36ACS A/C systémy

Předmět A/Č systémy přednáší Doc.Ing. Miroslav Šnorek, CSc.

Otázky z předmětu D36ACS a 36ACS ve šk. roce 2006/07[]

1. Vysvětlete pojmy spojitý, diskrétní signál, PCM, odstup signál-šum, kvantizační šum, aliasing.[]

Spojitý signál je fyzikální veličina, která je funkcí času a nabývá nespočetně mnoha hodnot nějakého intervalu.
Diskrétní signál je posloupnost hodnot signálu změřených nejčastěji v pravidelných krocích daných vzorkovacím intervalem. Nabývají konečně mnoha hodnot z nějakého intervalu.
PCM (Pulsně kódová modulace) -- je modulační metoda převodu analogového zvukového signálu na signál digitální. Princip PCM spočívá v pravidelném odečítání hodnoty signálu pomocí A/D převodníku a jejím záznamu v binární podobě. Závisí na vzorkovacím kmitočtu a na rozlišení A/D převodu (např. 8, 10, 12 bitů).
Odstup signál-šum (Signal to Noise Ratio) je poměr mezi amplitudou užitečného signálu a šumu, měří se kvůli velikosti často v decibelech (logaritmicky). Je definován jako poměr intenzit ('amplitud') na výstupu bez signálu (je přítomen jenom šum) A_sum a se signálem 400 Hz při plném promodulování a dosažení maximálního zesílení daného výrobcem A_signal.

{\displaystyle \mathrm{SNR (dB)} = 20 \log_{10} \left ( {A_\mathrm{signal} \over A_\mathrm{sum}} \right ) }

Kvantizační šum -- Pokud bychom vynesli velikosti chyb od jednotlivých vzorků do grafu, získali bychom náhodný signál, kterému se říká kvantizační šum. Velikost šumu je zvykem vyjadřovat jako poměrné číslo v decibelech, a sice jako poměr užitečného signálu k šumu. Protože číslo ve jmenovateli zlomku - kvantizační chyba je u všech lineárních převodníků stejná (interval +1/2 až -1/2 kvantizační úrovně), závisí velikost kvantizačního šumu jen na čitateli zlomku, tedy na velikosti užitečného signálu, což je maximální počet kvantizačních úrovní daného převodníku.
Aliasing ("faleš") je jev, ke kterému dochází při vzorkování, kdy se spojitá informace převádí na diskrétní (nespojitou) a kdy není dodržen vzorkovací teorém (Nyquist-Shannon-Kotelnikov). Frekvence signálu vyšší než je polovina frekvence vzorkovací jsou při rekonstrukci zfalšovány na jiné (původně neexistující), které teorému vyhovují.

2. Operační zesilovač: vlastnosti ideálního OZ, vlastnosti reálného OZ. Zapojení sumátoru, integrátoru.[]

Ideální operační zesilovač[]

Nekonečné zesílení bez zpětné vazby (v otevřené smyčce)
Nekonečná vstupní impedance
- Do neinvertujícího a invertujícího vstupu neteče žádný proud
Nulová výstupní impedance
- Výstup je možné libovolně zatěžovat
Virtuální zkrat
Nekonečná šířka pásma

Reálný operační zesilovač[]

Zesílení v otevřené smyčce
- Závislé na frekvenci
Vstupní impedance: od 0.2 MΩ do 1 GΩ
Vstupní proud: od 0.1 pA do 9999 pA
Diferenciální napětí: jednotky mV

Integrační zesilovač[]

Integrační zesilovač provádí integraci (invertovaného) vstupního signálu podle času. Výstupní napětí se vypočítá podle vztahu:

U_{vyst} = \int_0^t - {U_{vst} \over RC} \, dt + U_{poc}

kde

U_{poc}\,

je počáteční napětí, které bylo na výstupu v čase

t_0\,

Integrační zesilovač se mimo jiné dá použít jako filtr, konkrétně dolní propusť: Po přidání resistoru $R_2$ paralelně k C (oproti obrázku) je hraniční frekvence:

f = \frac {1}{2 \pi R_2 C}

A zesílení v propustném pásmu je tradiční: $\tfrac {-R_2}{R}$ .

Sumátor[]

Sčítací zesilovač sčítá napětí na jednotlivých vstupech, přičemž výsledek je invertovaný. V obecném případě platí pro výstupní napětí vztah:

U_{vyst} = - R_{z} \left( { U_1 \over  R_1 } + { U_2 \over R_2 } + \cdots + {U_n \over R_n} \right)

Pokud jsou hodnoty odporů $R_1 = R_2 = \cdots = R_n$ shodné, ale odpor $R_Z\,$ je nezávislý, pak platí:

U_{vyst} = - \left( {R_Z \over R_1} \right) (U_1 + U_2 + \cdots + U_n ) \,

Jsou-li všechny odpory shodné, pak:

U_{vyst} = - ( U_1 + U_2 + \cdots + U_n ) \,

Vstupní impedance jednotlivých vstupů jsou $Z_n = R_n\,$ , protože ( $U_-\,$ je plovoucí zem).

Další zapojení s OZ
Početní příklady zapojení s OZ (PDF)
Pro fajnšmekry: Komentovaný vnitřek OZ 741 (en)

3. Aktivní filtry. Realizace filtru (např. 2.řádu) s jedním OZ.[]

Aktivní filtry jsou filtry využívající aktivní součástky pro vytvoření přenosových funkcí s požadavkem závislosti na frekvenci. V současnosti se jako aktivní prvky používají výhradně operační zesilovače (OZ). Dosažitelná kmitočtová oblast je shora omezená použitým OZ (v praxi do 1MHz), zdola není použití aktivních filtrů omezeno. Výhodou aktivních filtrů je konstrukce bez cívek a dosažení příznivých hodnot vstupní a výstupní impedance, což dovoluje kaskádní řazení filtrů. Pro kaskádní řazení platí $F(p) = F_1(p) \cdot F_2(p) \cdot ... \cdot F_n(p)$ kde $F_1$ až $F_n$ jsou přenosové funkce jednotlivých článků, n je počet článků v kaskádě a F je výsledná přenosová funkce.

Řád filtru udává, kolikrát strmější je pokles přenosu za hraniční frekvencí (u dolní propusti) oproti standardním 20 dB na dekádu, což odpovídá 6 dB/oktávu (filtr 2. řádu má 40 dB/dekádu (= 12 dB/oktávu) atd.). Oktáva znamená frekvenční interval, kde spodní mez je polovina meze horní.

Zadání otázky lze realizovat zapojením Sallen - Key, jeho hraniční frekvence pro obrázek vpravo:

f_c = \frac {1}{2 \pi \sqrt{R R C C}}

Vyššího řádu lze docílit sériovým zapojením více bloků RCRC před OZ.

Aktivní filtry (PDF)

4. Při diskretizaci spojitého signálu vznikají chyby. Vysvětlete jejich podstatu, naznačte jak je možné je potlačit. Co způsobují?[]

Kvantizační chyba -- je způsobena malým rozlišením A/D převodníku, např. 8 bitový převodník může v rozsahu 0 až 5 V rozlišit amplitudu v kvantizačních krocích $5/2^8 \doteq 19,5$ $5/2^{8}\doteq 19,5$ mV, A/D převodník je zatížený chybou danou polovinou této hodnoty, tedy $\pm 9,7$ $\pm 9,7$ mV.
- Potlačení: zvýšení rozlišovací schopnosti A/D převodu.
Aliasing ("faleš", viz jiná otázka) -- pokud vzorkovací frekvence není dostatečně vysoká (= není splněno vzorkovací kritérium), potom vzorky signálu složek s vyšší frekvencí budou při zpětném převedení na analogový signál působit rušivě a nevratně.
- Potlačení:
  - zvýšení vzorkovací frekvence
  - zařazení dolní propusti na vstup.

5. Co to jsou aktivní analogové filtry, k čemu se používají? Aktivní filtr 5. řádu lze realizovat mnoha způsoby. Kolik při tom budete potřebovat (nejméně, nejvýše) operačních zesilovačů? Jednotlivé varianty vašeho návrhu zdůvodněte![]

Filtry jsou obvody určené k potlačení nebo naopak zvýraznění některé části frekvenčního spektra. Aktivní filtr tvoří OZ zesilovač a pasivní součástky R a C, oproti pasivním filtrům mají možnost nastavení zesílení filtrovaného signálu.

Realizace filtru 5. řádu[]

Jedna z možností je následující, kaskádně spojené filtry 1. řádu, 2. řádu a 2. řádu:

Další možností jsou kombinace různých filtrů 1. a 4. řádu nebo 2. a 3. řádu, ovšem u filtrů s větším řádem jsou vyšší nároky na přesnost a stabilitu hodnot součástek, proto je výhodnější řazění filtrů menších řádů.

6. Vysvětlete pojem „filtry se spínanými kapacitami“.[]

U klasických filtrů lze velmi složitým způsobem měnit jejich parametry, především pak přeladění jejich kmitočtových vlastností. Nabízí se jiná, lépe integrovatelná možnost: Periodicky přepínaný kondenzátor simulujíci rezistor. Přeladění filtru (jeho frekvence zlomu) se dociluje jednoduše změnou přepínacího kmitočtu. Proto jsou tyto filtry v literauře označovány jako SCF (switching capacitors filtres). Princip spočívá ve střídavém nabíjení kapacitoru během konstantní periody.

Ekvivalentní fiktivní rezistivita je potom

R_{ekv} = \frac {1}{f_{CLK}C_1}

7. Z jakých bloků se skládá A/D převodník typu ΣΔ?[]

Diferenční ("odčítací") zesilovač
Integrátor
1-bitový komparátor (vlastně 1-bitový A/D převodník)
1-bitový D/A převodník ve zpětné vazbě
Digitální dolnopropustný filtr (odstranění vyšších frekvencí - šumu)
Decimátor - "sčítá" ("průměruje") 1 bitové hodnoty a dělá z nich n-bitové

Demystifying Sigma-Delta ADCs
An Introduction to Delta Sigma Converters
Delta-sigma modulation (en wikipedia)
Školní prezentace (PDF)

8. Co je to převzorkování v A/D převodníku typu ΣΔ a jakou má funkci? Co se jím dosahuje?[]

Převzorkování - vzorkování signálu na frekvenci vyšší (k-krát) než je vzorkovací frekvence, která je podle vzorkovacího kritéria nutná k zachycení daného signálu, k je pak "faktor převzorkování".
Zvyšuje se tím odstup signál-šum (SNR) o $10\,log_{10}(k)$ .

9. Co je noise shaping u A/D převodníku typu ΣΔ? Jak vzniká, resp. čím se ho dosahuje? Jaký je jeho vliv na kvalitu výstupního signálu?[]

Noise Shaping jako vedlejší efekt provádí integrátor: v průběhu vzorkovacího kroku sčítá odchylky napětí způsobené kvantizačním šumem.
Posouvá šum do vyšších frekvenčních pásem (nemění se energie šumu, jen rozložení).
Na vyšších frekvencích se pak odfiltruje více šumu.
Dosahuje se až +9dB SNR pro každé zdvojnásobení vzorkovací frekvence.
Přidáním druhé dvojice odčítačka+integrátor (= převodník 2. řádu) lze dosáhnout až +15dB SNR pro každé zdvojnásobení vzorkovací frekvence.

10. Jak funguje D/A převodník ΣΔ? Nakreslete blokové schéma![]

V zásadě se jedná o reverzovaný SD-ADC
Zde je však digitální i SD-modulátor
Je proto ideální pro integraci s DSP na jeden čip
Na výstupu musí být antialiasingový filtr
Je-li vzorkování na výstupním 1bitovém DAC dostatečně rychlé, odpovídá střední hodnota napětí za výstupním filtrem číslicové hodnotě vstupu

11. Jaký typ převodníku doporučíte použít ve vstupním zvukovém řetězci, ve výstupním zvukovém řetězci, ve vstupním obrazovém řetězci či ve výstupním obrazovém řetězci? Proč? Jaké požadujete v těchto konkrétních případech technické parametry? Buďte konkrétní![]

Zvukový řetězec
- Vstup: dostačující rozlišení předovníku je 16 bitů, vzorkovací frekvence je u dnešních zvukových karet 48 kHz, u profesionálních i 96 kHz. Typ převodníku signa-delta nebo Multistage Noise Shaping (MASH), mají dobré dymanické vlastnosti a velký odstup signál/šum pro užitečnou část spektra. Zvuková karta musí mít převodníku několik pro zpracování všech zvukových kanálů najednou.
- Výstup: ideální je digitální výstup vedený do zesilovače s digitálním vstupem, tím se eliminují rušící vlivy počítače a vliv elektromagnetického rušení působícího na dlouhé analogové vedení k zesilovači.
Obrazový řetězec
- Vstup: je nutná velká rychlost převodu, ta se dá dosáhnout A/D převodníkem s přímým převodem, který ma rozlišení 8 až 10 bitů, rychlost převodu je okolo 100 Mvzorků za sekundu. Kvalitní kamery mívají 3 snímače CCD, pro každou barevnou složku RGB zvlášť, rozdělení na barevné složky je provedeno optickou cesou pomocí dichronických zrcadel.
- Výstup: jako v předchozím případě je vhodné ve zpracujícím řetězci co nejdéle ponechat data v digitální podobě a převod na analogový elektrický signál provést až úplně na konec. Používaný převodník je rychlý obvod RAMDAC.

12. K čemu slouží FFT? Kde jste se s ní v rámci předmětu setkali? Vysvětlete, v čem se liší jednotlivé varianty FFT![]

FFT (Fast Fourier Transform) je proces převodu z časové do frekvenční oblasti (spektrální analýza).
Původní matematická FT je nekonečný integrál.
DFT (diskrétní FT) je konečná suma, ale je třeba N² operací komplexního násobení a N(N-1) operací komplexních součtů (kvadratická složitost).
Složitost FFT je pouze: $O(N \cdot \log_2 N)$ díky metodě "Rozděl a panuj".
Omezuje počet komplexních násobení tím, že vhodně rekurzivně dělí (tzv. decimuje) výpočet (nejčastěji $N = 2^m$ , kde m je přirozené číslo). Výpočet DFT na polovičních množinách údajů na sudých a lichých pozicích je snazší.
Podle způsobu dělení výpočtu rozlišujeme:
- DIT -- decimace v čase: dělí se množina vstupních vzorků, následují dvě DCT o velikosti N/2 a pak se rekombinují výsledky.
- DIF -- decimace ve frekvencích: nejdříve se rekombinují vstupní vzorky, teprve pak následují dvě DCT o velikosti N/2, které produkují sudou a lichou sadu výstupů (obrazů).
Existuje více algoritmů různých vlastností.

FT1 (PDF) FT2 (PDF)

13. Jakou jinou transformaci (integrálního typu, podobnou FFT) jste v rámci předmětu poznali? K čemu se používá? V čem spočívají její přednosti?[]

DCT (Diskrétní kosinová transformace) -- používá se nejčastěji při ukládání souboru v obrazovám formátu JPEG. Oproti FFT je výsledkem transformace méně koeficientů, vyšší frekvenční složky jsou nulové a je možné je zanedbat. DCT je také výpočetně jednodušší, protože nepoužívá komplexní čísla.
MDCT (Modifikovaná diskrétní kosinová transformace) -- využití pro zvukové formáty MP3 a jiná proudová (streamovaná) zvuková data. Jednotlivé transformované bloky se zde o polovinu překrývají a navíc se násobí okénkovou funkcí. Výsledkem jsou plynulé přechody a téměř dokonalá rekonstrukce, i když následná kvantizace znamená ztrátu informace (a např. i poškození hranic bloků).

14. V čem spočívá rozdíl mezi FIR a IIR filtry? Které z nich se v praxi používají častěji a proč?[]

FIR - Finite Impulse Response
- Impulsní odezva má jen konečný počet nenulových členů
- Větší stabilita
- Jednodušší návrh
- Mohou mít lineární fázovou charakteristiku
- Často je potřeba řád filtru okolo stovek
IIR - Infinite Impulse Response
- Impulsní odezva má nekonečný počet nenulových členů
- Strmější přenosová charakteristika
- Složitější návrh (rekurzivní návrh), ale lze využít tabulek filtrů
- Horší stabilita
- Nelineární fázová charakteristika (nekonstantní skupinové zpoždění)

Jedná se o čistě digitální (popř. přímo softwarové) filtry. V praxi se častěji používají FIR, viz FIR FAQ.

15. Stručně vysvětlete princip technologie pro kompresi, archivaci a prezentaci dokumentů DjVu![]

Základním principem je segmentace předlohy. Využívá se poznatku, že text a základní geometrické útvary s ostrými přechody je nutné ukládat s vyšším rozlišením = 300dpi kdežto pozadí, fotografie apod. stačí 100dpi pro zachování věrohodnosti při pozorování lidským okem.

Segmentace rozdělí předlohu na vrstvy:

popředí (Foreground layer)
pozadí (Background layer)
přip. doplňková vrstva skrytého textu (OCR Layer)

a každá je zvlášť zakódována a vrstva pozadí se navíc podvzorkovává. Výsledek se ukládá do souboru v blocích (chunks) které přijímací strana načítá a zpracovává sekvenčně. Čímž se urychluje přístup k datům.

Nejprve dorazí maska (a už je možné číst text), následuje barva popředí a nakonec pozadí.

Popředí Obsahuje informaci o barvě (foreground image) a masku definující pro každý pixel z jaké vrstvy se zobrazuje. 0=>bg, 1=>fg.

Maska - kódování: JB2. S rozlišením 300dpi
Foreground image - kódování: IW44. S rozlišením 100dpi

Pozadí Kódování IW44 při rozlišení 100dpi

S výhodou se používá systému 3xcache.

- 1. cache v browseru - zabraňuje zbytečným duplicitním přenosům po síti
- 2. cache DjVu1 - ukládá částečně dekomprimované stránky: předchozí, aktuální a následnou
- 3. cache DjVu2 - ukládá naposledy plně dekomprimované zobrazené části akt. stránky (zoom, posuv)

Pro prezentaci vícestránkových dokumentů se definují dvě struktury:

Bundled - všechny stránky v jednom souboru. Vhodné pro několikastránkové dok. nemožnost navigace mezi stránky před stažením kompletního souboru.
Indirect - stránky uloženy v jednotlivých djvu souborech. Hlavní index soubor obsahuje odkazy. Vhodné pro navigaci (web)

16. Jak fungují světlocitlivé prvky v obrazových snímačích (např. videokamerách)?[]

CCD - Charge Coupled Device
- 2D - pole kapacitorů integrovaných na čipu
- Tyto kapacitory reagují na světlo - dochází u nich k nabíjení
- Po nabití všech kap. dojde k vybití toho náboje přes zesilovač, čímž se převede na napětí
- Toto napětí je potom vzorkováno a ukládáno jako digitální informace
APS - Active Pixel Senzor (CMOS)
- Fotodetektor je většinou fotodioda
- Čte se najednou celý řádek
Foveon X3
- Pole senzorů uložených do vrstev
- Není potřeba další filtr na antialising
- Všechny barvy najednou na jednom čipu

17. Vysvětlete základní myšlenky JPEG komprese. K čemu se používá?[]

JPEG komprese je využívána pro uložení obrazu. Jedná se o ztrátovou kompresi a uživatel má možnost volby kvality snímku závislé na stupni komprese a tím i velikosti souboru.

Postup kódování JPEG souboru:[]

lidské oko vnímá jas a barvy s různou citlivostí;
neukládá obrazová data v barevném kódování RGB, ale používá YCrCb a poměr jednotlivých složek 4:2:2;
rozdělí na čtvercové bloky o rozměrech $8 \times 8$ pixelů;
těchto 64 bodů je pak převedeno z prostorové oblasti $(x,y)$ na frekvenční oblast ( $i, j)$ za pomocí DCT: ${\displaystyle \begin{array}{ll} \mathrm{DCT}(i,j)= &\displaystyle\frac{1}{4}\,\mathsf{C}(i)\cdot\mathsf{C}(j)\sum_{x=0}^7\sum_{y=0}^7 \mathsf{p}(x, y)\cdot\cos\left[\frac{(2x+1)i\pi}{16}\right] \cdot\cos\left[\frac{(2y+1)j\pi}{16}\right], \\ & \mathsf{kde}~$$\mathsf{C}(a)=\left\{ \begin{array}{ll} \frac{1}{\sqrt{2}} & \quad \mathrm{pro}~a = 0;\\ 1 & \quad \mathrm{v~ostatnich~pripadech}. \\ \end{array}\right. \end{array} }$
výslednou kvalitu a vnímání obrazu nejvíce ovlivní kvantizace jednotlivých členů pomocí kvantizační tabulky;
výsledná matice je linearizována na posloupnost, která obsahuje velké množství nul;
posloupnost se rozdělí do kategorií a nadbytečnost nul se omezí RLE kódováním;
nakonec se vše zakóduje pomocí Huffmanovy transformace.

18. Vysvětlete základní myšlenky MPEG komprese. K čemu se používá?[]

MPEG -- MovingPicture Expert Group (expertní skupina vytvořená v roce 1988), jejím úkolem je: vytvořit jednoduchý, levný a univerzálně použitelný kompresní standard. Škálovaná koncepce (MPEG-1, ..., MPEG-7).

Zadání počítalo s nesymetrickou kompresí. Obsahuje kódovanou video i audio složku a nezbytné prostředky pro jejich rozdělení a synchronizaci, je tedy nutné MPEG datový tok při dekódování rozdělit.

Základním komprimovatelným prvkem video sekvenceje snímek. MPEG předpoklad: mnohé informace se v následujících snímcích opakují. Proto se (u některých snímků) ukládají jen rozdíly vzhledem k předcházejícím/následujícím. Jsou 3 druhy komprimovaných snímků (I, P, B) s typickým datovým objemem v poměru 15 : 5 : 2 (IBBPBBPBBPBBI):

I-snímek (Intra-Frame), kóduje se samostatně (technikou JPEG).
P-snímek (ForwardPredictedFrame), kóduje se s ohledem na předchozí I nebo P technikou pohybové kompenzace (Motion Compensation).
B-snímek (Bi-directional PredictedFrame), jako vztažný používá předchozí i následující I-nebo P-snímky.

19. Vysvětlete základní myšlenky vlnkové (wavelet) komprese. K čemu se používá?[]

Vlnková transformace je jednou z forem časově-frekvenčního popisu signálu. K transformaci se místo sinusovek a kosinusovek používají definované funkce ve tvaru vlnky. Vlnková transformace (Wavelet Transformation) je způsob, jak v libovolném signálu (např. zvuku, hudby, signálu ze senzoru) rozlišit jednotlivé komponenty, ze kterých je signál složen a ty vhodně zobrazit. Provádí tak něco podobného jako Fourierova transformace (FT) a její odvozené verze (DFT, FFT, STFT), avšak pro některé signály dosahuje daleko přesnějších výsledků.

Ukládání obrazu ve formátu JPEG2000[]

Díky nové transformační metodě je kompresní poměr zvýšen zhruba o 20 až 30 procent. Také jsou mnohem lépe zpracovány obrazy s ostrými barevnými přechody. Uživatelé, asi nejvíce docení lepší kompresní poměr oproti JPEG a také vyšší kvalitu obrazu při použití této ztrátové komprese. DCT u formátu JPEG vyžaduje rozdělení obrazu na malé bloky, zatímco JPEG2000 pracuje s obrazem jako celkem. Pro uložení barev se používá kódování RGB. A uživatel má ještě navíc možnost zvolit tzv. zájmové oblasti, to jsou místa obrazu, kde je požadováno nastavit menší či větší kompresní poměr.

Další využití[]

Odšumování a odrušování libovolných signálů -- některé se však hodí více, jiné méně
Komprese signálů i v reálném čase -- zvuku, hudby, obrazu, videa, signálů ze snímačů
Rozpoznávání hran a obrysů v obraze
Zvýrazňování určitých částí signálů

20. Vysvětlete základní myšlenky psychoakustické komprese! Znáte nějaký příklad, který je na nich založen? Stručně vysvětlete jeho implementaci.[]

Psychoakustické komprese je využito ve zvukovém formátu MP3.

Základní principy psychoakustické komprese[]

Psychoakustický princip se opírá o studium vlastností lidského ucha, snaží se vytvořit nejdokonalejší model sluchu a s tímto poznáním určuje, co bude vlastně neslyšitelné. Pak nevadí, když se příslušná data kompresí ztratí. Průměrné lidské ucho má frekvenční rozsah 20 Hz až 20 kHz, dynamický rozsah (ticho - hluk) cca 96 dB. Práh slyšitelnosti není frekvenčně nezávislý, absolutně nejnižší hodnotu akustického tlaku ucho rozpozná na frekvenci cca 4 kHz, schopnost slyšet závisí na úrovni hlasitosti a to dokonce nejen globálně, ale i lokálně (viz dále). Slyšitelnost se měří v jednotkách sone (hlasitost 40-ti dB tónu o frekvenci 1 kHz).

Důsledky frekvenčního maskování[]

Maskování jeden zvuk je přehlušen jiným, silnějším. Maskování je silnější, jsou-li zvuky na blízkých frekvencích. Práh slyšitelnosti se mění podle toho, co je právě slyšet. Mluvíme o aktuální maskovací šabloně.
Ucho má jistou setrvačnost. Důsledkem je, že po hlasitém zvuku chvíli neslyšíme. Zprvu poněkud překvapivý je jev opačný ... „Přehlušené“ je ucho déle, než„zahlušené“. (žeby časové maskování???)

21. Vysvětlete základní myšlenky, na jejichž základě funguje kodek používaný v systému GSM![]

Princip komprese v digitální telefonii používá rychlost 13.2 kbps a je používá RPE-LTP(GSM 06.10). Princip je ten, že kanálem nepřenášíme „bitmapu“ hovoru, ale jeho „vektorový“popis. K tomu účelu ale potřebujeme do dekodéru (i kodéru) vestavět syntezátor řeči založený na modelu generování signálu hlasovým traktem. Tomu se říká kódování zdroje! Znělé hlásky – (n, e ...) mají kvaziperiodický průběh signálu. Neznělé hlásky – (š, č...) průběh signálu podobný šumu.

22. Vysvětlete základní myšlenky, na jejichž základě funguje kodek používaný v systému mp3![]

Frekvenční maskování - Situace kdy ve vzorku se vyskytují dvě podobné frekvence s různou intenzitou.
Temporal masking - Uplatňuje se v časové oblasti a princip spočívá v tom, že po dlouhém silném tónu jsou frekvence blízko tohoto tónu špatně rozpoznatelné. Rozeznává se postmasking a premasking.

Algoritmus kódování audia pracuje tak, že si rozdělí soustavou filtrů spektrum do několika kritických podpásem.
Filtrování je prováděno paralelně s psychoakustickým modelem, který určuje signal to mask ratio (SMR)
Poté jsou frekvenční vzorky nakvantovány a je určeno, jakým pásmům budou přiděleny bity na jejich zakódování.
Nakonec jsou data naformátována do bitového proudu.

23. Objasněte princip a problémy související s DVB-x.[]

DVB - Digitálne televízne vysielanie (Digital Video Broadcasting)

Typy DVB[]

DVB – S/S2 (Satelite) - satelitné
DVB – C (Cable) - kabelové
DVB – T (Terrestrial) - pozenmé
DVB – H (Handheld) - PDA, mobilné telefóny
iné.

Jednotlivé typy DVB sa líšia prenosovým kanálom, kanálovým kódovaním a v spôsobe modulácie.

Prenos v DVB[]

	Zdrojové kódovanie	Kanálové kódovanie	Vonkajší prekladač	Vnútorný kóder FEC	Vnútorný prekladač	Modulácia
DVB–S	MPEG 2	RS(204,188)	Konvolučný	Tečkovaný konvolučný	-	QPSK
DVB–C	MPEG 2	RS(204,188)	Konvolučný	-	-	QAM
DVB–T	MPEG 2	RS(204,188)	Konvolučný	Tečkovaný konvolučný	Bit + Blok	OFDM (nosné QPSK + QAM)
DVB–H	H264/AVC MPEG 4 10	RS(204,188)	Konvolučný	Tečkovaný konvolučný	Bit + Blok	OFDM (nosné QPSK + QAM)

zdrojové kódovanie/dekódovanie - kompresia obrazu, zvuku, príp. iných vstupných dat
kanálové kódovanie/dekódovanie - zabezpečenie dát pre ich nenarušený prenos prenosovým prostredím

Výhody DVB[]

vačší počet programov vysielaných s rovnakými nárokmi na kmitočtové pásmo
flexibilá voľba kvality obrazu i zvuku (LDTV, SDTV, HDTV)
spoľahlivejší prenos
doplnkové služby
EPG - elektronický programový sprievodca
MHP - Multimedia Home Platform (rozne aplikacie ...)

24. Co je a jak funguje SACD?[]

http://www.cdr.cz/a/1045

Neobsahuje žádné vstupní filtry
Pomocí delta-sigma modulátoru (5. řádu) se provádí převzorkování (64x). Výsledkem je 1-bitový DSD signál.
Řetězec neobsahuje decimátor
Tento signál je přímo nahráván na nosič
Neobsahuje složité obvody na výstupu.
Umožňuje záznam více kanálu (až 6 kanálu)
Zachovaná zpětná kompatibilita se stávajícími přehrávači CD (Hybridní media)
Podstatně lepší vlastnosti formátu dynamika, frekvenční rozsah, možná délka záznamu atd...

25. Co je a jak funguje GPS?[]

Global Positioning System, zkráceně GPS, je vojenský navigační družicový systém provozovaný Ministerstvem obrany Spojených států amerických, který dokáže s několikametrovou přesností určit pozici kdekoliv na Zemi.

Jak GPS funguje?[]

24 nestacionárních družic (z toho 3 záložní)
- Doba oběhu = 2h 56m
- 6 oběžných drah skloněných o 60°
- Z jednoho místa vidíme ideálně na 12 družic
Družice vysílají – polohu svojí a ostatních družic, čas (atomové hodiny)
Přijímač vypočte svoji polohu pomocí „přesnéhočasového rozdílu ve vyslání a příjmu dat “
2D poloha = 3 družice, 3D = 4 a více
Více družic = větší přesnost (až 10m)
Přijímač = pasivní zařízení => nelze vystopovat, neomezený počet uživatelů

26. K čemu slouží čipy pro resampling? Vysvětlete, jak tato zařízení fungují![]

Resampling – digitální proces, při kterém se mění vzorkovací frekvence audio signálu nebo rozlišení obrazu. Je potřeba rozdílné množství vzorků, tj jinou výslednou frekvenci vzorků, proto je potřeba nalézt nejmenší společný násobek zdrojové a výsledné frekvence, poté nějakou interpolací (lineární) se dopočítají chybějící hodnoty a vyberou se vzorky nové frekvence.

Oversampling (Supersampling)
Undersampling

27. Co je HDTV?[]

High-definition television (HDTV) označuje Televizi s vysokým rozlišením. HDV (Video s vysokým rozlišením) - formát vysílání televizního signálu s výrazně vyšším rozlišením, než jaké umožňují tradiční formáty (PAL, SECAM, NTSC). HDV se vysílá digitálně, a může tak být použita jako jeden z formátů digitální televize DVB. V současné době je HDV definováno pro rozlišení 1080 prokládaných nebo neprokládaných (progresivních) řádků, případně 720 neprokládaných řádků. Rozměry obrazu jsou v poměru 16:9.

Pro kompresi obrazu HDV se nejčastěji používá kodek MPEG-2. Do budoucna se počítá s přechodem na kodek MPEG-4, který umožňuje výrazné snížení nároků na přenos dat a vyšší kvalitu obrazu v porovnání s MPEG-2. HDV podporuje přenos kvalitního prostorového zvuku ve formátu Dolby Digital (AC3) 5.1.

HDV se vysílá digitálně - obraz tak bude buď bez chyby, kostičkovaný nebo trhaný, nebo nebude vůbec. Nikdy ale nebude zašuměný nebo vybledlý, jako v případě slabých analogových televizních signálů.
Obraz je vysílán v širokoúhlém formátu 16:9 (filmy v ještě širších formátech jako např. 2,35:1 se vysílají s pruhy nahoře a dole - tzv. „letterbox“). Starší filmy a jiné televizní programy, kde je třeba zachovat poměr 4:3, se vysílají se svislými pruhy po stranách (tzv. „pillar box“).
Barvy a jejich přechody vypadají realističtěji díky jejich většímu použitelnému rozsahu.
Vizuální informace je celkově 2x-5x podrobnější, mezery mezi řádky jsou menší nebo nepostřehnutelné. Větší podrobnost umožňuje pohodlné sledování na větších úhlopříčkách.
Dvě nová média podporují formáty HDV - HD-DVD a Blu-ray.
Přenášen je i velmi kvalitní prostorový zvuk ve formátu Dolby Digital 5.1.

Jedinou vadou v dnešní době je používání nízkého datového toku, proto obraz nevypadá čistě a je zde poznat komprese. Kodek mpeg2 pouze dopočítává obraz mezi klíčovýmí snímky. Takže všechny klady HD Videa platí pouze u statického obrazu. Čím větší pohyb, tak tím horší kvalita.