G711簡介

??G711是國際電信聯盟ITU-T定制出來的一套語音壓縮標準，它代表了對數PCM（logarithmic pulse-code modulation）抽樣標準，主要用于電話，它主要用脈沖編碼調制對音頻采樣，采樣率為8k每秒，它利用一個 64Kbps 未壓縮通道傳輸語音訊號， 起壓縮率為1：2， 即把16位資料壓縮成8位，G.711是主流的波形聲音編解碼器，

??G.711 標準下主要有兩種壓縮演算法，一種是u-law algorithm （又稱often u-law, ulaw, mu-law），主要運用于北美和日本；另一種是A-law algorithm，主要運用于歐洲和世界其他地區，其中，后者是特別設計用來方便計算機處理的
??G711的內容是將14bit(uLaw)或者13bit(aLaw)采樣的PCM資料編碼成8bit的資料流，播放的時候在將此8bit的資料還原成14bit或者13bit進行播放，不同于MPEG這種對于整體或者一段資料進行考慮再進行編解碼的做法，G711是波形編解碼演算法，就是一個sample對應一個編碼，所以壓縮比固定為：

• 8/14 = 57% (uLaw)

• 8/13 = 62% (aLaw)

??簡單理解，G.711就是語音模擬信號的一種非線性量化， bitrate 是64kbps,sample rate是8K，壓縮率固定為2.

G711A

演算法原理

A-law的公式如下，一般采用A=87.6

畫出圖來則是如下圖，用x表示輸入的采樣值，F(x)表示通過A-law變換后的采樣值，y是對F(x)進行量化后的采樣值，

由此可見在輸入的x為高值的時候，F(x)的變化是緩慢的，有較大范圍的x對應的F(x)最終被量化為同一個y，精度較低，相反在低聲強區域，也就是x為低值的時候，F(x)的變化很劇烈，有較少的不同x對應的F(x)被量化為同一個y，意思就是說在聲音比較小的區域，精度較高，便于區分，而聲音比較大的區域，精度不是那么高，
這也體現了G711的應用場景——話機通話

對應解碼公式(即上面函式的反函式)：

壓縮方法

G711A（A-LAW）壓縮十三折線法

g711a輸入的是13位（S16的高13位），這種格式是經過特別設計的，便于數字設備進行快速運算，

• 1、取符號位并取反得到s
• 2、獲取強度位eee，獲取方法如圖所示
• 3、獲取高位樣本位wxyz
• 4、組合為seeewxyz，將seeewxyz逢偶數為取補數，編碼完畢

A-law如下表計算，第一列是采樣點，共13bit，最高位為符號位，對于前兩行，折線斜率均為1/2，跟負半段的相應區域位于同一段折線上，對于3到8行，斜率分別是1/4到1/128，共6段折線，加上負半段對應的6段折線，總共13段折線，這就是所謂的A-law十三段折線法，

舉例

已知G711是將S16壓縮為S8，于是輸入必是S16
假設輸入PCM資料為0x1234，即0b0000 0100 1101 0010
由于是signed，所以可以表示為0b 0 00001 0011 010010
查表可得：

• 1、符號位為0，取反s = 1
• 2、獲取強度位00001，查表得知，編碼eee = 011
• 3、最高位樣本wxyz = 0011
• 4、組合起來為0b1011 0011，逢偶數位取反為0b1110 0110，即為0xE6

代碼

#define	SIGN_BIT	(0x80)		/* Sign bit for a A-law byte. */
#define	QUANT_MASK	(0xf)		/* Quantization field mask. */
#define	NSEGS		(8)		/* Number of A-law segments. */
#define	SEG_SHIFT	(4)		/* Left shift for segment number. */
#define	SEG_MASK	(0x70)		/* Segment field mask. */
static int seg_aend[8] = {0x1F, 0x3F, 0x7F, 0xFF,
			    0x1FF, 0x3FF, 0x7FF, 0xFFF};
static int seg_uend[8] = {0x3F, 0x7F, 0xFF, 0x1FF,
			    0x3FF, 0x7FF, 0xFFF, 0x1FFF};
 
static int search(
	int val,	/* changed from "short" *drago* */
	int *table,
	int size)	/* changed from "short" *drago* */
{
	int i;		/* changed from "short" *drago* */
 
	for (i = 0; i < size; i++) {
		if (val <= *table++)
			return (i);
	}
	return (size);
}
 
int linear2alaw(int	pcm_val)        /* 2's complement (16-bit range) */
                                        /* changed from "short" *drago* */
{
	int		mask;	/* changed from "short" *drago* */
	int		seg;	/* changed from "short" *drago* */
	int		aval;
 
	pcm_val = pcm_val >> 3;//這里右移3位，因為采樣值是16bit，而A-law是13bit，存盤在高13位上，低3位被舍棄
 
 
	if (pcm_val >= 0) {
		mask = 0xD5;		/* sign (7th) bit = 1 二進制的11010101*/
	} else {
		mask = 0x55;		/* sign bit = 0  二進制的01010101*/
		pcm_val = -pcm_val - 1; //負數轉換為正數計算
	}
 
	/* Convert the scaled magnitude to segment number. */
	seg = search(pcm_val, seg_aend, 8); //查找采樣值對應哪一段折線
 
	/* Combine the sign, segment, and quantization bits. */
 
	if (seg >= 8)		/* out of range, return maximum value. */
		return (0x7F ^ mask);
	else {
//以下按照表格第一二列進行處理，低4位是資料，5~7位是指數，最高位是符號
		aval = seg << SEG_SHIFT;
		if (seg < 2)
			aval |= (pcm_val >> 1) & QUANT_MASK;
		else
			aval |= (pcm_val >> seg) & QUANT_MASK;
		return (aval ^ mask);
	}
}

int alaw2linear(int	a_val)		
{
	int		t;      /* changed from "short" *drago* */
	int		seg;    /* changed from "short" *drago* */
 
	a_val ^= 0x55; //異或操作把mask還原
 
	t = (a_val & QUANT_MASK) << 4;//取低4位，即表中的abcd值，然后左移4位變成abcd0000
	seg = ((unsigned)a_val & SEG_MASK) >> SEG_SHIFT; //取中間3位，指數部分
	switch (seg) {
	case 0: //表中第一行，abcd0000 -> abcd1000
		t += 8;
		break;
	case 1: //表中第二行，abcd0000 -> 1abcd1000
		t += 0x108;
		break;
	default://表中其他行，abcd0000 -> 1abcd1000 的基礎上繼續左移(按照表格第二三列進行處理)
		t += 0x108;
		t <<= seg - 1;
	}
	return ((a_val & SIGN_BIT) ? t : -t);
}

G711U

u-law也叫g711u,使用在北美和日本，輸入的是14位，編碼演算法就是查表，計算出：基礎值+平均偏移值 沒啥復雜演算法，就是基礎值+平均偏移值，

演算法原理

壓縮方法

相應的μ-law的計算方法如下表

舉例

已知G711是將S16壓縮為S8，于是輸入必是S16
假設輸入PCM資料為0b0000 0100 1101 0010，即0x1234

• 1、取得范圍值，查表得 +2014 to +991 in 16 intervals of 64
• 2、得到基礎值為0xA0
• 3、得到間隔數interval number = 64
• 4、得到區間基本值2014
• 5、當前值0x1234和區間基本值差異2014 - 1234 = 780
• 6、偏移值 = 780 / 間隔數 = 780 / 64，取整為12
• 7、輸出為0xA0 + 12 = 0xAC

代碼

#define	BIAS		(0x84)		/* Bias for linear code. 線性碼偏移值*/
#define CLIP            8159    //最大量化級數量
 
int linear2ulaw( int	pcm_val)	/* 2's complement (16-bit range) */
{
	int		mask;
	int		seg;
	int		uval;
 
	/* Get the sign and the magnitude of the value. */
	pcm_val = pcm_val >> 2;
	if (pcm_val < 0) {
		pcm_val = -pcm_val;
		mask = 0x7F;
	} else {
		mask = 0xFF;
	}
        if ( pcm_val > CLIP ) pcm_val = CLIP;		/* clip the magnitude 削波*/
	pcm_val += (BIAS >> 2);
 
	/* Convert the scaled magnitude to segment number. */
	seg = search(pcm_val, seg_uend, 8);
 
	/*
	 * Combine the sign, segment, quantization bits;
	 * and complement the code word.
	 */
	if (seg >= 8)		/* out of range, return maximum value. */
		return (0x7F ^ mask);
	else {
		uval = (seg << 4) | ((pcm_val >> (seg + 1)) & 0xF);
		return (uval ^ mask);
	}
 
}
 
int ulaw2linear( int	u_val)
{
	int t;
 
	/* Complement to obtain normal u-law value. */
	u_val = ~u_val;
 
	/*
	 * Extract and bias the quantization bits. Then
	 * shift up by the segment number and subtract out the bias.
	 */
	t = ((u_val & QUANT_MASK) << 3) + BIAS;
	t <<= (u_val & SEG_MASK) >> SEG_SHIFT;
 
	return ((u_val & SIGN_BIT) ? (BIAS - t) : (t - BIAS));
}

G711A與G711U對比

和A-law畫在同一個坐標軸中就能發現A-law在低強度信號下，精度要稍微高一些

以上是兩種演算法的連續條件下的計算公式，實際應用中，我們確實可以用浮點數計算的方式把F(x)結果計算出來，然后進行量化，但是這樣一來計算量會比較大，實際上對于A-law（A=87.6時），是采用13折線近似的方式來計算的，而μ-law（μ=255時）則是15段折線近似的方式，