Ψηφιακές Τηλεπικοινωνίες. Θεωρία Ρυθμού Παραμόρφωσης

Σχετικά έγγραφα
ιαφορική εντροπία Σεραφείµ Καραµπογιάς

Θεώρημα κωδικοποίησης πηγής

Ψηφιακές Τηλεπικοινωνίες

Ψηφιακές Τηλεπικοινωνίες

Χρήστος Ξενάκης. Πανεπιστήμιο Πειραιώς, Τμήμα Ψηφιακών Συστημάτων

Θεωρία πληροφοριών. Τεχνολογία Πολυµέσων 07-1

Συμπίεση Δεδομένων

Τεχνολογία Πολυμέσων. Ενότητα # 7: Θεωρία πληροφορίας Διδάσκων: Γεώργιος Ξυλωμένος Τμήμα: Πληροφορικής

Ψηφιακές Τηλεπικοινωνίες

Μάθημα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες Κωδικοποίηση πηγής- καναλιού Μάθημα 9o

ΘΕΩΡΙΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ. Κεφάλαιο 3 : Πηγές Πληροφορίας Χρήστος Ξενάκης. Πανεπιστήμιο Πειραιώς, Τμήμα Ψηφιακών Συστημάτων

Χρήστος Ξενάκης. Πανεπιστήμιο Πειραιώς, Τμήμα Ψηφιακών Συστημάτων

Συμπίεση Δεδομένων

ΘΕΩΡΙΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ. Κεφάλαιο 2 : Πληροφορία και Εντροπία Διάλεξη: Κώστας Μαλιάτσος Χρήστος Ξενάκης, Κώστας Μαλιάτσος

Εισαγωγή στη θεωρία πληροφορίας

Ψηφιακές Τηλεπικοινωνίες. Βέλτιστος Δέκτης

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Χρήστος Ξενάκης. Πανεπιστήμιο Πειραιώς, Τμήμα Ψηφιακών Συστημάτων

Συμπίεση Πολυμεσικών Δεδομένων

Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες

Καναλιού. Καναλιού. Προχωρημένα Θέματα Τηλεπικοινωνιών. Κατηγορίες Κωδικών Καναλιού. Τι πετυχαίνει η Κωδ. Καναλιού. Κωδικοποίηση Καναλιού.

Τεχνολογία Πολυμέσων. Ενότητα # 4: Ήχος Διδάσκων: Γεώργιος Ξυλωμένος Τμήμα: Πληροφορικής

Δίαυλος Πληροφορίας. Η λειτουργία του περιγράφεται από:

Παλμοκωδική Διαμόρφωση. Pulse Code Modulation (PCM)

Ήχος. Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 04-1

Χρήστος Ξενάκης. Πανεπιστήμιο Πειραιώς, Τμήμα Ψηφιακών Συστημάτων

Παλμοκωδική Διαμόρφωση. Pulse Code Modulation (PCM)

Θέματα Συστημάτων Πολυμέσων

Συστήματα Επικοινωνιών

Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής

Χρήστος Ξενάκης. Πανεπιστήμιο Πειραιώς, Τμήμα Ψηφιακών Συστημάτων

0, αλλιώς. Σεραφείµ Καραµπογιάς. Παράδειγµα 1 Η πηγή X(t) είναι στατική Gaussian µε µέση τιµή µηδέν και φασµατική πυκνότητα ισχύος.

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

( ) log 2 = E. Σεραφείµ Καραµπογιάς

ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Συμπίεση Δεδομένων

Αθανάσιος Χρ. Τζέμος Τομέας Θεωρητικής Φυσικής. Εντροπία Shannon

Χρήστος Ξενάκης. Πανεπιστήμιο Πειραιώς, Τμήμα Ψηφιακών Συστημάτων

Σεραφείµ Καραµπογιάς. Πηγές Πληροφορίας και Κωδικοποίηση Πηγής 6.3-1

Θεωρία Πληροφορίας. Διάλεξη 4: Διακριτή πηγή πληροφορίας χωρίς μνήμη. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Τμήμα Φυσικής Εισαγωγή στα Συστήματα Τηλεπικοινωνιών Συστήματα Παλμοκωδικής Διαμόρφωσης

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 4 ΠΑΛΜΟΚΩΔΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ - PCM (ΜΕΡΟΣ Α)

Ημιτονοειδή σήματα Σ.Χ.

Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα ΙΙ

Ψηφιακές Τηλεπικοινωνίες. Πιθανότητα Σφάλματος για Δυαδική Διαμόρφωση

Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα ΙΙ

Ασκήσεις στο µάθηµα «Επισκόπηση των Τηλεπικοινωνιών»

Μοντέλο Επικοινωνίας Δεδομένων. Επικοινωνίες Δεδομένων Μάθημα 6 ο

Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας

Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες

1 Βασικές Έννοιες Θεωρίας Πληροφορίας

Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες / Εργαστήριο

ΠΛΗ21 Κεφάλαιο 1. ΠΛΗ21 Ψηφιακά Συστήματα: Τόμος Α Κεφάλαιο: 1 Εισαγωγή

EE728 (22Α004) - Προχωρημένα Θέματα Θεωρίας Πληροφορίας 3η σειρά ασκήσεων Διακριτά και Συνεχή Κανάλια. Παράδοση: Έως 22/6/2015

Συμπίεση Δεδομένων

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Συμπίεση Δεδομένων

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ

Συστήματα Επικοινωνιών ΙI

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Θόρυβος και λάθη στη μετάδοση PCM

Ευρυζωνικά δίκτυα (2) Αγγελική Αλεξίου

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ. ΜΑΘΗΜΑ 2 ο. ΑΛΓΕΒΡΑ Boole ΛΟΓΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ

ΘΕΩΡΙΑ ΑΠΟΦΑΣΕΩΝ 3 ο ΦΡΟΝΤΙΣΤΗΡΙΟ ΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝ

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΑΣ. Ενότητα 4: Δειγματοληψία και Κβάντιση Εικόνας

Ψηφιακές Τηλεπικοινωνίες. Διαμόρφωση Παλμών κατά Πλάτος

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ

Ψηφιακές Τηλεπικοινωνίες. Κωδικοποίηση Κυματομορφής

που αντιστοιχεί στον τυχαίο αριθμό 0.6 δίνει ισχύ P Y Να βρεθεί η μεταβλητή k 2.

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

2.5 ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΟΣΟΣΤΙΑΙΩΝ ΣΗΜΕΙΩΝ ΜΙΑΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ (The Quantile Test)

Μετάδοση πληροφορίας - Διαμόρφωση

Μετάδοση πληροφορίας - Διαμόρφωση

Μετάδοση σήματος PCM

Ψηφιακές Τηλεπικοινωνίες. Γεωμετρική Αναπαράσταση Κυματομορφών Σήματος

Ψηφιακές Τηλεπικοινωνίες. Δισδιάστατες Κυματομορφές Σήματος

ΠΑΝΕΛΛΑΔΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ Γ ΗΜΕΡΗΣΙΟΥ ΓΕΝΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ Δευτέρα 10 Ιουνίου 2019 ΕΞΕΤΑΖΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑ: ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ. (Ενδεικτικές Απαντήσεις)

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΣΧΟΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΗΣ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΚΑΙ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ

Αριθμητικές Μέθοδοι σε Προγραμματιστικό Περιβάλλον

Δυαδικά Αντίποδα Σήματα. Προχωρημένα Θέματα Τηλεπικοινωνιών. Πιθανότητα Σφάλματος σε AWGN Κανάλι. r s n E n. P r s P r s.

ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ, ΔΙΚΤΥΑ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών

Τηλεπικοινωνίες. Ενότητα 5: Ψηφιακή Μετάδοση Αναλογικών Σημάτων. Μιχάλας Άγγελος Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ

Θεωρία της Πληροφορίας 3 ο Εξάμηνο

Πιθανότητες & Τυχαία Σήματα. Διγαλάκης Βασίλης

TMHMA OIKONOMIKΩN ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ Διαγώνισμα Προόδου Στατιστικής III

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ

, που, χωρίς βλάβη της γενικότητας, μπορούμε να θεωρήσουμε χρονική στιγμή μηδέν, δηλαδή

Μέρος ΙΙ. Τυχαίες Μεταβλητές

ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ Ι Συμπληρωματικές Σημειώσεις Δημήτριος Παντελής

22Α004 - Προχωρημένα Θέματα Θεωρίας Πληροφορίας Τελική Εξέταση

ΤΥΧΑΙΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ - ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ

ΕΑΠ/ΠΛΗ22/ΑΘΗ-3. 3 η ΟΣΣ

Transcript:

Ψηφιακές Τηλεπικοινωνίες Θεωρία Ρυθμού Παραμόρφωσης

Θεωρία Ρυθμού-Παραμόρφωσης Θεώρημα Κωδικοποίησης Πηγής: αν έχω αρκετά μεγάλο μπλοκ δεδομένων, μπορώ να φτάσω κοντά στην εντροπία Πιθανά Προβλήματα: > σε διακριτή πηγή: η πηγή να έχει πολύ μεγάλη εντροπία (πολλά bits/symbol) αλλά οι πόροι (αποθήκευσης, μετάδοσης) να είναι περιορισμένοι > σε αναλογική πηγή: - άπειρο πλήθος bits για ιδανική αναπαράσταση - άρα χάνεται πληροφορία κατά την κβάντιση Συμπέρασμα: Πολλές φορές κατά την κωδικοποίηση πηγής δε μπορώ να φτάσω στην εντροπία Εισάγεται κάποια παραμόρφωση Πώς σχετίζεται η παραμόρφωση με τη συμπίεση; Η απάντηση προαπαιτεί να οριστούν κάποια μεγέθη 2

Ρυθμός vs Παραμόρφωση Αν δεν μπορώ να διαθέσω H(X) bits/έξοδο, τα σφάλματα είναι αναπόφευκτα Ερώτηση: Για δεδομένο ρυθμό bits/έξοδο, ποιος είναι ο ελάχιστος ρυθμός σφαλμάτων (παραμόρφωση) ; Αντίστροφο Ερώτημα: Για δεδομένη παραμόρφωση, ποιος είναι ο ελάχιστος ρυθμός bits/έξοδο; Αλλά, πώς ορίζεται η παραμόρφωση; 3

Παραμόρφωση Κατά την κωδικοποίηση/αποκωδικοποίηση μιας πηγής, πόσο «κοντά» είναι το αναπαραχθέν σήμα στο αρχικό; Επιθυμητές ιδιότητες μέτρου παραμόρφωσης αντιστρόφως ανάλογο της εγγύτητας/πιστότητας (μεγάλη εγγύτητα μικρή παραμόρφωση) απλό και μαθηματικά εύχρηστο να ενσωματώνει στοιχεία από τη διαδικασία αντίληψης Παράδειγμα αντίληψης: ηχητικό σήμα: η ακοή δεν είναι ευαίσθητη στη φάση σήμα εικόνας: η όραση είναι ευαίσθητη στη φάση 4

Παραμόρφωση (2) Παραμόρφωση Hamming (πηγές με διακριτό αλφάβητο) d H ( xx, ˆ) 1, = 0, x x= xˆ xˆ Παραμόρφωση Τετραγωνικού Σφάλματος (πηγές συνεχούς αλφαβήτου) (, ˆ) = ( ˆ) 2 d xx x x Αν έχω ένα μπλοκ από n δείγματα πηγής, ορίζω την ποσότητα d n 1 = ( n n x, xˆ ) d( x, ˆ i xi) n i = 1 ως το μέσο όρο των παραμορφώσεων Ανεξάρτητη από τη θέση του σφάλματος μέσα στο μπλοκ 5

Παραμόρφωση (3) Η έξοδος της πηγής είναι τυχαία διαδικασία Η απόσταση αρχικού σήματος και αναπαραγωγής είναι επίσης τυχαία διαδικασία Η στατιστική μέση τιμή της παραμόρφωσης του κωδικοποιητή: ( n ˆ n X, X ) (, ˆ) D= E d = E d X X η δεύτερη ισότητα υποθέτει στασιμότητα της πηγής δηλαδή ότι τα δείγματα της τυχαίας διαδικασίας κάθε χρονική στιγμή ακολουθούν την ίδια κατανομή Όταν η μετρική είναι η παραμόρφωση Hamming, τότε η μέση παραμόρφωση D και η πιθανότητα σφάλματος συμπίπτουν ( ) D= E d X, Xˆ = 1 px ( Xˆ) + 0 px ( = Xˆ) = pe 6

Θεώρημα Ρυθμού-Παραμόρφωσης Θεώρημα: Ο ελάχιστος αριθμός bits/έξοδο που απαιτείται για να αναπαραχθεί μια πηγή χωρίς μνήμη με παραμόρφωση μικρότερη ή ίση του D ονομάζεται συνάρτηση ρυθμού-παραμόρφωσης, R(D), και είναι R D ( ) = min I( X; Xˆ ) ( ˆ ) : (, ˆ ) p xx E d X X D Η ποσότητα I(X;Y) καλείται αμοιβαία πληροφορία Φυσική Σημασία: τι πληροφορία μαθαίνω για την τυχαία μεταβλητή Χ αν γνωρίζω την τυχαία μεταβλητή Υ Με την αμοιβαία πληροφορία ασχοληθήκαμε αναλυτικά κατά την κωδικοποίηση καναλιού (προσοχή: εκεί θέλαμε να την μεγιστοποιήσουμε) 7

Ρυθμός Παραμόρφωση Δημιουργώ μπλοκ n δειγμάτων(εξόδων) της πηγής Αν διαθέτω R bits/έξοδο, τότε έχω nr bits/μπλοκ Μπορώ να κωδικοποιήσω 2 nr «διαφορετικές τιμές» Χωρίζω το χώρο της εξόδου της πηγής σε 2 nr περιοχές Κάθε περιοχή συμβολίζεται με το δείκτη 1 i 2 nr Η δυαδική αναπαράσταση του δείκτη είναι η κωδικοποίηση της περιοχής 8

Ρυθμός Παραμόρφωση (2) Όλες οι τιμές της πηγής που ανήκουν σε μια περιοχή αντιστοιχίζονται σε μια αντιπροσωπευτική τιμή xˆi Αυτή επιλέγεται ώστε να ελαχιστοποιεί τη μέση απόσταση (παραμόρφωση) όλων των τιμών της περιοχής Κωδικοποιητής και Αποκωδικοποιητής γνωρίζουν την αντιστοίχηση Μεγάλο R: πολλές περιοχές, λεπτή κβάντιση μικρή παραμόρφωση Μικρό R: λίγες περιοχές, πολύ χονδρική κβάντιση μεγάλη παραμόρφωση 9

Ρυθμός Παραμόρφωση (3) Ακραίες Περιπτώσεις: Μία περιοχή (R=0): το σημείο είναι το κέντρο μάζας του χώρου της πηγής Μέγιστο R: κάθε περιοχή περιλαμβάνει μία τιμή εξόδου, μηδενική παραμόρφωση Συνάρτηση Ρυθμού Παραμόρφωσης: Ποιος είναι ο ελάχιστος R για μια επιθυμητή D; Ποια είναι η ελάχιστη D για ένα επιθυμητό R; Όλα αυτά είναι θεμελιώδη όρια ισχύουν ασυμπτωτικά όταν n 10

Δυαδική Διακριτή Πηγή Πηγή Φ={0,1}, με πιθανότητες εμφάνισης {1-p,p} Εάν η μετρική παραμόρφωσης είναι η Hamming τότε μπορεί να δειχθεί ότι: ( ) R D ( ) ( ), 0 min {,1 } Hb p Hb D D p p = 0,αλλού Βρίσκουμε το R για δεδομένη D (ή ισοδύναμα P_e) Αντίστροφα, βρίσκουμε το D για δεδομένο R Ερώτηση: Τι συμβαίνει για D=0; για D=p; 11

Gaussian Πηγή Έστω πηγή με συνεχές αλφάβητο X~N(0,σ 2 ) Εάν η μετρική παραμόρφωσης είναι το μέσο Τετραγωνικό Σφάλμα τότε: 2 1 σ log,0 2 D σ R( D) = 2 D 0,αλλού Ερώτηση: Τι συμβαίνει για D=0; για D=σ 2 ; 12

Συνάρτηση Παραμόρφωσης - Ρυθμού Ερώτημα: πόσο μειώνεται η παραμόρφωση αν αυξήσω το ρυθμό κατά 1bit/έξοδο; Απάντηση: χρειαζόμαστε την αντίστροφη συνάρτηση της R(D), που είναι η συνάρτηση παραμόρφωσης - ρυθμού D(R) Παράδειγμα: Gaussian πηγή παραμόρφωση τετραγωνικού σφάλματος ( ) R D 2 1 σ = log 2 D ( ) σ D R αύξηση κατά 1bit/έξοδο υποτετραπλασιάζει την D (μείωση 6dB) = 2 2 2R 13