Algoritmus μ-zákona - μ-law algorithm - Wikipedia

Kompilace algoritmů μ-law a A-law

The Algoritmus μ-zákona (někdy psáno „mu -law “, často přibližný jako „u-law“) je a kompaktní algoritmus, primárně používaný v 8-bit PCM digitální telekomunikace systémy v Severní Amerika a Japonsko. Je to jedna ze dvou verzí G.711 standard od ITU-T, druhá verze je podobná Zákon. Zákon A se používá v oblastech, kde jsou digitální telekomunikační signály přenášeny v obvodech E-1, např. Evropa.

Komprimující algoritmy snižují dynamický rozsah zvuku signál. V analogových systémech to může zvýšit odstup signálu od šumu (SNR) dosažené během přenosu; v digitální doméně může snížit chybu kvantování (tedy zvýšení poměru signálu k kvantování šumu). Tyto zvýšení SNR lze místo toho obchodovat za snížení šířka pásma pro ekvivalentní SNR.

Typy algoritmů

Algoritmus μ-zákona může být popsán v analogové formě a v kvantované digitální formě.

Kontinuální

Pro daný vstup $X$ , rovnice pro kódování μ-law je^[1]

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

kde $μ = 255$ v severoamerických a japonských normách a $sgn (X)$ je znaková funkce. Je důležité si uvědomit, že rozsah této funkce je −1 až 1.

μ-law expanze je pak dána inverzní rovnicí:^[1]

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

Oddělený

Diskrétní forma je definována v doporučení ITU-T G.711.^[2]

G.711 není jasné, jak kódovat hodnoty na hranici rozsahu (např. Zda +31 kóduje na 0xEF nebo 0xF0).^{[Citace je zapotřebí ]}G.191 však poskytuje ukázkový kód v Jazyk C. pro kodér μ-law. Rozdíl mezi kladným a záporným rozsahem, např. záporný rozsah odpovídající +30 až +1 je −31 až −2. To je vysvětleno použitím Doplněk 1 (jednoduchá bitová inverze) spíše než Doplněk 2 převést zápornou hodnotu na kladnou hodnotu během kódování.

Kvantovaný algoritmus μ-zákona
14bitový binární lineární vstupní kód	8bitový komprimovaný kód
+8158 až +4063 v 16 intervalech po 256	0x80 + číslo intervalu
+4062 až +2015 v 16 intervalech po 128	0x90 + číslo intervalu
+2014 až +991 v 16 intervalech po 64	0xA0 + číslo intervalu
+990 až +479 v 16 intervalech po 32	0xB0 + číslo intervalu
+478 až +223 v 16 intervalech po 16	0xC0 + číslo intervalu
+222 až +95 v 16 intervalech po 8	0xD0 + číslo intervalu
+94 až +31 v 16 intervalech po 4	0xE0 + číslo intervalu
+30 až +1 v 15 intervalech po 2	0xF0 + číslo intervalu
0	0xFF
−1	0x7F
−31 až −2 v 15 intervalech po 2	0x70 + číslo intervalu
−95 až −32 v 16 intervalech po 4	0x60 + číslo intervalu
−223 až −96 v 16 intervalech po 8	0x50 + číslo intervalu
−479 až −224 v 16 intervalech po 16	0x40 + číslo intervalu
−991 až −480 v 16 intervalech po 32	0x30 + číslo intervalu
−2015 až −992 v 16 intervalech po 64	0x20 + číslo intervalu
−4063 až −2016 v 16 intervalech po 128	0x10 + číslo intervalu
−8159 až −4064 v 16 intervalech po 256	0x00 + číslo intervalu

Implementace

Algoritmus μ-law může být implementován několika způsoby:

Analogový: Použijte zesilovač s nelineárním ziskem, abyste dosáhli úplného komponování v analogové doméně.
Nelineární ADC: Použijte analogově-digitální převodník s úrovněmi kvantování, které jsou nerovnoměrně rozmístěny tak, aby odpovídaly algoritmu μ-law.
Digitální: K převodu dat, jakmile jsou v digitální doméně, použijte kvantovanou digitální verzi algoritmu μ-law.

Software / DSP: Pro výpočet komandovaných hodnot použijte kontinuální verzi algoritmu μ-law.

Odůvodnění použití

Kódování μ-law se používá, protože mluvený projev má široký dynamický rozsah. Při přenosu analogového signálu se za přítomnosti relativně konstantního šumu pozadí ztratí jemnější detaily. Vzhledem k tomu, že přesnost detailu je každopádně ohrožena, a za předpokladu, že má být signál vnímán člověkem jako zvuk, lze využít skutečnosti, že vnímaný signál úroveň akustické intenzity nebo hlasitost je logaritmická komprimací signálu pomocí operačního zesilovače logaritmické odezvy (Weber-Fechnerův zákon ). V telekomunikačních obvodech je většina šumu přiváděna na vedení, takže po kompresoru je zamýšlený signál vnímán jako výrazně hlasitější než statický ve srovnání s nekomprimovaným zdrojem. Toto se stalo běžným řešením, a tak před běžným digitálním použitím byla vyvinuta specifikace μ-law, která definuje interoperabilní standard.

V digitálních systémech měl tento již existující algoritmus účinek významného snížení počtu bitů potřebných k zakódování rozpoznatelného lidského hlasu. Pomocí μ-law lze vzorek efektivně zakódovat za pouhých 8 bitů, což je velikost vzorku, která se pohodlně shoduje s velikostí symbolu většiny standardních počítačů.

Kódování μ-law účinně snížilo dynamický rozsah signálu, čímž zvýšilo kódování účinnost při předpětí signálu způsobem, který má za následekzkreslení poměr, který je větší než poměr získaný lineárním kódováním pro daný počet bitů.

Dekódování μ-law generované rutinou Sun Microsystems jazyka C g711.c běžně dostupnou na internetu.

Algoritmus μ-law se také používá v formát .au, která sahá přinejmenším do SPARCstation 1 Sun Microsystems jako nativní metoda používaná rozhraním / dev / audio, široce používaná jako de facto standard pro zvuk na unixových systémech. Formát au se používá také v různých běžných zvucích API jako jsou kurzy na slunci. audio Balíček Java v Jáva 1.1 a v některých C# metody.

Tento graf ukazuje, jak μ-law koncentruje vzorkování v menších (měkčích) hodnotách. Úsečka představuje hodnoty bajtů 0-255 a svislá osa je 16bitová lineární dekódovaná hodnota kódování μ-law.

Srovnání s A-zákonem

Algoritmus μ-law poskytuje o něco větší dynamický rozsah než A-law za cenu horších proporcionálních zkreslení pro malé signály. Podle konvence se zákon A používá pro mezinárodní spojení, pokud jej používá alespoň jedna země.

Viz také

Reference

Tento článek zahrnujepublic domain materiál z Obecná správa služeb dokument: „Federální norma 1037C“.

^ ^A ^b „Techniky kódování křivek - Cisco“. 2006-02-02. Citováno 2020-12-07.
^ „Doporučení ITU-T G.711“.

externí odkazy

Techniky kódování průběhu - podrobnosti implementace
Implementace A-Law a mu-Law využívající TMS320C54x (PDF )
TMS320C6000 μ-Law a A-Law Computing se softwarem nebo McBSP (PDF )
Realizace A-zákona a μ-zákona (v C)

[mulaw-equation-1] A ^b „Techniky kódování křivek - Cisco“. 2006-02-02. Citováno 2020-12-07.

[2] „Doporučení ITU-T G.711“.

[1]

[2]