Digitalización de las señales de abonado

Dr. Ing. Álvaro Rendón Gallón
Ing. Fernando Mendioroz, MSc. (c.)
Popayán, 2014
Universidad del Cauca
Facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones
Departamento de Telemática

Modulación por Impulsos Codificados (PCM)
 Muestreo, Cuantificación, Codificación.
 Adaptación a la línea.
 Múltiplex (TDM)
Función BORSCHT
 Interfaz de línea de abonado.
 Bloques funcionales.
Red Digital de Servicios Integrados
 Introducción a ISDN.
 Configuración de referencia.
 Tipos de acceso básico y primario.
 Digitalización de la red Telefónica

Inventada por Alec Reevs en 1937.
La patente francesa se registró en 1938.
Sólo a partir de la invención del transistor
(1947) fue factible implementar PCM en
servicio en la red telefónica, a comienzos
de los años sesenta.
Su objetivo inicial fue disminuir los problemas de ruido y
distorsión en la transmisión de las señales de voz,
utilizando un mayor ancho de banda.

Señal Analógica Señal Digital
TRANSMISIÓN
+
CONMUTACIÓN
La utilización de PCM inició el proceso de
digitalización de la red de telecomunicaciones.
Señal Analógica Señal Digital

La técnica PCM permite la conversión de
señales analógicas a digitales mediante tres
procesos:
Muestreo Cuantificación Codificación
La transmisión de la información contenida en
una señal no requiere la transmisión de
la señal completa (teorema del muestreo
de Harry Nyquist, 1933)
01100101

TEOREMA DEL MUESTREO de NYQUIST
Es posible transmitir muestras de una señal continua y
recuperar toda la información original en el receptor, si la
FRECUENCIA MÍNIMA de muestreo cumple con la relación:
Fm= 2.BW
donde:
Fm = Frecuencia de Muestreo.
BW = Ancho de Banda de la señal de entrada.

TEOREMA DEL MUESTREO de Nyquist
•Sigue siendo una señal analógica.
•No es adecuada para Tx a grandes distancias.
•Sensible a la distorsión en amplitud y fase.
•Sensible al ruido.
Se obtiene una señal PAM (Pulse Amplitud Modulation)

Proceso de DIGITALIZACIÓN
En lugar de transmitir muestras con una amplitud variable
de acuerdo a la señal de entrada, se transmite el valor de
las muestras utilizando un código numérico.
Resultante:
SEÑAL NUMÉRICA
DIGITAL
conformada por dígitos binarios
(Bits)

Señal analógica Muestras PAM
 Se usa el espectro de conversación entre 300 Hz y 3.400 Hz.
 La señal se pasa por un filtro pasabajos antes del muestreo.
 Nyquist: Fm = 2.BW = 6.800 Hz
 ITU-T: Fm = 8.000 Hz (Rec. G.711)
Frecuencias audibles: 20 Hz a 20 kHz
Voz humana: 82 Hz (Mi 1) a 1.175 Hz (Re 5)
Armónicas (timbre): hasta 3.500 Hz
Tono de Invitación a Marcar: 440 Hz (La 3)

Valor Muestras PAM Dígitos Binarios
 Las muestras PAM tienen carácter continuo: su amplitud puede tomar
un número infinito de posibles valores.
 La representación binaria tiene carácter discreto: sólo puede tener 2n
valores (n = número de bits por muestra).
 Se define un conjunto de intervalos de amplitud.
 A todas las muestras que caen dentro de un intervalo se les
asigna el mismo valor.

Ejemplo para 8 niveles de cuantificación (en PCM son 256 = 28).
Intervalo de
cuantificación
Error de cuantificación

En la cuantificación lineal,
las señales débiles son las más distorsionadas
(peor relación S/N)
+7
+6
+5
+4
+3
-7
-6
-5
-4
-3
+2
+1
+0
-0
-1
-2
CUANTIFICACIÓN LINEAL
1011 1101 1001 0000 0001 0000
+7
+6
+5
+4
+3
-7
-6
-5
-4
-3
1110 1111 1101 0011 0101 0100
CUANTIFICACIÓN NO LINEAL

+7
+6
+5
+4
+3
-7
-6
-5
-4
-3
1110 1111 1101 0011 0101 0100
CUANTIFICACIÓN NO LINEAL
En PCM se utiliza una ley
aproximadamente
logarítmica para determinar
el tamaño de los intervalos
(256).
De esa manera, se consigue
una S/N aprox. constante
Sistemas PCM32: Ley A
Sistemas PCM24: Ley µ
Rec. ITU-T G.711

Sistemas PCM32: Ley A
𝐹 𝑥 = 𝑠𝑔𝑛 𝑥
𝐴 𝑥
1 + 𝐿𝑛 𝐴
, 𝑥 <
1
𝐴
1 + 𝐿𝑛 𝐴 𝑥
1 + 𝐿𝑛 𝐴
,
1
𝐴
≤ 𝑥 ≤ 1
Sistemas PCM24: Ley µ
𝐹 𝑥 = 𝑠𝑔𝑛 𝑥
𝐿𝑛 1 + 𝜇 𝑥
𝐿𝑛 1 + 𝜇
, −1 ≤ 𝑥 ≤ 1
Rec. ITU-T G.711
La norma europea utiliza A=87.7
La norma americana utiliza 𝜇 = 255

Se tienen muestras PAM cada 125 µs con 256
valores posibles
¿Cómo representar los valores?
+2
+3
+1
-1
-0
N° de
niveles
N° de
impulsos
Niveles por
impulso
256 1 256
256 2 16
256 4 4
256 8 2 01100101

Característica de transferencia de la Ley A
(cuantificación/codificación)
(+)(-)

Ley A: Tabla de Codificación/Decodificación

Característica de transferencia de la Ley A
(cuantificación/codificación)
El Bit 1 es transmitido en primer lugar
Ley A: Bit 1 = 1 (+), 0 (-)
Ley µ: Bit 1 = 0 (+), 1 (-)
Bits
Cada segmento se divide
en 16 pasos de
cuantificación uniforme.

 Múltiplex (TDM)
Función BORSCHT
 Interfaces S/T y U.

Adaptación a la Línea
Señal binaria
¿0? ¿1?
No es adecuada para transmisión a grandes distancias
Códigos de Línea
• Ancho de banda estrecho.
• Baja energía en los extremos del ancho
de banda.
• No debe contener componente DC.
• Operación simple de regeneradores.
• Información de sincronismo estable.
Forma
apropiada
Interferencia
inter-símbolos

Códigos de Línea
Binario
(NRZ)
HDB3
HDB3
AMI
(RZ)
Señal seudoternaria

Códigos de Línea: NRZ y RZ
Una señal NRZ, de cualquier tipo, no contiene transiciones para una serie de
unos y ceros consecutivos. Esto representa una dificultad si se quiere tener una
referencia de reloj en recepción.
Una señal RZ, tiene una transición a cero para cada impulso enviado.
Ejemplo en una señal binaria pura.

Códigos de Línea: AMI
Cuando el nivel de corriente continua de la señal de salida es una constante
distinta de 0 implica una contrariedad para la transmisión. Para mejorar este
aspecto es que se genera el código AMI (Alternate Mark Inversion).
El proceso de conversión interpreta cada pulso binario, correspondiente al nivel
lógico “1”, con una marca positiva o una marca negativa en forma alternada,
mientras que los “0” se transmiten con su nivel original.
Ventajas: 1) implica un incremento en el nivel de temporización, 2) Reduce la
interferencia inter-símbolos (traslape de bits consecutivos).
La desventaja es la presencia de una componente DC en la señal.

Códigos de Línea: HDB3
HDB3 (High Density Bipolar 3) agrega ciertas dificultades para la codificación de
señales binarias y genera una reglas de codificación. A cambio de eso de obtiene un
mejor aprovechamiento del ancho de banda.
El problema que soluciona HDB3 es el que se genera en un código AMI cuando se
envían muchos “0” consecutivos. En ese caso, la información de sincronismo captada
por el receptor es nula, lo que podría traer problemas para la transmisión en sí. La
solución implementada por este código es cambiar una secuencia de cuatro “0”
consecutivos por una serie de pulsos y ceros que se determina mediante las
siguientes reglas.
 Los “1” se transmiten con polaridades alternadas.
 Todos los pulsos son del tipo RZ.
 Una serie de cuatro “0” consecutivos se sustituyen por 000V o por B00V. Las V
son impulsos llamados violaciones, y las B son impulsos de relleno.
 Tras una violación, el siguiente pulso lleva la polaridad contraria.

 La primer violación deberá tener la misma polaridad que el “1”
inmediatamente anterior. Las siguientes violaciones se alternarán en
polaridad, tomando como referencia la primera violación.
 En los casos que las violaciones tengan una polaridad que no sea igual a la
del “1” inmediatamente anterior, es que se incluye el pulso de relleno con la
misma polaridad que la violación que se coloca.
Ejemplo:

Estas reglas aseguran:
 Idéntica probabilidad de símbolos y, por lo tanto, ausencia de
componente de corriente continua (propiedad indispensable para la
transmisión por pares balanceados o coaxiales).
 Un máximo de tres “0” consecutivos, lo que permite mantener la
temporización/sincronismo del receptor.
 Transmisión de datos y reloj por el mismo par, lo cual queda
asegurado por el reemplazo del bit “1” por un ciclo de reloj.
 Muy simple decodificación: sólo existen dos posibilidades de pulsos
con igual polaridad 10001 y 1001.
• La primer alternativa corresponde a “1000V” y la segunda a
“B00V”.

Reconocimiento de la señal de entrada
Distorsiones de la señal transmitida en la línea: amplitud, fase y ruido.
Solución: Regeneración en puntos intermedios de la línea y en receptor al final.
Los regeneradores deben contar con un reloj con la misma frecuencia y fase de la señal de
entrada. La obtención de este sincronismo se obtiene aplicando la señal de entrada a un
circuito PLL (Phase Locked Loop); es un sistema de control que genera una señal de salida
cuya fase está relacionada con la fase de una señal de entrada. Esencialmente, un PLL
consiste de un circuito electrónico que consta de una oscilador de frecuencia variable y un
detector de fase. El oscilador genera una señal periódica. El detector de fase compara la
fase de la señal con la fase de la señal periódica de entrada y ajusta el oscilador para
mantener las fases. Llevando la señal de salida de vuelta hacia la señal de entrada para la
comparación se llama bucle de retroalimentación desde que la salida se retroalimenta
hacia la parte de entrada formando un bucle.
PLL
Detector de
Fase
Factor de
Ganancia
Filtro Pasabajos
Oscilador
Controlado por
Voltaje
(VCO)
Divisor de
frecuencia (÷N)
Fi
Fo

Reconocimiento de la señal de entrada

REGENERACIÓN
Transmisor
Receptor
R R
Señal Original Señal Atenuada
Ruido
Señal Regenerada
No Ruido
Transmisor
Receptor
A A
Señal Original Señal Atenuada
Ruido
Señal Amplificada
Ruido Amplificado
Sistema
Analógico
Sistema
Digital
Medio de transmisión
Medio de transmisión
A: Amplificador
R: Regenerador

DPCM: PCM Diferencial
 Aprovecha las redundancias de la señal de voz.
PCM: se transmiten las
muestras.
8 bits/muestra
64 Kbps
DPCM: se transmiten las
diferencias entre las
muestras.
7 bits/muestra
56 Kpbs

ADPCM: DPCM Adaptativo
 Predicción de octavo orden.
 Cuantificación adaptativa.
 Predicción adaptativa.
Recomendación ITU-T G.726: ADPCM a
40 Kbps (5 bits por muestra)

Nombre Entidad Modulación Muestreo
(kHz)
Tasa de bits
(kbps)
Observaciones
G.711 ITU-T PCM 8 64 u-law y a-law
G.722.2 ITU-T AMR-WB 16 6.6 a 23.85 UMTS, VoIP, licenciado
G.723.1 ITU-T MP-MLQ/
ACELP
8 5.6/6.3 VoIP (H.324),
licenciado
G.726 ITU-T ADPCM 8 16/24/32/40 Telefonía fija
G.729 ITU-T CS-ACELP 8 6.4, 8, 11.4 VoIP
GSM 06.10 ETSI RPE-LTP 8 13 GSM, VoIP
GSM AMR 3GPP ACELP 8 4.75 - 12.2 GSM, UMTS
Speex Speex CELP 8, 16, 32 2.15-44.2 VoIP, código abierto,
gratuito
iLBC Global IP
Sound
8 13.3, 15.2 VoIP, gratuito
SILK Skype 8, 12, 16,
24
6 a 40 VoIP, código abierto,
licenciado

 Múltiplex TDM.
Función BORSCHT

Líneas
individuales
Líneas
individuales
Canal de alta velocidad
compartido

Se toman muestras de las señales de entrada
y se intercalan en el canal común.

Múltiplex de tres
señales:
ITU: dos sistemas
 30 canales (Europa)
 24 canales (USA)

TS28TS1 TS1 TS1TS28 TS28
125 μs 125 μs125 μs
TS (Time Slot): Intervalo de Tiempo

Estructura de la Trama E1
Duración de la trama = 1/8.000 Hz = 125 µs
Duración de un IT = 125 µs/32 = 3,906 µs
Duración de un Bit = 3,906 µs/8 = 0,488 µs
Velocidad de bit = 1/0,488 µs = 2.048 Kbps
Velocidad de canal = 8.000 muestras/s x 8 bits/muestra
Velocidad de canal = 64 Kbps

Estructura de la Trama E1
Comunicación entre
las centrales
Usada por el receptor para
identificar los canales

Asignación de los bits del TS0
TSØ con alineación de trama
TSØ sin alineación de trama
Si: Reservado para uso internacional.
Bit 2: Evita la simulación de la señal de
alineación de trama.
A: Alarma a distancia:
0 - normal,
1 - pérdida de alineación
Sn: Reservado para uso nacional.
Bit 5: Alarma por exceso en la
proporción de error.

Estructura de la Trama DS1/T1*
Duración de la trama = 1/8.000 Hz = 125 µs
Bits por trama = (24 x 8) + 1 = 193
Duración de un Bit = 125 µs/193 = 0,648 µs
Duración de un TS = 0,648 µs x 8 = 5,181 µs
Velocidad de bit = 1/0,648 µs = 1.544 Kbps
Velocidad de canal = 8.000 muestras/s x 8 bits/muestra
Velocidad de canal = 64 Kbps
Bit F: alineación
de trama
*DS1 refiere al formato lógico de bits y T1 a la línea física

Secuencia de Trama
F: Alineación de trama =
101010
M: Alineación de multitrama =
001110
A: Canal de señalización A
B: Canal de señalización B
F
M
F
F
F
M
M
M
A A A
B B B

Múltiplex Digital de Segundo Orden

Múltiplex por intercalación de bits (bit interleaving)
Se requieren bits de relleno para compensar la diferencia de
velocidades de los tributarios digitales.
El múltiplex SDH usa intercalación de octetos.

En una red Plesiócrona, hay diferencias importantes entre
los relojes de las centrales
-> Jerarquía Digital Plesiócrona (PDH)
F1
F2
F3
F4

En una red Síncrona, se acotan las diferencias entre los
relojes de las centrales
-> Jerarquía Digital Síncrona (SDH)
FM

 Múltiplex TDM.
Función BORSCHT
 Digitalización de la red Telefónica.

Central telefónica digital
MA: Módulo de Abonados
MAR: Módulo de Abonados Remoto
MTA: Módulo de Troncales Analógicas
MTD: Módulo de Troncales Digitales
GT: Generador de Tonos
RxT: Receptor de Tonos
M
A
M
A
R
Conversión
análogo-digital
Otrascentrales

Subscriber Line Interface Card
AXE LIC
Protección Pruebas
Conexión
de
Repique
Alimen-
tación
Micro-
fónica
Super-
visión
del
Bucle
Híbrido Filtros CODEC
TX
RX
Buses PCM
Orden de
Pruebas
Orden de
Repique
Lectura de
Supervisión
Existe un circuito por cada línea de abonado
Una tarjeta de línea contiene múltiples interfaces

Funciones BORSCHT
Híbrido
Filtros CODEC
TX
RX
Buses PCM
Protección
Alimen-
tación
Micro-
fónica
Pruebas
Orden de
Pruebas
Conexión
de
Repique
Orden de
Repique
Super-
visión
del
Bucle
Lectura de
Supervisión
Protección contra sobrecargas (O)
Pruebas (T)
Conexión de Repique (R)
Alimentación Microfónica (B)
Supervisión del bucle (S)
Híbrido (H)
Codec/Filtro (C)
Battery: Alimentación microfónica
Overvoltage: Protección contra sobrecargas
Ringing: Conexión de la señal de repique
Supervision: Supervisión del bucle
Codec: Codificación y decodificación PCM
Hybrid: Conversión de dos a cuatro hilos
Testing: Conexión al equipo de pruebas
BORSCHT:

Códec
Bus PCM
TX
Bus PCM
RX
Codificador/Decodificador
Codificador (transmisión):
Toma muestras de la señal
análoga y genera un octeto cada
125 μs
Decodificador (recepción):
Recibe un octeto cada 125 μs y
genera una señal PAM

Interfaz para 16 abonados analógicos
SLIC (Subscriber Line Interface Circuit):
Funciones BRSHT QAP (Quadruple Analog POT):
Conversor A/D para líneas
telefónicas
DSP (Digital
Signal Processor):
Procesador
Digital de Señales

Acceso independiente a las redes y servicios

Acceso integrado a las redes y servicios

Acceso digital con tres tipos de canales
B (64 Kbps): voz y datos.
D (16/64 Kbps): señalización y datos de baja velocidad.
H (384/1.536/1.920 Kbps): video, sonido de alta calidad, datos de alta
velocidad, etc.

Configuraciones de referencia del acceso usuario-red
Exchange
ET: Exchange Termination
V: Interface ET-LT
LT: Line Termination
Network Termination
U: Interface LT-NT1
NT1: Network Termination 1
T: Interface NT1-{TA,TE,NT1}
NT2: Network Termination 2
Terminal Equipment
S: Interface NT2-{TA,TE}
TA: Terminal Adapter
TE1: Terminal Equipment 1
TE2: Terminal Equipment 2
R: Interface TA-TE2 (ISDN – no ISDN)

Grupos funcionales:
LT (Line Termination): Terminación de Línea (capa 1: línea de transmisión).
ET (Exchange Termination): Terminación de Central (capas 2 y 3: señalización)
Configuración general
ETLTNT1NT2TE1
TE2
R S T U V
AT
Instalaciones del usuario Central local ISDN
Línea de
transmisión

ETLTNT1NT2TE1
TE2
R S T U V
AT
Línea de
transmisión
Puntos de Referencia (Interfaces):
V: Frontera entre señalización/conmutación y acceso digital
U: Línea de transmisión usuario-red
T: Equivalente al punto S
S: Interfaz estándar ISDN
R: Interfaz no ISDN

ETLTNT1NT2TE1
TE2
R S T U V
AT
Línea de
transmisión
Un equipo puede reunir varios grupos funcionales:
NT2+NT1: PBX ISDN
LT+ET: Tarjeta de abonado ISDN
TE1
S U
NT2 + NT1 LT + ET

ETLTNT1NT2TE1
TE2
R S T U V
AT
Línea de
transmisión
En ausencia de NT2 coinciden los puntos S y T:
Instalación de abonado residencial
ETLTNT1TE1
TE2
R S /T U V
TA

Instalación domiciliaria con acceso básico (BRI)
Acceso Básico
(BRI - Basic Rate Interface):
2 canales B (64 Kbps)
1 canal D (16 Kbps)
(144 Kbps interfaz U)
Interfaz U: línea de abonado
normal digitalizada
Canales B: voz/datos
Canal D: señalización/datos
8 terminales máximo hogares,
SOHO (Small Office Home Office)

Instalación corporativa con acceso primario (PRI)
Acceso Primario
(PRI – Primary Rate Interface):
30/23 canales B (64 Kbps) –E1/T1-
1 canal D (64 Kbps)
Interfaz U: 2048 Kbps (E1)
o 1544 Kbps (T1)
Canales B: voz/datos
Canal D: sólo señalización

Accesos Básico (BRI) y Primario (PRI)

Estructura de la trama del acceso básico en los puntos S y T
B1
0
1
0
LFD F EE D A NFA E DM D ES D L F LFL B1 B2 B2
De NT a TE
48 bits en 250 μs
B1LFD F LL D L LFA L D L D LL D L F LFL B1 B2 B2
De TE a NT
t
Bit de alineación de multitramaMBit auxiliar de alineación de tramaFA
Bit utilizado para el canal SSBit de canal D de ecoE
Bit utilizado para activaciónABit de canal DD
Bit de canal B2B2Bit de equilibrado del bit de tramaLF
Bit de canal B1B1Bit de equilibrado en corriente continuaL
Bit puesto a un valor binario N = FA (TR a ET)NBit de alineación de tramaF
Es la trama en la interfaz de los terminales ISDN NT1
S/T

Estructura de la trama del acceso primario en los puntos S y T
BT B B D B ……
TS31TS0 TS1 TS15 TS16 TS30
B B
TS2 TS17 ……
125 μs
1Si 1 1 0 100
81 4 5 6 732
SnSi Sn Sn Sn SnA1
81 4 5 6 732
Tramas pares
Tramas impares
Palabra de alineación de trama
Señalización
Si: Reserva internacional/CRC-4
A: Alarma
Sn: Reserva nacional/O&M
Es la trama para las Terminaciones de Red 2 (NT2): PBX, LAN, etc.
NT1
T

POTS (Plain Old Telephone Service)

POTS con centrales de tránsito: uso
eficiente de enlaces largos.

Tx digital por de Modulación por Impulsos Codificados (PCM)
y
Múltiplex por División de Tiempo (TDM).

Red digital integrada: digitalización en los circuitos
de abonado, centrales digitales (Conmutación y
Control).

Red Digital de Servicios Integrados (ISDN):
Digitalización de la línea de abonado.
Uso de la línea de abonado para voz y datos.

 A. Rendón (2010). “Digitalización de las señales de abonado”. En: “Sistemas de
Conmutación: Fundamentos y Tecnologías”, Cap. 2, Universidad del Cauca, Popayán,
Colombia.
 John Bellamy (2000). "Digital Telephony". 3rd edition. John Wiley & Sons, New York,
USA.
 Bhatnagar, P.K. (1997). Engineering Networks for Synchronization, CCS 7, and ISDN:
Standards, Protocols, Planning, and Testing. IEEE Press, Piscataway, USA.
 M. P. Clark (1998). "Networks and Telecommunications. Design and Operation". Second
Edition. John Wiley & Sons, Chichester, U.K.
 UIT-T. Recomendaciones de la Serie G -Sistemas y medios de transmisión, sistemas y
redes digitales.
 UIT-T. Recomendaciones de la Serie I - Red Digital de Servicios Integrados.
 Roberto Ares (2000). “El manual de las Telecomunicaciones”.
http://www.robertoares.com.ar/manual-de-las-telecomunicaciones

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