Modulation Multi-porteuses Compression MPEG 22 Mars 2012

Contenu du documentModulation Multi-porteuses I II III IV PRINCIPE ........................................................................................................... 2 FREQUENCES ORTHOGONALES .................................................................... 2 UN MODULATEUR OFDM .................................................................................. 4 INTERVALLE DE GARDE ................................................................................... 5

Compression MPEG I II III L'ENCODAGE MPEG ...................................................................................... 6 LES ALGORITHMES DE COMPRESSION MPEG.......................................... 7 LE FLUX MPEG:.............................................................................................. 8

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Modulation Multi-porteusesI PrincipeLa modulation multiporteuses permet de simplifier le problme de l'galisation dans le cas d'un canal slectif en frquence, c'est dire lorsque l'talement des retards est grand devant la dure d'un symbole . Le principe est de transmettre simultanment plusieurs symboles en parallle sur diffrentes porteuses. En modulant sur N porteuses, il est possible d'utiliser des symboles N fois plus longs tout en conservant le mme dbit qu'avec une modulation mono-porteuse. En choisissant une valeur assez grande pour N, la dure des symboles devient grande devant l'talement des retards, et les perturbations lies aux chos deviennent ngligeables. Dans le cas o on utilise la modulation multi porteuses, la bande de frquence alloue la transmission est partage entre les diffrentes porteuses. Ainsi chaque porteuse peut occuper une bande infrieure la bande de cohrence du canal.

II

Frquences orthogonales

Lefficacit spectrale est dfinit comme tant le dbit binaire par unit de frquence. On peut toujours transmettre un dbit important sur un canal si le signal modul a une efficacit spectrale grande. Pour que le signal modul ait une grande efficacit spectrale, il faut que les frquences des porteuses soient les plus proches possible. Ceci est vrifi si le spectre d'une porteuse est nul aux frquences des autres porteuses : porteuses orthogonales. Pour effectuer la modulation, on utilise une onde de forme rectangulaire. Le signal modul a pour spectre sous forme de sinus cardinal : Avec f la frquence de la porteuse. On remarque que ce spectre sannule pour les frquences : (f)( ( ( ) ) ) ( )

e

.

Alors est un espacement possible des frquences des diffrentes porteuses. Graphiquement, Si on prend par exemple 6 porteuses, la condition prcdente correspond la superposition des 6 spectres espacs de .

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Figure 1 : Superposition des spectres de 6 porteuses espaces de 1/TS

Pour la modulation OFDM, les signaux scrivent sous la forme :,

( )

(

)

(

)

Le signal modul sexprime sous la forme :

( )

(

,

,

( ))

,

est le

symbole transmis dans la

porteuse.

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III

Un modulateur OFDMRalisation dun metteur OFDM :

Ralisation d'un metteur OFDMRalisation dun rcepteur OFDM :

Ralisation d'un rcepteur OFDM

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IV

Intervalle de garde

Il est possible d'ajouter un espace entre les symboles OFDM, d'une dure suprieure l'talement des retards. Ainsi les derniers chos du symbole OFDM auront lieu durant cet intervalle dit "de garde", et le symbole OFDM suivant ne sera plus perturb par le prcdent. En pratique on choisit pour la taille de cet intervalle de garde une dure de l'ordre du quart de celle d'un symbole OFDM, ce qui reprsente un bon compromis entre diminution des erreurs et perte de dbit utile.

Intervalle de garde

Symbole OFDM

Symbole OFDM

Symbole OFDM

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La compression MPEGI L'encodage MPEGLes encodeurs MPEG partent d'une taille d'image compatible avec le standard MPEG choisi. C'est le rle du programme fournissant les donnes vido l'encodeur. Certaines applications d'encodage sont capables de raliser cette opration, mais cela ne rentre pas dans les attributions spcifies pour les encodeurs MPEG. Le flux MPEG contient un certain nombre de structures et d'lments comportant chacun leur propre label. Le flux consiste en une ou plusieurs pistes audio et un flux vido. Le flux vido est constitu de Group of Pictures ou GOP. On peut comparer un GOP une bande de film contenant une srie d'images conscutives. Chaque GOP est associ un timecode qui permet au dcodeur d'assurer la synchronisation. Chaque image (frame) du GOP est encode d'une des quatre faons possibles : MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 ou MPEG-7. Chacune de ces frames une fois encode est divise en Macroblocks. Un macrobloc est un groupe de 6 lments de base appels blocs, et le bloc lui-mme est un groupe de 8 x 8 pixels. Ce groupe peut contenir soit l'information chroma soit luma.

Aprs la mise l'chelle, (hors de l'encodeur ou par l'encodeur lui-mme), la premire action de l'encodeur consiste dcomposer l'image en ses composantes chroma (CrCb) et luma. Cette tape est appele la conversion YCrCb. Elle permet d'acclrer les tapes de calcul suivantes.

Une fois la dcomposition en Chroma et luma ralise, la composante CrCb sera rchantillonne deux fois moins vite. La thorie nous indique que l'il humain est nettement moins sensible la couleur qu' sa luminosit et cette opration n'entranera donc pas de diminution perceptible de qualit. Dans le dcodeur, le signal de chrominance subira un changement dchelle pour correspondre la rsolution de la luminance (Y) en terme de pixels.

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Lorsque cette tape aura t termine, les deux composantes de l'image seront divises en blocs. Chaque bloc est form de 64 pixels arrangs en matrices de 8 par 8. Ce bloc constitue l'unit de base sur laquelle l'algorithme de compression choisi sera appliqu. Selon le type d'image qui doit tre cr (frames I, B, P ou D), le bloc sera trait par l'algorithme de compression adapt. Une fois la compression ralise, l'encodeur crera les macro-blocs. Chaque macrobloc est compos de 4 blocs luma et 2 chroma (Cr Cb). Ces macroblocs vont tre rangs conscutivement dans le flux de sortie et stocks sur le support de sauvegarde.

II

Les algorithmes de compression MPEG

Le compresseur est ce qui rduira le plus les donnes. Son fonctionnement est aussi le plus complexe comprendre, du fait de son action la fois spatiale ( l'intrieur d'un bloc) et temporelle (entre les blocs identiques dans diffrentes frames). Il existe 4 algorithmes d'encodage possibles dans le standard MPEG : I frame ou compression Intra frame :

Cette image est encode sans rfrences aux images environnantes. Ceci ncessite une grande place de stockage. Le systme de compression est identique la compression JPEG. P frame ou compression par Prdiction de frame :

Ces images sont encodes en utilisant des algorithmes de compensation de mouvement dcrivant les diffrences par rapport l'image prcdente. B frame ou compression Bi-directionnelle :

Les frames de type P et B sont appeles des inter-frames ( ne pas confondre avec Intra frame). Cette image est encode en utilisant l'interpolation entre la prcdente I frame et la frame P suivante. D frame ou compression DC frame :

C'est une image o seuls les composants basse frquence sont stocks. (Les dtails sont limins pour obtenir une compression maximale. Ces images sont utilises seulement pour la recherche en avance et recul grande vitesse. Le MPEG utilise des algorithmes de compression : la compression temporelle et la compression spatiale.1. La compression temporelle :

Recherche les blocs identiques dans les images conscutives et utilise des algorithmes de prdiction et d'estimation de trajectoire pour rduire l'information stocke. L'image prdite est l'image prcdente modifie en fonction de l'estimation du mouvement. Ces prdictions se situent au niveau des macro-blocs. L'interpolation d'image gnre une forte compression puisqu'elle considre l'image comme une moyenne entre l'image prcdente et l'image suivante.

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2. La compression Spatiale :

Elle a pour principe de comparer les blocs et agir la faon d'un compresseur JPEG. Le moteur de compression spatiale va scruter chaque macro-bloc et dterminer l'information absolument ncessaire au maintien de la rfrence visuelle. Les variations subtiles de couleur seront limines pour gagner de l'espace de stockage. L'image ci-contre gauche est une image couleur 24 bit alors que l'image sur la droite est une image 8 bit seulement, en zoomant, on voit clairement la diffrence. Cependant, comme le moteur travaille bloc par bloc les bords peuvent tre distordus et les blocs peuvent devenir visibles dans l'image. Pour viter ce travers, certains compresseurs MPEG filtrent l'image en premier lieu pour l'adoucir avant de l'envoyer au moteur de compression.

III

Le flux MPEG:

Une fois l'image de sortie cre, elle a encore un long chemin parcourir avant de constituer un flux MPEG qui pourra tre stock. Le flux vido doit tre combin avec un ou plusieurs (stro) flux audio et multiplex. Le multiplexage consiste crire les pistes audio et vido dans le mme fichier en utilisant des pointeurs indiquant le dbut de chacune dans le fichier. Le lecteur pourra retrouver les donnes ncessaires lors de l'accs au disque et les extraire.

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