Lataa esitys
Esittely latautuu. Ole hyvä ja odota
1
Sähköposti: timo.laakso@hut.fi
S Teletekniikan perusteet Luento Signaalinkäsittelyllä kapasiteettia johtoon ja ilmaan Signaalinkäsittelyn merkitys uusissa matkapuhelinjärjestelmissä ja nopeissa tilaajaliittymissä prof. Timo I. Laakso Huone G210, puh Sähköposti:
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?
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!
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
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.)
6
2. Digitaalisen siirtojärjestelmän periaatteet
Claude Shannon 1948: A Mathematical Theory of Communication
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.
8
...Digitaalinen siirtojärjestelmä
Yleistetty digitaalinen siirtojärjestelmä: SOURCE CODER CHANNEL CODER SOURCE CHANNEL SOURCE DECODER CHANNEL DECODER SINK
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
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
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
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)
13
...Kanavan kapasiteetti Esimerkki: puhelinkanavan kapasiteetti Kaistanleveys W = Hz Signaali-kohinasuhde SNR = 30 dB Mikä on kanavan kapasiteetti? Ratkaisu:
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!
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
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
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)
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
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!
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
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!
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!
Samankaltaiset esitykset
