2 de Equipos Electrnicos de Consumo Mdulo: Equipos Microinformticos y Terminales de Comunicacin I.E.S. Luis Bueno Crespo Avd. de las Palmeras s/n Armilla (Granada) 18100

TECNICAS DE MODULACIN DE IMPULSOS CODIFICADOS (MIC) JERARQUA DE LOS SISTEMAS DIGITALES SNCRONA (JDS) Y PLESICRONA (JDP)

Daniel Ruiz Ocaa

ndice- Tcnicas MIC. - Generalidades. - Muestreo. - Teorema de muestreo. - Cuantificacin. - Uniforme. - No uniforme. - Ley A. - Codificacin. - Decodificacin. - Canal MIC. - Multiplexacin por Distribucin en el Tiempo. - Multiplex MIC de 30 canales. - Estructura de trama. - Estructura de multitrama. - Alineacin y sealizacin. - Jerarqua de los Sistemas Digitales (MDT). - Jerarqua Digital Plesicrona (JDP). - Ventajas. - Inconvenientes. - Jerarqua Digital Sncrona (JDS). - Ventajas. - Inconvenientes. - Trama y multitrama de un multiplex MIC de 30 canales. - Esquema de bloques de JDP. - Esquema de bloques de JDS.

Tcnicas MIC. Generalidades.En los aparatos telefnicos habituales, las ondas sonoras procedentes de la voz humana se transforman en una corriente elctrica cuyas fluctuaciones siguen fielmente las fluctuaciones de la voz transmitida. Esta seal elctrica por ser anloga a la onda sonora original, se denomina seal analgica y es una funcin continua en el tiempo.

Seal analgica

A diferencia de la seal analgica, la seal numrica (digital), slo puede tomar ciertos valores discretos, por ejemplo, el valor "1" y el valor "0". A este tipo de seal numrica, que solo puede tomar dos valores, se le llama seal numrica binaria.

Seal digital

Los smbolos "1" y "0" se llaman bits y representan la existencia o no de un impulso. Una sucesin continua de "1's" y "0's" se llama secuencia.

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Modulacin por impulsos modificados. (MIC) La modulacin por impulsos modificados (MIC), es un procedimiento de modulacin utilizado para transformar una seal analgica en digital. Estas tcnicas estn compuestas por tres aplicaciones que son: - Muestreo. - Cuantificacin. - Codificacin. Muestreo. Es el proceso mediante el cual se transforma una seal analgica en una serie de impulsos de distinta amplitud, llamadas muestras. - Teorema de muestreo. Es posible recuperar una seal analgica a partir de sus muestras, siempre que estas hayan sido tomadas con una frecuencia de muestreo mayor que el doble de la frecuencia mxima de la seal analgica original. El teorema de muestreo es 2 x Fr de la seal mxima. Cada muestra se coge cada 125 ns (nanosegundos). De acuerdo con la teora de la informacin, si queremos enviar una seal (frecuencia) de un punto a otro, no es necesario transmitir la seal completa, slo es suficiente transmitir trozos (muestras) de la seal tomada, por lo menos al doble de la frecuencia de la seal. Por ejemplo, si queremos transmitir una seal de 4Khz, es suficiente con tomar muestras a una velocidad de 8 Khz o mayor. En estas condiciones, en el terminal distante se puede reconstruir con suficiente aproximacin la seal original a partir de las muestras tomadas. La rapidez o frecuencia con que se toman las muestras, recibe el nombre de frecuencia de muestreo.

De acuerdo con el teorema del muestreo, las seales telefnicas de frecuencia vocal (que ocupan la Banda de 300 a - 3.400 Hz), se han de muestrear a una frecuencia igual o superior a 6.800 Hz (2 x 3.400). En la prctica, sin embargo, se toma una frecuencia de muestreo FM = 8.000 Hz. Es decir, se toman 8.000 muestras por segundo que corresponden a una separacin entre muestras de: 1 T=------------- = 0,000125 seg. = 125 s

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Cuantificacin. Es el proceso mediante el cual se asignan valores discretos a las amplitudes de las muestras obtenidas en el proceso de muestreo. Las muestras obtenidas a partir de la seal original no se envan directamente a la lnea, ya que poseen muy poca inmunidad al ruido. Estas muestras tienen un rango de amplitudes que varia de forma continua. Los intervalos de cuantificacin son todas las muestras cuya amplitud cae dentro de un mismo intervalo y se le asigna el mismo valor.

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- Cuantificacin uniforme. La distorsin o ruido de cuantificacin es la misma cualquiera que sea el nivel de la seal que se muestrea. Toda la gama de amplitudes que pueden tomar las muestras, o gama de funcionamiento se divide en intervalos iguales y a todas las muestras cuya amplitud cae dentro de un intervalo, se les da el mismo valor, se denomina cuantificacin, y a cada intervalo en que se ha dividido la gama de funcionamiento se le llama intervalo de cuantificacin. Cada intervalo de cuantificacin esta limitado por dos valores de decisin. Los valores de decisin situados en los extremos de la gama de funcionamiento se llaman valores virtuales de decisin, y limitan la mxima amplitud de seal que se puede transmitir sin recorte de crestas. Al nivel que posee esta seal se le denomina nivel de sobrecarga.

Este proceso introduce un error, ya que se sustituye la amplitud real de la muestra, por un valor aproximado, llamado error de cuantificacin. Se puede reducir aumentando el nmero de intervalos de cuantificacin, pero existen limitaciones de tipo prctico que obligan a que el nmero de intervalos no sobrepase un determinado valor. Una cuantificacin de este tipo, en la que todos los intervalos tienen la misma amplitud, se llama cuantificacin uniforme. La diferencia Vs - Ve es el error de cuantificacin.

Relacin entrada-salida de un cuantificador uniforme.

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- Cuantificacin no uniforme. Se toma un nmero determinado de intervalos y se distribuyen de forma no uniforme aproximndolos en los niveles bajos de seal y separndolos en los niveles altos, as para las seales dbiles es como si se utilizase un nmero muy elevado de niveles de cuantificacin, con lo que se produce una disminucin de la distorsin de cuantificacin, con la consiguiente mejora de la relacin seal/ruido.

Relacin entrada-salida de un cuantificador no uniforme. Vs - Ve es el error de cuantificacin.

De esta manera los intervalos son ms pequeos y las muestras ms pequeas, y los intervalos ms grandes para las muestras ms grandes.

Error en la cuantificacin.

Para realizar una cuantificacin no uniforme, se pueden seguir dos procedimientos. Uno de ellos consiste en construir un dispositivo que realice directamente la ley de cuantificacin deseada.

ndice El otro consiste en hacer pasar previamente las muestras por un compresor instantneo, que amplifica las seales dbiles y atena las fuertes, y hacer despus una cuantificacin uniforme. Lgicamente, en el extremo receptor ha de haber otro dispositivo que corrija el efecto del compresor y asigne a las muestras su valor original. Tal dispositivo se llama expansor y su caracterstica se ha de complementar con la del compresor para reducir al mnimo la distorsin de la seal. Por eso este segundo procedimiento se llama tambin de compresin y expansin.

Cuantificacin mediante compresin y expansin.

- Ley A. La ley A est formada por 16 segmentos de cuantificacin 8 positivos y 8 negativos. Normalmente los cuatro segmentos centrales se les consideran como un nico segmento (el 7) de manera que la ley A se le conoce tambin como ley A de 13 segmentos.

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Mediante la compresin, hemos aumentado en 24 dB el nivel de las muestras ms pequeas, con lo cual hemos mejorado su relacin seal/ruido en 24 dB y como cada 6 dB implica el ahorro de un bitio en la representacin del nivel de una muestra. Entonces, si en una cuantificacin uniforme necesitarnos nmeros binarios de 12 bits para representar cada uno de los 4.096 intervalos de cuantificacin, en una cuantificacin no uniforme que utilice la ley A seran suficientes 8 bits para conseguir la misma relacin seal/ruido en las seales de nivel bajo. Como la pendiente en el origen de la ley A es 16, el segmento que la aproxima en el origen tiene la misma pendiente. La pendiente de los dems segmentos se va reduciendo a la mitad a medida que se alejan del punto central de la caracterstica. Codificacin. La codificacin es el proceso mediante el cual se representa una muestra cuantificada, mediante una secuencia binaria. (1 bit) para indicarnos positivo o negativo (P). (3 bits) para analizar los segmentos (A). (4 bits) presenta nivel de cuantificacin de cada segmento (B).

En telefona se utilizan 256 intervalos de cuantificacin, para presentar las posibles muestras, y es necesario secuencias de 8 bits para representar todos los intervalos de cuantificacin. Decodificacin. La decodificacin es el proceso por el cual se reconstruye las muestras a partir de una seal numrica procedente de lneas, este proceso se hace en un aparato llamado decodificador.

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Canal MIC. El canal MIC es una seal de datos de 64000 bits/seg. Una seal se muestrea a una velocidad de 8000 muestras/seg. Cada muestra la codificamos con 8 bits. El canal vocal queda transformado en un circuito de 8000 muestras/seg x 8 bits = 64000 bits/seg. Se le llama canal MIC al flujo de 64000 bits/seg en que se convierte un canal vocal al aplicar las tcnicas MIC. Multiplexacin por distribucin en el tiempo (MDT). Es el tipo de multiplexacin ms utilizado en la actualidad, especialmente en los sistemas de transmisin digitales. Es una tcnica mediante la cual se aprovecha el intervalo de tiempo entre dos muestras consecutivas del mismo canal, para intercalar en l muestras de otros canales. El ancho de banda total del medio de transmisin es asignado a cada canal durante una fraccin del tiempo total.

Multiplex MIC de 30 canales. El equipo mltiplex MIC permite obtener mediante las tcnicas MIC y MDT, una seal numrica a partir de un cierto nmero de canales analgicos, y que realiza tambin la funcin inversa. Este equipo tiene varias entradas analgicas y una salida numrica. El mltiplex MIC de 30 canales, es el utilizado en Europa, este sistema mltiplex debera tener 30 intervalos de tiempo, pero tiene 32, 30 se emplean para los canales vocales, uno para sealizacin y otro para alineacin, a este sistema se le llama sistema MIC de 30 ms 2 canales.

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- Estructura de trama. Como la frecuencia de muestreo es de 8.000 Hz, la separacin entre dos muestras consecutivas del mismo canal es 125 s. Cada trama est dividida en 32 intervalos de tiempo con una duracin por intervalo de tiempo de 3,9 s. Como cada intervalo de tiempo comprende 8 bits, la duracin de cada bits es de 0,488 s o lo que es lo mismo 488 ns.

Para el funcionamiento de los sistemas MIC es necesario emplear un mnimo de 16 tramas. Al conjunto formado por las 16 tramas se le llama multitrama. Las 16 tramas que componen una multitrama se numeran del O al 15. - Estructura de multitrama. En cada trama se pueden sealizar dos canales, por lo que es necesario utilizar 15 tramas para sealizar el total de los canales, de forma que se necesita una seal de alineacin de trama para enviar la informacin de un canal a otro canal correspondiente, tambin es necesario una seal de alineacin para poder asignar correctamente las informaciones de sealizacin.

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- Alineacin y sealizacin. - Alineacin: la misin del terminal receptor no consiste solamente en recibir los bits entrantes de la forma correcta, sino tambin en asignar a cada bit la posicin correcta en un intervalo de tiempo, y en enviar a cada canal vocal los bits del intervalo de tiempo que le corresponden. Es necesario, pues, una sincronizacin que nos indique el comienzo de cada trama. - Sealizacin: en los mltiplex MIC, las tcnicas MIC se utilizan para digitalizar las seales vocales de conversacin, pero adems de estas seales hay que transmitir las seales correspondientes a la sealizacin. Se denomina sealizacin a todo tipo de informacin, establecimiento, control y supervisin de la comunicacin. La sealizacin telefnica puede ser de dos tipos: - Sealizacin de abonado. - Sealizacin entre centrales.

Alineacin y Sealizacin de la Trama.

Trama: El terminal receptor es el que recibe los bits entrantes, asigna a cada bit la posicin correcta en un intervalo de tiempo y enva a cada canal vocal los bits del intervalo de tiempo. Multitrama: Cuando se hayan recibido con error dos seales consecutivas de alineacin de multitrama se considerar que se ha perdido la alineacin.

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Jerarqua de los sistemas digitales MDT. Es el conjunto de la estructura de transmisin digital estandarizados para el transporte de seales sobre redes fsicas de transmisin. Para los sistemas MDT, las crecientes exigencias del trfico telefnico imponen el estudio y la realizacin de sistemas de mayor capacidad. Cuanto mayor sea el nmero de canales que comparten un mismo medio de transmisin, ms reducido resulta el costo de cada canal.

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Jerarqua Digital Plesicrona (JDP). Es una tcnica que se emplea en las redes telefnicas para la transformacin (proceso de muestreo, cuantificacin y codificacin) de las seales analgicas en digitales conocida como MIC, que permite la utilizacin mltiple de una lnea, mediante la multiplexacin por divisin de tiempo, al funcionamiento de la JDP es que a nivel mas bajo se multiplexan las seales de entrada, por cada canal, a nivel de octeto, mientras que los niveles superiores se hace a nivel de BIT. Transportar grandes cantidades de informacin sobre un transporte digital equipado con fibra ptica y sistemas de microondas. - Ventajas: Primer nivel (2 Mb/s) organizado en octetos. Resto en bits. Duracin de las tramas no uniforme. Se necesita seal de alineamiento de tramas a todos los niveles. Baja capacidad de supervisin y canales de servicio. Ausencia de gestin de Red. Equipos de lnea no estandarizados, incompatibilidad entre suministradores. Rigidez en la multiplexacin. - Desventajas: No permite fcilmente la extraccin/insercin de velocidades inferiores. Disponemos de poca capacidad de informacin para las funciones de explotacin de los sistemas. Las funciones de terminacin de lnea y de multiplexacin estn totalmente separadas. Carece de normalizacin a nivel internacional de los interfaces de lnea. Jerarqua Digital Sncrona (JDS). Este concepto de red ha surgido de la evolucin de las redes telefnicas tradicionales, dedicadas a la provisin del servicio telefnico bsico. Necesita la utilizacin de la fibra ptica como medio de transmisin, as como de la necesidad de sistemas ms flexibles y que soporten anchos de banda elevados. - Ventajas: El proceso de multiplexacin es mucho ms directo. Las seales de velocidades superiores son sncronas entre s y estn en fase. Las tramas tributarias de las seales de lnea pueden ser subdivididas para acomodar cargas plesicronas. Compatibilidad elctrica y ptica entre los equipos de los distintos proveedores gracias a los estndares internacionales. - Desventajas: Algunas redes PDH actuales presentan ya cierta flexibilidad y no son compatibles con SDH. Necesidad de sincronismo entre los nudos de la red SDH. El principio de compatibilidad ha estado por encima de la optimizacin de ancho de banda. El nmero de Bytes destinados a la cabecera de seccin es demasiado grande. ndice

Trama y multitrama de un multiplex MIC de 30 canales

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Esquema a bloques de JDP

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Esquema a bloques de JDS

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