CN111429925A - 一种降低音频编码速率的方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低音频编码速率的方法及***，属于音频编解码技术领域。该降低音频编码速率的方法包括：识别采样频率步骤；带宽检测步骤；码率转化步骤，将编码速率转换为编码时每帧可用的第一字节数；计算第二字节数步骤，其将第一字节数减去每帧必要开销的第三字节数得到每帧的谱系数进行量化和算术编码可用的第二字节数；计算第四字节数步骤，其通过第二字节数与第三字节数进行计算求得根据带宽新的每帧编码可用的第四字节数以及更新编码控制标志步骤，其根据第四字节数及依赖码率对编码控制标志进行更新。本发明的应用避免了在音频编码过程中运算能力的浪费，使得编码器处于最优的工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及音频编码技术领域，特别是一种降低音频编码速率的方法及***。
背景技术
现有技术中，主流的蓝牙音频编码器包括：SBC音频编码器，其根据A2DP协议强制要求，使用最为广泛，所有的蓝牙音频设备支持，但音质一般；AAC-LC音频编码器，其音质较好且应用较为广泛，很多主流的手机都支持，但与SBC音频编码器相比，内存占用较大，且运算复杂度高，很多蓝牙设备都基于嵌入式平台，电池容量有限，处理器运算能力较差且内存有限；aptX系列音频编码器，其音质较好，但码率很高，aptX需要码率384kbps，而aptX-HD的码率为576kbps，且为高通独有的技术，较为封闭；LDAC音频编码器，其音质较好，但码率也很高，分别是330kbps，660kbps和990kbps，由于蓝牙设备所处的无线环境特别复杂，稳定支持如此高的码率有一定的困难，且为索尼独有的技术，也很封闭。
基于上述原因，蓝牙国际联盟Bluetooth Sig联合众多厂商推出了LC3音频编码器，其具有较低延迟、较高音质和编码增益以及在蓝牙领域无专利费等优点，受到广大厂商的关注。由于LC3音频编码器推出的初衷是要满足低功耗蓝牙领域的音频应用，所以对功耗要求非常严格，在低功耗蓝牙领域，期望移动设备的功耗较低，而音频的码率与占用的空中带宽成正比，且直接影响射频的功耗，较低的码率不仅可以降低收发端的射频功耗和空中干扰，同时也能降低编解码器的运算量。
通常，音频编码器的输入信号具有接近奈奎斯特频率（Nyquist frequency）的有效带宽，但实际应用中，存在其音频的有效带宽远小于奈奎斯特频率，此时音频编解码器存在有些编码模块不能正常工作的情形，如果按照奈奎斯特频率编码，会造成频谱能量泄露；如果仍用原先的码率编码则会造成一定的码率浪费，编码器没有工作在最优的模式；此外有效带宽的减少意味着信息量的减少，如果仍然按照奈奎斯特频率编码，则会造成运算能力的浪费问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种降低音频编码速率的方法及***，使得音频编码器在最优的工作模式下，减少不必要的运算能力的浪费。
为了实现上述目的，本发明采用的第一个技术方案是：提供一种降低音频编码速率的方法，其包括识别采样频率步骤，其识别输入信号的采样频率是最低采样频率时，按照标准流程进行编码，输入信号的采样频率不是最低采样频率时，进行以下步骤；带宽检测步骤，当有效带宽等于奈奎斯特频率时，按照标准流程进行编码，当有效带宽小于奈奎斯特频率时，进行以下步骤；码率转化步骤，将编码速率转换为编码时每帧可用的第一字节数；计算第二字节数步骤，其将第一字节数减去每帧必要开销的第三字节数得到每帧的谱系数进行量化和算术编码可用的第二字节数；计算第四字节数步骤，其通过第二字节数与第三字节数进行计算求得根据带宽新的每帧编码可用的第四字节数；以及更新编码控制标志步骤，其根据第四字节数及依赖码率对编码控制标志进行更新。
为了实现上述目的，本发明采用的第二个技术方案是：提供一种降低音频编码速率的***，其包括带宽检测模块，对输入信号的有效带宽进行检测；码率及编码参数更新模块，其通过将编码速率转换成一个声道编码时每帧可用的第一字节数，将第一字节数减去每帧必要开销的第三字节数得到对每帧谱系数进行量化和算术编码可用的第二字节数，通过第二字节数与第三字节数进行运算，得到根据带宽新的每帧编码可用的第四字节数，然后根据第四字节数及依赖码率对编码控制标志进行更新；以及量化模块，其将每帧编码谱线的数量替换为每帧最大谱线的数量与有效带宽和奈奎斯特频率比值的乘积。
本发明的有益效果是：本发明应用时，音频编码器在最优的工作模式下，减少不必要的运算能力的浪费，进而降低音频编码器的功耗。
附图说明
图1是本发明一种降低音频编码速率方法的流程示意图；
图2是LC3音频编码器编码流程结构示意图；
图3是本发明一种降低音频编码速率方法的主观差异等级图实例；
图4是本发明一种降低音频编码速率***的结构示意图；
图5是单声道，采样率48000Hz，有效带宽24kHz的一段语音语谱图；
图6是单声道，采样率48000Hz，有效带宽12kHz的一段语音语谱图；
图7是有效带宽24kHz、12kHz语谱编码后的主观差异等级图实例。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
目前主流的编解码器包括：SBC音频编码器、 AAC-LC音频编码器、aptX系列音频编码器、LDAC音频编码器以及蓝牙国际联盟Bluetooth Sig联合众多厂商推出了LC3音频编码器，因为LC3编码器具有较低延迟，较高音质和编码增益的优点，受到众多厂商青睐，本发明的降低编码速率的方法及***主要针对现有的LC3音频编码器进行优化，但本发明降低音频编码速率的方法及***同样也适用于其他音频编码器。下面通过LC3音频编码器为例对本发明的降低音频编码速率的方法及***进行说明。
在本发明的一个具体实施方式中，图1示出了本发明降低音频编码速率的方法的流程示意图。在该具体实施方式中，本发明的降低音频编码速率的方法包括以下步骤：
步骤S101：识别采样频率步骤。
在该具体实施方式中，音频编码器对编码输入信号的采样频率进行识别，判断采样频率是否为最低采样频率。在本发明的一个具体实例中，采样频率8KHz是LC3音频编码器规范中的最低采样频率。当检测到输入信号的采样频率为8KHz时，按照LC3音频编码器的标准编码流程进行编码，编码速率不会造成浪费，不需要进行编码速率降低的操作步骤；当检测到输入信号的采样频率为其他采样频率时，则进行以下步骤。
步骤S102：带宽检测步骤。
在本发明的一个实例中，通过带宽检测模块对输入信号的有效带宽进行检测，当输入信号的有效带宽等于奈奎斯特频率时，按照LC3音频编码器的标准编码流程进行编码，不需要再进行其他降低音频编码速率的操作步骤，当有效带宽小于奈奎斯特时，进行以下步骤。其中在本发明的一个实例中，窄带的频率范围是0-4KHz，宽带的频率范围是0-8KHz，半超宽带的频率范围是0-12KHz，超宽带的频率范围是0-16KHz，全频带的频率范围是0-20KHz。
步骤S103：码率转化步骤。
在本发明的一个实例中，根据LC3音频编码器的规范将编码速率转化成一个声道编码时每帧可用的第一字节数。其中，第一字节数用nbytes表示，计算方法如下：
其中，bitrate表示编码输入参数“码率”，根据不同输入信号的不同帧长，
为7.5毫秒或10毫秒，
的取值通过以下公式确定：
步骤S104：计算第二字节数步骤。
在本发明的一个具体实施方式中，通过将第一字节数减去每帧必要开销的第三字节数得到第二字节数。其中，第二字节数的含义为每帧的谱系数进行量化和算术编码可用的字节数，用符号nbytes_spec表示。第三字节数用符号nbytes_mandatory表示。在本发明的一个实例中，每帧必要开销的第三字节数nbytes_mandatory包含两个方面：每帧固定开销字节数，此字节数根据LC3音频编码器标准进行规定，每一帧所用的字节数固定，例如，频域噪声整形模块需要38个比特，全局增益需要8个比特。每帧浮动开销需要的比特数与输入编码信号的频谱分布特点有关，只有执行完相关的模块运算才能得到结果，例如，在码率及编码参数更新模块执行时，长期后置滤波器模块已经运算结束，所以可以得到长期后置滤波器模块所需要的比特数。而时域噪声整形模块在码率及编码参数更新模块执行时，还未运行，所以时域噪声整形模块所用的比特数不确定，此时，按照实际使用的时域噪声整形模块中TNS滤波器的数量对应的最大可能的字节数进行计算。其中，图2 示出了LC3音频编码器编码流程中各模块的位置，其中，本发明的降低音频编码速率的方法主要体现在码率及编码参数更新模块以及量化模块。
步骤S105：计算第四字节数步骤。
在本发明的一个具体实施方式中，第四字节数为根据带宽新的每帧编码可用的字节数，用符号nbytes_update表示。其中，第四字节数的计算公式如下：
其中，
为谱系数字节数调整因子，在本发明的一个实例中，谱系数字节数调整因子根据音质需求进行选取，选取范围是
。其中，谱系数字节数调整因子取值越低，则谱系数可用字节数越接近“有效带宽/奈奎斯特频率”，实际的音质会有较大的损失，因为低频频谱往往能量更大，对音质的重要性更高；谱系数字节数调整因子取值越高，则音质越好，如果取值越接近“奈奎斯特频率/有效带宽” 则码率降低幅度越低。另外，在具体的应用场景中可以根据主观和客观测试结果选择上述范围内的值。
在本发明的一个实例中，
称为第二字节数系数。通过以上公式可计算求得根据带宽新的每帧编码可用的第四字节数。
步骤S106：更新编码控制标志步骤。
在本发明的一个具体实施方式中，根据求得第四字节数更新编码器编码的控制标志。在本发明的一个实例中，根据LC3音频编码器规范规定的码率以及第四字节数更新编码控制标志，其中更新步骤由LC3音频编码器标准规范确定。例如，更新时域噪声整形LPC加重标志Tns_lpc_weighting、码率标志rateFlag以及模式标志modeFlag等。
在本发明的一个具体实施方式中，本发明的降低音频编码速率的方法包括量化步骤。在该具体实施方式中，通过将每帧编码谱线的数量
替换为
在该具体实施方式中，将
替换为
更新如下的lastnz计算，其中lastnz_tail指的是带宽边缘的过度，通常将宽带信号滤波成窄带信号时，从通带到阻带为过渡带。在本发明的一个实例中，lastnz_tail不一定是全零，lastnz_tail可取一个较小的值，例如3~5。其中，lastnz计算描述为：
lastnz = 
while (lastnz>2 && 
[lastnz-1] == 0 && 
[lastnz-2] == 0)
{lastnz -= 2;}
在本发明的一个实例中，当输入信号的采样率为8KHz时，该量化步骤不执行。
通过本发明降低音频编码速率的方法，能够根据输入信号的不同对音频编码器的编码速率进行调整，通过降低实时的编码速率，节省音频编解码器在编码端和解码端的算术编码的运算量，延长设备的使用时间。如图3所示，为本发明降低音频编码速率的方法的应用实例，其为码率修改前后的主观差异等级变化示意图。其中，修改前的编码速率为128kbps，修改后的编码速率为108.8kbps，其中编码速率降低15%，其主观差异等级变化在蓝牙国际联盟规定的门限范围内。通过降低实时编码速率，节省带宽资源，同时节省蓝牙发射端和接收端的射频功耗，从而延长设备的使用时间，另外本发明的降低音频编码速率的方法可以应用于10毫秒帧长和7.5毫秒帧长的编码信号，以及除最低采样率8KHz以外的所有采样率的编码信号，应用范围广。
在本发明的一个具体实施方式中，如图4所示，本发明的降低音频编码速率的***包括带宽检测模块，在本发明的一个实例中，通过带宽检测模块对输入信号的有效带宽进行检测，当输入信号的有效带宽等于奈奎斯特频率时，按照LC3音频编码器的标准编码流程进行编码，不需要在再进行其他的编码速率降低的操作步骤，当有效带宽小于奈奎斯特时，进行其他操作。其中在本发明的一个实例中，窄带的频率范围是0-4KHz，宽带的频率范围是0-8KHz，半超宽带的频率范围是0-12KHz，超宽带的频率范围是0-16KHz，全频带的频率范围是0-20KHz。
在该具体实施方式中，本发明的降低音频编码速率的***包括码率及编码参数更新模块，其通过将编码速率转换成一个声道编码时每帧可用的第一字节数，将第一字节数减去每帧必要开销的第三字节数得到对每帧谱系数进行量化和算术编码可用的第二字节数，选取范围是
之间的谱系数字节数调整因子，将有效带宽与奈奎斯特频率的比值乘以谱系数字节数调整因子得到第二字节数的系数，将第三字节数与第二字节数与第二字节数系数的乘积求和求得第四字节数，然后根据第四字节数及依赖码率对编码控制标志进行更新。
在该具体实施方式中，本发明的降低音频编码速率的***还包括量化模块。其中，通过将每帧编码谱线的数量
替换为
，其中
为每帧样点的数量，也是每帧最大谱线的数量。在在本发明的一个实例中，当输入信号的采样率为8KHz时，该量化模块不工作。
在本发明的一个实例中，本方明的降低音频编码速率的***的带宽检测模块、码率及编码参数更新模块以及量化模块在LC3音频编码器中的位置如图2中灰色部分所示。
图5示出了单声道，采样率48000Hz，有效带宽24kHz的一段语音语谱图，图6示出了单声道，采样率48000Hz，有效带宽12kHz的一段语音语谱图，图7为上述两种音频使用码率为125Kbps的配置编解码之后得到的主观差异等级图，由图7看出有效带宽较小的音频其主观差异等级得分都比较高，且大部分都超过0，然而这部分的提升并没有意义，因为人耳很难感受到，有效带宽的减少意味着信息量的减少，如果仍然按照奈奎斯特频率编码，则会造成运算能力的浪费。
通过本发明降低音频编码速率的***，能够根据输入信号的不同对音频编码器的编码速率进行调整，通过降低实时的编码速率，节省音频编解码器在编码端和解码端的算术编码的运算量，避免不必要的运算能力的浪费，同时延长设备的使用时间。通过降低实时音频编码速率，节省带宽资源，同时节省蓝牙发射端和接收端的射频功耗，从而延长设备的使用时间，另外本发明的降低音频编码速率的方法可以应用于10毫秒帧长和7.5毫秒帧长的编码信号，以及除最低采样率8KHz以外的所有采样率的编码信号，应用范围广。
Claims (10)
1.一种降低音频编码速率的方法，其特征在于，包括：
识别采样频率步骤，其识别输入信号的采样频率是最低采样频率时，按照标准流程进行编码，所述输入信号的所述采样频率不是最低采样频率时，进行以下步骤；
带宽检测步骤，当有效带宽等于奈奎斯特频率时，按照所述标准流程进行所述编码，当所述有效带宽小于所述奈奎斯特频率时，进行以下步骤；
码率转化步骤，将编码速率转换为编码时每帧可用的第一字节数；
计算第二字节数步骤，其将所述第一字节数减去每帧必要开销的第三字节数得到每帧的谱系数进行量化和算术编码可用的所述第二字节数；
计算第四字节数步骤，其通过所述第二字节数与所述第三字节数进行计算求得根据带宽新的每帧编码可用的第四字节数；以及
更新编码控制标志步骤，其根据所述第四字节数及依赖码率对所述编码控制标志进行更新。
2.根据权利要求1所述的降低音频编码速率的方法，其还包括量化步骤，其将每帧编码谱线的数量替换为每帧最大谱线的数量与所述有效带宽和所述奈奎斯特频率比值的乘积。
3.根据权利要求1所述的降低音频编码速率的方法，其中所述最低采样频率为窄带语音的采样频率，为8KHz。
4.根据权利要求1所述的降低音频编码速率的方法，其中所述每帧必要开销的所述第三字节数包括每一帧固定的固定开销字节数和与信号频谱分布特点相关的浮动开销字节数。
5.根据权利要求1所述的降低音频编码速率的方法，其中计算第四字节数步骤包括：
根据音质需求选取谱系数字节数调整因子，所述选取范围是1到所述奈奎斯特频率与所述有效带宽的比值之间；
计算所述第二字节数系数，其将所述有效带宽与所述奈奎斯特频率的所述比值乘以所述谱系数字节数调整因子；
计算所述第四字节数，其将所述第三字节数与所述第二字节数与所述第二字节数系数的乘积求和。
6.根据权利要求2所述的降低音频编码速率的方法，其中在所述量化步骤中，当输入采样频率为所述最低采样频率时，此步骤不执行。
7.一种降低音频编码速率的***，其特征在于，包括：
带宽检测模块，对输入信号的有效带宽进行检测；
码率及编码参数更新模块，其通过将编码速率转换成一个声道编码时每帧可用的第一字节数，将所述第一字节数减去每帧必要开销的第三字节数得到对每帧谱系数进行量化和算术编码可用的第二字节数，通过所述第二字节数与所述第三字节数进行运算，得到根据带宽新的每帧编码可用的第四字节数，然后根据所述第四字节数及依赖码率对所述编码控制标志进行更新；以及
量化模块，其将每帧编码谱线的数量替换为每帧最大谱线的数量与所述有效带宽和奈奎斯特频率比值的乘积。
8.根据权利要求7所述的降低音频编码速率的***，在所述码率及编码参数更新模块中，在计算所述第四字节数时，首先选取范围是1到所述奈奎斯特频率与所述有效带宽的比值之间的谱系数字节数调整因子，将所述有效带宽与所述奈奎斯特频率的所述比值乘以所述谱系数字节数调整因子得到所述第二字节数的系数，将所述第三字节数与所述第二字节数与所述第二字节数系数的乘积求和求得所述第四字节数。
9.根据权利要求7所述的降低音频编码速率的***，当输入信号采样频率为8KHz时，不需进行所述降低音频编码速率的***的处理。
10.根据权利要求7所述的降低音频编码速率的***，当所述有效带宽等于所述奈奎斯特频率时，不需进行所述降低音频编码速率的***的处理。
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| CN111933162A (zh) * | 2020-08-08 | 2020-11-13 | 北京百瑞互联技术有限公司 | 一种优化lc3编码器残差编码和噪声估计编码的方法 |
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