Московский технический университет связи и информатики Институт повышения квалификации Кафедра технической эксплуатации электронных систем коммутации ЦИФРОВАЯ ТЕЛЕФОНИЯ Мурадов С.Г. Журавлев В.Ю. Москва 2001 ИПК МТУСИ Цифровая телефония ЦИФРОВАЯ ТЕЛЕФОНИЯ ЦЕЛИ: − Дать представление о принципах цифровой обработки и передачи сигналов; − Познакомить с принципами построения цифровых систем передачи; − Познакомить с типами цифровой коммутации каналов; − Познакомить с моделью построения цифровых станций; − Дать представление об основных способах передачи сигнализации между телефонными станциями. 2 ИПК МТУСИ Цифровая телефония СОДЕРЖАНИЕ: РАЗДЕЛ 1. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ 4 РАЗДЕЛ 2. ЦИФРОВАЯ КОММУТАЦИЯ 29 РАЗДЕЛ 3. ПОСТРОЕНИЕ ЦИФРОВЫХ ТЕЛЕФОННЫХ СТАНЦИЙ 36 РАЗДЕЛ 4. ОРГАНИЗАЦИЯ МЕЖСТАНЦИОННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ 41 3 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 1. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ЦЕЛИ РАЗДЕЛА: Дать представление о принципах передачи нескольких телефонных каналов по одной линии (о способах уплотнения линий связи). Дать представление о принципах построения цифровых систем передачи. Соединение телефонных станций цифровыми линиями связи. ТЕМЫ РАЗДЕЛА: − принцип частотного разделения каналов (ЧРК); − принцип временного разделения каналов (ВРК); − принцип амплитудно-импульсной модуляции (АИМ); − принцип импульсно–кодовой модуляции (ИКМ); − принцип объединения и разделения цифровых сигналов; − принцип построения цифровой системы передачи ИКМ–30; − иерархия построения цифровых систем передачи; − особенности соединения телефонных станций по цифровым линиям. СОДЕРЖАНИЕ: 1. АНАЛОГОВЫЕ СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ. 6 1.1 Частотное разделение сигналов (ЧРК). 6 1.2 Временное разделение сигналов (ВРК). 9 2. ЦИФРОВАЯ ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА. 11 2.1 Импульсно–кодовая модуляция сигналов (ИКМ). 11 2.2 Технология импульсно–кодовой модуляции сигналов (ИКМ). 12 2.2.1. Аналого-цифровой преобразователь (A/D) сигналов. 13 2.2.1.1 Ограничение полосы частот аналогового сигнала (ФНЧ). 13 2.2.1.2 Дискретизация телефонного сигнала. 14 2.2.1.3 Кодирование отсчетов АИМ сигнала. 14 2.2.2 Цифро-аналоговый преобразователь (D/A) сигналов 17 2.3 Мультиплексирование и демультиплексирование ИКМ сигналов. 18 4 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 3 ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ. 20 3.1 Организация тракта передачи цифровых систем передачи. 20 3.2 Принцип построения оборудования цифровых систем передачи 21 3.3 Построение цикла передачи цифровой системы передачи ИКМ–30. 23 3.4 Иерархия построения цифровых систем передачи. 25 3.5 Подключение телефонных станций с помощью цифровых систем передачи 27 5 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 1. АНАЛОГОВЫЕ СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ. Каждый абонент телефонной сети обычно подключается к станции с помощью двухпроводной линии. На заре создания телефонии абоненты соединялись между собой отдельными двухпроводными линиями и устанавливали соединения с помощью коммутатора. Высокая стоимость линейных сооружений, а также необходимость передачи телефонных сигналов на дальние расстояния привели к потребности передачи нескольких телефонных сигналов по одной линии. Одним из таких способов передачи стало уплотнение телефонных сигналов, основанное на принципе частотного разделения сигналов (ЧРК). 1.1 ЧАСТОТНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ СИГНАЛОВ (ЧРК). Спектр частот человеческой речи занимает диапазон от 16 Гц до 20 кГц. Но 80% мощности речевого сигнала находится в интервале частот от 0.3 до 3.4 кГц (так называемый спектр тональных частот). Поэтому в телефонии для передачи речевого сигнала используют ограниченную полосу частот (0.3 – 3.4) кГц, такой сигнал называют телефонным сигналом. При передаче телефонного сигнала по линии, сигнал не занимает всей полосы частот линейного спектра линии. Поэтому спектры передаваемых сигналов можно 6 ИПК МТУСИ Цифровая телефония расположить по порядку в линейном спектре линии и тем самым организовать передачу нескольких телефонных сигналов по одной линии. Чтобы полностью использовать весь линейный спектр линии, телефонные сигналы (0.3 – 3.4) кГц располагают последовательно, по порядку предоставляя каждому из них в линейном спектре полосу частот шириной по 4 кГц. Такая ширина полосы выбрана для того, чтобы осуществить техническую возможность выделения передаваемого сигнала из линейного спектра с помощью фильтра. Однако передача уплотненного сигнала в области низких частот линейного спектра линии затруднена большой кривизной амплитудно-частотной характеристики линии в этой области частот. Использование области низких частот привело бы к усложнению оборудования передачи и появлению больших амплитудно-частотных искажений. Поэтому передачу уплотненного сигнала осуществляют в области средних или высоких частот линейного спектра линии. 7 ИПК МТУСИ Цифровая телефония Для того чтобы расположить телефонные сигналы (0.3 – 3.4) кГц по порядку в линейном спектре и осуществить тем самым передачу уплотненного линейного сигнала, применяют процесс обработки сигнала, называемый МОДУЛЯЦИЕЙ. Для выделения телефонных сигналов из линейного спектра линии на приемной стороне применяют обратный процесс обработки сигнала, называемый ДЕМОДУЛЯЦИЕЙ. При модуляции телефонного сигнала его спектр частот (0.3 – 3.4) кГц складывается с фиксированной частотой, которая и переносит телефонный сигнал в определенную область частот линейного спектра; эта частота называется НЕСУЩЕЙ частотой. На приемной стороне, чтобы получить исходный телефонный сигнал из линейного спектра, производят вычитание индивидуальной НЕСУЩЕЙ частоты из спектра частот линейного сигнала, этот процесс выделения сигнала называется демодуляцией. Для каждого исходного телефонного сигнала на приемной и передающей стороне применяется своя индивидуальная несущая частота. 8 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 1.2 ВРЕМЕННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ СИГНАЛОВ (ВРК). Принцип временного разделения сигналов основывается на том, что весь непрерывный аналоговый сигнал передавать не требуется, а достаточно передавать только часть исходного сигнала. Этот способ обработки сигнала подобен замене изображения непрерывной кривой линией виде точек или коротких отрезков. Если отрезки изображать с определенной периодичностью, то по ним можно будет восстановить исходную непрерывную кривую. Первым, кто обосновал и определил частоту отсчетов, был В.А.Котельников. По его теории частота отсчетов, необходимая для восстановления исходного сигнала, должна быть не меньше, чем удвоенная наивысшая частота в спектре исходного сигнала. Например: аналоговый телефонный сигнал (0.3 – 3.4) кГц может быть представлен в виде сигнала, состоящего из отсчетов амплитуд, взятых с частотой равной: F ≥ 2 * Fв= 2 * 3,4 = 6,8 кГц По рекомендации МККТТ эта частота равна 8 кГц. Эта частота называется частотой ДИСКРЕТИЗАЦИИ. Способ получения такого сигнала называется ДИСКРЕТИЗАЦИЕЙ телефонного сигнала, а сам сигнал называется АМПЛИТУДНО – ИМПУЛЬСНО МОДУЛИРОВАННЫМ (АИМ). На приемной стороне по этим отсчетам производится восстановление исходного телефонного сигнала. 9 ИПК МТУСИ Цифровая телефония Между отсчетами АИМ сигнала образуются интервалы времени, в течение которых можно передавать отсчеты других сигналов и тем самым производить уплотнение линии. Такой принцип уплотнения сигналов в линии называется ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ СИГНАЛОВ (ВРК). Способ объединения телефонных сигналов для передачи по линии производится с помощью МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ нескольких АИМ сигналов. АИМ сигнал является сигналом с переменной амплитудой, поэтому он попрежнему остается АНАЛОГОВЫМ сигналом. 10 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 2. ЦИФРОВАЯ ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА. 2.1 ИМПУЛЬСНО – КОДОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ (ИКМ). Если вместо отсчетов с переменной амплитудой (АИМ сигнала) передавать числовое значение этой амплитуды, представив его в двоичном коде, то такой способ обработки сигнала называется ИМПУЛЬСНО–КОДОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ (ИКМ). Такой сигнал является ЦИФРОВЫМ сигналом, т. к. значение амплитуды сигнала выражено числом. Амплитуды отсчетов аналогового АИМ сигнала кодируются 8–ми разрядными словами. Закодированная восемью битами амплитуда передается во временном интервале между двумя соседними отсчетами разных АИМ сигналов. Этот временной интервал называется КАНАЛЬНЫМ ИНТЕРВАЛОМ (TS). 11 ИПК МТУСИ Цифровая телефония На приемной стороне по этим числовым значениям ИКМ сигнала восстанавливается исходное значение амплитуды отсчета АИМ сигнала. При передаче цифрового сигнала на большие расстояния требуется восстановление (регенерация) искаженного ИКМ сигнала с помощью регенераторов. Регенерация цифрового сигнала является одним из достоинств цифровой передачи над аналоговой передачей, т. к. аналоговый сигнал при усилении на промежуточном пункте усиливается вместе с шумами, которые на него накладываются при прохождении по линии. 2.2 ТЕХНОЛОГИЯ ИМПУЛЬСНО – КОДОВОЙ МОДУЛЯЦИИ (ИКМ). Задача импульсно–кодовой модуляции (ИКМ) состоит в преобразовании АНАЛОГОВОГО сигнала в ЦИФРОВОЙ сигнал. В дальнейшем цифровой сигнал может передаваться отдельно сам по себе или вместе с другими цифровыми сигналами. Любая ИКМ система состоит из следующих основных компонентов: 12 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 2.2.1 АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (A/D) СИГНАЛОВ. Аналого-цифровой преобразователь производит преобразование исходного речевого сигнала в цифровой сигнал. Основными этапами аналого-цифрового преобразования является: 1. Ограничение полосы частот (фильтрация); 2. Дискретизация телефонного сигнала; 3.Кодирование отсчетов АИМ сигнала. 2.2.1.1. Ограничение полосы частот аналогового сигнала. Спектр исходного речевого сигнала необходимо ограничить сверху, чтобы обозначить верхнюю частоту (Fв) сигнала для выполнения условий теоремы Котельникова (F ≥ 2Fв). Ограничение выполняется фильтром нижних частот с верхней частотой среза Fв = 3.4 кГц. Таким образом, спектр исходного речевого сигнала ограничивается до спектра обычного телефонного сигнала (0.3 – 3.4) кГц. 13 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 2.2.1.2. Дискретизация телефонного сигнала. Из ограниченного телефонного сигнала, через регулярные интервалы времени, выбирают отсчеты. Из последовательности этих отсчетов образуется АИМ сигнал. Частота следования отсчетов равна частоте дискретизации Fд = 8 кГц. Величина периода следования отсчетов равна: Т = 1/8000 = 0.000125 (сек.) = 125(мксек.). Дискретизация телефонного сигнала технически реализуется с помощью электронного ключа, который проключает соединение через каждые 125 мксек. на короткий период времени. 2.2.1.3. Кодирование отсчетов АИМ сигнала. При кодировании отсчетов АИМ сигнала, каждое значение амплитуды АИМ сигнала преобразуется в число, выраженное в двоичном коде, т.е. в виде 0 и 1. Для кодирования отсчетов используют восьмиразрядные числа. Каждый разряд двоичного числа может принимать только два определенных значения 0 или 1. Из этого следует, что возможных комбинаций восьмиразрядного числа может 8 быть 2 = 256. Перед тем, как выполнять кодирование отсчетов АИМ сигнала, необходимо произвести квантование отсчетов, т.к. АИМ сигнал является аналоговым сигналом, а восемью разрядами кодового слова можно передать информацию лишь о 256 значениях амплитуды отсчетов. Для этого весь диапазон изменения амплитуды сигнала разбивают на 256 разрешенных уровней. 14 ИПК МТУСИ Цифровая телефония Эти значения амплитуды получаются как бы пронумерованными, их называют РАЗРЕШЕННЫМИ значениями квантованного сигнала. Если значение амплитуды АИМ сигнала находится между двумя РАЗРЕШЕННЫМИ значениями, то значение квантованной амплитуды выбирается в зависимости от того, к какому из РАЗРЕШЕННЫХ значений находится ближе значение амплитуды АИМ сигнала. Округление исходного значения амплитуды отсчета АИМ сигнала до ближайшего РАЗРЕШЕННОГО значения называется КВАНТОВАНИЕМ сигнала. В результате такого округления происходит преднамеренное искажение амплитуды исходного сигнала, такое искажение называется ШУМОМ КВАНТОВАНИЯ. Различают два способа квантования: • ЛИНЕЙНОЕ квантование; • НЕЛИНЕЙНОЕ квантование. Разница между этими типами квантования заключается в способах округления сигнала. При ЛИНЕЙНОМ квантовании весь динамический диапазон сигнала Umin…Umax разбивают равномерно на 256 разрешенных значений. 15 ИПК МТУСИ Цифровая телефония Величина интервала между соседними разрешенными значениями всегда постоянна и равна: ∆U= (Umax – Umin)/256 ; этот интервал называется ШАГОМ КВАНТОВАНИЯ. При линейном квантовании максимальная величина округления амплитуды сигнала может равняться половине ШАГА КВАНТОВАНИЯ: UШ = ∆U/2 — эта величина определяет величину ШУМА КВАНТОВАНИЯ. При линейном квантовании значение округления амплитуды одинаково для любого уровня сигнала поступающего на вход кодера. Таким образом, слабый сигнал с малым уровнем подвергается такому же округлению, как и сигнал с высоким уровнем. Тем самым искажение слабых сигналов производится больше, чем сильных сигналов. Вследствие этого помехозащищенность сигналов с малым уровнем ниже, чем у сигналов с высоким уровнем амплитуды. Так как по статистике сигналы с высоким уровнем встречаются гораздо реже сигналов с малым уровнем, то при кодировании сигналов линейное квантование не применяется. На практике применяют НЕЛИНЕЙНОЕ квантование, при котором степень округления сигнала зависит от величины кодируемого сигнала. В отличие от линейного квантования для сигналов с различными уровнями помехозащищенность остается постоянной. Это достигается за счет нелинейного изменения шага квантования в зависимости от уровня сигнала. Так, для малых сигналов шаг квантования меньше, чем для больших. Тем самым меньше округление, а, следовательно, выше помехозащищенность. Теоретически доказано, что помехозащищенность будет постоянной для сигналов с различными уровнями в случае, если шаг квантования будет изменяться по логарифмическому закону. Для НЕЛИНЕЙНОГО квантования МККТТ рекомендует использовать два способа формирования шага квантования: 1. Формирование шага квантования по А – закону; 2. Формирование шага квантования по µ – закону. В этих двух способах шаг квантования изменяется по квазилогарифмическому закону. Отличие состоит в том, что при квантовании по А – закону кривая функции сопрягается с началом координат по касательной, а при квантовании по µ – закону логарифмическая функция сдвинута к началу координат. А – закон применяется для систем передачи, работающих в Европе, а µ – закон для систем передачи, работающих в Америке (PCM–24). После квантования отсчетов АИМ сигнала, разрешенным значениям амплитуды присваивают числовые значения, выраженные в двоичной форме. Таким образом, происходит кодирование отсчетов и преобразование аналогового АИМ сигнала в цифровой ИКМ сигнал. 16 ИПК МТУСИ Цифровая телефония Старший разряд восьмиразрядного числа, кодирующего отрицательную амплитуду, имеет значение 0, а положительную амплитуду – 1. 2.2.2. ЦИФРО–АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (A/D) СИГНАЛОВ. Цифро–аналоговый преобразователь производит обратное преобразование цифрового ИКМ сигнала в исходный аналоговый сигнал. На основании получаемых цифровых комбинаций ИКМ сигнала производится восстановление (декодирование) отсчетов АИМ сигнала. Спектр АИМ сигнала в своем составе несет спектр исходного телефонного сигнала. При прохождении АИМ сигнала через фильтр нижних частот происходит выделение спектра исходного телефонного сигнала. 17 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 2.3. МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ И ДЕМУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ ИКМ СИГНАЛОВ. Двоичные восьмиразрядные числа нескольких телефонных сигналов могут быть последовательно объединены и циклически переданы в линию. Это объединение основано на принципе временного разделения сигналов (ВРК), когда в промежутке между двумя кодовыми последовательностями одного ИКМ сигнала (125 мксек.) передаются кодовые последовательности других ИКМ сигналов. Процесс объединения ИКМ сигналов называется МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕМ и производится при передаче сигналов. На приеме производится обратное разделение ИКМ сигналов, которое называется ДЕМУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕМ. 18 ИПК МТУСИ Цифровая телефония Устройства, осуществляющие объединение и разделение ИКМ сигналов, называются соответственно МУЛЬТИПЛЕКСОР и ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОР. Конструктивно эти два устройства выполнены совершенно одинаково. Последовательность бит, содержащая кодовые комбинации от каждого входящего ИКМ сигнала, называется ЦИКЛОМ сигнала (pulse frame). Чтобы на приеме правильно демультиплексировать принимаемый сигнал, нужно определить порядок следования ИКМ сигналов. Для этого на приемной стороне надо определить первую кодовую комбинацию ЦИКЛА передаваемого сигнала. Это достигается формированием при передаче специального указателя начала ЦИКЛА. Специальная, заранее известная, кодовая комбинация, отличная от других комбинаций в цикле, называется СИНХРОСИГНАЛОМ ЦИКЛА (frame alignment signal – FAS). Он синхронизирует работу мультиплексора и демультиплексора. 19 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 3. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ 3.1. ОРГАНИЗАЦИЯ ТРАКТА ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ Цифровые системы передачи являются четырехпроводными системами передачи. Для каждого направления передачи требуется отдельная пара проводов, т.е. два провода в направлении передачи и два – в направлении приема. Цифровые системы передачи для каждого соединения используют отдельный канал (trunk), при этом в каждом направлении передачи (А–>В или В–>А) занимается один и тот же по порядку канальный интервал(TS). 20 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 3.2. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ Цифровые системы передачи на обоих концах кабельной магистрали снабжены блоками аналого-цифрового оборудования (АЦО). АЦО состоит из двух частей: • Передатчик цифрового потока; • Приемник цифрового потока. Передающая часть производит аналого-цифровое преобразование входящих телефонных сигналов и мультиплексирование их в один цифровой поток, для дальнейшей передачи по линии. Приемная часть производит демультиплексирование входящего цифрового потока и обратное цифро-аналоговое преобразование ИКМ сигнала в исходный аналоговый сигнал. Для обеспечения дальности передачи цифрового потока и необходимого качества передачи, на магистрали между оконечными пунктами устанавливают регенераторы. 21 ИПК МТУСИ Цифровая телефония РЕГЕНЕРАТОР принимает на вход искаженные последовательности импульсов цифрового сигнала и производит восстановление их исходной формы. Количество и тип регенераторов зависит от протяженности магистрали и от характеристик кабеля. На оконечных и переприемных пунктах также устанавливают Оборудование линейного тракта (ОЛТ), которое обеспечивает дистанционное питание регенераторов и восстановление цифрового сигнала при приеме цифрового потока. 22 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 3.3 ПОСТРОЕНИЕ ЦИКЛА ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ ИКМ–30 (РСМ–30) Цифровая система передачи ИКМ–30 предназначена для передачи в цифровом потоке 30 телефонных сигналов и сигналов межстанционной сигнализации. Цикл передачи ИКМ–30 (РСМ–30) состоит из 32 канальных интервалов (TS). Канальные интервалы с 1 по 15 и с 17 по 31 используются для передачи 30 телефонных сигналов. Нулевой канальный интервал используется для передачи синхросигнала цикла цифрового потока (FAS), а также для передачи служебной информации системы ИКМ–30 (SW служебное слово). 16 канальный интервал используется для передачи сигналов межстанционной сигнализации (сигналов управления установлением соединения). Сигнализация может организовываться двумя способами: • по выделенным каналам (CAS), • по общему каналу, например, ОКС№7 (CCS7). В линейном тракте системы передачи ИКМ–30 циклы передаются последовательно один за другим. Если порядок передачи циклов пронумеровать, то во всех четных циклах (0, 2, 4, ...) в нулевом канальном интервале передается служебное слово (SW), а в нечетных циклах (1, 3, 5, 7, 9, ...) ––– передается синхросигнал цикла (FAS). 23 ИПК МТУСИ Цифровая телефония Синхросигнал цикла (FAS) представляет собой фиксированную комбинацию бит, и только первый бит резервируется для международного применения. Служебное слово несет информацию о физическом состоянии линейного тракта системы передачи ИКМ–30. Эта информация нужна для оповещения передающей стороны о проблемах с линейным трактом в направлении передачи. 24 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 3.4 ИЕРАРХИЯ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ. Построение цифровых систем с большим числом телефонных каналов основывается на объединении цифровых потоков систем передачи ИКМ–30 (PCM– 30). Количество каналов в этих системах увеличивается кратно четырем. В настоящее время используются следующие типы цифровых систем передачи: • ИКМ–120 = 4 * ИКМ–30; • ИКМ–480 = 4 * ИКМ–120; • ИКМ–1920 = 4 * ИКМ–480. Чтобы получить цифровой поток системы ИКМ–120 производят поочередную запись четырех цифровых потоков в циклическую память со скоростью 2 Мбит/с, равной скорости передачи в ИКМ–30. После записи всех четырех цифровых потоков ИКМ–30 производят последовательное считывание их из памяти со скоростью в четыре раза выше, чем скорость записи: 2 х 4 = 8 Мбит/с. После считывания цифровых потоков их дополняют флагом, чтобы полностью сформировать цикл нового потока. 25 ИПК МТУСИ Цифровая телефония Цифровой поток системы передачи ИКМ–30 является базовым (первым) потоком при объединении 30 телефонных сигналов (64Кбит/с), поэтому его называют ПЕРВИЧНЫМ цифровым потоком (PDC 2Мбит/с). Все другие цифровые потоки называются: •ВТОРИЧНЫМ цифровым потоком (SDC 8Мбит/с) для ИКМ–120; •ТРЕТИЧНЫМ цифровым потоком (TDC 34 Мбит/с) для ИКМ–480. Число в названии потоков цифровых систем передачи указывает на число ступеней мультиплексирования цифрового потока, которое нужно произвести, чтобы получить исходный телефонный сигнал (64 кбит/с). Для передачи цифровых потоков систем передачи более высокого порядка, чем ИКМ–30, в качестве линейных сооружений применяют либо коаксиальный кабель, либо волоконно-оптические линии. 26 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 3.5 ПОДКЛЮЧЕНИЕ ТЕЛЕФОННЫХ СТАНЦИЙ С ПОМОЩЬЮ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ. Аналоговые телефонные станции могут соединяться между собой по цифровым линиям. Для этого аналоговые станционные линии подключаются к согласующим устройствам аналого-цифрового оборудования (АЦО) систем передачи ИКМ. Цифровые телефонные станции производят коммутацию цифровых линий, по которым передается сигнал в цифровой форме. В отличие от аналоговых станций цифровые телефонные станции имеют в своем составе оборудование АЦО, позволяющее организовывать системы передачи ИКМ. Это оборудование во многих случаях является их неотъемлемой частью, обеспечивающей подключение обычных аналоговых абонентов. 27 ИПК МТУСИ Цифровая телефония При организации соединительных линий между цифровыми станциями их линейный тракт составляют из линейного оборудования ИКМ систем и из регенераторов. 28 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 2. ЦИФРОВАЯ КОММУТАЦИЯ ЦЕЛИ РАЗДЕЛА. Дать представление об основных способах коммутации, применяемых в цифровых телефонных станциях. ТЕМЫ РАЗДЕЛА: − принцип пространственной коммутации; − принцип временной коммутации; − комбинированный способ пространственно-временной коммутации. СОДЕРЖАНИЕ: 1. ЦИФРОВЫЕ СПОСОБЫ КОММУТАЦИИ 30 1.1 Пространственная коммутация 31 1.2 Временная коммутация 33 1.3 Пространственно-временная коммутация. 34 29 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 1. ЦИФРОВЫЕ СПОСОБЫ КОММУТАЦИИ Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму позволило не только улучшить качество передачи сигнала, но и создать новые способы коммутации цифровых линий. В цифровых станциях при установлении соединений применяются два основных способа коммутации: • ПРОСТРАНСТВЕННАЯ КОММУТАЦИЯ (SPACE SWITCH). • ВРЕМЕННАЯ КОММУТАЦИЯ (TIME SWITCH). 30 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 1.1 ПРОСТРАНСТВЕННАЯ КОММУТАЦИЯ (SPACE SWITCH, SS). ПРОСТРАНСТВЕННАЯ КОММУТАЦИЯ производит перенос канального интервала из любого входящего направления на любое исходящие направление без изменения временного положения канального интервала в цифровом потоке. Для коммутации цифровых линий используют электронные ключи, которые работают по принципу логических элементов “И” (&). Принцип работы этого элемента заключается в том, что если, хотя бы на одном из его входов присутствует логический ноль “0”, то на выходе элемента “И” будет также ноль “0”. На один из двух входов электронного ключа подают сигналы управления, на другой вход подают цифровой сигнал. Сигналы управления ключом хранятся в управляющей памяти коммутатора. Сигналы управления подаются на управляющий вход ключа в момент поступления на сигнальный вход сигнала для проключения его на выход ключа. В зависимости от значения сигнала управления происходит проключение входящего цифрового сигнала на выход ключа. Если на управляющий вход ключа подается сигнал, равный единице, то цифровой сигнал с входа ключа проходит на его выход; таким образом и происходит проключение канала. Если на управляющий вход ключа подать сигнал, равный нулю, то ключ будет закрыт и сигнал со входа не пройдет на его выход. 31 ИПК МТУСИ Цифровая телефония Канальный интервал цифрового потока фактически является передающей или приемной линией вызова. Пространственная коммутация, переключая канальные интервалы между направлениями, производит соединение передающей линии вызова с приемной линией вызова. 32 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 1.2 ВРЕМЕННАЯ КОММУТАЦИЯ (TIME SWITCH, TS). ВРЕМЕННАЯ КОММУТАЦИЯ производит изменение временного положения канального интервала в исходящем потоке по отношению к входящему потоку. Временная коммутация осуществляет проключение между канальными интервалами цифрового потока в одном направлении. Предварительно входящий цифровой сигнал последовательно записывается в циклическую память, а затем считывается из нее в необходимом порядке. Порядок считывания сигналов из памяти зависит от значения сигналов управления в управляющей памяти. 33 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 1.3 ПРОСТРАНСТВЕННО - ВРЕМЕННАЯ КОММУТАЦИЯ (SPACE-TIME SWITCH, STS). Пространственно-временная коммутация является совокупностью двух основных способов коммутации пространственной и временной коммутации. Пространственно-временная коммутация осуществляет перенос канального интервала цифрового сигнала из любого входящего направления на любое исходящие направление в любое временное положение цифрового потока. Для осуществления этого способа коммутации сигналы от всех входящих цифровых потоков объединяют (мультиплексируют) в один цифровой поток. Затем этот цифровой поток поступает на вход временного коммутатора, где его записывают в память, а затем считывают из нее в необходимом порядке. После ступени временной коммутации производят разделение (демультиплексирование) цифрового потока по исходящим направлениям. 34 ИПК МТУСИ Цифровая телефония Полученные цифровые потоки в исходящих направлениях будут сформированы по-новому из-за наличия ступени временной коммутации между мультиплексированием и демультиплексированием. 35 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 3. ПОСТРОЕНИЕ ЦИФРОВЫХ ТЕЛЕФОННЫХ СТАНЦИЙ ЦЕЛИ РАЗДЕЛА. Дать представление о принципах построения цифровых телефонных станций. ТЕМЫ РАЗДЕЛА: − функциональное оборудование для подключения различных типов линий; − функциональное оборудование для коммутации абонентских линий и телефонных каналов. СОДЕРЖАНИЕ: 36 1. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ СТАНЦИЙ 37 1.1 Оконечное оборудование доступа 38 1.2 Цифровое коммутационное поле 40 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 1. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ СТАНЦИЙ Аппаратное обеспечение современных цифровых станций можно разделить на две функциональные области: − − ОКОНЕЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДОСТУПА, предназначенного для сопряжения различных типов линий с коммутационным полем станции. ЦИФРОВОЕ КОММУТАЦИОННОЕ ПОЛЕ, предназначено для проключения соединения в станции и для взаимодействия оконечного оборудования доступа между собой. Процессы коммутации и обработки вызовов в цифровых станциях производятся по заранее написанному программному обеспечению (SW). Согласно программному обеспечению ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР или ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННЫЕ ПРОЦЕССОРЫ управляют оконечным оборудованием доступа и коммутационным полем в станции. 37 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 1.1 ОКОНЕЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДОСТУПА. Оконечное оборудование доступа служит для подключения к цифровой станции абонентских и межстанционных соединительных линий. Оконечное оборудование доступа осуществляет согласование различных типов линий с коммутационным полем, преобразуя формат передаваемых сигналов по этим линиям в формат сигналов, коммутируемых коммутационным полем. 38 ИПК МТУСИ Цифровая телефония Также оборудование доступа обеспечивает функционирование различных абонентских терминалов, подключаемых по различным абонентским линиям. Например, оборудование доступа, при подключении обычной аналоговой абонентской линии, реализует следующие функции абонентского комплекта, обозначаемые сокращением BORSCHT. Оно составлено по первым буквам английских названий этих функций. 1. Питание микрофона телефонного аппарата (Battery supply). 2. Защита от постороннего напряжения (Overvoltage protection). 3. Подача на аппарат индукторного вызова (Ringing). 4. Прием и опознавание набираемых цифр (Signaling). 5. Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование (Coding). 6. Переход с 2-хпроводной схемы абонентской линии на 4-хпроводную схему цифровой системы передачи (Hybrid). 7. Измерение параметров абонентских линий и телефонных аппаратов (Test access). 39 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 1.2 ЦИФРОВОЕ КОММУТАЦИОННОЕ ПОЛЕ Цифровое коммутационное поле современных цифровых станций функционирует, используя для установления соединений, цифровые способы коммутации. Коммутационное поле содержит комбинации временной, пространственной или пространственно–временной ступеней коммутации. Комбинация нескольких способов коммутации позволяет построить полнодоступное поле и согласовать конфигурацию коммутационного поля в зависимости от числа линий подключаемых к телефонной станции. В цифровых телефонных станциях все сигналы передаются цифровым способом, используя технологии обработки цифровых систем передачи. Коммутационное поле коммутирует канальные интервалы цифровых потоков строго определенного формата. Задача коммутационного поле найти путь установления соединения между любыми цифровыми потоками и различными по порядку канальными интервалами. Каждое соединение в коммутационном поле предполагает проключения двух путей: одного для направления передачи, другого для направления приема. 40 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 4. ОРГАНИЗАЦИЯ МЕЖСТАНЦИОННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ ЦЕЛИ РАЗДЕЛА: Дать представление об основных системах передачи межстанционной сигнализации телефонных станций для установления соединений между собой. ТЕМЫ РАЗДЕЛА: − система передачи сигнализации по выделенному каналу (CAS); − система передачи сигнализации по общему каналу (ОКС/CCS). СОДЕРЖАНИЕ: 1. 1.1 1.1.1 1.2 1.2.1 ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ОРГАНИЗАЦИИ МЕЖСТАНЦИОННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ. Организация передачи системы сигнализации по выделенному каналу (ВСК/CAS). Организация передачи системы сигнализации по выделенному каналу (ВСК/CAS) по цифровой системе передачи ИКМ-30. Организация передачи системы сигнализации по общему каналу (ОКС/CCS). Основной формат сигнального сообщения. 42 43 45 46 48 41 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 1. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ОРГАНИЗАЦИИ МЕЖСТАНЦИОННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ Отдельные телефонные станции соединяются между собой по соединительным линиям, образуя таким образом телефонную сеть. Между станциями помимо передачи телефонных сигналов от абонентов передаются сигналы управления установлением соединения. Эти сигналы называются межстанционной сигнализацией. Состав, назначение сигналов межстанционной сигнализации, способ их кодирования и передачи, процедуру обмена (протокол) определяет СИСТЕМА СИГНАЛИЗАЦИИ. В результате развития технологий телефонии определились две основные системы передачи межстанционной сигнализации: • СИСТЕМА СИГНАЛИЗАЦИИ ПО ВЫДЕЛЕННОМУ КАНАЛУ (CAS); •СИСТЕМА СИГНАЛИЗАЦИИ ПО ОБЩЕМУ КАНАЛУ (CCS). Цифровые системы передачи могут передавать сигналы сигнализации организованные двумя способами: 1. По выделенному каналу (CAS). 2. По общему каналу ОКС (CCS). Системы сигнализации развивались исключительно для решения задач телефонии и разрабатывались для упрощения и удешевления сигнального оборудования и повышения достоверности передачи. В результате развития технологий связи многие системы сигнализации давно устарели и не соответствуют современным требованиям, но и их приходится учитывать при развитии и реконструкции сетей. Внедрение современных цифровых телефонных станций, цифровизация и интеграция сетей, появление новых сетей и услуг возникли новые требования, потребовалась высокопроизводительная, высоконадежная и универсальная система сигнализации. В результате была разработана и стандартизирована на международном уровне СИСТЕМА ОБЩЕКАНАЛЬНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ №7 (CCS7). Эта система может применяться на международных и национальных сетях связи. Ее внедрение в цифровые сети позволяет повысить надежность действия, производительность сетей, значительно расширить их функциональные возможности и спектр предоставляемых абонентам услуг. 42 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 1.1 ОРГАНИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ СИСТЕМЫ СИГНАЛИЗАЦИИ ПО ВЫДЕЛЕННОМУ КАНАЛУ (CAS). Сигналы системы сигнализации по выделенному каналу (CAS) подразделяются на ИНФОРМАЦИОННЫЕ, ЛИНЕЙНЫЕ и РЕГИСТРОВЫЕ. Информационные акустические сигналы служат для оповещения вызывающего абонента или оператора о состоянии и этапах установления соединения. Они передаются непосредственно в телефонном канале в виде тональных сигналов или механического голоса. Следующие основные сигналы обязательны для станций и узлов: − ОТВЕТ СТАНЦИИ непрерывная посылка частоты (425±25) Гц напряжением (3±0.3) В. − ЗАНЯТО периодические посылки частоты (425±25) Гц с временными характеристиками: посылка 0.3...0.4 с., пауза 0.3...0.4 с. . − КОНТРОЛЬ ПОСЫЛКИ ВЫЗОВА (КПВ) периодические посылки частоты (425±25) Гц с временными характеристиками: при местном соединении посылка 0.8...1с, пауза соответственно 3.2...4 с., а при автоматическом междугородном соединении посылка (1.2±0.12) с., пауза (2±0.2) с. . − ЗАНЯТО - ПЕРЕГРУЗКА периодические посылки частоты (425±25) Гц с временными характеристиками: посылка 0.15...0.20 с., пауза 015...0.20 с., посылается при занятости соединительных путей, линий, комплектов. Линейные сигналы передаются по телефонным и выделенным сигнальным каналам, межстанционным и внутристанционным линиям между коммутационными приборами разговорного тракта, как в прямом, так и в обратном направлении, в исходном состоянии, в процессе установления соединения, во время разговора и после отбоя. Эти сигналы отмечают этапы установления соединения (исходное состояние, занятие, ответ, разъединение и т.д.). Состав передаваемых линейных сигналов зависит от типа линий между станциями. Регистровые сигналы передаются между абонентскими терминалами и управляющими устройствами станций, между управляющими устройствами разных станций. Состав передаваемых регистровых сигналов зависит от типа станций, между которыми передаются сигналы управления. Регистровые сигналы могут передаваться декадным или частотным способами. При передаче сигналов частотным способом регистровые сигналы транслируются непосредственно в телефонном канале. Первые аналоговые системы сигнализации были внутриполосные: линейные и регистровые сигналы передавались в полосе телефонного спектра физической линии или канала системы передачи. Внутриполосный сигнальный канал (ВПСК), расположенный в телефонном спектре, обычно на частоте 2600Гц (2100Гц). Внедрение аналоговых систем передачи с выделенными из телефонного спектра сигнальными каналами (ВСК), привело к появлению способа передачи линейных управляющих сигналов по выделенному сигнальному каналу. Выделенный сигнальный канал (ВСК), расположен вне телефонного спектра, на частотах 3825Гц или 3850Гц. Для передачи управляющих сигналов сигнализации может применяться комбинация двух способов, оба сигнальных канала (ВСК и ВПСК). 43 ИПК МТУСИ Цифровая телефония Оба канала — телефонный и сигнальный составляют единое целое и жестко связаны между собой. На приеме и передаче производят выделение сигнального канала для, получения сигналов управления вызовом устанавливаемого по телефонному каналу. Передача сигналов сигнализации в телефонном спектре, как правило, применяется на ЗСЛ и СЛМ линиях между АТС декадно-шаговой, координатной или квазиэлектронной систем и АМТС, а также на междугородных линиях, связывающих АМТС между собой. Линейные сигналы передаются на частоте 2600Гц и отличаются длительностью, числом импульсов и направлением передачи. Регистровые сигналы передаются декадным или многочастотным кодом. 44 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 1.1.1 Организация передачи системы сигнализации по выделенному каналу (ВСК/CAS) по цифровой системе передачи ИКМ-30. С началом процесса цифровизации сетей связи стали внедряться цифровые системы передачи и цифровые станции, поддерживающие старые системы сигнализации. Применение систем передачи типа ИКМ-30 и ИКМ-120 позволяют организовать до двух сигнальных каналов (ВСК) для каждого телефонного канала. В системе ИКМ-30 за один цикл длительностью 125µс передаются 32 канальных интервала. Нулевой (0) канальный интервал используется для передачи цикловой синхронизации (FAS) и служебной информации (SW). Канальные интервалы с 1 по 15 и с 17 по 31 используются для объединения 30-ти телефонных каналов в один цифровой поток. Шестнадцатый (16) канальный интервал предназначен для образования двух пар сигнальных каналов. В разрядах с 0 по 3 передаются два сигнальных канала (2ВСК) для телефонных каналов с 1 по 15, а в разрядах с 4 по 7 передаются два сигнальных канала (2ВСК) для телефонных каналов с 17 по 31. Каждая пара сигнальных каналов (2ВСК) обслуживает один телефонный канал за один цикл в 16-ом канальном интервале можно передать сигнальную информацию только для двух телефонных каналов. Для образования сигнальных каналов для всех 30-ти телефонных каналов формируется группа из 16-ти циклов, которая образует в цифровом потоке СВЕРХЦИКЛ (multiframe). В нулевом (0) цикле передается специальный сигнал синхронизации сверхцикла, который называется СВЕРХЦИКЛОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ (MFAS). 45 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 1.2 ОРГАНИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ СИСТЕМЫ СИГНАЛИЗАЦИИ ПО ОБЩЕМУ КАНАЛУ СИГНАЛИЗАЦИИ (ОКС/CCS). Международный союз электросвязи рекомендует применять на сети систему общеканальной сигнализации №7, сокращенно система ОКС№7(CCS7), как систему универсального применения. Эта система разрабатывалась с учетом современных и перспективных требований для передачи сигнальной информации при взаимодействии управляющих установления соединения в телефонных сетях общего пользования (PSTN), в цифровых сетях с интеграцией служб (ISDN), в сотовых сетях с подвижными объектами (PLMN), в интеллектуальных сетях (IN). Система ОКС№7 разработана с учетом применения в международных и национальных сетях связи, при передаче в наземных и спутниковых звеньях этих сетей. Она может также использоваться как транспортная система для передачи других видов информации, передаваемых межу станциями, а также передавать общесетевую информацию для управления сетью. Когда между телефонными станциями организована система сигнализации по общему каналу сигнализации ОКС, то сигнальную информацию для установления соединения, относящуюся к существующим между станциями телефонным каналам, передают в одном отдельном (общем) канале. В зависимости от пропускной способности канала, по которому передаются сигналы ОКС№7, эта система может обслужить от 500 до 2000 телефонных каналов. 46 ИПК МТУСИ Цифровая телефония В системе по общему каналу (CCS7) управляющие сигналы передаются в канале в виде блоков данных переменной длинной (сигнальных сообщений), которая определяется объемом сигнальной информации. Каждое сигнальное сообщение имеет метку, где указывается адрес телефонного канала, а также содержит информацию для обслуживания конкретного вызова. Передача сигнальных сообщений возможна в любое время независимо от состояния телефонных каналов. Состав передаваемых сигналов практически неограничен и легко расширяется вследствие большого резерва кодов. Высокая надежность и достоверность передачи сигнальных сообщений достигается за счет специально разработанных способов по обнаружению и исправлению ошибок. 47 ИПК МТУСИ Цифровая телефония 1.2.1 Основной формат сигнального сообщения. Любое сигнальное сообщение начинается и оканчивается ФЛАГОМ (F). Это специальный байт с заранее определенной последовательностью битов: 01111110. Для исключения имитации кода флага сигнальной информацией, содержащейся в другой части сигнального сообщения, при передаче после каждой последовательности из пяти “1” вставляется “0”, кроме флага. На приеме при обнаружении последовательности из пяти “1” производится устранение “0”. Во втором байте сигнального сообщения передается ОБРАТНЫЙ ПОРЯДКОВЫЙ НОМЕР (BSN), соответствующий порядковому номеру подтверждаемого сигнального сообщения. Третьим байтом передается ПРЯМОЙ ПОРЯДКОВЫЙ НОМЕР (FSN), соответствующий порядковому номеру передаваемого сигнального сообщения. Прямой и обратный порядковые номера — это двоичные числа в циклически повторяющейся последовательности номеров сигнальных сообщений от 0 до 127. Совместно с порядковыми номерами сигнального сообщения передается ПРЯМОЙ БИТ- ИНДИКАТОР (FIB) и ОБРАТНЫЙ БИТ- ИНДИКАТОР (BIB). Они используются в основном методе исправления ошибок для обеспечения достоверной и правильной последовательности сигнальных сообщений. 48 ИПК МТУСИ Цифровая телефония ИНДИКАТОР ДЛИНЫ (LI), занимающий шесть бит четвертого байта, указывает на число байт, следующих сразу за индикатором (LI) до проверочных бит (CK). После индикатора длинны в четвертом байте следуют два резервных бита, заполняемых нулями при передаче. БАЙТ СЛУЖЕБНОЙ ИНФОРМАЦИИ (SIO) разделен на две части: − ИНДИКАТОР УСЛУГИ (SI) — устанавливает соответствие между сигнальным сообщением и подсистемой пользователя (ISUP, TUP, MUP). − ИНДИКАТОР СЕТИ (NI) — определяет сеть, для которой предназначена сигнальная информация данного сообщения. ПОЛЕ СИГНАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ (SIF) занимает от 3 до 272 байт. Здесь размещается сообщение сигнализации необходимое для обслуживания соединения или услуги. Форматы и коды сигнальной информации (SIF) определяются в каждой подсистеме пользователя (ISUP, TUP, MUP). Два последних ПРОВЕРОЧНЫХ БАЙТА (CK) формируются при передаче сигнального сообщения и используются для обнаружения ошибок передачи. Обнаружение ошибок производится путем сравнения полученных проверочных байт со сформированными проверочными байтами на приеме. 49
