一、实验原理

1. MPEG-1声音的主要性能

输入为PCM信号，采样率为32，44.1或48kHz，输出为 32kbps到384kbps。

2. MPEG音频编码主要流程

三个独立的压缩层次

Layer1：编码器最简单，384kbps（4：1， 用于小型数字盒带DCC，Compact Cassette）

Layer2：编码器复杂程度中等，256kbps～192kbps（6： 1～8：1， 用于DAB、CD-I和VCD）

Layer3：编码器最为复杂，64kbps，用于ISDN，网络 音频。

MPEG音频编码为同时获得较高的时域精准度与频域精准度，对信息分两条线即时域和频域分别处理，在综合获得最终结果。通过子带分析滤波器组使信号具有高的时间 分辨率，确保在短暂冲击信号情况下，编码 的声音信号具有足够高的质量； 使信号通过FFT运算具有高的频率分辨率，因为掩蔽阈值是从功率谱密度推出来的。流程图如下：

声音压缩算法属于感知编码，可以确立心理声学特性的模型来取消更 多的冗余数据。

3.心理声学模型 ：

1.听觉系统中存在一个听觉阈值电平，低于这个电平的声 音信号就听不到 。听觉阈值的大小随声音频率的改变而改变，一个人是否听到声音取决于声音的频率，以及声音 的幅度是否高于这种频率下的听觉阈值 。

2.听觉掩蔽特性。即听觉阈值电平是自适应的，会随听到的不同频率声音而发生变化 。

4.频域掩蔽域随声压级变化曲线：

5.32个子带滤波器组：

通过子带分析滤波器组使信号具有高的时间分辨率，确保在短暂冲击信号情况下，编码的声音信号具有足够高的质量。将PCM样本变换到32个子带的频域信号：如果输入的采样频率为48kHz ，那么子带的频率宽度为48/ （2*32 ）=0.75Hz

该多相滤波器组为如下图：

6.比例因子的取值和编码：

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。用6比特表示。

第2层的一帧对应36个子带样值，是第1层的三倍，原 则上要传三个比例因子。为了降低比例因子的传输码率， 采用了利用人耳时域掩蔽特性的编码策略：

每帧中每个子带的三个比例因子被一起考虑，划分成 特定的几种模式。根据这些模式，1个、2个或3个比例因 子和比例因子选择信息（每子带2比特）一起被传送。如 果一个比例因子和下一个只有很小的差别，就只传送大 的一个，这种情况对于稳态信号经常出现。

使用这一算法后，和第1层相比，第2层传输的比例因 子平均减少了2个，即传输码率由22.5Kb/s降低到了 7.5Kb/s。

7.比特分配及编码：

在调整到固定的码率之前先确定可用于样值编码的有效比特数。这个数值取决于比例因子、比例因子选择信息、比特分配信息 以及辅助数据所需比特数 。

比特分配的过程 ：

1、对每个子带计算掩蔽-噪声比MNR，MNR = SNR –SMR (dB)

2、对最低MNR的子带分配比特，使获益最大的子带的量化级别增加一级

3、重新计算分配了更多比特子带的MNR

循环，直到没有比特可用。使整帧和每个子带的总噪声—掩蔽比最小。第1层一帧用4比特给每个子带的比特分配信 息编码；而第2层只在低频段用4比特，高频 段则用2比特。

8.子带样值的量化和编码：

（1）输入以12个样本为一组，每组样本经过时间-频率变换 之后进行一次比特分配并记录一个比例因子(scale factor)

（2）比特分配信息告诉解码器每个样本由几位表示，比例因子用6比特表示，解码器使用这个6比特的比例因子乘逆量化器的每个输出样本值，以恢复被量化的子带 值。比例因子的作用是充分利用量化器的量化范围， 通过比特分配和比例因子相配合，可以表示动态范围超过120dB的样本。

（3）第2层中，量化级别的数目随子带的不同而不同，但量化等级仍然覆盖了3~65535的范围，同时子带不被分配给比特的概率增加了，没有分配给比特的子带就不被量化。低频段的量化等级有15级，中频段7级，高频段只有3级。

二、关键代码分析

实验流程一再原理部分中说明，下面直接分析关键代码。

#ifdef NEWENCODEsf_transmission_pattern (scalar, scfsi, &frame);main_bit_allocation_new (smr, scfsi, bit_alloc, &adb, &frame, &glopts);//main_bit_allocation (smr, scfsi, bit_alloc, &adb, &frame, &glopts);if (error_protection)CRC_calc (&frame, bit_alloc, scfsi, &crc);write_header (&frame, &bs);//encode_info (&frame, &bs);if (error_protection)putbits (&bs, crc, 16);write_bit_alloc (bit_alloc, &frame, &bs);//encode_bit_alloc (bit_alloc, &frame, &bs);write_scalefactors(bit_alloc, scfsi, scalar, &frame, &bs);//encode_scale (bit_alloc, scfsi, scalar, &frame, &bs);subband_quantization_new (scalar, *sb_sample, j_scale, *j_sample, bit_alloc,*subband, &frame);//subband_quantization (scalar, *sb_sample, j_scale, *j_sample, bit_alloc,// *subband, &frame);write_samples_new(*subband, bit_alloc, &frame, &bs);//sample_encoding (*subband, bit_alloc, &frame, &bs);#else/*add by Alfred*/if(frameNum==200){int k,t,i;fprintf(result,"采样率=%.1f khz\n",s_freq[header.version][header.sampling_frequency]);fprintf(result,"目标码率=%d kbps\n", bitrate[header.version][header.bitrate_index]);fprintf(result,"第%d帧\n",frameNum);fprintf(result,"可用比特数=%d\n",adb);fprintf(result,"比例因子:\n");for(k=0;k<nch;k++){fprintf(result,"声道[%d]\n",k);for(i=0;i<frame.sblimit;i++){fprintf(result,"子带[%d]:",i);for(t=0;t<3;t++){fprintf(result,"%d\t",scalar[k][t][i]);}fprintf(result,"\n");}}}/*end by Alfred*/transmission_pattern (scalar, scfsi, &frame);main_bit_allocation (smr, scfsi, bit_alloc, &adb, &frame, &glopts);/*add by Alfred*/if(frameNum==200){int k,i;fprintf(result,"比特分配:\n");for(k=0;k<nch;k++){fprintf(result,"声道[%d]\n",k);for(i=0;i<frame.sblimit;i++){fprintf(result,"子带[%d]:%d\n",i,bit_alloc[k][i]);}}}/*end by Alfred*/if (error_protection)CRC_calc (&frame, bit_alloc, scfsi, &crc);encode_info (&frame, &bs);if (error_protection)encode_CRC (crc, &bs);encode_bit_alloc (bit_alloc, &frame, &bs);encode_scale (bit_alloc, scfsi, scalar, &frame, &bs);subband_quantization (scalar, *sb_sample, j_scale, *j_sample, bit_alloc,*subband, &frame);sample_encoding (*subband, bit_alloc, &frame, &bs);#endif

三、实验结果

输出一个“.txt”文件。