Алгоритм μ-закона - Википедия - μ-law algorithm

Компандирование алгоритмов μ-закона и A-закона

В алгоритм μ-закона (иногда пишется "му -закон ", часто приблизительный как "u-закон") является компандирование алгоритм, в основном используемый в 8-битных PCM цифровой телекоммуникации системы в Северная Америка и Япония. Это одна из двух версий G.711 стандарт от ITU-T, другая версия аналогична Закон. A-закон используется в регионах, где цифровые телекоммуникационные сигналы передаются по цепям E-1, например Европа.

Алгоритмы компандирования уменьшают динамический диапазон аудио сигнал. В аналоговых системах это может увеличить соотношение сигнал шум (SNR) достигается во время передачи; в цифровой области это может уменьшить ошибку квантования (следовательно, увеличить отношение сигнала к шуму квантования). Эти увеличения SNR можно обменять на снижение пропускная способность для эквивалентного SNR.

Типы алгоритмов

Алгоритм μ-закона может быть описан в аналоговой форме и в квантованной цифровой форме.

Непрерывный

Для заданного входа $Икс$ , уравнение для кодирования по закону μ имеет вид^[1]

{ Displaystyle F (x) = operatorname {sgn} (x) { frac { ln (1+ mu | x |)} { ln (1+ mu)}} ~~~~ -1 leq x leq 1}

куда $μ = 255$ в стандартах Северной Америки и Японии и $sgn (Икс)$ это функция знака. Важно отметить, что классифицировать этой функции составляет от -1 до 1.

Тогда разложение по μ-закону дается обратным уравнением:^[1]

{ displaystyle F ^ {- 1} (y) = operatorname {sgn} (y) (1 / mu) ((1+ mu) ^ {| y |} -1) ~~~~ -1 leq y leq 1}

Дискретный

Дискретная форма определена в Рекомендации ITU-T. G.711.^[2]

В G.711 неясно, как кодировать значения на границе диапазона (например, кодирует ли +31 значение 0xEF или 0xF0).^{[нужна цитата ]}Однако G.191 предоставляет пример кода в Язык C для кодировщика с μ-законом. Разница между положительным и отрицательным диапазонами, например отрицательный диапазон, соответствующий от +30 до +1, составляет от -31 до -2. Это объясняется использованием 1 дополнение (простая инверсия битов), а не 2 дополнения для преобразования отрицательного значения в положительное во время кодирования.

Алгоритм квантованного μ-закона
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 с 16 интервалами по 8	0x50 + номер интервала
От −479 до −224 через 16 интервалов 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 с 16 интервалами 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 уровнями квантования, которые неравномерно разнесены, 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 закону μ используется, потому что речь имеет широкий динамический диапазон. При передаче аналогового сигнала при относительно постоянном фоновом шуме более мелкие детали теряются. Учитывая, что точность деталей в любом случае снижается, и предполагая, что сигнал должен восприниматься человеком как звук, можно воспользоваться тем фактом, что воспринимаемый сигнал уровень акустической интенсивности или же громкость является логарифмическим путем сжатия сигнала с помощью операционного усилителя с логарифмической характеристикой (Закон Вебера-Фехнера ). В телекоммуникационных цепях большая часть шума вводится в линии, поэтому после компрессора предполагаемый сигнал воспринимается значительно громче, чем статический, по сравнению с несжатым источником. Это стало обычным решением, и, таким образом, до общего 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 в 8 бит, размер выборки, который удобно соответствует размеру символа большинства стандартных компьютеров.

Кодирование по закону μ эффективно сокращает динамический диапазон сигнала, тем самым увеличивая кодирование эффективность при смещении сигнала таким образом, чтобы сигнал-к-искажение соотношение, которое больше, чем полученное линейным кодированием для данного количества битов.

Декодирование по μ-закону, созданное с помощью программы Sun Microsystems на языке C g711.c, широко доступной в Интернете.

Алгоритм μ-закона также используется в формат .au, который восходит как минимум к SPARCstation 1 от Sun Microsystems как собственный метод, используемый интерфейсом / dev / audio, широко используемый как фактический стандарт звука в системах Unix. Формат au также используется в различных распространенных аудио API например, уроки в sun.audio Пакет Java в Ява 1.1 и в некоторых C # методы.

Этот график показывает, как μ-закон концентрирует выборку на меньших (более мягких) значениях. Абсцисса представляет байтовые значения 0-255, а вертикальная ось - 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

внешняя ссылка

[mulaw-equation-1] а ^б «Методы кодирования сигналов - Cisco». 2006-02-02. Получено 2020-12-07.

[2] «Рекомендация ITU-T G.711».

[1]

[2]