Учебное пособие по аудиотехнике для вузов. Рассмотрены физические и математические основы статистических методов компрессирования аудио сигналов, такие как кодирование с адаптацией шага квантования, кодирование с линейным предсказанием, энтропийное кодирование, арифметическое кодирование, использование кода Хаффмана, компрессирование по стандарту SACD и компрессирование многоканального звука по стандарту MLP.

В настоящее время в цифровой аудиотехнике для записи и передачи звуковых сигналов по каналам связи используются два вида аудио систем: без компрессирования и с компрессированием звуковых сигналов. Студийная запись производится всегда без компрессирования с использованием линейных методов аналого-цифрового преобразования на основе импульсно-кодовой или сигма-дельта модуляции.

Необходимость компрессирования возникает прежде всего при передачи звуковых сигналов по каналам связи и при необходимости увеличения длительности звукозаписи на дисковых оптических носителях и флеш-картах. В цифровых системах компрессирования основной задачей является сокращение скорости цифрового потока при записи или передачи данных. Системы с компрессированием по принципу работы и назначению разделяются на две группы

психоакустическое (перцептуальное) кодирование,
статистическое кодирование.

Психоакустическое кодирование всегда осуществляется с потерями, так как при кодировании сокращение скорости цифрового потока достигается благодаря устранению информационной избыточности звуковых сигналов. При этом убирается информация, которую слух человека не воспринимает. Избыточность эта огромна, поэтому возможно сокращение скорости цифрового потока до 20…40 раз без заметных на слух искажений.

Статистическое кодирование в принципе осуществляется без потерь за счет сокращения статистической избыточности звуковых сигналов и применения оптимальной с точки зрения теории информации упаковки цифровых данных. Избыточность эта не так велика, поэтому сокращение скорости цифрового потока, возможно не более чем 2…4 раза. Применительно к вычислительной технике разработано множество алгоритмов компрессирования без потерь, такие как PkZip, WinZip, WinRar . Они хорошо компрессируют текст, рисунки, но не могут компрессировать звуковые файлы. Так, например, текстовый файл объемом 4,56 Мбайт компрессируются до 696 кбайт, тогда как звуковой файл объемом 33,72 Мбайта этим же алгоритмом компрессируется только 31,57 Мбайта, всего на 6,5%. Применительно к звуку нужны другие идеи компрессирования

Основой статистического кодирования звуковых сигналов являются следующие методы сокращения скорости цифрового потока:

квантование звуковых сигналов с неравномерным шагом,
кодирование с предсказанием,
энтропийное кодирование,
адаптация шага квантования,
адаптация предсказания.

Они могут быть использованы по отдельности и все сразу. Использование этих методов не сокращает информационной избыточности звуковых сигналов.