lecture3话音编码
语音编码总结
语音编码总结一、历史与概念1、模拟的声音信号话音信号：（口语发声的）200Hz~3400Hz调幅广播信号：（无线广播）50Hz到7000Hz调频广播信号：（无线广播）20Hz到16000Hz激光唱机信号（CD）：10Hz~20000Hz2、话音编码技术的历史回顾10 20 50 200 3400 7000 1600 20000 Hz话音编码研究的历史表明，这一领域的研究成果直接为通信产业发展提供了源动力。
目前IP电话所用的编码的标准有G.723.1, G.728, G.729。
具有低延迟、低码率、低复杂性、高音质的话音编码算法将是未来IP电话网络的奠基石。
3、若干概念术语（1）数字信号：标称的不连续信号。
它可以用离散的步差从一个状态转变到另一个状态。
（2）采样：按周期T对模拟信号进行测量，称为采样。
采样频率Fs=1/T.在满足奈奎斯特定理时，从采样值可准确的恢复原信号。
（3）量化用数字信号表示话音的过程称为量化。
（4）非均匀量化非均匀量化可以兼顾动态范围和小信号的系统精度。
Reeves提出概念。
即对大信号取较大的量化步长。
对小信号取较小的量化步长。
二、矢量量化将k个样点构成的有序集（信源矢量集合）映射为M个恢复失量构成的有限集A（码书，码本）中的某个矢量Yi（码字，码元）的映射，称为矢量量化，它是对标量量化在K维空间的一个推广。
1、码本设计的LBG方法（1）在矢量空间X中，进行最佳划分，即，把X划分成M个子空间Si i=,1.2….m 使平均失真最小。
（2）对划分后的子空间Si求出其形心作为新的最佳代表矢量Yi，从而构成新的码本。
将上述步骤反复迭代，最终求出最佳码本和量化器。
（3）初始码本的选择：A、随机选取，迭代时间较长B、分裂法（4）LBG方法不是最优化方法，即迭代过程不能保证收敛到全局最小值。
后来有人提出模拟退火法，将LBG方法收敛到局部最小值时，采用某种扰动将迭代过程继续进行下去。
2、空间分布对矢量量化的影响LBG算法把问题简化为：在矢量空间中，样点的分布是均匀的。
多媒体技术基础第3讲话音编码PPT课件
2020年7月28日
第3讲 话音编码
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3.2 话音编译码器
这种声码器的数据率在2.4kb/s左右，产 生的语音虽然可以听懂，但其质量远远 低于自然话音。增加数据率对提高合成 话音的质量无济于事，这是因为受到话 音生成模型的限制。尽管它的音质比较 低，但它的保密性能好，因此这种编译 码器一直用在军事上。
第3讲话音编码
qz@
2010年3月
1
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总体概述
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2
随着数字电话和数据通信容量日益增长 的迫切要求，而又不希望明显降低传送 话音信号的质量。
➢ 除了提高通信带宽之外， ➢ 对话音信号进行压缩是提高通信容量的重要
声码器(vocoder)：针对话音的音源编译码器。
在话音生成模型中，声道被等效成一个随时间变化的 滤波器，叫做时变滤波器(time-varying filter)，它由白 噪声(无声话音段)激励，或者由脉冲串(有声话音段)激 励。需要传送给解码器的信息就是滤波器的规格、发 声或者不发声的标志和有声话音的音节周期，并且每 隔10～20ms更新一次。声码器的模型参数既可使用时 域的方法也可以使用频域的方法确定，这项任务由编 码器完成。
声道也被认为是一个滤波器，有许多共振峰，其频率 受随时间变化的声道形状所控制，例如舌的移动就会 改变声道的形状。许多话音编码器用一个短期滤波器 (short term filter)来模拟声道。但由于声道形状的变化 比较慢，模拟滤波器的传递函数的修改不需要那么频 繁，典型值在20ms左右。
2020年7月28日
音频编码基本概念介绍
音频编码基本概念介绍自然界中的声音非常复杂，波形极其复杂，通常我们采用的是脉冲代码调制编码，即PCM编码。
PCM通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。
1-1 什么是采样率和采样大小（位/bit）。
声音其实是一种能量波，因此也有频率和振幅的特征，频率对应于时间轴线，振幅对应于电平轴线。
波是无限光滑的，弦线可以看成由无数点组成，由于存储空间是相对有限的，数字编码过程中，必须对弦线的点进行采样。
采样的过程就是抽取某点的频率值，很显然，在一秒中内抽取的点越多，获取得频率信息更丰富，为了复原波形，一次振动中，必须有2个点的采样，人耳能够感觉到的最高频率为20kHz，因此要满足人耳的听觉要求，则需要至少每秒进行40k次采样，用 40kHz表达，这个40kHz就是采样率。
我们常见的CD，采样率为44.1kHz。
光有频率信息是不够的，我们还必须获得该频率的能量值并量化，用于表示信号强度。
量化电平数为2的整数次幂，我们常见的CD位16bit的采样大小，即2的16次方。
采样大小相对采样率更难理解，因为要显得抽象点，举个简单例子：假设对一个波进行8次采样，采样点分别对应的能量值分别为A1-A8，但我们只使用 2bit的采样大小，结果我们只能保留A1-A8中4个点的值而舍弃另外4个。
如果我们进行3bit的采样大小，则刚好记录下8个点的所有信息。
采样率和采样大小的值越大，记录的波形更接近原始信号。
1-2 有损和无损根据采样率和采样大小可以得知，相对自然界的信号，音频编码最多只能做到无限接近，至少目前的技术只能这样了，相对自然界的信号，任何数字音频编码方案都是有损的，因为无法完全还原。
在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的 WAV文件中均有应用。
因此，PCM约定俗成了无损编码，因为PCM代表了数字音频中最佳的保真水准，并不意味着PCM就能够确保信号绝对保真，PCM也只能做到最大程度的无限接近。
多媒体技术基础第3版第3讲话音编码课件
Dolby Vision是一种高动态范围（HDR）视频技术标准，它通过增加亮度和颜色 动态范围来提升图像质量。同时，Dolby Vision还支持音频和视觉的同步处理， 提供更加沉浸式的观影体验。
04 音视频编码的应用场景
CHAPTER
流媒体应用
实时通信
通过音视频编码技术，实现实时 语音和视频通话，如在线会议、
高清与超高清音视频编码技术需要更高的数据传输速率和存储空间，因此需要发展 更高效的编码算法和传输技术，以降低数据传输成本和存储成本。
随着5G、物联网等技术的发展，高清与超高清音视频编码技术的应用场景将更加广 泛，例如在智能家居、远程医疗、在线教育等领域。
人工智能与音视频编码的结合
人工智能技术为音视频编码提供了新 的解决方案，例如利用深度学习技术 进行视频压缩，可以显著提高压缩效 率和图像质量。
远程教育等。
直播服务
音视频编码技术用于在线直播， 如音乐会、比赛、新闻报道等，
让观众实时观看。
点播服务
音视频编码技术也用于提供点播 服务，如在线电影、电视剧、短
视频等。
数字电视应用
数字电视广播
通过音视频编码技术，实现数字 电视信号的传输和接收，提供高 清、流畅的电视节目。
交互电视
音视频编码技术用于交互电视应 用，如视频点播、时移电视、互 动游戏等。
新一代视频压缩标准，支持更 高的分辨率和帧率，适用于
4K和8K视频。
AV1
开源的视频编码标准，旨在提 供更高的压缩效率和更好的版
权保护。
02 音视频编码技术
CHAPTER
音频编码技术
音频编码概述
音频编码是将模拟信号或数字信 号转换为数字信号的过程，以便
语音编码
1980年，Linde,Buzo和Hoyd将Hoyd-Max算法推广到k维空间。提出了设计矢量量 化器的一般的方法，称为LBG算法。
从LBG算法开始，矢量量化的研究进入有效的实用和全面展开的阶段。人们针对
失真测度的探讨、码书设计，快速搜索算法和实阶应用系统展开研究。下图是一
个矢量量化器的示意图，它将输入矢量X量化成为输出矢量Yi
2
2
2
V/64~V/32 P010ABCD
4
3
4
5
V/32~V/16 V/16~V/8
V/8~V/4
P011ABCD P100ABCD P101ABCD
8
16 32
6
V/4~V/2 P110ABCD
64
7
V/2~V P111ABCD
128
其中，=Xmax/(212-1)，编码位数为m=8，用PxyzABCD表示。P表示 极性，xyz表示段落码。不同的段落采用不同的量化步长。同一段落内量化 是均匀的。ABCD是段内信号幅值，共有13个不同的量化步长。除去符号位， PCM 码 的 7 位 量 化 值 表 示 12 位 的 动 态 范 围 。 以 8K 采 样 率 计 ， PCM 码 率 为
·2m=2Xmax
4。非均匀量化
当M一定时，为了表示较大的动态范围，=Xmax/2m-1要取较大值。 这样，在信号幅值较小时，产生较大误差。为了兼顾动态范围和小信号 的系统精度。Reeves提出非均匀量化概念。即对大信号取较大的量化步 长。对小信号取较小的量化步长。等价地说，先将大信号缩小，小信号
2。采样 按周期T对模拟信号进行测量，称为采样。采样频率Fs=1/T.
在满足奈奎斯特定理时，从采样值可准确的恢复原信号。（时间 轴上的离散化）
第3讲_信息表示与编码(声音、图像、视频)
例：人正常说话时的声音频率一般在20Hz～4kHz。采样频 率为8kHz，量化位数为8bit，求1秒的声音数字化后的数据 量。 8k×8÷8=8000（B）≈7.8KB
如果是高质量的CD音质效果，采样频率为44.1kHz， 量化位数为16bit，双声道立体声，则1分钟的数据量为： 44.1k×16×2×60÷8=10584000B≈10.09MB
数据存储——存储图像
•矢量图文件优点 ①由于矢量图形的特点，通过软件可方便地将矢量图 进行缩放、移动、旋转等，其尺寸可以任意变化而不 会损坏图形的质量。 ②由于矢量图形只保存算法和特征点参数，因此占用 的存储空间较小。 •矢量图文件缺点 ①当图形复杂时，计算时间较长。 ②对于某些复杂的彩色照片（如真实世界的照片）很 难用数学公式来描述图形的构造，而采用位图来表示。
黄(255,255,0)
R:200 G:50 B:120
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数据存储——存储图像
•位图 和音频类似，照片中的内容来自现实世界， 是随空间连续变化的一些颜色值，是一种模拟数据。
对模拟的图像数据，不可能完全在计算机中 进行存储。仍然需要通过空间采样的方法，测量离 散点处的颜色值来进行存储。 23/45
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数据存储——存储音频
•声音文件（编码标准）——MPEG音频文件（.mp3）
MP3是一种音频压缩技术标准，其全称是动态影像专 家组音频层面3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III），简称为MP3。 利用人耳对高频信号无法识别的原理，将时域波形信 号转换成频域信号，并划分成多个频段，对不同的频段使用 不同的压缩率，对高频加大压缩比（甚至忽略信号）对低频 信号使用小压缩比，保证信号不失真。 可以实现1∶10甚至1∶12的压缩率。
话音编码
200 100
30
＝ 0
µ
0
1
x
(a)
以µ律压缩特性来说明对小信号量化信噪比的改善程 律压缩特性来说明对小信号量化信噪比的改善程 画出了参数µ为某一取值的压缩特性 为某一取值的压缩特性。 度， 如图 画出了参数 为某一取值的压缩特性。 虽然它 的纵坐标是均匀分级的， 但由于压缩的结果， 的纵坐标是均匀分级的， 但由于压缩的结果， 反映到输 入信号x就成为非均匀量化了 即信号小时量化间隔∆x小 就成为非均匀量化了， 入信号 就成为非均匀量化了，即信号小时量化间隔 小， 信号大时量化间隔∆x也大 而在均匀量化中， 也大， 信号大时量化间隔 也大，而在均匀量化中，量化间隔 却是固定不变的。 却是固定不变的。
3.1 三种话音编译码器
通常把已有的话音编译码器分成三种类型： 通常把已有的话音编译码器分成三种类型：波形编译 码器、音源编译码器和混合编译码器。 码器、音源编译码器和混合编译码器。 波形编译码器的话音质量高，但数据率也很高； 波形编译码器的话音质量高，但数据率也很高；音源 编译码器的数据率很低，产生的合成话音的音质有待提高； 编译码器的数据率很低，产生的合成话音的音质有待提高； 混合编译码器使用音源编译码技术和波形编译码技术， 混合编译码器使用音源编译码技术和波形编译码技术，数 据率和音质介于它们之间。 据率和音质介于它们之间。
假设使用近似于对数的对数量化器， 假设使用近似于对数的对数量化器，则产生的样本精 度为8位 它的数据率为64kb/s时，重构的话音信号几乎 度为 位，它的数据率为 时 与原始的话音信号没有什么差别。 与原始的话音信号没有什么差别。 PCM编译码器简单，延迟时间短，音质高，不足点 编译码器简单，延迟时间短，音质高， 编译码器简单 是数据速率比较高，对传输通道的错误比较敏感。 是数据速率比较高，对传输通道的错误比较敏感。 在话音编码中，一种普遍使用的技术叫做预测技术， 在话音编码中，一种普遍使用的技术叫做预测技术， 这种技术是企图从过去的样本来预测下一个样本的值。 这种技术是企图从过去的样本来预测下一个样本的值。依 据是在话音样本之间存在相关性。 据是在话音样本之间存在相关性。
语音编码分类及编解码标准
语音编码分类及编解码标准将音频或视频信号在模拟格式和数字格式之间转换的硬件（编码器/解码器）；压缩和解压缩音频或视频数据的硬件或软件（压缩/解压缩）；或是编码器/解码器和压缩/解压缩的组合。
通常，编码解码器能够压缩未压缩的数字数据，以减少内存使用量。
编解码器（codec）指的是一个能够对一个信号或者一个数据流进行变换的设备或者程序。
这里指的变换既包括将信号或者数据流进行编码（通常是为了传输、存储或者加密）或者提取得到一个编码流的操作，也包括为了观察或者处理从这个编码流中恢复适合观察或操作的形式的操作。
编解码器经常用在视频会议和流媒体等应用中，通常主要还是用在广电行业，作前端应用。
G.711类型：Audio制定者：ITU-T所需频宽：64Kbps特性：算法复杂度小，音质一般优点：算法复杂度低，压缩比小（CD音质>400kbps），编解码延时最短（相对其它技术）缺点：占用的带宽较高应用领域：voip版税方式：Free备注：70年代CCITT公布的G.711 64kb/s脉冲编码调制PCM。
G.721类型：Audio制定者：ITU-T所需频宽：32Kbps特性：相对于PCMA和PCMU，其压缩比较高，可以提供2：1的压缩比。
优点：压缩比大缺点：声音质量一般应用领域：voip版税方式：Free备注：子带ADPCM（SB-ADPCM）技术。
G.721标准是一个代码转换系统。
它使用ADPCM转换技术，实现64 kb/s A律或μ律PC M速率和32 kb/s速率之间的相互转换。
G.722类型：Audio制定者：ITU-T所需频宽：64Kbps特性：G722能提供高保真的语音质量优点：音质好缺点：带宽要求高应用领域：voip版税方式：Free备注：子带ADPCM（SB-ADPCM）技术G.723(低码率语音编码算法)类型：Audio制定者：ITU-T所需频宽：5.3Kbps/6.3Kbps特性：语音质量接近良，带宽要求低，高效实现，便于多路扩展，可利用C5402片内16kRAM实现53coder。
高中信息技术必修11.2.3数据编码声音编码(第六课时)说课稿.
（一）教学策略
在本节课的教学中，我将采用以下主要教学方法：
1.案例分析法：通过引入生动的案例，让学生了解声音编码在现实生活中的应用，提高学生的学习兴趣和参与度。
2.小组讨论法：组织学生进行小组讨论，让学生在合作中学习，提高学生的分析问题和解决问题的能力。
3.问题驱动法：设置具有挑战性的问题或任务，激发学生的求知欲和解决问题的能力。
（三）学习动机
为了激发学生的学习兴趣和动机，我将采取以下策略或活动：一是通过引入生动的案例，让学生了解声音编码在现实生活中的应用，提高学生的学习兴趣；二是组织学生进行小组讨论和实践操作，让学生在合作中学习，提高学生的参与度；三是设置具有挑战性的问题或任务，激发学生的求知欲和解决问题的能力；四是给予学生及时的反馈和鼓励，增强学生的自信心，激发学生的学习动力。
（二）教学目标
1.知识与技能：通过本节课的学习，使学生了解声音编码的基本概念，掌握不同类型的声音编码方法，能够运用声音编码的原理对实际问题进行分析和解决。
2.过程与方法：通过小组讨论、案例分析等教学活动，培养学生独立思考、合作探究的能力，提高学生分析问题和解决问题的能力。
3.情感态度与价值观：培养学生对信息技术学科的兴趣，使学生认识到声音编码在现代社会中的重要作用，提高学生对信息技术应用的敏感度和应用能力。
3.案例分析：让学生分析现实生活中声音编码的应用案例，如音频编辑、语音识别等，加深对声音编码的理解。
（四）总结反馈
在总结反馈阶段，我将引导学生进行自我评价，并提供有效的反馈和建议：
1.学生自我评价：让学生回顾本节课所学的知识点，评价自己对声音编码的理解程度，并提出自己的疑问。
2.教师反馈和建议：根据学生的表现和疑问，给予及时的反馈和建议，帮助学生巩固薄弱环节，提高学习效果。
(优选)第三讲话音编码简介
预测：用过去的k个信号预测当前的信号值。
xk f (x1, x2 , x3......xk1, k )
线性预测：
k 1
xk
ai (k ) xi'
i 1
如果ai是常数，则为时不变线性预测，否则
为自适应线性预测，预测器就是一个滤波器。
最简单的预测方程： xk xk 1
5.自适应差分脉冲调制（ADPCM）
音源编译码器（Source coder）：也叫参数编译码器、 声码器（vocoder）。它从话音波形信号中提取生成话 音的参数，使用这些参数通过话音生成模型重构出话音。
混合编译码器（Hybrid coder）：综合使用上述两种技 术。使用的激励信号波形尽可能接近于原始话音信号的 波形。例如CELP。
数字电话通信标准G.721（CCITT）
• ADPCM综 合了 APCM的 自适应特性 和DPCM 系统的差分 特性
• 左图的量化 阶调整属于
解码器
I(k)
d(k)
逆量化器
S(k)
量化阶调整 S(k-1)
预测器
ADPCM是利用样本与样本之间的高度相关性和量化阶自适应 来压缩数据的一种波形编码技术，CCITT为此制定了G.721推 荐标准，这个标准叫做32 kb/s ADPCM。在此基础上还制定 了G.721的扩充推荐标准G.723，使用该标准的编码器的数据 率可降低到40 kb/s和24 kb/s。
二、音源编译码
模拟人体产生话音的原理，通过话音生成模型重构出话音。
1、话音的形成原理
说话的时候，声门处 气流冲击声带产生振 动，然后通过声道响 应变成语音。由于发 不同音时，声道的形 状不同，所以听到不 同的语音。
3第3章 话音编码
• 图3-05 普通编译码器的音质与数据率
一般来说，波形编译码器的话音质量高，但数据率也很高；
2020/5/1 9
第3章 话音编码
• 1. 波形编译码器
– 脉冲编码调制(pulse code modulation，PCM)： – 典型的窄带话音带宽限制在4 kHz，采样频率是8 kHz。 – 如果要获得高一点的音质，样本精度要用12位，它的数
时分多路 复用(TDM) 在 数字电话网中， 用“群(group)” 来表示，也称为 数字网络的等级。
PCM通信方 式发展很快，传 输容量已由一次 群(基群)的30路 (或24路)，增加 到二次群的120 路(或96路)，三 次群的480路(或 384路)，……。
28
第3章 话音编码
3.4 增量调制与自适应增量调制
2020/5/1 15
(b) 译码器
第3章 话音编码
激励信号馈送给合成滤波器，合成滤波器产生重构 的话音信号
2020/5/1 16
第3章 话音编码
MPE，RPE和CELP编译码器之间的差别：
在于所使用的激励信号的表示方法
• 在MPE(multi-pulse excited)中，对每帧话音所用 的激励信号u(n)是固定数目的脉冲。
采用相等的量化间隔对采样得到的信号作量化
2020/5/1 21
第3章 话音编码
• 3.2.3 非均匀量化
对输入信号进行量化时，大的输入信号采用大的量化 间隔，小的输入信号采用小的量化间隔。
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第3章 话音编码
• 3.2.4 μ律压扩
– μ 律(μ-Law)压扩(G.711)主要用在北美和日本 等地区的数字电话通信中，按下面的式子确定 量化输入和输出的关系：
第4课 声音编码 教学设计 四年级信息技术下册浙教版(2023)
《声音编码》教学设计一、学习内容分析《声音编码》是浙将教育出版社《数字世界》四年级下册第4课，是第一单元《数字世界》的第4课。
互联网、大数据的加速发展，给人们带来了日新月异的数字生活。
数字技术正悄悄地改变着社会的各个领域，使人们的生活、学习和工作方式也发生了巨学习环境：计算机教室学习资源：PPT课件六、设计思路本着以“学”为中心的理念，为体现学生的主体性，有效地落实教学目标，主要采用任务驱动教学法，辅以作品评价法、归纳总结法，这些教学方法都将围绕学生的自主学习、探究学习逐级展开。
七、学习过程（一）问题导入，引出新知教学内容与活动设计意图讨论你知道人的声音是怎么存入数字设备的吗?引出课题建构计算机处理声音时，需要将各种各样的声音数字化，编码是其中重要的一步。
通过声音编码得到的数字音频有利于加工、存储和传播。
从学生熟悉的人的声音存入数字设备进行导入，激发学习兴趣，降低学习难度。
（二）自主探究，学习新知教学内容与活动设计意图1.认识数字音频数字音频技术能够把声音编码成数字形式记录、存储和再生声音。
在不同场合，人们对声音的需求会有所不同，如有的场合对音质要求高，而有的场合对传输速度要求高。
根据不同的要求，可以编码生成不同类型的文件。
除了音质上的差别，声音编码后产生的文件大小也不一样。
活动一：认识数字音频上网搜索常见的音频文件格式以及它们的特点。
2.声音数字化计算机只能处理和存储二进制数。
声音数字化是指使用声音采集设备(声卡、录音机等)将各种声音进行采集，然后通过二进制编码，最终根据需要转换成不同格式的数字音频。
通过网络搜索，认识常见的音频文件格式以及它们的特点。
通过实践操作，试着将一段音频文件保存为不同的音频文件格式，比较不同格式音频的差异，认识声音数字化。