PCM MODULAO POR CDIGO DE PULSO Voz Humana

PCM MODULAÇÃO POR CÓDIGO DE PULSO

Voz Humana • A voz humana é um sinal analógico que possui espectro de aproximadamente 100 Hz à 10 k. Hz. • Para utilização em telefonia limitamos a voz na faixa de 300 Hz à 3, 4 k. Hz. • Um sinal analógico é aquele que pode assumir uma infinidade de valores em um intervalo.

Sinal Analógico A(m. V) T(m. S) Um sinal analógico pode assumir qualquer valor de amplitude em um intervalo possível.

Sinal Digital A(m. V) T(m. S) Um sinal digital só pode assumir alguns valores de amplitude em um intervalo possível.

Transformação de Sinal Analógico em Digital • O sinal analógico à ser transformado em digital deve ter banda passante finita. Espectro da voz humana em telefonia 0, 3 3, 4 Freqüência superior do sinal f(k. Hz)

Transformação de Sinal Analógico em Digital • O sinal é amostrado periodicamente com uma chave síncrona. A(m. V) T(m. S)

Transformação de Sinal Analógico em Digital • O sinal é amostrado periodicamente com uma chave síncrona. A(m. V) As amostras correspondem ao valor instantâneo da onda analógica T(m. S) Observar que o sinal amostrado é analógico ainda

Transformação de Sinal Analógico em Digital • O sinal formado desta operação é conhecido como PAM (Pulse Amplitude Modulation Modulação por Amplitude de Pulso). • Este sinal é discreto, ou seja apenas amostras do sinal original são transmitidas. • Este sinal pode ser convertido no sinal original de novo se passar por um filtro passa baixas.

Transformação de Sinal Analógico em Digital A(m. V) • A principal vantagem deste tipo de modulação advém do fato de que o canal não fica ocupado o tempo todo com o sinal. • Desta forma podemos utilizar o tempo em que um sinal é zero para transmitir informações neste canal de um outro sinal. Espaço sem sinal T(m. S)

Transformação de Sinal Analógico em Digital • Esta é a técnica conhecida como TDM (Time Division Multiplex - Multiplexação por Divisão de Tempo) A(m. V) T(m. S)

Transformação de Sinal Analógico em Digital • O sinal resultante no meio físico é mostrado abaixo. O número de sinais que podem ser multiplexados num canal define a capacidade do canal. A(m. V) T(m. S)

Transformação de Sinal Analógico em Digital • O sinal mostrado anteriormente é totalmente analógico, o que trás os seguintes inconvenientes para transmitir em um canal: – O ruído é bastante severo em modulações baseadas em amplitude. – As distorções de amplitude causadas pelas características físicas do meio de transmissão irrecuperáveis.

Transformação de Sinal Analógico em Digital • A solução está em digitalizarmos o sinal analógico (amostras). • Para tanto devemos converter as amostras em um número binário que a representa. • Esta técnica assim descrita introduz o conceito de ruído de quantização.

Transformação de Sinal Analógico em Digital • A conversão Analógico para Digital utilizase de um elemento conhecido como conversor analógico para digital. Este circuito consiste de um comparador de nível analógico, dependendo do valor de tensão deste sinal uma saída digital é apresentada.

Conversor Analógico para Digital Vcc R R R Vin<=Vcc Comparador Circuito Combinacional Comparador Q 1 Q 2

Conversor Analógico para Digital • Este conversor mostrado no slide anterior é conhecido como linear, porque a curva de conversão possui o mesmo peso para cada nível de conversão. Vout Curva de transferência do circuito Reta que representa a transferência linear Vin

Ruído de Quantização • O processo de conversão analógico para digital faz com que uma amostra com um valor ligeiramente diferente de outra sejam interpretadas como sendo de mesmo valor. Vout Vin

Ruído de Quantização • O nome que se dá à esse erro cometido na hora de quantizar o sinal é conhecido como Ruído de Quantização. • Este ruído introduzido pode ser minimizado aumentando-se o número de níveis de quantização.

Ruído de Quantização • O número de bits aumenta quanto maior for o número de níveis de quantização.

Ruído de Quantização • Para transmitirmos voz de maneira agradável, mantendo uma relação sinal ruído (SNR - Signal to Noise Ratio) baixa precisamos de 6 à 7 bits, porém para manter compatibilidade com os circuitos encontrados no mercado foi adotado 8 bits (256 níveis).

Ruído de Quantização • A forma de quantizar o sinal vista até agora é linear, porém ela é inadequada para sinais de voz de pequena amplitude, fazendo com que tenhamos que ter um peso diferente para cada nível. • Para resolver este problema o ITU definiu uma forma não linear de quantização conhecida como lei A de compressão.

Ruído de Quantização • A lei A de fine uma curva logarítmica de quantização e a sua forma é mostrada abaixo: Vout V 2/V 1=A/(1+log. A) 0<v 1<1/A V 2/V 1=1+(log. A. V 1)/(1+log. A) 1/A<V 1<1 Vin

Ruído de Quantização • Na verdade utilizamos uma aproximação da curva por linearização por partes. • A curva de compressão por lei A linearizada possui 13 segmentos. • O erro cometido com a linearização é desprezível comparado com a facilidade de implementação de hardware que ela acarreta.

Lei A de Quantização Vout A linearização possui 13 segmentos O primeiro semi-segmento possui o dobro do tamanho dos demais Vin Cada segmento possui 16 níveis Existem 6, 5 segmentos positivos e 6, 5 segmentos negativos

Lei A de Quantização • A amostra é transformada em um byte que a representa com o seguinte formato. S X X X N N S é o bit de sinal 0 se (-) e 1 se (+) XXX representam o número de segmento (000) e (001) para o primeiro semi-segmento NNNN representam o nível dentro do segmento

O quadro PCM 30 • A Multiplexação no Domínio do Tempo feita de forma digital, é organizada em uma estrutura chamada Quadro. • Este quadro possui 32 partes individuais, cada uma contendo 1 byte. Cada byte é chamado de Intervalo de Tempo (Time Slot).

O formato do quadro • O quadro PCM 30 é formado por 32 intervalos de tempo, sendo: – 30 utilizados para transportar informações de dados ou voz. (IT 1 à IT 15 e IT 17 à IT 31). – 1 para controlar o alinhamento de quadro, alarme remoto e supervisão. (IT 0). – 1 para transporte de sinalização associada e controle de alinhamento de multiquadro; ou usado para transportar dados. (IT 16).

O formato do quadro 32 Intervalos de Tempo, duração 125 microssegundos 0123456789 111112222233 012345678901 Palavra de alinhamento de quadro nos quadros pares, e palavra de supervisão nos quadros ímpares Palavra de alinhamento de multiquadro no quadro zero, e sinalização associada ao canal nos demais quadros(1 à 15)

Intervalo de tempo 0 • Responsável pelo alinhamento de quadro. • Responsável pela supervisão de alarme remoto. • Responsável por transporte informação de telemetria.

Intervalo de tempo 0 • Intercalam-se nos intervalos de tempo 0 dois tipos de informação: – A palavra de alinhamento de quadro. – A palavra de supervisão. z 0 0 1 1 z 1 alr b 4 b 5 b 6 b 7 b 8 PAQ (palavra de alinhamento de quadro) quadros pares PS (palavra de supervisão) quadros ímpares Z é um bit de uso reservado para autoridade administrativa nacional no Brasil é 1 fixo.

Intervalo de Tempo 0 PAQ z . . . 0 0 1 1 PS 0 1 1 z 1 alr b 4 b 5 b 6 b 7 b 8 3 111112222233 0123456789 0 1 2. . . 1 012345678901 Quadro Par (125 microseg. )

Palavra de Alinhamento de Quadro • A palavra de alinhamento de quadro serve para marcar para o receptor o início da estrutura de quadro. • É constituído por um byte à cada 250 microssegundos. • No Brasil o byte de PAQ é 10011011. O bit Z é fixado em 1.

Alinhamento de Quadro Cenário de Aplicação PAQ PS Quadro 3 Quadro 2 Quadro 1 Quadro 0 Tx O transmissor gera o sinal à ser transmitido para o receptor estruturada em quadros. Rx O receptor procura o alinhamento de quadro para poder demultiplexar as informações recebidas.

Algoritmo de Alinhamento de Quadro No estado Hunt a PAQ é procurada bit à bit Hunt 1 PAQ válida 3 PAQ inválidas seguidas 1 PAQ inválida Presinc 2 PAQ válidas Sinc No estado Sinc quando uma PAQ é encontrada errada geramos um pulso para contagem de taxa de erro

Algoritmo de Alinhamento de Quadro • O estado Hunt ocorre quando ligamos o receptor ou quando perdemos o sincronismo de quadro. • Quando o byte procurado em Hunt coincide com a PAQ vamos para o estado Presinc.

Algoritmo de Alinhamento de Quadro • O estado Presinc é aquele que irá comparar a PAQ com o byte correspondente apontado pelo Hunt. Ou seja 64 Intervalos de tempo depois. • Se não acontecer de ser a PAQ a ocorrência deste padrão foi uma coincidência e voltamos ao estado Hunt. • Se ocorrer a PAQ fazemos mais um teste para aumentarmos a confiabilidade do método.

Algoritmo de Alinhamento de Quadro • No estado Sinc passamos a monitorar a PAQ para dois fins diferentes. – A ocorrência esporádica de uma PAQ errada é usada para contagem de erros e cálculo de taxa de erro. – A ocorrência de 3 PAQs erradas seguidas caracteriza a perda de sincronismo. Que normalmente é causada por slip.

Palavra de Supervisão • Ocorre intercalada com as PAQs (nos quadros ímpares), sempre no Intervalo de Tempo 0. • Sua Função é a de administrar o Alarme Remoto (ALR - bit 3) e Telemetria (bits 4 a 8). z 1 alr b 4 b 5 b 6 b 7 b 8

Palavra de Supervisão • O bit Z é reservado e fixo em 1. • O segundo bit é fixo em 1 para evitar coincidência com a Palavra de Alinhamento de Multiquadro. • O terceiro bit contém o Alarme Remoto (ALR). • Os demais são para Telemetria.

Alarme Remoto Cenário de Utilização Tx Quadro 3 Quadro 2 Quadro 1 Quadro 0 Rx Quadro 0 Quadro 1 Quadro 2 Quadro 3 PS PS PAQ O receptor recebe o aviso de que o sistema distante está indisponível através do bit 3 da PS. PS PS PAQ Rx Tx O receptor não consegue funcionar normalmente devido á falta de sinal, ou perda de alinhamento ou Taxa de erro.

Alarme Remoto • O ALR é codificado assim: – 0 representa alarme – 1 representa funcionamento normal. • Quando um sistema se encontra indisponível, este alarma localmente e avisa o sistema remoto da situação de falha através do ALR.

Alarme Remoto • O sistema que recebe em sua recepção um ALR ativo, alarma localmente para avisar os técnicos e/ou supervisão de que o sistema remoto se encontra indisponível.

Bits de telemetria • Os bits de 4 à 8 (cinco bits) são usados para telemetria, ou seja são usados para transportar dados que podem ser desde alarmes de estação (porta aberta, ar condicionado, baterias, etc. . . ) até um canal de comunicação de dados de baixa velocidade (até 20 kbps).

Bits de telemetria Cenário de Utilização Porta Aberta Ar Condicionado b 4 b 5 PCM 30 b 6 Baterias Os alarmes captados da estação são concentrados e multiplexados com o feixe PCM 30 na PS nos bits b 4 à b 8.

Intervalo de Tempo 16 • Usado para levar a informação relativa à sinalização associada ao canal de voz. • A sinalização aqui em questão é a dos juntores das centrais. E&M Contínuo ou Pulsado ou R 2 Digital. • Sinalização de Assinante (LGS e LGE), não são contempladas na G. 703. • Quando não houver sinalização associada, ou só houver dados, o IT 16 pode ser usado para comunicação como canal normal.

Intervalo de Tempo 16 32 Intervalos de Tempo, duração 125 microssegundos 0123456789 111112222233 012345678901 Palavra de alinhamento de multiquadro no quadro zero, e sinalização associada ao canal nos demais quadros(1 à 15)

Sinalização • Antes de estudar o IT 16, vamos estudar um básico de sinalização. • A sinalização da qual nos referimos é entre as centrais telefônicas (E&M ou R 2 digital).

Sinalização • A sinalização é classificada como associada e não associada. Linha Tronco Central Enlace de Sinalização A sinalização é dita associada quando o enlace de sinalização e os circuitos de voz percorrem o mesmo caminho físico. Linha Tronco Central Enlace de Sinalização 1 Enlace de Sinalização 2 Central A sinalização é dita não associada quando o enlace de sinalização e os circuitos de voz percorrem caminhos físicos distintos. Enlace de Sinalização 3

Sinalização • A sinalização pode ser na banda e fora de banda. Voz Central A sinalização é na banda quando ela ocupa recursos que serão usados mais tarde para transporte da informação. Sinalização A sinalização é fora da banda quando ela ocupa recursos exclusivos para si, e não há mistura de sinalização e informação.

Sinalização • A norma G. 703 contempla para o IT 16 a transmissão de sinalização associada. • Quando a sinalização for não associada (Canal Comum), a sinalização é transparente ao Mux, que não interage com ela.

Sinalização E&M • É a sinalização que define a função dos fios E (Ear) e M (Mouth). Juntor de saída Voz a 2 ou 4 fios M E E M Juntor de entrada

Juntor • É usado na interligação de Centrais Telefônicas Analógicas. • Pode ser de entrada (destinatário de chamadas), de saída (origem das chamadas), ou bidirecionais (podem originar ou receber chamadas). • Pelo exemplo vemos que sempre temos um Juntor de Saída fisicamente ligado à um Juntor de Entrada.

Juntor • Se a parte de voz for com híbridas então o juntor é dito à 2 fios. • Se a parte de voz for com Tx independente de Rx temos um juntor à 4 fios. Juntor à 2 fios Juntor à 4 fios Tx Voz Juntor Sinalização Rx Voz Sinalização

E&M • 1. Assinante A passa o número de B para a Central A Assinante A js Central B M E E M je Assinante B

E&M • 2. A Central A procura um juntor de saída livre que se ligue à Central B, observando se a linha E = 0 V. Central A Assinante A js Central B M E E deve estar em 0 V, o que garante que este juntor está livre na Central destino. E je Assinante B M M deve estar em 0 V, o que garante que este juntor está livre e em operação normal.

E&M • 3. O juntor de saída livre é tomado, colocando M=0 na Central A Assinante A js Central B M E M é colocado em -48 V, significando a tomada do juntor que estava livre, pela Central A. E je Assinante B M E fica em baixa tensão, o que significa que a Central A deseja uma conexão por este juntor com a Central B.

E&M • 4. Se a Central B aceitar esta conexão então o fio E do JE é baixado para -48 V. Central A Assinante A js Central B M E E fica em baixa tensão, o que significa que a Central B aceitou a conexão solicitada pelo JS. E je Assinante B M M é colocado em -48 V, significando o aceite da conexão pedida pela Central A.

E&M • 5. Passamos o número de B e outras informações complementares usando tons MFC. Central A Assinante A B js M E E je M É passada informação relevante para que a Central B possa completar a chamada originada em A. Assinante B

E&M • 6. O assinante B é chamado. Central A Assinante A js Central B M E E M je Assinante B

E&M • 7. Quando B atende M do JE é colocado em 0 V. Isto faz com que a central A libere os circuitos de Voz. Central A Assinante A js Central B M E E M je Assinante B

E&M • 8. Se A desligar primeiro M do JS vai à 48 V e a desconexão é imediata. Central A Assinante A js Central B M E E M je Assinante B

E&M • 9. Se B desligar primeiro M do JE vai à 48 V e a desconexão é temporizada ( aprox. 90 s). Central A Assinante A B js M E E M je Assinante B

Intervalo de Tempo 16 • Vimos a teoria básica de sinalização associada. • Para carregar esta informação foi criado um método usando o IT 16. • O IT 16 no caso de transportar sinalização associada possui a seguinte descrição.

Intervalo de Tempo 16 PAM - Palavra de Alinhamento de Multiquadro 0 0 1 alr 1 Sinalização associada ao canal de voz 1 rn ln rn+8 0 rn+16 ln+16 rn+23 0 . . . Seqüência de 16 quadros PCM 30 marcado os IT 16

Intervalo de Tempo 16 • Para compreender a figura anterior devemos definir algumas coisas. – A sinalização é levada junto com o quadro mas não toda de uma vez, mas 2 canais (n e n+16) ou 4 canais (n, n+8, n+16 e n+23) de cada vez. – Na menor velocidade (decidida por programação) precisamos de 15 IT 16 (ou 15 quadros) para levar a informação de todos os canais.

Intervalo de Tempo 16 • Além da informação de sinalização (que é estruturada sobre o IT 16), precisamos de um sincronismo à nível de Multiquadro (ou seja, sincronismo de onde começa a informação estruturada de sinalização sobre o IT 16).

Intervalo de Tempo 16 • Assim temos dois tipos de informação sobre o IT 16: – Palavra de alinhamento de Multiquadro (no quadro numerado como 0). – Sinalização associada aos canais (nos quadros de 1 à 16).

Palavra de Alinhamento de Multiquadro 0 0 1 alr 1 1 • Os quatro bits 0 iniciais são a PAM • Os quatro bits finais são para convergência da PAM e o bit 6 para Alarme Remoto de Perda de Alinhamento de Multiquadro Ocorre no quadro marcado como 0 Seqüência de 16 quadros PCM 30 marcado os IT 16, formando um Multiquadro

Palavra de Alinhamento de Multiquadro • Observa-se que apenas os quatro bits iniciais do IT 16 do quadro 0 são considerados PAM. • O processo de alinhamento é similar ao processo da PAQ. • O Alarme Remoto se processa do mesmo modo do Alarme Remoto do IT 0, só que para Perda de Alinhamento de Multiquadro.

Sinalização Associada • Os bits 2 e 6 carregam a sinalização por uma via lenta (2 canais de cada vez). • Os bits 1, 3, 5 e 7 carregam a sinalização por uma via rápida (4 canais de cada vez). Sinalização associada ao canal de voz rn ln rn+8 0 rn+16 ln+16 rn+23 0 . . . Ocorre nos quadros de 1 à 16 Seqüência de 16 quadros PCM 30 marcado os IT 16

Sinalização Associada Sinalização associada descrita em todos os IT 16 (de 1 à 16) do Multiquadro r 1 r 2 r 3 r 4 r 5 r 6 r 7 r 8 r 9 r 10 r 11 r 12 r 13 r 14 r 15 l 1 l 2 l 3 l 4 l 5 l 6 l 7 l 8 l 9 l 10 l 11 l 12 l 13 l 14 l 15 r 8 r 9 r 10 r 11 r 12 r 13 r 14 r 15 r 16 r 17 r 18 r 19 r 20 r 21 r 22 0 0 0 0 r 16 r 17 r 18 r 19 r 20 r 21 r 22 r 23 r 24 r 25 r 26 r 27 r 28 r 29 r 30 l 16 l 17 l 18 l 19 l 20 l 21 l 22 l 23 l 24 l 25 l 26 l 27 l 28 l 29 l 30 r 23 r 24 r 25 r 26 r 27 r 28 r 29 r 30 r 1 r 2 r 3 r 4 r 5 r 6 r 7 0 0 0 0

Sinalização Associada • Os bits de sinalização são amostras da sinalização relativa ao fio M do juntor que serão recompostas no destino. • O tempo de Multiquadro é de 2 ms (16 x 125 microseg. ). • O tempo de atraso de sinalização será dependente se usamos a via rápida bits r (1 ms), ou via lenta bits l (2 ms).