第二章_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m 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m 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。
G.722 SB-ADPCM编译码器
窄带和宽带音频信道频率特性
全频带声音的第1代编码技术

全频带声音指的是10 Hz～20,000 Hz范围里的 所有可听声音.也叫做宽带声音或高保真(highfidelity)声音; 第1代全频带数字声音（CD，DAT）的编码采 用PCM编码：


增量调制(DM)

在输入信号变化快的区域，斜率过载是关心的焦点，而在输入信号变化 慢的区域，关心的焦点是粒状噪声。为了尽可能避免出现斜率过载，就 要加大量化阶Δ ，但这样做又会加大粒状噪声；相反，如果要减小粒状 噪声，就要减小量化阶Δ ，这又会使斜率过载更加严重。这就促进了对 自适应增量调制(adaptive delta modulation，ADM)的研究
表3-02 多次复用的数据传输率
PCM在通信中的应用
• • • • • PCM信号复用的复杂程度，通常用“群(group)”表示 一次群(基群)的30路(或24路),北美叫做T1远距离数字通信线， 在欧洲叫做E1远距离数字通信线和E1等级。 二次群的120路(或96路) 三次群的480路(或384路)
数字网络等级 美国 64 kb/s话路数 总传输率(Mb/s) 数字网络等级 欧洲 64 kb/s话路数 T1/E1 24 1.544 1 30 T2/E2 96 6.512 2 120 T3/E3 672 44.736 3 480 T4/E4 4.32 274.176 4 1920 5 7680 T5/E5


混合编码(Hybrid compression) Examples : CELP 4.8kb/s——16kb/s
脉冲编码调制(PCM)
PCM编码框图


―防失真滤波器”是一个低通滤波器，用来滤除声音频带以外的信 号； “波形编码器”可暂时理解为“采样器”； “量化器”可理解为“量化阶大小(step-size)‖生成器或者称为 “量化间隔”生成器。
ADPCM编译码器
G.721推荐标准，这个标准叫做32 kb/s自适应差分脉冲编码调制。 在此基础上还制定了G.721的扩充推荐标准，即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。
G.722 SB-ADPCM编译码器



G.722推荐标准，叫做“数据率为64 kb/s的7 kHz声音信号编 码——这个标准把话音信号的质量由电话质量提高到AM无线电广 播质量，而其数据传输率仍保持为64 kb/s。 子带编码(subband coding，SBC)的基本思想是：使用一组带通 滤波器(band-pass filter，BPF)把输入音频信号的频带分成若 干个连续的频段，每个频段称为子带。对每个子带中的音频信号 采用单独的编码方案去编码。在信道上传送时，将每个子带的代 码复合起来。在接收端译码时，将每个子带的代码单独译码，然 后把它们组合起来，还原成原来的音频信号。子带编码的编码/ 译码器，可以采用ADPCM，APCM，PCM等。 等带宽的子带 不等带宽的子带
m 律压扩和A律压扩
m 律压扩： 北美和日本等地区 13位PCM编码转换城8位。 A律压扩 欧洲和中国大陆等地区， 14位PCM编码转换城8位 输出信号均为64Kb/s

PCM在通信中的应用

提高线路利用率通常用下面两种方法 频分多路复用 :把传输信道的频带分成好几个窄带，每个窄 带传送一路信号。例如，一个信道的频带为1400 Hz，把这个 信道分成4个子信道(subchannels)：820～990 Hz, 1230～ 1400 Hz, 1640～1810 Hz和2050～2220 Hz，相邻子信道间相 距240 Hz，用于确保子信道之间不相互干扰。每对用户仅占 用其中的一个子信道。这是模拟载波通信的主要手段。 时分多路复用:把传输信道按时间来分割，为每个用户指定一 个时间间隔，每个间隔里传输信号的一部分，这样就可以使 许多用户同时使用一条传输线路。这是数字通信的主要手段。 例如，话音信号的采样频率f＝8000 Hz，它的采样周期＝125 m 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：24路制和30路制。
PCM在通信中的应用
PCM在通信中的应用
• 1. 2. 3. 4. 5. 6. • 1. 2. 3. 4. 5. 6. 24路制的重要参数如下： 每秒钟传送8000帧，每帧125 m s。 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)。 数据传输率R＝8000×193＝1544 kb/s。 每一个话路的数据传输率＝8000×8=64 kb/s。 30路制的重要参数如下： 每秒钟传送8000帧，每帧125 m s。 16帧组成1复帧(用于同步)。 每帧由32个时间片(信道)组成。 每个信道每次传送8位代码。 数据传输率：R＝8000×32×8＝2048 kb/s。 每一个话路的数据传输率＝8000×8=64 kb/s。
采样频率：44.1 kHz 或 48 kHz 量化精度：16位 声道数目：1或2 码率：705.6/768 (kb/s) 或 1.41/1.54 (Mb/s)
自适应差分脉冲编码调制


差分脉冲编码调制的思想：根据过去的样本去估算(estimate)下一 个样本信号的幅度大小，这个值称为预测值，然后对实际信号值与 预测值之差进行量化编码，从而就减少了表示每个样本信号的位数。 它与脉冲编码调制(PCM)不同的是，PCM是直接对采样信号进行量化 编码，而DPCM是对实际信号值与预测值之差进行量化编码，存储或 者传送的是差值而不是幅度绝对值，这就降低了传送或存储的数据 量。此外，它还能适应大范围变化的输入信号。 自适应差分脉冲编码调制(ADPCM) ADPCM(adaptive difference pulse code modulation)综合了 APCM的自适应特性和DPCM系统的差分特性，是一种性能比较好的波 形编码。它的核心想法是：①利用自适应的思想改变量化阶的大小， 即使用小的量化阶(step-size)去编码小的差值，使用大的量化阶 去编码大的差值,②使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测 值，使实际样本值和预测值之间的差值总是最小。它的编码简化框 图如下图所示。

数字语音的压缩编码：

波形编码 参数编码（模型编码） 混合编码
语音压缩编码的3类方法

波形编码 (Perception model-based compression) benefits : generic 语音质量 drawbacks : highest compression rates are difficult to 优 achieve >16kb/s 混合编码 Examples :良 PCM, ADPCM, Subband 波形编码
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） 非均匀量化 增量调制 子带编码

难点：



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：


第1代压缩编码：PCM编码 第2代压缩编码：感知声音编码
总传输率(Mb/s)
日本 64 kb/s话路数 总传输率(Mb/s)
2.048
24 1.544
8.448
96 6.312
34.368
480 32.064
139.264
1440 97.728
5600
增量调制与自适应增量调制


增量调制(DM)
增量调制也称△调制(delta modulation，DM)，它是一种预测编 码技术，是PCM编码的一种变形。PCM是对每个采样信号的整个幅 度进行量化编码，因此它具有对任意波形进行编码的能力；DM是 对实际的采样信号与预测的采样信号之差的极性进行编码，将极 性变成“0”和“1”这两种可能的取值之一。如果实际的采样信号 与预测的采样信号之差的极性为“正”，则用“1”表示；相反则 用“0”表示，或者相反。由于DM编码只须用1位对话音信号进行 编码，所以DM编码系统又称为“1位系统”。
中 参数编码,源编码 (Production model-based 差 compression) 模型编码（源编码） 坏 benefits : highest possible compression 2.4Kb/s 码率(kb/s) drawbacks : signal source(s) must be know 1 2 4 8 16 32 64 极 中 Examples : vocoder 低 低

声音数字化有两个步骤：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。但那时并 没有涉及如何进行量化。量化有好几种方法，但可归 纳成两类：一类称为均匀量化，另一类称为非均匀量 化。采用的量化方法不同，量化后的数据量也就不同。 因此，可以说量化也是一种压缩数据的方法。
自适应差分脉冲编码调制

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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。 改变量化阶大小的方法有两种：一种称为前向自适应(forward adaptation)，另一种称为后向自适应(backward adaptation)。 前向自适应：根据未量化的样本值的均方根值来估算输入信号的 电平，以此来确定量化阶的大小，并对其电平进行编码作为边信 息(side information)传送到接收端。 后向自适应：从量化器刚输出的过去样本中来提取量化阶信息。 由于后向自适应能在发收两端自动生成量化阶，所以它不需要传 送边信息。
自适应增量调制(ADM)


基本方法：在检测到斜率过载时开始增大量化阶Δ ，而在输入信 号的斜率减小时降低量化阶Δ 。 例如，宋(Song)在1971描述的自适应增量调制技术中提出：假定 增量调制器的输出为1和0，每当输出不变时量化阶增大50%，使预 测器的输出跟上输入信号；每当输出值改变时，量化阶减小50%， 使粒状噪声减到最小，这种自适应方法使斜率过载和粒状噪声同 时减到最小。 又如，使用较多的另一种自适应增量调制器是由格林弗基斯 (Greefkes)1970提出的，称为连续可变斜率增量调制 (continuously variable slope delta modulation，CVSD)。它 的基本方法是：如果连续可变斜率增量调制器(continuously variable slope delta modulator，CVSD)的输出连续出现三个相 同的值，量化阶就加上一个大的增量，反之，就加一个小的增量。