Понятие импульсно-кодовой модуляции (ИКМ или PCM - Pulse Code Modulation)

Преобразование непрерывного первичного аналогового сигнала в цифровой код называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) [1, 2, 3. 4,5]. В телекоммуникациях в качестве основания кода выбрана двоичная последовательность, реализуемая с наименьшими аппаратными затратами. Основными операциями при ИКМ являются операции дискретизации по времени, квантования (дискретизации по уровню дискретного по времени сигнала) и кодирования.

Дискретизацией аналогового сигнала по времени называется преобразование, при котором представляющий параметр аналогового сигнала задается совокупностью его значений в дискретные моменты времени.

В цифровых системах передачи применяется равномерная дискретизация аналогового сигнала (отсчеты этого сигнала производятся через одинаковые интервалы времени). При равномерной дискретизации используются: интервал дискретизации ∆t (интервал времени между двумя соседними отсчетами дискретного сигнала) и частота дискретизации F_Д (величина, обратная интервалу дискретизации). Величина интервала дискретизации выбирается в соответствии с теоремой Котельникова (Шеннона).

Согласно теореме Котельникова любой аналоговый (непрерывный), сигнал может быть дискретизирован, и восстановлен на противоположном конце, если частота дискретизации будет в два раза превышать верхнюю частоту этого сигнала.

Канал тональной частоты (основной канал аналогового телефонного канала) должен занимать полосу 300…3400 Гц. Следовательно, частота дискретизации должна быть не менее: Fд=2х3400=6800 Гц. Согласно рекомендациям МСЭ (Международного союза электросвязи) для сигнала, передаваемого по каналу тональной частоты, принята частота дискретизации Fд=8000 Гц. Такая частота облегчает реализацию фильтров аппаратуры ЦСП.

Дискретизированные импульсы соответствуют амплитуде мгновенных значений этого сигнала. Эти преобразования называются амплитудно-импульсной модуляцией. Дискреты передаются один за другим циклически в виде временно уплотнённых АИМ сигналов (см. рисунок 1.1 а, б).

При квантовании любая техника обработки сообщений и систем передачи имеет конечную разрешающую способность, поэтому нет никакой необходимости передавать всё бесконечное множество амплитудных значений непрерывных сигналов; его можно ограничить конечным множеством. Эти разрешённые для передачи амплитудные значения сигналов называются уровнями квантования, выбор их количества определяет качество передачи электрических сигналов (см. рисунок 1.1 в).

Полученный при дискретизации АИМ сигнал подвергается квантованию по уровню. Разность между двумя соседними разрешенными для передачи уровнями называются шагом квантования-∆.

Разность между истинным значением отсчёта сигнала и его квантованным значением называется ошибкой или шумом квантования.

Рисунок 1.1- Преобразование аналогового сигнала в ИКМ сигнал

Кодированием квантованного отсчета называется отождествление этого отсчета с кодовыми словами. На практике в ИКМ аппаратуре используют двоичные кодовые слова, причем каждое двоичное слово соответствует определенному уровню квантования сигнала. Согласно рекомендациям МСЭ, было принято 256 уровней квантования (128 положительных и 128 отрицательных уровней), а длина кодового слова - 8 двоичных символов (бит) (см. рисунок 1.1 г).

Первый разряд восьмиразрядной кодовой комбинации определяет полярность амплитуды кодируемого сигнала (1- положительный сигнал "+", 0 – отрицательный "-"); 2,3,4 разряды определяют вершину сегмента, в области которого расположен сигнал; 5,6,7,8 разряды определяют номер уровня в сегменте.

Структура цикла со скоростью 2 Мбит/сек.

Передача речи по отдельным каналам тональной частоты на телефонных сетях осуществляется в диапазоне от 300 Гц до 3400 Гц. Для организаций цифрового коммутационного тракта используется первичный поток ИКМ 30/32 [1, 2, 4].

Структура цикла и сверхцикла системы ИКМ-30 приведены на рисунке 1.2. Цикл состоит из 32 временных интервалов [2]. Сверхцикл состоит из 16

Рисунок 1.2 - Структура цикла и сверхцикла аппаратуры ИКМ-30

циклов. Длительность цикла Т_Ц= 125 мкс, что определяет частоту следования циклов f_Ц=8 кГц. Длительность сверхцикла равна 16х125мкс=2мс. Для каждого канала в цикле выделяется интервал t_К.И=3,9 мкс. Каждый канал рассчитан на передачу информации 8-разрядным бинарным кодом, тогда длительность одного разряда (бита) составит t_б=0,49 мкс. Пропускная способность одного временного интервала 64 кбит/с, тогда пропускная способность стандартного первичного тракта ИКМ составляет 64×32=2048 кбит/с. В цикле ИКМ временные интервалы 0 и 16 являются служебными каналами, а интервалы с 1 по 15 и с 17 по 31 являются информационными каналами.

Как видно из рисунка 1.2, цифровой синхросигнал занимает позиции 2-8 нулевого канального интервала в каждом втором цикле. Цикловой синхросигнал представляет собой комбинацию 0011011. Для устранения возможности имитации циклового синхросигнала символами 2-8 нулевых интервалов нечетных циклов символу 2 в этих интервалах придается значение 1. Сверхцикловой синхросигнал, позволяющий осуществить отсчет циклов в сверхцикле, представляет собой комбинацию 0000 и занимает разрядные интервалы 1-4 канального интервала 16 в цикле 0.

Канальный интервал 16 служит для передачи сигнализации. В каждом цикле передаются сигналы сигнализации двух телефонных каналов.

Обозначения на рисунке 1.2: ТК - номер телефонного канала; RO, .... RI5 - циклы в сверхцикле; SK - канальный интервал; В1, .. В8 - кодовое слово длиной 8 бит; N - бит резервирован для международного использования (значение символа не определено, в настоящее время должен принимать значение 1); А - передача сигнала аварии к аппаратуре ИКМ противоположного конца линии связи; VI, .... V5 - символы, предназначены для национального использования (на цифровых трактах, пересекающих государственную границ) эти символы должны иметь значение 1); х — резервный символ (в случае, когда он не используется должен иметь значение I); у - символ, используемый для индикации выхода из сверхциклового синхросигнала; а, b, с, d- символы для организации общего канала сигнализации (ОКС), если b, с и d не используются для ОКС, они должны иметь следующие значения: b = 1, с = 0, d= I.