Ошибки квантования

Ошибки квантования

В процессе дискретизации, полученные на этапе замера и удержания мгновенные значения амплитуды аналогового сигнала округляются до значений известных системе. Количество таких значений продиктовано разрядностью или разрешающей способностью данной системы.

 

Рассмотрим пример. Представим, что в нашем распоряжении 4-х битная система. Это означает, что она имеет всего лишь 16 различных значений, для представления уровня амплитуды аналогового сигнала. Представим, что система распознает и регистрирует только целые числа. А теперь представим, что в определенный момент времени, продиктованный частотой дискретизации, произошел замер амплитуды, составляющий 3.4. Однако система не знакома с таким числом, поэтому будет произведено округление до ближайшего знакомого системе числа, то есть до трех. Данное округление вносит искажения в сигнал, так как аплитуда исходного сигнала была на 0.4 больше, чем та, которую зарегистрировала система.

ошибки квантования

Разумеется, при использовании более высоких разрядностей данные ошибки менее грубые, однако они все равно есть. Это становится особенно важно при дальнейшей цифровой обработке сигнала, заранее содержащего ошибки. Чем больше будет произведено обработки, то есть математических действий, тем больше будет внесено искажений. И речь не идет о какой-то экзотической обработке, но даже о банальном увеличении уровня на 6 dB (в два раза), например. Если вернуться к примеру с 4-х битной системой, то вместо 3.4×2=6.8, мы получим 3×2=6. И вот результат!! Из ошибки в 0.4 получилась ошибка в 0.8!!! И так далее… Из этого можно сделать вывод:

ошибки

Одним из способов предотвратить последствия неточности расчетов является применение 32-х и даже 48-ми битной внутренней архитектуры програмного обеспечения, предназначенного для работы с цифровым аудио. Это предоставляет дополнительное "место" в отсчетах (цифровом слове) для добавочных значений, возникаюших в результате тех или иных манипуляций над сигналом. Однако не стоит забывать, что здесь речь идет о уже существующем цифровом сигнале, а не о процессе преобразования аналогового сигнала в цифровую форму. Кроме того, рано или поздно, такой цифровой сигнал с расширенной резолюцией должен будет быть урезан до стандартного разрешения - как правило 16 или 24 бит.

При этом, для того чтобы снизить побочные эффекты этого процесса, выражающиеся в существенной потере инфромации низкого уровня, хранящейся в дополнительных битах, к сигналу подмешивается псевдослучайный шум. Эта операция известна под именем диттеринг (dithering).

Шум квантования (грануляционный шум)

Ошибки квантования формируют нежелательный сигнал, выражающийся как широкодиапазонный шум, равномерно распределенный по всему спектру - от 0 Гц до половины частоты дискретизации, известной как частота Найквиста.

Поскольку максимальное округление может составлять половину наименьшего знакомого системе значения,

Что это означает? А то, что максимальная ошибка, и, как следствие, шум, внесенный в результате ошибки, будет составлять 3.01 dB, поскольку каждый бит соответствует 6,02 dB динамического диапазона.

Поскольку шум квантования не взаимосвязан с характеристиками полезного сигнала и имеет скорее рандомальный характер, по своей сущности он сильно напоминает белый шум.

Способы борьбы

Одним из способов уменьшить уровень шума в критическом диапазоне 20 Гц - 20 КГц, является применение техники передискретизации (использование гораздо более высокой частоты дискретизации, чем минимально необходимая) и различных алгоритомов, с помощью которых возможно перераспределить общую мощность шума квантования таким образом, чтобы основная его часть приходилась на диапазон, находящийся за границей слышимого спектра. Дополнительным преимуществом передискретизации является возможность сдвинуть частоту Найквиста, таким образом, что наличие в аналоговом сигнале частот более 20 КГц не будет приводитъ к эффекту изветстным под названием алиасинг (aliasing).

Подпишись на E-mail рассылку

и получи эксклюзивную возможность прочесть краткое руководство на тему "Основы акустики, психоакустики и акустической оптимизации помещений" 

Я никогда и никому не передам и не продам адрес вашей электронной почты. Вы можете отписаться в любое время.

Похожие статьи

  • Аудио кодеки
    Кодеки сыграли в свое время если не ключевую, то очень существенную роль в дальнейщим развитии технологий в области цифрового звука....
  • Цифровое представление сигналов – общие сведения
    Я думаю не для кого не секрет, что цифровой звук уже давно вошел в нашу повседневную жизнь. Будь то MP3...
  • Бинарная система
    Аналоговый сигнал представляет собой непрерывный сигнал, который теоретически может принимать бесконечное количество значений, поскольку, как известно, на непрерывной линии можно...
  • Aлиасинг и теорема Найквиста (Котельникова)
    Теорема Найквиста (известная также как теорема Котельникова) утверждает, что для корректной передачи и последующего воспроизведения всего спектра частот, содержащегося в...


No Comments Yet.

Leave a comment