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

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Pulscodemodulation
+
{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1620__Mod_A_4_5.png|right|frame|PCM-System mit Kompandierung]]
+
[[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   ⇒   qK(qA),
 
* des linearen Quantisierers   ⇒   qQ(qK),
 
* des nichtlinearen Quantisierers   ⇒   qQ(qA),
 
* des Expanders   ⇒   vE(vQ) sowie
 
* des Gesamtsystems   ⇒   vE(qA)
 
  
 +
By comparing one output variable with one input variable at the same  time,  it is possible to determine the influence
 +
* of the compressor   ⇒    qK(qA),
 +
* of the linear quantizer   ⇒    qQ(qK),
 +
* of the non-linear quantizer   ⇒    qQ(qA),
 +
* of the expander   ⇒    vE(vQ),  and
 +
* of the overall system   ⇒    vE(qA).
  
analysieren. Dabei wird von folgenden Voraussetzungen ausgegangen:
 
  
* Alle Abtastwerte qA 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.
 
  
 +
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===
+
 
 +
 
 +
Hints:
 +
*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"]].
 +
 +
 
 +
 
 +
===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)'''&nbsp; 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:
+
'''(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} + {k}/{8}={1}/{2}\cdot 0.4 + {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)'''&nbsp; Der Eingangswert des linearen Quantisierers ist nun q_{\rm K} = 0.825, so dass folgende Rechnung zutrifft:
+
 
 +
 
 +
'''(2)'''&nbsp; The input value of the linear quantizer is now&nbsp; q_{\rm K} = 0.825,&nbsp; 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}.
 
:{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)'''&nbsp; Entsprechend der Angabenseite wird das Quantisierungsintervall μ = 128 + m durch den Wert
+
 
q_{\rm Q} = 1/256 + m/128 repräsentiert. Mit m = 105 folgt daraus:
+
 
 +
'''(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}.
 
:q_{\rm Q} = \frac{1}{256} + \frac{105}{128} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.824} \hspace{0.05cm}.
  
'''(4)'''&nbsp; Entsprechend der Musterlösung zur Teilaufgabe (3) gilt mit dem Eingangswert q_{\rm A} = 0.04:
+
 
 +
 
 +
'''(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
 
: \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}\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}.$$
 
\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|Kennlinien von Kompressor (blau) und Expander (grün)]]
 
'''(5)'''&nbsp; 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 &ndash; 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 υ_{\rm E} ≈ 0.4 ergibt&nbsp; &rArr; &nbsp;  braune Markierungen in der Grafik.
 
  
  
Aufgrund der Quantisierung ist dies jedoch nur eine Näherung. Exakt gilt:
+
[[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}.
 
: 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).
+
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).
 +
 
  
  
'''(6)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Aussagen 1 und 4</u>, wie anhand der folgenden linken Grafik nachgeprüft werden kann:
+
'''(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|right|frame|13–Segment–Kennlinien: links: q_{\rm Q}(q_{\rm A}), &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; rechts: v_{\rm E}(q_{\rm A})]]
+
[[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})]]
*Die Breite der einzelnen Stufen ist in jedem Segment unterschiedlich.  
+
*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.
*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.
+
*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).  
* Die Stufenbreiten in den weiteren Segmenten sind 1/128 \ (k = 4), 1/256 \ (k = 3), $1/512\ (k = 2)$ und $1/1024 \ (k = 1)$.  
+
*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.
*Der innerste Bereich von -1/64 bis +1/64 wird in 64 Stufen unterteilt, woraus sich die Stufenbreite 1/2048 ergibt.
+
*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)'''&nbsp; Richtig ist hier <u>nur die zweite Aussage</u>:
+
'''(7)'''&nbsp; Correct here is&nbsp; <u>only the second statement</u>:
* Durch den Expander verläuft die Quantisierung nun entlang der Winkelhalbierenden.  
+
*By the expander,&nbsp; the quantization is now along the bisector of the angle.  
*In jedem Segment sind Stufenbreite und Stufenhöhe konstant.  
+
*In each segment,&nbsp; step width and step height are constant.  
*Wie die rechte Grafik zeigt, sind aber im nächstinneren Segment die Breite und die Höhe nur mehr halb so groß.
+
*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.