Telefonia 2

San Diego, Agosto del 2009 Telefonía Digital Prof. Alberto Oliveira Integrantes Moreno María Bravo Javier Salvatierra Carlos González Miguel

Las ventajas de la telefonía digital están muy ligadas a la forma de transmisión de las señales digitales así como la velocidad de conmutación en las compuertas analógicas, entre sus ventajas importantes tenemos las siguientes: 1. Facilidad de multiplexacion: En la telefonía digital la multiplexacion

esta presente en dos casos asincrónicos (cuando los bit son emitidos en forma no periódica) y sincrónicos (emitidos periódicamente). La multiplexacion es realizada en los canales de datos y digitalización de documentos, en la red digital los datos son multiplexados en un canal de 64Kb/s. Existen dos tipos de multiplexacion muy aplicadas en comunicación entre oficinas y télex que utilizan sistemas de portadora, las cuales son: Multiplexacion por división de tiempo o (TDM): Esta permite multiplicar 2 veces la capacidad del canal telefónico para llevar canales télex, dando como resultado 46 canales télex con una velocidad de 2400b/seg en un canal telefónico permitiendo una reducción del costo de pares multiplex en el canal de transmisión. Multiplexacion por división de frecuencia (FDM de señales analógicas): Este sistema es muy utilizado para reducir el costo de cables, pero sin embargo los equipos (FDM) son muchos más costosos que los (TDM) aun cuando se incluyen el costo de digitalización. La FDM permite ingresar 24 canales télex en un canal telefónico en una banda de (300Hz- 3400Hz), una vez que todas las portadoras son distribuidas cada canal es modulada en FM, para que luego las señales analógicas sean digitalizadas.

2. Facilidad de señalización: El proceso de señalización tiene una ventaja que

permite insertar códigos de control en los canales de mensajes y en el extremo receptor colocar un equipo que decodifique las señales de control, permitiendo así en cualquier sistemas de transmisión no distinguir la información de control con la información de los mensajes. Los sistemas de transmisión requieren de un buen sistema de señalización y control a pesar que presentan dificultad debido a los diferentes formatos de señales de control para redes análogas. Donde esos formatos de control dependen tanto del transmisor como del receptor es por eso que en algunas interfaces la información de control es convertido de un formato en otro, por lo que el proceso de señalización requiere un costo significativo de operación.

Para solucionar estos problemas la señales de control son enviadas por un canal común, lo que reduce los problemas de troncales de líneas telefónicas en oficinas, sin embargo para suscriptores individuales la señalización se envía junto con el mensaje y para inconvenientes se utilizas las líneas digitales DSL reduciendo sus costos en comparación de líneas análogas. Los sistemas digitales permiten así que las señales de control sean insertadas y extraída de los mensajes enviados, sin importar el medio de transmisión.

3. Regeneración de la señal: En los procesos de telefonía digital, la voz es

representada por una señal analógica donde es convertida en formato digital, la señal análoga se segmenta en una secuencia de valores de muestras discretas. En el lado del receptor se encargan de ordenar los valores que fueron transmitidos, debido a que todo un mensaje se convierte en una secuencia de bits. Al momento de digitalización de la señal esta presenta ruido, imperfecciones o distorsión, entonces los datos binarios que aparezca producto de esta alteraciones se solapara con las muestras del mensaje y la secuencia que aparece en el transmisor será la misma que en el receptor. Aunque existan imperfecciones en la transmisión, la información no se altera, siempre y cuando estas imperfecciones no causen cambios grandes en la señal ya que produciría errores y los datos obtenidos en el receptor no serán los datos originales. Una ventaja que tienen los sistemas digitales es que la probabilidad transmisión de errores, se pueden disminuir insertando repetidores regenerativos en puntos intermedios de enlace. Permitiendo la regeneración de la señal detectar la degradación y corregirlas antes que estas señales lleguen a su destino, reduciendo la tasa de errores en un enlace.

4. Facilidad de encriptación: En los usuarios telefónicos la encriptación de voz no es

muy utilizada, aunque para la integridad de los mensajes si es muy útil. debido a que una cadena de bits de una señal digital es mezclada o separa requieren de una gran cantidad de métodos de encriptación que depende del tipo de señal digital.

La encriptación de datos es un servicio adicional de los sistemas celulares, el proceso de encriptación en las señale analógicas son mucho mas difíciles de encriptar y no llegan al grado de seguridad que la voz digital encriptada. Las herramientas de encriptación utilizan operaciones matemáticas complejas para intercambiar información confidencial entre dos personas a través de una red

insegura. Debido a que en la red no tenemos conocimientos ni control del camino que siguen nuestros datos para llegar a su destino, por lo que es posible interceptar una comunicación escuchar o alterar.

Procesamiento de Señales Digitales (DSP). En síntesis, el procesamiento digital de señal (DSP) es la transformación de una señal en digital para ser introducidas al hardware a través de un software específico que puede o no manejar lenguajes, tanto de alto como de bajo nivel. Por eso DSP, se refiere al procesamiento electrónico de señales, mediante la utilización de técnicas matemáticas para realizar transformaciones; eso es en la teoría, pero en la práctica, los datos digitales pueden volverse atrás como señales analógicas, con calidad mejorada. Por ejemplo: se puede filtrar ruido de una señal, remover interferencias, amplificar y/o suprimir frecuencias, encriptar información, ó analizar una corriente compleja en sus componentes esenciales. Las ventajas principales del procesamiento de señales digitales son: Reproducibilidad: Se trata de la calidad al momento de producir los dispositivos, debido a que estos no sufren tanto el efecto del envejecimiento y tienen la ventaja que son inmunes a pequeñas imperfecciones y elementos parásitos. Programabilidad: Se trata de que por ser digitales se pueden programar, esto implica que un mismo circuito puede ser usado para diferentes aplicaciones solo cambiando su algoritmo Tiempo Compartido: Básicamente se refiere a los diferentes usos que se le pueden dar a un mismo dispositivo de manera simultánea en un mismo ciclo, porque almacena datos temporalmente y procesa cada señal Prueba Automática: Ofrecen la ventaja de que se pueden comparar valores en diferentes procesos en un mismo dispositivo porque se cotejan con los resultados que se van obteniendo, con los datos almacenados en la memoria; gracias a que las entradas y las salidas de las señales son convertidas a datos digitales (bits).

Versatilidad: Por su condición de digital, permite realizar operaciones y funciones que resultarían imposibles de procesar en el mundo analógico Canceladores de Eco: Principalmente en los circuitos full dúplex, a larga distancia entre sus nodos, se produce eco, lo que puede suprimirse con un cancelador DSP, que poseen un costo bastante económico Receptores de Tono: Debido a que pueden convertir la señal análoga a digital, puede detectar varias funciones de tono a un bajo costo. Inclusive se puede programar para que realice una función específica para cada tipo de señal. Módems de alta velocidad: Una de las utilidades que tienen los módems es trabajar en la modulación de la voz para las redes telefónicas conmutadas debido a la baja tasa de error por bit. Esto se lleva a cabo atreves de técnicas de modulación y el acondicionamiento de la señal para ser trasmitida, y esto se lleva a cabo por la utilización principalmente de los circuitos DSP. Codificación de voz con tasa de bajo bit: Para poder desarrollar la codificación de voz por tasa de bajo de bit, es necesario realizar un extenso proceso con algoritmos y poder eliminar las muestras redundantes para poder digitalizar la voz. Este proceso se lleva a cabo atravesé de la tecnología DSP. Incremento del Ancho de Banda: El incremento del ancho de banda ocurre cuando las muestras son convertidas a un código binario, y estas son transmitidas con un pulso individual para cada bit del código. Existen algoritmos sofisticados que no pueden proveer una calidad de voz comparable sin al menos de una a dos veces el ancho de banda del canal. El incremento del ancho de banda en los lazos locales de una red analógica, no representa mayor inconveniente ya que el ancho de banda propio es sub-utilizado. Una de los principales aspectos de los sistemas de radio digital, es la habilidad de recuperarse de los altos niveles de ruido y de interferencia; puesto que provee compensación para los requerimientos de ancho de banda. El precio de ancho de banda a pagar por la digitalización de la voz, depende del método de codificación de transmisión o la modulación usada. Con un buen equipo de modulación/demodulación la eficiencia aumentaría, con respecto a la tasa de bits, dado un ancho de banda determinado. Esencialmente, la eficiencia en la transmisión aumentará, incrementando el número de niveles en las líneas de código. Necesidad por tiempo de sincronización

Cuando se transmite información desde lugares remotos es necesario mantener una referencia para la transferencia de control, esta referencia puede ser un reloj que indique cuando entra una muestra de una señal y q muestra fue transmitida. Este reloj debe sincronizarse a los pulsos que son recibidos. El tiempo óptimo de la muestra usualmente corresponde a la mitad de los pulsos transmitidos. Los problemas de sincronización aumentan de una forma sutil, cuando existe un gran número de enlaces y conmutadores interconectados entre si a la transmisión digital. Para solucionar esto, no solo los elementos individuales deben mantener una sincronización interna sino que deben establecerse los procedimientos de sincronización en la red, antes que los subsistemas individuales operen entre sí apropiadamente. La necesidad de sincronización también es de los sistemas de transmisión FDM de banda lateral única, que requieren una portadora que se usa como referencia en las redes análogas.

Sistemas de transmisión digital En la actualidad existen distintos tipos de algoritmos para la digitalización de voz. Las técnicas utilizadas dependen del sistema que se va ha utilizar, el cual debe tener un equilibrio entre calidad de voz y velocidad; además de mantener cierto grado de inmunidad al ruido, interferencias o alteraciones que se puedan presentar en el medio de transmisión. Las redes digitales, están conformadas por circuitos codificadores/decodificadores (llamados Codecs, por su abreviatura en inglés) los cuales se aplican para la conmutación y transmisión de los datos. Para aplicaciones donde la transmisión se hace sobre un ancho de banda limitado, se requiere algoritmos de digitalización de voz más sofisticados, para lograr enviar la mayor cantidad de datos con la menor tasa de error sin saturar el canal. En cambio para sistemas de almacenaje de voz como avisos o mensajes, con voz digitalizada, se requieren algoritmos de digitalización no tan sofisticados, los cuales tienen una baja tasa de bits, sin sacrificar calidad de reproducción. El almacenaje de la voz o mensajes se pueden guardar en una memoria o dispositivos como Discos Compactos, donde los datos pueden ser accesados aleatoriamente; y junto a los algoritmos de compresión de datos, se pueden almacenar grandes volúmenes de información en pequeños espacios de memoria. La eficiencia de la voz digitalizada al momento de la reproducción es alta y fiel a los datos que fueron grabados. Esto se debe a que las técnicas de transmisión digital son inmunes a los factores externos del canal y mantienen un estricto control de error. Mientras más alta es la tasa de bits, más elevada es la calidad de los datos, una de las principales ventajas de la transmisión digital es la eficiencia en la grabación de voz y música; manteniendo la fidelidad indefinidamente al copiar una y otra vez la información almacenada (regeneración), antes del deterioro inevitable producto de los errores de bits.

Por lo tanto, los beneficios que se pueden obtener gracias a la digitalización de la voz y sistemas de transmisión digital, dependen de las técnicas empleadas para la codificación de las señales analógicas según la aplicación requerida. Por ende, las técnicas de digitalización de la voz se pueden clasificar dentro de dos grandes grupos: El primer grupo son aquellos cuya codificación digital de las formas de ondas analógicas son tan fielmente como sea posible, y el segundo grupo son aquellos que procesan las formas de onda, codificándolas solo parcialmente, tomando en cuenta solo los aspectos más significativos de la señal. Existen tres técnicas que son las más comunes para codificar las formas de onda de la voz, las cuales son Modulación por Codificación de Pulso o PCM, Modulación por Codificación de Pulso Diferencial o DPCM y Modulación Delta o DM. Si no hay casos especiales, los equipos telefónicos se diseñan usando alguna de las técnicas anteriores.

PAM (Modulación por amplitud de pulso) Una de las teorías que permite la modulación por pulsos de una forma de onda analógica es el criterio de Nyquist. Si se tiene una señal de banda limitada, la cual no tiene componentes espectrales de frecuencia superior a fm Hz, ésta queda completamente especificada, mediante intervalos uniformemente espaciados de 1/2fm segundos; donde T = 1/2fm es el intervalo de Nyquist. En lugar de transmitir la señal completa (en forma continua), se transmite en un número finito de instantes, 2fm por segundo. De esta manera, se puede muestrear la señal a través de pulsos y de esta forma transmitirla. Para asegurar que se puede recuperar la señal original a partir de las muestras, debe cumplirse el intervalo de Nyquist, el cual dice que T ≤1/2fm. El tren de pulsos p(t) son pulsos rectangulares periódicos de ancho τdondeτ, es lo más angosto posible, para tratar de alcanzar un muestreo ideal. El método con lo cual es posible la técnica PAM, es que las funciones f(t) y p(t) son multiplicadas en el tiempo. Este procedimiento equivale en la frecuencia a la convolución de las funciones F(w) y P(w), lo que da como resultado la función Fs(w) donde el espectro de F(w) está desplazada cada 2nfm, cuya amplitud esta dada por la función Sa(w). La señal Fs(w) a partir de la cual se recuperará la señal original no debe tener solapamiento, es decir, el espectro de F(w) que se traslada cada 2nfm en el eje de la frecuencia, no deben sobreponerse uno sobre otro, puesto que si esto ocurre, al aplicarse el filtro lo que se va a recuperar no será la señal original. Modulación por codificación de pulsos o (PCM)

Es un tipo de conversión de señales analógicas a digital, en la cual la muestras de información de la señal analógica es representada en palabras digitales, es decir en una serie de bits. Esta técnica es una extensión de a modulación por amplitud de pulso donde cada uno de los valores muestrados es cuantizado a un valor discreto para ser representado como una palabra digital, por lo cual un sistema PAM puede ser convertido a PCM a través de unos convertidores (A/D) O (D/A) al principio y al final del sistema.

El sistema PCM debido a que tienes muchas aplicaciones, tiende a tener ventajas entre las cuales tenemos las siguientes: •

Para construir un sistema PCM, se puede utilizar circuitería de bajo costo

•

Las señales PCM que son el producto de señales (voz, video, entre otros), Estas señales de datos pueden ser transmitidos en un sistema de comunicación de alta velocidad y de esta manera aprovechar el ancho de banda del medio de transmisión.

•

Cuando el sistemas de comunicación presente repetidores, en el caso el caso de telefonía digital de larga distancia se puede generar una señal PCM limpia a la salida cuando en la entrada hay una señal PCM ruidosa, y de esta manera minimizar los errores bits.

•

El rendimiento de ruido de los sistemas digitales suele ser superior al de los sistemas analógicos.

Los sistemas PCM codificación.

se generan por 3 pasos, los cuales son: muestreo, cuantizacion,

1. Generar una señal PAM de cresta plana. 2. Donde se utiliza un cuantizador uniforme donde todos los escalones son de igual tamaño con un numero finitos de niveles, los cuales reproducen con o mas o menos los valores de las muestra analógicas. Si la señal de salida presenta errores, estos pueden minimizarse estableciendo un gran número de pequeños intervalos cuantizacion, el cual consiste en diferencia la señal

analógica a la entrada del muestrado ya la salida del cuantizador. Un ejemplo de ellos se muestra en la figura siguiente

3. La codificación se realiza cuando la señal PAM

cuantizada entra al codificador, el cual se le asigna a cada nivel de señal una palabra digital la cual posee el numero de bits asignado por los niveles de cuantizacion ( . una forma de representar cada nivel cuantizado es a través del código Gray ya que experimenta solo un cambio de bit por cada cambio de escalón, lo que reduce el error de bits.

Se puede ilustrar los 3 pasos básicos para obtener de una señal PCM:

Códigos en línea En telecomunicaciones, un código en línea (modulación en banda base) es un código elegido para el uso en un sistema de comunicación para propósitos de transmisión. Los códigos en línea se usan principalmente para la trasmisión de datos y representan la señal digital transportada en su amplitud respecto al tiempo. Surgen ante la necesidad de trasmitir señales digitales a través de diversos medios de transmisión. Una señal digital es una secuencia de pulsos de tensión discretos y discontinuos, donde cada pulso es un elemento de la señal. Los datos binarios se transmiten codificando cada bit de datos en cada elemento de señal. Si todos los elementos de señal tienen el mismo signo algebraico, es decir si son todos positivos o todos negativos, la señal se dice unipolar. En una señal polar, por el contrario, un estado lógico se representará mediante un nivel positivo de tensión y el otro, mediante un nivel negativo. La razón de datos de una señal es la velocidad de transmisión, expresada en bits por segundo, a la que se transmiten los datos. La duración o longitud de un bit se define como el tiempo empleado en el transmisor para emitir un bit; para una razón de datos R, la duración de un bit es 1/R. La razón de modulación, por el contrario, es la velocidad o razón con la que cambia el nivel de la señal, que dependerá del esquema de codificación elegido. Los códigos de línea fueron desarrollados para mejorar las prestaciones de los sistemas de transmisión, el esquema de codificación es simplemente la correspondencia que se establece entre los bits de los datos con los elementos de señal. Definición de los formatos de codificación digital de señales. NRZ Se pueden utilizan los código NonRetourn to Zero Level (NRZ-L), de los cuales los más empleados son el unipolar y el bipolar.

NRZ Unipolar

NRZ bipolar

RZ Se emplea el RZ (Retourn to Zero) polar. En este caso se tiene tensión positiva en una parte de la duración de un 1 lógico, y cero tensión durante el resto del tiempo. Para un 0 lógico se tiene tensión negativa parte del tiempo y el resto del tiempo del pulso la tensión es cero.

RZ Polar Este código si es autosincronizante debido a que en reloj (clock) del receptor queda sincronizado por la cadencia de los pulsos que llegan del transmisor puesto que todos los bits tienen una transición, esto permite identificar a cada bit en una larga cadena de unos o ceros.

RZ Bipolar A la ventaja de ser autosincronizante se le contrapone el hecho de requerir mayor ancho de banda, pues los pulsos son de menor duración que en otros códigos, por ejemplo NRZ, lo cual es una gran desventaja. Código Manchester En este código siempre hay una transición en la mitad del intervalo de duración de los bits. Cada transición positiva representa un 1 y cada transición negativa representa un 0. Cuando se tienen bits iguales y consecutivos se produce una transición en el inicio del segundo bit la cual no es tenida en cuanta en el receptor al momento de decodificar, solo las

transiciones separadas uniformemente en el tiempo son las que son consideradas por el receptor.

En está codificación no se tienen en cuanta los niveles de tensión sino que solo se consideran las transiciones positivas y negativas. Esta técnica posibilita una transición por bit, lo cual permite autosincronismo. Se puede eliminar la componente continua si se emplean valores positivos y negativos para representar los niveles de la señal.

Espectros de Potencia de códigos de líneas binarios Se observa más notoriamente, las ventajas de los códigos de línea. Para el estudio de los códigos de línea más usados, se utilizará la técnica estocástica para la determinación de la densidad espectral de potencia, con una secuencia de datos aleatoria.

Una señal digital ó código de línea puede ser representada por la siguiente ecuación:

Donde, f(t) es la forma del pulso del símbolo, TS es la duración de un símbolo y para el caso de señalización binaria TS = Tb, donde Tb es el tiempo que se requiere para enviar un bit. En el caso para señalización de niveles múltiples, TS = lTb y {an} es el conjunto de datos aleatorios. La densidad espectral de potencia de una señal digital se puede expresar como: ∞

Donde, F (f) es la transformada de Fourier de f(t), y R(k) es la función de auto correlación de los datos, y viene dada por: