G.711 音频编码标准深度技术解析

1. 技术规范 (Technical Specifications)

1.1 概述

G.711 是国际电信联盟 (ITU-T) 于 1972 年制定的音频编码标准，主要用于数字电话系统。它采用 脉冲编码调制 (PCM) 技术，通过非线性量化将 13-bit 或 14-bit 的线性 PCM 样本压缩为 8-bit 样本，从而实现 64 kbps 的恒定码率。

1.2 核心原理：非线性压扩 (Companding)

人耳对低音量的分辨率高于高音量。G.711 利用这一特性，使用对数曲线进行压缩：

• 低幅度信号：分配更多的量化级数，保证高信噪比。
• 高幅度信号：分配较少的量化级数，节省比特位。

1.3 两种编码格式

G.711 定义了两种主要的压扩算法：μ-law (PCMU) 和 A-law (PCMA)。

μ-law (北美、日本)

数学公式：
$$F(x)=\text{sgn}(x)\frac{\ln (1+\mu |x|)}{\ln (1+\mu )}-1\le x\le 1$$
其中 $\mu =255$。μ-law 提供稍大的动态范围。

A-law (欧洲、国际)

数学公式：
$$F(x)=\text{sgn}(x)\{\begin{array}{ll}\frac{A|x|}{1+\ln (A)}& 0\le |x|<\frac{1}{A}\\ \frac{1+\ln (A|x|)}{1+\ln (A)}& \frac{1}{A}\le |x|\le 1\end{array}$$
其中 $A=87.6$。A-law 在小信号时的量化噪声更小，且易于计算机处理。

1.4 技术参数对比

参数	线性 PCM (CD质量)	G.711 (电话质量)
采样率	44.1 kHz	8 kHz
量化位数	16-bit	8-bit
码率	1411.2 kbps (双声道)	64 kbps (单声道)
带宽	20 Hz - 22 kHz	300 Hz - 3.4 kHz
算法复杂度	无 (透传)	极低 (查表或简单位运算)

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2. 实现细节 (Implementation Details)

2.1 编码算法流程

G.711 的核心是将 16-bit 线性 PCM 映射到 8-bit 非线性码字。

A-law 编码步骤 (位操作视角)

1. 获取符号位: 取 PCM 符号位作为输出的 MSB。
2. 取绝对值: 将负数转为正数 (A-law 需减去偏移量)。
3. 确定段号 (Segment): 根据幅度大小，确定落在 0-7 哪个段。这对应于 3-bit 的指数部分。
4. 量化 (Quantization): 截取段内的 4-bit 作为尾数。
5. 异或掩码: 为了增加传输中的位翻转密度，结果需异或 0x55 (01010101)。

2.2 代码实现示例 (C语言)

以下是 A-law 编码的简化实现（查表法在实际工程中更常用，但此处展示计算逻辑）：

/* A-Law Encoding Logic */
uint8_t linear2alaw(int16_t pcm_val) {
    int mask;
    int seg;
    uint8_t aval;

    // 1. Sign processing
    if (pcm_val >= 0) {
        mask = 0xD5; 
    } else {
        mask = 0x55;
        pcm_val = -pcm_val - 8;
    }

    // 2. Determine segment (Exponent)
    if (pcm_val < 256)      seg = 0;
    else if (pcm_val < 512) seg = 1;
    // ... (omitted for brevity) ...
    else                    seg = 7;

    // 3. Quantization (Mantissa)
    if (seg >= 1) {
        aval = (seg << 4) | ((pcm_val >> (seg + 3)) & 0x0F);
    } else {
        aval = (pcm_val >> 4) & 0x0F;
    }

    // 4. XOR Mask
    return (aval ^ mask);
}

2.3 性能测试数据

• 压缩比: 2:1 (相对于 16-bit PCM)。
• MOS (Mean Opinion Score): 4.1 - 4.3 (满分 5.0)。这是衡量语音质量的黄金标准，G.711 被定义为"长途电话质量"。
• CPU 开销: 几乎可以忽略不计 (< 1 MIPS)。

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3. 应用场景 (Applications)

3.1 VoIP 系统中的位置

在 VoIP 架构中，G.711 通常作为基准编解码器。所有 SIP 终端和网关几乎都强制支持 G.711，以确保互通性。

3.2 编解码器对比雷达图

与其他现代编解码器 (如 Opus, G.729) 相比，G.711 胜在低延迟和兼容性，但在带宽效率上较差。

编解码器	带宽	复杂度	质量	典型应用
G.711	高 (64k)	极低	优	局域网 VoIP, PSTN 网关
G.729	低 (8k)	高	良	广域网 VoIP, 卫星通信
Opus	动态 (6-510k)	中	极优	WebRTC, 互联网通信

3.3 设备支持统计

设备类型	支持情况	备注
IP 话机	100%	强制标准
软电话 (Softphone)	100%	基础配置
WebRTC (浏览器)	100%	作为 PCMA/PCMU 支持
PSTN 交换机	100%	原生格式

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4. 参考文献

1. ITU-T Recommendation G.711 (11/1988) - Pulse code modulation (PCM) of voice frequencies.
2. RTP Profile for Audio and Video Conferences with Minimal Control (RFC 3551).