Формирование шума - Noise shaping - Wikipedia

Формирование шума это метод, обычно используемый в цифровой звук, изображение, и обработка видео, обычно в сочетании с дизеринг, как часть процесса квантование или же битовая глубина уменьшение цифрового сигнала. Его цель - увеличить видимую соотношение сигнал шум результирующего сигнала. Это достигается за счет изменения спектральная форма ошибки, вносимой дизерингом и квантованием; так что мощность шума находится на более низком уровне в полосах частот, в которых шум считается менее желательным, и на соответственно более высоком уровне в полосах, где он считается более желательным. Популярный алгоритм формирования шума, используемый при обработке изображений, известен как «Дизеринг Флойда Стейнберга ’; и многие алгоритмы формирования шума, используемые при обработке звука, основаны на «Абсолютный порог слышимости 'Модель.

Вступление

Формирование шума работает путем помещения ошибки квантования в Обратная связь петля. Любая петля обратной связи функционирует как фильтр, поэтому, создав цикл обратной связи для самой ошибки, ошибка может быть отфильтрована по желанию.

Например, рассмотрим систему обратной связи:

${\displaystyle \ y[n]=x[n]+e[n-1],}$

куда у[п] - это выходное значение выборки, которое должно быть квантованный, Икс[п] - значение входной выборки, п - номер образца, а е[п] - ошибка квантования, вносимая в выборку п:

${\displaystyle \ e[n]=y_{\text{quantized}}[n]-y[n].}$

В этой модели, когда битовая глубина любого образца уменьшается, ошибка квантования между квантованным значением и исходным значением измеряется и сохраняется. Это «значение ошибки» затем повторно добавляется в следующую выборку перед ее квантованием. Эффект состоит в том, что ошибка квантования равна фильтр нижних частот прямоугольным фильтром с двумя отсчетами (также известным как усредняющий фильтр ). В результате, по сравнению с предыдущим, ошибка квантования имеет меньшую мощность на более высоких частотах и ​​более высокую мощность на более низких частотах.

Обратите внимание, что мы можем настроить частоту среза фильтра, изменив пропорцию, б, возвращаемой ошибки из предыдущего образца:

${\displaystyle \ y[n]=x[n]+be[n-1]}$

В общем, любой КИХ-фильтр или же БИХ-фильтр можно использовать для создания более сложных частотный отклик изгиб. Такие фильтры можно создать с помощью взвешенный метод наименьших квадратов метод.^[1] В случае цифрового звука обычно используется функция взвешивания, деленная на абсолютный порог кривой слуха, т.е.

${\displaystyle \ W(f)={\frac {1}{A(f)}}.}$

Формирование шума также всегда должно включать соответствующее количество дрожать внутри самого процесса, чтобы предотвратить определяемые и коррелированные ошибки самого сигнала. Если дизеринг не используется, то формирование шума эффективно работает просто как формирование искажения - перемещая энергию искажения в разные полосы частот, но это все равно искажение. Если дизеринг добавлен в процесс как

${\displaystyle \ y[n]=x[n]+be[n-1]+\mathrm {dither} ,}$

тогда ошибка квантования действительно становится шумом, и процесс действительно приводит к формированию шума.

В цифровом аудио

• 

  Синусоидальный тон 750 Гц, дискретизированный с частотой 48 кГц и квантованный до 4 бит, без дизеринга и формирования шума. Этот процесс вводит периодический ошибка округления с периодом 64 отсчета, видимая в частотная область в качестве гармоники которые достигают -40 дБ относительно эталонного тона.

• 

  Тот же чистый тон с треугольный дрожать но без формирования шума. Обратите внимание, что общая мощность шума увеличилась, но ни одна частота не достигает значения выше −60 дБ.

• 

  Тот же чистый тон с треугольным дизерингом и формированием шума. Обратите внимание, что шум самый низкий (-80 дБ) около 4 кГц, где ухо наиболее чувствительно.

Формирование шума в аудио чаще всего применяется как схема уменьшения битов. Самая основная форма дизеринга - это плоский белый шум. Однако ухо менее чувствительно к определенным частотам, чем к другим на низких уровнях (см. Кривые Флетчера-Мансона ). Используя формирование шума, можно эффективно распределить ошибку квантования, так что большая ее часть сосредоточена на частотах, которые также нельзя услышать, и меньше - на частотах, которые могут. В результате там, где ухо наиболее критично, ошибка квантования может быть значительно уменьшена, а там, где уши менее чувствительны, шум намного больше. Это может дать снижение воспринимаемого шума на 4 бита по сравнению с прямым дизерингом.^[2] В то время как 16-битный звук обычно имеет динамический диапазон 96 дБ (см. искажение квантования расчеты), его реально можно увеличить до 120 дБ с помощью шумового дизеринга.^[3]

Шумоподавление и 1-битные преобразователи

Примерно с 1989 г. 1 бит модуляторы дельта-сигма были использованы в аналого-цифровые преобразователи. Это включает дискретизацию звука с очень высокой частотой (2,8224 миллион выборок в секунду, например), но используя только один бит. Поскольку используется только 1 бит, этот преобразователь имеет только 6,02 дБ динамический диапазон. В шумный этаж однако распространяется на весь «законный» частотный диапазон ниже Частота Найквиста 1,4112 МГц. Формирование шума используется для снижения шума, присутствующего в слышимом диапазоне (от 20 Гц до 20 кГц), и увеличения шума выше слышимого диапазона. Это приводит к широкополосному динамическому диапазону всего 7,78 дБ, но он не согласуется между полосами частот, а на самых низких частотах (слышимый диапазон) динамический диапазон намного больше - более 100 дБ. Формирование шума встроено в модуляторы дельта-сигма.

1-битный преобразователь является основой DSD формат от Sony. Одна критика 1-битного преобразователя (и, следовательно, системы DSD) заключается в том, что, поскольку только 1 бит используется как в сигнале, так и в контуре обратной связи, адекватное количество дизеринга не может быть использовано в контуре обратной связи, и при некоторых условиях могут быть слышны искажения. .^[4][5] В большинстве аналого-цифровых преобразователей, выпущенных с 2000 года, используются многобитовые или многоуровневые дельта-сигма-модуляторы, которые дают более 1 бит на выходе, так что в контур обратной связи можно добавить правильный дизеринг. Для традиционных PCM выборка сигнала затем уничтожен до 44,1 кГц или другой подходящей частоты дискретизации.

В современных АЦП

Аналоговые устройства использует то, что они называют "Рекантизатор формирования шума", и Инструменты Техаса использует то, что они называют "SNRBoost", чтобы снизить шумный этаж примерно 30 дБ по сравнению с окружающими частотами. Это достигается за счет прерывистой работы, но дает ванну красивой формы для пола спектра. Это можно комбинировать с другими методами, такими как Bit-Boost, для дальнейшего повышения разрешения Spectrum.

Инструменты Техаса объясняет "SNRBoost" в этих документах Использование окон с технологией SNRBoost3G (PDF) и Понимание низкоамплитудного поведения 11-битных АЦП (PDF) пока Аналоговые устройства объясняет их "Рекантизатор формирования шума" в этом документе Приемник ПЧ AD6677 с полосой пропускания 80 МГц (на странице 23).

Рекомендации

1. Верхельст, Вернер; Де Конинг, Дретен (24 октября 2001 г.). Конструкция шумоформирующего фильтра для минимально слышимого переквантования сигнала. Семинар IEEE по применению обработки сигналов в аудио и акустике. IEEE.
2. Герзон, Майкл; Питер Крейвен; Роберт Стюарт; Ронда Уилсон (16-19 марта 1993 года). Улучшения формы психоакустического шума на компакт-дисках и других линейных цифровых носителях. 94-я Конвенция Аудио инженерное общество, Берлин. AES. Препринт 3501.
3. "24/192 загрузки музыки действительно очень глупые". xiph.org. Получено 2015-08-01.
4. С. Липшиц и Я. Вандеркой "Почему профессиональное 1-битное сигма-дельта преобразование - плохая идея "109-я Конвенция AES, сентябрь 2000 г.
5. С. Липшиц и Я. Вандеркой "Почему 1-битное сигма-дельта-преобразование не подходит для высококачественных приложений "110-й съезд AES, май 2001 г.