prof. timo i. laakso huone g210, puh. 451 2473 sähköposti: [email protected]
DESCRIPTION
S-38.118 Teletekniikan perusteet Luento 20.10.1999 Signaalinkäsittelyllä kapasiteettia johtoon ja ilmaan Signaalinkäsittelyn merkitys uusissa matkapuhelinjärjestelmissä ja nopeissa tilaajaliittymissä. prof. Timo I. Laakso Huone G210, puh. 451 2473 Sähköposti: [email protected]. Sisältö. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Helsinki University of TechnologyLaboratory of Telecommunications Technology
S-38.118 Teletekniikan perusteetLuento 20.10.1999
Signaalinkäsittelyllä kapasiteettia johtoon ja ilmaan
Signaalinkäsittelyn merkitys uusissa matkapuhelinjärjestelmissä ja nopeissa tilaajaliittymissä
prof. Timo I. LaaksoHuone G210, puh. 451 2473
Sähköposti: [email protected]
Page 2
______________________________________________________________________________________________________________________________________
Sisältö
1. Yleistä digitaalisesta signaalinkäsittelystä
2. Digitaalisen siirtojärjestelmän periaatteet
3. Tulevaisuuden haasteita signaalinkäsittelylle
4. Signaalinkäsittelyn sovelluksia tietoliikenteessä
– Matkapuhelimet
– Nopeat tilaajaliittymät
– Muuta: simulointi, estimointi, mallinnus
5. Miksi opiskelisin signaalinkäsittelyä?
Page 3
______________________________________________________________________________________________________________________________________
1. Yleistä
Digitaalinen signaalinkäsittely: muutetaan jatkuva-aikainen signaali numerosarjaksi ja muokataan sitä
Analoginen lähtösignaali => Näytteenotto ja signaaliarvojen kvantisointi (A/D-muunnos) Digitaalinen muokkaus Digitaalinen siirto ja/tai tallennus D/A-muunnos
=> Alkuperäisen kaltainen tai parannettu signaali
Signaali voidaan tietysti myös tuottaa alunperin digitaalisesti!
Page 4
______________________________________________________________________________________________________________________________________
Digitaalisen signaalinkäsittelyn etuja
Signaalin siirto ja tallennus mahdollista niin tarkasti alkuperäisenä kuin halutaan
Digitaalista signaalia voidaan muokata miten halutaan– adaptiiviset menetelmät: sopeutuvat ympäristöön
automaattisesti (esim. adaptiiviset korjaimet tietoliikenteessä)– epälineaariset menetelmät (esim. mediaanisuotimet
kuvankäsittelyssä) Signaalin tuottaminen digitaalisesti: parempia tuloksia yhä
vähemmällä vaivalla – ääni: puhe- ja soitinsyntetisaattorit– kuva: CAD-ohjelmat, 3D-mallit, animaatiot,
elokuvatehosteet
Page 5
______________________________________________________________________________________________________________________________________
...Digitaalisen signaalinkäsittelyn etuja
Digitaalinen signaalinkäsittely on halpaa
– Digitaalipiirit halpenevat edelleen (Mooren laki: prosessointikapasiteetti kaksinkertaistuu 1.5 vuodessa)
=> Signaalinkäsittelyn kustannustehokkuus kasvaa
=> Prosessointia siirtyy jatkuvasti A/D-muuntimen edestä sen jälkeen suoritettavaksi (esisuodatus, synkronointi, jne.)
Page 6
______________________________________________________________________________________________________________________________________
2. Digitaalisen siirtojärjestelmän periaatteet
Claude Shannon 1948: A Mathematical Theory of Communication
Page 7
______________________________________________________________________________________________________________________________________
...Digitaalinen siirtojärjestelmä
Shannonin perusideat:
1) Lähteen koodaus Mikä tahansa signaali (puhe, kuva, mittausdata jne.) voidaan
näytteistää, kvantisoida ja esittää halutulla tarkkuudella bittivirtana.
Tämä bittivirta voidaan tiivistää sopivalla koodauksella (lähteen koodaus) bittivirraksi jonka nopeus on mielivaltaisen lähellä lähteen entropiaa eli informaationopeutta.
2) Kanavakoodaus Sopivalla kanavakoodauksella siirtovirhetodennäköisyys
voidaan saada mielivaltaisen pieneksi koodauksen kompleksisuutta ja koodausviivettä kasvattamalla.
Page 8
______________________________________________________________________________________________________________________________________
...Digitaalinen siirtojärjestelmä
Yleistetty digitaalinen siirtojärjestelmä:
SOURCE CHANNELCODER
SOURCECODER
SINK CHANNELDECODER
SOURCEDECODER
CHANNEL
Page 9
______________________________________________________________________________________________________________________________________
...Digitaalinen siirtojärjestelmä
Digitaalisen siirtojärjestelmän komponentit: Lähteen koodaus (Source coding)
– signaalin bittinopeuden pienentäminen redundanssia poistamalla
Kanavakoodaus (Channel coding)
– kanavassa syntyvien virheiden vaikutusten pienentäminen (virheenkorjaus) redundanssia lisäämällä
Modulaatio (Modulation)
– bittivirran muuntaminen analogiseksi aaltomuodoksi joka soveltuu kanavaan
Page 10
______________________________________________________________________________________________________________________________________
...Digitaalinen siirtojärjestelmä
Kanava (Channel)
– vääristää signaalia ja lisää häiriöitä Kanavadekoodaus (Channel decoder)
– korjaa kanavassa syntyneet virheet niin hyvin kuin mahdollista
Lähteen dekoodaus (Source decoding)
– palauttaa lähteen redundanssin ja rekonstruoi alkuperäisen bittivirran
Page 11
______________________________________________________________________________________________________________________________________
Digitaalisen siirtojärjestelmän suunnittelu
Käytettävissä olevien resurssien tehokas hyödyntäminen niin että
saavutetaan riittävä palvelun laatu. Keskeisiä parametreja ovat: haluttu siirtonopeus riittävän pieni bittivirhesuhde pieni viive jne.
Tähän tarvitaan: kanavan ominaisuuksien tunteminen tietoliikenneteorian ymmärrys, menetelmien ja algoritmien
tuntemus, analyysi, simulointi toteutusteknologia standardointi
Page 12
______________________________________________________________________________________________________________________________________
Kanavan kapasiteetti
Näytteenotto: kaistanleveyteen W rajoitetut jatkuvat signaalit voidaan esittää diskreetillä näytesekvenssillä joka on näytteytetty aikavälein T= 1/(2W)
AWGN-kanavan kapasiteetti (Hartley-Shannonin laki):
Kanavan kapasiteetti riippuu kaistanleveydestä (-> max. symbolinopeus) signaali-kohinasuhteesta (-> symboliaakkoston koko)
C W SNR log2 1
Page 13
______________________________________________________________________________________________________________________________________
...Kanavan kapasiteetti
Esimerkki: puhelinkanavan kapasiteetti Kaistanleveys W = 3400 Hz Signaali-kohinasuhde SNR = 30 dB
Mikä on kanavan kapasiteetti?
Ratkaisu:
SNR 10 100030 10/
C 3400 1001 33 92log .bit / s kbit / s
Page 14
______________________________________________________________________________________________________________________________________
3. Tulevaisuuden haasteita
Lähitulevaisuuden tärkeimmät kehityskohteet: Matkaviestimet (UMTS)
– kännykkä jokaiselle
– kommunikaattori datasiirtoyhteyksineen ammattikäyttöön
– korvaa lankapuhelimen? (Kehitysmaat) Digitaalinen tilaajayhteys joka kotiin (xDSL)
– sähköposti, pankki, tiedonhaku, viihde, pelit
– www-palvelut, internet
Haastavia töitä tiedossa tietoliikenneinsinööreille!
Page 15
______________________________________________________________________________________________________________________________________
4. Signaalinkäsittelyn sovelluksia
Seuraavaksi tarkastellaan kahta sovellusympäristöä: matkapuhelimia ja nopeita tilaajaliittymiä
Erilaiset vaatimukset ja ongelmat:
– siirtonopeus
– liikkuvuus
– kanavan ominaisuudet
– vaatimukset päätelaitteelle Erilaiset ratkaisut myös signaalinkäsittelyn osalta Esitys pohjautuu osittain DI Jarmo Niemisen (Tellabs) ja TkL
Timo Huuhtasen (NMP) vierailuesitelmämateriaaliin
Page 16
______________________________________________________________________________________________________________________________________
4A. Matkapuhelimet
Matkapuhelimen perusvaatimukset: Laatu: kohtalaisen luotettava siirtoyhteys radiokanavassa
(häipymät, monitie-eteneminen, doppler) Peitto: puhelinyhteys melkein missä tahansa Kapasiteetti: palvelun tarjonta vastaa kysyntää Mobiliteetti: liikkuminen mahdollista yhteyden aikana Tilaajalaitteen (kännykän) erikoisvaatimukset:
– pieni koko
– pieni tehonkulutus
– pienet akut, pitkä puhe- ja valmiusaika
– halpa hinta
Page 17
______________________________________________________________________________________________________________________________________
Monikäyttömenetelmät
Radiokanavan jakaminen monen käyttäjän kesken: Monikäyttömenetelmät
– FDMA (Frequency Division Multiple Access, taajuusjakomonikäyttö)
– TDMA (Time Division Multiple Access, aikajakomonikäyttö)
– CDMA (Code Division Multiple Access, koodijakomonikäyttö)
Page 18
______________________________________________________________________________________________________________________________________
... Matkapuhelimet
Digitaalisten matkapuhelimien nykytilanne: GSM-järjestelmä Euroopassa (+muualla), USA:n ja Japanin
kilpailevat järjestelmät GSM kehittyy edelleen:
– puolen nopeuden (6.5 kbit/s) ja parannetun laadun (13 kbit/s) puheenkoodaus
– rinnakkaisjärjestelmät korkeammilla taajuuksilla (PCS/DCS) USA:ssa ja Euroopassa
– datasiirtopalvelut paranevat Uusia ‘pikastandardeja’ sopimuksien ja yhteistyön kautta
– WAP-puhelimet
Page 19
______________________________________________________________________________________________________________________________________
...Matkapuhelimet
Kolmannen sukupolven matkapuhelinjärjestelmät standardointivaiheessa:
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), ETSI IMT-2000, ITU
– suuremmat siirtonopeudet
– paremmat datasiirtopalvelut
– CDMA- ja TDMA-tekniikan rinnakkaiskäyttö
– enemmän suurta kapasiteettia, vähemmän peittoa
=> kahden tai useamman järjestelmän vastaanottimet Yhä suuremmat vaatimukset vastaanottimen ja lähettimen
signaalinkäsittelylle!
Page 20
______________________________________________________________________________________________________________________________________
4B: Digitaaliset tilaajaliittymät
Joka kotiin kupariparijohto (puhelinjohto) Vaikka puhelinkanavan kapasiteetti onkin rajallinen (<64
kbit/s), itse kuparijohdon kapasiteetti on paljon suurempi Viime vuosina on alettu kehittää menetelmiä, jolla tämä
kapasiteetti saadaan tehokkaaseen käyttöön Digitaalisella signaalinkäsittelyllä keskeinen rooli! xDSL-tekniikat (Digital Subscriber Lines)
– x=H: High Speed DSL
– x=A: Asymmetric DSL
– x=V: Very High Speed DSL
Page 21
______________________________________________________________________________________________________________________________________
Digitaaliset tilaajaliittymät
Perusvaatimukset: suuri siirtokapasiteetti erittäin pieni bittivirhesuhde (<10-6) kanavan ominaisuudet
– kanavan vaste vaihtelee paljon, suunnilleen vakio yhden yhteyden aikana
– pitkä impulssivaste => paljon ISIä (pulssien keskinäisvaikutus)
– kohinaa, ylikuulumishäiriöitä viereisiltä johdoilta
– korkeilla taajuuksilla myös radioamatöörit häiritsevät!
Page 22
______________________________________________________________________________________________________________________________________
5. Miksi opiskelisin signaalinkäsittelyä?
Olennainen osa tulevaisuuden tietoliikennejärjestelmiä Yleinen menetelmäoppi, joka on hyödyllinen monen
sovellusalueen yhdistelmänä
– tietoliikenne, teletekniikka
– akustiikka
– elektroniikka
– radiotekniikka
– tietojenkäsittely, ohjelmistot
– säätötekniikka, lääketieteellinen signaalinkäsittely, yms. Töitä tiedossa, valinnanvaraa!