TRANSMISIÓN DIGITAL Generalidades Cuando una señal vocal debe de ser transmitida por un medio de comunicación telefónico, se puede realizar su transmisión de dos formas fundamentales: transmitiendo la señal tal cual por la red telefónica conmutada, conservando la forma original de la señal hablada, a la que se añadirá en los cables, equipos de transmisión, etc., una señal de ruido. Si por el contrario, cuando se recibe esa señal vocal en la central telefónica,se procede a digitalizarla para que los ruidos que se generen o se añadan en la red telefónica, no afecten a esa señal vocal. A este proceso se denomina digitalización de la señal y es el proceso que se sigue con la voz en las centrales telefónicas digitales. Para llevar a cabo este proceso, se deben de llevar a cabo tres procesos básicos: -

Muestreo de la señal vocal. Cuantificación de las muestras. Codificación de las muestras tomadas.

Para llevar a cabo todo este proceso, se realizan una serie de procesos que van a permitirnos transformar una señal analógica que varía en amplitud continuamente, en una señal digital de 0´s y 1´s que se envían por medio de un transmisor a un equipo de comunicaciones digital.

Muestreo de la señal El primer proceso que se lleva a cabo es recortar las frecuencias que se van a a muestrear en el canal telefónico por medio de un Filtro Paso Bajo, limitando a 3,4 Khz la frecuencia vocal más alta que se va a escuchar, aunque en muchos cálculos se toma la frecuencia de 4 Khz, como veremos más adelante. El proceso o teoría del muestreo se basa en el hecho de que no es preciso conocer una forma de onda de forma constante y en todo instante para poder reproducirla completamente. Así, si se toman muestras de la amplitud de la señal analógica con unos intervalos de tiempo tales que la señal pueda ser reproducida fielmente, nos “ahorramos” costes de equipos y medios de transmisión. Si el espectro de frecuencias de una señal está limitado por una frecuencia máxima F (en nuestro caso tomares 4 Sistemas de Telefonía Sistemas de Transmisión Digital

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Khz), la frecuencia de muestreo debe de ser, como mínimo, 2F (es decir, 8 Khz), para que no haya pérdida de información. Esto se conoce como Frecuencia de Nyquist. La señal así muestreada deja de ser una señal continua, aunque si se añade la circuitería adecuada (una red RC), se puede obtener una envolvente continua, muy similar a la señal original¸ cuantas más muestras se tomen, más fiel será la señal muestreada. Si se tiene en cuenta que la frecuencia de muestreo es de 8 Khz, un poco por encima de los 3,4 Khz del ancho de un canal telefónico y que a éste le corresponde un tiempo de muestreo t= 1/8000= 125 µsegundos, tendremos:

Representando los valores de frecuencia de muestreo y la señal que se observaría en un analizador de espectros al muestrear el canal telefónico, tendríamos:

Cuantificación de la señal Puesto que la señal analógica que se transmite por un canal telefónico puede tomar cualquier valor, dentro de unos límites establecidos por el operador telefónico (por ejemplo, limitando la amplitud máxima de la señal que llega a la central), se debe de establecer un criterio para asignar a cada valor analógico, un valor numérico, de tal manera que se cometa el menor error posible, con el objeto de no añadir ruido a la señal vocal. Se establecen así unos valores de decisión, que son los límites para asignar un valor de cuantificación, por encima o por debajo del valor de decisión. Así, por ejemplo, si la señal a cuantificar se cuantifica utilizando una palabra digital de 4 bits, tendríamos: Sistemas de Telefonía Sistemas de Transmisión Digital

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Así, por ejemplo, en el caso de la señal 9 (S9) cuyo valor de decisión está aproximadamente a un 75% de V3, se le asigna como valor de cuantificación U3, cuyo valor es un poco menor que el de la señal real muestreada. Como se puede observar, aquí tenemos 16 posibles valores de cuantificación, pues se han utilizado 4 bits para cuantificar las muestras. Esto se traduciría en términos de señal en añadir “ruido de cuantificación”, a la señal muestreada. Si en lugar de 4 bits, utilizáramos 8 bits, podríamos dividir la trama en 128 valores positivos y 128 valores negativos, obteniendo mejor aproximación al valor analógico real. Ruido de cuantificación Como ya se ha indicado antes, cuanto más muestras se tomen de una señal y con más bits se codifique, menos distorsión, deformación o ruido, se va a introducir en la misma. Se ha demostrado que la relación señal-ruido de cuantificación, expresada en decibelios, tiene la forma:

Relación S/Nc(dB)= 10,8 + 20log(2 n) Donde n es el número de bits de cuantificación/palabra que se han utilizado. Así, por cada bit que se añada a la palabra, obtendremos una mejora de 6 dB en la relación Señal/Ruido. Si tenemos 8 bits de codificación, tendremos:

S/N= 10,8 +20 log 256= 58.9 dB Si por el contrario, realizamos la codificación con 7 bits, tendremos: S/N= 10,8 +20 log 128= 52,9 dB Tipos de cuantificación Cuando se quiere realizar la cuantificación de la señal, se debe tener presente como criterio fundamental en una red telefónica, que a lo largo de la línea telefónica, los niveles de señal más bajos, van a ser los que más disminuyan su valor, en Sistemas de Telefonía Sistemas de Transmisión Digital

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consecuencia, a la hora de proceder a su cuantificación y al objeto de no añadir ruido de cuantificación en la señal, se procede a realizar una cuantificación no lineal de la señal vocal, asignando más niveles o escalones de cuantificación a los valores más bajos de señal y a los niveles de señal que no van a tener problemas de enmascaramiento con el ruido, menores niveles de cuantificación., para mejorar así la relación señal/ruido de la señal. Para ello, se recurre a un proceso de compresión-expansión. Cosnsiste en comprimir la señal de entrada y expandiéndola a la salida, compensando así la desventaja de las señales que tenían las muestras de poco nivel. Este proceso se conoce como COMPANSIÓN.

El proceso de cuantificación no uniforme, permite una distribución no uniforme de los escalones o niveles de cuantificación, de forma que el nº total de intervalos de cuantificación se distribuyen de forma no uniforme, aproximándoles para niveles bajos de señal y separándoles para niveles altos. Esto se traduce en que para señales débiles, al utilizar un nº elevado de niveles de cuantificación, se reduce el ruido o distorsión, con la consiguiente mejora de la relación señal/ruido. Por contra, los niveles de señal altos, tendrán una cuantificación menos uniforme. Con este procedimiento, podemos pasar de 4.096 intervalos y 12 bits que requeriría la cuantificación uniforme a 256 intervalos y 8 bits que es lo que se utiliza. Así, se asignan 128 valores positivos y 128 valores negativos. Cada segmento de cuantificación cotienen un número igual de intervalos de cuantificación (16) excepto el 7 que tiene 4 veces más (64 intervalos). Hay dos métodos de cuantificación que se utilizan, basados en la ley A que se aplica en Europa y la ley µ que es la que se aplica en USA. Ley A

y = (1 + ln A|x|)/(1+ ln A) por el signo de |x| donde Sistemas de Telefonía Sistemas de Transmisión Digital

1/A = |x| = 1

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Y = A|x|/ (1+ ln A) por el signo de |x| donde

0 = |x| = 1/A

La ley de compensación A propuesta en el año 1962, se basa en una característica lineal en las proximidades del origen (|x| = 1/A) y otra logarítmica para valores mayores de x. Los valores prácticos se sitúan próximos a 100, utilizándose en telefonía A= 87,6. Es la norma de aplicación en Europa. La ley de compensación µ se estableció en USA sobre 1949, siendo una curva cuasilogarítmica y de aplicación en áreas de influencia. Basándose en estos algoritmos de “compansión”, se realiza la codificación de las muestras que previamente se han muestreado y cuantificado: se transforman en una trama de bits. Los procesos de cuantificación y codificación se realizan simultáneamente, en un codificador. Así, los 256 niveles de cuantificación se dividen en 128 positivos y 128 negativos, de forma que una muestra queda representado por el bit de signo más un código de 7 bits. Los 8 bits constituyen una palabra. Tal y como aparece en la figura, para situar el valor de una muestra se requiere conocer: - El signo de la muestra (positivo o negativo). Se representa por 1 bit. - El número del segmento en el que nos encontramos. Se representa por los bits 2,3 y 4. - El nivel cuántico dentro del segmento. Lo constituyen los bits 5º al 8º y definen el tramo del segmento anterior.

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Cada palabra PCM es un trozo de la señal, teniendo 8 bits cada “trozo” y como el tiempo de muestreo es de 125 µseg. (8.000 muestras por segundo), la señal digital tendrá una velocidad de conversación 8.000 muestras x 8 bits= 64.0000 bps. Este proceso de codificación digital, en el caso de los canales telefónicos analógicos a 2 H, se realiza en la central. Por contra, en el caso de querer eliminar parte del ruido, diafonías, etc., que se pueden “colar” en el bucle de abonado, se puede “digitalizar” la señal de fonía en el propio teléfono, enviándola como una trama digital desde el mismo. Así, cualquier ruido que se cuele en la señál digital, será eliminado al llegar a la central. Esta es el principio en el que se basa la Red Digital de Servicios Integrados (RDSI o ISDN): digitalizar la señal de fonía en el origen, para transmitirla sin interferencias. Codificación de la señal de fonía La conversión de la señal analógica a digital, utilizando la ley de cuantificación A en nuestro caso, se realiza por medio de un circuito convertidor analógico-digital (conocido como ADC) Este convertidor o codificador, se ha realizado de forma que la relación amplitud de señal/código binario obtenido, cumpla la Ley A. De esta forma, en un único proceso se cuantifica de forma no uniforme la señal de fonía. Se pueden realizar dos tipos de codificaciones: -

Codificación secuencial: Genera los bits de la señal de forma que el 1er bit es el bit de signo y los restantes el valor digital de la muestra codificada de acuerdo a la ley A. Codificación paralelo en cascada: Incluye varios comparadores de tensión en paralelo, de forma que se obtiene la señal codificada en mucho menos tiempo. Es más costoso pues necesitaría 24 comparadores (8 para segmento y 16 para nivel dentro del segmento) más 1 detector de polaridad.

Por motivos de coste y de la calidad de servicio que se pretende dar, el más utilizado es el codificador secuencial, como el que aparece en la figura:

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La forma de realizar la conversión es simple: el conversor ADC (analog digital converter) está por defecto programado en ½ de la tabla de niveles. Cuando se aplica una señal de fonía, lo 1º que se hace es ver si está por encima de el valor por defecto: si es así, genera un 1 (sería nuestro bit de signo); a continuación, va realizando una 2ª aproximación al valor, repitiéndose el proceso hasta obtener el valor digital correcto; este método se conoce como método de aproximaciones sucesivas. Representado en forma de 3 bits, sería:

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TÉCNICA DE MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN EL TIEMPO (TDM) Como se indicó anteriormente, cuando se quiere digitalizar un canal telefónico, para convertirlo en una palabra de 8 bits, se toman muestras de la señal analógica cada 125 µseg. Se va generando de la conversación telefónica, una trama digital de bloques de 8 bits de cada una de las muestras digitalizadas. Los tiempos entre medias de los 125 µseg, dejan un hueco que puede ser “rellenado”, añadiendo información entre medias, utilizando los circuitos electrónicos adecuados. Se rellenan en esos “huecos” las palabras digitalizadas de otros canales vocales telefónicos CN1, CN2,… que aparecen cada 125 µseg.

Utilizando un circuito de multiplexación similar al de la figura, en el que se han añadido una serie de señales de sincronización (señal de reloj), podemos obtener una “muestra” de los datos que aparecen por todos y cada uno los CNn canales en serie por el canal multiplexado. Hemos llevado a cabo un proceso de multiplexación por división en el tiempo (TDM) de los canales vocales. Pero el transmitir sin más los canales telefónicos no es posible. Se requiere añadir una serie de informaciones adicionales. Parte de estas informaciones adicionales son las que nos van a permitir “sincronizar” los datos unos detrás de otros; es lo que se conoce como Palabra de Alineamiento de Trama (PAT).

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Una vez “sincronizada” la trama, es necesario transmitir otra información: ¿cómo se transmite el nº de teléfono del llamante, del llamado, la central a la que se dirige la llamada, cuándo finaliza la llamada, etc.?. Todas estas informaciones se transmite utilizando los canales de señalización. El sistema europeo, utiliza una trama de 32 canales: 30 canales vocales telefónicos + 2 canales para señalización y servicio (1 de señalización y otro de PAT). Así, el intervalo del canal 0 transmite la Palabra de Alineamiento de Trama y el intervalo de canal 16 se reserva para señalizar los canales telefónicos que se transmiten. Este sistema de transmisión digital recomendado por el CCITT (Comité Consultivo Internacional de Telecomunicaciones), se conoce como sistema MIC 30+2. Puesto que en un solo intervalo de trama MIC solo se pueden transmitir 8 bits, si quisiéramos añadir la información de señalización, no podríamos realizarlo en una sola trama; no habría forma de introducir: el nº del llamante, del llamado, prefijos, tarificación, etc. Surge así la necesidad de transmitir una multitrama. Puesto que cada canal tiene 8 bits, necesitamos 4 bits para señalizar cada canal. Así, si tenemos que transmitir 30 canales por trama, necesitamos 15 intervalos de canal 16 para señalizarlos correctamente. Por este motivo aparece la estructura de multitrama formada por 16 tramas. El intervalo de canal 16 de la primera trama incluirá 1 bit de servicio más la Palabra de Alineamiento de Multitrama (PAM).

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Códigos de línea La señal binaria que se genera en cualquier sistema telefónico MIC (sistema con Modulación de Impulsos Codificados), al igual que los órdenes superiores de dicho múltiplex (8, 34 y 139 Mbps), no cumplen con los requisitos de un código de línea. Un código de línea está preparado para que las señales eléctricas se transmitan por él, sin que se queden “bloqueadas” en un determinado punto. Puesto que la mayoría de los equipos de transmisión incorporan transformadores, si se quisieran transmitir tensiones continuas, éstas no pasarían por los transformadores; pero si se quitan los transformadores, podemos provocar que distintos equipos de telefonía, con distintas tensiones continuas de trabajo, produzcan cortocircuitos o ddp que nos alteren la señal digital que se transmite. Sin embargo, si una señal MIC o superior se intentara transmitir por un sistema de transmisión, no tendríamos problemas en muchas ocasiones, pero, si se transmiten muchos 0´s o 1´s seguidos, la información de sincronismo del sistema telefónico se puede perder, resultado imposible luego recuperar la información. Por otro lado, deben de tener los códigos a transmitir un espectro bien definido, ya que la ecualización de las bajas frecuencias requiere filtros de grandes dimensiones, que abultan demasiado en un regenerador. Por este motivo, se desarrollaron una serie de códigos de línea, cuya finalidad es que no se transmitan muchos 0´s o 1´s seguidos para que no se pierda el sincronismo de reloj; para ello, lo que se hace es implementar un algoritmo que transforma esas cadenas de 0´s y 1´s seguidos, en una señal que alterne 1´s y 0´s, consiguiendo así que se transmita la señal por cualquier medio de transmisión sin problemas de pérdidas de sincronismo o de bloqueo por falta de señal alterna. Código NRZ y RZ NRZ significa no retorno a cero y corresponde a los códigos binarios en los que el estado de la señal es constante durante la duración del bit. Este tipo de señal es la utilizada en el interior de los buses digitales internos de los equipos pero, no tiene información del reloj de sincronización. En el caso de una señal que se transmite por un medio, éste último es muy necesario para regenerar la señal. Si realizamos una codificación con retorno a cero, el “1” corresponde al estado alto de la señal durante la ½ del período de la señal, retornando al valor “0” durante la otra mitad del tiempo del bit. Con este tipo de codificación es fácil separar la señal de reloj de los datos que se transmiten. Su inconveniente es que los 0´s y 1´s seguidos, presentan los problemas antes mencionados; además, presenta un cierto nivel de continua y no es viable su transmisión. Códigos AMI y HDB3 Surgieron para evitar los problemas de los códigos RZ y NRZ para su transmisión. El código AMI o Inversión de la Marca Alternada, presenta dos variantes: -

AMI NRZ: Los 0´s de la señal binaria siguen teniendo ese valor en el código AMI. Sin embargo, los 1´s de la señal binaria son convertidos a + y – de forma alternativa en el código AMI. Sistemas de Telefonía Sistemas de Transmisión Digital

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-

AMI RZ: La conversión es igual a la anterior; la diferencia es que los estados + y – tienen una duración ½ de la señal binaria, retornando al estado 0.

El problema que presenta el código AMI son las cadenas largas de 0´s y 1´s nuevamente; este problema se soluciona con el código HDB3: limita a 3 el número de 0´s en la señal transmitida Las reglas de conversión del código AMI al HDB3 (Hig Density Binary) son las siguientes: 1. Un bloque de 4 ceros consecutivos (que provocaría pérdida de sincronismo), se convierte en 000 y donde v es un impulso de violación de la misma polaridad que la marca AMI anterior. 2. Para asegurar que los impulsos de violación (v) sean de polaridad alternada, el número de marcas entre dos impulsos v consecutivos, ha de ser impar. 3. Cuando un número de marcas entre impulsos de violación sea par, el primer cero se convierte en una marca de distinta polaridad (B) a la marca AMI que la precede. De las señales eléctricas codificadas en HDB3-RZ, al igual que de las AMI-RZ, se extrae la señal de reloj, siendo adecuadas para la transmisión digital por conductores metálicos o cables coaxiales.

Como se puede observar en la figura, AMI-RZ y HDB3 son similares, hasta que se transmiten más de 3 ceros consecutivos. El código HDB-3 se utiliza actualmente en TODOS los sistemas digitales plesiosíncronos de 2, 8 y 34 Mbps. Cuando las velocidades de transmisión son superiores, es necesario recurrir a otro tipo de modulación. Asi, en 139 y 565 Mbps se utiliza el código CMI.

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Así, los códigos de línea podían quedar representados como aparecen en la figura adjunta:

Como se puede observar en la señal CMI, cuando se transmite el primer 0, se transmite ½ semiciclo negativo y luego ½ semiciclo positivo, cuando a continuación se transmite un 1, la señal se queda en el estado que se encontraba antes del 1, en un valor negativo; al empezar a transmitir 0´s, éstos se convierten en semiciclo negativo y luego ½ semiciclo positivo cada uno de ellos; el siguiente 1 que se transmite coincide con un paso al valor positivo, en donde se queda hasta que llega un nuevo 0, invirtiendo las marcas según se produzca el paso al 1. Regeneración de la señal digital Cuando se transmite una señal digital a través de un cable coaxial, de pares, etc., la señal digital se va transformando en una señal similar a una sinusoide; esto se debe a los ruidos, interferencias, acoplamientos inductivos, capacidades parásitas de los medios de transmisión. Es por ello que la señal debe de ser, cada cierto número de Kms (dependerá de la velocidad de transmisión y del medio que se utilice y la calidad que pretenda dar el operador), se deberá regenerar la señal para que pueda ser transmitida, con la menor cantidad de errores de transmisión. Se recurre para ello a los circuitos regeneradores, que se van a ocupar de que la señal regenerada sea idéntica a la recibida, regenerando igualmente la señal de sincronismo o de reloj.

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Sistemas de Alarma y Supervisión de enlaces digitales PDH Cuando en un equipo de transmisión digital de 2/8/34/139 Mbps se detecta una alarma (por haber “leído” los bits de paridad o los códigos de detección de errores) en un elemento de control del sistema (una CPU), aparece en el equipo una indicación de alarma. Esta alarma puede ser de varios tipos: 1. Si la señal que se recibe tiene errores y nuestro equipo lo detecta, aparecerá una indicación de alarma local. En algunos sistemas de conmutación (las centrales locales, CP, etc.), el módulo de control lo detecta y “avisa” al extremo remoto de que está recibiendo los datos con errores. Si estos errores son graves, pueden provocar el bloqueo de la central local. 2. Si la señal digital que se debería recibir no se recibe, la CL o la CP genera hacia el equipo del que no se recibe señal, una señal RAI (Indicación de Alarma Remota), para que el equipo distante entienda que no se recibe su transmisión. 3. Puede ocurrir igualmente que al equipo de transmisión al que conectamos, por ejemplo la salida de una CL o de una CP se le corte el cable que tiene conectado a un sistema de 2 Mbps. Cuando este equipo de 2 Mbps detecta que no tiene señal aplicada a su entrada, su módulo de control genera de forma automática una señal de SIA (Indicación de Ausencia de Señal), consistente en transmitir todo 1´s. Puesto que el equipo remoto recibe datos (todo 1´s), no se entera de la avería, pero sí el equipo local al que le faltan losdatos de entrada. Esta situación, puede igualmente bloquear una CL o CP. Representado de una forma gráfica, tendríamos:

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