Modulationsverfahren
Angefangen hat die Fernsprechtechnik mit individuellen Verbindungswegen, d.h. für jede Fernsprechverbindung wurde ein eigenes Adernpaar geschaltet. Wegen der Vielzahl räumlich nebeneinander geführter Leitungen bezeichnet man solche Anordnungen als Raumvielfach (=Raummultiplex; SDM = space-division multiplex).
Da im Leitungsnetz ein besonders hoher Anteil der Investitionskosten steckt, war man frühzeitig bemüht, wenigstens die Leitungen des Weitverkehrs mehrfach auszunutzen.
Das führte zur Frequenzmultiplextechnik (FDM = frequency-division multiplex). Hiebei wird ein breites Frequenz-band in schmälere Teilbänder unterteilt. Die Sinusschwingung eines Teilbandes (Träger) wird mit einem Fernsprechsignal moduliert.
Hier gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten:
1) Amplitudenmodulation
2) Frequenzmodulation
Bei der Amplitudenmodulation liegt die Information in der sich ändernden Amplitude. Die Hüllkurve ist eine Abbildung des Signals.
m=0 0<m<1 m=1 m>1
Dazu das Zeigerdiagramm:
Der Modulationsgrad m gibt das Verhältnis der Signalspannung zur Spannung des Trägers an. Liegt der Modulationsgrad zwischen 0 und 1 wird dies als normale Modulation bezeichnet. Bei einem Modulationsgrad größer als 1 spricht man von der Übermodulation. Bei dieser treten an den Schnittpunkten der Hüllkurven mit der Zeitachse Phasensprünge auf.
Die Spektrum wird berechnet:
Daraus ergibt sich im Frequenzbereich ein Linienspektrum mit dem Träger und zwei Seitenlinien (obere und untere Seitenlinie). Diese Seitenlinien haben als Abstand zum Träger jeweils die Signalfrequenz (siehe Berechnung:
(wTr - ws) bzw. (wTr + ws) ). Die Höhe der Seitenlinien (ebenfalls aus der Berechnung) ist jeweils ÛTr m/2, also von der Modulation (Signalamplitude) abhängig.
Werden nun statt Einzelfrequenzen ganze Frequenzbänder amplitudenmoduliert, entstehen im Spektrum Seitenbänder (Original- und Kehrlage).
Die Bandbreite des amplitudenmodulierten Signals ergibt sich so aus:
Die Information steckt in einem Seitenband, das restliche Signal ist zwar nicht notwendig entscheidet jedoch über die Schwierigkeiten beim Wiederbeschaffen der Information (Demodulieren).
Sonderformen:
ESB (=Einseitenband-AM; SSB ): es wird lediglich das obere Seitenband gesendet ("unendl. steile" Filter
notwendig)
RSB (=Restseitenband-AM): das untere Seitenband wird durch einen Filter abgeschnitten; da diese Filter keine
unendl. steile Flanke haben bleibt jedoch ein "Rest" dieses Seitenbandes erhalten
QAM (=Quadratur-AM): es werden lediglich die beiden Seitenbänder (ohne Träger) gesendet
Bei Verzerrungen unterscheidet man grundsätzlich zwischen
a) linearen Verzerrungen
b) nichtlinearen Verzerrungen
Bei nichlinearen Verzerrungen mit quadratischer Kennlinie entstehen zusätzliche Frequenzen, die außerhalb des Übertragungsbereiches liegen und daher weggefiltert werden können. Treten jedoch Verzerrungen mit kubischer Kennlinie auf entstehen Frequenzen, die im Übertragungsbereich liegen ([2f1 - f2], [2f1 + f2], [2f2 - f1], [2f2 + f1]) und daher nicht weggefiltert werden können.
Treten lineare Verzerrungen wie Dämpfungsverzerrungen oder Laufzeitverzerrungen auf, kann es nur zu Phasenänderungen kommen, die bei der Demodulation mit Spitzenwertgleichrichtern (oder auch für das menschliche Ohr) unerheblich sind.
Die Information ist bei der Frequenzmodulation hingegen in der sich ändernden Frequenz enthalten.
Berechnet man das Spektrum eines FM-Signals erkennt man, das nicht nur zwei Seitenlinien, wie bei AM-Signalen vorhanden sind. Das Spektrum ist unendlich breit. Der Abstand der Seitenlinien ist jeweils die Signalfrequenz (fS).
Die Amplitude dieser Seitenlinien wird durch die Besselfunktionen bestimmt.
Diese Funktionswerte sind vom Phasenhub Df (Maß für die Modulation) abhängig. Daß die Spannung bei der Frequenzmodulation wirklich modulationsunabhängig ist erkennt man, da der Gesamteffektivwert der Besselfunktionen immer 1 (normiert auf die maximale Eingangsspannung) ist. Somit bleibt die gesamte Effektivspannung bei veränderter Modulation (Df, Df) gleich.
Die Spannung u(t) errechnet sich: 
D.h. die Frequenz schwankt zwischen fTr-fS und fTr+fS, dies ist im Zeigerdiagramm wie folgt dargestellt:
Der Frequenzhub Df ergibt sich aus: 
Will man ein frequenzmoduliertes Signal übertragen, müssen alle wesentlichen Spektrallinien übertragen werden.
In der Praxis kennt man zwei Definitionen:
die sog. 10% Bandbreite (B10%)
die sog. 1% Bandbreite (B 1%)
dies bedeutet, daß alle Linien die kleiner als 10%(1%) des Effektivwertes sind, weggelassen werden können.
Für diese Definitionen gelten zwei Näherungsformeln:
Bei der Bandbreite sind noch zwei Begriffe definiert:
Df 1 Schmalbandmodulation (Spektrum ähnlich einer AM)
Df > 1 Breitbandmodulation (je "stärker" die Modulation, desto weiter rücken die energiereichen Seitenbänder
im Spektrum nach außen)
Die Frequenzmultiplextechniken sind nur eine der Möglichkeiten, Leitungen mehrfach auszunutzen. Eine weitere Möglichkeit ist die Zeitmultiplextechnik (TDM = time-division multiplex). Hier werden die Signale zeitlich nacheinander übertragen.
Der Zeitmultiplextechnik liegt die Idee zugrunde, daß zur Übertragung von Schwingungen - wie zum Beispiel Fern-sprechsignalen - nicht der komplette Schwingungsverlauf notwendig ist. Es genügt, der Schwingung in bestimmten Zeitabständen Abtastproben zu entnehmen und allein diese zu übertragen.
Die Abtastfrequenz muß größer als das Doppelte der höchsten im analogen Signal enthaltenen Frequenz sein.
Für das in der Fernsprechtechnik benutzte Frequenzband von 300 Hz bis 3400 Hz wurde eine Abtastfrequenz (fA) von 8000 Hz international festgelegt, d.h. das Fernsprechsignal wird 8000mal pro Sekunde abgetastet. Der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten des gleichen Fernsprechsignals (Abtastperiode = TA) ergibt sich aus:
Durch das Abtasten entsteht eine Folge kurzer Impulse, deren Amplituden den jeweiligen Momentanwerten der abgetasteten Schwingung entsprechen. Diese Umsetzung wird Pulsamplitudenmodulation (PAM) genannt. Betrachtet man die Hüllkurve des PAM-Signals, so kann man die ursprüngliche Kurvenform wiedererkennen.
Zwischen den einzelnen Abtastwerten entstehen relativ große Pausen. Diese Pausen können zur Übertragung anderer PAM-Signale verwendet werden, d.h. die Abtastwerte von verschiedenen Fernsprechsignalen lassen sich in zyklischer Reihenfolge zeitlich nacheinander übertragen. Die Impulse verschiedener PAM-Signale ergeben - so zusammengefaßt - ein PAM-Zeitmultiplexsignal.
Beim Erzeugen des PAM-Signals, wird das Fernsprechsignal über ein Tiefpaßfilter zu einem elektronischen Schalter geschickt, das zu übertragende Frequenzband begrenzt. Es unterdrückt Frequenzen, die höher als die halbe Abtastfrequenz sind. Der elektronische Schalter, der mit der Abtastfrequenz von 8000 Hz gesteuert wird, entnimmt dem Fernsprechsignal alle 125µs einen Abtastwert. Auf diese Weise erhält man am Ausgang der elektronischen Schalter ein pulsamplitudenmoduliertes Signal.
Das pulsamplitudenmodulierte Signal (PAM-Signal) ist immer noch eine analoge Form des Fernsprechsignals. Die Abtastwerte lassen sich aber in digitaler Form weit besser übertragen und weiterverarbeiten. Der erste Schritt für die Umwandlung in ein pulscodemoduliertes Signal (PCM-Signal) ist die Quantisierung. Hiefür wird der Gesamtbereich der möglichen Signalwerte in Quantisierungsintervalle unterteilt.
Für jeden Abtastwert wird festgestellt, welchem Quantisierungsintervall er entspricht, wobei die Entscheidungswerte als Grenze zwischen zwei Quantisierungsintervallen dienen. Auf der Sendeseite werden also mehrere verschieden große analoge Werte in einem Quantisierungsintervall zusammengefaßt. Auf der Empfangsseite wird für jedes Quantisierungsintervall ein Signalwert zurückgewonnen, der dem Mittelwert eines Quantisierungsintervalls entspricht. Dadurch entstehen kleine Abweichungen gegenüber den ursprünglichen Abtastwerten des Fernsprechsignals auf der Sendeseite. Für jeden Abtastwert beträgt die Abweichung maximal ein halbes Quantisierungsintervall. Daraus ergeben sich Quantisierungsverzerrungen die sich auf der Empfangsseite als ein Geräusch bemerkbar machen, das dem Nutzsignal überlagert ist (Quantisierungsrauschen). Je mehr Quantisierungsintervalle zur AD-Wandlung zur Verfügung stehen, desto kleiner werden die Quantisierungs-verzerrungen, sodaß bei genügend feiner Abstufung, das Quantisierungsrauschen vernachlässigbar klein und nicht mehr hörbar wird.
Bei der gleichmäßigen Quantisierung wird der gesamte Amplitudenbereich in gleichgroße Intervalle unterteilt. Dadurch entstehen bei kleinen Signalwerten relativ große Abweichungen. Diese Abweichungen können in der Größenordnung des Signals selbst sein, und somit wäre der Signal-Rausch-Abstand unerwünscht klein.
In der Praxis verwendet man deshalb die ungleichmäßige Quantisierung, wobei man kleine Quantisierungsintervalle bei kleinen und große Quantisierungsintervalle bei großen Eingangssignalwerten verwendet.
Durch diese Einteilung wird das Verhältnis zwischen dem Amplitudenwert und der möglichen Abweichung, für alle Interevalle annähernd konstant.
Einzelheiten der ungleichmäßigen Quantisierung werden durch die
a) A-Kennlinie (13 Segmente: PCM30-Übertragungssystem)
b) µ-Kennlinie (15 Segmente: PCM24-Übertragungssystem)
festgelegt.
Die A-Kennlinie besteht aus 8 geradlinigen Abschnitten im positiven und im negativen Bereich (16 Segmente). Da die am Nullpunkt liegenden Abschnitte ein geradliniges Segment bilden, dadurch setzt sich die Kennlinie aus
13 Segmenten zusammen (13-Segment-Kennlinie).
Die x-Achse ist auf den Wert 1 normiert (1: maximales Eingangssignal).
Auf der y-Achse sind die Quantisierungsintervalle aufgetragen.
Das zu übertragende PCM-Signal entsteht durch Codieren der ,,Nummern' der Quantisierungsintervalle. Der elektronische Codierer ordnet jedem einzelnen Abtastwert - entsprechend dem festgelegten Quantisierungsintervall - ein 8-bit-Codewort zu (hier nur 4 bit dargestellt).
Im Bild des positiven Teils der A-Kennlinie (vorhergehende Seite) weisen die von den Signalwerten Uein (Abtastwerten) ausgehenden Pfeile auf die Codewörter hin. Die 128 positiven und 128 negativen Quantisierungsintervalle (128 + 128 = 256 = 28) werden mit einem achtstelligen Binärcode dargestellt. Das erste Bit aller 8-bit-Codewörter, die positive Quantisierungsintervalle darstellen, ist eine 1, das erste Bit aller 8-bit-Codewörter, die negative Quantisierungsintervalle darstellen, ist eine 0. Für die Übertragung werden die Bits Nr.2, 4, 6 und 8 invertiert.
Die 8-bit-Codewörter mehrerer Fernsprechsignale lassen sich in zyklischer Folge nacheinander übertragen: Zwischen zwei Codewörtern eines Fernsprechsignals werden Codewörter anderer Fernsprechsignale in zeitlicher Folge aneinandergereiht. So entsteht ein PCM-Zeitmultiplexsignal, das sich für die Mehrfachausnutzung von Leitungen eignet.
Die Vorgänge beim Multiplexen werden vollelektronisch abgewickelt. Zur Erläuterung des Prinzips zeigt das folgende Bild vier Eingangssignale, die von einem umlaufenden Schalter A zyklisch abgetastet werden. Synchron mit der Folge der ankommenden Codewörter wird der Schalter A auf den nächsten Eingang gesteuert. Am Ausgang des Schalters A steht dann das PCM-Zeitmultiplexsignal zur Verfügung. Der Zeitabschnitt, in dem ein Codewort übertragen wird, heißt Zeitschlitz (time slot).
Eine Bitfolge, die von jedem Eingangssignal ein Codewort enthält, bezeichnet man als Pulsrahmen.
Bei einem PCM30-Übertragungssystem besteht ein Pulsrahmen aus 32 Codewörtern.
Auf der Empfangsseite werden aus dem Zeitmultiplexsignal die einzelnen PCM-Signale zurückgewonnen, d.h. die 8-bit-Codewörter werden auf die entsprechenden Ausgänge verteilt. Wie bei der Zeitmultiplexbildung auf der Sendeseite, laufen die Vorgänge beim Demultiplexen vollelektronisch ab. Zur Erläuterung des Prinzips zeigt das Bild einen umlaufenden Schalter B, der im Synchronlauf mit Schalter A die Codewörter auf die 4 Ausgänge verteilt.
Jedem 8-bit-Codewort wird auf der Empfangsseite ein Signalwert Uaus zugeordnet. Er entspricht dem Mittelwert des betreffenden Quantisierungsintervalls. Die Kennlinie für das Decodieren ist die gleiche, wie die für die ungleichmäßige Codierung auf der Sendeseite.
Die Signalwerte Uaus sind im Bild mit der vergrößerten A-Kennlinie oben waagerecht dargestellt. Die Codewörter werden in der Reihenfolge ihres Eintreffens decodiert und in ein PAM-Signal umgesetzt. Anschließend wird das PAM-Signal durch ein Tiefpaßfilter geleitet, das aus dem PAM-Signal das ursprüngliche analoge Fernsprechsignal zurückgewinnt.
Für die Digital-Übertragungstechnik werden die analogen Fernsprechsignale mit Hilfe der Pulscodemodulation in digitale Signale umgesetzt. Grundlage dafür sind die Übertragungssysteme PCM30 und PCM24. Aufbauend auf diese Grundsysteme können Digital-Übertragungssysteme höherer Ordnung gebildet werden.
In einem PCM-Übertragungssystem sind für die beiden Sprechrichtungen einer Verbindung
(Teilnehmer A Teilnehmer B, Teilnehmer B Teilnehmer A) getrennte Zeitkanäle vorhanden. Die jeweils gleich nummerierten Kanal-Zeitschlitze in den Pulsrahmen der beiden entgegengesetzten Richtungen eines PCM-Übertragungs-systems bilden einen Sprechkreis mit zwei voneinander getrennten Sprechrichtungen. PCM-Übertragungssysteme sind in der Betrachtungsweise der Analogtechnik - 4draht-Systeme.
PCM-Übertragungssysteme sind an beiden Enden mit einem Multiplexgerät abgeschlossen. Jedes Multiplexgerät enthält einen Sendeteil und einen Empfangsteil. Die Sendeteile bilden die auszusendenden 8-bit-Codewörter, die Empfangsteile verwandeln die empfangenen Codewörter wieder in Analogsignale um. In einer Sprechrichtung muß der Empfangsteil für die Wiedergewinnung der Analogsignale im gleichen Takt arbeiten, wie der Sendeteil der Gegenseite. Aus diesem Grunde übermittelt der Sendeteil zum Empfangsteil nicht nur die PCM-Signale, sondern mit ihnen auch den Takt, in dem sie gebildet wurden. Der Sendeteil enthält für diese Aufgaben einen Taktgenerator und der Empfangsteil einen Taktempfänger, der aus dem empfangenen PCM-Signal den Takt herausfiltert. Der Empfangsteil läuft somit synchron, d.h. er ist in exaktem Gleichlauf mit dem Sendeteil der gleichen Sprechrichtung. In der entgegengesetzten Sprechrichtung arbeitet der Empfangsteil natürlich auch synchron mit dem Sendeteil.
Das vom Sendeteil gebildete PCM-Signal besteht aus aneinandergereihten 8-bit-Codewörtern im NRZ-Binärcode (NRZ = non-return-to-zero). [Im Gegensatz dazu der RZ = return-to-zero - Code]
Wegen seines Gleichstromanteils kann man dieses Digitalsignal jedoch nicht direkt an die Übertragungsleitung legen. Der Sendeteil des Multiplexgerätes setzt das PCM-Signal daher z.B. in ein gleichstromfreies AMI-Signal (AMI = alternate mark inversion). Hier werden die 1en abwechselnd mit positiver bzw. negativer Spannung wieder-gegeben.
In einem AMI-Signal können aber längere 0-Folgen vorkommen. Man verwendet für PCM-Übertragungsstrecken vielfach eine Variante AMI-Codes: den HDB3-Code (HDB3 = third-order high-density-bipolar). Bei diesem Code wird die Anzahl der aufeinanderfolgenden 0en auf drei beschränkt und damit der Takt für die Synchronisation der Zwischenregeneratoren sicherer gewonnen.
Für die Umwandlung des Binärcodes in den HDB3-Code gelten folgende Regeln:
Folgen vier 0-Signalelemente aufeinander, so ist das vierte 0-Signalelement durch ein V-Signalelement
(= 1-Signalelement) zu ersetzen (000V). Dabei nimmt das V-Signalelement die gleiche Polarität wie das vorhergehende 1-Signalelement ein. Ein V-Signalelement bewirkt eine Verletzung der AMIRegel und wird dadurch als V-Signalelement identifiziert.
Liegt zwischen dem nach Regel 1 eingesetzten neuen V-Signalelement und dem vorherigen V-Signalelement
eine gerade Anzahl von 1-Signalelementen, so ist das erste der vier 0-Signalelemente durch ein A-Signalelement (= 1-Signalelement) zu ersetzen. Die Polarität des A-Signalelements entspricht der AMI-Regel. Das letzte der vier 0-Signalelemente wird wieder ein V-Signalelement (A00V). Hier haben A- und V-Signalelemente die gleiche Polarität. Dazwischen sind jetzt jedoch nur zwei 0-Signalelemente, sodaß auch hier eine eindeutige Identifizierung auf der Empfangsseite möglich ist.
Das Leitungsendgerät ist das Bindeglied zwischen dem Multiplexgerät und den Übertragungsleitungen. In der Senderichtung wird u.a. der Fernspeisestrom für die Speisung der Zwischenregeneratoren eingefügt. Auf der Empfangsseite wird das PCM-Signal regeneriert und dann zum Empfangsteil des Multiplexgerätes geführt.
Auf den PCM-Übertragungsstrecken werden in Abständen von etwa 2 bis 5 km Zwischenregeneratoren eingesetzt (2-5km für LWL). Sie regenerieren die PCM-Signale beider Richtungen und eliminieren damit Verzerrungen, die durch äußere Einflüsse und die Übertragungsparameter der Leitungen verursacht werden.
Die Übertragungssysteme PCM30 mit 2048 kbit/s und PCM24 mit 1544 kbit/s fassen je Übertragungsrichtung 30 bzw. 24 Fernsprechkanäle zu einem Zeitmultiplexsystem zusammen. PCM3O-Übertragungssysteme werden in allen europäischen Ländern eingesetzt; PCM24-Übertragungssysteme hauptsächlich in USA, Kanada und Japan. PCM30 und PCM24 werden auch als "Primärübertragungssysteme" oder Grundsysteme bezeichnet. Ihre charakteristischen Merkmale sind in folgender Tabelle zusammengestellt:
Das Übertragungssystem PCM30 ermöglicht die gleichzeitige Übertragung von 30 Gesprächen z.B. über zwei symmetrische Adernpaare eines NF-Kabels.
Für jeden der 30 Sprechkreise werden in beiden Richtungen 8000 Abtastwerte pro Sekunde in Form von 8-bit-Codewörtern übertragen. In jeder Richtung müssen also innerhalb von 125µs 30 Codewörter hintereinander mit je 8 bit übertragen werden. Zu diesen 30 Codewörtern gehören weitere 2*8 bit:
für die Signalisierung und
abwechselnd ein Rahmenkennungswort und ein Meldewort
Die 30 Codewörter bilden zusammen mit den weiteren 2*8 bit einen Pulsrahmen. Die Pulsrahmen werden unmittelbar aneinandergereiht übertragen.
Die Empfangsteile bestimmen anhand der ankommenden Rahmenkennungswörter die zeitliche Lage der Pulsrahmen, damit die eintreffenden Bits in richtiger Folge den einzelnen Sprechkreisen zugeordnet werden können.
Im Zeitkanal 0 wird abwechselnd das Rahmenkennungswort und das Meldewort übertragen. Das 1.Bit im Zeitkanal 0 ist für internationale Zwecke reserviert. Das Rahmenkennungswort ist in den Bits 2 bis 8 des Kanal-Zeitschlitzes 0 enthalten und hat stets das gleiche Bitmuster: 0011011.
Die Meldewörter übertragen Service-Signale. Das Bit 3 im Meldewort ist das Meldebit für einen dringenden Alarm. 0 bedeutet kein Alarm; 1 meldet einen der folgenden Alarme:
Ausfall der Stromversorgung (falls Meldung noch möglich)
Ausfall des Codecs (Codier-Decodier-Schaltungen)
Ausfall des ankommenden 2048-kbit/s-Signals
Fehler im Pulsrahmengleichlauf
Rahmenkennungswort-Fehlerquote >1 x 10
Die Bits 4 bis 8 des Meldewortes sind für nationale Verwendung reserviert.
Vermittlungstechnische Kennzeichen (Beginn-, Schluß- und Wählzeichen) werden über den Zeitkanal 16 "out-slot" übertragen. Hierbei wird unterschieden zwischen:
kanalgebundener Signalisierung für 30 Sprechkreise und
Signalisierung über einen zentralen Zeichenkanal mit 64 kbit/s
Bei kanalgebundener Signalisierung wird der Zeitkanal 16 so unterteilt, daß für jeden der 30 Fernsprechkanäle bestimmte Bits zur Verfügung stehen. Dazu werden 16 Pulsrahmen zu einem Mehrfachrahmen zusammengefaßt. Zu Beginn eines Mehrfachrahmens wird ein Mehrfachrahmen-Kennungswort im Kanal-Zeitschlitz 16 des Pulsrahmens 0 gesendet. Das Bitmuster dieses Mehrfachrahmen-Kennungswortes ist ,,0000'.
Die Kanal-Zeitschlitze 16 eines Mehrfachrahmens werden jeweils in zwei Gruppen zu je 4 bit (a, b, c, d) unterteilt. Innerhalb eines Mehrfachrahmens wird jedem der 30 Fernsprechkanäle eine solche 4-bit-Gruppe für die Signalisierung zugeordnet. Die SignaIisierungsbitrate pro Fernsprechkanal beträgt dabei 2 kbit/s.
Ist keine kanalgebundene Signalisierung zu übertragen, so steht der Zeitkanal 16 (= 64 kbit/s) für die Übertragung anderer digitaler Signale zur Verfügung, z.B. für die Signalisierung über einen zentralen Zeichenkanal oder für Datenübertragungen.
Ebenso wie das Übertragungssystem PCM30 überträgt das PCM24 8-bit-Codewörter in beiden Richtungen. Beim PCM24-Übertragungssystem enthält ein Pulsrahmen nahtlos aneinandergereiht, je einen Abtastwert von allen 24 Fernsprechsignalen einer Gesprächsrichtung in der Form eines 8-bit-Codewortes (24 x 8 = 192 bit) und ein zusätzliches Bit. Mit dem zusätzlichen Bit wird entweder abwechselnd das Rahmenkennungssignal und das Mehrfachrahmen-KennungssignaI oder abwechselnd das Rahmenkennungssignal und die Signalisierung über einen zentralen Zeichenkanal. Das zusätzliche Bit wird als erstes Bit des Pulsrahmen gesendet. Entsprechend der Abtastfrequenz und der dadurch entstandenen 8000 Abtastwerte pro Fernsprechsignal und Sekunde stehen 125µs für einen Pulsrahmen zur Verfügung.
In beiden Übertragungsrichtungen gehört das erste Bit jedes zweiten Pulsrahmens (alle Pulsrahmen mit ungerader Nummer) zum Rahmenkennungssignal. Die empfangsseitigen Synchronisiereinrichtungen werten die Rahmenkennungssignale aus und überwachen dabei den zeitlichen Gleichlauf der Übertragung zwischen Sende- und Empfangsteilen. Das Rahmenkennungssignal hat die Form: 101010 usw.
Beim Übertragungssystem PCM24 stehen ebenfalls zwei Signalisierungsverfahren zur Verfügung:
kanalgebundene Signalisierung für 24 Sprechkreise und
Signalisierung über einen zentralen Zeichenkanal mit 4 kbit/s.
Für die kanalgebundene Signalisierung in einem Übertragungssystem PCM24 werden 12 aufeinanderfolgende Pulsrahmen zu einem Mehrfachrahmen zusammengefaßt. Zum Synchronisieren der Mehrfachrahmen dient das Mehrfachrahmen-Kennungssignal in den ersten Bits der Pulsrahmen mit gerader Nummer. In den 6. und 12. Pulsrahmen jedes Mehrfachrahmens wird von den 8 bit der Codewörter der 24 Fernsprechsignale jeweils das für die Fernsprechqualität unwichtigste (= least-significant bit) für die Signalisierung verwendet. Die Fernsprechqualität wird dadurch geringfügig vermindert. Mit diesen least-significant bits der Fernsprechkanäle werden die vermittlungstechnischen Kennzeichen der zugehörigen Fernsprechkanäle übertragen. Man nennt die zwei voneinander unabhängigen SignaIisierungskanäle pro Fernsprechkanal A und B. Die gesamte Bitrate für die kanalgebundene Signalisierung beträgt pro Fernsprechkanal 1333 bit/s.
Bei der Signalisierung über einen zentralen Zeichenkanal, mit bis zu 4 kbit/s, werden die Pulsrahmen nicht zu Mehrfachrahmen zusammengefaßt. Die ersten Bits jedes Pulsrahmens mit gerader Ordnungszahl werden hierbei nicht für das Mehrfachrahmen-Kennungssignal, sondern für die Signalisierung verwendet (S-Bits). Die S-Bits bilden den zentralen Zeichenkanal, der für die Signalisierung zwischen zwei Vermittlungsstellen benutzt wird.
Abhängig vom verwendeten Signalisierungsverfahren kann ein PCM24-Übertragungssystem Alarmmeldungen wie folgt übertragen:
die zweiten Bits aller Fernsprechsignale können als 0-Bits gesendet werden
bei kanalgebundener Signalisierung kann statt dessen die 0 des Mehrfachrahmen-Kennungssignals des Pulsrahmens 12 in eine 1 umgewandelt werden.
Damit lassen sich die nachstehenden Alarme übertragen:
Netzausfall
Ausfall des Codecs
Ausfall des Pulsrahmengleichlaufs
Digital-Übertragungssysteme mit höherer Kanalzahl bauen auf den Übertragungssystemen PCM30 und PCM24 auf. Wie bei der Frequenzmultiplextechnik bezeichnet man die Systeme mit mehrfacher Kapazität als Übertragungssysteme höherer Ordnung.
Wenn man mehrere Digitalsignale gleicher Nennbitrate zu einem Multiplexsignal höherer Kapazität zusammenfügen will, so sind diese Digitalsignale im allgemeinen nicht exakt synchron zueinander. Ihre Bitraten können innerhalb bestimmter Toleranzen vom Nennwert abweichen. Beim Zusammenfassen von Digitalsignalen in einem Digitalsignal-Multiplexgerät werden deshalb die Takte durch Pulsstopfen einander angepaßt. In der Praxis werden zwei Stopfverfahren verwendet:
a) das Positiv-Stopfen und (seltener)
b) das Positiv-Null-Negativ-Stopfen.
Der erste Kanal hat eine Übertragungskapazität, die nominell gleich der Bitrate des Nutzsignals ist. Ist die tatsächliche Bitrate des Nutzsignals geringer als die Bitrate dieses ersten Kanals, so bleiben bestimmte Bit-Zeitschlitze dieses Kanals informationsfrei. In diese leeren Bit-Zeitschlitze müssen jetzt Stopfbits (diese Bit enthalten keine Nutzinformation) eingefügt werden (Positiv-Stopfen).
Der zweite Kanal hat eine kleinere Übertragungskapazität und dient dazu, Bits des ersten Nutzsignals immer dann zu übertragen, wenn die Kapazität des ersten Kanals nicht ausreicht (Negativ-Stopfen).
Der Sender teilt dem Empfänger mit Hilfe von Stopfinformationsbits stets mit, ob und wie gestopft wurde. Die Stopfinformationsbits werden benötigt, um im Empfänger das Pulsstopfen rückgängig zu machen und die ursprünglichen Signale zurückzuerhalten. Für die Stopfinformationsbits ist zusätzliche Übertragungskapazität vorhanden.
Digital-Vermittlungsstellen schalten Verbindungen durch, indem sie 8-bit-Codewörter verschiedener Fernsprechsignale entsprechend den Verbindungswünschen neu ordnen. Entsprechend der Abtastfrequenz werden pro Verbindungsrichtung 8000 Codewörter pro Sekunde weitervermittelt. Daraus ergeben sich in den Vermittlungsstellen aufeinanderfolgende 125µs-Perioden. Innerhalb dieser 125µs-Perioden hat jedes Codewort eine bestimmte Zeitlage. Das entspricht genau der Digital-Übertragungstechnik, bei der innerhalb eines Pulsrahmens jedes Codewort einem bestimmten Kanal-Zeitschlitz zugeordnet ist.
Anstelle von PCM-Codewörtern kann die Vermittlungsstelle auch 8-bit-Gruppen anderer Signale durchschalten. Diese Möglichkeit ist die Voraussetzung für die Integration anderer Dienste im digitalen Fernsprechnetz (ISDN = integrated services digital network).
Für die Vermittlungstechnik stehen zwei Prinzipien zur Verfügung:
Zeitlagenvielfach
Raumlagenvielfach
Mit dem Zeitlagenvielfach kann jedes auf einer Multiplexleitung ankommende 8-bit-Codewort zu jeder beliebigen Zeitlage auf eine abgehende Multiplexleitung vermittelt werden (volle Erreichbarkeit). Dazu werden die ankommenden Codewörter entweder
a) in den Informationsspeicher des Zeitlagenvielfachs zyklisch eingeschrieben und von dort entsprechend den Vermittlungswünschen ausgelesen oder
b) bereits beim Einspeichern entsprechend den Vermittlungswünschen sortiert, so daß sie zyklisch ausgelesen
werden können.
Die im Bild gezeigten Drehschalter dienen nur zur Erläuterung der Adressiervorgänge im Speicher. Der Drehschalter am Eingang des lnformationsspeichers wird zyklisch gesteuert. Dadurch laufen die ankommenden Codewörter der Reihe nach und synchron mit den Eingangszeitlagen in die Speicherplätze des lnformationsspeichers. Die Reihenfolge beim Ausspeichern aus dem lnformationsspeicher wird von den jeweiligen Vermittlungswünschen bestimmt. Die Steueradressen für den Drehschalter am Ausgang des lnformationsspeichers werden vom Haltespeicher synchron mit den Ausgangszeitlagen angegeben.
Dadurch vertauscht das Zeitlagenvielfach die Zeitlagen der Codewörter.
Entsprechend den 8000 Abtastungen pro Sekunde erfolgt der Zeitlagentausch der Codewörter für jede Verbindung ebenfalls 8000mal pro Sekunde. Durch das Vertauschen der Zeitlagen werden im Zeitlagenvielfach die Codewörter der verschiedenen Verbindungen unterschiedlich verzögert.
Das Raum-Zeitlagenvielfach ist eine besonders schnell arbeitende Variante des Zeitlagenvielfachs. Aufgrund seiner hohen Arbeitsgeschwindigkeit kann das Raum-Zeitlagenvielfach die 8-bit-Codewörter von mehreren ankommenden Multiplexleitungen zu jeder Zeitlage von mehreren abgehenden Multiplexleitungen vermitteln. Dazu müssen die Codewörter der ankommenden Multiplexleitungen zusammengefaßt (gemultiplext) und zum lnformationsspeicher geführt werden. Dies bedeutet, daß auf der Leitung vom Multiplexer zum Informationsspeicher eine mehrfach höhere Bitrate als auf den Zubringer-Multiplexleitungen vorhanden ist.
Der Demultiplexer teilt nach dem Vermittlungsvorgang die Codewörter wieder auf die Abnehmer-Multiplexleitungen mit der ursprünglichen Bitrate auf. Ansonsten hat das Raum-Zeitlagenvielfach die gleichen Arbeitsprinzipien wie das Zeitlagenvielfach. Es kann also auch hier jedes Codewort der ankommenden Seite zu jeder Zeitlage aller vier Multiplexleitungen der abgehenden Seite blockierungsfrei vermittelt werden (volle Erreichbarkeit).
Im Gegensatz zum Zeitlagenvielfach arbeitet das Raumlagenvielfach ohne Wechsel der Zeitlagen. Das Raumlagenvielfach kann jedes 8-bit-Codewort der Zubringer-Multiplexleitungen zu jeder beliebigen Abnehmer-Multiplexleitung zeitlagengleich vermitteln. Die Codewörter behalten also während und nach dem Vermittlungsvorgang ihre ursprüngliche Zeitlage bei, sie bleiben unverzögert. Verändert wird nur ihre räumliche Lage, d.h. die Zuordnung zu den verschiedenen Multiplexleitungen.
Vereinfachend ist im dargestellten Koppelnetz ein UND-Glied je Koppelpunkt eingezeichnet. Das Muster der durchlässigen UND-Glieder ändert sich mit jeder Zeitlage. Zu jeder Zeitlage wird pro Zubringer-Multiplexleitung eine Verbindung über ein UND-Glied durchgeschaltet. Zu einer bestimmten Zeitlage und für die Dauer einer Verbindung wird das betreffende UND-Glied 8000mal pro Sekunde durchlässig.
Die genaue Folge wann welches UND-Glied durchlässig oder gesperrt sein muß, gibt für jede Spalte der Matrix ein Haltespeicher an. Die Steueradressen im Haltespeicher bezeichnen für jede Zeitlage das jeweils durchlässig zu schaltende UND-Glied.
Inhaltsverzeichnis - Modulationsverfahren
FREQUENZMULTIPLEXTECHNIKEN
Modulationsgrad
Spektrum
Bandbreite
Sonderformen
Verzerrungen
Besselfunktionen
Phasenhub
Frequenzhub
1%-,10%-Bandbreite
Näherungsformeln
Schmal-, Breitbandmodulation
ZEITMULTIPLEXTECHNIKEN
Abtastfrequenz, -periode
PAM-Zeitmultiplexsignal
Erzeugen des PAM-Signals
Quantisierung
gleichmäßige Quantisierung
ungleichmäßige Quantisierung
A-Kennlinie
PCM-Signal
PCM-Zeitmultiplexsignal
DIGITAL-ÜBERTRAGUNGSTECHNIK
PCM-Übertragungssystem
NRZ-Binärcode
AMI-Signal
HDB3-Code
Umwandlung Binär- HDB3-Code
Leitungsendgerät
PCM-Übertragungsstrecken
PCM30 - PCM24 Zeitmultiplexsysteme
Pulsrahmen
Rahmenkennungs-, Meldewort
Signalisierungsarten
Rahmenkennungssignal
Signalisierungsarten
Digital-Übertragungssysteme mit höherer Kanalzahl
Pulsstopfen
Positiv-, Negativstopfen
VERMITTLUNGSTECHNIK
Zeitlagenvielfach
Raum-Zeitlagenvielfach
Raumlagenvielfach
S.2
S.2
S.3
S.3
S.4
S.4
S.4
S.4
S.5
S.5
S.5
S.5
S.5
S.6
S.6
S.6
S.6
S.7
S.7
S.8
S.8, S.9
S.10
S.10
S.10, S.11
S.12
S.13
S.13
S.13
S.13
S.14
S.14
S.14
S.15
S.15
S.15
S.16
S.17
S.17
S.17, S.18
S.19
S.20
S.20
S.21
S.22
S.23
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