杜比AC-3的基本原理

杜比AC-3的基本原理

(1)应用听觉掩蔽效应开发出自适应编码系统
AC-3技术的理论基础，也是利用心理声学中的听觉阈值和掩蔽效应，但具体技术上与MPEG标准又有所不同。
对音频信号进行数据处理时，都要进行数据压缩，将没有用途或用途不大的数据信息忽略掉。为此，可以应用听觉阈值和掩蔽规律，省略掉那些多余的数据信息。杜比公司除运用上述声学原理外，还运用了它拥有的杜比降噪技术，开发出数码化的“自适应编码”系统。这是一种极具选择性和抑制噪声能力的自适应编码体系。杜比公司依据音响心理学的基本原理，在未输入音乐信号时，保持宁静状态；当输入音乐信号时，对复杂的音频信号进行分析和分解，用较强信号掩蔽噪声，删除听觉界限以外，或由于频率相近而音量小的信号，经过这种处理方法，可以大大减少需要处理的数据信息。人耳的听觉范围是20Hz－20KHz，在如此宽阔的频带范围内，人耳对不同频率的听觉灵敏度具有极大的差异。杜比AC-3根据这个特性，将各声道的音响频道划分为许多大小不等的狭窄频带，各个子频带与人耳临界频带的宽度相接近，保留有效的音频，将不同的噪声频率紧跟每个声道信号进行编码，即编码噪声只能存在于编码音频信号的频带内。这样能够更陡峭地滤除掉编码噪声，将频带内多余信号和无音频信号的编码噪声降低或除掉，而将有用的音频信号保留下来。AC-3系统精确地运用了掩蔽效应和“公用位元群”的设计方法，使数据压缩效率大大提高，且具有很高水平的音质。该系统的比特率是根据个别频谱的需要，或者音源的动态状况，再分配到每个窄频段，它设计了内置的听觉掩盖程序，可让编码器改变其频率灵敏度和时间分解力，以确保有充足的比特被采用，掩盖掉噪声，而良好地记录音乐信号。
为了高效地利用有限的信息传输介质(光盘、胶片等)，它在压缩音频信号时与其它压缩系统一样，利用人耳的听觉特性，根据当时的具体情况，将某些声道的系数合并(这些声道系数反映了那个频带的能量大小)，以便提高压缩率。并不是所有声道都能进行这种合并。编码器可根据各声道的信息特征自动决定和调整，只有相似的声道才能混合在一起，若压缩比不要求很高时也不必合并。一般情况下，合并的起始频率越高，音质就越好，但要求数据传输速率也越高。当取样频率为48KHz时，合并的起始频率应为3.42MHz；若取样频率为44.1KHz时，起始频率应为3.14MHz。若硬件和软件搭配适当，AC-3的音质可达到或接近CD唱片的水平。

(2)杜比AC-3解码器简易方框图
AC-3解码器输入信号是一组频谱信号，它是由时域信号PCM数据经过时－频变换而得到。该频谱数据流分为指数部和尾数部两部分，指数部分采用差分方式进行编码，编码后的指数代表了整个信号的频谱，可作为频谱包络的参数。其尾数部分按照比特分配的结果进行量化。于是，量化尾数和频谱包络形成了AC-3码流的主要信息，连同其它辅助信号(例如比特分配等)构成了AC-3比特流。
图2.3.4是AC-3系统的解码方框图，它是AC-3编码的逆过程。AC-3比特流首先进入缓冲级，然后以帧为处理单元进行误码纠错，经纠错处理后对比特流中的固定数据(指数数据、匹配系数、模式符号等)解码，使数据比特流恢复为原来的比特分配。

然后，数据信号分为两路。其中一路，将比特流恢复为原来的比特分配之后，确定尾数部量化的大小，再对比特流中的可变数据解码；再接着恢复高频成分，为反频率变换做好准备。最后，将指数部数据和尾数部数据汇合，变换为固定小数点数据，再对它进行频率变换，以获得时间轴数据。已经恢复为时域的数据信号需进行窗处理，进行重叠加算，即可得到5.1环绕声道的输出信号。

杜比AC-3的特点
(1)配置5.1声道
将输入的音频信号解码后，可以输出5.1声道信号，其中有3个前置声道(L、C、R)，还有2个后置环绕声道(LS、RS)，它们互相独立，频响宽度都是全声频域，即20Hz－20KHz(±0.5dB)及3Hz－20.3KHz(-3dB)，各频道的频响十分宽阔。目前，广泛应用于音响系统的杜比定向逻辑环绕声系统，无法和杜比AC-3频带宽度相比。还有，杜比定向逻辑环绕声系统实为4声道系统，即前置左、中、右和后置环绕声，它的环绕声实为单声道环绕声，两个后置环绕声道重放共同的声音信号，两声道采取并联甚至串联方式；其环绕声的频响被限制在100Hz－7KHz范围内；另外，它没有设置独立的超低音声道，它是由前置左、右声道分离出20Hz－120Hz的超重低音，来重放具有震撼效果的超重低音。AC-3系统配置了独立的超低声道，其频响为20Hz－120HZ(±0.5dB)及3Hz－121Hz(-3dB)，要求超低音箱的音量比其它各声道大10dB，具有更加震撼的低效果。
(2)各声道全数字化且互相独立
AC-3各声道互相独立地携带不同信号，是全数字化音频信号。取样频率是32、44.1或48KHz，数据传输量每声道为32kb/s－640kb/s，在5.1声道模式下取典型值384kb/s，在双声道模式下典型值为192kb/s。经过数字处理后，5个主声道的频率压缩在20Hz－20KHz范围内。
(3)可将5.1声道压缩输出
由于AC-3的“比特流”内对每种节目方式(单声道、立体声、环绕声等)都有一个“指导信号”，能使AC-3自动地为使用者指出节目方式。它可把5.1声道信号压缩为双声道，以供给录制常规VHS录像带，或作为杜比环绕声的输入节目源，以便与它兼容，它甚至可将5.1声道信号压缩为单声道输出。总之，AC-3可输出5.1声道杜比环绕声、混合4声道杜比环绕声、双声道立体声及单声道。将5.1声道数据压缩后所占频带较窄，例如可在LD影碟机的FM调制的右声道所占用的频带宽度内，编入AC-3数据编码，输出AC-3的RF信号，它的中心频率取在2.88MHz，可由LD原先的模拟输出右声道取出频率为2.88MHz的AC-3编码信号。于是，在原有一个模拟声道内就能够容纳5.1声道的全部内容。
(4)经过声音时间校准使音效极为理想
杜比AC-3将所有声道通过“时间校准”技术，使每个扬声器的声音好像与聆听者的距离相同，以产生更好的音响效果，其环绕声效果不仅是前、后、左、右的声源定位鲜明，上下的音场也清晰可辨。