S-38.105 Tietoliikennetekniikan perusteet 3. luento 29.1.2004 Puheen siirto digitaalisessa puhelinverkossa (informaatioteorian alkeita). Modulointi ja kanavointi. PCM-järjestelmä. --------------------------------------------------------------- Ääni * väliaineessa (ilma, vesi, metalli) etenevä mekaaninen värähtely; ilmassa yli- ja alipaineiden vaihtelua * aistittavia ominaisuuksia - voimakkuus: kuinka suuria tihentymiä ja harventumia - korkeus: kuinka nopeasti äänenpaineet vaihtelevat (taajuus); tiheästi värähtelevä ääni aistitaan korkeana, harvakseltaan värähtelevä matalampana - sointiväri: minkälaisia yläsäveliä (perustaajuuden monikertoja), minkälainen aluke -> sointiväri erottaa erilaiset äänilähteet toisistaan * nopeus riippuu väliaineesta ja lämpötilasta - ilma 330 m/s, vesi 1500 m/s, teräs 5 km/s Kuulo - eli miksi puhelin on sellainen kuin on * kuuloalue - noin 20 Hz - 20 000 Hz - kuuloalueen eri osissa äänen intensiteetti aistitaan eri tavoin; herkimmillään 3-4 kHz:ssä (aistitaan n. 2uPa äänenpaine) * äänekkyysaistimus riippuu taajuudesta - esimerkki: ääni, joka on 100 Hz / 70 dB, aistitaan yhtä voimakkaana kuin 3000 Hz / 58 dB - äänen fysikaalisen intensiteetin yksikkö desibeli (dB) - äänekkyystason yksikkö foni * puheen kuuleminen - ymmärtämiseen tarvitaan kaista 300...3400 Hz -> puhelinverkossa siirretään taajuuskaista 300...3400 Hz Muutamia peruskäsitteitä * taajuus, engl. frequency, f - aaltojen lukumäärä aikayksikössä - yksikkö hertsi (Hz), värähdystä sekunnissa - taajuuskaista f1...f2, esim. ihmisen kuuloalue 16...20000Hz - kaistanleveys df=f2-f1 esim. puheen tärkeimmät komponentit alueella 300...3400Hz -> df=3100 Hz - oktaavi = taajuuden kaksinkertaistus * aallonpituus, (lambda) - yksikkö metri (m), yhden värähdyksen pituus - esim. ääniraudan tuottaman äänen aallonpituus ilmassa: f = 440 Hz, v = 440 m/s -> lambda = 77 cm Muutamia peruskäsitteitä (jatkuu...) * amplitudi - värähdyksen laajuus tasapainotilasta ääriasentoon - "peak to peak" eli huipusta-huippuun-amplitudi * desibeli, dB - suhdetta kuvaava luku -> ilmaisee suureen aina suhteessa toiseen suureeseen tai johonkin vertailutasoon - logaritminen asteikko helpottaa hyvin erisuuruisten lukujen keskinäistä vertailua - tehosuhteen laskeminen: tehon kymmenkertaistuminen nostaa äänenvoimakkuutta 10 dB "Analogisen signaalin siirto digitaalisessa puhelinverkossa..." * analoginen signaali - kaikki arvot mahdollisia -> signaalin esittämiseen tarvitaan liukuva asteikko - esim. ilmanpaineen vaihtelu ihmisen puhuessa, viisarikellon näyttämä kellonaika, nestepatsaan korkeus lämpömittarissa * digitaalinen signaali - vain äärellinen määrä arvoja sallittu -> voidaan esittää portaittaisella asteikolla - "sormin laskettava" - analoginen signaali voidaan muuttaa digitaaliseksi, mutta tällöin alkuperäisen signaalin arvot joudutaan pyöristämään lähimpään digitaaliseen portaaseen -> ei enää täysin tarkka? Puheen siirron vaiheet 1. Muutetaan analoginen, mekaaninen signaali (äänenpaineen vaihtelut) sähköiseksi 2. Otetaan signaalista näytteitä sopivin väliajoin (näytteistys, engl. sampling) 3. Nyquistin näytteenottoteoreema 4. Muutetaan näytteet biteiksi (kvantisointi ja koodaus) - näyte joudutaan pyöristämään lähimpään asteikon arvoon -> kvantisointivirhe tai -särö - joko tasavälinen tai epälineaarinen asteikko 5. Siirretään digitaalinen signaali vastaanottajalle (D/A-muunnos, signaalin muunnos sähköisestä takaisin ääneksi jne.) Näytteenotto * Harry Nyquist: näytteenottoteoreema - signaalista voidaan ottaa näytteitä niin, että niiden perusteella voidaan rekonstruoida alkuperäistä vastaava signaali - tällöin näytteitä tulee ottaa vähintään kaksinkertaisella taajuudella alkup. signaalissa esiintyvään suurimpaan taajuuteen nähden: f(näyte) >= 2 f(signaali(max)) * liian harva näytteenottotaajuus aiheuttaa laskostumista * puhelinverkon näytteenottotaajuus: - puhelinverkon taajuusalue 300...3400 Hz -> näytteenottotaajuus: f(näyte) >= 2*3400 Hz = 6800 Hz. - käytännössä komponentit eivät ole ideaalisia, minkä vuoksi valittu f(näyte) = 8000 Hz Kvantisointi ja koodaus * signaalista otettua näytettä verrataan asteikon arvoihin - tarvittaessa pyöristetään -> kvantisointivirhe/särö - 8 bittinen tavu -> 256-jakoinen asteikko (2^8 = 256) * epälineaarinen kvantisointi - puheen ymmärrettävän toiston kannalta tärkeimmät vivahde-erot pienillä äänenpaineilla -> pienillä äänenpaineilla asteikon tasoja tiheämmässä, suurilla harvemmassa - Euroopassa käytössä ns. A-laki * jokaista asteikon tasoa vastaa 8-bittinen tavu (koodaus) Miksi digitalisoida - eli digitaalitekniikan hyödyt * kohinan ja häiriöiden sieto paranee - signaalia siirrettäessä aina häiriöitä (kohinaa) - vahvistamisen sijasta digitaalinen signaali voidaan tunnistaa ja luoda uudestaan eli uudentaa (regeneroida) -> pitemmät siirtoyhteydet kuin analogiatekniikalla * digitaaliset laitteet ja komponentit - luotettavampia - edullisempia - vievät vähemmän tilaa - kuluttavat vähemmän energiaa * sopivat tietokoneiden väliseen datasiirtoon paremmin * digitaalitekniikan avulla voidaan käyttää kehittyneitä kanavointitekniikoita -> siirtotiet tehokkaaseen käyttöön Bitti ja tavu tiedonsiirrossa * bitti - informaation pienin perusyksikkö - bit = binary digit ("kaksi-tilainen") * tavu (B) - vakiokokoinen ryhmä bittejä - tiedonsiirrossa usein 8:n bitin kokoinen -> puhelinverkossa yksi puhelu tuottaa bittivirran 8000 1/s *8 bit = 64 kbit/s * tietoa siirrettäessä - tiedonsiirtonopeuden yksikkö bit/s (bps, bit per second) - "kilo" aina 10^3 = 1000, vaikka tietokoneen muistia mitattaessa "kilotavu" 1024=2^10 tavua (eli kibitavu, KiB) - yksiköiden käyttö horjuvaa... montako bittiä sekunnissa siirtyykään nopeudella 5,6 kB/s? Kerrannaisyksiköt * IEC hyväksyi bin. kerrannaisyksiköt 12/1998 mebitavu 1 MiB = 220 B = 1 048 576 B megatavu 1 MB = 106 B = 1 000 000 B Baudi ja dibitti * baudi (Bd) - modulointi- eli symbolinopeuden yksikkö - kuvaa signaalin muutostiheyttä sekunnissa (>< bit/s) - nimetty Emile Baudot' n (1845-1903) mukaan * dibitti - kahden bitin ryhmä, bittipari - (esim. nelitasoisen modulaation bittiparit ja niitä vastaavat vaihemuutokset) * esim. symbolinopeus 1 Bd - kaksitasoinen signaali -> tiedonsiirtonopeus 1 bit/s - nelitasoinen signaali (yksi muutos välittää aina kaksi bittiä) -> siirtonopeus 2 bit/s Modulaatio * tarkoittaa siirrettävän informaation lisäämistä kantoaaltoon - kantoaalto: se suuritaajuinen signaali, jota pienitaajuinen signaali moduloi - informaatio voidaan lisätä joko kantoaallon amplitudiin, taajuuteen (ja) tai vaiheeseen * moduloiva signaali voi olla analoginen tai digitaalinen * monitasoinen modulaatio - yhdellä muutoksella ilmaistaan useita bittejä kerrallaan -> siirtonopeus (bit/s) kasvaa * demodulaatio: informaatio ilmaistaan eli palautetaan kantoaallosta Amplitudimodulaatio (AM) * yksinkertaisin modulaatiotapa - hyötysignaali muuttaa kantoaallon amplitudia - vastaanottaja suodattaa kantoaallon pois ja saa alkuperäisen hyötysignaalin esiin * monet (radio)häiriöt muuttavat signaalin amplitudia -> AM-lähete herkkä häiriöille (esim. salamaniskuista rutinaa) * kun moduloiva signaali on digitaalinen, puhutaan ASK-modulaatiosta (Amplitude Shift Keying) Taajuusmodulaatio (FM) * kantoaallon taajuus muuttuu moduloivan signaalin mukaan - kantoaallon amplitudi vakio - käytössä esim. paikallisradiolähetyksissä * FSK-modulaatio: moduloiva signaali on digitaalinen - binaarinen FSK-modulaatio helppo tuottaa kahden eritaajuisen oskillaattorin avulla Vaihemodulaatio (PM) * hyötysignaali muuttaa kantoaallon vaihetta - hyötysignaalin positiivinen arvo kiertää vaihetta eteenpäin, negatiivinen taaksepäin * PSK-modulaatio käytössä etenkin datasiirrossa Monitasoisia vaihemodulaatioita * nelitasoinen vaihemodulaatio (4-PSK) - käytetään kahden bitin ryhmiä -> kaikki kombinaatiot neljällä eri vaihemuutoksella - moduloitavaa signaalia verrataan referenssisignaaliin * nelitasoinen vaihe-eromodulaatio (4-DPSK) - vaihemuutos lasketaan edellisestä merkistä eikä erillisistä referenssisignaalista - vastaanottajalle helpompi kuin vaihemodulaatio: riittää, että kahta peräkkäistä merkkiä verrataan toisiinsa esim. viivästämällä ensiksi tullutta yhden modulaatiovälin verran Kanavointi (eli multipleksaus) * tapa siirtää samalla siirtojohdolla useita hyötysignaaleja samanaikaisesti * yleensä yksi yhteys tarvitsee vain murto-osan siirtomedian kapasiteetista -> johdot hyötykäyttöön * kanavointitapoja - taajuusjakoinen (FDM, frequenzy division multiplexing) - aikajakoinen (TDM, time-division multiplexing) - aallonpituusjakoinen (WDM, wavelength division multiplexing) - koodijakoinen (CDM, code division multiplexing) - tai edellisten yhdistelmiä Taajuusjakoinen kanavointi (FDM) * vanhastaan ns. kantoaaltotekniikka - jaetaan taajuusalue useisiin viipaleisiin eli kanaviin - jokaisella kanavalla oma kantoaaltonsa, jota moduloidaan siirrettävällä signaalilla * käytetään - analogiset puhelinyhteydet (jokaisella kanavalla 4 kHz:n kaista) - radio- ja televisiosignaalien siirto taivaalla Aikajakoinen kanavointi (TDM) * lähetetään useista eri signaaleista otettuja näytteitä samalla johdolla vuorotellen * kun näyteitä otetaan siirtonopeuteen verrattuna harvakseltaan, sama fyysinen yhteys voi palvella useita loogisia yhteyksiä * käytetään - digitaaliset puhelinyhteydet - GSM: sekä taajuus- että aikajakoinen kanavointi Aallonpituusjakoinen kanavointi (WDM) * samassa valokuidussa välitetään useita kanavia erivärisillä valoilla eli eri valon aallonpituuksilla - vrt. taajuusjakoinen kanavointi * monikertaistaa esim. Atlantin ylittävien valokuitujen siirtokapasiteetin ilman uusien kaapeleiden vetoa Koodijakoinen kanavointi (CDM) * eri lähetteet kanavoidaan aika- ja/tai taajuusjakoisesti - saatuja aikavälejä tai taajuuksia voidaan käyttää mielivaltaisesti, kunhan lähettäjä saa tiedon siitä, mitä kanavia kulloinkin tulee kuunnella * käytetään 3. sukupolven matkapuhelinverkoissa Pulssikoodimodulaatio (PCM) * analoginen signaali muutetaan digitaaliseksi ja siirretään digitaalisena * tärkein puhesignaalin siirrossa käytetty menetelmä * käyttö: digitaaliset puhelinverkot, CD * keksi paperilla A.H. Reeves 1937 - transistori keksittiin 1950-luvulla - ensimmäiset PCM-järjestelmä käyttöön 1964 - Euroopan ensimmäinen PCM-järjestelmä HPY:lle 1968 * perusjärjestelmässä yhdellä johdolla siirretään aikajakoisesti 32 kanavaa, joista 30 puhekanavia PCM-järjestelmä * perusjärjestelmä siirtää tietoa noin 2 Mbit sekunnissa - yhdellä johdolla on yhteensä 32 kanavaa - yhden kanavan nopeus on 64 kbit/s -> yhteensä 2048 kbit/s - sopii paikallisyhteyksille * kaukoverkoissa tarvitaan suurempi siirtokapasiteetti - alempiasteisia järjestelmiä niputetaan yhteen