Принципи на уплътняването с разделяне на каналите по време. Импулсно-кодова модулация. Линиен тракт. Линийно кодиране. Делта модулация. Йерархия на цифровите уплътнителни системи.

Принципи на уплътняването с разделяне на каналите по време - уплътняването по време (TDM , Time Division Multiplexing) представлява последователно предоставяне на преносната среда за къси интервали от време на множество сигнали с цел тяхното пренасяне. Този принцип е илюстриран на фиг.5.1, където сигналите s₁(t), s₂(t) ... s_n(t) от изходите на n предавателя П₁, П₂ ... П_n се подават към n-те сектора на едно циклично комутиращо устройство (разпределител Р₁). Също такъв разпределител Р₂, въртящ се синхронно и синфазно с Р₁, е разположен в приемната страна (на другия край на преносната среда). Ако разпределителите правят един пълен оборот за време Т_д като обхождат всички сектори и по този начин стробират всеки от n-те сигнала s_i(t), то във всеки от приемниците П_pi се получава дискретизираният сигнал s_iд(t), отделните проби от който са през интервали Т_д (времетраене на един цикъл на въртене). Съответната на Т_д честота на дискретизация е F_д = 1 / Т_д Hz.

Ако максималната честота в спектъра на всеки от предаваните сигнали не надвишава F_max при спазване на неравенството T_д = 1 / F_д  ≤ 1 / 2F_max (т.е. при достатъчно висока честота на дискретизация и скорост на стробиране),  всеки от сигналите s_i(t) съгласно теоремата на Котелников, може да бъде възстановен от неговия дискретизиран образ s_iд(t).

Разгледаният пример предполага предаване на сигнали дискретни във времето, но с аналогово променяща се амплитуда. Така се запазват всички недостатъци на аналоговото приемане и най-вече ниската шумоустойчивост, която обикновено води до невъзможност да се възстановят сигналите. Тези недостатъци могат да се премахнат, като дискретизираните по време сигнали се подложат на още една дискретизация - по амплитуда. Така се получава популярната импулсно-кодова модулация. Тя включва три основни операции:

• дискретизация (фиг.5.2а) - 
• квантуване (фиг.5.2б) - дискретизация на аналоговия сигнал към най-близките разрешени амплитуди (ниво на квантуване). Това приравняване води до известна грешка от квантуване, която не надвишава половината от интервала (стъпката) на квантуване на амплитудите. Тя се се проявява като шум от квантуването, който е толкова по-малък, колкото по-нагъсто се изберат нивата на квантуване. 
• кодиране (фиг.5.2в) - очевидно нивата на квантуване са краен брой N. Това позволява те да бъдат номерирани и на всяко от тях да се съпостави двоична кодова комбинация, която обикновено представлява двоичният запис на номера на съответното ниво. Броят на разредите (дължината на двоичната кодова комбинация) е n = log₂N

Кодирането дава огромното предимство на импулсно-кодовата модулация - кодираните нива се предават като цифрови сигнали чрез единици и нули, които лесно се разпознават дори при сериозни изкривявания на формата на импулсите и тази форма може да бъде еднозначно и точно възстановена във всяка точка от линийния тракт. Такава регенерация на импулсния сигнал рязко повишава шумоустойчивостта на предаване и това позволява да бъдат надеждно използвани преносни среди с много по-лоши параметри.

Накрая, на фиг.5.2г е показан възстановеният в приемната страна сигнал s*(t) , който се отличава съвсем малко от изпратения сигнал  s(t) , а разликите се дължат на шума от квантуване и грешките от силни смущения в някои от кодовите комбинации (0, възприета като 1 и обратно).

Ако всеки импулс от кодовите комбинации заедно с паузата има продължителност Δt (фиг.5.2г), времетраенето на всяка кодова комбинация ще бъде T_к =  Δnt
Обикновено T_к << T_д т.е. във времето на един цикъл (в интервала T_д) могат да бъдат разположени кодовите комбинации, съответстващи на нивата на останалите стробирани сигнали s_i(t) (фиг.5.1). По този начин се постига уплътняване по време (разделяне на каналите по време) на сигналите с импулсно-кодова модулация.

Описаните процедури на импулсно-кодова модулация не се различават от всяко друго аналогово-цифрово преобразуване. В реалните системи с импулсно-кодова модулация се прилагат нелинейни скали на квантуване, съобразени с характерните нива на говорните сигнали. Ниските нива са статистически по вероятни, а и носят повече информация, поради което те се квантуват с по-малка стъпка (по-прецизно) и шумът от квантуване се намалява за най-често срещаните сигнали. По-високите нива се появяват по-рядко и се квантуват с по-голяма стъпка. Описаното нелинейно квантуване представлява практическо свиване (компресия) на динамичния обхват на сигнала. В приемника се извършва обратната операция - разширяване (експанзия) като с това се възстановява реалното съотношение на амплитудите. Компресията и експанзията се наричат общо компандиране на сигнала, особено характерно за системите с импулсно-кодова модулация. Теоретично компресията може да бъде извършена по различни нелинейни закони. В практиката, при съвременните уплътнителни телефонни системи импулсно-кодова модулация се използват дв логаритмични закона - закон A, препоръчан от МККТТ и прилаган в Европа, и закон μ, използван в САШ, Япония и др.

закон A:
y = (1 + ln Ax)(1 + lnA) , при  1 / A  ≤  x  ≤  1 
y = Ax / (1 + lnA) , при  0  ≤  x  ≤  1 / A

където x = U_вх  / U_изх  и  y = U_изх  / U_{изх max} , а A е коефициент, избран по редица съображения, препоръчаната стойност е A = 87.6 , което подобрява отношението сигнал / шум при слаби сигнали с 24 dB.

закон μ:
y = ln(1 + μx) / [ ln(1 + μ)] ,

където обикновено μ = 255 , този закон подобрява отношението сигнал / шум за слаби сигнали с над 33 dB.


Линиен тракт - импулсната последователност (груповият сигнал) подавана в линийния тракт (фиг.5.4) от уплътнителната система с импулсно-кодова модулация, трябва да има следните свойства:

• във всеки момент да съдържа в спектъра си тактовата честота 2.048 MHz, нейните хармоници и субхармоници - необходимо е за надеждна синхронизация за насрещно работещи уплътнителни телефонни системи и за правилната работа на регенераторите;
• по възможност по-тясна честотна лента, за да могат да се използват по-теснолентови и невисококачествени преносни среди;
• да не съдържа в спектъра си постояннотокови и нискочестотни съставки, които се губят при прехвърляния на сигнала през трансформатори (каквито има в регенераторите);
• импулсите да могат лесно да се откриват при големи изкривявания;
• по възможност да може да се осъществява наблюдение на възникването на грешки по импулс и да се оценява качеството на преносната среда.

Линийно кодиране.


Делта модулация - освен импулсно-кодова модулация за цифрова обработка и предаване на различни сигнали се използват множество други цифрови модулации. На фиг.5.7 е показана т.нар. делта модулация. При нея входният сигнал x(t) се сравнява през равни интервали от време T със стъпаловиден апроксимиращ сигнал s(t). Ако входният сигнал е по-голям от апроксимиращия, сравняващото устройство генерира положителен импулс s_л(t) , а апроксимиращият стъпаловиден сигнал s(t) нараства с една стъпка на квантуване Δ.
Ако в даден момент x(t) < s(t), сравняващото устройство генерира отрицателен импулс, а апроксимиращият стъпаловиден сигнал s(t) намалява с една стъпка на квантуване Δ . Така в известен смисъл сигналът s(t) е резултат на предсказване следващата стойност на x(t), което се основава на познаване стойностите на сигнала x(t) в предишни моменти. Към линийния тракт се предава (към приемника) фактически се предава информация само за разликите между  x(t) и s(t) в тактовите моменти, поради което делта-модулациите се наричат диференциални модулации.

На фиг.5.7.в е показана грешката от квантуването s_гр(t) = s(t) - x(t). Тя нараства, когато сигналът x(t) се променя (расте или намалява) по-бързо от скоростта, с която се изменя стъпаловидната крива s(t). Това води до претоварване на делта-модулатора, което може да се избегне, ако се приложи адаптивна делта-модулация (АДМ). Тя е два вида: дискретна и компандирана.


Йерархия на цифровите уплътнителни системи - Както при аналоговите уплътнителни телефонни системи, така и при цифровите уплътнителни системи се прилага обединяване на цифровите потоци с цел да се получат системи с по-голям брой канали. Съгласно препоръките на МККТТ, 30 / 32 - каналната система се нарича първична група (блок) и нейният групов сигнал се предава със скорост 2.048 Mbit/s. Обединяването на четири първични групи създава 120 / 128 канална вторична група със скорост на груповия сигнал 8.448 Mbit/s. Четири вторични групи формират една третична група - 512 канала и скорост 34.368 Mbit/s. Следват четвъртична група с 4 x 512 = 2040 канала и скорост 139.264 Mbit/s и петична група с 4 x 2040 = 8160 канала и скорост 560.000 Mbit/s.

Йерархичните нива на системите с импулсно-кодова модулация в САЩ имат друга структура, а в Япония - трета.

Първичните групи могат да се уплътняват по наличните симетрични кабели, вторичните - по микрокоаксиални кабели. Групите от по-висши порядъци уплътняват по широколентови коаксиални кабели, оптични кабели или радио-релейни линии.