S-38.118 Teletekniikan perusteet Luento 20.10.1999 Signaalink

1
S-38.118 Teletekniikan perusteetLuento
20.10.1999Signaalinkäsittelyllä kapasiteettia
johtoon ja ilmaanSignaalinkäsittelyn merkitys
uusissa matkapuhelinjärjestelmissä ja nopeissa
tilaajaliittymissä

• prof. Timo I. Laakso
• Huone G210, puh. 451 2473
• Sähköposti timo.laakso_at_hut.fi

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 gt
• Näytteenotto ja signaaliarvojen kvantisointi
  (A/D-muunnos)
• Digitaalinen muokkaus
• Digitaalinen siirto ja/tai tallennus
• D/A-muunnos
• gt 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)
• gt Signaalinkäsittelyn kustannustehokkuus kasvaa
• gt 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 siirtovirhetodennäköi
  syys 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 (-gt max. symbolinopeus)
• signaali-kohinasuhteesta (-gt symboliaakkoston
  koko)

13
...Kanavan kapasiteetti

• Esimerkki puhelinkanavan kapasiteetti
• Kaistanleveys W 3400 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 tietoliikenneinsinööreill
  e!

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), USAn 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) USAssa 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
• gt 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 (lt64 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)
• xH High Speed DSL
• xA Asymmetric DSL
• xV Very High Speed DSL

21
Digitaaliset tilaajaliittymät

• Perusvaatimukset
• suuri siirtokapasiteetti
• erittäin pieni bittivirhesuhde (lt10-6)
• kanavan ominaisuudet
• kanavan vaste vaihtelee paljon, suunnilleen vakio
  yhden yhteyden aikana
• pitkä impulssivaste gt paljon ISIä (pulssien
  keskinäisvaikutus)
• kohinaa, ylikuulumishäiriöitä viereisiltä
  johdoilta
• korkeilla taajuuksilla myös radioamatöörit
  häiritsevät!

22
5. Miksi opiskelisin signaalinkäsittelyä?

• Olennainen osa tulevaisuuden tietoliikennejärjeste
  lmiä
• Yleinen menetelmäoppi, joka on hyödyllinen monen
  sovellusalueen yhdistelmänä
• tietoliikenne, teletekniikka
• akustiikka
• elektroniikka
• radiotekniikka
• tietojenkäsittely, ohjelmistot
• säätötekniikka, lääketieteellinen
  signaalinkäsittely, yms.
• Töitä tiedossa, valinnanvaraa!