ednáška a metody digitalizace telefonního signálu Ing. Bc. Ivan Pravda

Transkript

1 2.předn ednáška Telefonní kanál a metody digitalizace telefonního signálu Ing. Bc. Ivan Pravda

2 Telekomunikační signály a kanály - Při přenosu všech druhů telekomunikačních signálů je nutné řešit vztah dvou protichůdných požadavků: 1. Nejvěrnějšípřenos a vyhodnocenípůvodnízprávy maximalizace nároků na konstrukci všech měničů ve sdělovacím řetězci a na vlastnosti přenosovécesty 2. Technicko-ekonomické hledisko složitost realizace a provoz jednotlivých telekomunikačních bloků v přiměřených finančních nákladech - Hodnocení prvotního elektrického signálu na výstupu měniče (3 veličiny): 1. Dynamický rozsah signálu D s změna amplitudy signálu vyjadřujícírozsah hlasitosti (prakticky: odstup amlitudy signálu od amlitudy šumu odstupstředníhodnoty výkonu signálu P s ku středníhodnotě výkonu šumu P š ) 2. Šířka pásma (šířka frekvenčního spektra) signálu F s reálnételekomunikační signály jsou složeny z jednoduchých sinusových složek o různých frekvencích a souhrn všech těchto složek vytváříšířku pásma signálu 3. Doba trvání signálového prvku T s prvkem signálu je nejmenší část signálu, která musíbýt samostatně rozlišena (např. slabika v hovorovém signálu, bit v datovém znaku, apod.) - Předchozí tři veličiny souhrnně nazýváme objem signálu -V s

3 Telekomunikační signály a kanály - Vlastnosti telekomunikačního kanálu lze vyjádřit obdobnými veličinami, tj. dynamickým rozsahem kanálu (D k ), šířkou pásma kanálu (F k ) a minimálnídobou trvánísignálového prvku (T k ), jehož přenos daný kanál umožňuje. - Tyto veličiny pak souhrnně vyjadřují tzv. propustnost telekomunikačního kanálu (P k ) - 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

4 Telefonní kanál - Telefonním m 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 až3400 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

5 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 ažv 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

6 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 T s a frekvencí f s : f 1 T s [ Hz s] s = ; - 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 s fmax = ; 2 [ Hz Hz] - Vzorkovací kmitočet musí být teoreticky alespoň dvojnásobný, nežje maximální požadovaný kmitočet přenášeného signálu Pro horní kmitočet telefonního kanálu 3400 Hz byl zvolen spříslušnou rezervou f s =8000 Hz.

7 Digitalizace telefonního signálu - Na vysílací straně pomocí dolní propusti smezním kmitočtem f max odfiltrujeme vyšší kmitočtové složky, které ovlivňují proces vzorkování. Na přijímací straně opět dolní propustí smezním kmitočtem f max vyfiltrujeme posloupnost diskrétních vzorků signálu, a tím obnovíme jeho původní spojitý průběh.

8 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 včase diskrétní sled vzorků spojitého průběhu a pracující se vzorkovací frekvencí f v - Analogově-digitálnípřevodník (A/D) provede kvantování akódování, čili přiřadí každému vzorku dvojkovou kombinaci odpovídající nejbližšímu kvantizačnímu stupni kodér PCM - Digitálně analogový převodník (D/A) společně sdolní propustí obnovující spojitost přenášeného signálu tvoří přijímací obvody dekodér PCM - Vjednom koncovém zařízení najdeme obvody pro oba směry přenosu, vysílací ipřijímací 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 2 N číselných hodnot proces kvantovánía kódování analogového signálu (viz. následující obrázek)

9 Digitalizace telefonního signálu

10 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 kvantizačnízkreslení (nejdůležitější kvalitativní parametr při digitálním přenosu analogových signálů), resp. kvantizačníšum (frekvenční spektrum rozdílového signálu je rozloženo rovnoměrně vcelém pásmu přenášených kmitočtů) - Pro přenos signálů s nižší úrovní v dostatečné kvalitě se využívá tzv. nerovnoměrného rozdělení kvantizačních stupňů (směrem k nule zhuštěné) nelineárníkvantování (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 v p =N f s = =64 kbit/s

11 Signál l 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 asignalizační informace - Základní časový interval je doba rámce T F představující čas potřebný pro přenos vzorků všech sdružených signálů apomocných symbolů, a který je roven vzorkovací periodě - Pro telefonní přenos platí: 1 1 TF = Ts = = = 125 µ s f 8000 s - Pro evropskou oblast je rámec složen z32 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

12 Signál l PCM 1.řádu (E1) složen ení rámce

13 Signál l PCM 1.řádu (E1) - Nultý kanálový interval každého druhého rámce (sudé, počítáno 0, 2, 4 ) slouží krozpoznání 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 (NonFrame Alignment Signal). Přenáší další služební informace bit A F (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

14 Signál l PCM 1.řádu (E1) - Šestnáctý kanálový interval v nultém rámci (číslují se 0 až15) obsahuje synchroskupinu multirámcového souběhu MFAS (Multi Frame Alignment Signal) ve skladbě 0000 bit A M (indikace zpětného poplachového signálu ztráty multirámcového souběhu) - Centralizovaná (CCS) signalizace č.7 (SS7) využívá signalizační kanály oddělené od hovorových kanálů - Jeden signalizační kanál s v p =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

15 Signál l 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 smfas) - 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 spřenosovou rychlostí 64 kbit/s - Při mezikontinentální komunikaci např. z Evropy do USA je nutný převod zpcm 30/32 na PCM 24 a překódování za-zákona na µ-zákon.