现代导航信息系统第8章VDR

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波形编码的做法是先对声音波形进行采样，然后再进行量化、 编码。为减少声音信息的数据量，波形编码往往还采取相应的压缩 措施。 参数编码它是从声音信号中提取特征参数，然后在声音播放(还 原)时根据这些参数重建声音信号。它的压缩倍率很高，但重建的声 音质量很难满足高标准的要求。 混合编码把波形编码的高质量和参数编码的低数率结合在一 起，取得了较好的效果压缩。 对音频信号压缩编码大多采用PCM(Pulse Code Modulation)和 ADPCM(Adaptive Differential Pulse Code Modulation)方法。近 年来，混合编码也得到了一定应用。 四、常用的PCM, DPCM, ADPCM方法分析 〔一)PCM, DPCM, ADPCM工作原理 脉冲编码调制(PCM)简称脉码调制。PCM编码和解码的原理如图 4-3所示。
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由此看来，音频数字化以后，占用了很大的存贮空间，所以十 分有必要对它们进行压缩。
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二、音频数字化过程分析
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图4-1音频信号的数字化过程图 模拟信号输入计算机，计算机以固定的时间间隔对波形的值进 行抽取，使连续的波形声音xo (r)变成一个离散的序列x(的(模拟信 号)，经量化器把每一个样本值x(n)从模拟量转变成数字量x(n) ,最 后经过编码把数字量x(n)转化成二进制形式的数字化声音进行存贮、 传输和处理。 从声音数字化过程看，在采样频率一定时，能产生冗余的过程 主要是量化和编码。量化产生冗余的原因主要量化电平相对比较 高，如果能使量化电平降低，那么量化数字就会变小，进行二进制 编码的bit数就会减小。编码产生冗余原因是编码是以平均码长对量 化数据进行编码的，使得编码效率不高。
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式中Xmax是X(n)的最大限幅值，A=87.56。欧洲和中国采用A 率，国际通信中一致采用A率。 为了降低采用PCM编码的数字化声音信息的数据量，一种改进方 法是差分脉码调制(DPCM, Differential Pulse Code Modulation)。 它是利用信号的相关性对未来样本进行预测，然后把X(n)值与预测 值ˇ X (n)的差d(n)进行量化。由于d(n)的幅值远小于X(n)，因此 所需要的量化电平数可以减少，从而编码数据量得到压缩。 对于DPCM，线性预测是关键，线性预测是用前面的样值S1 、 S2, 、 S3 ...… Sn，来预测下一个样值So ，它的基本问题是: 已知时序样值集S1 、 S2, 、 S3 ...… Sn 和实际值So ，设预测值为 ，则
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对于声音来说，人在说话时，其发声的音频是一连续和渐变的 过程，而不是一个完全的时间上独立的过程，前后信号之间存在相 关，去除相关便可以降低量化电平。在编码时用变长码代替等长码 也是可行的.因此对数字声音信号进行压缩是完全可行的。特别是去 除信号之间的相关性，对声音压缩是很有潜力的，去除信号之间相 关性虽会产生失真，考虑到人的听觉特性，丢失一些人的感觉不敏 感的内容，不会影响人对声音信息的接受。 三、声音信息压编的方法分类 常用的声音信息编码主要波形编码、参数编码和混合编三种， 如图4-2: 声音信息压缩编码分类图
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2007级海事管理专业本科生课程 武 汉 理 工 大 学
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第八章 船载航行数据记录仪（VDR）
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得到预测误差信号d(n)，d(n)经量化编码后即产生ADPCM码C(n)输出。
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为了使量化器能适应各种不同统计特性的声音信号，ADPCM要检测差 分信号的变化率和差分信号幅度的大小，自动改变自适应速度参数来控 制量化器的量阶大小，同时也控制自适应预测器的工作。自适应预测器 主要用来改善预测非平稳信号的性能，自适应预测器采用6阶零点预测和 两阶极点预测。即:
武 汉 对数变换使脉冲信号在经过均匀量化后相对量化误差都比较相近。 理 实际使用时采用下面两种对数函数。 工 1、μ率压缩 大 学 ㏑ ︱X(n) ︳
式中Xmax是X(n)的最大限幅值， μ=255。美国、日本等多采用μ率。
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2. A率压缩
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现 如求得系数a1,a2,a3,... an，使得预测误差 的均方差 代 最小，即得最佳预测系数。 导 在DPCM中，通常假设输入信号非常稳定，预测系数固定，但实际输 航 信 入声音信号远非平稳，此时DPCM的信噪比大大降低。解决这个问题的方 息 法是在DPCM中加入自适应的方法，使之构成自适应差分脉码调制(ADPCM). 如图4-4是CCITT1988G721建议的ADPCM编码器原理图，编码器的输入 武 系 统 信号为PCM码C’(n)，经转换成线性码X(n)，然后与预测信号 (n)相减后 汉
4.1 数字音频的压缩方法探讨 一、对数字音频进行压缩的原因 数字音频信号的数据量是非常大的，不经过压缩的数字化音频 的数据量可由下列公式计算:
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式中各符号的含义为: V 存贮量(KB) fc 采样频率(KHz) B 量化的位数(bit) S 声道数量(单声道、双声道、多声道) T 采样时间〔秒) 声音存贮量的大小与所需声音质量(采样频率、量化的位数、声 道数量)有关，质量越高，存贮量也越大。一分钟单声道音乐片段需 要的存贮空间如下表所示。
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声音波形信号Xa(t)经采样处理后，变为一系列离散的脉冲调幅 信号X(n)。为了压缩编码数据率， X(n)要进行变换。经变换后的脉 冲信号Y(n)，送入一个线性编码器，这样每一脉冲用一组二进制代 码代表示。PCM 解码过程则是上述过程的逆过程。 为了提高声音信息的信噪比，将变为Y(n)，最终有效的方 法是对数变换，即 Y(n)=
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第四章声音的处理
船舶驾驶人员指挥口令、VHF对话等都是船舶驾驶过程中的重要 语音信息，获取这些语音信息对分析船舶运行过程具有十分重要的 作用。但声音文件都非常大，为了满足IEC标准规范n0 61996连续存 贮12小时的要求，必须通过压缩方法解决声音文件非常大与存贮介 质容量有限的矛盾。本章重点探讨了声音文件压缩的理论方法，同 时也实现了对输入的声音录制和播放问题。
式中ai(n - i)和bi(n-i)为根据输入信号性质自动调整的预测系数。 由于ADPCM压缩编码方案信噪比高，数据压缩倍可达2倍至4倍，因此 多媒体计算机所获取的声音信息大都采用此种压缩方法。 (一) PCM, DPCM, ADPCM分析 从PCM, DPCM, ADPCM工作原理可以得出: l.PCM方法产生原始模拟信号的数字表示，而其它编码方法则减小这个数 字表示的冗余信息。预测编码的主要缺点是对统计特性变化敏感，也 对传输误差敏感。单个比特的误码可以造成大面积失真。预测编码却 胡 卫 具有硬件实现容易，重建质量好的优点。