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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、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 Layer1 Layer2, MUSICAM Masking Pattern adapted Universal Subband Intergrated Coding And Multiplexing Layer3, MP3 l 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 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 Picture Experts Group Layer1 Layer2, MUSICAM Masking Pattern adapted Universal Subband Intergrated Coding And Multiplexing Layer3, MP3 l 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 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, fire Viterbi, RS LDPC 27 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 0 B. 1000100101001 1 C. 1000101101001 0 29 CRC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 30 CRC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 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 1 11 1101 0000 11 001 2 1111 0000 1100 1 3 11 1000 11 001 4 1010 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 1010 34 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 1 11 1101 1010 11 001 2 1111 1010 1100 1 3 11 0010 11 001 4 0 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：101 1011 1010 检测过程： 101 1011 1010 110 01 11 1111 1010 11 001 1101 1010 1100 1 1 0010 1 1001 1011 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 1010 36 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-12 CRC-16 CRC-CITT CRC-32 38 CRC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 RS 40 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、传输方式: 有线, 网络, 介质, 无线, 广播 2、无线传输 调制和数字调制 3、数字调制的基本方法 43 数字调制概述 调制：通过调制信号来影响(控制)载波信号的参数(振幅/频率或相位)； 借助载波信号将基带信号携带到高频范围； 数字调制: 就是将数字符号转换为与信道特性相匹配的波形的过程; 调制信号是由0和1组成的数字的比特序列形式; 载波使用相应频率的正弦波 1. 容易产生; 2.可经济的进行传输; 数字调制的基本方法: 1. 幅移键控(ASK) 2. 频移键控(FSK)- 3. 相移键控(PSK)- 有恒定的包络波形, 不易受到幅度的非线性干扰； 44 二进制数字调制原理 二进制数字调制特点：调制信号是二进制数，模拟载波信号的参数(幅度/ 频率或相位)只有两种变化状态； 2ASK: 0-幅度为0；1-幅度为1； 2FSK:载波频率随调制信号变化;0-频率为1; 1-频率为2; 实际上相当于两个不同载波频率的2ASK信号所组成； 2PSK(绝对相移键控):以载波的不同相位直接表示相应的数字信号;如: 用 0和分别表示0和1(2PSK的时间函数)； 由于实际通信时参考基准相位可能发生随机跳变，恢复出的载波 会存在0,的相位模糊度，解调的信号极性会完全相反，发生0和1相互倒 置的错码。实际采用二相差分相移键控(2DPSK) 2DPSK(相对相移键控):利用前后相邻码元的相对载波相位值表示相应的 数字信号。 45 2PSK的 时间函数 46 二相差分相移键控 差分相移键控：相对调相(DPSK). 特点： 载波的相位状态不直接与传送每个数字比特相对应，不是以固 定的未调载波的相位为基准，而是以相邻的前一比特所对应的载波相 位为基准，来确定现实比特所对应的载波相位的取值，即利用前后两 个相邻比特所对应的载波相位差来传送信息。bk：绝对二进制序列； dk：相对二进制序列； 2DPSK可以看作差分编码后的2PSK；2DPSK是利用前后码元的相对 载波相位值(即相位偏差)表示数字信息； 47 二相差分相移键控 载波现实相位状态k，前一符号期的载波相位状态k-1; k= k - k-1 ; k0，传送0； k，传送1 bk: (参考) 0 0 1 1 1 0 0 1 k: (参考) 0 0 0 0 dk： 0 0 0 1 0 1 1 1 0 dk=bk xor dk-1 k: 0 0 0 0 0 k-1: 0 0 0 0 0 解调：不需要恢复本地载波，只要将2DPSK信号延迟一个码元周期， 与原信号相乘，相乘结果反映了前后码元的相对相位关系。经低通滤 波后可直接进行抽样判决，从而恢复原始数字信息，不需再进行差分 解码； 判决依据：若前一比特与当前比特相同，输出为+，判决数据为0; 若相位相反，输出为，判决数据为1 48 二相差分相移键控 dk 初始值为1 载波现实相位状态k，前一符号期的载波相位状态k-1; k= k - k-1 ; k0，传送0； k，传送1 bk: (参考) 0 0 1 1 1 0 0 1 k: (参考) 0 0 0 0 dk： 1 1 1 0 1 0 0 0 1 dk=bk xor dk-1 k: 0 0 0 0 k-1: 0 0 0 0 解调： 判决依据：若前一比特与当前比特相同，输出为+，判决数据为0; 若相位相反，输出为，判决数据为1 dk 初始值为1与dk 初始值为0， 结果一样。 49 二进制数字调制系统性能比较 频带宽 度 (频带 利用率) 误码 率 (相同信噪比) 最佳判决门限对信 道特性变化的敏感 度 设备 复杂程度 速度 发射端接收端 2ASK2fs高与接收机输入信号 幅度有关 相近 简单 2FSK|f2-f1|+2fs 最不可取 较低直接比较两路解调 输出的大小来作出 判决，不需设定判 决门限 较复杂中，低 速 2PSK (DPSK ) 2fs低判决器最佳判决门 限为0，与接收机 输入信号幅度无关 ，不随信道特性变 化 复杂高速 50 多进制数字调制系统 利用多进制数字基带信号去调制载波的参数 与二进制数字调制相比的特点： 相同码元传输率下，信息传输速率高； 相同信息传输率下，可降低码元速率，码元持续时间长，即增大码元宽度 。这样就会增加码元的能量，并减小由于信道特性引起的码间干扰的影响。 51 四相绝对相移键控 2PSK：每个符号为1比特，载波共有两种相位状态，分别对应0和1 ；4PSK：每个符号为2比特，载波共有四种相位状态，分别对应00， 01,10,11；4PSK可以通过载波成正交关系(载波相位相差90度)的2 个2PSK信号的叠加而形成。 串/并变换(数据分离):input:01001011-Re:0011; Im-1001 52 四相绝对相移键控 /2-4PSK系统 (四种相位0， /2， ， 3/2) /4-4PSK系统 (四种相位/4， 3/4， 5/4， 7/4) 正交解调 53 四相差分相移键控(DQPSK) DQPSK利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息。 54 四相差分相移键控(DQPSK)举例 解码逻辑: 双比特具有相同极性(Ck-1,Dk-1都为0/1):Ak=Ck xor Ck-1, Bk=Dk xor Dk-1 双比特具有不同极性: Ak=Dk xor Dk-1, Bk=Ck xor Ck-1; 二进制序列(参考)0010011110 绝对码Ak01011 Bk00110 绝对相位03/2/23/2 相对相位003/20/2 相对 码 Ck001010 Dk000011 相对 码 Ck-1001010 Dk-1000011 55 四相差分相移键控(DQPSK)举例 相对相位初始值为 解码逻辑: 双比特具有相同极性(Ck-1,Dk-1都为0/1):Ak=Ck xor Ck-1, Bk=Dk xor Dk-1, 双比特具有不同极性: Ak=Dk xor Dk-1, Bk=Ck xor Ck-1; 相对相位初始值为与初始值为0， 结果一样。 二进制序列(参考)0010011110 绝对码Ak01011 Bk00110 绝对相位03/2/23/2 相对相位/203/2 相对 码 Ck110101 Dk111100 相对 码 Ck-1110101 Dk-1111100 56 DAB中使用的/4-shift 4DPSK 一种特殊的四相差分相移键控 符号变换：bk= (1-2aI)+j(1-2aQ) 差分编码：Zk= bk*Zk-1 第1个符号是相位基准符号，基准相位直接与 Z1有对应关系；从第2个符号起，4DPSK的载波相位 直接与Zk有确定的对应关系；而k直接与bk对应 57 /4-shift 4DPSK举例 符号变换 bk=(1-2aI)+j(1-2aQ)/2 符号反变换aI=(1-2 A)/2,aQ=(1-2 B)/2 差分编码 Zk=bkZk-1(l2) 差分解码 bk=ZkZk-1* 二进制序列(相位基 准信号 Z1) 0010011110 绝对 码 aI01011 aQ00110 符号变 换bk A1/21/21/21/21/2 B1/21/21/21/21/2 绝对相 位 0/43/47/45/43/4 相对相 位 0/43/403/4 差分编 码Zk Ek11/211/211/2 Fk01/201/201/2 相对码Ek-111/211/21 Fk-101/201/20 58 /4-shift 4DPSK举例 基准相位Z1为 符号变换 bk=(1-2aI)+j(1-2aQ)/2 符号反变换aI=(1-2 A)/2,aQ=(1-2 B)/2 差分编码 Zk=bkZk-1(l2) 差分解码 bk=ZkZk-1* 二进制序列(相位 基准信 号Z1) 0010011110 绝对 码 aI01011 aQ00110 符号变 换bk A1/21/21/21/21/2 B1/21/21/21/21/2 绝对相 位 0/43/47/45/43/4 相对相 位 5/407/47/4 差分编 码Zk Ek 1-1/211/2 11/2 Fk0-1/201/201/2 相对码Ek-1 1-1/211/2 1 Fk-10-1/201/20 59 DAB中使用的/4-shift 4DPSK 一种特殊的四相差分相移键控 时而/4系统，时而/2系统，是交替变换的。总体上看，有8种相位状态 ，称为伪八相。但是，不管处于何种相位状态，由一种状态变为另一种 状态，相位变化只能是/4的奇数倍。 /4-sh