PCM-audiocodering

Pulscodemodulatie PCM is een afkorting voor Pulscodemodulatie.

Pulscodemodulatie is een van de coderingsmethoden van digitale communicatie. Het belangrijkste proces is om de spraak-, beeld- en andere analoge signalen met regelmatige tussenpozen te samplen om ze te discretiseren, en tegelijkertijd wordt de gesamplede waarde afgerond en gekwantiseerd volgens de hiërarchische eenheid, en de gesamplede waarde wordt weergegeven door een set. van binaire codes waarde.

Principes van spraakcodering
Iedereen met enige elektronische achtergrond weet dat het door de sensor verzamelde audiosignaal een analoge hoeveelheid is, en dat wat we in het eigenlijke transmissieproces gebruiken een digitale hoeveelheid is. En dit omvat het proces van het omzetten van analoog naar digitaal. En de digitalisering van analoge signalen moet drie processen doorlopen, namelijk bemonstering, kwantisering en codering, om de pulscodemodulatie (PCM, pulscodemodulatie) technologie van spraakdigitalisering te realiseren.

Converteer analoog signaal naar digitaal signaal
bemonstering
Sampling is het proces waarbij monsterwaarden worden geëxtraheerd uit een analoog signaal met een frequentie die twee keer of meer van de signaalbandbreedte is en dit wordt gewijzigd in een discreet gesampled signaal op de tijdas.

Sampling rate (sample): Het aantal samples per seconde geëxtraheerd uit een continu signaal om een ​​discreet signaal te vormen, uitgedrukt in Hertz (Hz).

Voorbeeld: bijvoorbeeld
de samplefrequentie van het audiosignaal is 8000 Hz.
Het is duidelijk dat de curve van de spanningsverandering met de tijd die overeenkomt met de bemonstering in de bovenstaande afbeelding 1 seconde is, dus de volgende 1 2 3 … 10 moeten 1-8000 punten hebben, dat wil zeggen, 1 seconde is verdeeld in 8000 delen, en op zijn beurt genomen De spanningswaarde die overeenkomt met de tijd van 8000 punten.

kwantiseren
Hoewel het gesamplede signaal een discreet signaal op de tijdas is, is het nog steeds een analoog signaal en ligt de gesamplede waarde binnen een bepaald waardenbereik en kan een oneindig aantal waarden hebben. Het is duidelijk dat het onmogelijk is om een ​​groep digitale code te geven die overeenkomt met een oneindig aantal monsters één voor één. Om de steekproefwaarde door een digitale code uit te drukken, moet de “afrondingsmethode” worden gebruikt om de steekproefwaarde naar graad “naar boven af ​​te ronden”, zodat de steekproefwaarde binnen een bepaald waardenbereik kan worden gewijzigd van een oneindig aantal waarden. tot een eindig aantal waarden. Dit proces wordt kwantisatie genoemd.

Vergeleken met het bemonsterde signaal vóór kwantisatie, is het gekwantiseerde bemonsterde signaal natuurlijk vervormd en is het niet langer een analoog signaal. Deze kwantiseringsvervorming verschijnt als ruis wanneer het analoge signaal aan de ontvangende kant wordt hersteld en wordt kwantiseringsruis genoemd. De grootte van de kwantiseringsruis hangt af van hoe u de samplewaarde “afrondt”.

Sampling bits: verwijst naar het aantal bits dat wordt gebruikt om het digitale signaal te beschrijven.
8 bits (8 bits) vertegenwoordigen 2 tot de 8e macht = 256, en 16 bits (16 bits) vertegenwoordigen 2 tot de 16e macht = 65536; hoe hoger het bemonsteringsgetal, hoe hoger de precisie.

Het aantal samples wordt hier aangegeven om de minimale scheiding tussen analoge signalen te beschrijven.
Ervan uitgaande dat ons bemonsteringsnummer 8 is en het bereik van het analoge signaal 2, 0 is, dan is het minimuminterval tussen digitale signalen 2/2^8 = 2/256 = 1/128;
op dezelfde manier is het monsternummer 16, dus het minimale interval tussen digitale signalen is 2/256/256=1/(128*256)

Bijvoorbeeld
, het spanningsbereik dat door de audiosensor wordt verzameld, is 0-3,3 V en het bemonsteringsnummer is 8 bit (bit)
, dat wil zeggen, we nemen 3,3 V / 2 ^ 8 = 0,0128 als kwantisatieprecisie.
We verdelen 3,3v in 0,0128 als de Y-asstap, zoals weergegeven in figuur 3, 1 2 … 8 wordt 0 0,0128 0,0256 … 3,3 V. Door
De spanningswaarde van een bemonsteringspunt is bijvoorbeeld 1,652V (128 * 0,128 en 129 * 0,128), we ronden deze af op 1,65V, wat overeenkomt met een kwantisatieniveau van 128.

Audiocoderingsformaat deel 2

In 1950 vroeg Bell Labs een patent aan op Differential Pulse Code Modulation (DPCM). In 1973 introduceerden P. Cummiskey, Nikil S. Jayant en James L. Flanagan van Bell Labs Adaptive DPCM (ADPCM).

Perceptuele codering werd voor het eerst gebruikt voor compressie van spraakcodering met lineaire voorspellende codering (LPC). Het oorspronkelijke concept van LPC dateert uit het werk van Fumitada Itakura (Nagoya University) en Saito Saito (Telegraph and Telephone in Japan) in 1966. In de jaren zeventig ontwikkelden Bishnu S. Atal en Manfred R. Schroeder van Bell Labs een vorm van adaptieve voorspellende codering (APC) genaamd LPC, een perceptueel coderingsalgoritme dat gebruikmaakte van de maskerende eigenschappen van het menselijk oor, en later in 1980 verscheen het Code Excited Linear Prediction (CELP)-algoritme in het begin van de jaren negentig, dat destijds opmerkelijke compressiesnelheden bereikte . Perceptuele codering wordt gebruikt door moderne audiocompressieformaten zoals MP3 en AAC.

Discrete Cosine Transform (DCT) door Nasir Ahmed, T. Ontwikkeld door Natarajan en KR Rao in 1974, vormt de basis voor de Modified Discrete Cosine Transform (MDCT) die wordt gebruikt door moderne audiocompressieformaten zoals MP3 en AAC. TCMD door JP Princen, A.W. Johnson en AB Bradley in 1987, volgend op eerder werk van Princen en Bradley in 1986. MDCT wordt gebruikt door moderne audiocompressieformaten zoals Dolby Digital, MP3 en Advanced Audio Coding (AAC).

lijst met formaten met verlies
algemeen
Audio Coding Standard Basic Compression Algorithm afkorting introductie Marktaandeel (2019) Verwijzen naar:
Gemodificeerde discrete cosinustransformatie (MDCT) Dolby Digital (AC-3) AC3 1991 58%
ATRAC 1992 Onbekend Adaptive Transformation Vocoding
MPEG-laag 3 MP3 1993 49%
Geavanceerde audiocodering (MPEG-2/MPEG-4) CAA 1997 88%
Windows Media Audio WMA 1999 onbekend
Ogg Vorbis-vijzel 2000 7%
Celtic Restricted Power Overlay Transformation 2011 is niet van toepassing
werk werk 2012 8%
digitaal naar analoog converter digitaal naar analoog converter 2015 onbekend
Adaptieve differentiële pulscodemodulatie (ADPCM) aptX / aptX-HD aptX 1989 onbekend
DTS digitaal bioscoopsysteem 1990 14%
Master of Quality Certification Quality Management Association 2014 onbekend
Subbandcodering (SBC) Audiolaag MPEG-1 II MP2 1993 onbekend
musepack MPC 1997
praat
Nadere informatie: Spraakcodering
Lineaire voorspellende codering (LPC)
Adaptieve voorspellende codering (APC)
Code opgewonden lineaire voorspelling (CELP)
Algebraïsche code opgewonden lineaire voorspelling (ACELP)
Ontspanningscode opgewonden lineaire voorspelling (RCELP)
Lage latentie CELP (LD-CELP)
Adaptief Multitarief (voor GSM en 3GPP)
Codec2 (beroemd vanwege het ontbreken van patentbeperkingen)
Speex (beroemd vanwege het ontbreken van octrooibeperkingen)
Gemodificeerde discrete cosinustransformatie (MDCT)
AAC-LD
Contrained Energy Superposition Transformation (CELT)
Opus (voornamelijk voor realtime toepassingen)