数字声音编码
浙教版2023四年级下信息科技第4课《声音编码》教学设计
第 4 课《声音编码》教学设计【教学内容分析】本课选自浙江教育出版社小学信息科技四年级下册第 4 课《声音编码》，是第一单元《数字世界》的第4 课，属于数据与编码模块。
本单元的主要内容是认识数字化的意义和作用，体会数字技术对生活的影响，理解数据，编码的基本方式，应用数字化工具解决问题，为第二单元《解码与校验》学习奠定编码的知识基础。
本课《声音编码》主要通过一系列的操作实践活动感受声音数字化的过程，了解声音编码的简单原理，通过体验与观看微课，感受数字音频的应用。
【教学目标】1. 通过采集声音，体验声音数字化的过程。
2. 通过实践探究声音编码的简单原理。
3. 通过体验感受数字音频的应用。
重点：根据课标要求，通过学习让学生知道如何使用编码建立数据间的内在联系。
难点：体验不同的编码产生的音频文件是不同的，发现文件之间的差异。
【学情分析】经过四年级上册和前面几课的学习，学生对生活中的编码应用有了一些经验和基础，但声音编码的过程对学生来说比较抽象，所以需要有一定的实践经验做支撑，所以本课使用了Goldwave 和格式工厂，在动手操作的基础上抽象出声音数字化的过程，更直观形象，同时也激发学生的求知欲，在体验、操作、应用中渗透原理，给学生搭建学习脚手架，感受到声音编码的乐趣和数字音频的意义。
【教学环境及资源准备】教学环境：机房资源准备：课件、Goldwave 软件、格式工厂、问卷星、小爱同学、手机（三）编码通过观看微课、保存不 51、播放微课，了解声音编码，知道不同的的编码方式，会形成不同格式的音频文件2、将录制的音频文件保存为不同的音频文件格式，比较不同格式音频文件在存储容量大小上有何差异3、总结未压缩、无损压缩和有损压缩小结：声音数字化需要经历、、—三个过程1、观看微课2、将音频文件保存为不同的音频文件格式，感受其区别同文件格式的音频，感受不同编码下不同文件格式音频的区别建构二：数字音频的格式实验二：利用格式工厂，转换音频文件格式小结：不同的场合，人们对声音的需求不同，有的场合对音质要求高，有的场合对传输速度要求高，根据不同的要求，可以转换成不同类型的文件打开格式工厂，对音频文件进行转换拓展体验格式工厂音频转化过程，帮助学生解决生活中常见的音频格式转化问题，同时也感受不同音频格式的区别6体验应用，拓展延伸1、现场演示体验（1）微信电话交流（延伸：钉钉、QQ等）（2）移动支付语音播报（3）地图语音导航（4）与小爱同学互动2、生活中应用场景交流1、体验数字音频的应用2、师生交流将学习的知识联系生活，通过现场展示、体验，让学生直观的感受到数字音频在生活中的应用，6。
请简述声音数字化过程及主要参数。
声音数字化过程及主要参数声音数字化是将声波转换成数字信号的过程，它是数字音频技术的基础。
声音数字化技术的发展，为音频录制、处理、存储和传输提供了重要的手段，极大地推动了音频产业的发展。
本文将围绕声音数字化过程及其主要参数展开阐述。
一、声音数字化的过程声音数字化是通过模拟到数字转换器（ADC）实现的。
其基本过程如下：1. 声音采样声音信号是一种连续的模拟信号，要进行数字化，首先需要将其进行采样。
采样是在规定的时间间隔内，对声音信号进行离散取样，获取一系列的采样点。
采样频率是决定声音数字化质量的关键参数，一般情况下，采样频率越高，数字化的声音质量越好，音频的频率响应也越宽。
2. 量化在采样后，需要对采样点的幅度进行量化。
量化是指将连续的信号幅度转换成离散的数字值。
量化的精度决定了数字化声音的分辨率，也就是声音的动态范围。
一般来说，量化位数越多，声音的动态范围越宽，音质也就越好。
3. 编码经过量化后，需要将量化得到的数字值编码成二进制数，以便存储和传输。
编码方式有许多种，常见的有脉冲编码调制（PCM）和压缩编码，其中PCM是最常用的编码方式。
以上三个步骤完成后，声音信号就被数字化了，可以被存储、处理和传输。
二、声音数字化的主要参数声音数字化的质量取决于多个参数，以下是一些重要的参数：1. 采样频率采样频率是指每秒钟采集的采样点数量，它决定了声音信号的频率范围。
常见的采样频率有8kHz、16kHz、44.1kHz、48kHz等，其中44.1kHz和48kHz是CD音质的标准采样频率。
2. 量化位数量化位数是指用来表示采样点幅度的二进制位数，它决定了声音的动态范围。
通常的量化位数有8位、16位、24位等，其中16位是CD 音质的标准量化位数。
3. 编码方式编码方式决定了声音数字化的压缩算法，不同的编码方式对声音质量和文件大小有不同的影响。
PCM编码是无损压缩的编码方式，压缩编码则可以在减小文件大小的同时保持较高的音质。
1.2数据编码-声音编码说课教案2023-2024学年人教_中图版高中信息技术必修1
《数据编码声音编码》说课稿一、说教材《数据编码声音编码》是人民教育出版社地图版《数据与计算》必修1第一章数据与大数据1.2.3数据编码的内容。
本节内容包括“字符编码”、“图像编码”、“声音编码”三个部分，声音编码不仅与前边所学的字符编码图像编码等内容紧密联系，同时也为后面内容的学习打下基础，起到承上启下的作用。
本节课是培养学生信息意识和信息社会责任的重要课程。
我通过研读教材以及课程标准，考虑本单元对应的学科核心素养及需要掌握的核心概念等，聚焦学生发展，在教材原有单元内容的基础上进行梳理和整合。
根据以上情况，我确定了如下的教学目标：1、理解声音数字化的实现过程，知道采样、量化、编码三个步骤（信息意识）2、知道音频质量的影响因素，掌握音频存储容量的计算方法，能够选择合适的工具解决常见问题。
（计算思维、数字化学习与创新）3、通过学习数字音频的价值认识到声音信息安全风险，尊重他人的知识版权，承担信息社会责任。
（信息社会责任）根据教材内容和教学目标，我把本课的教学重点确定为声音编码的实现过程。
依据学生的身心发展和认知结构，我将本课的教学难点确定为音频质量的影响因素。
二、说学情本节课教学对象为高一学生，他们已经具有一定的逻辑思维能力，喜欢具有挑战的任务，他们出生并成长在数字化信息时代，多年的生活和学习经验使他们具备了一定的信息素养。
他们能熟练得使用各类数字化工具，但是相对各种各样的数字媒体内容，对于其背后的技术和原理却知之甚少。
根据以上情况我制定了以下解决对策：激发学生兴趣：通过微信语音聊天声音的变化引入新课。
营造求知氛围：通过四个探究活动引导学生学习新知。
三、说教法信息技术课是以培养学生的信息素养为宗旨，来培养学生的获取信息、处理信息、运用信息的能力。
强调学生的自主学习和探究学习。
因此，对于本节信息技术教学，为了更好地突出本节课的重点、突破难点，我通过以下教学方法化学生被动学习为主动愉快学习。
我采用的教学方法是：1．任务驱动法在讲解知识点的同时，利用事先设计好的任务单引导他们去完成，他们在完成任务的同时，掌握新课的内容，解决重点难点问题。
生活中编码的应用
编码在现代生活中应用广泛，以下是一些常见的例子：
1.数字编码：我们每天都在使用数字编码，例如身份证号码、电话号码、邮政编码、银行账号等等。
这些编码可以方便地对个人、组织和物品进行识别和管理。
2.条形码：条形码是一种用于存储和识别物品信息的编码方式，常见于商品标签、快递单等。
通过扫描条形码，可以快速获取物品的相关信息，如名称、价格、生产日期等。
3.二维码：二维码是一种可以存储大量信息的编码方式，可以通过扫描二维码获取相关信息，如网站链接、电话号码、地理位置等。
二维码已经广泛应用于广告、支付、公共交通等领域。
4.音频编码：音频编码是将声音信号转换为数字编码的过程，常见的编码方式有MP3、AAC等。
通过音频编码，可以将大量的音频信息压缩到较小的空间中，方便存储和传输。
5.视频编码：视频编码是将视频信号转换为数字编码的过程，常见的编码方式有
H.264、HEVC等。
通过视频编码，可以将高质量的视频信号压缩到较小的空间中，方便存储和传输。
6.加密编码：加密编码是将信息转换为不易被理解的编码方式，以保护信息的安全性。
常见的加密编码方式有AES、RSA等。
总之，编码已经成为现代生活中不可或缺的一部分，它可以方便地对信息进行存储、传输、识别和管理，提高了生活的效率和安全性。
第3章-数字声音编码
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采样精度
每个声音样本的位数
样本位数越多，声音的质量越高，而需要的存储空间也越多；位 数越少，声音的质量越低，需要的存储空间越少。
采样精度的另一种表示方法是信号噪声比-----SNR
SNR 10 log10
3.4声音质量的MOS评分标准 3.5 脉冲编码调制(PCM)
3.5.1 PCM的概念 3.5.2 均匀量化 3.5.3 非均匀量化
3.6 PCM在通信中的应用
3.6.1 频分多路复用 3.6.2 时分多路复用 3.6.3 数字通信线路的数据传输率
3.7 增量调制与自适应增量调制
3.7.1 增量调制(DM) 3.7.2 自适应增量调制(ADM)
A律压扩
A律压扩主要用在欧洲和中国大陆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
0 ≤ |x| ≤ 1/A 计算时，A＝87.56
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话音编码（补充）
G.711标准(普通电话标准):单声道、8位/样本、采样频率 为8 kHz的话音数据流。使用μ率和A率压缩算法，信 号带宽为3.4 kHz，压缩后的数据率为64 kb/s；
(Vsignal )2 (Vnoise )2
20
log10
Vsignal
Vnoise
Vsignal表示信号电压，Vnoise表示噪声电压；SNR的单位为分贝(db)
例：假设Vnoise＝1，采样精度为1位表示Vsignal＝21，信噪比SNR＝6分贝。
采样精度为8位表示Vsignal＝28，信噪比SNR＝6*8=48分贝
第三章数字声音与语音编码-后
量化精度
样本大小是用每个声音样本的位数bit/s(即bps)表示的，它反映度量 声音波形幅度的精度。例如，每个声音样本用16位(2字节)表示，测得的声 音样本值是在0～65535的范围里，它的精度就是输入信号的1/65536。样本 位数的大小影响到声音的质量，位数越多，声音的质量越高，而需要的存 储空间也越多；位数越少，声音的质量越低，需要的存储空间越少。
采样定律用公式表示为
fs ≥ 2f 或者 Ts ≤ T/2
其中f为被采样信号的最高频率。
你可以这样来理解奈奎斯特理论：声音信号可以看成由许许多多正弦
波组成的，一个振幅为A、频率为f的正弦波至少需要两个采样样本表 示，因此，如果一个信号中的最高频率为 ,采样频率最低要选择2
。例如，电话话音的信号频率约为3.4 kHz，采样频率就选为8 kHz。
101100 110011
声音信号数字化的两个重要参数
● 声音数字化需要回答两个问题
①每秒钟需要采集多少个声音样本，也就是采样频率(fs)是多少， ②每个声音样本的位数(bit per sample，bps)应该是多少，也就是 量化精度。
采样频率
采样频率的高低是根据奈奎斯特理论(Nyquist theory)和声音信号本 身的最高频率决定的。奈奎斯特理论指出，采样频率不应低于声音信 号最高频率的两倍，这样就能把以数字表达的声音还原成原来的声音， 这叫做无损数字化(lossless digitization)。
声
源 种
调 幅 广 播 ( AM)
调频广播(FM) 高 级 音 响
50Hz ～ 7,000Hz
20Hz ～ 15,000Hz 3Hz ～ 40,000Hz
带
宽 度
类
3.1数据编码-声音编码教学设计2023—2024学年教科版(2019)高中信息技术必修1
十．典型例题讲解
例1：请简述声音编码的基本过程。
答案：声音编码的基本过程包括采样、量化和编码。采样是指将模拟声音信号转换为数字信号的过程；量化是将采样后的离散信号转换为有限位数的数字信号的过程；编码是将量化后的数字信号转换为特定格式的数据文件的过程。
例2：请列举三种常用的声音编码格式，并简要说明其特点。
- 音频剪辑软件（Audacity）
- 剪切
- 复制
- 粘贴
- 合并
- 音频合成软件（FL Studio）
- 音轨编辑
- 效果处理
- 混音
- 网络音乐播放器（网易云音乐）
- 音乐推荐
- 播放列表
- 音质选择
④ 数字音频处理软件基本操作
- 音频剪辑软件（Audacity）
- 导入音频文件
- 选择音频片段
四、教学方法与策略
1. 教学方法：
本节课将采用讲授、实践、案例分析和小组讨论等多种教学方法，以适应学生的学习特点和教学目标。
讲授法：用于向学生传授声音编码的基本概念、原理和常用格式，帮助学生建立知识框架。
实践法：通过让学生操作数字音频处理软件，培养学生的动手实践能力和创新能力。
案例分析法：通过分析实际应用场景，使学生更好地理解声音编码技术的原理和应用。
三、学习者分析
1. 学生已经掌握的相关知识：
在开展声音编码教学之前，学生应已掌握一定的基础知识，如计算机基本操作、数字信号与模拟信号的转换、数据类型等。这些知识为学生深入学习声音编码提供了必要的支撑。
信息编码的常见形式
信息编码的常见形式
信息编码是将信息转换成一定形式的过程，以便于存储、传输和处理。
常见的信息编码形式包括以下几种：
1. 数字编码：数字编码是将信息转换成数字形式，常见的数字编码包括ASCII码、Unicode码等。
ASCII码通常用于表示英文字母、数字和一些特殊字符，Unicode码则可以表示全球范围内的所有字符。
2. 声音编码：声音编码是将声音转换成数字信号的过程。
常见的声音编码格式包括MP3、AAC、WAV等。
这些格式不仅可以压缩声音文件，也可以提高声音文件的质量。
3. 图像编码：图像编码是将图像转换成数字信号的过程。
常见的图像编码格式包括JPEG、PNG、BMP等。
这些格式不仅可以压缩图像文件，也可以提高图像文件的质量。
4. 视频编码：视频编码是将视频转换成数字信号的过程。
常见的视频编码格式包括MP4、AVI、MOV等。
这些格式不仅可以压缩视频文件，也可以提高视频文件的质量。
以上就是信息编码的常见形式，不同形式的编码方式适用于不同的场景，我们需要根据实际情况选择合适的编码方式。
- 1 -。
PCM编码详解
均匀量化
采用相等的量化间隔对采样得到的信号作量化，那么这种量化称 为均匀量化。均匀量化就是采用相同的“等分尺”来度量采样得 到的幅度，也称为线性量化 量化后的样本值Y和原始值X的差E=Y-X称为量化误差或量化噪声
非均匀量化
非线性量化：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。 这样就可以在满足精度要求的情况下用较少的位数来 表示。声音数据还原时，采用相同的规则。 在非线性量化中，采样输入信号幅度和量化输出数据 之间定义了两种对应关系，一种称为µ 律压扩 (companding)算法，另一种称为A律压扩算法。 采样频率为8 kHz，样本精度为13位、14位或者16位 的输入信号，使用µ 律压扩编码或者使用A律压扩编 码，经过PCM编码器之后每个样本的精度为8位，输出 的数据率为64 kb/s。这就是CCITT推荐的G.711标准。
预测参数的最佳化依赖于信源的统计特性，要得到 最佳的预测参数是一件繁琐的工作。 而采用固定的预测参数 固定的预测参数往往又得不到好的性能。为 固定的预测参数 了既能使性能较佳，又不致于有太大的工作量，可 以将上述两种方法折衷考虑，采用自适应预测
数字网络等级 美国 kb/s话路数 64 kb/s话路数 总传输率(Mb/s) 总传输率(Mb/s) 数字网络等级 欧洲 kb/s话路数 64 kb/s话路数 总传输率(Mb/s) 总传输率(Mb/s) 日本 kb/s话路数 64 kb/s话路数 总传输率(Mb/s) 总传输率(Mb/s) T1/E1 24 1.544 1 30 2.048 24 1.544 T2/E2 96 6.512 2 120 8.448 96 6.312 T3/E3 672 44.736 3 480 34.368 480 32.064 T4/E4 4.32 274.176 4 1920 139.264 1440 97.728 5 7680 5600 T5/E5
第3章声音2数字语音的压缩编码
通用性好，适用于任意类型的数字声音，
很成熟，有一系列国际标准：
CCITT G.711 PCM
64kb/s
CCITT G.721 ADPCM 32Kb/s
CCITT G.726 ADPCM 48, 32, 24, 16 Kb/s
已广泛应用于电话语音的中继线传输
2019/6/23
南京大学多媒体研究所
பைடு நூலகம்
优点: 压缩比较大
缺点: 信号源必须已知
示例: LPC
混合编码(Hybrid compression)
示例 : CELP
2019/6/23
南京大学多媒体研究所
7
三类语音编码器性能比较
语音质量
• 波形编译码器 优
(waveform codecs)
良
混合编码
波形编码
• 参数编译码器 中 差 (source codecs) 坏
南京大学多媒体研究所
23
2019/6/23
南京大学多媒体研究所
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G.722: 64 kbps的声音子带编码
8000, 2bits
XH 高频带
传输 4-8kHz ADPCM
16 kbps
16kHz, 正交
编码器
14bits,
数字声音
镜象
8000, 6bits
滤波
器
XL
低频带 48 kbps
M U X
语音生成模型
语音生成模型
南京大学多媒体研究所
重建的 语音
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语音生成过程（1）
空气由肺部呼出，经过声带，送入声道， 最后从嘴唇呼出，产生声音。
成年男子的声道平均长度约17cm，它 使声音信号具有短期相关性(持续时间1 ms左右)
计算机中信息的编码
计算机中信息的编码计算机中的信息编码是指将各种形式的数据转换为计算机能够识别和处理的二进制形式。
信息编码是计算机科学和计算机工程中的重要概念，它涉及到许多不同的编码系统和标准。
一.数字编码系统1.二进制编码：二进制编码是计算机内部使用的最基础的编码系统，它只包含两个数字0和1、计算机中的所有数据最终都要转换为二进制形式来进行处理和存储。
2.十进制编码：十进制编码是人们最常用的一种编码系统，它使用10个数字0-9来表示。
在计算机内部，十进制编码通常需要转换为二进制编码来进行处理。
3.八进制编码：八进制编码使用8个数字0-7来表示。
在计算机中，八进制编码有时用于表示一些特殊的控制字符。
4.十六进制编码：十六进制编码使用16个数字0-9和字母A-F来表示。
它经常在计算机中用于表示内存地址、颜色值等。
二.字符编码系统1.ASCII编码：ASCII编码是一种最早的字符编码系统，它使用7位二进制数来表示128个常见字符，包括英文字母、数字、标点符号等。
后来发展出了8位ASCII编码，称为扩展ASCII码，可以表示更多的字符。
2. Unicode编码：Unicode编码是一种广泛使用的字符编码系统，它包含了全世界几乎所有的字符，每个字符都有对应的唯一编码。
Unicode编码使用32位二进制数来表示字符，其中大部分字符使用了16位编码，称为基本多语言面（BMP）编码。
3. UTF-8编码：UTF-8是一种可变长度的Unicode编码，它可以根据字符的不同来使用1到4个字节的长度。
UTF-8编码兼容ASCII编码，对于ASCII字符只需要1个字节的编码，可以有效地节省存储空间。
4. UTF-16编码：UTF-16是Unicode的另一种编码方式，它使用16位编码来表示字符。
对于BMP范围内的字符，UTF-16编码与Unicode编码相同。
5.GBK编码：GBK编码是对汉字的一种常用编码系统，采用双字节编码，兼容ASCII编码。
第3章+数字声音编码(1)
人的听力
人耳对中频段1～3千赫的声音最为灵敏，对高、低 频段的声音，特别是低频段的声音则比较迟钝。
声音的主要研究领域
语音识别 将人类的语音中的词汇转换为计算机可读的输入
语音理解
让计算机知道人说的是什么
语音合成
让计算机能像我们人一样说话 比如从文本到声音
声音和语音的压缩
一些动物能感受的声音频率范围
Animal Elephant Dog Cat Bat Dolphin
Audible frequency range 05 – 12 000 Hz 40 – 45 000 Hz 45 – 85 000 Hz As high as 120 000 Hz As high as 200 000 Hz
SNR＝10lg[(Vsignal)2/(Vnoise)2]＝20lg(Vsignal/Vnoise)
其中，Vsignal表示信号电压，Vnoise表示噪声电压；
3.2.4 声音质量和数据率
表2–01 声音质量和数据率
质量
பைடு நூலகம்
采样频率 样本精度
(kHz)
(bit/s)
单道声/ 数据率(kB/s)
立体声
3.3 声音质量的MOS评分标准
声音质量的度量还有两种基本的方法：一种是客 观质量度量，另一种是主观质量度量。评价语音 质量时，有时同时采取两种方法评估，有时以主 观质量度量为主。
乐器数字接口（MIDI）
MIDI (Musical Instrument Digital Interface) 电子乐器数字接口，是在音乐合成器(music synthesizers)、乐器(musical instruments)和 计算机之间交换音乐信息的一种标准协议。
数字音频格式简介
数字音频格式简介首先，我们来明确一下数字音频的概念，它是指一个用来表示声音强弱的数据序列，由模拟声音经抽样、量化和编码后得到的。
简单地说，数字音频的编码方式就是数字音频格式，我们所使用的不同的数字音频设备一般都对应着不同的音频文件格式。
常见的数字音频格式有：1. WA V格式，是微软公司开发的一种声音文件格式，也叫波形声音文件，是最早的数字音频格式，被Windows平台及其应用程序广泛支持。
WAV格式支持许多压缩算法，支持多种音频位数、采样频率和声道，采用44.1kHz的采样频率，16位量化位数，跟CD一样，对存储空间需求太大不便于交流和传播。
2. MIDI是Musical Instrument Digital Interface的缩写，又称作乐器数字接口，是数字音乐的缩写，又称作乐器数字接口，是数字音乐/电子合成乐器的统一国际标准。
它定义了计算机音乐程序、数字合成器及其它电子设备交换音乐信号的方式，规定了不同厂家的电子乐器与计算机连接的电缆和硬件及设备间数据传输的协议，可以模拟多种乐器的声音。
MIDI文件就是MIDI格式的文件，在MIDI文件中存储的是一些指令。
把这些指令发送给声卡，由声卡按照指令将声音合成出来。
3. 大家都很熟悉CD这种音乐格式了，扩展名CDA，其取样频率为44.1kHz，16位量化位数，跟WA V一样，但CD存储采用了音轨的形式，又叫“红皮书”格式，记录的是波形流，是一种近似无损的格式。
4. MP3全称是MPEG-1 Audio Layer 3，它在1992年合并至MPEG规范中。
MP3能够以高音质、低采样率对数字音频文件进行压缩。
换句话说，音频文件(主要是大型文件，比如WA V文件）能够在音质丢失很小的情况下(人耳根本无法察觉这种音质损失)把文件压缩到更小的程度。
5. MP3Pro是由瑞典Coding科技公司开发的，其中包含了两大技术：一是来自于Coding科技公司所特有的解码技术，二是由MP3的专利持有者法国汤姆森多媒体公司和德国Fraunhofer集成电路协会共同研究的一项译码技术。
音频的数字化与语音编码课件.ppt
第一节 音频的数字化 1、 声音 2、模拟音频与数字音频 3、音频的采样、量化和数字化（重点） 4、数字音频的格式
学习内容
第二节 语音编码 1、人耳的听觉特性 2、脉冲编码调制(PCM) 3、G.711标准、G.721标准、G.722标准（重点）
学习目标
1、了解声音相关概念及要素 2、掌握音频采样、量化和数字化原理 3、了解数字音频的文件格式 4、掌握常见的音频压缩编码方法 5、理解G.711、G.721、G.722标准
量化等级的划分
三、音频的数字化
模拟信号
采样
量化
编码
A/D转换中，影响质量及数据量的主要因素：
每秒钟需要采集多少个声音样本即采样频率
每个声音样本的位数(bps)应该是多少即量化位数
三、音频的数字化
例子:每个声音样本用16位表示,测得声音样本值是在0~65536的范围里,它的精度就是输入信号的1/65536
五、音频文件的读取
六、声音质量的度量
1、客观质量度量：信噪比
信噪比SNR（Signal to Noise Ratio）是有用信号与噪声之比的简称。 噪音可分为环境噪音和设备噪音。信噪比越大，声音质量越好。
2、客观质量度量：带宽
200—3.4KHz
电话声音范围
50—7KHz
调幅广播声音范围
文件数据量计算：
? 1分钟单声道，采样频率为11.025kHz，8位采样位数
四、数字音频的文件格式
2、MP3文件
MPEG Audio Layer-3 特点：数据量较小，压缩率10：1—20：1 音质较好 是目前最为流行的音频格式文件
四、数字音频的文件格式
例：sound.wav
44.1kHz 16位 双声道 12.68秒 2236752字节数据量
声音编码教学设计(一)
声音编码教学设计(一)声音编码教学设计教学目标1.理解数字声音编码的基本原理；2.掌握PCM编码、DPCM编码、ADPCM编码的概念；3.掌握数字声音的特点；4.能够应用所学知识解决实际问题。
教学重点1.数字声音编码的基本原理；2.PCM编码、DPCM编码、ADPCM编码的概念。
教学难点1.数字声音的特点；2.DPCM编码、ADPCM编码的原理和实现。
教学过程设计1.课前预习：学生预习《数字声音编码》相关概念和知识点。
2.导入（5分钟）：–学生回顾所学内容，分享自己的学习体验和感触。
3.讲解（30分钟）：–讲解数字声音编码的基本原理和数字声音的特点；–分别讲解PCM编码、DPCM编码、ADPCM编码的概念和实现原理。
4.案例分析（20分钟）：–教师提供实际例子，让学生根据所学知识分析解决；–学生结合自己的实际经验，分享解决问题的思路和方法。
5.练习（20分钟）：–学生独立完成相关的练习题；–教师巡回指导学生答题。
6.总结（5分钟）：–教师讲解本节课要点，回答学生疑问；–学生总结本节课的收获和不足，并提出反馈和建议。
7.课后作业：–学生根据所学知识，提交一份报告或小论文。
教学评估1.学生的课堂参与情况；2.学生的练习情况；3.学生提交的报告或小论文的质量。
课时安排本课程为2课时。
教学资源准备1.教材：《数字声音编码》；2.讲义：针对本课程，编撰的讲义；3.计算机、投影仪等教学设备；4.练习题及案例分析；5.报告或小论文的格式及要求。
教学方式1.课堂讲解；2.案例分析；3.交互式授课。
教学评价1.教学效果评价；2.学生自我评价；3.教师自我评价。
总结通过本节课程的学习，学生将对数字声音编码及PCM、DPCM、ADPCM等相关的知识有更深入的了解。
同时，学生还要能够掌握数字声音的特点，可以应用所学知识解决实际问题。
在教学过程中，应强调学生的独立思考和能力培养，同时也要关注实践操作能力的提高。
浙教版(2023)信息科技四下 第4课 声音编码 课件(共22页)+导入音频+练习素材
03 声音数字化
声音的数字化
• 声音数字化的定义
• 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。
• 声音数字化的过程
• 声音数字化需要经历三个过程：采集、声音量化、编码
试一试
试着利用剪辑软件将一 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。
04
地图语音导航
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05
知识拓展：音频 文件压缩与选择
音频文件压缩
音频文件压缩的 定义
音频文件压缩是指将音频文件进行压缩，以减 小文件大小的过程。
音频文件压缩的 类型
音频文件压缩分为未压缩、无损压缩和有损压 缩， MP3 格式的音频属于有损压缩。
声音编码的重要性
声音编码是将声音数字化的重要步骤，有利于 加工、存储和传播。
数字音频的应用
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，应用于语音信息交流、地图 语音导航、移动支付语音播报、语音控制智能 家居等领域。
数字音频文件的类型:W格式以 试 及它们的特点。
语音控制 智能家居
01
语音控制智能 家居的定义
语音控制智能家居 是指通过语音控制 家居设备的方式。
02
语音控制智能 家居的应用
语音控制智能家居 可以实现家居设备 的智能化控制，提 高家居生活的便利 性和舒适度。
03
移动支付语音 播报
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PCM编码详解
ADPCM
Adpcm是自适应差分脉冲编码调制的简 称，最早使用于数字通信系统中。
该算法利用了语音信号样点间的相关性， 并针对语音信号的非平稳特点，使用了 自适应预测和自适应量化，在 32kbps◎8khz速率上能够给出网络等级 话音质量。
ADPCM
为了进一步改善量化性能或压缩数据率，可采 用自适应量化或自适应预测的方法。只要采用 了其中的任一种自适应方法，均称为ADPCM。
号已经量化，差值不再进行量化。若系统的输入为{0 1 2 1 1 2 3 3 4 4 …}，则预测值为{0 0 1 2 1 1 2 3 3 4 …}， 差值为{0 1 1 –1 0 1 1 0 1 0 …}，差值的范围比输入样 值的范围有所减小，可以用较少的位数进行编码。
DPCM
对于有些信号(例如图像信号)由于信号的瞬时 斜率比较大，很容易引起过载，因此，不能用 简单增量调制进行编码，
PCM 与音频编码
第3章 话音编码
重点：
脉冲编码调制(PCM) 增量调制与自适应增量调制 自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）
难点：
非均匀量化 增量调制 子带编码
波形声音的数据压缩
波形声音的码率 = 取样频率 × 量化位数 × 声道数
全频带声音的压缩编码：
名称压缩后的码率每个声道声道数目主要应用mpeg1384kbps压缩4数字盒式录音带mpeg1256192kbps压缩68dabvcddvdmpeg1128112kbps压缩1012internetmp3音乐mpeg2audio与mpeg1相同5171同mpeg1dolbyac364kbp5171dvddtv家庭影院数字语音编码标准标准方法比特率质量时间应用g711pcm64441972pstnansi1015lpc1024271976保密通信g721adpcm32411984pstngsm欧洲蜂窝通信rpecelp13361991ansi1016celp48321991g728低延时cdcelp1640199254北美tdmavselp35199296北美cdmaqcelp18341993日本蜂窝通信vselp68331993g729acsacelp421995ip电话g7231h323h324acelp633981995ip电话半速率gsm欧洲蜂窝通信amr56341995新的低速率ansi标准melp24331996数字语音的应用demand语音合成tts文本分析与理解文本prosodycontrolspeechgeneration合成语音一串语音基元语音基元库texttophonemeconversion发音标注发音规则库prosodygeneration韵律控制参数韵律规则库查找拼写错误对不规范或无法发音的字符进行过滤
声音的编码
编码
声音的存储空间计算
1、方法：采样和量化 采样频率越高，量化的分辨率越高，声 音的保真度越好，数据量越大
声音存储量=（采样频率*采样位数*声道数*时间）/8
？2秒钟的声音，采样频率为每秒10次，采样位数为3位，
65存储空间是多少？
采样
4
3
？2
1 采样频率为44.1kHz，16位，立体声；5分钟的这段声音
存储2 4 音3 存2 储3 4 量=（采4 3样4频率4 *采样位分数级*量声化道数*时间）/8
1
100 101 011 010 010 010 011 100 101 110 110 110 110
声音信息是如何转换成二进制文件的呢？
1、模拟信号
A/D转换
D/A转换
2、数字信号
最常用的编码方法是脉冲编码调制（PCM）
模拟信号
6 5
采样
普通音乐：11.025 kHz
4 3
高品质音乐：44.1 kHz
2
1
6
65
5
5
54
4
4
4
3
3
3
3 2
2
1
5
4
4
100 101 011 010 010 010 011 100 101 110 110 110 110
分级量化 量化和编码：用一定位数的二进制数
来表示采样的值。 以16位声卡（16位二进制）
为例：采样值可划分为65536个等级，
相编当十码进制-32768~32767，每个等级
的值分别用一个16位二进制数表示， 所有的采样值都按就近等级取值，好 比四舍五入。
最常用的编码方法是脉冲编码调制（PCM）
模拟信号
声音编码的三个步骤
声音编码的三个步骤
声音编码通常包括以下三个步骤：
1. 采样：将模拟声音信号转换为数字信号。
在此步骤中，声音信号按照一定的时间间隔进行测量和记录。
采样率决定了每秒钟对声音进行多少次采样，常见的采样率有8kHz、16kHz、44.1kHz等。
2. 量化：将采样得到的连续数字信号转换为离散的离散信号。
在此步骤中，采样得到的数值被近似到最接近的离散值。
量化级别决定了离散数值的分辨率，即精度。
常见的量化级别有8 bit、16 bit等。
3. 编码：将量化后的数字信号进行编码以便于传输和存储。
在此步骤中，数字信号被压缩为更小的编码格式。
常见的声音编码算法有PCM（Pulse Code Modulation）、MP3（MPEG-1 Audio Layer III）等。
不同的编码算法有不同的压缩率和音质损失程度。
pcm量化编码原理
pcm量化编码原理
PCM量化编码原理
PCM量化编码是数字化声音处理的重要技术之一，也称为Pulse Code Modulation，是将模拟信号量化的一种编码方式。
Pulse Code Modulation的工作原理是：将模拟信号进行采样，然后用有限的离散值对采样值进行编码，形成数字信号。
Pulse Code Modulation量化编码的工作原理是先采样，再量化，然后编码。
通常会先采用一种叫做等间距量化的量化方法，即用一根细的水平线把信号的振幅空间分成多个相等的等间隔部分，然后对这些等间隔的部分进行量化编码，使同样的部分都编码为相同的数值，不同的部分编码为不同的数值。
接下来，Pulse Code Modulation会采用一种叫做可变字长编码的编码方法，将量化之后的数值编码成一种只有几个比特位的二进制编码，以比特位为单位传输。
另外，Pulse Code Modulation还有利用变长编码减少音频文件的大小的方法，即利用变长编码把数据流中常见的数值编码为比较短的二进制码，减少文件的大小。
总的来说，Pulse Code Modulation是一种以离散值作为参数的数字信号处理技术，既可以采用等间隔量化编码，也可以采用可变字长编码方式。
它不仅可以有效的减少音频文件的大小，而且可以降低信号处理的复杂度。
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3.7.1 自适应脉冲编码调制(APCM) 的概念
3.7.2 差分脉冲编码调制(DPCM)的 概念
3.7.3 自适应差分脉冲编码调制 (ADPCM)
3.7.4 G.726 ADPCM编译码器
3.8 G.722 SB-ADPCM编译码器
3.8.1 子带编码(SBC) 3.8.2 子带-自适应差分脉冲编码调制
或者称为“量化间隔”生成器
PCM实际上是模拟信号数字化
模拟声音数字化的两个步骤： ➢ 第一步是采样，就是每隔一段时间间隔读一次声音
的幅度 ➢ 第二步是量化，就是把采样得到的声音信号幅度转
换成数字值
2020年3月30日
第3章 数字声音编码
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3.4 脉冲编码调制(续2)
量化的方法
➢ 主要有均匀量化和非 均匀量化
声音的频率
➢ 高保真声音(high-fidelity audio): 10 ~ 20 000 Hz ➢ 声音(audio): 20~ 20 000Hz ➢ 话音(speech): 300~3000/3400 Hz ➢ 亚音/次音(subsonic): < 20 Hz ➢ 超声(ultrasonic): > 20 000 Hz
时分多路复用
➢ PCM编码早期主要用于话音通信中的多路复用 ➢ 时分多路复用是在同一条通信线路上使用不同时段
“同时”传送多个独立信号的通信方法 ➢ 时分多路复用的核心思想是将时间分成等间隔的时
段，为每对用户指定一个时间间隔，每个间隔传输 信号的一部分 ➢ 例如，话音信号的采样频率f＝8000 Hz/s，它的采样 周期＝125 s，这个时间称为1帧(frame)。在这个时 间里可容纳的话路数有两种规格
➢ 声音带宽法
等级由高到低依次是DAT、CD、FM、AM和数字电话
➢ 客观质量度量
用信噪比(SNR)表示，详细计算请参看林福宗和陆达编写
的《多媒体与CD-ROM》，1995.3清华大学出版社出版
➢ 主观质量度量
度量方法类似于电视节目中的歌手比赛，由评委对每个歌 手的表现进行评分，然后求出平均值
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3.1 声音简介(续1)
Audio是什么 Audio作名词——声音 通常指频率在10 Hz和20 000 Hz范围里的声音
The part of television or motion-picture equipment that has to do with sound
The broadcasting, reception, or reproduction of sound Audible sound A sound signal
Audio作修词——音频 修饰或说明人的听觉系统可感知的频率 (10～20 000 Hz)
Relating to frequencies within the range of perception by the human ear — from about 15 through 20,000 hertz (cycles per second).
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第3章 数字声音编码
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3.1 声音简介(续2)
练习: 如何翻译下面的术语
➢ audio on demand——音乐点播/声音点播 ➢ digital audio——数字声音 ➢ DVD-audio——？ ➢ streaming audio ——？ ➢ audio streaming ——？ ➢ MPEG audio ——？ ➢ audio compression ——？
➢ 均匀量化
采用相等的量化间隔/ 等分尺度量采样得到 的信号幅度，也称为 线性量化。量化后的 样本值Y和原始值X的 差E=Y-X称为量化误 差或量化噪声
图3-4 均匀量化
2020年3月30日
第3章 数字声音编码
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3.4 脉冲编码调制(续3)
非均匀量化
➢ 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
16
立体声
705.6
50～7000
CD
44.1
16
立体声
1411.2 20～20000
DAT
48
16
立体声
1536.0 20～20000
*电话使用m律编码，动态范围为13位，压缩后的样本精度为8位
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第3章 数字声音编码
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3.3 声音质量的MOS评分标准
声音质量的衡量方法
用最为广泛、数据量最大的编码系统
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图3-3 PCM编码原理框图
第3章 数字声音编码
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3.4 脉冲编码调制(续1)
在图3-3中
➢ 输入是模拟信号，输出是PCM样本。 ➢ 防失真滤波器：低通滤波器，用来滤除声音频带以
外的信号 ➢ 波形编码器：可理解为采样器 ➢ 量化器：可理解为“量化阶大小(step-size)”生成器
3.3声音质量的MOS评分标准 3.4 脉冲编码调制(PCM)
3.4.1 PCM的概念 3.4.2 均匀量化 3.4.3 非均匀量化
3.5 PCM在通信中的应用
3.5.1 频分多路复用 3.5.2 时分多路复用 3.5.3 数字通信线路的数据传输率
3.6 增量调制与自适应增量调制
3.6.1 增量调制(DM) 3.6.2 自适应增量调制(ADM)
Of or relating to humanly audible sound. Of or relating to the broadcasting or reception of sound. Of or relating to high-fidelity sound reproduction
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图3-2 声音的采样和量化
第3章 数字声音编码
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3.2 声音信号数字化(续1)
采样频率
➢ 采样频率由根据奈奎斯特理论(Nyquist theory)确定
奈奎斯特理论指出，采样频率不应低于声音信号最高频率 的两倍，这样就能把以数字表达的声音还原成原来的声音， 这叫做无损数字化(lossless digitization)
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3.2 声音信号数字化(续4)
声音质量和数据率—— 质量度量
质量 电话*
采样频率 样本精度 单道声/立 (未压缩的) 频率范围
(kHz)
(bit/s)
体声 数据率(kb/s) (Hz)
8
8
单道声
64.0
200～3 400
AM 11.025
8
单道声
88.2
20～15000
FM 22.050
多媒体技术基础(第3版)
第3章 数字声音编码
林福宗 清华大学 计算机科学与技术系
linfz@ 2008年9月
第3章 数字声音编码目录
3.1 声音简介
3.1.1 声音是什么 3.1.2 声音的频率范围
3.2 声音信号数字化
3.2.1 从模拟过渡到数字 3.2.2 模拟信号与数字信号 3.2.3 声音信号数字化 3.2.4 声音质量与数据率
2020年3月30日
第3章 数字声音编码
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3.2 声音信号数字化(续2)
采样精度
➢ 度量声音波形幅度的精确程度，用每个声音样本的 位数(即bps)表示
例如每个声音样本用16位表示，测得的声音样本值是在 [0～65535]范围里的数，它的精度是1/65536
精度是在模拟信号数字化过程中度量模拟信号的最小单位， 因此也称量化阶(quantization step size)
➢ 声音的强弱体现在声波压力的大小上，音调的高低 体现在声音的频率上
➢ 声音用电表示时，声音信号在时间和幅度上都是连 续的模拟信号，如图3-1所示
➢ 声波具有普通波所具有的特性，例如反射 (reflection)、折射 (refraction)和衍射(diffraction)等
2020年3月30日
图3-1 声音第是3章 一数字种声音连编码续的波
(SB-ADPCM)
3.9 线性预测编码(LPC)的概念 3.10 GSM声音简介 3.11 话音编码标准摘要
3.11.1 编码算法的性能 3.11.2 话音编码标准
参考文献和站点
2020年3月30日
第3章 数字声音编码
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3.1 声音简介
声音是什么
➢ 声音是听觉器官对声波的感知，而声波是通过空气 或其他媒体传播的连续振动
分数
质量等级
失真级别
5
优(Excellent)
无察觉
4
良(Good)
(刚)察觉但不讨厌
3
中(Fair)
(察觉)有点讨厌
2
差(Poor)
讨厌但不反感
1
劣(Bad)
极讨厌(令人反感)
2020年3月30日
第3章 数字声音编码
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3.4 脉冲编码调制(PCM)
脉冲编码调制(PCM)的概念
➢ PCM是pulse code modulation的缩写 ➢ 概念上最简单、理论上最完善、最早研制成功、使
24路制 30路制
2020年3月30日
第3章 数字声音编码
17 பைடு நூலகம்f 46
3.5 PCM在通信中的应用(续1)
图3-6 24路PCM的帧结构
24路制的重要参数如下：
➢ 每秒钟传送8000帧，每帧 125μs
➢ 12帧组成1复帧(用于同步)。
➢ 每帧由24个时间片(信道)和1 位同步位组成
➢ 每个信道每次传送8位代码， 1帧有24 × 8 ＋1＝193位(位)