概述
A律是ITU-T(國際電聯電信標準局)CCITT G.712定義的關於脈衝編碼的一種壓縮/解壓縮算法。 世界上大部分國家採用A律壓縮算法。A律是PCM非均勻量化中的一種對數壓擴形式,脈衝編碼調製PCM是對一個時間連續的模擬信號先抽樣,再對樣值幅度量化,編碼的過程其中量化,就是把經過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散,即用一組規定的電平,把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示,通常是用二進制表示。而量化中會出現誤差,即量化後的信號和抽樣信號的差值,量化誤差在接收端表現為噪聲,稱為量化噪聲。 量化級數越多誤差越小,相應的二進制碼位數越多,要求傳輸速率越高,頻帶越寬。 為使量化噪聲儘可能小而所需碼位數又不太多,通常採用非均勻量化的方法進行量化。非均勻量化根據幅度的不同區間來確定量化間隔,幅度小的區間量化間隔取得小,幅度大的區間量化間隔取得大。
令量化器過載電壓為1,相當於把輸入信號進行歸一化,那么A律對數壓縮定義為:
當0 <= x <= 1/A時,f(x)=(Ax)/(1+lnA)
當1/A <= x <= 1時,f(x)=(1+lnAx)/(1+lnA)
在現行的國際標準中A=87.6,此時信號很小時(即小信號時),從上式可以看到信號被放大了16倍,這相當於與A壓縮率與無壓縮特性比較,對於小信號的情況,量化間隔比均勻量化時減小了16倍,因此,量化誤差大大降低;而對於大信號的情況例如x=1,量化間隔比均勻量化時增大了5.47倍,量化誤差增大了。這樣實際上就實現了“壓大補小”的效果。
上面只討論了x>0的範圍,實際上x和y均在[-1,1] 之間變化,因此,x和y的對應關係曲線是在第一象限與第三象限奇對稱。為了簡便,x<0的關係表達式未進行描述,但對上式進行簡單的修改就能得到。按上式得到的A律壓擴特性是連續曲線,A的取值不同其壓擴特性亦不相同,而在電路上實現這樣的函式規律是相當複雜的。為此,人們提出了數字壓擴技術,其基本思想是這樣的:利用大量數字電路形成若干根折線,並用這些折線來近似對數的壓擴特性,從而達到壓擴的目的。為了便於採用數字電路實現量化,通常採用13折線近似代替A律。
A律十三折線
用折線實現壓擴特性,它既不同於均勻量化的直線,又不同於對數壓擴特性的光滑曲線。雖然總的來說用折線作壓擴持性是非均勻量化,但它既有非均勻(不同折線有不同斜率)量化,又有均勻量化(在同一折線的小範圍內)。有兩種常用的數字壓擴技術,一種是13折線A律壓擴,它的特性近似A=87.6的A律壓擴特性。另一種是15折線μ律壓擴,其特性近似μ=255的μ律壓擴特性。
A律壓縮表示式是一條連續的平滑曲線,用電子線路很難準確的實現。現在由於數字電路技術的發展,這種特性很容易用數字電路來近似實現,13折線特性就是近似於A壓縮律的特性,曲線圖如下:
圖中橫坐標x在0~1區間中分為不均勻的8段。 ~1間的線段稱為第8段; ~ 間的線段稱為第7段; ~ 間的線段稱為第6段;依此類推,直到0~ 間的線段稱為第1段。圖中縱坐標y則均勻的劃分為8段。將這8段相應的坐標點(x,y)相連,就得到了一條折線。 第一步:把x(x>0 部分)劃分為不均勻的8段。第一分點取在V/2處,然後每段都是剩下部分的1/2。;依次取第八段為V~V/2,第七段為V/2~V/4;第一段為V/128~0。 第二步:把每段均勻劃分為16等份,每一份表示一個量化級,顯然8段共16x8=128= 2^7 個量化級,需要二進制7位編碼表示。可以看出每個量化級是不均勻的。在小信號的量化台階很小,使小信號時量化噪聲減小。如果按均勻量化計算,以最小台階 (1/128)*(1/16)為單位,最大信號需用L=128X16=2048= 2^11 個量化級表示,既需要11位編碼。這樣非均勻編碼使小信號量化台階縮小了16倍,相當於小信號信噪比改善了20dB。 第三步:把y軸均勻劃分為8段,每段均勻分為16分。這樣y也分為128個量化級,與x軸的128個量化級對應。因此,壓擴特性各段的斜率 k=Δy/Δx是不同的。第一段斜率k1=y1/x1=(1/8)/(1/128)=16. 其他段為: k2=16,k3=8,k4=4,k5=2,k6=1,k7-1/2,k8=1/4。 以上分段為x取正值時的情況。而x取負值時,壓擴特性與x取正值成奇對稱。在正8段和負8段中,正1,2段和負1,2段斜率相同,合為一段。所以原來的16段折線變為13段折線,故又稱A律13折線。