Teletransmisyjne systemy cyfrowe

Transkrypt

1 Teletransmisyjne systemy cyfrowe Teletransmisja cyfrowa była pierwsza - telegrafia (telegraf) wielokrotne systemy czasowe były pierwsze - aparat Baudota zasada regeneracji sygnału (przekaźniki) przed wzmacnianiem sygnału w telefonii Podstawy telekomunikacji (cz. III)

2 Idea zwielokrotnienia czasowego (przełączania) - aparat Baudota KOMUTATORY MECHANICZNE STACJA A LINIA TELETRANSMISYJNA STACJA B Podstawy telekomunikacji (cz. III) 2

3 Regeneracja impulsów A /2A t t Podstawy telekomunikacji (cz. III) 3

4 Cechy systemów wielokrotnych z modulacją impulsowo-kodową Transmisja cyfrowa umożliwia zastąpienie wzmacniania przez regenerację (złagodzenie warunków na dopuszczalne zakłócenia) Transmisja cyfrowa umożliwia wielokrotne wykorzystanie torów transmisyjnych przez tworzenie kanałów czasowych - krotnice czasowe są znacznie prostsze od częstotliwościowych Podstawy telekomunikacji (cz. III) 4

5 Cechy systemów wielokrotnych z modulacją impulsowo-kodową (c.d.) Prosta zamian sygnału analogowego na cyfrowy Trakty przystosowane do transmisji sygnałów kodowanych cyfrowo (telefonia) mogą być bezpośrednio wykorzystywane do transmisji sygnałów z natury cyfrowych (transmisja danych) Podstawy telekomunikacji (cz. III) 5

6 Cechy systemów wielokrotnych z modulacją impulsowo-kodową (c.d.) Zasada tworzenia kanałów czasowych jest wykorzystywana w elektronicznych centralach komutacyjnych umożliwia to unifikację techniki teletransmisyjnej i komutacyjnej Urządzenia cyfrowe są łatwiejsze w projektowaniu, realizacji i utrzymaniu; są tańsze Podstawy telekomunikacji (cz. III) 6

7 Cechy systemów wielokrotnych z modulacją impulsowo-kodową (c.d.) Cyfryzacja analogowej techniki transmisyjnej przy równoczesnym rozwoju teletransmisji sygnałów cyfrowych i elektronizacji central prowadzi do integracji sieci telekomunikacyjnej w zakresie techniki (IDN) i w zakresie usług (ISDN) Podstawy telekomunikacji (cz. III) 7

8 Etapy przekształcania sygnału w systemach impulsowo-kodowych PCM Próbkowanie Kwantyzacja Kodowanie Podstawy telekomunikacji (cz. III) 8

9 Próbkowanie (przypomnienie) t T p Twierdzenie o próbkowaniu (Shannona): T p,5 T s lub f p 2 f g Ts f p = 8 khz Podstawy telekomunikacji (cz. III) 9

10 Kwantyzacja - zakwalifikowanie wartości amplitudy próbki z ciągłego przedziału wartości do jednego ze skończonej liczby przedziałów, np. 28 Poziom kwantyzacji t Podstawy telekomunikacji (cz. III)

11 Kodowanie asymetryczne a U t b c t t Podstawy telekomunikacji (cz. III)

12 Kodowanie symetryczne a U t b c t t Podstawy telekomunikacji (cz. III) 2

13 Odtwarzanie sygnału U Sygnał nadany Szum kwantyzacji Sygnał odtworzony t t Podstawy telekomunikacji (cz. III) 3

14 Szum kwantyzacji U A B x a 2 a 2 a A - punkt n a krzywej nadanej, B - punkt na krzywej odtworzonej x - chwilowa wartość szumu kwantyzacji, a - skok kwantyzacji t Moc szumu kwantyzacji: 2 2 a S k = Moc szumu kwantyzacji zależy wyłącznie od wartości skoku kwantyzacji (liczby skoków kwantyzacji), a nie zależy do wielkości próbki. Odstęp od szumu kwantyzacji jest mniejszy dla próbek o mniejszych wartościach. 2 Podstawy telekomunikacji (cz. III) 4

15 Kompresja i ekspansja Kompresja polega na zwiększeniu wartości małych amplitud i zmniejszeniu dużych amplitud sygnału kodowanego, zaś ekspansja polega na procesach odwrotnych. Kompresor + ekspandor = kompandor (momentalny) Podstawy telekomunikacji (cz. III) 5

16 Kompresja i ekspansja y, Krzywa kompresji:,8,6,4 y K=f(X K) y y Ax = + ln A + ln Ax = + ln A dla < x< A dla < x< A,2 45 α,2,4,6 y E=f(X E),8, x A - parametr; przyjmuje się A = 87,6 (x =,4) Podstawy telekomunikacji (cz. III) 6

17 Kompresja y 4 y x Aproksymacja krzywej kompresji linią łamaną - wskazówka do kompresji cyfrowej x Podstawy telekomunikacji (cz. III) 7

18 Kompresja i ekspansja Kompandor analogowy o A = 87,6 jest w działaniu równoważny efektowi, jaki osiąga się przy podzieleniu przedziałów kwantyzacji bliskich zera na 6 podprzedziałów. Odpowiada to dodaniu do kodu liniowego czterech elementów, czyli pozornemu zwiększeniu długości kodu z 8 do 2 elementów. Ta obserwacja pozwala na zbudowanie kompresora (i ekspandora) cyfrowego. Podstawy telekomunikacji (cz. III) 8

19 Kompresja cyfrowa Zasada: przedział próbkowania wstępnie dzieli się na 496 poziomów (248 - dodatnich i 248 ujemnych). Są one kodowane 2 bitami (bit znaku + bitów wartości poziomu kwantyzacji) 248 poziomów dzieli się nierównomiernie na 8 przedziałów (kodowanych 3 bitami) Każdy przedział jest kodowany 4 bitami (6 poziomów) Podstawy telekomunikacji (cz. III) 9

20 Kompresja cyfrowa Kod 2-bitowy przed kompresją Kod 8-bitowy po kompresji Segment Zakres do z Z Kod segmentu Kod poziomu S W X Y Z S WXYZ 6 23 S W X Y Z S WXYZ 5 5 S W X Y Z S WXYZ S W X Y Z S WXYZ 3 27 S W X Y Z S WXYZ 2 63 S W X Y Z S WXYZ b 32 S W X Y Z S WXYZ a 5 S W X Y Z S WXYZ oznacza albo Podstawy telekomunikacji (cz. III) 2

21 Modulacja różnicowa δ a b t p δ t t W modulacji częstotliwość próbkowania jest większa, niż w PCM Dla sygnału Asinωt powinien być spełniony warunek: δ t p = δf p > Aϖ Podstawy telekomunikacji (cz. III) 2

22 Systemy PCM pierwszego rzędu m.cz. m.cz. PAM PC M PCM PAM 3 m.cz. (2 4 ) m.cz. 3 m.cz. (2 4 ) m.cz. PC M PAM PAM PCM 3 m.cz. (2 4 ) 3 m.cz. (2 4 ) Podstawy telekomunikacji (cz. III) 22

23 Struktura ramki systemu PCM-3/32 SK KT bit równy 488 ns B B 2 B 3 B 4 B 5 B 6 B 7 B szcz e lina ka nałowa równa 8 bitom lub 3,9 µ s ra mka równa 32 szcze linom ka nało wym lu b 25 µ s Szczelina synchronizacja Szczeliny 5 rozmówne Szczelina 6 sygnalizacja ( kanał w kanał lub Semafor ) Szczeliny 7 3 rozmówne R R R2 R4 R 5 X X X X 2 X 3 X X X X sygnał faz owa nia ram ki sygnał faz owa nia ram ki sygnał faz owa nia ram ki Y Z U VV2V3 Y Z U VV2V3 sygnał fazowania wielora mki a a a a b KT KT 6 b KT 2 b KT 4 b c c c c d d d d a a a a b b KT7 b KT29 b c c c c d d d d R R R2 R4 R5 wielo ra mka równa 3 2 ramkom 2 ms KT 5 KT3 Podstawy telekomunikacji (cz. III) 23

24 Właściwości systemu PCM-24 i PCM-3/32 Parametr PCM-24 PCM-3 Przepływność binarna 544 kbit/s 248 kbit/s Długość ramki 25 µs (8x24+=93 bity) 25 µs Liczba szczelin kanałowych Liczba bitów w szczelinie kanałowej Liczba kanałów rozmównych 24 3 Długość szczeliny kanałowej 5,2 µs 3,9 µs Zakres częstotliwości kanału rozmównego 3 34 Hz 3 34 Hz Podstawy telekomunikacji (cz. III) 24

25 Właściwości systemu PCM-24 i PCM-3 Parametr PCM-24 PCM-3 Długość wieloramki -- 2 ms Liczba ramek w wieloramce -- 6 Liczba stopni kwantyzacji Liczba kanałów sygnalizacyjnych na kanał rozmównych Częstotliwość próbkowania 8 khz 8 khz Prawo kompresji A = 87,6 A = 87,6 Podstawy telekomunikacji (cz. III) 25

26 Systemy PDH PDH - plezjochroniczna hierarchia cyfrowa (Plesiochronous Digital Hierarchy) - technika używana w sieciach telekomunikacyjnych. Termin plesiochronous pochodzi z Greki plesio, znaczy prawie i chronos, czas. Oznacza to, że elementy sieci PDH są ze sobą zsynchronizowane, ale nie idealnie gdyż każdy z elementów sieci posiada swój zegar. System PDH oparty jest na modulacji kodowo impulsowej (PCM). Podstawy telekomunikacji (cz. III) 26

27 Systemy PCM wyższych rzędów PDH Grupa pierwotna - 3/32 kanały; 248 kbit/s 3 Grupa wtórna - 4 x k; 8448 kbit/s 2 Grupa trójna - 4 gr. wt. + 9k; kbit/s 48 Grupa czwórna - 4 gr. tr. + 28k; 39,264 Mbit/s 92 f w n + = 4 f ( r) r - nadmiarowość (fazowanie ramki, informacje służbowe, dopełnianie) Podstawy telekomunikacji (cz. III) 27

28 Grupa wtórna kbit/s zwielokrotnienie synchroniczne Przepływność binarna grupy wtórnej Liczba grup pierwotnych 4 Przepływność grup pierwotnych Grupa I Sygnał fazowania ramki kbit/s 248 kbit/s Numery bitów Struktura ramki Bity grup pierwotnych Grupa II Bity do celów służbowych i transmisji danych Bity grup pierwotnych Długość ramki 62,5 µs Liczba bitów w ramce 528 Nadmiarowość ramki /32 Podstawy telekomunikacji (cz. III) 28

29 Zwielokrotnienie synchroniczne B C A D f N O O I I N f II II N O III III f IV I f 2 II II A 4 O N D 4 III III N O IV IV O N f f 2 IV I f Podstawy telekomunikacji (cz. III) 29

30 Zwielokrotnienie synchroniczne W e jś c ia g ru p p ie rw o tn y c h 8,448 MHz Pamięć Pamięć Pamięć Pamięć Krotnica nadawcza Trans. danych Faz. ramki Reg. Faz. ramki Krotnica odbiorcza Trans. danych 22 khz 22 khz 248 khz D D 2 D 3 D 4 D 4 D 3 D 2 D :4 Układy Układy zegarowe zegarowe :4 Pamięć Pamięć Pamięć Pamięć W y jś c ia g ru p p ie rw o tn y c h 8448 khz :33 Podstawy telekomunikacji (cz. III) 3

31 Zwielokrotnienie asynchroniczne - dopełnienie impulsowe dodatnie ujemne dodatnio-ujemne F Zegar Z Informacja I F 2 > F Zegar Z D 5 6 D Informacja I z dopełnianiem Podstawy telekomunikacji (cz. III) 3

32 Zwielokrotnienie asynchroniczne -dopełnienie impulsowe dodatnie ujemne dodatnio-ujemne F F 2 < F !? 7 8 Podstawy telekomunikacji (cz. III) 32

33 Dopełnienie dodatnie - zasada We Trakt Sygnał bina rny Pamięć liniowy Pamięć S ygnał binarny elestyczna Zegar Ze g ar elestyczna Ze ga r Ze gar :n (n-bitowa ) :n odczytu zapisu :n (n-bitowa ) :n f f f 2 > f f 2 > f Układ porównania fa zy Powstrzymanie odczytu Powstrzymanie za p isu Układ porówna nia fa zy Generator sterowany napięciowo (VCO) Wy Podstawy telekomunikacji (cz. III) 33

34 Zwielokrotnienie asynchroniczne z dopełnieniem dodatnim Grupa wtórna 8448 kbit/s Linia 2 Mbit/s Tra ns kode r 2 Mbit/s :8 Ze spół 2 Mbit/s Pa mięć Ko m pa r. fazy : Nad a jnik 8 Mbit/s Krotnica nadawcza Sygnał binarny Zegar Tra ns kode r 8 Mb it/s Lin ia 8 Mbit/s VCO Układy ze garowe Układ fa z owa nia ramki 8,448 MHz Odbiornik 8 Mbit/s Ko m pa r. fazy Układy ze garowe Układ fa z owa nia ramki :8 Pa mięć :8 Odb. kom end dopełn Krotnica odbiorcza Sygnał binarny Zegar Podstawy telekomunikacji (cz. III) 34

35 Grupa wtórna kbit/s Przepływność binarna grupy wtórnej 8448 kbit/s ± 25 bit/s Liczba grup pierwotnych 4 Przepływność grup pierwotnych 248 kbit/s ± bit/s Grupa I Numery bitów Sygnał fazowania ramki Bity rezerwowe i 2 Bity grup pierwotnych 3 22 Grupa II Bity kontroli dopełniania 4 Struktura Bity grup pierwotnych 5 22 ramki Grupa III Bity kontroli dopełniania 4 Bity grup pierwotnych 5 22 Grupa IV Bity kontroli dopełniania 4 Bity dopełniające 5 8 Bity grup pierwotnych 9 22 Długość ramki,38µs Liczba bitów w ramce 848 Liczba bitów informacyjnych w ramce 824 Liczba bitów jednej grupy pierwotnej w ramce z dopełnianiem bez dopełniania Podstawy telekomunikacji (cz. III) 35

36 Grupa trójna kbit/s Przepływność binarna grupy trójnej kbit/s Liczba grup wtórnych 4 Przepływność grup wtórnych 8448 kbit/s Grupa I Numery bitów Struktura ramki Sygnał fazowania ramki Bity służbowe i 2 Bity grup wtórnych Grupa II Bity kontroli dopełniania 4 Bity grup wtórnych Grupa III Bity kontroli dopełniania 4 Bity grup wtórnych Grupa IV Bity kontroli dopełniania 4 Bity dopełniające 5 8 Bity grup wtórnych Liczba bitów w ramce 536 Liczba bitów jednej grupy wtórnej w ramce 378 Podstawy telekomunikacji (cz. III) 36

37 Grupa czwórna - 39,264 Mbit/s Przepływność binarna grupy czwórnej 39,264 Mbit/s Liczba grup trójnych 4 Przepływność grup trójnych 34,368 Mbit/s Grupa I Numery bitów Struktura ramki Sygnał fazowania ramki 2 Bity służbowe 3 6 Bity grup wtórnych Grupa II IV Bity kontroli dopełniania 4 Bity grup wtórnych Grupa V Bity kontroli dopełniania 4 Bity dopełniające 5 8 Bity grup wtórnych Liczba bitów w ramce 2928 Liczba bitów jednej grupy trójnej w ramce 723 Podstawy telekomunikacji (cz. III) 37