ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Σχετικά έγγραφα
ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ. Εργαστήριο 8 ο. Αποδιαμόρφωση PAM-PPM με προσαρμοσμένα φίλτρα

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Ημιτονοειδή σήματα Σ.Χ.

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Παλμοκωδική Διαμόρφωση. Pulse Code Modulation (PCM)

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

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

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες / Εργαστήριο

Αρχές Τηλεπικοινωνιών

ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ, ΔΙΚΤΥΑ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

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

Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα Ι

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών

Συστήματα Επικοινωνιών ΙI

Παλμοκωδική Διαμόρφωση. Pulse Code Modulation (PCM)

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

Αναλογικά & Ψηφιακά Κυκλώματα ιαφάνειες Μαθήματος ρ. Μηχ. Μαραβελάκης Εμ.

Συστήματα Επικοινωνιών ΙI

Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες / Εργαστήριο

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

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 4 ΠΑΛΜΟΚΩΔΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ - PCM (ΜΕΡΟΣ Α)

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Διαδικασία Ψηφιοποίησης (1/2)

Ένα αναλογικό σήμα περιέχει άπειρες πιθανές τιμές. Για παράδειγμα ένας απλός ήχος αν τον βλέπαμε σε ένα παλμογράφο θα έμοιαζε με το παρακάτω:

Συστήματα Επικοινωνιών

Μετάδοση σήματος PCM

Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας

Συμπίεση Δεδομένων

Συστήματα Επικοινωνιών

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

MATLAB. Εισαγωγή στο SIMULINK. Μονάδα Αυτόματης Ρύθμισης και Πληροφορικής

Ψηφιακές Τηλεπικοινωνίες

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ

Συστήματα Επικοινωνιών

Εισαγωγή στους Ηλεκτρονικούς Υπολογιστές. 6 ο Μάθημα. Λεωνίδας Αλεξόπουλος Λέκτορας ΕΜΠ. url:

Συστήματα Πολυμέσων. Ενότητα 2: Εισαγωγικά θέματα Ψηφιοποίησης. Θρασύβουλος Γ. Τσιάτσος Τμήμα Πληροφορικής ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ

Μετάδοση πληροφορίας - Διαμόρφωση

Μετάδοση πληροφορίας - Διαμόρφωση

Εισαγωγή στους Ηλεκτρονικούς Υπολογιστές

Κεφάλαιο 5 Διασύνδεση Αναλογικών & Ψηφιακών Συστημάτων

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

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ

Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες

Τεχνολογικό Eκπαιδευτικό Ίδρυμα Kρήτης TMHMA MHXANOΛOΓIAΣ. Δρ. Φασουλάς Γιάννης

ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία ιάλεξη 18

Ήχος. Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 04-1

Αρχές κωδικοποίησης. Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 08-1

Αντοχή (ruggedness) στο θόρυβο μετάδοσης Αποτελεσματική αναγέννηση (regeneration) Δυνατότητα ομοιόμορφου σχήματος (uniform format) μετάδοσης Όμως:

27-Ιαν-2009 ΗΜΥ (ι) Βασική στατιστική (ιι) Μετατροπές: αναλογικό-σεψηφιακό και ψηφιακό-σε-αναλογικό

Θ.Ε. ΠΛΗ22 ( ) 2η Γραπτή Εργασία

Διάλεξη 3. Δειγματοληψία και Ανακατασκευή Σημάτων. Δειγματοληψία και Ανακατασκευή Σημάτων. (Κεφ & 4.6,4.8)

Κεφάλαιο 5 Διασύνδεση Αναλογικών & Ψηφιακών Συστηµάτων

1/3/2009. Τα ψηφιακά ηχητικά συστήματα πρέπει να επικοινωνήσουν με τον «αναλογικό» ανθρώπινο κόσμο. Φλώρος Ανδρέας Επίκ. Καθηγητής.

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ, ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

Ψηφιακές Τηλεπικοινωνίες. Θεωρία Ρυθμού Παραμόρφωσης

«Επικοινωνίες δεδομένων»

Ψηφιακές Τηλεπικοινωνίες. Κωδικοποίηση Κυματομορφής

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ

Μετάδοση σήματος PCM

ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ D/A & A/D

ΣΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ. Εισαγωγή στα Σήµατα Εισαγωγή στα Συστήµατα Ανάπτυγµα - Μετασχηµατισµός Fourier Μετασχηµατισµός Z

Εισαγωγή στα ψηφιακά Συστήµατα Μετρήσεων

Διπλωματική Εργασία Μελέτη Μετατροπέων Δέλτα Σίγμα (ΣΔ-DAC/ADC)

Ψηφιακή Επεξεργασία και Ανάλυση Εικόνας Ενότητα 2 η : Δισδιάστατα Σήματα & Συστήματα Μέρος 2

Μάθημα: Ψηφιακή Επεξεργασία Ήχου

Συμπίεση Δεδομένων

Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Γ ΕΠΑΛ ιδάσκων: Γεώργιος Μακεδών, Φυσικός M.Sc. Μάθηµα 47ο. Ερωτήσεις κατανόησης 1. Τι είναι οι µετατροπείς A/D

Συστήματα Επικοινωνιών

Ραδιοτηλεοπτικά Συστήματα Ενότητα 3: Θεωρία Ψηφιοποίησης

Παλμοκωδική Διαμόρφωση. Pulse Code Modulation (PCM)

Παράμετροι σχεδίασης παλμών (Μορφοποίηση παλμών)

Τεχνολογία Πολυμέσων. Ενότητα # 8: Αρχές κωδικοποίησης Διδάσκων: Γεώργιος Ξυλωμένος Τμήμα: Πληροφορικής

Ψηφιακή Επεξεργασία και Ανάλυση Εικόνας. Παρουσίαση Νο. 3. Δισδιάστατα σήματα και συστήματα #2

Ήχος και φωνή. Τεχνολογία Πολυµέσων 04-1

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Εξομοίωση Τηλεπικοινωνιακού Συστήματος Βασικής Ζώνης

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

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ. Θ.Ε. ΠΛΗ22 ( ) 2η Γραπτή Εργασία

Η εφαρμογή διαχείρισης λογιστικών φύλλων Microsoft Excel ως εκπαιδευτικό εργαλείο μάθησης

Ψηφιακή Αναπαράσταση Σήματος: Δειγματοληψία, Κβαντισμός και Κωδικοποίηση

Χρήστος Ξενάκης. Πανεπιστήμιο Πειραιώς, Τμήμα Ψηφιακών Συστημάτων

Transcript:

Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ & ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Ψηφιακές Επικοινωνίες Εργαστήριο 4 ο : Κβάντιση-Κωδικοποίηση Βασική Θεωρία Κβάντιση Κατά την μετατροπή ενός αναλογικού σήματος σε ψηφιακό, μετά την δειγματοληψία, τα δείγματα του σήματος έχουν συνεχές πεδίο τιμών πλάτους. Το πλάτος των δειγμάτων δηλαδή, μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή, ανάλογα με το αρχικό αναλογικό σήμα (εργαστήριο 3). Για να μεταδώσουμε λοιπόν όλα αυτά τα συνεχόμενα πλάτη, θα χρειαζόμασταν άπειρο αριθμό bits, κάτι το οποίο δεν είναι πραγματοποιήσιμο. Έτσι λοιπόν, εφαρμόζουμε μια τεχνική κατά την οποία, κατασκευάζουμε διακριτά πλάτη, τα οποία προσεγγίζουν το αρχικό συνεχές σήμα. Οι τιμές του πλάτους του αρχικού σήματος, αντιστοιχίζονται σε διακριτές τιμές πλάτους, οι οποίες επιλέγονται μέσα από ένα σύνολο τιμών (εικόνα 2). Έτσι, πετυχαίνουμε την μετατροπή ενός σήματος συνεχών τιμών πλάτους και διακριτού χρόνου σε σήμα διακριτών τιμών πλάτους και διακριτού χρόνου (ψηφιακό σήμα). Αυτή η διαδικασία ονομάζεται κβάντιση (quantization). Οι τιμές στις οποίες στρογγυλοποιούνται οι τιμές του σήματος διακριτού χρόνου ονομάζονται στάθμες κβάντισης (quantization level) και η διαφορά ανάμεσα σε δύο γειτονικές στάθμες κβάντισης ονομάζεται βήμα κβάντισης (quantization step).

Εικόνα 2: Κβάντιση Την διαδικασία της κβαντοποίησης μπορούμε να την απεικονίσουμε γραφικά με την χαρακτηριστική κβαντισμού (εικόνα 3α). Μια ευθεία, που απεικονίζει την σχέση μεταξύ εισόδου και εξόδου ενός γραμμικού συνεχούς συστήματος, αντικαθίσταται από μια κλιμακωτή (staircase) χαρακτηριστική. Κάθε τιμή της εισόδου (οριζόντιος άξονας) αντιστοιχίζεται σε μια στάθμη (κατακόρυφος άξονας). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, να υπάρχει μια διαφορά ανάμεσα στην πραγματική τιμή του πλάτους του αρχικού σήματος και της εξόδου του κβαντιστή. Η διαφορά αυτή, μεταξύ εισόδου και εξόδου του κβαντιστή, ονομάζεται σφάλμα κβαντισμού. Είναι φανερό, ότι το σφάλμα κβαντισμού βρίσκεται στα όρια μεταξύ - Δ/2 και Δ/2, όπου Δ είναι η στάθμη κβάντισης. Η χαρακτηριστική του σφάλματος κβαντισμού φαίνεται στο σχήμα 3b. Εικόνα 3: (α) Χαρακτηριστική κβαντισμού, (b) χαρακτηριστική σφάλματος κβαντισμού

Το συγκεκριμένο είδος θορύβου κβάντισης (περιορισμένο από Δ/2 ως Δ/2), ονομάζεται κοκκώδης θόρυβος (granular noise) και συμβαίνει μόνο για τιμές εισόδου που βρίσκονται μέσα στην περιοχή λειτουργίας του κβαντιστή. Έχει ομοιόμορφη κατανομή και μηδενική μέση τιμή (εικόνα 3b). Σε περίπτωση που το σήμα εισόδου βρίσκεται εκτός της περιοχής λειτουργίας του κβαντιστή (dynamic range), έχουμε θόρυβο υπερφόρτωσης (overload/saturation noise), ο οποίος είναι μεγαλύτερος από τον κοκκώδη και δυσχεραίνει ακόμα περισσότερο την ανάκτηση του σήματος. Ο θόρυβος γενικά είναι ανεπιθύμητος, υπάρχουν όμως περιπτώσεις που σκόπιμα τον χρησιμοποιούμε για να βελτιώσουμε τις μετρήσεις μας (Dithering). Ένα παράδειγμα της εφαρμογής της τεχνικής εισαγωγής κανονικού θορύβου παρουσιάζεται στην εικόνα 4. Ο υπολογισμός της μέσης τιμής πολλαπλών μετρήσεων του σχετικά αθόρυβου σήματος (α) θα παρέχει πάντοτε ως αποτέλεσμα 145,0 μονάδες (π.χ. mv). Ο ίδιος υπολογισμός στο ίδιο σήμα, αλλά με επιπλέον κανονικό θόρυβο με RMS τιμή 0,5 (β), θα δώσει ως αποτέλεσμα 145,3 μονάδες, το οποίο είναι πιο κοντά στην πραγματική μέση τιμή. Εικόνα 4: Dithering Κωδικοποίηση Το τελευταίο στάδιο της μετατροπής ενός αναλογικού σήματος σε ψηφιακό, είναι η κωδικοποίηση. Σε αυτό το στάδιο, μία δυαδική κωδική λέξη αντιστοιχίζεται σε κάθε στάθμη του σήματος (μετά την κβάντιση). Αν η κάθε λέξη έχει μήκος n bits, τότε μπορούμε να αντιστοιχίσουμε 2^n διακριτές στάθμες σήματος (έξοδος κβαντιστή). Παραδειγμα: Κατά την PCM 16-bit κωδικοποίηση μπορούμε να έχουμε μέχρι 2^16=65536 διαφορετικές τιμές σήματος και η κάθε κωδική λέξη θα είναι της μορφής: 0000000110001110

Γραφικό Παράδειγμα: Στάθμες Κβάντισης 0000001100011100 0000000101110011 0000000001011010 0000000101110011 0000000001011010 0000000000010101 0000000000010101 t(sec) Πειραματικό μέρος Άσκηση 1 1. Κατεβάστε και τρέξτε το αρχείο Quantization_Uni_2015.mdl από την τοποθεσία του εργαστηρίου στο e-class. 2. Τρέξτε την προσομοίωση 3. Εξηγήστε τι δείχνει το scope 2. 4. Παρατηρώντας το scope 3 βρείτε ποιο είναι το βήμα και ποιες είναι οι στάθμες κβαντισμού. 5. Έχετε ομοιόμορφη ή ανομοιόμορφη κβάντιση; 6. Πόση αναμένεται να είναι η μέγιστη και η ελάχιστη τιμή του σφάλματος κβαντισμού θεωρητικά; Πόση είναι σύμφωνα με την προσομοίωση; 7. Πώς προκύπτει η χαρακτηριστική σφάλματος κβαντισμού (scope 4); 8. Εντοπίστε ένα τουλάχιστον σημείο στην χαρακτηριστική σφάλματος κβαντισμού, όπου το σφάλμα είναι μηδέν. 9. Υπολογίστε τον σηματοθορυβικό λόγο μετά την κβάντιση (ο τύπος αναγράφεται στην επιφάνεια εργασίας του αρχείου Simulink). 10. Ρυθμίστε τον κβαντιστή ώστε να έχετε βήμα κβαντισμού 0.2. Υπολογίστε το SQNR. Ρυθμίστε τον κβαντιστή ώστε να έχετε βήμα κβαντισμού 0.1. Υπολογίστε το νέο SQNR. Πόσες είναι οι στάθμες κβάντισης σε κάθε περίπτωση? Πότε έχετε μεγαλύτερο SQNR και γιατί?

Άσκηση 2 1. Κατεβάστε και τρέξτε το αρχείο PCM.mdl από την τοποθεσία του εργαστηρίου στο e-class. 2. Τρέξτε την προσομοίωση και ανοίξτε το scope 4. Τι απεικονίζει το κάθε γράφημα? 3. Πόσο αυξάνει το SQNR για κάθε επιπλέον bit κωδικής λέξης (σύμφωνα με το ερώτημα 8 της άσκησης 1) 4. Θέλουμε να μετατρέψουμε αρχείο φωνής σε ψηφιακή μορφή. Τι συχνότητα δειγματοληψίας πρέπει να επιλέξουμε? Αν στο στάδιο της κβάντισης έχω 16777216 στάθμες σήματος, από πόσα bits πρέπει να αποτελείται η κάθε κωδική λέξη?