MODULACJA IMPULSOWO-KODOWA PCM

Wielokrotne systemy cyfrowe oparte na zasadzie czasowego zwielokrotnienia kanałów z użyciem układów cyfrowych, zaczęto stosować we wczesnych latach siedemdziesiątych. W początkowym okresie były to systemy o niewiel­kiej krotności 30 lub 24 (W USA lub Japonii), stosowane w symetrycznych kablach w sieciach miejscowych. Stanowią one do dzisiaj podstawowy człon (grupę) wszystkich systemów cyfrowych, w którym dokonuje się przekształcenie sygnałów ana­logowych, przesyłanych w kanałach telefonicznych, na sygnał cyfrowy, tj. ciąg binarny, oparte na metodzie zwanej modulacją kodowo-impulsową PCM.

Zwielokrotnienie czasowe polega na przesyłaniu różnych sygnałów po jednym torze w różnych przedziałach czasu, zwanych kanałami czasowymi. Każdy przebieg określonej wielkości w funkcji czasu, np. sinusoidalny przebieg napięcia lub prądu, można odtworzyć z chwilowych wartości, tzw. próbek tego przebiegu, jeśli są one pobierane w regularnych, dostatecznie małych odstępach czasu. Stwierdzono, że odstęp ten powinien być taki, aby zawarty w tym przedziale przebieg zawierał nie więcej niż jedno minimum lub maksimum. Wynika stąd prawo próbkowania, które brzmi: częstotliwość próbkowania f_p powinna być co najmniej dwukrotnie większa od największej częstotliwości f_g sygnału próbkowanego, czyli f_p> f_g.

Dla sygnału telefonicznego o widmie 300 Hz - 3400 Hz, przyjmuje się częstot­liwość próbkowania f_p=8 kHz. Oznacza to, że odstęp między dwiema są­siednimi próbkami albo inaczej, okres próbkowania T_p = 1/f_p = 125 ns.

Czas trwania próbek jest z reguły znacznie krótszy od czasu między próbkami T_p. Umożliwia to więc przesyłanie między próbkami danego sygnału próbek innych sygnałów. Na tym właśnie polega istota zwielokrotnienia czasowego.

Układ (model mechaniczny) ilustrujący sposób tworzenia kanałów czasowych umożliwiających jednoczesne przesyłanie wielu (w tym wypadku czterech) sygnałów po jednym torze przedstawiono na rys. 6 prezentacji. W układzie tym rolę urządzeń zwielokrotniających odgrywają: urządzenie do próbkowania (po stronie nadawczej) oraz urządzenie rozdzielające sygnały (po stronie odbior­czej). Oba te urządzenia mają styki stałe, do których są dołączone po­szczególne kanały naturalne (przestrzenne) oraz szczotki wirujące synchro­nicznie z określoną prędkością kątową ω_p, które połączone są ze sobą za pomocą linii przesyłowej. Wirujące szczotki realizują połączenia między sta­cjami kolejno dla poszczególnych kanałów w różnych momentach czasu, przy czym połączenia te powtarzają się cyklicznie z częstotliwością f_p = ω_p/2π.

Sygnał zbiorczy wysyłany w linię przez urządzenie próbkujące i odbierany z linii przez urządzenie rozdzielające, ma postać ciągu impulsów , które są próbkami sygnałów nadawanych w poszczególnych kanałach natu­ralnych. Taki ciąg impulsów o amplitudach modulowanych przebiegiem próbkowanym jest często oznaczany skrótem PAM (ang. Pulse Amplitudę Modulation).

Utworzenie kanałów czasowych jest możliwe tylko wtedy, gdy działanie urządzenia nadawczego (próbkującego) i urządzenia odbiorczego (rozdziela­jącego sygnały) jest synchroniczne. W tym celu stosuje się zegary synchronizujące, przy czym zegar w urządzeniu odbiorczym jest synchronizowany sygnałem odbiorczym.

W praktyce próbki nie są przesyłane w linii w sposób bezpośredni w postaci sygnału P AM, lecz są najpierw poddane dodatkowej modulacji. W systemach teletransmisyjnych stosuje się modulację kodowo-impulsową PCM. Istota tej metody modulacji polega na tym, że amplitudy impulsów modulowanych sygnałem próbkowanym (tj. wysokości próbek) są wyrażane liczbami dwójkowymi za pomocą odpowiedniej kombinacji cyfr O i 1. Przy czym w układzie elektrycznym l oznacza stan prądowy (impuls), O zaś — stan bezprądowy. Jedna cyfra w liczbie dwójkowej jest określana mianem bitu. Liczba cyfr w liczbie dwójkowej (bitów) stosowana do określenia wy­sokości próbki jest ograniczona w kanałach telefonicznych do 7 lub 8. Oznacza to, że jest też ograniczona dokładność odtworzenia próbki. Za pomocą liczby dwójkowej jest określany właściwie tylko przedział, w jakim znajduje się wierzchołek danej próbki (rys 8 prezentacji). W celu określenia wysokości danej próbki, cały zakres amplitud sygnału dzieli się na 2ⁿ jednakowych przedziałów, zwanych skokami kwantyzacji, którym są przyporządkowane kolejne liczby dwójkowe składające się z n cyfr (bitów).

Proces mający na celu określenie, w którym przedziale znajduje się dana próbka nazywamy kwantowaniem. Kwantowaniu towarzyszą pewne znie­kształcenia sygnału, zwane szumem kwantyzacji, który jest tym większy, im większe są stopnie kwantowania. Szum kwantowania jest szczególnie od­czuwalny w przypadku sygnałów o małej amplitudzie, dlatego w krotnicach z modulacją PCM stosuje się kompandory lub kodowanie nielinearne polegają­ce na tym, że mniejszym amplitudom odpowiadają mniejsze stopnie kwan­tyzacji. Na rysunku 9 przedstawiono przykładowo kwantowanie i kodo­wanie próbek sygnału z zastosowaniem kodu 3-bitowego.

Jak już wspomniałem wyżej, każda próbka reprezentowana jest w sygnale cyfrowym PCM przez określoną grupę (7 lub 8) bitów. Przedział czasu, jaki zajmuje grupa bitów reprezentująca daną próbkę nazywamy czasową szczeliną kanałową. Zbiór następujących po sobie szczelin czasowych przyporządkowa­nych poszczególnym kanałom naturalnym, w których są przesyłane próbkowa­ne sygnały, nazywamy ramką. Ramka obejmuje czas między dwiema kolejnymi próbkami tego samego kanału, oznacza to, że długość ramki odpowiada okresowi próbkowania T_p =1/f_p. Struktura ramki zawiera podstawowe infor­macje dotyczące czasowego położenia poszczególnych kanałów i sygnałów synchronizacyjnych.

Długość ramki oraz liczba kanałów czasowych i bitów w kanałach czasowych określają podstawowy parametr systemów cyfrowych, jakim jest przepływność binarna sygnału zbiorczego, wyrażana liczbą bitów w ciągu jednej sekundy.

W celu zapewnienia poprawnego przebiegu transmisji, a zwłaszcza odtwarzania sygnałów podczas odbioru, jest konieczna synchronizacja sygnału nadawanego z sygnałem odtworzonym w odbiorniku. Muszą więc być zgodne, zarówno co do struktury, jak
i położenia w czasie, wzory ramek wytworzonych w urządzeniu nadawczym i odbiorczym. Proces taki nazywamy fazowaniem ramek. Fazowanie ramki można określić również jako operację wyznaczającą w odbiorniku moment rozpoczęcia ramki, a tym samym pierwszej czasowej szczeliny kanało­wej. Do fazowania ramek w nadajniku i odbiorniku są wytwarzane odpowiednie sygnały (grupy impulsów), które są porównywane ze sobą w odbiorniku.

W systemie PCM, aby zwiększyć efektywność przesyłania danych (głosu) stosuje się krotnice. Krotnice PCM 30/32 są urządzeniami służącymi do przetwarzania 30 kana­łów telefonicznych w jeden zbiorczy sygnał cyfrowy o przepływności 2048 kbit/s. Taki sygnał ma strukturę cyklicznie powtarzających się ramek zawierających po 32 czasowe szczeliny kanałowe (rys. 12 prezentacji), w tym 30 szczelin jest przeznaczonych do przesyłania sygnałów mowy, jedna szczelina — zero­wa (SO) — do przesyłania informacji (wzoru) synchronizacji ramki, oraz jedna szczelina — szesnasta (S 16) — do przesyłania kryteriów sygnalizacji komutacyjnej, a także kontroli i nadzoru.

Wszystkie szczeliny są 8-bitowe, a czas trwania każdej z nich wynosi 3,9 μs. Oznacza to, że przepływność jednego kanału telefonicznego wynosi 64 kbit/s.

Dla umożliwienia przesyłania kryteriów sygnalizacji komutacyjnej oraz syg­nałów kontroli nadzoru, tworzona jest wieloramka składająca się z 16 ramek ponumerowanych od O do 15 (rys. 13 prezentacji). W szesnastej szczelinie (S16) ramki zerowej przesyłany jest sygnał fazowania (synchronizacji) wieloramki. W szczelinach S16 pozostałych ramek (od l do 15) pierwsze cztery bity są wykorzystywane jako kanały synchronizacyjne, przyporządkowane kanałom telefonicznym od l do 15. Pozostałe natomiast cztery bity w tych szczelinach są wykorzystywane jako kanały sygnalizacyjne przyporządkowane kanałom telefonicznym od 16 do 30.

Do podstawowych funkcji krotnic PCM 30/32 pierwszego rzędu należy: W kierunku nadawczym:

• próbkowanie i zwielokrotnienie czasowe sygnałów nadawanych w poszcze­gólnych naturalnych kanałach telefonicznych;

• przetworzenie impulsów o modulowanej amplitudzie sygnałem próbkowa­nym PAM na dwustanowy sygnał cyfrowy PCM;

• utworzenie kanałów czasowych dla sygnałów komutacyjnych służących do nawiązywania łączności;

• ukształtowanie odpowiedniego sygnału zbiorczego i nadanie go w tor.

W kierunku odbiorczym:

• odbiór z linii sygnału cyfrowego i nadanie mu pierwotnej formy;

• odtworzenie z sygnału cyfrowego PCM impulsów o modulowanej amplitu­dzie PAM i odpowiednie rozdzielenie ich na poszczególne kanały;

• wydzielenie spośród wszystkich produktów modulacji sygnałów użytecz­nych;

• odtworzenie sygnałów komutacyjnych.

PLEZJOCHRONICZNA HIERARCHIA CYFROWA PDH

Systemy cyfrowe o większej krotności są tworzone w drodze stopniowego zwielokrotniania sygnałów cyfrowych grup niższego rzędu. Sygnał cyfrowy, np. grupy 120-kanałowej, zwanej grupą drugiego rzędu, jest tworzony z czte­rech grup 30-kanałowych, a z czterech grup drugiego rzędu jest tworzona 480-kanałowa grupa trzeciego rzędu itd. Takie łączenie sygnałów cyfrowych grup niższego rzędu w jeden zbiorczy sygnał cyfrowy wyższego rzędu nazywa się zwielokrotnieniem cyfrowym.

Przebieg zwielokrotnienia cyfrowego podczas tworzenia grup wyższego rzędu jest podobny do przebiegu zwielokrotnienia podczas tworzenia grupy pierw­szego rzędu (opisanego wcześniej), z tą różnicą, że sygnały wejściowe, z których są pobierane próbki, mają w tym wypadku postać sygnałów cyfrowych, nie zachodzi więc potrzeba stosowania przetworników analogowo-cyfrowych. Próbki bitów sygnałów niższego rzędu są układane szeregowo obok siebie na zasadzie przeplotu bitowego, jak pokazano na rysunku 12, tworząc w ten sposób sygnał zbiorczy grupy wyższego rzędu. Musi być przy tym spełniony warunek
T_p=1/f_p= 125 μs (f_p = 8 kHz — częstotliwość pró­bkowania kanałów), aby w okresie zmieściły się wszystkie czasowe kanały tworzonej grupy. Jeśli więc sygnał zbiorczy grupy wyższego rzędu (np. 120-kanałowej) jest tworzony z czterech sygnałów grup niższego rzędu (np. 30-kanałowych), to w okresie 125 μs musi się zmieścić 4 razy więcej szczelin kanałowych, a więc i 4 razy więcej bitów niż w wypadku sygnału cyfrowego grupy niższego rzędu. Oznacza to, że przepływność zbiorczego sygnału cyfrowego grupy wyższego rzędu jest również 4 razy większa.

W rzeczywistości zwielokrotnienie czasowe nie jest takie proste. Skompliko­wane jest głównie zagadnienie synchronizacji sygnałów składowych. Mogą one bowiem pochodzić z różnych źródeł, których podstawy czasu mogą różnić się nieznacznie między sobą (brak synchronizmu).

W celu wyeliminowania różnic między przepływnością poszczególnych syg­nałów wyjściowych a przepływnością, jaka jest przewidziana dla tych syg­nałów w sygnale zbiorczym, stosuje się tzw. dopełnianie impulsowe, które polega na wprowadzaniu do wejściowego sygnału cyfrowego dodatkowych bitów, zwanych bitami dopełnienia. Bity te są usuwane z sygnału zbiorczego podczas demultipleksacji w krotnicy odbiorczej. Ta metoda zwielokrotnienia nosi nazwę zwielokrotnienia plezjochronicznego (prawie synchronicznego). Operacja dopełniania impulsowego wymaga stosowania na wejściu krotnicy cyfrowej specjalnej pamięci elastycznej dla każdego sygnału składowego. Jest to potrzebne w celu magazynowania bitów informacyjnych sygnałów wej­ściowych i zapewnienia możliwości wprowadzenia do ramki sygnału zbior­czego: dodatkowych bitów wzoru fazowania ramki, bitów sygnałów służ­bowych oraz bitów kontroli dopełniania.

Opisana metoda zwielokrotnienia jest identyczna dla całej rodziny systemów PDH. Różne są tylko przepływności sygnałów składowych i zbiorczych oraz struktura ramki.

Przepływność sygnału zbiorczego w każdym systemie cyfrowym stanowi pa­rametr zasadniczy. W zależności od liczby kanałów w grupie (krotności systemu) wynosi ona:

dla grup 30-kanałowych (pierwszego rzędu) — 2048 kbit/s,

dla grup 120-kanałowych (drugiego rzędu) — 8448 kbit/s,

dla grup 480-kanałowych (trzeciego rzędu) — 34 368 kbit/s,

dla grup 1920-kanałowych (czwartego rzędu) — 139 264 kbit/s,

dla grup 7680-kanałowych (piątego rzędu) — 564992 kbit/s.

---