杜比AC-3系統(tǒng)原理

起因

自1976年杜比環(huán)繞聲(Dolby stereo optical，4－ch)首次應(yīng)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(yīng)用于電影，該系統(tǒng)基于先進(jìn)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(diǎn)使之在1995年被選作DVD播放機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)多聲道音頻格式(在NTSC制電視的國(guó)家)及多項(xiàng)其它系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)音頻格式。杜比數(shù)碼環(huán)繞聲系統(tǒng)有6個(gè)完全獨(dú)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(gè)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(xué)“聽覺掩蔽效應(yīng)”，刪除人耳所聽不到或可忽略的部分，并采用數(shù)字信號(hào)壓縮編碼。同時(shí)，利用狹窄頻段的劃分使部分頻段噪聲在編碼時(shí)可被幾乎全部濾除，使其余噪聲的頻譜靠近在信號(hào)頻譜附近，而這些噪聲可被信號(hào)所抑制。因此杜比AC－3系統(tǒng)實(shí)際上是一種具選擇性及強(qiáng)抑噪的系統(tǒng)。不難理解杜比AC－3的特點(diǎn)：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(gè)音頻頻帶分割成若干個(gè)較窄的頻段，因?yàn)槿祟惖穆犛X對(duì)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(hào)被劃分成狹窄的頻頻，編碼噪聲的濾降總是就比較容易。因?yàn)閷?duì)于每個(gè)頻段來說，該頻率以外的所有信號(hào)可以全部被濾除掉而不會(huì)損傷有用信號(hào)。而頻段內(nèi)，剩余噪聲信號(hào)的頻率與有用信號(hào)的頻率非常接近，這正是遮蔽效應(yīng)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(hào)最終還需要被合成一路完整的全頻帶信號(hào)，但每一個(gè)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(gè)“聽覺遮蔽模塊”，可以模擬人的聽覺遮蔽效應(yīng)，它能根據(jù)信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性來決定在某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)用量應(yīng)當(dāng)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(yīng)該獲得較多的數(shù)據(jù)占有量，那些由于遮蔽效應(yīng)而聽不到的聲音則少占用或不占用數(shù)據(jù)量。

杜比數(shù)字AC-3提供的環(huán)繞聲系統(tǒng)由五個(gè)全頻域聲道加一個(gè)超低音聲道組成，所以被稱作5.1個(gè)聲道。五個(gè)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(yīng)3-20000Hz。第六個(gè)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(chǎng)景如爆炸、撞擊聲等的效果更好。由于這個(gè)聲道的頻率響應(yīng)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(xué)的原理進(jìn)行分析，保留有效的音頻，刪除多作的信號(hào)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(chǎng)，用兩個(gè)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(chǎng)，而六個(gè)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(xì)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(guó)采用作為高清晰電視（HDTV）音頻系統(tǒng)，最新DVD機(jī)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)。

1994年，日本先鋒公司宣布與美國(guó)杜比實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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。

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(yīng)比特分配等許多特點(diǎn)，還新增了運(yùn)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(hào)在聽覺上十分相似，存在著許多重復(fù)的冗余信息，將這兩個(gè)聲道的信號(hào)聯(lián)合起來加以編碼，便可除去冗余的信號(hào)且不會(huì)影響原來的音質(zhì)。這里AC-3陣低碼率的又一個(gè)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(yùn)用TDAC（Time Domain Aliasing Cancellation）濾波器把時(shí)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(gè)變換系數(shù)以二進(jìn)制指數(shù)形式表示，即由一個(gè)指數(shù)和一個(gè)尾數(shù)構(gòu)成。指數(shù)部分經(jīng)編碼后構(gòu)成了整個(gè)信號(hào)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(gè)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(yīng)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(duì)尾數(shù)的量化過程中，可對(duì)尾數(shù)進(jìn)行抖晃處理，抖晃所使用的偽隨機(jī)數(shù)生器的可在不同的平臺(tái)上獲得相同的結(jié)果。最后由六個(gè)塊的頻譜包絡(luò)、粗量化的尾數(shù)及相應(yīng)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(shí)域變換到頻域的塊長(zhǎng)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(zhǎng)度切換，一種是512個(gè)樣值點(diǎn)的長(zhǎng)塊，一種是256個(gè)樣值點(diǎn)的短塊。在信號(hào)頻譜分析時(shí)，對(duì)要處理的聲道信號(hào)塊區(qū)截取得越長(zhǎng)越好，這樣可以得到較好的頻率分辨力，同時(shí)也能得到較高的編碼效率。但是較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)塊可能包含了一些不同一些可能被識(shí)別的噪音，如pre-echo。也就是說人耳因時(shí)間和頻率上存在的遮蔽效應(yīng)在進(jìn)行指數(shù)變換編碼時(shí)是有矛質(zhì)的，不能同時(shí)兼顧，必須統(tǒng)籌處理。對(duì)于穩(wěn)態(tài)信號(hào)，其頻率隨時(shí)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(gè)長(zhǎng)區(qū)塊；而對(duì)于快速變化的信號(hào)，則要求好的時(shí)間分辨力，即要求一個(gè)短區(qū)塊。在編碼器中，輸入信號(hào)在經(jīng)過3Hz高通濾波器去除直流成分后，再經(jīng)過一個(gè)8kHz的高通濾波器取出高頻成分，用其能量與預(yù)先設(shè)定的閾值相比較，以檢測(cè)信號(hào)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(yīng)變換編碼（ATC）算法。雖然在AC-3標(biāo)準(zhǔn)中定義了MDCT變換，但是實(shí)際采用一個(gè)N/4點(diǎn)的IFFT（快速傅立葉變換），再加上兩個(gè)簡(jiǎn)單的Pre-IFFT和Post-IFFT作為調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)N點(diǎn)的IMDCT變換。ATC算法的一個(gè)重要考慮是基于聽覺遮蔽效應(yīng)的臨界頻帶理論，即在臨界頻帶內(nèi)一個(gè)聲音對(duì)另一個(gè)聲音信號(hào)的遮蔽效應(yīng)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(yīng)，以此保證臨界頻帶外的噪聲衰減足夠大，使時(shí)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(yīng)用廣泛的前向和后向自適應(yīng)比特分配法則。前向自適應(yīng)方法是編碼器計(jì)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(diǎn)是在前端編碼過程中使用聽覺模型，因此修改模型對(duì)接收側(cè)解碼過程沒有影響；其缺點(diǎn)是降低編碼效率，因?yàn)橐獋魉捅忍胤峙湫畔⒍加昧艘徊糠钟行П忍?。后向自適應(yīng)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(diǎn)是不占用有效比特，因此有更高的傳輸效率。其缺點(diǎn)是要從接收的數(shù)據(jù)中計(jì)算比特分配，如果計(jì)算太復(fù)雜會(huì)使解碼器的成本升高。此外，解碼器的算法也會(huì)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(yīng)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(cuò)校驗(yàn)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(duì)尾數(shù)部分進(jìn)行反量化，恢復(fù)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(shí)域，最后輸出重建的PCM樣值信號(hào)。

感官模型

通過對(duì)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(duì)不同性質(zhì)的信號(hào)，采取了相應(yīng)有效的算法，達(dá)到了在保證較高音質(zhì)的前提下實(shí)現(xiàn)較高碼率的預(yù)期目的，是一種非常高效而又經(jīng)濟(jì)的數(shù)字音頻壓縮系統(tǒng)。AC-3是美國(guó)數(shù)字電視系統(tǒng)的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，是歐洲數(shù)字電視系統(tǒng)的推薦標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，AC-3還是DVD系統(tǒng)的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。目前我國(guó)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(huì)有一個(gè)不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

以美國(guó)C－CUBE公司研制成功的ZIVA－D6 DVD解壓芯片為核心，組成了一個(gè)DVD播放機(jī)(Dolby Digital C級(jí)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(gè)光纖數(shù)碼輸出，一個(gè)2聲道模擬輸出和一個(gè)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(cè)到音源碼的采樣頻率和大小的變化進(jìn)行音源識(shí)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(bào)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(yīng)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(dú)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(jì)以達(dá)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(xué)聯(lián)結(jié)器(內(nèi)含電光轉(zhuǎn)換器)生成光信號(hào)，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(xiàng)，且在聲源為Dolby Digital時(shí)，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(gè)外接的立體聲或環(huán)繞聲復(fù)制系統(tǒng)，而不直接聯(lián)結(jié)功率放大器。于是應(yīng)該有符合標(biāo)準(zhǔn)電平的固定聲音輸出，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電平依靠應(yīng)用軟件進(jìn)行控制。所以DVD等視頻影碟機(jī)取消音量控制線性輸出。而多路輸出是可選擇項(xiàng)，本方案亦選擇。

1.能通過一副普通耳機(jī)精確模擬5.1聲道環(huán)繞聲揚(yáng)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(dòng)的環(huán)繞聲效果。

杜比耳機(jī)技術(shù)已包含在杜比PC娛樂體驗(yàn)（Dolby PCEE)技術(shù)認(rèn)證的杜比標(biāo)準(zhǔn)聽音室認(rèn)證（Dolby Sound Room)，杜比家庭影院認(rèn)證（Dolby Home Theater)和杜比專業(yè)工作室認(rèn)證（Dolby Master Studio)，三大PC認(rèn)證之中。消費(fèi)電子領(lǐng)域，一些頂級(jí)AV設(shè)備都運(yùn)用這一先進(jìn)技術(shù)。

杜比耳機(jī)技術(shù)可以內(nèi)嵌在數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片中，也可以應(yīng)用在家庭影院系統(tǒng)、數(shù)字電視、個(gè)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(jī)。特殊的專用集成電路（ASIC）設(shè)計(jì)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(shí)間、任何地點(diǎn)您都可以享受高品質(zhì)的影院風(fēng)格的環(huán)繞聲，而不會(huì)打擾家人和鄰居。

杜比耳機(jī)技術(shù)同樣可以對(duì)節(jié)目?jī)?nèi)容進(jìn)行編碼以應(yīng)用在某些只能提供耳機(jī)這一種播放選項(xiàng)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(guó)際航空公司給顧客提供看電影時(shí)的杜比耳機(jī)環(huán)繞體驗(yàn)而無需給飛機(jī)增加任何設(shè)備。這是通過特殊的飛行版電影而實(shí)現(xiàn)的，這些電影的特點(diǎn)是有以杜比耳機(jī)技術(shù)編碼的音軌。

從一開始設(shè)計(jì)時(shí)杜比耳機(jī)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(qiáng)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(jī)給您帶來更加自然的、久聽不疲的聆聽感受。

可以單獨(dú)享受環(huán)繞聲而不會(huì)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)）。