《基于定点dsp的mpeg4+aac音频解码器研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于定点dsp的mpeg4+aac音频解码器研究（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、华中科技大学 硕士学位论文 基于定点DSP的MPEG-4 AAC音频解码器研究 姓名：黄德生 申请学位级别：硕士 专业：计算机系统结构 指导教师：张爱华 20070604 华中科技大学硕士学位论文 I 摘 要 MPEG 音频编码系统己被广泛地应用于数字音频传输、存储和广播中。随着社 会的发展，人们对音频编码系统质量的期望越来越高，而 MPEG- 4 AAC 高级音频编 码作为一项新兴的数字音频压缩标准，已经成为 MPEG- 4 标准中高质量音频编码的 核心，代表着目前最先进的感知音频编码技术。AAC 已被广泛适用于数字音频、多 媒体通讯、数字广播等许多领域，其编解码器的实时实现具有十分重要的应
2、用价值。 首先分别介绍了 MPEG- 4 AAC 各个主要算法模块与 DSP 技术， 然后详细介绍了 其开发的流程以及其中所涉及到的各项技术。MPEG- 4 AAC 编解码器主要由增益控 制、滤波器组、TNS 时域噪声整形、预测编码和量化等模块组成。每个模块都具有 很大的运算量，为了充分发挥 TMS320DM642 定点 DSP 的优势，提高程序效率和运 行速度，对原来的 AAC 程序进行了定点化处理。另外还在不影响音质的条件下，改 进程序结构，简化每个模块的运算。通过对 IMDCT、Huffman算法的改进以及采用 内联函数、 软件流水、 编译选项等方法进行代码的优化， 在 TMS320DM
3、642 定点 DSP 上实现了 LC- AAC 实时解码。 最后， 通过对 LC- AAC 解码器的运行结果进行分析和性能评价， 说明了 MPEG- 4 LC- AAC 能够在提供高压缩比的同时保证高质量的重建音频信号，为 LC- AAC 走向 实用打下了基础。 关键词 : 高级音频编码，算法优化，数字信号处理，解码器 华中科技大学硕士学位论文 II Abstract MPEG audio coding systems have been applied widely in the transmission, storage and broadcasting of digital audio
4、signal. With the progress of society, higher audio quality of audio coding, systems are expected. MPEG- 4 AAC has become the core algorithm of high quality audio coding in MPEG- 4.It represents the most advanced technology of the perceptual audio coding. AAC can be used in many different fields, suc
5、h as digital audio, digital broadcast, multimedia, etc. First, introduce the international standard of MPEG- 4 AAC and the technology of DSP respectively. Then focus on the development process of implementing the MPEG- 4 AAC decoder on a single DSP chip and the technologies it concerned. MPEG- 4 AAC
6、 algorithm mainly consists of several modules, such as gain control module, filterbank module, prediction module and quantization coding module. Each module is very complicated with a heavy computation. To fully exploit the advantage of TMSDM642 fixed DSP and improve the efficiency of the program, w
7、e must modify float AAC algorithm to fixed AAC algorithm. On the other hand, it is necessary to optimize the structure of the program and simplify the algorithm while maintaining the audio quality. Finally implement the MPEG- 4 AAC decoder on a chip of TMSDM642 DSP. Finally, experimental results hav
8、e shown that all the improvements of MPEG- 4 LC- AAC decoder show an excellent performance in calculating speed and stability. Keywords : AAC, Algorithm Optimization, DSP, Decoder 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在
9、文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华中
10、科技大学硕士学位论文 1 1 绪论 信息时代的重要特征是信息的数字化，数字化了的信息带来了“信息爆炸” 。数 字化了的视频和音频信号的数据量之大也是非常惊人的。双通道立体声激光唱盘 (CD)， 采样频率为 44.1kHz， 采样精度 16 位/样本， 样本其采样速率为： 44.1*1000*16* 2=1.41(Mb/s)。 一个 650MB 的 CD- ROM 只可存约 1 小时的音乐。从这个例子可以 看出，数字化信息的数据量是何等庞大。这样大的数据量无疑是对存储器的存储容 量、通信干线的信道传输速率以及处理器的计算速度都增加了极大的压力。这个问 题是多媒体技术发展中的一个非常棘手的瓶颈问题
11、。解决这一问题的办法，单纯用 扩大存储器容量、增加通信干线的传输率的办法是不现实的。数据压缩技术是个行 之有效的方法。通过数据压缩手段把信息数据量进行压缩，以压缩形式存储和传输， 既紧缩节约了存储空间，又提高了通信干线的传输数率；同时也使处理器实时处理 音频、视频信息，以保证播放出高质量的视频、音频节目成为可能。 如何在有限存储容量条件下，提供良好的音质成为研究的重点。在以上的需求 下，出现各种音频压缩方法，例如著名的 MP3、WMA 和 AAC（Advanced Audio Coding） 等。尤其是 mp3，几乎成了便携式音乐播放器的代名词。但是 MP3 这种 压缩技术已经有 10 多年的
12、历史了。在这 10 年里，音频编码和压缩技术有了长足的 进步。 AAC 充分利用了这些成果， 在低速率数据传输的情况下实现了高质量的输出。 AAC 这种高级音频编码比老式的诸如 MP3 格式文件的压缩效率高很多并且可以同 未压缩的 CD 音质相媲美。 1.1 数字音频编码技术的发展 音频信号是指频率在 20Hz到 20kHz的信号，自从 1877 年爱迪生发明留声机， 便开始了模拟音频技术发展的历程1。随着计算机技术的发展，数字技术开始深入 每个领域，从 20 世纪 80 年代开始，人们开始致力于将声音、图形和图像作为新的 信息媒体输入输出计算机，于是，有关视频和音频的获取技术、数据的压缩编码
13、和 解码技术、视频音频的实时处理技术等就成为需要研究的课题。 传统的压缩方法是基于香农信息论的，用统计概率模型来描述信源，而没有考 华中科技大学硕士学位论文 2 虑到信息接受者的主观特性。一般来说，这种压缩方法复杂度低，压缩率也比较低， 而且压缩后的音频质量不高，如率压缩和 ADPCM。现在流行的音频压缩编码方 法一般都考虑了信息接受者的主观判断，在使用有损压缩提高压缩率的同时，利用 了人耳对音频频率的分辨能力的局限性，以及不同频率之间的掩蔽特性2（如图 1.1 所示） ，从而达到听觉上的“无损” ，提高了音频压缩质量.使用这种压缩方法的如 MPEG1/2 的音频部分，杜比 AC- 3 音频编
14、码标准。 图 1.1 频域掩蔽特性曲线 1.2 MPEG 音频标准简介 运动图像压缩编码组织，简称 MPEG (Moving Picture Expert Group)，是在 1988 年由国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）联合成立的专家组，主要负 责开发电视图像数据和声音数据的编码、解码和它们的同步等标准，其压缩标准中 有一个部分就是音频编码。虽然 MPEG 的最初的主题是为数字存储媒介(DSM)进行 视频及其伴音的编码，但实际上 MPEG 标准己经成功应用在了很多地方，包括数字 音频广播、广播信号的存储、广播信号在 ISDN 的传播、数字电视伴音以及网络流 媒体和便携式音频
15、播放等。 MPEG Audio 编码主要是采纳两种感知编码，一种叫做感知子带编码(Perceptual Sub- band Coding)，而另一种则是由杜比实验室(Dolby Laboratories)所开发的 Dolby AC- 3(Audio Code Number 3)编码。简称 AC- 3。它们都是利用人耳的听觉系统的特性 华中科技大学硕士学位论文 3 来压缩数据，只是压缩数据的算法不同。 MPEG 的音频压缩标准是第一个高保真音频压缩的国际标准3，另外的一些压 缩算法一般都是关于语音压缩，或者普通质量的音频压缩，前者如 CELP，后者如 ADPCM。为了更好地了解 MPEG 音频标
16、准的发展现状以及未来的趋势，下面简单 来回顾一下 MPEG 音频标准的发展历程： 1993 年，正式编辑出版了 MPEG- 1 ISO/IEC 11172，其音频编码部分为 11172- 3, 其相应的编解码器4结构如图 1.2 和图 1.3 所示，主要特性如下5： 1) 音频采样率为 32k，44.1k，48kHz； 2) 压缩比特流可以支持一到两个声道； 3) 可以预先指定编码比特率，范围为 32kbps/channel到 224kbps /channel； 4) 有可选三层编码方式，从上到下编码复杂度依次增加，编码质量也越高， 其 第三层编码方案，就是现今流行的 MP3。 图 1.2 MPEG
