PCM編碼及其技術(shù)

PCM編碼及其技術(shù)出處：依馬獅網(wǎng)作者：煙臺(tái)人民廣播電臺(tái)王紅吳純杰趙曉鵬王淑蓉責(zé)任編輯：日期：2006-10-3110:15:25所屬期刊：200610

PCM脈沖編碼調(diào)制是PulseCodeModulation的縮寫。PCM編碼廣泛應(yīng)用于數(shù)字音頻信號(hào)的處理，它的最大的優(yōu)點(diǎn)就是音質(zhì)好，最大的缺點(diǎn)就是體積大。一.編碼過(guò)程

模擬信號(hào)數(shù)字化必須經(jīng)過(guò)三個(gè)過(guò)程，即抽樣、量化和編碼，以實(shí)現(xiàn)話音數(shù)字化的脈沖編碼調(diào)制（PCM，PulseCodingModulation）技術(shù)。

1.抽樣(Samping)

抽樣是把模擬信號(hào)以其信號(hào)帶寬2倍以上的頻率提取樣值，變?yōu)樵跁r(shí)間軸上離散的抽樣信號(hào)的過(guò)程。例如，話音信號(hào)帶寬被限制在0.3～3.4kHz內(nèi)，用8kHz的抽樣頻率（fs），就可獲得能取代原來(lái)連續(xù)話音信號(hào)的抽樣信號(hào)。對(duì)一個(gè)正弦信號(hào)進(jìn)行抽樣獲得的抽樣信號(hào)是一個(gè)脈沖幅度調(diào)制（PAM）信號(hào)，如下圖對(duì)模擬正弦信號(hào)的抽樣所示。對(duì)抽樣信號(hào)進(jìn)行檢波和平滑濾波，即可還原出原來(lái)的模擬信號(hào)。

2.量化（quantizing）

抽樣信號(hào)雖然是時(shí)間軸上離散的信號(hào)，但仍然是模擬信號(hào)，其樣值在一定的取值范圍內(nèi)，可有無(wú)限多個(gè)值。顯然，對(duì)無(wú)限個(gè)樣值一一給出數(shù)字碼組來(lái)對(duì)應(yīng)是不可能的。為了實(shí)現(xiàn)以數(shù)字碼表示樣值，必須采用“四舍五入”的方法把樣值分級(jí)“取整”，使一定取值范圍內(nèi)的樣值由無(wú)限多個(gè)值變?yōu)橛邢迋€(gè)值。這一過(guò)程稱為量化。

量化后的抽樣信號(hào)與量化前的抽樣信號(hào)相比較，當(dāng)然有所失真，且不再是模擬信號(hào)。這種量化失真在接收端還原模擬信號(hào)時(shí)表現(xiàn)為噪聲，并稱為量化噪聲。量化噪聲的大小取決于把樣值分級(jí)“取整”的方式，分的級(jí)數(shù)越多，即量化級(jí)差或間隔越小，量化噪聲也越小。

3.編碼（Coding）

量化后的抽樣信號(hào)在一定的取值范圍內(nèi)僅有有限個(gè)可取的樣值，且信號(hào)正、負(fù)幅度分布的對(duì)稱性使正、負(fù)樣值的個(gè)數(shù)相等，正、負(fù)向的量化級(jí)對(duì)稱分布。若將有限個(gè)量化樣值的絕對(duì)值從小到大依次排列，并對(duì)應(yīng)地依次賦予一個(gè)十進(jìn)制數(shù)字代碼（例如，賦予樣值0的十進(jìn)制數(shù)字代碼為0），在碼前以“＋”、“－”號(hào)為前綴，來(lái)區(qū)分樣值的正、負(fù)，則量化后的抽樣信號(hào)就轉(zhuǎn)化為按抽樣時(shí)序排列的一串十進(jìn)制數(shù)字碼流，即十進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。簡(jiǎn)單高效的數(shù)據(jù)系統(tǒng)是二進(jìn)制碼系統(tǒng)，因此，應(yīng)將十進(jìn)制數(shù)字代碼變換成二進(jìn)制編碼。根據(jù)十進(jìn)制數(shù)字代碼的總個(gè)數(shù)，可以確定所需二進(jìn)制編碼的位數(shù)，即字長(zhǎng)。這種把量化的抽樣信號(hào)變換成給定字長(zhǎng)的二進(jìn)制碼流的過(guò)程稱為編碼。

話音PCM的抽樣頻率為8kHz，每個(gè)量化樣值對(duì)應(yīng)一個(gè)8位二進(jìn)制碼，故話音數(shù)字編碼信號(hào)的速率為8bits×8kHz＝64kb/s。量化噪聲隨量化級(jí)數(shù)的增多和級(jí)差的縮小而減小。量化級(jí)數(shù)增多即樣值個(gè)數(shù)增多，就要求更長(zhǎng)的二進(jìn)制編碼。因此，量化噪聲隨二進(jìn)制編碼的位數(shù)增多而減小，即隨數(shù)字編碼信號(hào)的速率提高而減小。自然界中的聲音非常復(fù)雜，波形極其復(fù)雜，通常我們采用的是脈沖代碼調(diào)制編碼，即PCM編碼。PCM通過(guò)抽樣、量化、編碼三個(gè)步驟將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼。二.編碼實(shí)現(xiàn)

1.采樣率和采樣大小（位/bit）。

聲音其實(shí)是一種能量波，因此也有頻率和振幅的特征，頻率對(duì)應(yīng)于時(shí)間軸線，振幅對(duì)應(yīng)于電平軸線。波是無(wú)限光滑的，弦線可以看成由無(wú)數(shù)點(diǎn)組成，由于存儲(chǔ)空間是相對(duì)有限的，數(shù)字編碼過(guò)程中，必須對(duì)弦線的點(diǎn)進(jìn)行采樣。采樣的過(guò)程就是抽取某點(diǎn)的頻率值，很顯然，在一秒中內(nèi)抽取的點(diǎn)越多，獲取得頻率信息更豐富，為了復(fù)原波形，一次振動(dòng)中，必須有2個(gè)點(diǎn)的采樣，人耳能夠感覺(jué)到的最高頻率為20kHz，因此要滿足人耳的聽(tīng)覺(jué)要求，則需要至少每秒進(jìn)行40k次采樣，用40kHz表達(dá)，這個(gè)40kHz就是采樣率。我們常見(jiàn)的CD，采樣率為44.1kHz。光有頻率信息是不夠的，我們還必須獲得該頻率的能量值并量化，用于表示信號(hào)強(qiáng)度。量化電平數(shù)為2的整數(shù)次冪，我們常見(jiàn)的CD位16bit的采樣大小，即2的16次方。采樣大小相對(duì)采樣率更難理解，因?yàn)橐@得抽象點(diǎn)，舉個(gè)簡(jiǎn)單例子：假設(shè)對(duì)一個(gè)波進(jìn)行8次采樣，采樣點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的能量值分別為A1-A8，但我們只使用2bit的采樣大小，結(jié)果我們只能保留A1-A8中4個(gè)點(diǎn)的值而舍棄另外4個(gè)。如果我們進(jìn)行3bit的采樣大小，則剛好記錄下8個(gè)點(diǎn)的所有信息。采樣率和采樣大小的值越大，記錄的波形更接近原始信號(hào)。

2.損和無(wú)損

根據(jù)采樣率和采樣大小可以得知，相對(duì)自然界的信號(hào)，音頻編碼最多只能做到無(wú)限接近，至少目前的技術(shù)只能這樣了，相對(duì)自然界的信號(hào)，任何數(shù)字音頻編碼方案都是有損的，因?yàn)闊o(wú)法完全還原。在計(jì)算機(jī)應(yīng)用中，能夠達(dá)到最高保真水平的就是PCM編碼，被廣泛用于素材保存及音樂(lè)欣賞，CD、DVD以及我們常見(jiàn)的WAV文件中均有應(yīng)用。因此，PCM約定俗成了無(wú)損編碼，因?yàn)镻CM代表了數(shù)字音頻中最佳的保真水準(zhǔn)，并不意味著PCM就能夠確保信號(hào)絕對(duì)保真，PCM也只能做到最大程度的無(wú)限接近。我們而習(xí)慣性的把MP3列入有損音頻編碼范疇，是相對(duì)PCM編碼的。強(qiáng)調(diào)編碼的相對(duì)性的有損和無(wú)損，是為了告訴大家，要做到真正的無(wú)損是困難的，就像用數(shù)字去表達(dá)圓周率，不管精度多高，也只是無(wú)限接近，而不是真正等于圓周率的值。

3.使用音頻壓縮技術(shù)

要算一個(gè)PCM音頻流的碼率是一件很輕松的事情，采樣率值×采樣大小值×聲道數(shù)bps。一個(gè)采樣率為44.1KHz，采樣大小為16bit，雙聲道的PCM編碼的WAV文件，它的數(shù)據(jù)速率則為44.1K×16×2=1411.2Kb/s。我們常說(shuō)128K的MP3，對(duì)應(yīng)的WAV的參數(shù)，就是這個(gè)1411.2Kb/s，這個(gè)參數(shù)也被稱為數(shù)據(jù)帶寬，它和ADSL中的帶寬是一個(gè)概念。將碼率除以8,就可以得到這個(gè)WAV的數(shù)據(jù)速率，即176.4Kb/s。這表示存儲(chǔ)一秒鐘采樣率為44.1KHz，采樣大小為16bit，雙聲道的PCM編碼的音頻信號(hào)，需要176.4KB的空間，1分鐘則約為10.34M，這對(duì)大部分用戶是不可接受的，尤其是喜歡在電腦上聽(tīng)音樂(lè)的朋友，要降低磁盤占用，只有2種方法，降低采樣指標(biāo)或者壓縮。降低指標(biāo)是不可取的，因此專家們研發(fā)了各種壓縮方案。由于用途和針對(duì)的目標(biāo)市場(chǎng)不一樣，各種音頻壓縮編碼所達(dá)到的音質(zhì)和壓縮比都不一樣，在后面的文章中我們都會(huì)一一提到。有一點(diǎn)是可以肯定的，他們都?jí)嚎s過(guò)。

4.頻率與采樣率的關(guān)系

采樣率表示了每秒對(duì)原始信號(hào)采樣的次數(shù)，我們常見(jiàn)到的音頻文件采樣率多為44.1KHz，這意味著什么呢？假設(shè)我們有2段正弦波信號(hào)，分別為20Hz和20KHz，長(zhǎng)度均為一秒鐘，以對(duì)應(yīng)我們能聽(tīng)到的最低頻和最高頻，分別對(duì)這兩段信號(hào)進(jìn)行40KHz的采樣，我們可以得到一個(gè)什么樣的結(jié)果呢？結(jié)果是：20Hz的信號(hào)每次振動(dòng)被采樣了40K/20=2000次，而20K的信號(hào)每次振動(dòng)只有2次采樣。顯然，在相同的采樣率下，記錄低頻的信息遠(yuǎn)比高頻的詳細(xì)。這也是為什么有些音響發(fā)燒友指責(zé)CD有數(shù)碼聲不夠真實(shí)的原因，CD的44.1KHz采樣也無(wú)法保證高頻信號(hào)被較好記錄。要較好的記錄高頻信號(hào)，看來(lái)需要更高的采樣率，于是有些朋友在捕捉CD音軌的時(shí)候使用48KHz的采樣率，這是不可取的！這其實(shí)對(duì)音質(zhì)沒(méi)有任何好處，對(duì)抓軌軟件來(lái)說(shuō)，保持和CD提供的44.1KHz一樣的采樣率才是最佳音質(zhì)的保證之一，而不是去提高它。較高的采樣率只有相對(duì)模擬信號(hào)的時(shí)候才有用，如果被采樣的信