2.1 СИГНАЛИЗАЦИЯ В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ С ИКМ
Термин «сигнализация по тракту ИКМ» столь же общеупотребим , сколь и ошибочен , в связи с чем обратим внимание на различие между средой передачи и соответствующими системами сигнализации. Оборудование ИКМ обеспечивает только среду цифровой передачи , в которой имеется возможность , в числе других видов информации , и передачи сигнализации. В свою очередь, системы сигнализации по одному или двум выделенным сигнальным каналам (ВСК) реализуются наряду с другими способами , и путем передачи сигналов в каналах систем ИКМ.
Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) - это метод преобразования информации из аналоговой формы в цифровую для коммутации и передачи, запатентованный А.Х. Ривесом в 1938 г. Метод включает в себя стробирование аналоговых сигналов в полосе 0.3 - 3.4 кГц, квантование и кодирование результатов в цифровой форме.
Первый теоретический результат был получен Найквистом в 1924 г. и представляет собой пропорциональную зависимость количества импульсов, которые могут быть переданы в течение единицы времени по каналу с ограниченной полосой частот, от ширины полосы частот этого канала . Далее , в 1928 г., Хартли вывел из результата Найквиста ограничение на количество данных , которые могут надежно переданы по физическому каналу. В 1942 г. Норберт Винер предложил принципиально новый подход, преодолевающий эту трудность , и решил задачу оптимальной линейной фильтрации. В 1947 г. В.А.Котельников установил фундаментальные предельные ограничения на все возможные в будущем системы модуляции и приема сигналов. Все дальнейшее развитие теории связи основывается на методах и результатах Котельникова . Важнейший результат был также опубликован Клодом Шенноном в 1948 г. Шеннон опроверг общепринятое и оказавшееся неверным представление о том, что шум накладывает неизбежные ограничения на точность связи и показал , что влияние шума при передаче по каналу с ограниченной шириной полосы частот и ограниченной величиной сигнала может быть полностью описано одним параметром , называемым пропускной способностью канала.
Стробирование заключается в замене аналогового сигнала последовательностью его мгновенных значений , отсчитываемых с определенной частотой . Согласно вышеизложенному , значение сигнала будет точно воспроизведено , если частота стробирования по крайней мере в 2 раза выше , чем частота самого сигнала . Для речевого сигнала , ограниченного при телефонной передаче частотой 3400 Гц , частота стробирования принята равной 8000 имп/с , и , следовательно , период стробирования , т. е. интервал между соседними сканированиями , равняется 125 мкс (1 с/8000=125 мкс). Точность восстановления сигнала не зависит от ширины строба . Следовательно , по одному тракту можно передавать стробы нескольких независимых друг от друга сигналов . Это и есть амплитудно-импульсная модуляция (АИМ).
Последовательность импульсов АИМ не может быть передана по линии , так как на приемной стороне из-за амплитудных искажений невозможно будет восстановить модулированный сигнал . Из теории информации следует , что для восстановления на приемной стороне модулированного сигнала с необходимой точностью достаточно располагать определенным конечным числом значений амплитуды . В системе ИКМ используется 256 уровней . Имея конечное число уровней , их можно пронумеровать и переслать по линии номер уровня . Это и составляет сущность импульсно-кодовой модуляции.
Квантование - это процесс сопоставления значений амплитуды взятого дискрета (сигнала АИМ) ближайшему выделенному уровню , т. е. одному из 256 так называемых уровней квантования. Номер каждого уровня выражается в двоичной системе счисления.
Кодирование основано на замене значения квантованного дискрета восьмиразрядным словом. Квантование и кодирование осуществляются с помощью кодера . Воспроизводимый в приемнике сигнал не совпадает в точности с передаваемым сигналом , поскольку , ввиду конечного числа уровней квантования (256) , вершина дискрета может занимать произвольное положение внутри интервала , который определяется величиной шага квантования , т. е. расстоянием между последовательными уровнями квантования. Поэтому в приемнике значение восстановленного сигнала располагается в середине интервала квантования . Таким образом , на приемной стороне принимаются два сигнала: сигнал , идентичный переданному , и разностный сигнал (разность между переданным и восстановленным сигналами) , который называется шумом квантованиия.
Такая последовательность операций обеспечивает возможность представления сериями 8-битовых кодов любых аналоговых сигналов . Эти 8-битовые коды из различных разговорных каналов размещаются в соответствующих временных интервалах и собираются в блоки для передачи . Методика называется временным разделением каналов (ВРК). Структура временных интервалов зависит от применяемых стандартов: ИКМ-30 ИКМ-24 , ИКМ-15 , ИКМ-12 и т.п.
Ширина полосы , необходимая для передачи сигнализации , намного меньше , чем для передачи речи , поэтому сигнализация для нескольких разговорных каналов в системе ИКМ может осуществляться в небольшой части полосы ИКМ тракта . Это может быть сигнализация по выделенным сигнальным каналам (ВСК) или общеканальная сигнализация (ОКС).
В случае ВСК необходима идентификация разговорного канала , к которому относится тот или иной линейный сигнал , что осуществляется фиксацией положения сигнальных битов . Сигналы , имеющие отношение к соответствующему разговорному каналу , всегда передаются битами , размещенными в специально назначенной для этого разговорного канала позиции.
ITU-T определил стандарты ИКМ сигнализации для 30-канальных и 24-канальных систем . На телефонных сетях Российской Федерации и стран СНГ используются также 15-канальные и 12-канальные системы . Организация передачи сигнализации в этих четырех стандартах различна.
В 30-канальных системах ИКМ 8-битовые коды , относящиеся к 30 речевым каналам , составляют «циклы». Каждый 8-битовый код вставляется во временной интервал внутри цикла . Временной интервал 0 используется для целей синхронизации , а временные интервалы 1-15 и 17-31 используются для передачи речевых сигналов. Временной интервал 16 предназначается для сигнализации . Первые четыре бита используются для образования четырех сигнальных каналов (а, Ь, с, d) одного разговорного канала , а последние четыре бита в байте 16-го канала используются для образования четырех сигнальных каналов (а, Ь, с, d) другого разговорного канала . В следующем цикле через 125 мкс передаются сигналы , относящиеся к другой паре разговорных каналов . Шестнадцать циклов составляют «сверхцикл» , в течение которого производится однократная передача сигнализации для всех 30 разговорных каналов.
Для определения номера цикла в сверхцикле в 16-ом временном канале нулевого цикла передается сверхцикловой синхросигнал , от которого ведется отсчет сигнальных каналов . Временной интервал 16 в цикле 1 включает в себя сигнальные биты для разговорных каналов 1 и 16, временной интервал 16 в цикле 2 включает в себя сигнальные биты для разговорных каналов 2 и 17 и т.д. Так как в сверхцикле 16 циклов , то период дискретизации сигнальных каналов равен 16*125мкс=2мс . Следовательно , искажение линейной сигнализации при передаче в ИКМ-30 может составить 2мс .
Основные параметры системы ИКМ-30/32 , используемой на российских телефонных сетях:
Число канальных интервалов (каналов) в цикле 32
В том числе:
речевых 30
сигнальных 1
синхронизации 1
Длительность цикла , мкс 125
Длительность интервала , мкс 125:32=3,9
Число разрядов (бит) в канальном интервале 8
Частота
стробирования , имп/с 8000
Число уровней квантования 256
Пропускная способность системы Мбит/с 32х8х8х103=2,048±50х10-6
В 24-канальных системах ИКМ применяется другой метод - метод захвата бита . В этом случае два цикла внутри сверхцикла - цикл 6 и цикл 12 обозначаются как циклы сигнализации . В этих циклах первые 7 бит используются для кодирования речи , а последний 8-й бит используется для сигнализации (табл.2.1.1). Такое использование битов для сигнализации практически не оказывает воздействия на качество передачи речи в телефонных каналах .
Таблица 2.1.1 Сигнализация в 24-канальной системе ИКМ
| Номер цикла |
Номер бита в каждом временном интервале, используемый для : |
Канал сигнализации |
|
| передачи речи |
сигнализации |
||
| 1 |
1-8 |
- |
|
| 2 |
1-8 |
- |
|
| 3 |
1-8 |
- |
|
| 4 |
1-8 |
- |
|
| 5 |
1-8 |
- |
|
| 6 |
1-7 |
8 |
А |
| 7 |
1-8 |
- |
|
| 8 |
1-8 |
- |
|
| 9 |
1-8 |
- |
|
| 10 |
1-8 |
- |
0 |
| 11 |
1-8 |
- |
|
| 12 |
1-7 |
8 |
В |
Линейные сигналы, представленные в таблице 2.1.2, предназначены для передачи информации , изменяющей статус разговорного канала , к которому относится тот или иной сигнал . Основная линейная сигнализация включает установление и освобождение разговорного канала. Значения линейных сигналов: «Занятие» обозначает запрос на использование определенного разговорного канала для устанавливаемого соединения ; «Ответ» обозначает , что вызываемый абонент Б ответил на вызов ; «Разъединение» обозначает , что вызывающий абонент А закончил разговор; «Отбой» обозначает , что вызываемый абонент Б закончил разговор.
Таблица 2.1.2. Примеры кодирования для каналов сигнализации в
24-канальных системах ИКМ (система сигнализации Bell D2)
| Сигнал в прямом направлении |
Значение переданного сигнального бита |
Сигнал в обратном направлении |
Значение переданного сигнального бита |
| Исходное состояние Занятие Разъединение (Отбой А) |
0 1 0 |
Свободно Ответ Отбой Б |
0 1 0 |