Esercizio 34segnali audio e video in PCM e probabilità d'errore massima sul canale (esercizio del corso)
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Testo (eserciziario di un corso UniPD equivalente). Un sistema di distribuzione digitale di segnale per sale cinematografiche trasporta un segnale video a tre colori, ciascuno con frequenza di campionamento MHz, e quattro segnali audio, ciascuno con frequenza di campionamento kHz. I due tipi di segnale sono prima quantizzati e poi inviati insieme su un unico canale binario. Per la riproduzione dei segnali si richiede di garantire un rapporto segnale/rumore di almeno dB per i segnali video e di almeno dB per i segnali audio. Calcolare:
- (3p) Il numero minimo di bit di quantizzazione richiesti per ciascun segnale video e audio (modellati con distribuzione uniforme).
- (3p) Il bit-rate (in bit/s) richiesto in trasmissione per ciascun tipo di segnale.
- (4p) La massima probabilità d'errore nel canale binario per garantire in ricezione i rapporti segnale/rumore richiesti (suggerimento: determinare la condizione più restrittiva tra i due segnali binari trasmessi).
Teoria usata: Trasmissione di segnali analogici per via digitale - SNR con errori sul canaleTrasmettere un segnale analogico in forma digitale (PCM) introduce due errori: la quantizzazione ($\Lambda_q\approx4^b$ per un segnale uniforme a fondo scala) e gli errori sui bit del canale. Con codice binario naturale e $P_{bit}$ piccola il flip del bit di peso $2^i\Delta$ produce un errore $\pm2^i\Delta$: la potenza dell'errore di canale è $P_{bit}\Delta^2\frac{4^b-1}3$ e l'SNR totale è $\Lambda_{PCM}=\frac{\Lambda_q}{1+4P_{bit}(4^b-1)}$. Si ha quindi una soglia: finché $4P_{bit}4^b\ll1$ vale la quantizzazione ($6$ dB/bit), oltre domina il canale e più bit non servono. Da $\Lambda_{PCM}$ richiesto si ricava la $P_{bit}$ massima.Trasmissione di segnali analogici per via digitale - SNR con errori sul canale →, SNR di quantizzazione e progetto del quantizzatoreL'SNR di quantizzazione è $\Lambda_q=\frac{M_a}{M_e}$. Con errore granulare uniforme e saturazione trascurabile vale $\Lambda_q=\frac{\sigma^2}{\Delta^2/12}=3\frac{\sigma^2}{V_{sat}^2},2^{2b}$, cioè $[\Lambda_q]{dB}=6{,}02,b+4{,}77+20\log{10}\frac\sigma{V_{sat}}$: ogni bit in più dà $+6$ dB. Per progettare: $V_{sat}$ dalla probabilità di saturazione ($V_{sat}=\sigma,Q^{-1}\left(\frac{P_{sat}}2\right)$ per un gaussiano), poi $b$ dall'SNR richiesto, arrotondando per eccesso.SNR di quantizzazione e progetto del quantizzatore →, Conversione A-D e D-A - campionamento, anti-aliasing e interpolazionePer trasmettere un segnale analogico in forma digitale lo si campiona (a frequenza $F_s\ge2B$, dopo un filtro anti-aliasing), lo si quantizza su $L=2^b$ livelli e si trasforma ogni livello in $b$ bit. Il bit-rate nominale è $R_b=F_s,b$. Al ricevitore si fa il percorso inverso e si interpola (con un filtro con risposta $T_s,\mathrm{rect}\frac f{2B}$ in teoria, con un mantenitore di ordine zero in pratica). La quantizzazione è l'unica operazione che introduce un errore irreversibile.Conversione A-D e D-A - campionamento, anti-aliasing e interpolazione →.
(1) Bit di quantizzazione
Segnale a distribuzione uniforme su : non satura mai e , cioè (Esercizio 9 · conversione A-D di un segnale uniforme e SNR di riferimento per la 64-QAM (tema d'esame degli anni precedenti)). Quindi Con questi bit gli SNR di sola quantizzazione sono dB (video) e dB (audio).
(2) Bit-rate
- Video (tre componenti di colore a MHz, bit): ( Mbit/s per colore).
- Audio (quattro segnali a kHz, bit): ( kbit/s per segnale).
Totale sul canale binario: Mbit/s.
(3) Probabilità d'errore massima
Gli errori sui bit del canale si sommano alla quantizzazione: con codice binario naturale
- Video: , (): .
- Audio: , (): .
I due segnali condividono lo stesso canale e quindi la stessa : vale la condizione più restrittiva, Con questa probabilità l'SNR del video sarebbe oltre dB; viceversa, se il canale avesse (limite del video) l'audio scenderebbe a dB, molto sotto i dB richiesti.
(Verificato con Python: e ; Mbit/s e Mbit/s; e ; la soluzione a mano dell'eserciziario scrive per l'audio, usando al posto di .)
Errori comuni
- Arrotondare i bit per difetto ( e ): con bit il video avrebbe dB dB.
- Moltiplicare il bit-rate per un solo segnale: video ha componenti, audio .
- Sommare gli SNR di quantizzazione e di canale in dB: si sommano le potenze degli errori.
- Usare (video) per tutto: l'audio, con più bit, richiede un canale molto migliore.
Versione ripasso
Testo. Video a colori ( MHz) e audio ( kHz) uniformi, PCM su un solo canale binario; SNR dB (video) e dB (audio): bit, bit-rate, massima.
- (1) (Trasmissione di segnali analogici per via digitale - SNR con errori sul canaleTrasmettere un segnale analogico in forma digitale (PCM) introduce due errori: la quantizzazione ($\Lambda_q\approx4^b$ per un segnale uniforme a fondo scala) e gli errori sui bit del canale. Con codice binario naturale e $P_{bit}$ piccola il flip del bit di peso $2^i\Delta$ produce un errore $\pm2^i\Delta$: la potenza dell'errore di canale è $P_{bit}\Delta^2\frac{4^b-1}3$ e l'SNR totale è $\Lambda_{PCM}=\frac{\Lambda_q}{1+4P_{bit}(4^b-1)}$. Si ha quindi una soglia: finché $4P_{bit}4^b\ll1$ vale la quantizzazione ($6$ dB/bit), oltre domina il canale e più bit non servono. Da $\Lambda_{PCM}$ richiesto si ricava la $P_{bit}$ massima.Trasmissione di segnali analogici per via digitale - SNR con errori sul canale →) : , .
- (2) Mbit/s; Mbit/s.
- (3) : video , audio ; vale il più stretto: .
- Errori: bit per difetto; un solo segnale nel rate; SNR in dB sommati; limite del video per tutto.