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.

Обе схемы адаптивных квантователей по входу сигнала идентичны с точки зрения отношения сигнал-шум квантователя. Экспериментальные исследования в случае, если сигнал имеет ФПВ Гаусса или Лапласа показали, что адаптивное квантование дает выигрыш в отношении сигнал-шум квантователя не менее 5 - 6 дБ по сравнению с - квантователем. Если дисперсия входного сигнала изменяется в широких пределах (30 дБ и более), этот выигрыш будет увеличиваться.

 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.