4 Sráva, iformácia, sigál Cieľ kaioly: Uviesť základé ojmy z eórie iformácie a vysveliť ich sojiosť s aramerami elekroických komuikačých sysémov re reos iformačých sigálov. Zorieovať čiaeľa v roblemaike zdrojov audio a video sigálov. Prirodzeé biologické formy komuikácie. Najviac sa v rírode evoluče vyviuli formy vzájomej komuikácie medzi ľuďmi. Najdokoalejším rosriedkom ľudskej komuikácie je reč. Na rôzej úrovi komuikujú medzi sebou aj ié živočíchy, ale ich komuikácia je re človeka viac meej ezámy kód. Hlavým edosakom ri rečovej komuikácii je jej riesorové obmedzeie sôsobeé oklesom ieziy zvuku ri väčšej vzdialeosi komuikujúcich osôb. Uvedeé obmedzeie sa ľudia sažili odsráiť rôzymi echickými sôsobmi komuikácie a diaľku (elekomuikáciou). 4. Techické sôsoby elekomuikácie aísaý lis sigalizácia elegraf elefó rozhlas ďalekois elefax elevízia očíačové siee je o zakódovaá reč - časovo eobmedzeá sráva oická dohodué sigály v reálom čase Morzeho elegrafý kód - digiály sôsob komuikácie aalógový drôový elekomuikačý sysém KBK Pisburg (od r. 90) - rádiokomuikácia reos exových sráv elefóým vedeím reos dokumeov elefóým vedeím elekroický reos ohyblivých obrazov komuikácia: človek - očíač - očíač - človek Srávou je eda okrem reči, ísma a obrazov re človeka aj údaj meracieho rísroja, schéma a odobe. Sigál je ľubovoľá fyzikála veličia alebo fyzikály roces v korom sa iekorý zvoleý arameer v čase zhode meí s reášaou srávou (iformáciou) odľa vored zvoleých ravidiel. Sigál je maeriálym osičom iformácie v riesore a v čase (akusický lak, elekrické aäie, elekromageické vly a odobe). Reále iformácie sú áhodé fukcie času. 4-
4. Iformačá a reosová súsava INFORMČNÁ SÚSTV PRENOSOVÁ SÚSTV Preosová cesa Zdroj iformacie Vysielač Kóder Moduláor elekrický kábel, oický kábel, elekromageické vly Prijímač Zmiešavač Demoduláor Príjemca iformácie Zdroj orúch šum riemyslový,fyzikály Obr. 4. Bloková schéma iformačej a echickej reosovej súsavy Preosová súsava je súbor echických rosriedkov slúžiacich a reos sráv (iformácií) a väčšiu vzdialeosť. Najoužívaejšie yy reosových súsav sú: elekomuikačý drôový sysém re reos hlasu a dá základá elefóa sieť, rádiokomuikačý sysém ozemský (eresriály), alebo družicový, oický komuikačý sysém oické káble re reos dá Problemaikou defiície iformácie, určeie jej možsva, šrukúry, adbyočosi (redudacie) a vlyvom orúch ri reose sa zaoberá Teória iformácie (Shao, Harley, Koelikov...) Rozhodujúcim kriériom re hodoeie a meraie iformácie ie je zmysel srávy ai fyzikály roces, korým je sráva reášaá, ale miera a sôsob orgaizácie možiy iformačých symbolov, koré voria srávu. Iformačým symbolom sa rozumie elemeáry rvok ri košrukcii iformačého ojmu. Iformačý zdroj Iformácia je možia elemeárych iformačých symbolov, z korých uskuočňujeme výber odľa zvoleého sysému. Nar.,,,...,,,,..., - ravdeodobosť výskyu iformačých symbolov. Pri hracej kocke máme,,,,,,...,..., V omo ríade je ravdeodobosť výskyu jedolivých symbolov rovaká. 4-
Druhý ríklad: (bežá abeceda ísma) a,?, b,?, c,?,...,..., z? Pravdeodobosť výskyu jedolivých ísme abecedy (iformačých symbolov) v slovečie (ai v iých jazykoch) ie sú rovaké. Ligvisi oo rozložeie ravdeodobosi ozajú zo šaisického rozboru oho korého jazyka. Čím je väčšia eurčiosť ri výbere rvkov, ým väčšie možsvo iformácie zo zdroja získavame. Sueň eurčiosi je závislý a orgaizácii možiy. Neurčiosť súa ak: ) ak sa,,... ribližujú k ej isej hodoe ) ak rasie oče elemeov možiy Poz.: Obyčaje laí: +... + Miera iformácie (možsvo) + Za kvaiaívu mieru iformácie bola a základe skúseosi rijaá defiíciou miera: I log log (4.) a a i i Nar. abeceda s dvomi symbolmi "0", "" dáva re jede symbol iformačý obsah I log - jedoka iformácie re biáru číselú súsavu je bi biary digi. Základ logarimov môže byť aj iý ako, ale re dvojkovú súsavu (korá sa echicky resadila) sa hodí číslo. Pre srávu, korá má iformačé symboly s očom "Z" elemeov a uskuočí sa "m" výberov laí re možsvo iformácie: m I log z (4.) ak laí (rovomeré rozdeleie) i z m Príklad: Iformácia obsiahuá v jedej ďalekoisej začke (5 elemeov) je: I 5log 5biov Iformácia slova so siedmymi ďalekoisými začkami I 7 5log 5biov Iformačý ok je možsvo iformácie, koré rejde za s. I bi Φ if T s (4.) 4-
4. Elekrické sigály Elekromageické veličiy ako sú aäie, rúd a elekromageické ole bývajú ajčasejšie oužívaým osieľom srávy (iformácie). Reále sigály obsahujúce iformáciu sú áhodé fukcie času a môžu mať: sojiý (aalógový) charaker číslicový (digiály) charaker Väčšia iformačých sigálov má ri svojom vziku aalógový charaker. Príjemca sráv, korým je ajčasejšie človek je ak iso rirodzee risôsobeý rijímať sigály esúce srávu v časovo sojiej odobe. Z hľadiska sracovaia a reosu sigálov sa však ukazuje výhodejším časovo diskréy, esojiý var sigálu. rgumey re rasformáciu aalógových sigálov a časovo esojié, res. číslicové sú však rýdzo echické. Prvou oeráciou ri ejo remee je vzorkovaie sojiého sigálu(odľa obr. 4.). Vzorkovaie sojiého sigálu Vzorkovaý sigál je sigál diskréy v čase, amliúda vzoriek odovedá okamžiej hodoe sojiého sigálu v okamihoch vzorkovaia. Realizácia vzoriek sojiého sigálu sa dá riciiále urobiť odľa asledujúceho obrázku. kt s () () Zdroj sigálu ( sráva ) Vzorkovač ( samler ) Vzorkovací sigál s() () kt Obr. 4. Priciiála realizácia elekrického vzorkovacieho obvodu (vzorkovač) k ridáme k vzorkovaču amäť získame vzorkovač s amäťou (S&H - Samle ad Hold) 4-4
kt s () () Zdroj sigálu ( sráva ) Vzorkovač ( samler ) Vzorkovací sigál s() () kt Obr 4. Priciiála realizácia elekrického vzorkovacieho obvodu s amäťou Rekošrukcia ôvodého sigálu zo vzoriek Vzorkovaý sigál má svoje výhody ri sracovaí sráv aríklad omocou očíača, aj ri reose sráv omocou časového mulilexu. Príjemca srávy (človek) obyčaje ožaduje iformácie v sojiom vare. Preo je orebé urobiť oačý roces ako je vzorkovaie. T T T 4T Obr. 4.4 Získaie ribližého varu srávy zo vzoriek lieárou ieroláciou Rekošrukcia sigálu zo vzoriek omocou lieárej ierolácie, korú vieme realizovať ar. omocou očíača je vhodá re relaíve omaly sa meiace sigály, aríklad biosigály získaé elemeriou. Ďalší sôsob rekošrukcie je založeý a vzorkovacej eoréme (Shao Koelikov) a využíva a eo účel dolorieusý filer (re ideálu rekošrukciu je orebý ideály DP filer). 4-5
R s () C T T T 4T Obr. 4.5 Ideála rekošrukcia sigálu zo vzoriek omocou suerozície odoziev ideáleho filra a jej ribližá realizácia omocou DP RC filra. Základá oázka vzorkovaia zie ako: ko časo reba vzorkovať ôvodý sigál s(), aby rekošruovaý sigál s () bol čo ajmeej skresleý? Odoveď a úo oázku dáva ráve vzorkovacia eoréma, korá hovorí, že sigál, korého maximála frekvecia sekra je f max sačí eoreicky vzorkovať s eriódou T (4.4) f max k sa a rekošrukciu oužije eoreicky ideály DP filer je rekošrukcia resá vo všekých bodoch (časových okamihoch). V raxi evieme realizovať ai ideále vzorky ai ideály filer - reo sa volí vzorkovacia frekvecia väčšia (- krá) ako umožňuje vzorkovacia eoréma. Kvaovaie sojiého sigálu Na rozdiel od vzorkovaia budeme od kvaovaím sojiého sigálu rozumieť jeho ahradeie koečým očom hodô amliúdy. (kvaovaie res.diskreizácia veľkosi sigálu). s() s s s s s Obr. 4. Kvaovaý sigál s kv () - rovomeré kvaovaie, (sigál diskréy v hodoe, sojiý v čase) Kvaovaie dovoľuje okrem iého ochoiť aj možsvo iformácie, koré reáša sojiý sigál so šumom, čo je vždy reála siuácia v raxi. (Sojiý sigál bez šumu obsahuje eoreicky ekoečé možsvo iformácie). Číslicový sigál vyjadruje amliúdu kvaovaého sigálu omocou koečého oču kokréych hodô (rirodzeým číslom). V rirodzeej dvojkovej súsave, korá má -číslic laí re vyjadreie rirodzeého čísla zámy záis: 0 N a +... + a + a0 (4.5) Vyjadreie hodoy N v rirodzeej dvojkovej súsave. 4-
Pre rojmiese biáre číslo máme: 0 N a + a + a0 N a 4 + a + a 7 5 4 0 s () d d d 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 T 0 T T 4T 5T T 7T 8T s() Zdroj sigálu ( aalógový ) /Č d d d 0 Takovacie aäie ( vzorkovacie ) a) b) Obr. 4.7 Prevod aalógového sigálu a rojbiový číslicový sigál 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Sigál v číslicovej forme Číslicový sigál vyjadrujúci vzorky vyjadrujú logické savy (aäia) a roch daových vodičoch voči soločému oeciálu - rojbiovej zberici. Kvaovaie sojiých sigálov a remeu a číslicový sigál zabezečujú aalógovo-číslicové revodíky (/Č revodík, /D coverer). V raxi je obvyklá siuácia odľa asledujúcej blokovej schémy: s() Z /D Coverer V i d GND V ref d U ref CLK U clk Obr. 4.8 Tyická schéma re digializáciu aalógového sigálu ( Z-zosilňovač aalógového sigálu, U clk vzorkovacie akovacie aäie D/ revodíka, U ref referečé aäie revodíka) Dešé /D revodíky racujú šadarde s očom biov 8,,. Poče diskréych savov a výsue /Č revodíka (oče kvaovaých úrovi súvisí s očom biov - šírkou zberice, dĺžkou kódového slova) odľa jedoduchého vzťahu: N max, kde N max je oče úroví výsuého sigálu. 4-7
N max 4 TV sigály 8 5 Lešie osciloskoy 0 04 409 4 84 5 5 HiFi (sigál/šum)>90db Obr. 4.9 Tabuľka oču biov a odovedajúcej rozlišieľosi re iekoré yické sigály. 4.4 udio a video sigál udiosigálom sa obvykle rozumie elekrický sigál - aäie, koré sa oužíva a reos zvukových sráv. Časový riebeh oho sigálu je rovaký ako časový riebeh akusického laku vo zvukovej sráve.j. u () () res. i() () Reály audiosigál je áhodou fukciou času. Frekvečé sekrum audiosigálov je závislé od ožadovaej kvaliy fyziologického vemu u človeka. Vzhľadom k omu, že ide o subjekíve hodoeie je orebé oužiť šaisické meódy a osúdeie kvaliy audiosigálu. V asledujúcej abuľke sú uvedeé ožiadavky a orebú šírku frekvečého sekra re základé úrove kvaliy vemu. Hz - khz kvaliý hudobý vem 40 Hz - 8 khz dobrý hudobý vem 00 Hz - 400 Hz reč s rozozaím rečíka Zdrojmi audiosigálov sú mikrofóy. Sú o meiče akusického laku a elekrický sigál - akusickoelekrické meiče. Exisuje celý rad ýcho meičov, korých ázvy viac meej vysihujú fyzikály ricí oužiý ri ich echickej realizácii. Niekoré ricíy mikrofóov sruče someieme. ) Elekrodyamický mikrofó je založeý a ohybe vodiča v homogéom mageickom oli sôsobeým zmeami akusického laku. kusický lak redsavuje malú sriedavú zložku amosferického laku sôsobeú vibráciou ľudských hlasiviek, alebo chveím akéhokoľvek uhého elesa vo vzduchu. u() R (, mv ) ( Ω) u µv R i Obr. 4.0 Náhradý obvod elekrodyamického mikrofóu 4-8
Môžu byť dve verzie ýcho mikrofóov: Cievkový mv / N / m Pásikový: 40µmV / N / m R i R i 0 00Ω 0. Ω Elekrodyamický ricí je obojsmerý.j. u() () res. () u() ) Elekrosaický mikrofó využíva a remeu akusického laku a aäie zmey kaaciy (áboja) sôsobeé zmeou vzdialeosi elekród kodezáora - mikrofóu. C () U o C R u() Obr. 4. Náhradý obvod elekrosaického mikrofóu Výhoda: rovomerá (vyrovaá) frekvečá charakerisika cilivosi mikrofóu. Nevýhoda: oreba olarizačého aäia, vysoký R i R. Kodezáorový mikrofó (ricí čiosi) Kaacia kodezáorového mikrofóu (doskový kodezáor) S Co ε (4.) d o Vlyvom akusického laku sa bude membráa rehýbať (bude sa meiť d), re kaaciu oom môžeme aísať C C k (4.7) () () o + () c P() P () o kusický lak d o d P o mosferický lak () Po << a) b) Obr. 4. K ricíu elekrosaického mikrofóu Keď sa áboj kodezáora emei, re u k U () () R c R laí: (4.8) ) Piezoelekrický (kryšálový) mikrofó (Seigeova soľ) aäie arázdo je cca mv 0,N / m 4-9
vúorá imedacia je: C 500 5000 F R i mi MΩ 4) Uhlíkový koaký mikrofó (elefóa vložka) u 0mV re 0.N / m - 0 mv Ri 0Ω Ri 0Ω Ri 40Ω Frekv.charak: 00 4000Hz ± 5dB skresleie: do 5% rušivé aäie (0,5-5 mv) Výhoda: dáva vysoký sigál Ié zdroje (akusických) sigálov: Gramofóová reoska (dyamická, kryšálová) vo filmovej echike: foočláok (lyový) mageofóová hlava CD (komaký zvukový disk) - zdrojom audiosigálu sigálu je D/ revodík Videosigály Elekrický sigál odovedajúci vizuálej sráve - videosigál. Vizuála sráva eredsavuje chveie rosredia, ale iformuje o rozložeí viac alebo meej jasých mies s ríslušým zafarbeím. Pre jedoduchosť sa u obmedzíme a čiero - biely obraz. Obrazy sa des reášajú osuým (sekvečým) sôsobom (ri akusickom sigáli je sekvečosť jasá). Preo je orebé urobiť rozklad dvojrozmerého obrazu a elemeáre obrazové rvky (body obrazu). Pri echickom sracovaí a reose obrazových sráv sa využívajú fyziologické vlasosi ľudského oka:. Ľudské oko ezachyí jedolivo viac ako 5 zmie obrazu za sekudu!. Uhlová rozlišovacia schoosť oka 0,5 - uhlového suňa. Pri malej uhlovej veľkosi obrazu ľudské oko vidí čiero-bielo. Z uvedeých vlasosí vzikla elevíza orma re čierobielu elevíziu Pricí rozkladu obrazu v elevízii: 7 8 4 9 5 0 Obr. 4. Pricí rekladaého riadkovaia ri elevízom rozklade obrazu 4-0
Prekladaé riadkovaie. olsímok (olobraz)- /50 s. celý símok - /5 s Jede obraz a obrazovke má eda N O 5 5 90000 bodov (elemeárých obrazových bodov) by sa dosiahol v oku sojiý vem ohyblivých obrazov je reba reiesť asoň 5 obrazov / s. Teda: N 5N O 5 90 000 9750000bodov V ajeriazivejšom ríade (sriedaie čierych a svelých bodov) je N f max 5 0 Hz 5MHz. N f max Obr. 4.4 Kedže je orebé reášať oo možsvo iformácie za krašiu dobu (säý beh lúča a obrazovke - cca 5%) Po ejo korekcii je maximála frekvecia videosigálu asi,5 MHz. 4-