Dokończenie - Serwis Elektroniki

Transmisja cyfrowa
Transmisja cyfrowa
Andrzej Brzozowski
Wynalezienie telefonu w latach 70. XIX wieku rozpoczê³o
rozwój transmisji analogowej. Najprostszy zestaw, jakim by³y
dwa telefony po³¹czone przewodem bardzo szybko okaza³ siê
niewystarczaj¹cy dla powszechnego u¿ytku. Zaczêto tworzyæ
sieci analogowe do przesy³ania sygna³ów telefonicznych oraz
sygna³ów dŸwiêku z innych Ÿróde³.
Sieci analogowe rozwija³y siê we Francji, Wielkiej Brytanii, USA i na Wêgrzech. System transmisji przewodowej rozwijany w Wielkiej Brytanii nazywa³ siê “Electrophone”. W
Pary¿u system nazywany “Theatrophone” stosowano do przesy³ania dŸwiêku z Opery Paryskiej do specjalnych pomieszczeñ ods³uchowych umo¿liwiaj¹cych ods³uch stereo.
Kolejnym krokiem w rozwoju transmisji analogowej by³o
opracowanie lamp. Zastosowanie lamp umo¿liwi³o wzmocnienie sygna³ów dŸwiêkowych i przesy³anie ich na wiêksze odleg³oœci. Opracowanie i rozwijanie technologii oscylatorów i modulatorów umo¿liwi³o transmisjê sygna³ów radiowych. Techniki analogowe osi¹gnê³y szczyt rozwoju w latach 40. i 50.
XX wieku – w czasie drugiej wojny œwiatowej. Kolejnym krokiem technologii analogowej by³a telewizja.
Technologia cyfrowa rozpoczyna siê w momencie opracowania tranzystora. Wczeœniej by³y wykonywane próby zastosowania lamp w technologii cyfrowej, ale lampy nie dzia³a³y
skutecznie jako elementy prze³¹czaj¹ce. Wynika³o to z faktu,
¿e dla lampy nie mo¿na by³o precyzyjnie zdefiniowaæ stanów
za³¹czenia i wy³¹czenia. Dodatkowo, przy pracy jako urz¹dzenie prze³¹czaj¹ce lampa pobiera³a znaczn¹ moc. Opracowanie
tranzystora sta³o siê motorem rozwoju technologii cyfrowej.
Transmisja cyfrowa stosowana na ca³ym œwiecie pozwala
na przesy³anie ogromnej iloœci sygna³ów cyfrowych przenosz¹cych dŸwiêk, obraz i dane. Wiêkszoœæ sieci transmisji cyfrowej umieszczonych jest pod ziemi¹, czêœæ z nich wykorzystuje systemy satelitarne.
Pierwsze sieci telefoniczne tworzone by³y z dwóch telefonów po³¹czonych przewodem. Szybko jednak ten prosty zestaw okaza³ siê niewystarczaj¹cy dla u¿ytku powszechnego.
Budowa sieci publicznej wymaga³a stworzenia central telefonicznych. Rozrastanie siê sieci pod wzglêdem iloœci przy³¹czonych abonentów oraz obejmowanego obszaru narzuci³o koniecznoœæ po³¹czenia central wieloma kana³ami równoczeœnie.
Pocz¹tkowo na jedno ³¹cze nios¹ce jedn¹ rozmowê telefoniczn¹ przypada³a jedna para miedzianych przewodów. Przy du¿ych odleg³oœciach dziel¹cych abonentów konieczne by³o kompensowanie t³umienia przewodów – dla ka¿dego ³¹cza oddzielnie. Wzrost rozmiarów ruchu miêdzy centralami spowodowa³
nieop³acalnoœæ takiego sposobu transmisji. Postanowiono umieœciæ w pojedynczym przewodzie wiêcej równoczeœnie prowadzonych rozmów zapewniaj¹c zwiêkszenie zasiêgu.
W latach 70. XX wieku w systemach telekomunikacyjnych
stosowano powszechnie technikê przesy³ania analogowych
sygna³ów mowy za pomoc¹ kana³ów telefonicznych w podstawowym paœmie przenoszenia (zakres od 300Hz do 3.4kHz)
lub poprzez kosztowne (w stosunku do iloœci przenoszonych
kana³ów) miêdzycentralowe urz¹dzenia zwielokrotnienia z
podzia³em czêstotliwoœciowym FDM (Frequency Division
Multiplexing) o niewielkiej iloœci kana³ów rozmównych (obecnie jeszcze stosowane). W systemach FDM kolejne rozmowy
modulowa³y swoje w³asne sygna³y noœne (podobnie jak programy w technice radiowej). Czêstotliwoœci noœnych by³y dobrane tak, aby nie zak³óca³y siê wzajemnie. Na drugim koñcu
sygna³y noœne by³y demodulowane i po demodulacji otrzymywano pierwotne sygna³y rozmówne.
Jako linie przesy³owe stosowano pary kabli miedzianych o
ograniczonej czêstotliwoœci pracy, wymagaj¹ce skomplikowanych filtrów, korektorów linii i t³umików zak³óceñ przy przesy³aniu sygna³u o wy¿szych czêstotliwoœciach. Pojawienie siê
analogowych systemów FDM umo¿liwiaj¹cych równoczesn¹
transmisjê 1800, a nawet 2700 rozmów znacznie podnios³o
stopieñ skomplikowania i koszty eksploatacji.
Sytuacja zaczê³a siê poprawiaæ wraz z wprowadzeniem
przekszta³cenia sygna³u mowy na postaæ cyfrow¹ za pomoc¹
modulacji kodowo-impulsowej PCM (Pulse Code Modulation).
PCM
PCM to modulacja kodowo-impulsowa (Pulse Code Modulation) stosowana w konwersji analogowych sygna³ów ci¹g³ych na sygna³y cyfrowe. Modulacja PCM stosowania jest
powszechnie w telekomunikacji. Proces kodowania przebiega
w dwóch etapach.
Pierwszy etap polega na próbkowaniu sygna³u analogowego. Wiernoœæ odtwarzania sygna³u oryginalnego zale¿y od czêstotliwoœci próbkowania. Czêstotliwoœæ próbkowania powinna byæ co najmniej dwa razy wiêksza od maksymalnej czêstotliwoœci sygna³u próbkowanego. Dla sygna³ów telefonii, gdzie
najwiêksza czêstotliwoœæ sygna³u wynosi 3.4kHz, czêstotliwoœæ
próbkowania wynosi 8kHz (próbki pobierane s¹ co 125µs).
W drugim etapie wartoœci kolejnych próbek zamieniane s¹
na postaæ dwójkow¹. Wartoœci próbek s¹ kwantowane i kodowane, a nastêpnie chwilowo zapamiêtywane i transmitowane.
Proces kwantyzacji polega na zakwalifikowaniu wartoœci
amplitudy próbki z ci¹g³ego przedzia³u wartoœci do jednego
ze skoñczonej liczby przedzia³ów kwantyzacji. Dziêki kwantyzacji nastêpuje redukcja iloœci danych wymaganych do odtworzenia sygna³u analogowego.
Wartoœci próbek po kwantyzacji s¹ kodowanie w ci¹g znaków oœmiobitowych, co daje podstawow¹ przep³ywnoœæ binarn¹ 64 kbit/s.
Rysunek 1 przedstawia próbkowanie sygna³u analogowego.
Znormalizowane cyfrowe kana³y telefoniczne o przep³ywnoœci 64 kbit/s sta³y siê podstaw¹ do tworzenia strumieni cyfrowych o du¿ej przep³ywnoœci przez ³¹czenie pojedynczych
kana³ów metod¹ zwielokrotnienia cyfrowego z podzia³em czasowym TDM (Time Division Multiplexing). Sposób ten polega na konstruowaniu ramki informacyjnej przez podzia³ jednostkowego przedzia³u czasu na kolejne szczeliny czasowe
(timeslots) i wprowadzaniu do tych szczelin informacji, jakie
w jednostkowym przedziale czasu nap³ynê³y z kolejnych Ÿróde³.
SERWIS ELEKTRONIKI
Transmisja cyfrowa
Amplituda sygna³u
Poziomy kwantyzacji
Próbkowany sygna³
Próbki sygna³u
wsze przy wyrównywaniu przep³ywnoœci strumieni. Systemy
zwielokrotnienia cyfrowego, w których stosuje siê operacjê
plezjochroniczn¹ nazywane s¹ Plezjochroniczn¹ Hierarchi¹
Cyfrow¹ PDH (Plezjochronous Digital Hierarchy).
SDH, SONET
Czas
Rys.1. Próbkowanie sygna³u analogowego
Sygna³ PCM jest bardzo wygodny w sieciach telefonii wielokrotnej, czyli tam, gdzie wiele sygna³ów jest przesy³anych
jednym ³¹czem. Przesy³anie wielu sygna³ów jednym ³¹czem
mo¿liwe jest dziêki technice multipleksowania. Multipleksowanie dokonywane jest w koncentratorze, gdzie schodz¹ siê
sygna³y z wielu kana³ów. Koncentrator ³aduje je w jedn¹ liniê
przesy³ow¹, paczka z pierwszego Ÿród³a, paczka z drugiego i
tak dalej a¿ do ostatniego Ÿród³a. Potem znowu paczka danych
z pierwszego i tak dalej. Po stronie odbiorczej jest urz¹dzenie
dzia³aj¹ce odwrotnie (dekoncentrator), które rozdziela strumieñ
z powrotem na oddzielne linie.
Multipleksowanie kana³ów jest realizowane w ró¿ny sposób.
System multipleksowania u¿ywany w Europie stosuje 256bitow¹ ramkê o 32 szczelinach i czasie trwania 125 mikrosekund, w której dwie szczeliny s¹ przeznaczone odpowiednio
do synchronizacji ramki (detekcja pocz¹tku ramki) i sygnalizacji, natomiast pozosta³e do przenoszenia bajtów informacyjnych z kolejnych 30 kana³ów PCM, tworz¹c w ten sposób strumieñ zbiorczy E1 o przep³ywnoœci 2048 kbit/s nazywany zwykle strumieniem 2 Mbit/s.
W amerykañskim i japoñskim systemie multipleksowania
stosowana jest 193-bitowa ramka 24-kana³owa o czasie trwania
125 mikrosekund, zawieraj¹ca 24 bajty informacyjne i jeden bit
synchronizacyjny o ³¹cznej przep³ywnoœci strumienia zbiorczego
T1 równej 1544kbit/s, oznaczonego zwykle 1.5Mbit/s.
Obie techniki multipleksowania stosuj¹ technikê przeplotu
bajtowego – kolejne szczeliny w strumieniu zbiorczym odpowiadaj¹ bajtom z kolejnych kana³ów podstawowych.
PDH
Transmisja wielu kana³ów PCM w pojedynczej parze przewodów okaza³a siê szybko ma³o efektywna. Zaczêto wiêc zwielokrotniaæ strumienie E1 w Europie i T1 w USA. Przy zwielokrotnianiu strumieni zastosowano technikê przeplotu bitowego. Oznacza to, ¿e z kolejnych strumieni do strumienia zbiorczego ka¿dorazowo wprowadzany jest kolejny transmitowany
bit. Poniewa¿ strumienie podlegaj¹ce zwielokrotnianiu generowane s¹ przez ró¿ne urz¹dzenia, w których podstawy czasu
mog¹ siê ró¿niæ, w celu zapewnienia sta³ej przep³ywnoœci i
synchronizacji sygna³ów wejœciowych wzglêdem strumienia
zbiorczego musi on byæ uzupe³niany „pustymi bitami” – bitami dope³nienia. Bity te nie nios¹ ¿adnej informacji i s¹ usuwane podczas demultipleksacji. Taki proces wstawiania i usuwania bitów dope³nienia nazywany jest operacj¹ plezjochroniczn¹ – prawie synchroniczn¹. Operacja taka stosowana jest za-
Systemy PDH pozwalaj¹ na uzyskanie przep³ywnoœci do
140Mbit/s. Dalsze zwiêkszanie przep³ywnoœci w standardzie
PDH staje siê nieekonomiczne.
Postêp technologiczny i opanowanie techniki œwiat³owodowej sprawi³y, ¿e najpierw w USA, a potem w Europie uzgodniono i znormalizowano nowy system – Synchroniczn¹ Hierarchiê Cyfrow¹ SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Zalecenia standardu SDH zosta³y oparte na amerykañskim standardzie SONET (Synchronous Optical Network).
Standard SDH uwzglêdnia dotychczas stosowan¹ hierarchê sygna³ów plezjochronicznych, unifikuje styki œwiat³owodowe oraz opisuje technikê multipleksowania pozwalaj¹c¹ na
transport sygna³ów cyfrowych generowanych w urz¹dzeniach
ró¿nych technologii (PDH, ATM, FDDI, MAN) oraz zapewniaj¹c¹ swobodny dostêp do strumienia cz¹stkowego na ka¿dym stopniu hierarchii zwielokrotniania.
Podstawow¹ jednostk¹ transmisyjn¹ SDH jest blok STM-1
(Synchronous Transport Module) o przep³ywnoœci 155.52Mbit/s.
Blok STM-1 sk³ada siê z mniejszych jednostek nazywanych
kontenerami wirtualnymi VC (Virtual Container). Ka¿dy element VC przenosi pojedyncze kontenery C (Container), z których ka¿dy reprezentuje œciœle okreœlon¹ paczkê bitów informacyjnych pochodz¹cych ze strumienia sk³adowego.
Podstawy systemu SDH pochodz¹ od amerykañskiego systemu SONET, który umo¿liwia wspó³pracê œwiat³owodowych
urz¹dzeñ transmisyjnych ró¿nych producentów z sieciami PDH.
Przep³ywnoœci przyjête w systemie SDH odpowiadaj¹ standardom przyjêtym w systemie amerykañskim.
Podstawow¹ jednostk¹ systemu SONET jest sygna³ transportowy STS-1 o przep³ywnoœci 51.84Mbit/s, co stanowi jedn¹ trzeci¹ przep³ywnoœci jednostki transportowej STM-1.
Jednostka transmisyjna standardu SDH, nazywana modu³em transportowym STM-n (n-tego rzêdu), jest matryc¹ sk³adaj¹c¹ siê z 9 rzêdów i 270 kolumn, gdzie ka¿da komórka matrycy reprezentuje jeden znak 8-bitowy. W podstawowym, module
transportowym STM-1 najni¿szego rzêdu odpowiada to iloœci
2430 bajtów przesy³anych w czasie 125 mikrosekund. Modu³
transportowy STM-n mo¿e byæ konfigurowany na wiele sposobów w zale¿noœci od wyznaczonej mu funkcji transportowej,
jednak rozmiary pól sygna³ów steruj¹cych, kontrolnych oraz
obszary informacji u¿ytkowej s¹ sta³e i nie ulegaj¹ zmianie.
Na rysunku 2 przedstawiono budowê modu³u transportowego STM-1.
Ka¿dy rz¹d ramki STM-1 zawiera 9-bitowy nag³ówek i 261
bitów danych. Nag³ówek zawiera dane dotycz¹ce transmisji
takie, jak: Ÿród³o ramki, przeznaczenie ramki, monitorowanie
jakoœci, status itp. Dane przesy³ane w ramce mog¹ pochodziæ
z ró¿nych Ÿróde³. Na koñcu ramki w niektórych ramkach nadawane s¹ bity korekcji b³êdów.
Modu³ transportowy STM-n mo¿e byæ konfigurowany na
wiele sposobów w zale¿noœci od wyznaczonej mu funkcji transportowej, jednak rozmiary pól sygna³ów steruj¹cych, kontrolnych oraz obszary informacji u¿ytkowej s¹ sta³e i nie ulegaj¹
zmianie.
SERWIS ELEKTRONIKI
Odpowiadamy na pytania Czytelników
SDH, do struktur synchronicznych. Z us³ug SDH korzystaj¹
m.in. GSM, Internet, DQDB, FDDI. Sieci SDH charakteryzuj¹ siê równie¿ du¿¹ niezawodnoœci¹ oraz mniejsz¹ podatnoœci¹ na uszkodzenia wynikaj¹c¹ z budowy m.in. struktur pierœcieniowych. Dziêki temu maj¹ mo¿liwoœæ automatycznej rekonfiguracji w czasie krótszym ni¿ 50ms.
Przep³ywnoœæ osi¹gana w sieciach SDH jest nieco poni¿ej
10Gbit/s (STM-64). Mo¿liwe s¹ wy¿sze przep³ywnoœci – kilku operatorów oferuje przep³ywnoœci do 40Gbit/s (STM-256).
W sieciach œwiat³owodowych sygna³y SDH / SONET mog¹
byæ transportowane na wielu d³ugoœciach œwiat³a przy zastosowaniu technologii DWDM (Dense Wavelenght Division
Multiplexing). Technika wykorzystywania wielu d³ugoœci œwiat³a w œwiat³owodach jest analogiczna do techniki nadawania
wielu czêstotliwoœci w kablu koncentrycznym.
125µs
Rz¹d 1
Rz¹d 9
Nag³ówek
9 bitów
DWDM
Dane
261 bitów
Rys.2. Budowa ramki STM-1
Modu³ transportowy STM-n w czasie zwielokrotniania ma
przep³ywnoœæ, bêd¹c¹ n-t¹ wielokrotnoœci¹ STM-1 (155.52
Mbit/s).
Stosuje siê nastêpuj¹ce wielokrotnoœci:
· STM-1
(155.52 Mbit/s),
· STM-4
(622.08 Mbit/s),
· STM-16
(2488.32 Mbit/s),
· STM-64
(9953.28 Mbit/s),
· STM-256 (39813.12 Mbit/s).
SONET i SDH s¹ transmisjami synchronicznymi i ta w³aœciwoœæ powoduje, ¿e proces wyodrêbniania lub wstawiania
danych w strumienie danych jest du¿o prostszy ni¿ w przypadku transmisji PDH. Do wykrywania miejsc wstawiania / wyodrêbniania danych wykorzystywany jest sygna³ zegarowy.
Zegar sieciowy jest podstawowym sygna³em systemowym.
Generowany jest przez zegar atomowy. Pozwala na synchronizacjê ca³ej sieci transmisyjnej na œwiecie.
SONET i SDH s¹ uniwersalnymi kontenerami transmisyjnymi i mog¹ przesy³aæ ró¿ne typy danych – telefonii, dŸwiêku
i obrazu, finansowych.
Sieci SDH s¹ w dzisiejszych czasach jedynym sposobem
na przesy³anie danych cyfrowych do odleg³ych lokalizacji, dziêki temu, ¿e pozwalaj¹ na odwzorowanie wielu typów sygna³ów, o ni¿szych przep³ywnoœciach, niezsynchronizowanych z
Technologia DWDM pozwala na jednoczesn¹ transmisjê
w jednym w³óknie œwiat³owodowym wielu fal optycznych o
niewiele ró¿ni¹cych siê czêstotliwoœciach, z których ka¿da stanowi odrêbny kana³ transmisyjny o ustalonej maksymalnej
szybkoœci transmisji, wynosz¹cej obecnie 2.5Gb/s (STM-16),
10Gb/s (STM-64) czy 40Gb/s (STM-256). Sumaryczna przep³ywnoœæ takiego w³ókna ulega zwielokrotnieniu tyle razy, ile
jest optycznych fal noœnych prowadzonych w jednym w³óknie
œwiat³owodu.
Przyjmuje siê, ¿e zwielokrotnienie kilku fal w jednym w³óknie œwiat³owodowym nazywane WDM, natomiast zwielokrotnienie o du¿ej gêstoœci fal nazywa siê DWDM i UWDM.
System DWDM stosowany jest do transmisji sygna³ów g³osu, obrazu, danych, pakietów IP, modu³ów transportowych SDH
/ SONET.
Zalety technologii DWDM:
· mo¿liwoœæ rozbudowy istniej¹cego systemu transmisji bez
koniecznoœci wymiany œwiat³owodów,
· niezale¿noœæ kana³ów optycznych dziêki czemu mo¿liwe
jest przesy³anie ró¿nych formatów transmisyjnych,
· osi¹ganie wielkich przep³ywnoœci,
· nie ma potrzeby stosowania dodatkowych sygna³ów zegarowych czy synchronizacji przy zwiêkszaniu liczby kana³ów optycznych,
· wzmacnianie wszystkich kana³ów transmisyjnych odbywa siê jednoczeœnie za pomoc¹ jednego wzmacniacza.
}
Odpowiadamy na pytania Czytelników
Czy istnieje mo¿liwoœæ zapisania programu HDTV
w jakoœci HD?
I tak, i nie. Z technicznego punktu widzenia nie ma ¿adnych przeszkód aby zapisaæ materia³ HDTV w jakoœci HD. Do
tego celu potrzebne s¹ takie urz¹dzenia nagrywaj¹ce, jak: nagrywarka z noœnikiem w postaci twardego dysku, nagrywarka
Blu-Ray lub nagrywarka HD-DVD.
Istnieje jednak¿e inna, nietechniczna przeszkoda. Z powodu wymaganego przez przemys³ filmowy zabezpieczenia materia³ów filmowych przed niedozwolonym kopiowaniem,
wprowadzone zosta³a technologia HDCP (High-bandwidth
Digital Content Protection), pozwalaj¹ca na kontrolê przesy³ania dŸwiêku i obrazu w formie danych cyfrowych pomiêdzy
dwoma urz¹dzeniami. G³ównym celem HDCP jest uniemo¿liwienie przesy³ania treœci w wysokiej rozdzielczoœci w postaci,
która umo¿liwia³aby utworzenie nieautoryzowanych kopii. Jest
ona stosowana w interfejsach (gniazdach) typu HDMI, DVI.
Proces uwierzytelniania uniemo¿liwia nielicencjonowanym
urz¹dzeniom otrzymywania treœci wysokiej rozdzielczoœci.
(obraz ograniczany jest do jakoœci DVD, natomiast dŸwiêk
ograniczany do jakoœci w³aœciwej dla formatu DAT).
}
SERWIS ELEKTRONIKI