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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
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ18
六、音频压缩 心理声学模型
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）
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
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
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
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
集成电路系统和芯片设计
王国裕 wanggyb@163.com
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。
——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
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
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
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
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
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
——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
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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
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ18
六、音频压缩 心理声学模型
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）
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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
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
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
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
集成电路系统和芯片设计
王国裕 wanggyb@163.com
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。
——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
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
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
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
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
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
——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