Kommunikációs rendszerek

1. Kommunikációs rendszerek Kommunikáció-technikai mérnök szak 2001/2002

2. Bevezetés

3. A kommunikáció kulcseleme: az átviteli csatorna M I É R T ? -Az átvitel elektromos vagy optikai jel formájában. -Sávszélesség/Kapacitás -A média fizikai korlátai.

4. Ok : a mennyiség A studiókban használatos nyers VIDEO adatfolyam kb.216 Mbit/s A nyers AUDIO adatfolyam kb.1.5 Mbit/s Egyetlen műsor ilyen formában történő továbbítása kb. tíz földi vagy hat műholdas csatornát venne igénybe.

5. Ok: a formátum • Az észlelt jelenségek (szín, hőfok, hang stb.) eredeti megjelenési formájukban nehezen továbbíthatóak. • Egyes elektromos (újabban optikai) mennyiségek nagy távolságra, jó hatásfokkal történő továbbítására kiforrott eszközök és módszerek. • Célszerű minden továbbítandó információt elektromos jellé alakítani, a célbaéréskor pedig az elektromos jeleket észlelésre alkalmas formába visszaalakítani.

6. A cél: 1.A kommunikációs rendszer célja az eredeti információnak a vevőoldalon a lehető legnagyobb hűséggel történő helyreállítása. 2.Alkalmas technikai megoldások révén biztosítani a különféle szempontok közötti egyensúlyt

7. Konvergencia multimedia internet PC PC - TV Internet (broadband) TV Digital TV TV rádió műsorszórás telefonia

8. Alapfogalmak

9. A kommunikáció • Köznapi értelemben széles jelentéstartalom:közlés, híradás • Példák: méhek, siketek jelbeszéde, a nyelv • Mint technikai feladat: • az információ ezer alakban jelenhet meg, • de minden csatorna csak jól meghatározott típusú, a csatornára nézve specifikus információkat tud továbbítani. • ezért az üzenetet mindig olyan jelekké kell átalakítanunk, amelyek a rendelkezésünkre álló csatornán átvihetők.

10. A kommunikáció általános sémája • A kommunikáció az információ szándékolt átadása jelek rendszeréből választott jel létrehozása és észlelése által.

11. Az információ • Köznapi értelemben:tájékoztatás, felvilágosítás, értesülés, hír.Számít a jelentése, adott helyzetben történő értelmezése. • Technikai értelemben: (Shannon, 1948)A bizonytalanság mértékének csökkentője.

12. Az információ mértéke • Az információtartalom = az üzenet egyértelmű ábrázolásához szükséges és elégséges döntések száma. • Mértékegysége a „bit” .(binary digit) • Egy bit információ megfelel két egyformán valószínű lehetőség közötti választásnak. • 1 Kb = 1024 bit • 1 Mb = 1024 Kb • 1 Gb = 1024 Mb

13. Az információ mértéke • Tételezzük fel egy eszközt, amely nyolcféle jel(A,B,C,D,E,F,G,H) kibocsátására képes. • Amíg a következő jel megérkezésére várunk, bizonytalan, hogy melyik fog érkezni, így mindegyik érkezésének valószínűsége p=0.125 • Amint egy jel érkezik, a bizonytalanság mértéke csökken, mert információhoz jutottunk. • Az információ mértéke a nyolc lehetséges jelre: • H = log2(M) = log2(8) = 3 bit

14. Az információ osztályozása • Jelentése szerint • Adat /szövegesinformáció • Képi információ • Idő alapú információ • Audio • Video

15. Az információ osztályozása • Ismeret tartalma szerint: • irreleváns (nem fontos) • releváns (fontos) • redundáns(már ismert) • nem redundáns (ismeretlen)

16. A redundancia Az optimális kód adott mennyiségű információt a lehető legkevesebb jellel fejezi ki.Ha az üzenetet ennél több jellel fejezzükki, redundánssá válik. • A vevő számára csak az információ releváns, nem redundáns része érdekes (ez jelent újdonságot). A forráskódolás során az információtömörítés olyan módját kell alkalmazni, amely az irreleváns és redundáns tartalmat lehetőleg kiküszöböli, ezzel • Csökkenti • A sávszélességet • Az adó igénybevételt • A tárolókapacitást/ átviteli időt • Az üzenet redundanciája (eltérően a forrás redundaciájától) növeli az üzenet hibamentes rekonstrukciójának valószínűségét.

17. A hírközlési csatorna • berendezés, amely képes a bemenetelnél információt felvenni, és a kimenetelnél leadni. Fizikai valójukban a csatornák nagyon sokfélék lehetnek: a levegő, a telefonvezeték, az optikai üvegszál, az élőlények idegszálai, a könyv, a videolemez stb. • Osztályozás • A térbeli csatornák a tér valamelyik pontjából egy­vagy több másik pontjába ( például a telefonvezeték) • az időbeli csatornák a T időponttól a (T + t) időpontba például a videolemez) • szállítják az információkat.A tér­ és időbeli csatornákat szokás késleltetés nélkül és késleltetéssel működő csatornáknak is nevezni. Előbbiek maghatározott sebességgel, s ahogy nevük is mutatja, késleltetés nélkül szállítják az üzeneteket, utóbbiak pedig tetszőleges ideig tárolják, azaz késleltetik az üzenet továbbadását. • Osztályozás • Pont- pont közötti (hírközlő) • Pont-több pont közötti (műsorszóró)

18. A jel

19. A jel fogalma • Az (x) információ fizikai megjelenési formája. • A jel valamely fizikai állapothatározó mennyiség minden olyan értéke vagy értékváltozása, amely egyértelműen hozzárendelt információ szerzésére, továbbítására vagy tárolására alkalmas. • Üzenet az adó által a rendelkezésére álló jelkészletből kiválasztott és összeállított jelek sorozata.

20. A jelek felosztása I. • Értékkészlet alapján • Folytonos: az értelmezési tartományán belül minden értéket felvehet. • Szakaszos: csak meghatározott (diszkrét) értékeket vehet fel(ritkán analóg, digitális mindig)

21. A jelek felosztása II. • Az időbeli lefolyás szerint • Folyamatos: a jel értéke adott időtartomány bármelyik időpontjában változhat. • Szaggatott: a jel értéke csak bizonyos (diszkrét) időközönként és időtartamban szolgáltat információt.(ritkán analóg, gyakran mintavétel során )

22. Diszkrét és folytonos jelek • diszkrét=nem folytonos, szakadásos, elkülönült tagokból álló • kvantálás =a rendszer vagy folyamat jellemző fizikai mennyisége lehetséges értékeinekmeghatározása

23. A jelek felosztása III. • Az információ megjelenési formája szerint • analóg: a jelhordozó értéke vagy értékváltozása közvetlenül képviseli az információt. (Többnyire értékkészlet és időbeli lefolyás szerint folytonos jel) • digitális: a jelhordozó diszkrét, számjegyeket kifejező jelképi kódjai képviselik az információt.

24. A jelek felosztása IV. • Az érték meghatározottsága szerint • determinisztikus: a jel, ha mindenkori értéke meghatározott időfüggvénnyel egyértelműen megadható. • sztochasztikus: a jel ha értéke véletlen hatások által befolyásolt, szabálytalan lefolyású, leírása csak valószínűségszámítási módszerekkel lehetséges.

25. Folytonos jelek

26. x(t) t Időtartománybeli leírás • Az időfüggvénnyel ábrázolható, folytonos, determinisztikus jelek „leírási bonyolultsága”: • Szinuszos jelek • Periodikus jelek • Nem periodikus jelek

27. A szinuszos jel • Jellemzői • periódusidő T • frekvencia f = 1/T • amplitudó S(t) • fázis 

28. Periódikus jel • Ha létezikx(t+T) = x(t)ahol T az alapfrekvencia periódusideje.

29. Periódikus jel szintézise 0

30. Periódikus jel szintézise 1

31. Periódikus jel szintézise 2

32. Periódikus jel szintézise 3

33. Fourier felbontás Fourier: minden periódikus jel előállítható alkalmasan megválasztott szinuszos (koszinuszos) jelek összegeként.(gyakran végtelen sok tagból)

34. Frekvencia tartománybeli leírás • Aperiódikus négyszög jelet előállító végtelen sor: együtthatói grafikusan is ábrázolhatóak:

35. Jelek spektrális ábrázolása • A periódikus függvény frekvenciaspektruma a Fourier-sorba fejtés együtthatóiból származó diszkrét értékekből áll. (vonalas spektrum) • A periódikus függvény egyértelmű leírásához a diszkrét amplitudóspektrum és a diszkrét fázisspektrum is szükséges.

36. Kommunikációs rendszerek Anyagrész vége

37. The greater the information in a message, the lower its randomness, or noisiness, and hence the smaller its entropy. Since the information content is, in general, associated with a source that generates messages, it is often called the entropy of the source. Often, because of constraints such as grammar, a source does not use its full range of choice. A source that uses just 70% of its freedom of choice would be said to have a relative entropy of 0.7. The redundancy of such a source is defined as 100% minus the relative entropy, or, in this case, 30%

38. Sampler Analog/ Digital Digitizing Analog Waveforms • Sampling • Measure signal value at regular time intervals • dt = 1/ Sampling frequency • Nyquist Theorem • Must sample at ≥ 2 * highest frequency signal component • Otherwise get “aliasing” between low and high frequency values • Analog to Digital Conversion • Convert each sample into k-bit value • Limits dynamic range • Low resolution gives “quantization error”

39. Information and redundancy Redundánsinformaciótartalom Entropia– hasznos informació Teljes információ tartalom

40. Entropy definition • Entropy is a measure of uncertainty of a random variable • let X be a discrete random variable with alphabet  and probability mass function p(x) • The entropy of a discrete random variable is then defined:

41. Entropy • If the log is log 2 base 2 • entropy is in bits/symbol • it is known as the average information or the uncertainty of occurrence of a symbol

42. Die Entropie beschreibt den Informationsgehalt der Quelle. Die bin¨ are Entropie • H =-pi *log2pi • (pi: Wahrscheinlichkeit des i: Symbols von n) gibt an, wieviele Bits pro Symbol minimal ben¨ otigt wer-den, • um die Information vollst¨ andig zu kodieren. Je ungleichm¨ aßiger die Wahrscheinlichkeiten verteilt • sind, desto kleiner wird die Entropie.

43. Terminológia • A jelek átalakítását kódolásnak nevezzük • a kód egy olyan leképzési előírás, amely egy jelkészletet egy másik jelkészletbe visz át, s a kódolás ennek az előírásnak a végrehajtása

44. TÖMÖRÍTÉS Lossless and Lossy Coding • Lossless methods can be based on – Predictive coding – Entropy coding • Lossy methods can be based on – Transform coding (DCT, wavelets, subband decomposition...) – Vector quantization – Shape/ model based coding – Fractals – Entropy coding

45. Terminology • Physical versus logical • Physical • Performed on data regardless of what information it contains • Translates a series of bits to another series of bits • Logical • Knowledge-based • Change United Kingdom to UK

46. Terminology • Symmetric • Compression and decompression roughly use the same techniques and take just as long • Data transmission which requires compression and decompression on-the-fly will require these types of algorithms

47. Terminology • Asymmetric • Most common is where compression takes a lot more time than decompression • In an image database, each image will be compressed once and decompressed many times • Less common is where decompression takes a lot more time than compression • Creating many backup files which will hardly ever be read

48. Terminology • Non-adaptive • Contain a static dictionary of predefined substrings to encode which are known to occur with high frequency • Adaptive • Dictionary is built from scratch

49. Terminology • Semi-adaptive • In pass 1, an optimal dictionary is constructed • In pass 2, the actual compression occurs

50. Terminology • Lossless • decompress(compress(data)) = data • Lossy • decompress(compress(data))  data • A small change in pixel values may be invisible, however