音频编码（高泽华）

### 音频编码基本原理与主流标准解析 #### 前言 音频编码技术作为现代数字通信中的核心组成部分，在各种应用场景中发挥着至关重要的作用。本文将深入探讨音频编码的基本原理，主流标准以及关键技术分析等内容。 #### 音频编码分类 音频编码主要依据采样率的不同分为两大类： - **语音编码**：采样率小于8kHz，主要用于电话通话等场景。 - **音频编码**：采样率大于8kHz，适用于音乐播放、视频会议等高质量音频传输需求。 按编码方法不同又可分为： - **波形编码器**：如ADPCM、G.721、G.722、G.726等，特点是基于ADPCM编码，采用简单的预测编码技术。 - **感知编码器**：包括MP2、AAC、WMA、ATRAC、AC3等，这类编码器的特点是基于人耳模型设计，属于变换编码器，其编码内核基于T+SQ（Transform+Scalar Quantization），广泛应用于采样率高于8kHz的音频编码。 - **参数编码器**：例如G.723.1、G.729、G.728、CELP、AMR、EVRC等，基于语音信号的人口模型设计，属于预测编码器，其编码内核基于P+VQ（Prediction+Vector Quantization），主要用于小于8kHz的语音编码。 #### 感知编码器原理 感知编码器的核心在于模拟人耳的听觉特性，利用人耳对于声音信号的不同敏感度来优化编码过程，实现高效的压缩比与高质量的音频再现。其基本原理涉及以下几方面： - **人耳模型**：包括声压级(SPL)、绝对阈值(Absolute Threshold of Hearing)、临界频带(Critical Bands)、同时掩蔽(Simultaneous Masking)、非同时掩蔽(Non-simultaneous Masking)及感知熵(Perceptual Entropy)等概念。 - **人耳的听隔**：人耳能够识别的最小声音强度，这是理解音频编码过程中如何利用掩蔽效应的基础。 - **频域掩蔽与时域掩蔽**：这两种掩蔽效应是感知编码器优化音频质量的关键。 - **巴克谱**：它是根据人耳的带通特性而设计的一种公式，用于描述人耳对于不同频率的敏感度。 #### 心理声学模型 心理声学模型是感知编码器的核心之一，主要包括以下几个步骤： 1. **快速傅里叶变换(FFT Analysis)**：对输入信号进行频域转换。 2. **确定声压级(Determination of the Sound Pressure Level)**：计算信号的声压级。 3. **考虑安静环境下的阈值(Considering the Threshold in Quiet)**：确定信号在静音环境下的可听阈值。 4. **寻找调音和非调音成分(Finding of Tonal and Non-Tonal Components)**：识别信号中的调音和非调音部分。 5. **消减调音和非调音掩蔽成分(Decimation of Tonal and Non-Tonal Masking Components)**：消除不必要的掩蔽效应。 6. **计算个体掩蔽阈值(Calculation of Individual Masking Thresholds)**：根据掩蔽效应确定每个频率分量的最大允许失真程度。 7. **计算全局掩蔽阈值(Calculation of the Global Masking Threshold LTg)**：整合所有频率分量的信息，得到全局掩蔽阈值。 8. **确定最小掩蔽阈值(Determination of the Minimum Masking Threshold)**：找到最严格的掩蔽限制。 9. **计算信号与掩蔽比(Calculation of the Signal-to-Mask Ratio)**：评估信号质量。 #### 典型编解码器模型 典型的音频编解码器模型包括： - **无损解码模块**：负责从编码后的数据恢复原始信号。 - **量化模块**：对信号进行量化处理，减少数据量。 - **时频变换模块**：将时间域信号转换到频域，便于后续处理。 - **其他处理模块**：包括但不限于心理声学模型的应用、噪声抑制等。 #### 各种音频压缩标准 目前市场上存在多种音频压缩标准，包括但不限于： - **MPEG1/2 AUDIO**：早期的标准，广泛应用于CD播放等场合。 - **MPEG2/4 AAC**：高级音频编码标准，提供更高质量的音频压缩方案。 - **MPEG4 AUDIO(1) TwinVQ, BSAC**：进一步提升了压缩效率。 - **MPEG4 AUDIO(2) HE-AAC, HE-AAC v2**：通过引入更高阶的技术实现了更高的压缩比。 - **AC3/EAC3, DTS/DTS-HD**：专为影院和家庭娱乐系统设计的音频编码标准。 - **AVS A, DRA**：中国国家标准。 - **Vorbis**：开源音频编码格式。 - **WMA and WMA Pro**：微软开发的标准。 - **QDesign, Cook**：专为网络流媒体设计的标准。 #### MPEG1 Audio MPEG1 Audio 标准是最早的多媒体音频压缩标准之一，它是为了在1.5Mbps码率下对视频和伴音进行高质量压缩而制定的。该标准包含三个不同的层次，复杂度和音质逐层提升，其中MP3即为第三层(MPEG-1 Layer 3)。 - **技术指标**： - 采样率：32、44.1、48kHz - 码率：32kbps-160kbps/声道 - 声道：单声道、立体声 - **编码器技术框架**： - 层1/层2编码器 - 层3编码器 - **技术特点**： - 层1/层2：采用IS+MS (Interleave Stereo + Mid/Side Coding)、PQF (Polyphase Quadrature Filter)等技术。 - 层3：采用IS+PQF (Interleave Stereo + Polyphase Quadrature Filter)、PQF+MDCT (Polyphase Quadrature Filter + Modified Discrete Cosine Transform)等技术，结合Huffman编码进行高效压缩。 音频编码不仅是一门技术学科，更是连接艺术与科学的桥梁。通过对不同编码方法和技术标准的理解，我们可以更好地把握音频传输的本质，进而推动音频技术的发展与创新。