Aufgabe 4.5: Nichtlineare Quantisierung

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PCM-System mit Kompandierung

Zur Untersuchung der  nichtlinearen Quantisierung  gehen wir vom skizzierten Systemmodell aus.

  • Den Einfluss des Kanals und der PCM–Codierung bzw. –Decodierung lassen wir außer Acht.
  • Somit gilt stets  $v_{\rm Q}(ν · T_{\rm A}) = q_{\rm Q}(ν · T_{\rm A})$, wobei im Weiteren auf die Zeitangabe  $ν · T_{\rm A}$  verzichtet wird.


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   ⇒    $v_{\rm E}(v_{\rm Q})$ sowie
  • des Gesamtsystems   ⇒    $v_{\rm E}(q_{\rm A})$


analysieren.  Dabei wird von folgenden Voraussetzungen ausgegangen:

  • Alle Abtastwerte  $q_{\rm A}$  liegen im Wertebereich  $±1$  vor.
  • 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.


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.





Hinweise:


Fragebogen

1

Es gelte  $q_{\rm A} = 0.4$.  Welchen Ausgangswert  $q_{\rm K}$  liefert der Kompressor?

$q_{\rm K} \ = \ $

2

Zu welchem Quantisierungsintervall  $μ$  gehört  $q_{\rm A} = 0.4$?

$\mu \ = \ $

3

Welcher Quantisierungswert  $q_{\rm Q}$  gehört zu  $q_{\rm A} = 0.4$?

$q_{\rm Q} \ = \ $

4

Welcher Quantisierungswert  $q_{\rm Q}$  gehört dagegen zu  $q_{\rm A} = 0.04$?

$q_{\rm Q} \ = \ $

5

Beim Empfänger liegt der Eingangswert  $v_{\rm Q} = 211/256 ≈ 0.824$  an.  Welchen Wert  $v_{\rm E}$  liefert der Expander?

$v_{\rm E} \ = \ $

6

Welche Eigenschaften weist die Kennlinie  $q_{\rm Q}(q_{\rm A})$  auf?

Die Kennlinie  $q_{\rm Q}(q_{\rm A})$  approximiert die Kompressorkennlinie in Stufen.
Die Kennlinie  $q_{\rm Q}(q_{\rm A})$  approximiert die Winkelhalbierende in Stufen.
Die Stufenbreite ist in allen Segmenten  $($außer für  $k = 0)$  gleich groß.
Die Stufenhöhe ist in allen Segmenten  $($außer für  $k = 0)$  gleich groß.

7

Welche Eigenschaften weist die Kennlinie  $v_{\rm E}(q_{\rm A})$  auf?

Die Kennlinie  $v_{\rm E}(q_{\rm A})$  approximiert die Kompressorkennlinie in Stufen.
Die Kennlinie  $v_{\rm E}(q_{\rm A})$  approximiert die Winkelhalbierende in Stufen.
Die Stufenbreite ist in allen Segmenten  $($außer für  $k = 0)$  gleich groß.
Die Stufenhöhe ist in allen Segmenten  $($außer für  $k = 0)$  gleich groß.


Musterlösung

(1)  Der Abtastwert  $q_{\rm A} = 0.4$  gehört zum Segment  $k = 5$, das den Bereich  $1/4 < q_{\rm A} ≤ 1/2$  abdeckt.  Aus der angegebenen Gleichung folgt daraus mit  $k = 5$:

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


(2)  Der Eingangswert des linearen Quantisierers ist nun  $q_{\rm K} = 0.825$, so dass folgende Rechnung zutrifft:

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


(3)  Gemäß der Angabenseite wird das Quantisierungsintervall  $μ = 128 + m$  durch den Wert  $q_{\rm Q} = 1/256 + m/128$  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 Musterlösung zur Teilaufgabe  (3)  gilt mit dem Eingangswert  $q_{\rm A} = 0.04$:

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


Kennlinien von Kompressor (blau) und Expander (grün)

(5)  Wir suchen die Lösung in mehreren Schritten:

  • Beim Kompressor hat  $q_{\rm A} = 0.4$  zum Ausgangswert  $q_{\rm K} = 0.825$  geführt und nach der Quantisierung zum Wert  $q_{\rm Q} = 0.824$ – siehe Teilaufgaben  (1)  und  (3).  Beachten Sie die roten Markierungen in der Grafik.
  • Die Grafik zeigt, dass sich damit empfängerseitig aus  $v_{\rm Q} = 0.824$  näherungsweise wieder der Wert  $v_{\rm E} ≈ 0.4$  ergibt  ⇒   braune Markierungen in der Grafik.


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  $v_E(υ_{\rm Q})$  gleich der Umkehrfunktion der Kompressorkennlinie  $q_K(q_{\rm A})$  ist, ergibt sich ein Fehler, da die Eingangsgröße $v_{\rm Q}$ des Expanders wertdiskret ist  (Einfluss der Quantisierung).


(6)  Richtig sind die Aussagen 1 und 4, wie anhand der folgenden linken Grafik nachgeprüft werden kann:

13–Segment–Kennlinien: links:  $q_{\rm Q}(q_{\rm A})$,             rechts:  $v_{\rm E}(q_{\rm A})$
  • Die Breite der einzelnen Stufen ist in jedem Segment unterschiedlich.
  • Im äußersten Segment  $(k = 6)$  beträgt die Stufenbreite  $0.5/16 = 1/32$, 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.
  • 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.