1、1,集成電路系統(tǒng)和芯片設(shè)計,2,六、音頻壓縮,1、概述 2、心理聲學模型 3、數(shù)字聲音壓縮原理 4、快速傅里葉變換FFT 5、動態(tài)比特分配 6、音頻壓縮標準,3,胡錦濤給青年提5希望：敢于吃苦不怨天尤人,青年要干成一番事業(yè)，就必須不畏艱難、矢志奮斗。廣大青年一定要牢記“憂勞興國、逸豫亡身”的道理，敢于吃苦、勇挑重擔，不怨天尤人、不貪圖安逸，依靠自己的辛勤努力開辟人生和事業(yè)的前進道路；一定要牢記“天下大事、必作于細”的道理，從小事做起、從基礎(chǔ)做起，不沉湎幻想、不好高騖遠，用埋頭苦干的行動創(chuàng)造實實在在的業(yè)績；一定要牢記“艱難困苦、玉汝于成”的道理，迎難而上、百折不撓，不畏懼挫折、不彷徨退縮，在千磨

2、萬擊中歷練人生、收獲成功。,4,三、H264/AVC編碼器,5,四、H264/AVC解碼器,6,六、音頻壓縮,1、概述 2、心理聲學模型 3、數(shù)字聲音壓縮原理 4、快速傅里葉變換FFT 5、動態(tài)比特分配 6、音頻壓縮標準,7,六、音頻壓縮,1、概述 聲音壓縮的可能性 編解碼方法 MPEG標準,8,六、音頻壓縮 聲音壓縮的可能性,聲音信號中的“冗余”部分 幅度非均勻分布，小幅度樣值出現(xiàn)概率高 樣值間的相關(guān)性，取樣頻率越高，相關(guān)性越大 周期間的相關(guān)性，特定瞬間只存在少數(shù)頻率分量 聲音信號中的“不相關(guān)”部分 人耳對信號的幅度、頻率、時間具有有限分辨力 感知編碼（Perceptual Coding）

3、音頻編碼的主流方向,9,六、音頻壓縮 編解碼方法,波形編碼 子帶編碼 變換編碼 參數(shù)編碼,10,六、音頻壓縮 MPEG標準,MPEG1 Motion Picture Experts Group Layer1 Layer2, MUSICAM Masking Pattern adapted Universal Subband Intergrated Coding And Multiplexing Layer3, MP3 MPEG2 MPEG2 BC: 支持多聲道聲音形式; 低采樣率擴展 MPEG2 AAC Advanced Audio Coding 高分辨率濾波器組、預測技術(shù)、霍夫曼編碼,11,六

4、、音頻壓縮 心理聲學模型,頻率掩蔽效應 時間掩蔽效應 前期掩蔽 ，同期掩蔽 ，后期掩蔽 子帶編碼 使各子帶的量化噪聲盡量處于掩蔽閾值以下,12,六、音頻壓縮 頻率掩蔽效應,13,六、音頻壓縮 臨界頻帶,六、音頻壓縮,濾波器組的帶寬與臨界頻帶帶寬的比較,15,六、音頻壓縮 時間掩蔽效應,16,六、音頻壓縮 動態(tài)比特分配,分配原則：使量化噪聲盡可能處于掩蔽曲線以下,17,六、音頻壓縮 快速傅里葉變換FFT,將PCM信號通過濾波器組轉(zhuǎn)換到32個子帶 將寬帶時域信號分為512個子帶,補償分析子帶濾波 器頻率分辨率不足 既有足夠的時間分辨率,又有足夠的頻率分辨率 足夠高的頻率分辨率可以實現(xiàn)盡可能低的數(shù)據(jù)

5、率 足夠高的時間分辨率可以確保在短暫沖擊聲音信號 的情況下，編碼的聲音信號也有足夠高的質(zhì)量,18,六、音頻壓縮 MUSICAM編碼器原理框圖,19,六、音頻壓縮 心理聲學模型, 利用FFT的輸出值，計算出32個子帶的信號-掩蔽比率 （SMR） ，用以比特分配 SMR=子帶聲壓級(dB)-子帶掩蔽域值（dB) 子帶的聲壓級子帶的最大信強度。 子帶掩蔽域值=絕對掩蔽域值+單獨掩蔽域值 單獨掩蔽域值=有調(diào)掩蔽成份對子帶的掩蔽域值+ 無調(diào)掩蔽成份對子帶的掩蔽域值 有調(diào)掩蔽成份類似正弦波，無調(diào)掩蔽成份類似噪聲,20,六、音頻壓縮 MPEG標準,MPEG1 Motion Picture Experts G

6、roup Layer1 Layer2, MUSICAM Masking Pattern adapted Universal Subband Intergrated Coding And Multiplexing Layer3, MP3 MPEG2 MPEG2 BC: 支持多聲道聲音形式; 低采樣率擴展 MPEG2 AAC Advanced Audio Coding 高分辨率濾波器組、預測技術(shù)、霍夫曼編碼,21,六、音頻壓縮 AAC編碼流程,22,六、音頻壓縮 MPEG標準,MPEG4 最新一代的國際音視頻編碼標準 最先進的音視頻壓縮編碼方法， 具有高度的靈活性和可擴展性。 存儲和廣播等用途為主

7、，MPEG4則增加了通信用途 音頻編碼分為自然音頻編碼和合成音頻編碼兩大類 AAC是構(gòu)成時/頻編解碼器的一個主要算法,23,六、音頻壓縮 MPEG標準,24,六、音頻壓縮 MPEG標準,MPEG-4 AAC LC 應用最多 降低復雜度，提高了編碼效率，較高的聲音質(zhì)量 MPEG-4 HE AAC 增加頻帶復制SBR （Spectral Band Replication） 高頻部分則通過高質(zhì)量的變換算法從低頻部分重建 MPEG-4 HE AAC V2 增加了參數(shù)立體聲PS (Parametric Stereo) 借助立體聲參數(shù)在單聲道信號上合成重建立體聲信號,25,七、信道編碼與差錯控制,1、信道

8、編碼又稱差錯控制編碼 2、信源編碼后的信號必需信道編碼后才能傳送 3、信道編碼: 在信源編碼后的數(shù)據(jù)流中, 人為地加進冗余信息, 使得接收端可以識別和糾正傳輸差錯,26,七、信道編碼與差錯控制,傳輸差錯分類 隨機差錯 突發(fā)差錯 差錯 控制編碼分類 檢錯碼 - -識別和糾正傳輸差錯 糾錯碼 - -糾正傳輸差錯,27,七、信道編碼與差錯控制,奇偶校驗, CRC, fire Viterbi, RS LDPC,28,七、信號處理和傳輸 糾錯,香農(nóng)(Shannon) 第二定理 當消息傳輸率低于信道容量時，可以通過某種編譯碼方法，使錯誤概率為任意小 信息系統(tǒng)傳輸模型,29,七、信號處理和傳輸 奇偶校驗,奇

9、偶校驗 A. 1000110101001 0 B. 1000100101001 1 C. 1000101101001 0,30,CRC校驗,CRC校驗的基本思想是利用線形編碼理論，在發(fā)送端根據(jù)要發(fā)送的k位二進制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個校驗用的監(jiān)督碼（即CRC碼）r位，并附在信息后面，構(gòu)成一個新的二進制碼序列共（k+r）位，最后發(fā)送出去。在接收端，根據(jù)信息碼和CRC碼之間所遵循的規(guī)則進行檢驗，以確定傳送中是否出錯,31,CRC算法,原始數(shù)據(jù)為k位，即信息位k位，M（X） 產(chǎn)生的校驗位CRC碼R(X)為r位，則多項式G(X)為r+1位（總是比校驗位多一位） 運算采用的是模2相加的方法,32,生

10、成多項式要求,1.生成多項式的最高位和最低為必須為1 2.當信息任何一位發(fā)生錯誤時，被生成多項式模2 運算后使余數(shù)不為0 3.不同位發(fā)生錯誤時，應該使余數(shù)不同 4.對余數(shù)繼續(xù)做模2除，應使余數(shù)循環(huán),33,應用舉例,設(shè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)m（x）為7位的二進制數(shù)據(jù) 101 1001； CRC-4的生成多項式為g（x）=x4+x3+1，階數(shù)r為4，即11001 首先由發(fā)送端計算出CRC校驗碼，得到所要傳送的碼字，然后在接收端檢測接收到的數(shù)據(jù)是否正確，若有錯誤則根據(jù)出錯位表進行糾錯。,34,發(fā)送端求解CRC,被除數(shù)：數(shù)據(jù)左移4位 即：101 1001 0000 除數(shù)：生成多項式所對應的二進制數(shù) 即：1100

11、1 求解過程：除法求余數(shù)，即模2加（邏輯異或） 101 1001 0000 除法次數(shù) 110 01 1 11 1101 0000 11 001 2 1111 0000 1100 1 3 11 1000 11 001 4 1010 由以上計算得該數(shù)據(jù)的4位CRC校驗位為： 1010 所以發(fā)送端發(fā)送該數(shù)據(jù)時的碼字為：101 1001 1010,35,接收端檢測收到的數(shù)據(jù),被除數(shù)：接收端收到的數(shù)據(jù)為：101 1001 1010 除數(shù)：生成多項式所對應的二進制數(shù) 即：11001 檢測過程：除法運算 101 1001 1010 除法次數(shù) 110 01 1 11 1101 1010 11 001 2 11

12、11 1010 1100 1 3 11 0010 11 001 4 0 接收到的數(shù)據(jù)能夠被生成多項式整除，說明所接收到的數(shù)據(jù)是正確的。,36,接收數(shù)據(jù)錯誤進行糾錯,如果接收到數(shù)據(jù)為：101 1011 1010 檢測過程： 101 1011 1010 110 01 11 1111 1010 11 001 1101 1010 1100 1 1 0010 1 1001 1011 接收到的數(shù)據(jù)不能被生成多項式整除，說明所接收到的數(shù)據(jù)是錯誤的根據(jù)所得余數(shù)1011查生成多項式11001出錯位表便可以知道是第6位出錯了，只要將該出錯位取反便可以得到正確數(shù)據(jù)：101 1001 1010,37,生成多項式110

13、01出錯位表,余數(shù) 出錯位 余數(shù) 出錯位 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,38,國際標準化的四種CRC碼,39,CRC的應用限制性,多位出錯的檢測限制 糾錯的限制 CRC檢錯不糾錯,40,其它糾錯碼,Viterbi Fire RS,41,七、信道編碼與差錯控制,低密度奇偶校驗（LDPC）碼 性能最優(yōu)，接近于很多信道的香農(nóng)極限， 具有低復雜度的解碼算法， 具有并行的解碼結(jié)構(gòu)適合于硬件現(xiàn) 交織技術(shù) 頻率交織 時間交織,42,關(guān)于糾

14、錯碼的學習,糾錯碼的基本思想 Why and how 糾錯的基本過程 工程應用, not 數(shù)學研究 相關(guān)標準的定義和限制,43,八、信號傳輸,1、傳輸方式: 有線, 網(wǎng)絡, 介質(zhì), 無線, 廣播 2、無線傳輸 調(diào)制和數(shù)字調(diào)制 3、數(shù)字調(diào)制的基本方法,44,數(shù)字調(diào)制概述,調(diào)制：通過調(diào)制信號來影響(控制)載波信號的參數(shù)(振幅/頻率或相位)；借助載波信號將基帶信號攜帶到高頻范圍； 數(shù)字調(diào)制: 就是將數(shù)字符號轉(zhuǎn)換為與信道特性相匹配的波形的過程; 調(diào)制信號是由0和1組成的數(shù)字的比特序列形式; 載波使用相應頻率的正弦波 1. 容易產(chǎn)生; 2.可經(jīng)濟的進行傳輸; 數(shù)字調(diào)制的基本方法: 1. 幅移鍵控(ASK

15、) 2. 頻移鍵控(FSK)- 3. 相移鍵控(PSK)- 有恒定的包絡波形, 不易受到幅度的非線性干擾；,45,二進制數(shù)字調(diào)制原理,二進制數(shù)字調(diào)制特點：調(diào)制信號是二進制數(shù)，模擬載波信號的參數(shù)(幅度/頻率或相位)只有兩種變化狀態(tài)； 2ASK: 0-幅度為0；1-幅度為1； 2FSK:載波頻率隨調(diào)制信號變化;0-頻率為1; 1-頻率為2; 實際上相當于兩個不同載波頻率的2ASK信號所組成； 2PSK(絕對相移鍵控):以載波的不同相位直接表示相應的數(shù)字信號;如: 用0和分別表示0和1(2PSK的時間函數(shù))； 由于實際通信時參考基準相位可能發(fā)生隨機跳變，恢復出的載波會存在0,的相位模糊度，解調(diào)的信號

16、極性會完全相反，發(fā)生0和1相互倒置的錯碼。實際采用二相差分相移鍵控(2DPSK) 2DPSK(相對相移鍵控):利用前后相鄰碼元的相對載波相位值表示相應的數(shù)字信號。,46,2PSK的 時間函數(shù),47,二相差分相移鍵控,差分相移鍵控：相對調(diào)相(DPSK). 特點： 載波的相位狀態(tài)不直接與傳送每個數(shù)字比特相對應，不是以固定的未調(diào)載波的相位為基準，而是以相鄰的前一比特所對應的載波相位為基準，來確定現(xiàn)實比特所對應的載波相位的取值，即利用前后兩個相鄰比特所對應的載波相位差來傳送信息。bk：絕對二進制序列； dk：相對二進制序列； 2DPSK可以看作差分編碼后的2PSK；2DPSK是利用前后碼元的相對載波相

17、位值(即相位偏差)表示數(shù)字信息；,48,二相差分相移鍵控,載波現(xiàn)實相位狀態(tài)k，前一符號期的載波相位狀態(tài)k-1; k= k - k-1 ; k0，傳送0； k，傳送1 bk: (參考) 0 0 1 1 1 0 0 1 k: (參考) 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 解調(diào)：不需要恢復本地載波，只要將2DPSK信號延遲一個碼元周期，與原信號相乘，相乘結(jié)果反映了前后碼元的相對相位關(guān)系。經(jīng)低通濾波后可直接進行抽樣判決，從而恢復原始數(shù)字信息，不需再進行差分解碼； 判決依據(jù)：若前一比特與當前比特

18、相同，輸出為+，判決數(shù)據(jù)為0; 若相位相反，輸出為，判決數(shù)據(jù)為1,49,二相差分相移鍵控 dk 初始值為1,載波現(xiàn)實相位狀態(tài)k，前一符號期的載波相位狀態(tài)k-1; k= k - k-1 ; k0，傳送0； k，傳送1 bk: (參考) 0 0 1 1 1 0 0 1 k: (參考) 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 解調(diào)： 判決依據(jù)：若前一比特與當前比特相同，輸出為+，判決數(shù)據(jù)為0; 若相位相反，輸出為，判決數(shù)據(jù)為1 dk 初始值為1與dk 初始值為0， 結(jié)果一樣。,50,二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)性

19、能比較,51,多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng),利用多進制數(shù)字基帶信號去調(diào)制載波的參數(shù) 與二進制數(shù)字調(diào)制相比的特點： 相同碼元傳輸率下，信息傳輸速率高； 相同信息傳輸率下，可降低碼元速率，碼元持續(xù)時間長，即增大碼元寬度。這樣就會增加碼元的能量，并減小由于信道特性引起的碼間干擾的影響。,52,四相絕對相移鍵控,2PSK：每個符號為1比特，載波共有兩種相位狀態(tài)，分別對應0和1；4PSK：每個符號為2比特，載波共有四種相位狀態(tài)，分別對應00，01,10,11；4PSK可以通過載波成正交關(guān)系(載波相位相差90度)的2個2PSK信號的疊加而形成。 串/并變換(數(shù)據(jù)分離):input:01001011-Re:0011;

20、 Im-1001,53,四相絕對相移鍵控,/2-4PSK系統(tǒng) (四種相位0， /2， ， 3/2) /4-4PSK系統(tǒng) (四種相位/4， 3/4， 5/4， 7/4) 正交解調(diào),54,四相差分相移鍵控(DQPSK),DQPSK利用前后碼元之間的相對相位變化來表示數(shù)字信息。,55,四相差分相移鍵控(DQPSK)舉例,解碼邏輯: 雙比特具有相同極性(Ck-1,Dk-1都為0/1):Ak=Ck xor Ck-1, Bk=Dk xor Dk-1 雙比特具有不同極性: Ak=Dk xor Dk-1, Bk=Ck xor Ck-1;,56,四相差分相移鍵控(DQPSK)舉例相對相位初始值為,解碼邏輯: 雙

21、比特具有相同極性(Ck-1,Dk-1都為0/1):Ak=Ck xor Ck-1, Bk=Dk xor Dk-1, 雙比特具有不同極性: Ak=Dk xor Dk-1, Bk=Ck xor Ck-1; 相對相位初始值為與初始值為0， 結(jié)果一樣。,57,DAB中使用的/4-shift 4DPSK 一種特殊的四相差分相移鍵控,符號變換：bk= (1-2aI)+j(1-2aQ) 差分編碼：Zk= bk*Zk-1 第1個符號是相位基準符號，基準相位直接與 Z1有對應關(guān)系；從第2個符號起，4DPSK的載波相位 直接與Zk有確定的對應關(guān)系；而k直接與bk對應,58,/4-shift 4DPSK舉例符號變換

22、bk=(1-2aI)+j(1-2aQ)/2 符號反變換aI=(1-2 A)/2,aQ=(1-2 B)/2 差分編碼 Zk=bkZk-1(l2) 差分解碼 bk=ZkZk-1*,59,/4-shift 4DPSK舉例 基準相位Z1為 符號變換 bk=(1-2aI)+j(1-2aQ)/2 符號反變換aI=(1-2 A)/2,aQ=(1-2 B)/2 差分編碼 Zk=bkZk-1(l2) 差分解碼 bk=ZkZk-1*,60,DAB中使用的/4-shift 4DPSK 一種特殊的四相差分相移鍵控,時而/4系統(tǒng)，時而/2系統(tǒng)，是交替變換的?？傮w上看，有8種相位狀態(tài)，稱為偽八相。但是，不管處于何種相位狀態(tài)，由一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，相位變化只能是/4的奇數(shù)倍。 /4-shift 4DPSK系統(tǒng)是一種總是以前一符號期載波的相位為基準的/4-shift 4DPSK，即基準相位總在變換的/4-shift 4DPSK 優(yōu)點：與普通的4DPSK相比， /4-shift 4DPSK系統(tǒng)的相位