matlab trong mã hóa băng con

LỜI MỞ ĐẦUCHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tìm hiểu chung về mã hóa băng con 1.2 Bản chất của mã hóa băng con 1.3 Mục đích, ý nghĩa CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÃ HÓA BĂNG CON 2.1 Tiêu

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ I

ĐỀ TÀI:

MATLAB TRONG MÃ HÓA BĂNG CON

GVHD: TS PHẠM VĂN BÌNH

Hà Nội, 6/2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

====o0o====

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ I

ĐỀ TÀI:

MATLAB TRONG MÃ HÓA BĂNG CON

GVHD: TS PHẠM VĂN BÌNH

Hà Nội, 6/2013

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Tìm hiểu chung về mã hóa băng con

1.2 Bản chất của mã hóa băng con

1.3 Mục đích, ý nghĩa

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÃ HÓA BĂNG CON

2.1 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng mã hóa băng con

2.2 Kỹ thuật mã hóa băng con ( INSERT CA)

2.2.1 Sơ đồ khối giải thích quá trình mã hóa băng con

2.2.2 Các bank lọc dung trong mã hóa băng con

2.2.3 Nhiễu và xử lí nhiễu trong việc mã hóa

CHƯƠNG III: MATLAB TRONG MÃ HÓA BĂNG CON

(INSERT TUNG)

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Sự phát triển mạnh mẽ của Điện Tử - Viễn thông ngày càng yêu cầu cao

về tốc độ dữ liệu, chất lượng dịch vụ cũng như giá thành Việc xử lí tín

hiệu giúp ta có thể mã hóa tín hiệu đưa lên kênh truyền để có thể tiết kiệm băng thông giảm chi phí trong việc truyền đi xa mà vẫn đảm bảo được chất lượng tín hiệu Xuất phát từ vấn đề đó nhóm em chọn đề tài “ Matlab trong

mã hóa băng con” Đề tài tập trung phân tích mã hóa băng con và mô

phỏng ứng dụng của nó trên Matlab

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TS.Phạm Văn Bình đã hướng dẫn chúng em thực hiện tốt đề tài này

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Tìm hiểu chung về mã hóa băng con

Mã hóa băng con (subband coding) là một trong hai ứng dụng chính của lọc số nhiều nhịp được ứng dụng rất nhiều trong xử lí tiếng nói hay nén

dữ liệu Có rất nhiều phương pháp nén dữ liệu (có tổn hao) như: Điều

xung mã vi sai DPCM, điều xung mã PCM, lượng tử hóa vecto VQ, mã hóa biến đổi… Nhưng mã hóa băng con có ưu điểm mạnh là có thể nén dữ liệu hệ số rất lớn mà vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu cho phép Mã hóa

băng con là thuật toán để nén tín hiệu âm thanh , thuật toán dùng mô hình tâm lí thính giác để lượng tử hóa thích nghi chỉ những âm thanh mà tai

người nghe được Những thành phần tín hiệu dưới ngưỡng nghe tuyệt đối hoặc bị che bởi tín hiệu lớn hơn thì không được mã hóa

Tín hiệu âm thanh trong miền thời gian được lấy trong những

khoảng ngắn liên tiếp đưa vào băng lọc số Băng lọc số phân chia giải tần thành một số dải con nhất định Độ rộng và phân bố của các dải con càng gần với các dải tới hạn của tai người càng tốt Đồng thời các tín hiệu dải con lần lượt được đưa vào mô hình tâm lí thính giác Mô hình tâm lí thính giác đánh giá phổ của từng dải con, sau đó so sánh với ngưỡng nghe để loại bỏ thành phần mà tai người không nghe thấy

1.2 Bản chất của mã hóa băng con

Bản chất của mã hóa băng con là chia băng tần của tín hiệu thành nhiều băng con Để mã hóa cho mỗi băng con chúng ta sử dụng 1 bộ mã hóa và 1 tốc độ bit tương ứng với tính chất thống kê của băng con.

Trong miền biến đổi, các hệ số biến đổi không tương quan với nhau, nó tương đương như hình thức chuyển ma trận vuông thành ma trận đường chéo trong tín hiệu đồng biên Thuộc tính chuyển đổi ma trận này cũng tương tự như thuộc tính tích chập của biến đổi Fourier Nhiều biến đổi đạt được độ chính xác của phép chuyển đổi ma trận và do đó được dùng phổ biến như biến đổi cosin rời rạc, thiết kế băng con thíchhợp hoặc biến đổi sóng Lợi ích thứ

hai của biến đổi là các miền mới thường thích hợp hơn để lượng tử hóa Do

đó miền biến đổi có thể được phân bố lỗi trên đường truyền để ít gây lỗi hơn cho người sử dụng Ví dụ như trong việc mã hóa âm thanh và hình ảnh,

băng tần được sử dụng trong mã hóa băng con có thể tương tự như cơ chế điều khiển đã thực hiện trong tai người Điều này được khai thác để làm giảm

độ nhạy hay thậm chí là chắn giữa các dải Lợi ích thứ ba của mã hóa biến đổi

là giá cả thấp khi thiết kế Biến đổi giải nén được tính toán để sử dụng thuật toán biến đổi nhanh, lượng tử hóa trong miền truyền tải thường khá đơn giản,

mã hóa entropy được thực hiện dựa trên nền tảng mẫu

Những lợi ích trên đã dẫn đến việc nén tín hiệu đạt được hiệu quả để nén

âm thanh,hình ảnh, video…tuân theo các chuẩn (Mã hóa băng con 32kbps cho các tín hiệu tốc dộ cao như: âm thanh( 192), AC [34, 290], PAC [147], MUSI-CAM cho tín hiệu audio [77, 279], JPEG cho hình ảnh [148, 327], MPEG for video [173, 201])

1.3 Mục đích, ý nghĩa

Mục đích chính của mã hóa băng con là để nén tín hiệu làm giảm dung lượng lưu trữ mà vẫn đảm bảo được chất lượng Vậy trước hết ta cần phải hiểu nén

là gì?

Quá trình nén tín hiệu (Signal compession)

Nén tín hiệu là một trong những ứng dụng chính của xử lý số tín hiệu(DSP) Nén là quá trình coi việc mở rộng tín hiệu là cốt lõi Trong đó việc mở rộng tín hiệu rời rạc theo thời gian được thực hiện thông qua các bank lọc Khi mà các kênh của bank lọc được sử dụng để mã hóa, kết quả của quá trình đó được gọi là mã hóa băng con Khi mã hóa nguồn có thể được thực hiện dựa trên tín hiệu gốc việc đó có thể dễ dàng tìm được phép biến đổi thích hợp (phụ lục A)

Nhờ tính hiệu quả trên chúng ta có thể định nghĩa được một phép mã hóa phức tạp,việc nén được thực hiện tốt hơn

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÃ HÓA BĂNG CON

2.1 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng mã hóa băng con

Để đánh giá chất lượng của bức ảnh (hay khung ảnh video) ở đầu ra của bộ

mã hoá, người ta thường sử dụng hai tham số: Sai số bình phương trung bình

– MSE (mean square error) và tỉ số tín hiệu trên nhiễu đỉnh – PSNR (peak

to signal to noise ratio) MSE thường được gọi là phương sai lượng tử - σ2

q

(quantization error variance) MSE giữa ảnh gốc và ảnh khôi phục được tính

như sau:

Trong đó tổng lấy theo j, k tính cho tổng tất cả các điểm ảnh trong ảnh và N là

số điểm ảnh trong ảnh Còn PSNR giữa hai ảnh (b bít cho mỗi điểm ảnh,

RMSE là căn bậc 2 của MSE) được tính theo công thức dB như sau:

Thông thường, nếu PSNR ≥ 40dB thì hệ thống mắt người gần như không

phân biệt được giữa ảnh gốc và ảnh khôi phục Phương pháp trực quan trong việc mã hóa là so sánh phổ của tín hiệu đầu phát (vào) và thu (ra)

Một tham số khác hay sử dụng trong các hệ thông viễn thông đó là tỉ số

tín hiệu trên nhiễu - SNR , tuy vậy SNR sử dụng cho một hệ thống nén ảnh cũng có công thức dB như sau:

Vậy tỉ số SNR cũng ảnh hưởng nhiều nhất là đối với tín hiệu có nhiễu Nó ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu đầu thu Tùy vào yêu cầu thực tế mà SNR

có thể chấp nhận được sau mã hóa

2.2.3 Nhiễu và xử lí nhiễu trong việc mã hóa

Nhiễu là vấn đề rất quan trọng trong thông tin ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu, khi xử lí tín hiệu và khi truyền tín hiệu nhiễu làm gây méo tín hiệu hoặc xuất hiện tạp âm trong các thiết bị tái tạo lại thiết bị

Có 5 loại nhiễu :

_ Nhiễu trắng ( White Gaussian Noise)

_ Nhiễu xuyên âm ( Intersymbol Interference )

_ Nhiễu xuyên kênh ( Interchanel Interference )

_ Nhiễu đồng kênh ( Cochanel Interference )

_ Nhiễu đa truy nhập ( Multiple Access Interference )

Chúng ta tìm hiểu về Nhiễu trắng

Nguồn : Nhiễu trắng do thời tiết, bộ khuếch đại ở máy thu do nhiệt độ hay

do con người…

Do nhiễu trắng trải dài trên miền tần số và công suất đều đặn nên việc xử

lí tín hiệu phải có bộ lọc khôi phục loại bỏ nhiễu trắng Loại nhiễu này

được sử dụng để đưa vào mô phỏng trong Matlab và khôi phục ở bên thu

để được tín hiệu ban đầu

Thêm nhiễu trắng vào tín hiệu và xử lí sau mã hóa sử dụng Matlab:

Công thức:

y = awgn(x,snr)

y = awgn(x,snr,'measured')

y = awgn(x,snr) : thêm nhiêu trắng vào tín hiệu x ,

snr tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

y = awgn(x,snr,'measured'): Khôi phục lại tín hiệu

trước khi nhiễu trắng.

KẾT LUẬN

Sau quá trình mã hóa hệ thống xử lí thu được tín hiệu thành nhiều bank con và do đó làm giảm dung lượng mà nén tín hiệu, chất lượng tín hiệu

thu được như ban đầu ( có lọc nhiễu) Ưu điểm lớn của mã hóa băng con

là nén tín hiệu với hệ số lớn, chất lượng thu được đạt yêu cầu, ổn định, thực hiện chủ yếu dùng bộ lọc và lấy mẫu

Nhược điểm của kỹ thuật mã hoá băng con:

Một trong những vấn để chủ yếu của kỹ thuật mã hoá băng con đó là giải quyết bài toán cấp phát bít (là số bít cấp cho mỗi băng con) để đạt được hiệu suất cao nhất Một trong những cách thực hiện là sử dụng ý tưởng cấp phát bít tối ưu cho mỗi đầu ra băng con đã được lượng tử hoá Tuy nhiên cách này chủ yếu thích hợp cho trường hợp tốc độ cao (≥1bít/mẫu)

Chúng ta sẽ tổng kết một số nhược điểm của kỹ thuật mã hoá băng con như sau:

- Kỹ thuật mã hoá băng con không xác định được hệ thống mã hoá tối ưu cho các ứng dụng tốc độ bít thấp

- Việc cấp phát bít tối ưu sẽ thay đổi khi tốc độ bít tổng thay đổi, điều này làm quá trình mã hoá phải lặp lại hoàn toàn cho mỗi tốc độ bít xác định.111

- Không hoàn toàn giải tương quan cho tất cả các băng tần, đấy là do các

bộ lọc không phải là lý tưởng và có sự chồng chéo nhỏ giữa các băng tần liền

kề Do vậy luôn luôn tồn tại một sự tương quan nhỏ giữa các băng tần kề nhau và dữ liệu sẽ không được nén hoàn toàn

- Kỹ thuật mã hoá băng con không hiệu quả khi thực hiện bù chuyển động trong video vì rất khó để thực hiện đánh giá chuyển động ở các băng con (sai số dự đoán là rất lớn).11ghhghjhj

TÀI LIỆU THAM KHẢO :

Google.com

Xử lí tín hiệu và lọc số tập 2 _ Nguyễn Quốc Trung

Subband coding _2005

Wavelet and subband coding _ Martin Vetterli & Jelena Kovacevic

PHỤ LỤC