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(1) Informazioni ridondanti del segnale audio
Se il segnale audio digitale viene trasmesso direttamente senza compressione, occuperà un'enorme larghezza di banda. Ad esempio, se la frequenza di campionamento di un set di audio digitale a doppio canale è 44.1 KHz e ogni valore di campionamento è quantizzato di 16 bit, la velocità del codice è:
2 * 44.1 kHz * 16 bit = 1.411 Mbit / s
Una larghezza di banda così ampia porterà molte difficoltà alla trasmissione e all'elaborazione del segnale, quindi dobbiamo adottare la tecnologia di compressione audio per elaborare i dati audio, al fine di trasmettere efficacemente i dati audio.
La codifica della compressione audio digitale può comprimere il segnale dei dati audio il più possibile sulla premessa che il segnale non produce distorsioni nell'udito. La codifica della compressione audio digitale viene realizzata rimuovendo componenti ridondanti nel segnale sonoro. I cosiddetti componenti ridondanti si riferiscono ai segnali nell'audio che non possono essere percepiti dall'orecchio umano. Non hanno alcun aiuto nel determinare il timbro, il tono e altre informazioni del suono.
I segnali ridondanti includono segnali audio oltre la portata dell'udito umano e segnali audio mascherati. Ad esempio, la gamma di frequenza del segnale sonoro che può essere rilevata dall'orecchio umano è 20Hz ~ 20kHz e altre frequenze che non possono essere rilevate dall'orecchio umano possono essere considerate segnali ridondanti. Inoltre, secondo il fenomeno fisiologico e psicoacustico dell'udito umano, quando esistono contemporaneamente un segnale di tono forte e un segnale di tono debole, il segnale di tono debole sarà mascherato dal segnale di tono forte e non può essere ascoltato, quindi il segnale di tono debole può essere considerato come segnale ridondante invece di trasmissione. Questa è la mascheraeffetto ng dell'udito umano, che si manifesta principalmente nell'effetto di mascheramento dello spettro e nell'effetto di mascheramento nel dominio del tempo
(a) Effetto di mascheramento dello spettro
Quando l'energia sonora di una frequenza è inferiore a una certa soglia, l'orecchio umano non la sentirà. Questa soglia è chiamata soglia minima udibile. Quando appare un altro suono con un'energia più alta, la soglia vicino alla frequenza del suono aumenterà molto, il che è chiamato effetto mascheramento.
Dalla figura, possiamo vedere che l'orecchio umano è più sensibile al suono di 2KHz ~ 5KHz ed è molto insensibile al segnale audio con frequenza troppo bassa o troppo alta. Quando appare un suono con frequenza di 0.2khz e intensità di 60dB, la soglia vicino ad esso aumenta molto. Dalla figura, possiamo vedere che la parte inferiore a 0.1 kHz e superiore a 1 kHz è lontana dal segnale forte di 0.2 kHz, quindi non è influenzata dal segnale forte di 0.2 kHz e la soglia non è influenzata; mentre nell'intervallo 0.1 khz-1 khz, a causa della comparsa di un tono forte di 0.2 kHz, la soglia è notevolmente migliorata e l'intensità sonora minima che l'orecchio umano può sentire in questo intervallo è notevolmente migliorata. Se l'intensità del segnale audio nell'intervallo di 0.1 kHz ~ 1 kHz è inferiore alla curva di soglia, poiché è mascherata dal segnale di tono forte di 0.2 kHz, le nostre orecchie possono sentire solo il segnale di tono forte di 0.2 kHz in questo momento, ma non riesce a sentire affatto altri segnali deboli. Questi segnali di tono debole esistenti contemporaneamente con il segnale di tono forte di 0.2 kHz possono essere considerati segnali ridondanti e non devono essere trasmessi.
(b) Effetto di mascheramento nel dominio del tempo
Quando vengono visualizzati contemporaneamente un segnale di tono forte e un segnale di tono debole, si verifica anche un effetto di mascheramento nel dominio del tempo. Vale a dire, quando il tempo di occorrenza dei due è molto vicino, si verificherà anche l'effetto di mascheramento. La curva del processo di mascheramento nel dominio del tempo è mostrata nella figura, che è divisa in tre parti: mascheramento anteriore, mascheramento simultaneo e mascheramento posteriore.
L'effetto di mascheramento nel dominio del tempo può essere suddiviso in tre tipi: mascheramento anteriore, mascheramento simultaneo e mascheramento posteriore. Pre mascheramento significa che il segnale debole esistente verrà mascherato e non sarà udito in breve tempo prima che l'orecchio umano senta il segnale forte. Il mascheramento simultaneo significa che quando il segnale forte e il segnale debole esistono contemporaneamente, il segnale debole sarà mascherato dal segnale forte e non sarà udito. Il post mascheramento si riferisce al fatto che quando il segnale forte scompare, ci vuole molto tempo per sentire di nuovo il segnale debole, che viene chiamato post mascheramento. Questi segnali possono essere considerati segnali ridondanti.
(c) Metodo di codifica a compressione
Al momento, ci sono diversi schemi di codifica e metodi di implementazione nel campo della codifica audio digitale, ma le idee di codifica di base sono simili, come mostrato nella figura.
Per ogni canale audio, è necessario mapparli al dominio della frequenza, che può essere realizzato mediante filtro di sottobanda. Il blocco di campionamento audio in ciascun canale calcola prima il valore di soglia di mascheramento in base al modello psicoacustico, quindi determina il numero di bit in diversi domini di frequenza allocati al canale dal pool di bit comune in base al valore di soglia di mascheramento calcolato, quindi trasporta quantizzazione e codifica e infine aggiunge i parametri di controllo e i dati ausiliari ai dati per generare il flusso di dati codificato.
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