Цифровая телефония

Как видно из материалов предыдущих глав, первые сто лет или около того эволюция ТфОП происходила довольно медленно. По сути, за исключением декадно-шаговых АТС и телефонов с диско­вым номеронабирателем, за первые 50 лет было мало что сделано в плане технологии. Внедрение координатных АТС в 1930-х годах, автоматической междугородной связи в 1950-х и тастатурных теле­фонных аппаратов с тональным набором номера в 1960-х годах счи­тались революционными событиями.

Темпы эволюции заметно возросли с появлением АТС с программ­ным управлением, передачи цифровых данных по коммутируемым каналам с помощью модемов и факсов и общеканальной сигнализа­цией №7 в 1960-х, 1970-х и 1980-х годах, соответственно. К середи­не 1980-х годов темпы возросли значительно, а в начале 1990-х го­дов начало чувствоваться влияние сетей ISDN, концепции Интеллек­туальной сети, идеи Информационной супермагистрали, а также других технологических и макроэкономических факторов, повлияв­ших на коммуникационные технологии. Одной из наиболее существенных технологий среди перечисленных выше являются цифровые АТС с программным управлением.

В двух предыдущих главах были рассмотрены системы коммута­ции физических каналов, в которых каждому соединению предостав­ляется своя физическая линия (электрическая цепь). При цифровой коммутации носителем информации является не амплитуда переда­ваемого по линии электрического сигнала, а временная последова­тельность импульсов, т.е. временной канал, определяемый простран­ственной и временной координатами.

В данной главе рассматриваются основные принципы цифровой коммутации, на которых строятся изучаемые далее в книге цифро­вые АТС, концентраторы, мультиплексоры, шлюзы, конвертеры и дру­гие устройства, обеспечивающие соединение и перенос информации в цифровом виде. К этому перечню следует добавить источники пе­редачи информации, к которым наряду с рассмотренными ранее обычными телефонами относятся устройства передачи данных, тер­миналы ISDN, компьютеры, факсы, видеокамеры, сканеры и т.п. В ка­честве приемников информации, в дополнение к упомянутым, могут выступать, например, видеомониторы или принтеры.

Эпоху цифровой реализации телекоммуникационной сети предо­пределило наличие двух недорогих, но чрезвычайно важных уст­ройств: кодеков, преобразующих аналоговые сигналы в цифровые (рис.4.1а), и модемов, преобразующих цифровые сигналы в анало­говые при передаче данных по аналоговым телефонным сетям (рис.4.16). Именно они, наряду с цифровизацией многоканальной электросвязи - систем передачи с ИКМ, обусловили появление циф­ровых систем коммутации.

Суть цифровизации заключается в том, что исходный аналого­вый электрический сигнал может быть воспроизведен из соответ­ствующей последовательности дискретных значений его амплиту­ды (отсчетов). Число отсчетов в секунду называется частотой дис­кретизации и зависит от самого высокочастотного компонента, присутствующего в аналоговом сигнале. Известная теорема Ко-тельникова гласит, что аналоговый сигнал можно правильно вос­становить, если частота дискретизации вдвое превышает частоту сигнала. Именно на ней и на теореме Найквиста, доказанной Гарри Найквистом в 1928 году и устанавливающей тот факт, что, если час­тота выборки f_s превышает не менее чем вдвое самую высокочас­тотную составляющую аналогового сигнала f _а, то первоначальный аналоговый сигнал полностью описывается только с помощью мо­ментальных выборок основывается импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). Эта минимальная частота выборки иногда называется час­тотой Найквиста.

Строже говоря, устройство дискретизации «вырезает» из перво­начального аналогового сигнала x(t) короткие выборочные импуль­сы (рис.4.2), образуя последовательность мгновенных значений ам­плитуды - дискретизированный во времени сигнал y(t) с частотой следования импульсов f_s. Этот процесс известен как амплитудно-импульсная модуляция (АИМ).

Рис. 4.2 ИКМ-кодирование аналогового сигнала речи

и его восстановление

Полученный таким образом сигнал y(t) представляет хотя и дис­кретные во времени, но, тем не менее, аналоговые значения ампли­туды первоначального сигнала x(t). Для того, чтобы передавать эти выборочные значения в цифровой форме, требуется их кванотование: значение каждой амплитуды округляется до ближайшего числа из некоторого конечного набора заранее фиксированных чисел (уровней квантования), и в результате получается сигнал z(t), дискретизированный по амплитуде. На рис.4.2 представлены исходный сигнал, дискретный во времени сигнал, полученный из исходного, и сигнал, полученный после квантования и представляющий собой дискретную во времени последовательность дискретных амплитуд. Заметим, что при квантовании значения амплитуды исходного сиг­нала утрачиваются вследствие округления, так что этот сигнал уже не может быть восстановлен точно (потеря точности выражается в т.н. шумах квантования, рассмотрение которых остается за преде­лами учебника).

И, наконец, последнее преобразование сигнала, также показан­ное на рис.4.2. Поскольку количество уровней квантования являет­ся конечным, все их можно пронумеровать (например, в порядке воз­растания) и представить каждый номер в виде двоичного кодового слова. В результате сигнал z(t) превращается в последовательность л-битовых слов, т.е. становится цифровым. Все это вместе и есть импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).

Очевидно, что чем больше уровней квантования, тем лучшую ха­рактеристику будет иметь восстановленный сигнал. Например, для речевых сигналов ИКМ достаточно иметь 256 уровней (8-битовые двоичные слова), но при кодировании музыки в CD-плейерах для получения удовлетворительной характеристики требуется 65536 уровней (16-битовые двоичные слова). Чем лучшее качество нам требуется, тем в большем количестве уровней квантования мы нуж­даемся, и тем более длинными должны быть кодовые слова, что, естественно, приводит к необходимости передавать биты с более высокой скоростью. Скорость передачи битов должна быть настоль­ко высока, чтобы цифровое слово, несущее предыдущее дискрет­ное значение амплитуды сигнала, оказалось переданным до того, как появится следующее слово, готовое к передаче. Поэтому для каждой системы приходится искать определенный компромисс ме­жду качеством и скоростью передачи информации.

Аналоговый речевой сигнал в телефонии занимает диапазон час­тот шириной до 4000 Гц и требует производить отсчеты амплитуды 8000 раз в секунду, т.е. частота дискретизации составляет 8 кГц. При квантовании отсчетов используется 256 стандартных ампли­туд, которые потом кодируются 8-разрядными двоичными слова­ми. Затем эти слова передаются в соответствующих временных интервалах, а на приемной стороне выполняется обратный процесс приближенного восстановления исходного аналогового речевого сигнала. Частота отсчетов 8 кГц и 8-битовая схема кодирования (все это выбиралось в результате длительных дебатов в ITU-T) дают очень хорошее качество речи, правда, за счет довольно высоких требований к скорости передачи битов. Меньшая частота отсчетов и/или меньшая разрядность кодирования (7-битовая схема коди­рования, например) дают менее гладкий и менее точно восстанов­ленный речевой сигнал.

Итак, результат каждого отсчета представляется одним байтом. Имеем: 8000 байтов в секунду и 8 битов в каждом байте. Скорость потока данных, передающего человеческую речь, составляет:

Поскольку ИКМ была первой стандартной технологией, получив­шей широкое применение в цифровых системах передачи, пропуск­ная способность канала, равная 64 Кбит/с, стала всемирным стан­дартом для цифровых сетей всех видов. Все сегодняшние цифро­вые линии имеют пропускную способность, либо равную 64 Кбит/с, либо кратную этой величине. Например, пропускная способность цифрового тракта Е1 составляет 2.048 Мбит/с, что эквивалентно 32 каналам по 64 Кбит/с каждый (отметим сразу, что для передачи ин­формации пользователей обычно используются 30 каналов, а осталь­ные два служат для синхронизации, контроля и сигнализации).

Технология ИКМ, базирующаяся на математических результатах Найквиста и Котельникова, представляет собой сегодня наиболее общий метод преобразования аналоговых речевых сигналов в циф­ровую форму.

Однако не забудем, что и ИКМ, и канал 64 Кбит/с стандартизиро­вались в 1970-е годы. Современные технологии цифровой обработ­ки сигналов предоставляют много более действенных способов ко­дирования. Имеется в виду, что можно добиться лучшего качества при той же скорости передачи битов, или равноценного качества при более низкой скорости передачи. Сегодня существуют и использу­ются более сложные схемы кодирования. Например, телефоны ISDN могут передавать высококачественную речь в диапазоне 7 кГц с той же скоростью 64 Кбит/с. Другой пример - это широко распростра­ненная техника GSM.

В ряде ведомственных сетей уже давно применяют более эффек­тивные системы кодирования, такие как АДИКМ. Поясним, что АДИКМ поддерживает передачу речи с «телефонным» качеством на скорости 32 Кбит/с, обеспечивая тем самым более эффективное использование имеющейся полосы пропускания. Дифференциаль­ная импульсно-кодоваямодуляция(ДИКМ) эффективнее, чем ИКМ, поскольку она предусматривает кодирование только изменений уровня сигнала. Основываясь на предположении, что изменение амплитуды речевого сигнала происходит относительно медленно, для представления каждого отсчета можно использовать меньше битов. В ДИКМ обычно используют 4 бита, что дает коэффициент сжатия 2: 1. Такой уровень компрессии позволяет иметь в тракте Е1 64 канала по 32 Кбит/с вместо 32 каналов по 64 Кбит/с в стандарте ИКМ. ДИКМ обычно обеспечивает качество речи, сравнимое с ИКМ.

Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (АДИКМ) улучшает качество ДИКМ, причем без увеличения количе­ства необходимых битов, а благодаря увеличению диапазона изме­нений сигнала, которые можно представить 4-битовой величиной. Но поскольку АДИКМ не согласуется с АТС на базе ИКМ, то, чтобы ввести два сжатых до 32 Кбит/с разговора в один канал ИКМ, необ­ходимо специальное оборудование - мультиплексор компрессии битов. Впрочем, к вопросу о 32 Кбит/с мы еще вернемся в главе 6 при описании отечественной станции С-32.

Отметим, что АДИКМ-не единственная технология, появившая­ся в результате непрекращающихся экспериментов производите­лей средств телефонии с теоремой Котельникова. Одно из пред­ложенных ими направлений - уменьшить точность, с которой уров­ни квантования соответствуют амплитудам исходного сигнала в точках отсчета, в результате чего для кодирования вместо вось­ми требуется всего шесть или семь битов. Другое направление хо­рошо иллюстрирует дощатый забор, верх которого обрезан по кри­вой линии: даже убрав четыре из каждых пяти досок, изгиб восста­новить все-таки можно. Еще одно направление основано на пред­положении, что в обычной человеческой речи существуют прогно­зируемые паузы: в эти паузы с помощью техники, известной как подавление молчания, вводятся дополнительные разговорные сиг­налы. Применяются также разные варианты метода квантования, которые пока не являются общепринятыми или широко используе­мыми в коммутационных узлах и станциях, но о которых будет ска­зано в главе 7, посвященной сетям доступа. В числе этих вариан­тов: варьируемый уровень квантования (VQL) - коэффициент ком­прессии 2: 1 (32 Кбит/с), непрерывно варьируемое изменение кру­тизны (CVSD) - коэффициент компрессии 4: 1 (16 Кбит/с) или 6, 667: 1 (9, 6 Кбит/с), кодирование с векторным квантованием (VQC), - коэффициент компрессии 4: 1 (16 Кбит/с), речь с высокой пропускной способностью (HCV) - коэффициент компрессии 8: 1 (8 Кбит/с). При применении таких методов компрессии нельзя за­бывать об одном жестком правиле: высвобождение ресурса про­пускной способности, достигаемое с их помощью, оплачивается ка­чеством звука. Новейшие методы могут обеспечить даже коэффи­циент сжатия 16: 1 (скорость 4 Кбит/с), однако качество речи при этом становится приемлемым только для исключительных случа­ев. Эти вопросы будут также затронуты в главе 7.