056/2.2/0924-06 Átviteltechnika (tananyagelem) felépítése I. Pleziokron jelátvitel (PCM) 1. fejezet Digitális jelátvitel 1.1. Bevezető 1.2. Digitális átviteltechnika kialakulása 1.3. Digitális átvitel tulajdonságai, az átviteli csatorna 1.4. Digitális jelek paraméterei 1.5. Sávszélesség, átviteli sebesség 1.6. Alkalmazások és sávszélesség igényük 1.7. Összefoglalás 1.8. Ellenőrző kérdések
2. Analóg-digitális átalakítás 2.1. Bevezető 2.2. Analóg-digitális átalakítás lépései A PCM-jel kialakítását egy egyszerű példán keresztül tárgyalhatjuk, egy analóg beszédjel digitális úton való átvitelével. A 2.1. ábrán egy telefonátvitel és annak lépései láthatóak, melynél feltüntettük az alapvető lépéseket, melyeket az analóg jel digitálissá történő átalakításánál alkalmaznak.
Analóg/digitális átalakítás f(t)
x(t)
Mintavételezés
y(t) Kvantálás
Kódolás
átviteli út (digitális jel) Digitális/analóg átalakítás 2.1. ábra Analóg/digitális átalakítás lépései
Az első lépcsőfok a mintavételezés. Az analóg jel pontos megadásához végtelen sok időpontban és végtelen pontossággal kellene közölni a jel amplitúdóját, ami gyakorlatilag megoldhatatlan. Kínálkozik egy lehetőség, amely ugyan nem abszolút pontos, de a célnak tökéletesen megfelelőnek tűnik. Csak bizonyos időpontokban, pl. T időközönként adjuk meg a jel amplitúdóját. Ezt nevezzük mintavételezésnek (2.2. ábra). f(t)
x(t)
t
2.2. ábra Mintavételezés
PAM-JEL
t
Az analóg f(t) jel (a beszédjel) a mintavételező áramkörbe jut, amely T időközönként mintát vesz ebből, és előállítja az x(t) impulzusfüggvényt. Az így kapott jelet pulzus amplitúdó modulált (PAM) jelnek nevezik. A mintavételezett amplitúdók értékét sem abszolút pontossággal közöljük, hanem megadjuk, hogy az milyen előre megállapított értékek közé esik. Erre azért van szükség, mert az analóg jel értéke az adott pontban tetszőleges értéket felvehet, és ezt csak nagyon sok „tizedes jegy” pontossággal lehetne leírni. Az így kapott nagyon pontos érték egyáltalán nem, vagy csak nagyon nehezen átvihető. Ezt az eljárást kvantálásnak nevezzük (2.3. ábra). y(t)
x(t) 4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
-0
-0
-1
t
+3 +3 +3 +2
+0
-0
-1
-2
-2
-3
-3
-4
-4
-4
-1
-1
-0 -1
-2
2.3. ábra Kvantálás
A mintavételezett jel a kvantáló egységbe jut, amely megállapítja, melyik lépcsőben (mely értékek között) található az amplitúdó, és előállítja az y(t) kvantált jelet. Egy lépcsőn belül minden amplitúdóhoz egyetlen előre megállapított értéket rendel, rendszerint a kvantumlépcső közepét. Megállapodhatunk bizonyos kódszavakban, pl. számokban, amelyek megadják, hogy a jel amplitúdója melyik kvantálási tartományba esik. Ez a kódolás (2.4. ábra). A kvantált jel tehát a kódoló egységbe kerül, amely y(t) értékhez egy bináris kódszót rendel, mely már átvihető a rendszeren.
t
y(t) 4 3
+3 +3 +3
2
+2
1 0
+0
-0 -1
-1
-0 -1
t
-2
0 000 0 001 0 000
1 011 1 011 1 010
-3
0 010 0 001 1 000 0 011 0 001 1 011
-2 -3 -4
-0 -1
- 0 010 - 0 001 - 1 000 - 0 011 - 0 001 - 1 011 - 1 011 - 1 011 - 1 010 - 0 000 - 0 001 - 1 000 2.4. ábra Kódolás
2.3. Mintavételezés Az analóg-digitális átalakítás első lépése az úgynevezett mintavételezés. A mintavételezés folyamata a Nyquist-Shannon mintavételezési tételen alapul. A tétel kimondja: egy folytonos sávkorlátos - azaz f1-f2 frekvenciatartományba eső - valós időfüggvény véges számú diszkrét minta segítségével, információvesztés nélkül átvihető. A fM mintavételezési frekvencia értéke minimálisan kétszerese kell legyen az átvinni kívánt maximális frekvenciának. Azaz: fM ≥ 2fmax Felrajzolva a mintavételezett jel spektrumát, a 2.6. ábrán látható spektrumképet kapjuk, ahol a moduláló jel éppen a mintavételezendő jel, a vivőfrekvencia pedig az fminta (fM) frekvencia.
f1
f2
f M - f2
f M - f1 fM fM + f1
fM + f2
f
2.6. ábra A mintavételezett jel spektruma
Ha a bemenőjel spektruma f1 és f2 között van, akkor a kimenőjel spektruma az fM mintavételezési frekvencia két oldalán helyezkedik el. Jól látható, hogy a modulátor
egy kétoldalsávos, elnyomott vivőjű modulációt valósít meg. A spektrum valamennyi komponense tartalmazza az eredeti jelre vonatkozó összes információt. Az eredeti jel egyértelmű reprodukálhatóságához ki kell elégíteni az úgynevezett Nyquist-feltételt. A 2.6. ábra spektrumából látszik, hogy az egyes spektrumkomponensek csak akkor függetlenek egymástól, ha nem lapolják át egymást. Az ábrából közvetlenül látszik: fM > 2f2, vagyis a mintavételező frekvencia nagyobb legyen, mint a jelben előforduló legmagasabb frekvencia kétszerese. Ha nem teljesül a Nyquist-feltétel, akkor az oldalsávok átlapolják egymást, fellép az aliasing jelenség, mely nem más, mint a modulált jel spektrumkomponenseinek átlapolódása.
2.4. Kvantálás A kvantálás olyan eljárás, amely a folytonos értékkészletű dinamikatartományt véges számú értéktartományra (kvantálási lépcsőre) osztja, és ezen intervallumok mindegyikét egy-egy értékkel, az úgynevezett kvantált értékkel vagy kvantálási szinttel jellemzi. Mivel az eredeti jelből származó amplitúdómintákat bináris számokkal kívánjuk ábrázolni, szükséges a leírandó, megengedhető értékek számának korlátozása. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy olyan határok kerülnek kijelölésre, amelyeken belül bármely amplitúdó a kódoló által számára kijelölt egyetlen bináris értéket kapja. A kvantálás elve látható a 2.7. ábrán.
V Előjel
8
Az eredeti jel
7 6 5 4 3 2 1
S9 S10
0 -1
S1
-2 -3
S2
S3
S4
S5
S6
S7 S8
Mintavételi helyek
-4 -5 -6 -7
S11 S
Kód
1
1 1 1
1
1 1 0
1
1 0 1
1
1 0 0
1
0 1 1
1
0 1 0
1
0 0 1
1
0 0 0
0
0 0 0
0
0 0 1
0
0 1 0
0
0 1 1
0
1 0 0
0
1 0 1
0
1 1 0
0
1 1 1
-8 2.7. ábra Kvantálás
Egy 8 kvantumos készlet (V1-V8), amely 23 = 8 bináris jellel írható le, azaz egy 3 jegyű kódszámmal. Minden egyes kvantum határai a döntési értékek - ez azt jelenti, hogy minden jel, amelynek az amplitúdója eléri vagy meghaladja egy adott döntési érték küszöbét, egyetlen közös értéket kap, és ugyanaz a bináris érték lesz számára kijelölve. Például az S1 és S6 mintát a 011 bináris szám fogja jellemezni. Ezen kívül minden jel kvantált értéket kap a kvantum középpontjára vonatkoztatva (szaggatott lépcsős jel). Ezzel a kvantálási rendszerrel V8-nál nagyobb illetve -V8-nál kisebb jelet nem tudunk feldolgozni. Tehát V8 a maximális feldolgozható jelamplitúdó. Ezt az értéket terhelési határnak vagy radixnak nevezik. Értéke korszerű rendszerekben +3 dBm.
2.5. Kódolás A kódolás a PCM-átvitel legfontosabb része. A kódoló a mintavételezett és kvantált jelhez kódszavakat rendel. A műszaki megvalósítás szempontjából a legelőnyösebbek a bináris kódok, mert ezek csak kétállapotú elemeket igényelnek. A két állapot lehet egy nyitott vagy lezárt dióda, vagy tranzisztor. A jelátvitel szempontjából is előnyös, ha a vétel helyén csak két állapotot - pl. van jel, nincs jel kell megkülönböztetni. Ebben az esetben ugyanis sokkal jobb a zajvédettség. Több állapot esetén a zajok könnyebben okoznak értéktévesztést.
A PCM-átvitelben kedvező tulajdonságaik miatt általában az iteráló kódolókat vagy valamelyik módosított változatukat használják. Az áramkör működése a 2.8. ábrán követhető. Az érkező PAM jelet kettéválasztva két komparátorba vezetik. Az egyik a polaritás komparátor, mely meghatározza a jel előjelét. Ennek kimenete közvetlenül már a kódformáló egységbe kerül. A PAM jel másik irányát először egyenirányítják, majd a súlykomparátorba vezetik. Ennek az egységnek a feladata lesz ennek a jelnek az összehasonlítása a súlykapcsoló felől érkező jellel. A súlykapcsoló egy olyan kapcsolható áramgenerátor hálózat, mellyel a kvantálási karakterisztikának megfelelő szinteket állít elő. Végigpásztázva a lehetséges súlyokon, a komparátor jelezni fogja, mely súlyok (áramgenerátorok) vannak az adott PAM jelnél bekapcsolva. Ennek megfelelően a vezérlő logika beállítja a szegmens és a kvantumlépcső azonosítókat. PAM jel Súly Súly komparátor komparátor
Polaritás Polaritás komparátor komparátor
SúlySúlykapcsoló kapcsoló
Vezérlő Vezérlőlogika logika Órajel
PCM jel ki B1 B1 B2 B2 B3 B3 B4 B4 B5 B5 B6 B6 B7 B7 B8 B8
2.8. ábra Iteráló kódoló az A karakterisztika előállítására
2.7. Összefoglalás
2.8. Ellenőrző kérdések
3. Nemlineáris kvantálás 3.1. Bevezető
3.2. Kvantálási zaj Az analóg/digitális átalakítás folyamatából látható, hogy legfeljebb egy félkvantumnyi hiba lehet az aktuális jel és a kvantált érték között. Mivel a PCM-rendszer vevő végállomása csak a megfelelő kvantált értékként tudja a vett bináris jelet értelmezni, eltérés jelentkezik a minta eredeti nagysága és annak rekonstruált értéke között. Ez az eltérés zajként adódik hozzá a bemenő jelhez. Az eredeti és a visszaállított jelnek a kvantálásból eredő hibáját nevezzük kvantálási zajnak vagy kvantálási torzításnak. C
A
8
8 7 6 kimenõjel
5
kimenõjel 7
4
bemenõjel bemenõjel
3
6
2
5 4
1 0
4
3
2
1
5
7
6
8
B
0
3
2
4
5
6
7
8
D
8
8
7
7
6
6
5
5 bemenõjel
4
bemenõjel
4
3
3
2
kvantálási torzítás
kvantálási torzítás
2
1 0 0
1
1 0 1
2
3
4
Lineáris kodek
5 6
7
8
0 4
5
6
7
Nemlineáris kodek
8
3.1. ábra Kvantálási torzítás alakulása lineáris és nemlineáris kvantálás esetében
A kvantálás leírásából is következik, hogy az egyenlő közökkel rendelkező - azaz lineáris - kvantálás miatt a maximális lehetséges hiba valós értéke minden
mintavételezési nagyságnál azonos lesz. Ebben az esetben megvizsgálva a torzítási arányt – vagy a reciprokát, a jel/zaj viszonyt - azt tapasztaljuk, hogy az a kisszintű jelek esetében nagyobb, mint a nagyszintű jeleknél. Ha azonban a döntési értékek közeit kisebbre választjuk az alacsonyabb szintű jeleknél, akkor meg lehet közelíteni azt az állapotot, amikor a jelnek és a kvantálási torzításnak az aránya elfogadható a kódolandó beszédjelek megkívánt dinamikatartományán belül. A 3.1. ábra mutatja, hogy hogyan módosítja a kvantálási zaj és a jel közötti kapcsolatot a kvantálási törvény lineárisról nem lineárisra való megváltoztatása. A 3.1/a és a 3.1/c ábrákon a jelet a kvantálási zajtól elkülönítve látjuk; a 3.1/d ábrából láthatjuk, hogy egy idealizált logaritmikus kódolási törvény esetében a jel és az átlagos kvantálási zaj aránya konstans.
3.3. Nemlineáris „A” karakterisztika A kvantálási karakterisztika meghatározása igen nagy körültekintést igényel. A megvalósítás első és egyben talán legfontosabb lépése a kvantumlépcsők számának meghatározása. Ha a tartományok számát túl alacsonyan határozzuk meg, akkor jelentős torzítás jelentkezik, mivel nagyok lesznek a kvantumlépcsők. Amennyiben a tartományok száma túl magas, az azt leíró kódszavak egyre hosszabbak, tehát az átvitel egyre nehézkesebb. Gondolva a bináris kódolásra is, a kvantumok száma 2 egész kitevőjű hatványa. Mindent figyelembe véve úgy találták, hogy jel teljes periódusára nézve megfelelő eredményt ad, ha a legkisebb döntési szint értéke a megengedett maximális amplitúdóra vonatkoztatva -72 dB. Ez jó közelítéssel a maximális amplitúdó 1/4096 része. A 0-tól pozitív és negatív irányba tehát a karakterisztika 2048 - 2048 lépcsőt tartalmaz. Mivel az origóra szimmetrikus, elegendő a továbbiakban csak a pozitív amplitúdókkal foglalkozni. A 2048 binárisan 11 bittel írható le. Ha tehát minden egyes lépcsőfokhoz egy külön kódszót rendelünk hozzá, akkor szükség van a 2048 = 211 bitmintára, azaz 11 bites hosszúságú kódszóra. Ehhez jön a polaritás megkülönböztetésére még egy bit. A bináris kódszó lineáris kvantálásnál így 12 bit hosszúságú. Figyelembe véve az előző fejezetben foglaltakat, célszerűbbnek látszik valamilyen nemlineáris karakterisztika használata. A jel/zaj viszony konstans szinten tartása logaritmikus karakterisztikát sugall. A logaritmusgörbe azonban nem metszi az origót. Az ITU ezért egy törtvonalas közelítést javasol úgy, hogy az egymást követő szakaszok meredeksége 2-es tényezővel változik. Összesen 8 szakasz van, amelyek közül az első kettő egy egyenesbe esik, ahogy az a 3.2. ábrán látható, amely ábra a kódoló bemenetén lévő jelértékek és a kódoló döntési értékei közötti kapcsolatot adja meg. A 8 szakasz által kijelölt tartományokat a karakterisztika szegmenseinek nevezik.
111
110
101
100
011
010
001
000
128 256
512
2048
1024
KVANTÁLÁSI SZINTEK
011
010
001
000
32
DÖNTÉSI SZINTEK
0
16
32
64
128
3.2. ábra AZ ITU-T ,,A” karakterisztika pozitív amplitúdókra
3.4. 8 bites kódszó kialakítása A karakterisztika 8 szegmense bináris 000-tól bináris 111-ig van számozva. Minden szegmensen belül - lineáris kódolási szabály szerint - az adott amplitúdó tartomány 16 egyenlő kvantumlépcsőre van beosztva, amelyek bináris 0000-tól, bináris 1111-ig vannak számozva.
A karakterisztika egyik fele tehát 128 résztartományra oszlik. Ez 7 bittel leírható, mivel 27 = 128. A pozitív - negatív bemeneti tartomány meghatározása további egy előjelbitet igényel, és ez összesen 8 bites kódszót eredményez (28 = 256 ). Tehát egy bitet használunk a minta polaritásának jelzésére, a fennmaradó 7 bitet a pozitív és negatív minták abszolút értékének ábrázolására, melyből 3 bit a szegmens, 4 bit a szegmensen belüli kvantumlépcső azonosítására szolgál. (3.3. ábra) B1 +/-
B2
B3
B4
szegmensazonosító
B5
B6
B7
B8
kvantumlépcsőazonosító
3.3. ábra A 8 bites kódszó felépítése
Tulajdonképpen ez a nemlineáris kódolást leíró kódszó ugyanolyan radix-al rendelkezik, mint a 12 bites kódszóval leírt lineáris kvantált jel. A jel nagysága mindkét esetben megegyezik. Az értékkészletet mindkét kvantálásnál 4096 részre osztják fel, de amíg lineáris esetben minden kvantálási szintet kódolnak, addig nemlineáris mószerrel csak kisszinten használják fel az összes kvantumlépcsőt, a későbbiekben - a jel szintjének növekedésével – csak minden másodikat, majd minden negyediket, stb….
3.5. Példák kvantálási zaj számítására Mekkora a kvantálási torzításból eredő jel/zaj viszony 2 V-os jel esetén, ha az 1. szegmensben a kvantumlépcső értéke 5 mV ? Először meg kell határozni, hogy a 2 V-os jel melyik szegmensbe tartozik, mert ez adja meg a kvantumlépcső értékét. Mivel az elemi kvantumlépcső 5 mV, így a 0. és az 1. szegmensben 16-16 elemi kvantumlépcsővel számolhatunk, mely 80-80 mV. A 2. szegmens feszültségtartománya 160 – 320 mV-ig, a 3. szegmensé 320 – 640 mVig, a 4. szegmensé 640 – 1280 mV-ig, míg az 5. szegmensé 1280 – 2560 mV-ig terjed. Ebbe az 5.-be tartozik a 2 V-os jel, melynél 80 mV-onként helyezkednek el a kvantumlépcsők. Második feladat meghatározni, hogy a 2 V-os jel helyett mekkora kvantálási értéket visz át a rendszer, azaz, melyik kvantálási szint van a jel értékéhez a legközelebb. Kilenc kvantumlépcsőt hozzáadva (9 ˙ 80 = 720 mV) pontosan egy kvantumlépcső határát határozná meg a 2 V, de sajnos a rendszer a kvantumlépcső közepét fogja a vételi oldalon visszaállítani, így 40 mV-al nagyobb lesz a detektált jel. A jel/zaj viszony:
SNR = 20 lg
2000 = 34dB 40
3.6. Összefoglalás
3.7. Ellenőrző kérdések
4. fejezet Digitális-analóg átalakítás 4.1. Bevezető 4.2. Digitális-analóg átalakítás lépései
A vétel helyén fordított folyamat játszódik le. A vevőbe beérkező jelet egy regenerátor fogadja, melynek szerepe a jel formázása, az adóoldali jel visszaállítása. A dekódoló a beérkezett kód-szavakból előállítja az y’(t) függvényt, amely azonos lesz az y(t) kvantált jellel hibamentes esetben. Az így kapott jelből már egyszerű eszközökkel – például aluláteresztő szűrőkkel - előállítható az eredeti f(t)-t jól közelítő f’(t) analóg jel (4.5. ábra).
y’(t) 4 3 2 1 0 -0 -1 -2 -3 -4
0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0
010 001 000 011 001 011 011 011 010 000 001 000
- 0 010 - 0 001 - 1 000 - 0 011 - 0 001 - 1 011 - 1 011 - 1 011 - 1 010 - 0 000 - 0 001 - 1 000 -
f’(t)
t
4.5. ábra: A PCM-jel dekódolása
t
Az ismertetett eljárás a PCM-átvitel elve. Nagy előnye, hogy amíg a vétel helyén a kódszavak hibátlanul felismerhetők, előállítható az eredetivel megegyező y’(t) függvény. Ebből származik a PCM átvitel nagyfokú zajvédettsége.
2.6. Az analóg jel helyreállítása
2.6.1. A DIGITÁLIS EXPANDÁLÁS
A vevőberendezésben vissza kell állítani a távbeszélő-csatorna 8 bites kódolt értékének megfelelő PAM-jeleket, amelyből szűrés után az eredeti hangfrekvenciás jel visszaállítható. A dekódoló D/A átalakító bemenetére érkező 8 bites kódszó vezérli a kvantálási lépcsőket. Ha valamelyik lépcsőhöz tartozó érték "1"-es, annak a feszültségértékét bekapcsolja. A bekapcsolt lépcsők feszültségét összegezve előáll a PAM-jel, tehát a dekódoló az eredeti minta kvantált értékét állítja elő. Az egymást követő analóg impulzusokat ezután szűrik, azért hogy az eredeti analóg jelet kapják vissza. Ezt a folyamatot ábrázolja a 2.20. ábra.
Egy berendezésnél a kódoló és a dekódoló működését azonos módszerrel valósítják meg.
1 0
.
.
.
.
t
101 110 111 110 101 010
111 110 101 t
001
.
010
.
.
.
011
3
vett jel
2 1 0 -1
t
-2 -3
2.20. ábra: Az analóg jel visszaállításának folyamata
Az előző fejezet a nemlineáris A karakterisztika megvalósításával, a digitális kompandálással foglalkozott. Ahhoz hogy a vétel helyén az eredeti jel visszakapható legyen, a dekódolás mellett szükség van digitális expandálásra is.
A dekódoló áramkör vizsgálata előtt a 2.19. ábra alapján érdemes néhány dologra felfigyelni. Észrevehető, hogy a szegmens súly és a hozzátartozó 4 lépcsősúly egymás mellett helyezkedik el. Fontos még, hogy a kódoló csak a szegmensen belüli lépcsőt jelöli ki, a helyreállításnak viszont a lépcső középértékével kell történnie. Ez azt jelenti, hogy a dekódolóban a soron következő, fél lépcsővel egyenértékű súlynak mindig be kell kapcsolódnia.
A dekódolóban tehát a kódolónál mindig eggyel több, azaz 12 súly van. A legkisebb súly éppen a legkisebb kvantumlépcső fele. Ez annyit jelent, hogy a kódoló 12 bites belső kód szerint működik, a dekódoló pedig 13 bites szerint.
A dekódoló elvi felépítése a 2.21. ábrán látható.
2 1024
3 512
4 256
5 128
6 1024
7 512
8 256
9 128
10 1024
11 512
12 256
13 bit 128
+
15
14,12
1
1
VEZÉRLÔ LOGIKA
PCM
P
1
0
1
0
0
1
0
2.21. ábra: Az iteráló (súlyozó) dekódoló
A beérkező 8 bites kódszó beíródik egy tárolóba. Az előjelbit alapján az áramkör beállítja a kimeneti jel polaritását. Ezt követően a vezérlés a 8 bites kódszó 7 helyiértékbitjét 12 bites kódszóvá alakítja, és bekapcsolja a megfelelő súlyokat.
A digitális kompandálás és expandálás megértéséhez segítséget nyújt a 2.1. táblázat.
1-4. bit
SÚLYOK
Polaritás
Szegmens
(5-8. bit )
(1. bit)
(2-4. bit)
1/0
111
1
1/0
110
0
1
1/0
101
0
0
1
1/0
100
0
0
0
1024 512 256 128 64 1/0 1/0 1/0 1/0
32
16
8
4
2
1
1/2
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1/0 1/0 1/0 1/0
1/0 1/0 1/0 1/0 1
1/0 1/0 1/0 1/0
1/0
011
0
0
0
0
1
1/0
010
0
0
0
0
0
1
1/0
001
0
0
0
0
0
0
1
1/0 1/0 1/0 1/0
1
1/0
000
0
0
0
0
0
0
0
1/0 1/0 1/0 1/0
1
1/0 1/0 1/0 1/0
1
1/0 1/0 1/0 1/0
1
Szegmens súly
1
Szegmensen belüli fél kvantumlépcsőnek megfelelő súly
0
0
1
0
CSAK A DEKÓDOLÓBAN KAPCSOLÓDIK BE, DE OTT MINDIG!
1/2
CSAK A DEKÓDOLÓBAN TALÁLHATÓ!
2.1. táblázat: Digitális kompandálás-expandálás elve
A szegmensazonosító - B2...B4 - alapján a vezérlés bekapcsolja a szegmens súlyt. Ezután a B5...B8 bitek értékétől függően a következő 4 súly vagy bekapcsolódik, vagy nem. A szegmens súlyt követő 5. súly - szegmensen belüli fél lépcső - mindig bekapcsolódik.
A dekódolás, expandálás folyamata ezzel befejeződött.
4.3. Dekódolás 4.4. Jelformálás 4.5. Szűrés 4.6. Analóg jel visszaállítása 4.7. Összefoglalás
4.8. Ellenőrző kérdések Ellenőrző kérdések
1. Melyek a digitális jelátvitel indokai? 2. Ismertesse a PCM elvét! 3. Ismertesse a mintavételezés elvét! 4. Mi az aliasing jelenség? 5. Ismertesse egy egyszerű mintavételező áramkör felépítését! 6. Mi a kvantálás lényege, és miért szükséges? 7. Mit nevezünk kvantálási torzításnak? 8. Ismertesse a kvantálás fajtáit és jellemzőit! 9. Ismertesse az ITU-T „A” karakterisztikáját, kialakításának szempontjait! 10. Mi a kódolás fogalma? 12. Mi indokolja a bináris kódok alkalmazását? 12. Ismertesse a közvetlen kódolók felépítését, működését! 13. Ismertesse a számláló kódolók felépítését, működését! 14 Ismertesse az iteráló kódolók felépítését, működését! 15. Ismertesse a törtvonalas A karakterisztika megvalósítását, a digitális kompandálást! 16. Mik az analóg jel helyreállításának mozzanatai? 17. Ismertesse az iteráló dekódoló működését és a digitális expandálás folyamatát!
5. fejezet Primer PCM keret felépítése 5.1. Bevezető Az átviteltechnikával szemben a fejlődéssel párhuzamosan új igények merültek fel. Csökkent a beszédátvitel jelentősége, és ezzel párhuzamosan rendkívüli mértékben megnőtt az adatátvitel igénye. Az adatok rendszerint digitális formában állnak rendelkezésre. Ezek gyors és pontos továbbítása a hagyományos módszerekkel,
analóg rendszereken megoldhatatlan feladat. Emellett a klasszikus átviteltechnikai feladattal - a beszéd- és zenetovábbítással - szemben is magasabb minőségi követelmények támadtak.
A felmerült igények kielégítése irányában az első lépést a primer PCM berendezések megjelenése jelentette. Ezek elsősorban még beszédátvitel céljára készültek, és ezzel megszűnt a zajprobléma elsődleges fontossága.
A PCM berendezések legnagyobb előnye a zavarójelre való érzéketlenség, amely a beszéd kódolt, digitális formájából következik. Analóg jelek átvitele esetén 60 dB zajvédettség kívánatos. Ha viszont a jelhez valahol a zaj hozzákeveredett, akkor azt a jeltől elválasztani egyáltalán nem vagy csak igen költséges elektroakusztikai módszerekkel lehet.
A PCM összeköttetések vonali zajvédettsége a berendezéstípustól függően 20...30 dB közötti érték. A zajszint egészen addig megnőhet, amíg a döntési szintet nem befolyásolja. A digitális vonalszakaszon a zaj nem összegződik, míg analóg rendszereknél az összeköttetés hosszával arányosan növekszik. Az analóg rendszerek zaja hozzáadódik az előző szakasz zajához.
Ebben a fejezetben a PCM jelátvitel alkalmazását ismerhetjük meg. Az előző fejezetben megismert 64 kbit/s-os beszédátvitelre kialakított digitális jelek alapvető átviteli formáját láthatjuk itt. Részletesen foglalkozunk a multiplikált jelek kialakításával: mind az európai szabvány szerinti 30/32-es PCM-jellel, mind pedig az amerikai 24 csatornás átvitellel. Magyarországon a telefontechnikában az előbbi használatos és szabványos, ez az alapja a beszédátvitelnek. Az amerikaival azért kell foglalkoznunk, mert egyes technológiáknál, mint például a későbbiekben ismertetendő ATM jelátvitelnél, sokszor előfordul alkalmazása.
5.2. Primer PCM keret ábrázolása 3.1.2. A KERET FELÉPÍTÉSE
Az A/D átalakítás során másodpercenként minden csatorna jeléből 8000 db 8 bites kódszó kerül kialakításra. A mintavétel frekvenciája - 8 kHz - egyúttal meghatározza azt az időkeretet is, amelyen belül a multiplexelni kívánt csatornák egy-egy
kódszavát át kell vinni. Ez a keretidő így 125 s-nak adódik. Akárhány csatorna multiplexelésére van is szükség, azok egy-egy kódszavát ezen idő alatt át kell vinni.
Nem elég azonban a csatornák jeleit átvinni, azt is biztosítani kell, hogy vétel oldalon a jel helyreállítása ugyanazon csatornában történjen, mint az A/D átalakítás. Ehhez szükség van szinkronizálásra, azaz szinkronjelre. Ez képletesen azt jelenti, hogy minden keretnek meg kell jelölni az elejét, ezt végzi a keretszinkron szó, és ettől adott távolságban (adott időrésben) helyezkedik el a keresett jel.
A csatornákhoz jelzések is tartoznak, tehát a jelzésátvitelről is gondoskodni kell. Ugyanebbe a kategóriába sorolhatók a különféle szerviz információk, amelyek átvitelét szintén biztosítani kell.
A keretnek tehát tartalmaznia kell a multiplexelni kívánt csatornákat képviselő kódszavak, a hozzájuk rendelt szinkronjelek, jelzések, és egyéb szerviz információk egyszeri mennyiségét, amit a rendelkezésre álló idő - a keretidő - alatt kell továbbítani.
AZ ITU-T a PCM átvitelnek különböző szintjeit definiálta. Európában ennek alapszintje a primer PCM 30/32 rendszer. Ennek keretszervezése látható a 3.2. ábrán.
A keretidő a már ismert 125 s. Ez az idő 32 időrésre (IR) van osztva, melyből 30 szolgál a 30 db csatorna egy-egy kódszavának, kettő pedig a fentebb felsorolt egyéb szervizinformációk átvitelére. Ennek megfelelően egy IR ideje 3,9 s. Mivel 8 bites kódszavak átviteléről van szó, egyetlen bit átviteléhez - 1 bitrés - 488 ns idő van biztosítva.
Az időrések számozása 0-31-ig történik. Az 1-15., valamint a 17-31. időrések a 30 csatorna átvitelére szolgálnak. A 0. időrés szinkronozásra, a 16. jelzésátvitelre és az ezekhez tartozó szervizinformációk továbbítására van fenntartva.
Szinkronizálásra minden páros keret 0. időrésének B2...B8 bitjein küldött 0011011 keretszinkron kódszó és a páratlan keretek 0. időrésének B2 bitjén küldött ,,1” szinkron megerősítő bit szolgál. Ezt az ábrán szürke mezővel jelöltük. A szinkronjel azért nem ugyanaz a páros és a páratlan keretekben, mert minimalizálni akarták annak a lehetőségét, hogy az „üzenet részben” előfordulhasson hasonló bitminta.
Ugyanis ha ez megtörténne, akkor máshol értelmezné a rendszer szinkronszót, és így nem lehetséges az eredeti kódszavakat visszaállítani.
A páros keretekben lévő szinkronszót csak akkor fogadja el helyesnek a rendszer, ha a következő keret B2 helyén a megerősítő bit az előző keretben lévőnek az inverze (azaz 1-es).
Az A jelű bit a szinkronhiba átjelzését biztosítja. Az X jelű bitek belföldi forgalomban szabadon felhasználhatók.
15
: :
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
1 1
6
4
5
... 1. csat.
X 1 A X X X X X
: : 15. csat.
a b c d
3. csat.
X 1 A X X X X X
8
9 10 11 12 13 14 15
: :
: c d
30. csat.
a b
18. csat.
17. csat.
16. csat.
0 0 0 0 X A X X
X 1 A X X X X X
X 0 0 1 1 0 1 1
7
t = 125 µs
6
3,9 µ s
bitrés
idõrés ( IR )
X ; szabadon felhasználható bitek A ; szinkron átjelzésre fenntartva
0. IR keretszinkron 16. IR jelzés + multikeret szinkron
t = 488 ns
1 2 3 4 5 6 7 8
t =
keret
multikeret
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
3
blokk t = 250 µs
8
2
2. csat.
}
7
1
1 1
A X X X X X
X 0 0 1 1 0
X 1
X 0 0 1 1 0
0
0
t = 2 ms
3.2. ábra: A primer PCM 30/32 rendszer keretszervezése
Definiálták még az úgynevezett blokkidőt. Egy blokk az egymást követő kereteknek az a mennyisége, amely az összes keretszinkronizáló jelet tartalmazza. Primer PCM rendszerben ez 2 keretet jelent. A blokkidő eszerint 250 µs-nak adódik.
A jelzés átvitele a következőképpen történik a 16. időrésben. Egy keretben a B1...B4 és a B5...B8 biteken 2 csatornához tartozó jelzés továbbítható. (A jelzésadók is mintavételezve vannak, a jelzés is multiplikált.) Ez azt jelenti, hogy minden információs csatornához elvileg négy jelzőcsatorna rendelhető, de a gyakorlatban, általában kettőt használnak.
Így 15 időrés szükséges valamennyi csatorna jelzésének átviteléhez. Mivel számunkra csak egy időrés áll rendelkezésre, így egy keretben ezt a mennyiségű információt nem tudjuk átvinni. Ezért a jelzésátvitel nem egy keretben történik. Ha viszont több keretben visszük át a szükséges jelzéseket, akkor meg kell tudni azt is mondani, hogy az adott keretben éppen melyik csatornához tartozó információk találhatók. Szükség van tehát a jelzésmultiplexer szinkronizálására is. Ezzel együtt - figyelembe véve, hogy csak a jelzésátvitelhez minimum 15 időrésre van szükség - összesen 16 keretet kell együtt kezelni.
Az így kialakult 16 keretet együtt multikeretnek nevezik, és ideje 2 ms. A multikeret szinkronizálása a 0. keret, 16. időrés, B1...B4 bitjein 0000 multikeret szinkron kódszó adásával valósul meg.
A jelzésszinkronhiba átjelzésére itt is az A jelű (B6) bit szolgál. Az X jelű bitek belföldi forga-lomban szabadon felhasználhatók.
Mivel egy csatornán másodpercenként 8000 db 8 bites kódszó kerül továbbításra, minden csatorna egy 64 kbit/s-os átviteli utat jelent. A teljes rendszer átviteli sebessége 2048 kbit/s.
5.3. Szinkronizáció
3.3. A szinkronizálás
A PCM berendezéseknél alapvető fontosságú az időzítés. Az adás oldalon ez nem jelent külö-nösebb nehézséget, mert egy központi alaposzcillátorral vezérelt számlálólánc segítségével az összes időzítőjel előállítható. Problémát jelent viszont, hogy a vételi oldalon az időzítőjeleknek teljes összhangban kell lenniük az adásoldallal. Önálló alaposzcillátorral és az általa vezérelt számláló láncokkal ez nem érhető el, ezért a beérkező PCM jelfolyamból kell az időzítőjeleket előállítani. Ehhez: a) az adóoldali alapfrekvencia pontos előállítása (bitidőzítés), b) a PCM jelfolyamban a keretek kezdetének a megállapítása (keretidőzítés), és c) a PCM jelfolyamban a multikeretek (multikeretidőzítés) szükséges.
kezdetének
a
megállapítása
3.3.1. A BIT-IDŐZÍTÉS
Az előző pontban tisztázódott a helyi órajel előállítása és az órajel és az unipoláris PCM jel fázismerev egymáshoz rendelése, vagyis az egyes biteknek a jelhez való rögzítése. Ezt bit-időzítésnek nevezik. Ahhoz azonban, hogy a dekódoló helyesen működjön, a PCM jelfolyamban ki kell jelölni az egyes kódszavakat, azaz időréseket, és - hogy a dekódolás után a megfelelő csatornába jusson a jel - az egyes kereteket, majd a helyes jelzéselosztáshoz az egyes multikereteket. Elvileg a bitidőzítésből a helyi 2048 kHz-es alaposzcillátorral számláló láncokat vezérelve, az adási oldalhoz hasonlóan az egyes keretek, multikeretek kijelölhetők. Egyszeri beállítás után a számláló láncok merev kapcsolatot biztosítanak az adás és vétel, valamint a bit-, keret- és multikeret-időzítés között. Azonban bármilyen külső behatás könnyen okoz bit-tévesztést, és ezzel a beállított szinkronizmus felborul. Ezért szükséges a szinkronizálás állandó ellenőrzése és hiba esetén az automatikus utánállítása.
3.3.2. A KERETSZINKRONIZÁLÁS
Hogy a vétel helyén a PCM jelfolyamban az egyes keretek kezdete felismerhető legyen, a keretnek tartalmaznia kell valamilyen szabályosan elhelyezett jelkombinációt, amelynek alapján a keret kezdete felismerhető és a szinkronizáció elvégezhető.
Két módszer terjedt el. Az egyik szerint a kereten belül szétszórtan vannak a szinkronizálást szolgáló impulzusok elhelyezve, a másik szerint pedig a keret egy részén koncentráltan helyezkedik el a szinkronizáló impulzussorozat. Az európai PCM rendszerekben csak a második módszer terjedt el.
N
N
Szinkronvesztés
I
A1 I
N
N
A2
N I
I
N I
A3 I
Folyamatos működés
I
B1
B2
N
N
I
3.4. ábra: Szinkronizáció folyamatábrája
A szinkronizáció szempontjából előnyös, ha nem minden keret tartalmazza a szinkronizáló jelet, ugyanis előfordulhat, hogy valamelyik csatorna periodikusan hasonló jelet ad ki, és így összetéveszthető lenne a szinkronizáló jellel. AZ ITU előírásai szerint csak minden páros számú keret tartalmazza a 0. időrésben a 7 bitből álló 0011011 szinkronizáló jelet. A páratlan számú keretekben pedig a 0. időrés 2. bitje tartozik még a szinkronizálási folyamathoz.
Kiindulva a keretvesztés állapotából, a 3.4. ábra segítségével nézzük meg azt a folyamatot, hogyan szinkronizálnak fel a berendezések.
A keretvesztés állapotában a vevő egység régóta nem találja a szinkronszót, az információ áramlás szünetel, esetleg az összeköttetés is szakadt Újraindítás után a vevőberendezés keres a jelfolyamban egy olyan bitminta sorozatot, mint a szinkronszó. (Egy teljes szinkronszóhoz két keretidő szükséges.) Amennyiben megtalálta átlép az A1 instabil állapotba. Ezután megvizsgálja, hogy 250 s múlva ugyanilyen szinkronszó érkezik-e. Egyezőség esetén az A2 állapotba lép (az I irányt követve). Ha azonban hibás szinkronszót tapasztal, azonnal visszalép a szinkronvesztés állapotába. Az ábrából leolvasható, hogy a 4. egymást követő helyes szinkronszó esetén fog a normál vagy folyamatos működés állapotába kerülni a rendszer. Ez a folyamat is azt célozza, hogy egy véletlen bitminta azonosságra ne szinkronizáljon föl a rendszer.
Most nézzük meg, normál működésnél mi a helyzet. Természetesen továbbra is minden keretben megvizsgálja a rendszer az érkező szinkronszót, és míg nem tapasztal hibát, addig ebben az állapotban működik tovább. Ha azonban érkezik egy hibás szinkronszó, akkor B1 állapotba kerül a rendszer. Ez még nem jelent szinkronvesztést, továbbra is veszi az éppen érkező jelfolyamot. Erre azért van szükség, mivel könnyen előfordulhat egy-egy bithiba, de ennek hatására nem szabad, hogy megszakadjon az összeköttetés. Ezért ha a következő szinkronszó helyes, akkor azonnal a normál működés állapotába kerül vissza a folyamat. Az ábrából leolvasható, hogy egymás után három helytelen szinkronszó idéz elő csak keretszinkronvesztést és ezzel a jelfolyam megszakadását.
3.3.4. MULTIKERET SZINKRONIZÁLÁS
A keretszinkronizálás biztosítja a beszédcsatornák helyes átvitelét, de ahhoz, hogy a csatornákhoz rendelt jelzések átvitele is helyes sorrendben történjen, az szükséges, hogy a vétel helyén a multikereteket is kijelöljük. Erre szolgál a multikeretszinkronizálás.
A megvalósítást szintén a 3.5. ábrán tünteti fel. A szinkronizálást a 0. keret IR16 időrésében a B1...4 bitekben 0000 megjelenése végzi. Helyes működés esetén a multikeret szinkronjel megjelenésekor a vételi keretszámláló 0000 helyzetben van. A működés elve az ábrából követhető:
5.4. Jelzésátvitel
3.5. Az E/M jelzésátvitel
A jelzésátvitel minden távközlő berendezés fontos része. Jelentősége és bonyolultsága egyre fokozódik, mivel a berendezéseknek különböző típusú telefonközpontokkal kell együttműködniük, és alkalmasaknak kell lenniük a központok közötti automatikus távhívások és választások lebonyolítására.
A tankönyv a továbbiakban csak azokkal a legegyszerűbb jelzésátviteli módokkal foglalkozik, amikor a jelzés szorosan hozzá van rendelve a beszédcsatornához.
Két lehetőség van: a) A jelzés a csatorna hangfrekvenciás sávjában történik, azaz sávon belüli jelzés. Ebben az esetben az összeköttetés idejében nem lehetséges jelzésátvitel. b) A jelzés a beszédcsatornához rendelt, de tőle független jelzőcsatornában történik. Ekkor összeköttetés közben is lehetséges jelzésátvitel.
A PCM berendezések csatornái minden további nélkül alkalmasak sávon belüli hangfrekvenciás jelzésátvitelre. Mivel a hírközlő berendezéseknek adatátvitelre is alkalmasnak kell lenniük, ezt a jelzésmódot a vonatkozó előírások nem támogatják.
A sávon kívüli jelzésátvitel elvét a 3.7. ábra mutatja. A beszédcsatornához adásoldalon az M jelzésadó, vételoldalon az E jelzésvevő pont tartozik. M-re földet, illetve szakadást téve az E ponton is föld, illetve szakadás jelenik meg. Az M-E átviteli út tulajdonképpen galvanikus összeköttetésnek tekinthető. Alkalmas egyenáramú jelzések, tárcsaimpulzusok átvitelére. PCM rendszereknél lehetőség van minden beszédcsatornához 4 független jelzőcsatornát rendelni. Az E/M jelzésátvitel az átviteltechnikai berendezések szerves tartozéka, azokba be van építve.
Beszéd csatorna M Jelzés adás
A
B
állomás
állomás
Beszéd csatorna E Jelzés vétel
3.7. ábra: Sávon kívüli jelzésátvitel
5.5. Speciális PCM keretek 5.6. Összefoglalás 5.7. Ellenőrző kérdések
6. fejezet Primer PCM berendezés kialakítása 6.1.Bevezető 6.2. A primer PCM berendezés blokkvázlata
3.2. Primer PCM berendezések
Az előző fejezetek a primer PCM berendezések megvalósításának elvi alapjait igyekeztek tisztázni. Jelen fejezet részletesen foglalkozik a primer PCM 30/32 berendezések felépítésével, működésével. Nem tér ki ez a fejezet az átviteli úttal kapcsolatos eszközök, ismeretek tárgyalására, mivel az későbbi tanulmányok tárgyát képezi.
A primer PCM berendezés részletes blokkvázlata a 3.3. ábrán látható. Az ábra látszólag bonyolult, de jól mutatja a multiplexer legfontosabb egységeit, azok egymáshoz való kapcsolatát
3.2.1. AZ ADÁSIRÁNYÚ JELÁTVITEL
A hangfrekvenciás adás vagy 2/4 huzalos adási pontokon, vagy közvetlenül négyhuzalos vonalon kerül a berendezés bemenetére. Itt változtatható csillapítótaggal beállítható az állandó adási szint. Ezután a mintavételezést szükségszerűen megelőző 0,3 - 3,4 kHz-es aluláteresztő szűrő következik, majd egy erősítő. Az erősítő kimenetén a mintavételező áramkör előállítja a PAM-jeleket, és ezzel véget ér az adási átviteli út analóg része. A PAM jel a tartóáramkörre, majd a kódolóra jut, ahol bitinverzióra is sor kerül. Ezt a folyamatot részletesebben érdemes vizsgálni.
K’p
K’p
Kp
Kp
0
0’
KERET’ számláló
15’
~ ~
KERET számláló
15
0
8
0’
VÉTELI IDÕZÍTÕ
IR’ számláló
31’
31
3
2
1
16
0
8’
BIT inv.
BIT számláló
SÚLYOZÓ ák.
BIT inv.
BIT’ számláló
KODEK ELLENÕRZÕ EGYSÉG
ADÁSI IDÕZÍTÕ
IR számláló
31
0
16
1
DEKÓDOLÓ
~ ~
2
3
KÓDOLÓ
1’
1
& IR0
2048 kHz
TÁROLÓ I.
TÁROLÓ II.
JELZÉS MULTIPLEXER
64 kBit/s adatcsatorna
1
& X B1, 4-8 & B2 X B3 - - & A
&
&
E6
E5
Kp
Kp
IRN
M1…M30
SÚLYOZÓ ák.
IR16
&
&
E4
ÓRAJEL KINYERÉS
1 0 1 1 0 0 1 0
SZINKRONIZÁLÓ EGYSÉG
E2 &
E1 IR0 E 3 1 &
IR0 IR16
ÜZEMÁLLAPOT FIGYELÕ EGYSÉG
KSZ B1 - - -
1
B2 - 8 &
E1…E30
31 1
VONALI KÓDOLÓ VONALI DEKÓDOLÓ
3.3. ábra: Primer PCM berendezés blokkvázlata
A 30 csatornának közös kódoló áramköre van, így tulajdonképpen a mintavételező kapcsoló végzi a csatornák multiplikálását, azaz a csatorna bemenetek és a keretben lévő időrések merev összerendelését. Ezt a következő módon zajlik.
A kapcsoló az IR számláló vezérlésének megfelelően egy-egy időrés elején, a mintavétel idejére - a gyakorlatban 20 ns körüli időtartam - összeköti a megfelelő bemenetet a tartó áramkörrel, majd lezárja a bemenetet. A kódolás ideje alatt a tartó áramkör feladata a PAM minta értékének tartása. (Ez rendszerint a kódoló bemenetén található.) Az időrés fennmaradó részében a kódoló előállítja a 8 bites kódszót, és az időrés vége felé a vezérlő áramkör kisüti a tartókondenzátort.
Az IR számláló a mintavétel kezdetével egyúttal a soron következő időrés kezdetét is kijelöli. Így az adott csatornához tartozó kódszó - melyet a bitszámláló bitenként léptet - közvetlenül a keretben számára kijelölt időrésbe kerül.
Itt jegyzendő meg, hogy léteznek olyan rendszerek is, ahol minden csatornának külön kódoló-dekódoló egysége van. Ebben az esetben később kell gondoskodni a kódszavak keretbe rendezéséről. Ezeknél lehetőség van rugalmas keretszervezésre, azaz csatorna és időrés egy összeköttetés idejére való összerendelésére (pl. digitális vonalkoncentrátorok).
A kódolók kimenetén bitinverzióra is sor kerül. A kilépő bitfolyam minden páros bitje invertálásra kerül. Ennek legfőbb célja, hogy a jelfolyam a csatornák jelmentes állapotában is tartalmazzon jelváltásokat. Megfelelő számú jelváltás a vételoldali órajelet helyreállító áramkörök vezérléséhez szükséges.
A kódoló kimenetén digitális formában megjelenik a 30 beszédcsatorna jele. A fennmaradó két csatornában a 0. és 16. időrésben a jelzésadás, szinkronizálás, ellenőrzés stb. történik. IR16-ban a mintavételező kapcsoló leföldeli a bemenetet, ezalatt történik a kódolóban az automatikus drift kompenzáció, IR0-ban pedig a kódoló-dekódoló ellenőrzése folyik.
A kodek ellenőrzése olyankor történik, amikor az adott és a vett keretek nulladik időrése időben egymáshoz közel helyezkedik el. Az egységben található kódgenerátor az „A” karakterisztika szegmenseinek megfelelő kódszavakat állít elő. (Egy ellenőrzési ciklusban szegmensenként két kódszó képződik.) Az előállított
kódszót tárolja egy regiszterben, egyúttal a dekódolóra kapcsolja. A dekódoló által előállított feszültséget, a vételi csatornakapu 0. kimenetéről visszahurkolja a mintavételi csatornakapu 0. bemenetére. Mintavétel majd kódolás után a kódoló kimenetén megjelenő kódszót visszavezeti a KODEK ellenőrző egységbe, ahol összehasonlítja az ott előzőleg letárolt kódszóval. Megengedettnél nagyobb eltérés esetén az adott karakterisztika szegmensben maradva további két-három ellenőrzést végez. Amennyiben a hiba fennmarad súlyos fenntartási és szolgáltatási riasztást ad.
Azt, hogy a leírt folyamatok helyes időbeli sorrendben bonyolódjanak le, a központi adási időzítő egység biztosítja. Ez az egység a legkisebb időegységre, amiben egyáltalán valami változás előfordulhat, a bitidőre lebontva irányítja az adási jelfolyam szervezését. Lényegében az időzítő egység az összes szükséges időintervallumot előállítja. Ez az alaposzcillátorral vezérelt számlálóláncok segítségével történik. Az alaposzcillátor frekvenciája 2048 kHz.
Az adó órajel ellátása történhet még külső 2 MHz-es forrásból. (Ez lehet akár a vevő által a vett jelből kinyert órajel is.) Adatcsatorna egyezőirányú interfészen keresztül történő csatlakoztatása esetén a 2 MHz-es órajel az adatberendezés 64 kbit/s-os órajeléből kerül előállításra.
A számlálóláncok a szokásos felépítésűek, részletesebben nem kerülnek ismertetésre. A bit-, az időrés- és a keretszámlálás 3 láncba kapcsolt számlálóval elvégezhető.
Az alaposzcillátor 2048 kHz-es és 488 ns periódusidejű jelét vezérlő- vagy órajelnek is nevezik. Az időrésszámláló vezérli a mintavételező kapcsolót, a bitszámláló pedig az időrésen belül 8 lépésben a kódolást-kvantálást és jeltovábbítást. (Például a 3.3. ábrában a nemlineáris súlyhálózatot kapcsolja.) A keretszámlálóra csak a jelzésátvitelnél van szükség, a K p és a K p páros-páratlan keretszámlálóra pedig a szinkronizálásnál.
3.2.2. A KERETÖSSZEÁLLÍTÁS
A kódoló kimenetén együtt van a 30 beszédcsatorna bináris jelfolyama. Ezt követően a keretösszeállító egységben történik az üres IR0 és IR16 időrésben a szinkronizáló jel, a jelzés és a többi digitális jel betáplálása. A keretösszeállító egység felépítése szintén a 3.3. ábrán látható. Az ÉS és a VAGY kapukat a központi időzítő generátorral vezérelve, tetszés szerinti módon lehet különböző bináris jelfolyamokat időben egymás mellé helyezni vagy egymás közé beiktatni.
Az ábra szerint a PCM-jel négy fő forrásból tevődik össze az E1-E4 kapukon át. A négy fő jelforrás a következő:
Az E1 kapu az IR0 és IR16 alatt zár, a többi időrés alatt a 30 beszédcsatorna átvitele folyik. Az E2 kapu feltételes. Ha valamelyik N-ik időrésben (csatornában) közvetlenül kell 64 kbit/s-os jelet átvinni (pl. adatátvitelt, jelzőcsatornákat), akkor azt az E2 egyik bemenetére tápláljuk. IRN nyitja E2-t, és IRN ugyanakkor zárja E1-et. Természetesen hasonló módon lehetőség van több csatornában is 64 kbit-es átvitelre, illetve betáplálására.
Az E3 kapun át történik az IR0 időrés szervezése. Ezen belül az E5 és E6 kapuk a páros és páratlan kereteket jelölik ki, majd további kapukkal történik a bitrésenkénti szervezés. A páros keretekben a B2-B8 bitrésekben kerül sor a 0011011 keretszinkronkód adásra. A páratlan keretekben pedig a B2 bitrésben a szinkronizálásra szolgáló megerősítő bitet (1) továbbítjuk. A B3 bitrésben pedig A=0, ha a vételi szinkron és a helyi kódoló-dekódoló hurok rendben van, ellenkező esetben A=1.
Az E4 kapu nyitásakor az IR16 időrésben a K0 keretidőben a B1-4 bitrésben a 0000 multi-keretszinkron kód adása folyik, a többi K1-15 keretidőben pedig két-két csatorna jelzésadása történik az "M" vezetékeken át. A jelzésadó felépítése később részletesen tárgyalásra kerül.
Az E1-4 kapuk kimenetét a VAGY kapu összegezi. Ennek kimenetén előáll a teljes PCM 30/32 bináris jelfolyam. A berendezésnek ezt a pontját bináris csatlakozási pontnak vagy bináris interface-nek nevezzük.
A digitális átvitelben gyakran van szükség előre meghatározott kódszavak (pl. szinkronizáló jelek) átvitelére. Ezeket a jeleket kódgenerátorokkal állíthatjuk elő. A kódgenerátorok rendszerint vezérelt kapukkal vagy shift regiszterekkel kerülnek megvalósításra. Például a 3.3. ábrában a páros keretek IR0 időrésében a B2-8 bitrésekben a 0011011 keretszinkronkódot kell adni.
3.2.3. A VÉTELI IRÁNY
A vételirány felépítése bonyolultabb, mint az adási irány, mert az időzítést az ellenállomásról érkező jelfolyamból kell előállítani. Az egyszerűség kedvéért feltételezhető, hogy a vételi számlálók pontosan előállítják a szükséges bit-, időrésés keretidőzítéseket, így ezek a jelek az adással teljes szinkronban vannak. Bár a vételi időzítés a beérkező jelfolyamból van előállítva, fázisban és időkésésben eltér az adási időzítéstől. Ezért a vételnél B´, IR´, KP´, K P' -vel jelölik a megfelelő bit-, időés keretréseket.
A bejövő bináris jelfolyam egy 8 bites léptető (shift) regiszterre kerül.
Amikor éppen egy időrésnek megfelelő 8 bites kódszó van a regiszterben, egy impulzus hatására a regiszter tartalma beírásra kerül az I. és II. tárolókba, amelyek soros-paralel átalakítást végeznek.
Az I. tároló kimenete beállítja a dekódoló súlyhálózatát, és az erősítő kimenetén megjelenik a vételi PAM jel. A dekódoló bemenetén minden második bitnél invertálás történik az adási bitinverzió helyreállítására. Ezután az időrésszámláló kijelöli a megfelelő csatornát, és az ismert módon a vevőszűrő kimenetén kialakul a folytonos jel, amely erősítés és szintbeállítás után a megfelelő szinttel megjelenik a vételi pontokon.
Az I. tárolóval egyidőben a II. tárolóban is beírásra kerül a kódszó, és egy időrés idejéig tárolva marad. Ennek a tárolónak a kimenetéről szétosztva bitenként vehetők le IR16-ban az egyes csatornák jelzései. Ezzel részletesebben a jelzésátvitelt tárgyaló fejezet foglalkozik.
Az I. és II. tárolók tulajdonképpen a keretszétosztást végzik. Szükség van még arra, hogy az adásnál betáplált 64 kbit/s-es adatcsatorna külön hozzáférhető legyen. Ennek levétele legcélszerűbben a léptetőregiszter utolsó fokozatán lehetséges, ahol a teljes PCM bitfolyam megjelenik egy odakapcsolt, az IRN-nel vezérelt ÉS kapuval. Így az N-ik csatorna (vagy több csatorna is) leválasztható. A 64 kbit-es adatcsatornacsatlakoztatás fontos kiegészítése a PCM berendezésnek, ezért ezzel külön fejezet foglalkozik.
3.6. A Primer PCM berendezés
Korábban ismertetésre kerültek a PCM rendszerek alapelvei, a mintavételezés, a kvantálás és kódolás, valamint ezek megvalósítása. Ezek után sor kerülhetett a primer PCM berendezés felépítésének tárgyalására. Részletesen ismertetésre került a multiplexer blokkvázlat szerinti működése, egységeinek összekapcsolódása, majd az egyes modulok feladata, működése.
A 3.10. ábra egy, az ott megismert elvek alapján felépített berendezés - TERTA BD30/32 -egyszerűsített vázlatát mutatja.
30
64 kbit/s-os idõréshozzáférési egység
Vételi csatornaegység vezérlõ
1
10 2 huzalos csatornaegység
Kodek ellenõrzõ egység
....
1 4 huzalos csatornaegység
Adási csatornakapu egység
.... E/M
Dekódoló
Jelzés multiplexer
Kódoló
Vételi jelelosztó
Vételi idõzítõ és szinkronegység
Adási idõzítõ és keretösszeállító
2048 kbit/s-os illesztõ Tápegység
Üzemállapotfigyelõ egység VONAL
3.10. ábra: A BD-30/32 primer PCM berendezés blokkvázlata
A multiplexer a korai generációs berendezések közé tartozik. Minden itt látható egysége egy vagy több áramköri kártyát jelent, így felépítésében a PCM elvek megvalósulása nyomon követhető.
A tulajdonképpeni PCM multiplexer, valamint a jelzésmultiplexer működése megfelel a már ismert működési elveknek. Jelen berendezésben a jelzésmultiplexer egyébként külön betétet képez. A blokkvázlat tartalmaz néhány olyan áramköri egységet, amelyekkel eddig még nem foglalkoztunk. Ezek egy része - tápegység, üzemállapot-figyelő - a berendezés többi egységének üzemben tartását hivatott biztosítani. Működésükkel itt nem foglalkozunk bővebben.
A többi, még egyelőre nem ismert blokk azt segíti elő, hogy a multiplexer feladatát elláthassa, azaz segítségével összeköttetést lehessen létesíteni. Ezek tehát illesztő-, más szóval interfész egységek.
Az interfészek egyik oldala az adott berendezéshez csatlakozik. Itt olyan paraméterekkel kell hogy rendelkezzen, amelyek megfelelnek a berendezés paramétereinek, azaz berendezés specifikusak. A másik oldal külső átviteli rendszerekhez kapcsolódik. Az egységes távközlőhálózatok kialakításának igénye megköveteli, hogy az interfész ezen oldala nemzetközileg elfogadott illesztési paramétereknek feleljen meg. Az ITU paraméter rendszerei valamennyi interfész pontra tartalmaznak előírásokat.
A továbbiakban a primer PCM berendezés illesztőegységeivel ismerkedünk meg. Ezek a következők:
- 2, illetve 4 huzalos hangfrekvenciás csatornaegység (csatornaillesztő) - 64 kbit/s-os interfész egység (adatcsatorna-illesztő) - 2048 kbit/s-os interfész egység (vonalillesztő)
6.3. Az adásirány működése 6.4. A vételirány működése
Interfész paraméterek
Névleges impulzus
120 % 110 % 100 % 90 % 80 % 194 ns (244-50)
50 %
219 ns (244-25) 10 % 0% -10 % -20 % 244 ns 269 ns 488 ns (244+244)
3.14. ábra: A 2048 kbit/s-os impulzusmaszk
Paraméterek Bitsebesség
Paraméter értékek 2,048 Mbit/s ± 50 ppm
Vonali kód Vonali impedancia
HDB-3 75
aszimmetrikus
vagy 120 Kimenő impulzusamplitúdó
szimmetrikus
2,37 V0P ± 10% (75 ohmon) 3,0 V0P ± 10% (120 ohmon)
Vonalcsillapítás
0-6 dB 1024 kHz-en
Kimenő impulzus hullámforma
ITU G.703 ajánlása szerint
3.2 táblázat: A 2,048 Mbit/s-os interfész paraméterei
Adásirányban az unipoláris adatjel a 64 kbit/s sebességnek megfelelően átkódolásra kerül, ezt az unipoláris-bipoláris átkódolás, majd egy transzformátor követi. A PCM illesztőegységben a bipoláris-unipoláris átalakító után kerül a jel a már megismert módon a regiszterbe, utána pedig az E2 jelű kapun át a PCM jelfolyamba. Vételirányban fordított folyamat játszódik le. Az átviteli úton az adatjel NRZ típusú és AMI kódolású. A jel alakját a 3.16. ábrán láthatjuk.
Az összeköttetés létesítéséhez négy érpár szükséges, viszont az elkülönített időzítések miatt a berendezések felépítése egyszerű. Elvét a 3.15.ábra, paramétereit a 3.3. táblázat tartalmazza.
Paraméterek Adatsebesség Impedancia
Paraméter értékek 64 kbit/s 120
Adatkód Órajel Impulzusmaszk
AMI 64 kHz + 8kHz 3.18. ábra
3.3. táblázat: Az interfész paraméterei
V
V Névleges impultus
1,2 1,1
1,2 1,1 Névleges impulzus
1,0 0,9 0,8
1,0 0,9 0,8
12,4 µs
6,2 µs 0,5
0,5
14,0 µs
7,0 µs
0,1 0 -0,1 -0,2
0,1 0 -0,1 -0,2 7,8 µs
15,6 µs
8,6 µs
17,2 µs
9,4 µs
18,8 µs
15,6 µs
31,2 µs
ÓRAJEL
ADAT JEL
3.17. ábra: Az ellenirányú interfész impulzusmaszkjai
Az eddigiekben megismertük a primer PCM multiplexer működését, valamint az összeköttetés létesítését elősegítő kiegészítő egységeit. A következőkben sor kerülhet a PCM hierarchia megismerésére. Mielőtt azonban erre sor kerülne, célszerű megismerkedni a már említett vonali kódolással, mivel ez is egyik feltétele a berendezések összekapcsolásának.
6.5. Összefoglalás
6.6. Ellenőrző kérdések Ellenőrző kérdések
1.
Miért van szükség keretszervezésre, és mi a keret fogalma?
2.
Ismertesse a primer PCM rendszer keretszervezését
3.
Miért szükséges és hogyan történik a keret szinkronizálása?
4.
Hogyan oldható meg a jelzésátvitel?
5.
Ismertesse a primer PCM berendezés működését blokkvázlat alapján!
6.
Ismertesse a keretösszeállítás és keretszétosztás megoldását!
7.
Mit ért egy primer PCM szinkronizálásán?
8.
Ismertesse a keretszinkronizálás sémáját!
9.
Ismertesse a multikeret szinkronizálás sémáját!
10.
Ismertesse a 64 kbit/s-os adatcsatorna csatlakoztatás elveit!
11.
Ismertesse a primer PCM berendezés E/M jelzésrendszer kialakítását!
7. fejezet PDH hierarchia rendszer 7.1. Bevezető 7.2. PDH hierarchia rendszer
4.2. Magasabb rendű pcm rendszerek
Ismeretes, hogy a hírhálózat a kiépített hírirányokban igen sok csatornát tartalmaz, és a tapasztalat azt mutatja, hogy a szükséges csatornák száma folyamatosan növekszik. Nagy számú, nyomvonalanként több száz, ezer vagy tízezer csatornát tartalmazó hírhálózat megvalósítása kis csatornaszámú berendezésekkel gazdaságtalan, és a nagy számú vezeték miatt technikailag megvalósíthatatlan. Az a törekvés, hogy egyetlen átvivő közegen, vezetéken, optikai szálon minél több csatorna legyen átvihető, vezetett a nagyobb csatornaszámú berendezések kifejlesztéséhez. Az ITU ezeket a PCM rendszereket is szabványosította.
4.2.1. A PCM HIERARCHIA
Az időosztásos rendszereknél (TDM), amelyekhez a PCM rendszerek is tartoznak, a csatornák száma az egységnyi időközre eső impulzusok számának a növelésével növelhető. De nem célszerű a csatornák számát közvetlenül növelni, hanem célszerűbb a csoportképzés elvét alkalmazni.
Nehézséget jelent, hogy a PCM berendezések kifejlesztése több országban külön utakon indult el, és így ma többféle, egymástól eltérő rendszer, illetve csoportképzés létezik. A két fő irányzatot az európai és az amerikai rendszerek képezik. Ezektől kisebb-nagyobb mértékben eltérnek egyes Japánban, Angliában, Franciaországban kifejlesztett rendszerek.
A 4.4. táblázat tünteti fel az európai rendszereket, a 4.6. ábra pedig az európai rendszerben a csoportképzés elvét, az ún. PCM hierarchiát. Ezek szerint beszélünk első, másod, ... ötöd, illetve primer, szekunder stb. PCM rendszerekről, illetve berendezésekről. (Magyarországon ötödrendű rendszer nem létezik, ezekkel nem is foglalkozunk.) Az európai rendszernél mindig négy alacsonyabb rendű csoport összefogása képez egy magasabb rendű csoportot, illetve rendszert.
A táblázatban megadtuk az egyes rendszerekhez tartozó csatornaszámokat, a vonali átviteli sebességet és az átlagosan egy csatornára eső sebességet. A legkisebb csatornaszámú primer csoport az európai rendszerben 30 csatornát tartalmaz. A nagyobb csatornaszámú rendszerek úgyszólván kivétel nélkül a primer csoportokból épülnek fel, az ábrán jelzett módon.
Mbit/s Kód
2,048 HDB-3 1 2 3 4
1 64 kbit/s 30
PCM 30/32
8,448 HDB-3
2/8
1 2 3 4
139,264 CMI
34,368 HDB-3
8/34
1 2 3 4
34/140
4.6. ábra: A PCM hierarchia
Berendezés
Primer
Szekunder
Tercier
Quarter
Csatornaszám
30
120
480
1920
Jelsebesség Mbit/s
2,048
8,448
34,368
139,264
4.3. táblázat: Európai PCM rendszerek
A PCM-rendszereknél az egyes csoportok, hierarchiaszintek meghatározzák a PCMberendezéseket is. Az európai PCM-rendszerek bitsebességei:
PCM 30/32 vagy
2,048 Mbit/s-os berendezés
PCM 120
vagy
8,448 Mbit/s-os berendezés
PCM 480
vagy
34,368 Mbit/s-os berendezés
PCM 1920 vagy 139,264 Mbit/s-os berendezés
A PCM 30/32 berendezést már részletesen tárgyaltuk. A következőkben rátérünk a magasabb rendű PCM berendezések tárgyalására, de előbb összefoglaljuk, milyen módon valósíthatók meg a nagyobb csatornaszámú PCM berendezések.
Ezek a következők:
1. Az egyesítésre kerülő csoportok szinkronban vannak vagyis órajeleik teljesen azonos frekvenciájúak, legfeljebb fáziseltérés lehet köztük. Az ilyen rendszerekkel majd a szinkron rendszerek (SDH) ismertetésénél foglalkozunk bővebben. 2. Aszinkron csoportok egyesítése. Az egyes csoportok órajelei névlegesen azonos frekvenciájúak, de a valóságban a tűrési határon belüli eltérés lehet közöttük.
7.3. A hierarchia rendszer sajátosságai 7.4. A hierarchia szintek interfész paraméterei
Mivel a jelfolyam HDB-3, van pozitív és negatív komponense is. A negatív tartományra természetesen ennek tükörképét kell alkalmazni.
V
2,844 V 2,607 V 2,37 V 2,133 V 1,896 V
35 ns 1,185 V
( 59-24)
0,237 V
( 59-10)
49 ns
0V -0,237 V -0,474 V
59 ns
69 ns ( 59+10) 100 ns ( 59-41) 118 ns ( 59-59)
4.12. ábra A 8,448 Mbit/s-os impulzusmaszk
A szekunder PCM-keret paramétereit foglaltuk össze az alábbi táblázatban.
Paraméterek bitsebesség
Paraméter értékek 8,448 Mbit/s ±30 ppm
vonali kód vonali impedancia kimenő impulzusamplitúdó
HDB-3 75
aszimmetrikus 2,37 V0P ±10%
vonalcsillapítás kimenő impulzus hullámforma
0-6 dB 4224 kHz-en ITU G.703 ajánlása szerint (4.12. ábra)
Multiplexelés multiplexelési mód kiigazítás-előjelző bitek
ciklikus bitenkénti, pozitív kiigazítással 3 bit alrendszerenként
nominális kiigazítási arány
0,424
4.4. táblázat: A 8,448 Mbit/s-os interfész paraméterei
4.2.5. A TERCIER ÉS QUARTER PCM RENDSZEREK JELLEMZŐI
Említettük, hogy a magasabb rendű PCM-rendszerek berendezései azonos elvi felépítést követnek, mivel azonos módszert használnak, és az általuk összefogott alrendszerek száma is azonos.
A továbbiakban a már ismertetett eljárás megismétlésétől eltekintünk, csak a különbségeket ismertetjük, nevezetesen a keretszervezést és a paramétereket.
Paraméterek bitsebesség
Paraméter értékek 34,368 Mbit/s ±20 ppm
vonali kód vonali impedancia kimenő impulzusamplitúdó vonalcsillapítás kimenő impulzus hullámforma
HDB-3 75
aszimmetrikus 1 V0P ±10%
0-12 dB 17,184 MHz-n ITU G.703 ajánlása szerint (2.19. ábra)
Multiplexelés multiplexelési mód
ciklikus bitenkénti, pozitív kiigazítással
kiigazítás-előjelző bitek
3 bit alrendszerenként
nominális kiigazítási arány
0,436
4.5. táblázat: A 34,368 Mbit/s-os interfész paraméterei
A tercier PCM keretszervezés felépítése megegyezik a szekunder PCM-keret felépítésével, csak a keret hosszúsága különböző. Egy keret 4x384 bitből áll, és a hossza 44,7 µs (4.14. ábra). A 34,368 Mbit/s-os interfész paraméterei.
4 x 384 bit = 1536 bit
1. alkeret
2. alkeret
44.7 us
3. alkeret
4. alkeret
1. alkeret
372 bit jel
10 bit szinkronszó 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 D N 2. - 3. alkeret
4 bit st.inf
4 bit 4 bit st.inf stuff
380 bit jel 4. alkeret
376 bit jel
4.13. ábra: A 34,368 Mbit/s-os keret felépítése.
V
1,2 1,1 1,0 0,9 0,8
8,65 ns 0,5
(14,55-5,90 )
12,1 ns (14,55-245 ) 0,1 0 -0,1 -0,2
14,55 ns 17 ns (14,55+2,45) 24,5 ns (14,55+9,95 ) 29,1 ns (14,55+14,55 )
4.14. ábra: A 34,368 Mbit/s-os impulzus maszkja
A 140 Mbit/s-os keret 2928 bitből áll és hossza 21 µs. A keretet hat alkeretre osztották fel. (4.15. ábra). 6 x 488 bit = 2928 bit
1. alkeret 2. alkeret
21 us
3. alkeret 4. alkeret
5. alkeret
1. alkeret
472 bit jel
12 bit szinkronszó 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 D N Y1 Y2 2. - 5. alkeret
4 bit st.inf
4 bit 4 bit st.inf stuff
484 bit jel 6. alkeret
480 bit jel
6. alkeret
4.15. ábra: A 139,264 Mbit/s-os keret felépítése
Az 1. alkeret egy 12 bites szinkronszóval kezdődik, majd követi egy D, egy N és két Y bit (Y1, Y2). A fennmaradó 472 bit a jel átvitelére szolgál. A többi alkeret egy négybites stuffing információval indul. Itt is az utolsó keret második négy bitjében történik meg a sebesség kiegyenlítése.
Paraméterek bitsebesség
Paraméter értékek 139,264 Mbit/s ±15 ppm
vonali kód
CMI
vonali impedancia kimenő impulzusamplitúdó vonalcsillapítás kimenő impulzus hullámforma
75
aszimmetrikus 1 V0P ±10%
0-12 dB 70 MHz-en ITU G.703 ajánlása szerint(2.21. ábra)
Multiplexelés multiplexelési mód kiigazítás előjelző bitek nominális kiigazítási arány
ciklikus bitenkénti, pozitív kiigazítással 5 bit alrendszerenként 0,419
4.6. táblázat: A 139,264 Mbit/s-os interfész paramétereit
BINÁRIS 0
BINÁRIS 1
T = 7,18 ns
T = 7,18 ns
A2 szint ± 0,1 APP/2
A2 szint ± 0,1 APP/2 lefutási idô < 2 ns (90% → 10%)
± 0,35 ns vagy ±5%
± 0,1 ns vagy ±1,4% névleges impulzus
felfutási idô < 2 ns (10% → 90%)
±0,1 ns
±0,5 ns
névleges impulzus
A1 szint ± 0,1 APP/2
A1 szint ± 0,1 APP/2
Pozitív jelátmenet
Negatív jelátmenet
Pozitív jelátmenet
Negatív jelátmenetek
4.16. ábra: A 139,264 Mbit/s-os impulzusmaszk
7.4.1. 2 Mbit/s interfész paraméterei 7.4.2. 8 és 34 Mbit/s interfész paraméterei 7.4.3. 140 Mbit/s interfész paraméterei 7.5. Összefoglalás 7.6. Ellenőrző kérdések
8. fejezet Magasabbrendű PCM keret megvalósítása 8.1. Bevezető 8.2. 8 Mbit/s keret felépítése 8.3. Kiigazítás 4.2.2. AZ ASZINKRON EGYESÍTÉS
Az említett PCM-rendszerek működésük során az adásirányú jeleiket a saját órajelükkel képzik, míg vételi irányban a vett jelből nyerik ki azt az órajelet, mellyel visszafejtik az érkezett üzenetet. Az adásirány sebessége tehát attól függ, hogy az
adott berendezésnek milyen pontos az órajele. Az ITU-T szabvány megenged minden jelre egy bizonyos mértékű tűrést, például a primer PCM jele: 2048 kbit/s ±50 ppm. Ez azt jelenti, hogy a jel ±50 milliomoddal térhet el a névlegestől.
Az aszinkron egyesítés esetén a feladat az, hogy a több felől érkező alacsonyabb rendű PCM-jeleket magasabb rendű jellé egyesítsük, mint például 4 primer jelet egy szekunder jellé. Az egyes PCM-jelek sebessége a tűrésen belül kismértékben eltér. Az ilyen jeleket pleziokron (közel azonos idejű) jelnek nevezzük.
A 4.6. ábrából látható, hogy a magasabb rendű PCM-jelek létrehozása mindig négy alacsonyabb rendű jelfolyam egyesítésével történik. Ebből következik, hogy a magasabb rendű multiplexerek felépítése megegyezik, csak paramétereikben különböznek egymástól. Ezért azt a módszert választottuk, hogy a szekunder PCMrendszer részletes ismertetése útján mutatjuk be az aszinkron egyesítés módszerét.
A szekunder PCM-rendszer sebessége 8,448 Mbit/s, jelsebessége független attól, hogy közvetlen kódolással, primer PCM-rendszerek szinkron vagy aszinkron egyesítésével hozzuk létre. Erre a magasabb szintű PCM-rendszerek létrehozása miatt feltétlenül szükség van.
A 8,448 Mbit/s-os szekunder PCM-rendszer négy primer rendszert egyesít. Egy primer rendszerre 2,112 Mbit/s jelsebesség jut. A primer PCM sebessége 2,048 Mbit/s ±50ppm, tehát a maximális tűrés esetén sem éri el a bejövő jel sebessége a továbbítási sebességet. A két jel sebességének különbsége 64 kbit/s. A sebességnövelést bitbeékelésnek nevezzük (idegen szóval: stuffing). Az ITU ajánlásban a kiigazítást adjustmentnek nevezik. A kiigazító módszeren belül három megvalósítási módot különböztetünk meg:
- pozitív kiigazítás (p) - pozitív-nulla-negatív kiigazítás (p-0-n) - pozitív-negatív kiigazítás (p-n)
A három módszer közül a pozitív kiigazítás a legelterjedtebb, ezért ezt ismertetjük. A másik két módszer használatát az ITU megengedi, de a gyakorlatban ritkán használják.
A stuffing lényegét egy nagyon egyszerű példával próbáljuk megvilágítani. Legyen a feladat az F1 frekvenciájú adatjel beolvasása egy nagyobb F2 frekvenciájú jelfolyamba az F2´ órajel segítségével. F2 és F2´ frekvenciája azonos, csak fázisuk különbözik. A technikai megvalósítást megoldottnak tekintjük.
1
2
1
3
2
1
4
3
2
3
5
6
4
7
5
4
5
8
6
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18
7
6
8
7
8
9
10
9 10
11
12
13
11 12 13
Órajel
F2´
Adatjel
F1
Kimenô jel F2 t
T0
−π 0
ϕ0
+π
4.8. ábra: A stuffing elve
Indítsuk a rendszert az első adatjel megjelenésével egyidőben, a T0 időpontban. Történjen az adatjel átírása mindig az órajel lefutó élével egyidőben (nyíllal jelölve). Az adatjel kezdete után bizonyos idővel álljon elő az 1. órajelimpulzus. Az 1. órajel lefutó élénél a kimeneti jelben megjelenik az 1. adatjel („1”). A 2. órajellel átíródik a 2. adatjel („0”), a 3.-kal a 3. adatjel („1”). A 4. óraimpulzus lefutó éle, mint látható, az adatjel 4. periódusán belül van, azaz a 4. adatjel még nem érkezett meg. Az átírást le kell tiltani (nincs nyilazva a lefutóél), és a jelfolyamba egy töltelék - stuffing - bitet kell elhelyezni. Ez az eset hasonló ahhoz, mint amikor a rugalmas tároló kiürült. (Ott azonban ezt az esetet elkerülendő, még az utolsó bit kiolvasása előtt beíródik a jelfolyamba egy stuffing bit.)
8.4. 34 Mbit/s keret felépítése
4.2.4. A SZEKUNDER PCM KERETSZERVEZÉS
Miután megvizsgáltuk, hogy hogyan lehet beiktatni a kiigazítást, vizsgáljuk meg, hogy hová kell beiktatni a kiigazító biteket. A beiktatásra egyértelmű választ ad a keretszervezés. Az aszinkron PCM-rendszer keretszervezésére vonatkozó előírásokat az ITU G.742-es ajánlása tartalmazza. A keretszervezés a 4.11. ábrán látható.
A 8,448 Mbit/s-os szekunder PCM időrésének ideje 118,37 ns. Egy keret 848 időrésből áll. A keretidő 100,38 µs. Egy keret négy egyenlő, 212 bites alkeretre osztható. Az első alkeretben van a 10 bit hosszúságú keretszinkronjel. Ezt követi két szolgálati bit, a riasztásátjelzés (D) és a szolgáltatás-átjelzés (N) bitjei. Utána sorban az 1., 2., 3. és 4. primer PCM rendszer egy-egy információs bitje következik bit-bites multiplexelést alkalmazva, így az első alkeretben primer rendszerenként 50 bitet továbbít a szekunder PCM rendszer. Ezek az információk a 2,048 Mbit/s-os primer jelfolyamban előforduló valamennyi bitet magukban foglalják (a keretbeállító bitet, a jelzésátviteli bitet, a multikeret-beállító bitet, a csatornainformációt).
A 2. és a 3. alkeret teljesen megegyezik. A szakasz első négy bitje jelzi, hogy szükség van-e kiigazításra, azaz ezek a stuffing információs bitek. Az első bithely az első primer rendszer, a második bithely a második primer rendszer, a harmadik bithely a harmadik primer rendszer és a negyedik bithely a negyedik primer rendszer kiigazításkérését továbbítja. A kiigazító bitek után sorban az egyes primer PCMrendszerek információs bitjei következnek. A 2. és 3. alkeret külön-külön 52-52 információs bitet továbbít primer rendszerenként.
4 x 212 bit = 848 bit
1. alkeret
2. alkeret
100 us
3. alkeret
4. alkeret
1. alkeret
200 bit jel
10 bit szinkronszó 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 D N 2. - 3. alkeret 208 bit jel
4 bit st.inf.
4. alkeret
4 bit 4 bit st.inf. stuff
204 bit jel
4.11. ábra: A szekunder PCM keretszervezés
A 4. alkeret első négy bitje a primer rendszerekhez tartozó kiigazításkérő biteket tartalmazza. Ha primer rendszerenként háromszor egymás után (2., 3., 4. alkeretben) 1 jön, akkor az jelzi, hogy a hozzá tartozó bithelyre kiigazító bitet kell beiktatni. Ha többségi alapon a primer rendszerből 0 kiigazításkérő bit érkezik, akkor nincs szükség kiigazításra, és a kiigazító bitek helyett a primer PCM-rendszer információt tartalmazó bitje továbbítódik. Ettől függ, hogy a 4. alkeretben a szekunder PCMrendszer 51 vagy 52 primer csoportbitet továbbít-e jelfolyamonként. Mivel az aszinkron jelátvitelnél bitenkénti átvitel van, a primer rendszerek keretszervezése teljesen független a szekunder rendszerek keretszervezésétől.
A 4.12. ábrán látható maszk mutatja számunkra, hogy a jel mennyire térhet el a névlegestől. A névleges értéket szaggatott vonal jelzi. A maszk sötéttel jelölt területén a jel egyetlen összetevője sem lehet. Méréséhez egy olyan jelformát kell beállítani, mely a oszcilloszkópon trigger segítségével kimerevíthető, mint például az AIS (Alarm Indication Signal), mely csupa „1”-est tartalmaz. A mai mérőeszközökben már a szabványos maszkok beállíthatóak, így egyszerű szemrevételezéssel ellenőrizhetők a jelalakok.
8.5. 140 Mbit/s keret felépítése
8.6. Kiigazítás számítása 8.7. Összefoglalás 8.8. Ellenőrző kérdések
II. Szinkron jelátvitel 1. fejezet Szinkronizáció előnyei az átvitel során 1.1. Bevezető 1.2. A szabványosítás előnyei 1.3. Az átvitt jel sebessége és kapacitása 1.4. Szinkronizáció és pointertechnika 1.5. A moduláris struktúra 1.6. A szinkron rendszer hátrányai 1.7. Összefoglalás 1.8. Ellenőrző kérdések
2. fejezet STM keret kialakítása 2.1. Bevezető 2.2. Az SDH hierarchia 2.3. Az STM-1 keret felépítése 2.4. A fejrész bájtok szerepe 2.4.1. RSOH bájtok szerepe 2.4.2. MSOH bájtok szerepe 2.4.3. POH bájtok szerepe 2.5. Az STM-N keret kialakítása 2.6. Összefoglalás 2.7. Ellenőrző kérdések
3. fejezet Payload felépítése 3.1. Bevezető 3.2. Payload felépítése, a mapping
3.3. VC-4 kialakítása 3.4. Alacsonyabbrendű jelek betétele 3.5. Multikeret kialakítása 3.6. Szinkron és aszinkron tributary jelek elhelyezése 3.7.Összefoglalás 3.8. Ellenőrző kérdések
4. fejezet PDH jelek betétele az SDH rendszerbe 4.1. Bevezető 4.2. 140 Mbit/s elhelyezése az SDH konténerbe 4.3. 34 Mbit/s elhelyezése 4.4. 2 Mbit/s elhelyezése 4.5. Számítási feladatok 4.6. Összefoglalás 4.7. Ellenőrző kérdések
5. fejezet Pointertechnika 5.1. Bevezető 5.2. Általános pointerstruktúra 5.3. Speciális pointerek 5.4. Pointerek elhelyezkedése 5.5. Pointer értékének meghatározása 5.6. Pointerkiigazítás 5.7. Összefoglalás 5.8. Ellenőrző kérdések
6. fejezet SDH berendezések és üzemeltetésük 6.1. Bevezető 6.2. A berendezések típusai és alkalmazása 6.3. Vonali és végződő multiplexerek 6.4. Leágazó multiplexerek 6.5. Cross connect-ek 6.6. Speciális berendezések 6.7. Összefoglalás 6.8. Ellenőrző kérdések
7. fejezet Szinkronizáció 7.1. Bevezető 7.2. Órajel típusok 7.3. Órajel kiválasztása 7.4. Üzemeltetési módok 7.5. S1 bájt szerepe és alkalmazása 7.6. Példa S1 bájt használatára
7.7. Összefoglalás 7.8. Ellenőrző kérdések
8. fejezet Új generációs SDH berendezések 8.1. Bevezető 8.2. Új generációs berendezések 8.3. Összefűzések alkalmazása 8.3.1. Folyamatos összefűzés 8.3.2. Virtuális összefűzés 8.4. Címzési módok 8.5. Példa ATM jel illesztésére 8.6. Összefoglalás 8.7. Ellenőrző kérdések
III. Aszinkron jelátvitel
1. fejezet Átviteli módok 1.1. Bevezető 1.2. Áramkörkapcsolás 1.3. Aszinkron átviteli mód 1.4. Gyors csomagkapcsolás (ATM) 1.5. Virtuális csatornák kialakítása 1.6. Címzések 1.7. Összefoglalás 1.8. Ellenőrző kérdések
2. fejezet Csomagkapcsolás 2.1. Bevezető 2.2. Csomagkapcsolás tulajdonságai 2.3. Csomag felépítése 2.4. Csomag fejrésze 2.5. Csomag mérete 2.6. Az összeköttetések felépítése 2.7. Összefoglalás 2.8. Ellenőrző kérdések
3. fejezet X.25. csomag átvitele 3.1. Bevezető 3.2. Az X.25. szabvány előírásai 3.3. A keret felépítése
3.4. Hívásfelépítés 3.5. Adatátvitel 3.6. Összeköttetés bontása 3.7. Összefoglalás 3.8. Ellenőrző kérdések
4. fejezet ATM elve, a cella felépítése 4.1. Bevezető 4.2. Az ATM megvalósításának elvei 4.3. Az ATM cella felépítése 4.4. Az ATM fejrésze 4.5. A címzés 4.6. Útvonalkonfiguráció az ATM hálózatokban 4.7. Összefoglalás 4.8. Ellenőrző kérdések
5. fejezet ATM átvitele és illesztése 5.1. Bevezető 5.2. Cellaalapú átvitel 5.3. A PLOAM cella szerepe és felépítése 5.4. ATM átvitele más hálózatokon 5.4.1. Átvitel PDH hálózaton 5.4.2. Illesztés SDH hálózathoz 5.5. Késleltetések az átvitel során 5.6. Összefoglalás 5.7. Ellenőrző kérdések
6. fejezet Az ATM rétegmodellje 6.1. Bevezető 6.2. A kétszintű rétegmodell felépítése 6.3. A forgalmi osztályok 6.4. A rétegek közötti „kommunikáció” 6.5. Illesztés az alkalmazási rétegekhez 6.6. Összefoglalás 6.7. Ellenőrző kérdések
7. fejezet ADSL átvitel 7.1. Bevezető 7.2. DSL technológiák 7.3. ADSL rendszertechnikája 7.4. ADSL frekvencia-kiosztása 7.5. Az ADSL átviteli módja 7.6. Összefoglalás
7.7. Ellenőrző kérdések
IV. Optikai átvitel 1. fejezet Optikai jelátvitel módjai 1.1. Bevezető 1.2. Az optikai átviteli út 1.3. Intenzitás-moduláció 1.4. Analóg optikai átvitel (Analóg KTV) 1.5. Koherens jelátvitel 1.6. Hullámhossz osztás megvalósítása 1.7. Összefoglalás 1.8. Ellenőrző kérdések
2. fejezet Az optikai átviteli szakasz 2.1. Bevezető 2.2. Az optikai szakasz felépítése 2.3. Az optikai hálózatok tervezési szempontjai 2.4. Az optikai átvitel megvalósítása gerinchálózaton 2.5. A nagyvárosi hálózattal szembeni követelmények 2.6. Az optikai előfizetői hálózat 2.7. FTTx kialakítása 2.8. Összefoglalás 2.9. Ellenőrző kérdések
3. fejezet WDM passzív eszközei 3.1. Bevezető 3.2. WDM átvitel megvalósítása 3.3. WDM passzív eszközei
3.3.1. Optikai szálak 3.3.2. Optikai multiplexerek és demultiplexerek 3.3.3. Optikai kapcsolók 3.3.4. Optikai szűrők 3.4. WDM szerelvények 3.5. Összefoglalás 3.6. Ellenőrző kérdések
4. fejezet WDM aktív elemei 4.1. Bevezető 4.2. Optikai adók 4.3. Optikai vevők 4.4. Optikai erősítők 4.5. WDM berendezések 4.5.1. Transzponderek 4.5.2. WDM regenerátorok 4.5.3. Optikai multiplexerek 4.5.4. OADM leágazó multiplexerek 4.5.5. OXC cross connect-ek 4.6. Összefoglalás 4.7. Ellenőrző kérdések
5. fejezet WDM kialakítása 5.1. Bevezető 5.2. WDM felosztása 5.3. Hullámhossz kiosztás 5.4. Gerinchálózati megoldás
5.5. METRO WDM 5.6. WDM alkalmazása előfizetői hálózaton 5.7. Összefoglalás 5.8. Ellenőrző kérdések
6. fejezet Aktív és passzív hálózatok 6.1. Bevezető 6.2. Aktív és passzív hálózat összehasonlítása 6.3. Aktív optikai hálózat (HYTAS) 6.4. Passzív hálózati megoldások 6.5. KTV optikai hálózata 6.6. Összefoglalás 6.7. Ellenőrző kérdések
7. fejezet GPON kialakítása 7.1. Bevezető 7.2. GPON kialakulása (G.984) 7.3. A BPON/GPON/EPON összehasonlítása 7.4. GPON keretfelépítése 7.5. GPON fizikai megvalósítása 7.6. GPON alkalmazásai 7.7. Összefoglalás 7.8. Ellenőrző kérdések
