Курсовая работа: Методы рационального кодирования

А - закон компандирования имеет вид:

( 22)

Глава 3. Оптимальное квантование

Как было установлено, квантование по - закону позволяет получить постоянное отношение сигнал-шум квантователя в широком диапазоне дисперсий входного сигнала. Это достигается ценой некоторого уменьшения отношения сигнал-шум квантователя по сравнению со случаем, если диапазон квантования согласован с дисперсией входного сигнала. Когда дисперсия сигнала известна, можно так выбрать уровени и пороги квантования, чтобы минимизировать мощность шума, т.е. максимизировать отношение сигнал-шум квантователя

, ( 23)

- ФПВ сигнала. Выражение ( 23) написано при симметричной функции плотности вероятности сигнала.

Требуется выбрать множество таких порогов и уровней квантования, чтобы минимизировать дисперсию входного сигнала. Для решения этой задачи продифференцируем по этим параметрам и приравняем производную к нулю

, ( 24)

( 25)

При условии, что , из выражения ( 24) и ( 25) следует, что

, ( 26)

. ( 27)

Т.е. оптимальные пороги равны полусумме уровней квантования, а уровни квантования есть среднее значение ФПВ сигнала на интервале .

Данное уравнение решается с помощью итерактивных методов для заданной ФПВ сигнала. Решение уравнения приводит к неравномерному распределению уровней квантования. Равномерное распределение уровней квантования будет только для сигналов с равномерной ФПВ. Оптимальные размеры шага квантования определены для нормального распределения, - распределения и распределения Лапласа.

Оптимальный квантователь дает минимум погрешности, если известна дисперсия и форма ФПВ сигнала.

Реальные сигналы обычно нестационарны. Поэтому на практике чаще используются - квантователи, несмотря на несколько меньшее отношение сигнал-шум квантователя по сравнению с оптимальными. Обычно потери составляют 3 – 6 дБ, т.е. меньше, чем один разряд квантования при известной дисперсии входного сигнала.

Глава 4. Адаптивное квантование

4.1 Вводные замечания

Из п. 4 ясно, что шаг квантования необходимо выбирать большим для согласования диапазона квантования с размахом сигнала. С другой стороны необходимо выбирать малым для уменьшения шума квантования. Одним из путей решения этой проблемы при нестационарном входном сигнале является применение - компандирования. Другой путь состоит в адаптации квантования к уровню входного сигнала. Если адаптивное квантование применяется непосредственно к отсчетам входного сигнала, то такой метод обработки называют адаптивной ИКМ (АИКМ). Известны два способа реализации АИКМ. Адаптивное квантование при первом способе состоит в том, что шаг квантования (в общем случае интервалы и уровни квантования) изменяются таким образом, чтобы соответственно изменялась дисперсия входного сигнала.

Другой способ реализации АИКМ соответствует случаю, когда характеристики квантователя не изменяются, а постоянный уровень дисперсии сигнала поддерживается за счет переменного коэффициента усиления. В обоих случаях необходимо оценивать изменяющиеся во времени характеристики сигнала.

Имеется два класса схем адаптивного квантования:

1.Квантователь с адаптацией по входу, когда дисперсия входного сигнала оценивается непосредственно по этому сигналу.

2. Квантователь с адаптацией по выходу, когда шаг квантования подстраивают по выходному сигналу или кодовому слову .

4.2 Адаптация по входному сигналу

Рассмотрим структурную схему квантователя с переменным шагом квантования (рисунок 7).

Рисунок 7

Шаг квантования должен быть известен на приемной стороне, т.е. в этом случае отсчет описывается кодовым словом и шагом квантования. Если используется квантователь с адаптацией по входу на основе усилителя с переменным коэффициентом усиления, то квантованный сигнал описывается кодовым словом и коэффициентом усиления.

Структурная схема квантователя с переменным коэффициентом квантования приведена на следующем рисунке (рисунок 8).

Рисунок 8

В системах адаптации по шагу и усилению обычно используется оценка дисперсии входного сигнала. В этом случае шаг или уровни квантования устанавливаются пропорционально СКО сигнала

кодирование сигнал адаптация

, ( 28)

а коэффициент усиления - обратно пропорционально

. ( 29)

Общий подход состоит в предположении, что дисперсия входного сигнала пропорциональна кратковременной энергии. При этом дисперсия входного сигнала оценивается по формуле:

( 30)

- импульсная характеристика фильтра нижних частот.

В интересах практической реализации устройств адаптации импульсная характеристика фильтра выбирается в виде:

( 31)

Тогда дисперсия входного сигнала равна:

, ( 32)

( 33)

Параметр импульсной характеристики фильтра определяет протяженность интервала времени, на котором сигнал вносит основной вклад в оценку дисперсии.