杜比AC-3的基本原理

杜比AC-3的基本原理

(1)應用聽覺掩蔽效應開發(fā)出自適應編碼系統(tǒng)
AC-3技術(shù)的理論基礎，也是利用心理聲學中的聽覺閾值和掩蔽效應，但具體技術(shù)上與MPEG標準又有所不同。
對音頻信號進行數(shù)據(jù)處理時，都要進行數(shù)據(jù)壓縮，將沒有用途或用途不大的數(shù)據(jù)信息忽略掉。為此，可以應用聽覺閾值和掩蔽規(guī)律，省略掉那些多余的數(shù)據(jù)信息。杜比公司除運用上述聲學原理外，還運用了它擁有的杜比降噪技術(shù)，開發(fā)出數(shù)碼化的“自適應編碼”系統(tǒng)。這是一種極具選擇性和抑制噪聲能力的自適應編碼體系。杜比公司依據(jù)音響心理學的基本原理，在未輸入音樂信號時，保持寧靜狀態(tài)；當輸入音樂信號時，對復雜的音頻信號進行分析和分解，用較強信號掩蔽噪聲，刪除聽覺界限以外，或由于頻率相近而音量小的信號，經(jīng)過這種處理方法，可以大大減少需要處理的數(shù)據(jù)信息。人耳的聽覺范圍是20Hz－20KHz，在如此寬闊的頻帶范圍內(nèi)，人耳對不同頻率的聽覺靈敏度具有極大的差異。杜比AC-3根據(jù)這個特性，將各聲道的音響頻道劃分為許多大小不等的狹窄頻帶，各個子頻帶與人耳臨界頻帶的寬度相接近，保留有效的音頻，將不同的噪聲頻率緊跟每個聲道信號進行編碼，即編碼噪聲只能存在于編碼音頻信號的頻帶內(nèi)。這樣能夠更陡峭地濾除掉編碼噪聲，將頻帶內(nèi)多余信號和無音頻信號的編碼噪聲降低或除掉，而將有用的音頻信號保留下來。AC-3系統(tǒng)精確地運用了掩蔽效應和“公用位元群”的設計方法，使數(shù)據(jù)壓縮效率大大提高，且具有很高水平的音質(zhì)。該系統(tǒng)的比特率是根據(jù)個別頻譜的需要，或者音源的動態(tài)狀況，再分配到每個窄頻段，它設計了內(nèi)置的聽覺掩蓋程序，可讓編碼器改變其頻率靈敏度和時間分解力，以確保有充足的比特被采用，掩蓋掉噪聲，而良好地記錄音樂信號。
為了高效地利用有限的信息傳輸介質(zhì)(光盤、膠片等)，它在壓縮音頻信號時與其它壓縮系統(tǒng)一樣，利用人耳的聽覺特性，根據(jù)當時的具體情況，將某些聲道的系數(shù)合并(這些聲道系數(shù)反映了那個頻帶的能量大小)，以便提高壓縮率。并不是所有聲道都能進行這種合并。編碼器可根據(jù)各聲道的信息特征自動決定和調(diào)整，只有相似的聲道才能混合在一起，若壓縮比不要求很高時也不必合并。一般情況下，合并的起始頻率越高，音質(zhì)就越好，但要求數(shù)據(jù)傳輸速率也越高。當取樣頻率為48KHz時，合并的起始頻率應為3.42MHz；若取樣頻率為44.1KHz時，起始頻率應為3.14MHz。若硬件和軟件搭配適當，AC-3的音質(zhì)可達到或接近CD唱片的水平。

(2)杜比AC-3解碼器簡易方框圖
AC-3解碼器輸入信號是一組頻譜信號，它是由時域信號PCM數(shù)據(jù)經(jīng)過時－頻變換而得到。該頻譜數(shù)據(jù)流分為指數(shù)部和尾數(shù)部兩部分，指數(shù)部分采用差分方式進行編碼，編碼后的指數(shù)代表了整個信號的頻譜，可作為頻譜包絡的參數(shù)。其尾數(shù)部分按照比特分配的結(jié)果進行量化。于是，量化尾數(shù)和頻譜包絡形成了AC-3碼流的主要信息，連同其它輔助信號(例如比特分配等)構(gòu)成了AC-3比特流。
圖2.3.4是AC-3系統(tǒng)的解碼方框圖，它是AC-3編碼的逆過程。AC-3比特流首先進入緩沖級，然后以幀為處理單元進行誤碼糾錯，經(jīng)糾錯處理后對比特流中的固定數(shù)據(jù)(指數(shù)數(shù)據(jù)、匹配系數(shù)、模式符號等)解碼，使數(shù)據(jù)比特流恢復為原來的比特分配。

然后，數(shù)據(jù)信號分為兩路。其中一路，將比特流恢復為原來的比特分配之后，確定尾數(shù)部量化的大小，再對比特流中的可變數(shù)據(jù)解碼；再接著恢復高頻成分，為反頻率變換做好準備。最后，將指數(shù)部數(shù)據(jù)和尾數(shù)部數(shù)據(jù)匯合，變換為固定小數(shù)點數(shù)據(jù)，再對它進行頻率變換，以獲得時間軸數(shù)據(jù)。已經(jīng)恢復為時域的數(shù)據(jù)信號需進行窗處理，進行重疊加算，即可得到5.1環(huán)繞聲道的輸出信號。

杜比AC-3的特點
(1)配置5.1聲道
將輸入的音頻信號解碼后，可以輸出5.1聲道信號，其中有3個前置聲道(L、C、R)，還有2個后置環(huán)繞聲道(LS、RS)，它們互相獨立，頻響寬度都是全聲頻域，即20Hz－20KHz(±0.5dB)及3Hz－20.3KHz(-3dB)，各頻道的頻響十分寬闊。目前，廣泛應用于音響系統(tǒng)的杜比定向邏輯環(huán)繞聲系統(tǒng)，無法和杜比AC-3頻帶寬度相比。還有，杜比定向邏輯環(huán)繞聲系統(tǒng)實為4聲道系統(tǒng)，即前置左、中、右和后置環(huán)繞聲，它的環(huán)繞聲實為單聲道環(huán)繞聲，兩個后置環(huán)繞聲道重放共同的聲音信號，兩聲道采取并聯(lián)甚至串聯(lián)方式；其環(huán)繞聲的頻響被限制在100Hz－7KHz范圍內(nèi)；另外，它沒有設置獨立的超低音聲道，它是由前置左、右聲道分離出20Hz－120Hz的超重低音，來重放具有震撼效果的超重低音。AC-3系統(tǒng)配置了獨立的超低聲道，其頻響為20Hz－120HZ(±0.5dB)及3Hz－121Hz(-3dB)，要求超低音箱的音量比其它各聲道大10dB，具有更加震撼的低效果。
(2)各聲道全數(shù)字化且互相獨立
AC-3各聲道互相獨立地攜帶不同信號，是全數(shù)字化音頻信號。取樣頻率是32、44.1或48KHz，數(shù)據(jù)傳輸量每聲道為32kb/s－640kb/s，在5.1聲道模式下取典型值384kb/s，在雙聲道模式下典型值為192kb/s。經(jīng)過數(shù)字處理后，5個主聲道的頻率壓縮在20Hz－20KHz范圍內(nèi)。
(3)可將5.1聲道壓縮輸出
由于AC-3的“比特流”內(nèi)對每種節(jié)目方式(單聲道、立體聲、環(huán)繞聲等)都有一個“指導信號”，能使AC-3自動地為使用者指出節(jié)目方式。它可把5.1聲道信號壓縮為雙聲道，以供給錄制常規(guī)VHS錄像帶，或作為杜比環(huán)繞聲的輸入節(jié)目源，以便與它兼容，它甚至可將5.1聲道信號壓縮為單聲道輸出。總之，AC-3可輸出5.1聲道杜比環(huán)繞聲、混合4聲道杜比環(huán)繞聲、雙聲道立體聲及單聲道。將5.1聲道數(shù)據(jù)壓縮后所占頻帶較窄，例如可在LD影碟機的FM調(diào)制的右聲道所占用的頻帶寬度內(nèi)，編入AC-3數(shù)據(jù)編碼，輸出AC-3的RF信號，它的中心頻率取在2.88MHz，可由LD原先的模擬輸出右聲道取出頻率為2.88MHz的AC-3編碼信號。于是，在原有一個模擬聲道內(nèi)就能夠容納5.1聲道的全部內(nèi)容。
(4)經(jīng)過聲音時間校準使音效極為理想
杜比AC-3將所有聲道通過“時間校準”技術(shù)，使每個揚聲器的聲音好像與聆聽者的距離相同，以產(chǎn)生更好的音響效果，其環(huán)繞聲效果不僅是前、后、左、右的聲源定位鮮明，上下的音場也清晰可辨。