自适应差分脉冲编码调制语音编码
语音编码的基本方法
语音编码的基本方法
语音编码是将语音信号转换成数字形式以便于存储、传输和处理的过程。
以下是一些常见的语音编码方法：
1. 脉冲编码调制（PCM）：
• PCM是一种最基本的语音编码方法，它将模拟语音信号在时间上均匀采样，并将每个样本的振幅量化为数字形式。
•采样率和量化位数是PCM中的两个重要参数，它们决定了数字表示的精度和数据量大小。
2. 自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）：
• ADPCM是一种通过对语音信号进行预测和差分编码来减小数据量的方法。
它利用前一个采样的信息来预测当前采样，并只编码预测误差。
•由于只需要编码误差，ADPCM相比于PCM可以实现更高的压缩比。
3. 线性预测编码（LPC）：
• LPC是一种基于声道建模的编码方法，它假设语音信号是由声道和激励信号的组合产生的。
• LPC通过对语音信号进行分析，提取声道特征，并将其参数化以减小数据量。
4. 矢量量化：
•矢量量化是一种高效的无损压缩方法，通过将一组相邻的样本映射到一个矢量码本中的一个向量，从而减小数据量。
5. 变换编码：
•将语音信号通过某种变换（如傅立叶变换）转换到频域，然后对频域信息进行编码。
其中，MP3是一种常见的基于变换编码的方法。
6. 深度学习方法：
•近年来，深度学习技术在语音编码领域取得了显著进展。
循环神经网络（RNN）和卷积神经网络（CNN）等模型被用于语音特征提取和编码。
这些方法有各自的优点和适用场景，选择合适的编码方法通常取决于应用需求、带宽要求以及对音频质量的要求。
简述欧美及我国常用的语音编码技术。
欧美及我国常用的语音编码技术1. 介绍在当今数字化时代，语音编码技术在通信、音频处理、语音识别等领域起着至关重要的作用。
欧美及我国都有各自常用的语音编码技术，本文将就这一主题进行深入探讨。
2. PCM编码PCM（Pulse Code Modulation）是一种最早期的语音编码技术，它将模拟信号转换为数字信号。
PCM编码的优点是精确度高，保真度好，但缺点是需要较大的数据传输速率。
在欧美，PCM编码仍然广泛应用于一些专业音频设备和通信系统中。
3. ADPCM编码ADPCM（Adaptive Differential Pulse Code Modulation）是一种自适应差分脉冲编码调制技术，它在PCM编码的基础上进一步压缩了数据量。
相较于PCM编码，ADPCM编码具有更高的压缩比，适用于一些需要节省带宽的场景。
在欧美，ADPCM编码被广泛应用于语音通信、无线通信等领域。
4. G.711编码G.711是国际电信联盟（ITU-T）制定的一种音频编码标准，它包括了μ-law和A-law两种编码方式。
G.711编码通过对声音进行采样和量化，实现了对语音的高效压缩和传输。
在我国，G.711编码是常用的语音编码技术之一，被广泛应用于各类通信系统和音频处理设备中。
5. G.729编码G.729是一种高压缩比的语音编码标准，它采用了先进的语音处理算法，实现了对语音信号的高效压缩和传输。
在欧美，G.729编码被广泛应用于语音通信和网络通信方式等领域。
6. Opus编码Opus是一种开放式、免专利的音频编码格式，它具有低延迟、高音质和高压缩比的特点。
Opus编码在欧美得到了广泛的应用，尤其是在互联网音频传输、实时语音通信等领域。
7. 总结欧美及我国常用的语音编码技术包括了PCM编码、ADPCM编码、G.711编码、G.729编码和Opus编码等多种标准和格式。
这些编码技术各具特点，适用于不同的场景和需求。
随着科技的不断进步和创新，相信未来还会有更多更先进的语音编码技术出现，为语音通信和音频处理领域带来更多的可能性。
自适应差分脉冲编码调制语音编码资料
自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）语音编码摘要:在过去的几十年中人类在语音数字化和数字化压缩领域研究摸索中取得了辉煌的成就。
开辟了崭新的信息数字化时代。
1972年CCITT制定了G.711 64kb/s PCM语音编码标准，CCITT G.711A规定的A律和μ律PCM采用非线性量化，在64kb/s的速率语音质量能够达到网络等级，当前已广泛应用于各种数字通信系统中。
由于它是一维统计语音信号，当速率进一步减小时，将达不到网络等级所要求的话音质量。
对于许多应用，尤其在长途传输系统中，64kb/s的速率所占用的频带太宽以至通信费用昂贵，因此人们一直寻求能够在更低的速率上获得高质量语音编码质量的办法。
于是在1984年CCITT又提出了32kb/s标准的G.721 ADPCM编码。
ADPCM充分地使用了语音信号样点间的相关性，利用自适应预测和量化来解决语音信号的非平稳特点，在32kb/s速率上能够给出符合公用网的要求的网络等级语音质量。
本文对PCM、DPCM、DM、ADM以及ADPCM的编码、译码原理进行讨论，并对它们性能进行比较，然后着重阐述基于ADPCM的语音压缩算法，并介绍了ADPCM编码在蓝牙技术上的使用，最后对ADPCM在现代通信中的应用做个总结与展望。
1 脉冲编码调制及差分脉冲编码调制1.1脉冲编码调制(PCM)脉冲编码调制PCM（Pulse Code Modulation）是把模拟信号变换成数字信号的一种调制方式。
其功能是完成模-数转换，实现连续消息数字化。
在PCM的调制过程中，将输入的模拟信号进行取样，量化和编码。
经量化后的样值进一步变换为表示量化电平大小的二进制，即用二进制的大小来代表模拟信号的幅度(一个二进制码是一组有限的“0”、“1”脉冲序列)。
在接收端再将这些编码的二进制数还原为原来的模拟信号。
由于二进制PCM便于应用现代数字技术，且具有抗噪性能好的优点，因此是一种最常用的PCM形式。
第6 差分脉冲编码调制
当
，
量化为
当
，
量化为
当
，
量化为
当
，
量化为
图(b)表示经抽样与量化后的 信号波形，图(c)是编码器输 出的DPCM码。若设正脉冲表 示二进制数字"0",负脉冲表示 "1",则编码器输出的DPCM码 为:0101010000000 。
2.DPCM编码
由式（6-1）产生的预测误差 e(k) 虽 然与样本值 x(t) 比较一般是不大的量， 但由于信号某段中可能增、减斜率较大， 因此阶梯波 追x%(k踪) 能力就显不足，会
6.2 差分脉冲编码调制（DPCM）
•编码器中的预测器与解码器中的预测器完全 相同 。
•DPCM原理方框图
DPCM预测原理
DPCM系统 中，总量化 误差只和差 值信号的量 化误差有关
编码器：图6-1给出了一个实现DPCM功
能的系统框图。它实现预测编码的基本设计 构思是，对预测误差 e(k) 进行量化后，编成 PCM码传输。这一差值的动态范围应当说比 PCM的绝大多数样本值小的多。PAxM(k)序列的 所用的参考值来自于带有预测器，而不断累 积的阶梯波输出，x%(k )是在以前所有累积值与 差值量化值eˆ(k) 相加的结果。因此阶梯波x%(k) 总是在不断近似追踪输入序列PAM信号的各
最后算出DPCM系统的输出信噪比为
比较DPCM和PCM系统的性能
•PCM系统的输出信噪比为
• DPCM系统的输出信噪比为
可以看出，当N和fs/fc比较大时，DPCM 系统的性能要优于PCM。
•
DPCM与PCM的区别是，在PCM
中用信号抽样值进行量化，编码后传输。
而DPCM则是用信号mt 与 mt 的差值进
自适应差分脉冲编码调制系统编解码设计
自适应差分脉冲编码调制系统编解码设计摘要自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)是数字通信中最基本的技术。
低于64kbit/s数码率的语音编码方法被称为语音压缩技术，ADPCM是语音压缩编码中复杂度较低的一种方法，它能在32kbit/s数码率上达到符合64kbit/s数码率的语音质量要求。
由于超大规模集成电路的自适应差分脉冲编码调制编/解码器的出现，使自适应差分脉冲编码调制在光纤通信、数字微波通信、卫星通信等领域获得了更加广泛的应用。
本文以数字通信理论为基础，对自适应差分脉冲编码调制的原理进行分析，并采用MC145540芯片实现ADPCM功能，从而设计出了语音ADPCM编解码系统。
关键词： ADPCM，语音编码，数字通信，MC145540DESIGNED of ADPCM CODING and DECODING SYSTEMGuo Chang-zeDepartment of Automation, Beijing Institute of Petrol-chemical Technology, Beijing 102617ABSTRACTADPCM is the most basic technology in the digital communication. The speech code method of lower than 64kbit/s code rate is known as the speech compress technology, ADPCM is a low kind of method of complexity in the speech compress code , It can reach the speech quality requirement which accords with 64 kbit/s digital rates at 32 kbit/s digital rates.With the advent of very large scale Integrated circuit which can realize coding and decoding, the application of ADPCM is more and more extensive in the fields such as fiber optic communication, digital microwave communication, satellite communication, etc.This thesis analyzed the theory of ADPCM coding and decoding based on the digital communication, and realized the function of ADPCM adopting the chip of MC145540.Thus I designed the system of coding and decoding about speech.Keywords：ADPCM, The Code of the Pronunciation, Digital Communication, MC145540目录第1章绪论 (1)1.1 数字通信概述 (1)1.2 数字通信现状及分析 (2)1.2.1 数字电缆通信系统 (2)1.2.2 数字光纤通信系统 (2)1.2.3 数字微波中继通信系统 (2)1.2.4 数字卫星通信系统 (3)1.2.5 数字移动通信系统 (3)1.3 数字通信技术的发展趋势 (3)1.3.1 通信技术总的发展趋势 (3)1.3.2 终端技术将朝着数字化、智能化、高效率和多媒体方向发展 (4)1.3.3 传输技术正朝着高速率、大容量、远距离和用户线数字化方向发展 (4)第2章语音编码技术 (6)2.1 语音编码概述 (6)2.1.1 语音编码的性能指标 (6)2.1.2 语音编码方法的分类 (7)2.1.3 语音编码标准 (8)2.2 ADPCM分析 (9)2.2.1 语音编码技术现状 (9)2.2.2 ADPCM的应用 (10)第3章ADPCM的数学原理 (11)3.1 PCM的基本原理 (11)3.1.1 抽样 (11)3.1.2 量化 (12)3.2 DPCM的基本原理 (13)3.2.1 DPCM编码原理 (13)3.2.2 DPCM编码实现方框图 (14)3.3 ADPCM的基本原理 (14)第4章MC145540的结构及应用 (16)4.1 MC145540管脚图 (16)4.2 MC145540内部组成原理 (17)4.3 MC145540各管脚功能 (17)4.4 其它语音编码芯片介绍 (21)4.4.1 TP11362 (21)4.4.2 低成本、适合无线通信的语音编码芯片CMX639 (23)4.4.3 适于语音处理的SDA80D51芯片 (23)第5章ADPCM系统的硬件设计与实现 (25)5.1 整体设计框图 (25)5.2 ADPCM系统电路 (25)5.3 电路分析 (29)5.3.1 单用户ADPCM编码电路 (29)5.3.2 ADPCM控制电路 (30)5.3.3 ADPCM编解码电路 (30)5.3.4 ADPCM模拟音频输入电路 (31)5.3.5 ADPCM模拟音频信号输出电路 (32)第6章结束语 (35)致谢 (36)参考文献 (37)第1章绪论1.1数字通信概述通信是指由一地向另一地进行消息的有效传递。
语音编码格式名词解释
语音编码格式名词解释
语音编码格式是指将语音信号转换为数字信号的过程，以便在数字通信系统中传输和存储。
以下是一些常见的语音编码格式及其解释：
1. PCM（脉冲编码调制）：将模拟语音信号转换为数字信号的最基本方法，每秒钟采样8000次，每次采样用8位或16位表示。
2. ADPCM（自适应差分脉冲编码调制）：采用自适应算法对PCM信号进行压缩，从而减少传输带宽和存储空间。
3. MP3（MPEG音频层3）：一种有损压缩格式，通过去除人耳听不见的音频信号来减小文件大小。
4. AAC（高级音频编码）：一种有损压缩格式，比MP3更高效，可以实现更高质量的音频传输和存储。
5. Opus：一种开放源代码的音频编码格式，支持低延迟和高质量的音频传输。
学习技巧：
1. 熟悉常见的语音编码格式，了解它们的特点和适用场景。
2. 学习数字信号处理和音频编码的基本原理，包括采样、量化、压缩等。
3. 练习使用相关的工具和软件，如Audacity、FFmpeg等，实践音频编码和解码的过程。
4. 参考相关的文献和教程，了解最新的音频编码技术和发展趋势。
语音编码技术的分类
语音编码技术的分类语音编码技术概述语音编码技术是指将语音信号转换成数字信号的技术，是现代通信系统中不可或缺的一部分。
语音编码技术能够有效地压缩语音数据，减小传输带宽，提高通信质量。
分类1.无损编码–PCM编码：将模拟语音信号进行采样和量化，并使用脉冲编码调制（PCM）进行数字化，保留了所有原始信息。
–ADPCM编码：利用自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）对采样值进行编码，以减小数据量。
–LPC编码：根据语音信号的模型参数，利用线性预测编码（LPC）对信号进行编码，适用于高压缩比的应用。
2.有损编码–CELP编码：采用声道模型和码字搜索算法，通过对语音信号进行向量量化，实现高压缩比的语音编码。
–MP3编码：基于MDCT变换和感知模型，通过分析人耳对声音敏感度，实现高质量音频的压缩。
–AMR编码：适用于移动通信系统的编码标准，通过对语音信号进行截断和窄带限制，达到低比特率的编码效果。
无损编码无损编码技术旨在将语音信号以无失真的方式进行压缩，并能够还原原始信号。
其中，PCM编码是一种最简单的无损编码方式，它通过对语音信号进行时域采样和量化，将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。
由于PCM编码保留了全部语音信息，因此文件体积较大，不适合传输和存储。
为了减小数据量，ADPCM编码在PCM编码的基础上引入了差分脉冲编码调制技术。
ADPCM编码根据每个采样值和前一个采样值之间的差异进行编码，以便用更少的位数表示信号。
LPC编码则通过语音信号的线性预测，利用模型参数的编码表示来实现信号的压缩。
有损编码有损编码技术能够更高效地压缩语音信号，但在压缩的过程中会存在一定的信号失真。
有损编码主要应用于高压缩比的语音传输和存储场景。
CELP编码是一种基于声道模型的语音编码技术，它利用矢量量化和码字搜索算法对语音信号进行编码。
通过分析语音信号在频域和时间域的特性，CELP编码能够以较低的比特率实现较高的语音质量。
MP3编码是广泛应用于音频压缩的技术，它基于MDCT变换和感知模型。
自适应差分编码调制(ADPCM)
系统的总量化信噪比为：
S N
DPCM
E[x2 (n)] E[nq2 ]
E[x2 (n)] E[e2 (n)]
E[e2 (n)] E[nq2 ]
G
p
S N
q
DPCM的性能特点:
经过DPCM调制后的信号，其传输的比特率比起PCM来 说大大地压缩了。例如，对于有较好图像质量的情况， 每一抽 样值只需4比特就够了。此外，在相同比特速率条件下， 则 DPCM比PCM信噪比可改善14~17 dB。与ΔM相比，由于它增 多了量化级，因此在改善量化噪声方面优于ΔM调制。 DPCM 的缺点是易受到传输线路噪声的干扰，在抑制信道噪声方面不 如ΔM。
适应调整，或等效地用输出编码 信号进行自适应调整。
2. 自适应预测
在自适应预测中采用了两项措施： 1. 增加用于预测的过去样值的数量； 2. 使分配给过去每一个样值的加权系数是可调的。
自适应预测也有前馈型和反馈型两种。
图5.31 ADPCM系统原理框图
现代通信原理
量化器
编码
解码
x’(n)
xq(n)
预测器
x’(n)
xq(n)
预测器
编码器
解码器
DPCM系统的总量化误差nq可以定义为输入信号样值x(n)与解 码器输出(即重建信号) x’(n)之差，根据图5.31可得：
nq x(n) x' (n) [e(n) xq (n)] [xq (n) eq (n)] e(n) eq (n)
现代通信原理
自适应差分编码调制(ADPCM)
• 一个语音信号波形的相邻抽样值具有很强的相关性，自适应差分脉冲编码 调制就是依据相邻抽样值的相关性进行编码的方式。因此它能有效地消除 语音信息中地冗余度，即实现语音压缩编码。研究表明，ADPCM是语音 压缩编码技术中较简单实用的一种方法。
自适应差值脉冲编码调制(ADPCM)基本原理
自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）基本原理目前，脉冲编码调制（PCM）的数字通信系统已经在大容量数字微波、光纤通信系统，以及市话网局间中继传输系统中获得广泛的应用。
但是现有的PCM编码必须采用64Kbit/s的A律或μ律对数压扩的方法，才能符合长途电话传输语音的质量指标，其占用频带要比模拟单边带通信系统宽很多倍。
这样，对于费用昂贵的长途大容量传输，尤其是对于卫星通信系统，采用PCM数字通信方式时的经济性很难和模拟相比拟。
因此，人们一直致力于研究压缩数字化语音占用频带的工作，也就是努力在相同质量指标的条件下，降低数字化语音数码率，以提高数字通信系统的频带利用率。
自适应差值编码调制（ADPCM）是在差值脉冲编码调制（DPCM）基础上逐步发展起来的，DPCM 的工作原理参见原理教材有关章节。
它在实现上采用预测技术减少量化编码器输入信号的多余度，将差值信号编码以提高效率、降低编码信号速率，这广泛应用于语音和图像信号数字化。
CCITT近几年确定了64Kb/s—32kb/s的变换体制，将标准的PCM码变换为32kb/s的ADPCM码，传输后再恢复为64Kb/s的PCM信号，从而使64Kb/s数字话音压缩速率一倍，使传输信道的容易扩大一倍。
ADPCM中的量化器与预测器均采用自适应方式，即量化器与预测器的参数能根据输入信号的统计特性自适应于最佳参数状态。
通常，人们把低于64Kb/s数码率的语音编码方法称为语音压缩编码技术，语音压缩编码方法很多，自适应差值脉冲调制（ADPCM）是语音压缩编码中复杂程度较低的一种方法。
它能在32kbit/s数码率上达到符合64kbit/s数码率的语音质量要求，也就是符合长途电话的质量要求。
当以高于奈奎斯特速率对话音或视频信号抽样时，在前后样值间可以看到有明显的相关性，将这些相关样值按通常PCM系统的方式加以编码时会使得编码信号含有多余信息。
如在编码前将这种多余信息去掉，。
自适应差分脉冲编码的原理
自适应差分脉冲编码的原理
自适应差分脉冲编码（Adaptive Differential Pulse Code Modulation，ADPCM）是一种数字音频压缩技术，它的原理如下：
1. 音频采样：原始音频信号首先被采样，并以一定的频率离散化成数值序列。
2. 差分编码：ADPCM中使用差分编码来表达音频信号的差异。
差分编码将每个采样值与前一个采样值进行比较，然后编码为表示差值的二进制码字。
编码后的差值可以更有效地表示音频信号的动态变化。
3. 量化：编码后的差值被送入量化器，根据预定的量化步长进行量化。
量化步长决定了编码的精度，较小的步长可以提供更高的音频质量，但也会增加码字的数量。
4. 编码：量化后的差值被编码为二进制码字，通常使用固定长度的码字来表示不同的差值。
编码后的码字可以更高效地传输和存储音频数据。
5. 解码：接收端接收到编码后的码字后，使用相同的编码算法进行解码。
解码过程包括解码差值、反量化、差分解码和还原原始采样值。
6. 自适应：ADPCM算法采用自适应的方法来调整差分编码和量化的参数。
通过分析音频信号的动态特性，可以根据需要动态地调整量化步长和差分编码的参
数，以提供更好的音频质量和压缩效果。
总的来说，自适应差分脉冲编码通过差分编码和量化来减少音频数据的冗余，并通过自适应调整参数来适应不同的音频信号特性，从而实现音频压缩和解压缩。
实验十--自适应差分脉冲编码调制和解调实验
实验十 自适应差分脉冲编码调制与解调实验一、实验目的1、加深对自适应差分脉冲编码调制工作原理的理解。
2、了解大规模集成电路MC145540的电路组成及工作原理。
二、实验内容1、观察各测量点波形并画出图形，注意时间对应关系。
2、在有可能的情况下，编写程序并在此电路板上进行调试。
三、实验仪器1、信号源模块2、模拟信号数字化模块3、频谱分析模块（可选）4、终端模块（可选）5、20M 双踪示波器 一台6、音频信号发生器（可选） 一台7、立体声单放机（可选） 一台8、立体声耳机（可选） 一副9、连接线 若干四、实验原理1、ADPCM 简介由前面PCM 和M ∆实验我们已经知道，在不考虑信道误码率的情况下，M ∆的性能通常比PCM 的差。
这主要是因为PCM 和M ∆系统不管误差信号如何变化，传输的增量σ是固定不变的。
如果使增量的数值随误差信号()d k 的变化量化成M 个电平之一，然后再进行编码，这样，系统的性能就会得到改善。
在这样的系统中，由于对传输的增量还要经过脉冲编码调制，因而称它为增量脉冲编码调制或差分脉冲编码调制()DPCM 。
下面先介绍DPCM 的基本原理。
()d k图10-1 DPCM 系统原理框图图10-1给出了DPCM 系统原理框图。
图中输入抽样值信号为()S k ，接收端输出重建信号为()r S k ，()d k 是输入信号与预测信号()e S k 的差值，()q d k 是经量化后的差值，()I k 是()q d k 信号经编码后输出的数字码。
编码器中的预测器与解码器的预测器完全相同，因此，在信道传输无误码的情况下，解码器输出的重建信号()r S k 与编码器的()r S k 完全相同。
DPCM 的总量化误差()e k 定义为输入信号()S k 与解码器输出的重建信号()r S k 之差，即有[]()()()()()()()()()r e e q q e k S k S k S k d k S k d k d k d k ⎡⎤=-=+-+=-⎣⎦由上式可知，在这种DPCM 系统中，总量化误差只和差值信号的量化误差有关。
PCM编码详解
差分脉码调制(DPCM)
DPCM不对每一样值都进行量化，而是预测下一样值， 并量化实际值和预测值之间的差。
DPCM是基本的编码方法之一，在大量的压缩算法中被 采用，比如JPEG的DC分量就是采用DPCM编码的。
举例说明DPCM编码原理： 设DPCM系统预测器的预测值为前一个样值，假设输入信
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。
当前该算法以其简单实用的特点广泛应用到数 字音乐盒和数字录音笔中。
自适应差分脉码调制(ADPCM)
具体方法是：预测参数仍采用固定的；但此时 有多组预测参数可供选择。这些预测参数根据 常见的信源特征求得。编码时具体采用哪组预 测参数根据信源的特征来自适应的确定。
为了自适应地选择最佳参数，通常将信源数据 分区间编码，编码时自动地选择一组预测参数， 使该区间实际值与预测值的均方误差最小。随 着编码区间的不同，预测参数自适应的变化， 以达到准最佳预测。
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。
表3-02 多次复用的数据传输率
PCM在通信中的应用
常用的语音编码方法有
常用的语音编码方法有常用的语音编码方法主要包括：PCM（脉冲编码调制）、ADPCM（自适应差分脉冲编码调制）、MP3（MPEG音频层3）、AAC（高级音频编码）、OPUS、GSM（全球系统移动通信）、ILBC（无损语音编码器）、G.722等。
1.PCM（脉冲编码调制）PCM是最常用的语音编码方法之一，将模拟语音信号采样后，通过量化和编码来数字化语音信号。
PCM编码质量较好，但占用存储空间较大。
2.ADPCM（自适应差分脉冲编码调制）ADPCM是对PCM的改进，通过预测和差分编码的方式来压缩语音数据。
ADPCM编码可以减小文件大小，但也会损失一定的音质。
3.MP3（MPEG音频层3）MP3是一种无损的音频压缩格式，通过删除人耳难以察觉的音频信号细节来减小文件大小。
MP3编码在音质和文件大小之间取得了平衡，成为广泛应用于音乐和语音传输的标准格式。
4.AAC（高级音频编码）AAC是一种高级音频编码方法，能够提供较好的音质和较小的文件大小。
AAC在广播、音乐和视频领域都有广泛应用。
5.OPUSOPUS是一种开放和免版权的音频编码格式，适用于广泛的应用场景，如实时通信、网络音频流传输等。
OPUS编码可以根据不同场景的需求，在音质和延迟之间做出灵活权衡。
6.GSM（全球系统移动通信）GSM编码是一种在移动通信领域广泛使用的语音编码方法，它通过移除语音频带中的高频和低频信息来实现数据压缩。
7.iLBC（无损语音编码器）iLBC是一种专为网络语音传输设计的编码格式，能够在高丢包环境下提供较好的语音质量。
8.G.722G.722是一种宽带语音编码方法，提供更好的语音质量和更宽的频带宽度，适用于音频和视频会议等高质量语音通信场景。
自适应差分脉冲编码调制与解调设计
信息综合训练-------自适应差分脉冲编码调制与解调班级：0802211学号：22姓名：徐晓琳指导老师：郑文波指导老师: 赵馨指导老师: 刘泉2011年12月18日一、目录 (2)二、摘要2三、正文1、绪论 (3)2、硬件总体设计 (5)3、器件结束 (9)4、系统调试法 (13)5、设计结论与心得会 (13)6、参考文献13二、摘要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。
现在我们使用的是IMA ADPCM算法，该算法中对量化步长的调整使用了简单的映射方法，对于一个输入的PCM值X(n)，将其与前一时刻的X(n-1)预测值做差值得到d(n)，然后根据当前的量化步长对d(n)进行编码，再用此sample点的编码值调整量化步长，同时还要得到当前sample 点的预测值供下一sample点编码使用。
通过此算法可将样点编码成4bit 的码流，一个符号位和三个幅度位。
该算法较简单，通过映射简化了运算。
对于编码后的数据我们采用了wav文件格式，该格式对编码后的数据流进行了包装，由文件头和数据码流组成，文件头中指出了音频数据所采用格式、采样率、比特率、块长度、比特数及声道数等信息。
数据码流以块为单位，块头指出了该块起始的预测值和index值，码流中每byte的高四位和低四位分别对应一个PCM。
当前该算法以其简单实用的特点广泛应用到数字音乐盒和数字录音笔中。
1、绪论●自适应脉冲编码调制(APCM)的概念自适应脉冲编码调制(adaptive pulse code modulation，APCM)是根据输入信号幅度大小来改变量化阶大小的一种波形编码技术。
这种自适应可以是瞬时自适应，即量化阶的大小每隔几个样本就改变，也可以是音节自适应，即量化阶的大小在较长时间周期里发生变化。
自适应差值脉冲编码调制ADPCM
3．带通型信号的抽样
图2-7 带通型信号样值序列的频谱
为了即不会产生折叠噪声，又不使 信道利用率下降，由图2-7采用试凑法得 出：
2 f0 2 fM fs n 1 n
（2-10）
式中 n 为
f0 B
的整数部分，用
f0 ( ) I 表示，则 B
f0 n ( )I B
（2-11）
如要求原始信号频带与其两侧相邻 的频带间隔相等，则
2U N
（2-13）
下面以N=8为例说明均匀量化特性。 参见图2-9。
图2-9 量化值与量化误差
表2-1
抽样值与量化值的关系（N=8） 量化值
0 .5 2 .5 3 .5
抽样值（连续值）
量化级数 量化值数目
量化区
(0～ ) ( ～ 2 ) ( 2 ～ 3 ) ( 3 ～ 4 )
①A 律压缩特性
图2-16
A 律压缩特性
直线 oa段的方程：
Ax y 1 ln A
1 0 x ， A
（2-19）
其斜率
dy A dx 1 ln A
（2-20）
曲线 ab 段的方程：
y 1 ln( Ax ) 1 ln A
1 ，A x 1
（2-21）
其斜率
dy 1 1 dx 1 ln A x 一般取A=87．6。
2( f 0 f M ) fs 2n 1
（2-12）
2.2.3 量化
量化是将时间域上幅度连续的样值 序列变换为时间域上幅度离散的样值序 列信号（即量化值）。 量化分为均匀量化和非均匀量化两 种。
1．均匀量化
均匀量化是在量化区内（即从-U～+U ）均匀等分 N 个小间隔。 U为过载电压，N 称为量化级数，每 一小间隔称为量化间隔 。由此可得：
自适应差分脉冲编码调制
自适应差分脉冲编码调制1 引言自适应差分脉冲编码调制（Adaptive Differential Pulse Code Modulation，ADPCM）是一种数字信号处理技术，用于将模拟信号转换为数字信号。
在通讯、音频编码等领域中有广泛的应用。
它利用差分编码和预测编码的方法实现了数据压缩，具有较高的编码效率和信号传输质量。
2 ADPCM的基本原理ADPCM是一种基于预测的编码方法，它的基本原理是通过预测下一样本值，计算出前后两个样本的差值，然后用一个二进制数表示该差值的大小和符号。
具体来说，ADPCM将采样频率内的样值经过预测器预测后，计算出预测误差，然后将预测误差进行压缩编码，从而实现数据压缩。
3 ADPCM的优点ADPCM具有以下几点优点：（1）数据压缩效果显著。
ADPCM通过对每个样本的预测误差进行编码，将每个样本需要的位数降到很低，从而实现了数据压缩的效果。
（2）适用范围广泛。
ADPCM可以应用于各种声音信号的数字化和压缩，如语音信号、音乐信号等。
（3）传输质量高。
ADPCM可以提高信号传输的质量，降低误码率和噪声干扰等问题。
4 ADPCM在通信中的应用ADPCM在通信领域中的应用非常广泛，其中最主要的应用是在语音通信中。
采用ADPCM技术，通信数据可以被无损编码压缩，从而减少了传输数据的带宽和存储空间。
在保证通信质量的前提下，ADPCM可以大大缩小系统成本。
5 ADPCM在音频编码中的应用除了在通信领域中的应用，ADPCM还被广泛应用于音频编码中。
相比于其他的音频编码技术，ADPCM能够更好地保留音频信号的特征，同时实现数据压缩和传输，从而在存储和传输方面更加经济高效。
此外，ADPCM还能够对不同的音频信号进行不同的编码，从而实现更精细的数据处理。
6 结论自适应差分脉冲编码调制是一种非常实用的数字信号处理技术，通过差分编码和预测编码的方法实现了数据压缩。
它在通讯、音频编码等领域中被广泛应用，并发挥了重要作用。
音频编码和解码的格式和标准
音频编码和解码的格式和标准音频编码（Audio Coding）和解码（Audio Decoding）是将音频信号通过数字化处理转换成数字音频数据，并且再将数字音频数据还原为模拟音频信号的过程。
为了实现音频的高保真传输和存储，音频编码和解码的格式和标准被广泛应用于音频技术、通信技术、多媒体应用等领域。
本文将介绍音频编码和解码涉及的格式和标准。
一、音频编码格式1. PCM编码（脉冲编码调制）PCM编码是将模拟音频信号通过脉冲编码调制转换为数字音频数据的一种编码格式。
PCM编码对音频信号进行采样，并以固定的码率表示采样值，提供了高保真的音频质量，被广泛应用于CD、DVD等媒体存储格式中。
2. ADPCM编码（自适应差分脉冲编码调制）ADPCM编码是一种基于脉冲编码调制的压缩音频编码格式。
它通过对连续采样值之间的差异进行编码，从而减小了数据的传输量，提高了存储和传输效率。
ADPCM编码常用于语音通信和实时音频传输领域。
3. MP3编码（MPEG音频层3）MP3编码是一种基于MPEG音频压缩标准的音频编码格式。
MP3编码利用了人耳对声音频率和响度的不敏感性，通过保留重要信号的同时舍弃不重要的信号，实现了非常高的音频压缩比率。
MP3编码已被广泛应用于音乐播放器、流媒体服务等领域。
4. AAC编码（Advanced Audio Coding）AAC编码是一种高效的音频编码格式，它在保留高音质的同时，相较于MP3编码，具有更高的压缩效率。
AAC编码多用于数字音频广播、数字电视、移动通信和音乐流媒体等场景。
二、音频解码格式音频解码格式与编码格式相对应，用于将数字音频数据解码为模拟音频信号。
1. PCM解码PCM解码将PCM格式的数字音频数据转换为模拟音频信号。
解码过程将采样值转换为模拟连续波形信号，并通过数字到模拟转换器输出。
2. ADPCM解码ADPCM解码将ADPCM编码的数字音频数据恢复为模拟音频信号。
解码过程通过解码器对差分编码的数据进行恢复，得到原始的PCM码流，然后再进行解压缩得到模拟音频信号。
自适应差分脉码调制
4.2.4.7 清音和浊音
清浊音频谱 清浊音信号
4.2.4.8 语音产生模型
语音模型的建立：1. 产生激励，2.响应 模型参数：基音，共振峰频率及强度，清浊音
判决 低码率编码
❖ 码率降低有限 ❖ 合成的语音波形失去了自然度和音质
基音周期
周期脉冲发生器
清/浊音开关
1 1
1
1
286
125
212 146
24
36 220
4
4.2.6.2 二维4×4 DCT变换
a a a a a b a c
Y=AXAT b a
c a
c a
bXa a ac cFra biblioteka a
b b
a1,b 2
1cos,c 1cos3
28 2 8
c b b c a b a c
若 表示矩阵对应元素相乘，d=b/c，那么上式可 以表示为 d1/( 21)2.4142... 时，为最优变换矩阵
可以得到：
Y/Qstep=CfXCfT Ef /Qstep
1 5 1 1
1 1 1 5
1 1 1 5 15X1 1 1 1 1 1 5 1 15
1 11 1 5 15 1
1/4 1/232 1/4 1/232
1/232 1/58 1/232 1/58
1/4 1/232 1/4 1/232
1/232
1 1
1
1
24
36 220
4
286 125 212 146
=
T
我们希望这个过程是可逆的，即可以验证：
1 1 1 1 370 243 318 290 128 16 5 8
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自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）语音编码摘要:在过去的几十年中人类在语音数字化和数字化压缩领域研究摸索中取得了辉煌的成就。
开辟了崭新的信息数字化时代。
1972年CCITT制定了G.711 64kb/s PCM语音编码标准，CCITT G.711A规定的A律和μ律PCM采用非线性量化，在64kb/s的速率语音质量能够达到网络等级，当前已广泛应用于各种数字通信系统中。
由于它是一维统计语音信号，当速率进一步减小时，将达不到网络等级所要求的话音质量。
对于许多应用，尤其在长途传输系统中，64kb/s的速率所占用的频带太宽以至通信费用昂贵，因此人们一直寻求能够在更低的速率上获得高质量语音编码质量的办法。
于是在1984年CCITT又提出了32kb/s标准的G.721 ADPCM编码。
ADPCM充分地使用了语音信号样点间的相关性，利用自适应预测和量化来解决语音信号的非平稳特点，在32kb/s速率上能够给出符合公用网的要求的网络等级语音质量。
本文对PCM、DPCM、DM、ADM以及ADPCM的编码、译码原理进行讨论，并对它们性能进行比较，然后着重阐述基于ADPCM的语音压缩算法，并介绍了ADPCM编码在蓝牙技术上的使用，最后对ADPCM在现代通信中的应用做个总结与展望。
1 脉冲编码调制及差分脉冲编码调制1.1脉冲编码调制(PCM)脉冲编码调制PCM（Pulse Code Modulation）是把模拟信号变换成数字信号的一种调制方式。
其功能是完成模-数转换，实现连续消息数字化。
在PCM的调制过程中，将输入的模拟信号进行取样，量化和编码。
经量化后的样值进一步变换为表示量化电平大小的二进制，即用二进制的大小来代表模拟信号的幅度(一个二进制码是一组有限的“0”、“1”脉冲序列)。
在接收端再将这些编码的二进制数还原为原来的模拟信号。
由于二进制PCM便于应用现代数字技术，且具有抗噪性能好的优点，因此是一种最常用的PCM形式。
1.2差分脉冲编码调制(DPCM)DPCM（Differential PCM）是指采用固定预测器与固定量化器的差值脉冲调制，它是利用样本与样本之间存在的信息冗余度来进行编码的一种数据压缩技术，它记录的不是信号的绝对大小而是相对大小。
它是分析ADPCM工作原理的基础。
DPCM采用预测编码技术，将信号抽样值与信号预测值的差值进行量化、编码后传输。
在DPCM中是用n位二进码表示增量，因此它是介于DM和PCM之间的一种编码方式。
DPCM 相对于PCM信噪比有所改观，与DM相比，由于增加了量化级，因此改善量化噪声方面也优于DM，DPCM的缺点是较易受到传输线路噪声的干扰。
2 增量调制及自适应增量调制2.1 增量调制(DM)增量调制(Delta modulation,简称为DM)是只保留每一信号样值与其预测值之差的符号，并用一位二进制数编码的差分脉冲编码调制。
DM的工作原理，将信号瞬时值与前一个抽样时刻的量化值之差进行量化，而且只对这个差值的符号进行编码，而不对差值的大小编码。
因此编码反映的不是原始的信号，而是差分本身。
在DM中由电平的量化误差产生的噪声称为颗粒噪声。
而由于输入信号的斜率过大，调制器跟踪不及而产生的噪声称为斜率过载噪声。
2.2 自适应增量调制(ADM)自适应增量调制(Adaptive DM,简称ADM) 。
为兼顾过载噪声和量化噪声，而采用了ADM，它的基本方法是检测输入信号的斜率变化，自动改变预测信号和量化台阶，使预测信号总能跟踪上输入信号的变化。
近年来，在ADM体制上提出了几种实用有效的算法，例如：(1)常因子自适应增量调制(CFDM)算法；(2)高信息自适应增量调制(HIDM)算法；(3)Song算法；(4)混合自适应增量调制(HCDM)算法；(5)CVSD算法。
3自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)自适应差分脉冲编码调制(Adaptive Differential Pulse Code Modulation，简称ADPCM)最早使用于数字通信系统中。
目前我们所使用的IMA ADPCM算法简单实用，被广泛应用于数字录音笔和音乐盒中，更是应用于卫星通信IDR系统及小型站卫星通信系统传输语音和数据。
自适应差分脉冲编码调制用预测编码来压缩数据量。
它是一种结合了ADM 的差分信号与PCM的二进制码的方法的波形编码。
由于ADPCM主要用来对现有的PCM信道扩容，即把2个2Mkb/s PCM基群信号转换成一个2Mkb/s 60路ADPCM编码器输出与解码器输出都采用标准A律或μ律PCM码。
而经过对数压缩后的64 kb/s PCM信号是不能直接进行一般算术运算的，进入编码前，需要将A律或μ律PCM码通过内在关系转换成线性PCM码 (即自然二进制码)。
在接收端，则需要将ADPCM 码解码得到的自然二进制码重建信号变换成A律或μ律对数 PCM 信号输出。
它的编码简化框图如图 1 所示：图1. ADPCM编码示意图其编码过程为：①为了便于数字运算，在编码器中先将输入的PCM码转换成14位线性码Sl(k)，然后与预测信号Se(k)求差得到信号D(k)②将D(k)进行自适应差分量化，得到4比特ADPCM代码I(k)。
③先把I(k)送到量化阶调整器，算得新的量化标度因子Y(k)。
④再把I(k)送到解码器，同时将 I(k)进行本地解码得到量化后的差值信号Dq(k)与预测信号Se(k)求和得到本地重建信号Sr(k)，将Sr(k)输入自适应预测器，得到二阶极点和六阶零点的混合预测系数，它利用Dq(k)、Sr(k)以及前几次运算的值对下一个输入信号S1+l(k)进行预测，计算出Se+l(k)。
解码是实现解压缩功能，即编码的逆过程，解码与编码有相同的电路，只是多了一个同步编码调整，其作用是使级联工作时不产生误差累积。
解码器最后输出的码是8位A律或μ律PCM码，因此在得到重建信号Se(k)，还需将它转换成相应的PCM 码。
解码简化框图如图 2 所示：图2. ADPCM解码示意图4 语音压缩编码现代通信的重要标志是实现数字化。
对模拟信号实现数字化通信首先要将模拟信号转变为数字信号。
这一过程对语音信号的变换叫语音编码。
衡量语音压缩编码性能的主要指标是语音编码质量、编码速率、编码算法及复杂程度和编解码延时。
对这些指标的要求往往是相互矛盾的，必须根据实际情况权衡。
4.1 语音压缩编码方法语音编码技术可以分为两大类：波形编码和参数编码。
波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码，其特点是再建信号的波形。
这种方案中信号的质量较高，而其编码的比特率在64-16kb/s范围内，PCM、DM等均属于这一类。
参量编码又叫模型基信源编码。
它不传送信号的取样值，而是传送语音生成模型的基本参数以及适当的激励信号。
在接收端则从数字代码恢复特征参量，再从参量重建语音信号。
这种方法的特点是质量较前者低，但可大大压缩比特速率，多用于窄带信道，如在移动通信、卫星通信、网络通信中的应用日益广泛。
图3：语音生成模型4.2 语音压缩编码标准H.323(由国际电信联盟ITU推荐)建议定义的多媒体会议系统工作的网络基础是一个基于分组交换的数据网络，如X.25网、帧中继网和IP网等。
目前IP网发展迅速，公用IP 网和专用IP网都在大规模建设，使得IP网在通信信息领域越来越重要。
H.323建议用于分组交换网络，当然也用在IP网中。
H.323会议系统的语音编码主要有6种，即G.711、G.722、G.723.1、G.728、G.729和MPEGaudio，其中G7.11是必备的，即系统中的终端与MCU都必须支持G.711编码，其他5种是可选用的。
除了上述6种编码外，也可以通过能力协商来采用其他编码形式。
(1)G.711，其编码速率为64kb/s，采用PCM编码方式，采样速率为8kHz，每个样值用8bit非线性的A律或μ律进行编码，总速率为64kbit/s。
(2)G.728，基于低时延的代数编码激励线性预测(LD-ACELP)压缩原则16kbit/s编码标准的数据压缩算法。
(3)G.729和G.729a，基于共轭结构-代数编码激励线性预测(CS-ACELP)压缩原则8kbit/s编码标准的数据压缩算法。
由于G.729a是G.729的简化版本，算法复杂度低且执行时间短而受到了广大网关厂商的青睐。
G.729标准采用的算法，可以仅用8kbit/s带宽传输话音，而话音质量与32kbit/s ADPCM相同。
(4)G.723.1，该标准规定了5.3kbit/s和6.3kbit/s两种不同速率。
其中5.3kbit/s 速率是以ACELP代数码激励线性预测编码算法为基础。
图4：音编码标准5 突破蓝牙ADPCM语音编码CSR公司为解决CVSD作为语音流量编码方法所带来的局限，在第六代蓝牙技术中引入了射频扫描等改进技术,同时开发通过eSCO连接采用自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）CODEC来实现更高的音频质量的最领先的技术——AuriStream，由于其速率只有32Kbps,却可执行完全相同的功能，使手机的蓝牙功耗节省一半。
ADPCM被视为对CVSD(连续可变斜率增量调制)的理想补充的一种已被广泛接受的CODEC技术。
ADPCM不同于CVSD：它能够以相对较慢的取样速度发现样本间的差异。
ADPCM以相对于CVSD速率一半的较低速率传输固定电话质量的信号，为蓝牙传输器和接收器节约了大约一半的运行时间。
该方法为蓝牙系统减少了40%的功耗。
ADPCM使蓝牙连接的语音通话能够达到固定电话的通话质量。
CSR公司BlueCore6所采用的AuriStream技术的耳机与采用同样技术的手机相连接，在嘈杂的环境里也能使语音拨号变得更为精确简单。
这体现了ADPCM编码在质量方面的优越性。
BlueCore6上所采用的AuriStream技术可支持仅为一半CVSD的数据速率的的ADPCM，这就使它能够有潜力支持多达七个更高质量的eSCO语音信道。
远远超出传统上仅支持三个同步SCO语音信道。
6结论与展望ADPCM算法能够很好地压缩语音信号，在大大缩减数据存储空间的同时能够提高数据的传输速度。
与其它编码方式相比，ADPCM能提供更高的压缩比，提高了频率利用率，因此在频带紧缺的现代通信中具有广泛的应用前景。
通过 ADPCM 编码方式对飞行员语音进行编码，可以很好地对语音信号进行压缩，减少数据存储空间并大大提高了数据的传输速率，节约了资源占用量。
ADPCM 作为一种经典语音编码方式算法复杂度低，压缩比小，节约资源的同时也保证了语音的高质量。