Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.5: Non-Linear Quantization"

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Pulscodemodulation
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{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1620__Mod_A_4_5.png|right|frame|PCM-System mit Kompandierung]]
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[[File:EN_Mod_Z_4_5.png|right|frame|PCM system with companding]]
Zur Untersuchung der ''nichtlinearen Quantisierung'' gehen wir vom skizzierten Systemmodell aus, wobei wir den Einfluss des Kanals und der PCM–Codierung bzw. –Decodierung außer Acht lassen. Somit gilt stets $v_{\rm Q}(ν · T_{\rm A}) = q_{\rm Q}(ν · T_{\rm A})$, wobei im Weiteren auf die Zeitangabe · T_{\rm A}$ verzichtet wird.
+
To investigate  "non-linear quantization"  we start from the outlined system model.
 +
*We disregard the influence of the channel and the PCM coding or decoding.  
 +
*Thus,  $v_{\rm Q}(ν \cdot T_{\rm A}) = q_{\rm Q}(ν \cdot T_{\rm A})$  always applies,  whereby the time specification  \cdot T_{\rm A}$  is omitted in the following.
  
Durch den Vergleich von jeweils einer Ausgangsgröße mit einer Eingangsgröße kann man den Einfluss
 
* des Kompressors   ⇒   $q_{\rm K}(q_{\rm A})$,
 
* des linearen Quantisierers   ⇒   $q_{\rm Q}(q_{\rm K})$,
 
* des nichtlinearen Quantisierers   ⇒   $q_{\rm Q}(q_{\rm A})$,
 
* des Expanders   ⇒   $v_{\rm E}(v_Q)$ sowie
 
* des Gesamtsystems   ⇒   $v_{\rm E}(q_{\rm A})$
 
  
 +
By comparing one output variable with one input variable at the same  time,  it is possible to determine the influence
 +
* of the compressor   ⇒    $q_{\rm K}(q_{\rm A})$,
 +
* of the linear quantizer   ⇒    $q_{\rm Q}(q_{\rm K})$,
 +
* of the non-linear quantizer   ⇒    $q_{\rm Q}(q_{\rm A})$,
 +
* of the expander   ⇒    $v_{\rm E}(v_{\rm Q})$,  and
 +
* of the overall system   ⇒    $v_{\rm E}(q_{\rm A})$.
  
analysieren. Dabei wird von folgenden Voraussetzungen ausgegangen:
 
  
* Alle Abtastwerte $q_{\rm A}$ liegen im Wertebereich $±1$ vor.
+
The following assumptions are made:
* Der (lineare) Quantisierer arbeitet mit $M = 256$ Quantisierungsstufen, die mit $μ = 0$ bis $μ = 255$ gekennzeichnet werden.
 
* Zur Kompression wird die sogenannte 13–Segment–Kennlinie verwendet.
 
  
 +
* All samples  $q_{\rm A}$  are in the value range  $±1$  .
 +
* The  (linear)  quantizer works with  $M = 256$  quantization levels,  which are marked with  $μ = 0$  to  $μ = 255$ .
 +
* For compression,  the so-called  "13-segment"  characteristic is used.
  
Das bedeutet:
 
*Im Bereich $|q_{\rm A}| ≤ 1/64$ gilt $q_{\rm K} = q_{\rm A}$.
 
*Für $q_{\rm A} > 1/64$ ergeben sich mit $k = 1$, ... , $6$ folgende sechs weitere Bereiche der Kompressorkennlinie:
 
:$$q_{\rm K}(q_{\rm A}) = 2^{4-k} \cdot q_{\rm A} + {k}/{8}\hspace{0.9cm} {\rm im\,\,Bereich}\hspace{0.9cm}2^{k-7}< q_{\rm A} \le 2^{k-6} \hspace{0.05cm}.$$
 
*Weitere sechs Bereiche gibt es für die negativen $q_{\rm A}$–Werte mit $k = -1$, ... , $-6$, die punktsymmetrisch zum Ursprung liegen. Diese werden in dieser Aufgabe jedoch nicht weiter betrachtet.
 
  
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This means:
 +
*In the range &nbsp;$|q_{\rm A}| ≤ 1/64$&nbsp; holds &nbsp;$q_{\rm K} = q_{\rm A}$.
 +
*For &nbsp;$q_{\rm A} > 1/64$,&nbsp; there are the following six additional ranges &nbsp;$(k = 1$, ... , $6)$&nbsp; of the compressor characteristic:&nbsp; <br>&nbsp; &rArr; &nbsp; range $k\hspace{0.3cm}{\rm (if}\hspace{0.3cm} 2^{k-7}< q_{\rm A} \le 2^{k-6}) \hspace{0.05cm}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $q_{\rm K}(q_{\rm A}) = 2^{4-k} \cdot q_{\rm A} + {k}/{8}.$
 +
*Another six domains exist for negative &nbsp;$q_{\rm A}$&nbsp; values with &nbsp;$k = -1$, ... , $-6$,&nbsp; which are point-symmetric with respect to the origin.&nbsp; <br>However,&nbsp; these are not considered further in this exercise.
  
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Modulationsverfahren/Pulscodemodulation|Pulscodemodulation]].
 
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite  [[Modulationsverfahren/Pulscodemodulation#Kompression_und_Expandierung|Kompression und Expandierung]].
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
 
  
  
===Fragebogen===
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Hints:
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*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation|"Pulse Code Modulation]].
 +
*Reference is made in particular to the section&nbsp; [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation#Compression_and_expansion|"Compression and Expansion"]].
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 +
 
 +
 
 +
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Es gelte $q_{\rm A} = 0.4$. Welchen Ausgangswert $q_{\rm K}$ liefert der Kompressor?
+
{If &nbsp;$q_{\rm A} = 0.4$: &nbsp; What is the output value &nbsp;$q_{\rm K}$&nbsp; of the compressor?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$q_{\rm K} \ = \ $ { 0.825 3% }  
 
$q_{\rm K} \ = \ $ { 0.825 3% }  
  
  
{Zu welchem Quantisierungsintervall $μ$ gehört $q_{\rm A} = 0.4$?
+
{ To which quantization interval &nbsp;$μ$&nbsp; does &nbsp;$q_{\rm A} = 0.4$&nbsp; belong?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\mu \ = \ $ { 233 }
 
$\mu \ = \ $ { 233 }
  
{Welcher Quantisierungswert $q_{\rm Q}$ gehört zu $q_{\rm A} = 0.4$?
+
{Which quantization value &nbsp;$q_{\rm Q}$&nbsp; belongs to &nbsp;$q_{\rm A} = 0.4$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$q_{\rm Q} \ = \ $ { 0.824 3% }  
 
$q_{\rm Q} \ = \ $ { 0.824 3% }  
  
{Welcher Quantisierungswert  $q_{\rm Q}$ gehört dagegen zu $q_{\rm A} = 0.04$?
+
{In contrast,&nbsp; what quantization value &nbsp;$q_{\rm Q}$&nbsp; belongs to &nbsp;$q_{\rm A} = 0.04$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$q_{\rm Q} \ = \ $ { 0.41 3% }  
 
$q_{\rm Q} \ = \ $ { 0.41 3% }  
  
{Beim Empfänger liegt der Eingangswert $v_{\rm Q} = 211/256 ≈ 0.824$ an. Welchen Wert $v_{\rm E}$ liefert der Expander?
+
{At the receiver,&nbsp; the input value is &nbsp;$v_{\rm Q} = 211/256 ≈ 0.824$.&nbsp; What value &nbsp;$v_{\rm E}$&nbsp; does the expander provide?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$v_{\rm E} \ = \ $ { 0.398 3% }  
 
$v_{\rm E} \ = \ $ { 0.398 3% }  
  
{Welche Eigenschaften weist die Kennlinie $q_{\rm Q}(q_{\rm A})$ auf?
+
{What are the properties of the&nbsp;  "non-linear quantizer characteristic" &nbsp;$q_{\rm Q}(q_{\rm A})$&nbsp;?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Die Kennlinie $q_{\rm Q}(q_{\rm A})$ approximiert die Kompressorkennlinie in Stufen.
+
+ The characteristic &nbsp;$q_{\rm Q}(q_{\rm A})$&nbsp; approximates the compressor characteristic in steps.
- Die Kennlinie $q_{\rm Q}(q_{\rm A})$ approximiert die Winkelhalbierende in Stufen.
+
- The characteristic &nbsp;$q_{\rm Q}(q_{\rm A})$&nbsp; approximates the angle bisector in steps.
- Die Stufenbreite ist in allen Segmenten (außer für $k = 0$) gleich groß.
+
- The step width is the same in all segments&nbsp; $($except for&nbsp; $k = 0)$&nbsp;.
+ Die Stufenhöhe ist in allen Segmenten (außer für $k = 0$) gleich groß.
+
+ The step height is equal in all segments&nbsp; $($except for&nbsp; $k = 0)$&nbsp;.
  
{Welche Eigenschaften weist die Kennlinie $v_{\rm E}(q_{\rm A})$ auf?
+
{What are the properties of the&nbsp; "overall system characteristic" &nbsp;$v_{\rm E}(q_{\rm A})$&nbsp;?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Die Kennlinie  $v_{\rm E}(q_{\rm A})$ approximiert die Kompressorkennlinie in Stufen.
+
- The characteristic &nbsp;$v_{\rm E}(q_{\rm A})$&nbsp; approximates the compressor characteristic in steps.
+ Die Kennlinie  $v_{\rm E}(q_{\rm A})$ approximiert die Winkelhalbierende in Stufen.
+
+ The characteristic &nbsp;$v_{\rm E}(q_{\rm A})$&nbsp; approximates the angle bisector in steps.
- Die Stufenbreite ist in allen Segmenten (außer für $k = 0$) gleich groß.
+
- The step width is the same in all segments&nbsp; $($except for&nbsp; $k = 0)$&nbsp;.
- Die Stufenhöhe ist in allen Segmenten (außer für $k = 0$) gleich groß.  
+
- The step height is equal in all segments&nbsp; $($except for&nbsp; $k = 0)$&nbsp;.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.''' Der Abtastwert $q_A = 0.4$ gehört zum Segment k = 5, das den Bereich $1/4 < q_A ≤ 1/2$ abdeckt. Aus der angegebenen Gleichung folgt daraus mit k = 5:
+
'''(1)'''&nbsp; The sample&nbsp; $q_{\rm A} = 0.4$&nbsp; belongs to the segment&nbsp; $k = 5$&nbsp; covering the range&nbsp; $1/4 < q_{\rm A} ≤ 1/2$.&nbsp; From the given equation it follows that with&nbsp; $k = 5$:
$$q_{\rm K}(q_{\rm A}) = 2^{4-k} \cdot q_{\rm A} + \frac{k}{8}= \frac{1}{2}\cdot 0.4 + \frac{5}{8} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.825}\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$q_{\rm K}(q_{\rm A}) = 2^{4-k} \cdot q_{\rm A} + {k}/{8}={1}/{2}\cdot 0.4 + {5}/{8} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.825}\hspace{0.05cm}.$$
  
'''2.''' Der Eingangswert des linearen Quantisierers ist nun $q_K = 0.825$, so dass folgende Rechnung zutrifft:
 
$$\frac{105}{128} < q_{\rm K} = 0.825 \le \frac{106}{128}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m = 105 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \mu = 128 + 105\hspace{0.15cm}\underline { = 233} \hspace{0.05cm}.$$
 
  
'''3.'''Entsprechend der Angabenseite wird das Quantisierungsintervall $μ = 128 + m$ durch den Wert
 
$q_Q = 1/256 + m/128$ repräsentiert. Mit $m = 105$ folgt daraus:
 
$$q_{\rm Q} = \frac{1}{256} + \frac{105}{128} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.824} \hspace{0.05cm}.$$
 
  
'''4.''' Entsprechend der obigen Musterlösung gilt mit dem Eingangswert $q_A = 0.04$:
+
'''(2)'''&nbsp; The input value of the linear quantizer is now&nbsp; $q_{\rm K} = 0.825$,&nbsp; so the following calculation applies:
$$ \frac{1}{32} < q_{\rm A} \le \frac{1}{16}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} k = 2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} q_{\rm K} = 2^2 \cdot 0.04 + \frac{2}{8}= 0.41$$
+
:$${105}/{128} < q_{\rm K} = 0.825 \le {106}/{128}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m = 105 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \mu = 128 + 105\hspace{0.15cm}\underline { = 233} \hspace{0.05cm}.$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}\frac{52}{128} < q_{\rm K} = 0.41 \le \frac{53}{128}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m = 52 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \mu = 128 + 52 = 180$$
 
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}q_{\rm Q} = \frac{1}{256} + \frac{52}{128} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.41} \hspace{0.05cm}.$$
 
  
[[File:P_ID1621__Mod_A_4_5e.png|right|]]
 
'''5.'''  Beim Kompressor hat $q_A = 0.4$ zum Ausgangswert $q_K = 0.825$ geführt und nach der Quantisierung zum Wert 0.824 (siehe Teilaufgaben a und c). Die Grafik zeigt, dass sich damit empfängerseitig aus $υ_Q = 0.824$ näherungsweise wieder der Wert $υ_E ≈ 0.4$ ergibt.
 
  
  
 +
'''(3)'''&nbsp; According to the specification page, the quantization interval&nbsp; $μ = 128 + m$&nbsp; is given by the value&nbsp;
 +
$q_{\rm Q} = 1/256 + m/128$.&nbsp; With&nbsp; $m = 105$&nbsp; it follows:
 +
:$$q_{\rm Q} = \frac{1}{256} + \frac{105}{128} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.824} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
  
 +
'''(4)'''&nbsp; According to the sample solution to subtask&nbsp; '''(3)'''&nbsp; with the input value&nbsp; $q_{\rm A} = 0.04$:
 +
:$$ \frac{1}{32} < q_{\rm A} \le \frac{1}{16}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} k = 2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} q_{\rm K} = 2^2 \cdot 0.04 + \frac{2}{8}= 0.41$$
 +
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}\frac{52}{128} < q_{\rm K} = 0.41 \le \frac{53}{128}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m = 52 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \mu = 128 + 52 = 180\hspace{0.3cm}
 +
\Rightarrow \hspace{0.3cm}q_{\rm Q} = \frac{1}{256} + \frac{52}{128} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.41} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
  
 +
[[File:Mod_A_4_5_ML_S2a_version2.png|right|frame|Characteristics of compressor (blue) & expander (green)]]
 +
'''(5)'''&nbsp; We are looking for the solution in several steps:
 +
*In the compressor: &nbsp; $q_{\rm A} = 0.4$&nbsp; led to the initial value&nbsp; $q_{\rm K} = 0.825$&nbsp; and after quantization to the value&nbsp; $q_{\rm Q} = 0. 824$ &nbsp; &rArr; &nbsp; see subtasks&nbsp; '''(1)'''&nbsp; and&nbsp; '''(3)'''.&nbsp; &rArr; &nbsp; red marks in the graph.
 +
*On the receiver side,&nbsp; this results in&nbsp; $v_{\rm Q} = 0.824$&nbsp; approximately back to&nbsp; $v_{\rm E} ≈ 0.4$ &nbsp; &rArr; &nbsp; brown marks in the graph.
 +
*However,&nbsp; due to quantization,&nbsp; this is only an approximation.&nbsp; Exactly:
 +
:$$ v_{\rm E} = 0.25 + \frac{0.824-0.750}{0.875-0.750} \cdot 0.25 \hspace{0.15cm}\underline {= 0.398} \hspace{0.05cm}.$$
  
 +
This calculation process can be understood from the graph.&nbsp;
  
 +
:Although the expander characteristic&nbsp; $v_E(υ_{\rm Q})$&nbsp; is equal to the inverse function of the compressor characteristic&nbsp; $q_K(q_{\rm A})$&nbsp; an error results because the input&nbsp; $v_{\rm Q}$&nbsp; of the expander is discrete in value&nbsp; (influence of quantization).
  
Aufgrund der Quantisierung ist dies jedoch nur eine Näherung. Exakt gilt:
 
$$ v_{\rm E} = 0.25 + \frac{0.824-0.750}{0.875-0.750} \cdot 0.25 \hspace{0.15cm}\underline {= 0.398} \hspace{0.05cm}.$$
 
Dieser Rechengang ist anhand der Grafik nachvollziehbar. Obwohl die Expanderkennlinie $υ_E(υ_Q)$ gleich der Umkehrfunktion der Kompressorkennlinie $q_K(q_A)$ ist, ergibt sich ein Fehler, da die Eingangsgröße $υ_Q$ des Expanders wertdiskret ist (Einfluss der Quantisierung).
 
  
  
'''6.''' Richtig sind die Aussagen 1 und 4, wie anhand der linken Grafik nachgeprüft werden kann. Die Breite der einzelnen Stufen ist in jedem Segment unterschiedlich. Im äußersten Segment (k = 6) beträgt diese 0.5/16 = 1/32, im nächsten Segment (k = 5) nur mehr 0.25/16 = 1/64. Die Stufenbreiten in den weiteren Segmenten sind 1/128 (k = 4), 1/256 (k = 3), 1/512 (k = 2) und 1/1024 (k = 1). Der innerste Bereich von –1/64 bis +1/64 wird in 64 Stufen unterteilt, woraus sich die Stufenbreite 1/2048 ergibt.
+
'''(6)'''&nbsp; Correct are the&nbsp; <u>statements 1 and 4</u>,&nbsp; as can be verified by the following left graph:
[[File:P_ID1622__Mod_A_4_5f.png]]
+
[[File:P_ID1622__Mod_A_4_5f.png|right|frame|13-segment characteristic curves: left:&nbsp; $q_{\rm Q}(q_{\rm A})$, &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; right:&nbsp; $v_{\rm E}(q_{\rm A})$]]
 +
*The width of each step is different in each segment.&nbsp; In the outermost segment&nbsp; $(k = 6)$&nbsp; the step width is&nbsp; $0.5/16 = 1/32$,&nbsp; in the next segment&nbsp; $(k = 5)$&nbsp; only more&nbsp; $0.25/16 = 1/64$.
 +
*The step widths in the further segments are&nbsp; $1/128 \ (k = 4)$,&nbsp; $1/256 \ (k = 3)$,&nbsp; $1/512\ (k = 2)$&nbsp; and&nbsp; $1/1024 \ (k = 1)$.  
 +
*The innermost range from&nbsp; $-1/64$&nbsp; to&nbsp; $+1/64$&nbsp; is divided into&nbsp; $64$&nbsp; steps,&nbsp; resulting in the step width&nbsp; $1/2048$.
 +
*The step height,&nbsp; on the other hand,&nbsp; is constantly equal&nbsp; $1/8$&nbsp; divided by&nbsp; $16 = 1/128$&nbsp; in the segments&nbsp; $k ≠ 0$&nbsp; and equal&nbsp; $1/256$ in the middle segment.
  
Die Stufenhöhe ist dagegen in den Segmenten k ≠ 0 konstant gleich 1/8 geteilt durch 16 = 1/128 und im mittleren Segment gleich 1/256.
 
  
  
'''7.''' Richtig ist hier nur die zweite Aussage. Durch den Expander verläuft die Quantisierung nun entlang der Winkelhalbierenden. In jedem Segment sind Stufenbreite und Stufenhöhe konstant. Wie die rechte Grafik zeigt, sind aber im nächstinneren Segment die Breite und die Höhe nur mehr halb so groß.
+
'''(7)'''&nbsp; Correct here is&nbsp; <u>only the second statement</u>:
 +
*By the expander,&nbsp; the quantization is now along the bisector of the angle.  
 +
*In each segment,&nbsp; step width and step height are constant.  
 +
*As the right graphic shows,&nbsp; however,&nbsp; in the next inner segment the width and the height are only half as large.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^4.1 Pulscodemodulation^]]
+
[[Category:Modulation Methods: Exercises|^4.1 Pulse Code Modulation^]]

Latest revision as of 17:10, 9 April 2022

PCM system with companding

To investigate  "non-linear quantization"  we start from the outlined system model.

  • We disregard the influence of the channel and the PCM coding or decoding.
  • Thus,  $v_{\rm Q}(ν \cdot T_{\rm A}) = q_{\rm Q}(ν \cdot T_{\rm A})$  always applies,  whereby the time specification  $ν \cdot T_{\rm A}$  is omitted in the following.


By comparing one output variable with one input variable at the same time,  it is possible to determine the influence

  • of the compressor   ⇒    $q_{\rm K}(q_{\rm A})$,
  • of the linear quantizer   ⇒    $q_{\rm Q}(q_{\rm K})$,
  • of the non-linear quantizer   ⇒    $q_{\rm Q}(q_{\rm A})$,
  • of the expander   ⇒    $v_{\rm E}(v_{\rm Q})$,  and
  • of the overall system   ⇒    $v_{\rm E}(q_{\rm A})$.


The following assumptions are made:

  • All samples  $q_{\rm A}$  are in the value range  $±1$  .
  • The  (linear)  quantizer works with  $M = 256$  quantization levels,  which are marked with  $μ = 0$  to  $μ = 255$ .
  • For compression,  the so-called  "13-segment"  characteristic is used.


This means:

  • In the range  $|q_{\rm A}| ≤ 1/64$  holds  $q_{\rm K} = q_{\rm A}$.
  • For  $q_{\rm A} > 1/64$,  there are the following six additional ranges  $(k = 1$, ... , $6)$  of the compressor characteristic: 
      ⇒   range $k\hspace{0.3cm}{\rm (if}\hspace{0.3cm} 2^{k-7}< q_{\rm A} \le 2^{k-6}) \hspace{0.05cm}$   ⇒   $q_{\rm K}(q_{\rm A}) = 2^{4-k} \cdot q_{\rm A} + {k}/{8}.$
  • Another six domains exist for negative  $q_{\rm A}$  values with  $k = -1$, ... , $-6$,  which are point-symmetric with respect to the origin. 
    However,  these are not considered further in this exercise.



Hints:


Questions

1

If  $q_{\rm A} = 0.4$:   What is the output value  $q_{\rm K}$  of the compressor?

$q_{\rm K} \ = \ $

2

To which quantization interval  $μ$  does  $q_{\rm A} = 0.4$  belong?

$\mu \ = \ $

3

Which quantization value  $q_{\rm Q}$  belongs to  $q_{\rm A} = 0.4$?

$q_{\rm Q} \ = \ $

4

In contrast,  what quantization value  $q_{\rm Q}$  belongs to  $q_{\rm A} = 0.04$?

$q_{\rm Q} \ = \ $

5

At the receiver,  the input value is  $v_{\rm Q} = 211/256 ≈ 0.824$.  What value  $v_{\rm E}$  does the expander provide?

$v_{\rm E} \ = \ $

6

What are the properties of the  "non-linear quantizer characteristic"  $q_{\rm Q}(q_{\rm A})$ ?

The characteristic  $q_{\rm Q}(q_{\rm A})$  approximates the compressor characteristic in steps.
The characteristic  $q_{\rm Q}(q_{\rm A})$  approximates the angle bisector in steps.
The step width is the same in all segments  $($except for  $k = 0)$ .
The step height is equal in all segments  $($except for  $k = 0)$ .

7

What are the properties of the  "overall system characteristic"  $v_{\rm E}(q_{\rm A})$ ?

The characteristic  $v_{\rm E}(q_{\rm A})$  approximates the compressor characteristic in steps.
The characteristic  $v_{\rm E}(q_{\rm A})$  approximates the angle bisector in steps.
The step width is the same in all segments  $($except for  $k = 0)$ .
The step height is equal in all segments  $($except for  $k = 0)$ .


Solution

(1)  The sample  $q_{\rm A} = 0.4$  belongs to the segment  $k = 5$  covering the range  $1/4 < q_{\rm A} ≤ 1/2$.  From the given equation it follows that with  $k = 5$:

$$q_{\rm K}(q_{\rm A}) = 2^{4-k} \cdot q_{\rm A} + {k}/{8}={1}/{2}\cdot 0.4 + {5}/{8} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.825}\hspace{0.05cm}.$$


(2)  The input value of the linear quantizer is now  $q_{\rm K} = 0.825$,  so the following calculation applies:

$${105}/{128} < q_{\rm K} = 0.825 \le {106}/{128}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m = 105 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \mu = 128 + 105\hspace{0.15cm}\underline { = 233} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  According to the specification page, the quantization interval  $μ = 128 + m$  is given by the value  $q_{\rm Q} = 1/256 + m/128$.  With  $m = 105$  it follows:

$$q_{\rm Q} = \frac{1}{256} + \frac{105}{128} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.824} \hspace{0.05cm}.$$


(4)  According to the sample solution to subtask  (3)  with the input value  $q_{\rm A} = 0.04$:

$$ \frac{1}{32} < q_{\rm A} \le \frac{1}{16}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} k = 2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} q_{\rm K} = 2^2 \cdot 0.04 + \frac{2}{8}= 0.41$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}\frac{52}{128} < q_{\rm K} = 0.41 \le \frac{53}{128}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m = 52 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \mu = 128 + 52 = 180\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}q_{\rm Q} = \frac{1}{256} + \frac{52}{128} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.41} \hspace{0.05cm}.$$


Characteristics of compressor (blue) & expander (green)

(5)  We are looking for the solution in several steps:

  • In the compressor:   $q_{\rm A} = 0.4$  led to the initial value  $q_{\rm K} = 0.825$  and after quantization to the value  $q_{\rm Q} = 0. 824$   ⇒   see subtasks  (1)  and  (3).  ⇒   red marks in the graph.
  • On the receiver side,  this results in  $v_{\rm Q} = 0.824$  approximately back to  $v_{\rm E} ≈ 0.4$   ⇒   brown marks in the graph.
  • However,  due to quantization,  this is only an approximation.  Exactly:
$$ v_{\rm E} = 0.25 + \frac{0.824-0.750}{0.875-0.750} \cdot 0.25 \hspace{0.15cm}\underline {= 0.398} \hspace{0.05cm}.$$

This calculation process can be understood from the graph. 

Although the expander characteristic  $v_E(υ_{\rm Q})$  is equal to the inverse function of the compressor characteristic  $q_K(q_{\rm A})$  an error results because the input  $v_{\rm Q}$  of the expander is discrete in value  (influence of quantization).


(6)  Correct are the  statements 1 and 4,  as can be verified by the following left graph:

13-segment characteristic curves: left:  $q_{\rm Q}(q_{\rm A})$,           right:  $v_{\rm E}(q_{\rm A})$
  • The width of each step is different in each segment.  In the outermost segment  $(k = 6)$  the step width is  $0.5/16 = 1/32$,  in the next segment  $(k = 5)$  only more  $0.25/16 = 1/64$.
  • The step widths in the further segments are  $1/128 \ (k = 4)$,  $1/256 \ (k = 3)$,  $1/512\ (k = 2)$  and  $1/1024 \ (k = 1)$.
  • The innermost range from  $-1/64$  to  $+1/64$  is divided into  $64$  steps,  resulting in the step width  $1/2048$.
  • The step height,  on the other hand,  is constantly equal  $1/8$  divided by  $16 = 1/128$  in the segments  $k ≠ 0$  and equal  $1/256$ in the middle segment.


(7)  Correct here is  only the second statement:

  • By the expander,  the quantization is now along the bisector of the angle.
  • In each segment,  step width and step height are constant.
  • As the right graphic shows,  however,  in the next inner segment the width and the height are only half as large.