Básico PCM

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ÍNDICE 1. – SISTEMAS TDM 2 2. – PCM BÁSICO 6 2.1 – INTRODUÇÃO 6 2.2 – CARACTERÍSTICAS 7 2.3 – PRINCÍPIOS BÁSICOS 7 2.3.1 – AMOSTRAGEM 8 2.3.2 – CONVERSÃO ANALÓGICO DIGITAL 11 2.3.3 – CODIFICAÇÃO DE LINHA 20 2.3.4 – RECEPÇÃO 24 2.4 - Estrutura Final Quadro e Multiquadro do PCM - 2Mbits

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1 - SISTEMAS TDM. O sistema multiplex por divisão de tempo ( TDM ) utiliza o processo de amostragem dos sinais para transmissão dos vários canais em um único meio de transmissão As amostras são tomadas em intervalos regularmente espaçados e tem a duração bem menor que o período entre duas amostragens. O intervalo de tempo que existe entre duas amostras sucessivas de um sinal é utilizado para transmissão dos sinais já amostrados, provenientes de outros canais.

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FIGURA 1 Notando o exemplo da ilustração seguinte onde os sinais de entrada, todos de faixa limitada, são seqüencialmente amostrados por uma chave rotatória que faz uma revolução completa num dado período, que é definido como período ou intervalo de amostragem ( T. A. )

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QUADRO QUADRO QUADRO QUADRO QUADRO QUADRO

INTERVALO DE

AMOSTRAGEM

x1 (t)

x2 (t)

x3 (t)

SINAL MULTIPLEXADO

f

f

f

f

FIGURA 2 Ao término de cada período de amostragem terá sido transmitido uma amostra de cada sinal de entrada. A este conjunto de pulsos contendo uma amostra de cada entrada denominamos de QUADRO. Na ilustração acima temos um exemplo de um quadro, com três canais de entrada multiplexados. Na recepção, ( LADO c da figura 1 ), uma outra chave rotatória similar separa as amostras e as distribui para um conjunto de filtros passa baixa, que reconstitui o sinal original. O processo de chamamento é eletrônico e inclui sinais de sincronismo para que o distribuidor e o comutador possam trabalhar sincronizadamente.

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Neste sistema, a onda portadora é um trem de pulsos, que pode ser modulado, de acordo com as amostras, através da variação de qualquer uma das seguintes características dos pulsos: AMPLITUDE, LARGURA OU POSIÇÃO. Existem três técnicas de modulação que melhor se adaptam a esse sistema de multiplexação, são eles: a) PAM ( MODULAÇÃO POR AMPLITUDE DE PULSO ) Em modulação por amplitude de pulsos ( PAM ), as amplitudes de um trem de pulsos regularmente espaçados varia em proporção direta com os valores das amostras instantâneas do sinal modulado, ou seja, em transmissão. b) PWM (MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSOS): Associa a cada amostra um pulso de largura proporcional à amplitude do sinal original. c) PPM (MODULAÇÃO POR POSIÇÃO DE PULSOS): Associa a cada amostra um pulso de largura constante deslocado no tempo, sendo este deslocamento proporcional à amplitude do sinal original. PCM ( MODULAÇÃO POR CÓDIGO DE PULSOS ) : Se caracteriza por associar a cada amostra PAM uma determinada palavra binária. Neste caso, o sinal tem representação binária relacionada a níveis pré determinados, ou seja, o sinal amostrado sofre uma quantização ( aproximação do sinal para um nível pré-estabelecida mais próximo ). Esta quantização é necessária pois, caso contrário, necessitaríamos de um número infinito de dígitos binários ( bits ) em cada palavra. A figura seguinte ( fig. 3 ) ilustra o que foi dito nas linhas acima, mostrando alguns tipos de modulação por pulso.

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SINAL

ORIGINAL

(PAM)

(PWM)

(PPM)

(PCM)

CODIFICAÇÃO

COM 4Bits

4 8 6 3 2 4

0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 10 0 0 0

TENSÃO

4,2 8,0 6,4 3,0 2,3 4,3 TEMPO

4,2

4,2

4,2

A = 8,0

L = 8,0

T = 8,0

6,4

6,4

6,4

3,0

3,0

3,0

2,3

2,3

2,3

4,3

4,3

4,3

FIGURA 3 2 - PCM BÁSICO. 2.1 – INTRODUÇÃO. Os sistemas PCM baseiam-se na possibilidade de reconstituir integralmente um sinal analógico x(t), a partir de um certo número de amostras instantâneas, retiradas periodicamente no tempo. Em seguida, as amostras tem seus valores aproximados para níveis previamente escolhidos, chamados de níveis de quantização. Após a quantização, o sinal discreto no tempo e em amplitude é codificado formando-se assim um sinal PCM que será transmitido. A seguir é dado em diagrama de blocos como é feita a transmissão de um sistema PCM:

FILTRO AMOSTRA QUANTIZAÇÃO CODIFICAÇÃO

X(t)

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Na recepção, temos a decodificação do sinal digital, obtendo-se as amostras do sinal original, que passando por um filtro passa-baixa, recupera o sinal x(t). A seguir é dado em diagrama de blocos como é feita a recepção de um sistema PCM:

PCM

DECODIFICAÇÃOFILTRO

PASSA-BAIXA

X(t)

2.2 – CARACTERÍSTICAS. Dentre as características inerentes do sistema de transmissão PCM que o tornam difundido cada vez mais nas redes de telecomunicações da maioria dos países do mundo podemos ter: a) Permite transmissão em longas rotas sem deterioração, devido a utilização do sinal bipolar na linha, o que permite a regeneração do sinal idêntico ao original em cada ponto de repetição. Portanto, os ruídos não são aditivos; b) Adapta-se a transmissão de vários tipos de informação tais como: TELEFONIA, IMAGEM, DADOS, etc, o que torna muito flexível em redes de multiserviço; c) Assegura o uso econômico de cabos, pois foi projetado especialmente para utilizar cabos de voz existentes, cuja qualidade em altas frequências é pobre devido a diafonia e atenuação muito altos. d) Utiliza-se de mesma tecnologia e componentes de computadores, o que o torna sempre sujeito as inovações, maior compatibilidade, maior confiabilidade e menor custo. e) Possibilidade de adaptação ao sistema de comutação eletrônica (CPA) e aos sistemas que usam fibra óptica como meio de transmissão. 2.3 - PRINCÍPIOS BÁSICOS. Os princípios básicos essenciais para o entendimento dos sistemas PCM são amostradas na tabela abaixo:

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AMOSTRAGEM - Modulação de pulsos em amplitude - Multiplexação por divisão de tempo

CONVERSÃO A/D - Quantização - Compressão - Codificação

CODIFICAÇÃO DE LINHA - Código bipolar por inversão alternada de marcas - Código bipolar de alta densidade ( HDB-3 )

SINCRONIZAÇÃO DO SISTEMA

- Estrutura da informação - Sincronização

TRANSMISSÃO DE LINHA - Equalização de linha - Regeneração de pulsos

RECEPÇÃO - Recepção do sinal de linha - Decodificação - Expansão

- Demultiplexação - Reconstituição do sinal analógico

2.3.1 – AMOSTRAGEM. Em comunicações podem ocorrer casos, em que, para transmitir uma informação, o meio de transmissão não está disponível para enviar todos os valores dessa informação, assumidas ao longo do tempo. Nesse caso, para que seja possível a comunicação, utiliza-se a amostragem, que consiste num processo pelo qual se observa a variação de uma característica do sinal de informação ( NÍVEL, FREQUÊNCIA, FASE, etc ), de tempos em tempos, gerando um outro sinal representativo do primeiro durante cada período de observação. Geralmente, a característica amostrada no sinal de informação é sua Amplitude. Demonstra-se que a amostragem periódica, dentro de uma frequência apropriada de exploração, preserva o mesmo conteúdo de informação do sinal original. TEOREMA DA AMOSTRAGEM: O teorema de amostragem, da maior importância para a representação digital de sinais, pode ser resumido da seguinte forma: "Se um sinal não tem componentes acima de uma frequência W, ele pode ser reconstituído perfeitamente a partir de suas amostras espaçadas no máximo de 1/2w, ou seja, obtidos a taxa de 2w amostras por unidade de tempo". A operação de amostragem pode ser executada por uma série de circuitos, ( Inclusive os moduladores utilizados pelo FDM ), somente sendo a portadora um sinal de onda quadrada. Na saída do circuito modulador obtemos um espectro onde estão todas as bandas. Para um sinal cujo espectro de frequência de um sinal analógico x ( t ) é este a seguir:

0 fn Frequência

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Se a frequência de amostragem for maior ou igual ao dobro da máxima frequência do espectro ( fa >= 2fmax ), a amostragem terá o espectro a seguir:

0 fn fA-fn fA fA+fn zfA-fn zfA Analisando o espectro acima, é fácil concluirmos que para recuperar o sinal amostrado necessitamos apenas de um filtro passa-baixa ,com bandapassante de fn. Caso a fa < 2 fmax ocorre superposição de bandas laterais, conforme mostra a figura a seguir:

0 fAfn fn fA 2fA-fn fA+fn 2fA frequência

SUPERPOSIÇÃO DE BANDAS LATERAIS Após estudar-se muito, chegou-se a conclusão que uma conversação normal com finalidade de telefonia comercial pode ser limitada a uma frequência máxima de 3,4 Khz. Do teorema da amostragem vemos que neste caso a frequência de amostragem deve ser no máximo 6,8 Khz ( fa > 2 x 3,4 Khz ).Entretanto , isso levaria a um filtro ideal ,o que não e possível de ser executado na pratica. Abaixo e mostrada a curva de um filtro real e a de um filtro ideal:

GANHO

FILTRO PB IDEAL FILTRO PB REAL

GANHO

I I

ff I If f

Adotou-se então 8 Khz, o que proporciona um filtro de fácil fabricação com faixa de guarda de 1,2 Khz, sendo utilizado por todos os fabricantes de PCM. As características do processo de amostragem nos levam a modulação PAM como mostrado a seguir:

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FIGURA 1 Os intervalos de tempo existentes entre amostras consecutivas de um sinal PAM sugerem a probabilidade de transmitir mais de um sinal utilizando o mesmo meio. Isso pode ser conseguido pela simples intercalação, no intervalo entre amostras, de amostras de outros sinais. Um exemplo ilustrando tal situação é mostrado a seguir:

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125us

TA: 1 A 32

fn = 3,4KHz (canais 1 a 32)

fa = 8KHz

Ta = 125us

t = 3,9us

PRINCÍPIO DA MULTIPLEXAÇÃO POR DIVISÃO DE TEMPO

SINAL PAM

CANAL 1

CANAL 2

CANAL 3

CANAL 32

1

2

3

12

32 3

32

TA: 1 A 32

125us

FIGURA 2 2.3.2 - CONVERSÃO ANALÓGICA DIGITAL. É o processo no qual se transforma uma informação analógica (AMOSTRA) em uma palavra (SINAL DIGITAL), isto é, um código binário correspondente. Só que para realizarmos este processo, temos que passar pelas etapas de : ---QUANTIZAÇÃO ---COMPANSÃO (COMPRESSÃO + EXPANSÃO) ---CODIFICAÇÃO QUANTIZAÇÃO: A quantização e basicamente uma subdivisão da forma dinâmica do sinal em um determinado numero de níveis discretos, chamados níveis de quantização. Uma vez que, por facilidade de implementação a codificação dos níveis e feita de acordo com o sistema binário, o numero de níveis de quantização e geralmente uma potência de 2 .

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O processo de quantização torna possível a decisão do valor correto da amostra na recepção, reduzindo enormemente o efeito do ruído aleatório acrescentando ao sinal durante a transmissão. Deste modo, em cada instante de amostragem, a amplitude do sinal e aproximada para o nível de quantização mais próximo. Para exemplificar, suponhamos que os níveis de quantização sejam 0, 1, 2, 3 e 4 volts e que o sinal PAM a ser quantizado seja o da figura 3.1 e o sinal já quantizado na figura 3.2.

FIGURA 3.2 Pelas figuras pode-se observar que a amplitude do pulso sempre passa para um nível de amplitude pré-estabelecido mais próximo. Por exemplo, o segundo pulso que tem amplitude original de 1,7 V passa a ter uma amplitude original de 2 V . Por outro lado, o quarto pulso tem uma amplitude de 2,5 V, que e igualmente distante dos níveis de 2 e 3 V e pode ser quantizado tanto ao nível inferior quanto ao nível superior, dependendo somente da convenção adotada. No caso , convencionou-se que a aproximação fosse feita para um nível superior. Portanto podemos observar que ao se receber o sinal PAM quantizado será impossível reconstituir-se com fidelidade absoluta o sinal PAM original. Assim , o processo de quantização inevitavelmente introduz uma perda de informação , porem os órgãos do sentido humano não possuem precisão perceptível para distinguir entre graduações muito pequenas dos sinais que recebem. a ) ERRO E RUÍDO DE QUANTIZAÇÃO : Nota-se pelo exposto uma diferença entre o sinal amostrado e este depois de ser quantizado . Como e sinal quantizado que vai ser transmitido e posteriormente recuperado, teremos então introduzido um erro no sinal original, tal erro chama-se ERRO DE QUANTIZAÇÃO. Podemos definir uma função Erro de quantização , (Eq), que e a diferença de uma amostra quantizada (Vaq) e o seu valor anterior (Va ) , ou seja :

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Eq = Vaq - Va Sendo V a diferença entre um nível de quantização e outro , e o critério adotado aproxima um valor entre dois níveis para o que estiver mais próximo, tal erro será sempre menor ou igual a metade de V. Como exemplo, observando as amostras nos gráficos a ser quantizados e o já quantizado ( figuras 3.1 e 3. 2 respectivamente ), verificamos que o erro será sempre menor ou igual a 0.5 V , ( 0 <= Eq <= 0.5 V ). Determinado o erro de quantização de cada amostra vem: 1o Amostra : Eq = Vaq - Va = 1,0 - 0.8 = 0.2 V 2o Amostra : Eq = Vaq - Va = 2,0 - 1,7 = 0.3 V 3o Amostra : Eq = Vaq - Va = 3,0 - 3,4 = 0.4 V 4o Amostra : Eq = Vaq - Va = 3,0 - 2,5 = 0,5 V 5o Amostra : Eq = Vaq - Va = 2,0 - 1,5 = 0,5 V 6o Amostra : Eq = Vaq - Va = 2,0 - 1,6 = 0,4 V 7o Amostra : Eq = Vaq - Va = 4,0 - 3,9 = 0,1 V O erro de quantização aparece sobre a forma de ruído, denominado "RUÍDO DE QUANTIZAÇÃO". Quando os pulsos amostrados em intervalos de quantização fixos são lidos, a distorção e relativamente maior para os pulsos de entrada menor que para os pulsos maiores. Isto significa uma relação SINAL/RUÍDO ( RSR) ruim. Foi criado então , dois tipos de quantização : --LINEAR : --NÃO LINEAR : b) QUANTIZAÇÃO LINEAR : A quantização linear aproxima os valores das amostras do sinal PAM para níveis pré-determinadas . O número de níveis é o mesmo para sinais de intensidades alta ou baixa. c) QUANTIZAÇÃO NÃO-LINEAR: E a quantização onde os ESPAÇAMENTOS ENTRE OS NÍVEIS DE QUANTIZAÇÃO NÃO SÃO CONSTANTES. Uma vez que os pequenos sinais são os mais prejudicados, tem-se uma maior quantidade de níveis, aumentando mais a relação SINAL/RUÍDO, (RSR ). Abaixo e dada uma figura onde se mostra como e feita uma quantização não-linear

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0,1

0,2

0,7

1,3

2,1

4,5

0,1

0,2

0,7

1,3

2,1

3,3

3,3

4,5

DV= 1,2 V

-

-

-

-

-

DV = 0,6 V

DV= 1,2 V

DV = 0,6 V

-

-

- 1- 2- 3- 4- 5- 6 1 2 3 4 5 6

FIGURA 4 Para os grandes valores de sinais de entrada , a quantidade de níveis e menor , mas como estes são pouco prejudicados pelo ruído, a RSR continua em níveis aceitáveis . Logo, a quantização não linear e a mais recomendada para a utilização, pois melhora sensivelmente a RSR dos pequenos valores de entrada . COMPANSÃO: ( COMPRESSÃO + EXPANSÃO ) De Itens anteriores, observamos que na quantização a relação SINAL/RUÍDO não permanece constante. A COMPRESSÃO justamente faz com que a relação SINAL/RUÍDO permaneça constante e consiste em comprimir as amostras do sinal PAM de forma que este fato aconteça. Portanto , na transmissão, e necessário realizarmos a compressão dos sinais. Já na recepção, além da decodificarmos os sinais, temos que realizar a EXPANSÃO dos mesmos, isto é, o processo inverso ao da compressão que transforma o sinal codificado em amostras quantizadas Neste sentido não existe processo inverso ao da quantização , pois ao aproximarmos a valores conhecidos iremos cometer erro, ( ERRO DE QUANTIZAÇÃO ), que não será percebido devido as características do ouvido humano.

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O processo de compressão e regido por leis que definem a CURVA que relaciona o nível do sinal comprimido na saída, com o NÍVEL do mesmo sinal na entrada da COMPRESSÃO. Diversas leis foram estudadas, tais como a logarítmica , a hiperbólica e a exponencial, veja a figura abaixo :

FIGURA 5 Após vários estudos ,verificou-se que a curva logarítmica era a mais conveniente por manter a relação RSR constante para grande faixa de valores do sinal de entrada. A compressão de níveis pode ser realizada de duas formas, ANALOGICAMENTE E DIGITALMENTE . Na compansão analógica , as amostras passam por um circuito que utilizam uma combinação de resistores e diodos , de forma a obter a lei utilizada. Em seguida, estas amostras são aplicadas a um quantizador que as aproxima a valores conhecidos, vê-se isto claramente na figura dada abaixo: Os sistemas de compressão analógica foram abandonados, pois apresentavam problemas com variações de temperatura e os circuitos não eram intercambiáveis entre sistemas. A compressão digital, usada em quase todos os equipamentos atuais, consegue um melhor desempenho, usando recursos de compressão e expansão digital que, como veremos, se reduzem na pratica a esquema de conversão de código. I ) PRINCÍPIOS DO MÉTODO DE COMPANSÃO DIGITAL: Faz-se inicialmente uma quantização uniforme do sinal entrante (EIXO HORIZONTAL) com um numero superabundante de níveis.

Básico PCM

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Através de relações definidas, com o auxilio da lei de compressão, reduz-se este numero a um numero bem menor de níveis definidos como adequados para o sinal de saída (EIXO VERTICAL) Como tanto os níveis no eixo horizontal quanto ao eixo vertical podem ser representados por códigos, as relações definidas pela lei de compressão poderão ser expressas em termos de conversão de códigos . Para realizarmos a compressão digital dois padrões são atualmente adotados, sendo eles: --- Lei u ; --- Lei A ; A Lei u e a utilizada em sistemas americanos e japoneses de 24 canais. Também e uma lei de compressão logarítmica, só que a curva e aproximada em 15 segmentos ao invés de 13 segmentos, como e a Lei A A Lei A que e a adotada para sistemas EUROPEUS de 30 + 2 canais e uma lei de compressão do tipo logarítmica onde a curva e aproximada a 13 segmentos de reta . A figura ( fig. 6 ) mostra a curva característica da Lei A . Podemos notar, pelo detalhe da figura que o primeiro segmento de reta possui o mesmo ângulo de inclinação tanto na parte positiva quanto na parte negativa da curva e que este segmento e subdividido em 2 partes. Observamos também um total de 256 níveis quantizados de forma linear. A figura 6, mostra apenas a parte positiva da Lei A aproximada a 7 segmentos de reta. Por esta figura e possível visualizar o numero de níveis de quantização que é de +128 níveis ( para amostras positivas ) e conseqüentemente -128 níveis ( para amostras negativas ). Os valores das amplitudes do sinal de entrada estão normalizadas a 4096 valores unitários.

FIGURA 6

Básico PCM

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Como a lei adotada foi a Lei A , vamos ver as suas características básicas : -----> Cada segmento de reta tem um mesmo numero de níveis ( 16 ) . O segmento I tem 32 níveis , porem ele e subdividido em duas metades , que são consideradas como dois segmentos com a mesma inclinação ; ------>Os intervalos entre os níveis dentro de um mesmo segmento de reta devem ser iguais ; ------>Os intervalos em todos os segmentos devem ser múltiplos inteiros dos intervalos contidos no primeiro segmento ,correspondente as menores amplitudes ,ou seja , se o primeiro segmento tiver intervalos iguais a 1/N , o segundo segmento devera ter intervalos iguais a 1/KN , e o terceiro igual a 1/K'N e assim sucessivamente . Essas características também podem ser observadas na tabela a seguir onde cada segmento e seus respectivos níveis de quantização estão codificados , desde 0 ate 4096, sendo estes valores unitários normalizados, onde 4096 corresponde a uma amplitude de 3,14Dbm. Nota-se nesta tabela que cada segmento e o nível do segmento recebem um certo valor binário que, como veremos mais adiante será o valor QUANTIZADO da amostra . NÍVEL

CODIFICAÇÃO

1

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

01

23

45

67

89

1011

1213

1415

1617

1819

2021

2223

2425

2627

2829

3031

3233

3435

3637

3839

4041

4243

4445

4647

4849

5051

5253

5455

5657

5859

6061

6263

6467

6871

7275

7679

8083

8487

8891

9295

9699

100103

104107

108111

112115

116119

120123

124127

128135

136143

144151

152159

160167

168175

176183

184191

192199

200207

208215

216223

224231

232239

240247

248255

256271

272287

288303

304319

320335

336351

352367

368383

384399

400415

416431

432447

448463

464479

480495

496511

512543

544575

576607

608639

640671

672703

704735

736767

768799

800831

832863

864895

896927

928959

960991

9921023

10241087

10881151

11521215

12161279

12801348

13491407

14081471

14721535

15361599

16001663

16641727

17281791

17921855

18561919

19201983

19842047

20482175

21762303

23042431

24322559

25602687

26882815

28162943

29443071

30723199

32003327

3328358334553456 3584

371137123839

38403967

39684096111

110

101

100

011

010

001

000

CO

IF

D

ICAÇÃO

SEGMENTO

1

2

3

4

5

6

7

Básico PCM

. Página 18

O processo de DECODIFICAÇÃO , a palavra PCM gerará um valor normalizado que é o valor médio entre os possíveis valores que deram origem a palavra PCM . A tabela a seguir nos mostra quais valores normalizados que devem ser gerados . NÍVEL

CODIFICAÇÃO

1

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63

111

110

101

100

011

010

001

000

CO

IF

D

ICAÇÃO

SEGMENTO

1

2

3

4

5

6

7

66 70 74 78 82 86 90 94 98 102 106 110 114 118 122 126

132 140 148 156 164 172 180 188 196 204 212 220 228 236 244 252

264 280 296 312 328 344 360 376 392 408 424 440 456 472 488 504

528 560 592 624 656 688 720 752 784 816 848 880 912 944 976 1008

1056 1120 1184 1248 1312 1376 1440 1504 1568 1632 1696 1760 1824 1888 1952 2016

2112 2240 2368 2496 2624 2752 2880 3008 3116 3264 3392 3520 3648 3776 3904 4032

CODIFICAÇÃO E DECODIFICAÇÃO : A codificação é a operação que associa um determinado código a cada valor de pulsos PAM após serem quantizados e comprimidos . A necessidade da codificação dos pulsos PAM vem do fato que caso estes pulsos fossem transmitidos diretamente , as amplitudes dos sinais seriam facilmente distorcidos pelo meio de transmissão , e os circuitos de identificação dos diversos níveis sem codificação seriam extremamente complexos, já que teríamos pelo menos cerca de 100 níveis para transmitir sinais de voz. Utilizando o código binário os pulsos são codificados por dois níveis de amplitudes possíveis expresso por 1 ou 0 o que simplifica em muito os circuitos de reconhecimento destes sinais . Basicamente o processo de codificação consiste em associar um código binário a cada segmento e cada nível do segmento , as tabelas mostradas a seguir ilustram este fato .

Básico PCM

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SEGMENTO CÓDIGO BINÁRIO I 000 I' 001 II 010 III 011 IV 100 V 101 VI 110 VII 111

NÍVEL DO SEGMENTO CÓDIGO BINÁRIO 1 0000 2 0001 3 0010 4 0011 5 0100 6 0101 7 0110 8 0111 9 1000 10 1001 11 1010 12 1011 13 1100 14 1101 15 1110 16 1111

Podemos observar pelas tabelas de codificação mostradas atrás, que o processo de aproximação na codificação é a própria quantização e que nos atuais sistemas PCM o CODIFICADOR COMBINA AS OPERAÇÕES DE QUANTIZAÇÃO, COMPRESSÃO E CODIFICAÇÃO . O codificador converte as amplitudes dos pulsos PAM num código binário de 8 bits, que já se encontra na forma comprimida. A operação inversa é chamada de DECODIFICAÇÃO. Os codificadores podem ser classificados em 3 categorias principais: A) POR CONTAGEM DE PULSO ( um pulso por vez ): Codificador por contagem de pulso não é suficientemente rápido e geralmente não é usado. B) PARALELO ( um pulso por vez ) : Codificador paralelo é caro , necessita de maior espaço e apresenta maior consumo de energia. Por isto, também não é utilizado.

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C) SÉRIE ( um bit por vez ) : Codificador série é um meio termo racional entre os dois dispositivos vistos anteriormente e é aquele geralmente usado . Outros métodos de codificação atualmente estão sendo pesquisados tais como o ADM e o DCPM. Não analisaremos mais profundamente nenhum desses métodos porque fogem a finalidade desta introdução. Finalizando , temos um código de 8 bits , que é denominado PALAVRA PCM, sendo que , apresenta as seguintes características, sendo elas dadas na página seguinte, juntamente com um gráfico ilustrativo da função de cada bit

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 . 1= SUPERIOR 0= INFERIOR Bit 2 , 3 e 4 --> Segmento : indica qual o segmento ( de 1 a 7 ) dentro da metade definida pelo primeiro bit em que se encontra a amostra em questão . Bit 5, 6, 7 e 8 --> Nível do segmento : indica qual o nível (1 a 16 ) em que foi quantizada a amostra do segmento. 2.3.3 - CODIFICAÇÃO DE LINHA. Antes de ser inserido na linha, um sinal PCM deve passar por uma nova codificação chamada CODIFICAÇÃO DE LINHA. Essa codificação é feita devido as seguintes razões: a) A linha que transporta o sinal PCM deve simultaneamente transportar a alimentação CC aos regeneradores de linha . Esta alimentação é feita através de transformadores para acoplar o sinal PCM a linha .Faz-se necessário então , que a referida codificação de linha não contenha componentes contínuas , pois estes transformadores bloqueiam estas componentes. b) O conteúdo da energia de código de linha na região de baixa frequência deve ser o menor possível .Isto reduz a interferência dos sistemas PCM nas linhas de voz que coabitam o mesmo cabo.

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c) A máxima densidade espectral de energia do sinal PCM deve se concentrar na frequência de relógio ( metade da frequência de repetição de bits ) , pois é esta a componente mais importante para a correta regeneração dos pulsos nos repetidores de linha. d) Também na região de altas frequências ( ao redor da frequência de repetição dos pulsos 2048 Mhz ) a densidade espectral do sinal PCM deve ser baixa para minimizar os efeitos da diafonia entre os sistemas PCM . e) Permitir a auto sincronização , no caso de código de bloco e a extração da informação de relógio em qualquer ponto ao longo da linha. f) Ser transparente , ou seja , ser independente da sequência de fonte. Vários códigos de linha foram desenvolvidos visando obter tais resultados, abaixo citamos alguns deles: --- 4B3T : Quatro Binários Três Terciários --- MS4B: Conceitualmente análogo ao 4B3T --- mBnB: Usado em linha óptica --- AMI --- HDB3 Estes dois últimos códigos citados , AMI e HDB3 , são os mais usados na prática, portanto sendo descritos nos ítens subseqüentes. CÓDIGO AMI ( Alternative Mark Inversion ): A codificação AMI usada no PCM 1a ordem , consiste em termos o sinal binário , chamado também de não retorno a zero ( NRZ ) devido a marcas ( pulsos 1 ) permanecerem 100% do tempo do bit , em um sinal bipolar com retorno a zero ( RZ ) , isto é cada marca ocupa 50% do tempo de um bit e as mesmas tem polaridades alternadas. Na figura exibida abaixo veremos como é feita a codificação AMI :

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FIGURA 7 Portanto , podemos resumir a codificação AMI em dois ítens que são : ----> Tomar o sinal NRZ em um sinal RZ , fazendo com que as marcas de duração de 488nS passem a ter duração de 244mS. ----> Inverter as marcas alternadamente, de forma que duas marcas consecutivas tenham polaridade opostas. Esse código elimina a componente CC no sinal e sua densidade espectral é reduzida. CÓDIGO HDB-3 ( High Density Bipolar - 3 ) A finalidade dos códigos denominados HDB é limitar o número de zeros em uma sequência . Uma sequência grande de zeros pode reduzir a componente espectral na frequência do código a um valor muito pequeno tornando difícil ou mesmo impossível a sua recuperação nos repetidores de linha, sendo gerada uma elevada taxa de erro na saída destes repetidores. Quando o sistema PCM for constituído apenas por canais de voz, essa sequência grande de zeros é pouco provável . Entretanto , quando vários canais de Transmissão de Dados são usados simultaneamente com canais de voz, essa possibilidade não é desprezível . O código HDB-3 trabalha como o AMI, a menos da limitação do número de zeros em uma sequência, no máximo , de três zeros consecutivos. Para a perfeita compreensão das regras que compõem a codificação HDB-3 é importante definir alguns conceitos, tais como: a) SINAL BIPOLAR E DENOMINAÇÃO DOS ESTADOS: O sinal dito bipolar é aquele que possui duas polaridades denominadas B+ , B - (marcas ) e o estado zero .

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B+B-

ESTADO "0" ( ESPAÇO )

b) VIOLAÇÃO DA REGRA AMI : As violações da regra AMI são pulsos que tem a mesma polaridade do pulso anterior, podendo ser positivos, chamadas violações ( V+ ) ou negativas , chamadas violações negativas ( V - ) . A seguir, mostramos abaixo as regras da codificação HDB-3: ---> O 2o e 3o espaços da sequência serão sempre representados por zeros. ---> O 4o espaço da sequência será sempre substituído por uma violação ( um pulso de polaridade inversa ao último pulso de violação ). ---> No 1o espaço da sequência faz-se a seguinte pergunta: Quebrou a regra AMI? Em caso afirmativo: Codificar o 1o intervalo como “0”; Em caso negativo: Codificar o 1o intervalo com uma marca de mesma polaridade da última violação. A figura abaixo nos apresenta um exemplo de codificação HDB-3:

FIGURA 8 O fluxograma da figura 9 mostra simplificadamente os passos que devem ser tomados quando do aparecimento de quatro zeros consecutivos:

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1o espaço

Verificar a violação

precedente

polaridade que a

marca precedente

? Codificar como

marca B+ ou B-

sem violação

Codificar como

espaço ( zero )

2o e 3o espaços

codificar como

espaços ( zeros )

4o espaço

Codificar como

violação V+ ou V-

NÃO SIMÉ de mesma

FIGURA 9 Para a decodificação de sinais HDB-3 para sinais binários ( NRZ ) é feita de acordo com as seguintes regras : ---> Os espaços em sinais HDB-3 sempre decodificados como espaços. ---> As marcas bipolares em sinais HDB-3 sempre são decodificados como marcas, exceto quando seguidas de uma combinação 00V+ ou 00V- e precedidas de uma marca ( B+ , B-- , V+ ou V- ) . ----> V+ ou V- são decodificados como espaços se forem precedidos de combinação MB00 ou M000 onde M é uma marca. 2.3.4 – RECEPÇÃO. Aqui ocorre o processo inverso . Temos um sinal codificado PCM. Realiza-se então a decodificação , obtendo-se as amostras do sinal original. Passando por um filtro passa-baixa recupera-se o sinal x(t).

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2.4 - Estrutura Final Quadro e Multiquadro do PCM - 2Mbits