Telefonní kanál a metody digitalizace telefonního kanálu

2.přednáška
Telefonní kanál
a metody digitalizace telefonního signálu
Ing. Bc. Ivan Pravda
1
Telekomunikační signály a kanály
-
Při přenosu všech druhů telekomunikačních signálů je nutné řešit vztah dvou
protichůdných požadavků:
1.
2.
-
Hodnocení prvotního elektrického signálu na výstupu měniče (3 veličiny):
1.
2.
3.
-
Nejvěrnější přenos a vyhodnocení původní zprávy ⇒ maximalizace nároků na konstrukci
všech měničů ve sdělovacím řetězci a na vlastnosti přenosové cesty
Technicko-ekonomické hledisko ⇒ složitost realizace a provoz jednotlivých
telekomunikačních bloků v přiměřených finančních nákladech
Dynamický rozsah signálu – Ds – změna amplitudy signálu vyjadřující rozsah hlasitosti
(prakticky: odstup amlitudy signálu od amlitudy šumu → odstup střední hodnoty výkonu
signálu Ps ku střední hodnotě výkonu šumu Pš)
Šířka pásma (šířka frekvenčního spektra) signálu – Fs – reálné telekomunikační
signály jsou složeny z jednoduchých sinusových složek o různých frekvencích a souhrn
všech těchto složek vytváří šířku pásma signálu
Doba trvání signálového prvku – Ts – prvkem signálu je nejmenší část signálu, která
musí být samostatně rozlišena (např. slabika v hovorovém signálu, bit v datovém znaku,
apod.)
Předchozí tři veličiny souhrnně nazýváme objem signálu - Vs
2
Telekomunikační signály a kanály
-
-
-
Vlastnosti telekomunikačního kanálu lze vyjádřit obdobnými veličinami, tj.
dynamickým rozsahem kanálu (Dk), šířkou pásma kanálu (Fk) a
minimální dobou trvání signálového prvku (Tk), jehož přenos daný kanál
umožňuje.
Tyto veličiny pak souhrnně vyjadřují tzv. propustnost telekomunikačního
kanálu (Pk)
Přenos signálu s definovaným vlastnostmi ⇒ propustnost kanálu musí být
větší nebo rovna objemu příslušného signálu → měnič musí parametry signálu
přizpůsobit parametrům kanálu (např. zmenšit šířku pásma signálu na úkor
prodloužení doby signálového prvku)
Vzájemná optimalizace vlastností signálů a kanálů za účelem minimalizace
ekonomických nákladů na přenos zpráv je jedním z nejdůležitějších úkolů
telekomunikační techniky
V informačních systémech se používá velké množství různorodých signálů,
avšak pro jejich přenos se využívá mnohem menší počet typů
telekomunikačních kanálů, které jsou většinou mezinárodně standardizovány
3
Telefonní kanál
-
-
-
Telefonním kanálem označujeme v přenosové technice jednu jednosměrnou
cestu umožňující přenos hovorového, nebo jiného signálu pomocí
nízkofrekvenčních nebo vícenásobných telefonních systémů. (systémy
analogové a digitální)
Měničem i zpětným měničem zprávy je hovorová část klasického telefonního
přístroje
Prvotní elektrický signál má spojitý (analogový) charakter
Maximální frekvenční pásmo je dáno frekvenčními složkami řeči ⇒
telefonometrické metody → dolní mezní frekvence (určena vzhledem k přenosu
energeticky bohatých složek hlasu), horní mezní frekvence (určena vzhledem ke
srozumitelnosti)
Na základě provedené analýzy byla pro telefonní kanál v základním pásmu
stanovena následující kritéria:
- Pásmo: 300 Hz až 3400 Hz ⇒ šířka pásma: 3100 Hz
Telefonní kanál můžeme dělit na užší subkanály (přenos pomalých číslicových
signálů) nebo můžeme z několika telefonních kanálů vytvořit tzv. sdružený
kanál v přeloženém frekvenčním pásmu
4
Digitalizace telefonního signálu
-
-
Rozvoj digitální telekomunikační techniky je úzce spojen s pulsně-kódovou
modulací (PCM)
Digitální systémy využívají modulaci PCM k digitalizaci analogového
(spojitého) signálu v kombinaci s principem časového dělení při sdružování
signálů vedoucího k efektivnějšímu využití přenosových cest
PCM převádí převod vzorků analogového signálu do digitální podoby ⇒
odolnost proti rušení na přenosové cestě
Princip PCM byl patentován již v roce 1938 (H.A. Reevers), praktické uplatnění
až v 60.letech s nástupem číslicových integrovaných obvodů
Před multiplexováním a vlastním přenosem telekomunikační sítí je nutno
provést s analogovým signálem následující tři operace:
1. Vzorkování → signál diskrétní v čase
2. Kvantování vzorků v amplitudě → signál diskrétní v čase a amplitudě
3. Kódování dvojkovým kódem → výsledný digitální signál PCM
5
Digitalizace telefonního signálu
-
Operací vzorkování se provádí výběr určité hodnoty signálu ⇒ získání
vzorku (sample) signálu v časovém okamžiku daném časovacími obvody,
které produkují periodický vzorkovací signál s periodou Ts a frekvencí fs:
1
fs =
Ts
-
Podle tzv. vzorkovacího teorému (1930 – Shannon, Kotělnikov) platí
jednoznačný vztah mezi vzorkovací frekvencí a maximálním kmitočtem, který
je schopen přenést systém s časovým dělením:
f max
-
[Hz; s]
fs
=
2
[Hz; Hz ]
Vzorkovací kmitočet musí být teoreticky alespoň dvojnásobný, než je
maximální požadovaný kmitočet přenášeného signálu ⇒ Pro horní kmitočet
telefonního kanálu 3400 Hz byl zvolen s příslušnou rezervou fs = 8000 Hz.
6
Digitalizace telefonního signálu
-
Na vysílací straně pomocí dolní propusti s mezním kmitočtem fmax
odfiltrujeme vyšší kmitočtové složky, které ovlivňují proces vzorkování. Na
přijímací straně opět dolní propustí s mezním kmitočtem fmax vyfiltrujeme
posloupnost diskrétních vzorků signálu, a tím obnovíme jeho původní spojitý
průběh.
7
Digitalizace telefonního signálu
-
Časové sdružování před přenosem provádí multiplexor (MX) a po přenosu
signál opět rozděluje do jednotlivých kanálů demultiplexor (DMX) ⇒
muldex
Za dolní propustí následuje vzorkovací obvod produkující v čase diskrétní sled
vzorků spojitého průběhu a pracující se vzorkovací frekvencí fv
Analogově-digitální převodník (A/D) provede kvantování a kódování, čili
přiřadí každému vzorku dvojkovou kombinaci odpovídající nejbližšímu
kvantizačnímu stupni ⇒ kodér PCM
Digitálně analogový převodník (D/A) společně s dolní propustí obnovující
spojitost přenášeného signálu tvoří přijímací obvody ⇒ dekodér PCM
V jednom koncovém zařízení najdeme obvody pro oba směry přenosu, vysílací
i přijímací obvody, tedy kodér i dekodér PCM, které dohromady označujeme
výrazem kodek
Při převodu analogového signálu do číslicové (digitální) podoby, musíme určit,
kolik použijeme dvojkových míst pro vlastní převod. Pomocí N dvojkových
míst kódu lze vyjádřit 2N číselných hodnot ⇒ proces kvantování a kódování
analogového signálu (viz. následující obrázek)
8
Digitalizace telefonního signálu
9
Digitalizace telefonního signálu
-
-
Negativní vlastnost PCM → přenosovou cestou přicházejí zakódované vzorky
nikoli v hodnotě původního signálu, ale pouze v hodnotě blízké originálu (vliv
kvantizace signálu) ⇒ na přijímací straně získáme signál kopírující hodnoty
kvantizačních stupňů ⇒ tvarové zkreslení ⇒ kvantizační zkreslení
(nejdůležitější kvalitativní parametr při digitálním přenosu analogových signálů),
resp. kvantizační šum (frekvenční spektrum rozdílového signálu je rozloženo
rovnoměrně v celém pásmu přenášených kmitočtů)
Pro přenos signálů s nižší úrovní v dostatečné kvalitě se využívá tzv.
nerovnoměrného rozdělení kvantizačních stupňů (směrem k nule zhuštěné) ⇒
⇒ nelineární kvantování (doporučení ITU-T G.711)
Dva typy kompresních charakteristik:
μ-zákon – PCM 24 (digitální signál 1.řádu (DS1), USA a Japonsko)
A-zákon – PCM 30/32 (digitální signál 1.řádu (E1), Evropa)
Kvantování a kódování s následnou digitální kompresí – 12 bitů → 8 bitů
Přenosová rychlost pak plyne ze vzorkovací frekvence a délky kódového slova
po kompresi → vp = N ∙ fs = 8 ∙ 8000 = 64 kbit/s
10
Signál PCM 1.řádu (E1)
-
Digitální signál na rozhraních přenosové sítě tvoří nepřetržitý sériový
synchronní (isochronní) tok binárních dat
Přenášené signály jsou multiplexovány sdruženy do jednoho rámce (Frame),
který má přesně definovanou strukturu podle doporučení ITU-T G.704 včetně
pomocné služební synchronizační a signalizační informace
Základní časový interval je doba rámce TF představující čas potřebný pro
přenos vzorků všech sdružených signálů a pomocných symbolů, a který je
roven vzorkovací periodě
Pro telefonní přenos platí:
1
1
TF = Ts =
=
= 125 µs
f s 8000
-
Pro evropskou oblast je rámec složen z 32 osmibitových kódových skupin, tzv.
kanálových intervalů (TS – Time Slot). Označuje se jako signál PCM 30/32
nebo E1, jakožto signál 1. řádu evropské hierarchie, kde 32 je celkový počet
kanálových intervalů, 30 je počet telefonních kanálů, které lze přenést
11
Signál PCM 1.řádu (E1) – složení rámce
12
Signál PCM 1.řádu (E1)
-
-
-
Nultý kanálový interval každého druhého rámce (sudé, počítáno 0, 2, 4 …)
slouží k rozpoznání začátku rámce a přenáší synchroskupinu rámcového
souběhu označovanou FAS (Frame Alignment Signal)
Nultý kanálový interval lichých rámců (počítáno 1, 3, 5 …) se označuje jako
skupina bez rámcového souběhu NFAS (Non Frame Alignment Signal). Přenáší
další služební informace → bit AF (indikace zpětného poplachového signálu
ztráty rámcového souběhu), bity N (národní použití, např. dálkový dohled)
Od nultého kanálového intervalu se odpočítávají po 8 bitech další kanálové
intervaly nesoucí vzorky přenášených telefonních hovorů či jiná data
Přenosová rychlost odpovídající jednomu kanálu je 64 kbit/s
Přenosová rychlost kompletního rámce signálu PCM 1. řádu bude 32× vyšší,
tedy 2,048 Mbit/s (resp. 2 Mbit/s)
Šestnáctý kanálový interval přenáší signalizaci přidruženou k hovorovým
kanálům (CAS) postupně tak, že k jednomu kanálu přísluší 4 signalizační bity
jednou za 16 rámců ⇒ perioda 4 ms → tvorba multirámce ze šestnácti rámců
13
Signál PCM 1.řádu (E1)
-
-
-
Šestnáctý kanálový interval v nultém rámci (číslují se 0 až 15) obsahuje
synchroskupinu multirámcového souběhu MFAS (Multi Frame Alignment
Signal) ve skladbě 0000 → bit AM (indikace zpětného poplachového signálu
ztráty multirámcového souběhu)
Centralizovaná (CCS) signalizace č.7 (SS7) využívá signalizační kanály oddělené
od hovorových kanálů
Jeden signalizační kanál s vp = 64 kbit/s může připadat na celou skupinu toků
PCM30/32 a může být veden fyzicky odlišnými přenosovými cestami ⇒ pro
přenos telefonních signálů a dat lze využít 31 kanálových intervalů včetně
šestnáctého
První bity rámce označené v předchozím obrázku symbolem X lze využít pro
blokové zabezpečení (detekci chyb) metodou CRC-4 (Cyclic Redundancy Check)
pomocí cyklického kódu podle doporučení ITU-T G.706 → přenáší se
postupně kontrolní skupina 4 bitů
14
Signál PCM 1.řádu (E1)
-
-
Signál PCM 1. řádu (E1) je základním stavebním kamenem digitálních
telekomunikačních systémů s časovým dělením
Podle výše uvedeného popisu se může vyskytnout ve čtyřech typech rámcové
struktury:
PCM30 se signalizací CAS (multirámcová struktura s MFAS)
PCM30C se signalizací CAS (multirámcová struktura s MFAS) a
zabezpečením CRC-4
PCM31 bez multirámcové struktury MFAS
PCM31C bez MFAS se zabezpečením CRC-4
Americká a japonská hierarchie je vybudována na odlišné rámcové struktuře
PCM 24 označované také T1 nebo DS1 s přenosovou rychlostí 1554 kbit/s
Rámec je tvořen jedním F-bitem (rozprostřená FAS) a 24 kanálovými
osmibitovými intervaly s přenosovou rychlostí 64 kbit/s
Při mezikontinentální komunikaci např. z Evropy do USA je nutný převod
z PCM 30/32 na PCM 24 a překódování z A-zákona na µ-zákon.
15