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第3章 音频压缩编解码 学习目标 了解音频压缩的可行性 掌握波形编码、参数编码和混合编码的基本知识 熟悉MPEG音频标准 全面掌握音频压缩编解码技术。 3.1 音频压缩概述 3.1.1 音频压缩的可行性 根据统计分析结果，音频信号中存在着多种冗余，其主要部分可分别从时域和频域来考虑。 由于音频主要是给人听的，所以考虑人的听觉机理，也能对音频信号实行压缩。 1．时域冗余 幅度分布的非均匀性 样值间的相关性 周期之间的相关性 基音之间的相关性 静止系数 长时自相关函数 2．频域冗余 长时功率谱密度的非均匀性。 语音特有的短时功率谱密度。 3．听觉冗余 掩蔽效应 对不同频段的敏感性 对音频信号相位变化不敏感 3.1.2 音频压缩编码技术分类 基于音频数据的统计特性进行编码，典型技术是波形编码。 基于音频的声学参数，进行参数编码，可进一步降低数据率。 基于人的听觉特性进行编码。 1．按裁抑声音信号的冗余度不同分类 时域编码、频域编码和统计编码。 原理： 依据声音信号的冗余度以及人耳听觉的声掩蔽，将人耳听觉觉察不到的分量去掉，降低编码后的数据比特率。 2．按压缩品质不同分类 按解码后数据与原始数据是否完全一致、质量有无损失的标准 无损压缩编码（无失真） 有损压缩编码（有失真） 3．按压缩编码算法不同分类 统计编码 波形编码 参数编码 混合编码 感知编码 3.2 波形编码 将时间域信号直接变换为数字代码 由于保留了信号原始样值的细节变化，从而保留了信号的各种过渡特征，所以解码音频信号质量一般较高。 不足之处：传输码率比较高，压缩比不大。 3.2.1 脉冲编码调制 Pulse Code Modulation，PCM，简称脉码调制。 PCM是各种数字编码系统中最规范的方法，也是应用最广泛的系统。 除了增量调制外，各种波形编码器都包含有PCM的编码与译码部分。 3.2.1 脉冲编码调制 PCM是“数字化”的最基本的技术 通过抽样、量化和编码3个步骤，用若干代码表示模拟形式的信息信号（如图像、声音信号），再用脉冲信号表示这些代码来进行传输/存储。 3.2.2 差分脉冲编码调制 PCM编码是一种最通用的无压缩编码。 优点：保真度高，解码速度快 缺点：编码后的数据量大。 CD-DA采用的就是这种编码方式。 若利用样值之间的相关性，即记录取样值之间的差值，就称为差分PCM（DPCM）。DPCM方式是非常适合自然界规律的。 3.2.3 自适应差分脉冲编码调制 1．自适应PCM 自适应PCM（APCM）：根据邻近信号的性质使量化步长改变的编码。 准瞬时压扩和动态加重就可以看做是一种APCM。 2．自适应差分PCM 把自适应型量化步长引入差分PCM（DPCM）。 不是把信号x(n)直接量化 而是把它和预测值x(n)的差d(n)进行量化 比前述的APCM效率高，中等质量的高效率编码。 2．自适应差分PCM 应用： 多功能电话机的留言录音等短时间录音 不同磁带的固体录音机和向导广播 自动售货机 多媒体技术应用领域的CD-I中，也采用4～8位的ADPCM。 3.2.4 增量调制和自适应增量调制 增量调制（ΔM） Delta Modulation 是用一位二进制码表示相邻模拟抽样值相对大小的A/D转换方式 量化只限于正和负两个电平，只用一比特传输一个样值。 ΔM是增量调制方式的代号。 2．译码的基本思想 收到l码后产生一个正斜率电压，在TS=ΔT时间内均匀上升一个量阶， 收到一个0码产生一个负的斜变电压，在TS时间内均匀下降一个量阶 这样把二进制代码经过译码后变为锯齿波。 3．PCM和?M系统性能比较 传码率及信号带宽 量化信噪比 误码信噪比 设备复杂性 4．自适应增量调制（自适应ΔM） 是一种改进型的增量调制方式 它的量化级Δ随着音节时间间隔（5～20ms）中信号平均斜率而变化。这里的音节相当于语音浊音准周期信号的基音周期。 由于信号的平均斜率是根据检测码流中连“1”或连“0”的个数确定的，所以又称数字检测、连续可变斜率增量调制（CVSD），简称数字压扩增量调制。 4．自适应增量调制（自适应ΔM） 自适应ΔM与简单ΔM相比，编码器能正常工作的动态范围有很大提高，信噪比比简单ΔM优越。 这种优越性与两个参数有关， 数字检测的连码数m，其值越大，改善越大； 脉冲压缩比σ=Δ0/Δmax，其中Δmax为最大量化级，Δ0是最小量化级（无控制的），σ越小改善越大。 3.2.5 子带编码 SBC 是将一个短周期内的连续时间取样信号送入滤波器中，滤波器组将信号分成多个（最多32个）限带信号，以近似人耳的临界频段响应。 3.2.5 子带编码 由滤波器组的锐截止频率来仿效临界频段响应，并在带宽内限制量化噪声。 子带编码要求处理延迟必