Távközlő hálózatok és szolgáltatások Jelátviteli követelmények. Beszédkódolók

Átírás

1 Távközlő hálózatok és szolgáltatások Jelátviteli követelmények. Beszédkódolók Németh Krisztián BME TMIT nov. 11.

2 A tárgy feléítése 1. Bevezetés 2. IP hálózatok elérése távközlő és kábel-tv hálózatokon 3. VoIP 4. Kacsolástechnika 5. Mobiltelefon-hálózatok 6. Jelátviteli követelmények, kodekek 7. Forgalmi követelmények, hálózatméretezés (helyet cserélt a 6-os fejezettel) 8. Jelzésátvitel 9. Hálózati szolgáltatások (Henk Tamás) 10. Gerinchálózati technikák (Cinkler Tibor) 11. Távközlő rendszerek teleítése és üzemeltetése (Cinkler Tibor) 2

3 Jelátviteli követelmények, beszédkódolók Jelátviteli követelmények, beszédkódolók Beszédátviteli követelmények A visszhangról Beszédkódolók 3

4 Jelátviteli követelmények, kodekek Henk-Németh jegyzetben! ld. a weblaon: htt://w3.tmit.bme.hu/thsz/thv1_3_1.df (4. fejezet) Átviendő jelek bemutatása, secifikálása Jel: átvitt információ rerezentálása Minőségi araméterek megadása Sok jel együtt: forgalom Forgalom: jelek összességének hálózaton való megjelenése Forgalmi követelmények megadása Ezek hálózatonként mások-mások Cél: tudjuk, mire kell a hálózatot tervezni/méretezni 4

5 Jelátviteli követelmények, beszédkódolók Jelátviteli követelmények, beszédkódolók Beszédátviteli követelmények A visszhangról Beszédkódolók 5

6 Beszédátviteli követelmények Többségében ITU szabvány De itt csak a lényeg 1. Érthetőség Elsődleges követelmény: mondatérthetőség: 95-97% Azaz kb % szótagérthetőség Ez nem elég könnyen mérhető: műszakibb követelményekre fordítjuk ezt le Megj.: nincs magasan a léc 6

7 Beszédátviteli követelmények 2. Sávszélesség Emberi fül: max. 20 Hz khz 300 Hz Hz: 99,9% mondatérthetőség ha minden más araméter tökéletes 3. Csillaítás enélkül túl hangos lenne db Szerencsére: a 2/4 huzalos átalakításnál egyébként is fellé csillaítás 7

8 Kitérő: decibel bemeneti teljesítmény: P 1 kimeneti teljesítmény: P 2 csillaítás (a): a db = 10 lg P1 P 2 erősítés (A): A db = 10 lg P P 1 P1 = 10 lg P 2 = 2 a db megj.: elektronikában: P=U 2 /R (U: effektív érték) ekkor ha R 1 =R 2 : 2 U 2 2 P2 R2 U 2 U A db = 10 lg = 10 lg = 10 lg = 20 lg 2 2 P1 U1 U1 U R db: dimenzió nélküli szám, csak jelölés (mint a rad)

9 Beszédátviteli követelmények 4. Csillaításingadozás csillaítás változása a frekvencia fv-ében referencia fr.: 1020 Hz csill.ing.(f) = a(f) - a(ref.fr.) csilla ításingadozás (db) 3,0 2,0 élda karakterisztika 1,5 1,1 0, frekv. (Hz) -0,6 9

10 Beszédátviteli követelmények 5. Jel/zaj viszony hasznos jel teljesítménye / zaj teljesítménye nem érthető zaj: min db érthető zaj: min db áthallás visszhang 10

11 Beszédátviteli követelmények 6. Késleltetés szájtól fülig / egyirányú késleltetés összetevők: terjedési idő eszközök késleltetése limit: 400 ms, de ajánlott 150 ms alatt maradni GEO műholdaknál csak a terjedési idő ms! lehet azért ilyenkor beszélni, csak lassan, megvárva a másik felet de: visszhang! visszhang keletkezik a vevőnél ez adott késleltetés felett zavaró a határ: 12,5 ms felette: visszhangelnyomás visszhangos kacsolaton nagyon kellemetlen beszélni 11

12 Beszédátviteli követelmények 7. Késleltetés ingadozása (jitter, delay variation) frekvencia szerint: magasabb hangok késleltetése kisebb régen volt tiikus sáv közeén +-30 ms, sáv szélén +-60 ms idő szerint (egy adott frekvencián): +-30 ms 12

13 Beszédátviteli követelmények 8. Nemlineáris torzítás kimeneti és bemeneti jel erőssége nem konstansszoros (nem alakhű átvitel) tiikusan: U ki ideális átvitel valós átvitel U be Mérőszáma: teljes harmonikus torzítás (THD, Total Harmonic Distortion) 13

14 Beszédátviteli követelmények 8. Nemlineáris torzítás teljes harmonikus torzítás def: bemenetre: max. amlitúdójú szinuszos jel kimenet torzított, összetevőire bontjuk (Fourier sor) Alaharmonikus: A 0 Felharmonikusok: A 1, A 2,... Ekkor: THD% = f = 1 A 0 A 2 f 100 Távbeszélő hálózatokban: THD max. 10% (régen: 30%) Megj: Hi-Fi: ugyanez, ott 0,5-1%, a jó (sőt, akár 0,0x%!) függ az erősítéstől is: l. 100 W-os erősítő 10W-on kevésbé torzít, mint egy W-os 14

15 Jelátviteli követelmények, beszédkódolók Jelátviteli követelmények, beszédkódolók Beszédátviteli követelmények A visszhangról Beszédkódolók 15

16 A 2/4 huzalos átalakítás megvalósítása (ism.: thsz10/10. dia) a két különböző irányú jel szueronálása, majd szétválasztása avagy villaáramkör, alias hibrid analóg előfizetői hurokban használatos egyszerű többfélekéen megvalósítható, alább egy transzformátoros megvalósítás látható a mikrofon árama nem jut be a hangszóróba a mikrofon áramának fele jut csak az előfiz. hurokra ha a vonalutánzat nem ontos: visszhang keletkezik analóg távbeszélő készülék: hibrid: kiegészítő magyarázat: htt://tel.tmit.bme.hu/meresek/3-6.htm htt://tel.tmit.bme.hu/meresek/hibrid.htm 16

17 Visszhang Több helyen keletkezhet, de a 2/4 huzalos átalakításnál jellemző Példa átviteli út: (egy vonal egy vezeték) előfiz. hurok 4/2 2/4 4/2 2/4 néhány km önhang visszhang földfelszíni v. műholdas rádiós kacsolat eredő csillaítás: 0 db táv: km hurok! (műholdas átvitelnél akár ennél is több) visszhang előfiz. hurok néhány km önhang 17

18 Visszhang Önhang: hasznos! kb. 25 db csillaítás A hurkot ki kell küszöbölni, hogy: ne gerjedjen ne torzítsa az átvitelt ne legyen többszörös visszhang Visszhang: 12,5 ms alatt nem különböztethető meg az önhangtól (nincs vele gond) kritikus táv, ha csak a terjedési késleltetést nézzük: 0,0125 s * km/s = 3125 km 3000 km (közegbeli fénysebesség alacsonyabb c-nél) de ez oda-vissza értendő, tehát kb km földrajzi táv a kritikus felette valamit kezdeni kell vele 31 db, vagy nagyobb csillaítás már jó 18

19 Visszhang kezelése Visszhangzár: ugyanez a túloldalon is VAD 4/2 VAD: Voice Activity Detector, beszéddetektor: észleli, hogy éen beszél-e a távoli fél beszéd esetén e kacsolás lezárja a visszamenő erősítőt emiatt féldulex elavult 19

20 Visszhang kezelése Visszhangtörlő (VT, echo canceller) ugyanez a túloldalon is hibajel VT 4/2 feladata a visszhang modellezése megfelelő késleltetés megfelelő csillaítás megfelelő torzítás ezek időben változhatnak, mert: környezeti hatások (l. hő) változnak kihangosítást bekacsolhatják menet közben ezért adatív eszköz a hibajel mérésével: visszhang felismerése és törlése 20

21 Jelátviteli követelmények, beszédkódolók Jelátviteli követelmények, beszédkódolók Beszédátviteli követelmények A visszhangról Beszédkódolók 21

22 Beszédkódolók Beszéd digitalizálása: kodek (KÓdoló, DEKódoló), codec (COder, DECoder) analóg jelek dekódoló kódoló digitális csatorna dekódoló kódoló analóg jelek kodek kodek Megj.: általában a kodek A/D -D/A átalakító, lehet l. filmhez is Mi most csak beszédkódolókkal foglalkozunk Ugyanaz a kódoló mindkét oldalon, vagy hálózaton belüli konverzió Kodek: főleg fekete doboz (black box) szemlélet most 22

23 2/4 huzalos rendszerek (ismétlés) Négyhuzalos rendszer: két érár egy éráron egyirányú jeláramlás Kéthuzalos rendszer ugyanazon az éráron kétirányú jeláramlás Kodek mindig négyhuzalos (feléítése miatt) Kézibeszélő négyhuzalos (értelemszerű) Előfizetői hurok kéthuzalos (így olcsóbb) Közonton belüli feldolgozás manaság négyhuzalos (így egyszerűbb) A végberendezés A A 4/2 2/4 kodek kodek D végberendezés (a) analóg végberendezés 4/2 D (b) digitális végberendezés A D helyi közont (részlet) 2/4 D helyi közont (részlet) 23

24 Kodek jellemzők bitsebesség 2, kb/s beszédhangminőség nehéz objektíven mérni MOS (Mean Oinion Score, átlagolt véleményontok): ember ontoz több mintát, az egészet átlagolják 1: elfogadhatatlan, 2: gyenge, 3: közees, 4: jó, 5: tökéletes 4 felett: nagyon jónak számít kódolási késleltetés minél nagyobb időszeletet dolgozunk fel egyszerre, annál jobban tömöríthetünk -- nagyobb késleltetés árán 0, ms komlexitás főleg mozgó eszközök esetében fontos mértékegység: MIPS (Million Instructions Per Second, millió utasítás másodercenként) 24

25 Kodek jellemzők robosztusság hiba esetén nincs idő újraadásra rádiós átvitel hibaaránya kb hibajavító kódolás, FEC (Forward Error Correction, előremenő hibajavítás tandemezhetőség és átkódolhatóság önmagával vagy más kodekkel egymás után csatolása: hogyan tűri? átlátszóság DTMF (Dual Tone MultiFrequency, kéthangú többfrekvenciás jelzésátviteli rendszer), adatátvitel lehetséges? adativitás A kodek1 D1 A D2 kodek1 kodek2 kodek2 A terhelés esetén kisebb jelsebesség de: hálózat nehezebben tervezhető 25

26 Kódoló tíusok Hullámforma kódoló analóg jel alakjának a megőrzése jó minőség nagy sebesség átlátszóság Vokóder adó oldalon: beszédből jellemző araméterek kiszűrése vevő oldalon: ezek alaján beszéd szintetizálás kis sebesség eredetire nem nagyon hasonlító hang Hibrid kódoló előbbiek keveréke 26

27 Kódoló tíusok 5 MOS hibrid kódolók vokóderek hullámforma-kódolók bitsebesség [kbit/s] log! 27

28 ADPCM ADPCM: adatív differenciális PCM (Adative Differential PCM) egymás utáni minták különbségének a kódolása 8 bites mintákból 2, 3, 4 vagy 5 biten 2: 16 kbs 3: 24 kbs 4: 32 kbs 5: 40 kbs Leggyakoribb a 32 kbs-os 28

29 Kódoló tíusok Szabvány v. kódoló neve Fő alkalmazás Bevezetés éve Adatsebsség (kbit/s) Beszédhangminőség (MOS) Kódolási késleletetés (ms) Számítási komlexitás (MIPS) G.711 vezetékes ,5 0,125 0,52 (PCM) távb. h. G.721/G.726 vezetékes 1984* / 16/24/32*/40 4,1* 0,125 7,2 (ADPCM) távb. h GSM GSM ,7 20 4,5 (FR) GSM GSM ,6 3,5 24,4 17,5 (HR) GSM GSM , ,4 (EFR) GSM G mozgó ,75-12,2 3,5-4, (AMR) távb. h. G VoIP ,3 5,3 3,9 3, G.729 VoIP , LPC-10 katonai ,4 2,3 22,5 7 *: G.721 FR: Full Rate, teljes sebességű HR: Half Rate, félsebességű EFR: Enhanced Full Rate, javított teljes sebességű AMR: Adative Multirate, adatív többsebességű 29

30 Beszéddetektor (angolul: Voice Activity Detector, VAD) Ha az adott fél é nem beszél, akkor nem küldünk jelet csökkenthető a kodek teljesítményfelvétele (mozgó készüléknél jó) sávszélesség sórolható ha van statisztikus nyalábolás, VoIP l. ilyen Vevő oldalon komfortzaj, hogy ne legyen zavaró a csend Alkalmazás, l.: mozgó távbeszélő rendszerek műholdas rendszerek VoIP rendszerek telefon kihangosítók 30