Kommunikációs hálózatok 2 Analóg és digitális beszédátvitel

Kommunikációs hálózaok 2 Analóg és digiális beszédáviel Némeh Kriszián BME TMIT 2016. február 23.

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

Kis (filozófiai) kiérő: analóg és digiális jelek Az alábbi jelek analóg vagy digiális jelek? 5

Analóg és digiális jelek Az alábbi jelek analóg vagy digiális jelek? 6

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 7

Analóg és digiális jelek Ezek spec. digiálisnak volak szánva: négyszögjel: FSK (Frequency Shif Keying), frekvenciabillenyűzés: 8

Analóg és digiális jelek Ezek spec. digiálisnak volak szánva: 9

Analóg és digiális jelek Ezek spec. analógnak volak szánva: AM, ampliúdómoduláció 10

Analóg és digiális jelek Ezek spec. analógnak volak szánva: AM, FM (frequency modulaion, frekvenciamoduláció): 11

PCM PCM = Pulse Code Modulaion, Impulzuskód moduláció 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 12

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) 13

Példa: minavéelezés 14

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 :) 17

Minavéelezés visszaállíása sávszűréssel 18

Minavéelezés visszaállíása sávszűréssel Eredei jel 18

Minavéelezés visszaállíása sávszűréssel Minavéelezés 18

Minavéelezés visszaállíása sávszűréssel Nulladrendű aró 18

Minavéelezés visszaállíása sávszűréssel Sávszűrés uáni jel 18

Példa: kvanálás 19

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 20

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 21

PCM kodek egy valódi példán kereszül Beszédhang 22

PCM kodek egy valódi példán kereszül Beszédhang Vonakozó bisoroza (kb. 180 mv-hoz): 10100110 (első bi az előjel) 22

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 23

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: 24

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 25

Analóg vs. digiális elefónia Analóg áviel: egy csaorna 4 khz Digiális áviel (PCM): egy csaorna 64 kb/s Mekkora (analóg) sávszélessége igényel ennek az áviele? sok mindenől függ (pl. alkalmazo moduláció, jel/zaj viszony (S/N) a közegen), de haározoan szélesebb sáv kell, min analóg eseben gyanakkor: analóg S/N igény: kb. 60 db digiális S/N igény: kb. 20 db (10-6 bihibaarányhoz) Ráadásul digiális eseben regeneráoroka alkalmazva a zaj nem adódik össze (de: a bihibák igen) 26

Analóg vs. digiális elefónia A digiális echnika ovábbi előnyei megvalósíása egyszerűbb és megbízhaóbb napjainkban már olcsóbb a jel/zaj viszony függelen a hálóza méreéől (igaz, a bihibaarány függ) a digiális berendezések gyárása nem igényel egyenkéni beállíás kisebb helyigény alacsonyabb ápigény magasabb fokú hálózai inelligencia valósíhaó meg sokkal kifinomulabb jelzésáviel leheséges ada és beszédjelek egységesen kezelheőek egyszerűbb a karbanarás kapcsolás megvalósíhaó mozgó alkarészek nélkül ráadásul: újabb kodekek: kisebb sávszélesség Ezek elsöprő előnyök 27

Analóg ávbeszélő hálózaok Analóg nyalábolás: FDM a nyalábolás hierarchikusan örénik közeg: koax kábel, mikrohullámú rádiós összeköeés egyelen koax kábelen 1920, ill. 2700 beszélgeés ez kb. 10 MHz lenne, de a hierarchia mia ovábbi védősávok szükségesek külföldön léeze 10.000 beszédcsaornás, kb. 60 MHz-es rendszer is már nem használják. Hazánkban kb. 1990-ig volak FDM rönkök üzemben Analóg kapcsolás mechanikus, elekromechanikus rendszerek hosszú ú a Srowger közponokól a kereszrudas (crossbar) kapcsolókig Ez sem nem használják. Magyarországon 1990 és 2000 cserélék le a közponoka digiálisra Ez a dia nem kell a vizsgára, de így kerek a öréne 28

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 is uána hamarosan a közponoka is TDM közponok 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 29

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! 30

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) 31