专利名称：兼容ac－3和mpeg－2的音频编解码器及其算法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种消费类电子产品的音频编解码器，尤其是一种兼容AC-3和MPEG-2的音频编解码器。
目前音频压缩技术已广泛地应用于消费类产品和通讯设备，如DVD-VCD和DVB等。对于高清晰度电视HDTV的数字伴音标准已经形成，美国以AC-3标准为主，而欧洲则以MPEG-2标准为主，这两种标准，通过国际各种组织的对比测试，其效果相差不大，而从算法软件的复杂度和算法的结构上具有一定的对应性。
本发明的目的是提供一种兼容AC-3和MPEG-2的音频编解码器，这种解码器是建立在同一个硬件平台上且将美国、欧洲的数字伴音制式以这个兼容式的平台作为适应我国HDTV数字伴音制式的选择。
本发明的目的是这样实现的一种兼容AC-3和MPEG-2的音频编解码器，包括编码器单元和解码器单元，其中所述的编码器单元具有一个AC-3或MPEG-2控制单元、一个带有压缩码流数字通道出口的编码器、一个ROM、一个六声道的A/D变换器；所述的解码器单元具有一个AC-3或MPEG-2控制单元，一个带有压缩码流数字通道进口的解码器、一个ROM、一个六声道的D/A变换器，所述的编码器单元和解码器单元共同设置在一块控制面板上。
本发明的另一目的是提供兼容AC-3和MPEG-2的音频编解码器的算法，通过算法中的编码器、解码器的算法流程可以实现AG-3和MPEG-2两种算法的编解码功能。这一目的实现方法是一种兼容AC-3和MPEG-2的音频编解码器的算法，包括编码器算法的解码器算法，其中所述的流码器算法流程包括
a)由A/D输入PCM值，b)由a)实现b1=子带分析和b2=FFT变换，c)由b1实现C1=比例因子计算，由b2和C1实现C2=计算掩蔽门限进行比特分配，d)由C2实现d1=确定非传输子带，e)由C1和d1实现e1=比例图子编码，由d1、e1实现e2=调整比特率，f)由e1、e2实现f1=子带样值的量化，g)由f1实现g1=样值编码，h)由g1实现h1=比特分配编码，i)由h1实现i1=成帧，所述的解码器算法流程包括j)输入编码比特流，k)由j实现k=比特分配解码，l1=比例因子解码，e)由k实现l2=比例因子选择信息解码，m)由l1、l2实现m1=解样值，n)由m1实现n1=样值再量化，o)由n1实现o1=样值归一化，p)由o1实现p1=合成子带滤波，q)由P1实现q1=输出PCM值。
由于采用了上述的技术方案，达到了将国际流行的AC-3和MPEG-2这两种多声道编解码算法合在同一方硬件上以完全适配我国选定的HDTV伴音制式，这一积极效果是美国(AC-3)、欧洲(MPEG-2)单一伴音制式所不能比拟的。
下面结合附图和实施例再对本发明作详尽细述
图1是兼容AC-3和MPEC-2的音频编码器的硬件平台结构示意图；图2是关于本发明中编码器的算法流程图；图3是关于本发明中解码器算法流程图。
图中1-表示编解码器硬件平台控制面板。
由图1、2、3，本发明为一种兼容AC-3和MPEG-2的音频编解码器，包括编码器单元和解码器单元，其中所述的编码器单元具有一个AC-3或一个MPEG-2控制单元、一个带有压缩码流数字通道出口的编码器、一个ROM、一个六声道的A/D变换器；所述的解码器单元具有一个AC-3或一个MPEG-2控制单元，一个带有压缩码流数学通道进口的解码器、一个ROM、一个六声道的D/A变换器。
一种兼容AC-3和MPEG-2的音频编解码器的算法，包括编码器算法的解码器算法，其中所述的流码器算法流程包括a)由A/D输入PCM值，b)由a)实现b1=子带分析和b2=FFT变换，c)由b1实现C1=比例因子计算，由b2和C1实现C2=计算掩蔽门限进行比特分配，d)由C2实现d1=确定非传输子带，e)由C1和d1实现e1=比例图子编码，由d1、e1实现e2=调整比特率，f)由e1、e2实现f1=子带样值的量化，g)由f1实现g1=样值编码，h)由g1实现h1=比特分配编码，i)由h1实现i1=成帧，所述的解码器算法流程包括
j)输入编码比特流，k)由j实现k=比特分配解码，e)由k实现l1=比例因子解码，l2=比例因子选择信息解码，m)由l1、l2实现m1=解样值，n)由m1实现n1=样值再量化，o)由n1实现o1=样值归一化，p)由o1实现p1=合成子带滤波，q)由P1实现q1=输出PCM值。
在本发明中，其方案设计的基础是建立在AC-3和MPEG-2这两种不同的音频压缩算法上的，实现的方法的要旨是对核心数字信号处理单元(DSP单元)进行AC-3和MPEG-2的加载，其过程是编码器打开电源后，面板显示屏上出现“正在加载程序”的字样，编码器的控制单元按“AC-3和MPEG-2选择”的缺少状态向DSP单元加载MPEG-2程序，待屏幕上出现“音频编码器”时，即加载完毕，进入工作状态。此时用户通过菜单选项选择“AC-3”并按“确认”后，系统可进入AC-3程序加载状态。
控制单元由DSP TMS320C50及其外围电路和一些逻辑控制电路组成。其功能是实现面板显示控制，并将存在其外部存储器的AC-3或MPEG-2程序的机器代码以串行通过方式传递至DSP单元，也就是完成了程序加载。
由音频工作站、LD唱机或其他信号源输出的6路音频信号以模拟接口或AES/EBU接口方式与编码器相接，通过A/D转换或AES/EBU接口转换器得到三路速率为3.072MB/S的数字信号(其中有效的码率为1.920MB/S)，并经过合路、缓存后与第一片DSP的数据总线相接，随后各路样点数据进入DSP单元以MPEG-2算法标准进行压缩处理，DSP单元是由多片DSP级联构成，以流水线的方式工作，下面进一步叙述。
解码器则执行上述运算的逆过程。各部分框架相同，由于不进行心理模型计算，DSP处理单元较简单，解码器根据收到的压缩码流中帧同步码字判断是AC-3或MPEG-2码流，并由控制单元加载相应算法程序。压缩解码输出的六路样点数据通过串行方式送至D/A变换器，输出六路音频数据。
编码器在开机后根据面板上的选择来确定将ROM中的MPEG-2或AC-3编码程序加载给编码器。模拟音频信号输入到编码器，经A/D转换后变成数字信号输入给编码器，编码器执行编码算法并形成符台相应编码标准的码流输出。
在解码端，解码器在开机后根据面板上的选择来确定将ROM中的MPEG-2或AC-3解码程序加载给解码器。经编码器编码后的压缩码流输入到解码器，解码器执行解码算法以恢复多声道音频数据并送至D/A，最后经D/A转换后变成模拟信号。这样就完成了编码解码的过程。
压缩编解码算法是根据人耳的掩蔽效应实现的，他是一个复杂的运算过程。对于在本发明中所选用的Motorola的56002芯片MPEG-2算法需80-100MIPS(百万指令每秒)的运算量，因此对编码器使用了4片DSP56002，解码器使用了3片DSP56002完成编码解码功能。各片的工作量划分根据算法流程中各功能块的运算量及传递数据的情况而定。
MPEG-2编码分为子带分析滤波器、心理声学模型计算、样值的量化编码成帧三个模块。
在第1片DPS中，主要任务是分析子带滤波，即对六个声道的1152×6个PCM样值进行6×32×36的分组，也就是说将每一个声道的基带信号分离成32个相等距离的子带，从32个子带中每次抽取相应的一个样值组成一组，使其通过一个长度为512点的FIR型滤波器以及32×64的矩陈，经此变换出的32个数据点是按子带频率从低到高的顺序排列；第一片DSP计算结束后，把由分析滤波器和各路的PCM数据传到第二片DSP中。在此片DSP中，对输入的PCM样值进行了FFT变换以完成时域到频域的变换，根据FFT计算出的每个子带的最大幅度以及每个子带的最大比例因子，并根据心里声学模型计算综合掩蔽门限，在第三片DSP进行比例因子计算，并根据综合门限与声压电平对每个子带进行比特分。而后将运算结果串行输入至第四片DSP，最后将帧头、比例因子、比特分配及辅助信息位组合形成MPEG-2码流。
解码器第一片DSP从解码器的数据缓存中读入MPEG-2的一帧码流并进行解帧、解出MPEG-2的帧头，比例因子选择信息和五路样点以及低音声道的12个样值，并对样点进行解量化和解归一化。计算后把结果传至第二片DSP，第二片做了五路数据的矩阵变换，一路合成子带滤波以及低音声道的滤波。第三片DPS做了其余四个声道的合成滤波。于是从第三片传出的就是5.1声道的PCM样值，然后通过D/A送出。
用DSP实现MPEG-2音频算法必须考虑实时性的问题，由于DSP之间所要传递的数据量很大，大约能占去芯片运行时间的三分之一，因此必须强调对算法结构的安排优化，56002的X、Y存贮器只有256个BYTES，程序存贮器有512个BYTES，在做并行指令时，片内与片外的运行速度相比有很大区别，所以必须把子带滤波部分和FFT变换放在片内，因为这部分程序有大量的并行指令而且循环次数相当多。此外由于56002是定点的DSP，所以如果用芯片本身提供的除法指令将耗费大量的指令数，因此在本发明中要把整数除法改成查表运算。另外在计算样值量化时，是根据相应的地址表和以样值的量化级别、步长、比特分配数目的和分组信息及寻址(量未算量或大或小时)计量进行计算量化的。
AC-3算法包括以下几个部分块长度的选择和滤波器组的选择，本发明是在20Hz～20kHz频带内至少划分了25个临界频带，对于稳态信号采用512点的长块，而对于瞬态信号则采用256点的短块，然后通过MDCT变换完成每块数据时域频域的相互转换。
频谱包络编码是根据码率和频率分辩率的要求，采用三种模式对指数部分进行编码AC在频率上对频谱包络采取差分编码，码流中的指数段是由一个绝对指数后跟着一定数目的差分群组成。
核心比特分配和理想比特分配。根据人耳的心理声学模型理论，采用前向后向自适应比特分配，并根据听觉模型调整和修正比特参数。码流中包含一些明确的模型参数，解码器中实际模型参数可以按这些参数调整。
另外还具有高频耦合的技术，缩混及动态范围控制。
因此对AC-3编码使用了4片DSP56002，分别完成MDCT变换、核心比特分配和理想比特分配、心理声学模型计算和成帧。解码使用了3片DSP56002，分别完成前、后三个音频块的拆包和反MD-CT变换。
权利要求
1．一种兼容AC-3和MPEG-2的音频编解码器，包括编码器单元和解码器单元，其特征是所述的编码器单元具有一个AC-3或MPEG-2控制单元、一个带有压缩码流数字通道出口的编码器、一个ROM、一个六声道的A/D变换器；所述的解码器单元具有一个AC-3或MPEG-2控制单元，一个带有压缩码流数字通道进口的解码器、一个ROM、一个六声道的D/A变换器，所述的编码器单元和解码单元共同设置在一块控制面板。
2．一种兼容AC-3和MPEG-2的音频编解码器的算法，包括编码器算法和解码器算法，其特征是所述的编码器算法流程包括a)由A/D输入PCM值，b)由a实现b1=子带分析和b2=FFT变换，c)由b1实现C1=比例因子计算，由b2和C1实现C2=计算掩蔽门限进行比特分配，d)由C2实现d1=确定非传输子带，e)由C1和d1实现e1=比例图子编码，由d1、e1实现e2=调整比特率，f)由e1、 e2实现f1=子带样值的量化，g)由f1实现g1=样值编码，h)由g1实现h1=比特分配编码，i)由h1实现i1=成帧，所述的解码器算法流程包括j)输入编码比特流，k)由j1实现k1=比特分配解码，e)由k1实现l1=比例因子解码，l2=比例因子选择信息解码，m)由l1、l2实现m1=解样值，n)由m1实现n1=样值再量化，o)由n1实现o1=样值归一化，p)由o1实现p1=合成子带滤波，q)由P1实现q1=输出PCM值。
全文摘要
本发明提供一种兼容AC－3和MPEG－2的音频编解码器及其算法,编解码器是设置在一控制板上,且又按编码器、解码器分为两个独立的单元,同时根据AC－3和MPEG－2的特点在编码器端和解码器端均存储两种算法程序,通过面板上的按键,选择使用AC－3或MPEG－2算法对6个声道的音频信号进行编码,在解码器端不仅可以通过面板选择进行解码,而且当面板选择错误时,可以自动识别编码的方式来进行正确的解码,输出悦耳的多声道环绕立体声效果。
文档编号H04N7/48GK1212580SQ9811786
公开日1999年3月31日 申请日期1998年9月1日 优先权日1998年9月1日
发明者张萍, 黄川 申请人:国家科学技术委员会高技术研究发展中心