Báo cáo ghép kênh PCM

Ghép kênh sơ cấp từ các kênh thoại 64kb/s được thực hiện theo phương thức ghép đồng bộ đối với mọi hệ thống theo tiêu chuẩn Châu Âu, Mỹ hay Nhật Bản.Việc duy trì đồng bộ giữa phân phối t

MỤC LỤC

I. Tổng quan về ghép kênh PCM

Phương pháp ghép kênh theo thời gian TDMA là phương pháp được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống thông tin số hiện nay, đặc biệt là trong hệ thống điện thoại số Trong điện thoại số, mỗi kênh thoại có tốc độ truyền cơ bản là 64kbit/s được mã hóa theo luật A hoặc µ và tuân theo một số giao diện chuẩn Một số kênh thoại số lại được ghép kênh TDMA thành các đường PCM tốc độ cơ bản, các kênh ghép ở tốc độ cao hơn sẽ là bội số nguyên lần của kênh thoại cơ bản này

Theo chuẩn của Bắc Mỹ và Nhật Bản, kênh PCM cơ bản có tốc độ truyền 1,5 Mbit/s cho 24 kênh thoại Mặt khác kênh PCM cơ bản của châu Âu lại có tốc độ truyền 2,048 Mbit/s cho 32 kênh 64 kbit/s

Hình 1: Hệ thống ghép kênh PCM

Ghép kênh sơ cấp là việc ghép các luồng số khác nhau thành luồng số cấp một Theo khuyến nghị G.702 của ITU-T, tốc độ luồng số cấp một là 1,544 Mb/s đối với tiêu

chuẩn Mỹ - Nhật và 2,048 Mb/s đối với tiêu chuẩn Châu Âu Luồng số bậc 1 hệ Mỹ (DS-1: Digital Signal-level 1) có thể hình thành từ 24 kênh thoại (24 luồng 64 kb/s), hai tín hiệu nhóm FDM 12 kênh có băng tần 60:108 kHz hay tín hiệu hội nghị truyền hình (video conference) Với hệ Châu Âu, luồng số cấp 1 (H1: Hierarchy 1 hay E1: European – level 1) có thể hình thành từ 30 kênh thoại (30 luồng 64 kb/s), tín hiệu hội nghị truyền hình hay tín hiệu siêu nhóm FDM 60 kênh có băng tần từ 312 đến 552 kHz (hình thành hai luồng cấp 1)

Ghép kênh sơ cấp từ các kênh thoại 64kb/s được thực hiện theo phương thức ghép đồng bộ đối với mọi hệ thống theo tiêu chuẩn Châu Âu, Mỹ hay Nhật Bản.Việc duy trì đồng bộ giữa phân phối thu và phát với các nhánh được bảo đảm nhờ thực hiện các quá trình điều chế mã xung của các nhánh và ghép/tách kênh trong cùng một khối, sử dụng chung một nguồn tín hiệu nhịp từ cùng một đồng hồ được mô tả trên hình 2 dưới đây

Hình 2: Ghép kênh PCM sơ cấp Hình 2 mô tả kết cấu của thiết bị ghép kênh PCM sơ cấp điển hình, áp dụng cho cả các hệ thống hệ Châu Âu, Mỹ, Nhật Bản Các mạch hai dây tín hiệu âm tần (VF:Voice Frequency) từ tổng đài điện thoại được nối tới mạch sai động, thực hiện chuyển 2 - 4

dây Trên tuyến phát, mạch lọc thông thấp thực hiện hạn chế băng tần tín hiệu thoại đến

3400 Hz Tín hiệu thoại đã hạn chế băng tần được đưa tới mạch lấy mẫu tạo ra chuỗi xung PAM, sau đó lần lượt được đưa vào PAM BUS, trên đó theo các khe thời gian khác nhau chỉ có chuỗi xung PAM của từng kênh được truyền Trong từng khe thời gian, các chuỗi xung PAM của các kênh khác nhau được mã hóa tại Bộ mã hóa, kết quả là lối ra của mạch mã hóa có chuỗi bit PCM của cả N kênh được truyền tiếp trên tuyến ghép PCM gọi là PCM BUS tới bộ ghép tín hiệu đồng bộ khung, tín hiệu đồng bộ khung, tín hiệu báo hiệu và tín hiệu nghiệp vụ, Tại các khe thời gian dành cho tín hiệu đồng bộ khung và báo hiệu, các tín hiệu báo hiệu và tổng hợp đồng bộ khung, được ghép vào

Ở tuyến thu, chuỗi tín hiệu PCM tổng cộng được đưa vào mạch tách tín hiệu đồng bộ khung và báo hiệu Tổng hợp đồng bộ khung được giám sát và trong trường hợp có mất đồng bộ khung thì tín hiệu báo cảnh mất đồng bộ khung sẽ được phát về phía đối phương trong khe thời gian dành cho tín hiệu báo hiệu, đồng bộ khung, kênh nghiệp vụ

và báo cảnh Tín hiệu báo hiệu cũng được đưa về phía tổng đài qua mạch sai động Phần chuỗi bit PCM của N kênh thoại được đưa vào mạch giải mã, thực hiện giải mã trong các khe thời gian tương ứng của từng kênh Tín hiệu lối ra của mạch giải mã trong các khe thời gian tương ứng của từng kênh Tín hiệu lối ra của mạch giải mã được đưa lần lượt trong từng khe thời gian tương ứng của mỗi kênh tới các bộ giải mã điều chế PAM (PAM DEM: PAM Demodulator) hình thành các chuỗi PAM của từng kênh Tín hiệu thoại của từng kênh được khôi phục nhờ bộ lọc thông thấp, sau đó được đưa qua mạch sai động về phía tổng đài điện thoại

Chuỗi bit tổng cộng từ đường dây tới cũng được đưa vào mạch đồng hồ thu nhằm thực hiện quá trình duy trì đồng bộ nhịp Thông tin định thời được tách ra từ chuỗi bit tổng cộng về nguyên tắc có thể bằng hai loại mạch khác nhau: không có hay có vòng hồi tiếp (feedforward hay feedback) Loại thứ nhất gồm các mạch thụ động đơn giản như các mạch có hệ số phẩm chất cao, bộ lọc và mạch tạo dao động và thường chỉ được sử dụng tại các trạm chuyển tiếp trung gian Loại thứ hai thông thường được thực hiện nhờ vòng khóa pha (PLL: Phase- Locked Loop)

Mặc dù sơ đồ hình 2 là tiêu biểu đối với cả các hệ thống ghép kênh sơ cấp hệ Châu

Âu, hệ Mỹ hay Nhật Bản, việc thực hiện cụ thể lại khá khác biệt cả về số kênh ghép lẫn cấu trúc khung tín hiệu đối với các hệ khác nhau Đối với tiêu chuẩn của Mỹ và Nhật Bản, số kênh thoại PCM được ghép thành luồng sơ cấp là 24 (N=24), PCM 24 kênh theo G733 trong khuyến nghị của ITU-T Trong khi đó, số kênh thoại PCM được ghép sơ cấp theo tiêu chuẩn Châu Âu lại là 30, PCM 30 kênh

Ghép kênh PCM sơ cấp hệ Châu Âu được qui định tại khuyến nghị G.732 và G.704 của ITU-T Mỗi một khung tín hiệu PCM sơ cấp cũng có độ dài là 125 µs phù hợp với tiêu chuẩn điều chế mã xung PCM luật A theo khuyến nghị G.711 của ITU-T, gồm 32 khe thời gian được đánh số từ khe thứ 0 đến khe thứ 31 Mỗi khe thời gian gồm

8 bit hình thành một kênh vật lý tốc độ 64kb/s Tốc độ luồng số cấp 2 hệ Châu Âu (luồng E1) do vậy là 32 × 64kb/s= 2,048 Mb/s Cấu trúc đa khung gồm 16 khung, đánh

số các khung từ 0 đến 15, gọi tắt là đa khung 16 Độ dài đa khung là 16 × 125 µs= 2ms Các khe thời gian 0 và 16 được sử dụng cho các mục đích đồng bộ khung và đa khung, báo hiệu, báo cảnh hay kênh nghiệp vụ liên trạm, 30 khe thời gian còn lại dành cho 30 kênh lưu lượng

Hình dưới trình bày dạng khung chuẩn theo ITU-T cho hệ thống PCM 30 kênh Khung 125 µs chứa 32 khe thời gian: 30 khe cho tính hiệu thoại, 1 khe cho báo hiệu, 1 khe cho đồng bộ khung Các khe thời gian được đánh số từ TS0 đến TS31 TS0 được phân bố cho tín hiệu đồng bộ khung và điều khiển mạng TS1 đến TS15 dành cho các kênh thoại từ 1 đến 15 được ký hiệu là CH1 đến Ch15 TS16 dùng để mang báo hiệu kênh riêng hoặc báo hiệu kênh chung (CAS hay CCS) TS17 dến TS31 cho 15 kênh thoại còn lại ký hiệu là Ch16 đến Ch30

Mỗi khe thời gian trong khung chiếm 125µs/32 = 3,9µs Mã hóa 8 bit dùng luật A cung cấp 256 mức đại diện cho các mẫu thoại Do đó mỗi bit chiếm 3,9µs/8=0,488µs Tốc độ lý thuyết của hệ thống PCM là 8KHz * 8bit * 32Ts=2048Kbps

Hình 3: Khung PCM 30 kênh

Khung đồng bộ là khe TS0 của PCM 30 kênh Cách thức mô tả tốt nhất chức năng đồng bộ khung là xem xét các yêu cầu kết cuối tại đầu thu trong hệ thống PCM Tại vị trí kết cuối, một dòng các bit nhị phân được thu với tốc độ 2048Kbps Tuy nhiên dòng bit nay không có ý nghĩa trừ khi chúng có thể phân bố vào các khe thời gian 8 bit chính xác, cho phép nội dung của mỗi kênh được nhận dạng Sự phân phối này đặt được bằng cách đầu cuối chèn vào một mẫu có thể phân biệt được vào trong TS0 để đầu thu ở xa có thể tìm thấy trong chuỗi bit nhận Một khi mẫu được phát hiện, bit 0 của TS0 có thể

được định vị và suy ra tất cả 255 bit theo sau của khung được nhận dạng, sau đó đầu cuối thu trong trạng thái đồng bộ khung với đầu cuối truyền

Bảng dưới đây trình bày khuân dạng chuẩn 8 bit của TS0 trong hệ thống PCM 30 kênh được dùng để vận chuyển mẫu đồng bộ khung Tiến trình đồng bộ cần một mẫu bit duy nhất trong TS0 Nó phải ít xuất hiện trong phần còn lại của khung Điều này có thể thực hiện bằng cách dùng một mẫu rất dài, giả sử 32 bit, với 8 bit trong mỗi TS0 của các khung liên tiếp, do đó yêu cầu 4 khung để truyền một mẫu Tuy nhiên mẫu càng dài thời gian cần thiết để tìm nó càng lớn và thời gian cho một hệ thống PCM đồng bộ càng dài

Vì hệ thống PCM không phục vụ trong suốt thời gian mất đồng bộ khung do đó thời gian đặt đồng bộ khung phải tối thiểu Quy định cho hệ thống PCM 30 kênh là một mẫu 7 bit 00111011 được gọi là tín hiệu đồng bộ khung (FAS frame alignment signal) được mang trong TS0 của mỗi khung lẻ Đồng bộ khung đạt được khi tuần tự ‘FAS’ được phát hiện trong 3 khung liên tiếp

Mất đồng bộ khung được xác định khi 3 khung liên tiếp mà không có FAS Điều này tạo sự hài hòa giữa hoạt động, tránh đồng bộ khung lại không cần thiết khi tín hiệu nhận bị suy yếu và hoạt động hiệu chỉnh thời gian trễ không cần thiết khi thực sự mất đồng bộ khung Đồng bộ lại được thực hiện bằng cách tìm kiếm liên tục FAS như trình bày ở trên Khi đầu cuối thu phát hiện mất đồng bộ một dấu hiệu cảnh báo được phát hiện ngược trở lại đầu cuối truyền bằng cách đặt bit 3 của non-FAS từ 0 sang 1 trong TS0 trong liên kết truyền ngược lại

X: Các bit không được phân phối bởi ITU-T cho bất kỳ chức năng đặc biệt nào, thường được đặt là bit 1

Y: được dùng sử dụng quốc tế thường đặt là 0

*: Thông thường là 0 nhưng được đổi sang 1 khi mất đồng bộ xảy ra, hoặc xảy ra các báo động hệ thống

Trong hệ thống PCM 30 kênh Kênh 16 chỉ định riêng cho việc truyền hoặc báo hiệu kênh chung hoặc báo hiệu kênh riêng cho một nhóm các kênh thoại phụ thuộc Cần chú

ý rằng các phương pháp báo hiệu này là loại trừ lẫn nhau và không thể dùng phối hợp trên một hệ thống PCM Ở phần này ta xem xét chúng trong khuôn khổ của PCM 30 kênh mà hoạt động của chúng thích hợp chuyển mạch số

Trong báo hiệu CAS, TS16 được dùng để chuyển một đại diện 4 bit của các tín hiệu báo hiệu của tất cả các kênh PCM 30 trong hệ thống PCM Trong thời gian của mỗi khung 8 bit của TS16 được gán hai kênh đặc biệt tùy thuộc vào sự lập lịch cố định Do

đó sau 15 khung liên tiếp 4 bit đại diện cho trạng thái báo hiệu của mỗi kênh trong 30 kênh sẽ được gửi Sự nhận dạng các kênh TS16 đang tham chiếu tại bất kỳ thời điểm nào được thực hiện bằng cách xem xét các khung như là các nhóm 16 hình thành nên một đa khung có khoảng thời gian là 2ms Sự bắt đầu của đa khung được chỉ định bằng mẫu đồng bộ đa khung ‘0000’ được mang trong TS16 của khung đầu tiên Các TS16 của

15 khung còn lại mang báo hiệu cho các kênh Sự mất đồng bộ đa khung được phát hiện

và cảnh báo đầu xa bằng cách đặt bit thứ 6 của TS16 trong khung thứ nhất của đa khung

là 1

Trong khe thời gian TS16, sự phân bố các bit thể hiện như sau:

- Bốn bit đầu từ bit 1 đến bit thứ 4 của chỉ số khung i truyền tín hiệu báo hiệu của kênh thoại thứ i (i =1 15)

- Bốn bit sau (từ bit 5 đến bit 8) của chỉ số khung i truyền tín hiệu báo hiệu của kênh thoại thứ i+15

- Bốn bit đầu tiên của chỉ số khung 0 là “0000” chỉ sự đồng bộ đa khung, các bit từ bit thứ 5 đến bit thứ 8 là X*XX Bit * bình thường là 0 nhưng khi mất đồng bộ đa khung thì chuyển sang 1 Bit X là bit không được phân

bố một chức năng đặc biệt nào và thường là 1

Trong một kênh đặc biệt mẫu 4 bit giống nhau trong TS16 (gọi là ‘ABCD’) được lặp lại đến khi bit thay đổi trạng thái báo hiệu

Báo hiệu kênh chung giữa hai tổng đài được liên kết bởi các hệ thống truyền dẫn số 2Mbps TS16 được dùng truyền các thông điệp CCS dưới dạng chuẩn 8 bit kế tiếp nhau trong các khung liên tiếp Do đó chuẩn CCS được truyền với tốc độ 64Kbps Không có

sự xếp đa khung bởi vì không có mối quan hệ giữa nội dung trong TS16 và các kênh tách biệt khác, ngoài ra mỗi thông điệp báo hiệu cho một nhãn chỉ định kênh nào các tín hiệu này liên hệ

Ghép kênh sơ cấp từ 24 kênh hệ Mỹ- Nhật có hai loại là : đa khung 12 và đa khung

24, được quy định trong khuyến nghị G.733, G.704 của ITU-T

Cấu trúc khung và đa khung 12 của tín hiệu số cấp 1 hệ Mỹ - Nhật được mô tả như sau:

Hình 4: Cấu trúc khung và đa khung của tín hiệu cấp 1, hệ Mỹ - Nhật, đa khung 12 Một khung tín hiệu có độ dài 125 µs, bao gồm 24 khe thời gian, mỗi một khe chứa 8 bit mã PCM luật µ theo khuyến nghị G.711 của ITU-T Tổng số bit mã PCM là 24×8=192 đối với một khung Các bit mã này chiếm các vị trí từ bit thứ 2 đến bit thứ

193 trong khung, vị trí bit thứ nhất của khung tạo thành một khe riêng cho từ mã đồng

bộ khung Tốc độ luồng số cấp 1 hệ Mỹ - Nhật do vậy là 193 bit/ 125 µs= 1,544 Mb/s

Từ mã đồng bộ được hình thành trong một chu kỳ nhất định và sự lặp lại của nó hình thành cấu trúc đa khung của tín hiệu Do có cấu trúc đa khung, nảy sinh vấn đề đồng bộ đa khung Khi mất đồng bộ khung thì đồng bộ đa khung cũng mất Đồng bộ khung và đồng bộ khung đối với tín hiệu cấp 1 này cùng chia sẻ bit thứ nhất của khung

và được tổ chức như sau Từ mã đồng bộ khung là 101010 được đặt tại bit thứ nhất các khung lẻ, trong khi đó từ mã đồng bộ đa khung chiếm các bit thứ nhất các khung chẵn

và có dạng 00111S, trong đó khi đồng bộ khung đúng thì bit S có giá trị 0 Bit S nhận giá trị 1 khi cần báo cảnh mất đồng bộ khung đầu xa

Ngoài các bit thuộc các kênh lưu lượng (traffic channel) là các kênh liên lạc thoại, thông tin báo hiệu giữa các tổng đài cũng phải được truyền đi Truyền dẫn tín hiệu báo hiệu được chia làm hai loại:

- Báo hiệu kênh chung: trong đó mọi báo hiệu đối với 23 kênh lưu lượng còn lại được truyền đi trên một kênh báo hiệu chung, tốc độ 64kb/s, lấy trọn một khe thời gian

- Báo hiệu kênh kết hợp: trong đó các bit thứ 8 của khung thứ 6 và 12 được tách ra khỏi luồng số liệu lưu lượng để hình thành kênh báo hiệu cho kênh lưu lượng tương ứng Tốc

độ của kênh báo hiệu này là 2b/1,5ms=1,3(3) kb/s Để bù các bit đã lấy cho kênh báo hiệu, các trị số đầu ra bộ giải mã cần được dịch chuyển này được quy định tại khuyến nghị G.733 của ITU-T

Khác biệt duy nhất giữa hệ thống đa khung 24 này và hệ thống đa khung 12 là cấu trúc khung Cấu trúc khung của tín hiệu số cấp 1 đa khung 24 như sau (khuyến nghị G.704 của ITU-T):

- Số bit của mỗi khung vẫn là 193 bit, bao gồm 24 khe × 8 bits= 192 bit của 24 kênh thoại lưu lượng và 1 bit dành cho đồng bộ khung, mã kiểm tra độ dư chu trình (CRC: Cycle Redundancy Check) và một đường số liệu 4 kb/s

- Chu kỳ tối đa của kênh logic là 24 khung, hình thành cấu trúc đa khung 24 với độ dài một đa khung là 3 ms

- Từ mã đồng bộ đa khung 001011, chiếm các bit thứ nhất của các khung thứ 4, 8,

12, 16, 20 và 24

- Các bit thứ nhất của các khung 2, 6, 10, 14, 18 và 22 tạo thành kênh logic có tốc

độ 6 bit/3ms= 2kb/s dùng cho đồng bộ khung có áp dụng mã kiểm tra độ dư chu trình CRC-6 nhằm tránh việc giả tạo tín hiệu đồng bộ khung và tăng khả năng giám sát chất lượng lỗi của tuyến truyền Một khi mất đồng bộ khung và đa khung, mặc dù có thể xảy ra tình trạng tạo giả tổ hợp đồng bộ khung song nhờ kiểm tra độ

dư chu trình của mã CRC-6 tình trạng đồng bộ khung giả vẫn có thể phát hiện ra được Tỷ lệ lỗi phát hiện được nhờ kiểm tra độ dư chu trình có thể phần nào phản ánh chất lượng truyền dẫn Trong nhiều trường hợp, tỷ lệ lỗi của luồng bit tổng cộng có thể được chỉ thị từ việc giám sát lỗi bằng mã CRC với kênh logic này

- Các bit thứ nhất của các khung lẻ được sử dụng để hình thành kênh số dữ liệu với tốc độ 12 bit/3ms= 4 kbs Các thông báo cảnh cáo mất đồng bộ khung được truyền

về đầu xa trên kênh số liệu này

- Các bit thứ 8 của các khung 6,12, 18 và 24 được tách riêng cho mục đích tạo các kênh báo hiệu, hoặc là một kênh báo hiệu với tốc độ 4 bit/3ms =1,3(3) kb/s, hoặc hai kênh báo hiệu với tốc độ 2 bit/3ms= 666,6(6) b/s, hoặc bốn kênh báo hiệu với tốc độ 333,3(3) b/s Các loại kênh báo hiệu nói trên đều theo phương thức báo hiệu kênh kết hợp Kênh báo hiệu kênh chung 64kb/s được tạo bằng hẳn một khe thời gian riêng phục vụ chung cho cả 23 kênh lưu lượng còn lại

3. Báo hiệu

- Báo hiệu CAS

Báo hiệu kênh liên kết cho mỗi kênh được truyền trong mỗi 6 khung, dùng bit có

ý nghĩa nhỏ nhất (LSB bit) của mỗi khe thời gian tương ứng Kỹ thuật này gọi là “bit-stealing” Nó có nghĩa là trong các khung 1 đến 5 và 7 đến 11, 8 bit mang dữ liệu thoại được mã hóa mỗi kênh Trong khi các khung 6 và 12 chỉ có 7 bit mang thông thoại Sự giảm chất lượng truyền dẫn có thể nhận biết là không đáng kể Kỹ thuật “bit-stealing”

hỗ trợ khả năng báo hiệu 1,33khz (đó là 8khz/6) cho mỗi kênh trong khe thời gian của

nó Các bit báo hiệu cho mỗi kênh trong khung thứ 6 và trong khung thứ 12 lần lượt được gọi là ‘Abit’ và ‘Bbit’ Báo hiệu một chiều DC đại diện bởi các mẫu AB(2 bit) Giống như hệ thống PCM 30 kênh, các mẫu chỉ định trạng thái báo hiệu và được lặp lại trong suốt thời gian của trạng thái

- Báo hiệu đồng bộ

Mẫu đồng bộ khung 12 bit được mang ngay tại đầu của mỗi khung lẻ Tương tự đa khung gồm một nhóm 12 khung có khoảng thời gian là 1,5ms, được nhận dạng bởi một mẫu nhận dạng đa khung 12 bit Được mang trong bit đầu tiên của các khung chẵn