音頻編碼和解碼原理

每張CD光盤(pán)重放雙聲道立體聲信號(hào)可達(dá)74分鐘。VCD視盤(pán)機(jī)要同時(shí)重放聲音和圖像，圖像信號(hào)數(shù)據(jù)需要壓縮，其伴音信號(hào)數(shù)據(jù)也要壓縮，否則伴音信號(hào)難于存儲(chǔ)到VCD光盤(pán)中。

一、伴音壓縮

在接收端實(shí)現(xiàn)發(fā)送端的逆過(guò)程。輸入子帶編碼數(shù)據(jù)流，將各子帶信號(hào)分別送到相應(yīng)的數(shù)字解碼電路(共m個(gè))進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，經(jīng)過(guò)諸路低通濾波器(m路)，并重新解調(diào)，可把各子帶頻域恢復(fù)為當(dāng)初原始信號(hào)的分布狀態(tài)。最后，將各路子帶輸出信號(hào)送到同步相加器，經(jīng)過(guò)相加恢復(fù)為原始信號(hào)，該恢復(fù)的信號(hào)與原始信號(hào)十分相似。
(2)子帶編碼的應(yīng)用
子帶編碼技術(shù)具有突出的優(yōu)點(diǎn)。首先，聲音頻譜各頻率分量的幅度值各不相同，若對(duì)不同子帶分配以合適的比例系數(shù)，可以更合理地分別控制各子帶的量化電平數(shù)目和相應(yīng)的重建誤差，使碼率更精確地與各子帶的信號(hào)源特性相匹配。通常，在低頻基音附近，采用較大的比特?cái)?shù)目來(lái)表示取樣值，而在高頻段則可分配以較小的編碼比特。其次，通過(guò)合理分配不同子帶的比特?cái)?shù)，可控制總的重建誤差頻譜形狀，通過(guò)與聲學(xué)心理模型相結(jié)合，可將噪聲頻譜按人耳主觀噪聲感知特性來(lái)形成。于是，利用人耳聽(tīng)覺(jué)掩蔽效應(yīng)可節(jié)省大量比特?cái)?shù)。
在采用子帶編碼時(shí)，利用了聽(tīng)覺(jué)的掩蔽效應(yīng)進(jìn)行處理。它對(duì)一些子帶信號(hào)予以刪除或大量減少比特?cái)?shù)目，可明顯壓縮傳輸數(shù)據(jù)總量。比如，不存在信號(hào)頻率分量的子帶，被噪聲掩蔽的信號(hào)頻率的子帶，被鄰近強(qiáng)信號(hào)掩蔽的信號(hào)頻率分量子帶等，都可進(jìn)行刪除處理。另外，全系統(tǒng)的傳輸信息量與信號(hào)的頻帶范圍、動(dòng)態(tài)范圍等均有關(guān)系，而動(dòng)態(tài)范圍則決定于量化比特?cái)?shù)，若對(duì)信號(hào)引入合理的比特?cái)?shù)，可使不同子帶內(nèi)按需要給以不同的比特?cái)?shù)，也可壓縮其信息量。

二、MPEG-1音頻編碼方框圖

1、MPEG-1音頻編碼的依據(jù)
MPEG-1音頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)采用了心理學(xué)算法。利用感知模型刪去那些聽(tīng)覺(jué)不靈敏的聲音數(shù)據(jù)，而使重建的聲音質(zhì)量無(wú)明顯下降。它采用子帶編碼技術(shù)，根據(jù)心理聲學(xué)模型取得不同子帶的聽(tīng)覺(jué)掩蔽閾值；對(duì)各子帶的取樣值進(jìn)行動(dòng)態(tài)量化。它根據(jù)不同頻段上大音量信號(hào)所引起的小音量信號(hào)掩蔽閾值的變化規(guī)律，對(duì)不同頻段給以不同的量化步長(zhǎng)，以便保留主要信號(hào)，而舍棄對(duì)聽(tīng)覺(jué)效果影響很小的成分，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)壓縮，可取得合理的比特流，將原來(lái)大約1.5Mbit/s的聲音傳輸碼率減少到0.3Mbit/s，即壓縮率可達(dá)到1/5。

2、編碼流程
圖2.3.2是基于MUSICAM(掩蔽模式通用子帶編碼和多路復(fù)用)的MPEG-1音頻壓縮編碼方框圖。輸入信號(hào)是經(jīng)過(guò)取樣的二進(jìn)制PCM數(shù)字音頻信號(hào)，取樣頻率可以取44.1KHz、48KHz或32KHz，該音頻數(shù)碼信號(hào)的碼值與原來(lái)采樣信號(hào)的幅度、頻率成正比。