Universidade de Pernambuco Escola Politécnica de Pernambuco

Transcrição

1 Universidade de Pernambuco Escola Politécnica de Pernambuco TV Analógica e Digital Codificação de Fonte Prof. Márcio Lima marcio.lima@poli.br

2 Introdução A principal função de um sistema de comunicação é reproduzir, exatamente ou de forma aproximada, uma informação proveniente de outro ponto diferente. Claude Shannon,

3 Introdução Antes da transmissão o sinal tem de ser gerado, e.g., TV áudio e vídeo, além dos dados para controle da transmissão e interatividade. O codificador de fonte transforma o sinal analógico captado em um sinal digital, para permitir o armazenamento em equipamento de memória. 3

4 Introdução Fonte: é comumente modelada por um sinal estocástico ou por um gerador de dados aleatórios. Transmissor: converte a saída da fonte em formas de onda adequadas para transmissão no canal. Codificador de Fonte: converso analógico/digital e remover detalhes desnecessários da informação (redundância) Codificador de Canal: adiciona redundância controlada à saída para combater os efeitos do canal (ruído), e.g., Reed-Solomon (BCH) e Virtebe (convolucional) Modulador: translada a saída do codificador de canal para uma forma de onda e freqüência adequada para a transmissão pelo canal. 4

5 Introdução Canal: meio físico pelo qual a informação passa antes de alcançar o receptor, e.g., par de fios, fibra óptica, microondas (Serviço de Distribuição Multiponto Multicanal (MMDS)), etc. Receptor: processar a saída ruidosa do canal, com a finalidade de determinar a forma de onda transmitida. Demodulador: a partir da forma de onda recebida do canal, estima a forma de onda que foi enviada pelo transmissor e entrega uma versão digital correspondente. Decodificador de canal: tenta corrigir os possíveis erros e produz sua estimativa dos dígitos de saída do codificador de fonte. Decodificador de fonte: processa a saída do decodificador de canal, repondo a redundância que foi removida, reconstruindo a mensagem a ser entregue ao destinatário. Destinatário: 5

6 Codificador de Fonte Qualquer informação que precise ser armazenada ou transmitida, necessariamente, deve passar por um processa de quantização e eliminação de redundância. O processo de codificação de fonte, ou digitalização de sinais, têm como objetivo reduzir a entropia do sinal pela fonte de dados, de forma controlada. A entropia representa a informação média fornecida pelos símbolos da fonte e é definida para um alfabeto de símbolos X, como 1 H X p x log 2 X p x em que p(x) representa a probabilidade do símbolo x. A entropia,como medida de informação, é dada em shannon (Sh), mas é comum o uso do bit para designar o conteúdo de informação. 6

7 Codificador de Fonte Suponha, por exemplo, que um emissor transmita a mensagem "bom dia", letra por letra. Ao emitir as primeiras letras, há uma expectativa da parte do receptor, que vê surgir as letras "b", "o", "m", um espaço, e depois "d" e o "i". O "a" final é quase inútil, pois sua probabilidade de ocorrência é tão grande, para dar sentido à seqüência anterior, que a quantidade de informação transmitida por essa letra é muito menor que a transmitida pelas primeiras. 7

8 Codificador de Fonte Seqüência da fonte de informação possui K diferentes símbolos, em que a probabilidade de ocorrência do k-ésimo símbolo (a k ) é denominada p k. A palavra código (binária) associada ao símbolo a k tem tamanho l k Comprimento médio da palavra código: número médio de bits por símbolo da fonte usado na codificação: L K 1 k 0 p k l k Valor mínimo possível de L: L min Eficiência de codificação do codificador de fonte L min L 8

9 Codificador de Fonte Também chamado de Teorema da codificação sem ruído - trata da condição de codificação sem erros. Responde a questão fundamental da codificação de fonte Teorema: Dada uma fonte de informação discreta com entropia H(A), o tamanho médio da palavra código L para qualquer codificação de fonte sem distorção é limitado por L H A Remoção da redundância de informação do sinal a ser transmitido. Processo geralmente chamado de compactação de dados ou compressão sem perdas 9

10 Amostrador do Sinal a(t) x(t) y(t) b(t) Amostrador Quantizador Codificador Modelo genérico para um sistema de codificação de fonte. No processo de amostragem, um sinal qualquer continuou no tempo é transformado em um sinal discreto no tempo 10

11 Amostrador do Sinal a(t) x(t) y(t) b(t) Amostrador Quantizador Codificador Modelo genérico para um sistema de codificação de fonte. De acordo com o Teorema de Nyquist, a quantidade de amostras por unidade de tempo de um sinal, chamada taxa ou freqüência de amostragem, deve ser maior que o dobro da maior freqüência contida no sinal a ser amostrado, para que possa ser reproduzido integralmente sem erro de aliasing. A metade da freqüência de amostragem é chamada freqüência de Nyquist e corresponde ao limite máximo de freqüência do sinal que pode ser reproduzido. f 2 2 A f M A M 11

12 Amostrador do Sinal O processo de amostragem e geração do sinal modulado por amplitude de pulso (PAM) é mostrado na figura. Aplicações: Telefonia: f A = 8k amostras/s Compact Disc: f A = 22k amostras/s MPEG-1: f A = 32, 44.1, 48 k amostras/s TV 480i: f A = 13,5M amostras/s 12

13 Amostrador do Sinal 13

14 Amostrador do Sinal Amostragem do Sinal de Vídeo Nos processo de amostragem de vídeo as lentes da câmera projetam sobre a superfície do sensor (Charge Coupled Device CCD) uma imagem que é segmentada em elementos de imagem (picture elemnets pixels) O dispositivo analisa o sinal analógico proveniente da laitura dos pixels e o discretiza, gerando o sinal no formato digital 14

15 Amostrador do Sinal Amostragem do Sinal de Vídeo Após a digitalização, a imagem é composta por um número determinado de pixels, por exemplo, no formato NTSC DV, esse número é de 720 pixels de largura por 480 pixels de altura, ou seja, pixels. Na digitalização DV, a componente de luminânica é amostrada à taxa de 13,5 M amostra/s. As componetes U e V, que representam as diferenças de cor em relação a Y, são amostradas a ua taxa de menor, 3,37 amostras/s (4:1:1). 15

16 Códigos de Fonte Algumas Propriedades Um código de bloco é nãosingular se todas suas palavras-código forem distintas. 16

17 Códigos de Fonte Algumas Propriedades 17

18 Códigos de Fonte Algumas Propriedades 18

19 Códigos de Fonte Algumas Propriedades 19

20 Códigos de Fonte Algumas Propriedades 20

21 Códigos de Fonte Codificando Fontes de Informação 21

22 Códigos de Fonte Codificando Fontes de Informação 22

23 Códigos de Fonte Codificando Fontes de Informação - Huffman 23

24 Códigos de Fonte Codificando Fontes de Informação - Huffman 24