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(1) Redundante Information des Audiosignals
Wenn das digitale Audiosignal direkt ohne Komprimierung übertragen wird, nimmt es eine große Bandbreite ein. Wenn beispielsweise die Abtastfrequenz eines Satzes von digitalem Zweikanal-Audio 44.1 kHz beträgt und jeder Abtastwert mit 16 Bit quantisiert wird, beträgt die Coderate:
2 * 44.1 kHz * 16 Bit = 1.411 Mbit / s
Eine solch große Bandbreite wird viele Schwierigkeiten bei der Signalübertragung und -verarbeitung mit sich bringen, daher müssen wir die Audiokomprimierungstechnologie anwenden, um die Audiodaten zu verarbeiten, um die Audiodaten effektiv zu übertragen.
Die digitale Audiokomprimierungscodierung kann das Audiodatensignal so weit wie möglich komprimieren, vorausgesetzt, das Signal erzeugt keine Hörverzerrungen. Die digitale Audiokomprimierungscodierung wird durch Entfernen redundanter Komponenten im Tonsignal realisiert. Die sogenannten redundanten Komponenten beziehen sich auf die Signale im Audio, die vom menschlichen Ohr nicht wahrgenommen werden können. Sie haben keine Hilfe bei der Bestimmung des Timbres, des Tons und anderer Informationen des Klangs.
Redundante Signale umfassen Audiosignale außerhalb des Bereichs des menschlichen Gehörs und Audiosignale, die maskiert sind. Zum Beispiel beträgt der Frequenzbereich von Schallsignalen, der vom menschlichen Ohr erkannt werden kann, 20 Hz bis 20 kHz, und andere Frequenzen, die vom menschlichen Ohr nicht erkannt werden können, können als redundante Signale angesehen werden. Darüber hinaus wird gemäß dem physiologischen und psychoakustischen Phänomen des menschlichen Gehörs, wenn ein starkes Tonsignal und ein schwaches Tonsignal gleichzeitig vorhanden sind, das schwache Tonsignal durch das starke Tonsignal maskiert und kann nicht gehört werden schwaches Tonsignal kann als redundantes Signal statt als Übertragung angesehen werden. Das ist die Maskeng-Effekt des menschlichen Gehörs, der sich hauptsächlich im Spektrum-Maskierungseffekt und dem Zeitbereichs-Maskierungseffekt manifestiert
(a) Spektrummaskierungseffekt
Wenn die Schallenergie einer Frequenz unter einem bestimmten Schwellenwert liegt, hört das menschliche Ohr sie nicht. Dieser Schwellenwert wird als minimaler hörbarer Schwellenwert bezeichnet. Wenn ein anderer Ton mit höherer Energie auftritt, erhöht sich die Schwelle in der Nähe der Schallfrequenz erheblich, was als Maskierungseffekt bezeichnet wird.
Aus der Abbildung können wir erkennen, dass das menschliche Ohr am empfindlichsten für den Klang von 2 kHz ~ 5 kHz ist und sehr unempfindlich gegenüber dem Schallsignal mit zu niedriger oder zu hoher Frequenz. Wenn ein Ton mit einer Frequenz von 0.2 kHz und einer Intensität von 60 dB auftritt, steigt der Schwellenwert in der Nähe stark an. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass der Teil unter 0.1 kHz und über 1 kHz weit vom starken Signal von 0.2 kHz entfernt ist, sodass er nicht vom starken Signal von 0.2 kHz beeinflusst wird und der Schwellenwert nicht beeinflusst wird. Während im Bereich von 0.1 kHz bis 1 kHz aufgrund des Auftretens eines starken Tons von 0.2 kHz die Schwelle stark verbessert wird und die minimale Schallintensität, die das menschliche Ohr in diesem Bereich fühlen kann, stark verbessert wird. Wenn die Intensität des Tonsignals im Bereich von 0.1 kHz bis 1 kHz unter der Schwellwertkurve liegt, weil es durch das 0.2 kHz starke Tonsignal maskiert wird, können unsere Ohren zu diesem Zeitpunkt nur das starke Tonsignal von 0.2 kHz hören. kann aber überhaupt keine anderen schwachen Signale hören. Diese gleichzeitig mit dem starken Tonsignal von 0.2 kHz vorhandenen schwachen Tonsignale können als redundante Signale angesehen werden und müssen nicht übertragen werden.
(b) Zeitbereichsmaskierungseffekt
Wenn ein starkes Tonsignal und ein schwaches Tonsignal gleichzeitig auftreten, gibt es auch einen Zeitbereichsmaskierungseffekt. Das heißt, wenn die Auftrittszeit der beiden sehr nahe ist, tritt auch der Maskierungseffekt auf. Die Zeitbereichsmaskierungsprozesskurve ist in der Abbildung dargestellt, die in drei Teile unterteilt ist: Frontmaskierung, gleichzeitige Maskierung und Rückmaskierung.
Der Zeitbereichsmaskierungseffekt kann in drei Typen unterteilt werden: Frontmaskierung, gleichzeitige Maskierung und Rückmaskierung. Vormaskierung bedeutet, dass das vorhandene schwache Signal maskiert wird und nicht in kurzer Zeit gehört wird, bevor das menschliche Ohr das starke Signal hört. Gleichzeitige Maskierung bedeutet, dass, wenn das starke Signal und das schwache Signal gleichzeitig existieren, das schwache Signal durch das starke Signal maskiert und nicht gehört wird. Nachmaskierung bezieht sich darauf, dass es lange dauert, bis das schwache Signal wieder verschwindet, wenn das starke Signal verschwindet. Dies wird als Nachmaskierung bezeichnet. Diese Signale können als redundante Signale angesehen werden.
(c) Kompressionscodierungsverfahren
Gegenwärtig gibt es im Bereich der digitalen Audiocodierung verschiedene Codierungsschemata und Implementierungsmethoden, aber die grundlegenden Codierungsideen sind ähnlich, wie in der Abbildung gezeigt.
Für jeden Audiokanal müssen sie dem Frequenzbereich zugeordnet werden, der durch ein Subbandfilter realisiert werden kann. Der Audio-Abtastblock in jedem Kanal berechnet zuerst den Maskierungsschwellenwert gemäß dem psychoakustischen Modell und bestimmt dann die Anzahl von Bits in verschiedenen Frequenzbereichen, die dem Kanal zugewiesen sind, aus dem gemeinsamen Bitpool gemäß dem berechneten Maskierungsschwellenwert und trägt dann Quantisierung und Codierung und schließlich Hinzufügen der Steuerparameter und Hilfsdaten zu den Daten, um den codierten Datenstrom zu erzeugen.
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