（通信与信息系统专业论文）音频mpeg1层1的实时编解码的tms320c31实现.pdf

1c ab s t r a c t mp eg i s t h e mo s tp o p u l a ro f m o v i n g p i c t u r e s e x p e r t s gro u p , i t e s t a b l i s h e s g u i d e l i n e s f o r t h e c o m p r e s s i o n o f h i g h - q u a l i t y d i g i t a l a u d i o s i g n a l s . t h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e d e v e l o p m e n t a n d c h a r a c t e r s , a n a l y s e s t h e mp e g - 1 p a r t 3 a u d i o o r d e r o f a n d d e c o d i n g , t h e d i c t a t e s t h e f u n c t i o n o f d e r p a i r c o d i n g ( c o d e c ) , b u t i t d o e s n t s p e c i f y t h e f o r m t o t h i s p a p e r m a i n l y s t u d y s h o w t o i m p l e m e n t t h e r e a l - t i m e i m p l e m e n t t h e mp e g - 1 a u d i o c o d i n g a n d d e c o d i n g o n a d s p c h i p , d i s c u s s e s s o m e o f t h e p r o b l e m s i n h e r e n t i n t r a n s l a t i n g t h e a b s t r a c t io n s o f t h e s t a n d a r d in t o a s s e m b l y c o d e . t h i s p a p e r e m p h a t i c a l l y p r e s e n t s a f a s t a lg o r it h m f o r a n a l y s i s s u b b a n d f i l t e r b a n k a n d s y n t h e s i s s u b b a n d f i l t e r b a n d , a n d p re s e n t s th e m o d i f ie d a l g o r i t h m u s e d f o r p s y c h o - a c o u s t i c m o d e l a n d d y n a m i c b i t a l l o c a t i o n , t h a t i s s u i t a b l y u s e d f o r d s p c h i p . i n t h e t e s t , i s e l e c t t h e fl o a t i n g - p o i n t d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) t ms 3 2 0 c 3 1 o f t i c o m p a n y t o m a k e t h e s y s t e m , a n d p r e s e n t s a s c h e m e t o a d a p t t h e l i m i t a t i o n o f re a l - t i m e a n d h a r d r e s o u r c e s . i n t h e t e s t , i u s e a s s e m b l y l a n g u a g e t o p r o g r a m d i r e c t l y , s o t h e p r o gra m h a s l e s s r e d u n a n c e . t h e a l g o r i t h m h a s b e e n t e s t e 氏a n d h a s a g o o d p e r f o r m a n c e . t h e r e s e a r c h h a s a c e r t a i n o f a c a d e m i c a n d a p p l i c a t i o n v a l u e . a t l a s t , t h i s p a p e r p o i n t s s u g g e s t i o n o ni n v e s t i g a t i o n s . k e y wo r d s : mp e g - 1 l a y e r 1 , a n a l y s i s s u b b a n d f i l t e r b a n k , p s y c h o - a c o u s t i c mo d e l b i t - al l o c a t i o n , s u b b a n d f i l t e r ba n d . 第一章简介 第一节 课题的提出和意义 运动图像及其伴音通用的压缩编码技术是多媒体计算机、 多媒体数据库、 多 媒体通信、 常 规电 视数字化、 高 清晰 度电 视 ( h d t v ) 以 及交互式电 视( i n t e r a c t i v e t v ) 系统中的关键技术，目 前开展有许多应用项目 ， 包括: 家庭用卫星广播业务 ( b s s - b r o a d c a s t i n g s a t e l l i t e s e r v i c e t o t h e h o m e ) 、 地面数字电 视 广播( d t t b - d ig i t a l t e r r e s t r i a l t e l e v i s i o n b r o a d c a s t ) 、电 子影院 ( e c - e le c t r o n i c c in e m a ) 、电 子新闻 采 集系统( e n g - e l e c t r o n i c n e w s g a t h e r i n g ) 、 个人通信( i p c - i n t e r p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n ) 、 多媒体邮件( m m m - m u l t im e d i a m a i l in g ) 、 网络数据库 ( n d b - n e tw o r k e d d a t a b a s e s e r v i c e ) 、 家庭电视剧场( h t t h o m e t e l e v i s i o n t h e a t re ) 、 遥控监视( r v s - r e m o t e v i d e o s u r v e i l l a n c e ) 以及电视点播系统 ( v o d - v i d e o o n d e m a n d ) 等 为了 解决这些应用项目 中的传输和存储问 题一定要采用压缩编码技术. 从原 始数据中去除信息的时间冗余、空间冗余、信息嫡冗余、结构冗余、知识冗余、 以 及视觉冗余等，以 便提高信息处理、 传输和存储的效率.从1 9 4 8 年o l i v e : 提 出 p c m 编码理论开始， 迄今五十多年的历史， 很多专家和工 程师为此付出了自 己的聪明才智. 他们先后提出了许多编码方案， 例如: 1 9 7 0年 g r e e f k e s和 r i e m e n s 提出了 连 续可 变斜率 增量 调制 编 码 ( c v s d ) , 1 9 7 7 年p .n o l l 提出了 变换域 编 码( a t c ) . 1 9 8 1 年r .e .c r o c h i e r e 提出 子带 编 码( s b c ) , 1 9 8 4 年n .s .j a y a n t 提出 了 差分脉冲调制( d p c m ) . 1 9 8 5 年j .m a k h o u l 提出了 参数或波形矢量编码( v q. 前几年世界上很多大型国际性公司为了开发多媒体计算机系统以 及通信系 统， 专门 研制了自 己的 视频音频信息 压缩解压缩算法， 如i n t e l 公司d v i 系统中 的p l v算法。 为了 提高速度， 这些大公司投入了 大量研究经费 ， 设计制造了专用 芯 片 ( 如i n t e l 公 司的8 2 7 5 0 芯片 ) . 当 时 在 市场 上 取得了良 好的 经 济效 益 和社会效 益.但是随着近几年国际标准化组织 i s o ( t h e i n t e rn a t i o n o r g a n iz a t i o n f o r s ta n d a r d i z a t io n ) 和 i e c ( i n t e rn a t i o n a l e le c t r o t e c h n i c a l c o m m is s io n ) 先后制定 了:i s o a e c 1 0 9 1 8 ( 连续色调静态图 像的数字压缩和编码) ， i s o / i e c 1 1 1 7 2 ( 具有 1 .5 m b i t/ s数据传输率数字存储媒体运动图像及其伴音的编码 m p e g - 1 ) 以及 c c i t t 指定的h .2 6 1 ( p * 6 4 k b p s 视声 业务 视 像 编码方 案 ) 等国 际 标 准， 使 得上述不 符和国际标准的产品进一步受到限制， 因此本人选择了 mp e g作为课题研究方 第二节 mp e g的发展 标准化是产业活动成功的前提.为了 规范和推动多媒体的发展， 国际标准化 组织 i s o于 1 9 8 8年就成了一个致力于制定有关运动图像压缩编码的组织 m p e g ( m o v i n g p i c t u r e e x p e r ts g r o 叩 ) . m p e g组织在工作一开 始就 考 虑到相关标 准化组织的研究成果， 如 j p e g和 h .2 6 1标准等. i s o对移动图像专家组 ( mp e g ) 建议提出了 几种编码方案， 这促进了有关图 像和语音压缩的全球标准 的发展.在1 9 9 2 年m p e g正式推出了i s o / i e c 1 1 1 7 2 标准草案， 即普遍称为的 m p e g - 1 , 1 9 9 3 年 它被正 式 通过. 由 于多 媒体 技术、 数字电 视技 术、 多 媒体 通信 以及交互电视技术的发展， 对视频音频分辨率和传输率提出了更高的要求， i s o / i e c在 1 9 9 4 年又推出了i s o / i e c 1 3 8 1 8 m p e g - 2 标准. 随着多媒体技术的不 断更新和发 展， 通信、 计 算机与电 影、 电 视、 等娱乐业的 迅速融 合， 对多媒体业务 提出了 高效 率、高 交互性等要 求.在这种背景下， i s o的m p e g于1 9 9 8 年在己 有的m p e g - 1 / 2 的基础上制定了 新的m p e g 一标准. m p e g 一无论在音频还是在 视频都做了不少改进 m p e g 的 标准还在随着人们对多媒体的更高需求而继续发展.虽然它还在 继续改进， 但是因 为高级版本是在低级版本的 基础上进行改 进， 它的 版本之间有 共同 之处.首先根据比 特率的 不同 要求编码音频可分为 层1 、 层2 和层3 . 其次 ， 其心理声学模型都有两个， 分别用于层 1 . 2和 3 .它们最大的不同是比特流语 法不同，帧结构不同流。 本课题是从mp e g - 1 为基础开展研究工作. 第三节 mp e g - 1 的概述 m p e g - 1 是理解和应用其他各版本的基础. m p e g - 1 音频标准描述了压缩图 像及其伴音成为数据传输率为 1 .5 m b it / s e 。 的框架.标准的第 3 部分单独描述了 音频部分， 并且给出了一个通用的编码和解码的流程的概述. m p e g - 1 音频标准 的主要目的是在减小比特率的情况下传输高质量的音频信号. 此标准适用于语 音信号和非语音信号.典型的实时m p e g语音压缩的信号是 c d音乐录制、电 影声道、数字电台广播和用于i n t e rn e t 的多媒体数据流. m p e g - 1 音 频 标准 ( i s o / i e c 1 1 1 7 2 - 3 ) 建立了 一 种高 质量数 字 语音 信号的 导向 . 这个标准定义了 编码器和解码器的功能， 但是有意对其具体实现没有细致规定， 以使设计者可以根据自己的需求更有效的提出自己的实行方案. 此外标准还给 出了不同的层以适应对不同的数据压缩率和数据传输率的要求层号随编码器 的复杂性和性能一起增加.其中层 i是相对基本的压缩算法， 相对容易实现并 可达到所要求的压缩率和信号质量; 层 2和层 3增加了算法的复杂度， 也相应 的提高了 相同信号质量下的压缩率.同时， 标准给出了两种心理声学模型， 通过 模拟人耳的听觉过程以达到压缩的目 的. 其中 模型 1 可用于层 1和层2 ， 模型2 可用于层2和层3 . 具体的选取可根据具体的要求确定.表 1 列出了 各层的主要 选项 表 1 m p e g - 1 各选项列表 压缩率人耳模型采样率 层 l3 2 k b i tt s 4 4 8 k b i t / s心理声学模型 13 2 k hz 层 2 3 2 k b i t / s 3 8 4 k b i t / s 心理声学模型1 4 4 . 1 k hz 心理声学模型2 层 33 2 k b i t / s 3 2 0 k b i t / s心理声学模型24 8 k hz 本课题采用3 2 k b it/ s 的采样率， 用层i 标准 和心理声学模型1 来实现语音的 实时编解码. mp e g - 1 音频编解码的过程如图 1 所示. 线性 p c m信号编码比特流 图1 mp e g - 1 编解码框图 第四节 d s p及其产品概述 一数字 信号 处 理 ( d s p , d ig it a l s ig n a l p r o c e s s ) 概 述 数字信号处理是信号与信息处理的一个分支学科，己有很长的发展历史. 但由于它在电子学、 计算机、 应用数学等学科中的广泛应用仍然是当今研究的热 点 数字信号处理相对于模拟信号处理有很大的优越性， 表现在精度高、灵活性 大、可靠性好、易于实现自 适应算法、易于大规模集成等方面. 连续信号的基本数学模型是基于 1 9世纪提出的拉普拉斯变换和傅氏变换， 它通过适当的扩展和适当的解释可 变为离散信号的z 变换 1 9 6 5 年， 库利( c o o l e y ) 和图 基( t u k e y ) 发 表了 著 名的 快速 傅氏 变换 任 f t , f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ) ， 极大 地 降低了 傅氏 变换的计算量， 从而奠定了 数字信号的实时处理的基础. 近年来， 在 d s p的各种快速算法、模糊和遗传算法、神经网络等方面都不断有所发展. 二数字信号 处 理 器 ( d s p , d i g it a l s i g n a l p r o c e s s o r ) 的 特点 1 d s p 结构特点 数字信号处理有别于普通的科学计算与分析， 它强调运算的实时性， 因此数 字信号处理器除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外， 针对实 时数字信号处理， 在处理器结构、指令系统、指令流程上做了很大的改动. 其结 构特点总结如下: d s p 普 遍 采用了 数 据总 线 和 程序总 线 分离的 哈 佛结 构 及改 进的 哈 佛结 构 ， 比传统的冯.诺依曼结构有更高的指令执行速度; d s p大多采用流水技术， 即每条指令都由片内多个功能单元分别完成取 指、译码、取数、执行等多个步骤， 从而在不提高时钟频率的条件下减 少了每条指令的执行时间.; 片内 有 多 条 总 线 可 以 同 时 进 行 取 指 令 和 多 个 数 据 存 取 操 作 ， 并 且 有 辅 助 寄存器用于寻址， 它们可以在寻址访问前或访问后自 动修改内 容， 己指 向下一个要访问的地址. 针对滤 波、 相关、 矩阵运算等需 要大量乘法累加运算的 特点 ， d s p 配有独 立的乘法器和加法器， 可在一个周期内完成相乘和累加两个运算. 大大 加快了f f t的蝶形运算速度; 许多d s p 带 有d m a通道 控 制器 ， 以 及串 行 通信口 等 ， 配合片内 多总 线 结构， 数据块传送速度大大提高. 配有中 断处理器和定时控制器， 可以方便地构成一个小规模的系统; 具有软、硬件等待功能， 能与各种存储器接口. : 2 d s p 适用于实时数字信号处理的应用的功能: 数字 信号处理器( d s p ) 面向 高 性能、 重复性、 数值运算密集型的 实时处理， d s p 本身具有以下功能以 适应实时数字信号处理的应用. . 单指令周期的乘、加操作; . 特殊的高速寻址方式， 可以 在其他操作进行的同时完成地址寄存器指针 的修改， 并具有循环寻 址、 位反序寻 址功能 循环寻址用于f i r滤波器， 可以省去相当于延迟线功能的 大量数据移动， 用于f f t则可以 紧凑的存 放旋转因子表; 位反 序利于f f t的快速完成.; . 针对实时处理所设计的存储器接口 ， 能在单指令时间内 完成多次存储或 v 0设备访问; . 专门的 指令流 控制， 具有无附 加开 销的 循环功能以 及延迟跳转( 相当 于跳 转) 指令; . 专门的 指令集和较长的指令字， 一个指令字同时控制片内多个功能单元 的操作; . 单片系统， 易于小型化设计; . 低功耗， 一般为。 . 5 - 4 w 采用低功耗技术的d s p 只有0 . 1 w 可用电池供 电， 对嵌入式系统很合适. d s p的这些特点使得它与其他处理器相比 运算速度要高的多， 以在数字信号处 理中常用的f f t 、 相关运算为例， 高性能的d s p不仅处理速度是通用微处理器 ( m p u ) 的4 - 1 0 倍， 而 且 可以 流 水无间 断 地完 成数 据的 实时 输 入 / 输出 . 三 d s p 产品简介 一般认为7 0 年代后期推出的i n t e l 2 9 2 0 是第一块脱离了通用性处理器结构的 d s p 芯片. 1 9 8 0 年前后n e c 推出了ii p d 7 7 2 0 ， 它具有专门的硬件乘法器， 从而被 认为 是第 一 块单片d s p 芯 片 .t i ( t e x a s i n s t r u m e n t s ) 于1 9 8 3 年 推出了t m s 系列 ， 标志着实时数字信号处理领域的重大突破. 它们有着很强的生命力， 得到了广泛 的应用. 从 1 9 8 5 年的t i 公司的t m s 3 2 0 c 1 0 生产以来， d s p的发展大致经历了三个 阶段， 也形成了d s p 产品的三个档次: 第一阶段是以t ms 3 2 0 c 1 0 / c 2 x 为代表的 1 6 b i t 定点d s p . 目 前这类产品仍在广泛使用， 但代之以 更为先进的a d s p 2 1 x x , t m s 3 2 0 c 2 5 / c 5 x / c 2 x x / c 5 4 x等型号. 定点d s p可胜任大多数工作， 但在某些 场合， 如雷达、声纳信号处理中，数据的动态范围很大， 按定点处理会发生数据 溢出 或下溢， 严重时处理无法进行. 如果用移位定标或用定点模拟浮点运算， 程 序的执行速度将大大地降低. 第二阶段推出了3 2 b it 浮点 d s p , 目 前的代表产品 包括:a d s p 2 1 0 2 0 . t m s 3 2 0 c 3 x等型号. 浮点d s p 的出 现解决了定点d s p的问 题. 它有很大的数据动态范围， 3 2 b i t 的数据动态范围为1 5 3 6 d b . 浮点d s p 的处理 性能在许多 情况下都要比定点d s p 高 得多 ， 它可以 完成3 2 位定点运算， 具备更 大的存储访问空间， 而且最新发展的并行d s p 无一例外地采用了 浮点格式， 此外 高级 语言( 如c语言 ) 编译器主要面向 浮点d s p , 这使 得普通计算机上的 源程序可 以移植到 d s p设计中而无需大的修改.最近几年， 又推出了性能更高的第三代 处理器， 包括并行d s p 和超高性能d s p , 如a d s p 2 1 0 6 x , t m s 3 2 0 c 4 x以 及新近 推出的t m s 3 2 0 c 6 7 x , a d s p 2 1 1 6 。 等型号 .由于v l s i 技术的发展已 经受到其 开关速度极限的限制， 进一步提高 d s p主频所遇到的难度和付出的成本越来越 大 ， 单处理器性能的 提高空间 也受到限制， 为 此， 在d s p 研制中引入了 并行处理 技 术 . t m s 3 2 0 c 6 x 进一步 发 展了 超常 指 令字 ( v l i w ) 和多 流水线技 术.d s p 并行 技术的主流是向片外/ 片间并行发展， 因为这种并行可以不受限制地扩大并行规 模. 以t m s 3 2 0 c 4 x和a d s p 2 1 0 6 x为代表的并行d s p 为用户提供了设计大规模 并 行 系统的 硬件基 础， 它 们 都 提 供了6 个通信 ( 链路 ) 口 ， 并为 共享总 线系 统的设 计提供了相应的总线控制信号线， 可以组成松祸合的分布式并行系统和紧祸合 式的总线共享式并行系统. 本课题使用具有较先进技术的3 2 比 特浮点d s p 芯片t ms 3 2 0 c 3 1 构成系统 进行试验和研究. 第二章 编码 编码器由四个部分组成:子带分析滤波、比 特分配、 样点量化和帧打包，以 及心理声学模型。 子带分析滤波的结果根据心理声学模型的输出被量化，再与 比 特分配、 量化因子组成帧。 完成这一操作有两种方法: 用软件或用硬件. 对 第一种方法，可以 用高级语言将协议翻译成代码，如c语言完成。 其优点是完 成周期短，投入少;缺点是需要有平台支持。 对于第二种方法，可以 制造专用 芯片， 其优点是效果较好， 缺点是研究周期长， 投入大， 使用不灵活。 本课题试 用汇编语言直接编写程序代码， 代码赘余少， 效率高， 可直接存入e p r o m中使 用而无需其它平台; 修改灵活。 此外， 本方法对于协议中规定的不利于实时处理 的部分加以改进， 通过快速算法和近似处理等方法简化了 运算， 满足了 系统对于 实时处理的需要， 并达到了听觉的要求。 第一节子带分析滤波 m p e g - 1编码器使用余弦调制， 临界采样的多 相滤波器， 把时域输入信号转 化成为待压缩的子带信号.分析子带滤波器组是把以f s 频率采样的宽带信号分 解成3 2 个均匀分布的子带样点，其标准建议的滤波过程见下: . 输入3 2 个新的音频样点. . 建立一个5 1 2 元素的输入样点矢量. 将新的音频样点移入。 到3 1 的位置， 最老的犯个样点移出. . 样点矢量乘窗矢量得矢量z . 此窗函数的作用是3 2 个并行的带通滤波器. 其典型形式如图2 .窗矢量的系数见附表 1 .标准给出的是5 1 2 点系数， 由于滤波器的系数对称， 因此只需要存贮2 5 7 点数据即可. 7艺间 - yi . 根据 z ;, j ( i= 0 , .6 3 ) 计 算 出6 4 个 矢 量y i 的 值 . 用矩阵计算3 2 个子带的样点s i s i 二 艺m ;k * y k ( i = 0 , . . . 3 1 ) 矩阵的系数用下式计算: m;, = c o s ( 2 i + 1 ) ( k - 1 6 ) * n / 6 4 ) ( i = 0 , . ., 3 1 ; k = 0 , . . ., 6 3 ) . 输出3 2 个子带样点s i 0. 04 0. 03 0. 02 0. 01 0 . 01 200 400 600 图2典型带通滤波器的系数h ( n ) ( 对应于窗函 数c ) 可 以 看 出 如 果 按 照 标 准 的 建 议 去 计 算s i = 艺m ;k * y k 次复乘和4 0 9 5 次复加， 算法. 过程如下: 为了实现实时的单片t m s 3 2 0 c 3 1 ( i= 0 , . . 3 1 ) 需要4 0 9 6 编码本课题提出了快速 s k = 艺 y n * c o s ( 2 * 十 1)( 。 一 1 6 ) 二 / 。 ，( k = 0 , 3 1 ) . 动 s k 一 艺y n + 1 6 * c o s ( 2 k + 1 ) n ;r / 6 4 (k -0 . . 3 1 ) 由 于瓦 箭 (2 k + 1 ) (n - 1 6 )x 1 6 4 1 = - c o s (2 k + 1 ) (n - 1 6 + 6 4 )1x/ 6 4 1 将y n 】 移 位得x n : x n = y n + 1 6 1 ( n = 0 , . .4 7 ) x n = - y n - 4 8 ( n = 4 8 , . . . 6 3 ) 即 : s k = 全 x n * c o s ( 2 k + 1)n x / 6 4 ( 。， .3 1) = r e a l 艺 x n e - (2k + iw 6 4 = r e a l 艺x n e - j - 16 a e - ; 2 . b ,1 ( k = =0 , .3 1 )( 1 ) 因为e - i - 1 6 4 只与n 有关 ， 因 此可以 把x n e - i - 1 6 4 看 作是 一个6 4 点的复 数 序 列， 则 式( 1 ) 就是一 个6 4 点的 基2复 数f f t 变 换 形式.可以 通过 快 速傅立 叶 变 换 ( f f t ) 进 行计 算， 再 取其实 数部 分， 就是 所需 的3 2 个s k 的 值.运用这种 算 法只需用3 8 4 次复乘和7 6 8 次复加. 与标准建议算法相比计算量大大减小， 单片 d s p 芯片实时编码成为可能. 子带分析滤波的改进算法的步骤如下: ( i ) - - ( 4 ) 步与标准建议的相同. 即把最新的5 1 2 点样点矢量加窗， 并得出6 4点 中间变量y n . ( 5 ) 进行f f t 之前的预先处理: x 1 n = y n + 1 6 ( n = 0 , . . . , 4 7 ) x 1 n = - y n - 4 8 ( n = 4 8 , . . . , 6 3 ) x 2 n = x 1 n e - 6 0 ( n = 0 , . ., 6 4 ) ( 6 ) 做6 4 点f f t x 3 k 一 艺x 2 n * e - b i sa ( k = 0 , .,3 1 ) ( 7 ) 取 另 k 的 实 数 部 分 ， 即 为 子 带 分 析 滤 波 的 结 果 . x 3 k = r e a l ( x 3 k ) ( k = 0 ， 二 ， 3 1 ) ( 8 ) 输出3 2 点的子带样值. 第二节 层1编码 层 1编码的过程见图3所示. 图3层 1 编码器流程图 一 比例因子 比例因子是用于压缩的一个因子. 用比例因子除相应的子带样点以 保证需要 传输的各个子带样点的数量级相同. 举例来说， 假设某两个子带样点处理后的值 为 0 . 3 3 5 6 7 8 9 6 3和0 .6 7 8 9 2 4 4 2 1 ， 如果它们需要传输的比 特数分别为4 位和6 位， 那么需要传输的样点值分别为 3 3 5 6和 6 7 8 9 2 4 .这样在解码时就无需判断样点 值所对应的数量级. 对各个子带的每1 2 个子带样点计算一次比 例因子.因为要保证处理后的样 值在。 和1之间 ， 实现方法如下: . 分别确定各个子带 1 2 个样点的最大值. . 根据表 2查出 表中大于此最大值的最小值， 此值即为对应子带的比 例因 子.在具体查找过程中当每个记录的查找概率相等时， 如果用顺序查找法最多 比 较次数为n ， 查找平均比 较数为( n + l ) / 2 ， 即 大约一半的 记录要被检测; 如果用 二 分法查找 所需的 最多比 较 次 数为l o g 2 ( n + 1 ) ， 平 均比 较次 数为: n 旦* 10 9 2 ( n + 1 )- 1 . n 因为此处所用的数据表按照数据值的大小顺序排列， 符合二分法的要求， 并且各 个比例因子的查找概率可以 假设为相等， 因此查找比 例因子时我采用了比较次 数少， 速度快的二分法. 表 2层 1比例因子 标号比例因子标号 t 匕 例因子 2 . 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 . 5 8 7 4 0 1 0 5 1 9 6 8 2 0: 0 .0 0 1 2 3 0 3 9 1 6 5 0 2 9 0 .0 0 0 9 7 6 5 6 2 5 0 0 0 0 1 25 9 9 2 1 0 4 9 8 9 4 8 70 .0 0 0 7 7 5 0 9 8 1 6 9 9 1 1 . 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 : 0 .0 0 0 61 5 1 9 5 8 2 5 1 4 0 .7 9 3 7 0 0 5 2 5 9 8 4 1 00 .0 0 0 4 8 8 2 81 2 5 0 0 0 0 . 6 2 9 9 6 0 5 2 4 9 4 7 41 :; 0 . 0 0 0 3 8 7 5 4 9 0 8 4 9 5 0 . 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 . 0 0 0 3 0 7 5 9 7 9 1 2 5 7 0 31 4 9 8 0 2 6 2 4 7 3 7 20 . 0 0 01 9 3 7 7 4 5 4 2 4 8 0 . 2 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 . 0 0 01 5 3 7 9 8 9 5 6 2 9 ojn，.，、qllb1 ，、4j峥j乌马研4月呀4 0 . 3 9 6 8 5 0 2 6 2 9 9 2 0 50 . 0 0 0 2 4 4 1 4 0 6 2 5 0 0 0 . 1 9 8 4 2 5 1 3 1 4 9 6 0 2 0 . 1 5 7 4 9 0 1 3 1 2 3 6 8 6 0 . 0 0 0 1 2 2 0 7 0 3 1 2 5 0 0 . 0 0 0 0 9 6 8 8 7 2 7 1 2 4 : 0 . 1 2 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 . 0 0 0 0 7 6 8 9 9 4 7 8 1 4 0 . 0 9 9 2 1 2 5 6 5 7 4 8 0 10 . 0 0 0 0 6 1 0 3 5 1 5 6 2 5 : 0 . 0 7 8 7 4 5 0 6 5 61 8 4 3 0 . 0 6 2 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 . 0 0 0 0 4 8 4 4 3 6 3 5 6 2 0 . 0 0 0 0 3 8 4 4 9 7 3 9 0 7 484950515253545556 一 0 . 0 4 9 6 0 6 2 8 2 8 7 4 0 1 0 . 0 3 9 3 7 2 5 3 2 8 0 9 21 : 0 . 0 3 1 2 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 . 0 2 4 8 0 3 1 41 4 3 7 0 0 0 . 0 1 9 6 8 6 2 6 6 4 0 4 6 1 0 . 0 1 5 6 2 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 . 0 1 2 4 0 1 5 7 0 7 1 8 5 0 0 . 0 0 9 8 4 3 1 3 3 2 0 2 3 0 0 . 0 0 7 8 1 2 5 0 0 0 0 0 0 0 0 . 0 0 6 2 0 0 7 8 5 3 5 9 2 5 0 . 0 0 4 9 2 1 5 6 6 6 0 1 1 5:; on.上几2 、ju沪匕u 0 . 0 0 3 1 0 0 3 9 2 6 7 9 6 3 0 . 0 0 2 4 6 0 7 8 3 3 0 0 5 8 0 . 0 0 1 9 5 3 1 2 5 0 0 0 0 0 0 . 0 0 1 5 5 0 1 9 6 3 3 9 8 1 0 .0 0 0 0 3 0 5 1 7 5 7 8 1 3 0 .0 0 0 0 2 4 2 2 1 8 1 7 8 1 0 . 0 0 0 0 1 9 2 2 4 8 6 9 5 4 0 . 0 0 0 0 1 5 2 5 8 7 8 9 0 6 0 . 0 0 0 0 1 2 1 1 0 9 0 8 9 0 0 . 0 0 0 0 0 9 6 1 2 4 3 4 7 7 0 . 0 0 0 0 0 7 6 2 9 3 9 4 5 3 0 . 0 0 0 0 0 6 0 5 5 4 5 4 4 5 0 . 0 0 0 0 0 4 8 0 6 2 1 7 3 8 0 . 0 0 0 0 0 3 8 1 4 6 9 7 2 7 0 . 0 0 0 0 0 3 0 2 7 7 2 7 2 3 0 . 0 0 0 0 0 2 4 0 3 1 0 8 6 9 0 . 0 0 0 0 0 1 9 0 7 3 4 8 6 3 0 . 0 0 0 0 0 1 5 1 3 8 6 3 6 1 0 . 0 0 0 0 0 1 2 01 5 5 4 3 5 n11，飞甘j竹j6月了qoqnu.1 ，扮汽乙，伟乙，乙几艺，一内2内乙凡乙，内、 为了节约传输的比特数并不是传输比例因子本身而是传输比例因子的标号， 在 编码端和 解 码端 有 对 应的 码本， 可 根据 标号 查到 相 应的比 例因 子 比 例因子 标 号 值从0 到6 2 ， 用6 比 特表示， 其中 第一位是最高 位.只有当子带被分配到非零 的比 特数时才传送相应子带的比 例因子. 需要注意的是， 因为在编码端进行量化 时有样点除以比 例因 子的 运算， 而用c 3 1 实现除运算费时费力， 因此我通过计算 表1 的比 例因子的倒数而将除法改为乘运算. 所以编码端需要有比例因子及其倒 数的两个码本. 二. 比特分配 在调整确定的比特率之前， 要先决定用于样点和比例因子编码的比特数. 此值的 确定 可 通过总比 特数c b 减去 标 题的比 特 数b h d r ( 3 2 b it ) , c r c 校验字 b c r c ( 如果采用1 6 b i t 的 话) ， 比 特分配 b b a l ( 在音频数据层i比 特分配为4 比 特代码) 和辅助数据 b a n e 需要的比 特数为: a d b = c b - ( b h d r + b c r c + b b a l + b a n c ) 结果的位数可以用来对子带样点和比例因子编码. 分配过程所用的原则是一帧 的总噪声一 隐蔽比率最小， 其限制是所用的比 特数不超过该帧许可的比 特数.分 配给一个样点的可能比 特数的范围是0 - 1 5 比 特， 不包括 1 比 特分配位. 协议 规定的 分配过程是一个迭代过程， 其中 每迭代一步最大受益的子带样点 的级数不断增加，首先对每个子带计算掩蔽一 噪声比率” m n r， 它是信号一 噪声 比 ” s n r ， 减去信号一 掩蔽比率” s mr ， 即: mnr = s nr - s mr ( 2 ) 信号一 噪声比可以从表 3“ 层 1 信号一 噪声比 ”中查到. 信号一 掩蔽比 率是心理声学 模型的 输出 .然 后将比 特分配给 样点 和比 例因 子 . 样点的比 特数 ， b s p p 和比 例因 子的比 特数、s c f 被初始为零. 接着开始迭代过程. 每个迭代过程包含以下步骤: 表 3层 1信号一 噪声比 级 数比 特数信号一 噪声比 ( d b )级 数比 特数信号 一 噪 声比 ( d b ) 0 0 : : 5 5 . 9 3 6 1 . 9 6 6 7 . 9 8 7 4 .0 1 8 0 . 0 3 8 6 .0 5 9 2 .01 910二12j314巧 51110232047409581911638332767 )，or94q 0(沉刀257名名 住了162531374349 ，飞户jqlj艺0，厂只介 63127255 . 对所有子带定出最小的m n r . 在最小的 m n r之下， 子带量化的准确度应随意一个更高的比 特数而增 力 日 . . 计算该子带的新的m n r值. . 样点比 特数b s p l 根据所需增加的比 特数更新.开始时 ， 如果一 个非零的 比 特数分配给子带， 比 例因子b s c f 需要增加 6比 特. 然后根据下式计算 a b d : a b d = c b - ( b h d r + b c r c + b b a l + b s c f + b s p l + b a n c ) 迭代过 程一直 重复 到 在一个 循 环中a d b 不 小于b s p l 和b s c f 的 任 何可能 增加. 我分析标准建议的迭代过程， 发现其迭代过程耗费时间极不均匀. 可以通过 改进算法更快的 得到所需的比特分配. 因为人耳对低频比 对高频敏感， 因此我将 第3 0 和3 1 子带定为非传输子带，即分配给它们的比 特为。 比 特， 把其它子带的 最低传输比 特定为2比 特. 通过这样的简化， 计算的效果对人耳来讲不会有什么 改变， 而计算复杂度大大减小. 此外要把公式 ( 2 ) 改为: mn r= sn r+m sr 经过这样的改进后， 计算 m n r的步骤变为; . 对3 0 个子带求出的最小ms r即为最小的m n r .用各个子带的ms r减 去最小的 m s r .， 查出 小于此差值的 最大信号一 噪声比 ， 在用此差值( d b ) 对 应表3查出 所需的 比 特数b m e n . . 将最小m n r对应的子带的信号一 噪声比定为7 .0 0 d b ， 即其级数为3 ， 所需 位数为2 比 特， 加上比 例因子所需的6 比 特， 每子带需要至少8 比 特. .用 每 个 子 带 的 所需比 特 数b , , n 加 上2比 特 ， 即 可 得 每 个 子 带 最 少 所 需 的比特分配数. 此时， 剩余的比 特数为: a d b = c b - ( b h d r 十 b c r c 十 b b a l + b s c f + b s p l+ b a n c ) 其中:b h d r - 3 2 b c r c = 1 6 b b a l = 4 b s c f - 3 0 * 6 . 将结果除以3 0 ， 即 a d b = 3 0 * q + r 商q 即 为 每个子带 还需 增 加的比 特分 配 ， 余数r 根 据人耳 对低频敏 感的 原 理 把它均匀加到第。 到第r - 1 子带.因此， 比特分配b 1 n 为: b n = 2 + b ; ;, n + q + 1 ( n om， 二 ，r - 1 ) b n = 2 + b ;, ;, n + q ( n - , . 二 ， 3 0 ) 三. 子带样点处理 子带样点在量化时采用具有对称零表示的线性量化器. 这种表示可以防止 围绕零变化的小的值被量化为不同的级.各个子带样点被归一化， 将它们的值 被比例因子除而得到x ， 再用以下的步骤量化: . 计算a x 十 b . 取最高有效的n位.n代表编码级数所需要的比 特数， 即为各个子带的 比 特分配数. . 将最高 位取反.最高 位 ( m s b ) 取反是为了 避免全 ” 1 ” 的 代码， 因为 全 ， 1 的代码被用于同步字. 系数a和b可以 在表4 层i 量化系数” 中查到. 表4层i 中量化系数 比特数 0 . 7 5 0 0 0 0 0 0 0- 0 . 2 5 0 0 0 0 0 0 03 3 3 3 3 3 3 3 3 0 . 8 7 5 0 0 0 0 0 0- 0 . 1 2 5 0 0 0 0 0 01 . 1 4 2 8 5 7 1 4 3 0 .9 3 7 5 0 0 0 0 0- 0 . 0 6 2 5 0 0 0 0 01 . 0 6 6