DIGITÁLIS ÁTVITELTECHNIKA

DIGITÁLIS ÁTVITELTECHNIKA

PCM Átviteli rendszer

PCM Átviteli rendszer


• Az FDM nem az egyetlen mód a vonalak többszörös kihasználásának. A másik lehetőség az időosztásos multiplexelés (TDM). Itt az átvitt telefonjeleket időben választják szét. A következő ábrán egy 32 időrésre felosztott periódust láthatunk. Ez a periódus folyamatosan ismétlődik 125 μs-onként. Minden periódus egy adott időréséhez egy telefonösszeköttetés jele tartozik.


Az időosztásos multiplexelés elve azon a tényen alapszik, hogy a telefon hangfrekvenciás jeleinek átviteléhez nincs szükség a teljes hullámalakra. Elegendő szabályos időközönként mintát venni a jelből és aztán csak ezeket a mintákat továbbítani. A hullám mintavételezésével egymás után rövid impulzusokat kapunk. Az impulzusok amplitúdója megfelel a hullám amplitúdójának a mintavételezés pillanatában



Ezt a konverziót impulzus amplitúdó modulációnak PAM hívják. A PAM jelek burkoló görbéje visszaadja az eredeti hullámalakot

A telefonjel mintavételezésével kapott PAM jel. (Folytonos jel diszkrét ábrázolása)


Az egyes minták között viszonylag nagy időintervallumok keletkeznek. Ezeket felhasználhatják más PAM jelek átvitelére, azaz több különböző telefonösszeköttetés jeleit is átvihetik egymás után ismétlődő ciklusokban. Ha így több PAM jelsorozat impulzusait egyesítik, akkor időosztásos PAM multiplex jel jön létre.


Ha a mintákat, azaz a különböző amplitúdójú impulzusokat átalakítják bináris kódolású jelekké, akkor impulzus kód modulációról (PCM: Pulse Code Modulation) beszélünk. Ennek során az impulzusszerű mintákat kvantálják (digitalizálják) és kódolják, általában 8 (12) bit felhasználásával. Akkor, egy minta helyett egy 8 bites kódszó átvihető amely amplitúdó értéke egyik a 256-ból.

PCM jelfolyam, amely a PAM minták digitalizálásával kapott PCM jelek sorozatából áll


Ha több telefonösszeköttetés PCM jeleit egymás után rakják, akkor időosztásos multiplexelt PCM (TDM) jel jön létre

Két analóg telefonbeszélgetés kódolt mintáiból álló időosztásos multiplexelt,PCM jel.


Az időosztásos PCM jelek lehetővé teszik a vonalak és az áramkörök többszörös kihasználását. Továbbá, az információ digitális jellegének köszönhetően, a PCM jelek sokkal kevésbé érzékenyek a zavarokra, mint az analóg (pl. PAM) jelek.

PCM ALAPELVEIEgy analóg (folytonos) jel [Allen Reeves 1938] való átalakítása PCM jelre, 3 lépés van szükség:

- mintavételezés - kvantálás - kódolás

PCM ALAPELVEI

Mintavételezési tételA mintavételezési tétel (Nyquist - Shannon) meghatározza azt a legkisebb mintavételezési sűrűséget, amellyel egy analóg jelet le kell tapogatni ahhoz, hogy a jel visszaállítása során ne történjen információvesztés.A mintavételezési frekvencia (fm) több mint kétszerese kell hogy legyen az analóg jel legnagyobb frekvenciájú komponensének (fmax):

fm >2fmax

PCM ALAPELVEI

Példa:

Three different sampling methods for PCM

Pulse Coded Modulation (PCM)

• PCM is a method by which analog message can be transformed into numerical format and then decoded at the receiver

PAM/HDB-3csatorna

Mintavétel.Al. szürő kvantálás

regenerálásAl. szürő PAM/HDB-3

adó

vevő

PCM ALAPELVEI

PCM ALAPELVEI

MintavételezésA telefonrendszerek esetében használt frekvenciasáv (300 Hz - 3400 Hz) mintavételezési frekvenciája (fm) nemzetközi megállapodás szerint 8000 Hz, vagyis a telefonjelekből másodpercenként 8000-szer vesznek mintát. Két egymás utáni minta között eltelt idő (Tm mintavételezési időköz) a következőképpen számolható:

PCM ALAPELVEI

A PAM jel előállítása

PCM ALAPELVEIKvantálás

Az impulzus amplitúdó modulált (PAM) jel a telefon hangfrekvenciás jelét még mindig analóg formában hordozza. Azonban a mintákat digitális formában sokkal könnyebb átvinni és feldolgozni. A digitális jellé - ebben az esetben impulzus kód modulált PCM jellé - való átalakítás első lépcsője a kvantálás. Ennek során a lehetséges amplitúdóértékeket teljes skáláját felosztják kvantáló intervallumokra.

PCM ALAPELVEI

PCM ALAPELVEI

Pelda:16 egyenlő nagyságú kvantáló intervallum

Lineáris kvantálás

PCM ALAPELVEI

Az adási oldalon sok különböző analóg érték esik ugyanabban a kvantálási intervallumba. A vételi oldalon az egyes kvantálási intervallumoknak mindig egyetlen analóg jel felel meg, amelynek amplitúdója az intervallum közepéig ér. Ez csekély eltéréseket okoz az adási oldali eredeti jel és a vételi oldali jelek között. Az eltérés az egyes minták esetén legfeljebb a kvantálási intervallum fele lehet. Az ennek következtében a vételi oldalon jelentkező kvantálási torzítást a hasznos jelre rakodó zajként észleljük. A kvantálási torzítás csökken, ahogy a kvantálási intervallumok számát növeljük. Ha a kvantálási intervallumokat eléggé kicsire választjuk, akkor a torzítás minimális lesz, a zaj pedig észrevehetetlen.

PCM ALAPELVEINemlineáris kvantálás:

Lineáris kvantálás esetén a teljes amplitúdó viszonylag jelentős eltérések adódnak. Ezek az eltérések ugyanabban a nagyságrendben lehetnek, mint maguk a bemenő jelek, és a jel/kvantálási zaj arány nem lenne elég nagy. Emiatt 256 nem egyenlő nagyságú kvantálási intervallumot használnak a gyakorlatban (nemlineáris kvantálás):

- a kis amplitúdójú jelek számára keskeny kvantálási intervallumok.

- a nagyobb amplitúdójú jelek számára nagyobb kvantálási intervallumok.

(Ennek oka, hogy a kvantálót az emberi fül karakterisztikához illesztették, amely a kis amplitúdójú jelek kis változásaira érzékenyebb, mint a nagy amplitúdójú jelek apró változásaira)

PCM ALAPELVEI

Ezáltal elérik, hogy bármilyen bemenő amplitúdó esetén a bemenő jel és a kvantálás következtében létrejöhető zaj aránya közelítőleg állandó: (S/N = const).

PCM ALAPELVEI

PCM ALAPELVEIEzt a megoldás a kompanderes kvantálást alkalmazása teszi lehetőve. E kompanderes

kvantálást (logaritmikus kvantalás) a gyakorlatban két eljárás is elterjedt, amelyek egymáshoz igen hasonlóak:

Európában az A-törvényt (A-law) használják a kompresszorfüggvény:

Az Egyesült Államokban és Japánban a μ-törvényt (μ-law) használják:

PCM ALAPELVEI

PCM ALAPELVEI

E közel logaritmikus kvantálási karakterisztika törtvonalas közelítését alkalmazzuk a gyakorlatban, így a kompresszálás és expandálás (kompandálás) valamint a kódolás illetve dekódolás közvetlenül végezhető.

A kompandálás előnye: 8 bites kóddal valósítható meg közel ugyanaz a jel/zaj viszony mint 12 bites kóddal kompandálás nélkül ugyanazon a dinamika tartományon.

PCM ALAPELVEI

A nemlineáris kvantálás jellemzője az ún. nem lineáris kvantálási karakterisztika. A CCITT G. 711-es ajánlása két ilyen karakterisztikát tartalmaz:

- a „13 szegmensű karakterisztika”(A-szabály, pl. európai PCM30 átviteli rendszerek)

- a „15 szegmensű karakterisztika” (µ - szabály, pl. az USA PCM24 átviteli rendszere).

Az A-karakterisztika törtvonalas közelítése

A 13 szegmensűkarakterisztika (A-szabály) pozitív része (A-szabály) piros: kódolás (encoding) kék:dekódolás (decoding)

PCM ALAPELVEIA 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 kell hogy legyen.

PCM ALAPELVEI

A helyes szám megállapítása a beszédjel jellemzőinek tanulmányozása útján történik. Ahhoz hogy a beszédjel általános tulajdonságai megállapíthatók legyenek, nagy számú vizsgálat beszéd-analízis — elvégzése szükséges. Vizsgálni kell az átalakítók — különféle mikrofonok által szolgáltatott jel dinamikatartományát, átlagos teljesítményszintjét halk, normál és hangos beszéd esetében.

PCM ALAPELVEI

• Mindent figyelembe véve úgy találták, hogy teljes periódusára nézve megfelelő eredményt 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 (8) bit hosszúságú.

PCM ALAPELVEI

A következő ábra a 13 szegmensű karakterisztikát (A-szabály) mutatja. Ez a pozitív és a negatív tartományban egyaránt 7 szegmensböl áll. A két, nullával határos szegmenst összevonták egyetlen lineáris szegmenssé. Így összesen 13 szegmense van a karakterisztikának, innen az elnevezése is.

13 szegmensű A karakterisztika

The European E1 system, coding of segment 4 (positive).

Lineáris kódolás a szegmensen belül

Példa:

PCM ALAPELVEI

PCM ALAPELVEIKódolás:

Az átvitelre kerülő PCM jel úgy jön létre, hogy a kvantálási intervallumokat kódolják. Az elektronikus kódoló minden egyes mintához egy 8 bites PCM szót rendel (8bitre kódolás: 8kHz x 8bit = 64 kb/s), amely megfelel a mintához tartozó kvantálási intervallumnak. A 128 pozitív és 128. negatív kvantálási intervallum jelölésére egy 8 jegyű bináris számot használnak (128+128=256), ezért a PCM szók 8 bitből állnak. A pozitív kvantálási intervallumokat jelölő PCM szavak első bitje mindig "1", a negatívakat jelölőké mindig "0". A CCITT G.711 és G.732 ajánlásainak megfelelően a kódólás után mindig bit inverzio (nini) követi a sok zérus egy más után kiküszobelése (az átvitel céljából minden PCM szóban invertálják 2. 4. 6. 8-as biteket).

PCM ALAPELVEI

PCM ALAPELVEI

PCM ALAPELVEI

Multiplexelés (TDM)Nagyszámú telefonösszeköttetés 8 bites PCM szavait lehet egymás utáni ismétlődő ciklusokban továbbítani egyetlen vezetéken. Az egyik telefon jel PCM szavát követik az összes többi telefon jel PCM szavai, és ez ismétlődik újra meg újra. Így jön létre a PCM időosztásos multiplex jel (TDM -Time Division Multiplexing ).

PCM ALAPELVEIA multiplexelés különböző folyamatai teljesen elektronikusan mennek végbe. Az ábrán látható az elv négy bemenő jelre alkalmazva, amelyekből az A kapcsoló egymás után mintát vesz. Az A kapcsoló az egyik bemenetről a másikra kapcsol, szinkronban a bejövő PCM jelfolyammal. A PCM időosztásos multiplex jel az A kapcsoló kimenetén található. Az egyetlen PCM szó átvitelére felhasznált időintervallumot időrésnek nevezik.Azt a bitsorozatot, amely minden egyes bemenő jelből pontosan egy PCM szót tartalmaz, keretnek hívják.

TDM -Time Division Multiplexing

PCM ALAPELVEI A CCITT által ajánlott és a továbbiakban ismertetett

átviteltechnikai rendszerek a PCM30 (PCM24) rendszer 2048 kbit/s-os (1544 kbit/s) átviteli sebességgel (G. 733-as CCITT ajánlás), ezek a két átviteli irányban egyenként 30 ill. 24 telefonösszeköttetés számára biztosítanak csatornát (idörést), és így időosztásos multiplex jelfolyamot visznek át. A PCM30 rendszert egész Európában és sok Európán kívüli országban használják; a PCM24 rendszereket elsősorban az USA-ban, Kanadában és Japánban vezették be.

TDM

E1 keret struktúra

T1 keret struktúra

T-1 és E1 telefon vonalak multiplexálása

E1 vonl 2048 Kbit/s32 x 64 kbit/s

PCM ALAPELVEI

A primer (E1) PCM-Keretszervezés

A 30 beszédáramkör mindkét átviteli irányában másodpercenként 8000 minta kerül átvitelre 8 bites PCM szavak formájában. Ezek szerint egy 125 μs-os (= 1/8 kHz) időszakban mindkét irányban 30 db 8bites PCM szót továbbítanak. A 30 PCM szón kívül további 2x8 bit is átvitelre kerül: 8 bit jelzésadás céljára, és 8 bit, amely váltakozva keretszinkronizáló jelzést, illetve szerviz szót tartalmaz. A keretet a 30 PCM szó a további 2x8 bittel együtt alkotja. A kereteket közvetlenül egymás után továbbítják.

PCM ALAPELVEI

PCM ALAPELVEI• Keretszinkronizáló jelzés A vételi oldalon a keretek időzítésének megállapítása a

bejövő keretszinkron jelzések segítségével történik: ezáltal az egyes bitek a megfelelő sorrendben hozzárendelhetők az egyes beszédáramkörökhöz.

A keretszinkron jelzést és a szerviz szót a 0-ik csatornában felváltva továbbítják. A 0-ik csatorna első bitjét nemzetközi felhasználás céljára rezerválták. A 2-8. biteken lévő keretszinkron jelzés bitmintája mindig ugyanaz: 0011011

PCM ALAPELVEI

Keretszinkron jelzés egy keret 0-ik időrésében1. bit: x - nemzetközi felhasználásra foglalt2-8. bit: - keretszinkron jelzés

Szerviz szó egy keret 0-ik idörésében1. bit: x --4 nemzetközi felhasználásra foglalt2. bit: 1 -> a keretszinkron jelzés hibásfelismerését akadályozza meg3. bit: A -4 sürgős nemzetközi alarmra foglalt4-8. bit: - belföldi felhasználásra foglalt

PCM ALAPELVEI

Szerviz szó

A szerviz szóban hibajelzéseket továbbítanak. A szerviz szó 3. bitje sürgős riasztást jelez. A „0” nem jelez riasztást, az „1 " a következő esetek valamelyikét jelzi:

- áramellátás hiba (ha még lehet jelzést adni) - codec hiba - a bejövő 2048 kbits/ jelfolyam hibája - keretszinkron elvesztése - a keretszinkron szó hiba gyakorisága 1 x 10-3.

269 ns(244 + 25)

194 ns(244 – 50)

244 ns

219 ns(244 – 25)

488 ns(244 + 244)

10%

10%

10%

10%

0%

50%

10%

10%

20%

20%

V = 100%

T1818840-92

20%

Nominal pulse

NOTE – V corresponds to the nominal peak value.

G. 703

PCM ALAPELVEI

JelzésadásJelzésadás (pl. hívott felel, bontási és tárcsázási jelzések) céljára a 16. időrést

használják. Különbséget tesznek a - csatornához rendelt jelzésadás 30 beszédáramkör számára, és - közös csatornás jelzésadás (64 kbit/s) között.Csatornához rendelt jelzésadás esetén a 16-os időrést úgy osztják fel, hogy mind a

30 beszédcsatorna számára külön bitek álljanak rendelkezésre. Ebből a célból 16 keretböl multikeretet állítanak össze. Minden multikeret kezdetén a 0-ik keret 16-os idörésében egy multikeret szinkronizáló jelzést továbbítanak. Ennek bitmintája „0000”.

A multikeret 16-os időréseit két 4 bites részre osztják, a biteket a,b,c,d biteknek nevezik. A 30 beszédcsatorna mindegyikének egy ilyen 4 bites csoport áll rendelkezésére jelzésadás céljából. Ha a 16-os időrést (=64 kbit/s) nem használják csatornához rendelt jelzésadásra, akkor más jelek átvitelére lehet használni, pl. közös csatornás jelzésekre (CCITT No. 7), vagy adatátvitelre.

PCM ALAPELVEI

„0000” – multikeret szinkronizáló jelzés

X – tartalék bit

Y – a multikeret szinkron elvesztés jelző bit (ha az ellenállomásról érkező jel hibatlan:Y=0 ; ha hiba fellép Y=1)

A VONALI KÓDOLÁS

• A vonali kódolás a digitális jelátvitelben az a művelet, mely során a továbbítandó információhoz - a forrás szimbólumsorozathoz - olyan jelsorozatot - vonali szimbólumsorozat - rendelünk, mely az átviteli úton a legkisebb torzítással halad át.A vonali kódolási eljárásokkal szemben a következő alapvető követelményeket támasztják: - A vonali szimbólumsorozat (jel) egyértelműen dekódolható legyen - A vonali szimbólumsorozatból az időzítő információ kinyerhető legyen - A vonali szimbólumsorozatnak ne legyen egyenáramú komponense. - A vonali átvitel forrás szimbólumsorozat (bitsorozat) független (transzparens) legyen. - A vonali jel spektrumában a kisfrekvenciás összetevők kis amplitúdójúak legyenek. - A vonali jel rendelkezzen elegendő redundanciával az átvitel során fellépő hibák felderítéséhez.

Sebesség definíciók a digitális jelátvitelben: • bitsebesség: az időegység alatt továbbított információ mennyisége [bit/s] • jelzési sebesség: az időegység alatt továbbított vonali szimbólumok száma [Baud]

A VONALI KÓDOLÁS

A VONALI KÓDOLÁS

A VONALI KÓDOLÁS

A VONALI KÓDOLÁS

• A bináris szimbólumok jelölése (az ITU-T V.2 ajánlása alapján):– forrás szimbólum: 0,1– vonali szimbólum: "space", "mark"

• Kódolási osztályok:– Bináris kódok– Pszeudoternáris (kváziternáris) kódok– Nullsorozat helyettesítéses kódolások– Blokk kódok– Átmenetkódolás

A VONALI KÓDOLÁS

A VONALI KÓDOLÁS

A VONALI KÓDOLÁS

A VONALI KÓDOLÁS

Bináris kódokA bináris jelek lehetnek NRZ, (Non Return to Zero) vagy RZ (Return to Zero) típusúak. Digitális jelfeldolgozás szempontjából általában az NRZ jel a legkedvezőbb.

A VONALI KÓDOLÁS

A bináris jellel kiválóan működtethetők a kapuáramkörök, de nem lehet közvetlenül a vonalra csatlakoztatni a jelet, mert a benne előforduló 1-esek számától függően különböző szintű egyenáramú komponenst tartalmaz.

NRZ és RZ kódok és a teljesítménysűrűség-spektrumai

A VONALI KÓDOLÁS

A vonaltranszformátorok az egyenáramú komponenseket nem viszik át, de a galvanikus elválasztás, a túlfeszültség-védelem, a távtáplálás stb. miatt szükség van rájuk.

A PCM-jelet tehát át kell kódolni, hogy ne tartalmazzon egyenáramú (DC) komponenst.

A leggyakrabban használt vonali kód az AMI (Alternate Mark Inversion) és a HDB3 (High-Density Bipolar 3) vagy a B8ZS (Bipolar with 8 Zero Substitution ), (Manchester) és többi kódok???

A VONALI KÓDOLÁS

Manchester kódA Manchester kód (PE, Phase Encode) esetén a biteket nem jelszintek, hanem a

jelváltások iránya határozza meg. Az „1” bit értéket az átviteli idejének közepén egy (-1)→(+1) feszültségszintátmenet, míg a „0” bit értéket ugyancsak az átvitel idejének közepén bekövetkező (+1) →(-1) feszültségszint váltás jelenti. Amennyiben az egymást követő bitek azonos értékűek, akkor a jel a bitidő felénél visszatér az előző szintre.A Manchester kód jellemzője, hogy folyamatosan szinkronizálja magát. Alkalmazási területei közül legfontosabbak az Ethernet (IEEE 802.3) koaxiális kábeles hálózat, a Profibus, valamint az MBP (Manchester Bus Powered) adatátviteli rendszerek.

A VONALI KÓDOLÁSDifferenciális Manchester kód

A differenciális kódolások jellemzője, hogy az adott kód függ az előző bitidő kódjától.Azonos a Manchester kódolással, de a bitperiódusban bekövetkező változás attól függ, hogy milyen értékű volt az előző bit.Az 1 értéket az mutatja, hogy nem változik az előző bitidő végén a jelszint, de változik az aktuális bitidő közepén, a 0 értéket pedig az jelzi, hogy a bitperiódusnak mind az elején, mind a közepén van jelszint változás. Az előbb bemutatott Manchester kód alapján az összefüggések a következők:

„0”→ v(t) = v(t - Tb) az előző állapot ismétlődik„1” →v(t) = - v(t - Tb) az előző állapot ellentétje

A módszert főleg Token Ring hálózatokban és RDS (Radio Data System) rendszerekben alkalmazzák.

A VONALI KÓDOLÁS• CMI kód (Coded Mark Inversion)

A CMI kódban a „0” bináris értéket szabályosan alternáló + és - impulzusok, az „1” bináris értéket pedig a jellemző időtartam (Tm) első felében –A, míg a második felében +A amplitúdójú impulzusok hordozzák. A kódot és inverzét a G.703 ajánlás specifikálja.

A bipoláris CMI kód nem tartalmaz egyen komponenst. A 140 M bit/s átviteli sebességű PCM rendszer interfész kódjaként, fénykábelen vagy mikrohullámú rendszerekben használják.

A VONALI KÓDOLÁS

AMI (Alternate Mark Inversion) kódólásEzzel az eljárással az unipoláris jelből ki lehet küszöbölni az egyenáramú komponenst, mégpedig úgy, hogy minden második egyest ellentétes polaritásúvá változtatunk. Ezáltal hosszabb idő alatt ugyanannyi +1 lesz, mint -1. A 0-kat a kódolás nem érinti. Az eljárás eredményeként háromértékű, ternális kódot kapunk.

Pszeudoternáris (kváziternáris) kódokA bináris jelsorozatból származtatott háromszintű jelsorozatok a redundancia növelésére

A VONALI KÓDOLÁS

Az AMI jelben, a bipoláris kódolási szabály szerint az 1-esek váltakozva követik egymást. Az is látható, hogy a jel RZ típusú. A célnak a bipoláris NRZ jel is megfelelne, de az ITU az előbbit ajánlja, mivel kedvezőbb az átvitel, ha a jel csak 50 %-os kitöltésű. Tehát a jel a bitrésen belül zérusba megy. Az átkódolás során háromszintű (+1, 0, -1), ún. ternális kódot hoztunk létre. Azonban a +1, -1 érték nem jelent különböző információt, ezért az ilyen kódot álternális (pszeudoternális) nevezzük.

A VONALI KÓDOLÁS

- A spektrumoknak nincs egyenáramú komponense.- A jel energiájának a maximuma f0 /2 környezetére esik.

- A vonali hibaarány romlás (bittévesztés) a bipoláris szabály megsértéséből

felismerhető

A kód hátránya az, hogy a jelsorozatban tetszőleges számú 0 fordulhat elő egymás után. A beszédátvitel során ezt kiküszöböltük, amikor a kódolás után bitinverziót hajtottunk végre. A hosszú 0 sorozat azonban jelzésátvitelben, illetve 64 kbit/s os interfészeken keresztül csatlakoztatott adatátvitelben előfordulhat. Ezt a problémát szünteti meg a mullsorozat - helyettesítéses kódolás, pl. a HDB-3 kódolás

(teljesítménysűrűség-spektrum)

A VONALI KÓDOLÁSA HDB-3 KÓDOLÁS A HDB (High Density Bipolar) kódot használjuk a gyakorlatban a legtöbbször. A kódolás folyamán n+1 (n>1) bitből álló bináris mullsorozatot az alábbi táblázatban megadott kódszavak egyikével helyettesítjük.

A B a szabályosan váltakozó előjelű, V a polaritássértő (bipoláris szabály megsértése) impulzusokat jelzi. . A helyettesítő kódszavakat úgy kell megválasztani, hogy két egymás után következő V impulzus között a B impulzusok száma páratlan legyen. Ezzel elérjük azt, hogy a V impulzusok polaritása is szabályosan váltakozzék. Ez a kettős bipoláris szabály. A HDB-n kódolású vonali impulzussorozatban egymás után maximum n számú zérus fordulhat elő.

A VONALI KÓDOLÁS

A HDB-3 kódolási szabály:

- ha egymás után négynél kevesebb 0 bit van a jelfolyamban, akkor a HDB-3 kód megegyezik az AMI kóddal,- négy egymás után következő 0 bitet 000V vagy BOOV sorozattal helyettesítünk úgy, hogy a polaritássértő impulzusok váltakozó előjelűek legyenek.Azaz:000V a helyettesítő kód, ha az előző behelyettesítésnél beiktatott „V” impulzus és a négy nulla előtti utolsó impulzus polaritása ellentétes, ésBOOV a helyettesítő kód, ha az előző behelyettesítésnél beiktatott „V” impulzus és a négy nulla előtti utolsó impulzus polaritása megegyezik.

A VONALI KÓDOLÁS

A HDB3 kódot előnyös tulajdonságai miatt — az ITU (CCITT) az európai primer, szekunder és tercier szintű vonalszakaszok vonali kódjának ajánlja. A V impulzusok szabályos váltakozása lehetőséget ad az üzem közbeni hibaarány-figyelésre is.

A VONALI KÓDOLÁS

A VONALI KÓDOLÁS

– BnZS (Bipolar with n Zeros Substitution)

A kódolás során a bináris forrásban minden n elemből álló zérus bitsorozatot helyettesítünk a következő kódszavakkal:

• B2ZS 0V vagy BV • B3ZS 00V vagy B0V • B4ZS BVBV • B6ZS 0VB0VB • B8ZS 000VB0VB /1,5 Mbit/s (amerikai) PCM/

A VONALI KÓDOLÁS

A blokk kódok esetében a kódolás során az átvinni kívánt bináris impulzussorozatot x elemből álló blokkokra bontjuk, és minden blokknak egy y elemből álló többszintű jelblokkot feleltetünk meg. A gyakorlatban előforduló esetek: xByT kód (x Binary – y Ternary)2B1Q (2 binary – 1 quaternary) kód, nBmB kód

Blokk kódok (xByT, 2B1Q, mBnB)

A VONALI KÓDOLÁS

A VONALI KÓDOLÁS

Példa: 5B6B KÓD (nBmB)

A kódolási eljárást az ERICSSON cég fejlesztette ki kifejezetten optikai átviteli rendszerei számára.

A kódoló a kódolandó bináris jelet 5 bites szakaszokra — kvintettekre — bontja. Ezután minden kvintettet egy 6 bites bináris kombinációval — szextettel — helyettesít. Az ötbites és a hatbites kombinációk összerendelése egy előre meghatározott kódtáblázat alapján történik. Az átkódolást a következő táblázat tartalmazza.

A VONALI KÓDOLÁS5 bites kódszóval 25 = 32 kombináció írható fel, 6

bittel 26 = 64. A kódkészlet megduplázódott. A kód, legnagyobb előnye jelentős redundanciája. Ezáltal az átkódolás során kihagyhatók azok a kombinációk, amelyek hosszú, összefüggő 0 sorozatokat tartalmaznak. Mivel optikai átvitel céljára készült, a jelforma lehet NRZ típusú.Hátránya a kódnak, hogy a vonali jelsebességet 20%-kal megnöveli.

Alkalmazás: 4B/5B : Fast Ethernet ; 8B/10B :Gigabit Ethernet

A VONALI KÓDOLÁS

4B/5B encoding

Data Code Data Code

0000 11110 1000 10010

0001 01001 1001 10011

0010 10100 1010 10110

0011 10101 1011 10111

0100 01010 1100 11010

0101 01011 1101 11011

0110 01110 1110 11100

0111 01111 1111 11101

A VONALI KÓDOLÁS

A VONALI KÓDOLÁS

Lineáris a kód, ha a bináris jelfolyam bitjeinek lineáris kombinációjából származtatjuk. Az előzőekben ismertetett kódtípusok lineáris kódok. Most egy olyan kódot mutatunk be, amelyet nemlineáris kódolással hoztunk létre (2B1Q).

A 2B1Q KÓDA PCM-jel kéthuzalos átvitelének igénye vezetett a 2BIQ kódolási

eljárás kifejlesztéséhez. Az FDM jelátvitelnél egy csatorna jelének átviteléhez rendelkezésre áll a frekvenciatartomány egy része és a teljes időtartomány. A kéthuzalos rendszerek adás- és vételiránya így szűrőkkel vagy hibridekkel szétválasztható. Ezzel szemben egy digitális csatorna jelének átviteléhez az időtartománynak csak egy része áll rendelkezésre, a frekvenciatartomány teljes egészében használható. Két egymásra szuperponálódott digitális jel korrekt szétválasztása gyakorlatilag megoldhatatlan

A VONALI KÓDOLÁS

A VONALI KÓDOLÁS

A VONALI KÓDOLÁS

A VONALI KÓDOLÁS• A kódolás során a digitális jelfolyam 2 bites csoportonként

kerül vizsgálatra. 2 bittel 22=4 féle kódkombináció állítható elő. Ezután mind a négyféle kombinációhoz hozzárendelnek egy feszültségértéket, amely az adott 2 bit idejére a vonalra kerül. Az eljárás egy négyszintű (quaternális) jelfolyamot eredményez.

• A vonalra kerülő jel folyamatos (analóg összetevőt tartalmaz). Ennek eredményeként a kéthuzalos adási és vételi irány egyszerű hibridáramkörrel szétválasztható.

• További előnye a kódnak, hogy a maximális vonali sávszélesség igénye fele a bináris NRZ jelének, mint ez az ábrából a periódusidők összevetése alapján belátható.

(Léteznek ezen kívül számos kódforma.)???

MAGASABB RENDŰ PCM-RENDSZEREK

A PCM-HIERARCHIA (PDH és SDH)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, célszerűbb inkább a csoportképzés elvét alkalmazni.

De a PCM berendezések kifejlesztése az egyes országokban külön utakon indult el, és így, többféle egymástól eltérő rendszer, illetve csoportképzés létezik.

A két fő irányzatot az európai és az amerikai rendszerek jelentik.

MAGASABB RENDŰ PCM-RENDSZEREK

Milyen módon valósíthatók meg a nagyobb csatornaszámú PCM-berendezések? - Az egyesítésre kerülő csoportok szinkronban vannak, vagyis órajeleik teljesen azonos frekvenciájúak, legfeljebb fáziseltérés lehet köztük: szinkron csoportok egyesítése (SDH). - Az egyesítésre kerülő csoportok aszinkronban vannak, vagyis órajeleik névlegesen azonos frekveciájúak, de a valóságban a tűrési határon belüli eltérés lehet közöttük: aszinkron csoportok egyesítése (PDH Pleziokron Digitális Hierarchia).

(Görög: plesio – közel, chronos – idő)

PDH - Plesyochronous Digital Hierarchy(Pleziokron Digitális Hierarchia)

• Az említett PCM-rendszerek működésük során az adásirányú jeleiket a saját órajelükkel képzik, míg a 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 ez a primer PCM jelre: 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 PC 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 (PDH).


Digital hierarchy


- ppm: parts per million. 1 ppm az alap egy milliomodrészét jelenti (ahogyan 1% egy századrészét)- 2,37 V asszimetrikus (pl. koaxiális kábel), és 3 V szimmetrikus (pl. érpár) vezetéken


– 2,048 Mbps = ± 5.10-5 (± 102 bits)– 8,448 Mbps = ± 3.10-5 (± 253 bits)– 34,368 Mbps = ± 2.10-5 (± 687 bits)– 139,264 Mbps = ± 1,5.10-5 (± 2089 bits)


A SZEKUNDER PCM-KERETSZERVEZÉS Az aszinkron PCM rendszer keretszervezésére vonatkozó előírásokat az ITU G.742-es ajánlása tartalmazz.

Az E2 szekunder hierarchia (másodrendű (8,448 Mbit/s) digitális szakasz)


• A 8,448 Mbit/s-os szekunder PCM-rendszer négy primer E1 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 (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 (CCITT ajánlás).

A kiigazító eljárás alkalmazásához szükség van mindegyik egyesítendő PCM jelfolyamban egy rugalmas tár beiktatása amely minden aszinkron magasabbrendű csoport képző áramkör lényeges része, (2048 kbit/s átalakítása 2112 kbit/s)

A sebességkiigazítást rugalmas tárolóval végezzük úgy, hogy kis sebességgel beírjuk a primer PCM – jelet és nagyobb sebességgel olvassuk ki.


f0 kicsi nagyobb mint négy 4.fi



Egy keret 848 időrésből áll. keretidő 100,38 µs. Egy keret négy egyenlő, 212 bites álkeretre osztható. Az első álkeretben van a 10 bit hosszúságú keretszinkronjel. Ezt követi két szolgálati bit, a riasztásátjelzés (D) és a szolgáltatásátjelzés (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 álkeretben primer rendszerenként 50 bitet továbbít a szekunder PCM - rendszer.

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 PCM-rendszerek információs bitjei következnek.


A 4. álkeret első négy bitje a primer rendszerekhez tartozó kiigazításkérő biteket tartalmazza. Ha primer rendszerenként háromszor egymás után (2., 3., 4. álkeretben) 1 jön, akkor az jelzi, hogy a hozzá tartozó bithelyre kiigazító bitet kell beiktatni. Ha többségi alapon a primer rendszerből 0 kiigazitáskérő bit érkezik, akkor nincs szükség kiigazításra, és a kiigazító bitek helyett a primer PCM - rendszer információt tartalmazó bitje továbbítódik. Ettől függ, hogy a 4. álkeretben a szekunder PCM- rendszer 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.Az E3 és E4 hierarchiaszintek ugyanígy néznek ki, csak több kontroll bitet használnak.


A PDH hátrányai: Ha egy magasabb rendű jelfolyamból szeretnénk egy alacsonyobb rendű PCM-jelet kinyerni, minden egyes köztes szintre demultiplexálni kell, s csak ezután juthatunk hozzá a kívánt jelhez. Ez annyit jelent például, hogy ha egy 140 Mbit/s-os jelből egy 2 Mbit/s-os jelet akarunk leágaztatni, akkor először a 140 Mbit/s-ot demultiplexáljuk 4 db 34 Mbit/s-os jellé, majd ezt visszafejtve tovább demultiplexáljuk a jelet 8 Mbit/s-má. A következő visszafejtés – a szinkronszó megkeresése és a jel visszaállítása – után ismételt demultiplexálással kaphatjuk meg a 2 Mbit/s-os jelfolyamokat. Látható, hogy minél nagyobb a hierarchiaszintbe különbség, annál többször kell ezt a műveletsort elvégezni. Ez viszont egyre több potenciális hibalehetőséget visz a rendszerbe.


PDH előnyei, hátrányai

- A nyalábolás bitenként történik. - Az európai, a japán és az amerikai változat különböző.• Pleziokron: - Az egyes eszközök bitsebességei eltérhetnek a névlegestől a rendszermégis zavartalanul működik. - Nem kell terjeszteni a szinkronjelet a hálózatban (erre nem is voltlehetőség az eljárás megalkotásakor). - Szintenként újra kell keretezni. Vegyünk egy példát: Egy kis falu E1-esellátását kell megoldani a közelben haladó E4-es vonal segítségével. Ahierarchia minden szintjét végig kell járni. - Nincs elég hely az üzemeltetési/fenntartási és esetleg egyéb információk átvitelére. - A védelem nehézkesen oldható meg. - A modemes átvitelben korlátozza a használható sávszélességet.

Szinkron digitális hierarchia SDH (Synchronous Digital Hierarchy)

Az említett PDH hátrányok kiküszöbölésére, nagyobb sebesség igények és a különböző rendszerek egységesítés érdekében, fejlesztették ki az SDH-t (Synchronous Digital Hierarchy)

Ezt az átviteli hierarchia, az amerikában fejlesztett SONET (Synchronous Optical Network ) alapul. Az SDH egy szabványosított (világméretű általánosan használható rendszert), rugalmas, nagysebességű és szinkron hálózati technológia. A „szinkron” kifejezés arra utal, hogy a hierarchiában résztvevő berendezéseket egységesen külső órajel szinkronizálja.


Az ANSI SONET alap sebessége (elsőszint) 51,8 Mbit/s és STS-1 (synchronous transport signal) elnevezés kapta. A SONET szabványban az OC (optical container) osztályozzák a szintek az optikai átviteli közeg használata miatt.

Az ETSI SDH szabványban az STM-n (Synchronous Transport Module level n ) osztályozzák a szintek


Az SDH-keret szervezése

SDH alapmodul (STM-1)


Egy SDH - keret nagysága 270 byte . 9 sor (=2430 byte/keret). Egy keret hossza 125 µs, ami azt jelenti, hogy másodpercenként 8000 ilyen keretei lehet átvinni egy vonalon... Az SDH - keretnél az időrésnek a byte felel meg (mint a PCM 30 rendszernél ).

Az STM-1 keretet négy fő részre osztották.

- Az első három sor első 9 byte-ja a regenerátor szakasz fejrésze (RSOH = Regenerator Section Overhead), melynek byte-jait a regenerátor és multiplexer szakaszvégződéseken fejtik vissza. Mivel ezek a byte-ok minden szakaszvégződésen rendelkezésre állnak, ezért ez a fejrész tartalmazza a szinkronszót és a regenerátorok fenntartási byte-jait.


-A 4. sor első 9 byte-ja a pointer byte-ok, a fázisösszefüggést definiálják, megadják a kereten belül a tributary jelek elhelyezkedését. - 5-9 sor: 5 x 9 byte áll rendelkezésre a multiplexer szakasz fejrész-ének (MSOH = Multiplexer Section Overhead) byte-jai számára. Ezek foglalják magukban a multiplexer szakaszra vonatkozó szervizcsatornákat, mivel csak ezen szakaszok végződésein történik meg a visszafejtésük, illetve előállításuk.-A legnagyobb terület a rakomány vagy payload területe. Ebben helyezkednek el az alkotó jelek a hozzájuk tartozó jelzésekkel együtt. Ezért ezt a részt hasznos területnek is mondják. Mérete 261 byte x 9 sor = 2349 byte.Az STM-1 keretet azért nevezik alapmodulnak, mert egy magasabb hierarchiaszint eléréséhez nem kell új keretet definiálni, hanem több alapmodul byte-byte-onkénti multiplexálásával bármely új keret előállítható.


A payload felépítése



A payload feladata nemcsak az információt hordozó jelek elhelyezése, hanem azok illesztése is az SDH rendszerhez, valamint a jelekhez tartozó egyéb fenntartási információk átvitele.



1,5 Mbps 34/45 Mbps 140 Mbps

C11 C2 C3 C4C12

2 Mbps

AU 3 AU 4


C1 C2 C3 C4

C4 POH

= VC-4

C4 POH

Pointeur = AU-4

AU-4 SOH = STM-1


C1 C2 C3 C4

1,5/2 Mbps 34/45 Mbps 140 Mbps

C3 POH

Pointeur = TU-3

C4 POH = VC-4

TU-3TU-3

PDH átvitel


- Minden hordozót (C-x konténert) út-fejrésszel (POH: Path OverHead) kiegészítve kapjuk a virtuális konténert (VC). A POH értékét az út végpontjain állítjuk csak, és a teljes útravonatkozó információkat tartalmaz. A VC egy önálló egység, mely tetszőleges helyre kerülhet a magasabb szintű keretszervezésben, de helyét a mutatók segítségével egyértelműen követni tudjuk.

- A TU (Tributary Unit) és az AU (Administrative Unit) feladata a virtuális konténerek illesztése a szinkron keretbe, azaz a fázisösszefüggések megadása pointerek segítségével. Minden virtuális konténerhez hozzárendelünk pointereket, amelyeket a keret meghatározott helyére elhelyezünk értéke pedig jelzi számunkra a virtuális konténer hollétét. A két különböző elnevezés megkülönbözteti az alacsonyabb rendű jeleket a magasabb rendűetől.

- A TUG (Tributary Unit Group) és a AUG (Administrative Unit Group) feladata a multiplexálás


Előnyök, hátrányokAz ITU-T SDH rendszer előnyei, hogy talán ez az első olyan rendszer mely (noha vannak eltérések) világméretben is egységesnek mondhatóTovábbi előnye, hogy igen nagy bitsebességű átvitelt tesz lehetővé (pl. STM-64 közel 10 Gb/s), de pl. DWDM-mel együttesen használva akár ennek sokszorosát is. Az SDH a már meglévő PDH hálózatok forgalmának nyalábolására, szállítására kiválóan alkalmas, de emeltet adatszállításra, bérelt vonalak kialakítására is kitűnő. A szinkronizálásból adódóan további előnye, hogy bármelyik magasabb hierarchiaszinten könnyen hozzáférünk egy-egy alacsonyabb szintű konténerhez, és ezáltal annak tartalmához is. Az SDH hátránya viszont, hogy igényli egy szinkronhálózat kialakítását.

SDH HÁLÓZAT

SDH HÁLÓZAT TOPOLÓGIA

ADM F.O.F.O.

jelfolyam2 Mbps, 34 Mbps, …Előfizetői hálózat

Szolgáltatói hálózat

Leágazó multiplexer


ADM ADM

ADM

ADM

gyűrű


ADM ADM

Bus


ADM ADM

ADM

csillag

ADM ADM


ADM E

/R

E/R

R/E

R/E

ADM

Normal

tartalék

Védettség

Documents

DIGITÁLIS ÁTVITELTECHNIKA