MUSICAM
1.Wyznaczanie ciśnienia akustycznego
2.Poziom maskowania przy braku sygnału
wejściowego
Zależność ta opisuje charakterystykę
słyszalności ucha ludzkiego w obecności
słabego dźwięku. Jest to bezwzględny poziom
maskowania:
3.Wyszukiwanie składników tonowych i
nietonowych
Składowe tonowe odpowiadają składowym
harmonicznym o mniej więcej stałej
częstotliwości przetwarzania. Składowe
nietonowe mają widmo zbliżone do szumowego.
Wyznacza się je dla pasma krytycznego,(czyli
pasma zgodnego z akustyczną rozdzielczością
ucha ludzkiego), w którym sygnał o dużym
natężeniu może maskować sygnał słabszy,
występujący w danym paśmie częstotliwości.
Szerokość od 60 do kilkuset Hz. Jednostką
pasma krytycznego jest Bark. Zależnością
między częstotliwością pasma krytycznego a
jednostką Z={13arctg[0,76(f[kHz)]
+3.5arctg(f[kHz]/7,5)
2
} [Bark]
Ilość pasm krytycznych:27. Dla MUSICAM
podzielono pasmo na 27 pasm krytycznych, a
szerokość zaczyna się od 100Hz dla m.cz. do
4kHz dla w.cz. dla uzyskania składowych
tonowych sygnału akustycznego rozważa się
częstotliwość f danej próbki oraz przedział
wokół częstotliwości f o szerokości df. Przedział
ten przyjęto: zakres- f od 0 do 3kHz – df=93,75
Hz, f od 3 do 6 kHz – df=140,63 Hz, dla f od 6
do 12 kHz df = 281,25 Hz, a dla f od 12 do 24
kHz df=562,50 Hz. Wyznaczenie lokalnego max
odbywa się poprzez określenie próbek FFT.
Jeżeli x(k)>x(k-1) oraz x(k)>=x(k+1) to próbka
ta jest identyfikowana jako lokalne max.
Lokalne max. Jest uznawane za składnik tonowy
jeśli: x(k)-x(k+j)>=F[dB]; to próbkę uważa się
za składnik tonowy. Określić musimy dla próbki
indeks k, oraz poziom ciśnienia akustycznego
SPL xtm(k), który wyznaczamy jako
xtm(k)=10log(10^x(k-1)/10 +10^x(k)/10
+10^x(k+1)/10) [dB]. Wszystkie próbki z
obszaru testowanego ustawiane są na 0
poziomów (niesk.dB).
Wyszukiwanie
składowych nietonowych:
Wycinamy
składowe tonowe. Dla każdego z 27 pasm
krytycznych pozostałe składowe sygnału są
sumowane wewnątrz danego pasma
krytycznego. Dla wyznaczenia składowej
nietonowej tego pasma-ciśnienia akustycznego
xnm(k). wyznaczony jest indeks k linii
najbliższej f-środkowej pasma krytycznego oraz
poziomu ciśnienia akustycznego.
4.Zmniejszenie liczby składników tonowych i
nietonowych
Bierze się pod uwagę te warunki, które spełniają
nierówności:
- dla składowych tonowych xtm>=LTq(k),
- dla składowych nietonowych nm.>=LTq(k),
gdzie LTq(k) – minimum poziomu maskowania
tablicowany. Należy wybrać najmniejsze próbki
z próbek +-0,5Bark (aby nie zgubić próbek
między pasmami krytycznymi na granicy)
5.Wyznaczenie poziomu maskowania
indywidualnego
Indywidualny poziom maskowania wyznaczamy
z 512 próbek widma FFT 126 próbek na
minimalnego poziomu maskowania LTq(i), i od
1 do 12; przy czym w pierwszych 3
podpasmach(gdzie ich szerokość szerokość st.
oo częstotliwości jest duża) umieszcza się co 2
próbkę, w następnym co 3, co 6, co 8. wszystkie
indeksy tonowe i niejonowe
przyporządkowujemy jednej z 126 próbek
widma (każdy najbliższej analizowanej
składowej). Indywidualny poziom maskowania
dla składowych tonowych :
LTtm[z(j),z(i)]=xtm[z(j)]+artm[z(j)+vf[z(j),
z(i)] [dB], a dla składowych niejonowych:
LTnm[z(j),z(i)]=xnm[z(j)]+arnm[z(j)+vf[z(j),
z(i)] [dB], j od 0 do 126. Obie wartości mogą
być dodatnie i ujemne, gdzie xtm[z(j)] –
ciśnienie akustycznej składowej tonowej o
indeksie indeksie odpowiadające f z(j) w
Berkach, ar-indeks maskowania(różny dla
składowej tonowej i niejonowej), vf-funkcja
maskująca (jest wyznaczana oddzielnie dla
zbocza powyżej i poniżej analizowanego prążka.
dz=z(i)-z(j), z(i) wyznacza pkt krzywej
maskowania, a z(j) określa położenie składowej
tonowej lub niejonowej widma., a x[z(j)] –
ciśnienie akustyczne składnika tonowego lub
niejonowego nietonowego indeksie indeksie.
Dla dz<-3 i dz>=8 maskowania się nie
uwzględnia.
6.Wyznaczenie poziomu maskowania
całkowitego i minimalnego
7.Wyznaczenie stosunku sygnału do poziomu
maskowania SMR
SMR(Signal to Mask Ratio) SMRsb(n)=Lsb(n)-
LTmin(n) [dB] Stosunek sygnału do maski
określa zakres, który musi być przekazany.
Zmiany modelu psychoakustycznego dotyczą
zawsze strony nadawczej. Zamiast kodować
Lsc(n) kodujemy tylko SMRsb(n).
8.Współczynniki skali
12 próbek grupowane jest w blok. Operujemy na
blokach przy wprowadzaniu masek. Czas
trwania blok 8ms. Dla każdego bloku obliczany
jest współczynnik skali określający maksymalny
poziom sygnału w danym podpaśmie.
Współczynniki skali kodowane są za pomocą
słów 6 bitowych. Mamy 64 wartości z krokiem
2 dB. W ramce DAB przesyłane są 3 bloki. Nie
zawsze występuje konieczność przesyłania
trzech współczynników skali bo
prawdopodobieństwo zmiany jest mniejsze niż
10% (można znów zaoszczędzić na
przepływności). Jeżeli różnice występują rzadko
wystarczy przesłać 1 lub 2 współczynniki skali
SCF i dodatkowo SCFSI. W zależności od
różnic dscf1 i dscf2 wyróżnia się rodzaj
informacji. Kodowany za pomocą dwóch bitów.
9.Dynamiczny przydział bitów
Dynamiczny przydział bitów. Należy
zakodować informację PCM tylko próbki, które
przekraczają poziom maskowania. Można
dopuścić poziom szumu kwantowania, każdy
który jest niższy od poziomu progu
maskowania. Kodujemy sygnały z mniejszą
dokładnością (mniejsza liczba bitów na próbkę).
Niezbędna liczba bitów na próbkę przesyłana
dla poszczególnych podpasm nosi nazwę
dynamiczny przydział bitów. Poziom musi być
obniżony o a
qi
w stosunku do sygnału a
qi
to
stosunek sygnału do szumu kwantowania
10.Wyznaczanie minimalnej liczby
przedziałów kwantowania
Stosujemy procedurę, która ma za zadanie
minimalizować stosunek NMR, zwiększając
dokładność kwantyzacji (obniżenie poziomu
szumu kwantyzacji) w każdym z podpasm, przy
założeniu, że nie zostanie przekroczona
maksymalna przepływność. Procedura
wykonywana jest aż do wykorzystania
całkowitej liczby dostępnych bitów.
11.Kwantowanie i kodowanie próbek
Kwantowanie i kodowanie próbki powyżej
progu maskowania 12 próbek w bloku 8ms
dokonujemy normalizacji określanej przez
współczynnik skali. Znormalizowaną wartość
próbki otrzymamy poprzez podzielenie przez
współczynnik skali. Następnie liczymy sumę
składającą się z iloczynów AX+B wybieramy N
znaczących bitów i odwracamy bit najbardziej
znaczący MSb. A, B, n określane w tabeli.
Odwrócenie wartości Msb ma na celu
wniknięcie słów z samych jedynek bo takie
słowo to słowo synchronizujące to słowo
synchronizujące ramkę. Odwrócenie wartości
Msb ma na celi wniknięcie słów z samych
jedynek bo takie słowo to słowo
synchronizujące ramkę. Trzy kolejne próbki
określane są mianem ziarna kwantowania. Kod
cykliczny CRC. Do ramek dodawane są słowa
dodatkowe. Po sformatowaniu ramki następuje
dodanie ASCAD. Formatowanie ramki.
Dodatkowe informacje dołączone do ramki:
-kodowania protekcyjnego, -informacji o
rodzaju programu, -informacja o klasie
programu, -informacja o klasie transmisji
12.Zabezpieczenie transmisji przed błędami
W celu zabezpieczenia transmisji przed błędami
stosujemy kodowanie protekcyjne. W ramce
przesyłane są bity różnego rodzaju stąd
wprowadzenie klasy wrażliwości.
Zabezpieczeniu ulegają poszczególne bity w
zależności od znaczenia ich dla wierności
transmisji. Wrażliwość na przekłamanie
informacji o różnicy współczynnika skali jest
duża, ale dla samego WSP. skali niska.
Wrażliwość dla próbek zaczyna się dopiero od 3
klasy. Stosuje się klasy dokładności.
Zastosowany kod cykliczny CRC – zabezpiecza
przed zniekształceniami. Zabezpiecza 3
najbardziej znaczące wsp. skali: klasa 5
katastroficzne pogorszenie, klasa 4 bardzo
dokuczliwe i klasa 3 dokuczliwe.
13.Wrażliwość bitów w ramce. Znaczenie
silnego zabezpieczenia współczynników skali.
14.Całkowita przepływność sygnału
MUSICAM
Stosujemy 16 bitowe próbkowanie w
rzeczywistości jest ono wykorzystywane prawie
nigdy. Wypadkowa liczba bitów kwantowania
wynosi 112 kbit/s. Całkowita przepływność
MUSICAM 128kbit/s dla kanału
monofonicznego. Pasmo akustyczne dzieli się
na trzy części. Pełna przepływność uzyskana w
MUSICAM zostaje określona na 128kb/s w
przypadku stereo 2*128kb/s. Przepływność jest
raczej stała. Różnicę między przepływnością
sygnału wykorzystujemy do dynamicznego
przydziału pasma do przesyłania informacji
dodatkowych. Jakość sygnału fonii jest
zapewniona poprzez zastosowanie specjalnego
kodera MUSICAM (Masking Pattern Universal
Subband Integrated Coding and Multiplexing,
który stanowi realizację systemu kodowania
ISO/MPEG-Audio Layer II oraz wykorzystuje
psychoakustyczne właściwości ucha ludzkiego
(m.in. zależność progu słyszalności od
częstotliwości, brak wrażliwości ucha na tony
słabsze bliskie czasowo sygnałowi
dominującemu – premaskowanie i
posmaskowanie). Schemat blokowy kodera
MUSICAM:
Rys. Schemat blokowy kodera MUSICAM
Pasmo akustyczne przetwarzanego sygnału
20Hz ÷ 20kHz jest dzielone za pomocą filtrów
wielofazowych na 32 subpasma (kodowanie
podpasmowe) o szerokości 750Hz. Ta
rozdzielczość w dziedzinie częstotliwości w
obszarze dolnej części pasma akustycznego jest
niewystarczająca do określenia dynamicznego
progu słyszalności. Kodowanie subpasmowe
uzupełnia się kodowaniem transformacyjnym.
Oblicza się co 24ms za pomocą szybkiej
transformaty Fouriera FFT 1024 składowe
widma z rozdzielczością co 20Hz. Amplitudy
składowych porównuje się z progiem
słyszalności i pozostawia się składowe
przewyższające ten próg. Dla każdego subpasma
określa się współczynnik skali i dynamiczny
próg słyszalności. Próbki sygnałów
subpasmowych grupuje się w bloki o długości 8
ms po 12 próbek. W każdym bloku wyznacza
się współczynnik skali określający najwyższy
poziom sygnału subpasmowego. Współczynniki
skali są kodowane za pomocą 6-bitów. 6-bitowy
współczynnik skali pozwala na zakodowanie
pełnej dynamiki sygnału studyjnego z
dwudecybelowym krokiem. Średnią liczbę
potrzebnych do przesłania współczynników
skali można zmniejszyć uwzględniając
statystyczny ich rozkład. Współczynniki w
wyższych subpasmach mają mniejsze wartości
oraz współczynniki skali dwóch sąsiednich
ramek niewiele różnią się od siebie.
Prawdopodobieństwo, że dwa sąsiednie
współczynniki skali będą różniły się o więcej
niż dwa decybele jest mniejsze niż 0.1.
COFDM
COFDM
1.Metody przeciwdziałania skutkom zaników
selektywnych
Ze względu na problem zaników wprowadzono
odpowiednie kodowanie wykorzystywane w
DAB tzw. Kodowanie ortogonalne z podziałem
częstotliwości (COFDM). Kodowanie to polega
na powiązaniu ze sobą elementarnych sygnałów
nadawanych w dużych odległościach w
dziedzinie czasowo-częstotliwościowej.
Metoda przeciwdziałania problemowi zaników
(przesyłania) jest rozdział informacji na
podpasma. Pasma wytłumione są korygowane
przez informację praktycznie w pasmach nie
wytłumionych (kodowanie protekcyjne)
2.Minimalna szerokość pasma w.cz. przy
transmisji naziemnej przy występowaniu
zaników, umożliwiająca efektywne
eliminowanie ich skutków.
Żeby było możliwe odtworzenie sygnału, do
odbiornika musi dojść energia sygnału, co w
dziedzinie częstotliwości odpowiada
wymaganiu, by w zakresie występowały minima
i maksima sygnałów. W zakresie UHF i VHF
pojawia się wymaganie na Bmin=1MHz. Jeżeli
są zaniki to szerokość pasma musi być mała w
stosunku do zaników. Minimalna porcja widma
będzie Bpodn= 1kHz.
3.Podział kanału na elementy niezależne od
czasu i częstotliwości
Tak dzielimy widmo częstotliwościowe i
dobieramy czas przekazu, aby uzyskać obszary
elementarne o wielkościach tak małych, żeby
wielkość amplitudy była niezależna od
warunków propagacyjnych. W dziedzinie czasu
mówimy o segmentach częstotliwościowych a
dziedzinie czasu o segmentach czasowych.
4.OFDM- rozdzielenie danych na wiele
podpasm częstotliwościowych, sposób
realizacji
5.Cel zastosowania wielu (n) podnośnych
Poszczególne słupki odpowiadają
poszczególnym podnośnym i segmentom
czasowym. W czasie każdego okresu segmentu
czasowego podnośne są modulowane dwoma
bitami zakodowanych danych. Zestaw
podnośnych w czasie trwania jednego segmentu
czasowego jest nazywany symbolem OFDM.
Wewnątrz symbolu OFDM dla uniknięcia
interferencji między podnośnymi podnośne są
umieszczane ortogonalnie Są ustawiane w
dystansie odpowiadającym odwrotności czasu
trwania symbolu, aby zminimalizować wpływ
sąsiednich podnośnych. Może nastąpić
naruszenie ortogonalności (także przesunięcie
widm) przy których nie będzie spełniony
warunek zerowania się widm dla częstotliwości
