Цифровая телефония: принципы работы системы T1, формат DS-1 и мультиплексирование

Процесс передачи голоса в современных цифровых сетях начинается с преобразования звука. Аналоговые речевые сигналы изначально генерируются в микрофоне телефонного аппарата и передаются по абонентской линии к коммутационному узлу. На районной АТС (Автоматической Телефонной Станции) эти непрерывные сигналы подвергаются дискретизации и кодированию. Преобразование в цифровую форму необходимо для последующей эффективной и помехоустойчивой передачи по магистральным каналам связи.

Для экономичного использования дорогостоящих физических каналов связи применяется техника объединения множества потоков данных. Основным методом уплотнения в североамериканской телекоммуникационной инфраструктуре является система Т1 (линия Т1), термин, введенный компанией АТ&T (American Telephone and Telegraph). Данная технология также известна под названием «канал с основной скоростью передачи» (Basic Rate Interface). В основе системы Т1 лежит мультиплексирование с разделением во времени, позволяющее объединить 24 оцифрованных голосовых канала для передачи по двухпарному кабелю, где одна пара предназначена для передачи, а вторая — для приема данных.

Структура данных, передаваемых по системе Т1, строго регламентирована форматом DS-1 (Digital Signal Level 1). Схематическое представление этого формата приведено на рис. 6.27а. Формат DS-1 организует данные в кадры, или фреймы, каждый из которых состоит из 193 бит. Первый бит в каждом фрейме является служебным и выполняет функцию синхронизации, обозначая его начало. Остальные 192 бита представляют собой чередующиеся восьмиразрядные кодовые слова от всех 24 цифровых каналов, что обеспечивает последовательную передачу информации от каждого абонента.

Рис. 6.27. Методы обозначения границ фреймов добавлением бита и добавлением кодового слова

Скорость передачи в системе Т1 напрямую вытекает из требований к оцифровке голоса. Для точного представления аналогового речевого сигнала в дискретной форме используется теорема Котельникова (Найквиста-Шеннона), согласно которой частота дискретизации должна быть не менее 8 кГц. Это задает временной интервал для одного цикла оцифровки всех каналов, равный 125 микросекунд (мкс). Поскольку за это время необходимо передать полный фрейм из 193 бит, общая скорость передачи данных вычисляется как 193 бита / 125 мкс, что составляет 1.544 мегабита в секунду (Мбит/с). Данная скорость является стандартной для первичного цифрового канала.

Передача служебной информации, такой как управление вызовом, осуществляется в системе Т1 по методу «заема единицы» (bit robbing). В каждом шестом фрейме один наименее значимый бит из каждого из 24 каналов изымается и используется для передачи сигнальных сообщений. В среднем, это обеспечивает использование 4 бит на фрейм для служебных целей, не нарушая при этом общую структуру передачи голосовых данных и сохраняя пропускную способность канала. Этот метод является классическим для ранних цифровых систем связи.

Стандарт Т1 стал фундаментальным для развития цифровой телефонии и передачи данных. Его появление позволило значительно увеличить пропускную способность линий связи по сравнению с аналоговыми системами. Формат DS-1 обеспечивает не только эффективное мультиплексирование, но и надежную синхронизацию между сетевым оборудованием. Благодаря своей надежности и стандартизации, технология долгое время являлась основой для построения корпоративных и магистральных сетей.

Для сравнения, в Европе и многих других странах мира был принят иной стандарт, известный как Е1 (Европейский цифровой иерархический стандарт). Система Е1 объединяет 32 временных слота, из которых 30 используются для передачи голоса или данных, а 2 — для синхронизации и сигнализации. Скорость передачи в канале Е1 составляет 2.048 Мбит/с. Различия между стандартами Т1 и Е1 являются исторически сложившимися и демонстрируют разные подходы к решению одной и той же задачи.

Помимо первичных уровней иерархии, существуют и более высокие скорости, такие как DS-3, который эквивалентен объединению 28 каналов Т1. Это позволяет создавать высокоскоростные магистральные каналы для передачи большого объема трафика. Современные сети часто базируются на технологии SDH (Synchronous Digital Hierarchy) и SONET (Synchronous Optical Networking), которые являются эволюционным развитием идей, заложенных в системах Т1/Е1. Эти технологии обеспечивают более высокие скорости и повышенную надежность за счет синхронного метода передачи.

Таким образом, система Т1 и формат DS-1 представляют собой краеугольный камень в развитии цифровой телефонии. Принципы мультиплексирования с разделением времени, фиксированная структура кадра и метод сигнализации легли в основу многих последующих технологий. Понимание работы этих систем является ключевым для специалистов в области телекоммуникаций, даже несмотря на постепенный переход к полностью IP-ориентированным сетям, где многие принципы получают новое воплощение.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Бигелоу С.Д., Карр Д.Д., Виндер С..

Источник: Энциклопедия телефонной электроники.

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области телекоммуникаций и сетевых технологий, инженерам, изучающим принципы передачи данных, а также всем, кто интересуется историей и эволюцией модемной связи и базовыми сетевыми протоколами.