TV Analógica e Digital

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Codificação de Fonte

Prof. Márcio Lima

E-mail:marcio.lima@poli.br

Universidade de Pernambuco

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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, 1948

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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.

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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.

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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:

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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

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.

Codificação de Fonte

 

_{ }

x p x p X H X 1 log₂





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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.

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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:

Valor mínimo possível de L: L_min

Eficiência de codificação do codificador de fonte

Codificação de Fonte



 





1 0 K k k k

l

p

L

_min





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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

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

Remoção da redundância de informação do sinal a ser transmitido. Processo geralmente chamado de compactação de dados ou compressão sem perdas

Codificação de Fonte

 

A

H

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Amostrador do Sinal

No processo de amostragem, um sinal qualquer continuou no tempo é transformado em um sinal discreto no tempo

Codificação de Fonte

Amostrador Quantizador Codificador

a(t) x(t) y(t) b(t)

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Amostrador do Sinal

Codificação de Fonte

Amostrador Quantizador Codificador

a(t) x(t) y(t) b(t)

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.



_A _M



M

A

f

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Amostrador do Sinal

Codificação de Fonte

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

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Amostrador do Sinal

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Amostrador do Sinal

Codificação de Fonte

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)

Amostragem do Sinal de Vídeo

O dispositivo analisa o sinal analógico

proveniente da laitura dos pixels e o discretiza,

gerando o sinal no formato digital

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Amostrador do Sinal

Codificação de Fonte

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, 345.600 pixels.

Amostragem do Sinal de Vídeo

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).

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Códigos de Fonte

Codificação de Fonte

Um código de bloco é não-singular se todas suas palavras-código forem distintas.