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第4卷第2期2004年6月 长沙航空职业技术学院学报CHAN GSHA AERONAU TICAL VOCA TIONAL AND TECHN ICAL COLL EGE JOURNALVol.4No.2J un.2004收稿日期:2004-03-20作者简介:张晓婷(1964-),女,上海市人,讲师,主要从事计算机教学与研究。
数字音频技术(MP3)的压缩编码原理与制作方法张晓婷(珠海市工业学校,广东珠海 519015) 摘要:本文从音频压缩理论的角度,阐述MP3音频格式、压缩编码原理,同时介绍专业制作MP3的方法。
关键词:MP3音频格式;压缩编码原理;制作经验与技巧中图分类号:TN919.3+11 文献标识码:A 文章编号:1671-9654(2004)02-051-06Compression Coding Principle and F acture ofDigital Audio Frequency T echnique (MP 3)ZHAN G Xiao 2ting(Zhuhai Indust ry School ,Zhuhai Guangdong 519015) Abstract : From the perspective of Audio Compression Theory ,the paper discusses format of audio Frequency tech 2nique (MP3)and compression coding principle and also introduces the facture of audio Frequency technique (MP3). K ey w ords : Fomat of audio Frequency technique (MP3);compression coding principle ;facture 一、引言数字技术的出现与应用为人类带来了深远的影响,特别是互联网的普及,使数字音频技术得到更为广泛的应用,并具有良好的市场前景。
sbc编码压缩比随着数字通信技术的不断发展，数据压缩技术在通信领域中扮演着越来越重要的角色。
其中，SBC（Subband Coding）编码是一种高效的音频压缩编码技术。
本文将介绍SBC编码的压缩比原理、优缺点及提高压缩比的方法。
一、SBC编码简介SBC（Subband Coding）编码是一种子带编码技术，它将音频信号分解成多个子带，对每个子带分别进行编码。
SBC编码主要应用于低比特率音频压缩，能够实现较高的压缩比。
二、SBC编码压缩比原理SBC编码压缩比的实现主要依赖于两个方面：心理声学和子带处理。
心理声学模型根据人耳的听觉特性，对音频信号进行编码，有效地降低音频信号的冗余度。
子带处理则是对音频信号进行频段划分，对每个子带内的信号进行独立编码，从而实现更高的压缩比。
三、SBC编码压缩比的优缺点1.优点：（1）较高的压缩比：SBC编码能够有效地降低音频信号的冗余度，实现较高的压缩比。
（2）较好的音质：SBC编码在低比特率下具有较好的音质表现，能够满足低速率通信需求。
（3）兼容性：SBC编码适用于多种音频格式，如MP3、AAC等。
2.缺点：（1）复杂度较高：SBC编码需要对音频信号进行子带划分、心理声学模型处理等，计算复杂度较高。
（2）延迟：SBC编码的压缩和解压缩过程可能导致一定的延迟。
四、提高SBC编码压缩比的方法1.优化心理声学模型：通过改进心理声学模型，提高模型对音频信号的编码效率。
2.优化子带处理：对子带处理方法进行改进，提高每个子带的压缩效果。
3.适应性编码：根据音频信号的特点，自适应地调整编码参数，实现更高的压缩比。
五、总结SBC编码作为一种高效的音频压缩编码技术，在低比特率音频压缩领域具有广泛的应用。
通过优化心理声学模型和子带处理方法，可以进一步提高SBC 编码的压缩比，实现更好的音质和更高的压缩效率。
sip 语音编码标准
SIP（Session Initiation Protocol）是一种用于建立、修改和终止多媒体会话的协议，它不直接处理语音编码。
SIP通过使用各种媒体传输协议（如RTP）来传输音频、视频等媒体流，而这些协议支持多种语音编码标准。
在音频传输方面，常见的语音编码标准包括：
1. PCM（Pulse Code Modulation）：这是最基本的数字音频编码格式，
也称为线性PCM。
它以原始的模拟音频信号采样，每个样本以8位或16
位表示，采样率可以从32kHz到96kHz。
2. ：这是ITU-T制定的一种简单的音频压缩标准，用于电话通信。
它包括
两种压缩算法：μ-law和A-law，可以将一个样点的8位PCM信号压缩到
4位或5位。
3. ：这是一种更高效的语音压缩标准，主要用于VoIP和无线通信。
它可以将语音信号压缩到8kbit/s左右，同时保持良好的语音质量。
4. AMR（Adaptive Multi-Rate）：这是一种用于移动通信的语音压缩标准，可以根据不同的信道条件自适应地选择不同的编码速率。
5. EVRC（Enhanced Variable Rate Codec）：这是一种用于CDMA网络的语音压缩标准，可以在/s到/s的范围内自适应地选择编码速率。
这些语音编码标准都可以在SIP协议中使用，具体使用哪种标准取决于实际的应用场景和网络条件。
apco格式编码
APCO格式编码是一种用于数字音频的编码格式，主要用于数字音频广播和数字音频传输。
它是一种无损压缩格式，能够提供高质量的音频传输。
APCO格式编码采用了一种称为心理声学编码的原理，通过对人耳的听觉特性进行建模，来达到更高的压缩效率。
在压缩过程中，APCO格式编码器会分析音频信号中的时间域和频率域信息，并根据人耳对不同频率和动态范围的感知能力，对音频信号进行量化、编码和压缩。
APCO格式编码的特点是能够提供高质量的音频传输，同时具有较低的比特率和较高的压缩效率。
它支持多种音频采样率、比特率和通道数，可以根据不同的应用场景和需求进行选择。
APCO格式编码的应用范围非常广泛，包括数字音频广播、数字音频传输、音乐播放器、语音通话等。
由于其高质量的音频传输和高效的压缩效率，APCO格式编码已经成为数字音频领域中一种重要的编码格式。
编码和压缩是处理音频、视频和图像等多媒体数据时必不可少的技术。
通过编码，原始数据被转换成适合存储或传输的格式；而压缩则是为了减少数据量，以节省存储空间和加快传输速度。
在众多的编码及压缩标准中，有三大标准被广泛使用，它们分别是：JPEG、MPEG 和 H.264。
1.JPEG（Joint Photographic Experts Group）JPEG 是一种广泛应用于图像压缩的编码标准，它由联合摄影专家组开发。
JPEG 能够提供很好的压缩比例，同时保持较高的图像质量。
这使得JPEG 成为数字摄影、网页设计和许多其他应用的首选格式。
JPEG 支持多种颜色模式，包括 RGB、CMYK 和灰度。
此外，JPEG 还支持渐进式显示，即图像可以逐步加载，让用户在等待完整图像加载时可以看到低分辨率的预览。
JPEG 压缩算法基于离散余弦变换（DCT），通过量化和哈夫曼编码实现数据的压缩。
由于 JPEG 是有损压缩，因此在高压缩比下可能会出现图像质量的损失。
为了在保持较高图像质量的同时实现较大的压缩比，JPEG 提供了多种压缩级别供用户选择。
2.MPEG（Moving Picture Experts Group）MPEG 是一组用于音频和视频编码的标准，由动态图像专家组开发。
MPEG 标准包括多种类型，如 MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 等。
这些标准在不同的应用场景中有不同的特点和优势。
MPEG-1 主要用于 VCD 和 CD 的音视频编码，其视频编码分辨率较低，适用于较低的传输速率。
MPEG-2 则用于 DVD、数字电视和高清电视等领域，提供了更高的分辨率和更好的图像质量。
MPEG-4 是一种面向对象的编码标准，支持更多的交互功能，如虚拟现实、游戏等。
MPEG 编码算法基于运动补偿和离散余弦变换（DCT），通过帧间预测、运动估计和熵编码实现数据的压缩。
与 JPEG 类似，MPEG 也是有损压缩，但在保证一定图像质量的前提下，可以实现较高的压缩比。
音频压缩由编码和解码两个部分组成。
把波形文件里的数字音频数据转换为高度压缩的形式(称为比特流)即为编码；要解码则把比特流重建为波形文件。
音频压缩可以分为无损(lossless)压缩和有损压缩。
无损压缩就是尽量降低音频数据的冗余度，以减小其体积。
音频信号经过编码和解码之后，必须要和原来的信号一致。
无损压缩的压缩率是比较有限的，不过现在比较出色的APE能做到50%的压缩率(本人用Monkey's Audio 3.97，Extra High压缩模式下压缩WAV，压缩率最低能达到52%)；有损压缩就是用尽一切手段，包括无损压缩用到的方法，丢掉一切能丢掉的数据，以减小体积。
而音频压缩后解码听起来起码是要跟原来差不多的，有损压缩的压缩比能大幅提高，MP3就是属于有损压缩，压缩比是12:1(128kbps)。
MP3文件是由帧(frame)构成的，帧是MP3文件最小的组成单位。
什么是帧?还记得最初的动画是怎么做的吗?不同的连续画面切换以达到动态效果，每幅画面就是一个“帧”，不同的是MP3里面的帧记录的是音频数据而不是图形数据。
MP3的帧速度大概是30帧/秒。
每个帧又由帧头和帧数据组成，帧头记录着该帧的基本信息，包括位率索引和采样率索引(这对理解ABR和VBR编码方式很重要)。
帧数据，顾名思义就是记录着主体音频数据。
上面说的都是MP3编码的基础，但事实上，早期的编码器都非常不完善，压缩算法近于粗暴，音质很不理想。
MP3的音质达到现在的水平有两次飞跃:人体听觉心理学模型(Perceptual Model)的导入和VBR技术的应用。
◆人体听觉心理学模型下面将简要介绍一下几个重要原理:1) 最小听觉门槛判定(The minimal audition threshold)人耳的听力范围是20Hz-20k Hz的频率范围，但是人耳对不同的频率声音的灵敏度是不同的，不同频率的声音要达到能被人耳听到的水平所需要的强度是不一样。
音频编码标准发展历程及压缩技术优化音频编码是指将模拟音频信号转换为数字音频信号的过程，并将该信号压缩以减小存储空间或传输带宽的技术。
随着数字音频技术的快速发展，音频编码标准也不断演进和优化。
本文将介绍音频编码标准的发展历程以及针对压缩技术的优化方法。
1. 音频编码标准发展历程1.1 PCM编码PCM（脉冲编码调制）是最早应用于音频编码的技术之一。
它将每一秒钟的音频信号切分成多个等间隔的时刻，然后将每个时刻的音频幅度量化成一个数字数值。
PCM编码简单可靠，但由于其较高的数据量，无法满足对存储空间和传输带宽的要求。
1.2 MPEG音频编码标准MPEG（Moving Picture Experts Group）是一个制定视频和音频编码标准的国际组织。
MPEG音频编码标准包括MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4。
MPEG-1音频编码标准于1992年发布，它利用了感知编码原理，剔除了人耳听不到的音频信号，从而实现了高压缩比。
MPEG-2音频编码标准在MPEG-1的基础上进行了改进，增加了多通道音频编码功能。
MPEG-4音频编码标准则引入了更先进的压缩算法和多媒体功能。
1.3 其他音频编码标准除了MPEG音频编码标准，还有许多其他标准应用于不同领域，如AC-3（Dolby Digital）用于DVD和电视广播，AAC（Advanced Audio Coding）用于多媒体应用，FLAC（Free Lossless Audio Codec）用于无损音频压缩等。
2. 音频编码压缩技术优化2.1 感知编码感知编码是音频编码中常用的一种方法，它利用人耳对不同音频信号的听觉敏感度的不同，对音频信号进行剔除和量化，从而达到更高的压缩率。
感知编码技术基于声学模型，通过分析和模拟人耳对音频信号的感知特性，确定哪些信号对于人耳是不可察觉的，然后将这些信号从编码中排除。
2.2 预测编码预测编码是音频编码中的一种常见技术，它利用音频信号中的统计规律进行压缩。
数字音频压缩编码
一、 PCM脉冲编码调制
PCM 脉冲编码调制是Pulse Code Modulation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(adaptive difference pulse code modulation)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1 bit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（Subband Coding）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。
