PCM的A律13折线编码

1、PCM的A律13折线编码（G.711）ITU-T建议G.711是最早公布的语音编码标准（1972年）,它规定了 A律13 折线和卩律15折线PCM编码的两种方案，以A律13折线为主。其MOS平分 为4.7分。中国、欧洲采用A律13折线编码，北美、日本采用卩律15折线编码。 其归一化的压缩特性表示式详见下图 0。图0:归一化的压缩A特性和卩特性表示式上述式中：x为归一化的输入；y为归一化的输出，0wy 1; A、卩为压缩系数。 13折线A律与15折线卩律两种PCM编码方案在原理上大同小异，这里重点介 绍A律13折线编码。、13析线什么是13折线？为什么用13折线？为了弄清这个问题，首先介绍13折

2、线是怎样得来的。13折线是从“不均匀量化”的基点出发，设法用许多折线（13 条折线）来逼近A律对数压扩特性。设在直角坐标系中，x轴和y轴分别表示输 入信号和输出信号，并且假定输入信号和输出信号的最大取值范围都是-1 +1，即都是归一化的。现在将x轴的区间（0, 1）不均匀地分成8段，分段的规律是 每次二分之一取段，即首先以1/21为一段；再将余下的01/2平分，取1/41/2 为一段；再将余下的01/4平分，取1/81/4;以此类推；这样一直平分下去， 直到分成8段为止。如图1所示。由图可见，这8段的长度由小到大依次为1/128、 1/128、1/64、1/32、1/16、1/8、1/4和1/

3、2。其中第一段和第二段长度相等，都是 1/128。上述8段之中，每一段都要再均匀地分成16等份。每一等份就是一个量 化级。应该注意的是，在每一段之内，这些等份之间长度是相等的，但是，在不 同的段内，这些等份（即量化级）是不同的。因此，输入信号的取值范围01之间总共被划分为16X 8=128个不均匀的量化级。可见，用这种分段方法就对输 入信号形成了一种不均匀量化分级，它对小信号的量化分级分得细，最小量化分 级，即第一和第二两段的量化分级为（1/16） X （1/128）=1/2048；而对大信号的量化 分级分得粗，最大量化分级为（1/2） X （1/16）=1/32。对y轴则分为均匀的8段。y轴

4、的每一段再均匀地分为16等份，每一等份就 是一个量化级。这样，y轴的取值区间（0，1）就被分为128个均匀量化级，每个 量化级都是1/12 8。图1: x轴分成不均匀的8段示意图将x轴的8段和y轴的8段各相应段的交点连接起来，于是就得到由八段直 线组成的折线。由于把y轴均匀分为八段，每段长度为1/8,而x轴是不均匀分 为八段，各段长度不同，因此，可以分别求出八段直线的斜率分别详见下表1。表1:八段直线的斜率可见，第一、第二两段直线的斜率相等，因此，可将这两段直线看成一条直 线，实际上，得到了七条不同斜率的直线组成的折线。 以上所分析的是正方向的 情况。由于输入信号通常有正负两个极性， 因此，在

5、负方向也应该有与正方向对 称的一组折线段。因为正方向的第一、第二两段与负方向的第一、第二两段具有 相同的斜率，于是就可以将这四段直线连成一条直线， 因此，正、负方向总共得 到13段直线，由这13段直线组成的折线称为13折线，如图2所示。图2： 13折线由图2可见，第一、第二两段斜率最大，越往后斜率越小，因此， 13折线是 逼近对数曲线的，具有压扩作用。由 A特性的表示式可知，当x较大时，即当 1/A x 1时，y与x是对数关系；而当x较小时，即当OW x1/A时，y与x是 线性关系，此时斜率即为A/(1+1gA)。由于已知第一、第二两段的斜率为16,于 是由tan a= tan 2a A/(1

6、+1gA)=16。可以求得 A=87.6。因此，这种特性也称为 A=87.6的13折线压扩特性，简称为A律13折线压扩特性。由图2还可看出，压缩和量化是同时结合进行的，即用不均匀量化的方法实 现了压缩的目的，在量化的同时就进行了压缩。此外，经过13折线的变换关系之后，将输入信号量化为总共2X128=256个离散状态(即量化级)，因而可以用 8位二进制码直接加以表示。所以，从原理上讲，采用13折线压扩方法，在发送端可将输入信号直接转换为相应的编码信号，而在接收端也可以直接译码。现在再来回答为什么用13折线的问题。所以采用13折线，是因为它可以提 高小信号的量化信噪比。采用13折线压扩律对于小信号

7、量化信噪比有多大提 高？下面简要加以分析。在对输入信号x进行均匀量化时，设对x的正区间(0，1)量化为2048个量化 级，每个量化级差为1/2048,此时小信号的量化级差与大信号一样， 都是1/2048。 由n=log2M可求得，此时编码需要的位数 n=log22048=11。也就是说，均匀分为 2048个量化级时，需要用11位二进制码进行编码。而在13折线中，由于采用 不均匀量化，当保证小信号(即第一、二两段)的量化误差为1/2048时，只需将x的区间(0，1)分为128个量化级。由n =log?M=log2128=7,可见，此时只需 编码为7位码即可。由此可知，13折线的非均匀量化的7位码

8、相当于均匀量化 的11位码。通过下面的简单计算，可以求得与均匀量化相比13折线对于小信号的量化信噪比改善了多少。若按均匀量化方法将x轴的(0， 1)区间分成8段128个均 匀量化级，则量化误差 =1/(8X 16)=1/128,各段量化级差一样，大信号和小信 号一样对待，其最大量化误差都是 /2,即1/256。若按13折线压扩律对x轴的 (0, 1)区间进行不均匀量化，将其分为8段128个不均匀的量化级，则小信号(即 第一、二段)的量化级差为1/2048,其最大量化误差为 /2=1/4096。由此可以 求得：均匀量化时，量化信噪比 SQNR1=20 1g (S/N”=20 1g (S/(1/2

9、56);13折线非均匀量化时，量化信噪比SQNR2= 20 1g (S/N2) = 20 1g (S/(1/4096);13折线非均匀量化与均匀量化相比，对于小信号信噪比的提高量为20 1g= （4096S/256S） = 20 1g 16 = 24 （dB）二、折线编码的码型常用的二进制编码的码型主要有普通的自然二进码和折叠二进码两种，如表2所示。在表中是以由4位码组成的码组为例。表2：自然二进码折叠二进码自然二进码的上下两部分没有对称性， 对于绝对值相同的正负两个值的编码 没有相同之处，不能简化双极性信号的编码过程。此外，当传输中因干扰产生错码时，自然二进码误差比较大。例如，若由“ 011

10、T错为“ 111T时，其信号的 量化级就由7级错为15级；若由“ 000T错为“ 1001 ”时，其信号量化级就由 1级错为9级；等。可见，自然二进码产生错码时对大信号和小信号的影响都较 大。由于上述原因，虽然自然二进码具有编码直观等优点，但是PCM的编码码型一般不用自然二进码。折叠二进码的情况就不同了。这种码型不但适合于双极性信号的编码，而且 其传输错码对于小信号的影响较小。例如，若“ 0000”错为“1000”时，信号由 8级错为7级；当然，若“ 0111”错为“ 1111 ”时，则信号由0级错为15级，即 错码对于大信号的影响更大。但是，由于小信号出现的概率比大信号出现的概率 大得多，所以，采用折叠二进码对于提高语音信号的质量有利。由于这种原因， PCM的编码码型一般米用折叠二进码。三、13折线编码的码位安排PCM的A律13折线编码的码组一般由8位码组成，其码组中的码位安排如 表3所示。其码位安排的规律，由高位到低位依次是极性码（1位）、段落码（3 位）、段内码（4位），段内码又称为电平码。表3: 13折线编码的码位安排1）极性码。1位极性码有“ 1”、“0”两种状态，正好分别代表信号的正负两 种极性。2）段落码。在13折线编码中，压扩特性一共分为13段直线，正极性方向