he-aac音频解码器fpga原型芯片设计

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1、第一章绪论1．1研究背景及意义数字技术的出现与应用为人类带来了深远的影响，人们现在已生活在一个数字化的世界中，在诸多数字技术中，数字音频技术是应用最为广泛的数字技术之一【11。目前，世界各国都在努力实现高清晰数字电视以及数字广播的普及化，中国也是其中最为积极的国家之一。而基于地面或卫星的数字电视系统和数字广播系统所能提供的带宽是非常有限的，因此，实现音频信号大量压缩的前提下又能保持高质量音质的编码技术将会得到普遍应用。音频信号减少对带宽的占用率，也可以推动视频质量的提高，这对推动数字电视音视频的质量都非常有利。为了在高音质前提下

2、提高音频信号的压缩率，1988年，国际标准化组织ISO(InternationalStandardsOrganization)与国际电子委员会IEC(InternationalEleetroteehnicalCommission)联合成立了运动图像专家组MPEG(MovingPicturesExpertsGroup)[21，研究运动图像以及音频编码的标准化，它广纳了视频、音频以及系统领域的专家，研究和制定音视频编码标准。MPEG研究和采纳变换编码技术、子带编码技术以及感知编码技术等数据压缩技术13】，先后提出了多种音频标准，如M

3、PEG．1的layerI、II、IIIt41，MPEG．2的layerI、II，以及MPEG一2p1和MPEG．4AAC(AdvancedAudioCoding)t61。这些标准中的编码方法已经可以满足现今大部分的市场需要，如在许久前疯行，现在仍然占很大市场的MP3编码技术，以及比MP3编码技术压缩率可提高30％的AAC编码技术【4J。MP3编码技术和AAC编码技术都是感知音频编码技术【_71，感知音频编码技术为音频编码技术的革新做出了巨大贡献，也是近年来最为普遍应用的音频编码技术，但是，在带宽有限而数字多媒体和数字广播服务业务

4、量日益增多、质量要求日益提高的今天，单纯的感知编码方法已经无法满足音频压缩的技术需要。更高的服务品质要求音频编码器的更低的比特率和更好的音质。而感知音频编解码器在128kpbs以下的数据率的编码质量便开始大幅度下降pJ。基于以上数字音频发展情况，MPEG组织在2003年提出了HE．AAC(HighEfficiencyAdvancedAudioCoding)标准捧J。HE．AAC标准在LCAAC(LowComplexityAAC)编码算法的基础之上增加了频谱复制(SpectralBandReplication，SBR)【9】【10

5、J技术而扩展出的数字音频压缩标准。在HE．AAC编解码技术中，MPEG．4AAC是核心编码器，MPEG．4SBR频带扩展工具，它与核心编码器联合工作，用于拓展音频带宽，可以使音频编码器以一半的比特率传送同等质量的音频信号。HE．AAC是一种在高音质情况下压缩率很高的音频编码，比AAC的编码效率提高至少30％，在48Kbit／s的码率下就可以提供高品质立体声音频【11】【121。HE．AAC的特点【l】【11】：◆码率为24kbps时便可实现CD效果的立体声音质◆采用了最先进的音频编解码技术AAC以及最新频带扩展技术SBR◆同等音

6、质下压缩率是AAC的至少70％◆已被DRM(DigitalRadioMondiale)，DAB(DigitalAudioBroadcasting)，3GPP,3GPP2采纳【14】由于HE．AAC的高效性以及高压缩率，现在各种设备和网络协议已经开始使用HE．AAC为音频压缩标准。在数字电视、数字广播等领域，HE．AAC将发挥重要的作用，并且移动电话、PDA等手持设备都出现了内嵌HE．AAC解码功能的需求。由于各种需求对HE．AAC解码器功耗、面积、速度方面的要求，设计的硬件化越来越被人们所关注，研究HE．AAC解码器实现的各优化

7、算法和硬件实现方法也具有重要的现实意义。本文以HE．AAC音频解码算法为研究对象，优化相关算法并设计硬件电路，在保证功能正确以及解码实时性的前提下，以减少电路面积为设计原则设计HE．AAC硬件解码器的FPGA原型芯片。1．2HE．AAC音频编解码关键技术HE—AAC编解码流程图如图1．1所示。如图可知关键技术包括先进音频编解码技术‘15l(AdvancedAudioCoding，简称AAC)、频带复制技术‘16](SpectralBandReplication，简称SBR)。SBRdata码流SBRdata图1．1HE。AAC编

8、解码流程图1．2．1AAC音频编解码技术AAC音频编解码技术是HE．AAC编解码技术的基础，它负责音频信号中的低频段数据的编解码。AAC音频编码技术是一种感知音频编码方法，它利用人耳的“掩蔽效应’’，通过心理声学模型分析音频信号的能量成分，并从音频信号中找到听觉