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(1) Informação redundante de sinal de áudio
Se o sinal de áudio digital for transmitido diretamente sem compressão, ele ocupará uma grande largura de banda. Por exemplo, se a frequência de amostragem de um conjunto de áudio digital de canal duplo for 44.1 KHz e cada valor de amostra for quantizado por 16 bits, a taxa de código será:
2 * 44.1 kHz * 16 bits = 1.411 Mbit / s
Uma largura de banda tão grande trará muitas dificuldades para a transmissão e processamento do sinal, por isso devemos adotar a tecnologia de compressão de áudio para processar os dados de áudio, a fim de transmitir os dados de áudio de forma eficaz.
A codificação de compressão de áudio digital pode comprimir o sinal de dados de áudio tanto quanto possível, com base na premissa de que o sinal não produz distorção na audição. A codificação de compressão de áudio digital é realizada removendo componentes redundantes no sinal de som. Os chamados componentes redundantes referem-se aos sinais de áudio que não podem ser percebidos pelo ouvido humano. Eles não ajudam a determinar o timbre, o tom e outras informações do som.
Sinais redundantes incluem sinais de áudio além da faixa de audição humana e sinais de áudio que estão mascarados. Por exemplo, a faixa de frequência do sinal de som que pode ser detectada pelo ouvido humano é de 20 Hz a 20 kHz, e outras frequências que não podem ser detectadas pelo ouvido humano podem ser consideradas sinais redundantes. Além disso, de acordo com o fenômeno fisiológico e psicoacústico da audição humana, quando um sinal de tom forte e um sinal de tom fraco existem ao mesmo tempo, o sinal de tom fraco será mascarado pelo sinal de tom forte e não pode ser ouvido, então o o sinal de tom fraco pode ser considerado um sinal redundante em vez de uma transmissão. Este é o maskiefeito ng da audição humana, que se manifesta principalmente no efeito de mascaramento do espectro e no efeito de mascaramento no domínio do tempo
(a) Efeito de mascaramento de espectro
Quando a energia do som de uma frequência é inferior a um certo limite, o ouvido humano não a ouve. Esse limite é chamado de limite mínimo audível. Quando outro som com energia mais alta aparece, o limite próximo à frequência do som aumenta muito, o que é chamado de efeito de mascaramento.
Pela figura, podemos ver que o ouvido humano é mais sensível ao som de 2KHz ~ 5KHz, e é muito insensível ao sinal de som com frequência muito baixa ou muito alta. Quando um som com frequência de 0.2 kHz e intensidade de 60 dB aparece, o limite próximo a ele aumenta muito. Na figura, podemos ver que a parte abaixo de 0.1 kHz e acima de 1 kHz está longe do sinal forte de 0.2 kHz, portanto não é afetada pelo sinal forte de 0.2 kHz e o limite não é afetado; enquanto na faixa de 0.1 khz-1 kHz, devido à aparência de tom forte de 0.2 kHz, o limite é muito melhorado e a intensidade mínima de som que o ouvido humano pode sentir nesta faixa é muito melhorada. Se a intensidade do sinal de som na faixa de 0.1 kHz ~ 1 kHz estiver abaixo da curva de limiar, porque é mascarada pelo sinal de tom forte de 0.2 kHz, nossos ouvidos só podem ouvir o sinal de tom forte de 0.2 kHz neste momento, mas não consegue ouvir outros sinais fracos. Esses sinais de tom fraco existentes ao mesmo tempo com o sinal de tom forte de 0.2 kHz podem ser considerados sinais redundantes e não precisam ser transmitidos.
(b) Efeito de mascaramento no domínio do tempo
Quando o sinal de tom forte e o sinal de tom fraco aparecem ao mesmo tempo, há também o efeito de mascaramento no domínio do tempo. Ou seja, quando o tempo de ocorrência dos dois for muito próximo, o efeito de mascaramento também ocorrerá. A curva do processo de mascaramento no domínio do tempo é mostrada na figura, que é dividida em três partes: mascaramento frontal, mascaramento simultâneo e mascaramento traseiro.
O efeito de mascaramento no domínio do tempo pode ser dividido em três tipos: mascaramento frontal, mascaramento simultâneo e mascaramento traseiro. Pré-mascaramento significa que o sinal fraco existente será mascarado e não será ouvido em um curto período de tempo antes que o ouvido humano ouça o sinal forte. O mascaramento simultâneo significa que quando o sinal forte e o sinal fraco existem ao mesmo tempo, o sinal fraco será mascarado pelo sinal forte e não será ouvido. O pós-mascaramento refere-se a que, quando o sinal forte desaparece, leva muito tempo para ouvir o sinal fraco novamente, o que é chamado de pós-mascaramento. Esses sinais podem ser considerados sinais redundantes.
(c) Método de codificação de compressão
Atualmente, existem diferentes esquemas de codificação e métodos de implementação no campo da codificação de áudio digital, mas as idéias básicas de codificação são semelhantes, conforme mostrado na figura.
Para cada canal de áudio, é necessário mapeá-los para o domínio da frequência, o que pode ser realizado por filtro de sub-banda. O bloco de amostragem de áudio em cada canal primeiro calcula o valor de limite de mascaramento de acordo com o modelo psicoacústico e, em seguida, determina o número de bits em diferentes domínios de frequência alocados para o canal do pool de bits comum de acordo com o valor de limite de mascaramento calculado e, em seguida, carrega quantização e codificação e, finalmente, adiciona os parâmetros de controle e dados auxiliares aos dados para gerar o fluxo de dados codificados.
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