Кодирование с плавающей запятой
Если принять во внимание, что чувствительность человеческого уха зависит от уровня громкости звука и требуется определенное время, чтобы была достигнута максимальная чувствительность слуха после действия сигналов больших уровней, то очевидно, что при цифровой передаче максимальных уровней можно не учитывать тонкой ступенчатости битов с низкой значимостью. Если уровни сигналов малы, то наибольшие значения битов (старших разрядов) равны 0 и не передаются. И наоборот, при больших уровнях сигналов низкие значения битов можно не передавать. Для правильного восстановления отсчетов необходимо также определить, биты каких разрядов передаются и каковы значения коэффициентов масштаба самой большой и самой малой ступеней квантования. В соответствии с инерционностью уха достаточно согласовать это масштабирование в миллисекундном интервале. Эта технология используется в методах NICAM (кодирование путем почти мгновенного компандирования) и D2-MAC (двойное бинарное кодирование с уплотнением аналоговых компонент) для передачи звука в телевидении и при спутниковом радиовещании DSR.
В методе NICAM 14-битовые сигналы передаются по каналу с разрешением 10 бит. Для преобразования исходного ЗС в формат передачи используется описанный выше метод почти мгновенного компандирования с пятью различными шкалами квантования. Выбор шкалы определяется значением максимального уровня кодируемого сигнала во временном интервале, равном 1 мс (см. разд. 1.3).
При цифровом спутниковом радиовещании DSR применяется соответственно 16/14-битовая техника с плавающей запятой, чтобы согласовать параметры передачи с линиями данных ведомства связи. Для этого исходный цифровой ЗС с 16-битовым линейным разрешением и частотой дискретизации 48 кГц (параметры цифрового студийного тракта) преобразуется с использованием метода плавающей запятой в 14-битовые кодовые слова с частотой дискретизации 32 кГц. Масштабный коэффициент передается 1 раз для блока из 64 отсчетов длительностью соответственно 2 мс. Так же, как при почти мгновенном компандировании, внутри временных окошечек длительностью 2 мс находится максимальный уровень сигнала (максимальная амплитуда отсчета из выборки), который определяет соответствующую ему область изменения амплитуд сигнала и значение масштабного коэффициента. Всего здесь имеется восемь возможных областей изменения модуля амплитуды сигнала и соответственно восемь масштабных коэффициентов. Масштабный коэффициент представляет собой трехбитовое двоичное число, изменяющееся в пределах от 000 до 111. Оно определяет диапазон изменения уровня сигнала для каждого значения коэффициента масштаба. Каждой из восьми используемых в данном случае шкал квантования соответствует изменение уровня сигнала на 6 дБ (рис. 1.26, а).
Стратегия преобразования 16/14 состоит в следующем. Лишь в громких местах сигнала биты старших разрядов исходного 16-разрядного кодового слова не будут равны нулю. При тихих пассажах, наоборот, вся важная информация содержится в битах младших разрядов, которые не всегда равны нулю. Вообще говоря, следует передавать лишь биты с высокой значимостью при каждом значении уровня сигнала. Можно даже отказаться от передачи по каналу связи разрядов с низкой значимостью без заметных на слух потерь в качестве.
На рис. 1.26, б, в изображено преобразование 16/14 битов, полученное с учетом этих соображений. Первый бит (0 или 1) содержит информацию о знаке отсчета, это старший значащий бит (MSB) исходного 16-битового слова; последний бит — младший значащий бит (LSB). Биты от Y2 до Y8, идентичные по значению с первым знаковым битом (их число меняется от нуля до семи в зависимости от амплитуды сигнала и соответствующего ей коэффициента масштаба), при передаче выбрасываются, и все последующие разряды сдвигаются соответственно влево. Это дает возможность при малых уровнях передавать самые младшие 15-й и 16-й разряды. Лишь при самых высоких уровнях теряются один или два младших бита, которые для сигналов больших уровней незначимы. Впрочем, данный метод позволяет в принципе для сигналов самых малых амплитуд работать с разрешением до 21 бита.
Рис. 1.26 — Метод преобразования 16-битовых кодовых слов
в 14-битовые (16/14) с плавающей запятой:
а — кодирование масштабных коэффициентов в зависимости
от уровня сигнала; б — схема кодирования отсчетов ЗС;
в — формат передачи по каналу
Масштабный коэффициент длиной 3 бита, добавляемый к каждому блоку из 64 отсчетов, указывает, сколько битов, следующих за знаковым Y1 во всех кодовых словах блока, имеют то же самое значение 0 или 1, что и знаковый (рис. 1.26, б). Назначение битов, пронумерованных от Z1 до Z5 (рис. 1.26, в), пока еще не определено. На приемном конце масштабный коэффициент используется для сдвига разрядов в кодовых словах блока в их первоначальное положение, и, таким образом, происходит восстановление исходных 16-битовых кодовых слов.