6. JELDIGITALIZÁLÁS ÉS JELREKONSTRUKCIÓ: KVANTÁLÁS, KÓDOLÁS 2

Hasonló dokumentumok
Híradástechikai jelfeldolgozás

Nagy számok törvényei Statisztikai mintavétel Várható érték becslése. Dr. Berta Miklós Fizika és Kémia Tanszék Széchenyi István Egyetem

A maximum likelihood becslésről

Biomatematika 12. Szent István Egyetem Állatorvos-tudományi Kar. Fodor János

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Digitális jelfeldolgozás

Statisztika - bevezetés Méréselmélet PE MIK MI_BSc VI_BSc 1

Kabos: Statisztika II. t-próba 9.1. Ha ismert a doboz szórása de nem ismerjük a

Véletlen jelenség: okok rendszere hozza létre - nem ismerhetjük mind, ezért sztochasztikus.

Matematikai alapok és valószínőségszámítás. Statisztikai becslés Statisztikák eloszlása

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Irányításelmélet és technika II.

2. gyakorlat Mintavételezés, kvantálás

Sorozatok, sorok, függvények határértéke és folytonossága Leindler Schipp - Analízis I. könyve + jegyzetek, kidolgozások alapján

Elméleti összefoglaló a Valószín ségszámítás kurzushoz

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Gazdasági matematika II. vizsgadolgozat megoldása A csoport

e (t µ) 2 f (t) = 1 F (t) = 1 Normális eloszlás negyedik centrális momentuma:

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

x, x R, x rögzített esetén esemény. : ( ) x Valószínűségi Változó: Feltételes valószínűség: Teljes valószínűség Tétele: Bayes Tétel:

Alap-ötlet: Karl Friedrich Gauss ( ) valószínűségszámítási háttér: Andrej Markov ( )

Valószínűségszámítás összefoglaló

Statisztikai következtetések Nemlineáris regresszió Feladatok Vége

Gyakorló többnyire régebbi zh feladatok. Intelligens orvosi műszerek október 2.

Függvény határérték összefoglalás

BIOMATEMATIKA ELŐADÁS

Diagnosztika és előrejelzés

BAGME11NNF Munkavédelmi mérnökasszisztens Galla Jánosné, 2011.

Gazdasági matematika II. vizsgadolgozat, megoldással,

4. Az A és B események egymást kizáró eseményeknek vagy idegen (diszjunkt)eseményeknek nevezzük, ha AB=O

Mérési hibák

A sorozat fogalma. függvényeket sorozatoknak nevezzük. Amennyiben az értékkészlet. az értékkészlet a komplex számok halmaza, akkor komplex

Pontműveletek. Sergyán Szabolcs Óbudai Egyetem Neumann János Informatikai Kar február 20.

minden x D esetén, akkor x 0 -at a függvény maximumhelyének mondjuk, f(x 0 )-at pedig az (abszolút) maximumértékének.

STATISZTIKA ELŐADÁS ÁTTEKINTÉSE. Matematikai statisztika. Mi a modell? Binomiális eloszlás sűrűségfüggvény. Binomiális eloszlás

Gazdasági matematika II. vizsgadolgozat megoldása, június 10

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

f(x) vagy f(x) a (x x 0 )-t használjuk. lim melyekre Mivel itt ɛ > 0 tetszőlegesen kicsi, így a a = 0, a = a, ami ellentmondás, bizonyítva

A mérési eredmény megadása

Hipotéziselmélet - paraméteres próbák. eloszlások. Matematikai statisztika Gazdaságinformatikus MSc szeptember 10. 1/58

Mintavételezés: Kvantálás:

Bevezetés a hipotézisvizsgálatokba

Nemparaméteres próbák

A valószínűségszámítás elemei

egyenletesen, és c olyan színű golyót teszünk az urnába, amilyen színűt húztunk. Bizonyítsuk

6. Függvények. Legyen függvény és nem üreshalmaz. A függvényt az f K-ra való kiterjesztésének

Tartalomjegyzék. Tartalomjegyzék Valós változós valós értékű függvények... 2

A Statisztika alapjai

Elméleti összefoglaló a Sztochasztika alapjai kurzushoz

[Biomatematika 2] Orvosi biometria

Jelek és rendszerek 1. 10/9/2011 Dr. Buchman Attila Informatikai Rendszerek és Hálózatok Tanszék

Valószínűségi változók. Várható érték és szórás

Eseményalgebra. Esemény: minden amirl a kísérlet elvégzése során eldönthet egyértelmen hogy a kísérlet során bekövetkezett-e vagy sem.

MÉRÉSI EREDMÉNYEK PONTOSSÁGA, A HIBASZÁMÍTÁS ELEMEI

Valós függvények tulajdonságai és határérték-számítása

Miért fontos számunkra az előző gyakorlaton tárgyalt lineáris algebrai ismeretek

Numerikus integrálás

Számítógépes döntéstámogatás. Statisztikai elemzés

GVMST22GNC Statisztika II. Keleti Károly Gazdasági Kar Vállalkozásmenedzsment Intézet

Általánosan, bármilyen mérés annyit jelent, mint meghatározni, hányszor van meg

KÖVETKEZTETŐ STATISZTIKA

Statisztika I. 8. előadás. Előadó: Dr. Ertsey Imre

Sorozatok és Sorozatok és / 18

Gyakorló feladatok. Agbeko Kwami Nutefe és Nagy Noémi

Hipotézis vizsgálatok

Beszédinformációs rendszerek 5. gyakorlat Mintavételezés, kvantálás, beszédkódolás. Csapó Tamás Gábor

Kísérlettervezés alapfogalmak

A következő feladat célja az, hogy egyszerű módon konstruáljunk Poisson folyamatokat.

egyetemi jegyzet Meskó Balázs

STATISZTIKA. Egymintás u-próba. H 0 : Kefir zsírtartalma 3% Próbafüggvény, alfa=0,05. Egymintás u-próba vagy z-próba

1. Egy lineáris hálózatot mikor nevezhetünk rezisztív hálózatnak és mikor dinamikus hálózatnak?

Biometria az orvosi gyakorlatban. Korrelációszámítás, regresszió

Analóg-digitál átalakítók (A/D konverterek)

Analóg digitális átalakítók ELEKTRONIKA_2

Mintavételezés és AD átalakítók

4. Laplace transzformáció és alkalmazása

[Biomatematika 2] Orvosi biometria

1. Adatok kiértékelése. 2. A feltételek megvizsgálása. 3. A hipotézis megfogalmazása

VIK A1 Matematika BOSCH, Hatvan, 5. Gyakorlati anyag

STATISZTIKA. A Föld pályája a Nap körül. Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (A természetfilozófia matematikai alapelvei, 1687)

X. ANALÓG JELEK ILLESZTÉSE DIGITÁLIS ESZKÖZÖKHÖZ

A L Hospital-szabály, elaszticitás, monotonitás, konvexitás

14 A Black-Scholes-Merton modell. Options, Futures, and Other Derivatives, 8th Edition, Copyright John C. Hull

Híradástechikai jelfeldolgozás

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Least Squares becslés

Matematikai alapok és valószínőségszámítás. Normál eloszlás

Sorozatok. 5. előadás. Farkas István. DE ATC Gazdaságelemzési és Statisztikai Tanszék. Sorozatok p. 1/2

Sorozatok I. Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma)

352 Nevezetes egyenlôtlenségek. , az átfogó hossza 81 cm

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

3. Fuzzy aritmetika. Gépi intelligencia I. Fodor János NIMGI1MIEM BMF NIK IMRI

Integr alsz am ıt as. 1. r esz aprilis 12.

Leíró és matematikai statisztika el adásnapló Matematika alapszak, matematikai elemz szakirány 2016/2017. tavaszi félév

10. Előadás. 1. Feltétel nélküli optimalizálás: Az eljárás alapjai

Hipotézis STATISZTIKA. Kétmintás hipotézisek. Munkahipotézis (H a ) Tematika. Tudományos hipotézis. 1. Előadás. Hipotézisvizsgálatok

A fontosabb definíciók

f(x) a (x x 0 )-t használjuk.

Nemlineáris programozás 2.

Készítette: Fegyverneki Sándor

Átírás:

Kvantálás, kóolás / 6. JELDIGITALIZÁLÁS ÉS JELREKONSTRUKCIÓ: KVANTÁLÁS, KÓDOLÁS 6. Memória mentes kvantálás 6.. A kvantálás efiníciója, fogalmai 6.. Kvantálók kvantálási- és a hiba-karakterisztikái 3 6..3 Kvantálók üzemmójai, műköési tartományai 5 6..4. Kvantálók nevezetes típusai, osztályai 5 6..5. Egyenletes és szimmetrikus kvantáló 6 6..6. Memória mentes, stacionárius forrás kvantálása 7 6..7. Jel-zaj viszony, optimális kvantálás, illesztett kvantálás 0 6..8. Nem egyenletes kvantáló 3 6..9. A logaritmikus kvantáló 4 6..0. Ma-Lloy kvantáló 5 6... Normalizált kvantáló, optimális kvantáló illesztésének ekomponálása 6 6.. Aaptív kvantálás 7 verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás / 6. Jeligitalizálás és jelrekonstrukció: kvantálás, kóolás 6. Memória mentes kvantálás 6.. A kvantálás efiníciója, fogalmai A kvantálást legegyszerűbben az alábbiak szerint efiniálhatjuk: Definíció: n Q y n Az L szintű Q= Q kvantáló olyan iszkrét iejű input-output renszer, melyre az alábbi tulajonságok igazak: valós (be- és kimenetű), memóriamentes: y n = Q (n, n ), invariáns: y n = Q ( n ) minen mintára, azaz n-től függetlenül, véges kimeneti értékkészletű (L elemű halmaz): y n [Y, Y,... Y L ] monoton y = Q ( ) karakterisztikájú. A fenti efiníciónak megfelelően, a kvantáló úgy műköik, hogy a bemeneti értelmezési tartomány az [-, X, X,... X L-, + ] intervallum határok monoton növekvő renszerével L arab intervallumra van felosztva, ha az bemeneti érték az [ i-, i ) intervallumba esik, akkor a kimeneti érték az i-eik Y i, [Y, Y,... Y L ] öntött (rekonstruált, kerekített, kvantált) érték. A fentiek szerint efiniált Q kvantálót felfoghatjuk az alábbiakban efiniálanó Q kvantáló és Q - inverz kvantáló párból álló összetett renszerként is: Definíció: Kvantáló és inverz kvantáló Q : n i n y n - Q Q verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás 3/ A Q kvantáló, ez esetben, egy öntést végző eszköz (elönti, hogy az aktuális bemeneti minta melyik, hányaik intervallumba esett), azaz a bemeneti valós n sorozat alapján egy egész értékű i n (i ) intervallum-inesorozatot állít elő a kimenetén, ahol i n : Q( n ) = y n. Az y n kimeneti valós kvantált sorozatot, a rekonstruált jelet, a Q - inverz kvantáló állítja elő az egész értékű i n inesorozatból. Analóg, valós n mintasorozatnak - térbeli (távközlés) vagy iőbeli (pl. CD-re írás) - igitális átviteli csatornán való továbbításához a cím sorozatnak további igitális szimbólum sorozattá történő kóolására is szükség lehet. (Láthatjuk, hogy ebben az esetben a kóoló és ekóoló fogalmai is több értelműek, van, az ábrán látható szűkebb és tágabb értelmezése is.) Q : i n c n c n i n y n n i i - Q Kóoló csatorna Dekóoló Q Kóoló Dekóoló A továbbiakban kvantáló alatt alap értelmezésként az. efiníció szerinti (valós bemenetű, valós kimenetű) kvantálót értjük, e gyakran előforul, hogy. efinícióban szereplő kvantálóinverzkvantáló ekomponálással kell élnünk azaz, a kóolóbeli öntési funkciót (valós bemenethez intervallum cím meghatározása) szétválasztjuk a ekóolóbeli rekonstrukciós funkciótól (címből valós kimeneti minta előállítása). Ha, az ábrán vagy a szövegben inverz kvantálóról is szó van, akkor kvantálóról a. efiníció szerint van szó, egyébként peig az első efiníció az érvényes. 6.. Kvantálók kvantálási- és a hiba-karakterisztikái Az előző pontban efiniált kvantálók az {L, X, X,... X L-, Y, Y,... Y L } struktúrával (a szintek száma, az L- arab valós, a végesben lévő intervallum határ és az L arab valós kimeneti érték) egyértelműen meghatározott. A kvantálók leírhatók az y = Q() függvénnyel az ún. kvantáló karakterisztikával, amely minig az intervallumok felett konstans értékű lépcsős függvény : y Y, ha (, X ) Q() = Y, ha [ X i, X L ), i =,..., L YL, ha [ X L-, ) = i : verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás 4/ A kvantáló karakterisztikák általában minig olyanok, hogy a lehetséges Y i kimeneti értékek az i-eik, q i =X i -X i- szélességű [X i-, X i ] intervallumokon belülre esik. A két szélső, nem korlátos intervallumot leszámítva, a kimeneti Y i értékek gyakran a megfelelő intervallumhatárok számtani közepe (kerekítéses kvantálás). Ebből következik, hogy a lehetséges kimeneti értékek lépésköze is a q i intervallumszélességek nagyságrenjébe esik (vagy gyakran azokkal egyenlő). A q i értékeket a kvantáló felbontásának is nevezhetjük. Finom kvantálásról sok, kis értékű q i esetén van szó, ezzel szemben urva kvantálásról kevés és nagy értékű q i k esetén van szó. Kvantálási hiba, kvantálási torzítás: Kvantálók bemeneti n és kimenet y n számsorozatai mellett bevezethetjük az e n = y n - n hibajel sorozatot is. Ezt a jelet gyakran torzításnak is nevezik. A kvantálók az u.n. hibakarakterisztikával is teljesen leírhatóak, amely az alábbi E() = Q() szerint származik a Q() kvantálási karakterisztikából. Amíg a Q() minig szakaszonként konstans, azaz lépcsős függvény, aig az E() karakterisztika minig egy fűrész jellegű függvény, azaz szakaszonként (kvantálási intervallumokként) - mereekségű egyenesek: verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás 5/ A kvantálók műköése úgy is felfogható, hogy a kvantálók a bemenethez a hibajelet hozzáava aják a kimenetüket: y n = n + e n A kantálóknak aze() hibakarakterisztikával leírt moelljét aitív hiba (torzítás) moellnek nevezzük. 6..3 Kvantálók üzemmójai, műköési tartományai A Q() kvantálási illetve az E() hiba-karakterisztikák alapján a kvantálók műköésének a kvantálanó értéktől (vagy értékektől) függően - három üzemmóját különböztetjük meg: Kisjelű (speciálisan nulla bemenetű) üzemmó, tartomány: Az kvantálanó értékek, vagy annak megváltozásai a kvantáló q i felbontásának nagyságrenjébe esnek, vagy azoknál kisebbek. (Speciális eset: nulla bemenetű kvantáló) Normál, kerekítéses, granuláris üzemmó, tartomány: Az e hiba értékek korlátosak, a kvantáló q i felbontásának nagyságrenjébe esnek, vagy azoknál kisebbek. (Speciális eset: kerekítés esetén e < q/) Az értékek azon tartományát, melyeknél a kvantáló normál üzemmóban műköik, a kvantáló inamika tartományának nevezzük. Nagyjelű, túlvezérléses, túlterhelt, telítéses üzemmó, tartomány: Az kvantálanó értékek, a szélső, nem korlátos intervallumokba esnek, az e hibajel nagyobb, mint a kerekítéses üzemmó felső határa. 6..4. Kvantálók nevezetes típusai, osztályai. Szimmetrikus kvantáló: Q( ) = Q(). Egyenletes kvantáló: y i+ y i = y = q = = i+ i i=...(l-) 3. Egyenletes és szimmetrikus kvantáló: 4. Nem egyenletes kvantáló verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás 6/ 5. Logaritmikus kvantáló 6. Ma Lloy kvantáló: 6..5. Egyenletes és szimmetrikus kvantáló Egyenletes és szimmetrikus kvantálót egyértelműen meghatározza a szintek L száma és a kvantáló q felbontása (lépes nagysága, intervallum szélessége). Az ábrán L=8 és L=7 szintű, q= felbontású egyenletes és szimmetrikus kvantálók kvantálásiés hiba-karakterisztikáit látjuk. A kvantáló inamika tartománya a [+ ] intervallum: ezen belül igaz az e hibára, hogy korlátos, nevezetesen e q/. Az L, q és paraméterek közötti összefüggések: verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás 7/ q = /L illetve = Lq/. Normál üzemmóban a hiba imum: e = q/ = /L. Az intervallum határok: X i = - + iq = (-L/+i)q, i=,,... (L-). A kimeneti lehetséges értékek: Y i = - +q/+ (i-)q = (-L/+i-/)q, i=,,... L. A kvantálók intervallum ineeit gyakran r bites szimbólumokkal kóolják. Ekkor a szintek imális száma: L= r. Ebben az esetben az r, q és, e paraméterek közötti összefüggések: q = / (r-) illetve = (r-) q. Normál üzemmóban a hiba imum: e = q/ = / r. A szimmetrikus, egyenletes kvantálók kisjelű műköésében lényeges különbség van attól függően, hogy L páros vagy páratlan. a, Páratlan L esetén: Ekkor az = 0 pont egy intervallum közepe, a 0 érték lehetséges öntési szint, e nem komparálási szint (nem intervallum határ). Nulla bemenetre a kvantáló (hibamentes) nulla értéket a a kimenetén. b, Páros L esetén: Ekkor az = 0 pont öntési határ, e nem lehetséges kimeneti érték. Nulla bemenetre a kvantáló kimenetén ekkor ±q/ lehetséges értékű, 0.5 valószínűség szerinti eloszlású, kétállapotú, memóriamentes, stacioner véletlen (fehér) zaj jelenik meg, melynek várható értéke nulla, átlagteljesítménye (=szórása) q /4. 6..6. Memória mentes, stacionárius forrás kvantálása Ha a kvantáló bemenetén ξ n memória mentes, stacionárius, F ξ () valószínűség eloszlású, f ξ () valószínűség sűrűségű (pf) véletlen jel van, akkor a kvantáló kimenetén kapott verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás 8/ ζ n = Q (ξ n ) véletlen jel is memória mentes, stacionárius sorozat lesz mely iszkrét eloszlású: p ζi = p i = Pr {ζ n = Y i }= Pr {ξ n [X i-, X i ] } = X X i f (), i =,,...L. (Az f ζ () sűrűség függvény p i területű Dirac-eltákat tartalmaz = Y i helyeken.) i ξ A kvantáló ε n = ζ n - ξ n = E( ξ n ) hibajele is véletlen jel, folytonos eloszlású stacioner folyamat (mint maj később megállapítjuk, tipikus esetekben korrelálatlan, tehát fehér zaj). A hibajel, egyrészt a kimeneti és a bemeneti stacioner eloszlású valószínűségi változók különbsége, tehát ezért stacionárius, másrészt a ξ valószínűségi változó E() szerinti függvénye. Ezen utóbbi alapján, az ε n hiba jel f ε () valószínűség sűrűségét a ξ n f ξ () sűrűségéből az f ξ () sűrűségnek a kvantálási intervallumok feletti ( X,X ] fξ () ha i- i f ξi () = 0 egyébként szegmenseinek a Q() szakaszonként - mereekségű részei szerinti belapolóások összegeként kapjuk: f ε () = fξ,i (Yi ). i Stacionárius forrás kvantálásakor (feltételezve, hogy nem kisjelű műköésről van szó) a kvantáló karakterisztika paramétereiből (pélául és + intervallum felett kerekítéses üzemmó) és a forrás f ξ () valószínűség sűrűségéből kiszámítható a normál (kerekítéses) és a túlvezérléses üzemmóok valószínűségei: a normál műköés valószínűsége: a túlvezérlés valószínűsége: P Pnormal = fξ () - overloa = fξ () + fξ () = fξ (). Vizsgáljuk meg az egyenletes kvantáló és normális üzemmóú kvantálás esetén mit monhatunk részletesebbet a hibajel statisztikájáról! A normális üzemmó azt jelenti, hogy nulla a túlvezérlés valószínűsége, azaz p overloa = 0 ami ekvivalens azzal, hogy az f ξ () sűrűség tartója nem lóg le a kvantáló [ min,,, ] inamika tartományáról, e ugyanakkor nem kisjelű üzemmóról van szó, azaz elég sok q szélességű öntési intervallumot lefe (elég finom a kvantálás). Ekkor nyilvánvaló, hogy az ε hibajel f ε () sűrűségének a tartója a [-q/, +q/] intervallum, mely felett a bemeneti sűrűség q szélességű szegmenseinek összege, tehát igen jó közelítéssel egyenletes valószínűség sűrűséget ereményez. verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás 9/ A [-q/, +q/] intervallum felett egyenletes eloszlású, memória mentes, stacionárius folyamat várhatóértéke E{ε n } = 0, átlagteljesítménye E{ε n } = P ε = σ ε = q /, autokorrelációja r ε (n) = σ ε δ(n), teljesítmény sűrűsége: S ε (z) = S ε (f) = σ ε További plauzibilis feltevéssel élhetünk: a kvantálási zajt a kvantálanó jeltől is függetlennek tekinthetjük. Összefoglalva, tehát egyenletes kvantáló normál üzemmójában a kvantálási ε n hibát a kvantálanó ξ n jeltől független, egyenletes eloszlású, nulla várható értékű, σ ε = q / szórásnégyzetű (átlagteljesítményű) fehér zajnak tekinthetjük, azaz használhatjuk a lineáris aitív zajhelyettesítő képet: ε n, σ = q / ξ n ζ n ξ n Q = + ζ n verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás 0/ 6..7. Jel-zaj viszony, optimális kvantálás, illesztett kvantálás Stacioner forrás kvantálása esetén az általánosan használt minőségjellemző a kvantálás jel-zaj viszonya (SNR), melynek efiniciója: SNR = átlagos jelteljesítmény / átlagos hibateljesítmény, azaz SNR P = P ξ ε = E E { ξ } { ε } = E E{ ξ } {(ξ ζ) } A jel-zaj viszonyt gyakran logaritmikus egységben, B-ben mérik: SNR B = 0 log 0 (SNR) A kvantálás annál jobb, minél nagyobb a jel-zaj viszonya. Vizsgáljuk meg először nulla várható értékű, [-, + ] felett egyenletes eloszlású stacionárius forrásnak r-bites, [-,] inamika tartományú, egyenletes kvantálóval kapott jel-zaj viszonyát. A ξ n jel teljesítménye: P Eξ { } ξ = = fξ () = = 3 tehát a jel eloszlásának tartójától, azaz a lehetséges legnagyobb előforuló értéktől négyzetesen függ., A túlvezérlés mentesség feltétele ebben az esetben:.normál műköési tartományban a kvantáló kerekítési zajának teljesítménye mint azt az előző pontban láttuk - a jeltől függetlenül P ε = σ ε = q /. Ezek után, tehát aott kvantáló esetén az SNR B ( ) függvény - logaritmikusan ábrázolva 0B/eká mereekségű egyenes, azaz annál nagyobb az SNR minél nagyobb a jel teljesítmény azaz minél nagyobb a imális értéke. Ez a megállapítás természetesen csak a normál műköési tartományban, ( q << ) érvényes. A imális SNR értéket tehát akkor kapjuk, ha a forrás és a kvantáló viszonyára fennáll, hogy =. Ebben az esetben beszélhetünk illesztett kvantálásról és ekkor az r-bites (L= r szintű) kvantáló imális jel-zaj viszonya: verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás / SNR Pξ 3 L r = = = 4 = 4 = Pε normal q q és ezt ecibellben kifejezve kapjuk az alábbi jól ismert szabályt: B r SNR = 0 log0 ( ) = 0 log0 () r = 6 r [B] azaz a kvantáló jel-zaj viszonya bitekként 6 ecibellel növekszik. Ha kilépünk a normál műköési tartományból, azaz >, akkor már p overloa = -/ valószínűséggel a túlvezérléses tartományban vagyunk. Ekkor a kvantálási hiba átlagteljesítménye: P ε overloa = E ( y ) f ( ) + min ξ ξ { ε ξ > } =, f ξ ( ) + ( y f ξ ) ( ) f ( ) ahol a kvantálási torzítás átlagteljesítménye már nem független a jel teljesítménytől, hanem tól négyzetesen függ, ez azt jelenti, hogy túlvezérlés valószínűségének, azaz nak a növelésével a jel-zaj viszony rasztikusan lecsökken. Ennek illusztrálására nézzünk egy konkrét számpélát! Péla: Mekkora lesz egy 8 bites szimmetrikus, egyenletes kvantáló jel-zaj viszony 0B-es túlvezérlés esetén? (A bemenő jelet egyenletes eloszlásúnak tekintjük.) σ ξ 0lg = 0B σ σ ξ = 0 ξ σ = 0, ahol a kvantáló inamikatartománya. 3 ξ A zajteljesítményt külön kell számolni, abban az esetben, amikor nincs túlvezérlés és abban, amikor van, maj az alábbiak szerint vegyük a két eremény átlagát: σ = P σ + ( P ) σ, ahol σ ε a túlvezérléskor kapott kvantálási zaj teljesítmény ε n ε n n ε t t (szórásnégyzete), σ a normál műköésnél mért zaj szórása, P ε n n a normál műköés valószínűsége. P n =? Mivel egyenletes eloszlást tételeztünk föl, Pn = fξ ( ) = =, ahol : σ ξ = = 3σ ξ = 3 0 = 0 3 3 Pn = = 0 verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás / σ ε n =? σ ξ n σ ε t =? q 3 3 R = = = 6 σ ε = t = Mivel σ ε ( ) 0 e e e + = ( ) ( ) ( 0 ) 3 e + + 0 3 0 = 3 0 3 0 e e e = << σ σ σ 0 σ n ε t ε ( P ) ε = t ε t 0 4, 33 3 0 n = 3. 0 SNR = 3 0 0 = 5 (0,6B) σ ε 9 0, Látható, hogy a túlvezérlés megjelenésével mereeken csökken a jel-zaj viszony. Egyenletes kvantálók jel-zaj viszonyával kapcsolatban oljuk meg az alábbi számpélát! Hány bites lineáris kvantáló kell ahhoz, hogy legalább 40B-es jel-zaj viszonyt kapjunk 40B-es inamikatartomány felett? Megolás: A 40B-es bemeneti inamikatartomány azt jelenti, hogy a bemeneti jel legkisebb és legnagyobb teljesítményű része között 40B a különbség P /P min = 0 4. Ha a legkisebb jelszintnél is 40B-es jel-zaj viszonyt kell biztosítanunk, akkor a legnagyobb jelszintnél 80B a jel-zaj viszony: Tehát SNR = 80B R = [80/6] =4 (bit). verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás 3/ 6..8. Nem egyenletes kvantáló Ha a kvantáló öntési (kerekítési) intervallumai nem egyforma szélességűek (és így, persze a lehetséges kimeneti kerekített étékek távolságai sem egyenlők), akkor nem egyenletes kvantálóról van szó. Pélául, okunk lehet a kvantálási karakterisztikát úgy megtervezni, hogy kisebb értékeket kisebb kerekítési hibával, finomabban, nagyobb értékeket nagyobb kerekítési hibával, urvábban kvantáljon. Ezen gonolat részletesebb vizsgálata vezet a következő pontban tárgyalanó logaritmikus kvantáláshoz. Egy másik meggonolás szerint a gyakrabban előforuló mintanagyságokat éremes lehet kisebb hibával kvantálni, mint a ritkábban előforuló minta-nagyságokat, annak érekében, hogy az ereő jel-zaj viszonyt imalizáljuk. Ez az ötlet vezet a stacioner forrás valószínűség sűrűsége alapján optimalizált nem egyenletes kvantálóhoz, az u.n. Ma-Lloy kvantálóhoz (lás 6..0. pont) A nem egyenletes kvantálók anlízisénél, tervezésénél és aott esetben az implementációjánál is felhasználható az alábbi tétel: Minen nem egyenletes Q() kvantáló, egy megfelelő g() nemlineáris függvénny segítségével visszavezethető egy Q 0 () egyenletes kvantálásra: Q y = g( ) u Q 0 z g - ( ) y A g() nemlineáris függvényt kompanálási karakterisztikának, a g - () inverz függvényt epaner karakterisztikának nevezik. Nem egyenletes kvantálóra egy pélát az alábbi ábrán látunk: q u, z: egyenletes kvantálás, y: nem egyenletes kvantálás u=g() y=g - (z) i verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás 4/ 6..9. A logaritmikus kvantáló Szimmetrikus kvantálás esetén a kvantálást két részre lehet bontani: előjel meghatározás és abszolút érték kvantálás. A teljesítmény csak az abszolút értéktől függ. A továbbiakban abszolút érték kvantálását vizsgáljuk. Az 6..7. pontban láttuk, hogy az egyenletes kvantálóknál, ha csökken a bemenő jel szintje, akkor csökken a jel-zaj viszony. Sok esetben kevezőbb megolás lenne, ha a bemeneti jelteljesítménytől (bizonyos inamika tartományon belül) független lenne a kvantálás jelzaj viszonya. Ehhez az kell, hogy alacsonyabb jelszinteknél kisebb kvantálási lépésközt alkalmazzunk, a kisebb kvantálási hiba érekében (nem egyenletes kvantáló). Osszuk fel a bemeneti jeltartományt L intervallumra: X, X,...,X L. Ha ξ n X i, akkor η n = y i. Jelöljük annak a valószínűségét p i -vel, hogy a bemenet az i-eik intervallumba kerül: p i = Pr{ξ n X i }. A bemeneti jel és a kvantálási zaj teljesítményét írjuk fel a az egyes halmazokra vonatkozó feltételes szórásnégyzetek segítségével: L L { ξ } = E { ξ i ξ X i } és E{ ε } = E{ ε i ε X i } E p i= p i= Ezek alapján efiniálható a feltételes jel-zaj viszony is: L i= i i SNR i E = E { ξ ξ X i } { ε ξ X i } Figyeljük meg, hogy SNR'= p SNR SNR (!). Az egyenlőség csak akkor áll fenn, ha minen SNR i megegyezik, azaz a jel-zaj viszony független attól, hogy melyik intervallumba esik a bemeneti jel. Ezt a tulajonságot a logaritmikus kvantáló teljesíti. Tegyük fel, hogy min < ξ <. A Q() kvantáló kvantálási határait az min és között válasszuk meg. Vegyünk fel egy logaritmikus függvényt a kvantáló tengelye fölött,.. és osszuk fel a függőleges tengelyt ln( min ) és ln( ) között L egyenlő () közű részre: ln ln( ) ln( ) = L =. Vetítsük vissza a logaritmikus skálán egyenletesen L elhelyezkeő intervallumhatárokat az tengelyre. Az így meghatározott öntési küszöbökkel műköő kvantáló jel-zaj viszonya állanó lesz, amely pélául az környezetében az alábbi móon számítható: verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás 5/ SNR = q, ahol q az alábbi egyenlettel határozható meg: q + q q = = = ln + + ln ln ln q min q Nézzük az alábbi számpélát: Hány bites logaritmikus kvantálót kell alkalmaznunk, ha a bemeneti inamikatartomány 40B és 40B-es állanó jel-zaj viszonyt kell biztosítanunk? Megolás: 4 00 SNR = = 0 = = ln + = 0, 0346 q q 3 00 3 Mivel a bemeneti inamikatartomány 40B, ln L = min = ln00 3, 9 R = log L + = 9. Azért kellett még -et hozzáani a log L-hez, mert a logaritmikus kvantálóval csak az ξ - et kvantáljuk, ezért még szükség van egy előjelbitre is. Látható, hogy a lineáris kvantálónál kapott 4 bit helyett logaritmikus kvantálót alkalmazva már 9bit is elegenő ugyanolyan minőségi paraméterek biztosításához. Megjegyzés: A PCM beszéátvitelnél (f c = 8kHz) 8 bites logaritmikus kvantálást alkalmaznak. Ez kb. 40B-es inamikatartománynál 36B-es jel-zaj viszonyt bisztosít, amely jó beszéérthetőséget ereményez. 6..0. Ma-Lloy kvantáló Egy memória mentes, stacioner forrást teljesen leír a forrás mintáinak f ξ () valószínűség sűrűség függvénye. Ezen forráshoz optimálisan illeszkeő (azaz a jel-zaj viszonyt imalizáló) L- szintű kvantálót nyílván meghatározza a forrás f ξ () valószínűség sűrűség függvénye. A felaat tehát: aott f ξ () és L, meghatározanó a jel-zaj viszonyt imalizáló kvantáló karakterisztika, azaz az X, X,... X (L-) intervallum határok és az Y, Y,... Y L, rekonstruált értékek. A felaat egy bonyolult, nemlineáris, optimalizálási probléma, melyre általános érvényű, zárt alakú megolás nem ismert. Egy iteratív eljárásról bizonyos, gyakran fennálló feltételek esetén bebizonyítható, hogy a kitűzött felaat megolásához konvergál. Ezt az iterációt nevezzük Ma-Lloy iterációnak: verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás 6/ Az iteráció algoritmusa: Vegyünk fel egy kiinulási karakterisztikát: ( 0) ( 0) ( 0) ( 0) ( 0),,..., ; y,..., y L L Az új rekonstrukciós értékek legyenek az előző intervalllumokbeli várható értékek: i i { ξ k ξ k } ( i ) ( ) ( ) y = E < < k =... L k Az új intervallum határok a szomszéos rekonstrukciós értékek számtani közepe legyen: ( i) ( i ) ( i ) k = ( yk + yk + ) k =... L Ha még van változás GOTO. Ez az iteráció egy nemlineáris kvantálót ereményez, mely optimálisan illeszkeik a forrás valószínűség sűrűségéhez, azaz pf optimalizált nem egyenletes kvantálónak is nevezik. 6... Normalizált kvantáló, optimális kvantáló illesztésének ekomponálása A nulla várható értékű és egységnyi szórású eloszlást stanar vagy normalizált eloszlásnak nevezzük. Egy m ξ vártható értékű és σ ξ szórású ξ valószínűségi változóból a (ξ- m ξ )/σ ξ normalizálással kapunk stanar eloszlású valószínűségi változót. Stanar eloszláshoz optimalizált L-szintű kvantáló (egyenletes vagy eponenciális vagy esetleg Ma-Lloy típusú kvantálót) normalizált Q 0 kvantálónak nevezzük, mely nem függ a forrás várhatóértékétől és teljesítményétől (inamikájától) sem, csak az eloszlás típusától. Egy m ξ vártható értékű és σ ξ szórású stacioner ξ n forráshoz az optimális normalizált kvantálót az ábrán látható móon illesztve kapunk optimális kvantálást: Q: Q - : ξ n + m ξ - σ ξ Q 0 PDF csatorna Q 0 - PDF σ ξ + m ξ η n verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás 7/ Létható, hogy a kvantáló optimalizálása az optimális normalizált kvantálón túl egy aitív vagy centrális és egy multiplikatív vagy inamika tartomány optimalizált illesztést igényel. A centrális illesztéshez a forrás várhatóértékét kell ismerni, vagy becsülni, a kvantáló bemenetére egy ifferenciális jel kerül. A inamika tartomány illesztéshez szükséges skálázó faktort a (már nulla várhatóértékű) forrás átlag teljesítménye határozza meg, azt kell ismerni vagy becsülni. 6.. Aaptív kvantálás Ha a kvantáló statisztikája iőben változó (nem stacioner forrás), vagy állanó e ereetileg ismeretlen paraméterű, akkor az optimális, azaz illesztett kvantáló iőben változó paraméterű, un. aaptív kvantáló lesz. Az aaptív kvantálók iőben változó paramétereit egy külön alrenszer állítja elő. Q CHAN Q - ADAPTÁLÁS Az aaptációs részrenszer az optimális paraméterek becsléséhez szükséges információt vagy a kvantálanó jelből, vagy a már kvantált jelből szerezheti, azaz vagy előrecsatolt, vagy hátracsatolt aaptációról beszélhetünk. Előre csatolt aaptáció Q CHAN Q - ADAPTÁLÁS se info. Pl: igitásis TV, mpeg kóoló kóolóban koncentrált intelligenciájú kóoló egyszerű ekóoló rosszabb csatornakihasználtság (a kóolanó jelből határozzuk meg a kóolási algoritmus paramétereit, amelyet a csatornán viszünk át) verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás 8/ a forrás statisztikáira blokkos becslést állít elő (pufferelés kell), e így aott blokkra jól optimalizált kvantáló, valamint nagy a kóolási késleltetés tipikusan nagy kóolási késleltetés Hátracsatolt aaptáció Q CHAN Q - ADAPTÁLÁS ADAPTÁLÁS csak hullámforma információ átvitel kell, a paraméterek a ekóerben is kiszámolhatóak (jobb a csatornakihasználtság) elosztott intelligenciájú, szimmetrikus kóoló (emiatt bonyolult a ekóoló) rekurzív becslések, nem blokkonként, hanem a bejövő aatra azonnal reagál. Emiatt nincs nagy késleltetés, ez real-time információknál előnyös Aaptáció inamikus és statikus jellemzői Dinamikus szempontból A változásokat kell követni minél gyorsabban Jó inamikájú aaptáció Statikus szempontból Ha nincs változás, akkor nagyon jó minőségű beállás az optimumra Jó statikus aaptáció (rövis távon nem mozul a változásokra, azaz, meg tuja különböztetni a gyors változásokat Stacioner jelekre szuboptimális Gyorsan változó jelekre szuboptimális Pl.: Távközlő hálózatban: beszéjel nem stacioner, aatjel stacioner Az aaptív kónak minkettőre jónak kell lennie, így kompromisszum kell. ADAPTÁLÁS ADAPTÁSCIÓ VEZÉRLÕ : beállítja a inamikus/statikus optimalizálást verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás 9/ Skálázó faktor ( inamikatartomány ) aaptív kvantáló Ha E{ ξ } n = 0 és a inamikatartományra illesztünk: Q 0 CHAN Q 0 - $δ ξ $ δ ξ A jel P σ = E{ ξ } = E{ g( ξ )} = átlag teljesítményét kell megbecsülni, ebből számítható az egység teljesítményre skálázó szorzó faktor, / P, mellyel a jelet a stanar kvantálóhoz illesztjük. A statisztikai becslésekről általában: Az E { g( )} = a ξ számot akarjuk becsülni. ($a ) Aott a forrás minták sorozata ˆ n n n N ξ, ξ,..., ξ és belőlük az n n a = S( ξ, ξ,..., ξ ) statisztika szerint számítjuk a becslést (ez is valószínűségi változó). Becslés torzítása: = a E{ a$ } Aszimptotikusan torzítatlan becslés: lim E{ a$ } N n N = a A becslés hatákonysága, a szórásnényzete minél kisebb: var { â} Konzisztens becslés: lim var { a$ } N = 0 Várható árték becslés: vagy blokkos, vagy rekurzív Blokkos becslés FIR (MA) szűrő Becslés véges hosszú blokk egyenletes súlyozású számtani közepével: a$ [ ( ) ( )... ( )] N g g g n = ξ n + ξ n + + ξ n N+ : ˆ ξ A becslés tozítatlan: E{ a n } = E{ g( )} = a szórásnégyzete, korrelálatlan mintákra: var{ aˆ n } = var{ g( ξ )} N verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás 0/ ξ n g( ) $a n T T + T Jó inamikus tulajonság: rövi blokk hossz, nagyobb szórás Jó statikus tulajonság: hosszú blokk, kis szórás, gyosr vátozást nem követ. Rekurzív becslés IIR (AR) szűrő Eponenciális súlyozású, nem véges memóriájú becslés: [ g( ξ ) + wg( ξ ) + w g( ξ )...] aˆ n+ = ( w) n n n becsléssel: â + n+ = ( w) g( ξ n ) + w â A becslés torzítatlan: E{ a n } = E{ g( )} = a n ˆ ξ szórásnégyzete, korrelálatlan mintákra: var{ ˆ } = var{ g( ξ )}, mely ekvivalens az alábbi rekurzív w a n + w -w ξ n g( ) + T $a n w w â n w H( z) = wz verzió: 05. április

Kvantálás, kóolás / ha w~ nagy súllyal veszi figyelembe a régebbi mintát, jó statikus tulajonságú ha w< az aktuális mintát veszi nagy súllyal, gyorsan felejt, jó inamika Péla egy hátracsatolt aaptív kvantálóra: Q 0 CHAN Q 0 - $δ ξ Q 0 - δ ˆξ X X T + -w -w + T w w verzió: 05. április