Конспект Часть 1 - 5 Сорока / часть 5

Магистраль, показанная на рис. 4.15, называется системой Т1. Эта система цифровой передачи изначально предусматривала использование операции мультиплексирования для передачи данных 24 речевых каналов по одной высокоскоростной линии.

.

Рис. 4.15. Система передачи данных посредством групп каналов

Выборка каждого речевого сигнала выполняется с частотой8000 раз в секунду, а для представления данных каждой выборки используется8 бит. Значит, скорость оцифровки в каждом речевом канале составляет 8000*8=64 кбит/с (суммарно за 1 секунду по 24 каналам передается 64 кбит/с*24=1,536 Мбит пользовательских данных). А поскольку кадрирующие биты передаются по каналу со скоростью8000 бит/с, рабочая скорость системыТ1 составляет 1,536 Мбит/с + 8 кбит/с = 1,544 Мбит/с.

До начала 80-х годов система Т1 использовалась только в больших магистральных коммуникационных линиях, но впоследствии стала применяться и для прокладки коммуникаций между коммерческими организациями.

Принцип использования Т1-мультиплексора иллюстрирует рис. 4.16. Обратите внимание на наличие в немРСМ-карт, с помощью которых выполняется оцифровка аналоговых речевых сигналов, поступающих с офисной АТС. При наличии цифровой офисной АТС речевой сигнал может подаваться на мультиплексор, минуя РСМ-карту.

В Т1-мультиплексоре данные обрабатываются с применением однополярного NRZ-кодирования. И хотя этот формат представления данных широко используется в компьютерах, электронном оборудовании и для передачи Данных между терминальным оборудованием и оборудованием передачи данных, Для передачи по системе Т1 он не пригоден.

При прокладке первых линий между группами каналов у компаний, владеющих коммуникационными средствами, появилось вполне естественное желание передавать по одной линии и цифровые сигналы, и напряжение питания (электричество). Было предложено для этой цели использовать трансформаторы, которые должны располагаться в каждой группе каналов(на каждом конце линии) и отделять сигналы от передаваемого напряжения питания. Однако для реализации этой технологии необходимо, чтобы при передаче сигналов в линии отсутствовало остаточное постоянное напряжение. Поэтому был разработан

176

новый метод линейного кодированияинверсия чередующихся единиц (ALteRNate MaRk INVeRSIoN, AMI), или биполярное кодирование.

Рис. 4.16. Мультиплексор в системе Т1

При прокладке первых линий между группами каналов у компаний, владеющих коммуникационными средствами, появилось вполне естественное желание передавать по одной линии и цифровые сигналы, и напряжение питания (электричество). Было предложено для этой цели использовать трансформаторы, которые должны располагаться в каждой группе каналов(на каждом конце линии) и отделять сигналы от передаваемого напряжения питания. Однако для реализации этой технологии необходимо, чтобы при передаче сигналов в линии отсутствовало остаточное постоянное напряжение. Поэтому был разработан новый метод линейного кодирования– инверсия чередующихся единиц

(ALteRNate MaRk INVeRSIoN, AMI), или биполярное кодирование.

В большинстве Т1-мультиплексоров выполняется преобразование однополярных NRZ-сигналов в биполярные AMI-сигналы для их последующей передачи по магистрали. Однако непосредственно перед передачей цифровой сигнал должен быть помещен в кадр того формата кадрирования(D4 или ESF), который поддерживается системой цифровой передачи. Эту функцию выполняет устройство обслуживания канала(CSU), которое, кроме того, предназначено для хранения эксплуатационных данных (при использовании формата кадрирования ESF), распознавания сетевых кодов, передаваемых коммуникационной системой или устройствами, подключенными к системеТ1, и формирования ответа на эти коды, а также для передачи минимального количества двоичных единиц (обеспечения плотности единиц).

Системы TDM имеют свои ограничения, для понимания природы которых необходимо рассмотреть работу терминальных устройств. Предположим, что в

177

филиале фирмы имеется несколько терминалов. В какой-то промежуток времени может сложиться ситуация, когда одни пользователи читают файлы справки, пытаясь определить, как работать с инсталлированным программным обеспечением или как ответить на сообщение, требующее ввода данных в определенном формате, другие пользователи старательно вводят данные или принимают их, а третьи просто устроили себе небольшой перерыв. То есть в любой момент времени существует большая вероятность того, что на каком-то компьютере (компьютерах) не будет производиться ни передача данных, ни их прием. Поскольку в соответствии с технологиейTDM демультиплексирование данных выполняется на основе их позиции в кадре, отсутствие активности на некоторых портах может привести к неправильной интерпретации данных. Чтобы избежать таких ситуаций, при сканировании передающийTDM-мультиплексор вставляет в соответствующие неактивным терминалам позиции в кадре симво-

лы NULL.

На принимающем мультиплексоре символы NULL отбрасываются. А соответствующим подключенным устройствам просто ничего не передается.

Ввод символа NULL позволяет корректно выполнять демультиплексирование, однако канал связи при этом используется неэффективно. Например, если несколько пользователей терминалов не передают данные, большинство пересылаемых кадров содержат избыточное количество символовNULL. Следовательно, коммуникационный канал междуTDM-мультиплексорами большую часть времени используется очень неэффективно. Этот же недостаток присущ

и Т1-мультиплексорам, однако благодаря высокой скорости передачи (1,544 Мбит/с) они могут обслуживать одновременно несколько сотен - уст ройств, что несколько компенсирует неэффективность использования канала. TDM-мультиплексоры, работающие в аналоговых сетях или сетях службы DDS, поддерживают передачу данных на значительно меньших скоростях и могут одновременно обслуживать гораздо меньшее количество устройств. Поэтому, стремясь добиться большей производительности устройств при функционировании в этих сетях, фирмы-поставщики разработали еще один тип мультиплек-

соров — статистические мультиплексоры с разделением времени(StatIStIcaL TIme-DIVISIoN MULtIpLeXeR, STDM). При их применении достигается значительно большая эффективность передачи данных, чем при использовании TDM- мультиплексоров.

4.4.3. Статистическое мультиплексирование с разделением времени.

Если в технологии TDM кадры имеют фиксированную длину, а демультиплексирование производится на основе позиций данных в кадре, то в технологии STDM используются кадры переменной длины. Для того чтобы вы поняли, как работает STDM-мультиплексор, мы опишем процесс создания таких кадров, а затем рассмотрим один из нескольких методов формирования информации в мультиплексированном кадре.

Предположим, что к STDM-мультиплексору подключено восемь терминалов (рис. 4.17, а) и в течение первой операции сканирования активными были терминалы 1, 2, 3 и 6, с портов которых считаны символы X, Y, Z и Q, соответ-

178

ственно. Во время выполнения сканирования в кадрSTDM-мультиплексора помещается битовая карта. Если при сканировании было обнаружено, что у терминала 1 есть данные, подлежащие передаче, первому биту битовой карты присваивается значение 1. Если же терминал не проявляет активности, соответствующему биту битовой карты присваивается значение 0.

Структура кадра, используемого при STDM-мультиплексировании, показана на рис. 4.17, б. Благодаря внедрению битовой карты размер передаваемого кадра в тех случаях, когда некоторые из терминалов не проявляют активности, можно значительно уменьшить. Так, в рассматриваемом нами случае при сканировании выяснилось, что активными являются терминалы1, 2, 3 и 6, следовательно, в битовой карте битам, занимающим позиции 1, 2, 3 и 6, присваиваются значения 1. Одновременно с присвоением биту этого значения в кадр переменной длины добавляется символ, считанный с порта, к которому подключен активный терминал. То есть при использовании битовых карт абсолютно точно указывается, какой терминал какие данные передает, а значит, нет необходимости добавлять в кадр символы NULL.

В целом STDM-мультиплексоры могут обслуживать в два, а то и в четыре раза больше источников асинхронных данных, чем традиционные TDM- мультиплексоры. При оценке производительности работы мультиплексоров используется термин коэффициент нагрузки(SeRVIce RatIo). STDM-технология предусматривает не только сокращение размеров передаваемых кадров при слабой активности терминалов, но и удаление из каждого передаваемого символа стартовых и стоповых битов, а также битов четности с последующим восстановлением прежней структуры переданных данных при демультиплексировании. Кроме перечисленных выше функций, некоторые STDM- мультиплексоры выполняют сжатие данных, что еще больше повышает их коэффициент обслуживания.

Рассмотрим наихудший из возможных сценариев, при котором каждый из терминалов является персональным компьютером. Предположим, что в какойто момент времени пользователи одновременно начали передавать по каналу файлы больших размеров. В этой ситуации суммарная скорость поступления данных на вход STDM-мультиплексора составит 2 400*8 = 19 200 бит/с, и он будет непрерывно получать все новые и новые данные. Даже если отбросить все стартовые и стоповые биты, а также биты четности, суммарная скорость по-

ступления данных на мультиплексор будет заметно превышать пропускную способность канала. В STDM-мультиплексоре имеется буфер памяти, предназначенный для хранения подлежащих передаче данных, но если каждый из терминалов будет продолжать вести интенсивную передачу данных, буфер переполнится, что приведет к потере части данных. Чтобы предотвратить таковую, STDM-мультиплексор начинает управлять потоком входных данных, то есть при определенной степени заполнения буфера временно отключает один или более терминалов (передает команду остановить передачу). После того как часть данных будет передана в канал и в буфере появится свободное простран-

179

ство, STDM-мультиплексор разрешит ожидающим терминалам возобновить передачу своих данных.

Рис. 4.17. STDM-мультиплексирование: а – передача кадра; б – структура кадра

Благодаря тому что на входеSTDM-мультиплексоры могут получать данные со скоростью, которая в два-четыре раза превышает скорость передачи данных по коммуникационному каналу, они стали очень популярны. Обычные же TDM-мультиплексоры (например, Т1-мультиплексоры) используются преимущественно в тех случаях, когда приходится работать с приложениями, очень чувствительными к задержкам при передаче данных.

Как уже говорилось ранее, почти все TDM-мультиплексоры были вытеснены STDM-мультиплексорами. Но прогресс не стоит на месте - со временем появились новые технологии, и в настоящее время мы являемся свидетелями того, как вытесняются маршрутизаторами устройства статического мультиплексирования. Правда, некоторыми STDM-мультиплексорами маршрутизация поддерживается, однако это лишь частичная поддержка, поэтому возможности таких мультиплексоров крайне ограничены. В частности, STDM-мультиплексоры не пригодны для создания сложных сетей. Кроме того, маршрутизаторы поддерживают соединения между локальными сетями, в то время какSTDM-

мультиплексоры разрабатывались прежде всего для поддержки прямых или коммутируемых соединений. На сегодняшний день технологияSTDM в основном используется в устройствах, где должно производиться мультиплексирование речевого сигнала. То есть в данном случае мультиплексирование применя-

180

ется как дополнительная функция устройств, которые установлены в каналах, соединяющих офисы небольших фирм.

4.4.4. Кадрирование. За последние четыре десятилетия для обеспечения синхронизации при передаче между группами каналов было разработаноне сколько форматов кадрирования. До конца 1980-х годов самым популярным был формат кадрирования D4, но затем в системах Т1 стал использоваться формат ESF, который в настоящее время является наиболее распространенным.

Всоответствии с форматомD4 в начале каждого кадра находится кадрирующий бит (F на рис. 4.18, а). Так как у нас имеется24 байта по 8 бит, каждый байт представляет собой оцифрованное значение выборки аналогового сигнала для24 речевых каналов. Следовательно, кадр формата D4 состоит из 1+24*8=193 бит. Кадрирующие биты каждых 12 кадров используются для формирования специального значения, с помощью которого группы каналов выполняют синхронизацию при приеме данных, передаваемых группой каналов, которая расположена на другом конце магистральной линии.

Всуперкадре форматаD4 кадрирующими битами могут поочередно назначаться терминальные кадрирующие биты(FT) и сигнальные кадрирующие биты (FS). Как показано в нижней части рис. 4.18, терминальные кадрирующие биты состоят из кадрирующих битов, предшествующих данным нечетных кадров. Используемые биты FT формируют состоящее из чередующихся единиц и нулей альтернативное специальное значение, с помощью которого можно определить, где заканчивается один кадр и начинается другой. Поэтому последовательность терминальных кадрирующих битов называется также сигналом выравнивания кадра.

Значение терминальных кадрирующих битов (FT) равно 101010 Значение сигнальных кадрирующих битов (FS) равно 001110

б

Рис. 4.18. Кадр формата D4: а – структура кадра; б – значение кадрирующих битов

181

Сигнальные кадрирующие биты, формирующие значение, например 001110 (рис. 4.18), предшествуют данным четных кадров. Эти биты предназначены для определения границ кадров, а также для извлечения из кадров управляющих (сигнальных) битов. Сигнальные биты используются для передачи информации о том, снята ли трубка, или, скажем, о ход е установления соединения.

Еще один формат, называемый расширенным суперкадром(EXteNDeD SUpeR-FRAMe, ESF), охватывает 24 кадра и представляет собой дополненный формат D4. Однако в отличие от D4, в котором используются фиксированные значения кадрирующих битов, в ESF применяются как фиксированные, так и переменные значения. Из 24 кадрирующих битов расширенного суперкадра только6 бит предназначены для формирования значения кадрирования и синхронизации, остальные служат для передачи данных, использующихся при мониторинге сети и определении частоты ошибок передачи.

В табл. 4.3 указано назначение каждого из24 кадрирующих битов формата ESF. Обратите внимание на символы D в столбце - «Используемый бит». Они обозначают биты, предназначенные для формирования канала передачи данных между группами каналов или двумя устройствамиCSU (устройствами обслуживания канала), подключенными к каналу Т1. Этот канал используется для активизации или деактивизации петлевого контроля и ретрансляции запроса на передачу удаленными устройствами CSU эксплуатационных данных, а также для передачи этих данных запрашивающим устройствам. Такие D-биты присутствуют в начале только нечетных кадров (1, 3, 5,... 21, 23), то есть из 24 кадрирующих битов формата ESF D-битами являются только12. Они обеспечивают скорость передачи4 кбит/с.

182

В том же столбце таблицы символы с указывают на биты, которые используются для вычисления контрольного циклического избыточного кода(CYcLIc ReDUNDaNcY Check, CRC) для всех 4632 бит предыдущего расширенного суперкадра. Эти кадрирующие биты находятся перед 2, 6, 10, 14, 18 и 22 кадрами. С их помощью приемник может вычислить свойCRC-код и сравнить его с полученным значением CRC. Если эти значения не совпадают, значит, кадр со-

держит ошибочные биты. Такая проверка позволяет приемнику определить частоту ошибок, возникающих при передаче кадров, и качество канала Т1. Фактически вычисление CRC-кода выполняют ESF-совместимые блоки CSU. А поскольку для этого используются только 6 кадрирующих битов, пропускная способность канала, предназначенного для отслеживания частоты ошибок, составляет 2000 бит/с.

Третьим типом кадрирующих битов форматаESF являются биты, используемые в качестве значения кадрирования для синхронизации принимаемых данных. Как следует из табл. 4.3, это кадрирующие биты, расположенные перед 4, 8, 12, 16, 20 и 24 кадрами. При их передаче генерируется значение001011, и поскольку 6 бит составляют четвертую часть общего количества кадрирующих битов, можно сказать, что для передачи данных синхронизации применяется канал, имеющий пропускную способность 2 кбит/с (то есть под этот канал выделена четвертая часть каналаESF, пропускная способность которого равна

8кбит/с).

4.4.5.Низкоскоростные мультиплексоры речь/данные. В результате объединения некоторых возможностей, предоставляемых обеими технологиями мультиплексирования (TDM и STDM), был создан новый тип мультиплексоров, предназначенных для передачи как данных, так и речевой информации, - низкоскоростные мультиплексоры речь/данные. Главной отличительной чертой таких мультиплексоров является их способность оцифровывать речь на скоростях, которые значительно меньше скорости, достигаемой при использовании PCM (64 кбит/с). Поэтому, рассматривая данную тему, мы вначале сосредоточим внимание на нескольких методах, используемых этими устройствами для оцифровки речи.

За последние четыре десятилетия было разработано немало технологий оцифровки речи, которые можно разделить на три категории в зависимости от используемого метода кодирования: кодирование формы сигнала, вокодерное кодирование и смешанное (гибридное) кодирование. Мы рассмотрим наиболее популярные из этих технологий.

4.4.5.1.Кодирование формы сигнала. Этот метод предназначен для обработки только аналоговых сигналов. Применяется он с целью максимально точно передать информацию о форме сигнала. Значения напряжений сигнала, полученные в результате выборки, при кодировании преобразуются в дискретные значения, двоичные представления которых затем используются при модуляции сигнала. И хотя для передачи сигналов, полученных этим методом, требуется наибольшая ширина полосы пропускания, он обеспечивает самое высокое

183

качество передачи речи. Метод кодирования формы аналогового сигнала применяется в таких технологиях, позволяющих оцифровывать речь с качеством телефонной связи, как PCM, ADPCM и CVSD.

4.4.5.2.Вокодерное кодирование. При использовании метода вокодерного кодирования речи восстановление сигналов производится на основе анализа особенностей образования речи и ее восприятия человеком, однако форма восстановленного сигнала при этом может отличаться от формы исходного сигнала. Принципиальное отличие вокодерного кодирования от кодирования формы состоит в том, что по каналу связи передается не сам сигнал, а параметры модели его образования. Руководствуясь этими параметрами, приемник восстанавливает сигнал.

Обычно при использовании вокодерного кодирования оцифровка речи осуществляется на очень низких скоростях, к тому же в восстановленной речи появляются металлические нотки. Одной из наиболее популярных технологий,

вкоторых применяется данный метод, является линейное предсказывающее кодирование, согласно которому выборка сегментов речи выполняется через каждые 20 мс и кодируются параметры, необходимые для ее восстановления. Такое кодирование применяется для передачи речевых сигналов со скоростью

2400 или 4800 бит/с.

В 70-80-е годы устройства, поддерживающие вокодерное кодирование речи, стали широко применяться в частных сетях. С их помощью и с использованием мультиплексирования по аналоговым каналам, пропускная способность которых равна 9600 бит/с, можно было одновременно передавать четыре телефонных разговора. Однако такие устройства имеют высокую стоимость.

4.4.5.3.Гибридное кодирование. Определив достоинства и недостатки описанных выше методов кодирования, разработчики взвяли все лучшее и создали новый метод, получивший название гибридное кодирование. Устройства, выполняющие кодирование в соответствии с этим методом (далее мы будем называть их гибридными кодерами), вначале осуществляют выборку речевого сигнала, а затем анализируют ее, как устройства вокодерного кодирования речи. Но вместо того чтобы немедленно передать проанализированные параметры речевого сигнала, гибридные кодеры используют их для его восстановления, а затем сравнивают полученный сигнал с первоначальным, и если обнаруживаются существенные расхождения, то они ликвидируются путем подбора соответствующих параметров. В результате такого подхода удается создать более достоверную модель речи, чем при использовании метода вокодерного кодирования речи. В методе гибридного кодирования удалось объединить лучшие черты двух предыдущих методов и добиться высококачественной передачи речи по низкоскоростным каналам.

Сейчас метод гибридного кодирования широко используется в цифровой мобильной связи. Возможно, наиболее популярная технология, основанная на данном методе, применяется в мобильной телефонной связи стандартаGSM

(GeNeRaL SYStemS FoR MobILe).

184

Еще одной технологией по методу смешанного кодирования является линейное предсказание с кодовым возбуждением(CoDeD EXcITeD LINeaR PReDIctIoN, CELP), которая была недавно стандартизирована ITU. Данная технология обеспечивает оцифровку речи, передаваемой со скоростью от5 до 16 кбит/с. В соответствии с этой технологией, была создана речевая кодовая книга, с помощью которой вместо целой серии параметров речи можно передать только номер записи, содержащий данные параметры. Благодаря использованию кодовой книги речь можно передавать с высоким качеством и по каналам, имеющим малую пропускную способность.

Гибридные кодеры были разработаны еще десять лет назад, однако широкое применение получили недавно, поскольку коммерчески выгодными стали только после создания недорогого цифрового процессора сигналов(DIGITaL SIGNaL PRoceSSoR, DSP), способного обрабатывать до 200 миллионов операций в секунду. На сегодняшний день различные гибридные кодеры, поддерживающие технологию CELP, встраиваются в мультиплексоры, устройства досту-

па к сети FRAMe ReLaY (FRAMe ReLaY AcceSS DeVIceS, FRAD), а также рече-

вые шлюзы. Благодаря этому обеспечивается высококачественная передача оцифрованной речи по низкоскоростным каналам частных сетей, сетей FRAMe ReLaY и Интернета.

4.4.5.4. Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуля-

ция. Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция(ADaptIVe DIFFeReNtIaL PULSe-CoDe MoDULatIoN, ADPCM) представляет собой техно-

логию оцифровки и сжатия речи, в которой вместо кодирования значений выборки с помощью8 бит, используемых в соответствии сРСМ, применяются 4-битовые слова, каждое из которых служит для представления одного из16 уровней оцифровки. В отличие от РСМ, где 8 бит служат для определения амплитуды сигнала, в ADPCM 4-битовые слова предназначены для представления разности между значениями двух последовательных выборок. При использовании технологии ADPCM оцифрованную речь можно передавать со скоростью 32 кбит/с (для сравнения: в случае применения РСМ данные должны передаваться со скоростью 64 кбит/с).

Создавая эту технологию, разработчики учли тот факт, что при выборке речевого сигнала с частотой8000 раз в секунду амплитуды сигналов двух соседних выборок не очень сильно отличаются друг от друга. В устройства, поддерживающие технологию ADPCM, встраиваются микросхемы с адаптивным предсказывающим кодированием, которые, исходя из значения предыдущей выборки, пытаются определить значение следующей. Кроме того, благодаря использованию в предсказывающем блоке цепи обратной связи существенно уменьшается вероятность появления большой разности между предсказываемым и истинным значениями выборок. Анализ разности между этими значениями замеров показал, что для их представления вполне достаточно четырех битов. При использовании ADPCM уменьшается отношение сигнал/шум и снижается точность восстановления сигнала. Но когда технология ADPCM приме-

185