Курсовая работа: Методы рационального кодирования

4.3 Адаптация по выходному сигналу

Схема адаптации по выходу с переменным шагом квантования имеет вид (рисунок 9).

Рисунок 9

Системы адаптации по шагу в этой схеме цифровые. Схема адаптации по выходу с переменным коэффициентом усиления имеет вид (рисунок 10).

Рисунок 10

В обеих схемах дисперсия входного сигнала оценивается по выходному квантованному сигналу или по последовательности кодовых слов. Такие схемы обладают важным преимуществом по сравнению со схемами адаптации по входному сигналу, состоящие в том, что шаг квантования или коэффициент усиления не требуется сохранять или передавать по КС. Кроме того, система адаптации может быть реализована в цифровом виде.

Недостатком подобных квантователей является высокая чувствительность к ошибкам в кодовых словах, т.к. эти ошибки приводят не только к неправильной установке уровней квантования, но и ошибкам в шаге квантования.

Дисперсия входного сигнала в этом случае рассчитывается по формуле:

, ( 34)

где - квантованное значение входного сигнала, а импульсная характеристика равна:

( 35)

При оценке дисперсии в схемах адаптации по входу вместо используют .

Исследования схем адаптации по выходному сигналу показали, что по сравнению с - квантователем достигается выигрыш не менее 5 дБ.

Методы адаптивного квантования дают выигрыш в отношении сигнал-шум квантователя по сравнению с квантованием по - закону при том же динамическом диапазоне сигнала. Этот выигрыш зависит от формы ФПВ входного сигнала и его динамического диапазона. В связи с этим представляет интерес рассмотрение методов разностного кодирования, которые менее чувствительны к форме ФПВ входного сигнала.

Глава 5. Теория разностного кодирования

Обычно между соседними отсчетами входного сигнала имеется значительная корреляция, которая слабо уменьшается по мере увеличения интервала между отсчетами. В результате разность между соседними отсчетами имеет меньшую дисперсию, чем исходный сигнал. Т.е. динамический диапазон разностного квантованного сигнала уменьшается, что позволяет при том же отношении сигнал – шум квантования уменьшить разрядность кодового слова (рисунок 11).

Рисунок 11

Рассмотрим два случая:

1. , т.е. кодовое слово разностного сигнала уменьшится.

2. . Т.е. динамический диапазон разностного сигнала расширяется до динамического диапазона исходного сигнала. Тогда длительность кодового слова исходного и разностного сигналов равны, а отношение сигнал – шум квантования разностного сигнала .

Рассмотрим особенности работы разностного квантователя (рисунок 12).

Рисунок 12

На входе квантователя (КВ) действует сигнал:

. ( 36)

Сигнал называется погрешностью предсказания или разностный сигнал. Квантованию подвергается не входной, а разностный сигнал. Квантователь может быть адаптивным или неадаптивным, равномерным или неравномерным, но во всех случаях его параметры соответствуют дисперсии погрешности предсказания. Квантованная погрешность предсказания имеет вид:

, ( 37)

где - ошибка квантования разностного сигнала. Из структурной схемы ( 12) следует, что квантованное значение исходного сигнала имеет вид:

. ( 38)

Тогда используя формулы ( 36 – 38) получаем выражение:

( 39)

. ( 40)

Таким образом квантованный входной сигнал отличается от исходного входного сигнала на величину шума квантования разностного сигнала. Если предсказатель (П) хороший, то дисперсия разностного сигнала будет меньше дисперсии входного сигнала и квантователь с заданным количеством уровней даст меньшую погрешность при квантовании разности, чем при квантовании исходного сигнала. Отношение сигнал – шум квантования в этом случае имеет вид:

, ( 41)

где - отношение сигнал – шум квантователя, - коэффициент усиления, обусловленный разностным кодированием. Отношение сигнал – шум квантователя зависит только от свойств квантователя (равномерный, неравномерный, адаптивный) и разностного сигнала. Величина определяет выигрыш в отношении сигнал – шум при использовании разностного представления. Т.к. величина фиксированная, то увеличить коэффициент усиления можно только за счет минимизации . Для решения этой задачи определяют тип предсказателя. Рассмотрим возможность использования линейного предсказателя:

, ( 42)

где - порядок фильтра предсказателя, - коэффициенты. Дисперсия погрешности предсказателя в этом случае имеет вид:

. ( 43)

Дифференцируя по и приравниваем к нулю, получим систему уравнений:

( 44)

Решением системы уравнений будут коэффициенты , при которых минимальна. В этом случае коэффициент усиления равен:

, ( 45)

где - нормированная корреляционная функция . Таким образом пока отношение сигнал – шум квантования будет увеличиваться за счет предсказания. В случае речевого сигнала при получаются зависимости коэффициента усиления от порядка фильтра предсказателя (рисунок 13)

Рисунок 13

Даже при простом предсказателе, когда p=1, можно получить выигрыш в 6 дБ по сравнению с ИКМ, что эквивалентно добавления одного разряда в квантователь. В случае женского голоса (ЖГ) выигрыш разностного квантования выше, чем в случае мужского голоса (МГ).