kompresja analogowa i kodowanie równomierne

Kodowanie mowy w telefonii PCM
ITU-T G.711
ITU-T G.722
ITU-T G.711
Problem - stosunek S/N zależy znacznie od poziomu sygnału;
słabe sygnały są kodowane z dużym względnym błędem kwantyzacji
S
, dB  6  n
N
silny sygnał – OK
słaby sygnał - ?
czy warto zmniejszać szerokość przedziału kwantyzacji,
czyli zwiększać ilość bitów ?
lepiej utrzymywać wysoki poziom sygnału
poprzez jego kompresję
przykładowy przebieg sygnału wejściowego
kompresor
po zdekodowaniu
potrzebna jest
operacja odwrotna
- ekspansja w ekspanderze
kompresja wg tzw. krzywej A (stosowana w Europie)
y
1  ln Ax
1  ln A
A = 87,6
dla x > 1/A
y
Ax
1  ln A
1  ln Ax 1  ln A  ln x
ln x

 1
1  ln A
1  ln A
1  ln A
kompresja wg tzw. krzywej  (stosowana w USA)
ln( 1  x )
y
ln( 1  )
= 255
nieznaczne różnice
między krzywymi A i 
odcinek linii prostej
stosowanie kompresji jest możliwe też na drodze cyfrowej
kompresja analogowa
i kodowanie równomierne
kodowanie nierównomierne
- odpowiednik kompresji
Cały zakres zmienności sygnału „w jedną stronę” (np. 0-1V)
podzielony jest na 8 przedziałów o szerokościach równych
1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, 1/64, 1/128 i 1/128 całego zakresu
16
16
16
w każdym z tych przedziałów
jest po 16 podprzedziałów
kwantyzacji
(o różnej szerokości)
binarny zapis numeru przedziału
wartość próbki sygnału kodowana jest przez 7 bitów, z tego
3 pokazują numer przedziału,
4 bity pokazują jedną z 16 wartości w tym przedziale
pokazują podprzedział
do tego dodawany jest jeszcze bit znaku = 0 - gdy x > 0 , = 1 - gdy x < 0
Kompresja w koderze
numer
przedziału
numer
przedziału
wartość
maksymalna w przedziale
przetwornik A/C – 11+1 bitowy
0
przed kompresją
bit znaku
po kompresji
Uzyskuje się bardzo dobrą zgodność z wymaganą krzywą kompresji
najmniejszych przedziałów kwantyzacji
w zakresie zmian sygnału (0-1) jest 2048 = 211
największych przedziałów kwantyzacji
w zakresie zmian sygnału (0-1) jest 16+16 = 32 = 25
bit znaku
największe wartości sygnału kodowane są z
rozdzielczością 1+5 = 6 bitową
najmniejsze wartości sygnału kodowane są z
rozdzielczością 1+11 = 12 bitową
bit znaku
kodowanie A
Kodowanie mowy wg zalecenia ITU-T G.722
Pasmo mowy = 7 kHz
Przepływność nadal 64 kb/s – jak to jest możliwe?
1)
częstotliwość próbkowania 16 kHz!
2)
podział pasma 50 - 4000 Hz i 4000 - 7000 Hz
3)
oddzielne kodowanie pasm: 6 + 2 bity
4)
adaptacyjne kodowanie różnicowe (~delta)
filtry cyfrowe
Adaptive Differential PCM
bardzo uproszczony schemat blokowy kodera ADPCM
CENTRALE TELEFONICZNE
Generacje central telefonicznych

ręczne

biegowe (Siemens, Strowger)
 sygnalizacja dekadowa

krzyżowe (Pentaconta, ARF102)
 sygnalizacja dekadowa
 sygnalizacja R2

elektroniczne (ECWB, EIOA)
 sygnalizacja dekadowa
 sygnalizacja R2

cyfrowe (5ESS, S12, DGT)
 sygnalizacja SS7
wybierak Strowgera
strowger
Nowsze centrale elektromechaniczne systemu Pentaconta (F)
wybieraki krzyżowe
stan wyjściowy
po pierwszej cyfrze
po drugiej cyfrze
wybierak Pentaconta
Współczesne centrale telefoniczne = cyfrowe, z komutacją elektroniczną
Komutacja bezstykowa
niezawodność
szybkość
komutowane sygnały mowy muszą występować w postaci cyfrowej (PCM)
współpraca centrali z aparatami analogowymi
współpraca centrali z aparatami cyfrowymi
Schemat blokowy centrali
pole komutacyjne
AZL
AZL
AZL- Abonencki Zespół Liniowy
SLIC - Subscriber Line Interface Circuit
funkcje AZL
podawanie zasilania 48V do abonenta
zabezpieczenie przepięciowe
B
O
podawanie sygnału dzwonienia 60V, 25 Hz
sygnalizacja stanu pracy linii
przetwarzanie A/C i C/A
transformacja linii 2/4 i 4/2
R
S
C
H
testowanie linii
T
biegunowość napięcia zasilającego – dlaczego uziemiony jest „+”?
układ centrali
jony miedzi są odpychane od przewodów
– przewody szybko ulegają rozpuszczeniu
(korozji)
jony miedzi są przyciągane przez przewody
– korozja przewodów jest zahamowana.
Komutacja w centrali
komutacja czasowa
- przeniesienie zawartości jednej szczeliny czasowej do innej szczeliny,
w tym samym trakcie PCM
komutacja przestrzenna
- przeniesienie zawartości szczeliny czasowej w jednym
trakcie PCM do tej samej szczeliny w innym trakcie
komutator czasowy
komutator czasowy
zamiana informacji szeregowej na równoległą i odwrotnie
przykładowa budowa komutatora czasowego
sekwencyjny zapis
danych wejściowych
numer kanału
wejściowego
adres komórki
odczytywanej
numer kanału
wyjściowego
dane o
połączeniach
komutator przestrzenny
komutator przestrzenny
Realizacja komutatorów przestrzennych
komutator krzyżowy (crossbar)
Realizacja komutatorów przestrzennych
komutator krzyżowy (crossbar)
połączenia
0-1
1-0
2-3
3-2
4-5
5-4
6-7
7-6
8-9
9-8
wymagana ilość punktów połączeniowych ~ n2
komutator krzyżowy 2 x 2, z którego można budować większe...
pole komutacyjne 8 x 8 z komutatorów 2 x 2
pole komutacyjne 8 x 8 z komutatorów 2 x 2
1-4
pole komutacyjne 8 x 8 z komutatorów 2 x 2
1-4
4-1
pole komutacyjne 8 x 8 z komutatorów 2 x 2
1-4
4-1
6-3
pole komutacyjne 8 x 8 z komutatorów 2 x 2
1-4
4-1
6-3
3-5
stan blokady pola komutacyjnego
nie można zrealizować połączeń 5 - 2, 7 - 2, 2 - 7, itd.
Pola nieblokowalne Closa
komutatory w x m
komutatory n x k
komutatory m x r
dość duża liczba
Pole jest nieblokowalne, gdy
m  w  r 1
pole komutacyjne 8 x 8
liczba wejść
komutatorów wejściowych
liczba wyjść
komutatorów wyjściowych
m  w  r  1  w  2, r  2, n  4, k  4
m3
liczba komutatorów
wejściowych
liczba komutatorów
wyjściowych
pole komutacyjne 8 x 8
pole komutacyjne 8 x 8
ilość
punktów
komutac = ?
pole komutacyjne 8 x 8
1–8
2–3
3–4
4–2
5–5
6–7
7–1
8- 6
ISDN
Integrated Service Digital Network
lub
It Still Does Nothing
Etapy cyfryzacji sieci telefonicznej
ISDN
Integrated Service Digital Network
lub
It Still Does Nothing
sieć telefoniczna
sieci
dedykowane
(„jednousługowe”)
sieć telegraficzna
wydzielone sieci danych
sieci foniczne wysokiej jakości
szerokopasmowe sieci analogowe
wąskopasmowa sieć ISDN
N- ISDN
sieci foniczne wysokiej jakości
szerokopasmowe sieci analogowe
szerokopasmowa sieć ISDN
B- ISDN
W 1988 r. opracowano (ITU -T) pierwsze rekomendacje
dla sieci ISDN;
są one równoważne normom międzynarodowym.
Co można podłączyć do sieci ISDN?
telefony 3,1 kHz;
telefony 7 kHz;
telefaksy grupy 4;
wideotelefony;
Nie ogranicza się zakresu...
itp. urządzenia z interfejsem ISDN.
Przykładowe możliwości w telefonie:
prezentacja numeru; zabronienie prezentacji numeru,
wielokrotny numer abonenta, przenośność terminala,...
B - kanał informacyjny
o przepływności 64 kb/s,
D - kanał sterujący
o przepływności 16 kb/s,
2B+D = 144 kb/s
(160 kb/s)
D - kanał sterujący
o przepływności 64 kb/s,
30B+D = 1984 kb/s
(2048 kb/s)
Kanał dostępu podstawowego
BRA - Basic Rate Access
3 kanały logiczne, ale tylko jeden fizyczny !
Dlaczego tylko 64 kb/s ?
u abonenta
Network
Termination
max. 8 urządzeń
sieć publiczna ISDN
magistrala
pasywna
2B+D
Zasady łączenia terminali abonenckich
czas przejścia sygnału w linii 1 km = 5 s
czas trwania bitu ~ 5 s
schemat blokowy telefonu ISDN
W styku S stosowany jest zmodyfikowany
pseudoternarny (pseudotrójwartościowy) kod AMI
(AMI - alternate mark inversion)
„normalny” kod AMI
kod zmodyfikowany (ISDN)
„0”
„1”
0V
±UV
„0”
„1”
± 0,75 V na przemian
0V
na przemian
stan wysokiej impedancji !
kod AMI w ISDN
Kod AMI
Spośród 8 urządzeń jednocześnie dwa mogą być aktywne;
pozostałe nadają „1111...”, czyli są w stanie wysokiej impedancji
O aktywności urządzenia decydują bity kanału D.
Bity kanału D wysyłane przez wszystkie urządzenia występują jednocześnie
(synchronizacja!) i są „sumowane” w jednej linii.
wysoka
impedancja
+/-U
+/-U
1 + 0
= 0
1 + 1
= 1
1 + 1 + 1 + 1 +…+ 0 = 0
0(+) + 0(+) = 0(+)
0(-) + 0(-) = 0(-)
0(+) + 0(-) = ??
zwarcie - stan niedozwolony
NT nadaje zwrotnie jako bit E bit odebrany w kanale D,
ale on jest „sumą” bitów D od wszystkich urządzeń.
Bity w kanale D od różnych urządzeń mają taką samą biegunowość
(dzięki synchronizacji wszystkich urządzeń względem NT).
sumowanie typu 0(+) + 0(-) jest niemożliwe
TE sprawdza zgodność „swojego” bitu D z odebranym bitem E.
Gdy jest niezgodność – inne urządzenie TE wymusiło ten bit E, tzn.
inne jest aktywne - należy wstrzymać próby nadawania.
Sygnalizacja w kanale D
Bity z kanału D odbierane są „jak leci”
Program nadzorczy warstwy 2. tworzy z nich ramki protokołu LAPD
(Link Access Procedure D-channel).
Program warstwy 3. „wyłuskuje” z nich wiadomości i je interpretuje
warstwa 3.
warstwa 2.
FCS =
Frame
Check
Sequence
warstwa 1.
miejsce protokołu DSS1
U abonenta linia 4-przewodowa; jedna para nadawanie, druga - odbiór
Nieduże odległości można na to sobie pozwolić
W sieci zewnętrznej musi być linia 2-przewodowa
(koszt, wykorzystanie istniejących linii analogowych).
Jak rozróżnić sygnały w takiej linii pod względem
kierunku transmisji?
1) technika ping-ponga (ograniczenie zasięgu i szybkości);
2) technika kasowania echa (współcześnie stosowana).
5km
25 s
Do przejścia z linii 4-przewodowej na 2-przewodową
potrzebny jest rozgałęźnik (hybrid).
Dlaczego trzeba kasować echo? - bo sytuacja może być daleka od ideału.
rozgałęźnik
odbicia
przenik
echo
sygnał
użyteczny
Sposób kasowania echa w zakończeniu sieciowym (NT)
adaptacyjny
tłumik (kasownik) echa
kasownik echa
sygnał błędu
styk S
styk U
kod 2B1Q
10
11
01
00
+ 2,5 V
+ 0,833 V
- 0,833 V
- 2,5 V
Kod 2B1O
ramka w styku U