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1、集成电路系统和芯片设计 王国裕 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
2、千磨万击中历练人生、收获成功。3三、H264/AVC编码器4四、H264/AVC解码器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l 声音信号中的“冗余”部分幅度非均匀分布，小幅度样值样值 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，特定瞬间间只存在少数频率分量l 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
3、、音频压缩 编解码方法 l 波形编码l 子带编码l 变换编码l 参数编码9六、音频压缩 MPEG标准l MPEG1 Motion Picture Experts Group Layer1Layer2, MUSICAM Masking Pattern adapted Universal Subband Intergrated Coding And Multiplexing Layer3, MP3l 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10六、音频压缩 心理声学模型l
4、 频率掩蔽效应l 时间掩蔽效应 前期掩蔽 ，同期掩蔽 ，后期掩蔽 l 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12六、音频压缩 临界频带13六、音频压缩滤波器组的带宽与临界频带带宽的比较 14WAVELETS六、音频压缩 时间掩蔽效应时间声 压 级前掩蔽同期掩蔽后掩蔽掩蔽音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,补偿补偿 分析子带滤带滤 波器频频率分辨率不足 既有足够的时间分辨率,又有足够的频率分辨率 足够高的
5、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) 子带带的声压级压级 子带带的最大信强度。 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19六、音频压缩 MPEG标准l MPEG1 Motion Pic
6、ture Experts Group Layer1Layer2, MUSICAM Masking Pattern adapted Universal Subband Intergrated Coding And Multiplexing Layer3, MP3l 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21六、音频压缩 MPEG标准l 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
7、储和广播等用途为主，MPEG4则增加了通信用途l 音频编码分为自然音频编码和合成音频编 码两大类l 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可变采样率 （Scalable Sampling Rate） MPEG-4 AAC LTP长时预测 （Long Term Prediction） MPEG-4 AAC LD低延迟（Low Delay） MPEG-4 HE AAC 高效率（High Efficiency） MPEG-4
8、 HE AAC V2高效率版本2（High Efficiency V2） 23六、音频压缩 MPEG标准l MPEG-4 AAC LC 应用最多降低复杂度，提高了编码效率，较高的声音质量l MPEG-4 HE AAC 增加频带复制SBR （Spectral Band Replication）高频部分则通过高质量的变换算法从低频部分重建l MPEG-4 HE AAC V2增加了参数立体声PS (Parametric Stereo) 借助立体声参数在单声道信号上合成重建立体声信号 24七、信道编码与差错控制1、信道编码又称差错控制编码2、信源编码后的信号必需信道编码后才能传送3、信道编码:在信源编
9、码后的数据流中, 人为地加进冗余信息, 使得接收端可以识别和纠正传输差错25七、信道编码与差错控制传输差错分类随机差错突发差错差错 控制编码分类检错码 - -识别和纠正传输差错纠错码 - -纠正传输差错26七、信道编码与差错控制奇偶校验, CRC, fireViterbi, RSLDPC27七、信号处理和传输 纠错香农(Shannon) 第二定理当消息传输率低于信道容量时，可以通过某种编 译码方法，使错误概率为任意小 信息系统传输模型 28七、信号处理和传输 奇偶校验奇偶校验 A. 1000110101001 0B. 1000100101001 1C. 1000101101001 029CRC
10、校验 CRC校验的基本思想是利用线形编码理论，在 发送端根据要发送的k位二进制码序列，以一定 的规则产生一个校验用的监督码（即CRC码）r 位，并附在信息后面，构成一个新的二进制码 序列共（k+r）位，最后发送出去。在接收端， 根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检 验，以确定传送中是否出错30CRC算法 原始数据为k位，即信息 位k位，M（X） 产生的校验位CRC码 R(X)为r位，则多项式 G(X)为r+1位（总是比 校验位多一位） 运算采用的是模2相加的 方法31生成多项式要求1.生成多项式的最高位和最低为必须为1 2.当信息任何一位发生错误时，被生成多项式模2 运算后使余数不为0
11、3.不同位发生错误时，应该使余数不同 4.对余数继续做模2除，应使余数循环32应用举例 设待发送的数据m（x）为7位的二进制数据101 1001； CRC-4的生成多项式为g（x）=x4+x3+1，阶数r 为4，即11001 首先由发送端计算出CRC校验码，得到所要传 送的码字，然后在接收端检测接收到的数据是 否正确，若有错误则根据出错位表进行纠错。33发送端求解CRC被除数：数据左移4位 即：101 1001 0000除数：生成多项式所对应的二进制数 即：11001求解过程：除法求余数，即模2加（逻辑异或）101 1001 0000 除法次数110 01 111 1101 0000 11 0
12、01 21111 00001100 1 311 100011 001 41010由以上计算得该数据的4位CRC校验位为： 1010所以发送端发送该数据时的码字为：101 1001 101034接收端检测收到的数据被除数：接收端收到的数据为：101 1001 1010除数：生成多项式所对应的二进制数 即：11001检测过程：除法运算101 1001 1010 除法次数 110 01 111 1101 101011 001 21111 10101100 1 311 001011 001 40接收到的数据能够被生成多项式整除，说明所接收到的数据是正确的 。35接收数据错误进行纠错如果接收到数据为：1
13、01 1011 1010检测过程：101 1011 1010110 0111 1111 101011 0011101 10101100 11 00101 10011011接收到的数据不能被生成多项式整除，说明所接收到的数据是错误的根据所 得余数1011查生成多项式11001出错位表便可以知道是第6位出错了，只要将 该出错位取反便可以得到正确数据：101 1001 101036生成多项式11001出错位表余数 出错位 余数 出错位1 第一位 10 第二位100 第三位 1000 第四位1001 第五位 1011 第六位1111 第七位 111 第八位1110 第九位 101 第十位1010 第十一位 11 第一、二位37国际标准化的四种CRC码CRC码 生成多项式CRC-12CRC-16CRC-CITTCRC-3238CRC的应用限制性 多位出错的检测限制 纠错的限制 CRC检错不纠错39其它纠错码 Viterbi Fire RS40七、信道编码与差错控制低密度奇偶校验（LDPC）码性能最优，接近于很多信道的香农极限，具有低复杂度的解码算法，具有并行的解码结构适合于硬件现交织技术 频率交织时间交织41关于纠错码的学习 纠错码的基本思想Why and how 纠错的基本过程工程应用, not 数学研究 相关标准的定义和限制42八、信号传输1
