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

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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.
To investigate  "non-linear quantization"  we start from the outlined system model.
* Den Einfluss des Kanals und der PCM–Codierung bzw. –Decodierung lassen wir  außer Acht.  
*We disregard the influence of the channel and the PCM coding or decoding.  
*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.
*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.




Durch den Vergleich von jeweils einer Ausgangsgröße mit einer Eingangsgröße kann man den Einfluss
By comparing one output variable with one input variable at the same  time,  it is possible to determine the influence
* des Kompressors   ⇒    $q_{\rm K}(q_{\rm A})$,
* of the compressor   ⇒    $q_{\rm K}(q_{\rm A})$,
* des linearen Quantisierers   ⇒    $q_{\rm Q}(q_{\rm K})$,
* of the linear quantizer   ⇒    $q_{\rm Q}(q_{\rm K})$,
* des nichtlinearen Quantisierers   ⇒    $q_{\rm Q}(q_{\rm A})$,
* of the non-linear quantizer   ⇒    $q_{\rm Q}(q_{\rm A})$,
* des Expanders   ⇒    $v_{\rm E}(v_{\rm Q})$ sowie
* of the expander   ⇒    $v_{\rm E}(v_{\rm Q})$,  and
* des Gesamtsystems   ⇒    $v_{\rm E}(q_{\rm A})$
* of the overall system   ⇒    $v_{\rm E}(q_{\rm A})$.




analysieren. Dabei wird von folgenden Voraussetzungen ausgegangen:
The following assumptions are made:


* Alle Abtastwerte  $q_{\rm A}$  liegen im Wertebereich  $±1$  vor.
* All samples  $q_{\rm A}$  are in the value range  $±1$  .
* Der (lineare) Quantisierer arbeitet mit  $M = 256$  Quantisierungsstufen, die mit  $μ = 0$  bis  $μ = 255$  gekennzeichnet werden.
* The  (linear)  quantizer works with  $M = 256$  quantization levels,  which are marked with  $μ = 0$  to  $μ = 255$ .
* Zur Kompression wird die sogenannte 13–Segment–Kennlinie verwendet.
* For compression,  the so-called  "13-segment"  characteristic is used.




Das bedeutet:
This means:
*Im Bereich  $|q_{\rm A}| ≤ 1/64$  gilt  $q_{\rm K} = q_{\rm A}$.  
*In the range  $|q_{\rm A}| ≤ 1/64$  holds  $q_{\rm K} = q_{\rm A}$.  
*Für  $q_{\rm A} > 1/64$  ergeben sich mit  $k = 1$, ... , $6$  folgende sechs weitere Bereiche der Kompressorkennlinie:
*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; $q_{\rm K}(q_{\rm A}) = 2^{4-k} \cdot q_{\rm A} + {k}/{8}.$
:$$q_{\rm K}(q_{\rm A}) = 2^{4-k} \cdot q_{\rm A} + {k}/{8}\hspace{0.9cm} {\rm im\,\,Bereich}\hspace{0.9cm}2^{k-7}< q_{\rm A} \le 2^{k-6} \hspace{0.05cm}.$$
*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.
*Weitere sechs Bereiche gibt es für die negativen &nbsp;$q_{\rm A}$–Werte mit &nbsp;$k = -1$, ... , $-6$, die punktsymmetrisch zum Ursprung liegen. Diese werden in dieser Aufgabe jedoch nicht weiter betrachtet.




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Hints:  
''Hinweise:''
*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation|"Pulse Code Modulation]].
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Modulationsverfahren/Pulscodemodulation|Pulscodemodulation]].
*Reference is made in particular to the section&nbsp; [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation#Compression_and_expansion|"Compression and Expansion"]].
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite&nbsp; [[Modulationsverfahren/Pulscodemodulation#Kompression_und_Expandierung|Kompression und Expandierung]].
   
   




===Fragebogen===
===Questions===


<quiz display=simple>
<quiz display=simple>
{Es gelte &nbsp;$q_{\rm A} = 0.4$. Welchen Ausgangswert &nbsp;$q_{\rm K}$&nbsp; 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 &nbsp;$μ$&nbsp; gehört &nbsp;$q_{\rm A} = 0.4$?
{ To which quantization interval &nbsp;$μ$&nbsp; does &nbsp;$q_{\rm A} = 0.4$&nbsp; belong?
|type="{}"}
|type="{}"}
$\mu \ = \ $ { 233 }
$\mu \ = \ $ { 233 }


{Welcher Quantisierungswert &nbsp;$q_{\rm Q}$&nbsp; gehört zu &nbsp;$q_{\rm A} = 0.4$?
{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  &nbsp;$q_{\rm Q}$&nbsp; gehört dagegen zu &nbsp;$q_{\rm A} = 0.04$?
{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 &nbsp;$v_{\rm Q} = 211/256 ≈ 0.824$&nbsp; an. <br>Welchen Wert &nbsp;$v_{\rm E}$&nbsp; 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 &nbsp;$q_{\rm Q}(q_{\rm A})$&nbsp; auf?
{What are the properties of the&nbsp;  "non-linear quantizer characteristic" &nbsp;$q_{\rm Q}(q_{\rm A})$&nbsp;?
|type="[]"}
|type="[]"}
+ Die Kennlinie &nbsp;$q_{\rm Q}(q_{\rm A})$&nbsp; approximiert die Kompressorkennlinie in Stufen.
+ The characteristic &nbsp;$q_{\rm Q}(q_{\rm A})$&nbsp; approximates the compressor characteristic in steps.
- Die Kennlinie &nbsp;$q_{\rm Q}(q_{\rm A})$&nbsp; 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 $k = 0)$&nbsp; 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 $k = 0)$&nbsp; gleich groß.
+ The step height is equal in all segments&nbsp; $($except for&nbsp; $k = 0)$&nbsp;.


{Welche Eigenschaften weist die Kennlinie &nbsp;$v_{\rm E}(q_{\rm A})$&nbsp; auf?
{What are the properties of the&nbsp; "overall system characteristic" &nbsp;$v_{\rm E}(q_{\rm A})$&nbsp;?
|type="[]"}
|type="[]"}
- Die Kennlinie  &nbsp;$v_{\rm E}(q_{\rm A})$&nbsp; approximiert die Kompressorkennlinie in Stufen.
- The characteristic &nbsp;$v_{\rm E}(q_{\rm A})$&nbsp; approximates the compressor characteristic in steps.
+ Die Kennlinie  &nbsp;$v_{\rm E}(q_{\rm A})$&nbsp; 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 $k = 0)$&nbsp; 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 $k = 0)$&nbsp; 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^]]
[[de:Aufgaben:Aufgabe 4.5: Nichtlineare Quantisierung]]

Latest revision as of 17:57, 16 March 2026

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.