Lekce - 7 Telefonní linky 7

Časový multiplex - PCM - digitální telefonie

Jak již sám název napovídá, jedná se o řazení telefonních kanálů v čase. Abychom to mohli realizovat, je nutné převedení analogovho signálu na digitální.Je lhostejné, jakou informaci analogový signál ponese zda hovor, nebo data - modem, nebo grafickou informaci pomocí faxu.Podstatné je , aby signál, který je nositelem informace měl maximální frekvenční rozsah 300Hz - 3400Hz ! První podmínku jsme si tedy řekli.

Je zřejmé, že pokud se pro přenos této informace dají použít nízkofrekvenční telefonní technologie, budeme moci tento signál převést na digitální .K omezení frekvenčního pásma se použije pásmová propust pro 300-3400Hz. Zdálo by se, že propust není třeba. Omyl. Nepotřebujeme kmitočty "pod " a "nad" pásmem,které z vedení zcela jistě přijdou. Zbytečně by rušily. Pro získání potřebné informace v digitální podobě z analogového signálu se používá tzv. vzorkování. Vzorkování je odebrání určitého množství vzorku z původního signálu na straně zdroje signálu, potřebných pro jeho opětovnou rekonstrukci na straně příjmu.

OBR.1

Délka vzorkovacího impulsu je 3,9 ms. To umožňuje mezi jednotlivými vzorky daného kanálu, vzorkovat ještě další kanály. Pro vzorkovací kmitočet platí Shannon-Kotelnikův teorém, který říká: "Vzorkovací frekvence musí být vyšší, než dvojnásobek nejvyššího přenášeného kmitočtu" !

Pro frekvenci 3400Hz se tedy používá vzorkovací frekvence 8kHz tím se zajistí, aby z nejvyšší přenášené frekvence byly získány alespoň 2 vzorky, potřebné na straně příjmu k rekonstrukci na původní signál. Znamená to odebírat vzorky každých 125 ms.

Přitom rekonstruovat musíme :

  1. frekvenci
  2. sílu signálu , tedy úroveň hlasitosti.

Abychom mohli rekonstruovat hlasitost signálu, musíme získané vzorky nějak " řekněme změřit".

Ohodnocení velikosti vzorku se nazývá kvantování.

Znamená to přiřadit každému vzorku podle jeho velikosti nějakou binární velikost , tedy binární hodnotu, odborně binární hladinu.Jednotlivé binární hladiny mají přiřazeny konkrétní binární stavy, tzv. kvantizační hladiny. Hladin je celkem 256. Z toho128 pro kladnou půlvlnu signálu a 128 pro zápornou polovinu signálu.

K tomu potřebujeme 8 bitové slovo protože 28 = 256(jednotlivé váhy dvojkové soustavy jsou: 1,2,4,8,16,32,64,128,256)Nejvyšší bit (MSB ) je vyhrazen pro určení polarity (příznak polarity) signálu.

Je-li= 1 pak je signál kladný, je-li =0 pak je signál záporný.Ostatní bity pak vyjadřují velikost získaného vzorku. Protože je ale slabý signál třeba rozlišit podrobněji než silný,používá se nelineární kvantování. Znamená to, binární hladiny jsou u slabšího signálu blíže u sebe.

Takovýmto způsobem jsme z analogového signálu získali digitální v tzv.A/D (analgově-digitálním) převodníku. Získáváme tak posloupnost bitů například.
(kladná) 11000000, 10011111, (záporná)01000000,00001111, , atd.
Tato technika přeměny signálu se používá jak v dálkových přenosech, tak v digitálních ústřednách.Rozestup jednotlivých vzorků signálu se nazývá TIME SLOT. Jeho hodnota je 1:8000=0,000125 s tedy125 ms. Pomocí multiplexoru pak můžeme jednotlivé bity od různých účastníků řadit za sebe tak, že se pošle nejdříve 1.bit 1.účastníka, následuje 1. bit 2. účastníka až 1.bit30. účastníka.

Takto poskládaná sekvence se nazývá "Pulsní rámec " ( pulse frame). Následuje 2.bit 1.účastníka,2. bit 2.účastníka atd. Použijme pro nákres následující značení : bit/účastník 1/1 = 1.bit 1.účastníka

Následuje přenos 2. bitu všech 30 kanálu

Pro přenos všech 30 hovorových a 2 pomocných kanálů (nultý pro synchronizaci a 16 pro signalizaci) potřebujeme přenosovou rychlost ( tok) 2048kbit/s. A tak jsem se dostali k PCM I. řádu, někdy nazývané providery různě: (2Mbit -E1,Primární PCM nebo ISDN 30, nebo 30B+D ). To vše se používá pro totéž. Spojaři však používají prostě termín PCM ,nebo PCM I.řádu. Toto je základní tok informací uvnitř digitální ústředny ale nejen uvnitř. Je to základní 30kanálová jednotka pro další slučování do větších celků a vyšších rychlostí například v meziměstském provozu. Brno -Praha má tok okolo 12 Gbit/s. Kolik to představuje spojení si zkuste vypočítat. Přitom je třeba vzít v úvahu, že na Prahu jdou všechny meziměstské linky na západ od Brna, tedy Hradec,Pardubice, Kolín, Karlovy Vary , Berlín, Frankfurt, atd. . atd.Když dorazí do vhodného místa oddělí se a nasměrují a na jejich místo určení. Volnou kapacitu mohou obsadit jiné linky,vše tak, aby trasa byla maximálně využita.

Pro představu:
Do roku 1989 byl na Prahu kabel o cca 70čtyřkách NF, 25 čtyřekVF pro oba směry přenosu. 1 koaxiální kabel -4trubky , pro každý směr přenosu. (Celkem 2) 1 trubka přenesla 2700kanálu, kabel tedy 4x 2700 =13200kanálu frekvenčním multiplexem. Dnes 1optický kabel, o 40 vláknech v každém směru přenosu (Celkem2). Jedno vlákno přenáší podle typu okolo 3200kanálu, tedy100 PCM I.řádu / jedno vlákno. Pro přenos PCM I.řádu není  nutné optické vlákno, jde přenášet i po metalickém kabelu.

POZOR na : PCM Evropa-30kanálů a PCM USA - 24kanálů. Jedná se tedy i o jiné toky dat.

Snad bych se měl zmínit ješte o dvou , řekněmepomocných kanálech, kanálu 0 a kanálu 16. PCM I.řádu je poskládána následovně:

OBR.4

Pro jeden kanál je rychlost dat 64kbit. Procelý rámec pak 32 x 64kbit = 2,048Mbit. Toto je základní tok mezi ústřednami, nebo přípojky k providerovi, pokud má primární PCM , tedy PCM I.řádu

Není podmínkou vždy tok 8Mbit, někdy se používají 2 PCM I.řádu pro potřebný rozsah přenášených informací tedy 4,056Mbit/s. Digitální ústředny jsou jištěny tak, že mají 2 PCM I.řádu, přičemž jedna je provozní a druhá záložní. Tím se zajišťuje snížení poruchovosti.

Uvedený text není detailním výkladem problému, ale pouze jeho přiblížením. Z toho důvodu nemusí odpovídat například hodnoty přirazených binárních hodnot jednotlivým úrovním.