数字音频压缩编码

数字音频压缩编码一、PCM脉冲编码调制PCM脉冲编码调制是PulseCodeModulation的缩写。脉冲编码调制是数字通信的编码方式之一。主要过程是将话音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样，使其离散化，同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化，同时将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值。编码原理：PCM脉冲编码调制是对连续语音信号进行空间采样、幅度值量化及用适当码字将其编码的总称，即它把连续输入的模拟信号变换为在时域和振幅上都离散的量，然后将其转化为代码形式传输或存储，原理框图如图所示。在图中，它的输入是模拟声音信号，输出是PCM样本。图中的“防失真滤波器”是一个低通滤波器，用来滤除声音频带以外的信号；“波形编码器”可暂时理解为“采样器”；“量化器”可理解为“量化阶大小”（Step—Size）生成器或者称为“量化间隔”生成器。PCM原理框图优点：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。二、DPCM差值编码调制DPCM编码是对模拟信号幅度抽样的差值进行量化编码的调制方式。这种方式是用已经过去的抽样值来预测当前的抽样值，对它们的差值进行编码。差值编码可以提高编码频率，这种技术已应用于模拟信号的数字通信之中。编码原理：DPCM采用预测编码的方式传输信号，所谓预测编码就是根据过去的信号样值来预测下一个信号样值，并仅把预测值与现实样值的差值加以量化，编码后进行数字信号传输。在接收端经过和发送端相同的预测操作，低通滤波器便可恢复出与原始信号相近的波形。优点：DPCM的压缩比不高，但它容易硬件实现，成本低，因此应用比较普遍。缺点：有误码扩散。即：如果在量化或传输中出现了噪声，那么它不仅仅停留在发生误码的地方，而是继续向以后的象素值扩散。三、ADPCM自适应差分脉冲编码调制自适应脉冲编码调制是一种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。这种自适应可以是瞬时自适应，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。编码原理：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。优点：ADPCM(adaptivedifferencepulsecodemodulation)综合了APCM的自适应特性和DPCM系统的差分特性，是一种性能比较好的波形编码；算法复杂度低，压缩比大（CD音质400kbps），编解码延时最短（相对其它技术）缺点：声音质量一般四、DM增量调制增量调制简称ΔM或增量脉码调制方式(DM)是一种特殊简化的DPCM，只用了1bit的量化器，它采用较高的取样频率和1比特的编码。编码原理：它将信号瞬时值与前一个抽样时刻的量化值之差进行量化，而且只对这个差值的符号进行编码，而不对差值的大小编码。因此量化只限于正和负两个电平，只用一比特传输一个样值。如果差值是正的，就发“1”码，若差值为负就发“0”码。因此数码“1”和“0”只是表示信号相对于前一时刻的增减，不代表信号的绝对值。同样，在接收端，每收到一个“1”码，译码器的输出相对于前一个时刻的值上升一个量阶。每收到一个“0”码就下降一个量阶。当收到连“1”码时，表示信号连续增长，当收到连“0”码时，表示信号连续下降。译码器的输出再经过低通滤波器滤去高频量化噪声，从而恢复原信号，只要抽样频率足够高，量化阶距大小适当，收端恢复的信号与原信号非常接近，量化噪声可以很小。优点：抗误码性能好；电路简单；数据率低于40千比特/秒时，增量调制一般采用的数据率为32千比特/秒或16千比特/秒。缺点：一般量化噪声；噪声过载。五、ADM自适应增量调制ADM自适应增量调制是为了将斜率过载和粒状噪声减到最小而使“量化阶△”根据输入信号斜率的变化进行自动调整。编码原理：采用可变步长,使其适应信源信号的短时特性,即当波形具有陡峭斜率时,使步长增大,当波形斜率相对较小时,使步长减小,这就是自适应特性。优点：有适应能力强、语音质量好缺点：斜率过载失真和颗粒失真六、SBC子带编码子带编码（SubbandCoding）简称SBC，是一种以信号频谱为依据的编码方法，即将信号分解成不同频带分量来去除信号相关性，再将分量分别进行取样、量化、编码，从而得到一组互不相关的码字合并在一起后进行传输。编码原理：先通过一组带通滤波器将输入信号分成若干个在不同频段上的子带信号，然后将这些信号经过频率搬移转变成基带信号，再对它们分别取样。取样后的信号经过量化、编码，并合成一个总的码流传送给接收端。在接收端，首先把码流分成与原来的各子带信号相对应的子带码流，然后解码、将频谱搬至原来的位置，最后经带通滤波、相加得到重建的信号。优点：可以利用人耳（或人眼）对不同频率信号的感知灵敏度不同的特性，在人的听觉（或视觉）不敏感的部位采用较粗糙的量化，在敏感部位采用较细的量化，以获得更好的主观听觉（视觉）效果；各子带的量化噪声都束缚在本子带内，这样就可以避免能量较小的频带内的信号被其它频段中的量化噪声所掩盖。缺点：滤波器的具体实现不可能是理想的带通，其幅度影响不可避免地带有有限的滚降。七、信道利用方式1、频分多路复用（FDM）TDM是一种频带模拟传输技术，使用它可以在一条电缆上同时传输多个信号，每个数据库或音频信号都被调制成不同频率的载波。信道的频率范围被进一步细分为窄的频道，每个频道都能传送不同的信号。信号频道之间的保护频带分开细分的传输频道以减少干扰。在无线电和TV广播中广泛使用FDM，而从多个电台通过电磁波或电缆同时广播。优点：是复用路数多、分路方便。缺点是设备庞大、复杂。2、时分多路复用（TDM）TDM是一种基带技术，不同的电路（数据或音频）由它们具有固定时间间隔的帧流位置来标识，通过脉码调制对输入模拟信号进行数字化变化，数字化信息依次插入传输的时隙，每个信道得到一个时隙，从而使所有信道平等地共享用于传送的介质。优点：具有抗干扰性强、无噪声积累、功放器件全激励功率的利用充分等优点。缺点：时隙浪费，其时隙的利用率很低。