AMR/AMR-WB — 移动通信编码

概述

AMR（Adaptive Multi-Rate）是 3GPP 为 GSM 和 UMTS 移动通信网络设计的语音编码标准。它的核心特性是**多码率自适应**——根据无线信道质量动态切换码率，在语音质量和信道保护之间取得最佳平衡。

AMR 家族包含两个标准：

  • **AMR-NB**（窄带）：3GPP TS 26.071，8 种码率，4.75-12.2 kbps

  • **AMR-WB**（宽带）：3GPP TS 26.171，即 ITU-T G.722.2，9 种码率，6.6-23.85 kbps

属性

AMR-NB

AMR-WB

标准

3GPP TS 26.071

3GPP TS 26.171 / G.722.2

采样率

8 kHz

16 kHz

码率

4.75-12.2 kbps（8 档）

6.6-23.85 kbps（9 档）

帧长

20 ms

20 ms

前瞻

5 ms

5 ms

算法延迟

25 ms

25 ms

频率范围

300-3400 Hz

50-7000 Hz

编码算法

ACELP

ACELP

专利

有（VoiceAge 等）

有

AMR-NB 码率模式

模式

码率

帧大小

说明

AMR_4.75

4.75 kbps

95 bits

最低码率，信道条件极差时使用

AMR_5.15

5.15 kbps

103 bits

AMR_5.90

5.90 kbps

118 bits

AMR_6.70

6.70 kbps

134 bits

AMR_7.40

7.40 kbps

148 bits

AMR_7.95

7.95 kbps

159 bits

AMR_10.2

10.2 kbps

204 bits

AMR_12.2

12.2 kbps

244 bits

最高码率，信道条件好时使用，与 GSM-EFR 兼容

自适应码率切换

AMR 的码率切换是其最重要的特性：

        sequenceDiagram
  participant UE as 手机
  participant BTS as 基站
  participant BSC as 基站控制器

  Note over UE,BSC: 信道质量好 → 高码率
  BSC->>BTS: Codec Mode Command: 12.2 kbps
  BTS->>UE: 下行 12.2 kbps
  UE->>BTS: 上行 12.2 kbps

  Note over UE,BSC: 信道质量变差
  UE->>BTS: Codec Mode Request: 降码率
  BSC->>BTS: Codec Mode Command: 7.4 kbps
  BTS->>UE: 下行 7.4 kbps
  UE->>BTS: 上行 7.4 kbps

  Note over UE,BSC: 信道质量恢复
  UE->>BTS: Codec Mode Request: 升码率
  BSC->>BTS: Codec Mode Command: 12.2 kbps

切换逻辑：

  1. 信道质量好 → 使用高码率（12.2 kbps），语音质量最佳

  2. 信道质量差 → 降低码率（如 4.75 kbps），释放比特给信道编码（FEC），提高传输可靠性

  3. 切换可以**逐帧进行**（每 20ms），响应速度快

这种设计的精妙之处在于：总的传输码率（语音 + 信道编码）保持不变，只是在语音质量和传输可靠性之间动态分配。

AMR-WB 编码原理

AMR-WB 采用 **ACELP**（Algebraic CELP）编码，与 G.729 同属 CELP 家族，但有以下改进：

  1. 宽带采样：16 kHz，频率范围扩展到 50-7000 Hz

  2. ISP 量化：使用 ISP（Immittance Spectral Pairs）代替 LSP，量化效率更高

  3. 高频带扩展：对 6400-7000 Hz 使用带宽扩展技术

  4. 更精细的基音搜索：1/4 分数精度（G.729 为 1/3）

AMR-WB 23.85 kbps 模式的帧结构：

参数

比特数

说明

ISP

46

频谱包络（分裂 VQ）

自适应码本延迟

9 + 6 + 6 + 6

4 个子帧

自适应码本增益

4 × 6

联合量化

代数码本

4 × 52

24 个脉冲/子帧

代数码本增益

4 × 7

VAD 标志

1

合计

477

23.85 kbps

AMR-WB+

**AMR-WB+**（3GPP TS 26.290）是 AMR-WB 的超宽带扩展：

  • 采样率：内部 25.6 kHz，输出可达 48 kHz

  • 码率：6-36 kbps（单声道），7-48 kbps（立体声）

  • 增加了 **TCX**（Transform Coded Excitation）模式，适合音乐信号

  • 支持立体声

  • 主要用于 3G 多媒体广播（MBMS）和流媒体

RTP 打包

AMR 的 RTP 打包定义在 RFC 4867 中，有两种模式：

**带宽高效模式**（bandwidth-efficient）：

a=rtpmap:96 AMR/8000
a=fmtp:96 octet-align=0

**字节对齐模式**（octet-aligned）：

a=rtpmap:97 AMR-WB/16000
a=fmtp:97 octet-align=1; mode-change-capability=2

字节对齐模式更常用，因为解析更简单：

┌─────────────────────────────────────┐
│ CMR (4 bits) │ padding (4 bits)     │  ← Codec Mode Request
├─────────────────────────────────────┤
│ F │ FT (4 bits) │ Q │ padding      │  ← Table of Contents
├─────────────────────────────────────┤
│ Speech data (padded to octet)       │  ← 语音数据
└─────────────────────────────────────┘

  • CMR：请求对端切换到的码率模式

  • FT：当前帧的码率模式

  • Q：帧质量指示（1=好，0=可能有错）

  • F：后续是否还有帧（支持多帧打包）

与 Opus 的对比

特性

AMR-NB

AMR-WB

Opus

采样率

8 kHz

16 kHz

8-48 kHz

码率范围

4.75-12.2

6.6-23.85

6-510 kbps

自适应码率

8 档离散

9 档离散

连续可调

音乐支持

差

一般

优秀（CELT 模式）

FEC

依赖信道编码

依赖信道编码

内置 in-band FEC

立体声

不支持

不支持

支持

专利

有

有

免费

WebRTC 支持

不要求

不要求

必须支持

在 WebRTC/VoIP 中的位置

AMR/AMR-WB 在 WebRTC 浏览器中不被支持，但在以下场景仍然核心：

  1. VoLTE/VoNR：4G/5G 语音通话的标准编码（AMR-WB 为主）

  2. 运营商互联：PSTN/移动网络互通

  3. FreeSWITCH 转码：WebRTC (Opus) ↔ AMR-WB 转码网关

  4. 录音系统：通话录音常以 AMR 格式存储

小结

AMR 家族是移动通信语音编码的基石。它的多码率自适应机制——在语音质量和信道保护之间动态平衡——是一个优雅的工程设计。

虽然在互联网通信领域 Opus 已经全面胜出，但在移动通信网络中，AMR-WB（以及它的继任者 EVS）仍然是不可替代的标准。理解 AMR 的设计思想，对理解整个语音通信生态很有帮助。