Розділ 3. Принципи цифрової комутації

§1. Цифрова телефонія.

До цього моменту ми розглядали системи комутації фізичних каналів, в яких кожному з’єднанню надається власна фізична лінія. При цифровій комутації носієм інформації є не амплітуда електричного сигналу, а часова послідовність імпульсів, тобто часовий канал, який визначається просторовою і часовою координатами.

Епоху цифрової реалізації телекомунікаційних мереж відкрила поява двох недорогих, але дуже важливих пристроїв: кодеків, які перетворюють аналогові сигнали в цифрові (рис.3.1.а), і модемів, які перетворюють цифрові сигнали в аналогові (рис.3.1.б).

Рис.3.1а. Кодек. Рис.3.1б. Модем.

Суть цифровизації полягає в тому, що первинний аналоговий електричний сигнал може бути відновлений з відповідної послідовності дискретних значень його амплітуди (відліків). Кількість відліків за секунду називають частотою дискретизації і залежить вона від найвисокочастотнішої компоненти аналогового сигналу. Відома теорема Котельникова гласить, що аналоговий сигнал можна правильно відновити, якщо частота дискретизації в два рази перевищує частоту сигналу. Саме на цій теоремі та на теоремі Найквіста, яка встановлює той факт, що, якщо частота вибірки перевищує не менш ніж в двічі найвисокачастотнішу складову аналогового сигналу , то первинний аналоговий сигнал повністю описується тільки з допомогою моментальних вибірок, заснована імпульсно кодова модуляція (ІКМ).

Інакше кажучи, пристрій дискретизації „вирізає” з первинного аналогового сигналу короткі вибірні імпульси (рис.3.2), утворюючи послідовність миттєвих значень амплітуди – дискретизований в часі сигнал з частотою прямування імпульсів . Отриманий таким чином сигнал є хоча і дискретний в часі, але аналогові значення амплітуди первинного сигналу . Для того, щоб передавати ці вибіркові значення в цифровій формі, потрібно здійснити їх квантування: значення кожної амплітуди округлюється до найближчого числа з деякого кінцевого набору фіксованих чисел (рівнів квантування), і як результат отримуємо сигнал , дискретний по амплітуді. На рис.3.2. надані первинний сигнал, дискретний в часі сигнал, отриманий з первинного, і сигнал, отриманий після квантування і який являє собою дискретну в часі послідовність дискретних амплітуд.

Рис.3.2. Перетворення аналогового сигналу в цифровий.

Оскільки кількість рівнів квантування є кінцевою, всіх її можна пронумерувати і представити кожний номер у вигляді двоічного кодового слова. В результаті сигнал стає цифровим. Все це разом і є імпульсно-кодова модуляція (ІКМ).

Очевидно, що чім більше рівнів квантування, тим кращу характеристику буде мати відновлений сигнал. Наприклад, для мовних сигналів ІКМ достатньо мати 256 рівнів, але пр кодуванні музика на - плеєрах для отримання задовільної характеристики потрібно 655356 рівнів.

Аналоговий мовний сигнал в телефонії займає діапазон частот шириною до 4000 Гц і потребує здійснювати відліки амплітуди 8000 раз за секунду, тобто частота дискретизації складає 8кГц. При квантуванні відліків використовується 256 стандартних амплітуд, які потім кодуються 8-розрядними двоічними словами.

Таким чином, результат кожного відліку дається одним байтом. Маємо: 8000 байтів за секунду і 8 бітів в кожному байті. Швидкість потоку даних, який передає людську мову, складає: 8000 відліків за секунду помножено на 8 бітів на відлік, отримуємо 64Кбіт/с.

Оскільки ІКМ була першою стандартною технологією, яка отримала широке застосування в цифрових системах передавання, пропускна здатність каналу, рівна 64Кбіт/с, стала всесвітнім стандартом для цифрових мереж всіх видів. Всі сучасні цифрові лінії мають пропускну здатність, 64Кбіт/с, або кратну до цієї величини.

Технологія ІКМ, являє собою сьогодні найбільш загальний метод перетворення аналогових мовних сигналів в цифрову форму.

Однак ІКМ і канал 64Кбіт/с стандартизувались в 1970 роки. Сучасні технології цифрової обробки сигналів мають набагато дієвіші способи кодування. Мається на увазі, що можна добитися кращої якості при тій самій швидкості передавання бітів, або рівноцінної якості при більш низький швидкості передавання.