MPEG-4 AAC實(shí)時編碼器在DAB+系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院 謝小平

0 引言

AAC（Advanced Audio Coding，高級音頻編碼），是一種由MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)定義的有損音頻壓縮格式，其中Low Complexity Profile（LC AAC）被廣泛用于商業(yè)市場，例如Apple非常著名的iTunes音樂庫。國際DAB+標(biāo)準(zhǔn)中音頻數(shù)據(jù)采用MPEG-4 HE-AAC v2（High Efficiency Advanced Audio Coding V2，高效率先進(jìn)音頻編碼版本2）編碼方式，HEAAC v2利用了頻帶復(fù)制（Spectral Band Replication,SBR）技術(shù)和參數(shù)立體聲（parametric stereo,PS）技術(shù)[3]，達(dá)到了較高的壓縮效率，大大地節(jié)省了碼率。但HE-AAC v2計(jì)算復(fù)雜度大，硬件實(shí)現(xiàn)難度高，支持DAB+的發(fā)射機(jī)昂貴，成本高。MPEG-4 LC AAC編碼器復(fù)雜度相對較低，在中等碼率下的編碼效率和音質(zhì)方面能找到平衡點(diǎn)，且滿足實(shí)時編碼的需要。本文基于FAAC開源代碼，對MPEG-4 AAC編碼器進(jìn)行改進(jìn)，重新編譯FAAC庫，調(diào)用FAAC編碼庫對pcm音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮，使編碼后的AAC音頻能在重慶郵電大學(xué)微電子工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的低成本DAB+發(fā)射系統(tǒng)中發(fā)射。

1 MPEG-4 LC AAC編碼算法結(jié)構(gòu)

AAC算法復(fù)雜度很高，具有高度模塊化的特點(diǎn)，有9種不同的規(guī)格，其中MPEG-4 LC AAC編碼器復(fù)雜度相對較低，在中等碼率下的編碼效率和音質(zhì)方面能找到平衡點(diǎn)，滿足實(shí)時編碼的需要。本文中的AAC實(shí)時編碼器便是根據(jù)LC AAC類型來設(shè)計(jì)。圖1所示為LC AAC編碼器的原理框圖。

圖1 LC AAC編碼器框圖

輸入的采樣信號通過濾波器組，使用MDCT（改進(jìn)離散余弦變換）將信號從時域信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號。心理聲學(xué)模型根據(jù)輸入的音頻信號計(jì)算出掩蔽閾值、信掩比。TNS（瞬時噪聲整形）和M/S立體聲編碼是可選模塊，TNS的主要功能是減少預(yù)回聲，M/S立體聲是根據(jù)左右聲道的相關(guān)性以提高編碼效率。量化模塊根據(jù)心理聲學(xué)模型計(jì)算出的掩蔽閾值和信掩比對頻譜系數(shù)進(jìn)行量化處理，進(jìn)行哈夫曼編碼后進(jìn)行碼流打包，輸出AAC碼流[1]。

2 在DAB+系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

2.1 DAB+對AAC的限制

DAB+標(biāo)準(zhǔn)對AAC有一些限制，要求的傳輸長度是每個聲道每個AU中有960個采樣點(diǎn)，采樣率只支持48kHz、32kHz、24kHz、16kHz，規(guī)定將AAC音頻幀封裝在5個連續(xù)的DAB傳輸幀構(gòu)成的超級幀中，以時長120ms的DAB超級幀為單位來傳送AAC音頻幀[2]。

2.2 DAB+系統(tǒng)原理

DAB+系統(tǒng)的音頻編碼處理流程如圖2所示。采樣后的PCM音頻數(shù)據(jù)經(jīng)過LC AAC壓縮編碼后，進(jìn)行超級幀打包處理，然后經(jīng)RS編碼和虛擬交織處理后送入DAB+主服務(wù)信道編碼器[3]。

圖2 DAB+編碼流程圖

2.3 MPEG-4 LC AAC在DAB+中的實(shí)現(xiàn)

本文中的MPEG-4 LC AAC實(shí)時編碼器在DAB+系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)，主要基于FAAC開源代碼，根據(jù)DAB+對AAC的限制，對FAAC開源代碼進(jìn)行修改，然后在VS2013平臺中，編譯成FAAC靜態(tài)庫，在DAB+編碼過程中，編寫調(diào)用FAAC庫的接口代碼即可。

3 功能測試

在Windows平臺下，VS2013開發(fā)環(huán)境中，調(diào)用FAAC庫對采集到的PCM音頻信號進(jìn)行編碼壓縮，經(jīng)RS編碼和虛擬交織處理后，得到壓縮率較高的AAC文件，能在重慶郵電大學(xué)微電子工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的DAB+發(fā)射系統(tǒng)中進(jìn)行發(fā)射，實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的接收機(jī)能對其進(jìn)行解碼播放，且音質(zhì)較好。

4 結(jié)束語

本文介紹了MPEG-4 LC AAC編碼算法，根據(jù)DAB+標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)和要求，在某種特殊場景下，基于FAAC開源代碼，對MPEG-4 AAC編碼器進(jìn)行改進(jìn)，重新編譯FAAC庫，調(diào)用FAAC編碼庫對pcm音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮，使編碼后的AAC音頻能在重慶郵電大學(xué)微電子工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的低成本DAB+發(fā)射系統(tǒng)中實(shí)時發(fā)射。經(jīng)多次調(diào)試，該編碼器運(yùn)行穩(wěn)定，復(fù)雜度相對較低，在中等碼率下的編碼效率和音質(zhì)方面能找到平衡點(diǎn)，且滿足實(shí)時編碼的需要。

[1]卜士喜.基于DAB+系統(tǒng)的音頻解碼算法研究、移植與優(yōu)化[D].浙江：浙江大學(xué),2010.

[2]ETSI TS 102 563 V1.1.1.Digital Audio Broadcasting(DAB);Transport of Advanced Audio Coding(AAC)audio[S].2007.

[3]王國裕,呂娜娜.新一代數(shù)字音頻廣播DAB+的音頻處理方案分析與測試[J].電子質(zhì)量,2012(01)：14-17.