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產(chǎn)生64kbit/s PCM語(yǔ)音要經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟:以足夠高的頻率對(duì)輸入的模擬波形進(jìn)行抽樣,以求能準(zhǔn)確地復(fù)制出原來(lái)的信號(hào);對(duì)樣值量化以產(chǎn)生連串的“0”“1”比特流,以此表示模擬波形:最后要對(duì)量化的比特進(jìn)行編碼,以適于在長(zhǎng)距離鏈路上傳輸。
實(shí)際上,現(xiàn)在主要有兩種方式來(lái)產(chǎn)生。第一種也是長(zhǎng)期以來(lái)唯一讓人滿(mǎn)意的把語(yǔ)音數(shù)字化的方法,是盡可能地用一串“0”和“1”來(lái)對(duì)模擬波形進(jìn)行模仿,這就是64kbit/s PCM。但這不是產(chǎn)生數(shù)字語(yǔ)音的唯一方法。
可以把模擬波形看作一個(gè)整體,并對(duì)那些在語(yǔ)音中產(chǎn)生的波形而不是對(duì)任意的波形進(jìn)行編碼。模仿語(yǔ)音的設(shè)備被稱(chēng)為語(yǔ)音編碼器,或簡(jiǎn)稱(chēng)為聲碼器,這一節(jié)主要與波形模仿有關(guān),下一節(jié)將詳細(xì)說(shuō)明主要運(yùn)用在VoIP中的些語(yǔ)音編碼方法。
經(jīng)過(guò)這三個(gè)步驟在發(fā)送端由模擬語(yǔ)音產(chǎn)生了64kbit/s PCM語(yǔ)音。但是在語(yǔ)音數(shù)字化系統(tǒng)中模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換僅僅是完成了一半,在接收端還需有個(gè)數(shù)/模(DIA)轉(zhuǎn)換過(guò)程把到達(dá)的比特還原成聲音??梢哉f(shuō),數(shù)字語(yǔ)音的復(fù)雜性集中在發(fā)送器的A/D處。當(dāng)然并不是說(shuō)接收不重要,只是相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單而已,它只是接收比特流并按照順序恢復(fù)聲音。
這三個(gè)數(shù)字化步驟的詳細(xì)過(guò)程,數(shù)學(xué)家和電子工程師們已經(jīng)用一系列復(fù)雜的基本公式定義過(guò)了。公式是數(shù)學(xué)和工程的共同語(yǔ)言,為了準(zhǔn)確的描述這三個(gè)步驟,許多電話技術(shù)文章采用了圖形、表格和公式等手段,精確地闡述了每一個(gè)步驟是如何使語(yǔ)音信號(hào)失真達(dá)到最小化的。不過(guò),本書(shū)中對(duì)這些步驟的處理比較簡(jiǎn)潔,而且在數(shù)學(xué)上也不是十分嚴(yán)格。但是,為了描述清語(yǔ)音數(shù)字化的過(guò)程,對(duì)每一步驟仍有許多內(nèi)容有待闡述,因?yàn)樵谝槐竟こ虝?shū)中,起碼的數(shù)學(xué)和工程概念是應(yīng)被掌握的。
這兒更多是用類(lèi)比的方法對(duì)工程概念作一般意義上的說(shuō)明??紤]到這本書(shū)所針對(duì)的讀者,以易懂為目的,在嚴(yán)格性上做出一點(diǎn)犧牲是可以原諒的。
1、抽樣為了模擬任意的波形,要做的第一件事便是建立一套定時(shí)機(jī)制,以決定何時(shí)對(duì)輸入波形進(jìn)行抽樣。典型的做法是進(jìn)行等間隔抽樣,不過(guò)為何要設(shè)定相同的抽樣間隔時(shí)間卻沒(méi)有什么數(shù)學(xué)上的原因,只是這種做法更簡(jiǎn)單罷了。從抽樣定理中我們得知,如果抽樣頻率足夠高,就能在鏈路的另端完全恢復(fù)出輸入的模擬波形。只要在接收端采用一種名為“低通濾波器”的電路來(lái)“平滑”抽樣過(guò)程中產(chǎn)生的樣值即可。
抽樣過(guò)程會(huì)產(chǎn)生脈沖振幅調(diào)制(PAM)樣值。在接收器一端只要有足夠多的PAM樣值,就可以像繪圖似的把樣值端點(diǎn)“連接”起來(lái),以恢復(fù)輸入波形。不過(guò),現(xiàn)在還不能在廣域網(wǎng)上傳送PAM樣值。這一基本思想如圖2-6所示。
圖2-6 PAM抽樣
PAM這一術(shù)語(yǔ)的意思是對(duì)一系列的樣值脈沖序列進(jìn)行調(diào)制以模仿模擬波形。于是,它被稱(chēng)為脈沖振幅調(diào)制。
在1933年,尼奎斯特給出了為再生模擬波形所需的最小抽樣頻率,也就是尼金斯特頻率,其大小是輸入的模擬波形中最高頻率成分的兩倍,有時(shí)也稱(chēng)為兩倍帶寬。這里,帶寬只是衡量輸入信號(hào)頻率范圍的尺度。這樣,如果一個(gè)上限為3400Hz的模擬語(yǔ)音信號(hào)要以尼奎斯特速率進(jìn)行抽樣,則抽樣頻率至少必須是其兩倍,即6800Hz,或說(shuō)每秒抽樣6800次。
抽樣并非一定要在尼奎斯特頻率進(jìn)行。尼奎斯特速率是復(fù)制出輸入波形所需的最小頻率,不過(guò)抽樣可在更高或更低的速率上進(jìn)行。如果抽樣低于尼奎斯特速率,會(huì)導(dǎo)致波形畸變,原因是抽樣速率沒(méi)有跟上輸入信號(hào)的變化速度,所以在輸出端就不能把它準(zhǔn)確地復(fù)制出來(lái)。若以尼奎斯特速率或更高的速率進(jìn)行抽樣,則不會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象。
抽樣速率為何要大于尼奎斯特速率?因?yàn)橹挥羞@樣接收器才可獲得比必需更多的信息來(lái)重建輸出波形。這樣,如果有樣值出錯(cuò),檢測(cè)出來(lái)后就可以丟棄,毫不影響重建模擬波形。不管對(duì)語(yǔ)音還是音樂(lè)的模擬波形進(jìn)行數(shù)字化,都是在高于尼奎斯特速率的情況下進(jìn)行的,這被稱(chēng)作“過(guò)量化”