PCM编码详解

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。
ADPCM


该算法较简单，通过查表简化了运算。 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。
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。
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。 自适应预测：
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。
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
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
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。
例如， Microsoft 的ADPCM采 用二预测参数，提供7 组预测系数，如右表 所示。编码时，根据 选定的准则(如最小均 方误差准则)，每个编 码区间自动地选取一 组最佳的参数。
系数集 系数1
0 1 2 3 256 512 0 192
系数2
0 -256 0 64
4
5 6
240
460 392
0
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。
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)
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， 除此之外，这类信号也没有像话音信号那种音 节特性，因而也不能采用像音节压扩那样的方 法，只能采用瞬时压扩的方法。 但瞬时压扩实现起来比较困难，因此，对于这 类瞬时斜率比较大的信号，通常采用一种综合 了增量调制和脉冲编码调制两者特点的调制方 法进行编码，这种编码方式被简称为脉码增量 调制，或称差值脉码调制，用DPCM表示。

差分脉码调制（DPCM） 自适应差分脉码调制（ADPCM）
DPCM



DPCM编码,简称差值编码，是对模拟信号幅度 抽样的差值进行量化编码的调制方式(抽样差 值的含义请参见“增量调制”)。 原始的模拟信号经过时间采样，然后对每一样 值进行量化，作为数字信号传输。 这种方式是用已经过去的抽样值来预测当前的 抽样值，对它们的差值进行编码。差值编码可 以提高编码频率，这种技术已应用于模拟信号 的数字通信之中。

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。


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往往又得不到好的性能。为 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
ADPCM

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查表方法， 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。
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
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
预测编码

预测编码(Prediction Coding)：是指利用 前面的一个或多个信号对下一个信号进 行预测，然后对实际值和预测值的差进 行编码。两种典型的预测编码：
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。
DPCM



这种调制方式的主要特点是把增量值分为个等 级，然后把个不同等级的增量值编为位二进制 代码( )再送到信道传输，因此，它兼有增量调 制和PCM的各自特点。 设这个误差电压经过量化后变为个电平中的一 个，电平间隔可以相等，也可以不等，这里认 为它是间隔相等的均匀量化。 量化了的误差电压经过脉冲调制器变为PAM脉 冲序列，这个PAM信号一方面经过PAM编码器 编码后得到DPCM信号发送出去。另一方面把 它经过积分器后变为与输入信号x(t)进行比较， 通过相减器得到误差电压e(t)。
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自适应量化：根据信号分布不均匀的特点，系统具有 随输入信号的变化而改变量化区间大小, 以保持输入给 量化器的信号基本均匀的能力，这种能力称为自适应 量化。

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 Subband Examples :良 PCM, ADPCM, 波形编码
DPCM



实验表明，经过DPCM调制后的信号， 其传输的比特率要比PCM的低，相应要 求的系统传输带宽也大大地减小了。 此外，在相同比特速率条件下，DPCM比 PCM信噪比也有很大的改善。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系统。 DPCM的缺点是易受到传输线路上噪声 的干扰，在抑制信道噪声方面不如ΔM。


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。