Støydannelse - Noise shaping

Støyforming er en teknikk som vanligvis brukes i digital lyd- , bilde- og videobehandling , vanligvis i kombinasjon med dithering , som en del av prosessen med kvantisering eller bitdybdereduksjon av et digitalt signal. Formålet er å øke det tilsynelatende signal-til-støy-forholdet til det resulterende signalet. Det gjør dette ved å endre den spektrale formen til feilen som introduseres ved dithering og kvantisering; slik at støykraften er på et lavere nivå i frekvensbånd der støy anses å være mindre ønskelig og på et tilsvarende høyere nivå i bånd der det anses å være mer ønskelig. En populær støyformende algoritme som brukes i bildebehandling er kjent som ' Floyd Steinberg dithering '; og mange støyformende algoritmer som brukes i lydbehandling er basert på en " Absolutt hørselsterskel " -modell.

Operasjon

Støydannelse fungerer ved å sette kvantiseringsfeilen i en tilbakemeldingssløyfe . Enhver tilbakemeldingssløyfe fungerer som et filter , så ved å lage en tilbakemeldingssløyfe for selve feilen, kan feilen filtreres etter ønske.

Vurder for eksempel tilbakemeldingssystemet:

${\ displaystyle \ y [n] = x [n]+e [n-1],}$

hvor y [ n ] er utgangseksempelverdien som skal kvantiseres , x [ n ] er inngangseksempelverdien, n er prøvetallet, og e [ n ] er kvantiseringsfeilen som ble introdusert ved prøve n :

${\ displaystyle \ e [n] = y _ {\ text {quantized}} [n] -y [n].}$

I denne modellen, når en prøves bitdybde er redusert, måles og lagres kvantiseringsfeilen mellom den kvantiserte verdien og den opprinnelige verdien. Denne "feilverdien" blir deretter lagt til igjen i den neste prøven før den kvantiseres. Effekten er at kvantiseringsfeilen er lavpassfiltrert av et 2- prøveboksfilter (også kjent som et enkelt glidende gjennomsnittsfilter ). Som et resultat, sammenlignet med tidligere, har kvantiseringsfeilen lavere effekt ved høyere frekvenser og høyere effekt ved lavere frekvenser.

Vær oppmerksom på at vi kan justere grensefrekvensen til filteret ved å endre andelen, b , av feilen fra forrige prøve som mates tilbake:

${\ displaystyle \ y [n] = x [n]+være [n-1]}$

Mer generelt kan ethvert FIR -filter eller IIR -filter brukes til å lage en mer kompleks frekvensresponskurve . Slike filtre kan utformes ved hjelp av den veide minste kvadratmetoden . Når det gjelder digital lyd, er vektingsfunksjonen som brukes vanligvis delt på den absolutte terskelen for hørselskurve, dvs.

${\ displaystyle \ W (f) = {\ frac {1} {A (f)}}.}$

Støydannelse bør også alltid innebære en passende mengde dither i selve prosessen for å forhindre målbare og korrelerte feil til selve signalet. Hvis dither ikke brukes, fungerer støyforming effektivt bare som forvrengningsforming - skyver forvrengningsenergien rundt til forskjellige frekvensbånd, men det er fortsatt forvrengning. Hvis dither er lagt til prosessen som

${\ displaystyle \ y [n] = x [n]+be [n-1]+\ mathrm {dither},}$

da blir kvantiseringsfeilen virkelig støy, og prosessen gir faktisk støyforming.

I digital lyd

Støydannelse i lyd brukes oftest som et bitreduserende opplegg. Den mest grunnleggende formen for dither er flat, hvit støy. Øret er imidlertid mindre følsomt for visse frekvenser enn andre på lave nivåer (se Fletcher-Munson-kurver ). Ved å bruke støyforming kan kvantiseringsfeilen effektivt spres rundt, slik at mer av den fokuseres på frekvenser som ikke kan høres så godt, og mindre av den er fokusert på frekvenser som kan. Resultatet er at der øret er mest kritisk, kan kvantiseringsfeilen reduseres sterkt, og der ørene er mindre følsomme er støyen mye større. Dette kan gi en opplevd støyreduksjon på 4 bits sammenlignet med rett dither. Selv om 16-biters lyd vanligvis antas å ha 96 dB dynamisk område (se beregninger av kvantiseringsforvrengning ), kan den faktisk økes til 120 dB ved hjelp av støyformet dither.

Støydannelse og 1-bits omformere

Siden rundt 1989 har 1 bit delta-sigma-modulatorer blitt brukt i analog-til-digital-omformere . Dette innebærer sampling av lyden med en veldig høy hastighet ( for eksempel 2,8224 millioner prøver per sekund ), men bare ved å bruke en enkelt bit. Fordi bare 1 bit brukes, har denne omformeren bare 6,02 dB dynamisk område . Den støynivå , men er spredt gjennom hele "lovlige" frekvensområde under Nyquist-frekvensen av 1,4112 MHz. Støydannelse brukes til å senke støyen i det hørbare området (20 Hz til 20 kHz) og øke støyen over det hørbare området. Dette resulterer i et bredbåndsdynamisk område på bare 7,78 dB, men det er ikke konsistent blant frekvensbånd, og i de laveste frekvensene (det hørbare området) er det dynamiske området mye større - over 100 dB. Noise Shaping er iboende innebygd i delta-sigma-modulatorene.

1 bit -omformeren er grunnlaget for DSD -formatet fra Sony. En kritikk av 1 bit -omformeren (og dermed DSD -systemet) er at fordi bare 1 bit brukes i både signalet og tilbakemeldingssløyfen, kan ikke tilstrekkelige mengder dither brukes i tilbakemeldingssløyfen, og forvrengning kan høres under noen forhold . De fleste A/D-omformere som er laget siden 2000 bruker multi-bit eller multi-level delta sigma modulatorer som gir mer enn 1 bit utgang, slik at riktig dither kan legges til i tilbakekoblingssløyfen. For tradisjonell PCM -sampling blir signalet deretter desimert til 44,1 kHz eller andre passende samplingshastigheter.

I moderne ADC

Analog Devices bruker det de omtaler som "Noise Shaping Requantizer", og Texas Instruments bruker det de omtaler som "SNRBoost" for å senke støygulvet omtrent 30db sammenlignet med de omkringliggende frekvensene. Dette koster en ikke-kontinuerlig drift, men gir en fin badekarform til spektrumgulvet. Dette kan kombineres med andre teknikker som Bit-Boost for å ytterligere forbedre oppløsningen av spekteret.

Referanser