一些音頻編碼解碼器芯片主要由圍繞一些處理硬件的一個(gè)模數轉換器(ADC)和一個(gè)數模轉換器(DAC)組成，但它們只是眾所周知的海底冰山露出來(lái)的一角。最近一段時(shí)間，大部分工程師認為音頻編解碼器就是在DSP平臺上運行的壓縮和解壓縮算法。在整個(gè)音頻頻率范圍里，“語(yǔ)音”編解碼器適合數字電話(huà)應用，而“音頻”編解碼器則適合娛樂(lè )音頻應用。

在這個(gè)意義上，音頻編解碼器是從Dolby公司的噪音抑制技術(shù)演變成Dolby和其它一些公司更綜合性的壓縮方法。它們的出現還與國際標準組織(ISO)的運動(dòng)圖像專(zhuān)家小組(MPEG)有關(guān)，該工作小組負責為數字音頻和視頻的編碼表示制定相應的標準。

盡管語(yǔ)音編解碼器技術(shù)的發(fā)展一定程度上處于靜止狀態(tài)，但音頻編解碼器技術(shù)一直在向前演進(jìn)(參見(jiàn)圖1)。例如，朝更多的環(huán)繞聲通道發(fā)展就是一個(gè)趨勢。最大的一個(gè)技術(shù)趨勢是增加了用于模擬立體聲系統中的多通道音頻的技術(shù)，以再造特別實(shí)況音樂(lè )會(huì )會(huì )場(chǎng)的“現場(chǎng)感”。于是產(chǎn)生了完成所有這些處理的挑戰，因為你不再能用依靠AV接收器或DVD播放器內的大功率電源供電的DSP引擎來(lái)實(shí)現，而必須用靠手機或PDA中的電池供電的DSP引擎來(lái)實(shí)現。所有上述因素就為兩個(gè)不同但卻融合的應用領(lǐng)域(個(gè)人音頻和家庭影院)帶來(lái)了一個(gè)有趣的故事。

個(gè)人音頻

德州儀器公司(TI)便攜音頻和信息娛樂(lè )業(yè)務(wù)部首席技術(shù)官Randy Cole指出，在個(gè)人音頻領(lǐng)域最普遍的音頻編碼解碼器是MP3(參見(jiàn)圖2)。MP3一度局限于PC和便攜多媒體播放器，但它目前在手機行業(yè)中也比比皆是，其原因就是手機制造商不斷地追逐新功能，以誘使最終用戶(hù)每隔六個(gè)月就進(jìn)行一次產(chǎn)品換代。

MP3是ISO公布的一項標準。它是由MPEG制定的MPEG-1編碼解碼標準系列中的第三個(gè)。MPEG-1有三層，每一層都包括前面的層。因而，第3層實(shí)現了第1和2層。出于這個(gè)原因，MPEG-1及第3層就是眾所周知的MP3，它提供了一個(gè)適于便攜應用的帶寬和數據速率，雖然較低卻足夠了。

在過(guò)去10年中，MP3一直是下載音樂(lè )的主導性音頻編碼解碼器。但是蘋(píng)果公司的iPod在一項名為先進(jìn)音頻編碼器(AAC)的新MPEG開(kāi)發(fā)項目中打破了這個(gè)慣例。MPEG在1990年代中期開(kāi)始從事AAC標準的制定，將其作為下一代MPEG-2研究的一部分，并實(shí)現了AT&T、Dolby、Fraunhof和索尼公司開(kāi)發(fā)的最好最新設計理念。起初，它打算同MP3后向兼容，但這個(gè)目標不可能達到。

因此，由于整個(gè)行業(yè)深深卷入MP3，沒(méi)有一家公司愿意調撥資源為AAC這個(gè)新方案生產(chǎn)大量的音頻節目，所以它衰敗了。也就是說(shuō)，直到蘋(píng)果公司為iPod選擇AAC的MPEG-4版本之前，該技術(shù)一直處于衰敗的狀態(tài)。(在MPEG-2之后成立的下一個(gè)MPEG工作小組是MPEG-4，越過(guò)了MPEG-3。蘋(píng)果公司所用的MPEG-4 AAC是MPEG-2 AAC的一個(gè)強化版本，其數據速率稍低而質(zhì)量有改進(jìn)。)

其它專(zhuān)有的編碼器存在于MP3和AAC范疇之外。它們在PC和個(gè)人多媒體設備領(lǐng)域有一定的穿透性，但它們在手機行業(yè)就不太重要，因為手機生產(chǎn)商寧愿標準的編碼器及其固定的版稅。一種大家熟悉的專(zhuān)有編碼器是Windows Media Audio(WMA)。它主要用于PC，并在其中與MP3和AAC進(jìn)行競爭。然而，從數據速率看，它很靈活(從低到高有適當的質(zhì)量差異)。目前，還有WMA的多頻道版本W(wǎng)MA-Pro，而且微軟公司在2005年6月還發(fā)布了一種損耗更低的WMA。

其它重要的專(zhuān)有編碼器就是Dolby Digital，也就是著(zhù)名的AC3。這種編碼器用于DVD和(美國的)數字電視。直到最近，它的運行速率對互聯(lián)網(wǎng)和手機來(lái)說(shuō)還是太高。不過(guò)，需要補救的是一個(gè)把數據速率降得更低的新版本。

根據TI公司高性能音頻業(yè)務(wù)部行銷(xiāo)經(jīng)理Mohsin Imtiaz的觀(guān)點(diǎn)，在家庭影院領(lǐng)域主要的編碼解碼器是Dolby和DTS。Dolby公司發(fā)布的Dolby Digital Plus瞄準了高清晰度DVD和廣播市場(chǎng)。但是在MP3、AAC、WMA等便攜標準之間有一定的交叉。針對下一代DVD，微軟公司正在力推WMA.

解析一個(gè)編解碼器

讓我們分解一個(gè)編解碼器。為了把整個(gè)事情說(shuō)清楚，我們看一篇在2004年10月音頻工程學(xué)會(huì )年會(huì )上提交的論文，它描述的是Dolby Digital Plus技術(shù)。

該論文說(shuō)新的Dolby Digital Plus編碼解碼器是基于Dolby Digital的較早版本，也叫AC-3。Dolby Digital Plus 或加強型的AC-3(E-AC-3)保留了元數據載運器、過(guò)濾器庫和幀結構。目前的數據速率范圍從32Kb/s到6.144Mb/s。在采樣速率32KHz和六模塊轉換幀的條件下，數據速率控制的分辨率可達到每秒1/3位。(數據速率的分辨率正比于采樣速率，反比于幀的尺寸。)

E-AC-3保留了AC-3的六個(gè)256系數轉換幀結構，但它允許包含一個(gè)、兩個(gè)和三個(gè)256系數轉換模塊的較短幀存在。其結果就是，音頻傳輸可以在高于6?0Kb/s的速率下進(jìn)行，這適合于某些限制了每幀數據量的DVD。

E-AC-3可以支持目前的5.1、6.1或7.1頻道，進(jìn)而一直到電影院的13.1頻道。主音頻節目位流加上多達八個(gè)的附加子流經(jīng)過(guò)多路選通進(jìn)入一個(gè)單一的E-AC-3位流。通過(guò)頻道替換消除了矩陣減法引起的編碼失誤。與AC-3相比，E-AC-3能多傳輸七個(gè)獨立的位流。

編碼效率的提高還可以通過(guò)一個(gè)新的濾波器庫、更好的量化、強化的頻道耦合、譜擴展和一種名為“瞬態(tài)預噪音處理”的技術(shù)來(lái)實(shí)現。

當具有穩定特征的音頻出現時(shí)，該濾波器庫在現有的AC-3濾波器庫之后加入一個(gè)二級DCT。這把六個(gè)256系數轉換模塊轉換成一個(gè)單一的1536系數混合轉換模塊，且提高了頻率分辨率。這個(gè)提高的頻率分辨率與六維向量分量(VQ)及增益自適應分量(GAQ)結合在一起可以改進(jìn)“難于編碼”信號的編碼效率，比如說(shuō)黑管和大鍵琴。

VQ用于需要較低準確度的頻帶區。當需要更高準確度分量時(shí)，GAQ更有效率。此外，通過(guò)頻道與相位保存的耦合可以使編碼效率得到一個(gè)提升。在A(yíng)C-3用一個(gè)高頻單合成頻道作為每個(gè)頻道上高頻部分的地方，加入相位信息和編碼器控制的譜幅度處理能夠讓這個(gè)高頻單合成頻道處理較低的頻率，從而減小了有效的編碼帶寬并增大了編碼效率。

譜擴展是用頻域上轉換的較低頻譜段代替了較高層的頻率轉換系數。該轉換頻譜段的譜特征通過(guò)轉換系數的譜調制與原始的形式匹配。

為了提高低數據速率時(shí)的音頻質(zhì)量，E-AC-3采用了瞬態(tài)預噪音處理技術(shù)。這個(gè)后解碼過(guò)程把預噪音誤差降到最低，其做法是采用可縮短預噪音持續時(shí)間的時(shí)標合成技術(shù)，因而降低了瞬態(tài)擾動(dòng)的可聽(tīng)度。由編碼器計算并在E-AC-3位流中發(fā)送的元數據提供了后解碼過(guò)程、時(shí)標合成處理所需的參數，時(shí)標合成處理使用了聽(tīng)覺(jué)情景分析技術(shù)。

后處理

用于音頻編碼解碼器中后處理的專(zhuān)有算法與Dolby Digital Plus這類(lèi)壓縮標準一樣重要，它們對任何受許可人也相同。在這個(gè)領(lǐng)域中，這些算法對多頻道標準攜帶的信息進(jìn)行操作，從而把家庭影院轉化成任何形式的收聽(tīng)場(chǎng)所：從一個(gè)巨大的教堂到一個(gè)爵士音樂(lè )俱樂(lè )部的戶(hù)外搖滾音樂(lè )會(huì )。

按照ADI公司SigmaDSP產(chǎn)品經(jīng)理Thomas Irrgang的說(shuō)法，后處理全都是圍繞著(zhù)OEM商追求一個(gè)“簽名聲音”的愿望開(kāi)展的。大概最先做成功這點(diǎn)的是THX公司。其它開(kāi)展后處理研究的公司包括SRS、TruSurround XT和TruBass。

在電視領(lǐng)域有能夠復原MP-3編碼損失的后處理器BBE，包括BBE 3D和BBE MP。還有一種專(zhuān)門(mén)用于電視的算法BBE Viva，在電視中立體聲話(huà)筒一般放置的非常近以便獲得良好的立體聲收聽(tīng)效果。

低音增強在便攜系統和電視機中正變得重要起來(lái)，這些設備不會(huì )給大的話(huà)筒驅動(dòng)器留有大的空間。目前最突出的是WAVES公司的MaxxBass算法，它大概也是最流行的低音增強算法，因為它增強了正被處理材料中低音的主觀(guān)感受水平，同時(shí)又不加入任何低頻能量。

Dolby公司在后處理領(lǐng)域以其Virtual Speaker(虛擬話(huà)筒)和Dolby Headphone(Dolby耳麥)算法而聞名于世。Dolby公司表示其技術(shù)復制了多個(gè)所以聲音簽名，包括反射，同時(shí)提供了串擾抵消，以便保持每個(gè)耳朵的環(huán)繞音質(zhì)不被其它話(huà)筒的環(huán)繞音質(zhì)所抵消。虛擬話(huà)筒和Dolby耳麥算法最初是由澳大利亞的Lake DSP公司開(kāi)發(fā)的。Lake現在是Dolby的一家分公司。

當然，天下沒(méi)有免費的午餐。諸如虛擬話(huà)筒這樣的算法只能在一個(gè)相對小的室內空間(俗稱(chēng)“甜場(chǎng)”)中模仿缺失話(huà)筒的存在。在這個(gè)“甜場(chǎng)”之外，環(huán)繞信息崩潰了。該聲音不算壞，但聽(tīng)起來(lái)它來(lái)自一個(gè)常規的雙耳話(huà)筒設置，情況就是這樣。

為了重新生成一個(gè)物理空間，Panasonic公司的網(wǎng)站上說(shuō)，其Hall Mode(大廳模式)“再生了回響效果，使聽(tīng)眾有一種空曠之音繞著(zhù)自己傳播的感覺(jué)，”而且它在“享受音樂(lè )廳內的交響樂(lè )表演時(shí)的效果尤其好。”一個(gè)雅馬哈A/V接收器的評論家認為雅馬哈的音樂(lè )廳“的確加入了額外的一維，使人感到聲場(chǎng)的高度，‘音樂(lè )廳模式’甚至讓你忍不住要嘗試一下。對于令人喜愛(ài)的Mahler第四交響樂(lè )的立體聲錄音，‘音樂(lè )廳模式’給人一種親臨現場(chǎng)的感覺(jué)。”

房間修正

在后處理領(lǐng)域，超越虛擬化的下一步就是房間修正。這個(gè)功能開(kāi)始出現于2002年或2003年的高端多頻道系統中，而且目前已經(jīng)發(fā)展到處于價(jià)格/性能譜系中端的系統。它對一套公寓樓內家庭影院系統的用戶(hù)滿(mǎn)意度至關(guān)重要，因為在家庭影院系統中不可能對稱(chēng)設置左、右話(huà)筒，或者說(shuō)房間內一堵墻的聲學(xué)性能不同于它對面墻的聲學(xué)性能。多頻道系統從房間修正技術(shù)中獲益最多。它也許對兩頻道設置的影響較小，但立體聲系統一般說(shuō)來(lái)對誤調整和誤校準不那么敏感。

房間修正涉及到把該系統調整為T(mén)EST(測試)模式，在最喜歡的傾聽(tīng)位置處放一個(gè)麥克風(fēng)，并播放出一系列測試聲音以便弄清楚房間聲學(xué)性能方面的信息和話(huà)筒本身的局限性，隨后根據專(zhuān)有算法調整增益和均衡度。對于房間整定技術(shù)，一個(gè)令人感興趣的交叉領(lǐng)域是汽車(chē)應用。多年來(lái)，一直在對昂貴汽車(chē)內OEM的音響系統進(jìn)行聲學(xué)調整以便獲得最佳性能，但這是一個(gè)相當費力而且相當主觀(guān)的人工過(guò)程。

汽車(chē)制造商已經(jīng)開(kāi)始采用自動(dòng)的聽(tīng)覺(jué)空間調整。實(shí)踐證明，除了豐富的聽(tīng)覺(jué)經(jīng)驗外，這類(lèi)調整一個(gè)最重要的方面就是聲學(xué)上的回音抵消。這意味著(zhù)消除從免手拿話(huà)筒到安裝在太陽(yáng)帽或頭頂處麥克風(fēng)的反饋。

手機和個(gè)人多媒體設備的融合

MP3和AAC數據速率對個(gè)人多媒體播放器及PC是恰當的。但對于手機來(lái)說(shuō)，數據速率必須要低一些。而且顯而易見(jiàn)的是，與下載音樂(lè )文件以便稍后播放相比，通過(guò)蜂窩網(wǎng)鏈接的流音頻有著(zhù)很不同的需求。

由第3代合作規劃委員會(huì )(3GPP)制訂的3G手機標準采用AAC作為音頻編碼解碼器標準，可滿(mǎn)足了這兩類(lèi)應用的要求。該標準最新的修改版(版本6)允許使用兩種音頻編碼解碼器中的任何一種。一種就是AAC的強化版，叫做AAC-Plus或高效率AAC(HE-AAC)。

前不久，強化AAC-Plus或高效率AAC的第二套改進(jìn)版(版本2)也添加進(jìn)來(lái)。另一種選擇是“AMR Wideband Plus”，它是一種強化的語(yǔ)音編碼器。對GSM手機來(lái)說(shuō)，AMR寬帶是一種非常流行的語(yǔ)音編碼器。其Plus改進(jìn)版將其應用擴展到可處理音樂(lè )。

蘇格蘭的Wolfson微電子公司從事硬件音頻編碼解碼器的制造，該公司新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部的副總裁Peter Frith指出，給手機加入回放MP3的功能，或者用于下載音樂(lè )，或者作為高質(zhì)量的鈴聲，意味著(zhù)用戶(hù)已經(jīng)希望在手機中看到一個(gè)相對高保真的回放系統。因此，手機制造商目前期盼出現功耗甚至更低的便攜式DAC，且能夠達到100dB的信噪比。

目前，帶多媒體功能的手機只能播放MP3。下一步要做的也許是個(gè)人多媒體播放器，它們能把手機的功能和藍牙及Wi-Fi技術(shù)結合在一起。在此期間，PDA電話(huà)已經(jīng)逐步進(jìn)入領(lǐng)域，它提供了一些播放視頻或音頻文件的功能。

那是你口袋里的合唱隊嗎？

Frith還表示，在過(guò)去，設計人員提供的手機只有非常簡(jiǎn)單的鈴聲或者M(jìn)IDI鈴聲功能。有了MIDI，硬件解決方案總的來(lái)看已經(jīng)發(fā)展成一個(gè)獨立的MIDI解碼器芯片。

雅馬哈是個(gè)典型的例子，芯片對MIDI文件進(jìn)行解碼，并將解碼結果轉換成PCM音頻文件，隨后通過(guò)一個(gè)DAC把它們播放出來(lái)。這個(gè)DAC也許可以集成進(jìn)該解碼芯片之中，當然也可以是分立的。做到這點(diǎn)的一個(gè)替代方法是把軟件MIDI解碼器植入電話(huà)處理器之中。

用戶(hù)對播放高質(zhì)量鈴聲的興趣已經(jīng)導致日本市場(chǎng)上的某些電話(huà)為其鈴聲選用了MP3文件。電話(huà)對它們的處理如同一個(gè)音樂(lè )設備對MP3文件的處理一樣。它們是通過(guò)高保真音頻系統來(lái)處理。

在目前的大部分電話(huà)之中，這個(gè)高保真系統是一個(gè)獨立的芯片，它含有一個(gè)立體聲DAC、一個(gè)立體聲ADC、若干耳機和揚聲器驅動(dòng)器、麥克風(fēng)預放大器等等。但類(lèi)似Wolfson這樣的公司目前尋求把所有這一切都集成在一起，以便該處理器可以實(shí)現語(yǔ)音播放和鈴聲、語(yǔ)音信號、藍牙連接以及更多的功能(參見(jiàn)圖3)。