多声道编码现状

当前典型的多声道音频编码方案

一. 杜比数字AC-3编码压缩算法

杜比数字音频压缩标准( AC- 3) 是在1992年为35毫米电影研制出来的, 它解决了在一条胶片上数字声和模拟声并存的问题。后来, AC- 3技术被广泛的应用于激光唱片, 高清晰度电视系统, 有线电视系统, 数字卫星广播, DVD 影碟, DVD- ROM 和互联网中。

杜比数字AC- 3环绕声系统是于1991年由美国杜比实验室与日本先锋公司联合开发的。其目的就是为了改善和提高三维声场的重现能力。传统的立体声系统仅仅能够提供给听者面前的二维声场, 而无法描述三维空间感。通过增加左、右环绕声及中置声道, 以多声道音频重放的方式来重现三维立体空问,就是

AC- 3环绕声系统要实现的。

杜比数字AC-3环绕声是多声道音频系统,它是由六只独立的声音声道和扬声器来组成的。

AC-3扬声器摆放

其中C ( 中置音箱) 、L ( 左声道) 、R ( 右声道) 主要用于重建二维立体声声场, Ls ( 左后环绕) , Rs ( 右后环绕) 则用以与L、C、R 共同营造逼真的三维空间立体声声场, 而LFE ( 超低音) 声道则用来弥补声场中低

频部分的不足, 烘托和渲染整个三维立体声空间声场, 由于六个独立声道中前

五个声道的频响范围都是音频全频带即20Hz～20kHz, 而LFE 频响范围则是由

15Hz～150Hz, 仅占整个频谱的十分之一, 因此又称为5. l 声道环绕声系统。

由于声场的构造与扬声器的摆放位置有关, 按照ITU - R BS.775建议, L, C, R, Ls,Rs 五只扬声器如图示摆放, 用于构造三维声场, 而LFE 的摆放

则没有太多限制, 一般放置在侧面即可。因此可以看到要想得到最好的环绕声三维声场效果, 则必须位于图示的可听范围, 否则不会感受到良好的效果。

对于数字音频信号来说，AC-3通过应用数字压缩算法，来减少正确再现原

始脉冲编码调制(PCM)样本所需要的数字信息量，得出原始信号经数字压缩后的表达式。

编码过程为:首先在分析滤波器组中完成把音频表达式从一个PCM时间样本的序列变换为一个频率系数样本块的序列。每个样本块包含256个频率系数。这些单独的频率系数用二进制指数记数法表示为一个二进制指数和一个尾数。这个指数的集合被编码为信号频谱的粗略表达式，称作频谱包络。核心的比特指派例行程序用这个频谱包络来确定每个单独尾数需要用多少比特进行编码。将频谱包络和6个音频样本块粗略量化的尾数格式化成一个AC-3数据帧(FRAME)。AC-3数码流是一个AC-3数据帧的序列。

Ac-3编码原理图

在实际的AC- 3编码器中, 还包括下述功能:

●附有一个数据帧的信头 ( header ) , 其中包含与编码的数码流同步及把它解码的信息( 比特率、取样率、编码的信道数目等) 。

●插入误码检测码字, 以便解码器能检验接收的数据帧是否存在误码。

●可以动态的改变分析滤波器组的频谱分辨率, 以便同每个音频样本块的时域/ 频域特性更好的匹配。

●频谱包络可以用可变的时间/ 频率分辨率进行编码。

●可以实行更复杂的比特指派, 并修改核心比特分派例行程序的一些参数, 以便产生更加优化的比特指派。

●在高频一些声道可以耦合在一起, 以便工作在较低比特率时, 仍可得到更高的编码增益。

●在两声道模式中, 可以有选择的实施重新设置矩阵的过程, 以便提供附加的编码增益,以及当对两信道的信号解码时使用一个矩阵环绕声解码器, 同时获得改进的结果。

解码过程基本上是编码的逆过程。解码器必须同编码数码流同步, 检查误码, 以及将不同类型的数据( 例如编码的频谱包络和量化的尾数) 进行解格式化。运行比特指派例行程序, 将其结果用于解数据大包( unpack) 和尾数的解量化。将频谱包络进行解码而产生各个指数。各个指数和尾数被变换回到时域成为解码的PCM 时间样本。

AC- 3解码过程框图

在实际的AC- 3解码器中, 还包括下述功能:

●假若检测出一个数据误码, 可以使用误码掩盖或静噪。

●高频内容耦合在一起的那些声道必须去除耦合。

●已被重新设置矩阵处理的声道, 必须进行去除矩阵化的处理( 在2 - 声

道模式中) 。

●必须动态的改变综合滤波器组的分辨率, 与编码器分析滤波器组在编码过程中所用的方法相同。

杜比数字AC- 3编码数据格式

经过杜比数字AC- 3编码器的编码处理, 可以将原始的数据PCM 信号编码

为杜比数字

AC- 3音频数据流。一个AC- 3串行编码的音频数据流是由一个同步帧的序列所组成。

AC- 3同步帧结构

由上图可见, 每个同步帧包含六个编码的音频样本块( AB) 其中每个代表256个新的音频样本。在每个同步帧开始的同步信息( SI) 的信头中, 包含为了获得同步和维持同步所需要的信息。接着SI 后面的是数码流信息( BSI) 的信头, 它包含描述编码数据流业务的各种参数。编码的音频样本块之后接着是一个辅助数据( AU X) 字段。在每个同步帧结尾处是误码检验字段,其中包含一个用于误码检测的CRC 字。一个附加的CRC 字位于SI 信头中, 以供选用。AB0～AB5

的每一块代表一个编码声道, 可以分别独立解码, 块的大小可以调整, 但总

数据量不变。在图中还有两个未标出的CRC, 其中第一个位于帧的5/ 8处, 另

一个位于帧未。之所以如此安排, 目的就是可以减少解码器的RAM 需求量, 使

得解码器不必完全接收一帧后才解码音频数据, 而是分成了两部分进行解码。杜比数字AC- 3的兼容性

由于AC- 3比特流中同步结构中的AB0～AB5是独立解码的, 因此可以将这些编码信号重新构造为所需的输出信号, 即输出的下行兼容性。