音频的数字化与语音编码
移动通信第四版第7章语音编码技术
第7章 语音编码技术
以汉语发音为例来对语音波形图加以说明：
– 从波形图上可以区分以下几类发音： – 无声段和幅度较小的随机噪声段：特点是波形
幅度明显小于发音段，波形无规则 – 爆破音：特点是时长很短，仅有一两个脉冲，
幅度大于无声段，一般处于辅音前； – 辅音：b,d,g,p,t,k,s,sh,x,h,f,z,zh,j,c,ch,q,m,n,l,r 等，
? 数字语音信号处理中，通常采取短时分析技术。
带限
时变
准平稳
准周期
第7章 语音编码技术
补充：什么是和弦 ？
? 手机的和弦数目等于midi格式中的音轨数，但是手机的每个 音轨都是单音音轨，这是与我们在电脑上常常听的midi的最 大的区别，也是和弦数目对铃声效果影响的由来。
? 和弦是按照一定的音程关系结合起来的三个或三个以上同时 或先后发音，叫做“和弦”。传统和声以三度叠作为和弦构 成的原则。通常是同时发音。当你在钢琴上同时按1，3，5 时所发的音，是一个以1为根音的大三和弦。和弦的好处是 声音丰满动听，富有表现力。大三和弦听起来十分响亮，而 小三和弦则委婉动听。
第7章 语音编码技术
? 语音编码属于信源编码 , 是指利用话音信号及人 的听觉特性上的冗余性 , 在将冗余性进行压缩 (信 息压缩 )的同时 , 将模拟话音信号转变为数字信号 的过程。语音编码是从模拟系统到数字系统至关 重要的一步。语音编码的目的是在保证一定的算 法复杂度和通信时延的前提下 , 占用尽可能少的 信道容量, 传输尽可能高质量的话音信号。
波形编辑方式；参数编辑方式；按规则合成方式。
第7章 语音编码技术
语音编码分类
波形编码
根据编码器的实现机理，分成三大类
参量编码
5g通信的语音编码标准
5g通信的语音编码标准在5G通信系统中，语音编码技术是实现高效、可靠和低延迟语音传输的关键。
以下是关于5G通信的语音编码标准的主要内容：1. 音频编解码器标准在5G通信中，音频编解码器（Audio Coder）标准是实现语音信号的压缩和编码的核心技术。
目前，3GPP组织正在制定新一代的音频编解码器标准，称为3 (Low Complexity Communication Efficient Coding)。
该标准旨在提供低复杂度、高通信效率的音频编码方案，以适应5G通信的高速率、大带宽和低延迟的需求。
2. 语音传输协议标准5G通信系统需要提供低延迟、高可靠性的语音传输协议。
为了实现这一目标，一些新兴的语音传输协议正在被开发和应用。
其中最具代表性的两种技术是VoNR (Voice over New Radio)和VoLTE (Voice over LTE)。
这两种技术都旨在提供高效的语音传输方案，同时保证低延迟和高可靠性。
VoNR是一种基于5G NR（新无线电）技术的语音传输协议。
它利用5G的高速率和低延迟特性，实现在移动通信网络中传输语音和视频信号。
VoNR可以提供比传统VoLTE技术更高的频谱效率和更低的传输延迟，从而提供更好的语音通话体验。
VoLTE是一种基于LTE技术的语音传输协议。
它利用LTE的高速率和低延迟特性，实现在移动通信网络中传输语音信号。
VoLTE可以提供与VoNR相似的语音质量和低延迟性能，但需要在LTE网络中进行优化和部署。
3. 语音质量评估和测量标准为了确保5G通信中的语音质量，需要制定相应的语音质量评估和测量标准。
这些标准应该能够评估各种语音编码器和传输协议的性能，以确保它们能够提供高质量的语音传输。
例如，主观音质评估（Subjective音质Evaluation）和客观音质评估（Objective音质Evaluation）是两种常用的语音质量评估方法。
主观音质评估是通过人的听觉感受来评估音质的好坏，客观音质评估则是通过测量信号的客观指标如失真度、噪声水平等来评估音质。
03 数字声音及MPEG声音
2.3 语音编码
音频子带的树型结构划分 正交镜象滤波器(quandrature mirror filter，QMF)
2.3 语音编码
SB-ADPCM(子带-自适应差分脉冲编码调制) （G.722标准）
用正交镜象滤波器(QMF)把频带分割成两个等带宽 的子带，分别是高频子带和低频子带。在每个子 带中的信号都用ADPCM进行编码 对高子带分配2位表示每个样本值，而低子带分配 6位。因为64 kb/s的G.722标准主要还是针对宽带 话音，其次才是音乐
1.
2.
PCM在通信中的应用 频分多路复用（frequency-division multiplexing，FDM ） 时分多路复用(time-division multiplexing， TDM)
1.
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。
2.3 语音编码
2.3 语音编码
子带编码的好处：
对每个子带信号分别进行自适应控制，量化 阶(quantization step)的大小可以按照每个 子带的能量电平加以调节。具有较高能量电 平的子带用大的量化阶去量化，以减少总的 量化噪声 可根据每个子带信号在感觉上的重要性，对 每个子带分配不同的位数，用来表示每个样 本值。
00H 04H 08H
字节 数 4 4 4
数据 类型 char Long int char
《第4课 声音编码》教学设计教学反思
《声音编码》教学设计方案（第一课时）一、教学目标1. 知识与技能：了解声音的基本观点，理解声音的数字化过程，掌握声音的编码方式。
2. 过程与方法：通过实际操作，掌握如何将声音文件进行编码处理。
3. 情感态度与价值观：培养学生对信息技术学科的兴趣，增强学生对于声音数字化技术的认识。
二、教学重难点1. 教学重点：掌握声音的编码方式，理解声音的数字化过程，能够进行简单的声音编码操作。
2. 教学难点：如何将生活中的声音进行编码处理，如何理解声音的数字化原理。
三、教学准备1. 硬件设备：计算机、耳机、麦克风、声卡等。
2. 软件环境：安装有录音软件、音频编辑软件、多媒体播放器等。
3. 素材：准备一些生活中的声音文件（如鸟叫声、水流声等），以及一些音乐和语音文件。
4. 教室互动工具：用于学生参与教室讨论和提问。
四、教学过程：（一）导入新课1. 同砚们，你们喜欢听故事吗？那老师就给大家讲一个有趣的故事吧！（播放故事音频）2. 听完故事，大家有什么想说的吗？3. 对，故事中的人物和情节我们听得清清楚楚，但是，如果故事需要我们拿着放大器去听，那会怎么样呢？这就是我们今天要学习的内容——声音编码。
（二）探究新知1. 认识声音文件（1）播放一段杂音较多的声音文件，请学生尝试修复。
（2）学生讨论、交流。
（3）教师介绍声音文件的基本知识，包括：声音文件需要数字化、压缩编码、存储格式等。
2. 学习声音编码（1）教师介绍声音编码的基本观点和作用。
（2）通过实例讲解不同编码方式的特点和适用途景。
（3）介绍常见的声音编码格式及其特点。
（三）实践操作1. 小组合作，尝试应用不同的声音编码格式保存音频文件。
2. 将保存好的音频文件发给教师或上传到班级学习平台，由教师评判、反馈。
3. 根据教师的反馈，小组内讨论、交流，总结经验教训。
（四）教室小结1. 教师总结声音编码的基本知识和实践操作要点。
2. 鼓励学生在平时生活中多尝试应用声音编码技术，提高自己的信息素养。
声音信号的数字化
精品பைடு நூலகம்档
(2). 影响(yǐngxiǎng)数字音频质量的技术参数
对模拟音频信号进行采样量化编码后，得
到数字音频。数字音频的质量(zhìliàng)取决于采样频率、 量化位数和声道数三个因素。 1). 采样(cǎi 频率 yànɡ)
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数字信号
• 在时间和幅度上都是离散的信号(xìnhào) 称为数字信号(xìnhào)。
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2．数字音频
• 声波是随时间而连续变化的物理量，通 过 能量转换装置，可用随声波变化而改变 的电压或电流信号来模拟。以模拟电压 的幅度来表示(biǎoshì)声音的强弱。 为使计算机能处理音频，必须对声音信 号数字化。
左图为采样率2000hz量化等级为20的采样量化过程右图为采样率4000hz量化等级为40的采样量化过程当采样率和量化等级提高一倍从图中可以看出当用da转换器重构原来信号时图中的轮廓线信号的失真明显减少信号质量得到了提高
声音 信号的数字 (shēngyīn) 化
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1、模拟信号
• 在时间和幅度上都是连续(liánxù)的信号称 为模拟信号。
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点样值的二进制位数。例如，8位量化位数表示每 个采样值可以用28即256个不同的量化值之一来表 示，而16位量化位数表示每个采样值可以用216即
65536个不同的量化值之一来表示。常用的量化位
数为8位、12位、16位。
3). 声道数
声音通道的个数称为声道数，是指一次采 样所记录产生的声音波形个数。记录声音时，如
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。
音频基本知识
音频基本知识第一部分 模拟声音-数字声音原理第二部分 音频压缩编码第三部分 和弦铃声格式第四部分 单声道、立体声和环绕声第五部分 3D环绕声技术第六部分数字音频格式和数字音频接口第一部分 模拟声音-数字声音原理一、模拟声音数字化原理声音是通过空气传播的一种连续的波，叫声波。
声音的强弱体现在声波压力的大小上，音调的高低体现在声音的频率上。
声音用电表示时，声音信号在时间和幅度上都是连续的模拟信号。
图1 模拟声音数字化的过程声音进入计算机的第一步就是数字化，数字化实际上就是采样和量化。
连续时间的离散化通过采样来实现。
声音数字化需要回答两个问题：①每秒钟需要采集多少个声音样本，也就是采样频率(f s)是多少，②每个声音样本的位数(bit)应该是多少，也就是量化位数。
¾采样频率奈奎斯特理论（采样定理）指出，采样频率不应低于声音信号最高频率的两倍，这样才能把以数字表达的声音还原成原来的声音。
采样的过程就是抽取某点的频率值，很显然，在一秒中内抽取的点越多，获取得频率信息更丰富，为了复原波形，一次振动中，必须有2个点的采样，人耳能够感觉到的最高频率为20kHz，因此要满足人耳的听觉要求，则需要至少每秒进行40k次采样，用40kHz表达，这个40kHz就是采样率。
我们常见的CD，采样率为44.1kHz。
电话话音的信号频率约为3.4 kHz，采样频率就选为8 kHz。
常见的音频录制时的采样率和量化位数：镭射碟 声音录制格式 从数字音频接口输入输出DVD杜比数字 杜比数字位信号线性PCM 线性PCM(48kHz采样/16bit或48KHz采样/24bit等)CD 线性PCM 线性PCM(44.1kHz采样/16bit)VCD MPEG 线性PCM(44.1kHz采样/16bit)表1 常见音频录制及传输格式¾量化精度光有频率信息是不够的，我们还必须纪录声音的幅度。
量化位数越高，能表示的幅度的等级数越多。
数字通信中的语音编码技术
数字通信中的语音编码技术数字通信技术是当前社会中应用最为广泛的一种通信方式，我们平时使用的手机、电脑、电视等都是基于数字通信技术实现的。
而在数字通信领域中，语音编码技术是其中非常重要的一个领域。
本文将会对数字通信中的语音编码技术进行详细介绍，包括其概念、应用和实现原理等方面。
一、语音编码技术概述语音编码是一种将人类语音转换成数字信号的技术。
正常人类语音每秒钟会有约25帧的语音信号，每帧包含了很多信息。
如果在数字通信系统中直接把语音信号传输，将会占用很大的带宽，造成通信的负担。
因此，对于数字通信系统来说，我们需要对语音信号进行压缩和编码处理，以便于在数据传输过程中占用更少的带宽，从而提高通信效率。
语音编码技术主要有两个阶段，即语音信号的采样和量化和语音信号的压缩编码。
采样和量化是指将语音信号转化为数字信号，并对数字信号的每一个样本进行一定的量化。
而压缩编码则是将量化后的语音信号进行编码，使其占用更少的位数，从而实现带宽压缩并提高通信效率。
语音编码技术的主要应用领域是手机通信和VOIP（网络电话），手机通信是我们日常生活中必不可少的通信方式之一。
由于手机的通信信道有限，因此需要对语音信号进行压缩编码以节省通信资源，从而实现高清晰度的通话。
而VOIP则是在互联网上进行语音通话的技术，也需要使用语音编码技术实现高质量的通话。
二、语音编码技术的实现原理语音编码技术的实现原理涉及到数字信号处理、信息论和信号处理等多个方面。
具体来说，语音编码技术的实现主要包括以下几个步骤：1、语音信号的采样和量化。
语音信号的采样和量化将模拟语音信号转换为数字信号。
在这一步骤中，对于语音信号的每一个样本进行一定的量化，将其表示为二进制数，以实现数字化信号的传输、处理和存储。
2、语音信号的预处理。
为了提高语音信号的编码效果，需要对语音信号进行预处理。
主要有高通滤波、分帧、时域抖动平滑等处理方式。
预处理的目的主要是消除语音信号中不必要的信息，以减少编码后的数据量。
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四、数字音频的文件格式
6、AIF、AU文件 Apple公司开发的音频文件格式
四、数字音频的文件格式
7、CD-DA 数字音频光盘
44.1khz、16Bit量化位数、双声道
四、数字音频的文件格式
8、MD Mini Disc
Sony推出的便携式音乐格式
MD汽车音响、随身听
五、音频文件的读取
工具：
UltraEdit
量化等级的划分
三、音频的数字化
模拟信号
采样
量化 编码
三、音频的数字化
A/D转换中，影响质量及数据量的主要因素： •每秒钟需要采集多少个声音样本即采样频率 •每个声音样本的位数(bps)应该是多少即量化位数 例子:每个声音样本用16位表示,测得声音样本值 是在0~65536的范围里,它的精度就是输入信号的 1/65536
88.2
176.4 192.0
50~7000
20~2000 20~2000
四、数字音频的文件格式
1、WAV文件
声音是随着时间连续变化的物理量，并且是
一种能借助介质传播的波。
四、数字音频的文件格式
1、WAV文件
特点：数据量大 音质好 不适合网络传播或播放
文件数据量计算：
字节数/秒=采样频率（HZ） * 量化位数（BIT）* 声道数/8
第五章 音频的数字化与语音编码
学习内容
第一节 音频的数字化
1、 声音
2、模拟音频与数字音频
3、音频的采样、量化和数字化（重点）
4、数字音频的格式
学习内容
第二节 语音编码
1、人耳的听觉特性
2、脉冲编码调制(PCM)
3、G.711标准、G.721标准、G.722标准（重点）
学习目标
1、了解声音相关概念及要素 2、掌握音频采样、量化和数字化原理
信号转换示意图
三、音频的数字化（采样）
采样：
将时间上连续的取值变为有限个离散取值的过程
三、音频的数字化（采样）
奈奎斯特采样定理：
设连续信号X(t)的最高频率分量为Fm，以等间隔Ts（Ts
称采样间隔，fs=1/Ts称为采样频率）对X(t)进行采样，得到
Xs(t)。如果Fs>=2Fm，则Xs(t)保留了X(t )的全部信息（从Xs(t)
可以不失真地恢复出X(t)）。
只要采样频率高始信号的波形。
三、音频的数字化（量化）
音频量化：将经采样后幅度上无限多个连续的样值
变为有限个离散值的过程
三、音频的数字化（量化）
量化过程：先将整个幅度划分成为有限个幅度（量化阶距） 的集合，把落入某个阶距内的样值归为一类，并赋予相同的 量化值。
2236752字节数据量
五、音频文件的读取
00h：52 49 46 46
RIFF标志
82 21 22 00
总数据块大小 2236802字节
?
1分钟单声道，采样频率为11.025kHz，8位采样位数
四、数字音频的文件格式
2、MP3文件 MPEG Audio Layer-3
特点：数据量较小，压缩率10：1—20：1
音质较好 是目前最为流行的音频格式文件
四、数字音频的文件格式
3、MIDI文件 数字乐器接口标准 特点：midi文件中存储的是产生声音指令
Debug
其他反汇编软件
五、音频文件的读取
WAVE文件作为多媒体中使用的声波文件格式之一，它 是以RIFF格式为标准的。 RIFF是英文Resource Interchange File Format（资 源互换文件格式 ）的缩写，每个WAVE文件的头四个字 节便是“RIFF”。对应的十六进制是52 49 46 46。 RIFF／WAV文件标识段 WAVE文件 文件头 声音数据格式说明段 数据体
五、音频文件的读取
标志符（RIFF） 数据大小
格式类型（"WAVE"）
WAV文件结构 "fmt" Sizeof(PCMWAVEFORMAT)
文件头
PCMWAVEFORMAT "data"
声音数据大小 声音数据
数据体
五、音频文件的读取
五、音频文件的读取
例：sound.wav 44.1kHz 12.68秒 16位 双声道
数据量小
适用于：需要播放长时间高质量音乐
四、数字音频的文件格式
3、MIDI文件
四、数字音频的文件格式
3、MIDI文件
四、数字音频的文件格式
4、ASF、WMA文件 微软开发的网上流式数字音频文件格式 特点：音质好 数据量小
适合网络流式传输
四、数字音频的文件格式
5、RAM、RA文件 RealNetworks开发的网上流式数字音频文件格式 特点：能随带宽的不同而改变音质，在保证大多 数人听到流畅声音的前提下，带宽宽裕的听众获 得较好的音质 适合低网速的实时传输
3、了解数字音频的文件格式
4、掌握常见的音频压缩编码方法 5、理解G.711、G.721、G.722标准
第一节 音频的数字化
一、声音
声音是通过空气传播的一种连续的波，叫声波。 声音的强弱体现在声波压力的大小上 音调的高低体现在声音的频率上
一、声音——有关概念
复合信号：声音信号由许多频率不同的信号组成 分量信号：单一频率的信号 带宽：描述组成复合信号的频率范围。如： 高保真声音的频率范围为10 Hz~20K Hz，它的带宽 约为20K Hz。
一、声音——三要素
音强(volume) —> 响度，由振幅决定 音调(pitch) 音色 —> 由频率决定
—> 指声音频率组成成分
一、声音——分类
次音频信号<20HZ(人耳听不到) 音频信号20HZ~20kHZ(人能听到)
超音频信号>20kHZ(人听不到,有很强的方向
性,可以形成波束)
三、音频的数字化
声音质量与数据率
质量 电话 AM 采样频率 样本精度 单/立体 kHz (b/s) 声 8 8 单道声 11.025 8 单道声 数据率 (kB/s) 8 11 频率范围 200~3400 20~15000
FM
CD DAT
22.050
44.1 48
16
16 16
立体声
立体声 立体声
二、模拟音频与数字音频
模拟信号
数字信号
二、模拟音频与数字音频
模拟音频：在时间和幅度上都是连续变化的 数字音频：在时间和幅度上都是离散、不连续的
三、音频的数字化
模拟音频
数字音频
采样、量化、编码
三、音频的数字化（采样）
音频采样：当把模拟声音变成数字声音时，需要每
隔一个时间间隔在模拟声音波形上取一个幅度值。