Kommunikációs hálózatok 2 Analóg és digitális beszédátvitel

Kommunikációs hálózaok 2 Analóg és digiális beszédáviel Némeh Kriszián BME TMIT 2017. február 14.

A árgy felépíése 1. Bevezeés Bemuakozás, jáékszabályok, sb. Technikaörénei áekinés Mai ávközlő rendszerek archiekúrája Analóg és digiális beszédáviel 2. IP hálózaok elérése ávközlő és kábel-tv és opikai hálózaokon 3. IPTV, Video on Demand 4. VoIP, beszédkódolók 5. Mobilelefon-hálózaok 6 Jelzésáviel 7. Gerinchálózai echnikák 2

Analóg beszédáviel Végberendezés: hanghullám analóg elekromos jel Mi udunk e jelről? Emberi fül kb. 20 Hz 20 khz- hall meg Ebből a beszédjel felső haára 6-7 khz 3

Analóg beszédáviel Hány Hz széles legyen egy beszédcsaorna? cél puszán az érheő beszéd áviele + gazdaságosság! Korai nyalábol rönkök FDM-e használak minél keskenyebb egy beszédsáv, annál öbb fér rá egy rönkvonalra Manapság: digiális áviel: TDM, IP de a bisebesség i is számí......és arányos az ávi sávszélességgel (ld. majd: PCM) Érheőség és beszédminőség az ávi frekvencia függvényében: 500...1000 Hz: rossz 500...1500 Hz: űrheő 400...2000 Hz: kielégíő 300...2500 Hz: megfelelő 300...3400 Hz: jó 200...3500 Hz: igen jó Dönés: 0,3 3,4 khz-es sáv 3,1 khz + védősávok = 4 khz széles lesz egy beszédcsaorna 4

Analóg elefonrendszerek Kezdeben végponól végponig analóg áviel Analóg végberendezések Analóg nyalábolás a rönkökön (FDM, Frequency Division Muliplexing) (Elekro)mechanikus kapcsolás, galvanikus kapcsola felépíése a kapcsolón (közponon) belül 5

A digiális echnika érhódíása Megjelen a digiális echnika (II. világháború ala/uán) Sok előnnyel az analóghoz képes: egyszerűbb, megbízhaóbb, olcsóbb kisebb helyigény, ápigény a jel/zaj viszony függelen a hálóza méreéől (igaz, a bihibaarány függhe) kapcsolás megvalósíhaó mozgó alkarészek nélkül magasabb fokú hálózai inelligencia valósíhaó meg sokkal kifinomulabb jelzésáviel leheséges ada és beszédjelek egységesen kezelheőek Célszerű vol a beszédjele digializálni és így áküldeni egy digiális elefonhálózaon haalmas áalakíás a hálózaban! 6

Digiális ávbeszélő hálózaok Először az ávieli uaka digializálák (SA: 1960-as, 70-es évek) klasszikusan TDM (Time Division Muliplexing, időoszásos nyalábolás) rendszerek álalános célú digiális ávieli hálózaok, nem csak elefonhálózaok jeleire pl. PDH, SDH (lásd majd a Gerinchálózai echnikák fejezee) ma már sokszor IP uána hamarosan a közponoka is TDM közponok: célszámíógépek, a kapcsolás = ügyes másolás a beés kimeneek közö a (vezeékes hálózai) végberendezések nagy része ma is analóg! ami nem, az ISDN, ld. nemsokára helyi kapcsolóközponban örénik meg az A/D D/A áalakíás 7

Digiális ávbeszélő hálózaok a vezeékes végberendezések javarész analógok a minőség megfelelő kevesen fizenek a plusz funkciókér ezek nagy része ráadásul már elérheő analóg végberendezéssel: inelligencia a közponban, nem a készülékben! digiális kiegészíések: hívószámkijelzés, SMS ld. hamarosan az ISDN-nél! 8

A ávbeszélő közponok kapaciása és digializálsága Magyarországon (1995-2007) Ez a dia nem kell a vizsgára, de így kerek a öréne forrás: Nemzei Hírközlési Haóság (NHH) 9

Kis (filozófiai) kiérő: analóg és digiális jelek Az alábbi jelek analóg vagy digiális jelek? 10

Analóg és digiális jelek Az alábbi jelek analóg vagy digiális jelek? 11

Analóg és digiális jelek Minden fizikai közegen megjelenő jel analóg Akkor lesz digiális, ha annak érelmezzük nem felélenül négyszögjel, de lehe az is az a fonos, hogy legyen néhány diszkré állapo, amihez viszonyíunk nem is felélenül csak keő ld. moduláció, vonali kódolás gyanígy: akkor analóg, ha annak érelmezzük 12

Analóg és digiális jelek Ezek spec. digiálisnak volak szánva: négyszögjel: FSK (Frequency Shif Keying), frekvenciabillenyűzés: 13

Analóg és digiális jelek Ezek spec. digiálisnak volak szánva: 14

Analóg és digiális jelek Ezek spec. analógnak volak szánva: AM, ampliúdómoduláció 15

Analóg és digiális jelek Ezek spec. analógnak volak szánva: AM, FM (frequency modulaion, frekvenciamoduláció): 16

PCM PCM = Pulse Code Modulaion, Impulzuskód moduláció Az első, és ma is elerjed beszéddigializáló (kódoló-dekódoló: kodek) Az elv régóa ismer II. világháborúban már használák ikosíásra digializálás uán binárisan ikosíoák Telefonhálózai alkalmazások: 1970-es évekől Mára az A/D áalakíás alapja Vannak újabb, sok szemponból jobb kodekek ld. majd a 4. VoIP, beszédkódolók fejezenél Mégis ma is igen sok helyen használják beszédávielre kiváló hangminőségű sok helyen a viszonylag nagy adasebessége ( birae ) sem gond 17

PCM Ado egy jel : feszülség-idő függvény folyonos időben (fv. érelmezési arománya) folyonos feszülségben (fv. érékkészlee) Cél egy bisoroza előállíása Amiből helyreállíhaó az eredeihez nagyon hasonló jel A-D áalakíás lépései sávszűrés minavéel kvanálás kódolás D-A áalakíás lépései D-A áalakíás a kvanálás inverz karakeriszikjáváal sávszűrés (simíás) 18

Példa: minavéelezés 19

Minavéelezés Minél öbb miná veszünk, annál jobban megközelíjük az eredei jele Van olyan, hogy elég mina a ökélees visszaállíáshoz? Nyquis-Shannon minavéeli éele: Igen! A jel max. frekvenciájának duplája elég minavéeli frekvencia Ekkor visszaállíáskor a sávszűrés (!) uán ponosan az eredei jele kapjuk vissza Wow :) 22

Minavéelezés visszaállíása sávszűréssel 23

Minavéelezés visszaállíása sávszűréssel Eredei jel 23

Minavéelezés visszaállíása sávszűréssel Minavéelezés 23

Minavéelezés visszaállíása sávszűréssel Nulladrendű aró 23

Minavéelezés visszaállíása sávszűréssel Sávszűrés uáni jel 23

Példa: kvanálás 24

Kvanálás Minél öbb szinre kvanálunk, annál jobban megközelíjük az eredei jele Van olyan, hogy elég kvanálási szin a ökélees visszaállíáshoz? Nincs :( Mindig marad hiba: a kvanálási orzíás kevésbé precízen: kvanálási zaj Mérnökök lesznek, valami megoldás kell! Megoldás: nem kell ökélees, legyen csak elég jó Sok kvanálási szin: hosszabb szavak (öbb bi) árolása Kevés kvanálási szin: nagyobb orzíás, rosszabb minőség Alkalmazásfüggő kompromisszum kell 25

Kvanálás beszédjelhez illeszése Egy rükk, hogy kevés kvanálási szinel jó eredmény érjünk el Beszédjel: gyakori mássalhangzók kis ampliúdóval jelenősen befolyásolják a beszéd érheőségé kis ampliúdó eseén sűrűbb kvanálási szinek kellenének Megoldás: nem egyenlees kvanálás logarimikus karakeriszikával (az emberi fül is ilyen) SA: örvényű kvanáló ( -law) Európa: A örvényű kvanáló (A-law) hasonló, de nem kompaibilis, ákódolás kell 26

PCM kodek egy valódi példán kereszül Beszédhang 27

PCM kodek egy valódi példán kereszül Beszédhang Vonakozó bisoroza (kb. 180 mv-hoz): 10100110 (első bi az előjel) 27

PCM A/D áalakíás (PCM kódolás): analóg, folyonos idej ű jel analóg, folyonos idejű, sávhaárol jel minavevő analóg, diszkré idej ű jel diszkré idejű, diszkré érékkészleű jel (digiális jel) kódoló bináris jel sávszűrő 0,3... 3,4 khz sávszűrő A sávnál magasabb frekvenciák a minavéelezés uán sávon belüli zajkén lászanának A korábbiak alapján: 300-3400 Hz-e engedjük á minavevő 8 khz a minavéeli frekvencia (=másodpercenkén 8000 miná veszünk) a max. jelfrekvencia duplája (Nyquis-Shannon minavéeli éele), kis ráhagyással kvanálás 256 szinre kvanálunk, ez már űrheő eredmény ad logarimikus karakeriszikával, ld. a kövekező diákon kódolás 256 szin: 8 bi órajel 8 khz 8000 mina /sec 8 bi/mina = 64 kb/s kvanáló 28

PCM D-A áalakíás (PCM dekódolás): digiális jel D/A áalakíó ( kvanáló inverz karakeriszikája) órajel 8 khz analóg jel sávszűrő 0,3... 3,4 khz analóg, sávhaárol jel sávszűrő szerepe: kimene simíása: 29

PCM: CD Audio CD-n is PCM-e használnak Minavéelezés: 44.100 Hz Kvanálás: 16 bi (65.536 szin) Szereó: 2 függelen csaorna Bisebesség: 44.100 mina/s/csaorna * 16 bi/mina * 2 csaorna = = 1.411.200 bi/s 1,4 Mb/s 176,4 kb/s 30