1 521330A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA KURSSI ANALOGISEN JA DIGITAALISEN TIEDONSIIRRON TEORIASTA JA TOTEUTUSMENETELMISTÄ KARI KÄRKKÄINEN CWC Radioteknologiat, huone TS439, puh: 029 448 2848 Kari.Karkkainen@oulu.fi, http://www.ee.oulu.fi/~kk/ https://noppa.oulu.fi/noppa/kurssi/521330a/etusivu
521330A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA Laajuus: 5 op. Suoritus: Viikkokokeilla tai loppukokeella Loppukoe: TO 18.5, klo 14.30-17.30 Viikkokokeet: 29.3, 12.4, 26.4, 11.5, klo 16-17, L10 Opetusajat: TI klo 14-16, KE klo 14-16, TO klo 14-16, L10 (paitsi 16.3, L4 ja 3.5, L2) Laskuharjoitukset integroitu luentojen lomaan, joten ei erillisiä harjoitusaikoja! Ilmoittaudu sekä Optimassa että Weboodissa, jotta saat s-postit Optimasta ja kurssi näkyy Lukkarissa. Tiedotteita Optiman sähköpostina ja Nopan uutissivun kautta. Oppimateriaali TTK-Optimassa pdf-muodossa. Pitkä versio: sisältää syventäviä (S)-kalvoja Lyhyt versio: riittää tenttivaatimuksiin Kurssi-Extrat: spektrinlaskenta, hajaspektritekn.,väri-tv, 4G, 5G Harjoitukset ilmestyy aikanaan Optimaan Esitietovaatimukset: Signaalianalyysi Myös sähkömagnetismin ja aaltoliike & optiikan kursseista hyötyä. 2
SUORITUSTAVAT & TENTTISÄÄNNÖT 3 Mahdollista suorittaa: Viikkokokeilla, kesto 60 min (2h opetustapahtuman jälkeen 3. tunnilla), muutama pikkukysymys/viikkokoe Loppukokeella tenttipäivinä, kesto 3 h, 5 kysymystä Eivät ole toisensa poissulkevia fi voi yrittää molemmilla suoritustavoilla. Kynnysehtona kustakin viikkokokeesta saatava vähintään ¼ kunkin kokeen maksimipistemäärästä. Läpäisyyn tarvitaan noin puolet kummankin koetyypin maksimipistesummasta. Yhden kynnysehdon alittaneen tai poissa ollun viikkokokeen paikkomahdollisuus myöhemmin. Viimeisen viikkokokeen paikkomahdollisuusaika ilmoitetaan 11.5.2017 jälkeen (mikäli tarvitaan).
SUORITUSTAVAT & TENTTISÄÄNNÖT 4 Viikkokokeet vastataan 2-puoleiselle A4 kysymyspaperille, jossa paikat lyhyitä vastauksia varten. Loppukoe normaalin osaston tenttikäytännön mukaisesti tavalliselle konseptille. Osallistujilla oltava hyväksytyt funktiolaskimet. Mikäli standardilaskinta ei ole, niitä saatavilla kokeessa. Viikkotentistä saa poistua 20 minuutin jälkeen. Viikkokokeissa noudatetaan yliopistotenttien säännöstöä. Alustava aikataulu (muutokset mahdollisia)
KURSSIN ASEMA KANDIOPINNOISSA 5 DIPLOMITYÖ TÄYDENTÄVÄ MODUULI SYVENTÄVÄ MODUULI DI-opinnot OPINTOSUUN. MODUULI Kandiopinnot OPINTOSUUNNAN OPINNOT & KANDITAATINTYÖ YHTEISET AINEOPINNOT YHTEISET PERUSOPINNOT TLT kuuluu tänne
KURSSIN TAVOITTEET 6 Ainetasoinen kurssi tietoliikenneteoreettisille opinnoille. Pohjana myöhemmille kandikursseille: Langattoman tietoliikenteen harjoitustyö Tietoliikenteen simuloinnit ja työkalut Tietoliikkennetekniikan laboratoriotyöt Esitetään tärkeimpien amplitudin, vaiheen ja taajuuden modulointiin perustuvien analogisten ja digitaalisten tiedonsiirtomenetelmien teroreettiset periaatteet sekä niiden tekniset toteutusmenetelmät. Tarkastellaan modulaatioiden suorituskykyjä sekä kanavan AWGNkohinan että radiosignaalin monitie-etenemisen vallitessa. Tarkastellaan radiotaajuisten häiriösignaalien, kaistarajoituksen ja monitie-etenemisen vaikutusta sekä niiden vaimennusmenetelmiä. Tarkastellaan informaatioteorian, sekä lähteenkoodauksen ja kanavakoodauksen (virheen korjaava koodaus) perusteita. Luodaan pohja digitaalisen siirtotekniikan syventävien DI-kurssien ymmärtämiselle.
KURSSIKIRJA & -MATERIAALIT 7 Kalvot perustuvat oppikirjaan: R.E. Ziemer & W.H. Tranter, Principles of Communications: Systems, Modulation and Noise, 7. Painos, John Wiley & Sons, 734 s., 2015. Kirja saatavilla kurssikirjastosta. Kalvot pdf-muodossa TTK-Optimassa. Käydään läpi sopivasti valikoiden oppikirjan 7. painoksen v. 2015 sivut alueilta: luku 1 (ss. 1-16), luku 3 (112-151), luku 4 (ss. 156-184, 194-209), luku 5 (ss. 215-216, 225-239), luku 8 (ss. 349-361, 370-380, 384-390), luku 9 (ss. 396-468), luku 10 (ss. 477-516, 528-532, 540-546, 553-557), luku 12 (ss. 615-647, 657-664, 668-670, 679-683). Oppikirjan vanhempi 6. painos käy myöskin. Jos käytät oppikirjan 6. painosta v. 2010, niin siitä sivut: luku 1 (ss. 1-16), luku 3 (ss 111-170, 180-202), luku 4 (ss. 210-211, 220-234, 239-240), luku 7 (ss. 341-378), luku 8 (ss. 384-453), luku 9 (ss. 460-499, 522-526, 537-539,543-549), luku 11 (ss. 606-636, 647-661,668-675).
KURSSIKIRJA & -MATERIAALIT 8 Kurssikalvojen pääsisällön ja laskujen omaksuminen riittää kurssin läpäisyyn. Oppikirjassa on toki paljon enemmänkin asiaa. Kalvoissa käytetty kuvia muistakin lähteistä, mm.: B. Sklar: Digital Communications Fundamentals and Applications, 2. painos, Prentice Hall, 1079 s., 2001. Erityisen hyvä oheislukemisto. S. Benedetto & E. Biglieri: Principles of Digital Transmission with Wireless Applications, Kluwer Academic Pub., 855 s., 1999.
KURSSIKIRJA & MATERIAALIT 9 Optiman pdf-kalvosarjassa esiintyy otsikoissa runsaasti (S) -merkittyjä syventäviä kalvoja. Ne ovat lähinnä asiasta lisää kiinnostuneiden lisämateriaalia, jotka eivät kuulu tenttivaatimuksiin, mutta joita on hyödyllistä selailla. Samoin (S)-materiaalia on kaikki OPTIMA:n Kurssi-Extrat kansion materiaali. Kannatta kuitenkin silmäillä niitä, jos aikaa on. Tutoriaalitietopankki (eivät myöskään kuulu kurssivaatimuksiin): http://www.ee.oulu.fi/~kk/tlt_tutoriaalit.html Luennoitsijan 30 vuoden aikana työssään keräämän tutorialartikkelipankin ideana on toimia asiasta kiinnostuneille tietoliikenteen eri osa-alueisiin liittyvänä johdattelevana koosteena, jonka materiaalin löytäminen saattaisi muuten olla hankalahkoa hajallaan olevassa kirjallisuudessa. Tutorial-materiaalista saattaa olla myöhemmin hyötyä työelämässä, jos työskentelee langattoman tiedonsiirron ongelmien parissa. Bookmarkkaa siis se jo nyt!
KÄSITELTÄVIÄ ASIAKOKONAISUUKSIA 10 Tietoliikennejärjestelmän peruslohkot ja jaottelu: Analoginen «digitaalinen Koherentti «epäkoherentti Kantoaaltomodulaatio «pulssimodulaatio Lineaarinen amplitudin modulointi «epälineaarinen kulmamodulointi Radiokanavien ja SM-siirtomedian perusteet Lineaariset kantoaaltomodulaatiot: DSB, AM, SSB, VSB Informaatio kantoaallon amplitudissa Epälineaariset kantoaallon kulmamodulaatiomenetelmät: PM, FM Informaatio kantoaallon vaihekulmassa Takaisinkytknnän periaate: Takaisinkytketyt demodulaattorit, vaihelukkotekniikka (PLL) Taajuuskertojat & -jakajat Analoginen signaalinkäsittely: Sekoitus, välitaajuus (intermediate frequency, IF), peilitaajuus, superheterodynevastaanotin Häiriökantoaallon vaikutus erilaisilla modulaatioilla Kynnysilmiön syntymekanismit: suorituskyvyn täydellinen menetys aiheutuu aina järjestelmän tai sen osan epälineaarisuuksista
KÄSITELTÄVIÄ ASIAKOKONAISUUKSIA 11 Analogiset pulssimodulaatiomenetelmät (PAM, PWM, PPM) Digitaaliset pulssimodulaatiomenetelmät (DM, PCM) Multipleksointimenetelmät (FDM, TDM, QM) Kantataajuisen (baseband) analogisen järjestelmän SNR Tiedonsiirtokanavan ominaisuudet AWGN -kanava SNR-suorituskyky AM, DSB, SSB, PM, FM ja PCM modulaatioilla AWGNkanavassa Analogisten modulaatiomenetelmien ominaisuuksien ja suorituskykyjen vertailu
KÄSITELTÄVIÄ ASIAKOKONAISUUKSIA 12 Digitaalisen siirron peruskäsitteitä OSI-malli Kantataajuisen (baseband) järjestelmän BEP Optimaalinen vastaanotto ja sen BEP-suorituskyky kullekkin binääriselle mielivaltaiselle signaaliparille: 1. Sovitettu suodatin (Matched Filter, MF) -vastaanotin 2. Korrelaattori -vastaanotin Antipodaalisen ja ortogonaalisen modulaation & signaalien periaatteet Amplitudinsiirtoavainnus (ASK) ja sen BEP Vaiheensiirtoavainnus (PSK) ja BPSK sekä niiden BEP Taajuudensiirtoavainnus (FSK) ja sen BEP Differentiaalinen PSK (DPSK) ja sen BEP Vaihekoherenttiuden vaikutus suorituskykyyn Modulaatiomenetelmien ominaisuuksien ja suorituskykyjen vertailu
KÄSITELTÄVIÄ ASIAKOKONAISUUKSIA 13 Kaistarajoitetut siirtokanavat: fi Symbolien välinen keskinäisvaikutus (ISI) Kompensoidaan: Nyquistin ja kohotetun kosinin pulssimuodot Monitie-etenemisessä syntyy: Häipyminen (Fading) ISI (Inter-Symbol Interference) Kanavakorjaimet (ekvalisaattorit) ISI:n vähentämiseksi Diversiteetti- ja RAKE-tekniikat Monikantoaaltomenetelmät: N kantoaaltoa samanaikaisesti MCM (Multi-Carrier Modulation) OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Monitilaiset menetelmät: M-tilaisesta signaaliaakkostosta lähetetään yksi kantoaalto kerrallaan QPSK, OQPSK, MSK, GMSK, MPSK, QAM, MFSK Hajaspektri ja CDMA -järjestelmien perusteet 3G, 4G ja 5G -järjestelmissä Solukkoverkkojärjestelmän idea
KÄSITELTÄVIÄ ASIAKOKONAISUUKSIA 14 Informaatioteorian perusteet: Informaation mitat Entropian käsite Kanavamatriisi p(y j x i ) i=1,2 n, j=1,2 m fi P[Y X] Diskreetti siirtokanava ja niiden kaskadit Erilaiset entropian lajit Keskimääräinen siiretty informaatio Siirtokanavan kapasiteetti Shannon-Hartleyn laki Shannonin 1. ja 2. teoreema Lähteenkoodaus Keskimääräinen koodatun symbolin pituus Shannon-Fano ja Huffman -koodaukset Tehorajoitetut vs. kaistarajoitetut siirtojärjestelmät Virheenkorjaavan kanavakoodauksen perusteet: Kanavakoodauksen perusteet Lomittelu, FEC- ja ARQ-menetelmät Lohkokoodien koodaus ja dekoodaus Konvoluutiokoodien koodaus ja dekoodaus Turbokoodaus TCM (Trellis-Coded Modulation)
MUISTA! 15 Informaatiota siirretään sinimuotoisen kantoaallon joko amplitudissa, vaiheessa, tai taajuudessa tai niiden sopivalla yhdistelmällä. Samat perusperiaatteet käytössä sekä analogisissa että digitaalisissa modulaatioissa. SM-radiosignaali on siirtotiellä aina analoginen sekä analogisilla että digitaalisilla kantoaaltomodulaatioilla vastaanottimen etupään RFosiin asti pisteeseen ennen ilmaisupiiriä! Vasta symbolipäätöksenteon jälkeen ilmaisussa signaali muuttu takaisin diskreettiarvoiseksi digitaaliseksi informaatioksi digitaalisilla modulaatioilla, mikä siis erottaa analogiset ja digitaaliset toisistaan. Analogisissa järjestelmissä signaali jää ilmaisun jälkeen analogiseksi informaatioksi. Digitaalisilla mod. voidaan käyttää siirron laatua parantavia menetelmiä (esim. virheenkorjauskoodit, kanavakorjain, diversiteetti, RAKE) fi siksi on siirrytty digitaalisten menetelmien käyttöön varsinkin, kun informaatio on nykyään pääosin digitaalista. Analogisia järjestelmiä on kuitenkin vielä paljon käytössä ja pitkään.
DIGITAALINEN SIIRTOJÄRJESTELMÄ 16