Puhetie, PCM järjestelmä, johtokoodi

Transkriptio

1 Puhetie, PCM järjestelmä, johtokoodi PCM ~ Pulse Code Modulation Näytteenotto Kvantisointi ÿ Lineaarinen ÿ Epälineaarinen Kvantisointisärö TDM-kanavointi PCM-kehysrakenne, CRC -ylikehys PCM, PCM, PCM 8, PCM 9 PCM-johtokoodit Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - Kurssin kuva välitysjärjestelmästä H. or SIP IP SIP or ISUP CS, R IP HLR PBX ISDN Kytkentäkenttä MP puhetie YKM ISUP N V5 Ohjaus INP SCP Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - Page

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

3 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 96-luvulla. PCM-muunnoksella on neljä vaihetta: Suodatus Näytteistys Kvantisointi Koodaus Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - 5 nalogisen signaalin näytteenotto nalogista signaalia näytteistetään 8kHz taajuudella, jolloin näyteväli on 5us. Näin muodostuu PM-signaali 5us Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - 6 Page

4 Pulse mplitude Modulation PM nalogisen signaalin näytteenotolla muodostuu amplitudiriippuva aikadiskreetti signaali PM. PM-signaalista muodostetaan PCM-koodia kvantisoinnilla. Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - 7 Kvantisointi likiarvoistaa näytteet Kvantisoinnissa jatkuvat amplitudiarvot diskretisoidaan. Kvantisoinnissa tulisi pyrkiä eri arvojen yhtä suureen esiintymis todennäköisyyteen Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - 8 Page

5 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 9 n=sananpituus Kvantisointivirhe Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - 9 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 -k Tiedonvälitystekniikka I - Page 5

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

7 -lain mukainen kvantisointikuvio 6 5 xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx ½Vmax /Vmax /8Vmax /6Vmax /Vmax /6Vmax ½Vmax Vmax Vmax X(Vin) 5 6 Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - Segmentin sisäinen kvantisointi Yksittäisen segmentin sisällä kvantisointi on lineaarinen Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - Page 7

8 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 =log V in /V comp Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - 5 PCM-hierarkia PCM-hierarkia muodostuu aikajakoisella kanavoinnilla suoritettavasta yhteyksien lomittelusta. Hierarkian perusnopeus on yhden puhekanavan vaatima bittinopeus S=8Hz* 8bit = 6kbit/s Näitä puhekanavia kanavoidaan yhteydelle ryhmiksi: -puhekanavaa -puhekanavaa 8-puhekanavaa 9-puhekanavaa Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - 6 Page 8

9 PCM (E) Televerkon yleisin informaation kytkentä- ja siirtomuoto on PCM. PCM sisältää: synkronoitumis- ja hallintakanava merkinantokanava puhekanavaa Kanava on PCM-kehyksen yksittäinen aikaväli (5us), joka muodostuu TDM-kanavoinnin yhteydessä. PCM -järjestelmässä siirretään siis aikaväliä, kukin 6kbit/s. Tästä seuraa kokonaisnopeus 8kbit/s Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - 7 PCM -kehys PCM -kehys muodostuu aikavälistä ikaväli on varattu synkronointiin ja hallintaan ikaväli 6 on varattu merkinannolle ikavälit -5 ja 7- ovat yksittäisiä puhekanavia Parillisen ja parittoman siirtokehyksen rakenne on erilainen Parillinen kehys sisältää synkronoitumiseen tarvittavan kehyslukitusmerkin (C ) aikavälissä. C on CRC-bitti, jolla varmistetaan kehyslukitusinformaatio. Pariton kehys siirtää hälytystietoja. Jotta väärää kehyslukitusta ei sattuisi on parittoman kehyksen aikavälin toinen bitti asetettu kiinteästi arvoon. Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - 8 Page 9

10 Puhekanavat - Merkinantokanava PCM-hälytykset, kehyslukitus Eli t6 onkin nyt puhekäytössä! Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - 9 Parillinen PCM -kehys ylikehys = 6 kehystä K K K K K K5 K6 K7 K8 K9 K K K K K K5 kehys = aikaväliä (parillinen kehys) T T T T T T5 T6 T7 T8 T9 T T T T T T5 T6 T7 T8 T9 T T T T T T5 T6 T7 T8 T9 T T KL puhekanavat -5 M puhekanavat 6- 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 CRC-bitti PCM- aikavälien käyttö Suomen YKMverkossa kehyslukitusaikaväli T 7 bitin lukitusmerkki joka toisessa kehyksessä ylikehyslukitusmerkki kehyksessä merkinantoaikaväli T6 ylikehyslukitushälytys polariteetti puhekanava 6 aikaväli T7 näytteen amplitudin suuruus Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - Page

11 Pariton PCM -kehys ylikehys = 6 kehystä K K K K K K5 K6 K7 K8 K9 K K K K K K5 kehys = aikaväliä (pariton kehys) T T T T T T5 T6 T7 T8 T9 T T T T T T5 T6 T7 T8 T9 T T T T T T5 T6 T7 T8 T9 T T KL puhekanavat -5 M puhekanavat 6- B B B B B5 B6 B7 B8 B B B B B5 B6 B7 B8 C D D D D D a b c d a b c d CRC-bitti kehyslukitusaikaväli T merkinantoaikaväli T6 databitit kanavan merkinantobitit kaukopään hälytys Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - CRC- laskenta varmistaa, että kehyslukitus ei voi lukkiutua käyttäjän lähettämään kehyslukitusmerkkiin (x) CRC- ylikehys I- puolikas kanavan 6 merkinantobitit IIpuolikas kehysnr t/ t/ C C C C C C C E C E C C - CRC -bitit E - CRC-error bitit - CRC -kehysmerkki - kaukopään hälytys( t- kehyslukitus menetetty) Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - Page

12 E Kehyslukitusalgoritmi/ G.76 Search for Frame alignment SF_CRC-MultiFrame alignment Eightbits=y ssume Frame n In t of Frame n+ Eightbits=yyyyyyy Frame n+/t Eightbits=y SF_CRC-MultiFrame alignment no Two correct CRC s within8mspacedby msorn xms Monitor CRC and Frame alignm. Three consequtive errors in y or in yyyyyyy Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - Ylemmät hierarkiat PCM-järjestelmän monikerrat PCM (E),8Mbit/s PCM (E) 8,8 Mbit/s PCM 8 (E),68 Mbit/s PCM 9 (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. I Loss of CRCmultiframe PCM-perusjärjestelmä II 8 Mbit/s III Mbit/s IV 9 Mbit/s V 565 Mbit/s Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - Page

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

14 High Density Binary - HDB HDB -koodissa Binäärinen ykkönen vaihtelee, kuten MI-koodissa Binäärinen nolla ÿ Ensinmäinen nolla siirretään ykkösenä mikäli edellisessä nollajaksossa oli muokkaus ÿ Toista ja kolmatta nollaa ei siirretä ÿ Neljäs perättäinen nolla aiheuttaa muokkauksen eli siirrettään samalla polariteetilla kuin edeltävä ykkönen tai ykkönen - Inversio Rka/ML -k 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 (-) ++ BV Parillinen Posit (+) -- BV +V HDB -V B V V B V or inverse HBD - high density bipolar V - violation B - balance Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I - 8 Page

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