AC-3音频压缩编码详解

由美国杜比（Dolby）公司开发的杜比AC-3环绕立体声技术是一种高品质、多声道的数字音频压缩编码技术，它不仅能提供CD质量的音频，而且具有高压缩比，符合ISO对编码算法提出的要求。它已作为美国ATSC数字电视中规定的数字音频压缩编码标准。在高清晰度数字电视（HDTV）、DVD、数字音频广播（DAB）及电影等领域中，获得了广泛的应用。

杜比AC-3系统利用心理声学原理对音频信号进行压缩编码，其采样频率有32kHz、44.1kHz、48kHz，对音频声道采用独立方式，将每个声道的放音频率范围扩展到20Hz～20kHz全频域。杜比AC-3的基本声道有5个，即前方左、右、中声道，后方环绕左声道和环绕右声道。另外还有一个超重低音声道，一共为6个声道，这个超重低音声道的最高频率为120Hz，不能算一个完整的声道，因此又称为0.1声道，这样，加起来便称为5.1声道。

图1-42 AAC编码器的结构框图

1.AC-3系统框图

（1）AC-3编码器接受声音PCM数据，最后产生压缩数据流。AC-3算法通过对声音信号频域表示的粗略量化，可以达到很高的编码增益，其编码过程如图1-43a所示。第一步把时间域内的PCM样值变换成为频域内成块的一系列变换系数。每块包含512个样值点，其中256个样值在连续的两块中是重叠的，重叠的块被一个时间窗相乘，以提高频率选择性，然后被变换到频域内。由于前后块重叠。每一个输入样值出现在连续两个变换块内。因此，变换后的变换系数可以去掉一半而变成每块包含256个变换系数，每个变换系数以二进制指数形式表示，即一个二进制指数和一个尾数。指数集反映了信号的频谱包络，对其进行编码后，可以粗略地代表信号的频谱。同时，用此频谱包络决定分配给每个尾数多少比特数。如果最终信道传输码率很低，而导致AC-3编码器溢出，此时要采用高频系数耦合技术，以进一步减少码率。最后把6块（1536个声音样值）频谱包络、粗量化的尾数以及相应的参数组成AC-3数据帧格式，连续的帧汇成了码流传输出去。

（2）AC-3解码器基本上是编码的反过程，图1-43b是其原理框图。AC-3解码器首先必须与编码数据流同步，经误码纠错和从码流中分离出各种类型的数据，如控制参数、系数配置参数、编码后的频谱包络以及量化后的尾数等，然后根据声音的频谱包络产生比特分配信息，对尾数部分进行反量化，恢复变换系数的指标和尾数，再经过合成滤波器组由频域表示变换到时域表示，最后输出重建的PCM样值信号。

2.AC-3性能特点

（1）语音电平的归一化。当不同的声源重放时，所产生的音量电平不同，而人们又希望不同声源重放产生的语音电平一致。不同声源可能是不同的节目段，不同的广播频段，不同的媒体。AC-3通过在码流中明确地编入音量指示来解决这个问题。

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图1-43 AC-3编/解码器原理框图

a）AC-3编码器原理框图 b）AC-3解码器原理框图

以正常语言的主观电平为参考，AC-3码流中包含有语音电平归一化码字，利用此码字，重放系统可以在听众要求的声压电平和语音统一指示的基础上产生重放音量。可灵活地设置语音电子音量，而语言主观电平仍然保持一致。

（2）动态范围控制。不同的听众希望听到不同的动态范围，大多数听众可能喜欢部分动态范围，而个别听众希望欣赏到原始的全部动态范围。

不同环境对动态范围要求也不同。在许多情况下，声音音量是放得很大的，这样最高音量的声音就需要往下调，以免被限幅掉；类似地，非常静的声音往上调，以便能听到。AC-3码流中有动态范围控制字。其控制增益范围为±24dB，精度为0.25dB。

（3）动态范围强压缩。AC-3允许节目源有大的动态范围减少（强压缩），以便确保单声道混合时不超过一定的峰值，例如单声道混合送到RF调制器，为避免过调制，就需在一定的峰值限制。同时，一定的收看状态也要求动态范围强压缩，例如在旅馆或飞机上等。

AC-3码流中包含有动态范围强压缩码字，其控制增益范围为±48dB，精度为0.5dB。

（4）缩混。在许多重放系统中，扬声器的数目和编码的声道数目不匹配。为了重放完整的声音节目，缩混是必要的。缩混的重要问题是标准化，以便节目制作者知道他们的节目在各种数目的扬声器中是如何重放的，确保所有听众接收到能接受的效果。在AC-3码流中提供了缩混的各种参数。