Quantization of acoustic low level signals. David Bursík, Miroslav Lukeš

Transkript

1 KVANTOVÁNÍ ZVUKOVÝCH SIGNÁLŮ NÍZKÉ ÚROVNĚ Abstrakt Quantization of acoustic low level signals David Bursík, Miroslav Lukeš Při testování kvality A/D převodníků se používají nejrůznější testovací signály. Tato práce se zabývá kvantováním vzorků sinusového signálu o amplitudě v rozsahu +/-3 kvantovací kroky. Analýza v kmitočtové oblasti ukazuje vznik harmonických složek a jejich možný výskyt v základním kmitočtovém pásmu (1. Nyquistova zóna). Abstract Various testing signals are used for quality testing of A/D converters. This work deals with quantization of samples of sinus signal with amplitude in range +/-3 quantization steps. When analysing in frequency domain we can see harmonics components and their appearance in basic frequency domain (first Nyquist zone). Úvod Rozdíl mezi analogovou úrovní signálu Ü Øµ na vstupu a kvantovanou úrovní signálu Ü Øµ na výstupu analogově-číslicového převodníku tvoří kvantizační chybu Ü Øµ. Signál na vstupu kvantizačního procesu můžeme napsat ve tvaru Ü Øµ ÉÜ Øµ Ü Øµ Ü Øµ (1) kde É je výraz pro vyjádření kvantizačního procesu a Ü Øµ je kvantizační chyba. Průběh kvantizační chyby Ü Øµ lze graficky znázornit pomocí tzv. pilové funkce. Jelikož se jedná o periodickou funkci s periodou rovnou kvantizačnímu kroku, lze pro stanovení analytického výrazu pro její výpočet použít vztahy platné pro Fourierovy komplexnířady. Analýza funkce ËÜ Øµ pomocí Fourierových řad je výhodná z toho důvodu, žezvýsledného vztahu nám přímo vyplynou jednotlivé harmonické složky a jejich amplitudy, které vznikají v průběhu kvantování signálu a způsobují vznik chybového signálu. Ë Üµ ½ Ò ½ Ò ¾ÒÜ (2) David Bursík, Miroslav Lukeš, Katedra radioelektroniky, FEL ČVUT Praha, Technická 2, , Praha 6 tel. 2/ , bursikd@feld.cvut.cz, xlukesm@feld.cvut.cz 84

2 kde Ò můžeme napsat ve tvaru Ò ½ ¾ ʾ ʾ ¼ ¾ ܵ ¾ÒÜ Ü ½ ܵ Ò ¾ÒÜ Ê¾ ¾ ܵ Ó ¾ÒÜ Ò ¾ÒÜ Ü Ü ¾Ò Ó Òµ ¾ ¾ Ò ¾ Ò Òµ ¾Ò ½µÒ (3) dosazením rovnice (3) do (2) dostaneme Ë Üµ ½ Ò ½ ¾Ò ½µÒ Ó ¾ÒÜ Ò ¾ÒÜ ½ Ò ½ ¾ÒÜ Ò Ò ½µ Ò (4) pro kvantovaný signál Ü Øµ vyplývá Ü Øµ Ü Øµ ËÜ Øµ Ü Øµ ½ Ò½ ¾ÒÜ Øµ Ò Ò ½µ Ò (5) vpřípadě, že kvantovaný signál obsahuje jednu harmonickou složku o amplitudě Aaúhlovém kmitočtu Ü Øµ Ò Øµ (6) bude vypadat rovnice kvantovaného signálu podle rovnice (5) takto Ü Øµ Ò Øµ ½ Ò½ ½µ Ò Ò ¾Ò Ò Øµ Ò (7) z rovnice je patrné, že signál Ü Øµ obsahuje základní harmonickou a dále složky kmitočtově závislé, které vznikly vlivem kvantovacího procesu. K úpravě této rovnice použijeme Jacobiho rozvojů funkce typu Ò«Ò µ. Použitím těchto rozvojů dostaneme pro kvantovaný signál Ü Øµ výraz nebo Ü Øµ Ò Øµ ¾ Ü Øµ Ò Øµ ¾ ½ Ò½ ½ Ò½ ½µ Ò Ò ½µ Ò Ò ½ ѽ ½ ¼ kde Â Ñ µ je Besselova funkce prvního druhu a řádu Ñ. ¾Ò  ¾ ½ Ò ¾ ½µØ (8) ¾Ò Â Ñ Ò ÑØ ÑÐ (9) 85

3 Spektrum kvantovaného harmonického signálu Ze vztahu (9) je patrné, že spektrum chybového signálu obsahuje pouze liché harmonické složky, jelikož kvantizační funkce je funkce též lichá. Tento vztah je teoretickým vyjádřením amplitud harmonických složek vzniklých při kvantování signálu. Obr.1 znázorňuje pokles amplitud vyšších harmonických kvantovaného harmonického signálu s amplitudou +/-3q vůči první harmonické. Signál o této amplitudě má již nezanedbatelný vliv na spektrum v základním pásmu. Jak je patrné z obr.1 je odstup vyšších harmonických kolem -4dB. Harmonické složky jsou vypočítány do 6-té harmonické A[dB] n tá harmonická Obr. 1 Amplitudy parazitních harmonických složek kvantovaného sinusového signálu o amplitudě +/- 3q Vpřípadě, že kvantovaný harmonický signál navzorkujeme Ü Øµ ½ Ò ½ Ü ØµÆ Ø ÒÌ µ (1) kde Ì je vzorkovací perioda, dostaneme po Fourierově transformaci výraz, který popisuje spektrum navzorkovaného signálu kde je spektrum analogového signálu µ ½ Ì ½ Ò ½ Ò ¾ Ì µ (11) Toto spektrum je periodické podle vzorkovací frekvence ½ Ì.Díky této periodicitě začne být spektrum kvantovaného signálu v základním pásmu (1. Nyquistově zóně) ovlivňováno spektrem z ostaních Nyquistových zón. 86

4 Spektrum vzorkovaného kvantovaného harmonického signálu Na obr. 2 je znázorněn vzorkovaný kvantovaný harmonický signál a původní analogový signál. 1 x 1 4 Sinusoida nakvantovana s krokem +/ 3 kvantizacni kroky vzorky Obr. 2 analogový a kvantovaný harmonický signál o amplitudě +/- 3q Provedeme-li Fourierovu transformaci tohoto diskrétního signálu, dostaneme spektrum, které je na obr Obr. 3 Spektrum vzorkovaného harmonického signálu o amplitudě +/- 3q Jednotlivé harmonické složky jsou znázorněny jako pokles amplitudy vůči 1. harmonické. Z obr. 3 je patrné, že harmonické složky v 1. Nyquistovězóně majísvé obrazy v 2. Nyquistovězóně. 87

5 Analýza teoretického výpočtu spektra kvantovaného harmonického signálu Jak je patrné z obr. 1 a 3, vzorkováním kvantovaného harmonického signálu dojde ke změně jeho spektra. Podle vztahu Òµ ¼ Ò ½ Ò½ Ò Òµ ½µÒ Òµ kde Òµ jsou vzorky spektra kvantovaného harmonického signálu vypočítáné podle vztahu (9), Òµ jsou vzorky vzorkovaného kvantovaného harmonického signálu, Ò uvažovaný počet vzorků na periodu a počet zón mezi jednotlivými, jsme schopni dopočítat ze vztahu (9) spektrum vzorkovaného signálu. Vztah (12) tedy vyjadřuje přepočet spektra kvantovaného signálu na spektrum vzorkovaného kvantovaného signálu. Na následujících grafech jsou zobrazeny spočtená spektra pro vzorkovaný kvantovaný signál s amplitudou +/-3q podle vztahu (12) (symbol x) v porovnání s výpočtem FFT (symbol o), jenž je implementovaná v prostředí MATLAB. Jednotlivé harmonické složky jsou opět znázorněny jako pokles amplitudy vůči 1. harmonické. (12) 1 Odstup harmonickych slozek od Obr. 4 Odstup harmonických složek od 1. harmonické v db, počet vzorků 29 88

6 1 Odstup harmonickych slozek od Obr. 5 Odstup harmonických složek od 1. harmonické v db, počet vzorků 31 1 Odstup harmonickych slozek od Obr. 6 Odstup harmonických složek od 1. harmonické v db, počet vzorků 32 89

7 Odstup harmonickych slozek od Obr. 7 Odstup harmonických složek od 1. harmonické v db, počet vzorků 33 Závěr Byly vybrány čtyři délky signálů a to 29, 31, 32 a 33 vzorků. Z grafů na obr. 4, 5, 6, 7 jsou vidět určité rozdíly mezi hodnotami harmonických složek, které byly vypočítány ze vztahu (12) a Fourierovou transformaci. Nejmenších rozdílů z těchto signálu se dosahuje v případě délky 33 vzorků na periodu. Rozdíly jednotlivých harmonických složek mohou být způsobeny konečným počtem Nyquistových zón (v našem případě jsme použili šest Nyquistových zón, což představuje výpočet 1 harmonických složek). Nabízí se otázka kolik Nyquistových zón bude mít ještě vliv na výsledné spektrum signálu v základním pásmu v závislosti na velikosti vstupního signálu, protože odstup harmonických složek kvantovaného signálu je silně závislý na amplitudě analogového signálu. Projekt byl podporován Grantovou agenturou České republiky, grant č. 12/2/156.. Literatura [1] Kadlec F., Zpracování akustických signálů, skripta ČVUT FEL [2] Hrdina Z., Vejražka F., Signály a soustavy, skripta ČVUT FEL 9