杜比AC-3的基本原理

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杜比AC-3的基本原理 [复制链接]

(1)应用听觉掩蔽效应开发出自适应编码系统
AC-3技术的理论基础，也是利用心理声学中的听觉阈值和掩蔽效应，但具体技术上与MPEG标准又有所不同。
对音频信号进行数据处理时，都要进行数据压缩，将没有用途或用途不大的数据信息忽略掉。为此，可以应用听觉阈值和掩蔽规律，省略掉那些多余的数据信息。杜比公司除运用上述声学原理外，还运用了它拥有的杜比降噪技术，开发出数码化的“自适应编码”系统。这是一种极具选择性和抑制噪声能力的自适应编码体系。杜比公司依据音响心理学的基本原理，在未输入音乐信号时，保持宁静状态；当输入音乐信号时，对复杂的音频信号进行分析和分解，用较强信号掩蔽噪声，删除听觉界限以外，或由于频率相近而音量小的信号，经过这种处理方法，可以大大减少需要处理的数据信息。人耳的听觉范围是20Hz－20KHz，在如此宽阔的频带范围内，人耳对不同频率的听觉灵敏度具有极大的差异。杜比AC-3根据这个特性，将各声道的音响频道划分为许多大小不等的狭窄频带，各个子频带与人耳临界频带的宽度相接近，保留有效的音频，将不同的噪声频率紧跟每个声道信号进行编码，即编码噪声只能存在于编码音频信号的频带内。这样能够更陡峭地滤除掉编码噪声，将频带内多余信号和无音频信号的编码噪声降低或除掉，而将有用的音频信号保留下来。AC-3系统精确地运用了掩蔽效应和“公用位元群”的设计方法，使数据压缩效率大大提高，且具有很高水平的音质。该系统的比特率是根据个别频谱的需要，或者音源的动态状况，再分配到每个窄频段，它设计了内置的听觉掩盖程序，可让编码器改变其频率灵敏度和时间分解力，以确保有充足的比特被采用，掩盖掉噪声，而良好地记录音乐信号。
为了高效地利用有限的信息传输介质(光盘、胶片等)，它在压缩音频信号时与其它压缩系统一样，利用人耳的听觉特性，根据当时的具体情况，将某些声道的系数合并(这些声道系数反映了那个频带的能量大小)，以便提高压缩率。并不是所有声道都能进行这种合并。编码器可根据各声道的信息特征自动决定和调整，只有相似的声道才能混合在一起，若压缩比不要求很高时也不必合并。一般情况下，合并的起始频率越高，音质就越好，但要求数据传输速率也越高。当取样频率为48KHz时，合并的起始频率应为3.42MHz；若取样频率为44.1KHz时，起始频率应为3.14MHz。若硬件和软件搭配适当，AC-3的音质可达到或接近CD唱片的水平。
(2)杜比AC-3解码器简易方框图
AC-3解码器输入信号是一组频谱信号，它是由时域信号PCM数据经过时－频变换而得到。该频谱数据流分为指数部和尾数部两部分，指数部分采用差分方式进行编码，编码后的指数代表了整个信号的频谱，可作为频谱包络的参数。其尾数部分按照比特分配的结果进行量化。于是，量化尾数和频谱包络形成了AC-3码流的主要信息，连同其它辅助信号(例如比特分配等)构成了AC-3比特流。

然后，数据信号分为两路。其中一路，将比特流恢复为原来的比特分配之后，确定尾数部量化的大小，再对比特流中的可变数据解码；再接着恢复高频成分，为反频率变换做好准备。最后，将指数部数据和尾数部数据汇合，变换为固定小数点数据，再对它进行频率变换，以获得时间轴数据。已经恢复为时域的数据信号需进行窗处理，进行重叠加算，即可得到5.1环绕声道的输出信号。