apostila pcm - prof. fred sizenando

Sumário

Sumário.....................................................................................................................11. O Modelo da comunicação digital..........................................................................21.1 – Introdução às Centrais Telefônicas Digitais......................................................2

1.1.1 – Motivação.............................................................................................31.1.2– Transição...............................................................................................4

2. Princípio Básico de Sistemas Amostrados..............................................................62.1 Amostragem e modulação..........................................................................62.2 Amostragem no tempo...............................................................................82.3 Filtragem anti-aliasing..............................................................................112.4 TDM – Time Division Multiplex..................................................................14

3. Introdução aos Sistemas PCM – Pulse Code Modulation........................................153.1 Quantização...............................................................................................153.2 Quantização Linear....................................................................................193.3 Quantização Não-linear.............................................................................193.4 Compressão................................................................................................20

3.4.1 Leis de compressão.......................................................................20Lei ........................................................................................21Lei A...........................................................................................21

4. Sistemas PCM........................................................................................................244.1 Codificação................................................................................................244.2 Palavra PCM..............................................................................................254.3 Característicasdo Multiplex TDM-PCM.....................................................264.4 Especificações CCITT para o sistema PCM de 30 + 2 canais.....................28

4.4.1 Canal...........................................................................................284.4.2 Intervalo de tempo de canal (ITC)...............................................284.4.3 Intervalo de tempo de bit (ITB)...................................................294.3.4 Velocidade de transmissão..........................................................294.3.5 Quadro.........................................................................................294.3.6 Multiquadro.................................................................................304.3.7 Sincronismo ou alinhamento do quadro......................................31

4.3.8 Informação de alarme.................................................................334.3.9 Perda de sincronismo de multiquadro.........................................34

5. Transmissão..........................................................................................................365.1 Introdução................................................................................................365.2 Codificação de Linha.................................................................................375.3 Transformação do NRZ para AMI, HDB3..................................................375.4 Regeneração do sinal................................................................................405.5 Circuito de relógio....................................................................................415.6 Representação das fases do sistema PCM em níveis homólogos...............42

Bibliografia..............................................................................................................44

UFRN – Sistemas de Telecomunicações I - 1

1. O Modelo da comunicação digital

A comunicação digital trata da transmissão de informação através desímbolos. Na transmissão analógica a informação é transmitida por um sinalchamado portadora, fazendo com que esta portadora varie proporcionalmentecom o sinal ou a informação que se quer transmitir. Assim, um sistemaanalógico em que a informação é enviada pela variação proporcional daamplitude da portadora recebe o nome de modulação em amplitude, já amodulação em freqüência é aquela em que a informação está contida navariação da freqüência da portadora, o mesmo acontece com a modulação emfase. Esta modulação analógica é apropriada para a transmissão de informaçãoque já se encontre na forma analógica. No entanto, existem muitas fontes deinformação que assumem uma forma digital, isto é, produzem informação emuma forma descontínua e que é melhor descrita por números, daí seu nomedigital. Para que a informação digital possa ser enviada através de um sistemade transmissão é necessário que esta informação seja representada por sinaiselétricos, por exemplo, o valor lógico “1” representado por um pulso de tensão+V e o valor lógico “0” representado por um pulso de tensão -V. Portanto, acomunicação digital corresponde a transmissão de informação digital atravésde símbolos.

Embora a comunicação digital se refira a transmissão de informação quese encontre na forma digital, não significa que apenas informação gerada nestaforma possa se utilizar de um sistema de transmissão digital. Na realidadeexistem várias razões para incentivar a transmissão na forma digital de sinaisque são originalmente produzidos em forma analógica, como voz, áudio e vídeo.

Duas razões se destacam, a primeira sendo a maior imunidade ao ruídoque os sistemas digitais apresentam. Na transmissão de qualquer sinal sempreexiste a adição de interferência produzidas pelo próprio sistema de transmissãoe genericamente designadas como ruído. Portanto, todo o receptor de sinaistrabalha na verdade com sinal e ruído adicionados. No caso de um receptoranalógico, sinal e ruído são tratados de mesma forma já que ambos têm amesma natureza, não havendo meios do receptor distinguir um do outro. Já nocaso de um receptor digital a situação se altera pois embora sinal e ruídotambém sejam adicionados a sua natureza é totalmente distinta, sendo o sinaldigital e o ruído analógico. Isto permitirá que o receptor digital distiga o sinalde informação mesmo quando seja muito distorcido, além de permitir arepetição regenerativa do sinal por ser previamente conhecido. Um exemplodisso seria a transmissão de pulsos retangulares, onde o receptor sabe deantemão que o sinal recebido deve ser um pulso nível alto ou nível baixo. Emuma recepção analógica isto é praticamente impossível.

A segunda razão de incentivo ao emprego da transmissão digital parasinais gerados na forma analógica reside no fato da utilização de técnicascomputacionais executadas por microprocessadores para a recepção etratamento desses sinais. Estas técnicas genericamente denominadas deProcessamento Digital de Sinais viabilizam a implementação de filtragens,cancelamento de interferências, cancelamento de ruídos e outrosprocessamentos por software. Tais métodos viabilizam processamentosinimagináveis com técnicas analógicas.


1.1 – Introdução às Centrais TelefônicasDigitais

1.1.1 - Motivação

Existe uma forte tendência à transformação dos sistemas telefônicos emredes inteiramente digitais, tanto na transmissão como na comutação. Essatransformação teve início quando da introdução, em escala comercial, dossistemas de transmissão PCM (Pulse Code Modulation), abordadosposteriormente, muito comuns hoje em dia. A evolução da tecnologia no campoda computação e dos sistemas digitais propiciou a continuidade dessatransformação através da introdução do processamento de dados no controledas centrais telefônicas, criando-se as denominadas centrais CPA ( Controle porPrograma Armazenado).

Em razão dessa mesma evolução, dispõe-se hoje de técnicas ecomponentes que viabilizam a implementação de centrais telefônicasinteiramente digitais, incluindo-se as redes de comutação, que anteriormenteeram eletromecânicas. Nestas centrais, os sinais de voz, previamentetransformados por codificação em PCM, são manipulados como sinais digitais,sem necessidade de retorno à forma analógica, a não ser nos extremospróximos aos assinantes.

A introdução de centrais digitais em uma rede telefônica propicia, por suavez, não só simplificações e reduções de custo dos equipamentos detransmissão e controle, como também justifica o desenvolvimento decomponentes digitais específicos para telefonia, reforçando assim os fatoresiniciais que justificaram sua introdução.

As principais vantagens da introdução de tecnologia digital em centraistelefônicas podem ser assim classificadas:a) Vantagens técnicas:

• melhor qualidade de transmissão, tanto pelas vantagens já apresentadas detransmissão PCM como pela eliminação de sucessivas conversões A/D(Anógico/Digital) e D/A (Digital/Analógico) nos acessos às centrais analógicasinterligadas interligadas por sistemas PCM;

• maior dificuldade ao interceptar uma conversação e maior facilidade decodificação para ligações sigilosas;

• maior capacidade de sinalização entre centrais através do aproveitamentoadequado dos canais de sinalização dos sistemas PCM (64Kbits/s para PCMde 30 canais);

• menor tempo para o estabelecimento de chamadas, quer pelo acesso maisrápido aos componentes da matriz de comutação, em razão dacompatibilidade entre as tecnologias da matriz e do controle, quer pela maiorfacilidade de determinação de rotas livres na matriz;

• maior facilidade de projeto e implementação de matrizes de comutação degrande capacidade e bloqueio pequeno;

• compatibilidade com os meios de comunicação digital.


b) Vantagens econômicas

• redução de custo dos terminais de acesso à central pela eliminação doscircuitos conversores A/D e unidades de canal, propiciando um aumento dafaixa de distâncias econômicas para transmissão digital;

• redução de peso e espaço ocupado pela matriz de comutação, simplificando aconstrução civil do prédio que aloja a central;

• possibilidade de integração de serviços, que permite a transmissão ecomutação mais eficiente de dados de qualquer natureza;

• simplificação da operação e dos procedimentos de pesquisa e correção defalhas.

Para completar esse quadro, devem ainda ser considarados vantagens todos osbenefícios e as facilidades resultantes da utilização de controle da central porprograma armazenado e do processamento digital de sinais.

1.1.2– Transição

A penetração de técnicas digitais nas redes analógicas ocorreu de formamuito rápida em razão dos investimentos realizados após as privatizações.Entretanto algumas redes telefônicas permanecerão analógicas ainda por umcerto tempo.

Nos anos 70 as centrais telefônicas iniciaram uma evolução de umaconcepção analógica para digital. Esta transformação iniciada no núcleo dascentrais, pela substituição de componentes eletromecânicos por processadoresdigitais estendeu-se a outras áreas periféricas das centrais, dando origem àscentrais digitais CPA (Controle por Programa Armazenado). Em 2002, no Brasil,98 % das centrais eram digitais.

Comentam-se, a seguir, alguns aspectos relativos à digitalização dasredes telefônicas. Naturalmente a transformação descrita é apenas um exemplotípico.

Para efeito da digitalização, as redes telefônicas podem ser subdivididasem três áreas:

a) rede de assinantes;b) rede de troncos locais;c) rede de troncos interurbanos.

a) a rede de assinantes, em razão da grande quantidade de equipamentosenvolvidos, tede a ser a última etapa da digitalização do sistema como um todo.Várias soluções têm sido propostas e estudadas. Na rede de troncosinterurbanos nacionais e internacionais, muito já se tem feito em termos dedesenvolvimento de equipamentos para transmissão digital de alta taxa e osprimeiros problemas de sincronismo começaram a ser solucionados; a escolhade rotas leva em conta o acúmulo de ruído de quantização causado pelasmúltiplas conversões A/D e D/A;

b) as velhas centrais analógicas estão sendo substituídas por novas, digitais, ou


mesmo desmembradas em concentradores remotos de outras centrais. Todas asconexões são inteiramente digitais, de modo que as conversões A/D e D/A sãorealizadas, num primeiro momento, apenas para prover a transmissão. Osequipamentos analógicos devem permanecer, ainda por algum tempo, de formacompetitiva. É nas redes de troncos locais que se dá a parte mais significativada transição dos sistemas analógicos para os digitais.

c) a transformação de uma rede urbana multicanal, em virtude do alto custo dosequipamentos, será mais lenta e gradativa, de forma que o analógico e o digitaldeverão ainda conviver em harmonia por um longo período. A interface entreambos será sempre baseada em sistemas de transmissão e modulação PCM, jápadronizados.

A Figura 1.1 especifica os vários passos da transformação:a) o ponto de partida é uma rede completamente analógica;b) novos troncos instalados deverão ser digitais (PCM). Esse pontocorresponderia às atuais redes telefônicas reais;c) uma nova central instalada deverá ser digital, conectada às analógicasexistentes através de sistamas PCM. As conversões A/D e D/A poderão ser feitasjunto a quaisquer das centrais, e os assinantes serão ligados à nova centraldigital através de concentradores (locais ou remotos) e conversão para PCM;d) uma nova central digital é instalada nos mesmos moldes e surgem osprimeiros enlaces completamente digitais.e) uma central analógica é substituída por uma digital e interliga-se a outrasanalógicas por enlaces digitais. O processo continua até a completadigitalização da rede.

Figura 1.1: A evolução da rede de comunicação.


2. Princípio Básico de Sistemas Amostrados2.1 Amostragem e modulação

É extremamente importante para a compreensão dos sistemas detransmissão digitais enteder de que forma um sinal analógico como a vozhumana é transformado em um sinal digital e trafega pela rede detelecomunicações. A amostragem constitui uma etapa primordial na geração desinais PCM, que é a base para entendermos as hierarquias digitais. O quedevemos levar em mente de todo o desenvolvimento matemático explicado aseguir é o critério de Nyquist. O resultado clássico da teoria da amostragem foiestabelecido em 1933 por Harry Nyquist, que demonstrou que um sinalanalógico pode ser reconstituído desde que tenham sido retiradas amostras emtempos regularmente espaçados. Isso deve-se ao fato de que um sinal analógicoincorpora uma grande quantidade de redundância, sendo portanto,desnecessário transmiti-lo continuamente. Nyquist provou que a freqüênciamínima de amostrage m (fs) é igual a duas vezes a freqüência máxima (W) dosinal a ser transmitido

Neste capítulo estudaremos as características e as propriedades do

processo de amostragem. Este processo, descrito na Figura 2.1 consiste emformar, a partir de um sinal contínuo , uma nova função, chamada

função amostra. Esta função obtém-se a partir da função inicial através de

um processo de amostragem periódico (de período segundos). Noutraspalavras, a função é obtida pelo produto de com a função de

amostragem , que é uma série periódica de impulsos estreitos (em relação

a ). Este processo de multiplicação no domínio do tempo corresponde, como jásabemos a uma convolução no domínio da frequência e que se traduz, naprática, por uma modulação. Dizemos assim que a função modula em

amplitude para formar . A operação inversa consiste no processo de

reconstrução do sinal inicial a partir das amostras da função amostra

. Isto é realizado na Figura 2.1 por um filtro ideal.

Figura 2.1: processo de amostragem e de reconstrução.


Consideremos um sinal , passa-baixo, com uma banda limitada, tendo um

espectro que é nulo fora de uma banda (ver Figura 2.2). Para

efectuar o nosso processo de modulação consideremos, para ilustrar, um sinalsinusoidal de frequência , de tal modo que o sinal modulado é

(2-1.1)

Como sabemos que a representação frequencial de é constituída por

dois Diracs colocados a e , o produto temporal da (2-1.1)

torna-se numa convolução no domínio da frequência e o resultado é que

(2-1.2)

Figura 2.2: espectro do sinal original.

o que se encontra ilustrado na Figura 2.3. Este resultado pode ser generalizadopara o caso em que é uma soma de funções periódicas a frequências

múltiplas de , isto é, . Neste caso o produto de (2-1.1) dá no domínio

da frequência uma repetição do espectro de às frequências harmónicas

.

Figura 2.3: espectro do sinal amostrado.


2.2 Amostragem no tempoA forma que deve ter a função periódica , para realizar uma amostragem

ideal, é dada por uma série periódica de impulsos de Dirac. Noutras palavras,pode-se definir a função de amostragem ideal por

(2-2.1)

que evidentemente tem como espectro

(2-2.2)

onde é a frequência de amostragem. A função amostra é

formada pelo produto da função inicial , de espectro limitado, com a função

. Pode-se portanto escrever

(2-2.3)

e o espectro desta função amostra é evidentemente

(2-2.4)


Figura 2.4: processo de amostragem e reconstituição.


Pode-se ver desta maneira, que o espectro de se encontra a partir do

espectro do sinal inicial, , retardando este de , isto é, valores

múltiplos da frequência de amostragem. Este processo de amostragem éilustrado na Figura 2.4.

Estes resultados foram obtidos considerando o caso particular em que afrequência de amostragem era suficientemente elevada em relação àfrequência máxima do sinal , isto é, . Observando a Figura 2.4

torna-se evidente que, para que não exista sobreposição de dois espectrosconsecutivos, é necessário e suficiente que a frequência de amostragem seja

superior ou igual a , isto é, que

(2-2.5)

Esta condição é absolutamente necessária para poder reconstituir o sinal a

partir de através da filtragem passa-baixo deste último. Neste caso

(2-2.6)

quando . Este processo de reconstituição está também representado

na Figura 2.4. Neste momento podemos estabelecer o teorema fundamental daamostragem ou de Nyquist

Como o sinal analógico é contínuo no tempo e em nível, contém umainfinidade de valores. E como o meio de comunicação tem banda limitada,somos obrigados a transmitir apenas um certa quantidade de amostras destesinal, como enunciado anteriormente no Teorema de Nyquist.

É obvio que quando maior a freqüência de amostragem, mais fácil seráreproduzir o sinal, mas haverá desperdício de banda ocupada sem nenhumamelhoria na qualidade.

O circuito que permite amostrar o sinal é uma simples chave que se fechapor um brevíssimo instante, na cadência da freqüência de amostragem. Porexemplo se a freqüência de amostragem for de 8 kHz, a chave se fecha 8000vezes por segundo, ou seja, a cada 125 micro segundo. Como a chave se fechapor um tempo extremamente curto, teremos na sua saída um sinal em forma depulsos estreitos, com amplitude igual ao valor instantâneo do sinal, chamadospulsos PAM (pulsos modulados em amplitude). No exemplo, a freqüência de8KHz não foi uzada à toa, pois como sabemos, nos sistemas talefônicostransmitimos a voz numa banda limitada de 4 Khz e pelo critério de Nyquistteremos que amostrar esse sinal com uma freqüência duas vezes maior.


A Figura 2.5 ilustra o principio da amostragem :

Figura 2.5: Amostragem e geração dos sinais PAM

2.3 Filtragem anti-aliasing

Como dito anteriormente, a quantidade de amostras por unidade detempo de um sinal, chamada taxa ou freqüência de amostragem, deve sermaior que o dobro da maior freqüência contida no sinal a ser amostrado,para que possa ser reproduzido integralmente sem erro de aliasing. Ametade da freqüência de amostragem é chamada freqüência de Nyquist ecorresponde ao limite máximo de freqüência do sinal que pode ser reproduzido.Como não é possível garantir que o sinal não contenha sinais acima deste limite( distorções, interferências, ruídos, etc...), é necessário filtrar o sinal com umfiltro passa baixo com freqüência de corte igual (ou menor) a freqüência deNyquist, ou filtro anti-aliasing para que esse possa ser recuperado.


O sinal de amostragem (que atua na chave) é constituído de impulsos coma freqüência de amostragem fa, também chamada função amostra. O espectrodeste sinal contem raias de mesmo nível e freqüência múltiplas inteiras de fa,ou seja, 0 Hz (componente continua), fa, 2fa, 3fa, 4fa ... (até o infinito se aduração do impulso for nula...).

O sinal PAM terá portanto estas mesmas raias, porém com as bandaslaterais criadas pela modulação em aplitude, como mostra a Figura 2.6, onde faé maior que o dobro de fmax para que não haja aliasing:

Figura 2.6 Freqüência de amostragem maior que o dobro da frequência do sinal amostrado


A Figura 2.7 mostra o que acontece quando não há filtro anti-aliasing e oespectro do sinal tem freqüência máxima maior que fn :

Figura 2.7 Freqüência de amostragem menor que o dobro da frequência do sinal amostrado

Podemos agora observar como ocorre o efeito de aliasing, que nadamais é do que a superposição dos espectros de cada raia PAM, por falta deespaço. Na restituição do sinal pelo filtro passa baixo com freqüência de cortefn, a parte do espectro original acima de fn (no caso a ponta do triângulo)aparece como se tivesse sido dobrada em torno de fn e invertidaespectralmente, ou seja, freqüências mais altas passam a ser menores. O sinalindesejável de aliasing que aparece na reprodução é uma réplica do sinaloriginal fo, porém com freqüência errada e igual a fa-fo.

Osbserve como a forma de onda do sinal restituído é deformada emrelação ao original.


2.4 TDM – Time Division Multiplex

O TDM é uma técnica para transmissão de várias mensagens por umúnico meio, e consiste na divisão do tempo em canais apropriados. Levando emconta o visto no teorema da amostragem, verifica-se que existem intervalos detempo entre as amostras PAM em que não há sinal nenhum. Pode-se, pois, usaresses intervalos de tempo para transmissão de outros sinais, conforme seevidencia na Figura 2.7

Figura 2.7 – Princípio básico de sistemas TDM

O Princípio básico de sistemas TDM é muito simples. As várias entradasxn(t), todas com freqüências limitadas em fn (4KHz), são seqüencialmenteamostradas por um comutador sincronizado. O comutador completa um ciclo derevolução no tempo Ta, extraindo amostra de cada entrada. Na saída docomutador, tem-se um sinal PAM(Pulse Amplitude Modulation), que consiste emamostras das mensagens individuais, periodicamente entrelaçadas no tempo,conforme mostra a Figura 2.8. Se há n entradas, o espaçamento de amostra aamostra é Ta/n, enquanto o espaçamento entre amostras provenientes demesma entrada é, evidentemente, Ta.

No lado do receptor, uma chave análoga ao comutador, denominadadistribuidor, separa as amostras e s distribui a um banco de filtros passa-baixasque, por sua vez, recupera as mensagens originais. Evidentemente, ocomutador e o distribuidor deverão estar sincronizados para tal.

Em princípio, o número de canais é ilimitado. Os fatores que limitam essenúmero são, por exemplo, energia do sinal demodulado e banda passantenecessária do meio de transmissão.

Sistemas FDM – Frequency Division Multiplex e TDM representamtécnicas duais. Nos sistemas TDM, os sinais são operados no tempo emisturados no domínio da freqüência, enquanto, nos sistemas FDM, os sinaissão separados no domínio das freqüências e misturados no tempo. Do ponto devista teórico, um sistema nã pode ser classificado como inferior em relação aoutro. Do ponto de vista prático, os sistemas TDM apresentam algumasvantagens: são relativamente mais simples e menos vulneráveis a diafonia doque os sistemas FDM.


FPB

FPB

sincronismo

Figura 2.8 – Sinal PAM: amostras das mensagens entrelaçadas no tempo.

3. Introdução aos Sistemas PCM – Pulse CodeModulation

3.1 QuantizaçãoOs sinais PAM vistos até agora variam continuamente em função da

informação, podendo assumir qualquer valor dentro dos limites desta. Se aamostra for pertubada por ruídos, não há meios de, na recepção, demodular-seo valor exato da transmissão.


Considere que a amostra PAM não possa variar continuamente,assumindo apenas alguns valores prefixados. Se a separação entre essesvalores for grande, em comparação com o ruído, no lado receptor será fácildicidir que valor buscava-se transmitir. Dessa forma, efeitos de ruídosrandômicos podem ser virtualmente eliminados. Além do mais (dependendo daexigência do meio), o sinal pode ser, periodicamente, ao longo do meio detransmissão, recuperado e retransmitido livre de ruídos, ou seja, o ruído não écumulativo como nos sistemas analógicos usuais. As amostras quantificadasserão codificadas para a transmissão: este é o sistema PCM básico (Figura 3.1).

Se houver amostras em número finito (q), cada nível poderá serrepresentado por um código digital de extensão finita. A função do codificador égerar um código digital que representa univocamente a amostra quantizada.Seja o número de pulsos em um certo código e o número de valoresdiscretos que cada pulso pode assumir. Existirão combinações diferentesde pulsos com amplitudes possíveis. Na maioria das vezes, =2 ;nesse caso, o número de níveis de quantização é dado por q=2 .

Figura 3.1 – Sistema PCM básico.

De posse do sinal analógico amostrado, em forma de amostras ou pulsosPAM, ainda analógicos, precisamos quantificar (ou quantizar) esta infinidade devalores possíveis em outros que passam ser representados por uma quantidadefinita de bits, para obter um sinal digital. Esta conversão é feita por um circuitochamado conversor analógico-digital A/D ou ADC.

Cada amostra ou pulso PAM é transformada em uma quantidade oupalavra predefinida de bits. Por exemplo, com =8 bits é possível representar 256 valores diferentes (0 a255). Para facilitar a compreensão, vamos supor que os pulsos PAM sãolimitados entre 0 e 255 Volts. Um pulso qualquer pode ter como valor real147,39 V (Figura 3.1), mas terá de ser quantizado como tendo 147 V ou 148 V,pois não é possível representar 147,39 com 8 bits. O valor quantizado (paramais ou para menos) depende dos valores dos níveis de decisão no projeto doADC. Teremos então um erro, no caso de -0,39 V ou +0,61 V respectivamente,chamado erro de quantização . Esta falta ou excesso no valor do sinal provocao surgimento de um sinal aleatório, chamado ruído de quantização.


A Figura 3.2 mostra o aspecto do erro ou ruído de quantização para um sinalsenoidal:

Figura 3.1 – Ruído de quantização.

Se prova matematicamente que a máxima relação sinal/ruído dequantização possível é da ordem de: S/R max = 6n , onde n é o numero de bits.Por ex. 8 bits : S/R de quantização max = 48 dB

16 bits : S/R de quantização max = 96 dB Esta relação só é atingida para um sinal de valor máximo Vmax. Se o sinal V formenor, por ex. 1/10 do máximo, a relação S/N será 100 vezes pior ou 20 dBmenor, e assim por diante. S/R de quantização = 1,76 + 6,02 n - 20 log ( Vmax / V )

Para contornar este novo problema, que faz com que sinais fracos tenhambaixa relação S/Rq, usam-se quantizações não lineares, onde os níveis dequantização não são iguais como na Figura acima, mas são muito pequenospara sinais pequenos e maiores para sinais maiores, provocando o efeito decompressão, como será abordado melhor adiante.

Outro aspecto importante diz respeito a polaridade do sinal. Existemvárias formas de se quantizar valores negativos de tensão. O exemplo seguintemostra o caso para arquivos digitais de sons no formato *.WAV com 8 bits. EmPCM para telefonia, se usa uma notação com sinal-magnitude com 8 bits. Oeixo de tensão não é deslocado como no exemplo a seguir. São quantizados 127valores positivos e 127 valores negativos, ou magnitude do sinal, com 7 bits. O


147,39

148

147

V

VΔ

oitavo bit (o mais significativo) indica a polaridade , 1 = positivo e 0 = negativo.O eixo vertical da Figura 3.2 é graduado no valor das amostras

quantizadas com 8 bits : 0 a 255.

Figura 3.2 – Aspecto de um arquivo de áudio amostrado no formato *.WAV com 8 bits

O eixo de tensão, 0 Volts, é deslocado (off-set) para 128. Podemos assimrepresentar valores negativos de -1 até -128 com 127 até 0 respectivamente,sem necessidade de sinal de polaridade (-). A forma de onda quantizada acima, no formato decimal é : 118,135,130,138,151,165,179,179,182,195,179,144,109,78,51,37,39,62,97,123.

O que representa os seguintes valores quantizados de tensão (em V), supondoDELTAVmáx=255 :

-10,+7,+2,+10,+23,+37,+51,+51,+54,+67,+51,+16,-19,-50,-77,-91,-89,-66,-31,-5 .

Figura 3.3 – PCM 8 bits em formato *.WAV


3.2 Quantização Linear

O processo de quantização, como já foi esclarecido anteriormente,aproxima os valores das amostras do sinal PAM para níveis predeterminados,quando o número de níveis é o mesmo para sinais de intensidade alta ou baixa.Verificamos que se cada degrau de quantização tiver uma amplitude V, oΔmaior erro que pode surgir será igual a V/2, pois o sinal PAM sempre éΔcomparado com o valor médio de cada segmento (nível de decisão).

Figura 3.4 – Quantização linear

3.3 Quantização Não-linear

Na quantização não linear, o número de níveis de quantização éinversamente proporcional ao nível do sinal aplicado, ou seja, temos um maiornúmero de níveis de quantização para amostras com pequenos valores deamplitude e um menor número de níveis de quantização para amostras comgrandes valores de amplitude. No exemplo da Figura 3.5 temos 3 segmentoscom 5 níveis em cada segmento. Os níveis dentro de cada segmento têm omesmo tambanho. Note ainda que o segmento II é o dobro do primeiro e osegmento III é o dobro do segundo.


V - Δ degrau de quantização

V

níveis de decisão

Figura 3.5 – Quantização não-linear – 3 Segmentos(I,II,III) e 5 degraus por segmento

3.4 Compressão

A compressão é a operação que consiste em comprimir as amostras dosinal PAM com o objetivo de melhorar a transmissão. Sabemos que o ruído dequantização independe do nível do sinal, uma vez fixada a máxima excursão dosníveis e o número de níveis de quantização. Neste caso o ruído é constante e arelaçao sinal-ruído dependerá somente do nível do sinal. Mas este sendovariável com o tempo, a relação sinal-ruído será máxima, quando o nível formáximo e mínima quando o nível for mínimo. Para mantermos a relação sinal-ruído o mais constante possível deve-se diminuir os intervalos entre os níveis dequantização onde estão os baixos valores das amostras e aumentarmos estesintervalos quando a amplitude das amostras forem grandes.

3.4.1 Leis de compressão

O grau de não-uniformidade na quantização é conhecido como lei decompressão. Várias curvas de compressão foram estudadas, verificando-se queleis de compressão logarítmica eram mais convenientes. Como os sistemasrecebem tanto sinais positivos quanto sinais negativos, as curvas são simétricase passam pela origem. A parte da curva que se refere a sinais pequenos teminclinação mais acentuada comparada com a quantização linear.


V

V - Δ degrau de quantização

níveis de decisão

II

I

III

a) Lei

O grau de compressão pode variar conforme o valor de , que énormalmente 100 ou 225 (T1-D1, primeiros sistemas americanos e japonês) e = 255 (T2-D2 idem), ilustrados na Figura 3.6

Figura 3.6 – Curva de compressão da lei

b) Lei A

É a lei adotada na Europa, América do Sul (inclusive Brasil), África e emtodas as rotas internacionais. A compressão é linear para pequenos sinais erevertida em logarítmica para sinais grandes.

O valor de A = 87,6 (correspondente à solução da equação A/(1+lnA) = 16, queé o valor da inclinação dos segmentos próximos à origem) é recomendado, peloCCIT, para o sistema primário de 30 canais e é usada na forma segmentada,pois isso leva a grandes vantagens na implementação, como se verá adiante.Quando usada na forma segmentada, a curva contínua é dividida emsegmentos, conforme o gráfico da Figura 3.7. Observa-se, então, que os sinaisde menor amplitude são realçados (inclinação 16 nos segmentos 0 e 1),enquanto os de maior amplitude são comprimidos (inclinação ¼ no segmento7). Dada a colinearidade dos segmentos 0 e 1, tanto para sinais positivos comonegativos, a compressão obtida é, às vezes, denominada de “13 segmentos”.


Figura 3.7 – Curva de compressão da lei A segmentada – ciclo positivo

Características básicas que representam a lei A:

1. Cada segmento tem o mesmo número de níveis de quantização

2. Os intervalos entre níveis dentro de um mesmo segmento devem ser iguais.

3. Os intervalos em todos os segmentos devem ser múltiplos integrais dosintervalos contidos no primeiro segmento, correspondente às menoresamplitudes, ou seja, se o primeiro segmento tiver intervalos iguais a 1/n, onde né o número de níveis de quantização, o segundo segmento deverá ter intervalosiguais a 1/Kn; o terceiro iguais a 1/K'n e assim sucessivamente.


II

III

IV

V

VI

VIISEGMENTO

32 64 128256 512 1024 2048 4096

113112

9796

8081

6465

4849

3233

1617

I

128

1

A Figura 3.8 mostra uma tabela onde estão colocados todos os níveispossíveis, desde 0 até 4096, sendo estes valores unitários normalizados, onde4096 corresponde a uma amplitude máxima de 3,14dBm. Nota-se nesta tabelaque cada segmento e o nível do segmento recebem um certo valor binário, queveremos mais a frente e representará o valor codificado digitalmente do valorda amostra.


Valores das amplitudes das amostras

Figura 3.8 – Níveis de tensão normalizados e seu respetivo código

4. Sistemas PCM

4.1 Codificação

A codificação é a operação que associa um determinado código a cadavalor de pulso PAM após serem quantizados e comprimidos. A necessidade dacodificação dos pulsos PAM vem do fato de que caso estes pulsos fossemtransmitidos diretamente, as amplitudes dos sinais seriam facilmentedistorcidas pelo meio de transmissão, e os circuitos de identificação dosdiversos níveis dos pulsos sem a codificação seriam extremamente complexos,já que teríamos pelo menos cerca de 100 níveis transmitir sinais de voz.

Utilizando o código binário os pulsos são codificados por dois níveis deamplitude possíveis, expresso por 1 ou 0 o que simplifica em muito os circuitosde reconhecimento destes sinais. Basicamente, o processo de codificaçãoconsiste em associar um código binário a cada segmento e a cada nível dosegmento. Conforme mostrado na Figura 3.7 e 3.8 as amostras poderãopertencer a 7 segmentos e cada segmento tem 16 níveis. Para codificarmos os 7segmentos necessitaremos de 3 bits e os níveis ao segmentos são necessários 4bits, ou seja:

Observação: Devido ao segmento I conter 32 níveis (vide Figura 3.7 e3.8), utilizam-se 2 códigos para indicar as amostras na primeira (níveis 1 a 16)e segunda metade (níveis de 17 a 32).


SEGMENTO

IIIIIIIIVVVIVII

CÓDIGOBINÁRIO

000001010011100101110111

NÍVEL DESEGMENTO

12345678910111213141516

CÓDIGOBINÁRIO

0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111

4.2 Palavra PCM

Nos atuais sistemas PCM, o codificador converte as amplitudes dos pulsosPAM num código binário de 8 bits, que já se encontra na forma comprimida.Este código de 8 bits, que é doniminado palavra PCM, apresenta as seguintescaracterísticas:

1 2 3 4 5 6 7 8

Polaridade Segmento Nível do segmento

Bit 1 – Polaridade da amostra:Indica se a amostra encontra-se na metade superior ou inferior da curva

de compressão

Bit 2, 3, 4 – Segmento:Indica qual o segmento (de I a VII) dentro da metade definida pelo

primeiro bit em que se encotra a amostra em questão

Bit 5, 6, 7, 8 – Nível do segmento:Indica qual o nível (de 1 a 16) em que foi quantizada a amostra no

segmento.

É interessante observar que todo o processo da obtenção de sinais PCMocorre no codificador, que combina as operações de amostragem, quantização,compressão e codificação

Exemplos de codificação supondo todas amostras positivas

1. Amostra com valor unitário igual a 362


SEGMENTO 4

POLARIDADE +

NÍVEL 7



4.3 Característicasdo Multiplex TDM-PCM

A característica essencialdo sinal TDM é o intervalo de tempo (time slot)que corresponde à palavra PCM de 8 bits. Ao conjunto de intervalos de tempo,associados a canais diferentes e seguindo umacerte ordem pré-fixada,que serepetem de período a paríodo, dá-se o nom de quadro (Frame).

A Figuras 4.1 e 4.2 mostram a estrutura de multiplexação de um sistemaPCM de N canais


POLARIDADE +

SEGMENTO 7 NÍVEL 13

Time Slot 1 do Quadrol 1

Figura 4.1 – Estrutura de quadros de sinais TDM-PCM

POLARIDADE +

SEGMENTO 7 NÍVEL 13

Pela Figura 4.1 nota-se que a duração de um quadro é definida pelotempo entre dois intervalos de tempo sucessivos, associados ao mesmo canal. Onúmero de intervalos de tempo(time slots) dentro de um quadro defineacapacidadedo sistema TDM, que está diretamente relacionada com a duraçãodos pulsos de amostragem, ou seja, quanto mais estreitos maior a quantidadede intervalos de tempo. Como a largura de banda de um sistema TDM dependedo número de canais e da freqüência de amostragem, ao diminuirmos a largurados pulsos, aumentamos o número de canais, o que implica na nacessidade deum meio de transmissão com faixa mais larga. Deste modo deve haver umcompromisso entre a capacidade do TDM e a faixa do meio de transmissão.

A Figura 4.3 mostra o diagrama de blocos do processo de multiplexação edemultiplexação em sistemas PCM


Figura 4.3 – Diagrama de blocos MUX-DEMUX - PCM

AMOSTRADOR

FILTROS

P.B.

ADC

DAC

1

2

3

N

1

2

3

N

QUADRO

PALAVRAS PCM DOS CANAIS 1, 2, 3... N

Figura 4.2 – Multiplexação no tempo de um sistema PCM de N canais

MUX DEMUX

Da Figura 4.3 pode-se identificar os seguintes blocos:

* Contador:Representa um circuito digital seqüencial que possui N estados

(determinado pelas condições 0 ou 1) representado por um conjunto de flip-flops internos e que excitado por um sinal de relógio (clock) a uma taxa deN*8Khz muda seqüencialmente do estado 0 ao estado N-1.

* Decodificador:Representa um circuito digital combinacional que, excitado pelas saídas

do contador e possuindo N saídas, ativa cada uma delas (colocando unicamenteaquela em nível lógico 1) quando o contador estiver no estado de mesmonúmero.

* MultiplexadorRepresenta um circuito digital combinacional com 1 entrada de dados e N

saídas, controlado pelas saídas do contador.

* Conversor A/D e D/AO conversor A/D é o responsável pela implementação da quantização e a

codificação, enquanto que o conversor D/A é o responsável pela implementaçãoda decodificação.

* Filtro Passa-Baixa (FPB)O filtro é responsável pela reconstituição do sinal analógico.

4.4 Especificações CCITT para o sistema PCM de 30 + 2canais

O sistema primário de 30 + 2 canais é recomendado pelo CCITT eadotado no Brasil através de regulamentação da Telebrás. O sinal de áudio decada canal é filtrado em 3.400 Hz e amostrado a 8Khz. Para a geração dossistemas PCM de 30 + 2 canais (Recomendação G732), as características e asdefinições correspondentes são:

4.4.1 Canal:É um conjunto de recursos técnicos que possibilitam a transmissão da

informação de um ponto para outro, acarretando conseqüentemente o conceitode ligação unidirecional. Conduz um conunto de 8 bits que podem ser relativosà codificação de uma amostra de voz, ou de outras informações, tais como,sincronismo de quadro.

4.4.2 Intervalo de tempo de canal (ITC)Corresponde ao intervalo de tempo dedicado a transmissão das amostras

relativas a um determinado canal.Em cada paríodo de amostragem, tem-se:

T = 1/8000 = 125 µsPara transmitir 32 ITCs, tem-seITC = 125/32 = 3,9 µs


4.4.3 Intervalo de tempo de bit (ITB)È o intervalo de tempo dedicado a transmissão de um bit O ITB

corresponde na verdade a largura do bit.Em cada ITC, tem-se 3,9 µs, logo:

ITB = 3,9µs/8 = 0,4875 µs = 488 ns

4.4.4 Velocidade de transmissãoDefine o número de bits transmitidos na unidade de tempo. Para calcular

essa valocidade, os seguintes parâmetros são considerados:* freqüência de amostragem = 8Khz* número de bits transmitidos durante o ITC = 8 bits* número de ITCs transmitidos durante um intervalo de amostragem = 32

A velocidade de transmissão (taxa de transmissão) é dada por:

8000*8*32 = 2.048.000 bits/s ou então 2,048 Mbits/s

4.4.5 QuadroDefine-se por quadro (frame) o conjunto de todos os canais enviados em

um período de amostragem. Conforme pode ser visto na Figura 4.4, a estruturade um quadro é constituída por 32 canais numerados de 0 a 31. Cada quadropossui 32*8 = 256 bits. Em cada quadro o canal 0 (zero) é utilizadobasicamente para transportar o sincronismo de quadro e o canal 16 paratransportar a informação de sinalização.

Assim, os canais 1 a 15 e 17 a 31 são dedicados para as amostras de voz,totalizando portanto, 30 canais de voz.

O quadro determina a capacidade de transmissão de um enlace.


Figura 4.4 – Estrutura de um quadro

4.4.6 Multiquadro

É a seqüencia de 16 quadros correspondentes a uma varredura completacom as informações de sinalização, sincronismo e alarme dos 32 canais comtempo total igual a:125 µs * 16 = 2ms.

Observa-se que os circuitos telefônicos necessitam transmitir sinalizaçãode linha tais como atendimento, ocupação, etc. É necessário também que oreceptor trabalhe sincronamente com o sinal recebido do transmissor a nível debit.

Para tornar isto possível, duas soluções se apresentam como possíveis:1ª) Adicionar fios separados com o objetivo de enviar informações de

sincronismo e sinalização;2ª) Aproveitar o próprio sinal transmitido com as informações adicionais

de sincronismo e sinalização.A primeira solução estaria contrariando um princípio básico adotado,

quando de introdução da multiplexação que é a economia de meios detransmissão (fios, fibras, etc)

A segunda solução, que é realmente utilizada, permite a extração dessasinformações quando da transmissão do sinal.

A Figura 4.5 mostra como são transmitidas as informações adicionais desincronismo, sinalização e alarmes na estrutura do multiquadro.

No desenho da Figura 4.5 pode-se verificar que o canal 0 (zero), de todosos quadros, é usado para transportar informações, relativas ao sincronismo (oualinhamento) de quadro, além de informações relativas aos alarmes.


Figura 4.5 – Estrutura de um multiquadro

A Figura 4.6 apresenta uma visão dos conteúdos do multiquadro, doquadro e de um canal, com os respectivos intervalos de tempo.

4.4.7 Sincronismo ou alinhamento do quadro

Essa informação é de grande importância, pois através dela garante-seque, na recepção, os canais de voz sejam demultiplexados na seqüencia exata.De acordo com a recomendação G732 do CCITT o alinhamento de quadro éconsiderado perdido, quando três (3) sinais de alinhamento de quadro paresconsecutivos tenham sido incorretamente recebidos. A perda de alinhamentopode acontecer em várias circunstâncias, tais como falhas do sistema(hardware e/ou software) e degradação qualitativa do meio de transmissão. Osincronismo é considerado restaurado quando da recepção de dois (2) quadrospares consecutivos de sincronismo. O tempo de espera para a recuperação dosincronismo é da ordem de 0,5 µs conforme o desenho da Figura 4.7.


Figura 4.6 – Estrutura de um multiquadro/quadro/canal

O sinal de alinhamento de quadro será considerado recuperado quando:* pela primeira vez, no losangulo X (vide fluxograma da Figura 4.8) observar-seo sinal correto de alinhamento de quadro;* for observada a ausência de alinhamento no losango (X+1);* pela segunda vez, no losango (X+2), for observado o sinal correto dealinhamento de quadro.

A falha na ocorrência de uma dessas situações determinará uma novainvestigação a ser iniciada no losango (X+2). O procedimento descrito érepresentado no diagrama de fluxos da Figura 4.8


Figura 4.7 – Tempo de recuperação de sincronismo

Figura 4.8 – Diagramde fluxo – alinhamento de quadro

4.4.8 Informação de alarme

Nos ITCs (Intervalo de tempo de canal) 0 (zero) dos quadros ímpares,encontram-se palavras que podem acaracterizar informações particulares quenormalmente representam sinais de alarmes qo equipamento terminal distante.

Finalmente, pode-se representar a estrutura do canal zero (0) pela Figura4.9 a seguir

Verifica-se também, pela Figura 4.9, que os quadros pares e ímpares sãotambém denominados de A e B, respectivamente.

As providências a serem tomadas em caso de falha no alinhamento dequadro são as seguintes:

No terminal local X:1. acionar alarme local;2. bloquear a comunicação nos canais telefônicos na direção de recepção;3. o bit 3 do intervalo de tempo do canal 0 (zero), dos quadros que não

contenham a informação de alinhamento de quadro, deve ter seu estado 0(zero) mudado para 1 (um) na direção de transmissão de X para Y;

4. indicar ao equipamento de comutação que ocorreu perda dealinhamento de quadro, para que os circuitos sejam removidos do serviço.

No terminal distante Y:Quando for recebido, no terminal remoto Y, o bit 3 do intervalo de tempo

do canal 0 (zero) dos quadros que não contenham o sinal de alinhamento dequadro, o estado 1 (um), indicando perda de alinhamento de quadro no terminalX, os seguintes procedimentos devem ser adotados:

1. acionar alarme local;2. aindicar ao equipamento de comutação que ocorreu perda de

alinhamento de quadro, para que os circuitos sejam removidos do serviço.


Figura 4.9 – Estrutura do canal zero

4.4.9 Perda de sincronismo de multiquadro

Já foi visto anteriormente que o sincronismo de multiquadro é necessárioapenas para a informação de sinalização de canais, servindo para identificar, narecepção, a posição exata dos canais de sinalização. O CCITT recomenda o usodo canal 16 para o sincronismo de multiquadro.

No canal 16 do quadro zero (0), os bits de 1 a 4 formam a palavra desincronismo de multiquadro. O bit número seis (6) do mesmo canal é utilizadopara os alarmes de sincronismo de multiquadro, sendo o mesmo 0 (zero) ou 1(um). Será 0 (zero) quando não houver alarme de multiquadro ou será 1 (um)quando houver alarme de multiquadro a ser transmitido.

Os canais 16 dos quadros de 1 a 15 têm como função transmitir asinformações referentes às sinalizações utilizadas em telefonia tais comoatendimento, discagem, desligamento, etc.

Assim, no canal 16 do quadro 1 os primeiros 4 bits são associados àsinalização do canal 1 e os últimos 4 bits à sinalização do canal 17.

Essa distribuição serve para os demais quadros, de forma a abrangertodos os canais utilizados para voz, ou seja, canal 1 a 15 e 17 a 31, conformemostra a Figura 4.10.

Pode-se verificar ainda que o canal 16 passa a funcionar como um “CanalAssociado aos Canais de Voz” transmitindo a sinalização telefônica, através dosbits 1 e 3 para um canal e 5 e 7 para o outro canal, representandos pelas letrasA e B na Figura 4.10. O CCITT recomenda, ainda, a utilização do canal 16 para“Sinalização por Canal Comum”; neste caso o canal 16 é utilizado paratransmitir informações comuns tais como testes, rotinas, alterações de dados,etc.


Figura 4.10 – Estrutura do canal 16

O canal 16, a partir do quadro 1 a 15, pode ser dividido em 3 partes, conformemostra Figura 4.11 mostrada a seguir.

Assim, conforme é mostrado na Figura 4.11, o bit 8 (oito) é utilizado comocanal comum, transmitindo as informações comuns aos processadores. Pode-severificar pela Figura 4.12 que os bits de número 8 de todos os quadros ímparesformando um byte que serve para escoar pacotes de forma assíncrona.


Figura 4.11 – byte formado pelo 8º bit do canal 16

Basicamente o canal 16 pode ser dividido em 3 partes:

1ª) O quadro 0 (zero) praticamente server para transmitir as informaçõesrelacionadas ao alinhamento do próprio multiquadro.

2ª) Os bits1, 3, 5 e 7 dos quadros 1 ao 15 constituem-se no CanalAssociado aos Canais de Voz, utilizado para transporte de sinalização tais como:discagem, inversão de polaridade, corrente de toque, atendimento,desligamento, etc.

3ª) O oitavo bit do canal 16 dos quadros ímpares, constitui o conjunto de“Sinalização por Canal Comum”, transmitindo as informações entre osprocessadores envolvidos nos extremos da chamada telefônica.

5. Transmissão

5.1 IntroduçãoJá foi visto que as amostras do sinal a ser transmitido têm que ficar

sincronizadas com o temporizador no lado de recepção, possibilitando, nademultiplexação, que o grupo de oito bits seja separado na seqüência correta.No momento da transmissão, o sinal PCM necessita passar por uma importanteetapa antes que possa ser acoplado à linha.

Observa-se, por outro lado, que o sinal processador num sistema PCM,apresenta-se sob código binário na forma NRZ (No Return to Zero), conforme odesenho da Figura 5.1


Figura 4.12 – Utilização dos bits 1 a 8 do canal 16

Figura 5.1 – Código binário na forma NRZ

Verifica-se pela Figura que os pulsos ocupam todo o intervalo de tempode um canal, logo o intervalo de tempo de bit é t = 3,9µs/8 = 488 ns.

O código NRZ, no entanto, não é aconselhável para o envio à linha detransmissão devido a diversos motivos, entre os quais destacamos os seguintes:

* componente de CC introduzida na linha, o que impende o uso detransformadores de acoplamento necessários aos repetidores regenarativos;* alta freqüência de pulsos de mesma amplitude, ocasionando grandeatenuação do sinal de linha;* conteúdo de energia do sinal de linha, relativamente grande, devido aamplitudo dos pulsos ocuparem todo o intervalo de tempo t (Figura 5.1)

5.2 Codificação de Linha

Devido a esses fatos, foram realizadas pesquisas no sentido de se criarcódigos conhecidos também como Códigos de Linha com o objetivo de atenuaresses efeitos. Assim, o estudo foi desenvolvido para obter os seguintesresultados, como conseqüência natural dos motivos anteriores.

1º) não permitir a existência de componentes contínuas, no Código de Linha,pois os transformadores bloqueiam essas componentes;2º) utilizar nas entradas dos regeneradores filtros que possibilitam a atenuaçãodas baixas freqüências;3º) redução da energia dos componentes de alta freqüência.

Uma forma para atender aos objetivos definidos é a conversão do trem depulsos PCM de unipolar para bipolar, eliminando conseqüentemente, acomponente CC, além de colocar a maior parte da energia do sinal PCM àmetade da velocidade de transmissão. O uso do sinal bipolar também possibilitaa redução de energia das componentes de alta freqüência, reduzindo a diafonia.

Observa-se um outro ganho importante, pois o sinal bipolar corresponde auma freqüência maior, incidindo diretamente na transferência do limiteinfererior de CC para uma freqüência mais elevada, tornando o sinal menossuscetível a interferências.

Um dos códigos inicialmente desenvolvido para a transmissão do sinal é oAMI (Alternate Mark Inversion) também conhecido como bipolar.

5.3 Transformação do NRZ para AMI

O código AMI que poderia ser traduzido como Marcas AlternadasInvertidas, apresenta as seguintes etapas:

* Transformação dos pulsos NRZ para RZ (Return to Zero)

Nesse caso os pulsos positivos correspondentes ao valor binário “1”passam a ocupar a metade do tempo do bit. Assim o pulso passa a ter a largurade 488ns/2 = 244 ns.


* Inversão de polaridade dos pulsos aternados

Os pulsos apresentam dois níveis de tensão, positivo e negativo que sãotransmitidos alternativamente. Dessa forma nunca poderão existir dois pulsosconsecutivos de mesma polaridade, conforme ilustra o desenho da Figura 5.2

Pode-se verificar ainda pelo desenho da Figura 5.2 que o sinal bipolarpossui na verdade três estados possíveis:* positivo;* negativo;* zero.

Acontece, no entanto, que se trata efetivamente de um sinal binário, ondeos pulsos positivos e negativos representam “marca” e o zero representaespaço. Por esta razão o sinal é também chamado pseudoternário. Uma dasvantagens do sinal AMI é a possibilidade de eliminação da componente CC,porém possui também algumas desvantagens do ponto de vista desincronização. Pode-se observar que os próprios pulsos PCM são usados parasincronizar os geradores de relógio nos regeneradores. Acontece, porém, que osinal PCM é constitupido por uma seqüêcia aleatória de 1s e 0s, havendo,portanto, a possibilidade de que uma longa sucessão de zeros (0) deixaria osgeradores de relógio sem sincronismo. Para evitar isso, outras formas de sinalou código foram desenvolvidas. Um desses códigos, que tembém érecomendando pelo CCITT (Recomendação G703), é denominado HDB-3 (HIGHDENSITY BIPOLAR – 3).

O código HDB-3 é na verdade uma complementação do código AMI, e tempor finalidade evitar seqüência longa de zeros. Para prevenir contra um grandenúmero de 0s (zeros) na linha, introduz-se um pulso “V” (violação debipolaridade) com sinal igual ao pulso anterior.

As regras de codificação de HDB-3 são as seguintes (acompanhar com a


Figura 5.2 – Passagem do código NRZ

Figura 5.3)* (1) Necessário existir 4 “zeros” consecutivos na linha;* (2) Duas são as possibilidades para a codificação;

- (2.1) Violação anterior “V” foi de sinal oposto ao “1”imediatamente anterior aos quatro “zeros”. Neste caso adiciona-se o pulso deviolação após o terceiro zero, com polaridade igual ao pulso “1” anteriores

- (2.2) Violação anterior “V” foi do mesmo sinal que o “1”imediatamente anterior aos quatro “zeros”. Nesse caso o primeiro intervaloapós o “1” é também um dígito “1” de polaridade oposta ao pulso anterior,denominado de pulso falso. Os dois intervalos seguintes serão zero, seguido deum pulso “V” de mesma polaridade que o pulso falso.

Assim, pode-se concluir que a adição de pulsos de violação e pulsosfalsos, tem como objetivo quebrar a alternância de polaridade no conjunto dequatro zeros e, ao mesmo tempo, manter a componente CC praticamente iguala zero ao longo do trem de pulsos do sinal PCM.

Resumindo:* O 2º e 3º espaços da seqüência serão sempre representados por zeros* O 4º espaço da seqüência será sempre substituído por uma violação (um pulsode mesma polaridade que o último pulso do sinal).* O 1º espaço da seqüência será sempre substituído por uma marca (pulso de


Figura 5.3 – Código HDB3

polaridade oposta ao último pulso presene no sinal) somente quando o pulsoque o precede imediatamente for uma marca de polaridade igual a da últimaviolação ocorrida, ou se constituir uma violação em si, caso contrário serárepresentada por um zero.

O fluxograma da Figura 5.4 mostra simplificadamente os passos quedevem ser tomados quando do aparecimento de quatro zeros consecutivos.

5.4 Regeneração do sinal

Um ponto altamente favorável à transmissão digital frente a analógica é apossibilidade de reconstruir o trem de pulsos transmitidos após o mesmo terpassado por um meio de transmissão dispersivo e ruidoso. O processo dereconstituição é realizado através de repetidores (regeneradores) localizadosao longo da linha, a distâncias previamente determinadas. A distância entreregeneradores depende do tipo de cabo, sendo da ordem de 2 a 3 Km.


1º espaço:Verificar a violação precedente

É de mesmaPolaridade que amarca precedente?

NÃO SIM

Codificar como espaço (Zero)

Codificar como marca B+ ou B- sem violação

2º e 3º espaços codificar como espaços (zeros)

4º espaço codificar como violação V+ ou V-

Figura 5.4 – Fluxograma de codificação de linha HDB3

A Figura 5.5 mostra um diagram em blocos do regenerador.Verifica-se que os pulsos, distorcidos e atenuados devido às perdas da

linha de transmissão, passam após o acoplamento por um circuito equalizador eamplificador com o objetivo de modelar e aumentar o nível do sinal de entrada.O circuito do relógio utiliza pulsos extraídos do sinal de entrada os quais sãoutilizados para definir os tempos de decisão. Mais uma vez pode-se enfatizar oporquê de se utilizar o código HDB-3, visto que o relógio poderia perder osincronismo caso houvesse uma longa seqüêcia de zeros. O circuitoregenerador verifica, nos instantes de decisão, se o sinal de entrada excedeu onível de decisão, para então, fornecer um novo pulso de saída.

5.5 Circuito de relógio

É interessante observar como se processa a extração do sincronismo dorelógio, partindo do sinal da linha, cujo diagrama em blocos é mostrado naFigura 5.6

O sinal vindo do amplificador equalizador é aplicado a um retificador deonda completa, cuja saída apresenta a forma de onda de Figura 5.7B

Esse sinal é então encaminhado a um circuito sintonizado de altíssimo Q,da ordem de 15, centrado na freqüência f = 2048 Khz. A saída do filtro passa-faixa fornece o sinal senoidal na freqüência de sintonia, conforme o sinal daFigura 5.7C. Observe a existência de um circuito tanque que oscila


Figura 5.5 – Diagrama de blocos do regenerador

Figura 5.6 – Circuito de Relógio


Figura 5.7 – Formas de onda do circuito de relógio

naturalmente com uma amplitude que dacai exponencialmente, até que umnovo pulso o estimule novamente. Essa operação é ilustrada na Figura 5.6C'onde evidencia que a distância entre os pulsos não pode ser muito grande. Osinal senoidal é então aplicado a um circuito conversor de onda senoidal emquadrada (Figura 5.7D), cuja saída está ligada a um circuito diferenciador,obtendo-se finalmente o sinal de relógio (Figura 5.7E)

5.6 Representação das fases do sistema PCM em níveishomólogos


Bibliografia

1. Jeszensky, P. J. E., Sistemas Telefônicos, Editora Manole, 2004.

2. Wandel & Golterman., Modulação por Código de Pulsos – Técnicas eInstrumentos de Medições, Editora Latinoamericana, 1981.

3. Apostila Promon – Princípios Básicos de PCM, 1997.

4. Notas de Aula – Sistemas de Telecomunicações I

5. http://paginas.terra.com.br/lazer/py4zbz/

6. http://w3.ualg.pt/~sjesus/aulas/pds/node7.html

7. http://www.eppet.pt/data/linkserv/telei/curso_telei/m1_43.html



UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTESISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES I

PCM – PULSE CODE MODULATION

Departamento de Engenharia Elétrica

apostila pcm - prof. fred sizenando

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