Квантование сигнала

Итак, в результате амплитудной модуляции была получена импульсная последова-тельность. Теперь необходимо оценить уровни напряжений всех импульсов по стан­дартной шкале и выровнять их в соответствии с некоторым ограниченным набором значений. В результате появилась возможность использовать конечный набор цифро­вых битовых шаблонов для преобразования каждого значения амплитуды в порцию итогового потока, которая в дальнейшем может быть восстановлена в исходное состояние принимающей стороной. Шаблоны сигнала используются на этапе кодирования.

В результате квантования будет получен сигнал, который еще не будет окончательно цифровым, хотя и очень близок к этому. Цифровой сигнал, подкорректированный в результате квантования, в дальнейшем должен пройти еще этап кодирования. Отметим, что ко­нечный результат процесса квантования не всегда можно заметить, однако этот этап является ключевым в процессе аналого-цифрового преобразования. На рис. 3.6 пока­зано, что этап квантования является достаточно абстрактным.

Исходный сигнал, полученный при амплитудной модуляции, состоит из импуль­сов, у которых амплитуда может лежать в пределах некоторого ограниченного диапа­зона значений. По этой причине для подготовки такого сигнала к этапу кодирования, когда каждый импульс в потоке преобразовывается в последовательность нулей и единиц, необходимо использовать ограниченную шкалу значений. Нельзя ожидать, что каждый исходный импульс будет в точности совпадать с одним из значений в вы­бранной шкале. Это означает, что некоторые импульсы должны быть скорректирова­ны, и при этом для них не будет никакой сопровождающей информации, при помо­щи которой они могли бы в дальнейшем быть восстановлены в исходное состояние. Такое несоответствие называют ошибкой, или погрешностью квантования. Подобные ошибки не создают различий в звучании, которые может уловить человеческое ухо. Фактически минимизация влияния погрешности квантования — это вопрос, имею­щий отношение к процессу уплотнения, который будет рассматриваться позже.

Амплитуда импульса, полученного в результате амплитудной модуляции, округля­ется до ближайшего значения на шкале в зависимости от того, является это значение большим или меньшим текущего значения амплитуды. Округление — первый этап на пути минимизации ошибок квантования. Погрешность квантования снижается при использовании нелинейного закона уплотнения.

Для снижения ошибок на этапе квантования сегодня используются два алгоритма:

• алгоритм -метода (произносится как "мю"), известный также под названием
(J.-255, используется в Северной Америке и Японии;

• алгоритм А-метода используется в Европе и остальных частях света.

Оба алгоритма еще называют алгоритмами уплотнения, т.к. они эффективно ис­пользуются для сжатия сигналов с целью уменьшения ошибок на передающей сторо­не и обратном их развертывании к исходному состоянию на принимающей.

Аналоговая информация, которая была квантована по одному из алгоритмов, стано­вится несовместима с оборудованием, использующим другой алгоритм. Обычно для ор­ганизации связи между конфликтующим оборудованием используются специальные преобразования из одного стандарта в другой. Цифровые каналы уровня О (DS-0), сформированные североамериканским или японским оборудованием, могут быть преоб­разованы в сигналы DS-0, которые используются в других частях света.

Напомним, что целью процесса квантования является исключительно подготовка аналогового сигнала к преобразованию в цифровой на этапе кодирования. Для коди­рования значения амплитуды каждого импульса отводится только 8 битов. Когда ис­пользуются 8 000 измерений в секунду, для кодирования исходного аналогового сиг­нала требуется передавать 64 000 битов в секунду (64 Кбит/с). При помощи восьми битов можно получить 2⁸ (256) различных комбинаций. Это означает, что на этапе квантования на оси Y можно отложить только 256 различных точек. Если подобные вычисления непонятны, вспомним, что слово "бит" происходит от слияния двух слов фразы "binary digit" (двоичная цифра). Такой термин подразумевает использование двоичной системы исчисления. В этой системе существует только два возможных зна­чения — 0 и 1, и потому общее количество возможных значений, которые могут быть представлены при помощи восьми двоичных цифр, определяется возведением числа 2 (количество отдельных значений, которые могут использоваться для каждой цифры в данной системе исчисления) в степень 8 (количество цифр, рассматриваемых в дан­ный момент времени). Для дальнейшего использования двоичной системы 256 значе­ний должны быть разделены поровну между импульсами с положительной и отрица­тельной амплитудой.

Утверждение, что для высококачественной передачи исходного голосового сигнала требуется 4 000 и более значений по вертикальной шкале, подразумевает наличие ли­нейного соотношения между сигналом перед квантованием и после, когда сигнал го­тов к кодированию. С технической точки зрения это означает, что оба сигнала иден­тичны. К сожалению, для реализации такого подхода на этапе кодирования потребу­ется не менее 12 битов на каждое значение амплитуды, и это приведет к повышению битовой скорости, что, в свою очередь, станет причиной повышения частоты канала. В результате сократится рабочая длина канала, так как при повышении частоты пере­дачи сигнала увеличится скорость затухания. Уплотнение является компромиссным вариантом, в нем нет необходимости при использовании для кодирования информа­ции 12 и более битов вместо 8.

Принцип уплотнения основан в первую очередь на том, что импульсы с меньшей амплитудой более чувствительны к погрешности квантования, чем импульсы с боль­шей амплитудой. Кроме того, при уплотнении, хотя и в меньшей степени, использу­ется статистическая вероятность того, что аналоговый трафик в основном имеет низ­кую амплитуду (невысокую громкость) сигнала. Таким образом, в процессе линейного квантования, при котором все интервалы между точками на вертикальной оси равны, импульсы с меньшей амплитудой могут иметь большую процентную величину погрешности квантования, чем импульсы с большей амплитудой. Такой эффект влияет _На точность воспроизведения информации, передаваемой при помощи негромких сигналов. На рис. 3.7 показано, что погрешность квантования, которая в абсолютных величинах для двух импульсов одинакова, значительно увеличивается по относитель­ной величине для импульса с низкой амплитудой. То же самое можно сказать о вос­приятии времени человеком. Чем человек старше, тем каждый год кажется короче, хотя по абсолютной величине он ничем не отличается ото всех предыдущих. Такое субъективное восприятие связано с тем, что каждый последующий год представляет более короткий промежуток времени в соотношении с уже прожитыми годами. В то же время для ребенка тот же год кажется бесконечным, потому что представляет со­бой особо длительный период относительно его жизни.

Итак, относительная погрешность выше для амплитуд с более распространенными небольшими значениями, поэтому для уменьшения погрешности квантования следует уделить особое внимание импульсам именно с такими значениями амплитуды. Для этого нужно разместить точки на вертикальной оси ближе к низким значениям ам­плитуды. Так можно достичь прекрасного качества для основной части трафика и удивительно хорошего качества для остальной его части.

Дата добавления: 2014-10-15