voip系统用到哪些编码？各自的优势是什么？

概述

VoIP编码的作用

在VoIP系统的核心架构中，编码扮演着至关重要的角色。其主要职责包括:

1. 将模拟语音信号转化为数字数据包
2. 提供高效的压缩机制
3. 平衡音质和带宽使用

通过精心设计的编码方案，VoIP能够在有限的网络资源下实现高质量的语音通信，同时显著降低成本。编码的选择直接影响系统的整体性能，包括音质、延迟和网络适应性等方面。因此，在VoIP部署过程中，合理选择编码标准成为优化用户体验和运营效率的关键环节。

编码选择考虑因素

在选择VoIP编码时，需要权衡多个关键因素，以确保最佳的通信体验和网络效率。以下是几个主要考虑点：

1. 带宽需求 ：直接影响网络负载和成本
2. 音质 ：决定通话质量，尤其在高清语音场景中至关重要
3. 延迟 ：影响实时通话体验，需平衡编码复杂度和传输速度
4. 丢包容忍度 ：反映编码算法对网络波动的适应能力
5. 计算能力 ：考虑终端设备的处理能力，特别是在移动设备上
6. 静音检测 ：减少不必要的带宽消耗，提高通话效率

选择适当的编码不仅涉及技术考量，还需结合具体应用场景和业务需求，以实现最佳的性价比和用户体验。

常用VoIP编码标准

G.711

G.711作为一种经典的音频编解码标准，在VoIP系统中占据重要地位。它由国际电信联盟电信标准化部门(ITU-T)制定，主要用于电话通信中的语音信号编码。G.711的核心特点如下：

1. 采样率 ：8 kHz
2. 量化过程 ：非线性量化
3. 码速率 ：64 kbit/s
4. 算法类型 ：μ-law (G.711μ 或 PCMU) 和 A-law (G.711A 或 PCMA)

G.711的优势在于其 简单的算法实现 ，这使得编解码延迟极短，能够提供近乎实时的语音传输。此外，G.711的音质表现优异，能够达到接近CD级别的音质水平，这对于追求高质量语音通信的应用场景尤为重要。
然而，G.711的主要缺点是其较高的带宽需求。64 kbit/s的码速率在带宽受限的环境中可能会成为一个制约因素。此外，G.711对传输通道的错误较为敏感，这意味着在网络条件不佳的情况下，其性能可能会受到影响。
尽管如此，G.711仍在许多领域得到广泛应用：

• PSTN：传统公共交换电话网络的标准语音编码格式
• 视频会议：需要高质量语音传输的场合
• VoIP系统：特别是对音质要求较高且网络带宽充足的场景

值得注意的是，G.711的μ-law和A-law两种算法版本分别适用于不同的地理区域：

• μ-law：主要应用于北美和日本
• A-law：主要应用于欧洲和其他地区

这种区域性差异反映了早期电话网络的技术规范和地区偏好，至今仍在一定程度上影响着VoIP系统的编码选择。

G.729

G.729是一种高效、低速率的语音编码标准，广泛应用于VoIP和无线通信中。它的核心算法基于 共轭结构的代数码激励线性预测(CS-ACELP) ，这是一种改进版的CELP编码模型4。G.729的设计目标是在保证良好语音质量的同时，实现更高的带宽效率。
G.729的编码过程主要包括以下几个步骤：

1. 线性预测分析 ：提取语音信号的频谱特征
2. 码本搜索 ：寻找最佳匹配的激励信号
3. 参数量化 ：对提取的参数进行高效编码

这些步骤共同实现了高效的语音压缩，将原始16位线性PCM信号压缩到仅8 kbit/s的码率5。
G.729的一个显著特点是其 低延迟特性 。编码器的帧长仅为10毫秒，加上5毫秒的前瞻，总算法时延为15毫秒5。这一特性使其非常适合实时语音通信系统，如VoIP和移动通信网络。
在音质方面，G.729的表现令人印象深刻。虽然码率远低于G.711，但其平均意见得分(MOS)仍能达到约3.9分4。这一分数表明，即使在较低的带宽条件下，G.729也能提供相当不错的语音质量。
G.729的适用环境主要是 带宽受限的网络 。例如，在VoIP系统中，G.729允许在同一链路上承载更多的通话，提高了网络利用率。在移动通信中，G.729可以帮助节省宝贵的无线带宽资源。然而，值得注意的是，G.729的计算复杂度相对较高，约为G.711的4倍6。因此，在选择使用G.729时，需要权衡设备的处理能力和可用带宽。

G.723.1

G.723.1是一种专为低比特率多媒体服务设计的双速率语音编码标准。它在低带宽环境下展现出卓越的性能，特别适合于带宽受限的网络环境。G.723.1的核心技术基于 线性预测编码(LPC) 和 矢量量化 方法，巧妙地平衡了压缩效率和语音质量。
G.723.1的工作原理可以简述如下：

1. 高通滤波 ：去除信号中的直流分量
2. 子帧划分 ：将一帧信号分为四个子帧，便于后续处理
3. LPC分析 ：对每个子帧进行线性预测分析
4. LSP参数量化 ：将LPC参数转换为线谱对(LSP)参数，并进行矢量量化编码
5. 感觉加权 ：构建短时感觉加权滤波器，对信号进行滤波
6. 基音搜索 ：进行开环和闭环基音搜索
7. 残差信号量化 ：对预测后的残差信号进行矢量量化

G.723.1的突出特点包括：

特征	描述
双速率编码	支持5.3 kbit/s和6.3 kbit/s两种编码速率
高压缩率	最高达12:1的压缩比率
低延迟	总算法时延为37.5 ms
静音压缩	采用静音触发检测(VAD)，进一步提高带宽效率

在音质方面，G.723.1表现出色。尽管码率较低，但仍能提供可接受的语音质量。特别是在6.3 kbit/s的速率下，其语音质量接近G.726的32 kbit/s ADPCM编码。这种性能使G.723.1成为低带宽应用的理想选择，如IP电话和卫星通信等。
G.723.1的另一个关键优势是其 静音压缩 功能。通过静音触发检测(VAD)，系统能在静音期间插入人工噪声，有效减少了带宽占用。这种机制不仅提高了带宽效率，还保持了调制解调器的连续工作状态，避免了载波信号的时通时断。
在实际应用中，G.723.1常与其他技术结合使用，以应对特定的网络挑战。例如，与 丢包恢复 技术结合，可在不可靠的网络环境中维持稳定的语音质量。这种组合使得G.723.1在VoIP系统中得到了广泛应用，尤其是在带宽受限的环境中。

G.722

G.722是一种专门设计用于支持高清语音通话的编码标准。作为ITU-T于1988年制定的第一个16 kHz采样率的宽带语音编码算法，G.722在VoIP系统中扮演着重要角色。其核心技术基于 子带自适应差分脉冲编码调制(SB-ADPCM) 原理，巧妙地平衡了音质和带宽效率。
G.722的工作原理可以概括为以下几个关键步骤：

1. 信号分割 ：将16 kHz的信号分为两个子带（高频和低频）
2. ADPCM编码 ：对每个子带的样本进行独立编码
3. 比特分配 ：更多比特数分配给低频部分（语音主体），较少比特数分配给高频部分（摩擦声和噪音）

这种设计体现了G.722对人类听觉感知特性的巧妙利用，确保了关键语音信息的高质量传输，同时兼顾了高频成分的基本还原。
G.722的突出特点包括：

• 采样率 ：16 kHz
• 编码速率 ：64 kbit/s（主要）、56 kbit/s和48 kbit/s
• 音频带宽 ：7 kHz
• 编码延迟 ：小于2 ms

G.722的 低延迟特性 使其在实时通信系统中表现出色。不到2 ms的编码延迟几乎不会引起明显的通话延迟感，这对高质量的语音通话至关重要。相比之下，其他一些编码标准可能需要10 ms以上的编码延迟。
在音质方面，G.722展现出了显著的优势。得益于其16 kHz的采样率和7 kHz的音频带宽，G.722能够捕捉和再现更多的语音细节，从而提供更加自然和丰富的声音体验。这一点在高清语音通话中尤为明显，使得G.722成为了高端会议系统和专业音频应用的首选编码标准之一。
G.722在高清语音通话中的应用主要体现在以下几个方面：

1. 企业级通信系统 ：G.722的高音质和低延迟特性使其成为企业级VoIP系统和视频会议平台的理想选择。
2. 专业音频制作 ：在音频录制和后期处理中，G.722提供了高质量的语音素材，有利于后期编辑和混音。
3. 远程教育和培训 ：G.722的清晰音质有助于提高教学质量和学习效果，特别是在语言学习和发音练习中。
4. 远程医疗咨询 ：在医疗诊断和患者沟通中，G.722的高保真音质有助于医生准确判断病情和传达医嘱。

Opus

 Opus 是一种超宽带编解码器，支持 50-20,000 Hz 以及非常高的采样率。此编解码器也很灵活，比特率范围为 6-510 Kbps，带宽可适应网络可用性。Opus 是一种免版税的开源编解码器，无需许可费用。
尽管G.722在高清语音通话中表现出色，但它也有一些局限性。最主要的问题是其较高的带宽需求。64 kbit/s的编码速率在带宽受限的环境中可能成为一个制约因素。此外，G.722对网络传输错误较为敏感，这在丢包率高的网络环境中可能会影响通话质量。因此，在实际应用中，需要根据网络条件和音质要求来权衡是否使用G.722编码标准。

编码性能比较

带宽需求

在VoIP系统中，带宽需求是选择编码标准的关键因素之一。不同编码标准在带宽占用方面存在显著差异，直接影响网络资源的利用效率和通话质量。以下是几种常见编码标准的带宽需求对比：

编码标准	压缩速率(kbit/s)	实际带宽需求(kbit/s)
G.711	64	约90.4
G.729	8	约34.4
G.723.1	5.3/6.3	约22.9/27.1

这些数据清楚地展示了不同编码标准之间的带宽效率差距。G.711虽然提供高质量的语音，但其带宽需求几乎是G.729的三倍。G.723.1在更低的比特率下实现了更高效的带宽利用，尤其适合带宽受限的环境。
在实际应用中，带宽需求的计算还需要考虑额外的因素：

1. 网络开销 ：包括IP、UDP和RTP头部等
2. 打包周期 ：影响每秒的数据包数量
3. VLAN标签 ：增加额外的字节开销

例如，当使用VLAN标签时，G.711的实际带宽需求会从95.2 kbit/s增加到96.8 kbit/s。
对于大规模VoIP部署，带宽需求的差异可能导致显著的成本变化。假如一个企业有100条并发通话：
使用G.711编码：需要约9 Mbps带宽
使用G.729编码：只需要约3.4 Mbps带宽
这种差异不仅影响网络基础设施的投资，还决定了网络的扩展能力和服务质量。因此，在选择编码标准时，需要综合考虑网络容量、音质要求和成本效益等因素，以找到最适合特定应用场景的解决方案。

音质评估

在VoIP系统中，音质评估是衡量编码性能的关键指标之一。为了客观量化语音质量，研究人员开发了多种评估方法，其中最常用的是 Mean Opinion Score (MOS) 评分系统。MOS评分采用五分制，分数越高表示语音质量越好。
不同编码标准在MOS评分上的表现各异，反映了它们在音质方面的优劣。以下是几种常见编码标准的MOS评分对比：

编码标准	MOS评分
G.711	4.2-4.5
G.729	3.9左右
G.723.1	3.5-3.8

G.711凭借其高采样率和大带宽，能够提供接近CD音质的语音体验，在MOS评分中表现最优。相比之下，G.729虽然带宽需求大幅降低，但仍能保持较好的音质，MOS评分达到3.9左右。G.723.1在极低带宽条件下也能维持可接受的音质，MOS评分在3.5-3.8之间。
除了MOS评分，研究人员还开发了其他客观评估方法来补充主观评价。例如， Perceptual Evaluation of Speech Quality (PESQ) 是一种广受欢迎的客观评估工具。PESQ算法通过模拟人耳的听觉特性，对语音信号进行分析，得出与MOS评分高度相关的数值。这种方法不仅能快速评估大量语音样本，还能识别导致音质下降的具体原因，为改善编码算法提供指导。
在实际应用中，音质评估往往需要结合主观和客观方法。 E模型 是另一种常用的客观评估方法，它基于设备损伤的评价原则，考虑了多种网络因素对语音质量的影响。E模型将语音质量损伤因素与人类心理感知特性相结合，通过数学模型模拟主观感觉的评价。这种方法特别适用于数据网络中的语音质量评估，能够全面考虑网络损伤对语音质量的影响。
值得注意的是，音质评估结果会受到多种因素的影响，如 丢包率 和 网络延迟 等。研究表明，即使是同一编码标准，在不同网络条件下也可能表现出截然不同的MOS评分。例如，在一项针对G.729的研究中发现：
当丢包率达到20%时，MOS评分急剧下降至2.5左右。
这突显了在实际部署VoIP系统时，不仅要考虑编码标准本身，还要充分评估网络环境对音质的潜在影响。

处理延迟

在VoIP系统中，处理延迟是衡量编码算法性能的关键指标之一。它直接影响用户的通话体验，尤其在实时通信场景中更为关键。不同编码标准在这方面的表现各有特色，值得深入探讨。
G.729以其出色的低延迟特性脱颖而出。其编码器设计巧妙，帧长仅为10毫秒，加上5毫秒的前瞻，总算法时延为15毫秒。这一特性使G.729成为实时语音通信的理想选择，如VoIP和移动通信网络。如此短暂的延迟几乎不会被用户察觉，确保了流畅自然的通话体验。
相比之下，G.723.1的延迟稍高，总算法时延为37.5 ms。虽然这个数字高于G.729，但在大多数情况下仍然可以接受。考虑到G.723.1在极低比特率下的出色音质表现，这种延迟水平与其压缩效率形成了良好的平衡。
处理延迟对实时通话的影响主要体现在以下几个方面：

1. 感知延迟 ：延迟过高会导致通话双方感到不适，影响交流效率。
2. 回声问题 ：延迟过大会增加回声发生的概率，降低通话质量。
3. 网络适应性 ：低延迟编码算法更能适应网络波动，减少丢包和重传。
4. 系统响应 ：低延迟有利于及时处理网络异常，如快速重路由或切换备份路径。

在实际应用中，处理延迟的管理需要综合考虑多个因素。例如，可以通过调整缓冲区大小来平衡延迟和丢包率。增大缓冲区可以减少丢包，但会增加延迟；反之亦然。因此，选择合适的编码算法时，需要权衡延迟、音质和网络适应性等多个方面的需求。
此外，现代VoIP系统还采用了一些先进技术来优化处理延迟。例如， 前向纠错(FEC) 技术可以在一定程度上补偿因网络延迟而导致的丢包问题，而不必增加过多的处理延迟。FEC通过在数据包中添加冗余信息，使得接收方可以在一定范围内自行纠正传输错误，从而减少重传请求，提高通信效率。

编码选择策略

网络条件

在选择VoIP编码标准时，网络条件是一个关键因素。根据不同的网络带宽和稳定性，可以选择相应的编码标准：

• 高速稳定网络 ：推荐使用G.711或G.722，以获得最佳音质
• 带宽受限环境 ：G.729或G.723.1是理想选择，它们在低带宽下仍能保持良好音质
• 极端带宽受限 ：G.723.1的5.3 kbit/s模式可能是唯一可行选项

此外，应考虑网络的稳定性。在丢包率较高的环境中，G.729的低延迟特性可能更有优势，因为它对网络抖动的容忍度更高。选择合适的编码标准可以显著提升VoIP系统的性能和用户体验。

业务需求

在选择VoIP编码标准时，企业需权衡通话质量要求和成本效益。G.711虽提供最高音质，但带宽需求大；G.729和G.723.1则在低带宽下保持较好音质。企业应根据具体需求选择合适编码：

• 高质量通话 ：选择G.711
• 带宽受限环境 ：选择G.729或G.723.1

同时，考虑网络条件、终端兼容性和静音检测功能，以确保最佳用户体验和成本效率。这种基于业务需求的编码选择策略有助于企业在保证通话质量的同时优化网络资源利用，实现成本节约。

终端兼容性

在选择VoIP编码标准时，终端兼容性是一个不容忽视的关键因素。不同设备可能支持不同的编码标准，这直接影响了系统的互操作性。为确保广泛的设备兼容性，企业通常倾向于选择广泛支持的标准，如G.711和G.729。然而，随着新技术的发展，如Opus编码的出现，企业也需要权衡新标准的先进特性和现有设备的兼容性。在部署过程中，实施统一的编码标准或采用智能编码切换机制，可以有效解决兼容性问题，同时优化系统性能。这种策略不仅保证了跨设备的无缝通信，还能充分利用现代编码技术的优势，如Opus在低带宽下的优秀表现。
在实际应用中，选择合适的编码方式需要根据具体的网络环境、带宽条件和音质要求来决定。例如，在带宽充足且对音质要求较高的场景下，可以选择G.711编码；而在带宽受限的情况下，G.729或G.723.1编码可能更为合适。