Введение
Улучшение характеристик цифрового сигнала. Формирование шума — это метод, обычно используемый в цифровой обработке аудио, изображений и видео, как правило, в сочетании с дитерингом, в рамках процесса квантования или уменьшения разрядности сигнала. Его цель — повысить эффективное отношение сигнал/шум результирующего сигнала. Это достигается за счет изменения спектральной формы ошибки, возникающей при дитеринге и квантовании, таким образом, чтобы мощность шума была ниже в частотных диапазонах, где шум считается менее заметным, и выше — в диапазонах, где он считается менее критичным. Популярный алгоритм формирования шума, используемый в обработке изображений, известен как дитеринг Флойда — Штайнберга, а многие алгоритмы формирования шума, применяемые в обработке звука, основаны на модели абсолютного порога слышимости.
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
Любая цепь обратной связи функционирует как фильтр. Формирование шума работает, помещая шум квантования в цепь обратной связи, разработанную для фильтрации шума требуемым образом.
Импульсные фильтры в целом
В более общем плане любой фильтр FIR или IIR может быть использован для создания более сложной частотной характеристики. Такие фильтры могут быть спроектированы с использованием метода наименьших квадратов с весовыми коэффициентами. В случае цифрового аудио, обычно в качестве функции взвешивания используется величина, обратная абсолютной кривой порога слышимости, то есть.
Дитер
Добавление подходящего количества дитера при квантовании предотвращает появление заметных ошибок, связанных с сигналом. Если дитер не используется, то формирование шума фактически работает лишь как формирование искажений — перераспределяя энергию искажений по различным частотным диапазонам, но искажения от этого не исчезают. Если же дитер добавляется к процессу, то ошибка квантования действительно превращается в шум, и процесс действительно обеспечивает формирование шума.
then the quantization error truly becomes noise, and the process indeed yields noise shaping.
В цифровом аудио
Формирование шума в аудио чаще всего применяется как метод понижения разрядности. Самая простая форма дитеринга – это плоский белый шум. Однако, на низких уровнях слух менее чувствителен к определенным частотам, чем к другим (см. Кривые равной громкости). Используя формирование шума, ошибку квантования можно эффективно распределить таким образом, чтобы большая ее часть приходилась на частоты, которые хуже воспринимаются, и меньшая – на те, которые воспринимаются хорошо. В результате, в диапазоне частот, к которым слух наиболее чувствителен, ошибка квантования может быть значительно уменьшена, а в диапазоне менее чувствительных частот – шум, наоборот, увеличен. Это может дать воспринимаемое снижение шума на 4 бита по сравнению с обычным дитерингом. Таким образом, хотя 16-битные сэмплы имеют динамический диапазон всего 96 дБ по всему спектру (см. расчеты искажений квантования), формирование шума при дитеринге может увеличить воспринимаемый динамический диапазон аудио до 120 дБ.
Конверторы для формирования шума и 1-битные преобразователи
С 1989 года 1-битные дельта-сигма модуляторы используются в аналого-цифровых преобразователях. Это предполагает дискретизацию аудиосигнала с очень высокой частотой (например, 2,8224 миллиона отсчетов в секунду), но с использованием только одного бита. Поскольку используется всего 1 бит, динамический диапазон этого преобразователя составляет всего 6,02 дБ. Однако, шум распределяется по всему неалиасированному частотному диапазону ниже частоты Найквиста, равной 1,4112 МГц. Шумовое формирование используется для уменьшения шума в слышимом диапазоне (от 20 Гц до 20 кГц) и увеличения шума за пределами слышимого диапазона. Это приводит к широкополосному динамическому диапазону всего 7,78 дБ, но он непостоянен по всем частотным полосам, и в низкочастотной области (слышимом диапазоне) динамический диапазон значительно выше – более 100 дБ. Шумовое формирование является неотъемлемой частью дельта-сигма модуляторов. 1-битный преобразователь лежит в основе формата DSD, разработанного Sony. Одной из критических замечаний в отношении 1-битного преобразователя (и, следовательно, системы DSD) является то, что из-за использования всего 1 бита как в сигнале, так и в контуре обратной связи, невозможно использовать достаточное количество дитера в контуре обратной связи, что может приводить к слышимым искажениям в определенных условиях (подробнее об этом можно узнать по адресу). Большинство АЦП, выпускаемых после 2000 года, используют многобитные или многоуровневые дельта-сигма модуляторы, обеспечивающие выход более чем в 1 бит, чтобы можно было добавить корректный дитер в контур обратной связи. Для традиционной PCM дискретизации сигнал затем подвергается понижению частоты дискретизации до 44,1 кГц или других подходящих частот.
В современных АДЦ
Analog Devices использует то, что они называют "Noise Shaping Requantizer", а Texas Instruments использует то, что они называют "SNRBoost" для снижения уровня шума примерно на 30 дБ относительно окружающих частот. Это достигается за счет прерывистой работы, но позволяет получить спектр с кривой в форме ванны. Это можно комбинировать с другими методами, такими как Bit Boost, для дальнейшего увеличения разрешения спектра.