2.6.4. Магистрали и мультиплексирование
Магистрали в телефонной сети не только намного быстрее, чем местные линии, они отличаются в двух других отношениях. Ядро телефонной сети переносит цифровую информацию, а не аналоговую; то есть биты, не голос. Это требует преобразования в оконечной станции к цифровой форме для передачи по магистралям на большие расстояния. Магистрали переносят тысячи, даже миллионы звонков одновременно. Это совместное использование важно для достижения экономии за счет роста производства, так расходы на установку и поддержку магистрали высокой пропускной способности и магистрали низкой пропускной способности (между двумя коммутаторами) практически одинакова. Это достигается с помощью частотного и временного мультиплексирования.
Ниже мы кратко исследуем как голосовые сигналы оцифрованы так, чтобы они могли быть транспортированы телефонной сетью. После этого мы увидим, как используется временное мультиплексирование, чтобы перенести биты на магистраль, включая систему TDM, используемую для волоконной оптики (SONET). Затем мы обратимся к FDM, поскольку она применяется в волоконной оптике, где называется мультиплексированием разделения длины волны.
Оцифровка голосовых сигналов
На ранних этапах развития телефонной сети ядро обрабатывало голосовые вызовы как аналоговую информацию. Методы FDM много лет применялись для мультиплексирования голосовых 4000 Гц (3100 Гц плюс защитная полоса) каналов в большие и еще большие блоки. Например, 12 звонков в диапазоне от 60 до 108 кГц известны как группа, а пять групп (в общей сложности 60 звонков) известны как супергруппа и т. д. Эти методы FDM все еще используются для некоторых медных проводов и микроволновых каналов. Однако FDM требует аналоговой схемы и не поддается тому, чтобы быть реализованным компьютером. TDM, напротив, может быть обработан полностью цифровой электроникой, таким образом, этот вид уплотнения стал намного более широко распространенным в последние годы. Так как TDM может использоваться только для цифровых данных, а местные линии производят аналоговые сигналы, необходимо преобразование из аналогового в цифровой сигнал в оконечной станции, куда приходят все отдельные местные линии, чтобы быть объединенными на исходящие магистрали.
Аналоговые сигналы оцифровываются в оконечной станции конца устройством, названным кодеком (сокращение для «кодер-декодера»). Кодер-декодер делает 8000 отсчетов в секунду (125 мкс/отсчет), потому что теорема Найквиста говорит, что этого достаточно, чтобы получить всю информацию от телефонного канала с полосой пропускания 4 кГц. При более низкой скорости осуществления выборки была бы потеряна информация; при более высокой не была бы получена никакая дополнительная информация. Каждый отсчет амплитуды сигнала квантуется к 8-битовому числу.
Этот метод называют PCM (Pulse Code Modulation, импульсно-кодовая модуляция). Она образует сердце современной телефонной сети. Как следствие, фактически все временные интервалы в пределах телефонной сети — числа, кратные 125 мкс. Стандартная несжатая скорость передачи данных для телефонного звонка, таким образом, составляет 8 бит на каждые 125 мкс, или 64 Кбит/с.
В другом конце звонка аналоговый сигнал восстанавливается из квантованных образцов, проигрывая и сглаживая их по времени. Результат не будет точно таким же, как оригинальный аналоговый сигнал, даже если мы действовали на скорости Найквиста, потому что образцы квантовались. Чтобы уменьшить ошибку из-за квантизации, уровни квантизации расположены с неравными интервалами. Используется логарифмическая шкала, что дает относительно больше битов меньшим амплитудам сигнала и относительно меньше битов большим амплитудам сигнала. Таким образом, ошибка пропорциональна амплитуде сигнала.
Широко используются две версии квантизации: ц-закон (ц-law), используемый в Северной Америке и Японии, и A-закон (A-law), используемый в Европе и остальной части мира. Обе версии определены в стандарте ITU G.711. Представьте, что динамический диапазон сигнала (или отношение между самыми большими и самыми маленькими значениями) сжимается прежде, чем сигнал будет (равномерно) квантоваться, и затем расширяется, когда аналоговый сигнал воссоздается. По этой причине данный способ называют компандированием (companding). Также возможно сжать отсчеты после того, как они оцифрованы, так чтобы они потребовали намного меньше, чем 64 Кбит/с. Однако мы оставим эту тему до того момента, когда будем исследовать аудиоприложения, такие как IP-телефония.