Transcript Signaalinkäsittelyllä kapasiteettia ilmaan ja johtoon

Helsinki University of Technology
Laboratory of Telecommunications Technology
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
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 2
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 3
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 4
...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 5
2. Digitaalisen siirtojärjestelmän periaatteet

Claude Shannon 1948: A Mathematical Theory of
Communication
______________________________________________________________________________________________________________________________________
Page 6
...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 7
...Digitaalinen siirtojärjestelmä

Yleistetty digitaalinen siirtojärjestelmä:
SOURCE
SOURCE
CODER
CHANNEL
CODER
CHANNEL
SINK
SOURCE
DECODER
CHANNEL
DECODER
______________________________________________________________________________________________________________________________________
Page 8
...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 9
...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 10
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 11
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):
C  W log2 1  SNR
Kanavan kapasiteetti riippuu
 kaistanleveydestä (-> max. symbolinopeus)
 signaali-kohinasuhteesta (-> symboliaakkoston koko)
______________________________________________________________________________________________________________________________________
Page 12
...Kanavan kapasiteetti
Esimerkki: puhelinkanavan kapasiteetti
 Kaistanleveys W = 3400 Hz
 Signaali-kohinasuhde SNR = 30 dB
Mikä on kanavan kapasiteetti?
Ratkaisu:
SNR  1030/10  1000
C  3400  log2 1001bit / s  33.9 kbit / s
______________________________________________________________________________________________________________________________________
Page 13
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 14
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 15
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 16
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 17
... 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 18
...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 19
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 20
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 21
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!
______________________________________________________________________________________________________________________________________
Page 22