JATKUVAN AWGN-KANAVAN KAPASITEETTI SHANNON-HARTLEY -LAKI

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

SYMBOLIVIRHETODENNÄKÖISYYDESTÄ BITTIVIRHETODENNÄKÖISYYTEEN

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

VAIHEKOHERENTIT BINÄÄRISET KANTOAALTOMODULAATIOT JA NIIDEN VIRHETODENNÄKÖISYYDET

LUKU 6 TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS

Suodatus ja näytteistys, kertaus

ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

LUKU 7 TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka I Osa 30 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

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

521361A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA II

Nämä ovat siis minimivaatimukset, enemmänkin saa ja suositellaan

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

521330A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA KURSSI ANALOGISEN JA DIGITAALISEN TIEDONSIIRRON TEORIASTA JA TOTEUTUSMENETELMISTÄ

521330A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA

LÄHTEENKOODAUS. Mikä on lähteenkoodauksen perusidea? A Tietoliikennetekniikka II Osa 20 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

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

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

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

MULTIPLEKSOINTIMENETELMÄT FDM, TDM, CDM JA QM

1 Määrittele seuraavat langattoman tiedonsiirron käsitteet.

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 4

Energia bittiä kohden

Helsinki University of Technology Laboratory of Telecommunications Technology

Peruskerros: OFDM. Fyysinen kerros: hajaspektri. Hajaspektri: toinen tapa. FHSS taajuushyppely (frequency hopping)

Helsinki University of Technology

2 Osittaisderivaattojen sovelluksia

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

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät Välikoe

SIGNAALITEORIAN JATKOKURSSI 2003

Digitaalinen signaalinkäsittely Desibeliasteikko, suotimen suunnittelu

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

Pyramidi 9 Trigonometriset funktiot ja lukujonot HK1-1. Dsin3 x. 3cos3x. Dsinx. u( x) sinx ja u ( x) cosx. Dsin. Dsin

Funktion raja-arvo. lukumäärien tutkiminen. tutkiminen

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

Reaalifunktioista 1 / 17. Reaalifunktioista

Kertaus. x x x. K1. a) b) x 5 x 6 = x 5 6 = x 1 = 1 x, x 0. K2. a) a a a a, a > 0

5 Differentiaalilaskentaa

CSMA/CA: Satunnaisperääntyminen (Random backoff)

Signaalien datamuunnokset. Digitaalitekniikan edut

Signaalien datamuunnokset

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

Radioamatöörikurssi 2016

JOHDANTO VIRHEENKORJAAVAAN KOODAUKSEEN KANAVAKOODAUSMENETELMÄT A Tietoliikennetekniikka II Osa 22 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

Positiivitermisten sarjojen suppeneminen

Tee konseptiin pisteytysruudukko! Muista kirjata nimesi ja ryhmäsi. Lue ohjeet huolellisesti

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA 1

Laskuharjoitus 2 ( ): Tehtävien vastauksia

T Luonnollisen kielen tilastollinen käsittely Vastaukset 3, ti , 8:30-10:00 Kollokaatiot, Versio 1.1

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

Tilastollinen päättely II, kevät 2017 Harjoitus 2A

Vanhoja koetehtäviä. Analyyttinen geometria 2016

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 2

Matriisit ja vektorit Matriisin käsite Matriisialgebra. Olkoon A = , B = Laske A + B, , 1 3 3

Talousmatematiikan perusteet: Luento 5. Käänteisfunktio Yhdistetty funktio Raja-arvot ja jatkuvuus

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ

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

samankaltainen kuin Ethernetissä

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

WLAN langaton lähiverkko (Wireless LAN) ISM. Hidden terminal -ongelma. CSMA/CA (Collision avoidance) IEEE standardi. exposed station problem:

1. Sähköön liittyviä peruskäsitteitä tietoliikenneorientoituneesti tarkasteltuna

6 Eksponentti- ja logaritmifunktio

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

WLAN langaton lähiverkko (Wireless LAN)

WLAN langaton lähiverkko (Wireless LAN)

f (28) L(28) = f (27) + f (27)(28 27) = = (28 27) 2 = 1 2 f (x) = x 2

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

Kapeakaistainen signaali

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

a) I f I d Eri kohinavirtakomponentit vahvistimen otossa (esim.

Digitaalinen tiedonsiirto ja siirtotiet

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

WLAN langaton lähiverkko (Wireless LAN) Hidden terminal -ongelma ISM. IEEE standardi. Ratkaisu piilolähettäjän ongelmaan

4. Käyrän lokaaleja ominaisuuksia

Joukot. Georg Cantor ( )

Itseoppivan radiojärjestelmän simulointijärjestelmän kehitys, CWC:n osahanke. DI Juho Markkula

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 7: Pintaintegraali ja vuointegraali

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Maximum likelihood-estimointi Alkeet

WLAN langaton lähiverkko (Wireless LAN)

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

WLAN langaton lähiverkko (Wireless LAN)

Radioamatöörikurssi 2017

Mallin arviointi ja valinta. Ennustevirhe otoksen sisällä, parametrimäärän valinta, AIC, BIC ja MDL

Talousmatematiikan perusteet: Luento 4. Potenssifunktio Eksponenttifunktio Logaritmifunktio

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

6.8 Erityisfunktioiden sovelluksia

SÄHKÖTEKNIIKAN TUTKINTO-OHJELMA

Luento 8. Suodattimien käyttötarkoitus

HY, MTL / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIb, syksy 2017 Harjoitus 1 Ratkaisuehdotuksia

2 Raja-arvo ja jatkuvuus

Latinalaiset neliöt ja taikaneliöt

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Laajaverkot (WAN) Puhelinverkko. runkolinjat digitaalisia, kuitua local loop analoginen, kierretty pari kanavointi

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 6. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 6 () Numeeriset menetelmät / 33

Kanavointi (multiplexing)

Kanavointi (multiplexing) Laajaverkot (WAN) T1 Carrier CCITT PCM. E1 (2.048 Mbps)

Transkriptio:

1 JATKUVAN AWGN-KANAVAN KAPASITEETTI SHANNON-HARTLEY -LAKI Miten tiedonsiirrossa tarvittavat perusresurssit (teho & kaista) riippuvat toisistaan?

SHANNONIN 2. TEOREEMA = KANAVAKOODAUS 2 Shannonin 2. teoreema olettaa kanavan muistittomuuden symbolien välisen riippumattomuuden, jolloin kukin symboli kärsii kohinasta muista symboleista riippumatta. Lisäksi tiedonsiirtoon on käytettävissä tarvittaessa mielivaltaisen pitkä aika (virheenkorjaava kanavakoodi voi kestää hyvin kauan). Teoreema on vain olemassaoloteoreema, eikä konstruktiivinen, ts. se ei kerro miten nuo koodit löydetään. Shannonin 2. teoreema (kanavakoodausteoreema): Olkoon diskreetin muistittoman kanavan kapasiteetti C ja olkoon siihen liitetyllä lähteellä positiivinen informaationopeus R siten, että R < C. Tällöin on olemassa koodi, jota käyttäen lähteen symbolit voidaan siirtää mielivaltaisen pienellä virhetodennäköisyydellä (ts. P E 0) kohinaisen kanavan yli. Seuravaksi määrittellään jatkuvan kanavan kapasiteetti hieman eri tavalla kuin kaavassa C = max[i(x;y)] diskreetille kanavalle. Shannon-Hartley-laki on informaatioteorian tunnetuin kaava.

SHANNON-HARTLEY -LAKI S C c = B log 2 1 + N Logaritmin kantaluku = 2! Jatkuvan kanavan kaistanleveys on B Hz ja AWGN-kanavan SNR on S/N. Kaavan C = max[i(x;y)] kapasiteetin yksikkö oli [bittiä/symboli], mutta C c :n [bittiä/sekunnissa]. Voidaan päätellä kaistanleveyden ja lähetystehon (ts. SNR:n) välisen kaupankäynnin mahdollisuus. Kohinattomassa (N = 0) kanavassa SNR = C c = nollasta poikkeavalle äärelliselle kaistanleveydelle! Kohinan läsnäollessa (SNR < ) kapasiteettia ei voida kasvattaa mielivaltaisen suureksi vain kaistanleveyttä lisäämällä! Jos Shannonin raja ylitetään jollakin (E B /N 0,R B,B) -kombinaatiolla, ei ole enää mahdollista saavuttaa mielivaltaisen pientä virhesuhdetta (P E 0) AWGN-kanavassa millään modulaation ja virheenkorjaavan koodauksen yhdistelmällä. Pian osoitetaan, että E B /N 0 täytyy olla aina suurempi kuin 1,6 db (ns. Shannonin vesiputousraja ), jotta P E 0. 3

SHANNON-HARTLEY -LAKI 4 P E 0 P E 0

ESIMERKKI 5 B 29.9 10 1 log10 log10(2) 6 6 min = = 2.9998 10 3 ( 1+ 10 ) Hz

6 AWGN-KANAVAN KAPASITEETTI ERI PARAMETRISUUNNISTA TARKASTELTUNA Tehon ja kaistanleveyden välinen kaupankäynti

C = MAX[I(X;Y)] SNR:N (Z = E B /N 0 :N) FUNKTIONA 7 BSC -kanavan siirtotn. perusteella (BPSK:n P E -arvon) on laskettu kaavan C = max[i(x;y)] kapasiteetti yksiköissä [bit/symb]. Opetus: Kun P E 0, niin C 1

KAPASITEETTI VS. SNR KAISTANLEVEYS VAKIO 8 Opetus: Kohinattomassa tilanteessa SNR (E b /N 0 ), jolloin C äärellisellä kaistanleveydellä. Opetus: Jos kohinaa ei olisi, niin kaikki tietoliikenne mahtuisi 1 Hz kaistalle!

KAPASITEETTI VS. KAISTANLEVEYS SNR VAKIO 9 Opetus: Vaikka kaista, niin kapasiteettiarvon kasvu saturoituu kohinan vaikuttaessa (SNR << ). Se kasvaisi rajatta, jos SNR =.

PARAMETRIEN SNR (E B /N 0 ), W JA C RIIPPUVUUS 10 Opetus: 3D-esitys havainnollistaa parametrien SNR, W ja C välisen riippuvuuden ja järkevän toiminta-alueen.

SHANNONIN 1,6 DB:N RAJAN JOHTO 11 Ajatellaan toimittavan kapasiteetirajalla, eli R b = C c. Lasketaan paljonko E B /N 0 :n on silloin oltava, jotta P E 0: 1 S EB Cc EB = STB = S, N = N0B, = C N N B Cc B = log 2 1 + E N c B 0 Cc B E, N B 0 = B C c 2 Cc Cc ln 2 x C B B c e 1+ x, x << 1, B >> C 2 = e 1+ ln 2 B kun B EB ln 2 = 1,6dB, B >> Cc N0 Kun R B = C c, niin E b /N 0 lähestyy arvoa 1,6 db, jos kaistanleveys B kasvaa rajatta. S-H-laki jakaa (E B /N 0,R B /B) -tason kahteen alueeseen. Alueessa R B C c voi P E 0, mutta alueessa R B > C c P E 0 aina. Kiinnostavassa toiminta-alueessa R B < C c tarvitaan vähintään signaaliteho S R B N 0 W ln2, jotta E B /N 0 1,6 db. Tuota aluetta kutsutaan tehorajoitetuksi alueeksi. Cc B 0 1

SHANNON-HARTLEY -LAKI (E B /N 0,R B /B) -TASOSSA 12 Normaali toiminta-alue. Tällä alueella voi P E 0. B täällä pieni kaistarajoitettu tapaus. Kaistanleveyttä rajallisesti käytettävissä. Tarvitaan suuri lähetysteho (E B /N 0 ). Tällä alueella P E 0 aina. B täällä suuri tehorajoitettu tapaus. Kaistanleveyttä paljon käytettävissä. Pärjätään pienellä lähetysteholla (E B /N 0 ).

TEHORAJOITETUT VS. KAISTARAJOITETUT 13 Teho (SNR) ja kaistanleveys ovat tiedonsiirron kaksi perusresurssia, jotka ohjaavat järjestelmätyypin valintaa. Shannon-Hartley -lain perusteella voidaan päätellä kaupankäynti tehon ja kaistan välillä. Järjestelmät voidaan siis jaotella tehorajoitettuihin ja kaistarajoitettuihin. Tehorajoitettu tilanne on mm. avaruussovellus (satelliitit, alukset, luotaimet). Niissä käytetään aaltomuotoja, jotka ovat signaaliavaruudessa mahdollisimman kaukana toisistaan (esim. ortogonaalinen MFSK tai BPSK), jotta kohinan suuren varianssin vaikuttaessa (suhteessa signaalivektorin pituuteen) voidaan tehdä luotettavia päätöksiä. Tällöin kaistanleveys ei ole ongelma. Tilaajajohtomodeemi on selvästi kaistarajoitettu sovellus. Silloin käytetään aaltomuotoja, jotka ovat 2D-signaaliavaruudessa lähellä toisiaan (esim. QAM, MPSK). Kohinan varianssi kompensoidaan lähetystehoa lisäämällä vektorien välinen euklidinen etäisyys kasvaa, kun amplitudi kasvaa MPSK:n I/Q-diag. säde kasvaa.

TEHORAJOITETTU JÄRJESTELMÄ MFSK 14 Vesiputouskäyrät lähestyvät MFSK:n ortogonaalisella modulaatiolla -1,6 db rajaa, kun M, MFSK vastaa efektiivisesi tehokasta virheen korjaavaa koodausta. Myös virheen korjaavan koodauksen ja QAM/MPSK:n yhteisvaikutuksella voidaan lähestyä Shannonin 1,6 db - rajaa. On siis erilaisia keinoja lähestyä rajaa, joko modulaatiolla, tai kanavakoodauksella tai niiden sopivalla yhdistelmällä. Jokainen temppu siirtää laskettavissa olevan db-määrän käyrää vasemmalle koti -1,6 db:n seinämää.

KAUPANKÄYNTI P B :N, E B /N 0 :N JA R/W:N VÄLILLÄ (S) 15

16 KAISTAN KÄYTÖN TEHOKKUUS M-TILAISILLA MODULAATIOILLA MFSK MPSK & QAM

ORTOGONAALINEN VS. MONIVAIHEINEN SIGNALOINTI Normalisoitu suhde R/W jonka yksikkö on [bit/s/hz] kuvaa suhteellista kaistanleveyttä, eli kaistankäytön tehokkuutta. Se riippuu karkeasti ottaen parametriarvosta k = log 2 M ja siitä onko kyseessä MPSK- vai MFSK-modulaatio, ja edelleen siitä onko kyseessä koherentti vai epäkoherentti MFSK (kantoaaltojen taajuusero vaikuttaa R/W-arvoon). Oppikirjoissa esiintyy hieman erilaisia määrittelykaavoja kaistankäytön tehokkuudelle, joten eri lähteistä peräisin olevissa numeroarvoissa ja kuvaajissa saattaa esiintyä pieniä eroja. BPSK 1 bit/s/hz, QPSK 2 bit/s/hz, 8PSK 3 bit/s/hz, 16PSK ja 16QAM 4 bit/s/hz. MFSK:lla se on puolestaan murto-osia, kuten 1/2, 1/3,1/4, jne.. Kun R ja P B pidetään vakioina, MFSK:n kaistanleveys kasvaa (tarvitaan enemmän ortogonaalisia kanto-aaltoja, joilla on sopiva taajuusväli). MFSK vastaa efektiivisesti tehokasta virheen korjaavaa koodausta, mutta paljon huonommalla kaistan käytön tehokkuudella. 17

ORTOGONAALINEN VS. MONIVAIHEINEN SIGNALOINTI 18 Kuvaajat on piirretty arvolle P B = 10 5 Yhdellä pistetaajuudella voi toimia kaksi ortogonaalista (sini + kosini) signaalia häiritsemättä toisiaan Kaistanleveystarve ei kasva vaikka signaalien määrä kaksinkertaistuu BPSK ja QPSK saavuttavat saman virhetodennäköisyyden samalla SNR-arvolla, kun verrataan samalla bittinopeudella toimivia järjestelmiä kaistan käytön tehokkuus kaksinkertaistuu ilman lisätehon tarvetta.