Transcript Hiradastechnika_II_maros

Átviteli szakasz általános
felépítése
Sávszélesség változása az
átvitel során
Az emberi hangképzés folyamata
Hangszálak
Vokális traktus
Gerjesztés
Az emberi beszéd jellemzői
• Frekvencia tartomány: 300-3400 Hz
• 20 ms-on belül a jellemzők nem változnak
• Az egymás utáni 20 ms-os minták között
korreláció mutatható ki
• Hosszú idejű analízissel becsülhető a következő
minta (differenciális kódolás, pl. DPCM)
•Az agy korrigálni tudja a „hibákat”!
Beszédkódolók osztályozása
Hullámforma kódolók: leírják az analóg jelet
idő és frekvenciatartományban
Vokódolók: az emberi hangképzés szabályait
modellezik
Hibrid kódolók: a két kódoló típus előnyös
tulajdonságait egyesítik
Hullámforma kódolás elve
Mintavételezés
(mintavételi
frekvencia)
Kvantálás
(kvantálási lépcsők
száma)
Kódolás
(kódszó hossza)
Előnyök: jó hangminőség
Hátrány: nagy sebesség (PCM: 64 kbit/s)
Vokóderek elve
Az emberi hangképzés szabályait írják le
Vokális traktusra jellemző
Előny: kis sebesség (pár kb/s)
Hátrány: rossz hangminőség
Beszédkódolók MOS értékei
MOS: Mean Opinion Score
Beszédkodekek MOS átlagértékei
AMR: Adaptive
Multirate Codec
(3G és 4G mobil)
G723: VoIP (mobil)
G728: LD-CELP, LowDelay code excited
linear prediction
GSM FR és EFR: Full rate, Enhanced Full Rate
Internet Low Bitrate Codec (iLBC)
G729: CS-ACELP,
Coding of Speech,
Adaptive Code
Excited Linear
Prediction (VoIP)
Zöngés hang jellemzői
Zöngés hang tipikus
amplitúdó/idő görbéje
Pitch frekvencia: 50-500 Hz
Zöngés hang teljesítmény
spektrum sűrűsége
(PSD:Power Spectrum Density)
Zöngétlen hang jellemzői
Zöngétlen hang teljesítmény
spektrum sűrűsége
Zöngétlen hang tipikus
amplitúdó/idő görbéje
(fehérzaj jelleg)
ADPCM kódoló
Időtartománybeli adaptív
kódolás
X(n): kódolandó jel
minta
D(n): különbségi jel
Dq(n): dekvantált
különbségi jel
Xp(n-1): n-1-ik jelből
jósolt minta
Xp(n): a jósolt jel és a
különbségi jel
összege
C(n): különbségi jel
Sub-band (alsávi) kódolás
•Az alapsávi jelet több alsávra bontja dinamika szerint
•Minden alsáv külön ADPCM kódolót használ
•Előny: zajérzékenység csökkentése (a különböző
alsávokban különböző mintavételezési frekvenciát és
kódhosszt lehet használni)
•Sebesség: 16-32 kbit/s
•Vételi oldal: az alsávok jelei összeadódnak
Hibrid kódolók (AbS)
Analysis by Synthesis (AbS)
Gerjesztési típusok (MPE és RPE)
MPE: Multiple Pulse
Excitation (több
impulzusos gerjesztés)
RPE: Regular Pulse
Excitation (szabályos
impulzus gerjesztés),
GSM-13kbit/s
MPE: az impulzus amplitúdóját és fázisát is kódolni kell
RPE: csak az impulzus amplitúdóját kell kódolni
Gerjesztési típusok (CELP)
•Kódtábla: 1024 gerjesztési mintát tartalmaz
•Csak a kódhoz tartozó sorszámot kell átküldeni!
•Sebesség: 4,8-16 kbit/s
Kodek sebessége
Kódolás+dekódolás
sebessége
Tipikus: 50-100 ms
Gyors: G728 CELP
kodek, 2-5 ms
GSM beszéd kodek
Sebesség: 260 bit/20ms, azaz 13kbit/s
Egyéb forrásjelek tömörítési alapelvei
Hangintenzitás
(fül jellemzői)
(hangnyomás)
(decibel)
Phon: relatív
hangossági érzet
Fletcher-Munson
görbék (kék) és
módosított változata
az ISO 226:2003
szabvány szerint
(piros)
frekvencia
Egyéb forrásjelek tömörítési alapelvei
(szem jellemzői)
Csapok: színek
érzékelése
Pálcikák: fényerő
érzékelése
Forrásjelek tömörítési alapelvei
(általános elvek)
Veszteségmentes tömörítés: a tömörített adatból az
eredeti adatok pontosan rekonstruálhatók.
Veszteséges tömörítés: a tömörített adatból az
eredeti adatok nem rekonstruálhatók.
Tömörítési arány (ráta): az eredi információ és a
tömörített információ aránya (pl: 3/1)
Pl. kép: veszteségmentes: raw
veszteséges: jpeg pl. 25/1
Hibajavítás (általános elvek)
Zajos csatorna
Demodulátor
Vett bitsorozat
(BER)
Hiba detektáló
megoldások
Ismétlés (ARQ)
Előremutató hibajavítás
(FEC)
Hiba felismerése
Hiba javítása
Hibadetektáló megoldások I (ismétlés).
• Az üzenet kisebb blokkokra van felosztva
• Minden blokk többször kerül ismétlésre
• Hiba akkor van, ha az egyik blokk eltér a
többitől
• Kis hibavalószínűség esetén alkalmazható
ADÓ
VEVŐ
1011 1011 1011
1010 1011 1011
1011 1011 1011
1010 1011 1010
Hibadetektáló megoldások II. (paritás)
• Páros és páratlan paritás
• Páros vagy páratlan számú egyesre való
kiegészítés
• Hiba akkor van, ha páros számú 1-es helyett
páratlan számú egyest kapunk, vagy fordítva
• Alkalmazás: mikrocontollerek, adatbuszok,
adattárolás
ADÓ
VEVŐ
Páros paritás
10110010
10110110
Páratlan paritás
00110010
00110110
Hibadetektáló megoldások III.
(polaritásváltás)
• A bitsorozat negáltja is elküldésre kerül
• Hiba akkor van, ha a két vett jel polaritása
megegyezik
• Azonos bithelyen fellépő hibánál hamis eredmény
• Hátrány: túl nagy redundancia
• Alkalmazás: többvivős rendszerek
ADÓ
VEVŐ
10110010
10110010
10100010
01001101
01011101
01011101
Hibadetektáló megoldások IV.
(Ciklikus Redundancia Ellenőrzés-CRC)
•
•
•
•
A bitsorozathoz polinomot rendel
Ismert polinom az adóban és a vevőben is
CRC: polinom osztás eredménye
Alkalmazás: mobil, RFID, Bluetooth, Ethetnet..stb
ADÓ
10110010101001 CRC
polinom
osztás
ismert polinom
VEVŐ
10100010101001 CRC
polinom
osztás
ismert polinom
?
CRC
Hibadetektáló megoldások V.
(Ellenőrző összeg- CheckSum)
•
•
•
•
A bitsorozatot részekre bontjuk és összeadjuk
Az összeadás eredményét küldjük el
A vevőben újra elvégezzük a műveletet
Ha a két eredmény nem egyenlő, hiba volt
Hibadetektáló megoldások V.
(Hamming kódolás)
Pl: 4/7 Hamming kód …….4 adatbit – 3 paritásbit
d=2 hiba detektálható, de csak egy hiba esetén javítható
Paritásbitek száma = legnagyobb kitevő száma (15=8+4+2+1)
Hamming kódolás (páros paritással)
DATA
PARITY
7653
0001
HD:4
0010
HD:3
0011
HD:3
0100
p1 p2 p3
110
101
011
011
p1: (3,5,7) – 20=1
P2: (3,6,7) – 21=2
P3: (5,6,7) – 22=4
7654321
Hibajavítás
(ARQ:Automatic Repeat Request)
Négy típus:
•Stop and Wait
•Go-Back-N
•Szelektív
•Hibrid
Stop and Wait ARQ
t1
t1
t2
Timer idő után újraküldés
Probléma: a vevő nem tudja megkülönböztetni hogy újraküldés
történt, vagy a következő blokk jött azonos tartalommal
Megoldás: 0 és 1 jelzőbit alkalmazása az egymás utáni blokkokban
Go-Back-N ARQ
Időablakon belül az adott
csomaghoz tartozó ACKnak meg kell érkeznie!
Ha az időablakban
megérkezik az első
csomaghoz tartozó ACK,
az időablak eltolódik
Szelektív ARQ
ÜZENET
Hosszú adatblokk – egy ACK
Előny: ha nincs hiba – gyors átvitel
Hátrány: ha hiba volt – teljes blokk újraküldés
Rövidebb adatblokkok – több ACK
Előny: csak a hibás al-blokkot kell újraküldeni
Hátrány: lassú (több ACK)
Hibrid ARQ (Chase combining)
Chase: üldözés, vadászat
A hibásan vett csomagok nem kerülnek eldobásra
A hibásan vett csomagok egy algoritmussal javíthatók
Hibrid ARQ (Incremental redundancy)
A FEC (Forward Error Coding) bitek elküldése NACK esetén
A hibásan vett csomagok a FEC bitekkel javíthatók
Előremutató hibajavítás
(Forward Error Coding: FEC)
Két fő típus:
•Konvolúciós kódolás
•Blokk kódolás
Cél: redundáns bitek hozzáadásával a vételi
oldalon hatékony hibajavítás (rádiós átvitel)
Konvolúciós kódolás (alapelv)
Pl. (3,1,3) kódoló
(n,k,m) kódoló
D tárolók és modulo2 összeadók
• n: kimenetek száma
• k: bemenetek száma
• m: tárolók száma
• belső állapotok száma: m-1
Generátor polinomok
G1(1,1,1)
G2 (0,1,1)
G3(1,0,1)
Konvolúciós kódolók típusai
(anya kódolók és „defektes”kódolók)
Anyakódolók:1/n
„Defektes” kódolók: k/n
Pl: 2/3 kódoló
Konvolúciós kódolók típusai
(szisztematikus)
•Az eredeti adatfolyam is továbbításra kerül
•A konvolúciós bitek az eredi adatfolyam után
kerülnek küldésre
Konvolúciós kódolók típusai
(nem szisztematikus)
•Az eredeti adatfolyam nem kerül továbbításra
•A konvolúciós bitek az eredi adatfolyamban
vannak kódolva
„1”-re adott válaszfüggvény
(hol a hiba?)
11111011
1011 vs. 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 ?
De mire jó a konvolúció ?
Bemeneti bit
Impulzusválasz
1
11111011
0
00000000
(két bit eltolás)
1
11111011
1
11111011
----------------------------------------------------------------------------Kódolt info
11110111010111
Ez tulajdonképpen egy modulo2 összeadás!
Eltolás: L-1 (L: belső állapotok száma)
Működési tábla
Gráfos (állapotábra) ábrázolás
Info: 1011
Kódolt info:
11110111010111
Fastruktúrás
ábrázolás
Info: 1011
Kódolt info:
11110111010111
Trellis diagram
Trellis diagramon való kódolás
Info: 1011
Kódolt info:
11110111010111
Hibajavítás – Fano algoritmus I.
(majom a vízben?)
Info: 1011
Kódolt info: 11 11 01 11 01 01 11 - Detektált info: 01 11 01 11 01 01 11
Hibajavítás – Fano algoritmus II.
Hibajavítás – Fano algoritmus III.
Hiba javítás – Viterbi algoritmus I.
Hamming metrika értelmezése
Hamming metrika
Hiba javítás – Viterbi algoritmus II.
Hiba javítás – Viterbi algoritmus III.
Hiba javítás – Viterbi algoritmus IV.
Hiba javítás – Viterbi algoritmus V.
Hiba javítás – Viterbi algoritmus VI.
Hiba javítás – Block kódolás
G= 1+ X11+X13+X14+X16
XOR Gates
LFSR: Linear Feedback Shift Register
Hiba javítás– Block kódolás
(GSM beszédcsatorna)
XOR gate
Data
50 bits
Block
code bits
SW-ON – kódolás (50 órajel)
SW-OFF –D tárolók tartalmának kiolvasása
Az interleaving elve
Eredeti jelfolyam
Kevert jelfolyam
Csomagvesztés
Rekonstruált jelfolyam
Az eredeti jelfolyam azonos hosszúságú blokkokra van
osztva, az egymás utáni blokkok elküldése különböző
időkben történik!
GSM beszéd csatornakódolása
Nagyon fontos
Fontos
Nem fontos
50
132
78
50 3
132 4
78
378 Kódolatlan bitek78
Kódolt bi te k
Blokk
kódolás
456 bit
U0
.... U
188
D
D
D
D
D
konvolúciós
kódolás
3
G0 =1+D+D4
3
G0
4
G 1 =1+D+D+D
G1
Kódoló sebessége: 260 bit/20 ms
C 0 .... C 377
Az interleaving a GSM beszédcsatornán
57 bit
20 ms csatornakódolt
beszédminta
(456 bit) 8 blokkra
van bontva
Egy blokk egy
keretben van
elküldve
(B blokk)
Egy burst-be két
minta egy-egy
blokkja kerül