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数字音频编解码器

2003-12-01 Skip Pizzi 依马狮网


    数字音频编解码是目前支持全部新兴的声音广播和分配格式的基本技术。因此,了解其运行、价值和各自的特征对于广播专业人士可能是有用的信息,在设计未来的制作和传输系统中他们目前正面临重要和影响深远的选择。
    数字音频纯净的质量广为人知,但其代价也是高昂的。产生这样的保真度所要求的数据量极大。听众为获得满意的高质量声音体验实际上不需要此数据的全部。只要您保留有价值的比特,您可以把信号内大部分的比特丢掉。
    知道保留哪些比特是编码算法的任务。其显见的好处是在无大的音质降低的条件下大幅降低对数据存储或传输带宽的需求。
    编解码器实施有损压缩,意味着编码期间删除的数据永远不能恢复了。而无损压缩(如PKZIP、WinZip或StuffIt等的文件打包系统采用的类型)中,编码处理中删除的全部比特在解码阶段全部可以重建。
    无损压缩并非简单地寻求更有效的冗余比特图编码方式,相反它利用终端用户的知觉缺点,因此能采取在无显而易见影响的前提下大幅减少数据的方式自适应地处理数据。这意味着有损系统是针对某一被处理的特别类型数据而设计的,而无损压缩可以适用于任意类型的数据文件。通常无损压缩系统最多只能压缩文件尺寸到1/2或1/3,而有损系统能降低高质量音频数据比特率到1/10或更少。
    有损音频编解码器利用称为掩蔽的人耳听觉现象,利用掩蔽,较大的声音降低听众聆听邻近频率处较安静声音的能力。通过降低数字音频信号的分辨率,编解码器被编程以利用此能听度的暂时降低。这样一来必然增加信号内的噪声和失真,但如果此编解码器把这些讨厌信号置于由掩蔽产生的倒灵敏度流动区域,此劣化一般是可以忽视的。此所谓的噪声整形技术对于编解码器在采用线性编码时会产生非常讨厌的声音的数据率下产生与CD相匹敌的音频质量的能力是非常关键的。因此,不需要10MB/min,低于1MB/min就能产生高保真音频,这是编码效率一个数量级的提高。
    但像任何高效的技术一样,数据压缩在应用中也有局限性。其中一个特别严重的问题是多代效应,当音频信号在从音源到终端用户的路径上被相同或不同的编解码器重复编码/解码,就可能发生此效应。因此应用这些技术时必须全盘系统考虑。
    许多公司和标准组织正在坚持不懈地改善编解码性能,在给定的比特率下可以达到的最佳音频质量还在不断提高。目标是与CD的感觉音频质量相媲美,而目前最新的编解码器欲在64kb/s范围内实现此目标。尽管某些专业人士能在某些条件下听出编码失真,但实际目标是对准典型环境下的主流听众。编码失真的能听度还随着音频内容的变化而变化。往往是话音内容,而非音乐,最突出暴露编码失真。这也许与直觉相抵触。
    目前这些低码率(LBR)编解码器用于计算机上的因特网流式媒体,或用于在专用消费电子硬件(如MP3播放机和卫星收音机)上广播或下载音频。这些方案间的主要区别在于前者涉及一条与计算机设备的双向线路,允许频繁地下载解码器更新软件;而后者通过单向或离线线路寻址专用设备,意味着此编解码器的解码器通常是在工厂“严格锁定的”。因此,由于后续变化可能使传统设备不兼容,在消费电子硬件情况下的编解码器选择更关键,耗时也较多。注意这并非完全排除专用设备未来的性能改善。尽管在这些消费产品中解码器必须维持不变,但广播机构的编码器仍可以继续改善其压缩信号的创建,而且只要其输出始终忠实于标准格式。在格式有效期一般这能有20%~30%的质量改善。
    对于更新的消费设备来说,凭借单边的纯解码扩展也可以提高其标准信号的解码能力,就像目前基于DSP的新型FM接收机声音优于早期机型,或Dolby Pro-Logic性能优于原来的Dolby Surround性能,但又不需要改变内容的编码格式。在当前的编解码器中,类似这样的技术称为频带复制(SBR),有别于MP3的mp3PRO或AAC的aacPlus。
    业界另一最新消息是采用专有的“预处理”。就像常规的广播音频处理,但这些处理器计划用特别方式制备信号,使之经受得住编解码器的编码和解码处理并有更高的保真度。最近的一个例子是Neural Audio的Neustar系统,它目前在XM卫星广播系统中用作aacPlus编解码器的一种预处理器。
    并非所有编解码器都是不相上下的,因此选择很重要。编解码器之间的差别有技术上的和商业上的。
    在技术方面,每个编解码器是为某一目标功能而优化的,虽然它们大多数都能工作在各种比特率和环境下,但始终有一个工作“舒适点”。
    这对目前的HD Radio系统提出了一个特殊的问题,因为其开发商计划对AM和FM系统采用一种编解码器,但两种系统的比特率大不相同。AM系统采用36kb/s,这是在在线领域的“拨号”上网比特率范围内,而FM系统采用的96kb/s被视为宽带环境的低端。并非全部编解码器在此广范围内都能最佳工作,这是Ibiquity的PAC编解码器目前面临的难题。此解决方案可能要求为系统增添一个辅助编解码器,或选择一个能很好地自适应于各种要求的数据率的编解码器。
    商业方面,采用者把这些编解码器置于其产品内需付的许可费用也千差万别。有些编解码器由其拥有者单方面发放许可,即专有系统,而其它的则由许可证管理部门发放。基于标准的系统根据合理和非歧视条款向所有实施者发放许可,而格式通常在相当长时间内是冻结的,而专有系统无这种本质的保证。另一方面,专有系统现在普遍向采用者提供便宜的许可项目,因此根据应用的情况,哪一种方案都可能有益。

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