PCM编码及语音压缩编码
第3章语音压缩编码1024
在语音信号的子带划分上，应考虑到各频段对主观听 觉贡献相等的原则做合理的分配，使低频段的子带宽度较 窄，高频段的子带宽度较宽。通常语音信号经带通滤波器 组滤波后分成4 ~ 6个子带，子带之间允许有小的间隙，如 图所示。
子带编码原理
• 在子带编码器的设计中，必须考虑子带数目、子带划分、
编码的参数、子带中的比特分配以及带宽等主要参数。
• 把发音看成是以语音速率传送，则语音编码的极 限速率为80bps
• 从数字化标准的编码速率64kbps，到极限速率 80bps之间的距离，压缩比可达64kbps/80bps=800
• 对于理论研究和实践有着极大的吸引力
压缩编码方法分类
• 波形编码
– 原理简单，失真小 – 数码率高
• 参数编码
– 数码率低 – 音质较差，复杂度高
反射系数
增益G
参数编码 c(n)
G
1
N
s 2 (i)
N i1
预加重：
• 提高语音谱中的高频共振峰，使语音频谱 较为平滑,从而提高谱参数估计的精确度
• 预加重滤波器的传递函数为利用短时平均幅度差函数（AMDF）计算
130
Fn (k) | xn (m) xn (m k) | m1
– 波形编码技术 – 参数编码技术
语音生成机构
• 声源：
– 声带
• 共鸣机构：
– 声道(鼻腔、口腔与舌头)
• 放射机构：
– 嘴唇或鼻孔
语音产生机理
• 浊音
– 气流通过声门时，声带的张力刚好使声带产生 张弛振荡式振动，产生一股准周期脉冲气流， 激励声道产生浊音
• 轻音
– 声带不振动，而在某处收缩，迫使气流高速通 过这一收缩部分产生湍流就产生清音
音视频编解码原理
音视频编解码原理
音视频编解码原理是指将音频和视频信号转化成数字信号的过程。
编码是将原始的音频、视频数据通过一种特定的算法转化为数字信号的过程，而解码是将数字信号重新还原为原始的音频、视频数据的过程。
在音频编解码原理中，常用的编码方式包括PCM编码、MP3编码、AAC编码等。
PCM编码是一种无损压缩的编码方式，它将模拟音频信号通过采样和量化的方式转化为数字信号。
MP3编码是一种有损压缩的编码方式，它通过对音频信号的频域信息进行压缩，从而减小文件的大小。
AAC编码是一种采用人类听觉模型的有损压缩编码方式，它在保持音频质量的同时，能够显著减小文件的大小。
在视频编解码原理中，常用的编码方式包括MPEG编码、H.264编码、H.265编码等。
MPEG编码是一种以压缩帧为基本单位的编码方式，它通过对连续帧之间的差异进行编码，实现对视频信号的压缩。
H.264编码是一种采用基于运动补偿的编码方式，它通过对运动部分和非运动部分的差异进行编码，从而实现对视频信号的压缩。
H.265编码是一种比H.264更高效的编码方式，它采用了更加先进的技术，能够在保持视频质量的同时，减小文件的大小。
在音视频编解码原理中，编码和解码是相互配合的过程。
编码将音频、视频信号转化为数字信号，减小了数据的体积；解码将数字信号还原为原始的音频、视频数据，恢复了信号的完整
性。
通过音视频编解码技术，可以实现音频、视频的高质量传输和存储，提升了音视频应用的效果和用户体验。
pcm编码实验报告思考题
实验报告：PCM编码1. 背景PCM（脉冲编码调制）是一种数字信号的编码方式，常用于语音、音频和视频的数字传输。
PCM编码通过将模拟信号离散化成一系列脉冲，将模拟信号转换为数字信号，以便于传输、存储和处理。
在PCM编码中，模拟信号的幅度被量化成一系列数字值，然后根据这些数字值构造一个脉冲序列。
PCM编码的主要目标是减小信号的传输和处理过程中的误差。
2. 分析2.1 PCM编码的原理PCM编码的原理是将连续的模拟信号离散化成一系列取值固定的数字，然后根据这些数字构造一个脉冲序列。
PCM编码的过程包括采样、量化和编码三个步骤。
•采样：将连续的模拟信号按照一定的时间间隔进行采样，得到若干个采样值。
•量化：将每个采样值近似地量化为离散的数字。
量化的精度决定了数字信号的质量，一般用位数来表示，例如8位、16位等。
•编码：将量化后的数字信号转换为脉冲序列，用于传输和存储。
2.2 PCM编码的优缺点PCM编码有以下优点： - 简单：PCM编码的原理和实现相对简单，容易实现和掌握。
- 无损压缩：PCM编码是一种无损压缩方式，可以精确地还原原始信号。
然而，PCM编码也存在一些缺点： - 数据量大：由于PCM编码是无损压缩的，所以编码后的数据量通常远大于原始模拟信号的数据量。
- 需要较高的带宽：PCM编码的数据传输需要较高的带宽，因为每个采样值都需要传输。
3. 结果分析3.1 PCM编码的实验步骤步骤1：采样设置采样频率和采样位数，按照一定的时间间隔对模拟信号进行采样，得到一系列采样值。
步骤2：量化将采样值量化为离散的数字，即将每个采样值近似地映射为最接近的数字值。
量化的精度决定了信号的质量。
步骤3：编码将量化后的数字信号转换为脉冲序列，用于传输和存储。
编码的方式可以有多种，例如使用脉冲模位调制（Pulse Code Modulation）、差分编码（Differential Coding）等。
3.2 PCM编码的实验结果PCM编码的实验结果主要取决于采样频率、采样位数和量化精度等参数的选择。
PCM(脉冲编码调制)介绍及PCM编码的原理 毕业论文---PCM量化13折线
PCM（脉冲编码调制）介绍及PCM编码的原理摘要在数字通信信道中传输的信号是数字信号，数字传输随着微电子技术和计算机技术的发展，其优越性日益明显，优点是抗干扰强、失真小、传输特性稳定、远距离中继噪声不积累、还可以有效编码、译码和保密编码来提高通信系统的有效性，可靠性和保密性。
另外，还可以存储，时间标度变换，复杂计算处理等。
而模拟信号数字化属信源编码范围，当然信源编码还包括并/串转换、加密和数据压缩。
这里重点讨论模拟信号数字化的基本方法——脉冲编码调制，而模拟信号数字化的过程（得到数字信号）一般分三步：抽样、量化和编码。
本文讲述了PCM（脉冲编码调制）的简单介绍，以及PCM编码的原理，并分别对PCM的各个过程，如基带抽样、带通抽样、13折线量化、PCM编码以及PCM 译码进行了详细的论述，并对各过程在MATLAB7.0上进行仿真，通过仿真结果，对语音信号的均匀量化以及非均匀量化进行比较，我们得出非均匀量化教均匀量化更加有优势。
关键词：脉冲编码调制抽样非均匀量化编码译码AbstractIn the digital communication channel signal is digital signal transmission, digital transmission with the microelectronics and computer technology, its advantages become increasingly evident, the advantage of strong anti-interference, distortion, transmission characteristics of stable, long-distance relay is not the accumulation of noise Can also be effective encoding, decoding and security codes to improve the effectiveness of communications systems, reliability and confidentiality.Digitized analog signal range of source coding is, of course, also include the source code and / serial conversion, encryption and data compression. This focus on the simulation of the basic methods of digital signals - pulse code modulation, while the analog signal the digital process (to get digital signals) generally three steps: sampling, quantization and coding.This paper describes the PCM (pulse code modulation) in a brief introduction, and the PCM coding theory, and were all on the PCM process, such as baseband sampling, bandpass sampling, 13 line quantization, PCM encoding and decoding PCM a detailed Are discussed and the process is simulated on MATLAB7.0, the simulation results, the uniformity of the speech signal quantification and comparison of non-uniform quantization, we have come to teach non-uniform quantization advantage of more than uniform quantizationKeywords：Pulse Code Modulation Sampling Non-uniform quantization Coding Decoding目录1 前言 (1)2 PCM原理 (2)2.1 引言 (2)2.2 抽样(Sampling) (3)2.2.1. 低通模拟信号的抽样定理 (3)2.2.2 抽样定理 (4)2.2.3. 带通模拟信号的抽样定理 (7)2.3 量化（Quantizing） (8)2.3.1 量化原理 (8)2.3.2均匀量化 (10)2.3.3 非均匀量化 (11)2.4 编码（Coding） (18)2.5 译码 (24)2.6 PCM处理过程的其他步骤 (26)2.7 PCM系统中噪声的影响 (27)3 算例分析 (29)3.1 无噪声干扰时PCM编码 (30)3.2 噪声干扰下的PCM编码 (36)结论 (42)致谢 (43)参考文献 (44)附录 (45)1 前言数字通信系统中信道中传输的是数字信号，数字传输随着微电子技术和计算机技术的发展，其优越性日益明显，优点是抗干扰强、失真小、传输特性稳定、远距离中继噪声不积累、还可以有效编码、译码和保密编码来提高通信系统的有效性，可靠性和保密性。
PCM编码
1、PCM编码PCM脉冲编码调制是Pulse Code Modulation 的缩写。
前面的文字我们提到了PCM^致的工作流程，我们不需要关心PCM最终编码采用的是什么计算方式，我们只需要知道PCMS码的音频流的优点和缺点就可以了。
PCM编码的最大的优点就是音质好，最大的缺点就是体积大。
我们常见的Audio CD就采用了PCM编码，一张光盘的容量只能容纳72分钟的音乐信息。
2、WAVE这是一种古老的音频文件格式，由微软开发。
WAV!—种文件格式，符合PIFF Resource Interchange File Format 规范。
所有的WAVfE有一个文件头，这个文件头音频流的编码参数。
WAV寸音频流的编码没有硬性规定，除了PCM之外，还有几乎所有支持ACM规范的编码都可以为WA啲音频流进行编码。
很多朋友没有这个概念，我们拿AVI做个示范，因为AVI和WAV在文件结构上是非常相似的，不过AVI 多了一个视频流而已。
我们接触到的AVI 有很多种，因此我们经常需要安装一些Decode才能观看一些AVI，我们接触到比较多的DivX 就是一种视频编码，AVI 可以采用DivX 编码来压缩视频流，当然也可以使用其他的编码压缩。
同样，WAVfc可以使用多种音频编码来压缩其音频流，不过我们常见的都是音频流被PCM编码处理的WAV但这不表示WAN只能使用PCM®码，MP3编码同样也可以运用在WAVK和AVI 一样，只要安装好了相应的Decode,就可以欣赏这些WAVT。
在Windows平台下，基于PCMS码的WAV是被支持得最好的音频格式，所有音频软件都能完美支持，由于本身可以达到较高的音质的要求，因此，WAV 也是音乐编辑创作的首选格式，适合保存音乐素材。
因此，基于PCM编码的WAV被乍为了一种中介的格式，常常使用在其他编码的相互转换之中，例如MP3 转换成WMA2、MP3编码MP3作为目前最为普及的音频压缩格式，为大家所大量接受，各种与MP3相关的软件产品层出不穷，而且更多的硬件产品也开始支持MP3我们能够买到的VCD/DVDS放机都很多都能够支持MP3还有更多的便携的MP3播放器等等，虽然几大音乐商极其反感这种开放的格式，但也无法阻止这种音频压缩的格式的生存与流传。
各种音频编码方式的对比
各种音频编码方式的对比内容简介：文章介绍了PCM编码、WMA编码、ADPCM编码、LPC编码、MP3编码、AAC编码、CELP编码等，包括优缺点对比和主要应用领域。
PCM编码(原始数字音频信号流)类型：Audio制定者：ITU-T所需频宽：1411.2 Kbps特性：音源信息完整，但冗余度过大优点：音源信息保存完整,音质好缺点：信息量大，体积大，冗余度过大应用领域：voip版税方式：Free备注：在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。
因此，PCM约定俗成了无损编码，因为PCM代表了数字音频中最佳的保真水准，并不意味着PCM就能够确保信号绝对保真，PCM也只能做到最大程度的无限接近。
要算一个PCM音频流的码率是一件很轻松的事情，采样率值×采样大小值×声道数bps。
一个采样率为44.1KHz，采样大小为16bit，双声道的PCM编码的WAV文件，它的数据速率则为44.1K×16×2 =1411.2Kbps。
我们常见的Audio CD就采用了PCM编码，一张光盘的容量只能容纳72分钟的音乐信息。
WMA(Windows Media Audio)类型：Audio制定者：微软公司所需频宽：320～112kbps（压缩10～12倍）特性：当Bitrate小于128K时，WMA几乎在同级别的所有有损编码格式中表现得最出色，但似乎128k是WMA一个槛，当Bitrate再往上提升时，不会有太多的音质改变。
优点：当Bitrate小于128K时，WMA最为出色且编码后得到的音频文件很小。
缺点：当Bitrate大于128K时，WMA音质损失过大。
WMA标准不开放，由微软掌握。
应用领域：voip版税方式：按个收取备注：WMA的全称是Windows Media Audio，它是微软公司推出的与MP3格式齐名的一种新的音频格式。
单片机能实现的 语音压缩算法
单片机能实现的语音压缩算法单片机是一种集成电路，具有微处理器、内存、输入输出接口等功能，常用于嵌入式系统中。
语音压缩算法是一种将语音信号进行压缩以减少存储空间或传输带宽的技术。
本文将介绍如何利用单片机实现一种简单的语音压缩算法。
在语音压缩中，最常用的算法之一是线性预测编码（LPC）算法。
LPC算法通过对语音信号进行预测，然后只存储预测误差，从而实现对语音信号的压缩。
在单片机中实现LPC算法，主要分为两个步骤：预测和编码。
我们需要对语音信号进行预测。
预测的目的是找到一个模型来描述语音信号的特征。
常用的预测模型是自回归模型，它假设当前的样本值可以由前面若干个样本值线性组合得到。
在单片机中，我们可以采用自相关函数的方法来估计自回归模型的参数。
自相关函数可以通过计算语音信号的样本序列与其自身的延迟序列之间的相关性来得到。
然后，我们可以利用这些参数来预测未来的样本值。
接下来，我们需要将预测误差进行编码。
编码的目的是将预测误差的信息用更少的比特数进行表示。
在单片机中，常用的编码方法是脉冲编码调制（PCM）和差分脉冲编码调制（DPCM）。
PCM将每个样本值转换为一个固定长度的比特序列，从而实现对预测误差的编码。
DPCM则是将每个样本值与前一个样本值的差值进行编码，从而利用差值的较小范围来减少编码所需的比特数。
除了LPC算法，还有其他一些语音压缩算法可以在单片机中实现。
例如，自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）算法通过动态调整差分量化器的特征参数来适应不同的语音信号，从而提高编码效率。
另外，短时傅里叶变换（STFT）算法可以将语音信号从时域转换到频域，并利用频域的稀疏性进行压缩。
利用单片机可以实现多种语音压缩算法，其中LPC算法是最常用的一种。
通过预测和编码两个步骤，我们可以将语音信号进行有效地压缩，从而节省存储空间或传输带宽。
未来，随着单片机技术的发展，我们可以期待更多高效的语音压缩算法在单片机中实现，进一步提高语音通信的效率和质量。
脉冲编码调制PCM
2.3 脉冲编码调制（PCM）
PCM调制系统
1
信号的压缩与扩张
2
PCM编码器和译码器
3
PCM系统的噪声性能
4
差分脉冲编码调制
5
PCM编码器和译码器
编码器 译码器 PCM编码和译码器集成电路
码位的选择和安排
13折线编码采用8位二进制码，对应256个量化级，即正、负输入幅度范围内各有128个量化级 需要将13折线中的每个折线段再均匀划分16个量化级 正、负输入的8个段落被划分成128个不均匀量化级 8位码的安排
脉冲编码调制系统
30/32PCM端机每帧共有32个时隙，传30路数字话音信号和2时隙的勤务信息。 30/32PCM端机输出的信号称为一次群信号。实际应用中，还可将多个一次群进行准同步复接（PDH）：即四个基群 （一次群）复接组成二次群，四个二次群组成三次群，四个三次群组成四次群，四个四次群组成五次群，或进行同步复接（SDH）。
脉冲编码调制系统
以30/32PCM端机为例，介绍PCM的系统组成 话音信号的抽样频率为8000Hz，抽样的间隔时间Ts＝1/fs＝125s 为了时分复用将125 s分为32个时隙，即每个时隙为125 s /32＝3.9 s 每个抽样脉冲用8bit编码，即8位二进制脉冲作一个码组，一次放入各个时隙。 为保证通信的正常进行，每帧的起始时刻由帧定时信号决定，收端也应有相应的帧定时信号，收发两端的帧定时信号必须同频同相，即实现帧同步。
目前用得较多
逐次比较编码器原理框图
全波整流
参考电源
PAM信号
US
|US|
UR
极性判决
D1
比较码 形成
或 门
a2-a8
a1
PCM 编码输出
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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。
在信源编码中常用的二进制码型有三种：自然二进制码、 折叠二进制码和反射二进制码（又称格雷码）。 （1）自然二进码 （2）折叠二进码 （3）格雷二进码
图3.16 段落码编码流程图
（3）编段内码（ M 5M 6M 7M 8 ）
当段落码确定后，则该量化段的起始电平 I Bi 与该量化段的量 化间隔 i 则确定了。各权值信号用下面表达式确定。
Iw 5 I Bi 8i
Iw 6 I Bi 8i M 5 4i Iw 7 I Bi 8i M 5 4iC 6 2i Iw 8 I Bi 8i M 5 4iC 6 2iC 7 i
（3）码位数越多，设备越复杂，同时还会使总的传输码率相 应地增加，传输带宽加大。
语音通信中，通常采用8位的PCM编码就能够得到满意的通 信质量。
2.PCM码位安排
段落序号
8 7 6 5 4 3 2 1
量化间隔序号
15 14 13 12 11 10 9 8
段落范围
表3-4 段落码 段落码
1024－2048
3.5 语音压缩编码
3.5.1 自适应差分脉冲编码调制
1.差分脉冲编码调制概念 差分脉冲编码调制DPCM（Differential Pulse Code
Modulation）是利用样本与样本之间存在的信息冗余度（预 测样值与当前样值之差）来代替样值本身进行编码的一种数 据压缩技术。
图3.19 DPCM系统原理框图
再进行四次比较，即可编出段内码，其比较方法如下：
若 Is Iw5
若 Is Iw6 若 Is Iw7 若 Is Iw8
，C 5 1 ；否则，C 5 0 ，C 6 1 ；否则，C 6 0 ，C 7 1 ；否则， C 7 0 ，C 8 1 ；否则， C 8 0
位时钟脉冲
D1 抽样值 PAM
对应段内码取值为1，否则取值为0。第一次，比较权值IW ＝ 128 ，第二次比较权值512 （当 M 2 1 时）或32（当 M 2 0 时），第三次比较权值是1024 （当M 2 1,M 3 1时）， 或256 （当M 2 1,M 3 0 时），或64 （当M 2 0,M 3 1 时）， 或16 （当M 2 0,M 3 0 时）。其判决流程如图3.16所示。
PCM样本
+
-
预测PCM样本
预测器
差分量化器
量化阶调整 +
逆量化器 +
图3.21 ADPCM原理框图
ADPCM “差值”
3.5.2 增量调制（M）
1.增量调制基本概念
（a）编码器
（b）解码器
图3.22 增量调制原理
框图
增量调制与PCM比较有如下特点：
（1）增量调制一般采用的数据率为32kbit/s或16kbit/s，在比 特率较低（数据率低于40kbit/s）时，增量调制的量化信噪比 高于PCM；
段内码
0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000
3.4.3 逐次反馈比较型编
3.4.3 逐次反馈比较型编
逐次比较型编码器的任务是根据输入的样值脉冲编出相应 的8位二进制代码。除第一位极性码外，其他7位二进制代码 是通过逐次比较方法予以确定的。采用上述办法进行编码的 编码器就是PCM通信中常用的逐次比较型编码器。
PCM编码过程分三步进行，假设权值信号用 IW 来表示， 样值信号用 I s 来表示。 （1）编极性码（M 1） 样值信号I s 与0比较， I s 0 ，则 M 1 1 ，若 Is 0 则 Is 0 。
（2）编段内码（ M 2M 3M 4 ） 三位段内码，需要进行三次比较，大于等于比较权值时，
（2）增量调制抗误码性能好
（3）增量调制通常采用单纯的比较器和积分器作编译码器 （预测器），结构比PCM简单。
2.增量调制编码
图3.23 增量编码波形示意图
极性判决 整流
C1
保持
D2 D3
D8
…
Is IW 比较判决
+ C2～C8
PCM码流
恒流源
… …
B1
B2 7/11 变
B11
换
C2
C3 记
忆
C8
本地
译码器
图3.17 逐次比较型编码器原理图
极性判决电路用来确定信号的极性。 由于输入PAM信号 是双极性信号，当其样值为正时，在位脉冲到来时刻出“1”码； 当样值为负时，出“0”码。同时将该双极性信号经过全波整流 变为单极性信号。