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Übertragungssysteme
WS 2010/2011
Vorlesung 2
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz [email protected]
Kontakt:Dipl.-Ing.(FH) Sara Kepplinger / Dipl.-Ing. Christoph Fingerhut
© Fraunhofer IDMT
Gliederung
Eigenschaften und Probleme der
Analog/Digital-Umsetzung
g
Analog/Digital-UmsetzungEinführungAbtastungQuantisierungFehlergrößenDither
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 2
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Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 2
Vergleich analoges und digitales SignalEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Vergleich analoges und digitales Signal
• Übertragung des analogen Signals
+ niedrige Bandbreite– hohe Störempfindlichkeit– schlechte Integrierbarkeitschlechte Integrierbarkeit
• Übertragung des digitalisierten Signals + geringe Störempfindlichkei+ gute Integrierbarkeit– hohe Bandbreite
Bsp.: Biphase
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 3
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Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 3
Allgemeiner Prozess der DigitalisierungEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Allgemeiner Prozess der Digitalisierung
Abtastrate fs = 1/T
Analoges Signal Digitales Signal
x(t) x*(t) x(n)
Abtastung Quantisierung
x(t) x (t) x(n)
Erzeugt Quantisierungsrauschen
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 4
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Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 4
Analog Digital Umsetzung
Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Analog-Digital-Umsetzung
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 5
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Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 5
Digital Analog Umsetzung
Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Digital-Analog-Umsetzung
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 6
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 6
AbtasttheoremEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Abtasttheorem
f(t) sei eine bandbegrenzte Zeitfunktion mit der Grenzfrequenz g
Dann ist f(t) eindeutig durch die diskreten Werte
)πf(f
für = 0, ±1, ±2,... bestimmt.
)ω
f(υ=fg
υ
Genauer betrachtet:Das Signal f(t) sei bandbegrenzt, d.h. sein Spektrum erfüllt:
ω|>ω|fürjωF 0)(
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 7
gω|>ω|fürjωF 0)(
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Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 7
AbtasttheoremEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Abtasttheorem
Es sei vorausgesetzt, daß F(j) im Intervall [-g, g] durch eine Fourier-Reihe d t llt d kdargestellt werden kann:
)|(|)( /g
j geAjF
=
)πf(υπ=ωω
dF(jω(j=Ag
gωjυυπ
/1
)|(|)( gj
Durch Anwendung der Fouriertransformation (siehe z.B. Unbehauen: Systemtheorie) erhält man die gewünschte Identität:
)ω
f(υω
ωdF(jω(jAgggωg
υ 2ω
gewünschte Identität:
g υπ)t(ω
)πf(υf(t)sin
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 8
=υ g
g
g υπtω)
ωf(υ=f(t)
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Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 8
Abtastung – Varianten – ZeitbereichEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Abtastung Varianten Zeitbereich
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 9
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 9
Abtastung – Varianten – FrequenzbereichEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Abtastung Varianten FrequenzbereichAuswirkung einer Abtastung im Zeitbereich auf den Frequenzbereich
a) Spektrum des Originalsignals b) Spektrum der Abtastfunktiona) Spektrum des Originalsignals b) Spektrum der Abtastfunktion
c) Spektrum des abgetasteten Signals bei Ωs > 2 ΩNc) Spektrum des abgetasteten Signals bei Ωs 2 ΩN
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 10
d) Spektrum des abgetasteten Signals bei Ωs < 2 ΩN
Quelle: Oppenheim et al., “Zeitdiskrete Signalverarbeitung”, 2. Auflage
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 10
Aliasing im ZeitbereichEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Aliasing im Zeitbereich
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 11
Quelle: Crystal Semiconductor, “Application Seminar Handbook”
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 11
Aliasing im FrequenzbereichEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Aliasing im Frequenzbereich
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 12
Quelle: Crystal Semiconductor, “Application Seminar Handbook”
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 12
U b F
Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Unterabtastung - Frequenzumsetzung
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 13
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Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 13
Periodifizierung - AbtastungEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Periodifizierung Abtastung
Zeitbereich Frequenzbereich
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 14
Zeitbereich Frequenzbereich
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Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 14
Periodifizierung - AbtastungEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Periodifizierung Abtastung
Zeitbereich Frequenzbereich
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 15
Zeitbereich Frequenzbereich
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Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 15
Abtastung – Filterung – Interpolation 1Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Abtastung Filterung Interpolation 1
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 16
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 16
Abtastung – Filterung – Interpolation 2Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Abtastung Filterung Interpolation 2
(c )x(t)
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 17
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 17
Abtastung – Filterung – Interpolation 3Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Abtastung Filterung Interpolation 3
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 18
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 18
Spektren analoger und abgetaster SignaleEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Spektren analoger und abgetaster Signale
1. Frequenzantwort eines unbegrenzten Signales
2. Frequenzantwort eines abgetasteten unbegrenzten Signales
3 Frequenzantwort eines analogen Signales mit BandpassSignal
3. Frequenzantwort eines analogen Signales mit Bandpass
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 19
4. Frequenzantwort eines abgetasteten digitalen Signales
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Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 19
QuantisierungEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Quantisierung• Mathematisch:
Quantisierung ist die Abbildung eines analogen Eingangsbereichs auf eine endliche Anzahl vonQuantisierung ist die Abbildung eines analogen Eingangsbereichs auf eine endliche Anzahl von Ausgangswerten:
Eingangsintervall, Repräsentant
• Häufig: Codierung auf ganze Zahlen, die Decodierung der Zahlen auf Repräsentanten wird Requantisierung oder inverse Quantisierung genannt.
• Am häufigsten verwendet: Lineare Quantisierer:• Am häufigsten verwendet: Lineare Quantisierer:
für alle n ist das Quantisierungsintervall gleich groß
2 V i id i d id d• 2 Varianten: midrise und midtread
• Auch ideale Systeme aus A/D-Umsetzer und D/A-Umsetzer können das Eingangssignal nicht exakt rekonstruieren: Quantisierungsrauschen
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 20
• Die mittlere Energie des Quantisierungsrauschen ist von der Signalstatistik abhängig!
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Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 20
QuantisierungEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Quantisierung
• Quantisierungsstufenhöhe: Q2Q
12Q=PR
R
S
PP
=V log 10dB
• Gleichverteilung der Eingangswerte:
6.02ndBVsp =
R
• Quantisierung eines Sinussignals mit Vollaussteuerung:
1.86.02ndB
sin +=V
• Sprachsignale:(eff. Wert der Amplitude ca. 15dB unter dem Spitzenwert)
Vsin
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 21
106.02ndB
Vsin
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 21
QuantisierungsfehlerEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Quantisierungsfehler
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 22
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 22
ADC Störgrössen (1): Differentielle NichtlinearitätEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
ADC Störgrössen (1): Differentielle Nichtlinearität
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 23
Quelle: Crystal Semiconductor, “Application Seminar Handbook”
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 23
ADC Störgrössen (2): Integrale NichtlinearitätEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
ADC Störgrössen (2): Integrale Nichtlinearität
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 24
Quelle: Crystal Semiconductor, “Application Seminar Handbook”
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 24
ADC Störgrössen (3): Offset FehlerEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
ADC Störgrössen (3): Offset Fehler
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 25
Quelle: Crystal Semiconductor, “Application Seminar Handbook”
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 25
ADC Störgrössen (4): VerstärkungsfehlerEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
ADC Störgrössen (4): Verstärkungsfehler
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 26
Quelle: Crystal Semiconductor, “Application Seminar Handbook”
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 26
ADC Störgrössen (5): FehlerhistogrammEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
ADC Störgrössen (5): Fehlerhistogramm
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 27
Quelle: Analog Devices, “System Applications Guide”
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 27
JitterEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Jitter
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 28
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 28
JitterEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Jitter• Jitter: Ungenauigkeit des Abtastzeitpunkts (nicht äquidistante
Abtastungen).
• Jitter ist besonders störend hörbar bei sinus-förmigen Eingangs-bzw. Ausgangssignalen.
• Beispiel für Jitterfehler bei Quantisierung eines sinusförmigen Signals.
• Der durch Jitter verursachte Fehler kann in einem äquivalenten Quantisierungsfehler umgerechnet werden Der Jitterfehler ist
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 29
Quantisierungsfehler umgerechnet werden. Der Jitterfehler ist dabei proportional zur Audiofrequenz.
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 29
ADC Störgrössen TaktschwankungenEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
ADC Störgrössen Taktschwankungen
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 30
Quelle: Crystal Semiconductor, “Application Seminar Handbook”
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 30
Abschätzung des Jitterfehlers:Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Abschätzung des Jitterfehlers:
D id l i t Abt t t i ( t )Der ideale i-te Abtastwert: sin(ti)
der fehlerbehaftete i-te Abtastwert: sin((ti + i))
mit i als dem Jitterfehler der i-ten Abtastung.
Jitterrauschen:
Nj(ti) = sin(ti) - sin(ti +i)j( i) ( i) ( i i)
= (1 - cos(i)) - sin(ti) + sin(i) ·cos (ti)
|Njj|2 = |1- cos(i)|2 + sin2 (i) = 2 - 2cos (i)
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 31
|Njj| = |1- cos(i)| + sin (i) = 2 - 2cos (i)
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Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 31
Abschätzung des Jitterfehlers:Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Abschätzung des Jitterfehlers:
Annahme:
Zeitfehler voneinander unabhängig und gleichverteilt zwischen -r und +r
2 ωτ2cos2N )dτ(=||+r
ij
2
ωτsinωi22
=EjN
r
2
2 0,0038231
3ωτ
T==NS
EjN
2 2ωτ τN
Beispiel: 20kHz Sinus: T = 50µsec., 16bit: 96dB>NS
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 32
Npsec 48.85τ,100.977 6 ==
Tτ
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DitherEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Dither• Problemstellung:
Vergleich typischer Störungen bei Analog- und Digital-SystemenVergleich typischer Störungen bei Analog und Digital Systemen
• Analog-Systeme: Störung proportional zur Signalamplitude, vorwiegend harmonische Fehler (gemessen durch Klirrfaktor)g (g )
• Digital-Systeme: Quantisierungsrauschen unabhängig von der Signalamplitude, Fehler bei hohen Signalamplituden als Rauschsignal modellierbar Bei geringen Signalamplituden hohe Korrelationmodellierbar. Bei geringen Signalamplituden hohe Korrelation zwischen Signal und Quantisierungsfehler hoher relativer Fehler, der als Verzerrung hörbar wird.
• Lösung: DitherVor der Quantisierung wird dem Signal zusätzlich Rauschen hinzugefügt. Die Störamplitude wird insgesamt höher, aber es erfolgt
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 33
g g p g , geine Linearisierung der Kennlinie.
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Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 33
Quantisierungsfehler bei der Quantisierung kleiner Signalamplituden:
Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Quantisierungsfehler bei der Quantisierung kleiner Signalamplituden:
• kleine Signalamplituden verursachen nichtlineare Verzerrungen (b, c)
• abhängig vom Eingangssignal (a)
• überwiegend bei Harmonischen des Eingangssignals (d)
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 34
Quelle: R. A. Wannamaker, “The Theory of Dithered Quantization”
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 34
Beispiel für Signalverläufe ohne und mit DitherEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
p g
• Korrelation zwischen Signal und Quantisierungsfehler
Unerwünschte Verzerrungen Unerwünschte Verzerrungen
Abhilfe durch Hinzufügen eines Dithersignals vor der Quantisierung
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 35
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 35
Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen – Dither
Sinussignal mit Dither
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 36
Quelle: R. A. Wannamaker, “The Theory of Dithered Quantization”
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 36
Dither: Wie und welche Art?Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Dither: Wie und welche Art?
• Analog-Dither:
Bei A/D-Umsetzern erfolgt das Hinzufügen von Dither häufig in der analogen Eingangsstufe, also (evt. unabsichtlich) durch Mikrofon-rauschen oder rauschende Vorverstärkerstufen.
• Digital-Dither:
Addieren eines Rauschsignals mit definierter Charakteristik: wichtige Parameter sind die Amplitudendichteverteilung (probability density function, pdf) und das L i t di ht k
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 37
Leistungsdichtespekrum.
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 37
Dither: Wie und welche Art?Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Dither: Wie und welche Art?
• Qualitative Abschätzung:
Bei gleichverteiltem Rauschen von 1 LSB Amplitude (Mittelwert 0) wird jeder analoge Eingangswert im Mittel auf den «richtigen»wird jeder analoge Eingangswert im Mittel auf den «richtigen» quantisierten Wert abgebildet, d.h. die Kennlinie ist vollständig linearisiert.
• Aber: Bei Verwendung von gleichverteiltem Rauschen mit 1 LSB f fAmplitude erfolgt eine Rauschmodulation. Die hinzugefügte
Rauschleistung ist am größten, wenn ohne Dither der größte Quantisierungsfehler zu beobachten wäre.
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 38
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 38
Verwendung von gleichverteiltem DitherEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Verwendung von gleichverteiltem Dither
Ausschnitt der gemittelten• Ausschnitt der gemittelten Quantisierungskennlinie
• Parameter: Breite der Gleichverteilung bezogen auf ein Quantisierungs-intervall
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 39
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 39
Verwendung von gleichverteiltem DitherEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Verwendung von gleichverteiltem Dither
• Rauschleistung
• Parameter: Breite der Gl i h t il bGleichverteilung bezogen auf ein Quantisierungs-intervall
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 40
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 40
Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Dithering - Linearisierung der Kennlinie
•Mean Output und Signal Input sind hier maximal 1 LSB (kleine Amplituden)
•Betrachtung aller kleinen mittleren Abtastwerte
nicht-lineare KL ohne Dither
durch Dither hat man bei kleinen Signalamplituden im Mittel eine Kennlinie, als ob man einen QQuantisierer mit höherer Bit-Anzahl hätte
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 41
Quelle: Lipshitz/Vanderkooy: “Dither in Digital Audio”, AES 1987
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 41
Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
Dithering - Linearisierung der Kennlinie (SNR)
Kurven im Bild beschreiben die Verteilung des Dither-Rauschens über eine Quantisierungsstufeg
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 42
Quelle: Lipshitz/Vanderkooy: “Dither in Digital Audio”, AES 1987
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 42
Dithering - Arten von Dither-SignalenEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen – Dither
g g
Dith Si l d d h•Dither-Signale werden durch Zufallsgeneratoren d(n) mit Gleichverteilung erzeugt
•unterschiedliche Arten von Dither-Signalen erzeugbar
•unterschiedliche Leistungsdichtespektren und RauschleistungenRauschleistungen verwendbar
)()()()()(
21
1
ndndndndnd
TRI
RECTDither-Signale:
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 43
Quelle: U. Zölzer, “Digitale Audiosignalverarbeitung
)1()()()()()(
21
21
ndndndndndnd
HP
TRI
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 43
Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen – Dither
Dithering - Dreiecksverteiltes Dither
• TRI-Dither: Faltung zweier RECT
• bei TRI-Dither:bei TRI-Dither:
• erhöhter Rauschanteil,• aber weniger
Rauschmodulation
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 44
Quelle: R. A. Wannamaker, “The Theory of Dithered Quantization”
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 44
Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen – Dither
Dithering - Rechteck- und Dreieck-Dither (bei 1 Bit)
•einige Amplitudenwerte werden zu
+2Q
0•einige Amplitudenwerte werden zu „Null“ und/oder mit +/-2Q quantisiert,
Regelmäßigkeit des Signal wird abgeschwächt,
Leistung des-2Q
Leistung des Quantisierungsfehlers ist jetzt gleichverteilt (weißes Rauschen) !
•bei TRI-Dither erhöhte Gesamtrausch-leistung
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 45
Quelle: U. Zölzer, “Digitale Audiosignalverarbeitung
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 45
Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen – Dither
Dithering - RECT- und TRI-Dither (bei 0.25 Bit)Beispiel:
• 16 Bit Wandler (Q = 2-15)• 16-Bit Wandler (Q = 2-15), • Sinussignal mit 0.25 Bit Aussteuerung
(Amplitude = 2-18), • Frequenz: f/fA = 14/1024,q A
•ohne Dithering würde quantisiertes Signal zu Null,
•bei RECT-Dither: positive Halbwelle positiver Quantisierungswert
• wird Amplitude zu „Null“ ist auch Q-
Signalfrequenz
pRauschen gleich „Null“
• Rauschmodulation,• daher, Verwendung von TRI-Dither
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 46
Quelle: U. Zölzer, “Digitale Audiosignalverarbeitung
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 46
Rauschmodulation, Auswirkung von Dither auf SNREinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
• Um die Rauschmodulation zu verhindern wird
Rauschmodulation, Auswirkung von Dither auf SNR
• Um die Rauschmodulation zu verhindern, wirddie Summe zweier gleichverteilter Rausch-quellen verwendet. Die Amplitudendichte-q pfunktion ist dreieckförmig (Faltung zweierRechteckverteilungen).
• Eine Normalverteilung der Rauschquelle (wiesie bei analogen Rauschquellen zu erwartenist) ergibt ebenfalls eine vollständigeLinearisierung sowie sehr wenig
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 47
Linearisierung sowie sehr wenigRauschmodulation.
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 47
Rauschmodulation, Auswirkung von Dither auf den SNREinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen - Dither
g
• Ideale erreichbare S/N Werte bei Verwendung von Dither• Ideale erreichbare S/N-Werte bei Verwendung von Dither
Verfahren Formel S/N (bei 16 bit)
ohne Dither 2/12 98.1dB uniform pdf Dither 2/12 + 2/12 95.1dBtriangular pdf Dither 2/12 + 2·2/12 93 3dBtriangular pdf Dither /12 + 2 /12 93.3dBgaussian pdf Dither 2/12 + 2/4 92.1dB
• Achtung: Die digitale Verarbeitung von Audio Signalen kann die• Achtung: Die digitale Verarbeitung von Audio-Signalen kann die Signalstatistik soweit verändern, daß zur Ausgabe (z.B. nach Filterung oder in einem digitalem Mischpult) ein erneutes Hinzufügen von Dither notwendig ist!
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 48
g
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 48
Organisatorisches
Nächste Vorlesungen:
Dienstag, 19. Okt., 13.00-14.30, K-Hs 2
Montag, 15. Nov., vermutlich 17.00-18.30, Curie Hs
Nächstes Seminar:M t 25 Okt tli h 17 00 19 30 C i H Montag, 25. Okt., vermutlich 17:00-19:30, Curie Hs
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 49
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 49
Dithering - Motivation
Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen – Dither - Zusatz
Dithering Motivation
• Der Quantisierungsfehler ist signalabhängig
• Damit besitzt der Quantisierungsfehler bei periodischen Signalen keinen zufälligen, sondern ebenfalls periodischen Charakter es bilden sich „Spitzen“ im „Rauschteppich“ aus, d. h. die Signalenergie häuft sich an bestimmten Stellen im Spektrum und wird dort evtl. hörbar.
• Dieser korrelierte Fehler wird, wenn hörbar, als sehr lästig gempfunden.
„Dithering“
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 50
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 50
Dithering - Prinzip des „Verzitterns“ Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen – Dither - Zusatz
g
Addition eines zufälligen Rauschens d(n) (Dither Signal) auf das Eingangssignal x(n)• Addition eines zufälligen Rauschens d(n) (Dither-Signal) auf das Eingangssignal x(n)y(n) = d(n) + x(n)
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 51
Quelle: U. Zölzer, “Digitale Audiosignalverarbeitung
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 51
Dithering - LeistungsdichtespektrenEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen – Dither - Zusatz
g g
normierte•normierte Leistungsdichtespektren:
•TRI : dreieckförmig verteiltes gDither-Signal
•HP : dreieckförmig verteiltes Hochpass Dither SignalHochpass-Dither-Signal
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 52
Quelle: U. Zölzer, “Digitale Audiosignalverarbeitung”
© Fraunhofer IDMT
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 52
Dithering - Rauschmodulation von Dither-SignalenEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen – Dither - Zusatz
• Um Rauschmodulation zu verhindern, wird die Summe zweier gleichverteilter,
g g
, g ,stochastisch unabhängiger Rauschquellen d(n) verwendet.
)()()( 21 ndndndTRI
• Die resultierende Amplitudendichtefunktion ist dreieckförmig (Faltung zweier Rechteckverteilungen)
• Normalverteilung des Rauschsignals (analoge Quellen) ergibt auch eine vollständige Linearisierung und sehr wenig Rauschmodulation
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Dithering - Abschneiden versus RundenEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen – Dither - Zusatz
g
Ei fl d Q ti iEinfluss des Quantisierers:
• 16-Bit Wandler (Q = 2-15), • Sinussignal mit 1-Bit AussteuerungSinussignal mit 1 Bit Aussteuerung
(Amplitude = 2-15), • Frequenz: f/fA = 64/1024,
b i Ab h id Q ti i f hl b i•bei Abschneiden: Quantisierungsfehler bei den einzelnen Harmonischen (c) und Gleichanteil,
•bei Rundung: Quantisierungsfehler bei den be u du g Qua s e u gs e e be degeraden harmonischen Frequenzen (d),
im Weiteren nur Betrachtung
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Quelle: U. Zölzer, “Digitale Audiosignalverarbeitung
im Weiteren nur Betrachtung der Rundungskennlinie
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Erzeugung von Hochpass-DitherEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen – Dither - Zusatz
Erzeugung von Hochpass Dither
PRN +
x
P (X) P (X)
x
High-Pass Dither Generator
Z-1
- High-Pass Triangular-pdf Output
White Rectangular-pdf Input
P1(X)
x
1/
1/2
-1/2
P2(X)1/
1/2
-1/2
*
A Triangular- pdf, formed by the
x-
P1·P2(X)
formed by the convolut ion of two Rectangular-pdf` s
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x
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Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen – Dither - Zusatz
Dithering - subtraktives und nicht subtraktives Dithern
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Quelle: R. A. Wannamaker, “The Theory of Dithered Quantization”
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Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen – Dither - Zusatz
Dithering - Blockdiagramm eines Systems mit Dithering
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Einführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen – Dither - Zusatz
Dithering - Quantisierer mit Dither und Fehlerrückkopplung
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Quelle: Lipshitz
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Dithering - Korrelation der SystemvariablenEinführung – Abtastung – Quantisierung – Fehlergrößen – Dither - Zusatz
g y
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Quelle: R. A. Wannamaker, “The Theory of Dithered Quantization”
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