prof. Timo I. Laakso Huone G210, puh. 451 2473 Sähköposti: timo.laakso@hut.fi

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@hut.fi

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?

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!

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

...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.)

2. Digitaalisen siirtojärjestelmän periaatteet • Claude Shannon 1948: A Mathematical Theory of Communication

...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.

...Digitaalinen siirtojärjestelmä • Yleistetty digitaalinen siirtojärjestelmä: SOURCE CODER CHANNEL CODER SOURCE CHANNEL SOURCE DECODER CHANNEL DECODER SINK

...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

...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

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

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)

...Kanavan kapasiteetti Esimerkki: puhelinkanavan kapasiteetti • Kaistanleveys W = 3400 Hz • Signaali-kohinasuhde SNR = 30 dB Mikä on kanavan kapasiteetti? Ratkaisu:

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!

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

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

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)

... 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

...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!

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

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!

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!

prof. Timo I. Laakso Huone G210, puh. 451 2473 Sähköposti: timo.laakso@hut.fi