Компандирование

Компандирование (от англ. companding, слияние слов compressing — сжатие и expanding — расширение) — это процесс обработки сигнала, заключающийся в его сжатии по динамическому диапазону (компрессии) на передающей стороне и последующем восстановлении (экспандировании) на приёмной стороне. Основная цель компандирования — улучшить соотношение сигнал/шум (SNR) при передаче или записи сигнала, особенно в каналах с ограниченным динамическим диапазоном, таких как телефонные линии, радиоканалы или аналоговые системы звукозаписи. Компандирование позволяет эффективно использовать доступный диапазон уровней, уменьшая влияние шумов квантования, фона и помех.

Принцип работы

Компандирование основано на нелинейном преобразовании амплитуды сигнала. На передающей стороне компрессор уменьшает разницу между громкими и тихими участками сигнала: громкие звуки ослабляются, а тихие — усиливаются. Это позволяет передавать сигнал в канале с меньшим динамическим диапазоном, не допуская перегрузок и сохраняя разборчивость тихих фрагментов. На приёмной стороне экспандер выполняет обратную операцию, восстанавливая исходный динамический диапазон. При этом шум канала, который был добавлен во время передачи, также подвергается обратному преобразованию: он ослабляется на тихих участках, где был наиболее заметен, и усиливается на громких, где маскируется полезным сигналом. В результате субъективное восприятие шума значительно снижается.

История

Идея компандирования возникла в 1930-х годах в связи с развитием телефонной связи. Первые системы использовались для улучшения качества передачи речи по линиям с ограниченной полосой пропускания. В 1938 году инженер компании Bell Labs А. Б. Кларк (A. B. Clark) предложил метод компандирования для снижения шумов в телефонных каналах. В 1940-х годах системы компандирования начали применяться в радиовещании и звукозаписи. В 1950-х годах компания Dolby Laboratories (основана Рэем Долби) разработала серию систем шумоподавления, основанных на компандировании, которые стали стандартом в аналоговой магнитной записи. В 1960-х годах появились цифровые системы компандирования, такие как A-закон и μ-закон, используемые в цифровой телефонии.

Виды компандирования

Аналоговое компандирование

Аналоговое компандирование реализуется с помощью нелинейных усилителей, фильтров и детекторов огибающей. Оно применялось в системах шумоподавления для магнитной записи (например, Dolby A, B, C, SR), в радиовещании (система compander в FM-радио) и в некоторых аналоговых синтезаторах. Основные недостатки — зависимость от точности настройки компонентов и подверженность температурным дрейфам.

Цифровое компандирование

В цифровых системах компандирование выполняется путём нелинейного квантования сигнала. Наиболее распространены два стандарта, определённые в рекомендациях ITU-T G.711:

• μ-закон (mu-law) — используется в Северной Америке и Японии. Обеспечивает более сильное сжатие тихих сигналов, что приводит к лучшему SNR для слабых звуков.
• A-закон (A-law) — используется в Европе, России и других странах. Имеет линейный участок для малых уровней, что упрощает реализацию.

Оба стандарта обеспечивают эффективное использование 8-битного квантования для передачи речи с качеством, близким к 12-14-битному линейному квантованию. Они широко применяются в цифровых телефонных сетях (PSTN), VoIP и системах голосовой почты.

Компандирование в аудиокодеках

Современные аудиокодеки (например, MP3, AAC, Opus) используют компандирование в сочетании с психоакустическими моделями. В них сжатие динамического диапазона применяется для уменьшения битрейта, а экспандирование — при декодировании. Однако в отличие от классических систем, здесь компандирование является частью более сложного алгоритма сжатия с потерями.

Применение

Телефония

Компандирование является основой цифровой телефонии. Стандарты μ-закон и A-закон позволяют передавать голосовой сигнал с частотой дискретизации 8 кГц и разрядностью 8 бит, что даёт поток 64 кбит/с. Это обеспечивает приемлемое качество речи при минимальной полосе пропускания.

Аналоговая звукозапись

Системы шумоподавления Dolby (B, C, SR) и dbx использовали компандирование для уменьшения шипения магнитной ленты. Они применялись в кассетных магнитофонах, студийных рекордерах и кинопроекторах. Например, Dolby B ослаблял высокочастотные шумы на тихих участках, а Dolby SR обеспечивал динамический диапазон до 110 дБ.

Радиовещание

В FM-радиовещании компандирование используется для улучшения SNR при передаче стереосигнала. Система compander (например, в стандарте FMX) позволяет снизить шумы в канале при приёме слабых сигналов.

Кинематограф

В кинотеатрах системы Dolby Stereo и Dolby Digital применяют компандирование для кодирования многоканального звука на оптической дорожке плёнки. Это позволяет разместить 4-6 каналов в ограниченной полосе пропускания.

Медицинская техника

В слуховых аппаратах компандирование используется для адаптации звукового сигнала к ограниченному динамическому диапазону пациента. Оно позволяет усиливать тихие звуки, не вызывая дискомфорта от громких.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Улучшение соотношения сигнал/шум на 10-30 дБ в зависимости от системы.
• Эффективное использование динамического диапазона канала.
• Снижение битрейта в цифровых системах без потери качества речи.
• Возможность передачи сигналов с большим динамическим диапазоном по каналам с ограниченной пропускной способностью.

Недостатки

• Внесение нелинейных искажений (гармонических и интермодуляционных) при неидеальной реализации.
• Зависимость от точности согласования компрессора и экспандера (в аналоговых системах).
• Увеличение сложности и стоимости оборудования.
• В некоторых системах (например, Dolby B) возможно появление артефактов, таких как «дыхание» шума (noise breathing) — периодическое изменение уровня фона.

Интересные факты

• Система Dolby SR (Spectral Recording) использовала 4-полосное компандирование, что позволяло достичь динамического диапазона до 110 дБ — сопоставимого с цифровой записью.
• В СССР разрабатывались собственные системы компандирования, например, система «Электроника-003» для кассетных магнитофонов.
• Компандирование применяется не только в аудио, но и в видеосигналах (например, в системах сжатия видеосигналов для спутниковой связи).
• Алгоритмы μ-закон и A-закон являются обязательными для всех цифровых телефонных станций, работающих по стандарту G.711.

Источники

• ITU-T Recommendation G.711 — Pulse Code Modulation (PCM) of Voice Frequencies.
• Dolby Laboratories, «Dolby SR: Spectral Recording — Technical Paper».
• А. Б. Кларк, «Companding for Noise Reduction in Telephone Systems», Bell System Technical Journal, 1938.
• В. И. Гуревич, «Цифровая обработка сигналов в телекоммуникациях», 2005.
• ГОСТ Р 54456-2011 «Системы компандирования для аналоговой магнитной записи».