Кіріспе
Цифрлық сигналдың өнімділігін жақсарту. Шуды қалыптастыру – цифрлық аудио, кескін және бейне өңдеуде қолданылатын, әдетте дитерлеумен бірге сигналды кванттау немесе биттік тереңдігін төмендету процесінің бір бөлігі болып табылатын әдіс. Оның мақсаты – нәтижесіндегі сигналдың сигнал/шу қатынасын арттыру. Бұл дитерлеу және кванттау арқылы енгізілген қателіктердің спектральдық құрамын өзгерту арқылы жүзеге асырылады, нәтижесінде шудың қуаты шудың аз қажетті жиілік диапазондарында төмендеп, көбірек қажетті диапазондарда сәйкесінше артады. Кескін өңдеуде қолданылатын танымал шуды қалыптастыру алгоритмі – «Флойд-Штайнберг дитерлеуі»; ал аудио өңдеуде қолданылатын көптеген шуды қалыптастыру алгоритмдері есту шегінің абсолюттік деңгейі моделіне негізделген.
Noise shaping is a technique typically used in digital audio, image, and video processing, usually in combination with dithering, as part of the process of quantization or bit depth reduction of a signal. Its purpose is to increase the apparent signal to noise ratio of the resultant signal. It does this by altering the spectral shape of the error that is introduced by dithering and quantization; such that the noise power is at a lower level in frequency bands at which noise is considered to be less desirable and at a correspondingly higher level in bands where it is considered to be more desirable. A popular noise shaping algorithm used in image processing is known as ‘Floyd Steinberg dithering’; and many noise shaping algorithms used in audio processing are based on an ‘Absolute threshold of hearing’ model.
Операция
Кез келген кері байланыс циклы сүзгі ретінде жұмыс істейді. Шуды қалыптастыру, кванттау шуын, қажетті деңгейде сүзгілеу үшін жасалған кері байланыс циклына жіберу арқылы жұмыс істейді.
Импульстік жауап сүзгілері жалпы
Жалпы алғанда, кез келген FIR немесе IIR сүзгісін күрделірек жиілік реакциясы қисығын жасау үшін қолдануға болады. Мұндай сүзгілерді салмақталған ең кіші квадраттар әдісімен жобалауға болады. Цифрлық аудио жағдайында, әдетте қолданылатын салмақ функциясы – есту шегінің абсолютті мәніне кері шама, яғни:
Дитерлеу
Кванттық өлшеу кезінде тиісті мөлшерде дитер қосу сигналмен байланысты анықталатын қателердің пайда болуын болдырмайды. Егер дитер қолданылмаса, шуды қалыптастыру іс жүзінде тек бұрмалауды қалыптастыру ретінде ғана жұмыс істейді – бұрмалау энергиясын әртүрлі жиілік жолақтарына жылжытады, бірақ ол бұрмалау болып қалады. Егер процеске дитер қосылса, кванттау қатесі нағыз шуға айналады және процесс шынымен шуды қалыптастыруды қамтамасыз етеді.
then the quantization error truly becomes noise, and the process indeed yields noise shaping.
Цифрлық аудиода
Дыбыстағы шуды қалыптастыру көбінесе бит азайту схемасы ретінде қолданылады. Дитердің ең қарапайым түрі – тегіс, ақ шу. Дегенмен, құлақ төмен деңгейдегі кейбір жиіліктерге басқаларына қарағанда аз сезімтал (Тең дыбыс деңгейі контурын қараңыз). Шуды қалыптастыру арқылы кванттау қатесі тиімді түрде таратылып, оның көп бөлігі естілмейтін жиіліктерге, ал азы естілетін жиіліктерге шоғырланады. Соның салдарынан, құлақ ең сезімтал болған жерде кванттау қатесі айтарлықтай төмендейді, ал құлақ аз сезімтал болған жерде шу күшейеді. Бұл тура дитерге қарағанда 4 биттік шуды азайтуға мүмкіндік береді. Осылайша, 16 биттік үлгілердің динамикалық диапазоны барлық спектр бойынша 96 дБ-қа ғана жетеді (кванттау бұрмалау есептеулерін қараңыз), бірақ шу пішінді дитерлеу естілетін дыбыстың динамикалық диапазонын 120 дБ-ға дейін арттыра алады.
Шуды қалыптау және 1-биттік түрлендіргіштер
1989 жылдан бері 1 биттік дельта-сигма модуляторлары аналогты-цифрлық түрлендіргіштерде қолданылып келеді. Бұл дыбысты өте жоғары жылдамдықпен (мысалы, секундқа 2,8224 миллион үлгі) дискретизациялауды қамтиды, бірақ тек бір бит қолданылады. Тек 1 бит пайдаланылатындықтан, бұл түрлендіргіштің динамикалық диапазоны 6,02 дБ құрайды. Дегенмен, шудың төменгі шегі 1,4112 МГц Nyquist жиілігінен төменгі барлық жиілік диапазоны бойынша таралады. Шуды қалыптастыру (noise shaping) дыбыстық диапазонға (20 Гц-тен 20 кГц-ға дейін) түсетін шуды азайту және дыбыстық диапазоннан жоғары шуды арттыру үшін қолданылады. Бұл кең жолақты динамикалық диапазонды 7,78 дБ-қа дейін жеткізеді, бірақ ол жиілік жолақтары бойынша біркелкі емес, ал ең төменгі жиіліктерде (есту диапазоны) динамикалық диапазон 100 дБ-тан асып түседі. Шуды қалыптастыру дельта-сигма модуляторларының құрылымында қалыптасқан. 1 биттік түрлендіргіш Sony компаниясының DSD форматының негізі болып табылады. 1 биттік түрлендіргішті (демек, DSD жүйесін) сынға алатындардың бірі – сигнал мен кері байланыс тізбегінде тек 1 бит қолданылатындықтан, кері байланыс тізбегінде жеткілікті мөлшерде дитер қолдану мүмкін болмайды және кейбір жағдайларда бұрмалану байқалуы мүмкін (толығырақ талқылау үшін). 2000 жылдан бері жасалған көптеген А/Д түрлендіргіштері кері байланыс тізбегіне тиісті дитер қосу үшін 1 биттен артық шығыс беретін көп биттік немесе көп деңгейлі дельта-сигма модуляторларын қолданады. Дәстүрлі PCM дискретизациясы үшін сигнал 44,1 кГц немесе басқа да сәйкес дискретизация жылдамдықтарына дейін азайтылады.
Қазіргі заманғы АДК-да
Analog Devices "Noise Shaping Requantizer" деп аталатын нәрсені пайдаланады, ал Texas Instruments "SNRBoost" деп аталатын нәрсені қолданады. Бұл, қоршаған жиіліктерге қарағанда шу деңгейін шамамен 30 дБ төмендетуге мүмкіндік береді. Мұның үздіксіз жұмыс істемеуге байланысты шығындары бар, бірақ спектрдің шу еденіне ванна тәрізді жақсы пішін береді. Спектрдің ажыратымдылығын одан әрі жақсарту үшін Бит-көтеру сияқты басқа техникалармен де үйлестіруге болады.