Введение
Метод снижения негативного влияния канала с ограниченным динамическим диапазоном
В телекоммуникациях и обработке сигналов компандинг (иногда называемый компансией) — это метод снижения негативного влияния канала с ограниченным динамическим диапазоном. Название является объединением слов «сжатие» и «расширение», которые выполняются компандером на передающем и принимающем концах соответственно. Использование компандинга позволяет передавать сигналы с широким динамическим диапазоном по каналам, имеющим меньшие возможности по динамическому диапазону. Компандинг применяется в телефонии и других аудиоприложениях, таких как профессиональные беспроводные микрофоны и аналоговая запись.
Как это работает
Динамический диапазон сигнала сжимается перед передачей и расширяется до исходного значения на приемнике. Электронная схема, выполняющая это, называется компандером и работает, сжимая или расширяя динамический диапазон аналогового электронного сигнала, например, звука, записанного микрофоном. Один из вариантов представляет собой триаду усилителей: логарифмический усилитель, за которым следует линейный усилитель с переменным коэффициентом усиления и экспоненциальный усилитель. Такая триада обладает свойством, что ее выходное напряжение пропорционально входному напряжению, возведенному в регулируемую степень. Компрессионное квантование – это комбинация трех функциональных блоков: компрессора динамического диапазона сигнала (в непрерывной области), равномерного квантователя с ограниченным диапазоном и экспандера динамического диапазона сигнала (в непрерывной области), который инвертирует функцию компрессора. Этот тип квантования часто используется в системах телефонии. На практике компандеры разрабатываются для работы в соответствии с относительно простыми функциями компрессии динамического диапазона, которые подходят для реализации в виде простых аналоговых электронных схем. Две наиболее распространенные функции компандера, используемые в телекоммуникациях, – это функции закона А и закона μ.
Приложения
Компрессия-расширение используется в цифровых телефонных системах, сжимая сигнал перед вводом в аналого-цифровой преобразователь и расширяя его после цифро-аналогового преобразователя. Это эквивалентно использованию нелинейного АЦП, как, например, в телефонной системе T-carrier, реализующей закон А или закон μ. Этот метод также применяется в цифровых форматах файлов для улучшения соотношения сигнал/шум (SNR) при меньшей битовой глубине. Например, линейно закодированный 16-битный сигнал PCM можно преобразовать в 8-битный файл WAV или AU, сохранив при этом приемлемый SNR, сжимая сигнал перед переходом к 8 битам и расширяя его после возврата к 16 битам. По сути, это форма сжатия аудиоданных с потерями. Профессиональные беспроводные микрофоны используют этот метод, поскольку динамический диапазон самого аудиосигнала микрофона превышает динамический диапазон, обеспечиваемый радиопередачей. Компрессия-расширение также уменьшает уровень шума и перекрестных помех на приемной стороне. Компандеры применяются в концертных аудиосистемах и в некоторых схемах шумоподавления.
История
Использование компандинга в аналоговой системе передачи изображения было запатентовано А. Б. Кларком из AT&T в 1928 году (заявка подана в 1925 году): При передаче изображений электрическими токами метод, заключающийся в отправке токов, изменяющихся в нелинейной зависимости от значений яркости последовательных элементов передаваемого изображения, и на приемной стороне – воздействии на соответствующие элементы светочувствительной поверхности светом, изменяющимся в обратной нелинейной зависимости от принятого тока. В 1942 году Кларк и его команда завершили разработку защищенной системы передачи голоса SIGSALY, которая впервые использовала компандинг в PCM (цифровой) системе. В 1953 году Б. Смит показал, что нелинейный ЦАП может быть дополнен обратной нелинейностью в конфигурации АЦП последовательного приближения, что упрощает конструкцию цифровых компандных систем. В 1970 году Х. Канеко разработал единое описание сегментных (по кусочно-линейных) законов компандинга, которые к тому времени были приняты в цифровой телефонии. В 1980-х (и 90-х) годах многие производители музыкального оборудования (Roland, Yamaha, Korg) использовали компандинг при сжатии данных волновых форм в своих цифровых синтезаторах. К сожалению, точные алгоритмы неизвестны, и нет данных о том, что какой-либо из производителей использовал схему компандинга, описанную в этой статье. Известно лишь то, что производители действительно использовали сжатие данных в указанный период, и некоторые называют это "компандингом", хотя на самом деле это может быть что-то другое, например, просто сжатие и распаковка данных. Это восходит к концу 80-х годов, когда микросхемы памяти часто были одним из самых дорогих компонентов в инструменте. Производители обычно указывали объем памяти в сжатом виде: например, 24 МБ физической ПЗУ волновой формы в Korg Trinity на самом деле составляют 48 МБ в несжатом виде. Аналогично, платы расширения Roland SR JV обычно рекламировались как платы объемом 8 МБ с "эквивалентным содержанием 16 МБ". Безответственное копирование этой технической информации без указания на "эквивалентность" часто может приводить к путанице.
In the transmission of pictures by electric currents, the method which consists in sending currents varied in a non linear relation to the light values of the successive elements of the picture to be transmitted, and at the receiving end exposing corresponding elements of a sensitive surface to light varied in inverse non linear relation to the received current.|A. B. Clark patent
In 1942, Clark and his team completed the SIGSALY secure voice transmission system that included the first use of companding in a PCM (digital) system. In 1953, B. Smith showed that a nonlinear DAC could be complemented by the inverse nonlinearity in a successive approximation ADC configuration, simplifying the design of digital companding systems. In 1970, H. Kaneko developed the uniform description of segment (piecewise linear) companding laws that had by then been adopted in digital telephony. In the 1980s (and '90s), many of the music equipment manufacturers (Roland, Yamaha, Korg) used companding when compressing the library waveform data in their digital synthesizers. Unfortunately exact algorithms are not known, neither if any of the manufacturers ever used the Companding scheme which is described in this article. The only known thing is that manufacturers did use data compression in the mentioned time period and that some people refer to it as "companding" while in reality it might mean something else, for example data compression and expansion. This dates back to the late '80s when memory chips were often one of the most costly components in the instrument. Manufacturers usually quoted the amount of memory in its compressed form: i. e. 24 MB of physical waveform ROM in a Korg Trinity is actually 48 MB when uncompressed. Similarly, Roland SR JV expansion boards were usually advertised as 8 MB boards with '16 MB equivalent content'. Careless copying of this technical information, omitting the "equivalence" reference, can often cause confusion.