Pstn

02/02/2009

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Centro de Tecnologías de Información

PROGRAMAS DE ALTA ESPECIALIZACION TECNOLÓGICA

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La señal de voz • La voz es el soporte físico del habla, que junto con la escritura, constituyen las dos formas de comunicación de los seres humanos. Desde el punto de vista fisico se trata de una onda de presión generada cuando la corriente de aire procedente de los pulmones y modulada por los órganos del tracto vocal sale al exterior. • El tracto vocal comienza en la glotis y acaba en los labios

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• La vibracion de las cuerdas vocales la lugar a una onda de voz con contenido espectral muy caracteristico. La banda vocal, es decir, el conjunto de frecuencias que es posible encontrar en la señal de voz, esta comprendida entre los 20 Hz y 20 Khz, y la mayor parte de la informacion que transporta se concentra entre 300Hz y 3400KHz

• Esta ultima porcion es la que se transmite en las redes telefonicas convencionales, y se conoce por ello como ancho de banda telefonico. El resto de frecuencias se elimina, con lo que los equipos pueden ser mas sencillos y se necesitan menos medios de transmision, reduciendo asi su coste, aunque la calidad se ve deteriorada.

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• En cuanto a la naturaleza de la señal de voz se trata de una señal analogica, es decir, continua tanto en tiempo como en amplitud. Por lo tanto, este tipo de señales no puede transmitirse por sistemas digitales , por lo que habra de digitalizarlo. Este cambio de formato implica de un proceso de muestreo, cuantificacion y codificacion.

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Digitalizacion de la señal de voz

Muestreo • El muestreo o discretizacion, de una señal consiste en seleccionar los valores que toma la señal a lo largo del tiempo, unicamente los de ciertos instantes concretos. Estos instantes deben seleccionarse de manera que la perdida de informacion que se supone del muestreo no sea importante

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• La señal de voz x(t), proveniente del aparato telefónico, se pasa en primer lugar por un filtro cuya misión es limitarla en banda. • Este muestreo se lleva a cabo en el bloque siguiente (Sample & Hold), con una frecuencia de muestreo fs que deberá cumplir la condición de Nyquist, Fs=2.BWseñal • Obteniendo una señal discreta en tiempo x(kTs)

• Para el caso del canal telefonico se considera 4Khz como la frecuencia de la señal, por lo tanto el muestreo debe ser de 8000 muestras por segundo, es decir una muestra cada 0.125 ms • Para frecuencias de muestreo menores se produce una dispersion energetica que distorciona la señal resultante.

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Cuantificación • La señal sigue siendo continua en amplitud y es necesario discretizarlo tambien en este dominio. Asignar a cada una de las muestras un valor de los M posibles y mantener este valor hasta el siguiente valor de muestreo (señal en escalones). Este proceso recibe el nombre de cuantificacion

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• El objetivo de la cuantificación es pues, conseguir que la señal quede representada en un numero finito de bits N, con el que podrán representarse 2N-1 valores diferentes. Para cuantificar la señal, se divide su rango dinámico en M niveles de tamaño a, de manera que el valor cuantificado vendrá dado según una cierta distribución.

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Cuantificacion uniforme

• La cuantificación uniforme supone que todas las amplitudes de señal tienen la misma probabilidad, sin embargo este no es el caso de la señal de voz, en la que los valores mas probables son las amplitudes medias. Por ello seria mas conveniente usando mas bits en los que aparecerán con mayor probabilidad.

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• Una cuantificación logarítmica equivale a una compresión de la señal, una cuantificación uniforme de de la señal comprimida y una posterior expansión en el otro extremo, para la que se utiliza la misma ley que se empleo en la transmisión.

Proceso de compresión expansión

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Codificacion de Voz • Una vez que la señal ya presenta un formato digital el paso siguiente es codificarla, es decir adaptarla para que sus caracteristicas sean idoneas a la hora de la transmision por el canal de comunicacion concreto. • Consiste en asignar un codigo binario a cada uno de los valores discretos de la señal (con K bits codifico M=2k valores)

• En entornos telefonicos se una la modulacin por codificacion de pulsos PCM (pulse code modulation) o en castellano MIC (modulacion por impulsos codificados), en la que la voz se presenta por 8 bits, resultando un flujo de 64Kbps que coincide con el canal basico de la RDSI

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• El ancho de bando de un codificador, tambien llamado regimen binario de salida, es funcion de la frecuencia de muestreo (fs) y el numero de bits empleado para codificar la muestra R=N.fs

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• Una manera de reducir el ancho de banda consumido, esto es disminuir el numero de bits empleados en la codificacion. Esto puede hacerse, por ejemplo , codificando la diferencia entre muestras sucesivas (DPCM Differential PCM) o adaptando el tamaño de paso dinamicamente (ADPCM, Adaptive Differential PCM)

El Servicio Telefónico El objetivo de la transmisión de voz es la prestación del servicio telefónico disponible al publico, de manera que usuarios geográficamente distantes puedan hablar entre si, aunque también se pueda prestar el servicio de una manera privada, a un conjunto limitado de usuarios, conectados o no a una red publica, y/o a otras redes privadas.

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• Este servicio esta disponible al publico a través de uno o mas números de un plan nacional o internacional de numeración telefónica, para efectuar y recibir llamadas nacionales e internacionales y tener accesos a los servicios de emergencia, pudiendo incluir servicios adicionales

Estructura de la Red telefonica • Conectar a todos los usuarios con todos los usuarios es, además de muy caro, técnicamente inviable. Si consideramos N abonados, el numero de conexiones (C) para que pueda comunicarse con todos viene dado por: C = Nx(N-1) --------2

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• Supongamos que el numero de usuarios sea 5, para que se puedan comunicar • De donde el numero de conexiones sera? • Y si tenemos 1000 usuarios, harian falta una cantidad de enlaces de?

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• Extendiendo esto a nivel mundial, se concluye que es necesario agrupar a los abonados para reducir el numero de conexiones. Este agrupamiento de conexiones tiene lugar en nodos de conmutación denominados centrales. • Sin embargo el numero de centrales sigue siendo demasiado elevado para conectarlas a todas entre si, por lo que se van conectando en una estructura jerárquica.

• Con esta configuración el número de cables se minimiza pues a cada usuario le llega el número mínimo de conexiones, o sea, una. Sin embargo el ahorro de conexiones tendrá algún precio. • En este sistema aparece un nuevo elemento, la central. Cada vez que dos usuarios quieran mantener una conversación, la central se encargará de unir físicamente los cables de los usuarios, deshaciendo esta unión cuando terminen la conversación.

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• Esta estructura jerárquica comprende centrales primarias ( locales), secundarias, terciarias, cuaternarias, quinarias, etc. Hasta alcanzar un nivel en que las centrales se conectan segun una red mallada, todas con todas. • Esta denominación inicial tiende a simplificarse, conforme las centrales tienen el mismo hardware y lo que las hace diferente es el software que incorporan dando lugar a las centrales de primer nivel, segundo nivel y transito.

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Estructura Jerarquica de la Red Telefonica

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En una red de este tipo, para conectar un abonado de una central con un abonado de una central distinta , es necesario recorrer el árbol jerárquico completo. En algunos casos esto es altamente ineficiente y consume recursos innecesarios. La solución consiste en superponer a la rede jerárquica, una red complementaria en la que existen enlaces directos entre centrales entre las que existe un transito frecuente

• Por lo tanto, será necesario un plan de encaminamiento que indique la ruta optima para enlazar los abonados entre si, ya que hay , al menos, dos caminos disponibles: uno por la rede jerárquica y uno por la red complementaria.

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Centrales de Conmutacion • Una de las funciones básicas de las centrales de conmutación, tanto publicas como privadas, es la interconexión de usuario, también llamado conmutación • Un conmutador en su manera mas simple, es un conjunto de entradas y salidas que se interconectan siguiendo un cierto algoritmo

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• Esta transferencia puede llevarse a cabo tanto entre caminos físicos como entre instantes dentro de un mismo camino físico. En general, un conmutador esta formado por diferentes etapas, cada una de las cuales puede realizar conmutación temporal o espacial. Obviamente la conmutación temporal, implica la utilización de tecnología digital

• En la figura se muestra un ejemplo de conmutación espacial de varias etapas. Las N entradas se conectan con las N salidas a través de uno de los caminos libres • Para reducir la complejidad del conmutador, cada una de las distintas etapas tiene una capacidad menor que los N abonados del conmutador multietapa • En una configuración de este tipo, la conmutación se limita a la selección de uno de los caminos físicos a través de la red de conexión de manera que la señal presente a la entrada del conmutador , aparezca en una de sus salidas

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• La conmutación temporal por el contrario consiste en la transferencia de señales entre la entrada y la salida a través del mismo camino físico pero en instantes de tiempo distinto, y el elemento intercambiador de ello se denomina intercambiador de canales o conmutador temporal

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• Para organizar las señales digitales, los bits se agrupan en tramas, estas a su vez en multitramas, supertramas, supertramas, hypertramas, etc. • Cada trama esta compuesto por una serie de canales que pueden ser de 2 tipos: señalización o control, y datos, la señalización se tratara posteriormente

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• Los canales de datos contienen las muestras de voz pertenecientes a las conversaciones de los usuarios, de manera que cada usuario tiene asignado un canal o intervalo del canal. Cuando se quieren conectar 2 usuarios a traves de un conmutador temporal, estos deben enviar su información en su intervalo de canal y recoger la voz del otro extremo de su intervalo de canal

• Además de la conmutación, las centrales de conmutación debe realizar otras funciones imprescindibles para conseguir un un adecuado servicio telefónico – Selección y conexión: en general existe mas de un camino libre en la red de conexión de las etapas del conmutador, por lo que es necesario, escoger el mas adecuado – Supervisión: Tanto los caminos libres como del estado de la conversación para liberar los recursos en el momento mas adecuado. – Interacción con otras centrales para reservar recursos entre el origen y el destino de la comunicación – Explotación y mantenimiento: funciones de operación, conservación administración y tarifación.

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Señalización • En las redes de conmutación por circuitos, como paso previo al intercambio de información entre extremos, tiene lugar una reserva de los recursos que garantiza que la comunicación pueda cursarse. • Si no hay garantía de que la comunicación se pueda llevar a cabo se aborta el proceso y se avisa al usuario llamante. Los mecanismos a través de los cuales se comprueba que, efectivamente a lo largo del camino entre el origen y el destino existen recursos disponibles reciben el nombre de señalización

PROTOCOLOS DE SEÑALIZACIÓN • Para que sea posible la señalización entre dos extremos son necesarios mecanismos adicionales y ajenos a la propia conversación que se encargue de la gestión de recursos que utilizara la conversación así como de la notificación de los resultados de dicha gestión a los extremos. • Todos estos mecanismos reciben el nombre genérico de señalización

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• Como en cualquier situación en la que interacciona múltiples equipos de comunicaciones existe una imperiosa necesidad de definir una serie de normas y modos de actuación que garanticen que las comunicaciones entre los equipos sea eficientes y eficaces. • El conjunto de normas, procedimientos, recomendaciones, etc. que se encargan de ellos constituye lo que se denomina protocolo de comunicaciones y, en el caso concreto de señalización.

• En general los protocolos de señalización se engloban en dos grandes categorías; – Señalización por canal asociado y – Señalización por canal común

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• En la señalización por canal asociado o CAS (Channel Associated Singnaling) la información de señalización se transmiten por los mismos canales de la información útil (en este caso la intercomunicación entre los interlocutores).uno de los canales que interconectan dos conmutadores se dedica exclusivamente al trasporte de señalización. ejemplos de señalización de este tipo son los protocolos E&M Y la recomendación G.732 de CCITT

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• La señalización por canal asociado es adecuada cuando existen enlaces disponibles entre las centrales de conmutación que desean conectarse. Sin embargo cuando el número de centrales crece se vuelven impracticable por motivos obvios.

• La solución es desplegar una red de señalización independiente y separada d ela red de transporte de tráfico de usuario, dando lugar a la señalización por canal comun CCS (Common Channel signaling. En este caso, la información de señalización viaja por un canal diferente al empleado para el trafico de usuario

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Señalización por canal común

El multiplexado TDM, PCM 30+2 • Ya hemos comentado que en telefonía se toma un ancho de banda para la señal de voz de 4 KHz. Esto nos lleva a una frecuencia de muestreo de 8 KHz para cumplir el criterio de Nyquist. Por otra parte, el cuantificador que se utiliza dispone de un conjunto de 256 niveles distribuidos de forma no uniforme, por lo que se necesitan 8 bits para codificar cada uno de ellos. Con esto, la velocidad de transmisión necesaria para un canal de voz será:

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Sabemos que R=N.fs

R=(8 bits/muestra) x ( 8000 muestras/seg) R=64Kbps

• Es decir, cada Ts segundos nuestro sistema ha de ser capaz de transmitir los 8 bits correspondientes a la codificación de la muestra. Sin embargo, supongamos que somos capaces de enviar estos 8 bits de una forma más rápida, por ejemplo en (Ts/2) segundos. Esto nos llevaría a disponer de otros (Ts/2) segundos durante los cuales no enviaríamos • información al canal. Evidentemente, parece lógico aprovechar este intervalo de tiempo para enviar la codificación de las muestras correspondientes a otro canal de voz. Esta es la idea en la que se basa la multiplexación por división en tiempo (TDM)

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• En particular, el sistema PCM 30+2 multiplexa 30 canales vocales, junto a uno deseñalización y otro de sincronismos, formando una trama como se muestra.

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