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(1) Informations redondantes du signal audio
Si le signal audio numérique est transmis directement sans compression, il occupera une bande passante énorme. Par exemple, si la fréquence d'échantillonnage d'un ensemble d'audio numérique à deux canaux est de 44.1 KHz et que chaque valeur d'échantillonnage est quantifiée par 16 bits, le taux de code est:
2 * 44.1 kHz * 16 bits = 1.411 Mbit / s
Une bande passante aussi importante apportera de nombreuses difficultés à la transmission et au traitement du signal, nous devons donc adopter la technologie de compression audio pour traiter les données audio, afin de transmettre efficacement les données audio.
Le codage de compression audio numérique peut compresser le signal de données audio autant que possible en partant du principe que le signal ne produit pas de distorsion auditive. Le codage de compression audio numérique est réalisé en supprimant les composants redondants du signal sonore. Les composants dits redondants font référence aux signaux de l'audio qui ne peuvent pas être perçus par l'oreille humaine. Ils n'ont aucune aide pour déterminer le timbre, la tonalité et d'autres informations du son.
Les signaux redondants comprennent les signaux audio au-delà de la portée de l'audition humaine et les signaux audio masqués. Par exemple, la gamme de fréquences du signal sonore qui peut être détectée par l'oreille humaine est de 20 Hz à 20 kHz, et d'autres fréquences qui ne peuvent pas être détectées par l'oreille humaine peuvent être considérées comme des signaux redondants. De plus, selon le phénomène physiologique et psychoacoustique de l'audition humaine, lorsqu'un signal sonore fort et un signal sonore faible existent en même temps, le signal sonore faible sera masqué par le signal sonore fort et ne pourra pas être entendu. un signal de tonalité faible peut être considéré comme un signal redondant au lieu d'une transmission. C'est le masqueeffet ng de l'audition humaine, qui se manifeste principalement dans l'effet de masquage du spectre et l'effet de masquage dans le domaine temporel
(a) Effet de masquage du spectre
Lorsque l'énergie sonore d'une fréquence est inférieure à un certain seuil, l'oreille humaine ne l'entendra pas. Ce seuil est appelé le seuil audible minimum. Lorsqu'un autre son avec une énergie plus élevée apparaît, le seuil près de la fréquence sonore augmente beaucoup, ce qui est appelé effet de masquage.
Sur la figure, nous pouvons voir que l'oreille humaine est la plus sensible au son de 2KHz ~ 5KHz, et est très insensible au signal sonore avec une fréquence trop basse ou trop élevée. Lorsqu'un son avec une fréquence de 0.2 kHz et une intensité de 60 dB apparaît, le seuil à proximité augmente beaucoup. Sur la figure, nous pouvons voir que la partie en dessous de 0.1 kHz et au-dessus de 1 kHz est éloignée du signal fort de 0.2 kHz, elle n'est donc pas affectée par le signal fort de 0.2 kHz, et le seuil n'est pas affecté; tandis que dans la plage de 0.1 kHz à 1 kHz, en raison de l'apparition d'un ton fort de 0.2 kHz, le seuil est grandement amélioré et l'intensité sonore minimale que l'oreille humaine peut ressentir dans cette plage est grandement améliorée. Si l'intensité du signal sonore dans la plage de 0.1 kHz à 1 kHz est inférieure à la courbe de seuil, car elle est masquée par le signal de tonalité fort de 0.2 kHz, nos oreilles ne peuvent entendre que le signal de tonalité fort de 0.2 kHz à ce moment, mais ne peut pas entendre d'autres signaux faibles du tout. Ces signaux de ton faible existant en même temps que le signal de tonalité fort de 0.2 kHz peuvent être considérés comme des signaux redondants et n'ont pas besoin d'être transmis.
(b) Effet de masquage du domaine temporel
Lorsqu'un signal de tonalité fort et un signal de ton faible apparaissent en même temps, il y a également un effet de masquage dans le domaine temporel. C'est-à-dire que lorsque le temps d'occurrence des deux est très proche, l'effet de masquage se produira également. La courbe de processus de masquage dans le domaine temporel est représentée sur la figure, qui est divisée en trois parties: masquage avant, masquage simultané et masquage arrière.
L'effet de masquage du domaine temporel peut être divisé en trois types: masquage avant, masquage simultané et masquage arrière. Le pré-masquage signifie que le signal faible existant sera masqué et ne sera pas entendu dans un court laps de temps avant que l'oreille humaine n'entende le signal fort. Le masquage simultané signifie que lorsque le signal fort et le signal faible existent en même temps, le signal faible sera masqué par le signal fort et ne sera pas entendu. Le post-masquage fait référence au fait que lorsque le signal fort disparaît, il faut beaucoup de temps pour entendre à nouveau le signal faible, ce qui est appelé post-masquage. Ces signaux peuvent être considérés comme des signaux redondants.
(c) Méthode de codage par compression
À l'heure actuelle, il existe différents schémas de codage et méthodes de mise en œuvre dans le domaine du codage audio numérique, mais les idées de codage de base sont similaires, comme le montre la figure.
Pour chaque canal audio, il est nécessaire de les mapper au domaine fréquentiel, ce qui peut être réalisé par un filtre de sous-bande. Le bloc d'échantillonnage audio dans chaque canal calcule d'abord la valeur de seuil de masquage en fonction du modèle psychoacoustique, puis détermine le nombre de bits dans différents domaines de fréquence alloués au canal à partir du pool de bits commun en fonction de la valeur de seuil de masquage calculée, puis porte la quantification et le codage, et ajoute enfin les paramètres de contrôle et les données auxiliaires dans les données pour générer le flux de données codées.
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