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CSAT 1

Comunicaciones por SatComunicaciones por SatééliteliteCurso 2008Curso 2008--0909

Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo

Comunicaciones DigitalesComunicaciones Digitales

CodificaciCodificacióón de fuenten de fuente

Miguel Calvo RamónRamón Martínez Rodríguez-Osorio

CSAT 2Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo

TransmisiTransmisióón Digitaln Digital

• Codificación de fuente: Audio y Vídeo– PCM y DPCM– Vocoders– Codificación de audio y vídeo– Multiplexación– Formatos de codificación– Transmisión de pulsos. Diagramas de ojo.

• Modulación digitales. Esquema PSK– Sistemas ideales. Prestaciones– Evaluación de la probabilidad de error– Efectos de los errores de recuperación de portadora y reloj


FuenteDigital

FuenteAnalóg.

Codificadorde Fuente

Codificadorde Canal Modulador

Demodulador Decodificadorde Canal

Decodificadorde Fuente

Tasa de BitsRb

Tasa de BitsRc

Tasa de SímbolosRs

Tasa de Bits RcTasa de Error Pc

Tasa de Bits RbTasa de Error Pb

USUARIO

Comunicaciones Digitales Modelo de SistemaComunicaciones Digitales Modelo de Sistema


CodificaciCodificacióón de Voz. Introduccin de Voz. Introduccióónn• El objetivo de los algoritmos de codificación de voz es

transmitir, almacenar o sintetizar voz con una determinada calidad usando el menor número de bits.

• La reducción de la tasa de bits se obtiene aprovechando tanto las redundancias en la señal de voz como las limitaciones del oído humano.

• Las redundancias de la voz se relacionan con que:– El espectro de la voz cambia lentamente en comparación con la

velocidad de muestreo.– La tasa de vibración de las cuerdas vocales también cambia

lentamente.– La energía de la voz se concentra en las frecuencias bajas.– Los sonidos vocales se pueden modelar como excitaciones bien

periódicas o bien aleatorias a través del tracto bucal (filtro).• Una limitación del oído humano es su baja sensibilidad a la

fase de la señal. Además, la audición es mucho mayor en una porción pequeña del espectro audible.


CaracterCaracteríísticas de la vozsticas de la voz


CodificaciCodificacióón de Voz. Introduccin de Voz. Introduccióónn• La velocidad de transmisión está ligada con el ancho de

banda de transmisión, por lo que una reducción de la velocidad de transmisión permite una reducción del ancho de banda a expensas de la calidad de voz.

• Para una determinada tasa de bits la calidad de voz se puede mejorar haciendo más complejo el algoritmo de codificación.

• Por tanto, hay que considerar simultáneamente Tasa, Calidad y Complejidad.

• Según el servicio hay que considerar cuatro clases de calidad:– Calidad de difusión.- que hace referencia a la transmisión en banda

ancha con voz de alta calidad.– Calidad telefónica.- que hace referencia a la voz oída a través de la

red telefónica conmutada.– Calidad de comunicación.- que hace referencia a una voz claramente

inteligible pero con más distorsión que la telefónica.– Calidad sintética.- referida a voz metálica producida por síntesis.


CodificaciCodificacióón de Voz. Introduccin de Voz. Introduccióónn• La calidad de voz se puede evaluar bien con medidas

objetivas (SNR) o subjetivas (puntuación de opinión media MOS “medium opinion score”).

• El parámetro complejidad se relaciona con el procesado que se requiere para implementar el algoritmo de codificación. Normalmente se mide en millones de operaciones por segundo (MOPS) o de instrucciones por segundo (MIPS).

• Los codificadores de voz se agrupan en dos categorías: codificadores de ondas y vocoders.– Los codificadores de ondas se dividen a su vez en codificadores en el

dominio del tiempo, como el PCM, DPCM y ADPCM, que aprovechan la periodicidad y variación lenta de la señal y codificadores en el dominio espectral, como los codificadores subbanda SB y los adaptativos ATC entre otros, que aprovechan las redundancias frecuenciales de la voz. Suelen proporcionar mayor calidad pero requieren tasas mayores.

– Los vocoders consideran un modelo de producción de voz para reproducirla. Las técnicas de codificación predictiva LPC, como la predicción lineal mediante excitación residual RELP, son un ejemplo de vocoders.


Codificadores de Voz. TiposCodificadores de Voz. Tipos

Codificadores de ondasCodificadores de ondas VocodersVocoders HHííbridosbridos

PCMDPCMADPCMDelta

Dominio del tiempo Dominio de la frecuencia

En subbandasPor transformada

LPCRELPMPCCELPVSELPRPE-LTP


En primer lugar, se muestrea la señal siguiendo el criterio de Nyquist.

m(t)

s(t)

T

m(t)s(t)

T

fm fs

TEOREMA DE MUESTREOTEOREMA DE MUESTREO

Tf

f fs

s m= ≥1 2

CodificaciCodificacióón de Fuente. Muestreo PCMn de Fuente. Muestreo PCM


Las muestras de la señal se cuantifican en niveles. A cada nivel le corresponde un código de bits a transmitir. Por ejemplo, para 8 niveles hacen falta 3 bits.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Zona tiempo Código

CodificaciCodificacióón de Fuente. Cuantificacin de Fuente. Cuantificacióón y PCMn y PCM


CuantificaciCuantificacióón Uniformen Uniforme

In

OutFunción de Transferencia:Componente lineal+Error Cuantificación

Si n es el número de bits del código:

( ) nn

qNS 22 212 ≈−=

( ) nlogdBNS n

q

6210 2 =≈⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

2 4 6 8 100

20

40

60

SN ( )n

SNa( )n

n


SeSeññal Telefal Telefóónicanica

( ) ( )( )µ

µ++

±=11

logxlogxV

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

V( ),x 0.01

V( ),x 100

V( ),x 255

x

µ=0µ=100

µ=255

Con 4 kHz de ancho de banda, se debe muestrear a 8 kHz, y por tanto se obtienen 8000 muestras por segundo.Con 8 bits por muestra (256 niveles) se requerirá una velocidad de transmisiónde 64 kbps y se obtendrá, con una cuantificación uniforme, una S/Nq de 48 dB.Dado que la distribución estadística de amplitud de la señal telefónica no es uniforme, conviene usar un compresor antes del cuantificador, con un expansorinverso en el receptor.

Un compresor típico es el de Ley µ, cuyafunción de transferencia es:

siendo v(x) la tensión de salida yx la tensión de entrada normalizadaa su valor máximo.

Los compresores consiguen gananciasentre 24 y 30 dB respecto al uniforme.

Los compresores consiguen gananciasentre 24 y 30 dB respecto al uniforme.


Ley A y Ley Ley A y Ley µµ

En Europa, la ley de compresión que se utiliza es la Ley A (A=87.6).

( )

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

>++

±

≤+

±=

AxAlogxAlog

AxAlog

xA

xV

111

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

V( ),x 255

Va( ),x 87.6

x

µ=255

Α=87.6


Ruido en PCMRuido en PCMEl ruido térmico provoca errores en la transmisión de bits en el sistema digital.Un sistema PCM convierte los bits recibidos en una señal analógica en elreceptor.Se necesita conocer la S/N que se obtiene para una determinada probabilidadde bit erróneo Pb en la transmisión.Si se combinan los efectos del ruido térmico y de cuantificación resulta:

nb

n

PCM PNS

2

2

2412

+=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

donde n es el número de bitsde codificación y Pb es la probabilidad de bit erróneoen la transmisión.

0

10

20

30

40

50

dB

Pb10-2 10-4 10-6

n=6

n=7

n=8


La modulación de pulsos codificados diferencial es un esquema de codificaciónpredictivo que aprovecha la correlación entre muestras próximas de la señalpara reducir su redundancia estadística y disminuir la tasa de transmisión.

En lugar de cuantificar y codificar las muestras como hace el PCM, el DPCMrealiza una estimación del valor de la próxima muestra en base a los valoresde las muestras anteriores. Esta estimación se resta del valor de la muestraobtenido. La diferencia de estas señales es el error de predicción que se cuantifica, se codifica y se transmite al decodificador.

El decodificador realiza la operación inversa y reconstruye la señal original apartir de los errores de predicción.

Muestreador Cuantificador

Predictor

Canal FiltroPaso Bajo

Predictor

+ -

+

+

+ +

S(t) {si} {ei} {ei+ qi} {si+ qi}S(t)+q(t)

{Si} {Si}

PCM Diferencial (DPCM)PCM Diferencial (DPCM)


En el diagrama de bloques {si} es la secuencia de muestras de entrada, {si}es la secuencia de predicción y {ei}={si - si} es la secuencia de error de predicción que es la que se cuantifica, codifica y transmite.

Cuando se utiliza un número de niveles n grande (n>8) y predicción lineal,cada {si} se puede expresar como:

L332211 −−− ++= iiii sasasas

donde los ai son los coeficientes de predicción.

Si se utiliza cuantificación adaptativa de tipo ADPCM (con compansión) se extiende el margen dinámico del codificador y se mejora la relación S/N.

PCM DiferencialPCM Diferencial


ModulaciModulacióón Deltan DeltaEn la modulación Delta lineal un circuito determina la diferencia e(t) entre laseñal a transmitir x(t) y una estimación de la misma z(t). Es un DPCM de 1 bit.Un cuantificador de signo determina el signo de e(t). Se transmite e(t).

La parte del receptor que reconstruye la señal a partir de e(t) y la parte delestimador del transmisor son iguales. Ambas usan los pulsos transmitidos ogenerados para formar la estimación z(t) de la señal. El estimador integra los pulsos y los multiplica por ∆, el tamaño del escalón.

Si los pulsos son de área unidad el estimador incrementa o decrementa z(t)con una tasa igual a la frecuencia de muestreo fs. Si la señal de entrada es constante, el estimador oscilará entorno al valor correcto, sobreestimándoley subestimándole.

Cuantificadorde signo

Muestreador

Amplificador∆ Integrador

x(t) e(t)

z(t) fs

Salida al Modulador


ModulaciModulacióón Delta Adaptativan Delta Adaptativa

Si la señal de entrada varía muy deprisa el estimador no puede seguirla y se produce sobrecarga de pendiente.

Para disminuir la sobrecarga de pendiente hay que aumentar ∆, pero entonces se incrementa la granularidad, que es el ruido que se produce cuando el estimador oscila entorno a un valor constante.

Hay una valor óptimo de ∆ por debajo del cual predomina la sobrecarga de pendiente y por encima del cual predomina la granularidad.

Los sistemas de modulación delta adaptativos permiten variar el valor de ∆ durante el proceso y adaptarse a la tasa de variación de la señal de entrada.


Ruido en ModulaciRuido en Modulacióón Deltan Delta

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Sobrecargade pendiente

RuidoGranular


VocodersVocoders• El modelo básico de producción de voz de los vocoders suponen una

separación clara de la información entre la excitación y el filtro del tracto bucal.

• La excitación es el mecanismo de producción de sonidos mientras que el tracto bucal es el dispositivo usado para modular el sonido. La información de ambos se codifica por separado reduciéndose la tasa de bits requeridos.

• La generación puede ser de sonidos cuasiperiódicos producidos en la laringe por las cuerdas vocales y sonidos aperiódicos (ruidosos) generados por constricción del tracto bucal generalmente en los dientes y labios.

• La producción de los primeros se modela con una secuencia de impulsos espaciados por el periodo correspondiente al tono de voz. Los segundos se generan con una secuencia de ruido blanco.

• El tracto bucal se modela como un filtro cuyos parámetros varían con el tiempo.

• En teoría la señal de voz se puede reproducir si se dispone de los coeficientes del filtro, de la información del tipo de generador (periódico o aperiódico) y del periodo del tono.


Modelo de GeneraciModelo de Generacióón de Vozn de Voz

Generaciónde RuidoBlanco

Generaciónde RuidoBlanco

Generaciónde Tren deImpulsos

Generaciónde Tren deImpulsos

Generaciónde PulsosGuturales

Generaciónde PulsosGuturalesFrecuencia

Fundamentaldel Tono

Modelo deTracto Bucal(Filtro Digital)

Modelo deTracto Bucal(Filtro Digital)

VozSintetizada

Control periódico/aperiódico


PredicciPrediccióón Linealn Lineal

La predicción lineal es una forma de estimación que usa una combinación lineal de muestras presentes y pasadas de un proceso estacionario parapredecir una muestra futura del proceso.

∑=

−=M

kknkn ShS

1

donde hk , k=1,...,M , son constantes y M es el número de elementos de retardo.

∑=

−−=−=M

kknknnnn ShSSS

1ε

Sean Sn-k , k=1,...,M , muestras aleatorias de un proceso estacionario S(t) y sea Sn la muestra a predecir. Sea Sn la estimación de Sn de forma que:

El filtro diseñado para implementar la estimación Sn se denomina predictorlineal. Por tanto los hk son los coeficientes del filtro y M es el orden del filtro.

La diferencia entre el valor verdadero de la muestra Sn y su estimación Snse denomina error de predicción:


PredicciPrediccióón Linealn Lineal

ΣΣ

11 1 1 1

h1h1 h2

h2 hM-1hM-1 hM

hM

∆∆ ∆∆ ∆∆Sn Sn-1 Sn-2 Sn-M +1 Sn-M ...

1 -> Sn

-1-1

22

-1-1

2

-1-1

2

-1-1

2

2 -> εn


Filtro de SFiltro de Sííntesisntesis

Se puede invertir la última ecuación para obtener Sn dado el error εn, las muestras anteriores y los coeficientes del filtro:

∑=

−+=M

kknknn ShS

1ε

∆∆ ∆∆ ∆∆

h1h1 h2

h2 hM -1hM -1 hM

hM

ΣΣ Sn

Sn-1 Sn-2 Sn-M +1 Sn-M ...

εn


CodificaciCodificacióón Predictiva Lineal (LPC)n Predictiva Lineal (LPC)• El vocoder LPC estándar proporciona una función de análisis en el

extremo transmisor y una función de síntesis en el extremo receptor.

• El análisis consiste en:– Decidir si el sonido es periódico o aperiódico.– Determinar el periodo del tono en el primer caso.– Calcular los coeficientes del filtro.

• La síntesis consiste en elegir una forma de onda, bien periódica o bien ruido blanco, para excitar el filtro de síntesis.

• Los coeficientes óptimos del filtro implican el cálculo y minimización del error de predicción o el uso de algoritmos especiales.

• El número de muestras usadas en el proceso de análisis-síntesis es tal que el segmento formado es de 10-30 ms durante el que el proceso de producción de voz es esencialmente estacionario.

• El resultado es voz con calidad sintética y velocidad de transmisión de 2.4 Kbps. La inteligibilidad es pobre para sonidos, por ejemplo, nasales.


Cuantificador Vectorial (VQ)Cuantificador Vectorial (VQ)• En general los codificadores de voz consideran que cada muestra de voz

Sn es independiente, de forma que la mayor parte de la redundancia se ha eliminado en el proceso de análisis.

• Pero las muestras consecutivas mantienen cierta correlación entre ellas. La cuantificación vectorial VQ considera muestras consecutivas como un bloque o vector y las codifica de forma que se elimine más redundancia.

• Por ejemplo, 10 muestras de 5 bits (50 bits) podrían codificarse en 10 bits con un esquema VQ ya que el número de sonidos diferentes en esas 10 muestras no necesitan los 50 bits de codificación.

• Sea k el número de muestras consecutivas (la trama). Tras el análisis normal (sin VQ) se genera un conjunto de k parámetros. Se crea un libro de códigos que contiene p vectores k-dimensionales de forma que se envía una palabra de código de log2 p bits en lugar de los k parámetros. El índice log2 p identifica al vector que representa mejor al conjunto de k parámetros iniciales.

• La complejidad del codificador se incrementa por la necesidad de buscar el vector más adecuado de entre los p posibles en el libro de códigos.

• Los dos problemas clave de un VQ son: crear el libro de códigos y buscar en él.


Cuantificador VectorialCuantificador Vectorial

• El plano se divide en N regiones (en el dibujo, 6).• El vector de entrada (con dos componentes) se reemplaza se

reemplaza por el centroide i (representa todos los vectores de una determinada región i) de la región a la que pertenece.


Algunas TAlgunas Téécnicas LPCcnicas LPC

• Los codificadores de forma de onda proporcionan calidad telefónica con tasas superiores a 16 Kbps debido a que transmiten completamente el error residual.

• Los vocoders LPC proporcionan calidad sintética a tasas de 2.4 Kbps.

• Es posible combinar algunas características de los codificadores de forma de onda con las de los vocoders LPC para mejorar la calidad de estos a expensas de un incremento en el régimen binario.

• Estos vocoders híbridos son capaces de proporcionar calidad telefónica con regímenes binarios entre 4.8 y 13 Kbps.


TTéécnicas hcnicas hííbridasbridas

• Para mejorar la calidad de los vocoders, pueden emplearse algunas de estas soluciones:A) Una señal de excitación mejorada.B) Selección de la excitación mediante técnicas de análisis

mediante síntesis.C) Cuantificación vectorial de la señal de excitación.D) Filtro de ponderación perceptual.E) Predictores a corto y a largo plazo.

• Algunas de estas técnicas son:- Predicción Lineal con Excitación Residual (RPE-LPC ó RELP)- Mixed Excitation LPC (MELP).- Codificador Multipulso (Multi-pulse LPC).- Code-Excited Linear Prediction (CELP).


• El algoritmo de predicción lineal con excitación residual RELP además de los parámetros estándar de LPC usa un error residual filtrado paso bajo.

• El filtrado paso bajo se extiende entre 0 y 900 Hz que son las frecuencias que supuestamente contienen el mayor porcentaje de importancia perceptiva.

• Ello contribuye a la naturalidad de la voz y a una mejor reproducción de los sonidos periódicos.

• Dado que la banda base filtrada mantiene la forma de onda no se necesita enviar los parámetros de tono.

• Esto simplifica el analizador RELP y mejora la síntesis LPC.

PredicciPrediccióón Lineal con Excitacin Lineal con Excitacióón Residualn Residual


RPERPE--LPC y MPELPC y MPE--LPCLPC• En lugar de usar la información espectral para mejorar la calidad

como en el caso RELP, el LPC excitado regularmente por pulsos RPE-LPC opera en el dominio del tiempo. El error residual se representa por un número de impulsos por trama de datos de voz.

• Se usa un factor de reducción (diezmado) de 8:1. Por ejemplo, una trama que contiene 64 muestras residuales se reduce a 8 muestras igualmente espaciadas. Al igual que en RELP, no se envían los parámetros de tono.

• MPE-LPC o LPC excitado por multipulsos es similar al RPE-LPC solo que los impulsos elegidos para representar la señal residual no están equiespaciados. Sus posiciones y amplitudes se seleccionan para proporcionar la mejor representación de la señal de error.

• Ambos, RPE-LPC y MPE-LPC, pueden incluir un término de predicción a largo plazo (LTP) para proporcionar información sobre el periodo del tono. Se tienen entonces los algoritmos RPE-LTP y MPE-LTP.


MIXED EXCITATION LPC (MELP)MIXED EXCITATION LPC (MELP)

• La señal de excitación se genera como una mezcla de ruido y trenes de impulsos en distintas bandas (entre 4 y 10 bandas).


AnAnáálisis mediante slisis mediante sííntesisntesis

• El análisis mediante síntesis permite combinar la sencillez de la codificación basada en el modelo LPC (vocoder) con la calidad de la codificación de forma de onda.

• Es empleado en la codificación multipulso y en el CELP.


PredicciPrediccióón Lineal Excitada por Cn Lineal Excitada por Cóódigodigo

• La predicción lineal excitada por código (CELP) utiliza tanto LPC como VQ mediante un proceso de análisis por síntesis.

• El proceso básico de análisis consiste en obtener una palabra de código óptima (vector) ck en el libro de códigos siguiendo un criterio de error.

• Cada palabra de código se escala en un factor de ganancia gk y se procesa a través de filtros de síntesis LTP para sintetizar el término de predicción Sn.

• El error residual εn=Sn-Sn se procesa a través de un filtro de ponderación perceptivo PWF y se usa en un proceso de búsqueda para obtener la mejor palabra de código que minimiza la energía de εn.

• El índice de palabra de código k, la ganancia gk y los parámetros de los filtros (LPC y LTP) se transmiten y son los que usa el decodificador para sintetizar la voz.


Diagrama de Bloques CELPDiagrama de Bloques CELP

Sn

Ganancia

Parámetros filtros

++ PWFPWFMinimización

el error(Selecciona k)

Minimizaciónel error

(Selecciona k)Bloque

de CódigoBloque

de Código

Filtro de Análisis

LTP

Filtro de Análisis

LTP

Filtro de Síntesis

LPC

Filtro de Síntesis

LPCgkgk

εn

Sn k

Xn

Vnε´n

Ganancia

Parámetros filtros

Bloquede CódigoBloque

de CódigoFiltro de Análisis

LTP

Filtro de Análisis

LTP

Filtro de Síntesis

LPC

Filtro de Síntesis

LPCk

Xn Vn ε´nSngk


Codec del GSMCodec del GSM• Inicialmente se propusieron seis codecs y para su comparación se

tomaron 16 kbps de tasa de codificación (canal + voz). Se compararon con el sistema de FM con compansión y dos codecsfueron directamente rechazados. Los códigos restantes fueron:

• SBC-APCM: codec subbanda con PCM adaptativo por bloques. El codec usa filtros espejo en cuadratura QMF para dividir la señal de entrada en 16 subbandas de 250 Hz de las que las dos superiores no se transmitían. Las señales en las subbandas se codificaban con adaptación y estimación hacia adelante. La asignación adaptativa de bits en las subbandas se hace en base a la relación de potencias entre ellas, constituyendo la información lateral a transmitir. La tasa de transmisión gruesa de las subbandas era de 10 kbps, la información lateral de 3 kbps que se protegía con 3 kbps de FEC.

• SBC-ADPCM: codec subbanda con PCM adaptativo delta. La señal de voz se dividía en 8 subbandas de las que se transmitían 6. Las señales en las subbandas se codificaban con adaptación y estimación hacia atrás. La asignación de bits a las subbandas era fija y no se transmitía información lateral no necesitándose FEC. La tasa final era de 15 kbps.


ComparaciComparacióón de Codecsn de Codecs

MPE-LTP: codec LPC excitado multipulso con predictor a largo plazo. La implementación usada en las comparaciones requirió 13.2 kbps y se añadióFEC a 2.8 kbps para proteger los bits más importantes.

RPE-LPC: códec LPC excitado regularmente. Fue el adoptado para su estandarización, mejorándolo incluyéndole LTP, en función de los resultados de comparación resumidos en la siguiente tabla.

Codec Calidad MOS(sobre 5)

Régimen BinarioKbps

ComplejidadMOPS

RPE-LPC 3.54 14.77 1.5

MPE-LTP 3.27 13.20 4.9

SBC_APCM 3.14 13.00 1.5

SBC-ADPCM 2.92 15.00 1.9

FM 1.95


ComparaciComparacióón de Codecsn de Codecs

MPE-LTP: codec LPC excitado multipulso con predictor a largo plazo. La implementación usada en las comparaciones requirió 13.2 kbps y se añadióFEC a 2.8 kbps para proteger los bits más importantes.

RPE-LPC: códec LPC excitado regularmente. Fue el adoptado para su estandarización, mejorándolo incluyéndole LTP, en función de los resultados de comparación resumidos en la siguiente tabla.


ComparaciComparacióón entre codificadores de vozn entre codificadores de voz


Ejemplo: Ejemplo: VoIPVoIP sobre DVBsobre DVB--RCSRCS

• H.323: Conferencia multimedia• Soporta G.711, G.729 y G.723.1

• Retardo total = Tcod + Tnet– Tcod = Tfr + Talg + Tproc + Tpk

– Tnet = Tqueueing (MAC) + Ttrx + Tprop + TOBP


AudioAudio• El sistema digital americano de TV de la Gran Alianza usa la

tecnología Dolby AC-3.• El servicio puede ser desde un canal monofónico simple, pasando

por estéreo hasta un servicio de sonido envolvente de seis canales. El sexto canal sólo lleva la información de bajos (subwoofer) y se designa como un canal de 0.1 de un total de 5.1 canales.

• Además del servicio principal de audio se pueden proporcionar servicios adicionales para los discapacitados, control de margendinámico, multilenguajes, etc.

• Cuando el servicio de audio es multicanal las salidas mono o estéreo requeridas se separan en el decodificador.

• La tasa de muestreo de audio es de 48 kHz con 18 bits por muestra. Para los seis canales la tasa de bits es de unos 5 Mbps.

• El régimen binario de transmisión es de 384 kbps lo que requiere un factor de compresión de 13.


Codificador ACCodificador AC--33• Para aprovechar las características frecuenciales de respuesta del oído

humano la compresión del régimen binario se realiza en el dominio de la frecuencia.

• La señal PCM se transforma del dominio del tiempo al de la frecuencia usando la transformada TDAC (Time Domain Aliasing Cancellation). El tamaño de bloques es de 512 puntos. Cada punto en el dominio del tiempo se usa en dos transformadas sucesivas, ya que se realizantransformadas de 512 puntos cada 256. Con ello se tiene una resolución temporal de 5.3 ms y una resolución frecuencial de 93 Hz.

• Durante los transitorios el codificador se conmuta y realiza transformadas con 256 puntos con lo que la resolución temporal aumenta a 2.7 ms.

• Cada coeficiente de la transformada se codifica en un exponente y una mantisa. El exponente proporciona un margen dinámico amplio.

• La mantisa se codifica con precisión finita lo que produce ruido de cuantización.

• El exponente se codifica proporcionando lo que se denomina envolvente espectral. Esta se decodifica, al igual que va a hacerse en el receptor, y esta información se utiliza en el cuantificador y en la asignación de bits.

• La asignación de bits a las diversas componentes espectrales se realiza de forma adaptativa teniendo en cuenta el modelo psicoacústico del oído humano.


Codificador ACCodificador AC--33

TransformadorTDAC

TransformadorTDAC CuantizadorCuantizador

Asignadorideal de bitsAsignador

ideal de bitsSupervisor de laasignación de bits

Supervisor de laasignación de bits

Asignador delnúcleo de bits

Asignador delnúcleo de bits

Decodificador de envolvente

espectral

Decodificador de envolvente

espectral

Codificador de envolvente

espectral

Codificador de envolvente

espectral

MultiplexorMultiplexor

Mantisas

Exponentes

In

AudioPCM

Envolvente espectral

AC-3

Informaciónadicional deasignación

de bits


Respuestas del banco de filtros (TDAC)Respuestas del banco de filtros (TDAC)

Máxima resolución espectral Máxima resolución temporal


Decodificador ACDecodificador AC--33

• Realiza las funciones inversas de las del codificador.• La entrada serie de datos se demultiplexan

proporcionando las mantisas, la envolvente espectral y la información adicional de asignación de bits.

• Se decodifica la envolvente espectral y junto con la información adicional de asignación de bits se realiza ésta.

• Se procede entonces a la cuantización inversa de la mantisa.

• Se combinan las mantisas con los exponentes y se forman los coeficientes de frecuencia.

• Los coeficientes de frecuencia se transforman en un TDAC inverso para reproducir la señal de audio PCM original.


Decodificador ACDecodificador AC--33

DemultiplexorDemultiplexor

Decodificadorde envolvente

espectral

Decodificadorde envolvente

espectral

Asignadordel núcleo

de bits

Asignadordel núcleo

de bits

Cuantizadorinverso

Cuantizadorinverso

TDCAinversoTDCA

inversoAC-3 Audio

PCM

Mantisas

Exponentes

Asignaciónde bits

Informaciónadicional deasignación

de bits


Codificador de vCodificador de víídeodeo

• El régimen binario requerido por una señal RGB-HDTV de estudio, con 1080 líneas activas, 1920 muestras por línea, 8 bits por muestra y 30 pantallas por segundo es de: 3x1080x1920x8x30 = 1.5 Gbps.

• Para difundir esta señal en canales de 6 MHz se requiere que la velocidad de transmisión se reduzca a unos 20 Mbps es decir por un factor de 75.

• Las técnicas de compresión utilizadas para ello son: – procesado adaptado a la fuente, – reducción de la redundancia temporal, – reducción de la redundancia espacial, – explotación del sistema visual humano, y – mejoras de la eficiencia de codificación.


Procesado Procesado AdaptativoAdaptativo de la Fuentede la Fuente• Para un observador humano las componentes RGB

tienen una correlación muy alta.

• Para aprovechar esta correlación las componentes RGB se transforman a componentes de luminancia y crominancia.

• El sistema visual humano es más sensible a las componentes de alta frecuencia de la luminancia que a las de alta frecuencia de crominancia.

• Ello permite poder filtrar paso bajo las componentes de crominancia y submuestrearlas por un factor de 2 tanto en sentido horizontal como en el vertical.


ReducciReduccióón de Redundancia Temporaln de Redundancia Temporal• En el estimador de movimiento una trama nueva,

denominada imagen nueva, se compara con la transmitida previamente que se ha guardado en la memoria de imagen.

• Los macrobloques son áreas de imagen de 16x16 pixels. Se comparan los macrobloques de la imagen previa con los de la nueva para ver si se “repiten” en la nueva.

• Cuando se encuentra una repetición de macrobloques se calcula un vector de movimiento que describe la dirección y distancia que se ha movido el macrobloque.

• Se realiza entonces una predicción de imagen con una combinación de los movimientos de los macrobloques.

• Finalmente, se comparan la nueva imagen con la imagen obtenida por predicción y se obtienen las diferencias.


Bloques y Vectores de MovimientoBloques y Vectores de Movimiento

1 2 3 4

5 6 7 8

9 10 11 12

13 14 15 1615

12

3 4

56 7 8

9 10 12

1314

16

11

Bloques de la imagen previa usados para lapredicción de la nueva

Imagen previa después deusar los vectores de movimientopara ajustar su posición


CompresiCompresióón Temporaln Temporal


ReducciReduccióón de Redundancia Espacialn de Redundancia Espacial• Comienza realizando una DCT sobre la imagen diferencia usando 8x8

bloques.• El primer valor de la matriz DCT (esquina superior izquierda) representa

el valor DC de los 64 elementos de imagen.• Los 63 valores restantes representan valores AC de la DCT con

frecuencias horizontal y vertical más altas conforme uno se mueve hacia la esquina inferior derecha de la matriz. Si la imagen tiene pocos detalles estas componentes son pequeñas.

• Los valores de la DCT se presentan a un cuantizador que redondea los valores. Se introduce pues ruido de cuantización. La cuantización es adaptativa.

• La salida del cuantizador se presenta a un codificador de entropía, que asigna códigos más cortos a las secuencias más frecuentes. Se utilizan los códigos de longitud variable y los códigos de Huffman.

• La salida variable del codificador se introduce en un buffer cuya tasa de salida es constante. Si el buffer tiende a llenarse se envía información al cuantizador para que disminuya la precisión de los coeficientes y por tanto su tasa instantánea de bits.

• La salida del buffer se empaqueta en paquetes PES.


CompresiCompresióón Espacialn Espacial


Codificador de VCodificador de VíídeodeoImagennueva

Pre-procesador

Pre-procesador Σ

Predictorde movimientocompensado

Predictorde movimientocompensado

Memoria de imagenMemoria de imagen

Estimadorde movimiento

Estimadorde movimiento

DCTDCT CuantificadorCuantificador

Cuantificadorinverso

Cuantificadorinverso

DCTinversaDCT

inversa

Codificadorde entropía

Codificadorde entropía BufferBuffer

EmpaquetadorEmpaquetador

Σ

Videoin

PaquetesPES

++

+-

Datos de control

Coeficientescodificados

Llenadodel

Buffer

Imagenprevia

Imagenpredicha

Imagendiferencia


PredicciPrediccióón Adelantada y Atrasadan Adelantada y Atrasada• En la discusión anterior se ha supuesto que la imagen usada

para predecir la nueva imagen ha sido la imagen anterior de la fuente.

• En algunos casos puede ser ventajoso obtener la predicción a partir de una imagen futura o de una pasada y una futura. Por ejemplo después de una conmutación una imagen futura es mejor predictor que una pasada.

• El estándar MPEG define tres tipos de imágenes:– Una imagen I es una que se transmite como nueva, es decir no es

una imagen diferencia.– Una imagen P es una que se predice de una P o una I anterior.– Una imagen B es una que se predice a partir de una P o I anterior y

de una P o I futuras.• La inclusión de tramas B requiere el almacenamiento

adicional de una imagen en el decodificador. Antes de que se pueda transmitir la trama B debe haberse transmitido y almacenado las tramas anterior y posterior con las que estárelacionada. En consecuencia el orden de transmisión y de presentación son distintos.


Tramas I, P y BTramas I, P y B

B B B B B B B BI P P P P P I

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Orden de Presentación

2 1 4 3 6 5 8 7 10 9 12 11 14 13 16Orden de Transmisión

Intra-coded picture

Predictivelly-coded picture

Bidirectionally-coded picture

Predicciónhacia atrás

Predicciónhacia adelante


Refresco de ImagenRefresco de Imagen• Si hay mucho movimiento en la imagen puede ser preferible

realizar la predicción en base a campos en lugar de hacerlo en base a tramas. Se soportan ambos modos de predicción.

• Se necesita refrescar la imagen recibida cuando se sintoniza el receptor, cuando se cambia de canal, después de pérdida de señal o cuando se producen muchos errores en la transmisión (en todos estos casos la imagen en la memoria del receptor será diferente de la del codificador).

• Dado que el transmisor no puede conocer cuando ambas imágenes serán diferentes es necesario transmitir periódicamente la nueva imagen en lugar de la imagen diferencia.

• Con el procedimiento de refresco de trama I periódicamente se transmiten los coeficientes DCT de la imagen nueva.

• Con el procedimiento de refresco progresivo periódicamente se transmiten los coeficientes DCT de un conjunto de bloques de la imagen nueva en lugar de los de la diferencia.


Decodificador de VDecodificador de Víídeodeo

• Primero se desempaquetan los paquetes PES recibidos.• Los vectores de movimiento y los coeficientes DCT

codificados se almacenan en un buffer hasta que se necesitan para decodificar la siguiente imagen.

• El decodificador de entropía realiza la operación inversa del codificador. Los coeficientes decodificados se descuantifican, se pasan por un DCT inverso y se añaden a la imagen predicha para formar la nueva imagen.

• La imagen predicha se obtiene usando los vectores de movimiento recibidos para mover partes de la imagen transmitida previamente.


Decodificador de VDecodificador de Víídeodeo

Desempaquetador

Buffer

Decodificadorde entropía

Cuantizadorinverso

DCTinversa Σ

Memoriade imagen

Predictorcompensado

de movimiento

Paquetes PES

Coeficientes

Nuevaimagen

Imagenprevia

Imagenpredicha

Datos deControl

Salidade

vídeo

Vectores de movimiento


TransporteTransporte• El sistema HDTV de la Gran Alianza usa un subconjunto de la Sintaxis de

Transporte de MPEG-2. MPEG-2 define dos alternativas: ProgramStreams y Transport Streams, esta última especialmente diseñada para uso en entornos con probabilidades de error no despreciables. Este último es pues el adoptado.

• Ambos proporcionan la sintaxis para sincronizar la decodificación de la información de vídeo y de audio asegurando además que los buffers no se desbordan.

• Ambos incluyen información temporal que permita sincronizar vídeo y audio.

• Ambas definiciones están orientadas a transmisión de paquetes: la primera usa paquetes de longitud variable y la segunda paquetes de longitud fija de 188 palabras (bytes).

• Otro tipo de paquetes utilizados son los PES (Packetized ElementaryStream). Después de compresión tanto el vídeo como el audio se empaquetan en PES que pueden ser de longitud fija o variable.

• La secuencia de transporte (Transport Stream) resulta de combinar uno o más programas (cada programa consisten en una o más secuencias de PES con una base de tiempos común) con una o más bases de tiempo independientes.


Paquetes MPEGPaquetes MPEG--22

Secuenciasde programa

MPEG-2Datos de vídeo Codificador

de vídeo Empaquetador

Datos de audio Codificadorde audio Empaquetador

Datos adicionales Empaquetador

Multiplexorde secuenciasde programa

Multiplexorde secuenciasde transporte

Secuenciasde transporte

MPEG-2


Paquetes de transportePaquetes de transporte• Cada paquete de transporte comienza con una cabecera de cuatro

bytes. La cabecera identifica la naturaleza y contenido de los datos del paquete.

• La cabecera también proporciona las funciones de sincronización de paquetes, manejo de errores y acceso condicional.

• Los siguientes 184 bytes se denominan la carga de pago. Contiene paquetes PES individuales y sus cabeceras.

• El comienzo de cada paquete PES se alinea con el comienzo de la carga de pago y se añaden bytes de relleno para completar paquetes de transporte que estén solo parcialmente llenos.

• Cada paquete de transporte contiene pues sólo un tipo de datos (vídeo, audio o datos auxiliares).

• La estructura de los paquetes de transporte permite fácil interoperabilidad con transmisiones ATM. Las células ATM consisten en una cabecera de 5 bytes y 48 bytes de carga de pago. Un paquete de transporte (de 188 bytes incluyendo la cabecera se puede acomodar en cuatro células ATM (4x48 = 192 bytes).


Capas funcionales en MPEGCapas funcionales en MPEG

Señales de Televisión

Conversión A/D

Codif. MPEG Vídeo

Codif. MPEG Audio

Otras Codif. Vídeo

Otras Codif. Audio

Datos, Control,

etc.

Trama de Transporte MPEG

ATM

Capa física o interfaz


TransportTransport StreamStream MPEGMPEG

Trama de Transporte MPEG

=Packet Packet Packet Packet Packet Packet Packet Packet

Header Payload

188 bytes (4+184)


CodificaciCodificacióón de Fuenten de Fuente

Los datos binarios, bits, producidos por la fuente se transmiten como señales.El codificador de fuente se encarga de transformar los bits en señales digitales.

Fuente CodificadorBits Señal digital

al modulador

Si las señales digitales codificadas tienen el mismo signo se denominanunipolares. En caso contrario son polares.

El codificador proyecta los bits de datos en elementos de señal.

Los formatos de codificación se pueden agrupar en las siguientes categorías:

- No retorno a cero: NRZ- Retorno a cero: RZ- Bifase- Modulación por retardo- Multinivel


Formatos de CodificaciFormatos de Codificacióónn

No retorno a cero-nivel (NRZ-L):1 = nivel alto0 = nivel bajo

No retorno a cero-marca (NRZ-M):1 = transición al comienzo intervalo0 = sin transición

Retorno a cero (RZ):1 = pulso en la primera mitad del intervalo0 = sin pulso

Bifase-nivel (Manchester):1 = transición alto-bajo en mitad del intervalo0 = transición bajo-alto en mitad del intervalo

Bifase-marca (Manchester):Siempre una transición al comienzo del intervalo.1 = no transición en mitad del intervalo0 = transición en mitad del intervalo

Modulación por retardo (Miller):1 = transición en mitad del intervalo0 = sin transición si está seguido de 1

transición al final del intervalo si está seguida por 0.


Formatos de CodificaciFormatos de Codificacióónn1 0 1 1 0 0 0 1 1

NRZ-L

0

NRZ-M

RZ

Bifase-L

Bifase-M

Miller


Formato NRZFormato NRZ--L BipolarL BipolarEn comunicaciones por satélite el formato generalmente usado es el NRZ-Lbipolar que puede modelarse como:

( ) ( )s t a g t nTB n bn

= −=−∞

∞

∑ donde Tb es el tiempo de duración de bit y

( )g t A t Tresto

b=<⎧

⎨⎩

20

es el tipo de pulso de señal utilizado.

El conjunto que representa a los dígitos binarios es { } { }an = ±1tales que { } { }P a P ar n r n= = = − =1 1 1 2Puede demostrarse que el espectro de esta señal es: ( ) ( )

S fG f

TBb

=2

y para pulsos rectangulares: ( )S f A T fTfTB b

b

b

=⎛⎝⎜

⎞⎠⎟2

2senππ

y por tanto se requeriría un ancho de banda infinito para transmitirlos sindistorsión.


Comunicaciones Digitales. Modelo de SistemaComunicaciones Digitales. Modelo de Sistema

FuenteDigital

FuenteAnalóg.

Codificadorde Fuente

Codificadorde Canal Modulador

Demodulador Decodificadorde Canal

Decodificadorde Fuente

Tasa de BitsRb

Tasa de BitsRc

Tasa de SímbolosRs

Tasa de Bits RcTasa de Error Pc

Tasa de Bits RbTasa de Error Pb

USUARIO


Naturalmente no se dispone de ancho de banda infinito para transmitir lospulsos y el canal limita el ancho de banda.

Nyquist encontró que el ancho de banda teórico mínimo necesario para detectar sin ISI Rs símbolos/segundo es de Rs/2 herzios. Para ello lafunción de transferencia H(f) debe ser rectangular, es decir un filtro paso bajoideal con ancho de banda 1/2Ts. La respuesta al impulso de este filtro es h(t) = sinc(t/Ts).

1 0.5 0 0.5 1

0

0.5

1

H( )f

f4 2 0 2 4

0

1

h( )t

h( )t Ts

t

En la figura pueden verse dos pulsos recibidos contiguos y muestra quecuando uno de ellos se muestrea las colas de los demás son cero y noproducen interferencia.Nótese que el transmisor debería enviar impulsos al canal.

Ancho de Banda de Ancho de Banda de NyquistNyquist


TransmisiTransmisióón de Pulsosn de Pulsos

Cuando en lugar de impulsos se transmiten, como es habitual, pulsos senecesita usar un ecualizador del tipo x/sen(x).

Para tener una detección libre de ISI necesitamos en recepción un espectrorectangular. Este es el resultado de multiplicar el espectro plano del impulsopor la función de transferencia del canal.

Pero si transmitimos pulsos, cuyo espectro por ejemplo es una sinc, debemosecualizar el espectro y transformarlo en plano para tener en recepción unespectro rectangular.

La función de transferencia del ecualizador, en la banda del canal, es 1/P(f)con P(f) = sinc(πf/Ts).

0.5 0 0.50

11P( )f

f


Filtro en coseno alzadoFiltro en coseno alzadoLos filtros ideales no son realizables por lo que se han buscado otras funcionesde transferencia que también permiten una transmisión libre de ISI.

El filtro en coseno alzado tiene una función de transferencia:

( ) ( )

( )

( ) ( )

( )⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

+≥

+≤≤

−

−≤

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −−=

s

ss

s

s

ss

Tf

Tf

T

Tf

TTfTcosfH

21

21

21

21

0

12

12

α

αα

α

αα

π

La respuesta al impulso de este filtro es:

( ) ( ) ( )sT

txconxxcos

xxsenth =⎥⎦

⎤⎢⎣⎡−

= 2241 ααπ

ππ

El ancho de banda equivalente de ruido se incrementa en (1+α) respecto alfiltro ideal.


1 0.5 0 0.5 1

0

0.5

1

H( )f

Hca( ),f 0.5

Hca( ),f 1

f

4 2 0 2 4

0

1

h( )t

hca( ),t 0.5

hca( ),t 1

t

Filtro en Coseno AlzadoFiltro en Coseno Alzado


16 muestras por bit. La señal azul implica ancho de banda infinito, amplitud 0.5La señal roja implica un filtrado de Nyquist con un filtro Butterworth de orden 4

TransmisiTransmisióón en Banda Base y Diagrama de Ojosn en Banda Base y Diagrama de Ojos


Filtrado excesivo e Interferencia entre SFiltrado excesivo e Interferencia entre Síímbolos (ISI)mbolos (ISI)


Diagrama de Ojo. CaracterDiagrama de Ojo. Caracteríísticassticas

Mejor instante de muestreo

Distorsión por ruido

Margen de decisión por ruido

Distorsión en loscruces por cero

Intervalode decisión

Limitación porancho de banda

tiempo

y(t)

comunicaciones digitales - upm · modulación delta adaptativa si la señal de entrada varía muy...

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