Преобразование частоты дискретизации - Sample-rate conversion

Преобразование частоты дискретизации - это процесс изменения частоты дискретизации дискретного сигнала для получения нового дискретного представления лежащего в основе непрерывного сигнала . Области применения включают масштабирование изображения и аудиовизуальные системы, в которых могут использоваться разные частоты дискретизации по техническим, экономическим или историческим причинам.

Например, системы цифрового аудио компакт-диска и цифровой аудиоленты используют разную частоту дискретизации, а американское телевидение, европейское телевидение и фильмы используют разную частоту кадров . Преобразование частоты дискретизации предотвращает изменения скорости и высоты тона , которые в противном случае произошли бы при передаче записанного материала между такими системами.

В пределах определенных доменов или для конкретных преобразований, также используются следующие альтернативные термины для преобразования частоты дискретизации: преобразование частоты дискретизации , алгоритм дискретизации , повышающей дискретизации , понижающей дискретизации , интерполяции , прореживание , апскейлинг , даунскейлинга . Термин многоскоростная цифровая обработка сигналов иногда используется для обозначения систем, которые включают преобразование частоты дискретизации.

Методы

Концептуальные подходы к преобразованию частоты дискретизации включают: преобразование в аналоговый непрерывный сигнал, затем повторную дискретизацию с новой частотой или вычисление значений новых отсчетов непосредственно из старых отсчетов. Последний подход более удовлетворителен, так как он вносит меньше шума и искажений. Два возможных метода реализации:

  1. Если соотношение двух частот дискретизации равно (или может быть аппроксимировано) фиксированным рациональным числом L / M : сгенерируйте промежуточный сигнал, вставив L - 1 нулей между каждой из исходных выборок. Фильтр нижних частот этого сигнала на половину нижней из двух скоростей. Выберите каждую M -й выборку из отфильтрованного вывода, чтобы получить результат.
  2. Рассматривайте образцы как геометрические точки и создавайте любые необходимые новые точки с помощью интерполяции. Выбор метода интерполяции - это компромисс между сложностью реализации и качеством преобразования (в соответствии с требованиями приложения). Обычно используется являются: ZOH (для пленки / видеокадров), кубические (для обработки изображений) и оконным синк функции (для аудио).

Эти два метода математически идентичны: выбор функции интерполяции во второй схеме эквивалентен выбору импульсной характеристики фильтра в первой схеме. Линейная интерполяция эквивалентна треугольной импульсной характеристике; Windowed sinc приближается к фильтру кирпичной стены (он приближается к желаемому фильтру «кирпичная стена» по мере увеличения количества точек). Длина импульсной характеристики фильтра в методе 1 соответствует количеству точек, используемых при интерполяции в методе 2.

В методе 1 медленное предварительное вычисление (такое как алгоритм Ремеза ) может использоваться для получения оптимальной (для требований приложения) конструкции фильтра. Метод 2 будет работать в более общих случаях, например, когда соотношение частот дискретизации нерационально, или должны быть приспособлены два потока в реальном времени, или когда частоты дискретизации меняются во времени.

См. Прореживание и повышающую дискретизацию для получения дополнительной информации о конструкции / реализации фильтра преобразования частоты дискретизации.

Примеры

Кино и телевидение

В медленных сканировании телевизионных сигналов от Аполлона миссий Луны были преобразованы в обычные ставки телевидения для зрителей дома. Схемы цифровой интерполяции в то время не применялись, поэтому использовалось аналоговое преобразование. Это было основано на просмотре телекамерой монитора, отображающего изображения с медленной разверткой Apollo.

Фильмы (снятые с частотой 24 кадра в секунду) преобразуются в телевизионные (примерно 50 или 60 полей в секунду). Например, чтобы преобразовать фильм со скоростью 24 кадра в секунду в телевизионный с частотой 60 кадров в секунду, альтернативные кадры фильма отображаются 2 и 3 раза соответственно . Для систем с частотой 50 Гц, таких как PAL, каждый кадр отображается дважды. Поскольку 50 - это не совсем 2 × 24, фильм будет работать на 50/48 = 4% быстрее, а высота звука будет на 4% выше, эффект, известный как ускорение PAL . Это часто принимается для простоты, но возможны более сложные методы, сохраняющие время и высоту звука. Каждый двенадцатый кадр может повторяться 3 раза, а не дважды, или цифровая интерполяция (см. Выше) может использоваться в устройстве масштабирования видео .

Аудио

Аудио на компакт-диске имеет частоту дискретизации 44,1 кГц; чтобы передать его на цифровой носитель, который использует 48 кГц, можно использовать способ 1, описанный выше, с L = 160, M = 147 (поскольку 48000/44100 = 160/147). Для обратного преобразования значения L и M меняются местами. Как указано выше, в обоих случаях фильтр нижних частот должен быть установлен на 22,05 кГц.

Смотрите также

Преобразование частоты дискретизации в нескольких измерениях:

Методы и обработка, которые могут включать преобразование частоты дискретизации:

Примечания

Рекомендации

дальнейшее чтение

внешняя ссылка