ترميز النطاق الفرعي

في معالجة الإشارات ، يُعدّ ترميز النطاقات الفرعية ( SBC ) أي شكل من أشكال ترميز التحويل الذي يقسم الإشارة إلى عدد من نطاقات التردد المختلفة ، عادةً باستخدام تحويل فورييه السريع ، ويُرمّز كل نطاق منها بشكل مستقل. غالبًا ما يكون هذا التقسيم الخطوة الأولى في ضغط البيانات لإشارات الصوت والفيديو.

SBC هي التقنية الأساسية المستخدمة في العديد من خوارزميات ضغط الصوت الشائعة التي تفقد البيانات، بما في ذلك MP3 .

أبسط طريقة لترميز الإشارات الصوتية رقميًا هي تعديل رمز النبض (PCM)، المستخدم في الأقراص الصوتية المدمجة ( CD) وتسجيلات DAT وغيرها. تحوّل عملية الرقمنة الإشارات المستمرة إلى إشارات منفصلة عن طريق أخذ عينات من سعة الإشارة على فترات منتظمة وتقريبها إلى أقرب قيمة يمكن تمثيلها باستخدام عدد البتات المتاحة . هذه العملية غير دقيقة بطبيعتها، وتتضمن خطأين: خطأ التقطيع ، الناتج عن أخذ العينات على فترات منتظمة، وخطأ التكميم ، الناتج عن التقريب.

كلما زاد عدد البتات المستخدمة لتمثيل كل عينة، زادت دقة التمثيل الرقمي، وبالتالي قلّ خطأ التكميم. يمكن اعتبار أخطاء التكميم هذه نوعًا من الضوضاء، لأنها تمثل الفرق بين المصدر الأصلي وتمثيله الثنائي. في تقنية PCM، يمكن التخفيف من الآثار المسموعة لهذه الأخطاء باستخدام التمويه (dither) وعدد كافٍ من البتات لضمان انخفاض مستوى الضوضاء بما يكفي ليتم إخفاؤها إما بواسطة الإشارة نفسها أو بواسطة مصادر ضوضاء أخرى. من الممكن الحصول على إشارة عالية الجودة، ولكن على حساب معدل بتات مرتفع (على سبيل المثال، أكثر من 700 كيلوبت/ثانية لقناة واحدة من صوت القرص المضغوط). في الواقع، تُهدر العديد من البتات في ترميز الأجزاء المقنعة من الإشارة لأن تقنية PCM لا تفترض أي شيء عن كيفية سماع الأذن البشرية.

تُقلل تقنيات الترميز معدل البتات من خلال استغلال خصائص معروفة للجهاز السمعي. ومن الطرق الكلاسيكية في هذا المجال تقنية PCM غير الخطية، مثل خوارزمية قانون μ . تُرقّم الإشارات الصغيرة بدقة أعلى من الإشارات الكبيرة، مما يُضيف ضوضاء تتناسب مع قوة الإشارة. يُعد تنسيق ملف Au الخاص بشركة Sun للصوت مثالًا شائعًا على ترميز قانون μ. باستخدام ترميز قانون μ ذي 8 بتات، ينخفض ​​معدل البتات لكل قناة في صوت الأقراص المدمجة إلى حوالي 350  كيلوبت/ثانية، أي نصف المعدل القياسي. ولأن هذه الطريقة البسيطة لا تستغل تأثيرات الحجب إلا بشكل طفيف، فإنها تُنتج نتائج غالبًا ما تكون أقل جودةً بشكل ملحوظ من الصوت الأصلي.

تتجلى فائدة تقنية SBC بشكل أفضل من خلال مثال محدد. عند استخدامها لضغط الصوت، تستغل SBC ظاهرة التغطية السمعية في الجهاز السمعي . عادةً ما تكون الأذن البشرية حساسة لنطاق واسع من الترددات، ولكن عندما تكون هناك إشارة عالية بما يكفي عند تردد معين، فإن الأذن لن تسمع الإشارات الأضعف عند الترددات المجاورة. نقول إن الإشارة الأعلى صوتًا تحجب الإشارات الأقل صوتًا.

تعتمد الفكرة الأساسية لتقنية SBC على تقليل حجم البيانات عن طريق حذف المعلومات المتعلقة بالترددات المحجوبة. تختلف النتيجة عن الإشارة الأصلية، ولكن إذا تم اختيار المعلومات المحذوفة بعناية، فلن يكون الفرق ملحوظًا، أو الأهم من ذلك، غير مقبول.

أولًا، تقوم مجموعة مرشحات رقمية بتقسيم طيف إشارة الإدخال إلى عدد من النطاقات الفرعية (مثلًا، 32). يدرس النموذج النفسي الصوتي الطاقة في كل نطاق فرعي، بالإضافة إلى الطاقة في الإشارة الأصلية، ويحسب عتبات الحجب باستخدام المعلومات النفسية الصوتية. تُكمّم كل عينة من عينات النطاق الفرعي وتُشفّر بحيث يبقى ضجيج التكميم أقل من عتبة الحجب المحسوبة ديناميكيًا. الخطوة الأخيرة هي تنسيق جميع هذه العينات المُكمّمة في مجموعات بيانات تُسمى إطارات، لتسهيل تشغيلها لاحقًا بواسطة جهاز فك التشفير.

يُعدّ فك التشفير أسهل بكثير من التشفير، إذ لا يتطلب الأمر نموذجًا نفسيًا صوتيًا. يتم فك ضغط الإطارات، وفك تشفير عينات النطاقات الفرعية، ثم إعادة بناء إشارة الصوت الناتجة من خلال رسم خريطة التردد الزمني.

ابتداءً من أواخر ثمانينيات القرن الماضي، قامت هيئة توحيد المعايير، وهي مجموعة خبراء الصور المتحركة (MPEG)، بتطوير معايير لترميز كل من الصوت والفيديو. على سبيل المثال، يُعد ترميز النطاقات الفرعية جوهر تنسيق MP3 الشائع (المعروف بشكل أدق باسم MPEG-1 Audio Layer III ).

يُستخدم ترميز النطاق الفرعي في برنامج الترميز G.722 الذي يستخدم تعديل رمز النبض التفاضلي التكيفي للنطاق الفرعي (SB- ADPCM ) بمعدل بت يبلغ 64  كيلوبت/ثانية. في تقنية SB-ADPCM، يُقسّم نطاق التردد إلى نطاقين فرعيين (أعلى وأدنى)، وتُشفّر الإشارات في كل نطاق فرعي باستخدام ADPCM.

• شرح ترميز النطاقات الفرعية