SIGNAALITEORIAN JATKOKURSSI 2003

Samankaltaiset tiedostot
Nämä ovat siis minimivaatimukset, enemmänkin saa ja suositellaan

TIEDONSIIRRON MATEMAATTISET MENETELMÄT S. Harri Saarnisaari. Centre for Wireless Communications (CWC) University of Oulu, Finland

Suodatus ja näytteistys, kertaus

TIETOLIIKENNETEKNIIKKA I A

Radioamatöörikurssi 2016

KAISTANLEVEYDEN JA TEHON KÄYTÖN KANNALTA OPTIMAALINEN MODULAATIO TRELLISKOODATTU MODULAATIO (TCM)

A! Modulaatioiden luokittelu. Luento 4: Digitaaliset modulaatiokonstellaatiot, symbolijonolähetteet. ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

MONITILAISET TIEDONSIIRTOMENETELMÄT TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka II Osa 18 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

Digitaalinen tiedonsiirto ja siirtotiet. OSI-kerrokset

Radioamatöörikurssi 2017

521357A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA I

VAIHEKOHERENTIT BINÄÄRISET KANTOAALTOMODULAATIOT JA NIIDEN VIRHETODENNÄKÖISYYDET

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Jukka Manner Teknillinen korkeakoulu

Radiokurssi. Modulaatiot, arkkitehtuurit, modulaattorit, ilmaisimet ja muut

Digitaalinen tiedonsiirto ja siirtotiet

JATKUVAN AWGN-KANAVAN KAPASITEETTI SHANNON-HARTLEY -LAKI

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 2

Helsinki University of Technology

ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA 1

Helsinki University of Technology Laboratory of Telecommunications Technology

BINÄÄRISET TIEDONSIIRTOMENETELMÄT TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka II Osa 11 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

Satunnaismuuttujat Satunnaismuuttuja kuvaa kokeen tuloksen reaaliakselille Satunnaismuuttuja on siis funktio X(s) joka saa reaalisia arvoja Koe s

Odotusarvo. Odotusarvon ominaisuuksia Satunnaismuuttujien ominaisuuksia 61

INFORMAATIOTEORIA & KOODAUS TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka II Osa 28 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

Uuden sukupolven HF-kommunikaatiotekniikka

MULTIPLEKSOINTIMENETELMÄT FDM, TDM, CDM JA QM. Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa 22 1 (16)

Otosavaruus ja todennäköisyys Otosavaruus Ë on joukko, jonka alkiot ovat kokeen tulokset Tapahtuma on otosavaruuden osajoukko

1 Määrittele seuraavat langattoman tiedonsiirron käsitteet.

Helsinki University of Technology

MULTIPLEKSOINTIMENETELMÄT FDM, TDM, CDM JA QM

4.0.2 Kuinka hyvä ennuste on?

T DSP: GSM codec

ELEC-C5210 Satunnaisprosessit tietoliikenteessä

Signaalien generointi

Virheen kasautumislaki

SGN-4200 Digitaalinen audio

spektri taajuus f c f c W f c f c + W

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Luento Informaatioteorian alkeita Tiedonsiirron perusteet

Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät. Yleistä

Ohjelmistoradio tehtävät 4. P1: Ekvalisointi ja demodulaatio. OFDM-symbolien generoiminen

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Kertymäfunktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2007) 1

Helsinki University of Technology

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 7

1. Yleistä asiaa tietoliikenneyhteyden toiminnasta.

521361A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA II

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta Osa 3: Todennäköisyysjakaumia Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia. Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia. Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia: Mitä opimme?

8. Muita stokastisia malleja 8.1 Epölineaariset mallit ARCH ja GARCH

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A. Moniulotteiset jakaumat. Avainsanat:

Algoritmit 1. Luento 2 Ke Timo Männikkö

T Verkkomedian perusteet. Tietoliikennekäsitteitä Tiedonsiirron perusteet

Ilkka Mellin (2008) 1/5

Tarkastellaan sitten tilastollisesti riippumattomien identtisesti kuten X edellä jakautuneiden muuttujien summaa Y = X i. 1 p p. Muuttujan X PDF.

ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

Matemaattinen tilastotiede. Erkki Liski Matematiikan, Tilastotieteen ja Filosofian Laitos Tampereen Yliopisto

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Kapeakaistainen signaali

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi. Viikko 3. Kaksiulotteiset satunnaismuuttujat

Digitaalitekniikan matematiikka Luku 1 Sivu 1 (19) Johdatus digitaalitekniikkaan

Alla olevassa kuvassa on millisekunnin verran äänitaajuisen signaalin aaltomuotoa. Pystyakselilla on jännite voltteina.

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Kertymäfunktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Epäyhtälöt ovat yksi matemaatikon voimakkaimmista

1. Perusteita Äänen fysiikkaa. Ääniaalto. Aallonpituus ja amplitudi. Taajuus (frequency) Äänen nopeus

Tilastotieteen kertaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

RADIOTIETOLIIKENNEKANAVAT

Todennäköisyyslaskun kertaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

ABHELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

MAANPUOLUSTUSKORKEAKOULU VIRHEENKORJAUSALGORITMIT. Kandidaatintutkielma. Kadetti Ville Parkkinen. 99. kadettikurssi Maasotalinja

Koodausteoria, Kesä 2014

Puheenkoodaus. Olivatpa kerran iloiset serkukset. PCM, DPCM ja ADPCM

Luento 5: Kantataajuusvastaanotin AWGNkanavassa I: Suodatus ja näytteistys a. Kuvaa diskreetin ajan signaaliavaruussymbolit jatkuvaan aikaan

WIMAX-järjestelmien suorituskyvyn tutkiminen

Laitteita - Yleismittari

Helsinki University of Technology

Radioamatöörikurssi 2012

Tietoliikenteen fyysinen kerros. Tietoliikenne kohtaa todellisuuden Kirja sivut 43-93

802118P Lineaarialgebra I (4 op)

Moniulotteiset satunnaismuuttujat ja jakaumat

ELEC-C5070 Elektroniikkapaja (5 op)

Lähettimet ja vastaanottimet

Jatkuvat satunnaismuuttujat

Kurssin perustiedot. ELEC-C7110 Informaatioteknologian perusteet. Tämän viikon aiheet. Tiedonsiirron perusteita. Tiedonsiirron rakenneosat

Maximum likelihood-estimointi Alkeet

GeoGebra tutkivan oppimisen välineenä: havainto-hypoteesi-testaus

Digitaalinen audio

Diskreetin satunnaismuuttujan odotusarvo, keskihajonta ja varianssi

30A02000 Tilastotieteen perusteet

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 1

521330A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA KURSSI ANALOGISEN JA DIGITAALISEN TIEDONSIIRRON TEORIASTA JA TOTEUTUSMENETELMISTÄ

Digitaalinen Televisio

Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi Esimerkkikokoelma 3

Tehtäväsarja I Tehtävät 1-5 perustuvat monisteen kappaleisiin ja tehtävä 6 kappaleeseen 2.8.

T Privacy amplification

Matemaattinen Analyysi, k2011, L2

FyMM IIb Kertausta kurssin asioista

puheen laatu kärsii koodauksesta mahdollisimman vähän. puhe pakkautuu mahdollisimman pieneen määrään bittejä.

Kopulafunktiot. Joonas Ollila 12. lokakuuta 2011

Transkriptio:

SIGNAALITEORIAN JATKOKURSSI 2003 Harri Saarnisaari University of Oulu Telecommunication laboratory & Centre for Wireless Communications (CWC)

Yhteystiedot Luennot Harri Saarnisaari puh. 553 2842 vastaanotto ti: 8.30-10.00 (ennen luentoja) huone TS473, tietoliikennelaboratorio, tietotalo, 4 krs. Luennot löytyvät Harrin kotisivuilta

Laskuharjoitukset Tero Lahtinen puh. 553 2989 vastaanotto sopimuksen mukaan huone TS473, tietoliikennelaboratorio, tietotalo, 4 krs. Kysymykset löytyvät Tero Lahtisen kotisivulta LH alkavat 20.1.2003 3

Kurssi Luennot ti,to 10-12 TS128 (periodi 5, periodi 6 ei to) Laskuharjoitukset to 12-14 TS128 (periodi 6 myös 10-12) Demostraatioharjoituksia Tentti Kurssikirja: John Proakis, Digital Communications, 3. painos, 1995, luvut 1, 2, ja 4.1-4.3.1 4

Johdanto Kurssin tavoitteena on syventää opiskelijan tietämystä digitaalisessa tietoliikenteessä tarvittavista signaalinkäsittelymenetelmistä ja käsitteistä. Kurssin tietoja tarvitaan digitaalisen tiedonsiirron kursseilla, hajaspektritekniikassa, jne. Esiteltävät termit viliset vastaan kaikkialla alan kirjallisuudessa ja niiden tietämys on eduksi kirjallisuutta luettaessa: perusopinnot jatko-opinnot työtehtävät tutkimus- ja tuotekehityksessä. 5

Erityisinä huomionkohteina ovat satunnaisisgnaalit sekä tietoliikennesignaalien esittäminen ns. kompleksisen verhokäyrän avulla. Liki kaikki käytönnön signaalit sisältävät satunnaisuutta eli ovat satunnaissignaaleja. Satunnaissignaaleja ymmärtääksemme tarvitsemmeperustietoasatunnaismuuttujista ja todennäköisyyden käsitteistä. Tietoliikennesignaalien esittäminen ja järjestelmien analysointi on helpointa kompleksisen verhokäyrän avulla. Periaatteessa se on kantoaallosta vapaa signaali. Toinen nimitys on kantataajuinen signaali. Lisäksi käydään läpi näytteenotto, eli miten jatkuvat tietoliikennekanavien signaalit tulisi näytteistää nykyaikaista diskreettiä signaalinkäsittelyä varten. 6

Kurssin sisältö Kurssin sisällön yhteydet digitaaliseen tietoliikennejärjestelmään Missä järjestelmän eri osissa kurssin aineistoa tarvitaan Todennäköisyyden peruskäsitteet Todennäköisyys, yhteistodennäköisyys Ehdollinen todennäköisyys Bayesin teoreema Tilastollinen riippumattomuus 7

Satunnaismuuttujat Määritelmä Kertymä- ja tiheysfunktiot (jakaumat) Usean muuttujan kertymä- ja tiheysfunktiot Ehdolliset kertymä- ja tiheysfunktiot Riippumattommat muuttujat Satunnaismuuttujien funktiot: niiden jakaumien muodostaminen Muuttujien tilastolliset keskiarvot keskiarvo momentit keskeismomentit Karakteristinen funktio 8

Erilaisia tietoliikenteessä tarpeellisia jakaumia Binomi, tasa-, normaali (Gaussin), Chi-neliö, Rayleigh, Rice, Nakagami m- jakaumat Moniulotteisen Gaussin jakauman ominaisuuksia Todennäköisyyden arviointimenetelmiä (approksimaatioita, joita voi käyttää analyysissa jos tarkka analyysi mahdotonta/vaikeaa) Chebyshev epäyhtälö Chernoff raja (tiukempi yläraja) Keskeinen raja-arvo lause, jota usein käytetään analyysissä Tutkii usean satunnaismuuttujan summaa Tarkastelee milloin summa on asymptoottisesti normaalijakautunut Asymptoottinen tarkoittaa tässä että näytemäärä kasvaa 9

Satunnaissignaalit Määritelmä Stationaarinen prosessi Prosessien tilastolliset keskiarvot Korrelaatio Kovarianssi Korreloimattomuus Satunnaissignaalin spektri Tehotiheysspektri Lineaarisen järjestelmän vaste satunnaissignaalille Näytteenottoteoreema Kuinka esittää käytännön jatkuvat kaistarajoitetut signaalit diskreetteinä 10

Aikadiskreetit satunnaissignaalit ja järjestelmät Aiemman yleistys aikadiskreeteille (näytteistetyille) signaaleille Syklostationaariset signaalit Bittiaaltomuoto aiheuttaa signaaliin toistetta bitin kestoajan välein Tilastollisista keskiarvoista tulee jaksollisia 11

Kaistanpäästösignaalien ja -järjestelmien kompleksinen verhokäyrä Kaistanpäästösignaalien ja -järjestelmien esittäminen ilman kantoaaltoa Järjestelmien vasteen laskeminen ilman kantoaaltoa Tämän muistaminen helpottaa laskemista ja analyysia sillä aina ei tarvitse välittää siitä, millä kantotaajuudella järjestelmä toimii Stationäärinen kaistanpäästösignaali Valkoinen kohina Vektori- ja signaaliavaruus Signaalin esittäminen vektori- ja signaaliavaruuksissa kantavektorien avulla Ortogonaalisten kantojen muodostus: Gram-Schmidt proseduuri 12

Erilaisten digitaalisten modulaatioiden esittäminen signaaliavaruuden avulla Muistittomat lineaariset digitaaliset modulaatiot Symboli: M-bittiä muodostaa k = log 2 M eri symbolia Bitit 0 ja 1 muodostavat 2 symbolia Jos otetaan kaksi peräkkäistä bittiä, 00, 01, 10, 11 saadaan 4 symbolia Modulaatio: symbolin kuvaaminen aaltomuodolla, joka lähetetään tiedonsiirtokanavaan Muistiton: edelliset symbolit eivät vaikuta seuraavaan symboliin 13

Lineaarinen: superpositioperiaate pätee peräkkäisten aaltomuotojen välillä Esim. olkoon s 1 (t) jas 2 (t) symbolejax 1 ja x 2 vastaavat aaltomuodot Olkoon K modulaatio, ja a 1 ja a 2 kaksi vakiota Modulaatio on lineaarinen jos K(a 1 x 1 + a 2 x 2 )=a 1 s 1 (t)+ a 2 s 2 (t) 14

Eri modulaatiot ja niiden esittäminen signaaliavaruuden avulla Pulssiamplitudimodulaatio (phase amplitude modulation, PAM) Vaihemodulaatio (phase shift keying, PSK) Kvadratuurinen amplitudimodulaatio (quadrature amplitude modulation, QAM) Moniulotteiset signaalit (ajassa, taajuudessa) Ortogonaaliset moniulotteiset signaalit (frequency shift keying, FSK) Biortogonaaliset signaalit Simplex signaalit Binäärinen koodaus 15

Digitaalinen tietoliikennejärjestelmä informaatiolähde lähteen koodaus kanava koodaus digitaalinen modulaatio kanava muunnin lähteen dekoodaus kanava dekoodaus digitaalinen demodulaatio DIGITAALISEN TIETOLIIKENNEJÄRJESTELMÄN PERUSELEMENTIT 16

Informaatiolähde Analoginen lähde, esim. puhe Digitaalinen lähde, esim. digitaalisesti talletettu teksti tai kuva Lähde sisältää usein satunnaisuutta Aina ei toisteta samoja sanoja Puhuttaessa taustakohina muuttuu Kuvissa on eri kohteita Lähetettävä teksti muuttuu Lähde on siis usein satunnaissignaali 17

Lähteen koodaus Digitaalinen tietoliikennejärjestelmä esitetään lähteen sisältö digitaalisesti Analogisessa tapauksessa tarvitaan analogia-digitaali (AD)-muunnos Sen lisäksi pyritään usein poistamaan lähteestä redundanssi Lähteessä voi olla informaatiota, joka toistuu Poistamalla redundanssi lähteen sanoma voidaan esittää niin vähillä binäärisillä symboleilla (biteillä) kuin mahdollista Vähentää siirtotarvetta Esim. PCM-koodauksessa ei ole redundanssin poistoa vaan puhe esitetään aina samalla määrällä bittejä, nopeudella 64 kbit/s GSM ja muissa mobiilisovelluksissa ollaan jo alle 10 kbit/s nopeudessa, jopa 3 4 kbit/s tuottaa hyväksyttävää puheenlaatua 18

Tuntemalla lähteen ominaisuudet (esim. tehotiheys, jaksolliset ominaisuudet, jakauma) voidaan kehittää sopivia lähdekoodereita. 19

Kanavakoodaus Koodattuun informaatiojonoon lisätään hallittua redundanssia Tavoitteena on saada lähete sietämään paremmin tiedonsiirtokanavassa ilmeneviä epäideaalisuuksia kuten kohinaa ja häiriöitä Redundanssia käytetään hyväksi vastaanottimen kanavadekooderissa, esim. kanavakoodit kuten konvoluutiokoodi Tyypillisesti reduntanttisuus tarkoittaa bittien lisäämistä informaatiojonoon joka suurentaa siirtotarvetta Koodauksen suunnittelussa tarvitaan tietoja lähteen jakaumista (esim. lähdesymbolien todennäköisyyksistä) Koodauksen analyysissä tarvitaan tietoa tämän kurssin käsitteistä kuten todennäköisyys, satunnaismuuttujat ja satunnunnaismuuttujien tilastolliset keskiarvot 20

Digitaalinen modulaatio Muuttaa binäärisen bittijonon tiedonsiirtokanavaan sopivaksi signaaliksi Tyypillisesti tiedonvälitys tapahtuu käyttäen elektromagneettisia signaaleja Poikkeuksena esim. vedenalainen tiedonvälitys, jossa voidaan käyttää akustisia signaaleja Modulaatio tarkoittaa siis bittijon kuvaamista joksikin tiedonsiirtokanavaan sopivaksi signaali aaltomuodoksi Esim. bitti 0 kuvataan signaaliksi s 0 (t) ja bitti 1 signaaliksi s 1 (t) Tällä kurssilla esitellään joitain lineaarisia muistittomia modulaatimenetelmiä 21

Tiedonsiirtokanava Väli lähettimestä vastaanottimeen Fyysinen väliaine voi vaihdella Langattomassa viestinnässä väliaineena on ilmakehä, kanavan vaimennuskertoimet on usein kuvattu satunnaismuuttujiksi tai -signaaleiksi (aikariippuviksi) Langallisessa viestinnässä sähkö- tai optinen kaapeli Vedenalla vesi Patterimorsetuksessa patteriverkosto Joka tapauksessa väliaine vaikuttaa signaaliin eri tavoin Lisää summautuvaa kohinaa (additive noise) Esiintyy luonnossa itsessään (taustasäteily, salamat), Ihmisen tekemää (elektroniset laitteet, muut signaalit) Kohinan teho ja laatu riippuu taajuudesta 22

Vaimentaa Signaalin teho laskee etenemisen yhteydessä Esim. vapaan tilan vaimennus suhteessa etäisyyden neliöön Suodattaa Signaalin aaltomuoto saattaa vääristyä Vastaanottimen suorituskyky ei ole enää paras mahdollinen Joissain vääristymissä vastaanotto jopa mahdotonta Erilaisilla kanavakorjaimilla pyritään torjumaan vääristymien aiheuttamia ongelmia Kohinan ja vaimentumisen kuvaus perustuu usein tilastollisiin jakaumiin Korjaimien suunnittelussa käytetään signaalinkäsittelyä, jossa tarvitaan tietoa esim. satunnaismuuttujista ja niiden tilastollisista keskiarvoista 23

Digitaalinen demodulaatio Demolulaattori muuntaa kanavasta tulleen, todennäköisesti turmeltuneen aaltomuodon takaisin binääriseksi jonoksi Useita erilaisia tilastollisia suunnittelun lähtökohtia: Minimi virhetodennäköisyys (BER, bit error rate) Minimi neliövirhe (MSE, mean square error) Suurimman uskottavuuden menetelmä (ML, maximum likelihood) Myös demodulaattorin suorituskyvyn analyysissä tarvitaan paljon tietoa satunnaissignaaleista, esim. jakaumat Koodaamaton bittivirhesuhde, kanavan bittivirhesuhde 24

Kanava dekooderi Kanava dekooderi muuntaa koodatun bittijon takaisin alkuperäiseksi koodaamattomaksi jonoksi Analyysissä käytetään paljon satunnaissignaaleja ja niiden ominaisuuksia, jopa approksimaatioita, jos varsinainen jakauma vaikea muodostaa tai analysoida Tuloksena järjestelmän bittivirhesuhde 25

Lähde dekooderi ja muunnin Palauttaa alkuperäisen (analogisen) signaalin 26