常用音频协议介绍

蓝皮鼠 蓝皮鼠 | 129 | 2022-07-04

一、数字化音频原理

声音其实是一种能量波,因此也有频率和振幅的特征,频率对应于时间轴线,振幅对应于电平轴线。通常人耳可以听到的频率在20Hz到20KHz的声波称为为可听声,低于20Hz的成为次声,高于20KHz的为超声,多媒体技术中只研究可听声部分。
可听声中,话音信号的频段在80Hz到3400Hz之间,音乐信号的频段在20Hz-20kHz之间,语音(话音)和音乐是多媒体技术重点处理的对象。
由于模拟声音在时间上是连续的,麦克风采集的声音信号还需要经过数字化处理后才能由计算机处理。通常我们采用PCM编码(脉冲代码调制编码),即通过采样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。

1、采样

采样,就是每隔一段时间间隔读一次声音的幅度。单位时间内采样的次数称为采样频率。显然采样频率越高,所得到的离散幅值的数据点就越逼近于连续的模拟音频信号曲线,同时采样的数据量也越大。
为了保证数字化的音频能够准确(可逆)地还原成模拟音频进行输出,采样定理要求:采样频率必须大于等于模拟信号频谱中的最高频率的2倍。
常用的音频采样率有:8kHz、11.025kHz、22.05kHz、16kHz、37.8kHz、44.1kHz、48kHz。
例如:话音信号频率在0.3~3.4kHz范围内,用8kHz的抽样频率(fs),就可获得能取代原来连续话音信号的抽样信号,而一般CD采集采样频率为44.1kHz。

2、量化

量化,就是把采样得到的声音信号幅度转换成数字值,用于表示信号强度。
量化精度:用多少个二进位来表示每一个采样值,也称为量化位数。声音信号的量化位数一般是 4,6,8,12或16 bits 。
由采样频率和量化精度可以知道,相对自然界的信号,音频编码最多只能做到无限接近,在计算机应用中,能够达到最高保真水平的就是PCM编码,通常PCM约定俗成了无损编码。

3、编码

一个采样率为44.1kHz,量化精度为16bit,双声道的PCM编码输出,它的数据速率则为 44.1K×16×2 =1411.2 Kbps,存储一秒钟需要176.4KB的空间,1分钟则约为10.34M,因此,为了降低传输或存储的费用,就必须对数字音频信号进行编码压缩。
到目前为止,音频信号经压缩后的数码率降低到32至256kbit/s,语音可以低至8kbit/s以下。
对数字音频信息的编码进行压缩的目的是在不影响人们使用的情况下使数字音频信息的数据量最少。通常用如下6个属性来衡量:
比特率;
信号的带宽;
主观/客观的语音质量;
延迟;
计算复杂度和对存储器的要求;
对于通道误码的灵敏度;
为使编码后的音频信息可以被广泛地使用,在进行音频信息编码时需要采用标准的算法。传统会议电视设备主要采用ITU-T推荐的G.711、G.722、G.728和AAC_LD等音频标准。

二、常用音频协议简介:

1、ITU-T G.728

1992年ITU-T发布的电话声音信号编码方式推荐标准。采用LD-CELP编码方式,采样率为8KHz,以16kb/秒的速度传送声音信号,【传送延迟时间极短】,仅有0.625 ms 的算法编码延迟。

2、ITU-T G.711

标准公布于1972年,其语音信号编码是非均匀量化PCM。语音的采样率为8KHz,每个样值采用8bit量化,输出的数据率为64kbps。这种窄带编码支持对300到 3,400赫兹的音频进行压缩。但虽然【压缩质量不错,但是消耗的带宽相对较大】,主要用于数字PBX/ISDN上的数字式电话。

3、ITU-T G.722

ITU-T G.722标准是第一个用于 16 KHZ 采样率的标准化宽带语音编码算法,1984年被CCITT定义为标准,而且现今还在使用。.G.722 编解码器在 16 kHz 频率上接收 16 位数据(带宽从 50 Hz 至 7 kHz),并将其压缩为 64、56 与 48 Kbit/s,其总延迟约 3 ms,能够提供更好的通话质量。
G.722的优点是【延时和传输位误差率非常低,且没有任何的专利技术,费用低廉】。因此G.722在无线通信系统,VoIP生产商,个人通信服务,视频会议应用等广泛应用。

4、G.722.1

G.722.1基于 Polycom 的第三代 Siren 7 压缩技术,1999年被ITU-T批准为G.722.1标准。G.722.1采用16 KHZ 采样频率,16 位数据量化,支持从 50 Hz 至 7 kHz频率范围的音频采样,并将其压缩为 32 与 24 Kbit/s。它采用20 ms封帧,提供40ms的算法延迟。
G722.1可实现比 G.722 编解码器【更低的比特率以及更大的压缩】。目标是以大约一半的比特率实现与 G.722 大致相当的质量。这种编码使用许可需要获得Polycom公司的授权。

5、G722.1 Annex C

G722.1 Annex C基于 Polycom 的Siren 14 压缩技术, 采用32kHz采样频率,支持从 50 Hz 至 14 kHz频率范围的音频采样,并将其压缩为 24、32或48 kbps。采用20ms封帧,提供40毫秒演算延迟。
2005年中,国际电信联盟(ITU)批准Polycom Siren 14™ 技术为14 kHz超宽带音频编码新标准。同时进入作为ITU-T建议的G.722.1 Annex C。G722.1 Annex C具有【低运算能力,低带宽的优点】。适于处理语音、音乐与自然界声音。

6、AAC-LD

AAC(Advanced Audio Coding,高级音频编码)是由Fraunhofer研究院(MP3格式的创造者)、杜比(DOLBY)试验室和AT&T(美国电话电报公司)共同研发出的一种音频压缩格式,是MPEG-2规范的一部分,并在1997年3月成为国际标准。随着MPEG-4标准在2000年成型后,MPEG2 AAC也被作为核心编码技术,并增加了一些新的编码特性,又叫MPEG-4 AAC。
MPEG-4 AAC家族目前共有九种编码规格,AAC-LD(Low Delay,低延迟规格)是用在低码率下编码。它支持8K~48K采样率的,可以64Kbps的码率输出接近 CD 音质的音频,并支持多声音通道,AAC-LD 算法延迟仅为 20ms。
AAC因为其模块化设计,功能更为强大。本身的框架结构能够被不断的新的东西填充,这就使得不同发展方面的内核相互融合,彼此吸收精华成为可能。

7、各种音频协议的主要参数对比:

协议 采样频率 支持音频带宽 输出码率 最低算法延迟
G711 8KHz 300 Hz ~ 3,400 Hz 64 Kbps <1ms
G722 16kHz 50 Hz ~ 7 kHz 64 Kbps 3ms
G722.1 16kHz 50 Hz 7 kHz 24、32 Kbps 40ms
G722.1 C 32kHz 50 Hz
14 kHz 24、32、48Kbps 40ms
AAC-LD 48kHz 20 Hz-20kHz 48~64 Kbps 20ms

文章标签: 流媒体协议
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