集成电路系统和芯片设计.ppt
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集成电路制造工艺课件——芯片制造流程课件PPT
离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。 选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差
• 反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称为 RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学 反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子 刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择 性好的优点。目前，RIE已成为VLSI工艺中应 用最广泛的主流刻蚀技术
N+
P+
有源区
集成电路的内部单元(俯视图)
晶体管光学照片
8mm低噪声放大器版图
晶体管SEM照片
沟道长度为0.15微米的晶体管 栅长为90纳米的栅图形照片
100 m 头发丝粗细
30m
50m 30~50m (皮肤细胞的大小)
1m 1m (晶体管的大小)
90年代生产的集成电路中晶体管大小与人 类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较
N沟道MOS晶体管
CMOS集成电路(互补型MOS集成电路)： 目前应用最为广泛的一种集成电路，约占 集成电路总数的95%以上。
集成电路制造工艺
• 图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相
底片)上的图形转移到半导体单晶片上
• 掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂
在需要的位置上，形成晶体管、接触等
• 制膜：制作各种材料的薄膜
杂质掺杂
• 掺杂：将需要的杂质掺入特定的半 导体区域中，以达到改变半导体电 学性质，形成PN结、电阻、欧姆接 触
行为仿真
是
综合、优化——网表
否 时序仿真
是 布局布线——版图
—设计业—
后仿真 是
Sing off
集成电路芯片设计过程框架
否
From 吉利久教授
芯片制造过程 —制造业—
• 反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称为 RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学 反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子 刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择 性好的优点。目前，RIE已成为VLSI工艺中应 用最广泛的主流刻蚀技术
N+
P+
有源区
集成电路的内部单元(俯视图)
晶体管光学照片
8mm低噪声放大器版图
晶体管SEM照片
沟道长度为0.15微米的晶体管 栅长为90纳米的栅图形照片
100 m 头发丝粗细
30m
50m 30~50m (皮肤细胞的大小)
1m 1m (晶体管的大小)
90年代生产的集成电路中晶体管大小与人 类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较
N沟道MOS晶体管
CMOS集成电路(互补型MOS集成电路)： 目前应用最为广泛的一种集成电路，约占 集成电路总数的95%以上。
集成电路制造工艺
• 图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相
底片)上的图形转移到半导体单晶片上
• 掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂
在需要的位置上，形成晶体管、接触等
• 制膜：制作各种材料的薄膜
杂质掺杂
• 掺杂：将需要的杂质掺入特定的半 导体区域中，以达到改变半导体电 学性质，形成PN结、电阻、欧姆接 触
行为仿真
是
综合、优化——网表
否 时序仿真
是 布局布线——版图
—设计业—
后仿真 是
Sing off
集成电路芯片设计过程框架
否
From 吉利久教授
芯片制造过程 —制造业—
集成电路分析与设计PPT课件
Intel公司微处理 器—Pentium® 4
25
2 集成电路发展
Intel公司微处理 器—Pentium® 6
26
2 集成电路发展 Intel Pentium 4微处理器
27
2 集成电路发展 Intel XeonTM微处理器
28
2 集成电路发展 Intel Itanium微处理器
29
2 集成电路发展
集成电路发展里程碑
30
2 集成电路发展
集成电路发展里程碑
31
2 集成电路发展
晶体管数目
2003年一年内制造出的晶 体管数目达到1018个，相 当于地球上所有蚂蚁数量 的100倍
32
2 集成电路发展
芯片制造水平
2003年制造的芯片尺寸控制 精度已经达到头发丝直径的1 万分之一，相当于驾驶一辆 汽车直行400英里，偏离误差 不到1英寸！
33
2 集成电路发展
晶体管的工作速度
1个晶体管每秒钟的开关 速度已超过1.5万亿次。 如果你要用手开关电灯 达到这样多的次数，需 要2万5千年的时间！
34
2 集成电路发展
半导体业的发展速度
1978年巴黎飞到纽约的 机票价格为900美元，需 要飞7个小时。如果航空 业的发展速度和半导体业
1960年，Kang和Atalla研制出第一个利用硅半导体材料制成的MOSFET
1962年出现了由金属-氧化物-半导体（MOS）场效应晶体管组成的MOS 集成电路
早期MOS技术中，铝栅P沟MOS管是最主要的技术，60年代后期，多晶 硅取代铝成为MOS晶体管的栅材料
1970’s解决了MOS器件稳定性及工艺复杂性之后，MOS数字集成电路 开始成功应用
一个有关集成电路发展趋势的著名 预言，该预言直至今日依然准确。
集成电路设计的EDA系统.pptx
而估算速度、面积、功耗，进行逻辑结构的性能优化 • 5. 得到工艺相关的逻辑网表
第12页/共75页
逻辑模拟
• 逻辑模拟的基本概念：将逻辑设计输入到计算机，用软件方法形成硬件的模型， 给定输入波形，利用模型算出各节点和输出端的波形，判断正确否
• 主要作用：验证逻辑功能和时序的正确性
• 分类：根据所模拟逻辑单元规模的大小
• 整个设计过程就是把高层次的抽象描述逐级向下进行综合、验证、实现，直到物理级的低层次描述，即掩 膜版图。
• 各设计阶段相互联系，例如，寄存器传输级描述是逻辑综合的输入，逻辑综合的输出又可以是逻辑模拟和 自动版图设计的输入，版图设计的结果则是版图验证的输入。
• ICEDA系统介入了包括系统功能设计、逻辑和电路设计以及版图设计等在内的集成电路设计的各个环节
• 分配：给定性能、面积/功耗条件下，确定相应的RTL级单元来实现各种操 作，产生相应的数据通道，即将行为（如数据处理、存储、传输等）与元件 对应起来
• 调度：确定这些操作单元的次序 • 结果：与工艺无关的通用RTL级单元组成的结构描述
第8页/共75页
逻辑综合
• 概念：通过逻辑综合器结合单元库，将RTL级描述转换成逻辑级描述 • 核心：由给定的功能和性能要求，在一个包含许多结构、功能、性能已知的逻辑
• VHDL • Verilog HDL
第6页/共75页
综合
• 概念：通过附加一定的约束条件，结合相应的单元库，从设计的高层次向低层 次转换的过程，是一种自动设计的过程
• 分类： • 高级综合：从算法级到寄存器传输（RTL）级 • 逻辑综合：从寄存器传输级到逻辑级
第7页/共75页
高级综合
• 概念：结合RTL级单元库，将算法级描述转换成RTL级描述 • 核心：分配（ALLOCATION）和调度（SCHEDULING）
第12页/共75页
逻辑模拟
• 逻辑模拟的基本概念：将逻辑设计输入到计算机，用软件方法形成硬件的模型， 给定输入波形，利用模型算出各节点和输出端的波形，判断正确否
• 主要作用：验证逻辑功能和时序的正确性
• 分类：根据所模拟逻辑单元规模的大小
• 整个设计过程就是把高层次的抽象描述逐级向下进行综合、验证、实现，直到物理级的低层次描述，即掩 膜版图。
• 各设计阶段相互联系，例如，寄存器传输级描述是逻辑综合的输入，逻辑综合的输出又可以是逻辑模拟和 自动版图设计的输入，版图设计的结果则是版图验证的输入。
• ICEDA系统介入了包括系统功能设计、逻辑和电路设计以及版图设计等在内的集成电路设计的各个环节
• 分配：给定性能、面积/功耗条件下，确定相应的RTL级单元来实现各种操 作，产生相应的数据通道，即将行为（如数据处理、存储、传输等）与元件 对应起来
• 调度：确定这些操作单元的次序 • 结果：与工艺无关的通用RTL级单元组成的结构描述
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逻辑综合
• 概念：通过逻辑综合器结合单元库，将RTL级描述转换成逻辑级描述 • 核心：由给定的功能和性能要求，在一个包含许多结构、功能、性能已知的逻辑
• VHDL • Verilog HDL
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综合
• 概念：通过附加一定的约束条件，结合相应的单元库，从设计的高层次向低层 次转换的过程，是一种自动设计的过程
• 分类： • 高级综合：从算法级到寄存器传输（RTL）级 • 逻辑综合：从寄存器传输级到逻辑级
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高级综合
• 概念：结合RTL级单元库，将算法级描述转换成RTL级描述 • 核心：分配（ALLOCATION）和调度（SCHEDULING）
集成电路设计与集成系统专业ppt-本科生招生
基础课程
电路分析
介绍电路的基本原理、分 析方法和电路元件。
数字逻辑电路
介绍数字逻辑基础、门电 路、组合逻辑电路和时序 逻辑电路。
模拟电子技术
介绍模拟电子技术的基本 原理、放大器和振荡器等。
核心课程
1 2
集成电路设计
介绍集成电路的基本原理、设计流程和制造工艺。
集成系统设计
介绍集成系统的基本原理、设计方法和实现技术。
集成电路设计与集成 系统专业ppt-本科生
招生
• 专业介绍 • 培养目标 • 课程设置 • 师资力量 • 学生发展 • 招生信息
目录
01
专业介绍
专业背景
集成电路设计与集成系统专业是随着 信息技术的发展而诞生的专业，旨在 培养掌握集成电路设计、制造、封装 、测试等全流程的高端人才。
随着5G、物联网、人工智能等技术的 快速发展，集成电路设计与集成系统 专业人才需求日益旺盛，具有广阔的 就业前景和发展空间。
国内深造
深造方向
许多本科生在学术研究方面取得了丰硕的成果，发表 了多篇学术论文，并获得了多项专利。
学术成果
硕士阶段的学习方向更加细分，包括集成电路设计、 集成电路工艺、集成电路封装测试等方向。
学生社会实践
社会实践内容
集成电路设计与集成系统专 业的学生积极参加各类社会 实践活动，如企业实习、学 术交流、志愿服务等。
06
招生信息
招生计划
01
招生人数
集成电路设计与集成系统专业计划招生100人，其中男生80人，女生20
人。
02
招生批次
本专业属于本科一批次招生，录取分数线要求达到当地一本线以上。
03
招生地区
本专业面向全国范围招生，不限制地区。
《集成电路应用》课件
集成电路的技术创新
新材料的应用
采用新型材料，如碳纳米管、二维材料等，提高 集成电路的性能和降低功耗。
制程技术的进步
不断缩小芯片制程尺寸，提高芯片性能和集成度 。
封装技术的创新
采用先进的封装技术，如晶圆级封装、3D封装等 ，提高集成效率和可靠性。
集成电路在未来的应用前景
人工智能
物联网
集成电路作为人工智能技术的硬件基础， 将广泛应用于人工智能芯片、边缘计算等 领域。
集成电路的工作流程
集成电路的工作流程主要包括输入信号 的处理、信号的传输、信号的处理和输 出信号的处理等步骤。
在输出信号处理阶段，集成电路将处理 后的信号转换回适合外部应用的信号， 并将其输出。
在信号处理阶段，集成电路对接收到的 信号进行必要的处理，如放大、运算、 比较等。
在输入信号处理阶段，集成电路接收外 部输入的信号，并将其转换为适合内部 处理的信号。
集成电路的应用领域
总结词
集成电路应用广泛，涉及通信、计算机、工业控制、消费电子、医疗电子等多个领域。
详细描述
集成电路应用广泛，涉及通信领域的手机、基站、路由器等；计算机领域的个人电脑、 服务器等；工业控制领域的智能仪表、工业控制系统等；消费电子领域的电视、音响、 游戏机等；医疗电子领域的医疗设备、远程诊疗系统等。集成电路作为现代电子系统的
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医疗设备中的集成电路
医疗设备是现代医疗中不可或缺的重要工具， 而集成电路在医疗设备中扮演着关键角色。
医疗设备中的集成电路主要用于信号处理、控 制、监测等功能，如心电图机、监护仪、超声 波诊断仪等设备中都有集成电路的存在。
集成电路的应用使得医疗设备更加精准、可靠 ，提高了医疗诊断和治疗的水平，为人们的健 康提供了更好的保障。
《集成电路设计导论》课件
IC设计的测试和验证
探讨IC设计的测试和验证技术， 以确保设计的正确性和可靠性。
总结与展望
集成电路设计的现状与未来趋势
总结集成电路设计的现状并展望未来的发展趋 势，如人工智能芯片和物联网应用。
集成电路设计中的挑战与机遇
探讨集成电路设计中面临的挑战和机遇，如功 耗优化和设计验证等。
《集成电路设计导论》 PPT课件
这是一套《集成电路设计导论》的PPT课件，针对集成电路的概念、分类和历 史发展等主题进行介绍，通过丰富的内容和精美的图片，让学习更加生动有 趣。
第一章：集成电路概述
集成电路的定义
介绍集成电路的基本概念和定义，以及其在电子领域中的重要作用。
集成电路的分类
分析不同类型的集成电路，包括数字集成电路、模拟集成电路和混合集成电路。
探讨集成电路设计中常用的仿真 技术，如时序仿真、噪声仿真和 功耗仿真等。
CMOS工艺的基本原理和特点，以及其在集成电路设计中的应用。
2
CMOS电路设计基础
讨论CMOS电路设计的基本原则和技巧，包括逻辑门设计和布局。
3
CMOS电路的布局与布线
解释CMOS电路布局与布线的重要性，以及如何进行最佳布局和布线。
第五章：模拟电路设计
模拟电路设计基础
介绍模拟电路设计的基本原理和 技术，包括信号放大、滤波和稳 压等。
模拟电路的建模与仿真
讨论模拟电路的建模方法和仿真 技术，以验证电路设计的准确性 和性能。
模拟电路的测试和调试
探讨模拟电路的测试和调试方法， 以保证电路的可靠性和稳定性。
第六章：数字电路设计
1
数字电路的逻辑设计
第四章：数模转换电路设计
数模转换电路的种类
集成电路设计与制造的主要流程框架(PPT 48张)
第四阶段：时序验证与版图设计 任务：静态时序分析从整个电路中提取出所有 时序路径，然后通过计算信号沿在路径上的延 迟传播，找出违背时序约束的错误(主要是 SetupTime 和 HoldTime),与激励无关。在深亚 微米工艺中，因为电路连线延迟大于单元延迟， 通常预布局布线反复较多，要多次调整布局方 案，对布局布线有指导意义。 流程：预布局布线(SDF文件)--网表仿真(带延时 文件)--静态时序分析--布局布线--参数提取-SDF文件--后仿真--静态时序分析--测试向量生 成。
第一阶段：项目策划 任务：形成项目任务书 (项目进度，周期管理等)。流 程：市场需求--调研--可行性研究--论证--决策--任务 书。 第二阶段：总体设计 任务：确定设计对象和目标，进一步明确芯片功能、 内外部性能要求，参数指标，论证各种可行方案，选 择最佳方式，加工厂家，工艺水准。 流程：需求分析--系统方案--系统设计--系统仿真。 输出：系统规范化说明(System Specification)：包括系 统功能,性能,物理尺寸,设计模式,制造工艺,设计周期, 设计费用等等.
流程：逻辑设计--子功能分解--详细时序框图--分块 逻辑仿真--电路设计(算法的行为级，RTL级描述)-功能仿真--综合(加时序约束和设计库)--电路网表-网表仿真。 输出： 功能设计(Function Design)：将系统功能的实现方案 设计出来.通常是给出系统的时序图及各子模块之 间的数据流图。 逻辑设计(Logic Design)：这一步是将系统功能结构 化.通常以文本(Verilog HDL 或VHDL),原理图,逻辑 图表示设计结果,有时也采用布尔表达式来表示设 计结果。 电路设计(Circuit Design)：电路设计是将逻辑设计表 达式转换成电路实现。
SoC设计流程优质PPT课件
除了对版图进行功耗分析以外，还应通过仿真工具快速 计算动态功耗，找出主要的功耗模块或单元。
基于标准单元的SoC芯片设计流程
• 单元布局和优化（Placement &
Optimization）
单元布局和优化主要定义每个标准单元的摆放位置并根 据摆放的位置进行优化。
• 静态时序分析（STA，Static Timing
• 前仿真（Pre-layout Simulation）
前仿真也叫RTL级仿真。通过HDL仿真器验证电路逻辑 功能是否有效。在前仿真时，通常与具体的电路物理实 现无关，没有时序信息。
基于标准单元的SoC芯片设计流程
• 逻辑综合（Logic Synthesis）
逻辑综合是指使用EDA工具把由硬件描述语言设计的电 路自动转换成特定工艺下的网表，即从RTL级的HDL描 述通过编译与优化产生符合约束条件的门级网表。
软件和硬件实现的优缺点
内容大纲
• SoC设计的特点 • 软硬件协同设计 • 基于标准单元的SoC芯片设计流程
基于标准单元的SoC芯片设计流程
• 硬件设计定义说明（Hardware Design
Specification）
硬件设计定义说明描述芯片总体结构、规格参数、模块 划分、使用的总线，以及各个模块的详细定义等。
Order）
ECO修改是工程修改命令的意思。
这一步实际上是正常设计流程的一个例外。当在设计的 最后阶段发现个别路径有时序问题或逻辑错误时，有必 要通过ECO对设计的局部进行小范围的修改和重新布线 ，并不影响芯片其余部分的布局布线。在大规模的IC设 计中，ECO修改是一种有效、省时的方法，通常会被采 用。
基于标准单元的SoC芯片设计流程
• 物理验证（Physical Verification）
基于标准单元的SoC芯片设计流程
• 单元布局和优化（Placement &
Optimization）
单元布局和优化主要定义每个标准单元的摆放位置并根 据摆放的位置进行优化。
• 静态时序分析（STA，Static Timing
• 前仿真（Pre-layout Simulation）
前仿真也叫RTL级仿真。通过HDL仿真器验证电路逻辑 功能是否有效。在前仿真时，通常与具体的电路物理实 现无关，没有时序信息。
基于标准单元的SoC芯片设计流程
• 逻辑综合（Logic Synthesis）
逻辑综合是指使用EDA工具把由硬件描述语言设计的电 路自动转换成特定工艺下的网表，即从RTL级的HDL描 述通过编译与优化产生符合约束条件的门级网表。
软件和硬件实现的优缺点
内容大纲
• SoC设计的特点 • 软硬件协同设计 • 基于标准单元的SoC芯片设计流程
基于标准单元的SoC芯片设计流程
• 硬件设计定义说明（Hardware Design
Specification）
硬件设计定义说明描述芯片总体结构、规格参数、模块 划分、使用的总线，以及各个模块的详细定义等。
Order）
ECO修改是工程修改命令的意思。
这一步实际上是正常设计流程的一个例外。当在设计的 最后阶段发现个别路径有时序问题或逻辑错误时，有必 要通过ECO对设计的局部进行小范围的修改和重新布线 ，并不影响芯片其余部分的布局布线。在大规模的IC设 计中，ECO修改是一种有效、省时的方法，通常会被采 用。
基于标准单元的SoC芯片设计流程
• 物理验证（Physical Verification）
集成电路设计与制造的主要流程ppt
激光扫描阵列：特殊的门阵列设计方法
对于一个特殊结构的门阵列母片，片上晶体管和 逻辑门之间都有电学连接，用专门的激光扫描光 刻设备切断不需要连接处的连线，实现ASIC功能。
只需一步刻铝工艺，加工周期短；
采用激光扫描曝光，省去了常规门阵列方法中的 制版工艺。但制备时间较长。
一般用于小批量(200～2000块)ASIC的制造
版图设计
功能描述与逻辑描述
功能图 逻辑图 电路图 符号式版图 , 版图
举例：x=a’b+ab’；CMOS与非门；CMOS反相器版图
什么是版图？一组相互套合的图形，各层版图相 应于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案 来表示。
版图与所采用的制备工艺紧密相关
设计流程
理想的设计流程(自顶向下：TOP-DOWN）
元件 门
元胞
宏单元（功能块）
基于单元库的描述：层次描述
单元库可由厂家提供，可由用户自行建立
B. 模拟电路：尚无良好的综合软件
RTL级仿真通过后，根据设计经验进行电路设计
原理图输入
电路模拟与验证
模拟单元库
逻辑和电路设计的输出：网表（元件及其连接关系）或逻
辑图、电路图
软件支持：逻辑综合、逻辑模拟、电路模拟、时序分析等软
设计的基本过程 （举例）
功能设计 逻辑和电路设计 版图设计
集成电路设计的最终输出是掩膜版图，通过制版 和工艺流片可以得到所需的集成电路。 设计与制备之间的接口：版图
主要内容
IC设计特点及设计信息描述 典型设计流程 典型的布图设计方法及可测性设计技术
设计特点和设计信息描述
没有单元库支持：对各单元进行电路设计，通过电
路模拟与分析，预测电路的直流、交流、瞬态等特性， 之后再根据模拟结果反复修改器件参数，直到获得满 意的结果。由此可形成用户自己的单元库
集成电路设计ppt
第四章 半导体集成电路基本加工工艺与设计规则 4.1 引言 4.2 集成电路基本加工工艺 4.3 CMOS工艺流程 4.4 设计规则 4.5 CMOS反相器的闩锁效应 4.6 版图设计
第五章 MOS管数字集成电路基本逻辑单元设计 5.1 NMOS管逻辑电路 5.2 静态CMOS逻辑电路 5.3 MOS管改进型逻辑电路 5.4 MOS管传输逻辑电路 5.5 触发器 5.6 移位寄存器 5.7 输入输出（I/O）单元
[3] 陈中建主译. CMOS电路设计、布局与仿真.北京：机械工 业出版社，2006.
[4]（美）Wayne Wolf. Modern VLSI Design System on Silicon. 北京：科学出版社，2002.
[5] 朱正涌. 半导体集成电路. 北京：清华大学出版社，2001. [6] 王志功，沈永朝.《集成电路设计基础》电子工业出版
第六章 MOS管数字集成电路子系统设计 6.1 引言 6.2 加法器 6.3 乘法器 6.4 存储器
6.5 PLA 第七章 MOS管模拟集成电路设计基础
7.1 引言 7.2 MOS管模拟集成电路中的基本元器件 7.3 MOS模拟集成电路基本单元电路 7.4 MOS管集成运算放大器和比较器 7. 5 MOS管模拟集成电路版图设计 第八章 集成电路的测试与可测性设计
1.2 集成电路的发展
1、描述集成电路工艺技术水平的五个技术指标 （1）集成度（Integration Level）
集成度是以一个IC芯片所包含的元件（晶体管或门/数）来 衡量（包括有源和无源元件）。随着集成度的提高，使IC及使用 IC的电子设备的功能增强、速度和可靠性提高、功耗降低、体积 和重量减小、产品成本下降，从而提高了性能/价格比，不断扩 大其应用领域，因此集成度是IC技术进步的标志。为了提高集成 度采取了增大芯片面积、缩小器件特征尺寸、改进电路及结构设 计等措施。为节省芯片面积普遍采用了多层布线结构。硅晶片集 成（Wafer Scale Integration -WSI)和三维集成技术也正在研 究开发。从电子系统的角度来看，集成度的提高使IC进入系统集 成或片上系统（SoC）的时代。
相关主题
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——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
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）
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
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
——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
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
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
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
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
集成电路系统和芯片设计
王国裕 wanggyb@
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
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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。
的情况下，编码的声音信号也有足够高的质量
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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18
六、音频压缩 心理声学模型
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