Download
1 / 145
1.47k likes | 1.59k Views
DIGITÁLIS ÁTVITELTECHNIKA. PCM Átviteli rendszer. PCM Átviteli rendszer. DIGITÁLIS ÁTVITELTECHNIKA.
E N D
DIGITÁLIS ÁTVITELTECHNIKA • 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.
DIGITÁLIS ÁTVITELTECHNIKA 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
DIGITÁLIS ÁTVITELTECHNIKA 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)
DIGITÁLIS ÁTVITELTECHNIKA 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.
DIGITÁLIS ÁTVITELTECHNIKA 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
DIGITÁLIS ÁTVITELTECHNIKA 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.
DIGITÁLIS ÁTVITELTECHNIKA 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 ALAPELVEI Egy analóg (folytonos) jel [Allen Reeves 1938] való átalakítása PCM jelre, 3 lépés van szükség: - mintavételezés - kvantálás - kódolás
PCM ALAPELVEI Mintavételezési tétel A 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:
Pulse Coded Modulation (PCM) • PCM is a method by which analog message can be transformed into numerical format and then decoded at the receiver adó Mintavétel. kvantálás PAM/HDB-3 Al. szürő csatorna vevő Al. szürő PAM/HDB-3 regenerálás
PCM ALAPELVEI Mintavételezés A 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 ALAPELVEI Kvantálás 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 moduláltPCM jellé - való átalakítás első lépcsője a kvantálás. Ennek során a lehetséges amplitúdóértékeket teljes skáláját felosztják kvantáló intervallumokra.
PCM ALAPELVEI Pelda:16egyenlő 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 ALAPELVEI Nemlineáris 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 256nem egyenlőnagyságú 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 Ezt 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 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. európaiPCM30 átviteli rendszerek) - a „15 szegmensű karakterisztika” (µ - szabály, pl. az USAPCM24 átviteli rendszere).
A 13 szegmensű karakterisztika (A-szabály) pozitív része (A-szabály) piros: kódolás (encoding)kék:dekódolás (decoding)
PCM ALAPELVEI 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 nagyoklesznek 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 hangosbeszéd 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.
Lineáris kódolás a szegmensen belül Példa: The European E1 system, coding of segment 4 (positive).
PCM ALAPELVEI Kódolás: 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).
