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音頻算法從這里開(kāi)始——【嵌入式音頻】第四章·G711編解碼
- [導(dǎo)讀]
- “EveryBoard Can Sing” 21ic打算攜手資(tu)深(ding)直男癌晚期工程師zhanzr21，來(lái)給大家講一講嵌入式系統(tǒng)與音頻處理的故事。 關(guān)于zhanzr21： 曾經(jīng)混跡于兩岸三地，摸爬滾打在前端后端，搞過(guò)學(xué)術(shù)上過(guò)班。現(xiàn)在創(chuàng)業(yè)中，歡迎各種撩
這一章開(kāi)始介紹一些算法相關(guān)的內(nèi)容.前面有幾章對(duì)播放強(qiáng)調(diào)較多,這期本來(lái)想寫(xiě)錄音方面的內(nèi)容.但是普通的麥克風(fēng)電路主要是模擬電路,獨(dú)立做一章來(lái)寫(xiě)覺(jué)得內(nèi)容有點(diǎn)少,所以會(huì)在其他章節(jié)穿插介紹.至于MEMS麥克風(fēng),因?yàn)樯婕暗絇DM解碼,可以在后面做獨(dú)立一章來(lái)寫(xiě).
本章內(nèi)容：
l G711協(xié)議
l ALaw與uLaw編解碼
l ALaw與uLaw生成與驗(yàn)證
l 在開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)G711編解碼
本章實(shí)踐：
l 【驗(yàn)證】1：ALaw算法分析驗(yàn)證
l 【驗(yàn)證】2：uLaw算法分析驗(yàn)證
l 【實(shí)驗(yàn)】1：Audacity操作轉(zhuǎn)音頻
l 【實(shí)驗(yàn)】2：Python制作ALaw和uLaw數(shù)據(jù)
l 【實(shí)驗(yàn)】3：SNR計(jì)算
l 【訓(xùn)練】：板子播放
工具：
l Python
l Excel
l Audacity
l 開(kāi)發(fā)板
l 音箱
點(diǎn)擊鏈接加入群【嵌入式音頻信號(hào)處理】：https://jq.qq.com/?_wv=1027&k=45wk8Ks
嵌入式音頻專用資料代碼分享：https://pan.baidu.com/s/1dFh5pWd
本期活動(dòng)地址：[喜迎兒童節(jié)]嵌入式音頻活動(dòng)第四期
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前言
本章這里說(shuō)的算法,主要是指的編碼解碼的算法,就是所謂的CODEC(Encode/Decode).語(yǔ)音識(shí)別,語(yǔ)音合成,環(huán)境音效等技術(shù)屬于另外不同的算法,這些算法主要針對(duì)原始(raw)的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行.而在實(shí)際工程實(shí)踐中,編解碼算法是研究的最多的內(nèi)容.原因以前也說(shuō)過(guò),原始音頻內(nèi)容太多,對(duì)存儲(chǔ)傳輸?shù)膸捯筮^(guò)大,而音頻數(shù)據(jù)本身又有相當(dāng)大的冗余,故此這一方面的研究可以說(shuō)在個(gè)人電腦誕生之前就開(kāi)始了.早期的電信行業(yè)與計(jì)算機(jī)行業(yè)屬于不同的兩個(gè)行業(yè),電信行業(yè)資格要老些.電報(bào),電話,廣播這些技術(shù)在一次世界大戰(zhàn)之前就應(yīng)用很廣泛了.當(dāng)然真正跟現(xiàn)代電信業(yè)有直接關(guān)系的技術(shù)則是二戰(zhàn)之后才迅速發(fā)展的.
簡(jiǎn)介: ITU音頻標(biāo)準(zhǔn)G711
ITU(國(guó)際電信聯(lián)盟)是由國(guó)際電報(bào)聯(lián)盟發(fā)展而來(lái)的一個(gè)國(guó)際組織,1865年在法國(guó)巴黎創(chuàng)建. 1947年成為聯(lián)合國(guó)的一個(gè)下屬機(jī)構(gòu),總部設(shè)在日內(nèi)瓦.主要從事電信行業(yè)的各種技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化,推進(jìn)等活動(dòng).大概跟ISO,IEC,EIA,IEEE這些機(jī)構(gòu)齊名.其中負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)制定的機(jī)構(gòu)原稱做CCITT,1993改名為ITU-T.近幾年因?yàn)楹粲跫訌?qiáng)互聯(lián)網(wǎng)管制而跟各大壟斷公司,強(qiáng)權(quán)國(guó)家發(fā)生了一些爭(zhēng)吵.不過(guò)這跟本文沒(méi)有啥關(guān)系,只是說(shuō)到ITU,帶一筆交代一下.
關(guān)于音頻算法,ITU出了很多標(biāo)準(zhǔn),主要著重于語(yǔ)音領(lǐng)域,因?yàn)镮TU老本行就是研究電話語(yǔ)音傳輸?shù)?因?yàn)镮TU發(fā)布的語(yǔ)音算法標(biāo)準(zhǔn)很多,一一介紹就有點(diǎn)過(guò)于繁瑣.所以挑一兩個(gè)出來(lái)介紹,其余的標(biāo)準(zhǔn)感興趣的讀者可以自行研究.這里先給出一個(gè)概覽,ITU對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化的音頻算法,是按照帶寬來(lái)分類的:
圖 ITU音頻算法分類
NB就是NarrowBand,即窄帶
WB就是WideBand,即寬帶
SWB就是SuperWideBand,即超寬帶
FB就是FullBand,即全帶寬
這些所謂的寬與窄都是約定俗成的,從采樣率,編解碼的算法等角度綜合衡量的.
圖 ITU窄帶音頻算法標(biāo)準(zhǔn)
圖 ITU寬帶音頻算法標(biāo)準(zhǔn)
圖 ITU超寬帶音頻算法
對(duì)于全帶寬,目前只有G.729. 某些標(biāo)準(zhǔn)算法有多個(gè)版本,分屬不同帶寬需求類型. 這一大波算法中,G711屬于歷史最悠久的.本文主要介紹G711,計(jì)劃后面文章還寫(xiě)一個(gè)G726.其余算法暫時(shí)不打算專門(mén)分出章節(jié)來(lái)寫(xiě).
G711的內(nèi)容是將14bit或者13bit采樣的PCM音頻數(shù)據(jù)編碼成8bit的數(shù)據(jù)流,播放的時(shí)候?qū)⒋?bit的數(shù)據(jù)還原成14bit或者13bit進(jìn)行播放.不同于MPEG這種對(duì)整體或者一段音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行考慮再進(jìn)行編解碼的做法,G711是波形編解碼算法,就是一個(gè)sample對(duì)應(yīng)一個(gè)編碼.所以壓縮比是固定的,為
8/14 = 57% (uLaw)或者
8/13 = 62% (aLaw).
因?yàn)橹饕糜谡Z(yǔ)音音頻,采樣率一般使用8KHz,這樣帶寬為8bit乘以8KHz = 64Kbps.這個(gè)64Kbps也常常被稱作"一路數(shù)字電話"作為非正式的帶寬計(jì)算單位.
之所以取這些看起來(lái)比較低端的參數(shù),是因?yàn)樵缙谟布芰τ邢?且此技術(shù)當(dāng)初主要用于電話語(yǔ)音傳輸所致.G711是1972年制定的標(biāo)準(zhǔn),專利早就過(guò)期了,所以現(xiàn)在屬于Public Domain的內(nèi)容,任何人都能任意使用.
G711主要的兩種版本稱之為uLaw(u律,14bit版本)與ALaw(a律,13bit版本).
uLaw主要用于日本和北美地區(qū),除了日本和北美地區(qū)世界上基本上所有地方都用ALaw.從技術(shù)的角度來(lái)講, ALaw因?yàn)樘峁┝烁蟮膭?dòng)態(tài)范圍,同時(shí)對(duì)硬件要求高一點(diǎn).uLaw則對(duì)音量較低的信號(hào)提供更好的量化分辨率.一般來(lái)講,如果兩個(gè)國(guó)家的數(shù)字電話對(duì)接,如果有一方使用A-Law,另一方使用u-Law,那么就會(huì)采用A-Law.
有人會(huì)問(wèn),直接將14bit和13bit的PCM采樣進(jìn)行移位,丟掉低位得到8bit結(jié)果,豈不是更簡(jiǎn)單.但是音頻數(shù)據(jù)的特點(diǎn)不適合這樣的線性編碼,直接移位的結(jié)果會(huì)丟棄音頻的主要變化的部分(低位部分)從而導(dǎo)致直接移位的結(jié)果是音頻質(zhì)量大大降低.不管是ALaw還是uLaw,其核心思想是,音頻的大多數(shù)變化發(fā)生在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的低部分.而且人耳對(duì)音頻幅度的感覺(jué)成對(duì)數(shù)關(guān)系.從這個(gè)角度來(lái)講,說(shuō)G711是前PC時(shí)代的MP3算法也有點(diǎn)道理.
下面分別介紹兩種版本算法的詳細(xì)情況.
A-Law詳解
A-Law的編碼公式如下:
其中x為輸入,F(x)為編碼結(jié)果,A為壓縮參數(shù)一般取值為87.6 .
A-Law解碼公式,也就上述函數(shù)的反函數(shù)如下:
其中y為上述函數(shù)的結(jié)果編碼.
現(xiàn)在動(dòng)手來(lái)做一個(gè)編碼與解碼的程序來(lái)觀察一下子整個(gè)過(guò)程.Python 3腳本.
【驗(yàn)證】1：ALaw算法分析驗(yàn)證
# ALaw Encode Decode Test
# Author: zhanzr21 @ 21ic BBS
#
# If you just want to do G711 A-Law encode/decode, use the audioop package,
# This script is just for analysis and study of the algorithm itself.
#
import math
#Byte format test
LineData =[i for i in range(-4096,4096)]
#normalization
NormaData = [i/4096 for i in LineData]
A = 87.6
A_1 = (1/A)
f_test = open('g711_alaw_test.csv',mode='w')
for x in NormaData:
#Encode
if(abs(x)
y = A*abs(x)/(1+math.log(A))
y = math.copysign(y, x)
elif((abs(x)<=1) and (abs(x)>=A_1)):
y = (1+math.log(A*abs(x)))/(1+math.log(A))
y = math.copysign(y, x)
else:
#Should not come here
print("ErrorEn %f", x)
yQ = (int(y*128))/128
res = 0
resQ = 0
#Decode
if(abs(y)<(1/(1+math.log(A)))):
res = abs(y)*(1+math.log(A))/A
res = math.copysign(res, y)
elif((abs(y)<=1) and ( abs(y)>=(1/(1+math.log(A))) ) ):
res = math.exp(abs(y)*(1+math.log(A))-1)/A
res = math.copysign(res, y)
else:
#Should not come here
print("ErrorDe %f", y)
#Decode(Quantization)
if(abs(yQ)<(1/(1+math.log(A)))):
resQ = abs(yQ)*(1+math.log(A))/A
resQ = math.copysign(resQ, yQ)
elif((abs(yQ)<=1) and ( abs(yQ)>=(1/(1+math.log(A))) ) ):
resQ = math.exp(abs(yQ)*(1+math.log(A))-1)/A
resQ = math.copysign(resQ, yQ)
else:
#Should not come here
print("ErrorDeQ %f", yQ)
#for debug
f_test.write('%f,%f,%f,%f,%fn' % (x, y, yQ, res, resQ))
f_test.close()
將結(jié)果畫(huà)成圖表以便觀察(Excel):
圖 從-1至1的PCM數(shù)據(jù)的ALaw編解碼曲線
其中:
Series1為原始13bit的PCM采樣數(shù)據(jù)[-4096,4096),歸一化到[-1,1)的范圍
Series2為連續(xù)編碼
Series3為量化后的編碼,可以看出在信號(hào)幅度高時(shí)誤差較大
Series4為連續(xù)解碼結(jié)果幾乎沒(méi)有失真
Series5為量化編碼的解碼結(jié)果,幅度大的時(shí)后誤差較大
可以看出ALaw對(duì)0附近的數(shù)據(jù)的編碼分辨率較高,而對(duì)于幅度較大的信號(hào)則分辨率較低.當(dāng)然,實(shí)際使用的的時(shí)候,不管什么語(yǔ)言都有現(xiàn)成的庫(kù)函數(shù)可供調(diào)用,這是個(gè)非常常見(jiàn)的算法.對(duì)于Python而言,使用audioop庫(kù)函數(shù)(https://docs.python.org/3/library/audioop.html)即可.對(duì)于C/C++,ITU給出了參考代碼,本文后面會(huì)進(jìn)一步說(shuō)明.
u-Law詳解
uLaw的編解碼公式分別如下:
其中u通常取值255.
還是動(dòng)手來(lái)做一個(gè)編碼與解碼的程序來(lái)觀察一下子整個(gè)過(guò)程.Python 3腳本.
【驗(yàn)證】2：uLaw算法分析驗(yàn)證
# uLaw Encode Decode Test
# Author: zhanzr21 @ 21ic BBS
#
# If you just want to do G711 u-Law encode/decode, use the audioop package,
# This script is just for analysis and study of the algorithm itself.
#
import math
#Byte format test
LineData =[i for i in range(-4096,4096)]
#normalization
NormaData = [i/4096 for i in LineData]
U = 255
U_1 = (1/U)
f_test = open('g711_ulaw_test.csv',mode='w')
for x in NormaData:
#Encode
y = math.log(1 + U*abs(x))/math.log(1 + U)
y = math.copysign(y, x)
yQ = (int(y*128))/128
res = 0
resQ = 0
#Decode
res = U_1*((1+U)**abs(y) - 1)
res = math.copysign(res, y)
#Decode(Quantization)
resQ = U_1*((1+U)**abs(yQ) - 1)
resQ = math.copysign(resQ, yQ)
#for debug
f_test.write('%f,%f,%f,%f,%fn' % (x, y, yQ, res, resQ))
f_test.close()
這個(gè)代碼比ALaw的代碼要簡(jiǎn)單一些,但是因?yàn)橛兄虚g結(jié)果的冪函數(shù)運(yùn)算,對(duì)硬件的要求要嚴(yán)格一些的.
圖 uLaw的編解碼數(shù)據(jù)曲線
此圖與ALaw的類似,只是因?yàn)樵疾蓸佣嗔?bit,故此數(shù)據(jù)多了一倍.本貼的共享目錄中有所有腳本與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),感興趣的同學(xué)可以下載到電腦上仔細(xì)品味一番.與ALaw相同,此處的代碼僅為研究?jī)?nèi)部信號(hào)過(guò)程,實(shí)際使用中有現(xiàn)成的庫(kù)函數(shù)可用(從標(biāo)準(zhǔn)符合度,優(yōu)化度等方面考慮).
在電腦上制作/驗(yàn)證G711數(shù)據(jù)
兩種方式,一種使用工具制作,一種使用程序來(lái)編碼.實(shí)際工作當(dāng)中當(dāng)然使用工具制作,用程序來(lái)編碼是為了驗(yàn)證我們對(duì)算法的理解.工具還是老熟人:Audacity.
【實(shí)驗(yàn)】1：Audacity操作轉(zhuǎn)音頻
打開(kāi)一個(gè)2ch/16bit的音頻文件.
圖 原始16bit/2ch/11.025K的音頻文件
為了更清楚理解,我們把它處理成單通道8K,16bit的數(shù)據(jù),具體之前的章節(jié)講過(guò),也不贅述.結(jié)果是這樣的.
點(diǎn)File/Export Audio在格式中選擇ALaw/uLaw分別導(dǎo)出兩個(gè)文件出來(lái).
這樣,制作就完成了,我們可以先重新打開(kāi)工具,導(dǎo)入這兩個(gè)文件看看波形試聽(tīng)一下子以驗(yàn)證上述操作無(wú)誤.
圖 導(dǎo)入的時(shí)候選格式
圖 從上到下分別是ALaw還原,uLaw還原,原始16bit的PCM波形,肉眼看不出差別來(lái)的.后面我們會(huì)用程序來(lái)計(jì)算SNR.
至于文件大小,原始文件是1100248 bytes, 兩個(gè)G711編碼的文件都是550124 bytes.壓縮比看起來(lái)是2:1,但是如同前文所言,ALaw僅僅使用了13bit的數(shù)據(jù),uLaw使用了14bit的數(shù)據(jù),都是取的數(shù)據(jù)的MSB開(kāi)始的部分.所以壓縮比其實(shí)沒(méi)有這么大的.
現(xiàn)在開(kāi)始用程序來(lái)對(duì)這個(gè)原始文件分別進(jìn)行ALaw/uLaw的編碼/解碼.為了更好的兼容性,直接使用python的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)audioop,ALaw/uLaw的代碼分別如下:
【實(shí)驗(yàn)】2：Python制作ALaw和uLaw數(shù)據(jù)
ALaw測(cè)試代碼:
# ALaw Encode Test using the audioop package
# Author: zhanzr21 @ 21ic BBS
#
import math
import sys
import audioop
DEFAULT_INPUT = 'test_8k16bitmono.bin'
DEFAULT_OUTPUT = 'test_8k16bitmono.alaw'
DEFAULT_BACK = 'test_8k16bitmono.aback'
raw_name = ''
alaw_name = ''
back_name = ''
def alaw_encode(in_name, out_name):
fin = open(in_name, mode='rb')
fout = open(out_name, mode='wb')
raw_data = fin.read()
fin.close()
test_ba = audioop.lin2alaw(raw_data, 2)
fout.write(test_ba)
fout.close()
return
def alaw_decode(in_name, out_name):
fin = open(in_name, mode='rb')
fout = open(out_name, mode='wb')
raw_data = fin.read()
fin.close()
test_ba = audioop.alaw2lin(raw_data, 2)
fout.write(test_ba)
fout.close()
return
if __name__ == "__main__":
if(2 <= len(sys.argv)):
raw_name = sys.argv[1]
else:
raw_name = DEFAULT_INPUT
if(3 <= len(sys.argv)):
alaw_name = sys.argv[2]
else:
alaw_name = DEFAULT_OUTPUT
if(4 <= len(sys.argv)):
back_name = sys.argv[3]
else:
back_name = DEFAULT_BACK
alaw_encode(raw_name, alaw_name)
#for verification
alaw_decode(alaw_name, back_name)
#for compare with Audacity
alaw_decode('test_8k16bitmono_ref.alaw', 'test_8k16bitmono_ref.aback')
uLaw測(cè)試代碼:
# uLaw Encode Test using the audioop package
# Author: zhanzr21 @ 21ic BBS
#
import math
import sys
import audioop
DEFAULT_INPUT = 'test_8k16bitmono.bin'
DEFAULT_OUTPUT = 'test_8k16bitmono.ulaw'
DEFAULT_BACK = 'test_8k16bitmono.uback'
raw_name = ''
ulaw_name = ''
back_name = ''
def ulaw_encode(in_name, out_name):
fin = open(in_name, mode='rb')
fout = open(out_name, mode='wb')
raw_data = fin.read()
fin.close()
test_ba = audioop.lin2ulaw(raw_data, 2)
fout.write(test_ba)
fout.close()
return
def ulaw_decode(in_name, out_name):
fin = open(in_name, mode='rb')
fout = open(out_name, mode='wb')
raw_data = fin.read()
fin.close()
test_ba = audioop.ulaw2lin(raw_data, 2)
fout.write(test_ba)
fout.close()
return
if __name__ == "__main__":
if(2 <= len(sys.argv)):
raw_name = sys.argv[1]
else:
raw_name = DEFAULT_INPUT
if(3 <= len(sys.argv)):
ulaw_name = sys.argv[2]
else:
ulaw_name = DEFAULT_OUTPUT
if(4 <= len(sys.argv)):
back_name = sys.argv[3]
else:
back_name = DEFAULT_BACK
ulaw_encode(raw_name, ulaw_name)
#for verification
ulaw_decode(ulaw_name, back_name)
#for compare with Audacity
ulaw_decode('test_8k16bitmono_ref.ulaw', 'test_8k16bitmono_ref.uback')
【實(shí)驗(yàn)】3：SNR計(jì)算
SNR計(jì)算代碼:
#SNR Test for 16bit PCM data
#Author: zhanzr21 @ 21ic BBS
import math
import sys
import audioop
EFAULT_INPUT_A = 'test_8k16bitmono.aback'
EFAULT_INPUT_U = 'test_8k16bitmono.Uback'
DEFAULT_REF = 'test_8k16bitmono.bin'
inA_name = ''
inU_name = ''
ref_name = ''
def SNR_S16(input16, ref16):
EnergySignal = 0.0
EnergyError = 0.0
SNR = 0.0
temp = 0
for i in range(len(input16)//2):
#input value
u16_sample = input16[i*2] + input16[1 + i*2] * 256
#unsigned to signed
if(u16_sample>32767):
test_sample = u16_sample - 65536
else:
test_sample = u16_sample
#normalization
test = test_sample / 32768
#Ref value
u16_sample = ref16[i*2] + ref16[1 + i*2] * 256
#unsigned to signed
if(u16_sample>32767):
test_sample = u16_sample - 65536
else:
test_sample = u16_sample
#normalization
ref = test_sample / 32768
EnergySignal = EnergySignal + ref * ref
EnergyError = EnergyError + (ref - test) * (ref - test)
try:
SNR = 10 * math.log10 (EnergySignal / EnergyError);
except ZeroDivisionError:
SNR = math.inf
return (SNR)
def SNR_S16_FILE(inF, refF):
fin = open(inF, mode='rb')
ba_in = fin.read()
fin.close()
fref = open(refF, mode='rb')
ba_ref = fref.read()
fref.close()
if(len(ba_in) != len(ba_ref)):
print("Size Not Equal %s,%s" % inF, refF)
return 0
else:
return SNR_S16(ba_in, ba_ref)
if __name__ == "__main__":
if(2 <= len(sys.argv)):
inA_name = sys.argv[1]
else:
inA_name = EFAULT_INPUT_A
if(3 <= len(sys.argv)):
inU_name = sys.argv[2]
else:
inU_name = EFAULT_INPUT_U
if(4 <= len(sys.argv)):
ref_name = sys.argv[3]
else:
ref_name = DEFAULT_REF
print('Ref SNR:%f' % SNR_S16_FILE(ref_name, ref_name))
print('alaw SNR:%f' % SNR_S16_FILE(inA_name, ref_name))
print('ulaw SNR:%f' % SNR_S16_FILE(inU_name, ref_name))
#for comparign with Audacity result
print('Audicatiy alaw SNR:%f' % SNR_S16_FILE('test_8k16bitmono_ref.aback', ref_name))
print('Audicatiy ulaw SNR:%f' % SNR_S16_FILE('test_8k16bitmono_ref.uback', ref_name))
分別運(yùn)行以上三個(gè)腳本,就能得到ALaw編碼,uLaw編碼文件,以及同library解碼的文件,另外為了參考,把Audacity的編碼文件也使用audioop進(jìn)行了解碼.
SNR計(jì)算的結(jié)果:
Ref SNR:inf
alaw SNR:37.544108
ulaw SNR:37.150272
Audicatiy alaw SNR:37.523572
Audicatiy ulaw SNR:37.166987
可以看出audioop編碼的SNR要比Audacity的效果有小小差別,也有可能是兩者對(duì)原始數(shù)據(jù)的量化取舍方法不同導(dǎo)致.另外ALaw在我們這個(gè)例子中取得SNR稍稍好于uLaw的結(jié)果.這是因?yàn)檫@段音頻的本身特點(diǎn)決定的.
在板子上播放G711數(shù)據(jù)——【訓(xùn)練】：板子播放
(以GD32F105開(kāi)發(fā)板為例)
C語(yǔ)言解碼G711,已經(jīng)有非常多的例子,優(yōu)化也很成熟了.這里參考已有的SpanDSP工程中的代碼給出解碼代碼片段.其余代碼因?yàn)楦暗奈恼轮貜?fù)較多請(qǐng)參考共享文件夾中的工程.總體來(lái)說(shuō),把原理搞懂之后,G711是非常簡(jiǎn)單的算法,一個(gè)sample對(duì)應(yīng)一個(gè)sample.可以說(shuō)G711是常用的算法中,最簡(jiǎn)單的音頻編解碼算法.
C語(yǔ)言解碼ALaw/uLaw代碼:
#define ULAW_BIAS 0x84 /* Bias for linear code. */
#define ALAW_AMI_MASK 0x55
static __inline int16_t alaw_to_linear(uint8_t alaw) {
int i;
int seg;
alaw ^= ALAW_AMI_MASK;
i = ((alaw & 0x0F) << 4);
seg = (((int) alaw & 0x70) >> 4);
if (seg)
i = (i + 0x108) << (seg - 1);
else
i += 8;
return (int16_t)((alaw & 0x80) ? i : -i);
}
/*! brief Decode an u-law sample to a linear value.
param ulaw The u-law sample to decode.
return The linear value.
*/
static __inline int16_t ulaw_to_linear(uint8_t ulaw) {
int t;
/* Complement to obtain normal u-law value. */
ulaw = ~ulaw;
/*
* Extract and bias the quantization bits. Then
* shift up by the segment number and subtract out the bias.
*/
t = (((ulaw & 0x0F) << 3) + ULAW_BIAS) << (((int) ulaw & 0x70) >> 4);
return (int16_t)((ulaw & 0x80) ? (ULAW_BIAS - t) : (t - ULAW_BIAS));
}
相比較而言,ITU官方給出的代碼使用浮點(diǎn)計(jì)算的思路,代碼顯得臃腫一點(diǎn).
ITU的ALaw解碼參考代碼:
void alaw_expand(lseg, logbuf, linbuf)
long lseg;
short *linbuf;
short *logbuf;
{
short ix, mant, iexp;
long n;
for (n = 0; n < lseg; n++)
{
ix = logbuf[n] ^ (0x0055); /* re-toggle toggled bits */
ix &= (0x007F); /* remove sign bit */
iexp = ix >> 4; /* extract exponent */
mant = ix & (0x000F); /* now get mantissa */
if (iexp > 0)
mant = mant + 16; /* add leading '1', if exponent > 0 */
mant = (mant << 4) + (0x0008); /* now mantissa left justified and */
/* 1/2 quantization step added */
if (iexp > 1) /* now left shift according exponent */
mant = mant << (iexp - 1);
linbuf[n] = logbuf[n] > 127 /* invert, if negative sample */
? mant
: -mant;
}
}
程序流程:
圖 軟件流程圖
F105播放ALaw/uLaw的圖片：
圖 F105播放G711音頻
關(guān)于GD32F105開(kāi)發(fā)板：
此開(kāi)發(fā)板是作者專門(mén)為嵌入式音頻處理學(xué)習(xí)所制作的，或許不久之后即可開(kāi)開(kāi)放領(lǐng)取，請(qǐng)大家期待!
G711的擴(kuò)展
截止本文寫(xiě)作時(shí),G711標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)擴(kuò)展:G711.0與G711.1.G711.0也稱作G711 LLC,也就是無(wú)損壓縮擴(kuò)展.因?yàn)榻?jīng)過(guò)了進(jìn)一步的壓縮,帶寬又可降低一半左右.G711.1則是對(duì)原G711的64Kbps的擴(kuò)展.可以選擇80,96Kbps的帶寬來(lái)提高傳輸?shù)馁|(zhì)量.因?yàn)槟壳皫捹Y源的發(fā)展較快,可以預(yù)見(jiàn)G711.1的采用會(huì)有比較快的進(jìn)展.因?yàn)槠?本文不對(duì)這兩個(gè)擴(kuò)展作展開(kāi)討論,感興趣的同學(xué)可以參考ITU官方文檔以了解更多細(xì)節(jié).
總結(jié)
G711是最簡(jiǎn)單的音頻編解碼算法,但是應(yīng)用非常廣泛.從數(shù)字電話到網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音會(huì)議,都能見(jiàn)到他的影子.原因在于其標(biāo)準(zhǔn)化的歷史悠久,另外因?yàn)槠渌惴ê?jiǎn)單,能在幾乎所有處理器上輕易實(shí)現(xiàn).了解了G711,可以說(shuō)對(duì)數(shù)字電話入了門(mén),也算是懷了一把舊.美中不足的是,如果不算上還沒(méi)有廣泛應(yīng)用的G711.0的壓縮擴(kuò)展,G711的壓縮比還是比較寒酸的.壓縮比更加高的算法將在后面的章節(jié)陸續(xù)登場(chǎng),敬請(qǐng)期待!
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