minskar underhållsbehovet och ökar kapaciteten

Artikel ur TIFF nr 3 1976
 

Skrivet av Hans-Göran Johansson

Pulskodmodulering (PCM av Pulse Code Modulation) är en teknik som i allt högre grad används inom transmissionstekniken och som nu är aktuell att införa i Försvarets Fasta Radiolänknät (FFRL). PCM innebär att talsignalen omvandlas till digital form, d v s man använder bara två signalnivåer som betecknas med "1" eller "0".

PCM-tekniken har introducerats för FMV- och TSB-personal dels vid en systemkurs anordnad på FTTS och dels vid en grundutbildningskurs på FFVU/CVA.

Det är nu dags att informera TIFF:s läsare om PCM. Denna artikel behandlar principen för PCM-överföring.

I nästa nummer kommer mätteknik för PCM och underhållsuppläggning att behandlas.

Den teknik som idag nästan uteslutande används för överföring av telefonsamtal över längre avstånd är bärfrekvenstekniken. En och samma radiokanal eller kabel utnyttjas då för flera samtidiga talkanaler genom att varje talkanal tilldelas ett visst litet frekvensband inom det överförda frekvensbandet, så kallad frekvensdelningsmultiplexing (FDM).

Det är dock möjligt att ordna flerkanalsöverföring genom att tilldela de olika talkanalerna olika tidsluckor vid överföringen. Elektroniska kopplingselement släpper då fram endast en kanal åt gången till överföringsmediat. På mottagarsidan fördelas kanalerna på motsvarande sätt till sina destinationer. Denna princip kallas tidsdelningsmultiplexing (TDM). Man kan skilja mellan följande typer av TDM-system där skillnaden ligger i sättet att överföra informationen.

     PAM =pulsamplitudmodulering

     PBM =pulsbreddmodulering

     PPM =pulslägesmodulering

     PCM =pulskodmodulering

     DM = deltamodulering

PCM-tekniken har funnits ganska länge. Redan under slutet av 1930-talet försökte en forskargrupp i Paris finna en lämplig moduleringsmetod för radiolänkar på mikrovågsområdet. Ett av de resultat som forskargruppen kom fram till var uppfinningen av PCM. Ett franskt patent togs ut år 1937 av Alec Reeves. Teknologiskt var det dock för tidigt att redan då börja använda PCM i praktiken.

Transistorn öppnade vägen

Uppfinningen av transistorn förändrade situationen och ett ökande antal PCM-system har satts i drift sedan början av 1960-talet. PCM-systemen kom då till en början att främst användas för kapacitetsökning på befintliga kablar. På senare år har PCM blivit mycket aktuellt för överföring på radiolänk och för satellitkommunikation.

Vid PCM överförs alltså analog information till digital form. Omvandlingen av den analoga signalen bygger på grundprinciperna 

     sampling

     kvantisering

     kodning

     tidsmultiplexing

Vissa begrepp är unika för PCM-tekniken medan andra övertagits från annan teknik. Till den senare gruppen hör sampling och tidsmultiplexing.

Bild 1 Pulskodmodulering

Sampling

För att överföra informationen i en signal behöver inte hela signalen överföras. Det räcker att överföra sampel (stickprov) tagna med minst dubbla maximala överföringsfrekvensen. För en normal talkanal (0,3-3,4 kHz) har samplingsfrekvensen standardiserats till 8 kHz. Om man låter raden av sampel passera ett lågpassfilter med gränsfrekvensen lika med maximala överföringsfrekvensen återfår man den ursprungliga signalen

Kvantisering och kodning

Samplen som tas från den lågfrekventa signalen har ett kontinuerligt amplitudområde. Amplitudområdet uppdelas nu i ett begränsat antal intervall. På bild 1 har 8 intervall angivits. Alla sampel vars amplitud faller inom ett visst intervall får samma värde. Skillnaden mellan den exakta och den kvantiserade nivån ger upphov till kvantiseringsdistortion (förvrängning) som kommer att uppfattas som brus. Ju flera kvantiseringsintervall som används desto lägre blir detta brus. Vid kvantiseringen numreras de olika intervallen enligt en binär kod. Om koden innehåller 3 bitar blir maximala antalet nivåer 2³ = 8. I verkliga system används betydligt flera bitar. Olinjär kvantisering används dessutom.

Tidsmultiplexing

Talkanalerna sammanlagras i en multiplexutrustning enligt tidsmultiplexmetoden till en digital bitström där varje talkanal tilldelas en tidslucka. Utsignalen från multiplexutrustningen kan direkt överföras på radiolänk eller kabel, men kan också användas för att bygga upp system med högre kapacitet.

Multiplexutrustningarna kan uppdelas i:

     primärmultiplex =30 talkanaler

     sekundärmultiplex = 4x30 talkanaler

     tertiärmultiplex = 4x120 talkanaler 

Primärmultiplexen

Bild 2 visar principiellt hur en 30 kanals PCM-multiplex är uppbyggd. Multiplexen är standardiserad av CCITT (Comite Consultatif International Telegraphique et Telephonique). Varje talkanal samplas med en frekvens av 8 kHz. Samplen kodas med 8-bitars binär kod, vilket ger 256 kvantiseringsintervall. Detta ger en kapacitet av 64 kbit/s per talkanal. En primärmultiplex består av 32 tidsluckor där 30 används för talinformation medan resterande 2 används för synkronisering och signalering. 32 tidsluckor med kapaciteten 64 kbit/s ger för primärmultiplexen en total bitfrekvens på 2,048 Mbit/s.

Bild 2 Blockschema PCM - primärmultiplex för 30 kanaler

Högre ordningens multiplexsystem

Inom FDM-tekniken talar man om 12-, 60- och 300-grupper där t ex en 60-grupp består av 5 st 12-grupper.

PCM-tekniken tillämpar ett liknande system där den minsta byggbiten består av 30 kanaler med bitfrekvensen 2,048 Mbit/s. Genom tidsmultiplexing bildas 120- och 480-kanalsystem med bitfrekvensen 2,448 Mbit/s respektive 34,368 Mbit/s.

Digital överföring på radiolänk

För överföring av digitala signaler på radiolänk kan antingen en analog eller digital radiolänk komma till användning. Med analog radiolänk menas då att HF-signalen är proportionell (i fas, frekvens och amplitud) mot basbandssignalens amplitud. Digital radiolänk betyder däremot att HF-signalen kan inta ett av flera diskreta lägen (i fas, frekvens eller amplitud) som bestäms av den modulerade signalen. Digital radiolänk kan endast användas för överföring av digitala signaler. En analog radiolänk kan användas för antingen PCM eller FDM eller båda tillsammans. Detta innebär att PCM kan överföras på befintliga moderna analoga radiolänkar.  Bild 3 visar de två olika typerna av radiolänk.

Den mest lämpade moduleringsmetoden för digitala radiolänkar är någon form av PSK (fasskift)-modulering. Beroende på överförd kapacitet används antingen tvåfas (2 PSK)- eller fyrfas (4 PSK)-modulering. Vid detekteringen av en fasmodulerad signal används koherent demodulering. Detta innebär att faslägesändringarna på den mottagna signalen jämförs med en fast fasreferens som erhålls genom faslåsning av mottagarens lokaloscillator till den inkommande bärvågen.

Bild 3 Högre ordningens multiplexsystem

Fördelar med PCM-teknik

Fördelarna med övergång till digital teknik i FFRL kan sammanfattas i:

1) Kvalitetsförbättring

Vid digital överföring regenereras pulserna efter ett visst avstånd och nya pulser utsänds som är lika med de ursprungliga. Man gör alltså inte som i ett FDM-system att man kompenserar för ofullkomligheter i transmissionskanalen. Kvaliteten i ett PCM-system blir därför i det närmaste oberoende av längden på förbindelsen. Genom den höga toleransen mot störningar kan på samma HF-frekvens överföras två parallellgående radiokanaler med olika polarisation. Det depolarisationsskydd som normala antenner ger är tillräckligt. l FFRL används inte detta system för att öka kapaciteten utan för att få en reservkanal utan att behöva tillgripa ytterligare en HF-frekvens.

2) Kapacitetsökning

Kapaciteten på huvudstråken kommer att öka från nuvarande 300 till 480 talkanaler.

3) Ökade signaleringsmöjligheter

Ett PCM-system innehåller två signaleringskanaler per talkanal. Detta ger kortare uppkopplingstider, enklare logik i signalöverdrag samt möjlighet att införa nya signaler

4) Hög kapacitet för överföring av digital information

Varje kanal i en PCM-primärmultiplex erbjuder överföringskapaciteten 64 kbit/s för dataöverföring. För att överföra denna kapacitet i ett FDM-system krävs en hel 12-grupp.

5) Minskat behov av underhåll

Den digitala kretstekniken har mycket hög driftsäkerhet och kräver ej återkommande justeringar av t.ex. nivåer.

Övergång till PCM-teknik i FFRL

Driftsäkerheten för stråk med RL-41/TM-4 har under de senaste åren minskat trots onormalt höga underhållsinsatser. Problemet är till stor del att hänföra till svårigheter att anskaffa röret 2C39 med fullgod kvalitet. Ett utbyte av RL-41 förbindelserna är därför nödvändigt.

FMV-F:LT har då valt att införa PCM-teknik i FFRL genom inköp av RL-44/TM-24 från den italienska firman Telettra. Ett inköp av FDM-utrustning som ersättare hade medfört att övergången till digital teknik hade fördröjts ytterligare ca 20 år. Man hade då gått miste om alla de fördelar som digital överföring ger.

Hans-Göran Johansson

FFV-U/CVA

Kommentar:
Texten något redigerad av AEF på grund av ombrytningsfel i originaltexten.

Lyssna på en ljudfil som demonstrerar hur störningar på transmissionskanalen påverkar ljudkvaliteten vid överföring med PCM-teknik jämfört med FDM-teknik.

Längd c:a 3 minuter.