【图文】第三章 语音编码_百度文库
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第三章 语音编码
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音频的数字化与语音编码学习内容音频的数字化 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) ,音频的采样,量化和数字化(重点) 4,数字音频的格式 ,学习内容语音编码 第二节 语音编码 1,人耳的听觉特性 , 2,脉冲编码调制
(PCM) ,脉冲编码调制 3,G.711标准,G.721标准,G.722标准(重点) , 标准, 标准, 标准( 标准 标准 标准 重点)学习目标1,了解声音相关概念及要素 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 掌握音频采样,量化和数字化原理 数字化 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 理解G.711,G.721,G.722标准 G.711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 声音 有关概念复合信号: 复合信号:声音信号由许多频率不同的信号组成 分量信号: 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. 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 高保真声音的频率范围为 Hz~20K Hz,它的带宽 , 约为20K Hz. 约为 .一,声音――三要素 声音 三要素音强(volume) ―& 响度,由振幅决定 音强 响度, 音调(pitch) 音调 音色 ―& 由频率决定 ―& 指声音频率组成成分一,声音――分类 声音 分类次音频信号&20HZ(人耳听不到 人耳听不到) 次音频信号 人耳听不到 音频信号20HZ~20kHZ(人能听到 人能听到) 音频信号 人能听到 超音频信号&20kHZ(人听不到,有很强的方向 超音频信号&20kHZ(人听不到,有很强的方向 人听不到 可以形成波束) 性,可以形成波束 可以形成波束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 模拟音频:在时间和幅度上都是连续变化的 音频 连续 数字音频:在时间和幅度上都是离散,不连续的 数字音频:在时间和幅度上都是离散,不连续的 音频 离散三,音频的数字化模拟音频数字音频采样,量化,编码 采样,量化,三,音频的数字化(采样) 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, 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. 隔一个时间间隔在模拟声音波形上取一个幅度值.信号转换示意图三,音频的数字化(采样) 音频的数字化(采样)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 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) 音频的数字化(采样)奈奎斯特采样定理: 奈奎斯特采样定理:设连续信号X(t)的最高频率分量为 ,以等间隔 (Ts 的最高频率分量为Fm,以等间隔Ts( 设连续信号 的最高频率分量为 称采样间隔, 称为采样频率 进行采样, 称采样间隔,fs=1/Ts称为采样频率)对X(t)进行采样,得到 称为采样频率) 进行采样 Xs(t).如果Fs&=2Fm,则Xs(t)保留了 .如果 , 保留了X(t )的全部信息(从Xs(t) 的全部信息( 保留了 的全部信息 可以不失真地恢复出X(t)). ). 可以不失真地恢复出只要采样频率高于信号中最高频率的2倍 只要采样频率高于信号中最高频率的 倍,就可 以从采样中完全恢复原始信号的波形. 以从采样中完全恢复原始信号的波形.三,音频的数字化(量化) 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 音频量化:将经采样后幅度上无限多个连续的样值 幅度 变为有限个离散值的过程三,音频的数字化(量化) 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) 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 的集合,把落入某个阶距内的样值归为一类, 量化值. 量化值.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: 转换中,影响质量及数据量的主要因素: 转换中 每秒钟需要采集多少个声音样本即采样频率 每秒钟需要采集多少个声音样本即采样频率 每秒钟需要采集多少个声音样本即 每个声音样本的位数 每个声音样本的位数(bps)应该是多少即量化位数 应该是多少即量化位数 每个声音样本的位数 应该是多少即 例子:每个声音样本用 位表示 例子 每个声音样本用16位表示 测得声音样本值 每个声音样本用 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 的范围里,它的精度就是输入信号的 是在 的范围里 1/65536三,音频的数字化声音质量与数据率质量 电话 AM FM CD DAT 采样频率 kHz 8 11.025 22.050 44.1 48 立体 样本精度 单/立体 (b/s) 声 8 单道声 8 16 16 16 单道声 立体声 立体声 立体声 数据率 (kB/s) 8 11 88.2 176.4 192.0 频率范围 200~00 50~0 20~2000四,数字音频的文件格式1,WAV文件 , 文件 声音是随着时间连续变化的物理量, 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. 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 , 文件 特点: 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: 文件数据量计算:字节数/秒 采样频率 采样频率( ) 量化位数( 字节数 秒=采样频率(HZ) * 量化位数(BIT)* 声道数/8 )?1分钟单声道,采样频率为11.025kHz,8位采样位数 分钟单声道,采样频率为 分钟单声道 , 位采样位数四,数字音频的文件格式2,MP3文件 , 文件 MPEG Audio Layer-3 特点:数据量较小,压缩率10:1―20:1 特点:数据量较小,压缩率 : : 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 , 文件 数字乐器接口标准 特点: 特点:midi文件中存储的是产生声音指令 文件中存储的是产生声音指令 数据量小 适用于: 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 , 文件四,数字音频的文件格式3,MIDI文件 , 文件四,数字音频的文件格式4,ASF,WMA文件 , , 文件 微软开发的网上流式数字音频文件格式 微软开发的网上流式数字音频文件格式 网上流式 特点:音质好 特点: 数据量小 适合网络流式传输 适合网络流式传输四,数字音频的文件格式5,RAM,RA文件 , , 文件 RealNetworks开发的网上流式数字音频文件格式 开发的网上流式数字音频文件格式 开发的网上流式 特点:能随带宽的不同而改变音质,在保证大多 特点:能随带宽的不同而改变音质, 数人听到流畅声音的前提下, 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 适合低网速的实时传输四,数字音频的文件格式6,AIF,AU文件 , , 文件 Apple公司开发的音频文件格式 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 , 量化位数, 量化位数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 推出的便携式音乐格式 MD汽车音响,随身听 汽车音响, 汽车音响五,音频文件的读取工具: 工具:UltraEdit 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, WAVE文件作为多媒体中使用的声波文件格式之一,它 文件作为多媒体中使用的声波文件格式之一 是以RIFF格式为标准的. RIFF格式为标准的 是以RIFF格式为标准的. RIFF是英文Resource Format( RIFF是英文Resource Interchange File Format(资 是英文 的缩写,每个WAVE WAVE文件的头四个字 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 46. 节便是&RIFF .对应的十六进制是52 49 46 46. RIFF/WAV文件标识段 RIFF/WAV文件标识段 WAVE文件 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 文件结构 &fmt& Sizeof(PCMWAVEFORMAT) PCMWAVEFORMAT &data& 声音数据大小 声音数据数据体 文件头五,音频文件的读取五,音频文件的读取例:sound.wav 44.1kHz 12.68秒 秒 16位 位 双声道2236752字节数据量 字节数据量五,音频文件的读取00h:52 49 46 46RIFF标志 标志82 21 22 00总数据块大小 2236802字节 2236802字节57 41 56 45格式类型 WAVE66 6D 74 20fmt标志 标志10h:12 00 00 0001 00 02 0044 AC 00 00采样频率 44.1kHz10 B1 02 00每秒数据量 176400音频格式数据块大小 编码格式 双声道 18 waveformatPCM20h:04 00 10 0000 00 66 6163 74 04 0000 00 54 88区块对齐单位 量化位数 4 16位 位30h:08 00 64 6174 61 50 2122 00 00 0000 00 FF FFdata标志 标志声音裸数据长度 2236752字节 字节声音数据内容40h:00 00 FE FFFE FF 00 0000 00 FE FFFE FF 01 00六,声音质量的度量1,客观质量度量:信噪比 ,客观质量度量: 信噪比SNR(Signal to Noise Ratio)是有用信 信噪比 ( ) 号与噪声之比的简称. 号与噪声之比的简称. 噪音可分为环境噪音和设备 噪音.信噪比越大,声音质量越好. 噪音.信噪比越大,声音质量越好.六,声音质量的度量2,客观质量度量:带宽 ,客观质量度量:200―3.4KHz 50―7KHz 20―15KHz 10―20KHz 电话声音范围 调幅广播声音范围 调频广播声音范围 高保真立体声音范围六,声音质量的度量2,客观质量度量:带宽 ,客观质量度量: 音频信号的频带越宽, 音频信号的频带越宽,所包含的音频信号分 量越丰富, 量越丰富,音质越好六,声音质量的度量3,客观质量度量:动态范围 ,客观质量度量: 声音的动态范围即声音从最弱变到最强的范围. 声音的动态范围即声音从最弱变到最强的范围. 声音的动态范围还与频率有关. 声音的动态范围还与频率有关.动态范围最大的频 率区间是HZ,计量单位是分贝(dB). ,计量单位是分贝 率区间是 . 动态范围越大,信号强度的相对变化范围越大, 动态范围越大,信号强度的相对变化范围越大, 音响效果越好六,声音质量的度量3,客观质量度量:动态范围 ,客观质量度量: 动态范围= × 信号的最大强度/信号的最小强 动态范围=20×log(信号的最大强度 信号的最小强 信号的最大强度 度)(dB)六,声音质量的度量4,主观质量度量:MOS分数 ,主观质量度量: 分数分数 5 4 3 2 1 质量级别 优 良 中 差 劣 Mean Opinian Score 失真级别 不觉察 刚刚觉察, 刚刚觉察,不讨厌 觉察, 觉察,有点讨厌 讨厌而不反感 极讨厌,令人反感 极讨厌,第二节 语音编码一,人耳的听觉特性人耳对各频率的灵敏度是不同的 频域掩蔽效应 频域掩蔽效应 一种频率的声音阻碍听觉系统感受另一种频率的 声音的现象. 声音的现象. 时域掩蔽效应 时域掩蔽效应 在时间上相邻的声音之间也有掩蔽现象二,脉冲编码调制(PCM) 脉冲编码调制二,脉冲编码调制(PCM) 脉冲编码调制1,均匀量化的PCM ,均匀量化的二,脉冲编码调制(PCM) 脉冲编码调制2,非均匀量化的PCM ,非均匀量化的三, G.711标准 标准CCITT国际电话电报咨询委员会 国际电话电报咨询委员会Consulative Committee for International Telephone and Telegraph) ) 原始信号 F=8khz B=14bit 压缩 112Kbps F=8khz B=8bit64Kbps采用的方法:对数 采用的方法:对数PCM编码 编码
律压扩(北美,日本) 律压扩( 律压扩 北美,日本)
A 律压扩(西欧,中国) 律压扩(西欧,中国)三, G.711标准 标准律压扩 律压扩 F(x) = sgn(x)Ln(1+ |x|) Ln(1+ )x为输入信号幅度,规格化成-1&=x&=1 为输入信号幅度,规格化成 为输入信号幅度
F(x)为量化输出数据 为量化输出数据 Sgn(x)为x的极性 为 的极性
反映最大量化间隔与最小量化间隔之比,100&= &=500 反映最大量化间隔与最小量化间隔之比, 具体取值为255 具体取值为三, G.711标准 标准A律压扩 律压扩 FA(x) = sgn(x) FA(x) = sgn(x)A|x| 1+ lnA 1+ln(A|x|) 1+ lnA 1 /A &=|x|&=1 0&=|x|&=1/Ax为输入信号幅度,规格化成-1&=x&=1 为输入信号幅度,规格化成 为输入信号幅度 Sgn(x)为x的极性 为 的极性 A 反映最大量化间隔与最小量化间隔之比,具体取值 反映最大量化间隔与最小量化间隔之比,具体取值87.56四,G.721标准 标准原始信号 或A律 或 律 F=8khz B=14bit 112KbpsF=8khz ADPCM F=8khz B=8bit B=4bit 64Kbps 32Kbps四,G.721标准 标准 APCM (自适应脉冲编码调制 自适应脉冲编码调制 自适应脉冲编码调制)
DPCM (差分脉冲编码调制 差分脉冲编码调制 差分脉冲编码调制)
ADPCM (自适应差分脉冲调制 自适应差分脉冲调制 自适应差分脉冲调制)四,G.721标准 标准 APCM (自适应脉冲编码调制 自适应脉冲编码调制 自适应脉冲编码调制)能随信号幅度的大小自动地改变量化阶距的编码制式. 能随信号幅度的大小自动地改变量化阶距的编码制式. 自动地改变量化阶距的编码制式 改变量化阶距的方法: 改变量化阶距的方法: 方法
前向自适应 前向自适应APCM (Forward Adaptation) )
后向自适应 后向自适应APCM (Backward Adaptation) )四,G.721标准 标准 改变量化阶距的方法一:前向自适应 改变量化阶距的方法一:前向自适应APCM根据未量化的样本值的均方根值来估算输入信号的电 根据未量化的样本值的均方根值来估算输入信号的电 未量化 平,以此来确定量化阶距的大小,并对其电平进行编码作 以此来确定量化阶距的大小, 边信息( 为边信息(Side Information)传送到接收端. )传送到接收端. 信道 逆 量化器S(k)缓冲器量化器S r(k)量化阶 适配器信道 (边信息 边信息) 边信息四,G.721标准 标准 改变量化阶距的方法二:后向自适应 改变量化阶距的方法二:后向自适应APCM根据从量化器刚输出的过去样本中来提取量化阶信息. 根据从量化器刚输出的过去样本中来提取量化阶信息. 过去样本中来提取量化阶信息 这种自适应能在发收两端自动生成量化阶,所以不需要传 这种自适应能在发收两端自动生成量化阶,所以不需要传 送边信息. 送边信息. S(k) 量化器 信道 逆 量化器 S r(k)量化阶 适配器量化阶 适配器四,G.721标准 标准 DPCM (差分脉冲编码调制 差分脉冲编码调制 差分脉冲编码调制)根据过去的样本去估算(estimate)下一个要量化 下一个要量化 根据过去的样本去估算 编码的样本信号幅度有多大,这个值称为预测值, 编码的样本信号幅度有多大,这个值称为预测值, 编码器仅对实际信号值与预测值之差进行量化编码. 编码器仅对实际信号值与预测值之差进行量化编码.四,G.721标准 标准S(k) + + Se(k-1) 预测器 Se(k-1) S(k)输入信号 S r(k)译码的输出信号 译码的输出信号 d(k)差分信号 差分信号 Se(k-1) 是对 (k)的预测值 是对S 的预测值 dq(k)是量化差分信号 是量化差分信号 d(k) 逆量化器 + dq(k) + + S r(k)量化器逆量化器+ 预测器四,G.721标准 标准 ADPCM (自适应差分脉冲编码调制 自适应差分脉冲编码调制 自适应差分脉冲编码调制)ADPCM = APCM + DPCM32kbps 输出64KBPS A或u律 或 律 PCM输入 输入+ + 预测PCM 预测 样本差分 量化器量化阶调整 预测器 + + + 逆量化器标准( 五, G.722标准(子带编码) 标准 子带编码)原始信号 或A律 F=8khz ADPCM F=8khz 律 F=8khz B=8bit B=4bit B=14bit 112Kbps 64Kbps 32KbpsSBCF=16khz B=4bit 64KbpsG.711标准 标准G.721标准 标准G.722标准 标准SBC(子带编码 子带编码) 子带编码标准( 五, G.722标准(子带编码) 标准 子带编码)BPF1 BPF2 Xn编码器 编码器 复 接 器 分 接 器译码器 译码器BPF1 BPF2……BPFN……编码器……译码器……BPFN+X r(n)编码信道译码标准( 五, G.722标准(子带编码) 标准 子带编码)根据不同频段的重要性来分配位数 根据不同频段的重要性来分配位数 重要性来分配 根据不同频段的能量电平来改变量化阶距 根据不同频段的能量电平来改变量化阶距 能量电平来改变六, G.728,G.729标准 , 标准为了进一步降低压缩的速率, 为了进一步降低压缩的速率,CCITT于1992年 于 年 标准, 制定了G.728标准,使用基于低时延码本激励线性 标准 制定了 预测编码(LD-CELP)算法,其速率为 算法, 预测编码 算法 其速率为16kb/s,主要 , 用于公共电话网中 用于公共电话网中. ITU-T于1996年3月通过了 于 月通过了G.729标准,它使用 标准, 年 月通过了 标准 8kb/s的共轭结构代数码激励线性预测 的共轭结构代数码激励线性预测(CS-ACELP) 的共轭结构代数码激励线性预测 算法,此标准将在无线移动网,数字多路复用系 算法,此标准将在无线移动网, 在无线移动网 统和计算机通信系统中应用. 统和计算机通信系统中应用.七,MPEG音频压缩 音频压缩1,MPEG-1 , 2,MPEG-2 , 3,MPEG-3 , 4,MPEG-4 ,七,MPEG音频压缩 音频压缩MPEG- 压缩原理: MPEG-1压缩原理:
CELP 码激励线性预测编码是 Code Excited Linear Prediction 的缩写。 CEL 是近 10 年来最成功的语音编码算法。CELP 语音编码算法用线性预测提取声 道参数,用一个...语音编码分类及编解码标准将音频或视频信号在模拟格式和数字格式之间转换的硬件(编码 器/解码器) ;压缩和解压缩音频或视频数据的硬件或软件 (压缩/解压 缩) ;或...典型帧长为 10~30ms.考虑传输过程中的代价,语音包通常由 60、120 或 240m s 的语音 数据组成。 数字化可以使用各种语音编码方案来实现,目前采用的语音编码标准...兰州理工大学 作业 题目:语音编码和图像编码的分类和特点 学院名称: 专业名称: 学号: 学生姓名: 一语音编码语音编码是将模拟语音信号转换为数字语音信号, 以便在数...HDMI高清应用高清音频编码简介_电脑基础知识_IT/计算机_专业资料。HDMI高清应用高清音频编码简介作者:同三维视频 编辑整理 a HDMI 高清应用高清音频编码简介 热线: 010...数字音频编码技术综述摘要:本文介绍了常用的数字音频编码方式,包括 MPEG 系列伴音标准及 Dolby Digital 标准的原理,并对这几种重要的音频编码技术的多方面性能进行了...中南民族大学毕业论文(设计) 学院: 电子信息工程学院 专业: 电子信息工程 题目: 年级: 2008 ADPCM 语音编码算法研究 学生姓名: 刘浪涛 学号:
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