Скляр Б. Цифровая связь (2003) (1151859), страница 191
Текст из файла (страница 191)
Этот процесс, выполняемый при сборе данных, называется аваомаглической регулировкой усилеикя (ацготайс яа(п сов!го! — АСС, АРУ). Функцией этих операций, связанных с предварительным формированием сигналов, — вычитание среднего, контроль дисперсии или выравнивание усиления (показанных на рис.
!3.2) — является нормирование функций плотности вероятности входного сигнала. Это нормирование обеспечивает оптимальное использование ограниченного динамического диапазона последующих записывающих, передающих или обрабатывающих подсистем. Многие источники сигналов демонстрируют значительную корреляцию амплитуды на последовательных временных интервалах, Эта корреляция означает, что уровни сигнала на последовательных временных интервалах не являются независимыми.
Если временные сигналы независимы на последовательных интервалах, автокорреляционная функция будет импульсной. Многие сигналы, представляющие инженерный интерес, имеют корреляционные функции конечной ширины. Эффективная ширина корреляционной функции (в секундах) называется временем корреляции процесса и подобна временной константе фильтра нижних частот.
Этот временной интервал является показателем того, насколько большой сдвиг вдоль оси времени требуется для потери корреляции между данными. Если время корреляции большое, то это значит, что амплитуда сигнала меняется медленно. Наоборот, если вРемя коРРеляции мало, делаем вывод, что амплитуда сигнала значительно меняется за очень малый промежуток времени. 827 Данныеу(т) с удаленным средним и соответствующая функция плотности вероятности Данные г(() снормированным усилениеми соответствующая функция плотности вероятности Исходныеданныех(т) и соответствующая функция плотности вероятности р(г) р(у) р(х) о л г(п = яу(() х(т) Рис. 13.2. Удаление среднею и нормирование дисперсии (регулировка уси- ления) длл зависцных ом данных систем предварительною формирова- ния сигнала 13.2.
Квантование амплитуды Кванпьование амплип(уды — это задача отображения выборок сигналов непрерывной амплитуды в конечное множество амплитуд. Аппаратное обеспечение, которое выполняет отображение, — зто аналого-цифровой преобразователь (апа!оя-(о-()!й!(а! сопчепег — АРС, АЦП). Квантование амплитуды происходит после операции выборки- хранения. Простейшее устройство квантования, которое можно изобразить, выполняет мгновенное отображение с каждого непрерывного входного уровня выборки в один из предопределенных, равномерно расположенных выходных уровней.
Квантуюшие устройства, которые характеризуются равномерно расположенными приращениями между возможными выходными уровнями, называются равномерными усп)ройса(вами квантования, или линейными квантующими устройствами. Возможнью мгновенные характеристики входа/выхода легко изображаются с помощью простого ступенчатого графика, подобного изображенному на рис. 13.3. На рис.
13.3, а, б и г представлены устройства с равномерными шагами квантования, а на рис. 13.3, в — устройство с неравномерным шагом квантования. На рис. 13.3, а характеристика устройства имеет нуль в центре шага квантования, а на рис. 13.3, б и г — на границе шага квантования. Отличительная особенность устройств, имеющих характеристики с нулем в центре шага квантования и характеристики с нулем на границе шага квантования, связана, соответственно, с наличием или отсутствием выходных изменений уровня, если вхо- Гппяп те Кппиппиянип ыстГи4ыыкя дом квантуюшсго устройства является шум низкого уровня. На рис.
13.3, г представлено смещенное (т.е. усекающсе) устройство квантования, а другие устройства, изображенные на рисунке, являются несмещенными и называются округляющими. Такие несмешенные устройства квантования представляют собой идеальные модели, но в аналого-цифровых преобразователях округление не реализуется никогда. Как правило, устройства квантования реализуются как усекаюшие преобразователи.
Термины "характеристика с нулем в центре шага квантования" (ш(бггсаб) или "характеристика с нулем на границе шага квантования" (тЫпзег) относятся к ступенчатым функциям и используются для описания того, имеются ли в начале координат горизонтальная или вертикальная составляющая ступенчатой функции.
Пунктирная линия единичного наклона, проходящая через начало координат, представляет собой неквантованную характеристику входа/выхода, которую пытаются аппроксимировать ступенчатой функцией. Разность между ступенчатой функцией и отрезком линии единичного наклона представляет собой ошибку аппроксимации, допускаемую устройством квантования на каждом входном уровне. На рис. 13.4 показана ошибка аппроксимации амплитуды в сравнении с входной амплитудой функции для каждой из характеристик квантующего устройства, изображенных на рис.
13.3. Рис. 13.4 соответствует рис. 13.3. Часто эта ошибка моделируется как шум квантования, поскольку последовательность ошибок, полученная при преобразовании широкополосного случайного процесса, напоминает аддитивную последовательность шума. Однако, в отличие от действительно аддитивных источников шума, ошибки преобразования являются сигнально зависимыми и высоко структурированными. Желательно было бы нарушить эту структуру, что можно сделать путем введения независимых шумовых преобразований, известных как псевдослучайный огум, предшествующих шагу преобразования.
(Зта тема обсуждается в разделе 13.2.4.) Линейное устройство квантования легко реализовать и очень легко понять. Оно представляет собой универсальную форму квантуюшсго устройства, поскольку не предполагает никаких знаний о статистике амплитуд и корреляционных свойствах входного сигнала, а также не использует преимуществ требований к точности, предоставляемых пользователями. Устройства квантования, которые используют указанные преимущества, являются более эффективными как кодеры источника и предназначены для более специфических задач, чем общие линейные устройства квантования.
Зти квантуюшие устройства являются более сложными и более дорогими, но они оправдывают себя с точки зрения улучшения производительности системы. Существуют приложения, для которых равномерные устройства квантования являются наиболее желаемыми преобразователями амплитуды. Это — приложения обработки сигналов, графические приложения, приложения отображения изображений и контроля процессов. Для некоторых иных приложений более приемлемыми преобразователями амплитуды являются неравномерные адаптивныс квантуюшие устройства. Эти устройства включают в себя кодеры сигнала для эффективного запоминания и эффективной связи, контурные кодеры лля изображений, векторные кодеры для речи и аналитические/синтетические кодеры (такие, как вокодер) дяя речи. 13 2 Каантоаанна ампантчоы 829 13.2.1. Шум квантования Разность между входом и выходом преобразователя называется ои(ибкай квантования (г(пап((х(пя еггог).
На рис. 13.5 изображен процесс отображения входной последовательности х(г) в квантованную выходную последовательность х(г). Получение х(г) можно представить как сложение каждого х(г) с ошибочной последовательностью е(г). х(г) = х(г) + е(г) Ошибочная последовательность е(г) детерминированно определяется входной амплитудой через зависимость мгновенной ошибки от амплитудной характеристики, изображенной на рис.
13.4. Отметим, что ошибочная последовательность демонстрирует две различные характеристики в различных входных рабочих областях. Первым рабочим интервалом является гранулированная область ошибок, соответствуюшая подаче на вход пилообразной характеристики ошибки.
Внутри этого интервала квантуюшие устройства ограничены размерами соседних ступенчатых подъемов. Ошибки, которые случаются в этой области, называются гранулированными (агапа!аг епогз), или иногда ошибками квантование (((цап((г1пя епог). Входной интервал, для которого ошибки преобразования являются гранулированными, определяет динамическую область преобразователя. Этот интервал иногда называется областью линейного режима (гея)оп ог 1]пеаг орегайоп). Соответствующее использование квантуюшего устройства требует, чтобы условия, порожденные входным сигналом, приводили динамическую область входного сигнала в соответствие с динамической областью устройства квантования.
Этот процесс является Функцией сигнально зависимой системы регулировки усиления, называемой автоматической регулировкой усиления (ашоша(гс аа1п сон(го! — АОС, АРУ), которая показана на пути прохождения сигнала на рис. 13.5. ] в(к(г)) =Я(г) -к(г) к(() + л(г) Модвль в(г] Рис. 13.5. Процесс и модель аоврехгденил входного сигнала в(умом квантование Вторым рабочим интервалом является негранулированная область ошибок, соответствуюшая линейно возрастающей (или убываюшей) характеристике ошибки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
