Download - discretizaerea semnalelor
1. Discretizarea semnalelor
1.1. Necesitatea discretizării1.2. Discretizarea semnalelor audio1.3. Discretizarea semnalelor imagine şi video
1. Discretizarea semnalelor
1.1. Necesitatea discretizării1.2. Discretizarea semnalelor audio1.3. Discretizarea semnalelor imagine şi video
COMUNICAŢII NUMERICE 3
Capitolul 1. Discretizarea semnalelor
Necesitatea discretizăriiComunicaţii numerice – transmisii de semnale digitaleSemnale frecvent utilizate în comunicaţii:• audio (voce pentru telefonie, muzică hi-fi)• imagini• video• text• date
Semnalele din natură sunt în general analogice caracterizându-se prin continuitate în: timp, spaţiu şi nivelSemnalele digitale se compun din eşantioane prelevate:• la anumite momente în timp => discontinuitate temporală• în anumite puncte din spaţiu => discontinuitate spaţială• cu o anumită precizie (număr de biţi pe eşantion – număr limitat de valori
pentru reprezentarea nivelului) => discontinuitate în nivelDiscretizarea semnalelor – trecere din domeniul analogic în cel digital
disponibile direct în format digital
1. Discretizarea semnalelor
1.1. Necesitatea discretizării1.2. Discretizarea semnalelor audio1.3. Discretizarea semnalelor imagine şi video
COMUNICAŢII NUMERICE 5
Capitolul 1. Discretizarea semnalelor
Discretizarea semnalelor audio (1)Semnalul voce pentru telefonie:• banda de frecvenţe (semnal analogic): 0,3 – 3,4 kHz (este suficient
pentru a înţelege ce se spune şi a recunoaşte vorbitorul)• discretizare în timp – frecvenţa de eşantionare > 2×fmax => 8kHz• discretizare în amplitudine
• cuantizare – fiecare eşantion e reprezentat pe 12 biţi• compresie G711 (legea A sau legea μ) reducerea numărului de biţi pe
eşantion de la 12 la 8• debit (semnal digital) pentru telefonia standard:
8000 [eşantioane/s] × 8 [biţi/eşantion] = 64 kbiţi/s• debite mai mici:
• codec-uri G.726 2 – 5 biţi/eşantion => 16 – 40 kbiţi/s (se folosesc în ISDN, pentru legături telefonice internaţionale şi la DECT)
• GSM: Half Rate – 5,6 kbiţi/s, Full Rate – 13 kbiţi/s, Enhanced Full Rate – 12,2 kbiţi/s
COMUNICAŢII NUMERICE 6
Capitolul 1. Discretizarea semnalelor
Discretizarea semnalelor audio (2)Semnalul audio (muzică) Hi-Fi (calitate CD):• banda de frecvenţe (semnal analogic): 20 Hz – 20 kHz• număr canale – 2 (stereo)• discretizare în timp – frecvenţa de eşantionare > 2×fmax => 44,1 kHz• discretizare în amplitudine – fiecare eşantion de pe fiecare canal e
reprezentat pe 16 biţi• debit (semnal digital):
44.100 [eşantioane/s] × 16 [biţi/eşantion] × 2 [canale] = 1411,2 kbiţi/s ≈ 172 kB/s
În funcţie de aplicaţie la discretizarea semnalului audio se pot folosi diferiţi parametri :• frecvenţe de eşantionare: 8, 11,025, 16, 22,05, 32, 44,1, 48, 88,2, 96 kHz • mono sau stereo• 8-24 biţi pe eşantion
1. Discretizarea semnalelor
1.1. Necesitatea discretizării1.2. Discretizarea semnalelor audio1.3. Discretizarea semnalelor imagine şi video
COMUNICAŢII NUMERICE 8
Capitolul 1. Discretizarea semnalelor
Caracteristici generaleScenele vizuale naturale se caracterizează prin continuitate în:• timp• spaţiu• luminozitate şi culoare
Discretizarea temporală se face prin achiziţionarea de imagini (cadre) la intervale regulate de timpDiscretizarea în spaţiu se face folosind o grilă rectangulară în planul imaginii – imaginea discretizată spaţial fiind sub forma unei matrice de pixeli (eşantioane spaţio-temporale)Discretizarea în nivel – fiecare pixel e reprezentat printr-un număr sau un set de numere reprezentând intensitatea şi culoarea pixeluluiCapacitate de memorie necesară pentru stocarea unei imagini = (numărul total de pixeli din imagine) × (numărul de biţi/pixel)Debit semnal video digital = (numărul de cadre/s) × (numărul total de pixeli/cadru) × (numărul de biţi/pixel)
COMUNICAŢII NUMERICE 9
Capitolul 1. Discretizarea semnalelor
Discretizarea spaţio-temporală
Standardul de eşantionare spaţială 4:4:4fiecare pixel e reprezentat prin 3 componente (valori): 1 de luminanţă (Y) şi 2 de crominanţă(Cb, Cr)cele 3 valori din numele standardului se referă la proporţionalitatea eşantioanelor celor 3 componente (la 4 eşantioane de luminanţă există câte 4 eşantioane pentru fiecare din cele 2 semnale de crominanţă)se păstrează fidelitatea integrală a componentelor de crominanţă
YCrCb
YCrCb
YCrCb
YCrCb
YCrCb
YCrCb
YCrCb
YCrCb
YCrCb
COMUNICAŢII NUMERICE 10
Capitolul 1. Discretizarea semnalelor
Standardul de eşantionare spaţială 4:2:2semnalele de luminanţă şi crominanţă au aceeaşi rezoluţie pe verticalărezoluţia pe orizontală a semnalelor de crominanţă este înjumătăţită faţăde cea a semnalului de luminanţă(ochiul uman este mai puţin sensibil la crominanţă)la 4 eşantioane de luminanţă existăcâte 2 eşantioane pentru fiecare din cele 2 semnale de crominanţăAplicaţii:• reproduceri color de înaltă
calitate• televiziunea numerică de studio
COMUNICAŢII NUMERICE 11
Capitolul 1. Discretizarea semnalelor
YCrCb
YYCrCb
YCrCb
YYCrCb
YCrCb
YYCrCb
Standardul de eşantionare spaţială 4:2:0Semnalele de crominanţă au rezoluţia înjumătăţită atât pe verticală cât şi pe orizontală faţă de semnalul de luminanţăSe transmit alternativ câte:• o linie eşantionată conform
standardului 4:2:2 şi• o linie eşantionată conform
standardului 4:0:0 (fărăsemnale de crominanţă)
Se utilizează la:• videoconferinţă• televiziune digitală difuzată• DVD
COMUNICAŢII NUMERICE 12
Capitolul 1. Discretizarea semnalelor
YCrCb
YYCrCb
Y Y Y
YCrCb
YYCrCb
COMUNICAŢII NUMERICE 13
Capitolul 1. Discretizarea semnalelor
Semnalul TV analogic
25 cadre/s (în SUA – 30)explorare întreţesută – un cadru = 2 câmpuri (linii pare şi linii impare) => frecvenţa câmpurilor – 50/60 Hz625 linii/cadru (din care 575 vizibile)linia TV durează în total 64 μs (Europa) din care 52 μs vizibilăbanda de frecvenţă necesară ≈ 6 MHz
COMUNICAŢII NUMERICE 14
Capitolul 1. Discretizarea semnalelor
Discretizarea semnalului TVParametrii semnalului TV numeric• standard de eşantionare spaţială – 4:2:2• frecvenţa de eşantionare:
• luminanţă – 13,5 MHz• crominanţă – 6,75 MHz
• eşantion în format PCM (Pulse Code Modulation) – 8 biţi/componentă• linia TV:
• 864 eşantioane luminanţă din care 702 vizibile• standardizare (Eu +SUA) – se transmit 720 eşantioane pentru o linie
(restul până la 864 nu se eşantionează – intervalele stinse şi de sincronizare sunt sintetizate la receptor)
• debit:• luminanţă: 13,5 [MHz] × 8 [biţi/eşantion]=108 Mb/s• crominanţă (6,75 [MHz] × 8 [biţi/eşantion]=)54 Mb/s + 54 Mb/s• total: 108 + 54 + 54 = 216 Mb/s
COMUNICAŢII NUMERICE 15
Capitolul 1. Discretizarea semnalelor
Compresia imaginilor şi semnalului video digital (1)
Necesitate• capacitatea de memorie necesară pentru stocarea unei imagini color
necomprimate este mare (3 octeţi/pixel)• debitul semnalului TV numeric necomprimat este foarte mare (216 Mb/s ≈ 1,5 GB/minut => 1 DVD de 4,5 GB ar putea stoca < 3 minute de film) , prohibitiv pentru stocare sau transmitere la distanţă
Compresia fără pierderi• rapoarte de compresie mici• semnalul reconstituit după compresie+decompresie este identic cu cel
originalCompresia cu pierderi• rapoarte de compresie mari• semnalul reconstituit după compresie+decompresie este asemănător cu
cel original
COMUNICAŢII NUMERICE 16
Capitolul 1. Discretizarea semnalelor
Compresia imaginilor şi semnalului video digital (2)
Compresia imaginilor • elimină redundanţa spaţială (valorile pixelilor apropiaţi spaţial diferă
foarte puţin sau deloc)• la JPEG se utilizează transformarea cosinus discretă şi codarea entropiei• JPEG permite reducerea considerabilă a capacităţii de memorie necesare la
0,25 – 2 biţi/pixelCompresia semnalului video digital• elimină redundanţa spaţială• elimină redundanţa temporală (cadrele succesive diferă de regulă foarte
puţin între ele)• codarea entropiei• standarde de compresie video: MPEG, MPEG-2, MPEG-4, H.263, H.264• debitul MPEG-2 pentru televiziune digitală (25 cadre/s, rezoluţie
720×576, format 4:2:0) – 5-10 Mbiţi/s