Teoria da Informação
Introdução
Prof. Márcio Lima
E-mail:marcio.lima@upe.poli.br
18.09.2008
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.
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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 (ak) é denominada pk. A palavra
código (binária) associada ao símbolo ak tem tamanho lk
Comprimento médio da palavra código: número médio de bits por símbolo da fonte usado na codificação:
Valor mínimo possível de L: Lmin
Eficiência de codificação do codificador de fonte
Codificação de Fonte
1 0 K k k kl
p
L
L
L
min
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
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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
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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 tempoCodificação 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
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O processo de amostragem e geração do sinal modulado por amplitude de pulso (PAM) é mostrado na figura.
Aplicações:
•Telefonia: fA = 8k amostras/s
•Compact Disc: fA = 22k amostras/s •MPEG-1: fA = 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.
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Códigos de Fonte
Codificação de Fonte
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Códigos de Fonte
Codificação de Fonte
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Códigos de Fonte
Codificação de Fonte
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Códigos de Fonte
Codificação de Fonte
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Códigos de Fonte
Codificação de Fonte
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Códigos de Fonte
Codificação de Fonte
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Códigos de Fonte
Codificação de Fonte
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