Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов, практический подход (2-е изд., 2004) (1095888), страница 18
Текст из файла (страница 18)
1. Из выражения для Р получим 70 201к 2в откуда В = 11, 62. Пусть В = 12 бит (ближайшее целое число). 2. Максимально допустимое апертурное время т задается как т = 1/2~+'я/,„= 1/(2'~ х я х 20 х 10 ) с = 1, 94 нс. Данное небольшое апертурное время требуется для использования схемы выборки- хранения на входе АЦП. 94 Глава 2. Аналоюаый интерфейс еаода-вывода для систем ЦОС реального времени .-:2.4.2:.
Неоднородное квантование и кодирование (нелинейная ИКМ) Процесс линейного аналого-цифрового преобразования, о котором шла речь выше, иногда называют линейной импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). В преобразователях, реализующих ИКМ, уровень шума квантования непосредственно связан с числом битов АЦП. Подобные преобразователи хорошо подходят для приложений, в которых амплитуда сигнала по каким-либо причинам распределена неоднородно, или в которых длина слова АЦП не имеет первостепенного значения. В приложениях, где амплитуда сигнала распределена неоднородно (например, телефонная связь), для точной передачи информации может понадобиться большое количество битов, а это не всегда эффективно. Некоторые сигналы, например, речь, состоят из гармоник как большой, так и малой амплитуды, хотя малые амплитуды более вероятны.
Следовательно, для речи однородное квантование не подходит. Неоднородное квантование может дать больше уровней квантования для сигнала с невысоким уровнем, чем однородное квантование с таким же количеством битов, а в телефонной связи это означает, что система более успешно может подстроиться под абонента и с громким, и с тихим голосом.
Стандартное неоднородное квантование, которое используется в телефонной связи (как в сетях общего пользования, так и в частных телефонных сетях), определяется по известному распределению амплитуды речи. Речевой сигнал дискретизуется с частотой 8 кГц, каждый элемент выборки квантуется и кодируется 8 бнт, составляющими систему со скоростью передачи 64 бит/с. Амплитуды элементов речевого сигнала перед передачей сжимаются логарифмически в 8 бит.
После приема уплотненные сигналы расширяются. Процесс сжатия речевого сигнала и его расширения называют компандированием (от английского СОМргезгйп8 — "сжатие" и ехРАХОПЧΠ— "расширение"). Этот процесс изображен на рис. 2.26. На практике компандирование осуществляется с помощью кодеков или комби-кодеков 1комбинации кодека ИКМ и фильтров защиты от наложения спектров н подавления зеркальных частот), которые подбираются к каждому речевому сигналу в цифровых системах телефонной связи.
В современной цифровой телефонии с кодеками необходим обратный процесс компандирования в цепи, чтобы данные могли обрабатываться методами ЦОС. Уплотненные ИКМ-данные преобразуются в линейные ИКМ-данные, а после цифровой обработки сигнала эти данные преобразуются обратно в неоднородную ИКМ. Операции обращения компандирования могут выполняться микросхемами ЦОС (например, чипами серии Техаз 1пзпищепг ТМБ320 или Мо1ого!а 56000) как поиск в таблице или путем реализации алгоритмов сжатия и расширения в реальном времени.
2.4.2А. Способы компандирования: ИКМ с 14- и А-характеристикой Для неоднородного квантования в телефонии используют два международных стандарта (см. [3]): стандарт с и-характеристикой (и-законом) (США и Япония) и стандарт с А-характеристикой (А-законом) 1Европа). Оба стандарта сжимают речь в 8-битовые выборки, которые эквивалентны приблизительно 14 бит линейных АЦП.
Характеристики компандирования и уравнения для и-характеристики показаны на рис. 2.26. Для описания каждого элемента выборки используются разные по знаку 2.4. Однородное и неоднородное квантование и кодирование 95 Унлангснныс РСМ-данные рне уалогненис Анслагасый сигнал Логарифиичсаси- лиисйнас расширение б) Рнс. 2.26. Неоднородные аналого-цифроаые и цифроаналогоиые ироабрааогиниа 2.4.2.2. Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (АДИКМ) При неоднородной ИКМ элементы речевого сигнала квантуются в 8 бит для каждого элемента информации. Известно, что при таком подходе не используется преимущество избьпочности речевого сигнала.
При АДИКМ [1,2) значение каждого элемента зависит от значения выборки. Это снижает количество битов, которые используются для представления каждого элемента, с 8 до 4 (8 кГц х 4 бит = 32 Кбит/с). Коды АДИКМ передают разницу между предсказанным и действительным значением элемента выборки. На практике для повышения вместимости речевых каналов в системы ИКМ могут встраиваться транскодеры АДИКМ. Кодер АДИКМ принимает значения ИКМ как входные данные, а декодер АДИКМ дает на выходе значения ИКМ. восьмиразрядные слова.
Характеристики компандирования приблизительно описываются набором из восьми прямолинейных отрезков (см. рис. 2.27). Видно, что последовательно возрастающие элементы входного сигнала сжимаются, формируя на выходе однородный масштаб. Величина шага входного сигнала при переходе от одного отрезка к другому постоянно удваивается. Это облегчает преобразование линейной ИКМ в неоднородную. ИКМ с л-характеристикой состоит из 8-битовых слов. На рисунке старший значащий разряд (СЗР) — это разряд, обозначающий знак, следующие 3 разряда представляют собой номер отрезка, а последние 4 — положение на нем.
На практике до передачи биты инвертируются, чтобы увеличить плотность единиц, так как это облегчает восстановление синхронизации и исправление ошибок. Данный процесс необходим, поскольку речь — это сигнал с небольшой энергией.
Как правило, отношение сигнала к шуму квантования при неоднородном квантовании сравнимо с этим же отношением для !4-битового линейного АЦП. Характеристики А-типа показаны на рис. 2.28. По своим свойствам они похожи на )л-характеристики. Однако А-характеристики дают меньшую точность для небольших сигналов, но обладают превосходной характеристикой динамического диапазона. 96 Глава 2.
Аиалоюаый интерфейс авода-аыеода дли систем ЦОС реально!о времени $27 Л2 5 ао е й 64 я 48 й 72 16 174 !Д отнеси!бабина треба нь а!саино с и!и ма 1,О Ца и$7! 1334 1333 $лб Рис. 2.27. характеристики комлаидироаания для и-яарактеристики с и = 255 ((!ТЦ ! 9981). Характеристики нодчиняются уравнению Р'(а) = аао(а) (ффч), тде и = 255, к — нормированный вводной ситиал, ааи — сто алак, а т (к) — акпый выводной ситнал Из-за разнообразия существующих стандартов кодирования речи их можно использовать в качестве своеобразных контрольных задач для тестирования многих служб и приложений в сфере коммуникаций. В большинстве случаев акцент делается на снижении скорости передачи информации. Например, скорость передачи речи в системе мобильных телефонов ОБМ равна 13, 2 Кбит$с.
Стандарт АДИКМ МККТТ 6.721 работает со скоростью 32 Кбит/с. .. 2;5;:'ВН16ОрКла'.Ст'ЗаПбаСт(23М: ПО цвоСтОТйй'Прн:::ЭН(йЛОФб-ЙФ)р(3ФОй!Е''- ПР8(26~)83068НИИ ":,:: ." "':!! ~ '-":. "'!,:Г~".:.",,'7!;";=,,'!.—:=тР"';$;,*'-."в-;~~~! ~т:."==~3!~Ф~~ 2.5Л3 Введение На практике выборка с запасом по частоте означает дискретизацию входного сигнала с частотой намного большей, чем частота Найквиста. Отношение действительной частоты дискретизации к частоте Найквиста называется коэффициеитиом леревыборки (сигнал предполагается низкочастотным): коэффициент перевыборки = Г,/27" (г.го) 1 3 3 3 1 1 ! 1 1 1 3 1 1 1 1 $ 1 3 1 1 13 1 3 1 3 3 3 1 1 ! 1 3 1 1 1 $ Д =255 3 1 1 1 1 1 1 1 1 3 3 1 1 0,875 3 1 1 0,750 ° .
1 1 1 1 0,625 4. а а о,яаот й 1 1 0,375 т й 0,250 4 я 3 оде 4- 3 1 1 3 тдтс тгсс мзт ша Относитсланыа уроыныаадною сигнала Рис. 2.28. Характеристики компандирования для А-характеристики (А = 255) [1ТС, 1998). Характеристики подчиняются уравнению Р(е) = сйи(л)т+,(((х),0 < )л! < 1/А: Р(*) = айн(л)те+(я)~,1/А < )л( < 1, где А = 87,8, * — ноРмиРованный входной сигнал, Явив его знак. а Р(е) — сжатый выходной сигнал Во многих областях современной ЦОС существует тенденпня всегда использовать выборку с запасом по частоте, чтобы сыграть на практических результатах теоремы о дискретном представлении.
Для аналого-цифрового интерфейса главными преимуществами выборки с запасом ло частоте являются: 1) упрощение фильтра зашиты от наложения спектров; 2) возможность использовать фильтры защиты от наложения спектров с переменной частотой среза (каждая частота среза требует своей частоты дискретизации) и 3) снижение минимального уровня шума АЦП путем распределения шума квантования по более широкой полосе частот. Это позволяет использовать АЦП с меньшим количеством битов, чтобы достичь такого же отношения сигнал-шум, как и при более высоком разрешении АЦП. В высокоточных цифровых системах из-за необходимости поддерживать низкий уровень искажения от наложения часто приходится пользоваться относительно сложными аналоговыми фильтрами защиты от наложения спектров. В многоканальных системах каждому аналоговому сигналу должен соответствовать отдельный фильтр защиты от 2.5. Выборка с запасом по частота при аналого-цифровом првобразоаании й 8 й й л Е 2.5.2.: Выборка с запасом по частоте и фильтры защиты от наложения спектров я 8 л и й вв Глава 2.
Аналоговый интерфейс ввода-вывода дли систем ЦОС реального времени /(ага) Е(сло е, О 2 Е Е 2 2 бг Рнс. 2.29. Спектр екоднаго сигнала: а) до дискретизации; б) иосле днскрстизании наложения, поскольку такие фильтры сложно уплотнить. При большом количестве каналов это зачастую очень дорого 1например, в биомедицинских приложениях бывает нужно 64 канала). Более того, может оказаться трудно согласовать по фазе узкоспециализированные аналоговые фильтры (для сохранения взаимосвязи между компонентами сигнала во всех каналах).
Многие из этих проблем позволяют преодолеть методы выборки с запасом по частоте. Как следует из теории спектра дискретного сигнала, чем выше частота дискретизации, тем дальше друг от друга находятся зеркальные компоненты и полоса частот исходного сигнала 1см., например, рис. 2.29). В главе 9 показано, как методы выборки с запасом по частоте сочетаются с цифровой обработкой сигналов при нескольких скоростях и удовлетворяют требованиям высокоточных систем. Пример'2,10 1. К универсальной многоканальной 1до 64 каналов) системе, собирающей нейрофизиологические данные, существует одно требование. Каждый аналоговый канал должен быть индивидуально задан пользователем так, чтобы граничная частота его полосы пропускания была в пределах от 0,5 кГц до 500 Гц, а выбираемая частота дискретизации — от 1 Гц до 5 кГц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
