Świt Transmisji Cyfrowej

Przed nadejściem nowoczesnych technologii, takich jak światłowody, sieci komunikacyjne na świecie potrzebowały sposobu na cyfrowe przesyłanie wielu rozmów telefonicznych przez pojedynczą parę miedzianych przewodów. Pierwszym globalnym standardem, który to osiągnął, była Plezjochroniczna Hierarchia Cyfrowa (PDH). Był to rewolucyjny system, który położył podwaliny pod cyfrową transformację sieci telekomunikacyjnych w latach 70. i 80. XX wieku.

Aby zrozumieć PDH, należy najpierw pojąć dwie fundamentalne koncepcje, na których się opiera: cyfryzację głosu za pomocą Modulacji Impulsowo-Kodowej (PCM) i technikę łączenia wielu strumieni cyfrowych poprzez Multipleksację z Podziałem Czasu (TDM).

Fundament 1: Cyfryzacja Głosu za pomocą PCM

Ludzka mowa to sygnał analogowy. Aby przesłać go cyfrowo, musi zostać przekształcony w strumień bitów przy użyciu Modulacji Impulsowo-Kodowej (PCM). Obejmuje to trzy kluczowe kroki:

1. Próbkowanie: Sygnał analogowy głosu jest mierzony w regularnych odstępach czasu. W telefonii robi się to 8000 razy na sekundę (8 kHz), zgodnie z twierdzeniem Nyquista-Shannona.
2. Kwantyzacja: Ciągła wartość amplitudy każdej próbki jest zaokrąglana do najbliższego z 256 predefiniowanych, dyskretnych poziomów.
3. Kodowanie: Każdemu z 256 poziomów przypisywany jest unikalny 8-bitowy kod binarny.

Fundament 2: Łączenie Kanałów za pomocą TDM

Mając standardowy cyfrowy kanał głosowy 64 kbit/s, kolejnym wyzwaniem jest przesłanie wielu takich kanałów przez jedno łącze o dużej pojemności. PDH realizuje to za pomocą Multipleksacji z Podziałem Czasu (TDM).

W TDM, multiplekser pobiera jedną próbkę (8-bitowy bajt) z każdego przychodzącego kanału głosowego w trybie „każdy po kolei” i łączy je w jedną, powtarzającą się strukturę zwaną ramką. Demultiplekser na drugim końcu wykonuje operację odwrotną.

Ten proces tworzy strumienie cyfrowe o wyższych przepływnościach. Na przykład w Europie multipleksowano 30 kanałów głosowych, tworząc strumień E1, podczas gdy w Ameryce Północnej multipleksowano 24 kanały, tworząc strumień T1. Stanowią one pierwszy poziom Plezjochronicznej Hierarchii Cyfrowej.

Problem „Plezjochroniczny”: Serce Systemu PDH

Nazwa PDH pochodzi od greckiego słowa plesio, oznaczającego „bliski”. Sieć plezjochroniczna to taka, w której różne części systemu są prawie, ale nie idealnie, synchroniczne.

Każdy multiplekser i centrala cyfrowa w sieci PDH posiada własny, bardzo dokładny zegar, ale zawsze występują między nimi minimalne różnice. Kiedy próbuje się połączyć kilka takich strumieni o nieco różnych prędkościach (zwanych dopływami) w jeden strumień o wyższej prędkości, pojawia się problem: bity z dopływów nie docierają w idealnie regularnym rytmie.

Rozwiązanie: Justyfikacja (Upychanie Bitów)

PDH rozwiązuje ten problem niedopasowania taktowania za pomocą sprytnej techniki zwanej justyfikacją lub upychaniem bitów. Multiplekser dla strumienia wyższego rzędu działa nieco szybciej niż suma nominalnych prędkości jego dopływów. Ta dodatkowa pojemność jest wykorzystywana do wstawiania „pustych” bitów do strumieni danych dopływów, w razie potrzeby, w celu wyrównania ich prędkości przed ich przeplataniem. Specjalne bity kontrolne justyfikacji są również dodawane, aby poinformować demultiplekser na drugim końcu, czy dany bit jest „pusty” i powinien zostać odrzucony.

Chociaż technika ta z powodzeniem pozwala na multipleksację niesynchronicznych strumieni, jest również głównym źródłem złożoności i ograniczeń w systemach PDH, które zostaną omówione w kolejnych sekcjach.