Kanavointi ja PCM järjestelmä

Transkriptio

1 Kanavointi ja PCM järjestelmä Kanavointi PCM ~ Pulse Code Modulation ƒ Näytteenotto ƒ Kvantisointi y Lineaarinen y Epälineaarinen ƒ Kvantisointisärö TDM-kanavointi ƒ PCM 0, PCM 0, PCM 80, PCM 90 Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - Kanavointi pakkaa yhteyksiä johdolle Kanavoinnille on periaatteessa kolme vaihtoehtoista tapaa ƒ Taajuusjakoinen kanavointi FDM ƒ Aikajakoinen kanavointi TDM ƒ Koodijakoinen kanavointi CDM Kanavoinnissa pyritään hyödyntämään olemassa olevaa siirtoyhteyttä tehokkaammin. kanava kanava siirtotie N khz f / Hz FDM-periaate TDM-periaate Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - Page

2 Frequency Division Multiplexing Perustuu kantoaaltoon, jota moduloidaan lähetettävällä signaalilla Puheensiirrossa käytettävä kaistanleveys on khz Yksittäisten yhteyksien erotteluun tarvitaan ainoastaan kaistanpäästösuodatin Soveltuu analogiselle signaalille Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - Time Division Multiplexing Aikajakoinen välitystekniikka, joka perustuu näytteistykseen ja näyteiden lomittamiseen yhdelle siirtoyhteydelle. Käytetään yleisimmin televerkossa Soveltuu digitaalisen informaation siirtoon Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - Page

3 Näytteenotto Nyquistin teoreema ƒ Jos taajuusrajoitettua analogista signaalia näytteistetään säännöllisesti vähintään kaksinkertaisella taajuudella signaalin korkeimpaan taajuuskomponenttiin nähden, sisältää se kaiken informaation alkuperäisestä signaalista. Alkuperäinen signaali voidaan muodostaa uudelleen alipäästösuodattimella. Puheensiirrossa on määritelty käytettäväksi taajuusalueeksi 00-00Hz, jolloin tarvittava näytteenotto taajuus on 6,8kHz. Käytännössä, koska analogisissa järjestelmissä siirtokanava on khz, käytetään digitaalisissa järjestelmissä 8kHz näytteenottoa. Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - 5 Digitaalinen puheensiirto Siirtoyhteys on periaatteessa yksinkertainen mikrofoni, A/D-muunnin, D/A-muunnin ja kaiutin Tosiasiassa joudutaan signaalia käsittelemään ennen varsinaista muunnosta mikrofoni kytkin siirtotie alipäästösuodatin A/D -koodaus D/A -dekoodaus kuuloke näytteenpitokondensaattori Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - 6 Page

4 Pulse Code Modulation - PCM PCM:n idea on analogisen puhekanavan digitoiminen digitaalisiin kytkentä- ja siirtojärjestelmiin sopivaksi. PCM menetelmä on keksitty jo vuonna 97 mutta ensinmäiset todelliset sovellutukset tulivat transistoritekniikan myötä 960-luvulla. PCM-muunnoksella on neljä vaihetta: ƒ Suodatus ƒ Näytteistys ƒ Kvantisointi ƒ Koodaus Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - 7 Analogisen signaalin näytteenotto Analogista signaalia näytteistetään 8kHz taajuudella, jolloin näyteväli on 5us. Näin muodostuu PAM-signaali 5us Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - 8 Page

5 Pulse Amplitude Modulation PAM Analogisen signaalin näytteenotolla muodostuu amplitudiriippuva aikadiskreetti signaali PAM. PAM-signaalista muodostetaan PCM-koodia kvantisoinnilla. Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - 9 Kvantisointi likiarvoistaa näytteet Kvantisoinnissa jatkuvat amplitudiarvot diskretisoidaan. Kvantisoinnissa tulisi pyrkiä eri arvojen yhtä suureen esiintymis todennäköisyyteen Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - 0 Page 5 5

6 Kvantisointikohina Kvantisoinnissa syntyy kohinaa, jota kutsutaan kvantisointikohinaksi. Kvantisointikohina muodostuu jatkuvien arvojen diskretisoinnista ja on maksimissaan ½ kvantisointiaskelta. Lineaarisen kvantisoinnin signaali/kohina -suhde S/D=6n+,8 db 0 9 n=sananpituus Kvantisointivirhe Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - Lineaarinen vs epälineaarinen Näytteiden kvantisoinnissa tulisi pyrkiä mahdollisimman tasaiseen arvojen käyttöön, eli jokaisen tason esiintymistodennäköisyyden tuli olla yhtä suuri. Tästä seuraa myös mahdollisimman pieni kohina, koska tasoja on tiheämmässä signaalin tyypillisellä arvoalueella. Puhesignaali sisältää pieniä signaaliarvoja suuremmalla todennäköisyydellä kuin suuria signaalin arvoja --> epälineaarinen kvantisointi Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - Page 6 6

7 Epälineaarisuus Epälineaarinen signaalin muunnos on mahdollista toteuttaa kahdella tavalla: ƒ Epälineaarisella kvantisoinnilla ƒ Kompressoinnilla ennen lineaarista kvantisointia Epälineaarinen kvantisointi voidaan toteuttaa esim esimerkiksi viritetyillä vastusverkoilla, kun taas kompressio vaatii epälineaarisen vahvistimen. Riippumatta toteutustavasta on epälineaariselle muunnokselle olemassa funktio, jonka mukaan muunos tasot määräytyvät. ƒ Euroopassa (ETSI) A-funktio ƒ USAssa (ANSI) µ-funktio Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - PCM-koodaus ja kvantisointi ETSI:n märityksiä noudattelevissä maissa suoritetaan puheen koodaus ja kvantisointi kahdeksalla bitillä. ƒ -bitti kertoo signaalin polariteetin ƒ - -bitti kertoo epälineaarisen kvantisoinnin segmentin ƒ 5-8 -bitti antaa arvon kvantisointisegmentin sisällä Epälineaarisuus on määritelty ns. A-lailla Ax, 0 x + ln( A) A + ln Ax, x + ln( A) A A:n arvoksi on valittu 87,6 Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - Page 7 7

8 A-lain mukainen kvantisointikuvio xxxx 0 xxxx 0 xxxx 00 xxxx 0 xxxx 00 xxxx 00 xxxx 000 xxxx ½Vmax /Vmax /8Vmax /6Vmax /Vmax /6Vmax ½Vmax 0 Vmax Vmax X (Vin) 5 6 Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - 5 Segmentin sisäinen kvantisointi Yksittäisen segmentin sisällä kvantisointi on lineaarinen Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - 6 Page 8 8

9 Lineaarinen vs epälineaarinen kvantisointi Lineaarista ja epälineaarista kvantisointia voidaan verrata niiden tuottaman signaalin resoluution paranemisella. Epälineaarinen kvantisointi on painotettu pienille signaalinarvoille, joilla resoluutio on jopa db parempi. G db =0log V in /V comp Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - 7 PCM-hierarkia PCM-hierarkia muodostuu aikajakoisella kanavoinnilla suoritettavasta yhteyksien lomittelusta. Hierarkian perusnopeus on yhden puhekanavan vaatima bittinopeus S=8000Hz* 8bit = 6kbit/s Näitä puhekanavia kanavoidaan yhteydelle ryhmiksi: ƒ 0-puhekanavaa ƒ 0-puhekanavaa ƒ 80-puhekanavaa ƒ 90-puhekanavaa Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - 8 Page 9 9

10 PCM 0 (E) Televerkon yleisin informaation kytkentä- ja siirtomuoto on PCM 0. PCM 0 sisältää: ƒ synkronoitumis- ja hallintakanava ƒ merkinantokanava ƒ 0 puhekanavaa Kanava on PCM-kehyksen yksittäinen aikaväli (5us), joka muodostuu TDM-kanavoinnin yhteydessä. PCM 0 -järjestelmässä siirretään siis aikaväliä, kukin 6kbit/s. Tästä seuraa kokonaisnopeus 08kbit/s Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - 9 PCM 0 -kehys PCM 0 -kehys muodostuu aikavälistä ƒ Aikaväli 0 on varattu synkronointiin ja hallintaan ƒ Aikaväli 6 on varattu merkinannolle ƒ Aikavälit -5 ja 7- ovat yksittäisiä puhekanavia Parillisen ja parittoman siirtokehyksen rakenne on erilainen ƒ Parillinen kehys sisältää synkronoitumiseen tarvittavan kehyslukitusmerkin (C0 0 0 ) aikavälissä 0. C on CRC-bitti, jolla varmistetaan kehyslukitusinformaatio. ƒ Pariton kehys siirtää hälytystietoja. Jotta väärää kehyslukitusta ei sattuisi on parittoman kehyksen aikavälin 0 toinen bitti asetettu kiinteästi arvoon. Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - 0 Page 0 0

11 Puhekanavat - Merkinantokanava PCM-hälytykset, kehyslukitus 0 Eli t6 onkin nyt puhekäytössä! Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - Parillinen PCM 0 -kehys ylikehys = 6 kehystä K0 K K K K K5 K6 K7 K8 K9 K0 K K K K K5 kehys = aikaväliä (parillinen kehys) T0 T T T T T5 T6 T7 T8 T9 T0 T T T T T5 T6 T7 T8 T9 T0 T T T T T5 T6 T7 T8 T9 T0 T KL puhekanavat -5 MA puhekanavat 6-0 B B B B B5 B6 B7 B8 B B B B B5 B6 B7 B8 B B B B B5 B6 B7 B8 C A CRC-bitti PCM- aikavälien käyttö Suomen YKMverkossa kehyslukitusaikaväli T0 7bitin lukitusmerkki jokatoisessa kehyksessä merkinantoaikaväli T6 ylikehyslukitusmerkki kehyksessä 0 ylikehyslukitushälytys polariteetti puhekanava 6 aikaväli T7 näytteen amplitudin suuruus Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - Page

12 Pariton PCM 0 -kehys ylikehys = 6 kehystä K0 K K K K K5 K6 K7 K8 K9 K0 K K K K K5 kehys = aikaväliä (pariton kehys) T0 T T T T T5 T6 T7 T8 T9 T0 T T T T T5 T6 T7 T8 T9 T0 T T T T T5 T6 T7 T8 T9 T0 T KL puhekanavat -5 MA puhekanavat 6-0 kehyslukitusaikaväli T0 merkinantoaikaväli T6 B B B B B5 B6 B7 B8 B B B B B5 B6 B7 B8 C A D D D D D a b c d a b c d CRC-bitti databitit kanavan merkinantobitit kaukopään hälytys Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - Ylemmät hierarkiat PCM-järjestelmän monikerrat ƒ PCM 0 (E),08Mbit/s ƒ PCM 0 (E) 8,8 Mbit/s ƒ PCM 80 (E),68 Mbit/s ƒ PCM 90 (E) 9,6 Mbit/s Monikerrat perustuvat neljän alemman tason kehyksen aikajakoiseen kanavointiin ylemmäksi kehykseksi. Tähän ylempään kehykseen liitetään myös hallinta- ja ohjaus Mbit/s aikavälejä. 0 I kanavan 6 merkinantobitit PCM-perusjärjestelmä II 8 Mbit/s III Mbit/s IV 9 Mbit/s V 565 Mbit/s Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - Page

13 PCM-järjestelmän johtokoodi PCM-järjestelmässä hyödynnetään bipolaarista siirtoa. Binäärinen ykköstä siirretään ainoastaan 50% jakson aikaa. ƒ Ei tarvita erillistä tasajänniteen poistoa siirtoyhteydeltä ƒ Tehospektri keskittyy ½ bittinopeuden kohdalle PCM-järjestelmissä käytetään kahta vaihtoehtoista johtokoodia: ƒ AMI - Alternate Mark Inversion ƒ HDB - High Density Binary Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - 5 Alternate Mark Inversion - AMI AMI-koodissa ƒ Binäärinen ykkönen vaihtaa polaritettia jokaisella esiintymiskerralla ƒ Binäärinen nolla ei aiheuta muutosta johdolla Heikkous on tahdistuksen katoaminen, jos pitkiä nollasarjoja esiintyy Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - 6 Page

14 High Density Binary - HDB HDB -koodissa ƒ Binäärinen ykkönen vaihtelee, kuten AMI-koodissa ƒ Binäärinen nolla y Ensinmäinen nolla siirretään ykkösenä mikäli edellisessä nollajaksossa oli muokkaus y Toista ja kolmatta nollaa ei siirretä y Neljäs perättäinen nolla aiheuttaa muokkauksen eli siirrettään samalla polariteetilla kuin edeltävä ykkönen tai ykkönen Inversio Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - 7 HDB korvaussäännöt B pulssien lkm edellisen rikkeen jälkeen Viimeisen B pulssin polariteetti Linja koodi Linja koodin esitys B - bipolaaripulssi Pariton Negat (-) V Pariton Positiiv (+) V Parillinen Negat (-) +00+ B00V Parillinen Posit (+) -00- B00V +V HDB 0 -V B 0 0 V V B V or inverse HBD - high density bipolar V - violation B - balance Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - 8 Page

15 HDBN -vastaanotin alustaa itsensä etsimällä rikkeen ja dekoodaa sen jälkeen N+ -bitin ryhmiä HDB -vastaanotin: Alustus Tulkitse 0=0, +/- =, laske pulssit Kunnes löytyy AMI-koodin rike tulevasta signaalista = kaksi peräkkäistä + tai - pulssia, =>tulkinta pariton& edellinen 000V = 0000, parillinen& ed. B00V =0000 =>seuraava bitti aloittaa -bitin ryhmän laske pulssien lkm seuraavista biteistä 0 --> tulkinta on > tulkita on (inkrementoi lkm ) - --> tulkinta on ( inkrementoi lkm) lkm = pariton & 000V tulkinta = 0000 lkm=parillinen & B00V tulkinta = 0000 Rka/ML -k98 Tiedonvälitystekniikka I - 9 Page 5 5