语音压缩编码
语音的压缩编码
长途电话 (8 KHz x 8 bit x 1), 时分多路复用TDM (time-division multiplexing)
应用于全频带数字声音的表示/存储:
CD-DA（CD唱片），DAT (44.1 KHz x 16 bit x 2)
原理： 声音信号具有很强的相关性，可从已知信号来预测未知信号, 即使用前面的样本预测当前的样本，实际样本值与预测值之间的误差往往很小。 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， 效果：量化位数可以显著减少，从而降低了总的码率。
+
预测值
差值
重建信号
DPCM
编码输出
CCITT G.721 ADPCM编码器
A
量化阶适配器
自适应
( 4 位 )
6阶自适应线性预测， 4位的自适应量化器， 输出码率： 8k x 4 = 32 kbps
ADPCM 小结
PCM话音质量 4.5级 ADPCM话音质量 4.34级,码率降低一倍(32 kbps)。 ADPCM应用： 数字语音通信 多媒体应用中的语音（解说词）
ADPCM自适应差分脉冲编码调制 (Adaptive Differential PCM)
增量调制(DM)
差分脉冲编码调制 DPCM
实际样本值
利用样本与样本之间存在的相关性进行编码，即根据前面的样本估算当前样本的大小，然后对预测误差进行量化编码。
差值
线性预测公式： Xn = A1*Xn-1 + A2*Xn-2 + ... + Am*Xn-m
举例
根据输入样本幅度的大小来改变量化阶大小。 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。
音频压缩编码原理及标准.
声音压缩编码的声学原理
声音信号的频率范围？ 20Hz-20KHz
声音频谱的特点: 高频段快速下降，高幅值大部分集中在中频段，有的延 伸到低频段
电平分布特点： 声音信号的电平存在冗余
声音压缩编码的声学原理
掩蔽效应
一个较弱的声音（被掩蔽音）的听觉感受被 另一个较强的声音（掩蔽音）影响
掩蔽量
时频变化的方法：离散余弦变换DCT 、改进的离 散余弦变换MDCT
离散余弦变换（DCT）
时频变换（DFT）
逆变换
变换时将PCM样值分为N长的一块块进行变换 块长：一块中包含的样本数N 窗长：N ×（1/Fs） 频率分辨率：Fs/N 频率轴上的所能得到的最小频率间隔 块越长，变化编码的频率分辨率越高，但损失了时域分辨率
MPEG-1 层1原理方框图
MPEG-1 层1 1、子带分析滤波器组
将宽频带信号分割成32个子带信号 子带为等宽的均匀划分
2、标定
将每个子带中12个采样值归并成一个块 找出12个采样值中绝对值最大的样本值 根据其值的大小确定比例因子（查表得到，大于该绝对值 的一系列值中的最小值定为比例因子） 将12个采样值用比例因子归一化（标定）
可预先定义压缩后的数码率
编码后的数据流支持循环冗余校验 支持数据流中载带附加信息
MPEG-1 音频压缩编码的基本原理
MPEG-1音频压缩的基础是量化
MPEG-1使用感知音频编码来达到压缩音频数据又尽可能 保证音质的目的。
感知音频编码的理论依据是听觉系统的掩蔽特性。基本 思想是在编码过程中，保留有用的信息而丢掉被掩蔽的 信号。
MPEG-1 层2
、
SCPSI 比例因子选择信息
为了降低传送比例因子的码率，信号平稳变化时，只传 送其中1个或2个较大的比例因子；对于瞬态变化的信号 ，3个比例因子都传递。 00 传送所有的3个比例因子 01 传送第1和第3个比例因子 10 传送一个比例因子 11 传送第1和第2个比例因子
语音编码技术的分类
语音编码技术的分类语音编码技术是将语音信号经过压缩、编码处理后转化为数字数据的技术，广泛应用于语音通信、语音识别、语音合成等领域。
根据不同的实现方式和压缩算法，可以将语音编码技术分为以下几个分类。
首先是有损压缩编码技术，这种技术通过牺牲一定的语音质量来达到较高的压缩比。
最典型的有损压缩算法是线性预测编码（LPC）和线性预测编码（LPC）特征序列编码。
LPC通过分析语音信号的谐波结构和共振峰来捕捉语音的重要信息，然后利用这些信息对语音进行重建。
而LPC通过分析语音信号的自相关性和频谱平滑性来获得语音的预测系数，从而实现对语音信号的压缩。
其次是无损压缩编码技术，这种技术通过保留原始语音信号的全部信息来实现压缩。
无损压缩编码技术对于一些对音质有较高要求的应用场景非常重要，比如语音识别和语音合成。
最常见的无损编码算法是自适应差分编码（ADPCM）和矢量量化编码（VQ）。
ADPCM通过预测当前语音样本和前一样本之间的差值，并将该差值保存为编码结果，以实现高压缩比。
第三是混合压缩编码技术，也称为变速压缩编码技术。
这种技术通过对不同部分使用不同的压缩算法来实现。
最常见的变速编码算法是多速率编码（MRC）和多步骤编码（MSC）。
MRC通过对语音信号的不同频段采用不同的压缩算法，对于高频部分使用有损压缩算法进行压缩，对于低频部分使用无损压缩算法进行压缩，从而实现更高的压缩比。
MSC对语音信号进行多次压缩，每次压缩只保留重要的信息，通过多次压缩后，达到较高的压缩比。
总的来说，语音编码技术的分类包括有损压缩编码技术、无损压缩编码技术和混合压缩编码技术。
不同的技术分类适用于不同的应用场景，在实际应用中需要根据具体需求权衡语音质量和压缩比，选择合适的编码技术。
对于语音通信等实时场景，需要保证较高的语音质量，可以选择无损压缩编码技术；而对于语音识别和语音合成等需要高压缩比的应用场景，可以选择有损压缩编码技术。
混合压缩编码技术则提供了在不同部分使用不同压缩算法的灵活性，适用于更细粒度的应用需求。
语音压缩编码与图像压缩编码
语音压缩编码与图像压缩编码语音压缩编码语音压缩编码可分为三类：波形编码、参量编码和混合编码。
这些都属于有损压缩编码。
1．波形编码（1）波形编码的定义波形编码是指对利用调制信号的波形对语音信号进行调制编码的方式。
（2）波形编码的性能要求保持语音波形不变，或使波形失真尽量小。
2．语音参量编码（1）语音参量编码的定义语音参量编码是将语音的主要参量提取出来编码的方式。
（2）语音参量编码的基本原理首先分析语音的短时频谱特性，提取出语音的频谱参量，然后再用这些参量合成语音波形。
（3）语音参量编码的性能要求保持语音的可懂度和清晰度尽量高。
3．混合编码（1）混合编码的定义混合编码是既采用了语音参量又包括了部分语音波形信息的编码方式。
（2）混合编码的基本原理混合编码除了采用时变线性滤波器作为核心外，还在激励源中加入了语音波形的某种信息，从而改进其合成语音的质量。
（3）混合编码的性能要求保持语音的可懂度和清晰度尽量高。
图像压缩编码图像压缩按照图像是否有失真，可分为有损压缩和无损压缩；按照静止图像和动态图像，又可分为静止图像压缩和动态图像压缩。
1．静止图像压缩编码的特点（1）静止数字图像信号是由二维的许多像素构成的；（2）在各邻近像素之间都有相关性；（3）所以可以用差分编码（DPCM）或其他预测方法，仅传输预测误差从而压缩数据率。
2．动态图像压缩编码的特点（1）动态数字图像是由许多帧静止图像构成的，可看成是三维的图像；（2）在邻近帧的像素之间有相关性；（3）动态图像的压缩可看作是在静止图像压缩基础上再设法减小邻近帧之间的相关性。
PCM编码及语音压缩编码
2.自适应编码概念 自适应脉冲编码调制（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。 （1）预测自适应和量化自适应 （2）前向自适应与后向自适应
（a）前向自适应
（b）后向自适应
3.自适应差分脉冲编码调制概念
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。
3.4.2 码位安排
1.码位数的选择
码字位数的选择具有以下特点：
（1）码字位数的多少，决定了量化分层（量化级）的多少。 且码位数由量化级数确定，语音通信PCM中，国际上采用的 码位数是8位，则量化电平分层数 M = 28 = 256。
（2）码位数越多，量化分层越细，量化误差就越小，通信质 量当然就更好。
111
512－1024
110
256－512
101
128－512
100
64－12801132－Fra bibliotek4010
16－32
001
0－16
000
段内码
1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000
表3-5 段内码
量化间隔序号
7 6 5 4 3 2 1 0
量化间隔
64 32 16 8 4 2 1 1
3.4.1 编码码型
3.4.1 编码码型
码型是指按一定规律所编出的所有码字的集合，码字是由 多位二进制码构成的组合，它确定了编码的位数。码型的实 质是代码的编码规律，即把量化后的所有量化级，按其量化 电平的大小次序排列起来，并列出各对应的码字。
sip 语音编码标准
sip 语音编码标准
SIP（Session Initiation Protocol）是一种用于建立、修改和终止多媒体会话的协议，它不直接处理语音编码。
SIP通过使用各种媒体传输协议（如RTP）来传输音频、视频等媒体流，而这些协议支持多种语音编码标准。
在音频传输方面，常见的语音编码标准包括：
1. PCM（Pulse Code Modulation）：这是最基本的数字音频编码格式，
也称为线性PCM。
它以原始的模拟音频信号采样，每个样本以8位或16
位表示，采样率可以从32kHz到96kHz。
2. ：这是ITU-T制定的一种简单的音频压缩标准，用于电话通信。
它包括
两种压缩算法：μ-law和A-law，可以将一个样点的8位PCM信号压缩到
4位或5位。
3. ：这是一种更高效的语音压缩标准，主要用于VoIP和无线通信。
它可以将语音信号压缩到8kbit/s左右，同时保持良好的语音质量。
4. AMR（Adaptive Multi-Rate）：这是一种用于移动通信的语音压缩标准，可以根据不同的信道条件自适应地选择不同的编码速率。
5. EVRC（Enhanced Variable Rate Codec）：这是一种用于CDMA网络的语音压缩标准，可以在/s到/s的范围内自适应地选择编码速率。
这些语音编码标准都可以在SIP协议中使用，具体使用哪种标准取决于实际的应用场景和网络条件。
opus编码压缩方式
大小，并保持高质量的音频输出。
Opus编码采用了一系列先进的算法和技术，具有出色的性能和广泛的应用范围。
本文将详细介绍Opus编码的原理、特点以及它在音频领域中的应用。
一、Opus编码的原理1.1 声音信号模型Opus编码基于声音信号模型进行压缩。
声音信号可以看作是时间上连续的音频样本序列，每个样本表示声音的幅度。
Opus编码通过分析声音信号的频谱、时间相关性和人耳感知特性，选取合适的信号表示方式，从而实现高效的压缩。
1.2 语音编码器和音乐编码器Opus编码器根据输入声音信号的类型，分为语音编码器和音乐编码器两种模式。
语音编码器适用于人类语音的压缩，而音乐编码器则适用于音乐和其他非语音信号的压缩。
这两种编码器为不同类型的声音信号提供了优化的压缩算法。
1.3 预处理和分析在进行编码之前，Opus编码器对输入信号进行预处理和分析。
预处理包括声音信号的预加重处理、音量归一化等，以提高编码的质量和稳定性。
分析阶段则通过对声音信号的频谱、频带能量和时间相关性进行分析，为后续的编码过程提供依据。
1.4 频域分解和控制信号Opus编码器将声音信号转换为频域表示，采用离散傅里叶变换（DFT）将时域信号转换为频域信号。
同时，控制信号也被引入到编码过程中，用于调整编码器的参数和模型，以优化压缩效果。
1.5 量化和编码在频域表示的基础上，Opus编码器进行信号的量化。
量化是指将连续的频域样本映射为离散的量化符号，从而减小数据的表示空间。
量化过程中，编码器根据预设的量化精度和量化表，将频域样本映射为最接近的离散数值。
1.6 熵编码和解码经过量化后的信号被传输到熵编码器，将离散的量化符号映射为二进制码流。
熵编码器利用各种统计方法和算法，根据信号的概率分布进行编码，以实现高效的数据压缩。
解码过程中，熵解码器将二进制码流还原为量化符号，进而还原为频域样本。
1.7 重构和后处理解码器通过逆向的过程将量化符号还原为频域样本，再经过逆离散傅里叶变换（IDFT）将频域信号转换为时域信号。
语音压缩编码技术
语音压缩编码技术上传时间:2004-12-22随着通信、计算机网络等技术的飞速发展，语音压缩编码技术得到了快速发展和广泛应用，尤其是最近20年，语音压缩编码技术在移动通信、卫星通信、多媒体技术以及IP电话通信中得到普遍应用，起着举足轻重的作用。
语音压缩编码技术的类别语音编码就是将模拟语音信号数字化，数字化之后可以作为数字信号传输、存储或处理，可以充分利用数字信号处理的各种技术。
为了减小存储空间或降低传输比特率节省带宽，还需要对数字化之后的语音信号进行压缩编码，这就是语音压缩编码技术。
语音的压缩编码方法归纳起来可以分为三大类：波形编码、参数编码和混合编码。
波形编码比较简单，失真最小，方法简单，但数码率比较高。
参数编码的编码速率可以很低，但音质较差，只能达到合成语音质量，其次是复杂度高。
混合编码吸收了波形编码和参数编码的优点，从而在较低的比特率上获得较高的语音质量，当前受到人们较大的关注。
语音压缩编码技术的发展自从1937年A.H.Reeves提出脉冲编码调制(PCM)以来，语音编码技术已有60余年的发展历史。
尤其近20年随着计算机和微电子技术的发展语音编码技术得到飞速发展。
CCITT于1972年确定64kb/sPCM语音编码G.711建议，它已广泛的应用于数字通信、数字交换机等领域，至今，64kb/s的标准PCM系统仍占统治地位。
这种编码方法可以获得较好的语音质量但占用带宽较多，在带宽资源有限的情况下不宜采用。
CCITT于80年代初着手研究低于64kb/s的非PCM编码算法，并于1984年通过了32kb/sADPCM语音编码G.721建议，它不仅可以达到PCM相同的语音质量而且具有更优良的抗误码性能，广泛应用于卫星，海缆及数字语音插空设备以及可变速率编码器中。
随后，于1992年公布16kb/s低延迟码激励线性预测（LD-CELP）的G.728建议。
它以其较小的延迟、较低的速率、较高的性能在实际中得到广泛的应用，例如：可视电话伴音、无绳电话机、单路单载波卫星和海事卫星通信、数字插空设备、存储和转发系统、语音信息录音、数字移动无线系统、分组化语音等。
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内容
一、引言 二、数字语音的波形编码 三、数字语音的参数编码 四、数字语音的混合编码
17.11.2020
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2
一、引 言
数字语音压缩编码的必要性
码率 = 取样频率 x 量化位数 x 通道数目
例: 电话语音 =8k x 8b x 1 = 64kbps =8kB/s=28MB/h
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
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1. CCITT G.711 (脉冲编码调制)
Pulse Code Modulation (PCM) of Voice Frequency
应用于全频带数字声音的表示/存储: CD-DA（CD唱片），DAT (44.1 KHz x 16 bit x 2)
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14
2. ADPCM自适应差分脉冲编码调制 (Adaptive Differential PCM)
➢ 原理： 1. 声音信号具有很强的相关性，可从已知信号来预测未知 信号, 即使用前面的样本预测当前的样本，实际样本值 与预测值之间的误差往往很小。 2. 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，
混合编码(Hybrid compression) 示例 : CELP
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7
三类语音编码器性能比较
• 波形编译码器
(waveform codecs)
• 参数编译码器
语音质量 优 良 中
混合编码
波形编码
(source codecs)
• 混合编译码器
(hybrid codecs)
差
坏
1 极2 低
模型编码（源编码）
4
8 16 32 64
低
中
码率(kb/s)
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二、数字语音的波形编码
波形编译码器
➢ 算法比较简单，容易实现，低延迟，
➢ 压缩效率不高，数据速率在16 kbps以上，
➢ 声音质量相当好，
➢ 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：
F(n): PCM码(1+7位)
000WXYZ 001WXYZ 010WXYZ 011WXYZ 100WXYZ 101WXYZ
110WXYZ 111WXYZ
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PCM 的应用
应用于数字声音的编辑处理（多媒体计算机） 应用于声音的传输（通信）:
长途电话 (8 KHz x 8 bit x 1), 时分多路复用TDM (time-division multiplexing)
预 测 值
DPCM 编码输出
重建
线性预测器
信号 +
逆Xn-1 + A2*Xn-2 + ... + Am*Xn-m
( m阶线性预测，A1, A2, ... , Am可自动修正
。)
17.11.2020
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举例
E
量化结果
－255～－240 －239～－224
编码过程：
码率＝104 kbps
低通滤波
Xa(t)
(LPF)
取样
A/D
对数变换
(8kHz) X(n) (13位) x(n) (压缩编码)
F(n)
•分析：
•方法简单，易实时处理， •语音质量好， •压缩效率不高，码率为64kbps。
码率＝ 8位 x 8k ＝64 kbps
17.11.2020
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: －31～－16
－15～0 1～16 17～32
: 225～240 241～255
－248 －232
: －24 －8
8 24 : 232 248
17.11.2020
130，150，140，200，230
f’ ＝ 130, 130, 142, 144,
波形编码 (Perception model-based compression) 优点 : 通用、音频质量较高 缺点 : 很难获得较大的压缩比 示例 : PCM, ADPCM, SBC
参数编码,源编码 (Production model-based compression) 优点: 压缩比较大 缺点: 信号源必须已知 示例: LPC
➢ 效果：量化位数可以显著减少，从而降低了总的码率。
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15
增量调制(DM)
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16
差分脉冲编码调制 DPCM
实际样本值
• 利用样本与样本之间 存在的相关性进行编 码，即根据前面的样 本估算当前样本的大 小，然后对预测误差 进行量化编码。
差
_值
量化器 Q
对数字语音进行数据压缩的目的:
提高通信/存储效率 降低通信/存储成本
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4
数字语音压缩编码的可能性
声音信号中包含有大量的冗余信息 邻近样本之间有很大的相关性 周期之间的相关性 基音之间的相关性 长时（几十秒）自相关性 话音间歇（静音）
可以利用人的听觉感知特性进行压缩, 可以利用语音信号的生成机理进行数据压缩。
17.11.2020
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5
对语音数据压缩的要求
码率低（bitrate） 质量高（quality ： excellent, good, fair ) 延时短（time delay） < 25ms 成本合理（cost effective）
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6
语音压缩编码方法分类
A律 / u律
A/D(13位)
x(n)
压缩编码
8位 x 8kHz F(n)
x(n): 线性码(1+12位)
0000000WXYZa 0000001WXYZa 000001WXYZab 00001WXYZabc 0001WXYZabcd 001WXYZabcde 01WXYZabcdef 1WXYZabcdefg
11
对数变换 F=ln(x)
目的 : 适应听觉的非线性 特性；压缩数据。
• 北美和日本等地区 （ μ律压扩算法）
• 欧洲和中国大陆 等地区
（ A律压扩算法）
17.11.2020
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当 0 =< |x| =< 1/A 当 1/A < |x| =< 1
12
压扩算法的实现
Xa(t)
取样(8kHz)