SERWIS ELEKTRONIKI

Telewizja HDTV
Koder ustala próg s³yszalnoœci ka¿dej z próbek. Zale¿nie
od ró¿nicy czêstotliwoœci i energii dŸwiêków s³abszy z nich
mo¿e byæ albo ca³kowicie usuniêty lub zakodowany bardzo
niedok³adnie, a subiektywna ocena ca³ego sygna³u akustycznego
nie zmieni siê.
Nastêpnie ka¿da z próbek jest kwantowana (zamieniana na
postaæ cyfrow¹) w ten sposób, aby iloœæ bitów (d³ugoœæ s³owa)
j¹ opisuj¹ca by³a na tyle ma³a, ¿eby szum kwantowania nadal
znajdowa³ siê poni¿ej progu s³yszalnoœci. D³ugoœæ s³owa uzyskuje
siê przez podzielenie stosunku poziomu sygna³u do szumu
przez 6 (1 bit kwantyzacji = 6dB) i zaokr¹glenie wyniku
wzwy¿.
W kolejnym etapie przetwarzania - skalowaniu poszczególnym
podzakresom przydziela siê odpowiedni¹ iloœæ bitów,
tak aby z jednej strony wszystkie istotne sk³adowe zosta³y przes³ane,
a z drugiej wypadkowy strumieñ danych nie przekroczy³
za³o¿onego limitu.
Dla przyk³adu: je¿eli dŸwiêk maskuj¹cy ma poziom 70dB,
a maskowane przez niego dŸwiêki znajduj¹ siê poni¿ej poziomu
50dB, to ró¿nica wynosi 20dB i jest to stosunek sygna³u do
szumu w danym podzakresie. B³¹d kwantowania w tym podzakresie
mo¿e byæ wiêc du¿y, bo i tak szum zakryty zostanie
dŸwiêkiem maskuj¹cym.
Z gotowych danych koder formuje strumieñ, dziel¹c go na
ramki. Dodatkowo umieszcza informacje o uk³adzie bitów na
przestrzeni widma (ile bitów i w którym miejscu opisuje próbki).
Dekoder MPEG fonii jest prostszy, poniewa¿ nie wymaga
wbudowania modelu psychoakustycznego-rozpakowuje jedynie
ramki, dekoduje próbki z podzakresów i przywraca je do
postaci sygna³u audio.
Czêstotliwoœci próbkowania, warstwy kodowania
fonii (Coding Layers)
Kodowanie MPEG-1 obs³uguje trzy czêstotliwoœci próbkowania:
32kHz, 44.1kHz i 48kHz.
Skompresowany strumieñ danych MPEG-1 mo¿e reprezentowaæ
jeden lub dwa kana³y fonii na jeden z czterech sposobów:
• tryb monofoniczny dla pojedynczego kana³u fonii
• tryb monofoniczny dla dwóch kana³ów fonii
• tryb stereo dla kana³ów stereofonicznych z wspó³dzieleniem
bitów pomiêdzy kana³ami ale bez wykorzystanie techniki
„joint-stereo”
• tryb „joint-stereo”, który jest trybem zapisu dŸwiêku z
dwóch kana³ów wykorzystuj¹cym podobieñstwo wartoœci
na poszczególnych kana³ach do zwiêkszenia efektywnoœci
kompresji.
Skompresowany wynikowy strumieñ danych po koderze
MPEG mo¿e mieæ jedn¹ z wielu zdefiniowanych przepustowoœci:
od 32bps do 22bps na kana³. W zale¿noœci od czêstotliwoœci
próbkowania odpowiada to kompresji od 2.7 do 24. W
standardzie MPEG-1 przewidziano trzy warianty kodowania
sygna³u fonii, nazywane warstwami (Layer I, II, III). Warstwy
s¹ hierarchicznie zorganizowane, ró¿ni¹ siê jakoœci¹ transmitowanego
sygna³u fonii. Ka¿da warstwa wy¿sza musi rozumieæ
warstw¹ ni¿sz¹. Ka¿da warstwa wy¿sza oferuje wiêksze
mo¿liwoœci kompresji sygna³u przy danej jakoœci sygna³u
dŸwiêku.
Warstwa I jest najprostsza je¿eli chodzi o kodowanie i najlepsza
dla sygna³ów próbkowanych z czêstotliwoœci¹ powy¿ej
30 SERWIS ELEKTRONIKI 7/2007
128kbps na kana³. Warstwa II jest przeznaczona dla sygna³ów
próbkowanych z czêstotliwoœci¹ 128kbps na kana³. Wykorzystuje
siê j¹ do kodowania sygna³ów fonii zapamiêtywanych na
p³ytach CD. Warstwa III (MP3) oferuje najbardziej z³o¿on¹
kompresjê sygna³u fonii przy zachowaniu najwy¿szej jakoœci.
W tablicy 3 przedstawiono wielkoœci kompresji warstwy
MP3 dla ró¿nych typów dŸwiêków.
Tablica 3. Kompresja MP3
Jakość dźwięku Pasmo Tryb Współczynnik
kompresji
Telefonia
Zbliżona do odbioru
3kHz Mono 96:1
radiowego fal
krótkich
4.5kHz Mono 48:1
Lepsza niż radiowy
odbiór AM
7.5kHz Mono 24:1
Podobna do odbioru
radiowego FM
11kHz Stereo 26-24:1
Podobna do jakości
płyty CD
15kHz Stereo 16:1
Jakośćpłyty CD >15kHz Stereo 14-12:1
Standard MPEG-2 AAC i MPEG-4 AAC+
Standardy MPEG-2 AAC i MPEG-4 AAC+ wykorzystuj¹
nowe narzêdzia kodowania poprawiaj¹ce jakoœæ przesy³anego
dŸwiêku. Testy ods³uchowe wykaza³y znaczn¹ poprawê jakoœci
sygna³ów kodowanych w MPEG-2 AAC i MPEG-4 AAC+
w stosunku do jakoœci MP3. AAC maj¹ tak¿e wy¿szy stopieñ
kompresji.
W standardzie MPEG-2 AAC mo¿na przesy³aæ maksymalnie
5 kana³ów sygna³u akustycznego z pe³nym pasmem czêstotliwoœci
i jeden kana³ niskoczêstotliwoœciowy (subwoofer),
co czêsto jest zapisywane jako 5.1 kana³ów fonicznych. W podstawowych
kana³ach sygna³ akustyczny jest próbkowany z
czêstotliwoœci¹ 32kHz, 44.1kHz lub 48kHz. Zachowana jest
pe³na kompatybilnoœæ pomiêdzy dekoderami dla poszczególnych
warstw standardu MPEG-2 jak równie¿ ze standardem
kodowania fonii we wczeœniejszym standardzie MPEG-1.
Oznacza to, ¿e dekoder fonii standardu MPEG-2 odczyta sygna³
zakodowany przez koder MPEG-1 oraz, ¿e dekoder
MPEG-1 bêdzie móg³ pracowaæ z sygna³em wytworzonym
przez koder MPEG-2. Dekoder MPEG-1, w którym przewidywano
transmisjê tylko dwóch kana³ów fonicznych nie bêdzie
wytwarza³ dŸwiêku dookólnego ale z 5.1 kana³ów przesy³anych
w standardzie MPEG-2 wybierze informacje niezbêdne
do odtworzenia sygna³u stereofonicznego.
Standard MPEG-2 wykorzystywany jest do zapisu fonii na
p³ytach DVD i przesy³ania sygna³ów fonii kina domowego.
Standard MPEG-4 HE-AAC (AAC+, aacPlus) jest rozszerzeniem
formatu MPEG-2 AAC, opracowanym dla zachowania
dobrej jakoœci dŸwiêku dla niskich przep³ywnoœci strumieni
binarnych. MPEG-4 AAC+ to standard kompresji stratnej materia³ów
audio bêd¹cy kombinacj¹ trzech technologii kodowania:
Advanced Audio Coding (AAC), Spectral Band Replication
(SBR) oraz Parametric Stereo (PS). Zarówno technologia
AAC jak i aacPlus zosta³y opracowane przez szwedzk¹ firmê
Coding Technologies. SBR to unikalna technika poszerzania
pasma czêstotliwoœci sygna³u, która pozwala kodekom audio
dostarczaæ tak¹ sam¹ jakoœæ sygna³u przy po³owie mniejszym