Liên kết mã nguồn và mã kênh

Liên kết mã nguồn và mã kênh Nguyễn Thị Mai Trường Đại học Công nghệ Luận văn ThS ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Người hướng dẫn: T PGS.TS. Trịnh Anh Vũ Năm bảo vệ: 2012

Liên kết mã nguồn và mã kênh Nguyễn Thị Mai Trường Đại học Công nghệ Luận văn ThS ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Người hướng dẫn: T PGS.TS. Trịnh Anh Vũ Năm bảo vệ: 2012 Abstract: Tổng quan về mã kết hợp nguồn – kênh: quan điểm mã tách biệt theo định lý Shannon; yêu cầu phát triển mã kết hợp nguồn kênh, một số kỹ thuật mã kết hợp. Tìm hiểu về mã nguồn nén ảnh JPEG: cấu trúc file ảnh; kỹ thuật nén JPEG; phân loại tham số DC và AC. Tìm hiểu mã kênh Turbo đa tốc: mã chập; sơ đồ khối mã Turbo đa tốc theo kiểu đục lỗ. Trình bày liên kết mã nguồn mã kênh: kịch bản mô phỏng, tiêu chuẩn đánh giá và kết quả mô phỏng. Keywords: Kỹ thuật điện tử; Mã nguồn; Mã kênh; Kỹ thuật truyền thông Content Trong những thập kỷ qua truyền thông tốc độ có nhu cầu ngày càng cao. Với sự tích hợp của công nghệ không dây và các dịch vụ đa phương tiện truyền tải hình ảnh chất lượng cao và video đã trở thành một trong những mục tiêu chính cho các thế hệ (3G và 4G) của hệ thống mạng điện thoại di động. Định lý tách Shannon cho thấy: trong điều kiện lý tưởng, mã nguồn và mã hóa kênh có thể được xử lý riêng mà không bị mất bất kỳ hiệu suất cho toàn bộ hệ thống. Tuy nhiên, định lý này chỉ đúng trong điều kiện lý tưởng: mã nguồn có kích thước vô hạn, mã kênh dài vô hạn và không hạn chế thời gian trễ. Hệ thống thông tin thực tế không đáp ứng các yêu cầu như vậy. Vì vậy, liên kết mã nguồn và mã kênh có thể làm giảm méo tín hiệu cũng như hạn chế thời gian trễ. Có nhiều kỹ thuật sử dụng cho liên kết mã nguồn và mã kênh. Chống lỗi không đồng đều (UEP) sử dụng mã kênh Turbo là một trong những kỹ thuật cho hiệu quả truyền ảnh cao được sử dụng trong liên kết mã nguồn – mã kênh. Với những lý do trên và đồng thời dựa vào trang thiết bị hiện có của phòng thí nghiệm tôi đã chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là: “Liên kết mã nguồn và mã kênh” Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có ba chương với nội dung như sau: Chương 1: Tổng quan về mã kết hợp nguồn – kênh Chương 2: Mã nguồn nén ảnh JPEG Chương 3: Mã kênh Turbo đa tốc Chương 4: : Mã kết hợp nguồn kênh CHƢƠNG 1 Tổng quan về mã kết hợp nguồn-kênh 1.1.Quan điểm mã tách biệt theo định lý Shannon 1.1.1. Mô hình mã tách biệt Lý thuyết mã hóa Shannon cho rằng: có thể xây dựng một hệ thống thông tin tối ưu với mã nguồn và mã kênh riêng biệt. Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin truyền thống như sau: 1.1.2. Mã nguồn 1.1.2.1. Khái niệm Entropi 1.1.2.1.1. Đối với nguồn không nhớ rời rạc. Entropi (H) là lượng tin trung bình chứa trong một ký tự bất kỳ của nguồn tin. Với nguồn không nhớ, Entropi được tính theo công thức: (2.1) Informatin Source Noisy Channel Informatin Destlation Source Encoder Channel Encoder Modulator Separate Desgin Channel Coding Channel Decoder Demodulat or Joint Desgin Source Coding Source Decoder Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống thông tin truyền thống. )]([log ) )( 1 log)(()( XE x xXH P P P x x xn x     1.1.2.1.2. Đối với nguồn có nhớ rời rạc Với nguồn có nhớ, Entropi được tính theo công thức: (2.2) 1.1.2.2. Định lý mã nguồn Shanon Định lý mã nguồn chỉ ra rằng, số bít trung bình để mã hóa một ký tự từ nguồn rời rạc không nhớ ít nhất phải bằng entropi của nguồn thì tín hiệu ở phía thu không bị biến dạng 1.1.3 Mã kênh 1.1.3.1 Thông tin tƣơng hỗ Thông tin tương hỗ là lượng bất định ở lối vào, được phân giải bởi quan sát ở lối ra. 1.1.3.2.Định lý Mã kênh Định lý mã kênh cho thấy chỉ có thể truyền tin cậy nếu tốc độ truyền nhỏ hơn dung năng của kênh. 1.2. Yêu cầu phát triển mã kết hợp nguồn kênh Định lý mã kênh Shanon: Định lý mã kênh cho thấy chỉ có thể truyền tin cậy nếu tốc độ truyền nhỏ hơn dung năng của kênh. Định lý mã nguồn chỉ ra rằng, số bít trung bình để mã hóa một ký tự từ nguồn rời rạc không nhớ ít nhất phải bằng entropi của nguồn thì tín hiệu ở phía thu không bị biến dạng. Từ định lý mã nguồn, định lý mã kênh của Shanon cho thấy: kỹ thuật mã tách biệt chỉ đúng với khối mã dài và trễ không bị hạn chế. Điều này không đúng với thực tế, nhất là đối với các dịch vụ thời gian thực. Do đó nếu thiết kế kết hợp và phân phát tài nguyên hệ thống tối ưu cho các phần mã nguồn, mã kênh có thể cung cấp hiệu quả tốt hơn.: Điều này mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới là: mã hóa và giải mã kết hợp nguồn-kênh (JSCC/D) cho truyền tin vô tuyến được nghiên cứu và phát triển trong những năm gần đây. Sơ đồ khối của kỹ thuật này có thể trình bày như sau: . )]|([ )|( 1 ),()|( | , 2 log log YXE YX yxYXH P P YX xy YyXx     Channel Source Coding Channel Coding Modulater SSI JSCC Controller CSI 1.3 . Một số kỹ thuật mã kết hợp 1.3.1. Ứng dụng UEP để truyền hình ảnh sử dụng mã kênh Turbo UEP là kỹ thuật chống lỗi không đồng đều. Như đã nói ở trên, trong nhiều ứng dụng nén đa phương tiện (mã nguồn), các bít đầu ra của bộ mã có tác động khác nhau về chất lượng của nguồn tái tạo, một số chuỗi bít đóng góp nhiều hơn cho độ trung thực của hình ảnh và nhạy cảm hơn với các lỗi bít, một số bít thì ngược lại. Do đó một kỹ thuật trực quan là áp dụng chống lỗi mạnh mẽ hơn cho các bít có tác động mạnh hơn tới chất lượng của tín hiệu. Khái niệm này tương ứng với việc thay đổi mức bảo vệ của những bít này. 1.3.2. Phân bố tốc độ tối ƣu mã nguồn kênh Đối với tốc độ truyền cố định, điều quan trọng là phân phối tốc độ cho mã nguồn và mã kênh. Tốc độ mã nguồn cao, méo do nén nguồn sẽ ít còn tốc độ mã kênh thấp cho khả năng hiệu chỉnh lỗi mạnh. Ưu điểm của phân phối tốc độ tối ưu cải thiện toàn thể chất lượng tín hiệu mà không mở rộng băng tần. Thực tế cho thấy nên phân tốc độ mã kênh cao khi SNR thấp, còn nên phân tốc độ mã nguồn cao khi SNR cao. Tuy nhiên chiến lược phân tối ưu tùy thuộc các tham số khác nhau: loại nén nguồn, loại mã kênh, mô hình kênh, SNR và độ rộng băng. 1.3.3. Mã nguồn-kênh liên kết ràng buộc Trước tiên mã nguồn được thiết kế tối ưu như kênh không ồn. Khi kênh có ồn mã nguồn được tối ưu lại đối với điều kiện kênh đã cho: các bộ mã nguồn nhúng như tập các phần trong cây phân cấp hay bộ mã JPEG-2000 dựa trên tính chất nhúng cho phép người dùng mã vào khôi phục nguồn tăng dần từng bậc khi kênh không ồn. Vì thế một bộ mã nguồn nhúng có thể được dùng để đạt được việc truyền ảnh lũy tiến, nó cho phép bộ giải mã và khôi phục lại nguồn tại các tốc độ khác nhau từ dòng bít cố định tốc độ giống nhau. Dẫu rằng tính chất nhúng là mong muốn cho truyền ảnh lũy tiến, song nó làm cho dòng bit dễ bị lỗi. 1.3.4. Kỹ thuật dựa trên dƣ thừa nguồn Quan sát rằng không có mã nào loại bỏ hết dư thừa làm cơ sở phương pháp này. Có 2 loại dư thừa: 1 là dư thừa do phân bố không đều các ký hiệu nguồn mã, loại 2 là dư thừa do tương quan giữa các ký hiệu nguồn mã. Kỹ thuật JSCC trong trường hợp này không cố gắng loại bỏ dư mà sử dụng dư này như một dạng mã kênh ẩn mà không cần một bộ mã kênh hiện. 1.3.5. Giải mã nguồn kênh đƣợc nguồn trợ giúp Với mã hóa nguồn, căn cứ vào đặc tính thống kê có thể tiên nghiệm được thông tin bên phía thu. Nguồn mà có thể cung cấp thông tin tiên nghiệm này thu được khi giải mã nguồn- kênh. Mã Tubo cung cấp phương pháp hiệu quả thông qua thuật toán giải mã BCJR để tích hợp nguồn mà có thể cung cấp thông tin tiên nghiệm. Hệ thống giải mã Turbo dựa trên thay đổi thông tin bên ngoài để xử lý nguồn nhị phân không nhớ với phân bố xác suất không đều. Một phương pháp kết hợp nguồn kênh sử dụng mã hóa Turbo trên vòng Modulo M, với M là kích thước của bộ mã nguồn. Thông tin tiên nghiệm dựa trên thống kê nguồn thu được từ lượng tử hóa DPCM. Mối tương quan còn lại giữa các mã DPCM thu được thông qua lặp đi lặp lại giải mã nguồn kênh. 1.3.6. Giải mã liên kết nguồn kênh của nguồn mã VLC Giải mã liên kết nguồn kênh của nguồn mã VLC là một kỹ thuật được phát triển mạnh trong những năm gần đây. VLC được sử dụng phổ biến như mã Entropy cho các chuẩn mã hóa ảnh và video, vì vậy giải mã liên kết nguồn kênh của nguồn mã VLC là kỹ thuật được ứng dụng nhiều trong truyền thông hình ảnh và video. Mã ảnh dùng mã độ dài thay đổi như mã có chiều dài thay đổi (VLC). VLC được dùng ở tầng cuối bộ mã để loại bỏ dư thừa thống kê từ nguồn tương quan. Mã VLC có hệ số nén cao, song ngược lại nó rất nhạy với ồn, thậm chí một bit lỗi có thể làm cho các bit còn lại không dùng được, nếu như không có yếu tố khác khôi phục lại đồng bộ trong bộ giải mã độ dài thay đổi. Kết luận: Trong chương này nêu các khái niệm cơ bản của mã tách biệt và mã kết hợp mã nguồn kênh và một số kỹ thuật của kết hợp cơ bản. Chƣơng 2: Mã nguồn nén ảnh JPEG 2.1 Cấu trúc file ảnh Có nhiều định dạng file ảnh như: BPM, PCX, JPEG,…. Tất cả các định dạng file ảnh này đều có cấu trúc chung. Cấu trúc chung của một file ảnh bao giờ cũng có ba phần cơ bản là phần đầu (header), bảng màu (palette) và dữ liệu (data). Một vài ảnh được sử dụng trong Windows hay XWindows để tạo giao diện như Icon, Cursor . thì có thêm phần nhận dạng resource (resource id). 2.1.2.1. Phần header Phần header cho biết các thông tin về bản thân ảnh như chiều dài, chiều rộng, vị trí bắt đầu hiện trên thiết bị (màn hình, máy in, máy vẽ .), số màu ., và cho biết về cấu trúc file ảnh như kiểu nén dữ liệu, vùng bắt đầu dữ liệu, vị trí bảng màu . 2.1.2.2. Bảng màu Phần bảng màu dùng để lưu trữ mô tả theo dạng Red - Green - Blue cho tập hợp các màu dùng trong ảnh. Sở dĩ cần có bảng màu cho mỗi ảnh vì số màu thể hiện được trên thiết bị hiện nay còn hạn chế, cụ thể là trên màn hình VGA và Super VGA chỉ có 256 màu (màn hình 16 triệu màu còn chưa phổ biến). Trong khi đó các ảnh tự nhiên màu sắc lại rất phong phú và khi được đưa vào máy tính dưới dạng ảnh màu thì mỗi ảnh lại sử dụng một tập hợp màu khác nhau. Vì vậy, để có thể lưu trữ, hiển thị và xử lý trên các ảnh, người ta quyết định việc lưu trữ và hiển thị mỗi màu dưới dạng một chỉ số X nào đó, mà cách thể hiện của màu mang chỉ số X này được quyết định bởi giá trị của thành phần thứ X trong palette màu 2.2 Kỹ thuật nén JPEG 2.2.1. Giới thiệu chung về nén ảnh số Tín hiệu ảnh, video có thể nén được vì : Có sự tương quan (dư thừa) thông tin về không gian, thời gian, thông tin về phổ. Nén dữ liệu của hệ thống gồm: quá trình nén ở phía phát và giải nén ở phía thu. Quá trình nén gồm ba bước chính: rời rạc, lượng tử và mã hóa Entropy. Sơ đồ khối của bộ mã hóa và giải mã JPEG. 2.2.2. Phân loại các phƣơng pháp nén ảnh/video 2.2.2.1. Nén ảnh có tổn hao và nén ảnh không tổn hao Trên cơ sở lý thuyết thông tin, nén ảnh, video gồm hai loại: nén tổn hao và nén không tổn hao. Nén không tổn hao, tín hiệu được tái tạo không sai khác so với bản gốc, tuy nhiên phương pháp nén này không mang lại hiệu quả nén cao. Với phương pháp nén tổn hao, tín hiệu tái tạo bị suy giảm so với bản gốc vì một số thông dư thừa bị loại bỏ trong quá trình nén. 2.2.2.2. Mã hóa dựa trên phép biến đổi và mã hóa tiên nghiệm Mã hóa tiên nghiêm, dựa trên mối tương quan về không gian giữa các điểm ảnh trong một hình ảnh. Đối với mã hóa tiên nghiệm các giá trị mang thông tin đã được gửi đi hay đang sẵn có sẽ được sử dụng để dự đoán các giá trị khác và chỉ mã hóa sự sai lệch giữa chúng. Phương pháp này đơn giản và rất phù hợp với đặc tính cục bộ của bức ảnh Kỹ thuật DPCM là kỹ thuật mã hóa tiên nghiệm tiêu biểu. Trong khi đó mã hóa biến đổi được thực hiện như sau: trước tiên là thực hiện phép biến đổi với ảnh để chuyển sự biểu diễn của ảnh từ miền không gian sang một miền biểu diễn khác. Các phép biến đổi thường là: DCT- biến đổi cosin rời rạc, DWT- biến đổi Wavelet rời rạc. Sau đó thực hiện mã hóa các hệ số biến đổi đó khác dựa trên phép biến là chuyển đổi thông tin thị giác từ miền không gian sang miền tần số như Cosin rời rạc hay biến đổi dạng sóng và sau đó mã hóa hệ số chuyển đổi đó. 2.2.2.3. Mã hóa băng con Bản chất của kỹ thuật mã hóa băng con là chia băng tần của tín hiệu ảnh thành nhiều băng con. Để mã hóa cho mỗi băng con, sử dụng một bộ mã hóa và một tốc độ bít tương ứng với tính chất thống kê của băng con. Chuỗi bit nén DCT Lượng tử Mã hóa Entropy Bảng lượng tử Bảng mã Huffman Khối con 8x8 Dữ liệu hình ảnh thô Hình 2.1: Sơ đồ khối của quá trình mã hóa JPEG 2.2.2.4. Tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng mã hóa ảnh Để đánh giá chất lượng của bức ảnh ( hay khung ảnh video) ở đầu ra bộ mã hóa thường sử dụng hai tham số: sai số bình phương trung bình – MSE ( Mean Square Error) và tỷ số tín hiệu trên nhiễu đinh – PSNR (peak to signal to noise radio). MSE giữa ảnh gốc và ảnh khôi phục được tính như sau:     Kj kgkjfMSE , 2 ]),],[( 1 4 2  (2.1) Trong đó tổng lấy thoe j,k tính tổng tất cả các điểm ảnh trong ảnh và N là số điển trong ảnh. Còn PSNR giữa hai ảnh (b bit cho biết mỗi điểm ảnh, RMSE là căn bậc 2 của MSE) được tính theo công thức dB như sau:   2.2 1 20 2 log 10   b RMSE PSNR Thông thường, nếu PSNR  40dB thì hệ thống mắt người gần như không phân biệt được giữa ảnh gốc và ảnh khôi phục. Một tham số khác hay sử dung trong hệ thống viễn thông là tỷ số tín hiệu nhiễu – SNR, tuy vậy SNR sử dụng trong hệ thống né ảnh cũng có công h thức dB như sau:   3.210 log 10 ynoiseenerg utenergyEncoderinp SNR  2.2.3. Mã hóa dựa trên phép biến đổi DCT Một phép biến đổi là một hàm toán học được sử dụng để biến đổi một tập các giá trị này thành một tập các giá trị khác và tạo ra một cách biểu diễn mới của cùng một nguồn tin. Tất cả các phép biến đổi này đều là không tổn hao, với sự chính xác của các phép toán số học thì các phép biến đổi vẫn bảo toàn được độ chính xác ở bất kỳ mức độ nào. Nhưng hầu hết các kỹ thuật mã hóa đều tổn hao ở bước lượng tử hóa do có sự là tròn giá trị các hệ số trong phép biến đổi. Hình 2.2: Sơ đồ khối của hệ thống chuyển đổi mã 2.2.3.1. Chuyển đổi không gian màu Mã hóa hình ảnh bắt đầu từ những đại diện màu sắc. Một phổ rộng được tạo ra từ ba không gian màu cơ bản: đỏ, xanh lá cây, xanh dương (R, G và B), kết hợp ba màu cơ bản này có thể tạo ra các màu sắc tùy ý. Để áp dụng kỹ thuật mã hóa dựa trên phép biến đổi DCT trước hết phải chuyển sang chế độ màu YUV. Một không gian màu khác YUV, Y đại diện cho thành phần độ sáng( độ chói), UV đại diện cho thành phần sắc độ. Không gian màu YUV được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền hình như chuẩn PAL và SECAM. YCbCr là không gian màu tương ứng với kỹ thuật số, Cb và Cr tương ứng với thành phần UV của tín hiệu tư¡ng tự. 2.2.3.2. Biến đổi Cosin rời rạc hai chiều. Phép biến đổi cosin rời rạc- DCT là biến đổi thông tin ảnh từ miền không gian sang miền tần số để có thể biểu diễn dưới dạng gọn hơn. Một hình dạng hai chiều có thể được biểu diễn sang miền tần số. Mắt người nhạy cảm hơn với các thành phần tần số thấp và ít nhạy cảm với các thành phần tần số cao của môt ảnh. Biến đổi cosin rời rạc hai chiều được sử dụng để tập trung năng lượng vào một số ít thành phần ảnh tần số thấp. Biến đổi DCT và IDCT 8 mẫu tạo thành các ma trận 8x8 theo công thức:                      .1 021 )( 10.2, 16 )12( cos 16 )12( cos),()()( 4 1 ),( 9.2, 16 )12( cos 16 )12( cos),()()( 4 1 ),( 0 0 0 0 otherwies x xCwhere vjut vuFvCuCjt vxux ftvCuCvuF u v t f        2.2.4. Lƣợng tử Quá trình lượng tử hóa dựa trên đặc điểm sinh lý của mắt người: cảm nhận hình ảnh có độ nhạy kém hơn ở các tần số cao và có độ nhạy tốt hơn ở các hệ số có tần số thấp. vì thế các hệ số được chọn sao cho thực hiện lượng tử hóa thô với các hệ số tần số cao và sử dụng lượng tử hóa tinh với các thành phần tần số thấp. Bảng lượng tử hóa được tỷ lệ để tạo ra các mức nén thay đổi tùy theo tốc độ bít và chất lượng ảnh. Việc lượng tử hóa tạo ra rất nhiều giá trị 0 đặc biệt ở tần số cao. Để tận dụng ưu điểm các hệ số lượng tử có giá trị gần bằng 0, mảng hai chiều các hệ số đã được lượng tử sẽ được sắp xếp theo hình ZigZag tạo thành mảng 1 chiều. Cách sắp xếp này cho phép giảm thiểu năng lượng tổn hao trung bình và tạo ra dãy liên tiếp các giá trị bằng 0. Theo cách sắp xếp này tạo ra sự tách biệt giữa các hệ số DC và AC, để các hệ số DC có thể sử dụng điều chế xung mã vi sai ( DPCM). Hình 2.3: Mô hình quét Zig-Zag 2.2.5. Mã hóa Entropy Các thành phần DC và AC được mã hóa với kỹ thuật khác nhau. Dựa trên đặc tính thống kê, JPEG sử dụng mã Huffman làm mã entropi. Trên cơ sở đặc điểm phân bố hệ số lượng tử DCT, sử dụng một hoặc nhiều tập hợp bảng mã Huffman để nén dữ liệu cho gần hơn với dữ liệu ngẫu nhiên. Trong bảng mã Huffman, những mã dài hơn thì biểu diễn cho ký tự lặp lại ít, những mã ngắn hơn thì biểu diễn cho những ký tự lặp lại nhiều lần