集成电路系统和芯片设计
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利用FFT的输出值，计算出32个子带的信号-掩蔽比率 （SMR） ，用以比特分配
SMR=子带声压级(dB)-子带掩蔽域值（dB) 子带的声压级——子带的最大信强度。 子带掩蔽域值=绝对掩蔽域值+单独掩蔽域值 单独掩蔽域值=有调掩蔽成份对子带的掩蔽域值+
无调掩蔽成份对子带的掩蔽域值 有调掩蔽成份类似正弦波，无调掩蔽成份类似噪声
除数：生成多项式所对应的二进制数 即：11001
检测过程：除法运算
101 1001 1010
除法次数
110 01
1
11 1101 1010
11 001
2
1111 1010
1100 1
3
11 0010
11 001
4
0
接收到的数据能够被生成多项式整除，说明所接收到的数据是正确的。
35
接收数据错误进行纠错
▪ 数字调制: 就是将数字符号转换为与信道特性相匹配的波形的过程;
后掩蔽
时间
15
六、音频压缩
动态比特分配
分配原则：使量化噪声尽可能处于掩蔽曲线以下
16
六、音频压缩 快速傅里叶变换FFT
将PCM信号通过滤波器组转换到32个子带 将宽带时域信号分为512个子带,补偿分析子带滤波
器频率分辨率不足 既有足够的时间分辨率,又有足够的频率分辨率 足够高的频率分辨率可以实现尽可能低的数据率 足够高的时间分辨率可以确保在短暂冲击声音信号
——Layer1
——Layer2, MUSICAM Masking Pattern adapted
Universal Subband Intergrated Coding And Multiplexing
——Layer3, MP3
MPEG2 MPEG2 BC: 支持多声道声音形式; 低采样率扩展 MPEG2 AAC Advanced Audio Coding 高分辨率滤波器组、预测技术、霍夫曼编码
19
六、音频压缩
MPEG标准
MPEG1
Motion Picture Experts Group
——Layer1
——Layer2, MUSICAM Masking Pattern adapted
Universal Subband Intergrated Coding And Multiplexing
30
CRC算法
▪ 原始数据为k位，即信息
位k位，M（X）
▪ 产生的校验位CRC码R(X) 为r位，则多项式G(X)为
Xr *M(X)
R(X )
Q(X )
G(X )
G(X )
r+1位（总是比校验位多
一位）
X r * M (X ) R(X ) Q(X )*G(X )
▪ 运算采用的是模2相加的
方法
5 10
20
f [KHz]
12
六、音频压缩 临界频带
声压 （dB
）
SMR
SN R
掩蔽音
掩蔽阈值曲线
临界频带内 最小掩蔽阈值
MN
R mbit量化器
的噪声电平
临界频带
邻近频带 频率（Hz）
13
六、音频压缩
滤波器组的带宽与临界频带带宽的比较
六、音频压缩 时间掩蔽效应
掩蔽音
声 前掩蔽 同期掩蔽 压 级
集成电路系统和芯片设计
1
六、音频压缩
1、概述 2、心理声学模型 3、数字声音压缩原理 4、快速傅里叶变换FFT 5、动态比特分配 6、音频压缩标准
2
胡锦涛给青年提5希望：敢于吃苦不怨天尤人
青年要干成一番事业，就必须不畏艰难、矢志奋斗。 广大青年一定要牢记“忧劳兴国、逸豫亡身”的道理， 敢于吃苦、勇挑重担，不怨天尤人、不贪图安逸，依 靠自己的辛勤努力开辟人生和事业的前进道路；一定 要牢记“天下大事、必作于细”的道理，从小事做起、 从基础做起，不沉湎幻想、不好高骛远，用埋头苦干 的行动创造实实在在的业绩；一定要牢记“艰难困苦、 玉汝于成”的道理，迎难而上、百折不挠，不畏惧挫 折、不彷徨退缩，在千磨万击中历练人生、收获成功。
3
三、H264/AVC编码器
Fn 当前
ME
F'n-1 参考
帧内预 测选择
F'n
滤
重建
波
+ Dn T -
帧间
MC P
帧内 预测 帧内
+ D'n T-1
uF'n +
X
NAL
Q
重排序 熵编码
Q-1
4
四、H264/AVC解码器
帧间
F'n-1
MC
参考
P
帧内
预测 帧内
F'n
滤
重建
波
+ T-1
uF'n +
X
Q-1
除法次数
110 01
1
11 1101 0000
11 001
2
1111 0000
1100 1
3
11 1000
11 001
4
1010
由以上计算得该数据的4位CRC校验位为： 1010
所以发送端发送该数据时的码字为：101 1001 1010
34
接收端检测收到的数据
被除数：接收端收到的数据为：101 1001 1010
如果接收到数据为：101 1011 1010 检测过程：
101 1011 1010 110 01
11 1111 1010 11 001
1101 1010 1100 1
1 0010 1 1001
1011
接收到的数据不能被生成多项式整除，说明所接收到的数据是错误的根据所得
余数1011查生成多项式11001出错位表便可以知道是第6位出错了，只要将该出
错位取反便可以得到正确数据：101 1001 1010
36
生成多项式11001出错位表
余数
1 100 1001 1111 1110 1010
出错位
第一位 第三位 第五位 第七位 第九位 第十一位
余数
10 1000 1011 111 101 11
出错位
第二位 第四位 第六位 第八位 第十位 第一、二位
▪ 首先由发送端计算出CRC校验码，得到所要传送 的码字，然后在接收端检测接收到的数据是否正 确，若有错误则根据出错位表进行纠错。
33
发送端求解CRC
被除数：数据左移4位 即：101 1001 0000
除数：生成多项式所对应的二进制数 即：11001
求解过程：除法求余数，即模2加（逻辑异或）
101 1001 0000
MPEG-4 AAC LD
低延迟（Low Delay）
MPEG-4 HE AAC
高效率（High Efficiency）
MPEG-4 HE AAC V2 高效率版本2（High Efficiency V2）
23
六、音频压缩
MPEG标准
MPEG-4 AAC LC
应用最多
降低复杂度，提高了编码效率，较高的声音质量
声音信号中的“不相关”部分
——人耳对信号的幅度、频率、时间具有有限分辨力 感知编码（Perceptual Coding） 音频编码的主流方向
8
六、音频压缩
波形编码 子带编码 变换编码 参数编码
编解码方法
9
六、音频压缩
MPEG标准
MPEG1
Motion Picture Experts Group
重排序
NAL
熵编码
5
六、音频压缩
1、概述 2、心理声学模型 3、数字声音压缩原理 4、快速傅里叶变换FFT 5、动态比特分配 6、音频压缩标准
6
六、音频压缩
1、概述
声音压缩的可能性 编解码方法 MPEG标准
7
六、音频压缩
声音压缩的可能性
声音信号中的“冗余”部分
——幅度非均匀分布，小幅度样值出现概率高 ——样值间的相关性，取样频率越高，相关性越大 ——周期间的相关性，特定瞬间只存在少数频率分量
的情况下，编码的声音信号也有足够高的质量
17
六、音频压缩 MUSICAM编码器原理框图
P CM信号 滤波器组 32个子带
块形成ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
线形 量化器
比例因 子提取
比例因 子选择
比例因子 选择信息
辅助信 息编码
编码 音频 信号
FFT 1024点
心理声 学模型
动态比 特分配
附加数据
比特率
18
六、音频压缩 心理声学模型
1、信道编码又称差错控制编码 2、信源编码后的信号必需信道编码后才能传送 3、信道编码: 在信源编码后的数据流中, 人为地加进冗余信息, 使得接收端可以识别和纠正传输差错
25
七、信道编码与差错控制
传输差错分类
随机差错 突发差错
差错 控制编码分类
检错码 - -识别和纠正传输差错 纠错码 - -纠正传输差错
——Layer3, MP3
MPEG2 MPEG2 BC: 支持多声道声音形式; 低采样率扩展 MPEG2 AAC Advanced Audio Coding 高分辨率滤波器组、预测技术、霍夫曼编码
20
六、 音频压缩
AAC编码 流程
听觉系统 感知模型
前一 帧的 量化 频谱
迭代环
数码率 失真
控制处 理
31
生成多项式要求
1.生成多项式的最高位和最低为必须为1 2.当信息任何一位发生错误时，被生成多项式模2
运算后使余数不为0 3.不同位发生错误时，应该使余数不同 4.对余数继续做模2除，应使余数循环
32
应用举例
▪ 设待发送的数据m（x）为7位的二进制数据 101 1001；
▪ CRC-4的生成多项式为g（x）=x4+x3+1，阶数r 为4，即11001
输入信号
增益控制
分析滤波器组
TNS编码
IS编码
预测 PNS编码 M/S编码 比例因子
比
特
频 域
流 格 音频码流 式
处化
理
量化器
Huffman编码
21
六、音频压缩
MPEG标准
MPEG4
最新一代的国际音视频编码标准 最先进的音视频压缩编码方法， 具有高度的灵活性和可扩展性。 存储和广播等用途为主，MPEG4则增加了通信用途
MPEG-4 HE AAC
增加频带复制SBR （Spectral Band Replication） 高频部分则通过高质量的变换算法从低频部分重建
MPEG-4 HE AAC V2
增加了参数立体声PS (Parametric Stereo) 借助立体声参数在单声道信号上合成重建立体声信号
24
七、信道编码与差错控制
频率交织 时间交织
41
关于纠错码的学习
▪ 纠错码的基本思想
Why and how
▪ 纠错的基本过程
工程应用, not 数学研究
▪ 相关标准的定义和限制
42
八、信号传输
1、传输方式:
有线, 网络, 介质, 无线, 广播
2、无线传输
调制和数字调制
3、数字调制的基本方法
43
数字调制概述
▪ 调制：通过调制信号来影响(控制)载波信号的参数(振幅/频率或相位)；借 助载波信号将基带信号携带到高频范围；
38
CRC的应用限制性
▪ 多位出错的检测限制 ▪ 纠错的限制 ▪ CRC检错不纠错
39
▪ Viterbi ▪ Fire ▪ RS
其它纠错码
40
七、信道编码与差错控制
低密度奇偶校验（LDPC）码
性能最优，接近于很多信道的香农极限， 具有低复杂度的解码算法， 具有并行的解码结构适合于硬件现
交织技术
音频编码分为自然音频编码和合成音频编 码两大类 AAC是构成时/频编解码器的一个主要算法
22
六、音频压缩
MPEG标准
层次
规格
MPEG-4 AAC Main 主层次
MPEG-4 AAC LC
低复杂度（Low Complexity）
MPEG-4 AAC SSR MPEG-4 AAC LTP
可变采样率 （Scalable Sampling Rate） 长时预测（Long Term Prediction）
26
七、信道编码与差错控制
奇偶校验, CRC, fire Viterbi, RS LDPC
27
七、信号处理和传输
纠错
香农(Shannon) 第二定理
当消息传输率低于信道容量时，可以通过某种 编译码方法，使错误概率为任意小
信息系统传输模型
28
七、信号处理和传输 奇偶校验
奇偶校验
A. 1000110101001
37
国际标准化的四种CRC码
CRC码
生成多项式
CRC-12
X 12 X 11 X 3 X 2 X 1
CRC-16 CRC-CITT CRC-32
X 16 X 15 X 2 1
X 16 X 12 X 5 1
X 32 X 26 X 23 X 22 X 16 X 12 X 11 X 10 X8 X 7 X 5 X 4 X 2 X 1
0
B. 1000100101001
1
C. 1000101101001
0
29
CRC校验
▪ CRC校验的基本思想是利用线形编码理论，在发 送端根据要发送的k位二进制码序列，以一定的 规则产生一个校验用的监督码（即CRC码）r位， 并附在信息后面，构成一个新的二进制码序列共 （k+r）位，最后发送出去。在接收端，根据信息 码和CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定 传送中是否出错
10
六、音频压缩
频率掩蔽效应
心理声学模型
时间掩蔽效应 ——前期掩蔽 ，同期掩蔽 ，后期掩蔽
子带编码 ——使各子带的量化噪声尽量处于掩蔽阈值以下
11
六、音频压缩
频率掩蔽效应
80 dB
60
1KHz单频音
掩蔽阈值
40
不能听到的 声音
声 20 压 级
0
绝对掩蔽阈值
0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2
SMR=子带声压级(dB)-子带掩蔽域值（dB) 子带的声压级——子带的最大信强度。 子带掩蔽域值=绝对掩蔽域值+单独掩蔽域值 单独掩蔽域值=有调掩蔽成份对子带的掩蔽域值+
无调掩蔽成份对子带的掩蔽域值 有调掩蔽成份类似正弦波，无调掩蔽成份类似噪声
除数：生成多项式所对应的二进制数 即：11001
检测过程：除法运算
101 1001 1010
除法次数
110 01
1
11 1101 1010
11 001
2
1111 1010
1100 1
3
11 0010
11 001
4
0
接收到的数据能够被生成多项式整除，说明所接收到的数据是正确的。
35
接收数据错误进行纠错
▪ 数字调制: 就是将数字符号转换为与信道特性相匹配的波形的过程;
后掩蔽
时间
15
六、音频压缩
动态比特分配
分配原则：使量化噪声尽可能处于掩蔽曲线以下
16
六、音频压缩 快速傅里叶变换FFT
将PCM信号通过滤波器组转换到32个子带 将宽带时域信号分为512个子带,补偿分析子带滤波
器频率分辨率不足 既有足够的时间分辨率,又有足够的频率分辨率 足够高的频率分辨率可以实现尽可能低的数据率 足够高的时间分辨率可以确保在短暂冲击声音信号
——Layer1
——Layer2, MUSICAM Masking Pattern adapted
Universal Subband Intergrated Coding And Multiplexing
——Layer3, MP3
MPEG2 MPEG2 BC: 支持多声道声音形式; 低采样率扩展 MPEG2 AAC Advanced Audio Coding 高分辨率滤波器组、预测技术、霍夫曼编码
19
六、音频压缩
MPEG标准
MPEG1
Motion Picture Experts Group
——Layer1
——Layer2, MUSICAM Masking Pattern adapted
Universal Subband Intergrated Coding And Multiplexing
30
CRC算法
▪ 原始数据为k位，即信息
位k位，M（X）
▪ 产生的校验位CRC码R(X) 为r位，则多项式G(X)为
Xr *M(X)
R(X )
Q(X )
G(X )
G(X )
r+1位（总是比校验位多
一位）
X r * M (X ) R(X ) Q(X )*G(X )
▪ 运算采用的是模2相加的
方法
5 10
20
f [KHz]
12
六、音频压缩 临界频带
声压 （dB
）
SMR
SN R
掩蔽音
掩蔽阈值曲线
临界频带内 最小掩蔽阈值
MN
R mbit量化器
的噪声电平
临界频带
邻近频带 频率（Hz）
13
六、音频压缩
滤波器组的带宽与临界频带带宽的比较
六、音频压缩 时间掩蔽效应
掩蔽音
声 前掩蔽 同期掩蔽 压 级
集成电路系统和芯片设计
1
六、音频压缩
1、概述 2、心理声学模型 3、数字声音压缩原理 4、快速傅里叶变换FFT 5、动态比特分配 6、音频压缩标准
2
胡锦涛给青年提5希望：敢于吃苦不怨天尤人
青年要干成一番事业，就必须不畏艰难、矢志奋斗。 广大青年一定要牢记“忧劳兴国、逸豫亡身”的道理， 敢于吃苦、勇挑重担，不怨天尤人、不贪图安逸，依 靠自己的辛勤努力开辟人生和事业的前进道路；一定 要牢记“天下大事、必作于细”的道理，从小事做起、 从基础做起，不沉湎幻想、不好高骛远，用埋头苦干 的行动创造实实在在的业绩；一定要牢记“艰难困苦、 玉汝于成”的道理，迎难而上、百折不挠，不畏惧挫 折、不彷徨退缩，在千磨万击中历练人生、收获成功。
3
三、H264/AVC编码器
Fn 当前
ME
F'n-1 参考
帧内预 测选择
F'n
滤
重建
波
+ Dn T -
帧间
MC P
帧内 预测 帧内
+ D'n T-1
uF'n +
X
NAL
Q
重排序 熵编码
Q-1
4
四、H264/AVC解码器
帧间
F'n-1
MC
参考
P
帧内
预测 帧内
F'n
滤
重建
波
+ T-1
uF'n +
X
Q-1
除法次数
110 01
1
11 1101 0000
11 001
2
1111 0000
1100 1
3
11 1000
11 001
4
1010
由以上计算得该数据的4位CRC校验位为： 1010
所以发送端发送该数据时的码字为：101 1001 1010
34
接收端检测收到的数据
被除数：接收端收到的数据为：101 1001 1010
如果接收到数据为：101 1011 1010 检测过程：
101 1011 1010 110 01
11 1111 1010 11 001
1101 1010 1100 1
1 0010 1 1001
1011
接收到的数据不能被生成多项式整除，说明所接收到的数据是错误的根据所得
余数1011查生成多项式11001出错位表便可以知道是第6位出错了，只要将该出
错位取反便可以得到正确数据：101 1001 1010
36
生成多项式11001出错位表
余数
1 100 1001 1111 1110 1010
出错位
第一位 第三位 第五位 第七位 第九位 第十一位
余数
10 1000 1011 111 101 11
出错位
第二位 第四位 第六位 第八位 第十位 第一、二位
▪ 首先由发送端计算出CRC校验码，得到所要传送 的码字，然后在接收端检测接收到的数据是否正 确，若有错误则根据出错位表进行纠错。
33
发送端求解CRC
被除数：数据左移4位 即：101 1001 0000
除数：生成多项式所对应的二进制数 即：11001
求解过程：除法求余数，即模2加（逻辑异或）
101 1001 0000
MPEG-4 AAC LD
低延迟（Low Delay）
MPEG-4 HE AAC
高效率（High Efficiency）
MPEG-4 HE AAC V2 高效率版本2（High Efficiency V2）
23
六、音频压缩
MPEG标准
MPEG-4 AAC LC
应用最多
降低复杂度，提高了编码效率，较高的声音质量
声音信号中的“不相关”部分
——人耳对信号的幅度、频率、时间具有有限分辨力 感知编码（Perceptual Coding） 音频编码的主流方向
8
六、音频压缩
波形编码 子带编码 变换编码 参数编码
编解码方法
9
六、音频压缩
MPEG标准
MPEG1
Motion Picture Experts Group
重排序
NAL
熵编码
5
六、音频压缩
1、概述 2、心理声学模型 3、数字声音压缩原理 4、快速傅里叶变换FFT 5、动态比特分配 6、音频压缩标准
6
六、音频压缩
1、概述
声音压缩的可能性 编解码方法 MPEG标准
7
六、音频压缩
声音压缩的可能性
声音信号中的“冗余”部分
——幅度非均匀分布，小幅度样值出现概率高 ——样值间的相关性，取样频率越高，相关性越大 ——周期间的相关性，特定瞬间只存在少数频率分量
的情况下，编码的声音信号也有足够高的质量
17
六、音频压缩 MUSICAM编码器原理框图
P CM信号 滤波器组 32个子带
块形成ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
线形 量化器
比例因 子提取
比例因 子选择
比例因子 选择信息
辅助信 息编码
编码 音频 信号
FFT 1024点
心理声 学模型
动态比 特分配
附加数据
比特率
18
六、音频压缩 心理声学模型
1、信道编码又称差错控制编码 2、信源编码后的信号必需信道编码后才能传送 3、信道编码: 在信源编码后的数据流中, 人为地加进冗余信息, 使得接收端可以识别和纠正传输差错
25
七、信道编码与差错控制
传输差错分类
随机差错 突发差错
差错 控制编码分类
检错码 - -识别和纠正传输差错 纠错码 - -纠正传输差错
——Layer3, MP3
MPEG2 MPEG2 BC: 支持多声道声音形式; 低采样率扩展 MPEG2 AAC Advanced Audio Coding 高分辨率滤波器组、预测技术、霍夫曼编码
20
六、 音频压缩
AAC编码 流程
听觉系统 感知模型
前一 帧的 量化 频谱
迭代环
数码率 失真
控制处 理
31
生成多项式要求
1.生成多项式的最高位和最低为必须为1 2.当信息任何一位发生错误时，被生成多项式模2
运算后使余数不为0 3.不同位发生错误时，应该使余数不同 4.对余数继续做模2除，应使余数循环
32
应用举例
▪ 设待发送的数据m（x）为7位的二进制数据 101 1001；
▪ CRC-4的生成多项式为g（x）=x4+x3+1，阶数r 为4，即11001
输入信号
增益控制
分析滤波器组
TNS编码
IS编码
预测 PNS编码 M/S编码 比例因子
比
特
频 域
流 格 音频码流 式
处化
理
量化器
Huffman编码
21
六、音频压缩
MPEG标准
MPEG4
最新一代的国际音视频编码标准 最先进的音视频压缩编码方法， 具有高度的灵活性和可扩展性。 存储和广播等用途为主，MPEG4则增加了通信用途
MPEG-4 HE AAC
增加频带复制SBR （Spectral Band Replication） 高频部分则通过高质量的变换算法从低频部分重建
MPEG-4 HE AAC V2
增加了参数立体声PS (Parametric Stereo) 借助立体声参数在单声道信号上合成重建立体声信号
24
七、信道编码与差错控制
频率交织 时间交织
41
关于纠错码的学习
▪ 纠错码的基本思想
Why and how
▪ 纠错的基本过程
工程应用, not 数学研究
▪ 相关标准的定义和限制
42
八、信号传输
1、传输方式:
有线, 网络, 介质, 无线, 广播
2、无线传输
调制和数字调制
3、数字调制的基本方法
43
数字调制概述
▪ 调制：通过调制信号来影响(控制)载波信号的参数(振幅/频率或相位)；借 助载波信号将基带信号携带到高频范围；
38
CRC的应用限制性
▪ 多位出错的检测限制 ▪ 纠错的限制 ▪ CRC检错不纠错
39
▪ Viterbi ▪ Fire ▪ RS
其它纠错码
40
七、信道编码与差错控制
低密度奇偶校验（LDPC）码
性能最优，接近于很多信道的香农极限， 具有低复杂度的解码算法， 具有并行的解码结构适合于硬件现
交织技术
音频编码分为自然音频编码和合成音频编 码两大类 AAC是构成时/频编解码器的一个主要算法
22
六、音频压缩
MPEG标准
层次
规格
MPEG-4 AAC Main 主层次
MPEG-4 AAC LC
低复杂度（Low Complexity）
MPEG-4 AAC SSR MPEG-4 AAC LTP
可变采样率 （Scalable Sampling Rate） 长时预测（Long Term Prediction）
26
七、信道编码与差错控制
奇偶校验, CRC, fire Viterbi, RS LDPC
27
七、信号处理和传输
纠错
香农(Shannon) 第二定理
当消息传输率低于信道容量时，可以通过某种 编译码方法，使错误概率为任意小
信息系统传输模型
28
七、信号处理和传输 奇偶校验
奇偶校验
A. 1000110101001
37
国际标准化的四种CRC码
CRC码
生成多项式
CRC-12
X 12 X 11 X 3 X 2 X 1
CRC-16 CRC-CITT CRC-32
X 16 X 15 X 2 1
X 16 X 12 X 5 1
X 32 X 26 X 23 X 22 X 16 X 12 X 11 X 10 X8 X 7 X 5 X 4 X 2 X 1
0
B. 1000100101001
1
C. 1000101101001
0
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CRC校验
▪ CRC校验的基本思想是利用线形编码理论，在发 送端根据要发送的k位二进制码序列，以一定的 规则产生一个校验用的监督码（即CRC码）r位， 并附在信息后面，构成一个新的二进制码序列共 （k+r）位，最后发送出去。在接收端，根据信息 码和CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定 传送中是否出错
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六、音频压缩
频率掩蔽效应
心理声学模型
时间掩蔽效应 ——前期掩蔽 ，同期掩蔽 ，后期掩蔽
子带编码 ——使各子带的量化噪声尽量处于掩蔽阈值以下
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六、音频压缩
频率掩蔽效应
80 dB
60
1KHz单频音
掩蔽阈值
40
不能听到的 声音
声 20 压 级
0
绝对掩蔽阈值
0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2