Алгоритм μ-закон (иногда пишется мю -Закона , часто аппроксимируются , как и-закон ) является компандированием алгоритма, в основном используется в 8-битных PCM цифровых телекоммуникационных систем в Северной Америке и Японии . Это одна из двух версий стандарта G.711 от ITU-T , другая версия является аналогичным A-законом . A-закон используется в регионах, где цифровые телекоммуникационные сигналы передаются по цепям E-1, например, в Европе.
Компандирование алгоритмов уменьшить динамический диапазон звукового сигнала . В аналоговых системах это может увеличить отношение сигнал / шум (SNR), достигаемое во время передачи; в цифровой области это может уменьшить ошибку квантования (следовательно, увеличить отношение сигнала к шуму квантования). Эти увеличения SNR можно обменять на уменьшение полосы пропускания для эквивалентного SNR.
Типы алгоритмов
Алгоритм μ-закона может быть описан в аналоговой форме и в квантованной цифровой форме.
Непрерывный
Для заданного входа x уравнение кодирования по закону μ имеет вид [1]
где μ = 255 в стандартах Северной Америки и Японии, а sgn ( x ) - знаковая функция . Важно отметить, что диапазон этой функции составляет от -1 до 1.
Тогда разложение по μ-закону дается обратным уравнением: [1]
Дискретный
Дискретная форма определена в Рекомендации МСЭ-Т G.711 . [2]
В G.711 неясно, как кодировать значения на границе диапазона (например, кодирует ли +31 значение 0xEF или 0xF0). [ необходима цитата ] Тем не менее, G.191 предоставляет пример кода на языке C для кодировщика μ-закона. Разница между положительным и отрицательным диапазонами, например, отрицательный диапазон, соответствующий от +30 до +1, составляет от -31 до -2. Это объясняется использованием дополнения 1 (простая инверсия битов), а не дополнения 2 для преобразования отрицательного значения в положительное во время кодирования.
14-битный двоичный линейный входной код | 8-битный сжатый код |
---|---|
От +8158 до +4063 в 16 интервалах по 256 | 0x80 + номер интервала |
От +4062 до +2015 в 16 интервалах по 128 | 0x90 + номер интервала |
От +2014 до +991 в 16 интервалах по 64 | 0xA0 + номер интервала |
От +990 до +479 в 16 интервалах по 32 | 0xB0 + номер интервала |
От +478 до +223 в 16 интервалах по 16 | 0xC0 + номер интервала |
От +222 до +95 за 16 интервалов по 8 | 0xD0 + номер интервала |
От +94 до +31 в 16 интервалах по 4 | 0xE0 + номер интервала |
От +30 до +1 в 15 интервалах по 2 | 0xF0 + номер интервала |
0 | 0xFF |
−1 | 0x7F |
От −31 до −2 через 15 интервалов по 2 | 0x70 + номер интервала |
От −95 до −32 в 16 интервалах по 4 | 0x60 + номер интервала |
От −223 до −96 в 16 интервалах по 8 | 0x50 + номер интервала |
От −479 до −224 в 16 интервалах по 16 | 0x40 + номер интервала |
От −991 до −480 в 16 интервалах по 32 | 0x30 + номер интервала |
От −2015 до −992 через 16 интервалов по 64 | 0x20 + номер интервала |
От −4063 до −2016 через 16 интервалов по 128 | 0x10 + номер интервала |
От −8159 до −4064 в 16 интервалах по 256 | 0x00 + номер интервала |
Выполнение
Алгоритм μ-закона может быть реализован несколькими способами:
- Аналоговый
- Используйте усилитель с нелинейным усилением, чтобы добиться полного компандирования в аналоговой области.
- Нелинейный АЦП
- Используйте аналого-цифровой преобразователь с неравномерно разнесенными уровнями квантования, чтобы соответствовать алгоритму μ-закона.
- Цифровой
- Используйте квантованную цифровую версию алгоритма μ-закона для преобразования данных, когда они попадают в цифровую область.
- Программное обеспечение / DSP
- Используйте непрерывную версию алгоритма μ-закона для вычисления компандированных значений.
Обоснование использования
Кодирование по μ-закону используется потому, что речь имеет широкий динамический диапазон . При передаче аналогового сигнала в присутствии относительно постоянного фонового шума теряются более мелкие детали. Учитывая, что точность деталей в любом случае нарушается, и предполагая, что сигнал должен восприниматься человеком как звук, можно воспользоваться тем фактом, что воспринимаемый уровень акустической интенсивности или громкости является логарифмическим путем сжатия сигнала с использованием логарифмического операционный усилитель с откликом ( закон Вебера-Фехнера ). В телекоммуникационных цепях большая часть шума вводится на линии, поэтому после компрессора намеченный сигнал воспринимается значительно громче, чем статический, по сравнению с несжатым источником. Это стало обычным решением, и, таким образом, до обычного цифрового использования была разработана спецификация μ-закона для определения интероперабельного стандарта.
В цифровых системах этот ранее существовавший алгоритм имел эффект значительного уменьшения количества битов, необходимых для кодирования распознаваемого человеческого голоса. Используя μ-закон, выборка может быть эффективно закодирована всего с 8 битами, размер выборки, который удобно соответствует размеру символа большинства стандартных компьютеров.
Кодирование по μ-закону эффективно сокращает динамический диапазон сигнала, тем самым увеличивая эффективность кодирования при смещении сигнала таким образом, что в результате получается отношение сигнал / искажение , которое больше, чем полученное при линейном кодировании для заданного числа битов. .
Алгоритм μ-закона также используется в формате .au , который восходит к SPARCstation 1 компанией Sun Microsystems как собственный метод, используемый интерфейсом / dev / audio, широко используемый как фактический стандарт звука в Unix. системы. Формат au также используется в различных распространенных аудио API, таких как классы в пакете Java sun.audio в Java 1.1 и в некоторых методах C # .
Этот график показывает, как μ-закон концентрирует выборку на меньших (более мягких) значениях. Абсцисса представляет байтовые значения 0-255, а вертикальная ось - это 16-битное линейно декодированное значение кодирования по закону μ.
Сравнение с A-законом
Алгоритм μ-закона обеспечивает немного больший динамический диапазон, чем A-закон, за счет худших пропорциональных искажений для слабых сигналов. По соглашению, A-law используется для международного соединения, если его использует хотя бы одна страна.
Смотрите также
Рекомендации
Эта статья включает материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C» .
- ^ а б «Методы кодирования сигналов - Cisco» . 2006-02-02 . Проверено 7 декабря 2020 .
- ^ «Рекомендация ITU-T G.711» .
Внешние ссылки
- Методы кодирования сигналов - подробности реализации
- Реализации компандирования по закону А и мю с использованием TMS320C54x ( PDF )
- TMS320C6000 Компандирование по μ-закону и A-закону с программным обеспечением или McBSP ( PDF )
- Реализация A-закона и μ-закона (в C)