语音信号的A率(或u率)压缩算法
g711编码原理
g711编码原理
G.711编码原理
G.711编码是一种常用的音频编码标准，用于将模拟语音信号转换为数字信号，以提高通信效率和节省带宽。
本文将介绍G.711编码的基本原理.
G.711编码使用了基于时域的脉冲编码调制（PCM）技术，将模拟语音信号进
行采样和量化，然后将其转换为数字信号以进行传输. G.711编码标准主要包括两
种压缩算法：μ律编码（μ-law）和A律编码（A-law）.
μ律编码是在北美和日本广泛使用的一种算法，而A律编码则是在欧洲和国际
上使用的一种算法. 这两种编码算法在原理上相似，都是将模拟信号映射到更小的
动态范围内以减小信号的位数.
在μ律编码中，信号的动态范围被分为255个离散级别. 较大幅度的信号将被
映射为较小的幅度，而较小幅度的信号将被映射为较大的幅度. 这种非线性映射允
许更高的精度分配给较小幅度的信号.
在A律编码中，信号的动态范围被分为一个更精细的离散级别，共有87个级别. 类似于μ律编码，A律编码也将较大幅度的信号映射为较小的幅度，反之亦然.
G.711编码使用8位字节表示每个采样样本，通过这种方式将带宽减小到64 kbps. 这使得G.711编码在语音传输和存储中具有广泛的应用.
总结一下，G.711编码是一种常用的音频编码标准，它通过采样、量化和非线
性映射的过程，将模拟语音信号转换为数字信号以实现高效传输. 在实际的应用中，人们可以根据地区使用的标准选择μ律编码或A律编码算法来进行编码过程。
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。
话音编码
x 为输入信号，规格化为－1<= x <=1 为输入信号，规格化为－ 为确定压缩量的参数， µ 为确定压缩量的参数，它反映最大量化间隔和最 小量化间隔之比， 500。 小量化间隔之比，取100 <= µ <= 500。
由于输入和输出关系是对数关系，所以这种编码又称为对数 由于输入和输出关系是对数关系，所以这种编码又称为对数PCM。 。
8
话音产生的数字模型
周期
周期脉冲序 列发生器
声道参数
浊/清选择 清选择
时变数字滤 波器 语音 输出
伪随机噪声 产生器
音量控制
9
话音技术的研究热点
话音压缩编码（ Coding） 话音压缩编码（Speech Coding） 话音识别（ 话音识别（Speech Recognition） Recognition） 文本话音转换（ 文本话音转换（Text To Speech） Speech）
13
话音编译码器的分类
波形编译码器（ 波形编译码器（waveform coder）：不利用生 coder）： ）：不利用生 成话音的信号的任何知识， 成话音的信号的任何知识，将话音视为一种普 通的声音，直接对波形信号进行采样和量化。 通的声音，直接对波形信号进行采样和量化。 例如PCM、DPCM、ADPCM等 例如PCM、DPCM、ADPCM等。 音源编译码器（ 音源编译码器（Source coder）：也叫参数编 coder）： ）：也叫参数编 译码器、声码器（vocoder）。 ）。它从话音波形信 译码器、声码器（vocoder）。它从话音波形信 号中提取话音生成模型的参数， 号中提取话音生成模型的参数，使用这些参数 通过话音生成模型重构出话音。 通过话音生成模型重构出话音。 混合编译码器（ coder）： ）：综合使用上 混合编译码器（Hybrid coder）：综合使用上 述两种技术。 述两种技术。使用的激励信号波形尽可能接近 于原始话音信号的波形。例如CELP CELP。 于原始话音信号的波形。例如CELP。
A率算法
3、语音的A 律压缩与解压统计表明对于每一个讲话者来说，语音中小幅度成分出现的概率要比大幅度多得多，为了在语音信号的整个动态范围内都可以接受低电平信号，量化电平必须照顾到语音的低电平信号，极低电平的量化间隔要小，高电平的量化间隔要大。
压缩扩展技术能过借用3种方法实现： （1）模拟信号在到达ADC 前，即进行8比特量化前，首先通过一个非线性电路； （2）使用一个8比特ADC ，其内部量化电平取非均等间隔；（3）使用线性12比特ADC 然后借助于数字查表（12笔特输入，8比特输出）。
这三种方法都需要有非线性性功能，差别仅是非线性放在什么地方。
两个标准的压缩扩展特性曲线称为u 律和A 律，使CCITT 提出的G.711协议PCM 编码方式的一部分。
北美和日本使用u 律，欧洲使用A 律，两个算法使用了非线性，把量化间隔变换成人耳能检测的线性空间。
A 律限制采样值为12比特，A 律的压缩可以按照下列公式进行定义：)1||1(ln 1||ln 1)sgn()1||0(ln 1||)sgn()(≤≤++=≤≤+=x AA x A x A x A x A x x F式中，A 是压缩参数（在欧洲，A=87.6）x 是需要压缩的归一化整数。
从线性到A 律的压缩转换如下表所示：压缩后的码字组成：比特0-3表矢量化值，比特4-6表示段值，压缩后的码字符号放在比特7，为了简化未写出.A 律的扩展可定义为：)1)ln(11()ln()sgn())ln(110()]ln(1[)sgn()()]ln(1[1≤≤++=+≤≤+=+-y A A A A e y A y A A y y y F A y从1 0 0 a b c d 0 0 0 1 a b c d 1 0 0 0 1 0 1 a b c d 0 0 1 a b c d 1 0 0 0 0 1 1 0 a b c d 0 1 a b c d 1 0 0 0 0 0 1 1 1 a b c d 1 a b c d 1 0 0 0 0 0 0II. 原理概述G ．711的两个标准的压缩扩展特性曲线称为A 律和μ律，是CCITT 提出的G.711协议PCM 编码方式的一部分。
语音信号压缩μ率
1语音信号压缩（μ律）原理1.1语音信号编码概念：语音编码一般分为两类：一类是波形编码，一类是被称为“声码器技术”的编码。
PCM编码即脉冲编码调制。
波形编码的最简单形式就是脉冲编码调制（Pulse code modulation），这种方式将语音变换成与其幅度成正比的二进制序列，而二进制数值往往采用脉冲表示，并用脉冲对采样幅度进行编码，所以叫做脉冲编码调制。
脉冲编码调制没有考虑语音的性质，所以信号没有得到压缩。
量化：脉冲编码调制用同等的量化级数进行量化，即采用均匀量化，而均匀量化是基本的量化方式。
但是均匀量化有缺点，在信号动态范围较大而方差较小的时候，其信噪比会下降。
国际上有两种非均匀量化的方法：A律和μ律，μ律是最常用的一种。
在美国，7位μ律是长途电话质量的标准。
而我国采用的是A律压缩，而且有标准的A律PCM 编码芯片。
DPCM&ADPCM ：降低传输比特率的方法之一是减少编码的信息量，这要消除语音信号中的冗余度。
相邻的语音样本之间存在明显的相关性，因此对相邻样本间的差信号进行编码，便可使信息量得到压缩。
因为差分信号比原语音信号的动态范围和平均能量都小。
这种编码叫Differential PCM,简称DPCM，即差分脉冲编码调制。
ADPCM即自适应差分脉冲编码调制，是包括短时预测的编码系统。
CCITT（国际电报电话咨询委员会）在1984年提出的32 kbit/s的编码器建议就是采用ADPCM作为长途传输中的国际通用语音编码方案。
这种ADPCM编码方案达到64 kbit/s PCM的语音传输质量，并具有很好的抗误码性能。
1.2压缩算法及压缩技术介绍1. 压缩算法的介绍用途抽样频率(kHz) 压缩标准或系统压缩技术码率(kbit/s)长途电话8 G.711G.726G.728PCMADPCMLD-CELP6440/32/24/1616移动电话8 GSMIS54/IS95G.729RPE/LTPVSELP/QSELPCS-ACELP13.216/8/4/2/18ISDN,会议电视1 G.722 SB-ADPCM 64/56/48 VCD 32/48 ISO/IEC10149 MPEG1 192/128/96表1 .1压缩算法表2. 压缩技术的介绍波形编码：直接对语音时域或频域波形样值进行编码。
语音信号压缩μ率
1语音信号压缩（μ律）原理1.1语音信号编码概念：语音编码一般分为两类：一类是波形编码，一类是被称为“声码器技术”的编码。
PCM编码即脉冲编码调制。
波形编码的最简单形式就是脉冲编码调制（Pulse code modulation），这种方式将语音变换成与其幅度成正比的二进制序列，而二进制数值往往采用脉冲表示，并用脉冲对采样幅度进行编码，所以叫做脉冲编码调制。
脉冲编码调制没有考虑语音的性质，所以信号没有得到压缩。
量化：脉冲编码调制用同等的量化级数进行量化，即采用均匀量化，而均匀量化是基本的量化方式。
但是均匀量化有缺点，在信号动态范围较大而方差较小的时候，其信噪比会下降。
国际上有两种非均匀量化的方法：A律和μ律，μ律是最常用的一种。
在美国，7位μ律是长途电话质量的标准。
而我国采用的是A律压缩，而且有标准的A律PCM 编码芯片。
DPCM&ADPCM ：降低传输比特率的方法之一是减少编码的信息量，这要消除语音信号中的冗余度。
相邻的语音样本之间存在明显的相关性，因此对相邻样本间的差信号进行编码，便可使信息量得到压缩。
因为差分信号比原语音信号的动态范围和平均能量都小。
这种编码叫Differential PCM,简称DPCM，即差分脉冲编码调制。
ADPCM即自适应差分脉冲编码调制，是包括短时预测的编码系统。
CCITT（国际电报电话咨询委员会）在1984年提出的32 kbit/s的编码器建议就是采用ADPCM作为长途传输中的国际通用语音编码方案。
这种ADPCM编码方案达到64 kbit/s PCM的语音传输质量，并具有很好的抗误码性能。
1.2压缩算法及压缩技术介绍1. 压缩算法的介绍用途抽样频率(kHz) 压缩标准或系统压缩技术码率(kbit/s)长途电话8 G.711G.726G.728PCMADPCMLD-CELP6440/32/24/1616移动电话8 GSMIS54/IS95G.729RPE/LTPVSELP/QSELPCS-ACELP13.216/8/4/2/18ISDN,会议电视1 G.722 SB-ADPCM 64/56/48 VCD 32/48 ISO/IEC10149 MPEG1 192/128/96表1 .1压缩算法表2. 压缩技术的介绍波形编码：直接对语音时域或频域波形样值进行编码。
DSP设计--语音压缩
DSP设计--语音压缩DSP课程设计实验报告语音压缩、存储与回放院（系）：设计人员：成绩：评语：指导教师签字：日期：工程设计50报告20答辩30总分目录一、设计任务书 (3)二、设计内容 (4)三、设计方案、算法原理说明 (4)四、程序设计、调试与结果分析 (9)五、设计（安装）与调试的体会 (20)六、参考文献 (23)一、设计任务书语音信号是信息的重要形式,语音信号处理有着广泛的应用领域，而语音压缩在语音信号的传输、存储等方面有非常广泛的作用，而且在通信领域中已经有较成熟的发展和广泛应用。
本设计要求采用DSP及其A/D、D/A转换器进行语音信号的压缩、存储和回放。
1、设计要求及目标（1）使用DSP实现语音压缩和解压缩的基本算法，算法类型自定，例如可以采用G.711、G.729等语音压缩算法。
（2）采用A/D转换器从MIC输入口实时采集语音信号，进行压缩后存储到DSP的片内和片外RAM存储器中，存储时间不小于10秒。
（3）存储器存满之后，使用DSP进行实时解压缩，并从SPEAKER输出口进行回放输出。
（4）使用指示灯对语音存储和回放过程进行指示。
2、要求完成的任务（1）编写C语言程序，并在CCS集成开发环境下调试通过。
（2）实现设计所要求的各项功能。
（3）按要求撰写设计报告。
3、实验目的（1）建立信号处理系统的概念，学会使用DSP处理器；（2）了解DSP处理系统的关键器件的使用方法；（3）掌握DSP课程设计的基本方法，巩固信号处理的基本理论知识；（5）掌握DSP集成开发环境的使用和调试方法；（6）掌握DSP片外资源和片上资源访问的基本方法，如存储器、定时器、McBSP、DMA、A/D和D/A转换器等。
4、设计思路语音信号的幅度（发音强度）并非均匀分布，由于小信号占的比例比大信号大很多，因此可以进行非均匀量化。
达到这一目标的基本做法是，对大信号使用大的量化间隔，而小信号则使用小的台阶。
ITU-TG.711建议的PCMA律和μ律语音压缩标准可以分别将13比特和14比特压缩为8比特，达到语音压缩的目的。
a-law 压缩算法 c
A-law压缩算法是一种用于对音频信号进行压缩和编码的算法，通常用于数字通信系统中，以减小音频信号的动态范围并减小传输带宽。
以下是A-law压缩算法的C语言实现示例：```c#include <stdio.h>#include <math.h>#define A_LAW_BIAS 0x84 // A-law的偏置值#define MAX_AUDIO_VALUE 32767.0 // 16位音频的最大值// A-law压缩函数unsigned char compressALaw(short pcmValue) {const int A_LAW_MAX = 0x7FFF; // A-law的最大值if (pcmValue == A_LAW_MAX) {return 0x7F; // 最大A-law值} else {int sign = (pcmValue >> 8) & 0x80; // 符号位if (sign != 0) {pcmValue = -pcmValue; // 取负值}// 找到最高有效位int exponent = 7;for (int i = 0x4000; (pcmValue & i) == 0 && i != 0; i >>= 1) {exponent--;}// 计算A-law编码int mantissa = (pcmValue >> ((exponent == 0) ? 4 : (exponent + 3))) &0x0F;unsigned char alawValue = static_cast<unsigned char>(exponent << 4 | mantissa);return static_cast<unsigned char>(alawValue ^ (sign ^ A_LAW_BIAS));}}int main() {short pcmSample = 12345; // 16位PCM样本值unsigned char alawSample = compressALaw(pcmSample);printf("PCM Sample: %d\n", pcmSample);printf("A-law Sample: 0x%02X\n", alawSample);return 0;}```上述C语言代码演示了如何将16位PCM样本值使用A-law压缩算法进行压缩。
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语音信号的A律（或μ律）压缩算法
一试验目的
（1）了解PCM编码的格式和原理；
（2）了解A律和μ律压缩解压的原理
（3）熟悉A律和μ律压缩解压实现方法；
二试验内容
本试验要求完成的内容是使用AD将外部语音信号采集，DSP对语音信号保存处理，经过DA将处理后的语音信号输出；DSP对语音信号的处理包括A律和μ律压缩解压、声音信号的音效处理等。
三试验原理
PCM（Pulse Code Modulation）编码即脉冲编码调制，也就是将模拟信号转换为数码，
A律和μ律压缩编码压缩码是CCITT（Consultative Committee for International Telegraph and Telephone）国际电报电话协会最早推出的G.711语音压缩解压编码的一种格式的主要内容。
其中欧洲和中国等国家采用A律压缩解压编码，美国日本等国家采用μ律压缩解压编码。
由于中国采用A律，本试验只介绍A律压缩解压。
图5.1是DSP进行数据压缩解压的简单流程，DSP将传输来的压缩后的数据进行解压成16位或者32位，然后对解压后的数据进行分析、处理；然后将处理后的数据按照要求压缩成8位的数据格式输出到相应设备，供其他设备读取。
图5.1
图5.2是DSP 将数据解压的值，DSP 将压缩的8位数据解压成16位的DSP 通用数据格式，其中高12位为解压后的数据，低4位补0。
DSP 将解压后的数据放在缓冲串口的发送寄存器中，只要运行发送指令，缓冲串口就会将数据发送出去。
对接受数据的解压缓冲串口有一样的操作。
图5．2 A 律数据解压图
DSP 内部的缓冲串口（MCBSPS ）带有硬件实现的A 律和 律压缩解压，用户只需要在相应寄存器中设置就可以了。
所有与缓冲串口相关的寄存器和引脚如图5.4所示，图5.4中有13个需要设置的寄存器，分别为RSR 、XSR 、RBR 、DRR 、DXR 、SPCR 、RCR 、XCR 、SRGR 、PCR 、MCR 、RCER 、XCER 等。
在进行A 律压缩时，对于采样到的12位数据，默认其最高位为符号位，压缩时要保持最高位即符号位不变，原数据的后11位要压缩成7位。
这7位码由3位段落码和4位段内码组成。
具体的压缩变换后的数据根据后11位数据大小决定。
具体的编译码表如表5.2所示。
压缩后的数据的最高位（第7位）表示符号，量阶分别为1、1、2、4、8、16、32、64，由压缩后数据的第6位到第4位决定，第3位到第0位是段内码。
压缩后的数据有一定的失真。
有些数据不能表示出，只能取最近该数据的压缩值。
例如，数据125，压缩后的值为
发送缓冲器
图5.2 和缓冲串口相关的引脚和寄存器图
任务一：
硬件仿真：完成A律压缩子函数的编写。
任务二：
硬件仿真：完成A律解压子函数的编写。
并利用任务一的结果，实现音频信号采集压缩和解压回放。