|
| |
|
Слаботочка Книги равно 37,8 дБ. Отличие всего лишь на 1,5 дБ отражает тот факт, что синусоида с амплитудой, охватывающей весь рабочий диапазон кодера, находится 67% времени в самом верхнем сегменте, где щаги квантования максимальны (т. е. р7=0,б7). С другой стороны, пик-фактор у речевого сигнала выше, чем у синусоидального. Средняя ошибка квантования при этом меньше, но уменьшена и средняя мощность сигнала. Поэтому ОСШК примерно одинаково. Динамический диапазон ИКМ-кодера с сегментами определяется отношением мощности сигнала с низким уровнем, полностью охватывающим первый сегмент, к мощности сигнала с высоким уровнем, доходящим до границ рабочего диапазона кодера. Вследствие этого динамический диапазон (ДД) кодера с сегментами при ц=255 определяется как ДДл,=зlд.=8l59=20Ig (8159/31) = 48,4 дБ. В итоге восьмиразрядный ИКМ-кодер при ц=255 дает теоретическое отношение сигнал-шум квантования более 30 дБ в динамическом диапазоне 48 дБ. Для сравнения укажем, что согласно выражению (3.4) и рис. 3.14 получение эквивалентных характеристик в линейном ИКМ-кодере (декодере) требует 13 разрядов. (В улучшении качества, реализуемом в линейном кодере при высоких уровнях сигнала, нет необходимости.) 40 - Линейно-ломаная характеристика при д = 255 (без фильтра) Восьмиразрядная характеристика при А! = 255 (без фипьтра) Семиразрядная характеристика при д =100 (без фильтра) j  Норма на каналообразующий блок типа D3, взвешивание с С-контуром -60 -50 -40 -30 -20 Мощность синусоидального сигнала, дБмО Рис. 3.19. Отношение сигнал-шум квантования при кодировании по закону ц и синусоидальном входном сигнале. Сигнал, охватывающий весь диапазон кодера, равен --3 дБмО Теоретическая характеристика восьмиразрядного кодера с сегментами при л=255 представлена на рис. 3.19 в зависимости от амплитуды синусоидального входного сигнала. Здесь показаны также теоретические характеристики кодера при л=255, но без сегментов и семиразрядного кодера при р,= 100, использованного в каналообразующем блоке типа Д1. Отметим, что восьмиразрядные кодеры дают улучшение приблизительно на 5 дБ по сравнению с семиразрядным кодером в области высоких уровней сигнала и еще большее улучшение в области низких уровней сигнала. Приведенная характеристика для восьмиразрядных кодеров не учитывает эффект использования для кодирования речи только семи разрядов в каждом шестом цикле. При учете этого эффекта в характеристиках восьмиразрядных кодеров нужно вычесть 1,76 дБ. Зубцы на характеристике кодера с сегментами возникают вследствие того, что на концах сегментов резко изменяются размеры шагов квантования в отличие от монотонного изменения, какое имеет место при аналоговом компандировании . Отметим, что на рис. 3.19 показана также характеристика, требуемая от каналообразующего блока типа ДЗ в соответствии с нормами фирмы Bell System [9]. Эти нормы предполагают, что искажения измеряются с использованием взвешивания с контуром типа С. Взвешивание при помощи (-контура уменьшает эффективный уровень искажений на 2 дБ и тем самым улучшает ОСШК. Вследствие этого характеристика идеального восьмиразрядного кодера при р,= 255 в действительности лучше предусмотренной нормами в большей степени, чем это показано на рис. 3.19. Однако из-за использования последнего по значению разряда для сигнализации в каждом шестом цикле ОСШК уменьшается на сопоставимую величину (1,76 дБ). Компандирование по закону А. Под характеристикой с законом А понимается характеристика, рекомендованная МККТТ , Эта характеристика имеет те же основные свойства и те же преимущества в реализации, что и характеристика с законом [х. В частности, характеристика с законом А также может быть хорошо аппроксимирована отрезками прямых линий, чтобы обеспечить возможность непосредственного или цифрового компандирования и легкость преобразования к линейному формату, и обратно. Нормализованная характеристика компрессирования с законом А определяется как sgnCx; [А\х\ I (1--1пЛ; ] при OlxKl / Л; sgn(x) l(l-l-lnUx/(l+ln)] при IMUKL *- Инверсная характеристика, или характеристика экспандирования, определяется как Более тонкий эффект образования зубцов наблюдается и внутри шагов квантования, поскольку ошибки квантования равны нулю в центре и максимальны по краям шага квантования (см. рис. 3.9). Закон компандирования с ц=255 также принят МККТТ в рекомендации ст.- Прим. перев. sgn (у) [ sgn (>-) {l+\nA)/A] при 0<Ы<1/(1+1пА); при l/d+lnXWl. (3.11) где y=FJx). Отметим, что первый участок характеристики с законом А линеен по определению. Оставшаяся часть характеристики (l/Axl) может быть достаточно точно аппроксимирована линейными сегментами аналогично аппроксимации закона р.. В итоге имеется восемь сегментов для положительного и восемь - для отрицательного сигнала. Два первых сегмента для каждой из полярностей (всего четыре) образуют одну прямую линию и рассматриваются иногда как один сегмент. Вследствие этого сегментную аппроксимацию характеристики с законом А иногда называют 13-сегментной аппроксимацией. Однако для облегчения описания алгоритмов кодирования при сегментной характеристике компандирования используется 16-сег-ментное представление - точно такое же, как и в случае сегментной характеристики с законом li. В табл. 3.2 указаны конечные точки сегментов, шаги квантования и соответствующие коды для восьмиразрядной сегментной характеристики с законом А. Для целочисленного представления эти Таблица 3.2. Таблица кодирования (декодирования) для сегментной характеристики с законом А
Окончание табл. 3.2
величины даны исходя из максимальной амплитуды сигнала, равной 4096 условным единицам. На рис. 3.20 представлена теоретическая характеристика аппроксимации закона А, где она сопоставляется, с характеристикой аппроксимации по закону р, представленной на рис. 3.19. Отметим, что характеристика с законом А дает чуть больший динамический диапазон. Однако характеристика с законом А уступает характеристике с законом р, по качеству передачи
Мощность синусоидального сигнала, дБмО Рис 3.20. Отношение сигнал-шум квантования при ИКМ-кодировании по закону А и синусоидальном входном сигнале слабых сигналов (шумов незагруженного канала). Разница в показателях передачи для слабых сигналов обусловлена тем, что размер минимального шага при законе А равен 2/4096, а при законе - 2/8159. Отметим, что к тому же при аппроксимации закона А выходной сигнал для нулевого входного сигнала в первом шаге квантования имеет неопределенную величину (т. е. используется квантователь с рабочей точкой, установленной на границе шагов квантования). Однако при скорости передачи 64 кбит/с разница между таким положением рабочей точки и установкой ее посредине шага квантования неощутима [14]. 3.2.6. Адаптивная регулировка усиления Другим методом уменьшения числа разрядов, необходимых в кодовых комбинациях ИКМ сигнала (без увеличения шумов квантования), является ограничение динамического диапазона на входе кодера. Поскольку мощностью уже созданного сигнала речи управлять невозможно, для постройки всех входных сигналов кодера под стандартный уровень мощности можно использовать автоматическую регулировку усиления (АРУ). Обычно телефонные компании не прибегают к АРУ отчасти по традиции и отчасти из-за требований к качеству. Один из недостатков АРУ речевого сигнала на полный диапазон состоит в том, что все речевые сигналы принимаются с одним и тем же уровнем мощности. В результате было бы бессмысленно просить кого-либо говорить погромче, чтобы перекрыть шум в канале или разницу в уровнях слышимости. Кроме того, во время пауз фон и шумы из телефона говорящего абонента будут усиливаться до значения средней мощности речи. Вследствие этого для сохранения пауз может возникнуть необходимость в установке на передающей стороне порогового устройства или устройства подавления генерации в канале. Эти основные дефекты АРУ можно преодолеть, если в передающем полукомплекте закодировать и передать в сторону приемного полукомплекта значение коэффициента, на который настроено усиление. Затем приемный полукомплект осуществляет подстройку стандартного уровня мощности (формируемого на выходе декодера) до исходного уровня мощности на аналоговом входе. Таким образом, кодеры и декодеры оперируют только с сигналами с ограниченным диапазоном, в то время как передающие и приемные полукомплекты приспосабливаются к изменениям уровня мощности входного сигнала. Поскольку уровни мощности речевого сигнала имеют тенденцию к медленному изменению, измерения усиления не должны производиться слишком часто, а передача значений коэффициентов усиления не приводит к существенному повышению требуемой скорости передачи. В то же время сигнал при кодировании заключен в ограниченном диапазоне амплитуд, так что можно использовать уменьшенное число разрядов на дискрет. На рис. 3.21 представлена структурная схема системы с адаптивной регулировкой усиления при ИКМ-кодировании. Имеются два основных режима работы для адаптивной регулировки усиления, зависящих от того, как изменяются коэффициенты усиления и к каким отрезкам речи эти коэффициенты относятся. Один из режимов работы, как показано на рис. 3.21, предполагает измерение уровня мощности одного из отрезков речи и использование этой информации для определения коэффициента усиления для последующих отрезков речи. Очевидно, что этот режим работы осно-
Кодирование коэффициента усиления Подстройка усиления Кодирование сигнала Декодирование коэффициента усиления Цифровая передача Декодирование сигнала Инверсная подстройка усиления Рис. 3.21. Адаптивная регулировка усиления 5 3;iK. 143 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 [21] 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||