音频压缩编码原理及标准.ppt
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1、教育电声系统教育电声系统三、音频压缩编码原理及标准三、音频压缩编码原理及标准 1编辑ppt音频压缩编码原理及标准音频压缩编码原理及标准 本章知识要点本章知识要点1、音频压缩编码的基本原理、音频压缩编码的基本原理 2、MPEG-1音频压缩编码标准音频压缩编码标准 3、杜比、杜比AC-3音频压缩算法音频压缩算法 4、其他其他MPEG音频压缩编码音频压缩编码 2编辑ppt音频压缩编码的基本原理音频压缩编码的基本原理 音频信号压缩编码的必要性音频信号压缩编码的必要性数字音频的质量取决于:采样频率和量化位数这两个参数,为数字音频的质量取决于:采样频率和量化位数这两个参数,为了保真在时间变化方向上取样点尽
2、量密,取样频率要高;在幅度取了保真在时间变化方向上取样点尽量密,取样频率要高;在幅度取值上尽量细,量化比特率要高值上尽量细,量化比特率要高,直接的结果就是存储容量及传输信,直接的结果就是存储容量及传输信道容量要求的压力道容量要求的压力 音频信号的传输率音频信号的传输率 =取样频率取样频率*样本的量化比特数样本的量化比特数*通道数通道数音频压缩编码原理及标准音频压缩编码原理及标准 取样频率取样频率=44.1KHz样本值的量化比特数样本值的量化比特数=16普通立体声的信号通道数普通立体声的信号通道数=2数字信号传输码流大约数字信号传输码流大约1.4Mbit/s 一秒钟的数据量为一秒钟的数据量为1.
3、4Mbit/(8/Byte)达达176.4KByte(字节),等于(字节),等于88200个汉字的数据量个汉字的数据量 3编辑ppt音频压缩编码的基本原理音频压缩编码的基本原理 音频信号压缩编码的必要性音频信号压缩编码的必要性数字音频的出现,是为了满足复制、存储、传输的需求,音频数字音频的出现,是为了满足复制、存储、传输的需求,音频信号的数据量对于进行传输或存储形成巨大的压力信号的数据量对于进行传输或存储形成巨大的压力音频信号的压缩是在保证一定声音质量的条件下,尽可能以最音频信号的压缩是在保证一定声音质量的条件下,尽可能以最小的数据率来表达和传送声音信息小的数据率来表达和传送声音信息音频压缩编
4、码原理及标准音频压缩编码原理及标准 信号压缩过程是对采样、量化后的原始数字音频信号流运用适信号压缩过程是对采样、量化后的原始数字音频信号流运用适当的数字信号处理技术进行信号数据的处理,将音频信号中去除对当的数字信号处理技术进行信号数据的处理,将音频信号中去除对人们感受信息影响可以忽略的成分,仅仅对有用的那部分音频信号人们感受信息影响可以忽略的成分,仅仅对有用的那部分音频信号进行编排,从而降低了参与编码的数据量进行编排,从而降低了参与编码的数据量4编辑ppt音频压缩编码的基本原理音频压缩编码的基本原理 音频信号压缩编码的可能性音频信号压缩编码的可能性数字音频信号中包含的对人们感受信息影响可以忽略
5、的成分称数字音频信号中包含的对人们感受信息影响可以忽略的成分称为冗余,包括时域冗余、频域冗余和听觉冗余为冗余,包括时域冗余、频域冗余和听觉冗余音频压缩编码原理及标准音频压缩编码原理及标准 时域冗余时域冗余时域冗余的表现形式时域冗余的表现形式1、幅度分布的非均匀性、幅度分布的非均匀性信号的量化比特分布是针对信号的整个动态范围而设定的,对信号的量化比特分布是针对信号的整个动态范围而设定的,对于小幅度信号而言,大量的比特数据位被闲置于小幅度信号而言,大量的比特数据位被闲置2、样值间的相关性、样值间的相关性声音信号是一个连续表达过程,通过采样之后,相邻的信号具声音信号是一个连续表达过程,通过采样之后,
6、相邻的信号具有极强的相似性,信号差值与信号本身相比,数据量要小的多有极强的相似性,信号差值与信号本身相比,数据量要小的多5编辑ppt音频压缩编码的基本原理音频压缩编码的基本原理 音频信号压缩编码的可能性音频信号压缩编码的可能性音频压缩编码原理及标准音频压缩编码原理及标准 时域冗余的表现形式时域冗余的表现形式3、信号周期的相关性、信号周期的相关性声音信息在整个可闻域的范围内,每个瞬间只有部分频率成分声音信息在整个可闻域的范围内,每个瞬间只有部分频率成分在起作用,即特征频率,这些特征频率会以一定的周期反复出现,在起作用,即特征频率,这些特征频率会以一定的周期反复出现,周期之间具有相关关系周期之间具
7、有相关关系4、长时自我相关性、长时自我相关性声音信息序列的样值、周期相关性,在一个相对较长的时间间声音信息序列的样值、周期相关性,在一个相对较长的时间间隔也会是相对稳定的,这种稳定关系具有很高的相关系数隔也会是相对稳定的,这种稳定关系具有很高的相关系数5、静音、静音声音信息中的停顿间歇,无论是采样还是量化都会形成冗余,声音信息中的停顿间歇,无论是采样还是量化都会形成冗余,找出停顿间歇并将其样值数据去除,可以减少数据量找出停顿间歇并将其样值数据去除,可以减少数据量6编辑ppt音频压缩编码的基本原理音频压缩编码的基本原理 音频信号压缩编码的可能性音频信号压缩编码的可能性音频压缩编码原理及标准音频压
8、缩编码原理及标准 频域冗余频域冗余频域冗余的表现形式频域冗余的表现形式1、长时功率谱密度的非均匀性、长时功率谱密度的非均匀性任何一种声音信息,在相当长的时间间隔内,功率分布在低频任何一种声音信息,在相当长的时间间隔内,功率分布在低频部分大于高频部分,功率谱具有明显的非平坦性,对于给定的频段部分大于高频部分,功率谱具有明显的非平坦性,对于给定的频段而言,存在相应的冗余而言,存在相应的冗余2、语言特有的短时功率谱密度、语言特有的短时功率谱密度语音信号在某些频率上会出现峰值,而在另一些频率上出现谷语音信号在某些频率上会出现峰值,而在另一些频率上出现谷值,这些共振峰频率具有较大的能量,由它们决定了不同
9、的语音特值,这些共振峰频率具有较大的能量,由它们决定了不同的语音特征,整个语言的功率谱以基音频率为基础,形成了向高次谐波递减征,整个语言的功率谱以基音频率为基础,形成了向高次谐波递减的结构的结构 7编辑ppt音频压缩编码的基本原理音频压缩编码的基本原理 音频信号压缩编码的可能性音频信号压缩编码的可能性音频压缩编码原理及标准音频压缩编码原理及标准 听觉冗余听觉冗余根据分析人耳对信号频率、时间等方面具有有限分辨能力而设根据分析人耳对信号频率、时间等方面具有有限分辨能力而设计的心理声学模型,将通过听觉领悟信息的复杂过程,包括接受信计的心理声学模型,将通过听觉领悟信息的复杂过程,包括接受信息,识别判断
10、和理解信号内容等几个层次的心理活动,形成相应的息,识别判断和理解信号内容等几个层次的心理活动,形成相应的连觉和意境连觉和意境由此构成声音信息集合中的所以数据,并非对人耳辨别声音的由此构成声音信息集合中的所以数据,并非对人耳辨别声音的强度、音调、方位都产生作用,形成听觉冗余强度、音调、方位都产生作用,形成听觉冗余由听觉冗余引出了降低数据率由听觉冗余引出了降低数据率,实现更高效率的数字音频传输,实现更高效率的数字音频传输的可能的可能 8编辑ppt音频压缩编码的基本原理音频压缩编码的基本原理 音频压缩编码方法的分类及典型代表音频压缩编码方法的分类及典型代表 音频压缩编码原理及标准音频压缩编码原理及标
11、准 编码编码信号系统如何把一定的信息内容包含在少量特定信号的排列组信号系统如何把一定的信息内容包含在少量特定信号的排列组合之中合之中 1、采用一定的格式来记录数字数据、采用一定的格式来记录数字数据2、采用一定的算法来压缩数字数据以减少存贮空间和提高传、采用一定的算法来压缩数字数据以减少存贮空间和提高传输效率输效率音频信号编码按照压缩原理不同,分为波形编码、参数编码以音频信号编码按照压缩原理不同,分为波形编码、参数编码以及多种技术相互融合的编码形式及多种技术相互融合的编码形式 9编辑ppt音频压缩编码的基本原理音频压缩编码的基本原理 音频压缩编码方法的分类及典型代表音频压缩编码方法的分类及典型代
12、表 音频压缩编码原理及标准音频压缩编码原理及标准 波形编码波形编码直接对音频信号的时域或频域波形按一定速率采样,然后将幅直接对音频信号的时域或频域波形按一定速率采样,然后将幅度样本分层量化,变换为数字代码,度样本分层量化,变换为数字代码,由波形数据产生一种重构信号由波形数据产生一种重构信号编码系统源于信号原始样值,编码系统源于信号原始样值,波形与原始声音波形尽可能地一波形与原始声音波形尽可能地一致,致,保留了信号的细节变化和各种过渡特征保留了信号的细节变化和各种过渡特征波形编码类型波形编码类型脉冲编码调制脉冲编码调制差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制(
13、PCM)(DPCM)(ADPCM)子带编码(子带编码(Sub-BandCoding,SBC)自适应变换编码自适应变换编码(AdaptiveTransformCoding,ATC)10编辑ppt音频压缩编码的基本原理音频压缩编码的基本原理 音频压缩编码方法的分类及典型代表音频压缩编码方法的分类及典型代表 音频压缩编码原理及标准音频压缩编码原理及标准 脉冲编码调制(脉冲编码调制(PCM)最简单的波形编码,仅仅是对输入信号进行采样和量化最简单的波形编码,仅仅是对输入信号进行采样和量化声声音带宽受采样频率限制,采样频率与信号带宽的通过防失真音带宽受采样频率限制,采样频率与信号带宽的通过防失真滤波器进行
14、匹配滤波器进行匹配运用非均匀量化,对幅度大的输入信号采用大的量化间隔,幅运用非均匀量化,对幅度大的输入信号采用大的量化间隔,幅度小的输入信号采用小的量化间隔,在满足量化精度要求的情况下度小的输入信号采用小的量化间隔,在满足量化精度要求的情况下用较少的位数来表示信号用较少的位数来表示信号 11编辑ppt音频压缩编码的基本原理音频压缩编码的基本原理 音频压缩编码方法的分类及典型代表音频压缩编码方法的分类及典型代表 音频压缩编码原理及标准音频压缩编码原理及标准 差分编码调制(差分编码调制(DPCM)源于源于PCM,根据声音信号相邻采样值之间呈现明显的相关性,根据声音信号相邻采样值之间呈现明显的相关性
15、,利用利用前一个采样样本估算下一个样本信号的幅度大小,形成预测值前一个采样样本估算下一个样本信号的幅度大小,形成预测值对预测的样本值与原始的样本值之差进行量化对预测的样本值与原始的样本值之差进行量化如果样本的预测值与样本的实际值比较接近,它们之间的差值如果样本的预测值与样本的实际值比较接近,它们之间的差值幅度的变化就比原始声音样本幅度值的变化小,因此量化这种差值幅度的变化就比原始声音样本幅度值的变化小,因此量化这种差值信号时就可以用比较少的位数来表示差值信号时就可以用比较少的位数来表示差值 12编辑ppt音频压缩编码的基本原理音频压缩编码的基本原理 音频压缩编码方法的分类及典型代表音频压缩编码
16、方法的分类及典型代表 音频压缩编码原理及标准音频压缩编码原理及标准 自适应自适应差分编码调制(差分编码调制(ADPCM)综合了综合了根据输入信号幅度大小来改变量化阶大小根据输入信号幅度大小来改变量化阶大小的自适应特性的自适应特性和差分特性,和差分特性,核心思想是核心思想是:使用小的量化等级去量化小的差值,使用大的量化等级去量化使用小的量化等级去量化小的差值,使用大的量化等级去量化大的差值大的差值使用过去的采样样本值估算下一个采样样本的预测值,使实际使用过去的采样样本值估算下一个采样样本的预测值,使实际样本值和预测值之间的差值总是最小样本值和预测值之间的差值总是最小13编辑ppt音频压缩编码的基
17、本原理音频压缩编码的基本原理 音频压缩编码方法的分类及典型代表音频压缩编码方法的分类及典型代表 音频压缩编码原理及标准音频压缩编码原理及标准 子带编码(子带编码(SBC)属于依据感知特性的频域编码属于依据感知特性的频域编码将音频信号进行时间足够短的分段,通过分段块由时间域转变将音频信号进行时间足够短的分段,通过分段块由时间域转变为频率域,利用带通滤波器为频率域,利用带通滤波器(BPF)组把原始信号的频带分割为若干组把原始信号的频带分割为若干子频带子频带对听觉感知比较重要的子频带,编码器分配比较多的位数来表对听觉感知比较重要的子频带,编码器分配比较多的位数来表示它们,对于其他的子带编码器就可以分
18、配比较少的位数来表示示它们,对于其他的子带编码器就可以分配比较少的位数来表示音频信号音频信号采样时钟采样时钟频率分布频率分布f采样块分割采样块分割n个个BPF14编辑ppt音频压缩编码的基本原理音频压缩编码的基本原理 音频压缩编码方法的分类及典型代表音频压缩编码方法的分类及典型代表 音频压缩编码原理及标准音频压缩编码原理及标准 子带编码(子带编码(SBC)由于各子带频率范围不同,通过由于各子带频率范围不同,通过对每个子频带中的音频信号对每个子频带中的音频信号运运用不同采样频率和不同量化间隔用不同采样频率和不同量化间隔的自适应控制的自适应控制在信道上传送时在信道上传送时设置设置m路数字编码器,将
19、各路路数字编码器,将各路子带的代码复合子带的代码复合起来起来通过多路复用器输出子带编码数据通过多路复用器输出子带编码数据将各路子带输出信号送到将各路子带输出信号送到m路并联数字解码后同步相加,相加路并联数字解码后同步相加,相加恢复为原始信号恢复为原始信号分分频频段段滤滤波波器器子子带带量量化化编编码码器器合合成成解解码码器器15编辑ppt音频压缩编码的基本原理音频压缩编码的基本原理 音频压缩编码方法的分类及典型代表音频压缩编码方法的分类及典型代表 音频压缩编码原理及标准音频压缩编码原理及标准 自适应变换编码(自适应变换编码(ATC)变换编码是先对信号进行某种函数变换,从一种信号(空间)变换编码
20、是先对信号进行某种函数变换,从一种信号(空间)变换到另一种(空间),然后再对信号进行编码变换到另一种(空间),然后再对信号进行编码音频信号大部分都是低频信号,在频域中信号的能量较集中,音频信号大部分都是低频信号,在频域中信号的能量较集中,将时域信号变换到频域再进行采样、编码,那么可以肯定能够减少将时域信号变换到频域再进行采样、编码,那么可以肯定能够减少数据数据变换编码最典型是应用离散余弦变换(变换编码最典型是应用离散余弦变换(DCT)或改进的离散余或改进的离散余弦变换(弦变换(DCT)16编辑ppt音频压缩编码的基本原理音频压缩编码的基本原理 音频压缩编码方法的分类及典型代表音频压缩编码方法的
21、分类及典型代表 音频压缩编码原理及标准音频压缩编码原理及标准 自适应变换编码(自适应变换编码(ATC)变换编码过程是将音频信号进行时间足够短的采样,通过采样变换编码过程是将音频信号进行时间足够短的采样,通过采样块由时间域变换为频率域,采样块的作用相当于将连续的音频呈现块由时间域变换为频率域,采样块的作用相当于将连续的音频呈现在一个在一个“窗口窗口”进行处理进行处理在变换系统中,用于量化一组变换样值的比特总数是固定的,在变换系统中,用于量化一组变换样值的比特总数是固定的,所以选择变换的采样块(窗口)长度,就可以调整时域分辨率和编所以选择变换的采样块(窗口)长度,就可以调整时域分辨率和编码压缩比,
22、采用短的采样块能够提高时域分辨率,长的采样块能够码压缩比,采用短的采样块能够提高时域分辨率,长的采样块能够获得较高的压缩比获得较高的压缩比17编辑ppt音频压缩编码的基本原理音频压缩编码的基本原理 音频压缩编码方法的分类及典型代表音频压缩编码方法的分类及典型代表 音频压缩编码原理及标准音频压缩编码原理及标准 自适应变换编码(自适应变换编码(ATC)自适应的概念主要表现在配合声学心理模型,根据音频信号的自适应的概念主要表现在配合声学心理模型,根据音频信号的特性进行采样块(窗口)长度切换,缓解时域分辨率与编码压缩比特性进行采样块(窗口)长度切换,缓解时域分辨率与编码压缩比的冲突的冲突变换编码与子带
23、变换都是针对一定的采样块进行工作,子带编变换编码与子带变换都是针对一定的采样块进行工作,子带编码具有出色的时间分辨率,但频率分辨率差;而变换编码有出色的码具有出色的时间分辨率,但频率分辨率差;而变换编码有出色的频率分辨率,但时间分辨率差频率分辨率,但时间分辨率差18编辑ppt音频压缩编码的基本原理音频压缩编码的基本原理 音频压缩编码方法的分类及典型代表音频压缩编码方法的分类及典型代表 音频压缩编码原理及标准音频压缩编码原理及标准 参数编码参数编码首先根据不同的信号源,如语言信号、自然声音等形式建立特首先根据不同的信号源,如语言信号、自然声音等形式建立特征模型,通过提取特征参数和编码处理,力图使
24、重建的声音信号尽征模型,通过提取特征参数和编码处理,力图使重建的声音信号尽可能高的保持原声音的语意,但重建信号的波形同原声音信号的波可能高的保持原声音的语意,但重建信号的波形同原声音信号的波形可能会有相当大的差别形可能会有相当大的差别 常用的特征参数有共振峰、线性预测系数、频带划分滤波器等常用的特征参数有共振峰、线性预测系数、频带划分滤波器等参数编码技术可实现低速率的声音信号编码,比特率可压缩到参数编码技术可实现低速率的声音信号编码,比特率可压缩到2Kbit/s-4.8Kbit/s,但声音的质量只能达到中等,特别是自然度较,但声音的质量只能达到中等,特别是自然度较低,仅适合语言语言的传递与表达
25、低,仅适合语言语言的传递与表达19编辑ppt音频压缩编码的基本原理音频压缩编码的基本原理 音频压缩编码方法的分类及典型代表音频压缩编码方法的分类及典型代表 音频压缩编码原理及标准音频压缩编码原理及标准 混合编码混合编码将波形编码和参量编码组合起来的编码形式将波形编码和参量编码组合起来的编码形式克服了原有波形编码和参量编码的弱点,力图保持波形编码的克服了原有波形编码和参量编码的弱点,力图保持波形编码的高质量和参量编码的低速率,在高质量和参量编码的低速率,在4-16Kbit/s速率上能够得到高质量速率上能够得到高质量的合成声音信号的合成声音信号混合编码的基础是线性预测编码(混合编码的基础是线性预测
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- 音频 压缩 编码 原理 标准
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