PCM a spoje T
Když v roce 1837 představil Samuel Morse veřejnosti svůj telegraf, ve své podstatě digitální, předběhl tím o plných 39 let Alexandra Grahama Bella, který přišel se svým analogovým telefonem až v roce 1876. Analogový způsob přenosu však od počátku v oblasti telekomunikací zcela převládl, a teprve v historicky nedávné době se začal prosazovat přenos digitální. Svůj nemalý podíl na tom mají i číslicové počítače a počítačové sítě.Přenos dat přímo v jejich číslicovém (digitálním) tvaru, tedy digitální přenos, má oproti přenosu analogovému četné výhody. Digitální přenosové cesty dnes umožňují dosahovat mnohem vyšších přenosových rychlostí, digitální signál se mnohem snáze zpracovává než signál analogový a příznivější jsou i ekonomické ukazatele. Není proto divu, že téměř všude se přechází na digitální přenos, a to například i v oblasti veřejných telefonních sítí. Moderní telefonní ústředny jsou dnes již výhradně digitální a jsou navzájem propojovány pomocí digitálních přenosových cest.
Jak ale přenášet analogový signál, např. telefonní hovor, po digitálních přenosových cestách? Zařízení, které převádí analogový telefonní signál do číslicového tvaru, se označuje jako codec, což je zkratka do COder/DECoder. Jde v podstatě o opak modemu, který na základě posloupnosti číslicových dat generuje spojitý analogový signál. Codec naopak na základě analogového signálu generuje posloupnost číslicových dat. Dělá to tak, že pravidelně vzorkuje stav analogového signálu a jeho okamžitou hodnotu aproximuje jednou ze 128 resp. 256 úrovní, které rozeznává - viz obr. 15.1 - a kterou pak vyjádří jako jedno 7-bitové resp. 8-bitové číslo. Analogový telefonní signál se přitom považuje za signál o šířce pásma 4000 Hz, z čehož plyne, že jej stačí vzorkovat 8000-krát za sekundu (tj. každých 125 mikrosekund). Codec tedy generuje celkem 8000 x 7 bitů, tj. 56 kbitů za sekundu, resp. 8000 x 8 bitů, tj. 64 kbitů za sekundu. Pro přenos jednoho telefonního hovoru v digitální formě je pak nutná přenosová rychlost 56 resp. 64 kbit/sekundu.
Právě popsaná technika převodu analogového signálu do číslicového (digitálního) tvaru se označuje jako impulsová kódová modulace (Pulse Code Modulation), zkratkou PCM. Je velmi rošířenou, nikoli však jedinou možnou technikou digitalizace - existují další, jako např. adaptivní diferenciální impulsová kódová modulace (Adaptive Differential Pulse Code Modulation, ADCPM) nebo tzv. delta modulace, které pro přenos hlasového kanálu v digitální formě vystačí s menší přenosovou rychlostí.
 |
V době, kdy se digitální přenos analogových signálů začal stávat reálně použitelnou technologií, byl nejvyšší čas vypracovat pro ni jednotný standard. Členové mezinárodní organizace CCITT, která je k tomu příslušná, však nebyli schopni se včas dohodnout, a tak vzniklo několik navzájem nekompatibilních standardů.
V USA se digitální přenosové cesty používaly již od šedesátých let. Společnost AT&T, která v té době díky svému monopolnímu postavení provozovala přes 90% všech telefonních sítí v USA, je používala k propojování svých telefonních ústředen. Později však začala tyto spoje, označované jako spoje T (T Circuits), pronajímat také jiným organizacím.
| T spoj | Počet hlasových kanálů (při kódování PCM) |
Přenosová rychlost (bitů/sekundu) |
| T1 | 24 | 1544000 |
| T1C | 48 | 3152000 |
| T2 | 96 | 6312000 |
| T3 | 672 | 44736000 |
| T4 | 4032 | 274176000 |
V dnešní době existuje celá hierarchie těchto spojů, odstupňovaných podle přenosových rychlostí - viz tabulka 15.2. Jedná se o dvoubodové digitální přenosové cesty, které lze používat buď jako jediný digitální kanál, nebo je rozdělit na několik podkanálů. Typicky se používají pro přenos telefonních hovorů v digitální formě. V takovémto případě jsou rozděleny na podkanály s přenosovou rychlostí 64 kbit/sekundu, a analogový telefonní signál je pro potřeby přenosu kódován pomocí impulsové kódové modulace. Počet telefonních hovorů, které lze po jednotlivých variantách T spojů přenášet, uvádí tabulka 15.2.
Firma AT&T vytvořila také celou hierarchii standardů, označovaných jako North American Digital Hierarchy, které definují způsob přenosu hlasových kanálů po jednotlivých variantách spojů T - viz tabulka 15.3.
| Formát | Počet hlasových kanálů | Ekvivalentní počet spojů T1 | Přenosová rychlost (bitů/sekundu) |
| DS-0 | 1 | - | 64000 |
| DS-1 | 24 | 1 | 154400 |
| DS-1C | 48 | 2 | 3152000 |
| DS-2 | 96 | 4 | 6312000 |
| DS-3 | 672 | 28 | 44736000 |
| DS-3C | 1344 | 56 | 90631000 |
| DS-4E | 2016 | 84 | 139264000 |
| DS-4 | 4032 | 168 | 274176000 |
Ukažme si podrobněji, jak to vypadá v případě spojů T1, které jsou stále ještě nejrozšířenější. Formát přenášených dat definuje pro tento typ spojů T standard DS-1. Předpokládá, že 24 hlasových kanálů je střídavě přepínáno (multiplexováno) na vstup jediného zařízení codec, které vzorkuje hodnotu analogového signálu a vyjadřuje ji jako 7-bitové číslo. K těmto sedmi datovým bitům se pak přidává ještě jeden řídící bit, takže každý hlasový kanál přispívá při každém svém vzorkování do přenášených dat celkem osmi bity. Vzhledem k pravidelnému přepínání mezi jednotlivými hlasovými kanály jsou tyto 8-bitové položky od jednotlivých kanálů řazeny za sebe - 24 osmibitových položek od jednotlivých hlasových kanálů, doplněných ještě jedním řídícím bitem, pak tvoří tzv. rámec (frame). Ten má celkem (24 * 8) + 1 = 193 bitů, viz obr. 15.4. Jednotlivé hlasové kanály se vzorkují 8000-krát za sekundu, což odpovídá 8000 rámců za sekundu. Má-li každý rámec 193 bitů, je zapotřebí přenosová rychlost 8000 * 193 = 1544000 resp. 1,544 Mbitů za sekundu, což je právě přenosová rychlost spojů T1.
 |
Když organizace CCITT konečně dospěla k jednotnému standardu pro přenos hlasových kanálů po digitálních přenosových cestách, zdálo se jí, že jeden řídící bit na každých sedm datových bitů - jako je tomu u spojů T1 či přesněji u standardu DS-1 - je příliš velkou režií. Standard CCITT proto předpokládá kódování okamžité hodnoty analogového signálu do 8 bitů, místo do 7 bitů jako v případě standardu DS-1. Místo 24 kanálů jich předpokládá celkem 32, z toho 30 hlasových, a dva pomocné řídící. Vzorkování se provádí opět 8000-krát za sekundu, potřebná přenosová rychlost tudíž vychází: 8000 x 32 x 8 = 2048000, tj. 2,048 Mbitů za sekundu. Příslušný standard CCITT se správně jmenuje G703/732, ale často se označuje také jako evropský T1 spoj nebo též jako spoj E1. Existují také analogická doporučení CCITT pro spoje s přenosovými rychlostmi 8,848, 34,304, 139,264 a 565,148 Mbitů/sekundu.