Átviteli szakasz általános felépítése

Sávszélesség változása az átvitel során

Az emberi hangképzés folyamata Hangszálak Vokális traktus Gerjesztés

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 hangminőség Hátrány: nagy sebesség (PCM: 64 kbit/s)

Vokóderek elve Az emberi hangképzés szabályait írják le Vokális traktusra jellemző Előny: kis sebesség (pár kb/s) Hátrány: rossz hangminőség

Beszédkódolók MOS értékei MOS: Mean Opinion Score

Beszédkodekek MOS átlagértékei AMR: 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 teljesítmény spektrum sűrűsége Zöngétlen hang tipikus amplitúdó/idő görbéje (fehérzaj jelleg)

Időtartománybeli adaptív kódolás ADPCM kódoló Időtartománybeli adaptív kódolás X(n): kódolandó jel minta D(n): különbségi jel Dq(n): dekvantált különbségi jel Xp(n-1): n-1-ik jelből jósolt minta Xp(n): a jósolt jel és a különbségi jel összege C(n): különbségi jel

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 kell RPE: 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

Kódolás+dekódolás sebessége Kodek sebessége Kódolás+dekódolás sebessége Tipikus: 50-100 ms Gyors: G728 CELP kodek, 2-5 ms

GSM beszéd kodek Sebesség: 260 bit/20ms, azaz 13kbit/s

Egyéb forrásjelek tömörítési alapelvei (fül jellemzői) Hangintenzitás (hangnyomás) (decibel) Phon: relatív hangossági érzet Fletcher-Munson görbék (kék) és módosított változata az ISO 226:2003 szabvány szerint (piros) frekvencia

Egyéb forrásjelek tömörítési alapelvei (szem jellemzői) Csapok: színek érzékelése Pálcikák: 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 detektáló megoldások Hiba felismerése Ismétlés (ARQ) Hiba javítása 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 ADÓ VEVŐ 1011 1011 1011 1010 1011 1011 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 ADÓ VEVŐ Páros paritás 10110010 10110110 Páratlan paritás 00110010 00110110

Hibadetektáló megoldások III. (polaritásváltás) 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 ADÓ VEVŐ 10110010 10110010 10100010 01001101 01011101 01011101

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 ADÓ VEVŐ 10110010101001 CRC 10100010101001 CRC polinom polinom ? CRC osztás osztás ismert polinom ismert polinom

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 javítható Paritásbitek száma = legnagyobb kitevő száma (15=8+4+2+1)

Hamming kódolás (páros paritással) DATA PARITY 7653 p1 p2 p3 0001 1 1 0 0010 1 0 1 0011 0 1 1 0100 0 1 1 HD:4 7 6 5 4 3 2 1 HD:3 HD:3

(ARQ:Automatic Repeat Request) Hibajavítás (ARQ:Automatic Repeat Request) Négy típus: Stop and Wait Go-Back-N Szelektív Hibrid

Stop and Wait ARQ t1 t1 t2 Timer idő után újraküldés Probléma: a vevő nem tudja megkülönböztetni hogy újraküldés történt, vagy a következő blokk jött azonos tartalommal Megoldás: 0 és 1 jelzőbit alkalmazása az egymás utáni blokkokban

Go-Back-N ARQ Időablakon 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 ACK Előny: ha nincs hiba – gyors átvitel Hátrány: ha hiba volt – teljes blokk újraküldés Rövidebb adatblokkok – több ACK Előny: csak a hibás al-blokkot kell újraküldeni Hátrány: lassú (több ACK)

Hibrid ARQ (Chase combining) Chase: üldözés, vadászat A hibásan vett csomagok nem kerülnek eldobásra A hibásan vett csomagok egy algoritmussal javíthatók

Hibrid ARQ (Incremental redundancy) A FEC (Forward Error Coding) bitek elküldése NACK esetén A 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) kódoló D tárolók és modulo2 összeadók n: kimenetek száma k: bemenetek száma m: tárolók száma belső állapotok száma: m-1 Pl. (3,1,3) kódoló Generátor polinomok G1(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 Impulzusválasz 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (két bit eltolás) 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 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) ábrázolás Info: 1011 Kódolt info: 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1

Fastruktúrás ábrázolás Info: 1011 Kódolt info: 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1

Trellis diagram

Trellis diagramon való kódolás Info: 1011 Kódolt info: 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1

Hibajavítás – Fano algoritmus I. (majom a vízben?) Info: 1011 Kódolt 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 metrika értelmezése Hamming metrika

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) Data 50 bits Block code bits XOR gate SW-ON – kódolás (50 órajel) SW-OFF –D tárolók tartalmának kiolvasása

Az interleaving elve Eredeti jelfolyam Kevert jelfolyam Csomagvesztés Rekonstruált jelfolyam Az eredeti jelfolyam azonos hosszúságú blokkokra van osztva, az egymás utáni blokkok elküldése különböző időkben történik!

GSM beszéd csatornakódolása Nagyon fontos Fontos Nem fontos Blokk kódolás konvolúciós kódolás Kódoló sebessége: 260 bit/20 ms

Az interleaving a GSM beszédcsatornán 20 ms csatornakódolt beszédminta (456 bit) 8 blokkra van bontva 57 bit Egy blokk egy keretben van elküldve (B blokk) Egy burst-be két minta egy-egy blokkja kerül