杜比AC-3

起因

自1976年杜比環(huán)繞聲(Dolby stereo optical，4－ch)首次應用于電影后，已成為最受歡迎的多聲道立體聲系統(tǒng)之一，用于家庭的杜比環(huán)繞聲(Dolby Surround，3－ch，1982)和杜比定向邏輯環(huán)繞聲(Dolby Surround Pro Logic，4－ch，1987)，更能讓你在家中享受電影院的環(huán)繞聲效果。1992年杜比公司又開發(fā)了最新一代的杜比數(shù)碼環(huán)繞聲系統(tǒng)(Dolby Digital)并應用于電影，該系統(tǒng)基于先進的感覺編碼(perceptual coding)和數(shù)字壓縮編碼技術(shù)，即杜比AC－3。其優(yōu)良的特點使之在1995年被選作DVD播放機的標準多聲道音頻格式(在NTSC制電視的國家)及多項其它系統(tǒng)的標準音頻格式。杜比數(shù)碼環(huán)繞聲系統(tǒng)有6個完全獨立的聲道，全頻帶的左、右、中置、左環(huán)繞、右環(huán)繞，再加上一個20～120Hz的超重低音的聲道(以0"para" label-module="para">

原理

杜比AC－3原理上是它將每一聲道的音頻根據(jù)人耳聽覺特性劃分為許多最優(yōu)的狹窄頻段，利用音響心理學“聽覺掩蔽效應”，刪除人耳所聽不到或可忽略的部分，并采用數(shù)字信號壓縮編碼。同時，利用狹窄頻段的劃分使部分頻段噪聲在編碼時可被幾乎全部濾除，使其余噪聲的頻譜靠近在信號頻譜附近，而這些噪聲可被信號所抑制。因此杜比AC－3系統(tǒng)實際上是一種具選擇性及強抑噪的系統(tǒng)。不難理解杜比AC－3的特點：以較低的碼率支持全音頻多聲道，并具優(yōu)良的回放音質(zhì)和效果。

感知型編碼

杜比AC-3就是一種感知型編碼方式，它把整個音頻頻帶分割成若干個較窄的頻段，因為人類的聽覺對不同頻率的聲音具有不同的靈敏度，各頻段的寬度并不完全一樣。由于有用的信號被劃分成狹窄的頻頻，編碼噪聲的濾降總是就比較容易。因為對于每個頻段來說，該頻率以外的所有信號可以全部被濾除掉而不會損傷有用信號。而頻段內(nèi)，剩余噪聲信號的頻率與有用信號的頻率非常接近，這正是遮蔽效應發(fā)揮最大作用的區(qū)域。從這種意義上說，象AC-3這樣的感知型編碼系統(tǒng)是一種非常有效的減噪系數(shù)。這些被分割成狹窄頻段的多路數(shù)字音頻信號最終還需要被合成一路完整的全頻帶信號，但每一個頻段所占有的數(shù)據(jù)量并不是平均分配的，編碼器內(nèi)部有一個“聽覺遮蔽模塊”，可以模擬人的聽覺遮蔽效應，它能根據(jù)信號的動態(tài)特性來決定在某一時刻的數(shù)據(jù)用量應當如何分配給各頻段才是最合適的。頻譜密集、音量大的聲音元素應該獲得較多的數(shù)據(jù)占有量，那些由于遮蔽效應而聽不到的聲音則少占用或不占用數(shù)據(jù)量。

AC-3是在AC-1和AC-2基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多通道編碼技術(shù)，保留了原AC-2中如窗函數(shù)處理、指數(shù)變換編碼、自適應比特分配等許多特點，還新增了運用立體聲多聲道的編碼技術(shù)策略的coupling和rematrix算法。一般而言，立體聲的左聲道和右聲道的信號在聽覺上十分相似，存在著許多重復的冗余信息，將這兩個聲道的信號聯(lián)合起來加以編碼，便可除去冗余的信號且不會影響原來的音質(zhì)。這里AC-3陣低碼率的又一個有效的手法。

數(shù)碼流

AC-3輸入PC聲音數(shù)據(jù)，輸出壓縮后的數(shù)碼流。編碼的第一步是，運用TDAC（Time Domain Aliasing Cancellation）濾波器把時域內(nèi)的PC取樣數(shù)據(jù)變換成頻域內(nèi)成塊的一系列變換系數(shù)，每個變換系數(shù)以二進制指數(shù)形式表示，即由一個指數(shù)和一個尾數(shù)構(gòu)成。指數(shù)部分經(jīng)編碼后構(gòu)成了整個信號大致的頻譜，又被稱為頻譜包絡(luò)。用頻譜包括和遮蔽由線的相關(guān)性決定每個尾數(shù)的比特分配。由于比特分配中采用了前/后向混合自適應比特分配以及公共比特池等技術(shù)，因而可使有限的碼率在各聲道之間、不同的頻率分量之間獲得合理的分配；在對尾數(shù)的量化過程中，可對尾數(shù)進行抖晃處理，抖晃所使用的偽隨機數(shù)生器的可在不同的平臺上獲得相同的結(jié)果。最后由六個塊的頻譜包絡(luò)、粗量化的尾數(shù)及相應的參數(shù)組成AC-3數(shù)據(jù)幀格式，連續(xù)的幀匯成數(shù)碼流輸出。

指數(shù)變換編碼

由時域變換到頻域的塊長度的選擇是指數(shù)變換編碼的基礎(chǔ)。在AC-3中定義了兩種長度切換，一種是512個樣值點的長塊，一種是256個樣值點的短塊。在信號頻譜分析時，對要處理的聲道信號塊區(qū)截取得越長越好，這樣可以得到較好的頻率分辨力，同時也能得到較高的編碼效率。但是較長的數(shù)據(jù)塊可能包含了一些不同一些可能被識別的噪音，如pre-echo。也就是說人耳因時間和頻率上存在的遮蔽效應在進行指數(shù)變換編碼時是有矛質(zhì)的，不能同時兼顧，必須統(tǒng)籌處理。對于穩(wěn)態(tài)信號，其頻率隨時間變換緩慢，為提高編碼效率，要求濾波器組有好的頻率分辨力，即要求一個長區(qū)塊；而對于快速變化的信號，則要求好的時間分辨力，即要求一個短區(qū)塊。在編碼器中，輸入信號在經(jīng)過3Hz高通濾波器去除直流成分后，再經(jīng)過一個8kHz的高通濾波器取出高頻成分，用其能量與預先設(shè)定的閾值相比較，以檢測信號的瞬變情況。

改良離散余弦變換

AC-3采用基于改良離散余弦變換（MDCT）的自適應變換編碼（ATC）算法。雖然在AC-3標準中定義了MDCT變換，但是實際采用一個N/4點的IFFT（快速傅立葉變換），再加上兩個簡單的Pre-IFFT和Post-IFFT作為調(diào)整，以實現(xiàn)一個N點的IMDCT變換。ATC算法的一個重要考慮是基于聽覺遮蔽效應的臨界頻帶理論，即在臨界頻帶內(nèi)一個聲音對另一個聲音信號的遮蔽效應最明顯。因此，劃分頻帶的濾波器組要有足夠迅速的頻率響應，以此保證臨界頻帶外的噪聲衰減足夠大，使時域和頻率內(nèi)的噪聲限定在遮蔽閾值以下。

比特分配技術(shù)

在AC-3編碼器的比特分配技術(shù)中，采用了應用廣泛的前向和后向自適應比特分配法則。前向自適應方法是編碼器計算比特分配，并把比特分配信息明確地編入數(shù)據(jù)比特流中，其特點是在前端編碼過程中使用聽覺模型，因此修改模型對接收側(cè)解碼過程沒有影響；其缺點是降低編碼效率，因為要傳送比特分配信息而占用了一部分有效比特。后向自適應方法沒有得到編碼器明確的比特分配信息，而是從數(shù)碼流中產(chǎn)生比特分配信息，優(yōu)點是不占用有效比特，因此有更高的傳輸效率。其缺點是要從接收的數(shù)據(jù)中計算比特分配，如果計算太復雜會使解碼器的成本升高。此外，解碼器的算法也會隨著編碼器聽覺模型的改變而改變。AC-3采用混合前向/后向自適應比特分配，在提高碼率和降低成本間取得了平衡。

AC-3解碼器的解碼原理基本上是編碼的逆向過程，首先解碼器必須與編碼數(shù)據(jù)流同步，然后從經(jīng)過數(shù)據(jù)糾錯校驗的數(shù)碼流中分離出控制數(shù)據(jù)、系統(tǒng)配置參數(shù)、編碼后的頻譜包絡(luò)及量化后的尾數(shù)等內(nèi)容，根據(jù)聲音的頻譜包絡(luò)產(chǎn)生比特分配信息，對尾數(shù)部分進行反量化，恢復變換系數(shù)的指數(shù)和尾數(shù)，再經(jīng)過合成濾波器組，把數(shù)據(jù)由頻域變換到時域，最后輸出重建的PCM樣值信號。

感官模型

通過對AC-3的了解，可以看到AC-3技術(shù)充分利用人耳的感官模型，針對不同性質(zhì)的信號，采取了相應有效的算法，達到了在保證較高音質(zhì)的前提下實現(xiàn)較高碼率的預期目的，是一種非常高效而又經(jīng)濟的數(shù)字音頻壓縮系統(tǒng)。AC-3是美國數(shù)字電視系統(tǒng)的強制標準，是歐洲數(shù)字電視系統(tǒng)的推薦標準，同時，AC-3還是DVD系統(tǒng)的強制標準。目前我國正在發(fā)展和推廣數(shù)字電視系統(tǒng)，所有有理由相信AC-3技術(shù)會有一個不錯的應用前景。

1994年，日本先鋒公司宣布與美國杜比實驗室合作研制成功一種嶄新的環(huán)繞聲制式，并命名為“杜比AC-3”(Dolby Surround Audio Coding-3)。1997年初，杜比實驗室正式將“杜比AC-3環(huán)繞聲”改為“杜比數(shù)碼環(huán)繞聲”(Dolby Surround Digital)，我們常稱為Dolby Digital。

杜比數(shù)字AC-3提供的環(huán)繞聲系統(tǒng)由五個全頻域聲道加一個超低音聲道組成，所以被稱作5.1個聲道。五個聲道包括前置的“左聲道”、“中置聲道”、“右聲道”、后置的“左環(huán)繞聲道”和“右環(huán)繞聲道”。這些聲道的頻率范圍均為全頻域響應3-20000Hz。第六個聲道也就是超低音聲道包含了一些額外的低音信息，使得一些場景如爆炸、撞擊聲等的效果更好。由于這個聲道的頻率響應為3-120Hz，所以稱“.1“聲道。

杜比數(shù)字AC-3是根據(jù)感覺來開發(fā)的編碼系統(tǒng)多聲道環(huán)繞聲。它將每一種聲音的頻率根據(jù)人耳的聽覺特性區(qū)分為許多窄小頻段，在編碼過程中再根據(jù)音響心理學的原理進行分析，保留有效的音頻，刪除多作的信號和各種噪聲頻率，使重現(xiàn)的聲音更加純凈，分離度極高。

杜比數(shù)字AC-3系統(tǒng)可用前置的左、右音箱，中置音箱產(chǎn)生極有深度感和定位明確的音場，用兩個后置或側(cè)置的環(huán)繞音箱和超低音箱表現(xiàn)寬廣壯闊的音場，而六個聲道的信息在制作和還原過程中全部數(shù)字化，信息損失的很少。全頻段的細節(jié)十分豐富，具有真正的立體聲。

杜比數(shù)字AC-3具有很好的兼容性，它除了可執(zhí)行自身的解碼外，還可以為杜比定向邏輯解碼服務(wù)。因此，目前已生產(chǎn)的杜比定向邏輯影視軟件都可以使用杜比數(shù)字AC-3系統(tǒng)重現(xiàn)。由于杜比數(shù)字AC-3系統(tǒng)的編碼非常靈活，所以它的格式很多。目前它已被美國采用作為高清晰電視（HDTV）音頻系統(tǒng)，最新DVD機也包含杜比數(shù)字AC-3。因此杜比AC-3環(huán)繞聲系統(tǒng)可能是極有發(fā)展前途的技術(shù)。

以美國C－CUBE公司研制成功的ZIVA－D6 DVD解壓芯片為核心，組成了一個DVD播放機(Dolby Digital C級產(chǎn)品)方案。其音頻解碼和輸出的方框圖。該方案可支持多種源音頻的解碼，有一個光纖數(shù)碼輸出，一個2聲道模擬輸出和一個5.1聲道模擬輸出。既滿足了杜比AC－3的輸出配置要求，又滿足了與不同功放的配接。

聲源的解碼輸出模式

ZiVA可以根據(jù)檢測到音源碼的采樣頻率和大小的變化進行音源識別，主要是MPEG－1的系統(tǒng)碼流，MPEG－2的節(jié)目碼流，LPCM的采樣碼和VCD的扇區(qū)碼。然后通報MCU以便控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

聲源CD－DA，LPCM，MPEG1等都以1或2聲道的格式記錄于光碟中，而且ZiVA－D6不包含Dolby Pro Logic解碼器，所以都以1或2聲道的方式輸出。

聲源Dolby Digital經(jīng)解碼生成多聲道的數(shù)碼送到D/A轉(zhuǎn)換器，可根據(jù)節(jié)目源內(nèi)容和聽音喇叭配置的數(shù)量，設(shè)置生成相應的多聲道的模擬聲頻輸出。例如3/2，LCR/SL SR；2/2，LR/SL SR；3/1，LCR/S；2/1，LR/S；3/0，LCR；2/0，LR；1/0 C；2/0，LtRt等八種數(shù)碼混合輸出模式。以上的各種模式是由ZiVA－D6解碼器通過矩陣混合產(chǎn)生，SUB聲道沒參與混合，是獨立聲道輸出。

表面上ZiVA－D6解碼器輸出模式等同杜比輸出模式，但目前其技術(shù)規(guī)范并不能完全符合AC－3的規(guī)格。因此需要在D/A后作專門電路設(shè)計以達到杜比AC－3的規(guī)格要求，見本文四。

DVD音頻輸出

DVD音頻有兩種輸出形式：一是數(shù)碼輸出；二是音頻模擬輸出。

數(shù)碼輸出有兩種格式：光纖數(shù)碼輸出(IEC958或IEC1937)和數(shù)碼RF輸出。本方案選擇光纖數(shù)碼IEC958輸出，采用S/PDIF（SONY/PHIL IPS數(shù)碼界面)光學聯(lián)結(jié)器(內(nèi)含電光轉(zhuǎn)換器)生成光信號，再用光纖傳輸?shù)狡渌麬/V產(chǎn)品，如AC－3功率放大器等。

音頻模擬輸出：2－ch輸出是符合杜比AC－3混合輸出要求的必選項，且在聲源為Dolby Digital時，以2/0，LtRt(杜比定向邏輯模式)輸出。線性輸出起初意圖是聯(lián)結(jié)到一個外接的立體聲或環(huán)繞聲復制系統(tǒng)，而不直接聯(lián)結(jié)功率放大器。于是應該有符合標準電平的固定聲音輸出，這個標準電平依靠應用軟件進行控制。所以DVD等視頻影碟機取消音量控制線性輸出。而多路輸出是可選擇項，本方案亦選擇。

1.能通過一副普通耳機精確模擬5.1聲道環(huán)繞聲揚聲器系統(tǒng)所產(chǎn)生的效果。

2.能為音樂、電影、游戲帶來生動的環(huán)繞聲效果。

杜比耳機技術(shù)已包含在杜比PC娛樂體驗（Dolby PCEE)技術(shù)認證的杜比標準聽音室認證（Dolby Sound Room)，杜比家庭影院認證（Dolby Home Theater)和杜比專業(yè)工作室認證（Dolby Master Studio)，三大PC認證之中。消費電子領(lǐng)域，一些頂級AV設(shè)備都運用這一先進技術(shù)。

杜比耳機技術(shù)可以內(nèi)嵌在數(shù)字信號處理（DSP）芯片中，也可以應用在家庭影院系統(tǒng)、數(shù)字電視、個人電腦和便攜式設(shè)備所用的軟件中，便攜式設(shè)備通常只使用耳機。特殊的專用集成電路（ASIC）設(shè)計的成本要低于通常的DSP解決方案，但是性能方面卻毫不遜色。這樣一來在任何時間、任何地點您都可以享受高品質(zhì)的影院風格的環(huán)繞聲，而不會打擾家人和鄰居。

杜比耳機技術(shù)同樣可以對節(jié)目內(nèi)容進行編碼以應用在某些只能提供耳機這一種播放選項的環(huán)境中。第一種利用這種技術(shù)特性的環(huán)境是飛行中的娛樂：現(xiàn)在有幾家國際航空公司給顧客提供看電影時的杜比耳機環(huán)繞體驗而無需給飛機增加任何設(shè)備。這是通過特殊的飛行版電影而實現(xiàn)的，這些電影的特點是有以杜比耳機技術(shù)編碼的音軌。

從一開始設(shè)計時杜比耳機技術(shù)就包容了所有可能的音頻格式。傳統(tǒng)的立體聲、杜比環(huán)繞聲和5.1聲道數(shù)字節(jié)目都能通過這種技術(shù)的改造而增強其音效。如此一來不管什么樣的節(jié)目，從5.1聲道DVD到立體聲MP3，都能通過任何一副傳統(tǒng)的立體聲耳機給您帶來更加自然的、久聽不疲的聆聽感受。

可以單獨享受環(huán)繞聲而不會干擾他人。

改善聽覺舒適度，減少“聽覺疲勞”。

讓立體聲內(nèi)容聽起來就像5.1聲道環(huán)繞聲 （如果結(jié)合杜比定向邏輯II技術(shù)）。