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

Samankaltaiset tiedostot
JATKUVAN AWGN-KANAVAN KAPASITEETTI SHANNON-HARTLEY -LAKI

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

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

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

VIRHEENKORJAUS JA -ILMAISU

KONVOLUUTIOKOODIT A Tietoliikennetekniikka II Osa 25 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

esimerkkejä erilaisista lohkokoodeista

TURBOKOODAUS. Miten turbokoodaus eroaa konvoluutiokoodauksesta? A Tietoliikennetekniikka II Osa 26 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

Digitaalitekniikan matematiikka Luku 13 Sivu 1 (10) Virheen havaitseminen ja korjaus

VIRHEENKORJAUS JA -ILMAISU

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

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

521361A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA II

Suodatus ja näytteistys, kertaus

Koodausteoria, Kesä 2014

Digitaalinen tiedonsiirto ja siirtotiet. OSI-kerrokset

Algebralliset menetelmät virheenkorjauskoodin tunnistamisessa

521330A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA KURSSI ANALOGISEN JA DIGITAALISEN TIEDONSIIRRON TEORIASTA JA TOTEUTUSMENETELMISTÄ

Ongelma 1: Onko datassa tai informaatiossa päällekkäisyyttä?

Shannonin ensimmäinen lause

ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

521330A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA

SYMBOLIVIRHETODENNÄKÖISYYDESTÄ BITTIVIRHETODENNÄKÖISYYTEEN

TLT-5400 DIGITAALINEN SIIRTOTEKNIIKKA

Informaatioteoria. Lasse Holmström Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto. Kevät f f. f f

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

LUKU 6 TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS

Informaatioteoria. Lasse Holmström Sovelletun matematiikan ja tilastotieteen yksikkö Oulun yliopisto. Kevät f f. f f

Digitaalinen tiedonsiirto ja siirtotiet

Ongelma(t): Miten digitaalista tietoa voidaan toisintaa ja visualisoida? Miten monimutkaista tietoa voidaan toisintaa ja visualisoida?

Laskuharjoitus 5. Mitkä ovat kuvan 1 kanavien kapasiteetit? Kuva 1: Kaksi kanavaa. p/(1 p) ) bittiä lähetystä kohti. Voidaan

Koodausteoria, Kesä 2014

SIGNAALITEORIAN JATKOKURSSI 2003

Koodausteoria, Kesä 2014

5. Siirtoyhteyskerros linkkikerros (Data Link Layer)

Häviötön tiedon pakkaaminen

5. Siirtoyhteyskerros linkkikerros (Data Link Layer)

T Luonnollisten kielten tilastollinen käsittely Vastaukset 11, ke , 12:15 14:00 Puheentunnistus ja kielimallien evaluointi Versio 1.

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

Helsinki University of Technology

T Verkkomedian perusteet. Tietoliikennekäsitteitä Tiedonsiirron perusteet

Koodausteoria, Kesä 2014

Koodausteoria, Kesä 2014

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

Tiedonsiirron perusteet ja fyysinen kerros. Tietoliikenne kohtaa todellisuuden OSI-mallin alimmainen kerros Kirja sivut 43-93

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

ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät. Yleistä

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät Välikoe

ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

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

Keskinäisinformaatiosta

Helsinki University of Technology Laboratory of Telecommunications Technology

Data ja informaatio. Tiedonsiirron perusteet ja fyysinen kerros. Ohjattu media. Tiedonsiirto. Ohjaamaton media

TIIVISTELMÄRAPORTTI. Virheenkorjauskoodien tunnistus signaalitiedustelussa

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

Luku- ja merkkikoodit. Digitaalitekniikan matematiikka Luku 12 Sivu 1 (15)

Nämä ovat siis minimivaatimukset, enemmänkin saa ja suositellaan

Tiedonsiirron perusteet ja fyysinen kerros. Tietoliikenne kohtaa todellisuuden OSI-mallin alimmainen kerros "Miten siirretään yksi bitti"

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

5. Siirtoyhteyskerros linkkikerros (Data Link Layer) 5.1. Kaksipisteyhteydet. Kehysten kuljetus. Missä virhe hoidetaan? Virheet.

7. Kuvantiivistys 7.1. Perusteet

Tietorakenteet ja algoritmit Johdanto Lauri Malmi / Ari Korhonen

Matias Sumanen Mittaussignaalin häviötön pakkaaminen. Kandidaatintyö

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Jukka Manner Teknillinen korkeakoulu

Satelliittipaikannus

811120P Diskreetit rakenteet

T Luonnollisten kielten tilastollinen käsittely

diskreetin logaritmin laskemisen käytännössä mahdottomaksi. Olkoon γ kunnan F q primitiivinen alkio. Luku q ja alkio γ ovat julkisia suureita.

7. Kuvantiivistys 7.1. Perusteet

Harmaasävykuvien häviöttömästä tiivistyksestä

Tietorakenteet ja algoritmit - syksy

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

Koodausteoria, Kesä 2014

Ratkaisuehdotukset LH 7 / vko 47

Helsinki University of Technology

Koodausteoria, Kesä 2014

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

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

Kanavamittaus moderneja laajakaistaisia HFjärjestelmiä

Virheen kasautumislaki

Jatkuvan kanavan kapasiteetti

Helsinki University of Technology

Algoritmit 2. Luento 9 Ti Timo Männikkö

TIIVISTELMÄRAPORTTI. Algebralliset menetelmät virheenkorjauskoodin tunnistuksessa

AV-muotojen migraatiotyöpaja - ääni. KDK-pitkäaikaissäilytys seminaari / Juha Lehtonen

Signaalien datamuunnokset. Digitaalitekniikan edut

Signaalien datamuunnokset

Biofysiikka Luento Entropia, lämpötila ja vapaa energia. Shannonin entropia. Boltzmannin entropia. Lämpötila. Vapaa energia.

WIMAX-järjestelmien suorituskyvyn tutkiminen

58131 Tietorakenteet (kevät 2009) Harjoitus 11, ratkaisuja (Topi Musto)

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

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 2

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

KOODAUS- JA INFORMAATIOTEORIA. Keijo Ruohonen

JBIG2-tiivistysstandardi

Algoritmit 2. Luento 9 Ti Timo Männikkö

Digitaalitekniikan matematiikka Luku 1 Sivu 1 (19) Johdatus digitaalitekniikkaan

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

Cog101 Johdatus Kognitiotieteeseen KOTITEHTÄVÄ 1: INFORMAATIO. Otto Lappi

Transkriptio:

1 INFORMAATIOTEORIA & KOODAUS TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS

TEENVETO 2 Informaatioteoria tarkastelee tiedonsiirtoa yleisemmällä, hieman abstraktilla tasolla ei enää tarkastella signaaleja aika- tai taajuusalueissa. Siten saadaan käsitys järjestelmien saavutettavissa olevasta suorituskyvystä mm. kapasiteetin Shannon-raja. Symboliin liittyvä informaation määrä on symbolin esiintymistodennäköisyyden käänteisarvon logaritmi. Jos logaritmin kantaluku on kaksi, niin yksikkönä on bitti 10 hartley, e natti. Lähteen keskimääräistä informaatiota keskimääräistä epävarmuutta kutsutaan entropiaksi, jonka maksimiarvo saavutetaan, kun symbolit yhtä todennäköisiä myös epävarmuus tuolloin suurin. Kanavan transitiodiagrammin, kanavamatriisin ja sen ehdollisten transitiotodennäköisyyksien Py j x i avulla voidaan määritellä diskreetti kanavamalli, jonka todennäköisyyksien taakse kätkeytyy modulaatiomenetelmä ja muut järjestelmäparametrit. ja ovat kanavan tulon ja lähdön entropiat. Kanavan tulon entropia on käytännössä sama kuin siihen liitettävän lähteen entropia.

TEENVETO 3 on kanavan tulon keskimääräinen epävarmuus ekvivokaatio, eli keskimääräinen harakoille mennyt menetetty informaatio, kun kanavan lähdöstä on tehty havainto. Ennen havaintoa, epävarmuus oli, joten noiden lukujen erotus kuvaa siirretyn tiedon määrää. puolestaan kuvaa kanavan lähdön sisältämää keskimääräistä epävarmuutta virhe-entropiaa, kun tulo tiedetään., on tiedonsiirtojärjestelmän kokonaisentropia. Keskinäisinformaatio siirtoinformaatio määritellään: I; Sen maksimimarvoa sanotaan kanavan kapasiteetiksi, joka maksimoituu lähdesymbolien todennäköisyyksien yli. Sen yksikkö on [bittiä/symboli]. Maksimi saavutetaan, kun siirrettävät symbolit ovat yhtä todennäköisiä, jolloin C max log 2 M [bit/symb].

TEENVETO hteinen leikkauspinta-ala vastaa keskinäisinformaatiota I; ja yhteispinta-ala unioni vastaa kokonaisentropiaa,. Ideaalitapauksessa neliöiden tulisi olla päällekkäin, ts. 0 ja I; kaikki lähteen informaatio siirtyy. 4 I; ; ; I I,, + +,

TEENVETO 5 I; ; ; I I,, + +

TEENVETO 6 Lähteenkoodaus poistaa epäsystemaattista redundanssia, jotta informaation määrä lähetettyä kanavasymbolia kohden maksimoituu. Jos lähteen informaationopeus on pienempi kuin kanavan kapasiteetti, niin Shannonin 1. teoreeman nojalla voidaan löytää lähteenkoodausmenetelmä, jolla siirto onnistuu. Idea on sama kuin Morse-koodauksessa, eli annetaan pienin määrä symboleita useimmin toistuvalle kirjaimelle. Vrt. Kirjainten ASCII- 8 bit ja Morsedoodaus. Lähteenkoodausmenetelmiä: Shannon-Fano, uffman tuottaa suurimman tehokkuuden, eli se on optimaalinen lähdekoodi. Keskimääräinen sananpituus lähteenkoodauksessa lähestyy lähteen entropian arvoa. Kun ne ovat samoja, zippauksen tehokkuus 100%. Virheetön siirto P E 0 on mahdollista Shannonin 2. teoreeman mukaan kanavakoodausteoreema, jos lähteen informaationopeus on pienempi kuin kanavan kapasiteetti ja lähetykseen on käytettävissä riittävästi aikaa. Teoreema ei kerro miten nuo virheen korjaavat koodit löydetään. Niitä etsitään koodausteorian avulla. Kanavakoodauksessa lisätään systemaattista redundanssia.

TEENVETO 7 Shannon-artley -laki sitoo lähetystehon ja kanavan kaistanleveyden toisiinsa, siis kaksi tärkeintä tiedonsiirron perusresurssia: C c B log 2 1 + S N [ bit / s] uom! 2-kantainen logaritmi. Kaavan perusteella voidaan johtaa ns. Shannonin raja, johon kaikkia siirtojärjestelmiä verrataan. Siirtojärjestelmät: kaistarajoitetut, tehorajoitetut, sekä kaista- että tehorajoitetut esim. TCM. Kanavakoodausmenetelmät: forward error correction FEC, automatic request and repeat ARQ. ARQ tarvitsee paluukanavan. FEC-periaqate: lohkokoodit, konvoluutiokoodit. Koodisuhde on k/n. n,k -lohkokoodissa on sanassa n k pariteettibittiä ja k infobittiä. Systemaattisessa koodissa k infobittiä esiintyy sellaisenaan. Minimietäisyyden d min perusteella määräytyy lohkokoodin korjauskyky: t d min 1 /2. Konvoluutiokoodeilla se on: t d free 1 /2 Pariteetintarkistuskoodissa pariteettibitti ilmaisee yhden virheen.

TEENVETO 8 Toistokoodi on tehokas, mutta koodisuhde on huono 1/n. Pariteetintarkistusmatriisilla [] on ominaisuus: [] [T] 0. Kun [R] [T] + [E], ja oiresana [S] [] [R] [] [E], jonka perusteella voidaan paikallistaa yksi virhe: [S] on laskennan perusteella se []:n sarake, joka vastaa virheen paikkaa. [A] k:n bitin infosana ja [T] n:n bitin koodattu sana sarakevektorina. Generaattorimatriisi: [T] [G] [A]. amming-koodi on yhden virheen korjaava koodi, jolla pariteetintarkistusmatriisin sarakkeet ovat sarakeindeksin binäärisiä vastineita. Niillä oiresanan binäärinen vastine ilmaisee virheen paikan. Sykliset koodit ovat lohkokoodeja, joiden koodisanat saadaan yhden koodisanan syklisinä siirtoina. Kooderi ja dekooderi virheenkorjaimineen voidaan toteuttaa helposti takaisinkytketyilla siirtorekistereillä ja kombinaatiologiikkapiireillä.

TEENVETO 9 Koodatun järjestelmän kanavan symbolivirhetn. on suurempi kuin koodaamattoman järjestelmän samalla informaatiobittinopeudella, koska k:n informaatiosymbolin energia täytyy jakaa n:lle kooatulle symbolille aikayksikössä lähetettävä n/k bittiä kanavaan. Virheen korjaava koodaus tuo kuitenkin koodausvahvistusta, joka kompensoi menetyksen desibeleinä. Koodin ja kanavan ominaisuudet vaikuttavat koodausvahvistuksen määrään. Lomittelutaulukkoa käytetään ryöppyvirhe -ympäristössä satunnaistamaan virheet, jotta satunnaisvirheitä korjaavat koodit pystyvät niitä korjaamaan esim. häipyvä monitiekanava matkapuhelintietoliikenteessä tai tahallinen häirintä sotilastietoliikenteessä. Myös ketjukoodausta voidaan käyttää. Konvoluutiokoodeilla on vaikutuspituuden pituinen muisti, joka vaikuttaa virheenkorjauskykyyn. Dekoodausmenetelmät: puuhaku, Viterbi-algoritmi suurimman uskottavuuden ML-ilmaisin, sekventiaalinen dekoodaus.

TEENVETO 10 euristisesti keksitty turbokoodaus on koodausmenetelmä, jolla päästään hyvin lähelle Shannonin rajaa. Toteutetaan lomittelijalla ja kahdella takaisinkytketyllä systemaattisella konvoluutiokooderilla RSCC. Trelliskoodattu modulaatio TCM - yhdistää M-tasoisen digitaalisen modulaation ja kanavakoodauksen siten, että todennäköisimmin bittivirheitä aiheuttavien symbolien välinen eukliidinen etäisyys kasvaa, mikä pienentää lopullista P E -arvoa VA-ilmaisun jälkeen. Menettely ei vaadi koodaamattomaan järjestelmään samalla informaationopeudella verrattuna lisätehoa ja lisäkaistanleveyttä. TCM on siten sekä kaista- että tehorajoitettu siirtomenetelmä. Sitä kutsutaan myös Ungerboeck-koodaukseksi keksijänsä mukaan. TCM-dekoodaus suoritetaan Viterbi-algoritmilla pehmeää päätöksentekoa soveltaen lasketaan eukliidista etäisyyttä ammingetäisyyden laskennan sijaan kova päätöksenteko amminglaskennassa.