)繞聲），廣播業(yè)者可能希望將它直接播送給聽眾。一種選擇是將該素材直接以2/0（僅為立體聲）模式播送。環(huán)繞聲編碼器主要是將中央聲道信號分別與左右聲道信號同相相加，而將環(huán)繞聲道信號分別與左右聲道信號反相相加。為能對這些信息正確解碼，編解碼器必須保持左右聲道彼此之間的幅度和相位關(guān)系。這在MPEG編碼中是通過限制強(qiáng)度立體聲編碼只能在高于8kHz的頻率范圍內(nèi)使用而得以保障的，因為環(huán)繞聲編碼僅在低于7kHz的范圍內(nèi)使用環(huán)繞聲道信息。如圖15所示。

圖15 使用MPEG-1音頻播送環(huán)繞聲素材
  
 
當(dāng)傳輸多聲道信息時，與現(xiàn)有（專利的）環(huán)繞聲解碼器的兼容性可通過幾種手段得以實現(xiàn)。多聲
道編碼器在工作時使用一個環(huán)繞聲兼容的矩陣。這可以使立體聲解碼器能夠接收環(huán)繞聲編碼的信號，
并可選擇將其傳送給環(huán)繞聲解碼器。一個完整的多聲道解碼器將對所有信號進(jìn)行再變換，以獲得原來
的多聲道表現(xiàn)。MPEG-2多聲道語法支持這種模式，進(jìn)而也為DVB規(guī)范所支持。如圖16所示。

4．5 MPEG-2在低采樣率方面的擴(kuò)展
除了在多聲道方面的擴(kuò)展外，MPEG-2音頻還包含了MPEG-1音頻在低采樣率方面的擴(kuò)展。該擴(kuò)展的目的是以一種簡單的方式獲得改進(jìn)的頻譜分辨率。通過將采樣率減半，頻率分辨率就提高了兩倍，但時間分辨率則劣化了兩倍。這可使許多穩(wěn)態(tài)信號獲得更好的質(zhì)量，而對一些在時間特性上要求嚴(yán)格的信號而言質(zhì)量則下降了。半采樣率的使用是在碼流中通過將每幀幀頭中的某一比特，即ID位置設(shè)為“0”來表示的。而且，可用碼率表也進(jìn)行了修改，以便在低碼率條件下提供更多的選擇，每個子帶可用的量化器也為適應(yīng)更高的頻率分辨率作了修改。
5、先進(jìn)音頻編碼（Advanced Audio Coding－AAC）
MPEG AAC（先進(jìn)音頻編碼）是于1997年成為ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)的（參見ISO/IEC 13818）。AAC是以新建立的MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)中的時域到頻域映射的編碼算法組成的。AAC從提高效率的角度出發(fā)，放棄了與原MPEG-1解碼器的后向兼容性，這也是該算法在開始時被稱為NBC的原因。
5.1 AAC的主要特點
AAC可以支持1到48路之間任意數(shù)目的音頻聲道組合、包括15路低頻效果聲道、配音/多語聲聲道，以及15路數(shù)據(jù)。它可同時傳送16套節(jié)目，每套節(jié)目的音頻及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可任意規(guī)定。在碼率為64kbps/聲道的條件下，AAC可以提供很高的聲音質(zhì)量。
根據(jù)不同的應(yīng)用場合，AAC提供了三種類型（Profile）以供選擇，即主要類型（Main Profile）、低復(fù)雜度類型（Low Complexity Profile）、可放縮采樣率類型（Scaleable Sampling Rate, SSR  Profile）。因而其可應(yīng)用范圍很廣。
5.2 AAC算法結(jié)構(gòu)
為提高音頻編碼效率，AAC采用了許多先進(jìn)技術(shù)，如霍夫曼編碼、相關(guān)立體聲、聲道耦合、反向自適應(yīng)預(yù)測、時域噪聲整形、修正離散余弦變換（MDCT）、及混合濾波器組等。

其中，濾波器組與MPEG層III所采用的濾波器組相比，由于層III算法在對濾波器進(jìn)行選擇時考慮了兼容性問題，因而具有固有的結(jié)構(gòu)上的不足；而AAC則直接采用了MDCT變換濾波。同時，AAC增加了窗口長度，由1152點增至2048，使MDCT的性能優(yōu)于原來的濾波器組。
時域噪聲整形（TNS）技術(shù)是時域/頻域編碼中一項新穎的技術(shù)。它利用頻域的自適應(yīng)預(yù)測的結(jié)果來對時域中量化噪聲的分布進(jìn)行整形處理。通過采用TNS技術(shù)，可以使特殊環(huán)境下的話音信號質(zhì)量得到顯著的提高。
后向自適應(yīng)預(yù)測是一項在語音信號編碼系統(tǒng)領(lǐng)域建立起來的技術(shù)。它主要利用了某一特定形式的音頻信號易于預(yù)測的特點。
在量化過程中，通過對量化精度更為精細(xì)的控制，可以使給定的碼率得到更加有效的利用。在碼流復(fù)接時，通過對必須傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行熵編碼使冗余度降至最低。
通過以上各種編碼技術(shù)的運用以及采用一種可變的碼流結(jié)構(gòu)，使AAC編碼算法在得到大大優(yōu)化的同時， 也為將來進(jìn)一步提高編碼效率提供了可能性。
事實上，在AAC編碼的三種類型中，各種編碼技術(shù)的使用也是不同的，也就是說，三種類型的算法復(fù)雜度是不同的。這一不同考慮了編、解碼兩端的算法復(fù)雜度。例如，后向自適應(yīng)預(yù)測約占解碼運算量的45%左右，在LC和SSR類型中都沒有采用這一技術(shù)。另外，在LC類型中，TNS濾波器的長度被限制為12個系數(shù)，但仍保持了18 KHz帶寬；在SSR類型中，TNS也只使用12個系數(shù)，并且?guī)捪拗茷? KHz，同時該類型也沒有采用聲道耦合技術(shù)，在混合濾波器組的結(jié)構(gòu)及增益控制方面也與另兩種類型不同。
AAC可以在低數(shù)據(jù)率的情況下提供較高質(zhì)量的音頻信息，如每個聲道僅64kb/s時就會有比較好的性能。
AAC當(dāng)前的應(yīng)用主要用于日本的數(shù)字音頻廣播及美國的IBOC（帶內(nèi)同頻技術(shù)）。
6、 用于DTS的相干聲學(xué)編碼
DTS系統(tǒng)中采用的數(shù)字音頻壓縮算法——相干聲學(xué)編碼，主要目的就是用于提高民用音頻重放設(shè)備重放的音頻質(zhì)量的，其音頻重放質(zhì)量可以超越原有的如CD唱片的質(zhì)量。同時通過更多揚聲器的使用，使得聽眾可以感受到普通立體聲無法達(dá)到的聲音效果。因此總體目標(biāo)就是將聽眾真正的帶入專業(yè)的音響領(lǐng) 域及多聲道環(huán)繞聲的天地。
相干聲學(xué)編碼器是一種感知、優(yōu)化、差分子帶音頻編碼器，它使用了多種技術(shù)對音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。下面將分別對其進(jìn)行詳細(xì)的描述。從整體來看，編碼器與解碼器的實現(xiàn)是不對稱的。理論上編碼器可以設(shè)計的非常復(fù)雜，但實際上，編碼器

圖19 相干聲學(xué)解碼器流程圖
第二步是通過在每個子帶中傳輸?shù)妮o助信息指令，對子帶中的差分信號進(jìn)行反量化得到子帶PCM信號。這些通過反量化得到的子帶PCM信號再進(jìn)行反濾波處理，得到每個聲道的全頻帶的時域PCM信號。在解碼器中，沒有程序用于音頻質(zhì)量的調(diào)整。
在解碼器中包括一個可選的DSP功能模塊，這個模塊主要用于用戶的編程使用。它允許對單個聲道或全部聲道中子帶或是全頻帶PCM信號進(jìn)行處理。這些功能諸如上矩陣變換、下矩陣變換、動態(tài)范圍控制以及聲道之間的延時調(diào)整等。
6.3
DTS系統(tǒng)最早是用于電影應(yīng)用中的。在1993年的電影“Jurassic Park”（侏羅紀(jì)公園）中，沒有使用AC-3，而是使用了DTS多聲道數(shù)字音頻系統(tǒng)。DTS系統(tǒng)中的音頻數(shù)據(jù)是存儲在一張CD-ROM上的，取代了將聲音記錄在膠片上的方式，而是在膠片上記錄用于同步CD-ROM音頻信息的時間碼，通過電影膠片上的時間碼來同步播放CD-ROM。由于CD-ROM與電影膠片磁跡相比，具有更大的容量和更穩(wěn)定的可靠程度，因此它可以在4：1壓縮比的情況下提供質(zhì)量更高的多聲道音頻信息。對于AC-3來說，典型的壓縮比為12：1。隨著應(yīng)用的普及，DTS系統(tǒng)又提出一種低數(shù)據(jù)率版本，其參數(shù)規(guī)范如下：
音頻聲道的個數(shù)DTS=1——10.1
FsDTS=8——192kHz
RDTS=16——24bit
BDTS=32——6144kb/s
數(shù)據(jù)幀大小DTS=512樣本
在低數(shù)據(jù)率版本中，由0到24kHz的32個子帶的頻率，通過一個512抽頭的多相正交鏡象濾波器（PQMF）來實現(xiàn)從時域到頻域的映射。另外8個附加的子帶覆蓋了24kHz到48kHz之間頻率范圍，2個附加的子帶覆蓋了48 kHz到96 kHz之間的頻率范圍。為了進(jìn)一步減小冗余度，采用了前向自適應(yīng)線性預(yù)測，同時心理聲學(xué)模型用來對信號進(jìn)行預(yù)測，在量化過程中使用了標(biāo)度量化和矢量量化。
DTS的大多數(shù)應(yīng)用都是采用相對較小的壓縮比、工作在幾乎無損情況的模式下的。一般來說，數(shù)據(jù)率在1Mb/s的情況下，DTS可以提供較好質(zhì)量的音頻。DTS的應(yīng)用也主要是在電影、CD及DVD視頻中。另外，DTS所具有的可變比特率編碼方式使得它同樣可以應(yīng)用于DAB及DVD的廣播中。
7、
數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)的