اصول PCM چیست؟

1- نمونه برداری : حداقل میزان یا تعداد نمونه های لازم از یک سیگنال آنالوگ که اطلاعات  اولیه آن سیگنال حفظ شود را فرکانس نمونه برداری مشخص میکند

این فرکانس باید بیش از دو برابر بالاترین فرکانس سیگنال آنالوگ باشد .  فرکانس سیگنال Fa   >    Fs   فرکانس نمونه برداری

با توجه به اینکه فرکانس سیگنالهای ناشی از صوت انسان بین 3400-300  هرتز  می باشد فرکانس نمونه برداری را 8000 HZ   در نظر می گیرند .یعنی از سیگنال  الکتریکی ناشی از صوت 800 بار در ثانیه نمونه برداری می شود .

فاصله زمانی بین دو نمونه متوالی از یک سیگنال بوسیله رابطه زیر محاسبه میشود

 Ta = 1/Fs = 1/8000 =125 msec

فیلتر پایین گذر باند فرکانسی را به  4 کیلوهرتز محدود می سازد . بطوریکه فرکانسهای بالاتر از فرکانس نمونه برداری را حذف میکند .مدار نمونه بردار با فرکانس 8 کیلو هرتز از سیگنال تلفنی در هر  125 میلی ثانیه نمونه برداری می کند . بنابراین خروجی حاصل از نمونه بردار یکسری PAM  می باشد .

2- کوانتیزه کردن : سیگنال های تلفنی PAM  هنوز به صورت آنالوگ می باشند . چون ارسال نمونه ها به طریق  دیجیتال ساده تر می باشد . در اولین مرحله باید سیگنال های PAM  که دارای مقادیر اعشاری میباشند  به اعداد صحیح تبدیل کرد که این عمل بوسیله فواصل کوانتیزه انجام می پذیرد . اصول کوانتیزاسیون در شکل نشان داده شده است .

تعداد 16 فاصله کوانتیزه در شکل دیده میشود . این فاصله ها در محدوده +1 تا +8  و در محدوده منفی -1 تا  -8  تقسیم شده است و برای هر نمونه مقادیر کوانتیزه مناسبی انتخاب شده است .

مرزهای تصمیم گیری حد فاصل بین مرز های مجاور را مشخص میکند . بنابراین در جهت ارسال مقادیر  آنالوگ متعددی در یک فصله کوانتیزه قرار می گیرد . در جهت در یافت یک مقدار  ثابت  آنالوگ  برای  هر سیگنال  که برابر با نقطه میانی  فاصله کوانتیزه است بدست می آید . این عمل باعث می شود تفاوت های بین نمونه سیگنال های تلفنی اولیه در جهت ارسال و مقادیر بازیابی شده در طرف دریافت بوجود بیاید .به طوری که این اختلاف می تواند  تا نصف یک فاصله کوانتیزه باشد . این خطا به صورت نویز  که منطبق بر سیگنال  اصلی است ظاهر می شود . این خطاهای کوانتیزاسیون را میتوان با افزایش تعداد فواصل کوانتیزه کمتر کرد .

اگر فواصل کوانتیزاسیون برای تمامی رنج های دامنه یکسان باشد ، در سیگنال های با دامنه کوچکتر خطاهای بزرگتری بوجود می آید که این خطا ها میتواند به اندازه سیگنالهای ورودی باشد .در نتیجه نسبت سیگنال به نویز کوانتیزاسیون آنقدر بزرگ نخواهد بود  به همین دلیل عملا از 256 فاصله کوانتیزه نامساوی استفاده می شود .

در کوانتیزه غیر یکنواخت فواصل کوانتیزه کوچکتر برای سیگنالهای با دامنه کم و فواصل کوانتیزه بزرگتر برای سیگنال با دامنه بیشتر به کار می رود . بنابراین نسبت سیگنال ورودی به خطای کوانتیزه تقریبا برای تمامی دامنه های یکسان خواهد بود .

1-     کد بندی : سیگنال های   PCM از کد نمودن فواصل یا step  های کوانتیزه شده بدست می آید . فواصل مثبت را از یک تا 128 و فواصل کوانتیزه منفی را از -1 تا – 128 نشان داده می شود .کد کننده الکتریکی به هریک از step  ها یک کد هشت بیتی اختصاص می دهد .

یک کد باینری 8 رقمی برای نشان دادن هر یک از 128 فاصله کوانتیزه مثبت یا منفی از مجموع  2^8= 256  

فاصله اختصاص یافته است . پس هر کلمه PCM  دارای 8 بیت است . بیت اول  تمامی کلمات PCM   به کار رفته در فواصل کوانتیزه منفی یک بوده و در فواصل مثبت صفر می باشد .

4- Multiplexing    ( ترکیب کردن ) :

کلمات PCM   هشت بیتی چند سیگنال تلفنی می توانند متوالیا و در سیگنال های تکرار شونده کلمات PCM   چندین سیگنال تلفنی در یک ردیف یکی بعد از دیگری قرار می گیرند .این عمل را مالتی پلکس زمانی  TDM  می گویند . پروسه هائی که در مالتی پلکس به کار میروند کلا الکترونیکی می باشند .

 فاصله زمانی لازم جهت ارسال یک کلمه PCM   را یک time slat  ( شیار زمانی ) می گویند . یک زنجیره  از کلمات  PCM  را یک فریم می گویند.

تبدیل دیجیتال به آنالوگ :

1- تفکیک کردن ( depultiplexing ) : در سمت دریافت به هنگام رسیدن  هر time slat   از یک فریم آنرا روی خروجی مربوط به خودش ارسال می کند .

2- decoding ( دی کد کردن ) : بعد از ارسال هر کلمه هشت بیتی PCM  به خروجی خودش مبدل digital/analog  به هر کلمه PCM   یک دامنه اختصاص می دهد که مقدار آن برابر وسط فاصله کوانتیزه می باشد .به این ترتیب کلمات PCM   به ترتیب دریافت شده و به سیگنال های PCM  تبدیل می شوند . سر انجام این سیگنال های PAM   پس از عبور از یک فیلتر پایین گذر به سیگنالهای آنالوگ تلفنی اولیه تبدیل میگردند.

 سیگنال تنظیم فریم :

برای جدا سازی فریم ها از یکدیگر که به صورت پشت سر هم  ارسال می شوند در time slat  شماره صفر یک  کلمه منحصر به فرد قرار داده می شود تا  گیرنده با در یافت آن ابتدای هر فریم را تشخیص دهد و از تداخل فریم ها در یکدیگر جلوگیری نمایند.

0

Frame 1

0

Frame  2

0

Frame 3

.

روش تبدیل به دیجیتال :

در سیستم های مخابراتی باید اطلاعات همانگونه که از مبدا فرستاده میشود  در مقصد نیز بازیابی شود .

برای ارسال چندین کانال تلفنی از روشهای مختلف که به تمام مدولاسیون خوانده میشود ( Modulation) خوانده میشود استفاده می گردد .

مالتی پلکس تقسیم مکانی    SDM = Space Division Multiplex                                       

مالتی پلکس تقسیم فرکانس        FDM= Freqency  Division  Multiplex                               

مالتی پلکس تقسیم زمان    TDM = Time Division Multiplex                                         

مالتی پلکس دامنه  PAM = Pulse Amplitude Modulation                                          

مدولاسیون کد                                 PCM = Pulse Code Modulation                                                      

در شروع ارتباطات تلفنی ، مسیر ارتباطی انفرادی و اختصاصی بود . به این صورت که به ازای هر ارتباط تلفنی یک زوج سیم مجزا به کار می رفت . به این روش مالتی پلکس تقسیم مکانی SDM   گفته می شود . انبوهی از سیم ها در کنار یکدیگر قرار میگرفتند و به علت اینکه قسمت اعظم سرمایه گذاری در شبکه خطوط می باشد تلاش گردید که از یک خط برای انتقال چند کانال در مسیر های طولانی استفاده گردد .

این تلاش منجر به پیدایش روش مالتی پلکس تقسیم فرکانس یا  FDM   گردید که عبارت از تقسیم باند پهن فرکانس به باندهای فرکانس فرعی می باشد . هر باند فرعی دارای یک سیگنال کاریر  ( carrier )    سینوسی است که با یک سیگنال تلفنی مدوله می شود .بعد از ارسال این  سیگنال در گیرنده عمل دمدولاسیون انجام شده و سیگنال تلفن به وسیله فیلتر های دقیق از سیگنال کاریر جدا می گردد. در این روش پهنای باند را 60 تا 108  کیلو هرتز در نظر گرفته و آنرا به 12 قسمت  4 کیلو هرتزی تقسیم میکنند.

به ازای هر 4 کیلو هرتز یک ارتباط یعنی کلا 12 ارتباط را میتوان روی یک خط ارسال کرد . در این روش چون فیلترهای بسیار دقیقی برای بیرون کشیدن پهنای باند هر مشترک لازم است روش خوبی نیست .

اما روش دیگر که برای استفاده چند گانه از یک خط استفاده می شود  مالتی پلکس تقسیم زمانی TDM   می باشد .

در این روش از تقسیم زمان به زمان های مجزا روی هر مسیر استفاده میگردد .به این شکل که در هر 125 میکرو ثانیه 32 کانال ایجاد میگردد . هریک از کانال ها از نظر باند صوتی  4 KHZ    است . یک کانال در هر کدام از پریود ها ی متوالی مختص یک سیگنال تلفنی است . بنابراین بطور همزمان میتوان چندین سیگنال تلفنی را ارسال کرد . اساس TDM  بر پایه این تئوری است که برای انتقال سیگنال های تلفنی ارسال کامل شکل موج لازم نیست وکافی است که از موج در فواصل زمانی نمونه برداری شده و این نمونه ها ارسال گردند. وقتی از شکل موج نمونه برداری می شود این تغییر شکل را به عنوان مدولاسیون دامنه پالس PAM   میگویند.

پوش سیگنال های PAM   نشان دهنده همان شکل موج اصلی است . فاصله بین  نمونه برداری ها نسبتا طولانی است . از این فاصله ها میتوان برای ارسال سیگنالهای PAM   دیگر موجها استفاده کرد . وقتی پالسهای چند سیگنال PAM   ترکیب میشوند یک مالتی پلکس PAM   را تشکیل میدهند .اگر نمونه های شکل موج یعنی پالس ها با دامنه های مختلف به کدهای باینری تبدیل شمند به صورتیکه هر دامنه با کد جداگانه مشخص گردد از واژه PCM  استفاده  می شود .