8(499)-709-97-83
Работаем с 8:00 до 19:00

Аудио кодек G.711 A Law (a-law) и µ Law (u-law)

  • 17 марта 2015

Аудио сигналы – это аналоговые сигналы, в то время как, в IP сетях используются цифровые сигналы. Преобразование аналогово сигнала в цифровой называется – Аналоговое-Цифровое Преобразование или АЦП (Analog-to-Digital Converter (ADC)).

Процесс аналогового-цифрового преобразования или процесс импульсно-кодовой модуляции (Pulse Code Modulation (PCM)) проходит в три шага:

  • Дискретизация
  • Квантование
  • Кодирование

Дискретизация

Дискретизация это процесс кодирования аналогового сигнала в цифровой, при помощи анализа уровней амплитуд входящего сигнала (выборок) за определенные промежутки времени.

Этот процесс показан на следующем рисунке:

Дискретизация обычно происходит за равные промежутки времени. Эти промежутки времени называются «интервалом дискретизации». Обратная величина интервала дискредитации называется частотой дискретизации или скоростью выборки. Единица частоты дискретизации - Гц.

Для выполнения дискретизации, необходимо учитывать теорему Котельникова. Теорема Котельникова связывает аналоговые и дискретные сигналы и гласит, что, если аналоговый сигнал x(t) имеет конечный (ограниченный по ширине) спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим отсчётам, взятым с частотой, большей или равной удвоенной верхней частоте fc.

f>=2fc

В соответствии с теоремой дискретизации, телефонные аудиосигналы (с частотой от 300 Гц до 3400 Гц), должны отбираться на частоте, равной или большей, чем 6800 Гц (2х3400).

Обычно, принимают частоту дискретизации или скорость выборки, равной 8000 Герц. Таким образом получаем интервал времени дискретизации:

T = 1/8000 = 0,000125 сек. = 125 мкс

Таким образом, два последовательных образа одного и того же сигнала разделены 125 мкс.


Квантование

Квантование — разбиение диапазона значений непрерывной или дискретной величины на конечное число интервалов.

Не следует путать квантование с дискретизацией (и, соответственно, шаг квантования с частотой дискретизации). При дискретизации изменяющаяся во времени величина (сигнал) замеряется с заданной частотой (частотой дискретизации), таким образом, дискретизация разбивает сигнал по временной составляющей (на графике — по горизонтали). Квантование же приводит сигнал к заданным значениям, то есть, разбивает по уровню сигнала (на графике — по вертикали). Сигнал, к которому применены дискретизация и квантование, называется цифровым.

Есть несколько методов квантования:

Равномерное квантование

При равномерном квантовании ступень квантования не меняется во всем диапазоне преобразуемых величин.

При равномерном квантовании функции х(t), интервал временного квантования Тк постоянен. Его величина выбирается на основе априорных сведений о характеристиках сигнала.

Наиболее распространено равномерное квантование по уровню. При таком квантовании среднеквадратичная ошибка определяется числом уровней квантования и практически не зависит от статистики квантуемых сообщений.

Процесс квантования обязательно вносит ошибку, так как реальная амплитуда входного сигнала заменяется приближенным значение. Эту ошибку называют шумом квантования.

Шум квантования можно уменьшить, увеличением количества интервалов квантования, но на практике количество интервалов, не может превышать определенное значение.

На следующем рисунке показано равномерное квантование сигнала. Число интервалов квантования восемь.

  • Оригинальный сигнал - сплошная линия.
  • Шум квантования - штрих-пунктирная линия
  • Восстановленный сигнал - пунктирная линия.

Шум квантования каждого образца, дает деформации или искажения в восстановленном сигнале.

Неравномерное квантование

Неравномерным называется квантование, если шаг квантования изменяется в допустимых пределах амплитудных значений, возрастая с увеличением уровня сигнала. Относительная ошибка шума квантования будет практически постоянна на всем диапазоне изменения входного сигнала.


Закон кодирования

При неравномерном процессе квантования существует определенная функция под названием закон кодирования.

Есть два вида законов кодирования: непрерывные и сегментированные.

В непрерывных законах кодирования, интервалы квантования имеют разную ширину. При малых значениях сигналов- малые интервалы квантования, при больших значения сигналов- большие интервалы квантования.

В сегментированных законах кодирования, рабочий диапазон делится на конечного число групп. Каждый интервал, входящий в одну группу имеет определенную ширину. Ширина у каждой группы своя.

Чаще всего используются сегментированные законы кодирования.


Схема кодирования G.711 A Law (a-law) и µ Law (u-law)

Два основных закона кодирования, используемые в настоящее время, являются закон A (a-law) и закон μ (u-закон), также известные как кодек G.711. Закон A (a-law) в основном используется в европейских системах импульсно-кодовой модуляции, а закон μ (u-закон) используется в американских системах импульсно-кодовой модуляции.

Закон А формируется 13-ю отрезками прямых линий (на самом деле их 16, но три центральных сегмента выравнивают)

Математическая формулировка A закона является:

X и Y представляют собой входной и выходной сигнал.

Математическая формулировка μ закона:

На следующем рисунке представлен A ​​закон (a-law):



Дифференционное квантование (Дифференциальный PCM)

В при кодировании голоса, низкочастотные сигналы встречаются чаще, чем все остальные. По этой причине, уровни двух последовательных образцов, обычно мало отличаются друг от друга. Воспользовавшись этим обстоятельством, было создано дифференциальное квантование.

В дифференциальном квантовании, вместо того, чтобы обрабатывать каждый образец отдельно, обрабатывается разница между этими образцами. Число интервалов квантования, необходимых для оценки разницы между двумя последовательными выборками, меньше числа интервалов квантования двух отдельных образцов. Таким образом, дифференциальное квантование позволяет уменьшить частоту передачи.


Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ADPCM)

Если мы увеличим частоту дискретизации в дифференциальном квантовании, то два последовательных образца имеют малое различие в их уровнях. Таким образом, один интервал квантования может быть использован для количественной оценки разницы двух образцов. При таком методе уменьшается скорость передачи данных (битрейт).


Кодирование - декодирование

Кодирование- процесс, посредством которого количественная выборка представлена двоичным числом (0 или 1).

Обычно в телефонии используется 256 интервалов квантования, необходимых для представления всех возможных значений образцов. Поэтому, 8 бит необходимо для представления всех интервалов (28 = 256). Другие кодеки, которые используют ADPCM или дельта квантование, используют меньшие интервалы и, следовательно, им нужно меньшее количество бит, для кодирования образцов.

Устройство, которое делает квантование и кодирование, называется кодер.

Декодирование представляет собой процесс, посредством которого образцы восстанавливаются, из двоичного сигнала. Этот процесс осуществляется в устройстве, названном декодер.

Группа кодера и декодера в одном оборудовании, называется кодек.

 
Powered by SEO CMS ver.: 23.1 TOP 2 (opencartadmin.com)