Biểu diễn thông tin đa phương tiện

1 NỘI DUNG BÁO CÁO: BIỂU DIỄN THÔNG TIN ĐA PHƯƠNG TIỆN 1,Introduction(giới thiệu) 2,Digitization principles(Nguyên tắc số hóa) 2.1 Analog signal(Tín hiệu tương tự) 2.1.1 Sampling rate(Tốc độ lấy mẫu) 2.1.2 Quantization intervals(Khoảng lượng tử) 2.2 Encoder design(Thiết kế bộ mã hóa) 2.3 decoder design(Thiết kế bộ giải mã) 2 1,Introduction(giới thiệu) Tất cả các thông tin được máy tính sử lý và lưu trữ đều ở dạng số. Vì vậy phải mã hóa tất cả các dữ liệu là một việc vô cùng quan trọng. Và con để đơn giản và dễ hiểu thì dữ liệu mà con người tiếp nhận phải biến đổi từ mã máy sang ngôn ngữ tự nhiên là cần thiết.  Với dạng Text: Được biểu diễn bằng chuỗi các ký tự mỗi ký tự mã hóa thành một dãy các bít nhị phân 7 bit được gọi là từ mã (Codeword) 3 Mã hóa bảng mã ACSII và các ký tự đặc biệt:  Với dạng hình ảnh: Ảnh Raster: biểu diễn bằng tập hợp các phần tử ảnh(pixel) Ảnh Vector: Biểu diễn bằng tập các đoạn thẳng, đoạn cong định nghĩa bằng đại lượng toán học  Các phần tử ảnh,đoạn thẳng, đoạn cong này mã hóa thành dãy nhị phân lần lượt từ tọa độ đầu đến kết thúc 4  Với Audio và Video: Là tín hiệu điện có tần số và biên độ thay đổi liên tục theo thời gian. Để mã hóa Cách đơn giản nhất là mã hoá bằng cách xấp xỉ dao động sóng âm bằng một chuỗi các byte thể hiện biên độ dao dộng tương ứng theo từng khoảng thời gian bằng nhau. Quá trinh biến đổi từ tín hiệu liên tục sang tín hiệu số được mô tả như sau: Khi máy tính nhận được tín hiệu vào từ thiết bị vào ra máy tính sẽ mã hóa tín hiệu (signal encoder). Ở giai đoạn này thiết bị mã hóa chuyển đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc. 5 Trong đó có quá trình gọi là lấy mẫu tín hiệu(sampling),đó là thay tín hiệu liên tục bằng biên độ của nó ở những thời điểm cách đều nhau, gọi là chu kỳ lấy mẫu Mô phỏng quá trình lấy mẫu: Sau khi lấy mẫu thiết bị mã hóa sẽ tiến hành lượng tử hóa tức là từ mẫu đã lấy biểu diễn thành dạng số Quá trình Lượng tử hóa: 6 Lượng tử hoá là quá trình xấp xỉ các giá trị của tín hiệu lấy mẫu s(nT) bằng bội số của một giá trị q (q gọi là bước lượng tử). Mô phỏng quá trình lượng tử hóa: Đây là mô phỏng qua trình lượng tử hóa một tín hiệu tín hiệu tương tự đã được chuyển đổi thành tín hiệu số dạng giống như một hình bậc thang. 2, Digitization principles(Nguyên tắc số hóa) Trong phần này chúng ta cùng tìm hiểu: 2.1Biểu diễn tín hiệu tương tự như thế nào 2.2Thiết kế bộ mã hóa tín hiệu tương tự thành tín hiệu số 7 2.2.1 Quá Trình lấy mẫu: Sampling rate(Tỉ lệ lấy mẫu) Nguyên tắc lấy mẫu 2.2.2 Quá trình lượng tử hóa Quantization intervals(Khoảnglượng tử hóa) Biểu diễn bao nhiêu bit nhị phân trog một mẫu đã lấy 2.1 Analog signal(tín hiệu tương tự) Bất kỳ một tín hiệu liên tục nào cũng được biểu diễn dạng như hình a như sau: 8 Có thể sử dụng phương pháp phân tích Fourier (Fourier analysis) để hiện thị cho một tín hiệu tương tự bất kỳ nào được tạo ra từ tín hiệu hình sin của tần số vô hạn có biên độ, tần số liên tục theo thời gian ví dụ như biểu diễn bởi thành phân tần số cao và thành phần tần số thấp của tín hiệu như hình sau (hình b): Băng thông(Bandwidth) là dải tần số mà tín hiệu tập trung vào mặc dù một dạng tín hiệu cho trước có thể chứa nhiều thành phần tần số trong một dải tần rất rộng nhưng trên thực tế bất kỳ một môi trường truyền nào cũng chỉ đáp ứng được việc đáp ứng một dải hữu hạn các tần số của tín hiệu. Khỏang thành phần tần số tạo nên tín hiệu hình Sin được gọi là băng thông của tín hiệu đó. Ở hình sau ta thấy dải băng thông của tiếng nói và âm thanh do nhạc cụ phát ra hình c: 9 Ở ví dụ trên ta thấy băng thông của tiếng nói nằm trong khoảng hẹp hơn băng thông do nhạc cụ phát ra Khi một tín hiệu được truyền đi trên mạng thì phạm vi tần số kênh đó phải lớn hơn tần số của tín hiệu Nếu tấn số của băng thông thấp hơn tần số của tín hiệu thì một vài tấn số thấp hay cao nhất của tín hiệu sẽ bị mất đi làm giảm chất lượng của tín hiệu nhận được và nó được hiểu là giới hạn của băng thông vì vậy ta phải chọn băng thông của kênh truyền lớn hơn hoặc bằng tần số cao nhất của tín hiệu. 10 2.2 Encoder design(Thiết kế bộ mã hóa) Như chúng ta đã biết thì máy tính chỉ sử lý và lưu trữ dưới dạng số vì vậy bộ mã hóa có nhiệm vụ chuyển từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số quá trình đó thực hiện qua giai đoạn như sau: A,Tín hiệu vào B, Tín hiệu ra khỏi bộ lọc C, Được sử dụng để lấy mẫu biên độ của tín hiệu lọc tại các khoảng thời gian thường xuyên D, Tổ chức các mẫu biên độ không đổi giữa các mẫu E, Tin hiệu ra 11 Có hai mạch chính : Bandlimiting filter(Bộ lọc băng tần), và Analog-to- Digital Convert(ADC) chuyển tín hiệu liên tục sang tín hiệu số Sample-and-hold(mạch lấy mẫu của tín hiệu tương tự và sau đó giữ lấy tín hiệu ra của nó ở giá trị đó cho tới khi nó lấy mẫu tiếp theo), và Quantizer(bộ lượng tử hóa) Một dạng sóng điển hình cho một bộ mã hóa tín hiệu được thể hiện trong phần b: Ở đây mỗi trang thái lấy mẫu được biểu diễn 1 dãy nhị phân 4 bit 12 2.1.1 Sampling rate (Tỉ lệ lấy mẫu) : Theo định lý lấy mẫu của Nyquist : Phải lấy mẫu it nhất gấp 2 lần tần số của tín hiệu nếu không tín hiêu ra sẽ bị méo hay còn gọi là tín hiệu răng cưa(Alias signal) hay còn gọi là hiện tượng chồng phổ (alias). Một dạng của hiện tượng alias: Đây là ví dụ một tín hiệu có tần số cao nhất là 6kHz theo định lý Nyquist thì tỉ lệ lấy mẫu phải là 12ksps nhưng tín hiệu này tỉ lệ lấy mẫu là 8ksps nên tín hiệu này khi mã hóa sẽ bị mất mát hoặc làm cho tín hiệu sẽ không giống tín hiệu ban đầu. Xem Ví dụ sau: Xác định tỷ lệ lấy mẫu và băng thông của bộ lọc băng thông giới hạn trong một bộ mã hóa được sử dụng cho việc số hóa của một tín hiệu tương tự trong đó có hình thức băng thông 15Hz đến 10Hz giả sử tín hiệu số hóa: 1,Được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính 13 2, được truyền trên một kênh trong đó có một băng thông từ 200Hz cho đến 3,4KHz Trả lời: 1,Theo định lý lấy mẫu của Nyquist ta có tần số lấy mẫu bằng hai lần tần số cao nhất của tín hiệu nên : 2 x 10 KHz =20KHz Hay tỉ lệ lấy mẫu băng 20ksps và khoảng giới hạn băng thong từ 0Hz đến 10KHz 2,Theo định lý lấy mẫu của Nyquist ta có : 2 x 3,4 KHz = 6,8 KHz hay tỉ lệ lấy mẫu là 6,8ksps và băng thông giới hạn là từ 0 Hz đến 3,4KHz 2.1.2 Quantization interval(Khoảng lượng tử hóa): Nếu V là tín hiệu lớn nhất và nhỏ nhất tối đa của biên độ và n là số bit nhị phân được sử dụng thì độ lớn của mỗi khoảng lượng tử hóa q . Cho bởi công thức : q= Cũng như là chúng ta có thể thấy, một tín hiệu bất cứ thời điểm trong một khoảng thời gian lượng tử sẽ được đại diện bởi cùng một từ mã nhị phân. điều này có nghĩa là tại từ mã tương ứng với một mức biên độ danh nghĩa mà là ở trung tâm của khoảng thời gian lượng tử tương ứng. Do đó mức độ tín hiệu thực tế có thể khác nhau hình thành lên để cộng hoặc trừ đi q / 2 14 Quá trình được mô tả dạng như sau: Ví dụ trên ở mỗi trạng thái lấy mẫu được biểu diễn bằng dãy nhị phân 3 bít thì nó chỉ biểu diễn được 8 trang thái tương ưng với biên độ mà ta quy định trong khoảng biên độ đó. Sự khác biệt giữa biên độ tín hiệu thực tế và biên độ tín hiệu được lượng tử hóa được gọi là Lỗi lượng tử (quantization error) và lỗi này diễn ra ngẫu nhiên khi biến đổi từ tương tự sang số và ngược lại nên thương gọi là (quantization noise) hay thuật ngữ “tiếng ồn” hiện tượng này thể hiện trong hình sau: 15 Hiện tượng tiếng ồn: Khi lượng tử hóa một tín hiệu vì qua tình lấy mẫu chỉ lấy một khoảng thời gian rất ngắn nên ta chỉ có thể lấy một số lượng mẫu nhất định mà thôi ở tại một số mức ta lấy một dãy nhị phân các nhất định để biểu diễn . Một yếu tố làm ảnh hưởng đến tín hiệu do số lượng khoảng thời gian lượng tử một tín hiệu cụ thể là biên độ thấp nhất và cao nhất của tín hiệu đó. Tỉ lệ giữa biên độ đó gọi là (dynamic range) ký hiệu là: D Và biểu diễn qua công thức: 16 D = 20( ⁄ ) dB Ta thấy như ở trong ví dụ trên mỗi một trạng thái lấy mẫu được biểu diễn bằng n = 3 bit nhị phân. Số bit này được tính toán làm sao cho hợp lý. Nếu nhiều trạng thái lấy mẫu biểu diễn bởi 1 dãy nhị phân thì tín hiệu sẽ không chung thực như tín hiệu ban đầu còn nếu biểu diễn một trạng thái lấy mẫu bởi một không lượng bít qua nhiều thì dung lượng lưu trữ sẽ rất lớn nên cần có một cách số hóa hiệu quả và phủ hợp với từng ứng dụng dựa trên hai công thức như chúng ta đã tìm hiểu ở trên ta sẽ biết cách sử số hóa như thế nào là tốt nhất. 2.3 Decoder Design(Thiết kế bộ giải mã) Như chúng ta đã biết máy tính chỉ sử lý tín hiệu số nhưng tín hiệu ra như Loa(loudspeaker) hay hiện các thông tin ra màn hình lại là tín hiệu tương tự. Thiết bị đổi tín hiệu đó được biết đến đó là Bộ giải mã(Decoder). Nguyên tắc được mô tả qua hình sau: 17 Khi thiết bị giải mã nhận một tín hiệu số thì nó sẽ qua một bộ phận có tên là DAC (Digital to Analog converter) đây là thiết bị chuyển đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự sau đó thiết bị sẽ được chuyển đến bộ Low pass filter là một thiết bị lọc các tín hiệu có tần số thấp cuối cùng tín hiệu tương tự đã được mã hóa. Ta cùng nhau tìm hiểu một ví dụ của một tín hiệu số được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự như hình sau: 18 Ví dụ trên được mô tả một tín hiệu số chuyển đổi thành tín hiệu liên tục. 19