CN101930738B - 多声道音频信号译码方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多声道音频信号译码方法与装置，该方法与装置应用于一播放系统，多声道音频信号译码方法包含下列步骤：译码器接收一待译码多声道音频信号；对待译码多声道音频信号进行第一译码程序而产生一多声道音频信号；因应多声道音频信号中一第一单声道音频数据属于第一分类而利用高效率模块对第一单声道音频数据进行第二译码程序，进而产生第一单声道音频信号；以及因应多声道音频信号中一第二单声道音频数据属于第二分类而利用低频模块仅对第二单声道音频数据的部分数据进行第三译码程序，进而产生第二单声道音频信号，其中该第三译码程序所需的指令数目少于该第二译码程序所需的指令数目。

Description

多声道音频信号译码方法与装置

技术领域

本发明涉及一种多声道音频信号译码方法与装置，尤其涉及应用在一种播放系统的多声道音频信号译码方法与装置。

背景技术

为能有效降低数字编码音频信号的数据量，许多数据压缩方法被发展出来，其中进阶音频编码技术(Advanced Audio Coding，以下简称AAC)是发展相当快速且应用相当广泛的一种。而为能追求更低的位率与更高的声音质量，高效率进阶音频编码技术(High Efficiency AdvancedAudio Coding，简称HE-AAC)便应运而生。高效率进阶音频编码技术主要是在进阶音频编码技术的基础上，增加了频段复制(Spectral BandReplication，简称SBR)算法来达到很高的压缩效率，大约可以节省30％的位率(bit-rates)，进而于低位率的条件下仍能保有高质量的声音。

请参见图1(a)，它是一HE-AAC的常用译码器功能方块示意图，以原始取样频率fs、音频范围0～fa为例，其中待译码音频信号先经过一AAC译码器10后，进而解出取样频率仅有fs/2的脉冲码调变(pulse codemodulation，PCM)信号，然后将该信号送入一高效率模块11进行处理。该高效率模块11中的正交镜像滤波器组分析模块(Quadrature MirrorFilters Banks analysis)111对该多个音频数据进行解调分析，进而在频域(frequency domain)上产生频带范围在0～fa/2的低频带音频数据以及代表高频带音频数据(频带范围在fa/2～fa)的一组系数，接着把该低频带音频数据以及代表高频带音频数据的该组系数送入频段复制模块(SBR module)112进行频段复制，进而产生出一高频带音频数据，而该低频带音频数据与该高频带音频数据经过合并模块113以及正交镜像滤波器组合成模块(Quadrature Mirror Filters BanksSynthesis)114后，还原产生出取样频率为fs的脉冲码调变信号。

而在现今的影音播放系统中，环绕音效(Surround)已是必备的功能，而可提供环绕音效的多声道数字编码音频信号有许多种格式，其中常见的有5.1声道格式，它是将分属6个声道的音频信号编码成一多声道数字编码音频信号来进行储存与传送。而播放系统在译码还原成6个声道的音频信号后，再利用如图1(b)所示的一对前置扬声器L与R、一中置扬声器C、一对后环绕扬声器RL与RR以及一超重低音扬声器Sub来进行播放。每个扬声器各自负责独立的声音效果，如前置扬声器L与R负责主声道，提供前方音场。中置扬声器C负责影片中的人声对白，后环绕扬声器RL与RR产生完整的音场包围感，超重低音扬声器Sub负责低频输出的任务。

而将上述两种技术结合的HE-AAC 5.1音频编码技术，目前广泛应用于数字激光视盘(DVD)、数字广播及数字电视等方面，但是，在常用译码过程中，必须将待译码信号输入图1(a)所示的译码器，并利用正交镜像滤波器组分析模块111、频段复制模块112、合并模块113与正交镜像滤波器组合成模块114重复进行6次译码动作，方能将属于6个声道的音频信号分别译码还原出来进行播放，过多的运算程序将造成播放系统的负担，而如何改善上述缺陷，是实施本案的主要目的。

发明内容

本案揭示一种多声道音频信号译码方法，应用于一播放系统，该方法包含下列步骤：接收待译码多声道音频信号；对待译码多声道音频信号进行第一译码程序而产生一多声道音频信号；因应多声道音频信号中第一单声道音频数据属于第一分类而利用第一单声道音频数据进行第二译码程序，进而产生第一单声道音频信号；以及因应多声道音频信号中第二单声道音频数据属于第二分类而利用该第二单声道音频数据进行第三译码程序，进而产生第二单声道音频信号，其中该第三译码程序所需的指令数目少于该第二译码程序所需的指令数目，优选地，待译码多声道音频信号为一待译码HE-AAC 5.1音频信号，而第一译码程序是利用AAC译码器来进行，而多声道音频信号是6声道脉冲码调变信号。优选地，第一分类是左声道、右声道、后左声道与后右声道的音频数据，而该第二分类是中置声道与超重低音声道的音频数据，而通过解析该待译码HE-AAC 5.1音频信号中每一个讯框的表头来判断其属于该第一分类或该第二分类。

根据上述构想，本案所述的多声道音频信号译码方法，其中该第二译码程序包含下列步骤：对第一单声道音频数据进行解调分析，进而在频域上产生一低频带音频数据以及代表高频带音频数据的一组系数；利用该低频带音频数据以及代表高频带音频数据的该组系数进行频段复制，进而产生出一高频带音频数据；以及将该低频带音频数据与该高频带音频数据合并后进行合成，还原产生出第一单声道音频信号。

根据上述构想，本案所述的多声道音频信号译码方法，其中该第三译码程序包含下列步骤：将第二单声道音频数据的每个取样点间置入数值为0的取样点，进而形成取样点增加信号；以及将取样点增加信号进行低通滤波处理，用以将该信号中的高频成份滤除，进而产生出第二单声道音频信号。

根据上述构想，本案所述的多声道音频信号译码方法，其中该第二单声道音频数据是一选定频率范围的低频音频数据，而该第三译码程序更包含下列步骤：对该选定频率范围的低频音频数据进行处理而舍弃该第二单声道音频数据的一高频率系数及数据。

本案的另一方面是一种多声道音频信号译码装置，应用于一播放系统，多声道音频信号译码装置包含：译码器，用以接收一待译码多声道音频信号并对待译码多声道音频信号进行第一译码程序而产生一多声道音频信号；高效率模块，信号连接于译码器，用以对该多声道音频信号中属于第一分类的第一单声道音频数据进行第二译码程序，进而产生第一单声道音频信号；以及低频模块，信号连接于译码器，用以对多声道音频信号中属于第二分类的第二单声道音频数据进行第三译码程序，进而产生第二单声道音频信号，其中该第三译码程序所需的指令数目少于该第二译码程序所需的指令数目。优选地，待译码多声道音频信号为一待译码HE-AAC 5.1音频信号，而译码器是AAC译码器，而多声道音频信号是一6声道脉冲码调变信号，而第一分类是左声道、右声道、后左声道与后右声道的音频数据，而该第二分类是中置声道与超重低音声道的音频数据，该译码器通过解析该待译码HE-AAC 5.1音频信号中每一个讯框的表头来判断其属于该第一分类或该第二分类。优选地，高效率模块包含：正交镜像滤波器组分析模块，信号连接于译码器，用以对第一单声道音频数据进行解调分析，进而在频域上产生一低频带音频数据以及代表高频带音频数据的一组系数；频段复制模块，信号连接于正交镜像滤波器组分析模块，利用该低频带音频数据以及代表高频带音频数据的该组系数进行频段复制，进而产生出一高频带音频数据；合并模块，信号连接于正交镜像滤波器组分析模块与频段复制模块，用以将低频带音频数据与高频带音频数据进行合并；以及正交镜像滤波器组合成模块，信号连接于合并模块，用以将合并后的低频带音频数据与高频带音频数据进行合成，还原产生出第一单声道音频信号。

根据上述构想，本案所述的多声道音频信号译码装置，其中低频模块包含：取样点增加器，信号连接于译码器，用于该第二单声道音频数据的每个取样点间置入数值为0的取样点，进而形成一取样点增加信号；以及内插滤波器，信号连接于取样点增加器，将取样点增加信号进行低通滤波处理，用以将该信号中的高频成份滤除，进而产生出第二单声道音频信号。

根据上述构想，本案所述的多声道音频信号译码装置，其中该低频模块是对该第二单声道音频数据的一选定频率范围的低频音频数据进行处理，而该译码器是将该选定频率范围的低频音频数据送给该低频模块而舍弃该第二单声道音频数据的一高频率系数及数据。

附图说明

本案将结合下列附图及说明，使得更深入的了解：

图1(a)是HE-AAC的常用译码器功能方块示意图；

图1(b)是5.1声道的扬声器系统方块示意图；

图2是本案为改善常用手段所发展出来的一HE-AAC 5.1译码器功能方块示意图；

图3(a)是取样频率为fs的一取样点增加信号波形示意图；

图3(b)是取样频率为fs的脉冲码调变信号波形示意图；

图4是本案所发展出来的多声道数字编码音频信号译码方法的流程示意图。

【主要组件符号说明】

本案附图中所包含的各组件列示如下：

AAC译码器10                   高效率模块11

正交镜像滤波器组分析模块111

频段复制模块112               合并模块113

正交镜像滤波器组合成模块114

AAC译码器20                   高效率模块21

正交镜像滤波器组分析模块211

频段复制模块212               合并模块213

正交镜像滤波器组合成模块214

低频模块22                    取样点增加器221

内插滤波器222

具体实施方式

请参见图2，它是本案为改善常用手段所发展出来的一HE-AAC 5.1译码器功能方块示意图，首先，待译码HE-AAC 5.1音频信号经过一AAC译码器20的处理后，可解出取样频率为fs/2而分属于6个声道的脉冲码调变(pulse code modulation，PCM)信号。其中属于左声道、右声道、后左声道与后右声道的音频数据将分别被送入高效率模块21进行处理。该高效率模块21中的正交镜像滤波器组分析模块(QuadratureMirror Filters Banks analysis)211对该多个音频数据进行解调分析，进而在频域(frequency domain)上产生频带范围在0～fa/2的低频带音频数据以及代表高频带音频数据(频带范围在fa/2～fa)的一组系数，接着把该低频带音频数据以及代表高频带音频数据的该组系数送入频段复制模块(SBR module)212进行频段复制，进而产生出一高频带音频数据，而该低频带音频数据与该高频带音频数据经过合并模块213以及正交镜像滤波器组合成模块(Quadrature Mirror Filters BanksSynthesis)214后，还原产生出属于左声道、右声道、后左声道与后右声道的取样频率为fs的脉冲码调变信号。

但是，由于6个声道中的中置声道(central channel)及超重低音声道(Low Frequency Effect Channel)分别负责影片中的人声对白与低频效果，其频率上限分别为8kHz与200Hz，相比于整体音频范围上限fa(约24kHz)的中点fa/2(约12kHz)为低，在此实施例中，不将两者送入上述的高效率模块21中的正交镜像滤波器组分析模块211、频段复制模块212、合并模块213以及正交镜像滤波器组合成模块214来进行复杂译码运算，而转送至其它运算量较低的替代方式来进行处理。于是，利用AAC译码器20对上述待译码HE-AAC 5.1音频信号中每一个讯框(frame)的表头(header)进行解析(parse)，进而知道该讯框(frame)是属于6个声道中的中置声道及超重低音声道后，将相关讯框(frame)改送到本案增设的一低频模块22来进行处理，举例而言，AAC译码器20将选定频率范围的低频音频数据送给低频模块22进行处理而舍弃高频率系数及/或数据，用以将人声与低音的中置声道及超重低音声道直接进行简单的插点处理，用以省去高效率模块21的复杂译码运算，因此降低系统的负担。

在图2中，低频模块22中包含有一取样点增加器221与一内插滤波器222，由于送入取样点增加器221的中置声道及超重低音声道信号的取样频率为fs/2，而取样点增加器221在每个取样点中置入一数值为0的取样点，进而形成如图3(a)所示，取样频率为fs的一取样点增加信号波形示意图，然后再将该取样点增加信号送入内插滤波器222，由于该内插滤波器222为一低通滤波器，用以将信号中的高频成份滤除，进而产生出如图3(b)所示，取样频率为fs且分属于中置声道及超重低音声道信号的脉冲码调变信号波形示意图。而上述高效率模块21与低频模块22都可利用数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)来完成。

再请参见图4，它是本案所发展出来的多声道数字编码音频信号的译码方法流程示意图，首先，利用AAC译码器20将待译码HE-AAC 5.1音频信号进行一第一译码程序后，解出取样频率为fs/2而分属于6个声道的脉冲码调变信号(步骤41)。并解析该待译码HE-AAC 5.1音频信号中每一个讯框的表头，判断其是否属于中置声道信号或超重低音声道信号(步骤42)；若否，将该讯框送到高效率模块21进行一第二译码程序(步骤43)来产生取样频率为fs的脉冲码调变信号；若是，则将该讯框(frame)改送到本案增设的低频模块22来进行第三译码程序(步骤44)，用以产生取样频率为fs的脉冲码调变信号，因此降低系统的负担。

而以图2的高效率模块21与低频模块22来进行比较，利用相同的数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)处理相同的信号，低频模块22所进行的第三译码程序所需的每秒百万指令(MillionInstructions per second，简称MIPS)较高效率模块21所进行的第二译码程序所需的MIPS约少掉30MIPS。因此，本实施例可有效降低系统的运算量，进而改善常用手段的缺陷。

综上所述，本发明有效降低多声道数字编码音频信号播放系统的硬件复杂度与成本，可广泛运用于数字激光视盘(DVD)、数字广播及数字电视等领域。因此本发明可由本领域的技术人员所做的诸多修改和变化，皆不脱本申请专利范围所要保护的范围。

Claims (16)

1.一种多声道音频信号译码方法，应用于播放系统，该译码方法包含下列步骤：

接收一待译码多声道音频信号；

对该待译码多声道音频信号进行第一译码程序而产生一多声道音频信号；

因应该产生的多声道音频信号中第一单声道音频数据属于第一分类，而利用该第一单声道音频数据进行第二译码程序，进而产生一第一单声道音频信号；以及

因应该产生的多声道音频信号中第二单声道音频数据属于一第二分类，而利用该第二单声道音频数据进行第三译码程序，进而产生一第二单声道音频信号，其中该第三译码程序所需的指令数目少于该第二译码程序所需的指令数目。

2.根据权利要求1所述的多声道音频信号译码方法，其特征在于，其中该待译码多声道音频信号为一待译码高效率进阶音频编码技术5.1音频信号。

3.根据权利要求2所述的多声道音频信号译码方法，其特征在于，其中该第一译码程序是利用一AAC译码器来进行，而该产生的多声道音频信号是一6声道脉冲码调变信号。

4.根据权利要求2所述的多声道音频信号译码方法，其特征在于，其中该第二译码程序包含下列步骤：

对该第一单声道音频数据进行解调分析，进而在频域上产生一低频带音频数据以及代表高频带音频数据的一组系数；

利用该低频带音频数据以及代表高频带音频数据的该组系数进行频段复制，进而产生出一高频带音频数据；以及

将该低频带音频数据与该高频带音频数据合并后进行合成，还原产生出该第一单声道音频信号。

5.根据权利要求2所述的多声道音频信号译码方法，其特征在于，其中该第三译码程序包含下列步骤：

将该第二单声道音频数据的每个取样点间置入一数值为0的取样点，进而形成一取样点增加信号；以及

将该取样点增加信号进行低通滤波处理，用以将该信号中的高频成份滤除，进而产生出该第二单声道音频信号。

6.根据权利要求2所述的多声道音频信号译码方法，其特征在于，其中该第一分类是左声道、右声道、后左声道与后右声道的音频数据，而该第二分类是中置声道与超重低音声道的音频数据，而通过解析该待译码高效率进阶音频编码技术5.1音频信号中每一个讯框的表头来判断其属于该第一分类或该第二分类。

7.根据权利要求1项所述的多声道音频信号译码方法，其特征在于，其中该第二单声道音频数据是一选定频率范围的低频音频数据。

8.根据权利要求7所述的多声道音频信号译码方法，其特征在于，其中该第三译码程序更包含下列步骤：对该选定频率范围的低频音频数据进行处理而舍弃该第二单声道音频数据的一高频率系数及数据。

9.一种多声道音频信号译码装置，应用于一播放系统，该译码装置包含：

一译码器，用以接收一待译码多声道音频信号并对该待译码多声道音频信号进行第一译码程序而产生一多声道音频信号；

一高效率模块，信号连接于该译码器，用以对该产生的多声道音频信号中属于第一分类的一第一单声道音频数据进行第二译码程序，进而产生一第一单声道音频信号；以及

一低频模块，信号连接于该译码器，用以对该产生的多声道音频信号中属于第二分类的一第二单声道音频数据进行第三译码程序，进而产生一第二单声道音频信号，其中该第三译码程序所需的指令数目少于该第二译码程序所需的指令数目。

10.根据权利要求9所述的多声道音频信号译码装置，其特征在于，其中该待译码多声道音频信号为一待译码高效率进阶音频编码技术5.1音频信号。

11.根据权利要求10所述的多声道音频信号译码装置，其特征在于，其中该译码器是一AAC译码器，而该产生的多声道音频信号是一6声道脉冲码调变信号。

12.根据权利要求10所述的多声道音频信号译码装置，其特征在于，其中该高效率模块包含：

一正交镜像滤波器组分析模块，信号连接于该译码器，用以对该第一单声道音频数据进行解调分析，进而在频域上产生一低频带音频数据以及代表高频带音频数据的一组系数；

一频段复制模块，信号连接于该正交镜像滤波器组分析模块，利用该低频带音频数据以及代表高频带音频数据的该组系数进行频段复制，进而产生出一高频带音频数据；

一合并模块，信号连接于该正交镜像滤波器组分析模块与该频段复制模块，用以将该低频带音频数据与该高频带音频数据进行合并；以及

一正交镜像滤波器组合成模块，信号连接于该合并模块，用以将合并后的该低频带音频数据与该高频带音频数据进行合成，还原产生出该第一单声道音频信号。

13.根据权利要求10所述的多声道音频信号译码装置，其特征在于，其中该低频模块包含：

一取样点增加器，信号连接于该译码器，用以将该第二单声道音频数据的每个取样点间置入一数值为0的取样点，进而形成一取样点增加信号；以及

一内插滤波器，信号连接于该取样点增加器，将该取样点增加信号进行低通滤波处理，用以将该信号中的高频成份滤除，进而产生出该第二单声道音频信号。

14.根据权利要求10所述的多声道音频信号译码装置，其特征在于，其中该第一分类是左声道、右声道、后左声道与后右声道的音频数据，而该第二分类是中置声道与超重低音声道音频数据，该译码器通过解析该待译码高效率进阶音频编码技术5.1音频信号中每一个讯框的表头来判断其属于该第一分类或该第二分类。

15.根据权利要求9所述的多声道音频信号译码装置，其特征在于，其中该低频模块是对该第二单声道音频数据的一选定频率范围的低频音频数据进行处理。

16.根据权利要求15所述的多声道音频信号译码装置，其特征在于，其中该译码器是将该选定频率范围的低频音频数据送给该低频模块而舍弃该第二单声道音频数据的一高频率系数及数据。

Images