COMUNICAÇÃO DE ÁUDIO E VÍDEO

INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO
Ano lectivo de 2002/2003 - 2º Semestre
2ª Época - 11 de Julho de 2003 (6ª feira) - 13 h

As notas desta prova sairão até às 14 h do dia 15 de Julho (3ª feira), no placard e na página Web da cadeira e a revisão de provas será às 14 h do dia 15 de Julho (3ª feira), junto à Secretaria da Secção de Telecomunicações.
A duração do exame é de 3 h. Responda às seguintes questões apresentando os cálculos que efectuar e JUSTIFICANDO as respostas dadas. Não se deixe ficar ‘preso’ em nenhuma resposta; se necessário, passe à frente para regressar mais tarde à mesma questão. Boa sorte !

I (1+ 1+ 1 val.)

Considere um sistema de televisão analógico.
a)    Indique de que forma a necessidade de oferecer compatibilidade inversa ao introduzir a televisão a cores afectou a escolha dos sinais a transmitir ? E a compatibilidade directa ?
b)    Explique porque razão o sistema PAL especifica 2 tipos diferentes de linhas ? Porque é precisa uma linha de atraso no sistema PAL para o processamento dos 2 tipos de linhas (de sinal) ?
c)    Explique qual é a principal diferença entre os sistemas de televisão PAL e SECAM em termos de transmissão da informação de cor. Qual a grande vantagem da solução usada em SECAM ?

II (1+ 1+ 0.5 val.)

Considere uma transmissão de fax do grupo 3, a 9600 bit/s, através da rede telefónica analógica.
a)    Sabendo que o fax receptor tem um tempo mínimo de varrimento de linha de 10 ms, calcule o factor de compressão máximo teórico para este sistema. Considere que se usa uma resolução de 1728 amostra/linha, que a palavra de código correspondente a uma sequência de 1728 brancos tem 15 bits (usam-se folhas brancas, normais) e que a palavra de código correspondente ao fim de linha tem 12 bits. (R: 18)
b)    Considerando que se dispõe de uma largura de banda de 2400 Hz e que se usa uma modulação do tipo M-PSK, indique qual deverá ser a eficiência mínima dessa modulação. (R: 4 bit/símbolo)
c)    Comente o resultado da alínea b) em termos de facilidade de implementação prática, considerando como complexos moduladores PSK com eficiência superior a 4 bit/símbolo.

III (1 + 1 + 0.5 + 1 val.)

Considere um sistema de videotelefonia usando a norma ITU-T H.261 para codificação do sinal de vídeo, com resolução 352´288 pixels para a luminância e metade desta resolução em cada direcção para as crominâncias (8 bit/amostra), a 10 Hz. Suponha que o factor de compressão médio (medido sobre todos os macroblocos da imagem), na ausência de quaisquer restrições externas sobre os modos de codificação, é de 15 para a luminância e 20 para a crominância (não considerando os bits para cabeçalhos). Suponha ainda que se gastam 450 bits por trama para cabeçalhos.

a)    Supondo que em cada imagem, em média, apenas 200 macroblocos gastam bits (os restantes são tão parecidos com a imagem anterior que não é preciso actualizar nada), indique qual é o factor de compressão médio (luminância e crominâncias) medido sobre os macroblocos onde efectivamente se gastam bits, contabilizando também os bits de cabeçalho. (R: 8,21)
b)    Ainda na situação da alínea anterior, suponha que para garantir maior protecção contra erros, um em cada 25 (dos 200) macroblocos transmitidos é obrigatoriamente codificado em modo intra. Supondo que a compressão em modo intra tem um factor de compressão igual a 60% do factor de compressão médio global determinado na alínea a), determine qual o factor de compressão global (ou seja considerando toda a imagem) correspondente a esta situação. (R: 15,83)
c)    Se, por razões de edição, lhe pedissem para codificar todos os macroblocos, de todas as tramas, em modo intra, qual seria o débito binário gerado supondo que o factor de compressão para este tipo de codificação se mantêm igual ao determinado na alínea anterior ? (R: 2,47 Mbit/s)
d)    Indique, justificando, qual a dimensão da memória de saída a usar no codificador, nas condições da alínea anterior, se se pretender um atraso inicial de visualização no receptor (máximo) de 200 ms. Suponha que a codificação gera bits de modo instantâneo para cada imagem. (R: 493914)

IV (3 val.)

Suponha que é contactado por uma empresa multi-nacional que pretende instalar um sistema de videoconferência entre as suas agências em várias capitais Europeias usando linhas com o menor débito médio possível, garantindo pelo menos a qualidade de imagem mínima considerada aceitável. O atraso emissão-recepção máximo aceitável, medido como a diferença máxima entre os momentos de aquisição e visualização de uma imagem, nomeadamente da primeira, é de 240 ms. A resolução a usar é a resolução CIF - 352´288 (Y) e 176´144 (Cr, Cb) a 12.5 Hz (8 bit/amostra).
Supondo que tem à sua disposição, oferecendo a qualidade de imagem considerada aceitável:

* Um sistema de codificação H.261 que lhe oferece factores de compressão médios de 20 e 25 para a luminância e crominâncias, respectivamente; os factores de compressão críticos (imagens mais difíceis) são 12 e 15 para a luminância e crominâncias, respectivamente.
* Um sistema de codificação MPEG-1 com N = M = 3 e que lhe oferece um factor de compressão de 15 e 20, respectivamente para a luminância e crominâncias, nas tramas I e um factor de compressão de 30 e 40, respectivamente para a luminância e crominâncias, nas tramas B e P (valores médios e críticos semelhantes).

Indique, justificando, para que débitos binários pode a solução MPEG-1 satisfazer da forma mais económica em termos de débito binário as necessidades indicadas, sabendo que o sistema MPEG-1 pode ser regulado para oferecer qualidades superiores à acima referida (à custa de débitos mais elevados) e a transmissão se processa sempre ao débito de codificação. (R: Nunca)


V (1 + 1 + 1+ 1  val.)

Considere a norma MPEG-1.
a)    Explique em que consistem os limiares de audição e de sensação ? Qual o seu impacto na codificação de áudio ?
b)    Explique em que consiste o efeito de mascaramento em codificação de áudio ? Explique a diferença entre mascaramento na frequência e temporal ?
c)    Qual a ideia básica da codificação perceptiva de áudio ? Porque se exploram aqui as características do sistema auditivo humano e não do sistema vocal como na codificação de fala ?
d)     Indique e explique em que consistem as 2 principais formas de codificação de áudio no domínio da frequência.

VI (0.5 + 0.5+ 1 + 1 + 1 val.)

Considere as normas DVB.
a)    Explique o que mede a designada taxa de codificação ou taxa de código em sistemas do tipo DVB-T ?
b)    Indique qual é a ideia principal usada pela modulação OFDM usada no DVB-T para diminuir o número de símbolos modulados que se influenciam mutuamente ?
c)    Explique que funcionalidade oferece a modulação 64-QAM em DVB-T quando usada de forma hierárquica ? Como é processado o sinal recebido de modo a oferecer essa funcionalidade ?
d)    Para que serve o intervalo de guarda usado no sistema de modulação DVB-T ? Qual é teoricamente o valor mínimo deste intervalo de guarda ? 
e)    Explique, justificando, como varia o débito binário útil disponível em DVB-T com a variação da modulação, da taxa de código e do comprimento (relativo) do intervalo de guarda ?