discretizaerea semnalelor.

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



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



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



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)



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



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



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



YCrCb

YYCrCb

Y Y Y

YCrCb

YYCrCb



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



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



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



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

discretizaerea semnalelor.

Documents

Transcript of discretizaerea semnalelor.