MPEG-1音频编码
MPEG-1音频压缩编码
基于音频信号的特点，及人耳的听觉特性：掩蔽效应和临界频带对音频信号进行子带编码
1.音频压缩的可能性：
1. 声音信号的冗余：时域：幅度非均匀分布，小幅度的样值比大幅度的样值出现的概率高；频域：功率谱密度非均匀：低频能量高、高频能量低
2.人耳的听觉特性：声音中与“听觉”不相关的东西可以不采样、不编码、不传输.
2. 人耳的听觉掩蔽效应：一个强纯音会掩蔽在其附近同时发声的弱纯音,听觉阈值电平是自适应的，随声音频率的变化而变化。
掩蔽的类型：由乐音信号和窄带噪声组合。乐音信号和窄带噪声作为掩蔽音时产生的掩蔽效果不同
如果有多个频率成分的复杂信号存在，频谱的总掩蔽阈值与频率的关系取决于个掩蔽音的强度，频率及之间的距离
掩蔽效应的利用：去除被掩蔽的信号分量，不理会可能被掩蔽的量化噪声.
3.临界频带：当某个纯音被以它为中心频率、且具有一定带宽的连续噪声所掩蔽时，如果该纯音刚好被听到时的功率等于这一频带内的噪声功率，这个带宽为临界频带宽度。
人类听觉系统相当于一个在0KHz~20KHz范围内一个由25个重叠的带通滤波器组成的滤波器组。人耳不能区分同一个频带内同时发生的不同声音。临界频带的宽度用bark来衡量，500Hz以下临界频带宽度约为100Hz，从500Hz起临界频带带宽线性增加。
4.子带编码的基本思想：使用一组带通滤波器将输入的音频信号分成若干个连续的频带，即子带，对每个子带单独量化编码。复合起来送入信道传输。在接收端，对每个子带单独解码，再复合起来组成原始信号。
理想的频带分割应该模仿临界频带，即各子带的宽度不一致，随频率的升高而增加。
每个子带根据各自的信号掩蔽比确定相应的量化级数，分配比特使量化噪声和掩蔽阈值越接近，数据压缩越充分。
子带越多越窄，相同音质下编码所得的数据率越低。
5.MPEG-1音频压缩的流程：
1. 多相滤波器组：分割子带，分成32个等宽的子带
最低频的滤波器为低通滤波器，其余为带通滤波器
缺点：
1.等带宽的滤波器组与人类听觉系统的临界频带不对应，低频区单个子带会覆盖过个临界频带，此时量化比特数不能兼顾每个子带
2.滤波器组及其逆过程会引入较小的失真。
3.相邻子带间有频谱混叠
2.快速傅里叶变换：：为满足掩蔽阈计算所需的精确的频谱分析，提高低频率范围的频率分辨率，与听觉特性相适应。
MPEG的layer1:512点的FFT，采样频率为48KHz时，频率分辨率为93.75Hz.layer2:1024点FFT。Layer1每帧384个样值，512个样本足够覆盖。Layer2每帧1152个样值，每帧计算两次。
3.心理声学模型：依据快速傅里叶变换的输出计算信号掩蔽比SMR，并将其传递到编码单元。
4.提取比例因子：
layer1：对各个子带每12个样点进行一次比例因子计算。先定出12个样点中绝对值的最大值。查比例因子表中比这个最大值大的最小值作为比例因子。
Layer2：每个子带有36个样值。将每个子带中的三个比例因子一起考虑，划分成集中特定模式，1个、2个或3个比例因子和比例因子选择信息一起传送，以降低码率。
5.动态比特分配：在调整到固定码率之前，确定可用于样值编码的有效比特数，这取决于比例因子，比例因子选择信息，比特分配信息和辅助数据所需要的比特数。
比特分配，依据已经计算出的SMR和标准给定的SNR计算出掩蔽噪声比MNR=SNR-SMR。比特分配使每帧和帧中的每个子带的掩蔽噪声比最小。是一个循环的过程：对最低MNR的子带分配比特，使获益最大的子带的两户级别增加一级，并重新计算分配了更多比特的子带的MNR。
6.成帧：为降低解码的复杂性、减少延时，便于编辑，对码流进行如下方式的组织：
Layer1：
layer2:
帧头：32比特，包含同步和状态信息，layer1和layer2相同
循环冗余校验：16比特，做误码检验，layer1和layer2相同
比特分配：4比特，告知解码器每个样值用了多少比特来编码
比例因子：6比特，比例因子是否出现取决于对应的比特分配的数值
比例因子选择信息：layer2中出现，layer2中每个子带方分成3个组，每组12个样值，每个子带对应3个比例因子，传输比例因子选择信息。
样值：layer1：32个子带，每个子带12个样值，共384个，抽样频率为48KHz时，每个音频帧长8ms；layer2:32个子带，每个子带有3个组，每组12个样值，抽样频率为48KHz时，音频帧长为24ms。
辅助数据：传输附加数据信息6.实验结果
以match2文件为例：
创建信息文件
char *textname="match2_info.txt";
FILE *textfile=fopen(textname,"wb");输出音频的采样码率及目标码率：
fprintf(textfile,"sampling_frequency:%d KHz\r\n",header.sampling_frequency); fprintf(textfile,"bitrate:%d KHz\r\n", bitrate[header.version][header.bitrate_index]);输出
选择第150帧：
fprintf(textfile,"available bits:%d\r\n", adb);
fprintf(textfile,"channel num:%d\r\n", nch);
//scalefactor[sf_index[ch][gr][sb]]
for(ch=0;ch
比特分配：
if(frameNum==150)
{
fprintf(textfile,"bit allocation:\r\n");
for(ch=0;ch
实验中将帧数选择为第150帧，对于match2.WAV文件和test.wav文件没有问题，但对于START.WAV文件，信息文件中没有任何写入，因此将frameNum设为较小的10。
多相滤波器将输入的音频信号分成32个子带，每个子带分别计算SMR和MNR进行比例因子选择和比特分配，查看输出文件，发现match2.WAV文件只有27个子带有比特分配信息，START.WAV和test.wav有30个子带有对应的 比特分配信息，说明一些子带并没有进行编码传输。