Átviteli szakasz általános felépítése

Sávszélesség változása az átvitel során

Az emberi hangképzés folyamata

Vokális traktus

Gerjesztés

Hangszálak

Az emberi beszéd jellemzői

• Frekvencia tartomány: 300-3400 Hz

• 20 ms-on belül a jellemzők nem változnak

• Az egymás utáni 20 ms-os minták között korreláció mutatható ki

• Hosszú idejű analízissel becsülhető a következő minta (differenciális kódolás, pl. DPCM)

•Az agy korrigálni tudja a „hibákat”!

Beszédkódolók osztályozása

Hullámforma kódolók: leírják az analóg jelet idő és frekvenciatartományban

Vokódolók: az emberi hangképzés szabályait modellezik

Hibrid kódolók: a két kódoló típus előnyös tulajdonságait egyesítik

Hullámforma kódolás elve

Mintavételezés(mintavételi frekvencia)Kvantálás(kvantálási lépcsők száma)Kódolás(kódszó hossza)

Előnyök: jó hangminőségHátrány: nagy sebesség (PCM: 64 kbit/s)

Vokóderek elve

Vokális traktusra jellemző

Az emberi hangképzés szabályait írják le

Előny: kis sebesség (pár kb/s)Hátrány: rossz hangminőség

Beszédkódolók MOS értékei

MOS: Mean Opinion Score

Beszédkodekek MOS átlagértékeiAMR: Adaptive Multirate Codec(3G és 4G mobil)

G723: VoIP (mobil)

G728: LD-CELP, Low-Delay code excited linear prediction

G729: CS-ACELP, Coding of Speech, Adaptive Code Excited Linear Prediction (VoIP)

GSM FR és EFR: Full rate, Enhanced Full Rate

Internet Low Bitrate Codec (iLBC)

Zöngés hang jellemzői

Zöngés hang tipikus amplitúdó/idő görbéje

Zöngés hang teljesítmény spektrum sűrűsége

(PSD:Power Spectrum Density)Pitch frekvencia: 50-500 Hz

Zöngétlen hang jellemzői

Zöngétlen hang tipikus amplitúdó/idő görbéje

(fehérzaj jelleg)

Zöngétlen hang teljesítmény spektrum sűrűsége

X(n): kódolandó jel mintaD(n): különbségi jelDq(n): dekvantált különbségi jelXp(n-1): n-1-ik jelből jósolt mintaXp(n): a jósolt jel és a különbségi jel összege C(n): különbségi jel

ADPCM kódolóIdőtartománybeli adaptív

kódolás

Sub-band (alsávi) kódolás

•Az alapsávi jelet több alsávra bontja dinamika szerint

•Minden alsáv külön ADPCM kódolót használ

•Előny: zajérzékenység csökkentése (a különböző alsávokban különböző mintavételezési frekvenciát és kódhosszt lehet használni)

•Sebesség: 16-32 kbit/s

•Vételi oldal: az alsávok jelei összeadódnak

Hibrid kódolók (AbS)Analysis by Synthesis (AbS)

Gerjesztési típusok (MPE és RPE)

MPE: Multiple Pulse Excitation (több impulzusos gerjesztés)

RPE: Regular Pulse Excitation (szabályos impulzus gerjesztés), GSM-13kbit/s

MPE: az impulzus amplitúdóját és fázisát is kódolni kellRPE: csak az impulzus amplitúdóját kell kódolni

Gerjesztési típusok (CELP)

•Kódtábla: 1024 gerjesztési mintát tartalmaz•Csak a kódhoz tartozó sorszámot kell átküldeni!•Sebesség: 4,8-16 kbit/s

Kodek sebessége

Kódolás+dekódolás sebessége

Tipikus: 50-100 msGyors: G728 CELP kodek, 2-5 ms

GSM beszéd kodek

Sebesség: 260 bit/20ms, azaz 13kbit/s

Egyéb forrásjelek tömörítési alapelvei (fül jellemzői)

Phon: relatív hangossági érzet

Fletcher-Munson görbék (kék) és módosított változata az ISO 226:2003 szabvány szerint (piros)

frekvencia

Hangintenzitás (hangnyomás) (decibel)

Egyéb forrásjelek tömörítési alapelvei (szem jellemzői)

Csapok: színek érzékelésePálcikák: fényerő érzékelése

Forrásjelek tömörítési alapelvei (általános elvek)

Veszteségmentes tömörítés: a tömörített adatból az eredeti adatok pontosan rekonstruálhatók.

Veszteséges tömörítés: a tömörített adatból az eredeti adatok nem rekonstruálhatók.

Tömörítési arány (ráta): az eredi információ és a tömörített információ aránya (pl: 3/1)Pl. kép: veszteségmentes: raw veszteséges: jpeg pl. 25/1

Hibajavítás (általános elvek)

Zajos csatorna Demodulátor

Vett bitsorozat (BER)

Hiba felismeréseHiba detektáló

megoldások

Hiba javításaIsmétlés (ARQ)

Előremutató hibajavítás (FEC)

Hibadetektáló megoldások I (ismétlés).

• Az üzenet kisebb blokkokra van felosztva• Minden blokk többször kerül ismétlésre• Hiba akkor van, ha az egyik blokk eltér a

többitől• Kis hibavalószínűség esetén alkalmazható

1011 1011 1011 1010 1011 1011ADÓ VEVŐ

1011 1011 1011 1010 1011 1010

Hibadetektáló megoldások II. (paritás)

• Páros és páratlan paritás• Páros vagy páratlan számú egyesre való

kiegészítés• Hiba akkor van, ha páros számú 1-es helyett

páratlan számú egyest kapunk, vagy fordítva• Alkalmazás: mikrocontollerek, adatbuszok,

adattárolás

10110010

00110010

Páros paritás

Páratlan paritás

ADÓ VEVŐ

10110110

00110110

Hibadetektáló megoldások III. (polaritásváltás)

10110010

01001101

ADÓ VEVŐ

10110010

01011101

• A bitsorozat negáltja is elküldésre kerül• Hiba akkor van, ha a két vett jel polaritása

megegyezik• Azonos bithelyen fellépő hibánál hamis eredmény• Hátrány: túl nagy redundancia• Alkalmazás: többvivős rendszerek

01011101

10100010

Hibadetektáló megoldások IV. (Ciklikus Redundancia Ellenőrzés-CRC)

• A bitsorozathoz polinomot rendel• Ismert polinom az adóban és a vevőben is• CRC: polinom osztás eredménye• Alkalmazás: mobil, RFID, Bluetooth, Ethetnet..stb

10110010101001ADÓ VEVŐ

CRC 10100010101001 CRC

polinom

ismert polinom ismert polinom

osztás

polinom

osztás CRC

?

Hibadetektáló megoldások V. (Ellenőrző összeg- CheckSum)

• A bitsorozatot részekre bontjuk és összeadjuk• Az összeadás eredményét küldjük el• A vevőben újra elvégezzük a műveletet• Ha a két eredmény nem egyenlő, hiba volt

Hibadetektáló megoldások V. (Hamming kódolás)

Pl: 4/7 Hamming kód …….4 adatbit – 3 paritásbit d=2 hiba detektálható, de csak egy hiba esetén javíthatóParitásbitek száma = legnagyobb kitevő száma (15=8+4+2+1)

Hamming kódolás (páros paritással)

7653 p1 p2 p3

0001 1 1 00010 1 0 10011 0 1 10100 0 1 1

DATA PARITY

p1: (3,5,7) – 20=1P2: (3,6,7) – 21=2P3: (5,6,7) – 22=4

7 6 5 4 3 2 1HD:4

HD:3HD:3

Hibajavítás(ARQ:Automatic Repeat Request)

Négy típus:

•Stop and Wait

•Go-Back-N

•Szelektív

•Hibrid

Stop and Wait ARQ

t1

t2

t1

Timer idő után újraküldés Probléma: a vevő nem tudja megkülönböztetni hogy újraküldés történt, vagy a következő blokk jött azonos tartalommalMegoldás: 0 és 1 jelzőbit alkalmazása az egymás utáni blokkokban

Go-Back-N ARQIdőablakon belül az adott csomaghoz tartozó ACK-nak meg kell érkeznie!

Ha az időablakban megérkezik az első csomaghoz tartozó ACK, az időablak eltolódik

Szelektív ARQ

ÜZENET

Hosszú adatblokk – egy ACKElőny: ha nincs hiba – gyors átvitelHátrány: ha hiba volt – teljes blokk újraküldés

Rövidebb adatblokkok – több ACKElőny: csak a hibás al-blokkot kell újraküldeniHátrány: lassú (több ACK)

Hibrid ARQ (Chase combining)

A hibásan vett csomagok nem kerülnek eldobásraA hibásan vett csomagok egy algoritmussal javíthatók

Chase: üldözés, vadászat

Hibrid ARQ (Incremental redundancy)

A FEC (Forward Error Coding) bitek elküldése NACK eseténA hibásan vett csomagok a FEC bitekkel javíthatók

Előremutató hibajavítás (Forward Error Coding: FEC)

Két fő típus:

•Konvolúciós kódolás

•Blokk kódolás

Cél: redundáns bitek hozzáadásával a vételi oldalon hatékony hibajavítás (rádiós átvitel)

Konvolúciós kódolás (alapelv)

(n,k,m) kódolóD tárolók és modulo2 összeadók• n: kimenetek száma• k: bemenetek száma• m: tárolók száma• belső állapotok száma: m-1

Pl. (3,1,3) kódoló

Generátor polinomokG1(1,1,1)G2 (0,1,1)G3(1,0,1)

Konvolúciós kódolók típusai (anya kódolók és „defektes”kódolók)

Anyakódolók:1/n

„Defektes” kódolók: k/n

Pl: 2/3 kódoló

Konvolúciós kódolók típusai (szisztematikus)

•Az eredeti adatfolyam is továbbításra kerül•A konvolúciós bitek az eredi adatfolyam után kerülnek küldésre

Konvolúciós kódolók típusai (nem szisztematikus)

•Az eredeti adatfolyam nem kerül továbbításra•A konvolúciós bitek az eredi adatfolyamban vannak kódolva

„1”-re adott válaszfüggvény(hol a hiba?)

11111011

1011 vs. 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 ?

De mire jó a konvolúció ?

Bemeneti bit Impulzusválasz1 1 1 1 1 1 0 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 (két bit eltolás)1 1 1 1 1 1 0 1 11 1 1 1 1 1 0 1 1 -----------------------------------------------------------------------------Kódolt info 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1

Ez tulajdonképpen egy modulo2 összeadás!

Eltolás: L-1 (L: belső állapotok száma)

Működési tábla

Gráfos (állapotábra) ábrázolásInfo: 1011Kódolt info:1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1

Fastruktúrás ábrázolás

Info: 1011Kódolt info:1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1

Trellis diagram

Trellis diagramon való kódolás

Info: 1011Kódolt info:1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1

Hibajavítás – Fano algoritmus I. (majom a vízben?)

Info: 1011Kódolt info: 11 11 01 11 01 01 11 - Detektált info: 01 11 01 11 01 01 11

Hibajavítás – Fano algoritmus II.

Hibajavítás – Fano algoritmus III.

Hiba javítás – Viterbi algoritmus I.

Hamming metrikaHamming metrika értelmezése

Hiba javítás – Viterbi algoritmus II.

Hiba javítás – Viterbi algoritmus III.

Hiba javítás – Viterbi algoritmus IV.

Hiba javítás – Viterbi algoritmus V.

Hiba javítás – Viterbi algoritmus VI.

Hiba javítás – Block kódolás

G= 1+ X11+X13+X14+X16

XOR Gates

LFSR: Linear Feedback Shift Register

Hiba javítás– Block kódolás (GSM beszédcsatorna)

Data50 bits Block

code bitsXOR gate

SW-ON – kódolás (50 órajel)SW-OFF –D tárolók tartalmának kiolvasása

Az eredeti jelfolyam azonos hosszúságú blokkokra van osztva, az egymás utáni blokkok elküldése különböző időkben történik!

Eredeti jelfolyam

Kevert jelfolyam

Csomagvesztés

Rekonstruált jelfolyam

Az interleaving elve

50 132 78

50 3 132 4 78

378 78

456 bit

Kódolt bitek Kódolatlan bitek

D DDDD

G 1

G0

U0 .... U188

C 0.... C 377

G 1

G0=1+D+D=1+D+D+D

3

3

4

4

GSM beszéd csatornakódolása

Kódoló sebessége: 260 bit/20 ms

Nagyon fontos Fontos Nem fontos

Blokk kódolás

konvolúciós kódolás

57 bit

20 ms csatornakódolt beszédminta

(456 bit) 8 blokkra van bontva

Egy blokk egy keretben van

elküldve (B blokk)

Egy burst-be két minta egy-egy blokkja kerül

Az interleaving a GSM beszédcsatornán