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數字音頻信號壓縮技術的兩大操作方案

　　音頻信號經數字化編碼后，面臨的難題是海量數據存儲與傳輸的問題。數字音頻信號的壓縮技術是數字電視廣播系統中非常重要的一個環節。壓縮效率和壓縮質量直接影響著數字電視廣播的傳輸效率和音視頻的傳輸質量。本文主要對數字音頻壓縮技術做了淺要的分析。
　　相比模擬信號，數字信號具有很明顯的優勢，但數字信號也有自身相應的缺點，即對存儲容量需求以及對傳輸時信道容量要求的增加。音頻壓縮技術指的是對原始數字音頻信號流(PCM編碼)運用適當的數字信號處理技術，在不損失有用信息量，或所引入損失可忽略的條件下，降低(壓縮)其碼率，也稱為壓縮編碼。它必須具有相應的逆變換，稱為解壓縮或解碼。一般來講，可以將音頻壓縮技術分為無損數據壓縮及有損數據壓縮兩大類。
　　無 損 數 據 壓 縮
　　使用無損壓縮方案可以在解壓縮后逐位恢復原始數據信息。他們通過預測過去樣本中的值，消除存在于音頻信號中的統計冗余。可以實現小壓縮比，大約2：1，取決于原始音頻信號的復雜性。時域預測編碼技術使無損壓縮成為可行，要歸功于時域預測碼技術。他們是：
　　1.差分算法
　　音頻信號包含重復的聲音，還有大量的冗余和感知的不相關聲音。重復的數據信息在編碼過程中被刪除，在解碼時又被重新引入。音頻信號首先分解為若干包含離散音調的子頻帶。然后使用合適于短期定期信號的預測器應用DPCM。這種編碼是自適應的，它查看輸入信號能量以修改量化步長。這就引出了所謂的自適應DPCM(ADPCM)。
　　2.熵編碼器
　　利用量化子頻帶系數表示形式中的冗余來提高熵編碼效率。這些系數以逐漸增加的頻率順序發送，在低頻產生較大的值，在高頻產生較小后接近零值的長行程。VLC取自與低頻值和高頻值的統計一致的不同的哈夫曼表。
　　3.塊浮點系統
　　來自A/D轉換過程的二進制值分組為數據塊，要么是在時域內，通過在A/D轉換傳輸出端采用相鄰的樣本;要么是在頻域內，通過在FDCT輸出端采用相鄰的頻率系數。然后數據塊中的二進制值按比例增大，以使的值僅低于換算值。該換算因子稱為指數，對塊中所有的值都通用。
　　因此，每個值都可用一個尾數(一個樣本值)和指示正數決定。位分配計算從HAS模型派生，實現數據速率壓縮的方法是每個數據塊發送一次指數值。編碼性能很好，但噪音與信號內容有關。屏蔽技術有助于減少這種聽得見的噪音。
　　有 損 數 據 壓 縮
　　實現有損數據壓縮的方法是，將兩個或更多的處理技術相結合，以利用HAS的無法檢測到其他高振幅中的特定頻譜分量這一特性。這樣一來，就可以獲得數據壓縮方案和從2：1到20：1的高得多的壓縮比，具體取決于編碼/解碼過程的復雜性和音頻質量要求。
　　有損數據壓縮系統使用感知編碼技術。基本原理是，放棄低于閾值曲線的所有信號以消除音頻信號中的感知冗余。因此，這些有損數據壓縮系統還稱為感知無損。感知無損壓縮之所以可行，歸功于若干技術的結合，如：
　　1.信號分量的時間和頻域屏蔽。
　　2.量化每個可聽得見的音調的噪音屏蔽
　　通過分配足夠的位，確保量化噪音級別總是低于屏蔽曲線。在接近聽得見的信號的頻率下，20或30DB的SNR是可以接受的。
　　3.聯合編碼
　　該技術利用了多通道音頻系統中的冗余。已發現在所有通道中存在大量的相同數據。因此，通過一次編碼這些相同的數據可以得到數據壓縮，并向指示在其他通道中必須重復這些數據。
　　音頻解碼過程的實現
　　重要的屏蔽效果出現在頻域內。為了利用該屬性，音頻信號頻譜按照與HAS臨界帶寬匹配的時間和頻率分辨率分解為多個子頻帶。
　　感知編碼器的結構，由以下幾個部分組成：
　　1.多帶濾波器
　　通常稱為濾波器組，其作用是將頻譜分解為子頻帶。
　　2.比特分配器
　　用于估算屏蔽閾值并以音頻信號頻譜能量和心理學模型為依據來分配比特。
　　3.換算和量化處理器
　　4.數據復用器
　　用于接收已量化的數據和添加解碼過程的副信息(位分配和換算因子信息)。
　　3.1 濾波器組 （有三種類型的濾波器組）
　　（1）子頻帶組。信號頻譜被分為等寬頻率子頻帶。這類似于頻率分析的HAS過程，后者將音頻頻譜分為臨界頻帶。臨界子頻帶的寬度可變。低于500Hz的帶寬為100Hz，在10KHz，在10KHz以上的帶寬增加到幾KHz。低于500H在的子頻帶包含若干臨界頻帶。子頻帶濾波器有小重疊，通常用于相鄰時間樣本。每個子頻帶信號然后用該子頻帶的位分配統一量化，以保持正的屏蔽噪音比（MNR）。當屏蔽曲線在噪音曲線之上時，該比率為正。
　　（2）轉換組。已修改的DCT（MDCT）算法通常用于將時域音頻信號轉換為大量的子頻帶（256到1024）。這種濾波器組中也存在一些重疊。
　　（3）混合濾波器組。它們由子頻帶濾波器后跟MDCT濾波器組成。這種組合提供了更精細的頻率分辨率。
　　3.2 感知模型、屏蔽曲線和位分配
　　輸入PCM信號的心理學分析是就其頻率和能量內容執行的，使用的工具是快速傅里葉變換的算法。從聽力閾值和HAS的頻率屏蔽屬性計算出屏蔽曲線。該屏蔽曲線的形狀和級別與信號內容有關。頻譜信號封裝與屏蔽曲線的差值確定了編碼音頻信號的所有頻譜分量所需要的比特數（以每位6dB為基礎）。這種比特分配過程確保了量化噪音低于聽得見得閾值。
　　從屏蔽曲線中導出了每個子頻帶的屏蔽閾值。每個閾值確定了每個子頻帶中可以接受的量化噪音能量，在閾值處于對于感知無損壓縮系統噪音開始能夠聽見。
　　3.3 換算器和量化器
　　來自每個子頻帶濾波器輸出樣本通過兩種方法換算和量化：
　　（1）塊浮點系統。該系統將數據塊中的值標準化為換算值。此塊換算因子在數據流內傳輸，使用它向下換算塊中的所有數據值。在MPEG層中，數據塊由12個連續樣本組成音頻時間由384個樣本組成（32個子頻帶，每個子頻帶12個樣本）。所有數據塊的值然后被量化量化步長值由比特分配器來確定。
　　（2）噪音分配和標量量化。前面方法中，每個子頻帶有不同的換算因子。
　　第2種方法對于具有大約臨界帶寬的幾個頻帶采用相同的換算因子。此換算因子的值不從標準過程中導出，而是噪音分配過程的一部分。這里不執行位分配。估算每個子頻帶屏蔽閾值后，用換算因子來修改換算因子頻帶中所有的量化步長值，以便修改量化噪音結構，更好地與閾值的頻率線相匹配。不統一的量化處理用于使量化噪音以優化的方式與信號幅度相適應。接下來是用哈夫曼編碼對音頻頻譜值進行編碼，并得到更好的數據壓縮。
　　3.4 數據多路復用器
　　來自每個量化器輸出的12個數據樣本的塊與其他相應的換算因子及比特分配信息多路復用，以形成已編碼位流中的音頻幀。也可以將可選的輔助數據插入到該位流中。MPEG標準沒有能夠傳輸的數據類型以及這些數據類型在位流中的格式化方式。

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