,Одним из основных показателей цифровых систем обработки сигналов является динамический диапазон, который характеризует контрастность (различие) между минимальной и максимальной амплитудами сигнала. На практике обычно используется несколько близких по смыслу определений динамического диапазона. В области теории связи, например, динамический диапазон определяют как отношение, либо как логарифм отношения пиковой (максимальной) мощности сигнала к минимальной мощности сигнала или мощности шума, т.е.
,
где 
- пиковая мощность сигнала, 
- мощность шума. Основание логарифма считают равным десяти для аналоговых задач, либо равным двум для цифровых задач.
Наиболее простым способом изменения динамического диапазона является мгновенное сжатие или расширение сигнала. Указанные операции соответствуют одноточечным нелинейным преобразованиям вида
,
где 
- координата исходного (входного) сигнала, 
- координата преобразованного (выходного) сигнала, 
- заданная нелинейная функция.
Устройства, реализующие сжатие сигнала, называются компрессорами, а устройства, реализующие расширение сигнала, экспандерами. Пару устройств с взаимно обратными нелинейными характеристиками называют компандером. Компандеры широко применяются в системах передачи сигналов для повышения эффективности использования каналов связи. Для этого компрессоры устанавливают на передающей стороне, а экспандеры - на приемной стороне канала связи.
Высокое качество цифровой системы передачи аудио-сигналов при линейном или равномерном квантовании сигнала может быть достигнуто только с помощью кодирования отсчета сигнала большим числом разрядов. При этом величина дисперсии шума квантования постоянна, а отношение сигнал/шум линейно зависит от уровня входного сигнала [1]. Таким образом, для больших амплитуд сигнала отношение сигнал/шум оказывается малым, а для малых амплитуд - большим. Однако, величина ощущения уровня громкости акустического сигнала слуховой системой человека, согласно закону Фехнера [2], пропорциональна логарифму интенсивности звука. Другими словами, величина порога изменения ощущения уровня громкости акустического сигнала пропорциональна интенсивности звука. Отсюда следует, что при равномерном квантовании выбор удовлетворительного качества представления малых амплитуд сигнала приводит к избыточному качеству представления больших амплитуд сигнала.
Для того, чтобы согласовать ошибки квантования с особенностями восприятия акустических сигналов слуховой системой человека, используют цифровые устройства с неравномерным шагом квантования сигнала. Неравномерное квантование сигнала позволяет увеличить отношение сигнал/шум квантования для малых амплитуд за счет уменьшения этого отношения для больших амплитуд сигнала. При этом сохраняется качество и повышается скорость передачи сигнала. Реализуют неравномерное квантование сигнала с помощью аналоговых или цифровых компандерных устройств.
Обычно используются два закона компадирования - 
-закон и А-закон [3]. Амплитудная характеристика компрессора для -закона определяется выражением
,
где x - амплитуда исходного сигнала, y - амплитуда компрессированного сигнала, - коэффициент сжатия, sgn() - знаковая функция. Соответствующая характеристика экспандера имеет вид
.
Отношение максимального шага квантования к минимальному тем заметнее, чем больше коэффициент сжатия . Увеличение коэффициента улучшает отношение сигнал/шум для малых амплитуд и ухудшает для больших амплитуд сигнала. На практике для компадирования радиовещательных каналов выбирают = 15 , а для компадирования телефонных каналов полагают >
100 (обычно 255).
Амплитудная характеристика компрессора для А-закона определяется выражением
где А - параметр компрессии. Соответствующая характеристика экспандера имеет вид
Основное отличие компрессии по А-закону от компрессии по -закону состоит в замене логарифмической функции на линейную для малых амплитуд сигнала. Для больших амплитуд сигнала А- и -законы компрессии дают практически одинаковые результаты при А = . Компадирование по А-закону при А=87.6 принято в качестве стандарта в многоканальных системах передачи сигналов.
Операция сжатия/расширения сигнала обычно сопровождается искажением сигнала или, как принято говорить, потерей информации. Для оценки величины искажений применяют различные показатели качества. Используемые показатели учитывают свойства слухового восприятия, так как речевой или аудиосигнал в конечном итоге воспринимается человеком.
Обычно учитываются такие субъективные характеристики как натуральность звучания, разборчивость, узнаваемость и др. В соответствии с рекомендациями МККТТ, именно субъективная оценка качества является основным показателем, характеризующим тот или иной способ передачи аудиосигнала. Так, например, говорят о коммерческом качестве системы передачи, подразумевая под этим качество хорошего телефонного канала. В тех случаях, когда высокого качества звучания не требуется, основной характеристикой, по которой оценивается качество системы передачи, является разборчивость. Методы расчета разборчивости подробно рассмотрены в [4].
1. Рабинер Л.Р., Шафер Р.В. Цифровая обработка речевых сигналов. М.: Радио и связь, 1981.
2. Сапожков М.А. Электроакустика. М.: Связь, 1978.
3. Беллами Дж. Цифровая телефония. М.: Радио и связь, 1986.
4.Михайлов В.Г., Златоустова Л.В. Измерение параметров речи. М.: Радио и связь, 1987.