sistemas telefónicos

Práctica II Introducción a los sistemas

telefónicos

Índice

2 Práctica II Introducción a los sistemas telefónicos .........................................................2-1 2.1 Objetivos .................................................................................................................2-1 2.2 Introducción.............................................................................................................2-1 2.3 Comunicación telefónica entre ‘N’ usuarios ............................................................2-2

2.3.1 Funciones básicas a realizar por los elementos de la red ...............................2-4 2.3.2 Realización del aparato telefónico ...................................................................2-5 2.3.3 Realización de la central ..................................................................................2-9 2.3.4 El medio de transmisión.................................................................................2-13

2.4 Multiplexación por división en el tiempo, sistema MIC..........................................2-14 2.4.1 El múltiplex TDM. sistema MIC 30+2.............................................................2-15

2.5 Descripción de los equipos de la práctica. ............................................................2-16 2.5.1 Interfaz de abonado. ......................................................................................2-16 2.5.2 MIC 30+2. ......................................................................................................2-18

2.6 Desarrollo de la práctica........................................................................................2-20 2.6.1 Bucle de abonado analógico. Central por conmutación espacial. .................2-21 2.6.2 Central digital. Conmutación por división en tiempo. .....................................2-21

2-1

2 Práctica II Introducción a los sistemas telefónicos

2.1 Objetivos

Esta práctica tiene como objetivos principales:

• Entender el concepto de conmutación de circuitos (espacial y temporal).

• Comprender la estructura y funcionamiento de la Red Telefónica Conmutada

• Describir una primera aproximación a la problemática de una red de comunicaciones.

- Topología de red.

- Necesidad de protocolos.

- Elementos de una red.

• Estudiar las partes y el funcionamiento de los elementos que componen una red telefónica analógica.

- Aparato telefónico.

- Centrales.

- Medios de transmisión.

• Entender el concepto de multiplexación.

• Familiarización con los sistemas MIC 30+2 (PCM).

• Establecimiento y monitorización de una comunicación múltiplex, tanto punto a punto como punto a multipunto.

2.2 Introducción

Para conseguir los objetivos propuestos tomaremos como ejemplo un caso real, concretamente, la Red Telefónica Conmutada (RTC). Esto, además, nos permitirá adquirir los conocimientos básicos de la estructura de esta red, su funcionamiento genérico y el de los principales elementos que la componen.

Prácticas del Laboratorio de telemática I

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En un primer momento se expondrá la problemática de la interconexión entre N usuarios, obteniendo en una primera aproximación la estructura de la red. Con ello se podrá profundizar en cada uno de los elementos que la componen dando su descripción modular según las funcionalidades de cada uno de ellos. A continuación se expone la estructura real de la RTC donde se hace necesaria la interconexión entre centrales. Esta interconexión se puede realizar por medio de técnicas de multiplexación en el tiempo (TDM) o en frecuencia (FDM).

En el Laboratorio se dispone de una central que permite el acceso a un TDM, conocido como tren de pulsos codificados MIC 30+2. En este punto de la práctica se introduce, por tanto, el tren MIC exponiendo en primer lugar y como herramienta de comprensión previa, los conceptos teóricos básicos de la conversión analógico-digital y digital-analógica. Así, se estudiará el ruido de cuantificación y la necesidad de una ley de compresión-expansión para optimizar la relación señal-ruido de cuantificación (ley A). Se analizará además la estructura del tren PCM, para acabar realizando una comunicación entre abonados mediante conmutación digital, explorando las grandes posibilidades que tiene este tipo de conmutación (multiconferencia, redireccionamiento, etc.) cada vez más usada en la red telefónica convencional.

Por último, durante la sesión de prácticas se utilizará una pequeña central que permite mantener conversaciones telefónicas entre un número reducido de usuarios.

2.3 Comunicación telefónica entre ‘N’ usuarios

Partiendo del caso obvio de la comunicación entre dos únicos usuarios vamos a plantearnos el problema de construir una red de telefonía para N usuarios. En una primera aproximación podríamos construir una red en la que cada usuario estuviese conectado de forma directa con todos los demás. Este esquema de red recibe el nombre de red mallada. El problema de esta estructura es que el número de conexiones crece de forma cuadrática con el número de usuarios.

Así, si queremos conectar a 1000 usuarios, se necesitarían del orden de medio millón de parejas de cables, llegando a cada usuario 999 conexiones de los otros usuarios. Es evidente que esta solución es inviable, sobre todo teniendo en cuenta que en una red telefónica no hay mil sino millones de usuarios. Debemos pues, buscar otra configuración distinta para nuestra red que minimice el número de cables o conexiones, es decir, una red en estrella como la que se presenta en la Figura 2.1.

Con esta configuración el número de cables se minimiza pues a cada usuario le llega el número mínimo de conexiones, o sea, una. Sin embargo el ahorro de conexiones tendrá (como todo en esta vida) algún precio. En este sistema aparece un nuevo elemento, la central. Cada vez que dos usuarios quieran mantener una conversación, la central se encargará de unir físicamente los cables de los usuarios, deshaciendo esta unión cuando terminen la conversación.

Práctica 2: Introducción a los sistemas telefónicos

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usuario 1

usuario 2

usuario 3

usuario N

Central

usuario 4

Figura 2.1 Red en estrella

Sin embargo, esta red puede resultar inviable si el número de usuarios es demasiado grande (millones) o están muy alejados. Una solución para dar servicio a un número muy elevado de usuarios sería ir agrupando a un número adecuado de ellos alrededor de una central como la descrita anteriormente. Esto nos soluciona el problema del crecimiento de la matriz de conmutación, pero aparece un nuevo problema, el de como conectar a usuarios unidos a distintas centrales. Para solucionarlo deberíamos construir un sistema, una nueva red, para conectar las centrales entre sí, de tal manera que se pudiesen hacer conexiones entre los usuarios de distintas centrales. Nos encontramos con el problema de partida, salvo que los usuarios ahora son las centrales. Para el diseño de esta red podríamos seguir el procedimiento anterior, determinando:

• Topología de la red.

• Forma de comunicar a los usuarios.

• Los elementos necesarios para esta comunicación y sus funciones.

• Realización física de cada uno de los elementos.

Para la conexión de las distintas centrales podríamos emplear una estructura como la descrita anteriormente. Tendríamos una red en estrella, en la que cada una de las centrales conectadas directamente a los abonados, que podemos llamar centrales locales, estaría conectada a las demás a través de una nueva central llamada central primaria. De esta forma una central local podría interconectar a los habitantes de una ciudad, utilizando una central primaria para interconectar a varias ciudades. En el caso en el que la ciudad fuese grande, las centrales locales se encargarían de grupos de habitantes (por ejemplo, barrios) que se interconectarían a través de una central primaria. Varias centrales primarias podrían conectarse entre sí, de la misma forma, a través de una nueva central secundaria, de tal manera que pudiesen conectarse todos los habitantes de una provincia. Esta estructura se puede ver en la Figura 2.2.

De esta forma se puede crear una jerarquía de redes en estrella que nos permita interconectar a los habitantes de zonas geográficas cada vez más extensas.

Por último, comentar que las conexiones entre las centrales deben permitir la comunicación simultánea de varios abonados. Esto influirá en los elementos que componen la red y sobre todo, en el medio de transmisión que las una. Los enlaces entre ellas emplean dos técnicas que permiten varias comunicaciones simultáneas, FDM (división múltiple en frecuencia) y TDM (división múltiple en tiempo). En el Laboratorio se dispone de una central que permite la


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comunicación entre centrales y conmutación entre abonados a través de un sistema TDM conocido como tren de pulsos codificados ó MIC 30+2, y que es introducido en la sección 4.

En los siguientes apartados se exponen las principales funcionalidades lógicas de cada uno de estos elementos más una descripción detallada en cuanto a los bloques físicos que los constituyen.

Central Primaria

Central Secund.

Central Primaria

Central Primaria

Central Primaria

Central Primaria

U N

U 1

U 2 U 3

C. Local

C. Local

C. Local

Figura 2.2 Red jerárquica.

2.3.1 Funciones básicas a realizar por los elementos de la red

Claramente se distinguen tres tipos de elementos: aparato telefónico, central y medio de transmisión. Veamos las principales funcionalidades de cada uno de ellos:

Aparato telefónico: Entre otras cosas propias del interfaz con el usuario, el aparato telefónico debe ser capaz de establecer una comunicación entre el mismo y la central, de tal manera que pueda informar, primero de su intención de comunicar y segundo del número (identificativo) del abonado al que quiere llamar (un sistema de marcación).

Central: El trabajo de la central se concentra durante el establecimiento y liberación de la llamada. Un listado secuencial de las funciones a realizar serían las siguientes:

• Detectar cuando un usuario quiere comunicar con otro. Esta situación se produce cuando el usuario descuelga el teléfono, por tanto, lo que necesita detectar es cuando se descuelga un teléfono.

• Enviar al abonado que llama la información para que pueda realizar la marcación del número, siempre en el caso de tener recursos disponibles.

• Interpretar las señales que le envíe un abonado para indicarle el número con el que quiere comunicar.

• Comprobar que el abonado al que se llama no está ocupado con otra llamada. Para esto basta comprobar que tiene el teléfono colgado.


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• Enviar al abonado que llama la información sobre la situación del abonado llamado. Para ello se pueden enviar señales acústicas.

• En el caso de que el abonado al que se llama no esté ocupado, enviarle una señal que haga sonar su timbre para indicarle que alguien quiere comunicar con él.

• Detectar si el abonado llamado responde, o sea, si descuelga el teléfono.

• En el caso en que esto se produzca, la central dejará de enviar la señal que hace sonar el timbre y realizará una conexión física entre los cables de los dos abonados.

• Por último, detectar cuando termina la conversación y deshacer entonces la conexión física. Para determinar esto basta con detectar cuando algún abonado cuelga el teléfono.

Medio de transmisión: Como veremos en la sección siguiente, gracias a la bobina híbrida del aparato telefónico la transmisión usuario-central se puede hacer por medio de un par de cables, siempre que cumplan los requisitos de ancho de banda propios de la voz.

2.3.2 Realización del aparato telefónico

Supongamos que la línea física entre ambos ya está realizada, entonces un esquema posible de este sistema sería el de la Figura 2.3.

usuario 1 usuario 2

Figura 2.3 Circuito de telefonía. Primera aproximación.

El aparato telefónico estaría compuesto por dos transductores. Un transductor acústico-eléctrico, (micrófono) será el encargado de traducir la voz en una señal eléctrica capaz de viajar por el medio de transmisión, en nuestro caso un cable. El otro, el auricular, se encargará de traducir la señal eléctrica enviada por el otro comunicante en una señal acústica.

El esquema anterior permite la comunicación entre dos usuarios, pero tiene algunas deficiencias. La primera surge de la necesidad de que un usuario avise al otro cuando quiera comunicarse con él. Por tanto, el aparato telefónico, debe tener algún sistema que permita avisar al otro usuario cuando queramos hablar con él y viceversa. Una forma sencilla de realizar esto sería dotar a cada teléfono de un timbre y un generador de un tono capaz de hacer sonar el timbre del comunicante remoto, como se observa en la Figura 2.4.

Esta fue la primera solución en los albores de la telefonía con las tradicionales dinamos para generar la energía suficiente. Pronto esta función se trasladó a la central de manera que este


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generador de tonos, como la corriente de campaneo, no se encuentra ya ubicada en el mismo teléfono.

Usuario 2

Aparato telefónico

Usuario 1

Aparato telefónico

Gen tonos

Timbre

Transductores

Gen tonos

Timbre

Transductores

Figura 2.4 Circuito de telefonía. Segunda aproximación.

La segunda cuestión, es que tal y como se representa el sistema en la Figura 2.3 necesitaríamos cuatro cables para unir a los dos usuarios, dos para cada sentido de la comunicación. Podríamos pensar en añadir algún elemento a nuestro teléfono que nos permita reducir el número de cables. A este elemento se le conoce con el nombre de bobina híbrida y explicaremos su funcionamiento en la siguiente sección.

Podemos hacer ahora un esquema más realista, en la Figura 2.5 de nuestro sistema, en el que podemos distinguir básicamente dos elementos, el aparato telefónico y el medio de transmisión.

Timbre

hibridaBobina

Timbre

hibridaBobina

Figura 2.5 Circuito de telefonía. Tercera aproximación.

Por tanto el medio de transmisión podría ser simplemente un par de cables. Por otro lado es necesario incluir un sistema para marcar los números de abonado. El más típico, aunque ya anticuado, consiste en un disco giratorio con un resorte y una serie de contactos equiespaciados, de tal manera que cuando el disco recupera su posición normal (después de haberlo girado como ya todos sabemos) estos contactos hacen de interruptores provocando situaciones de colgado-descolgado. Esto provoca en la salida del detector de colgado-descolgado de la central unos pulsos que el registrador se encargará de interpretar como el número marcado.


2-7

Bobina híbrida

Un esquema de la función que debe realizar sería el de la Figura 2.6.

Bobina híbrida

Bobina híbrida

Va(t) Vb(t)

Vb(t) Va(t)

Vb(t)

Va(t)

Figura 2.6 Función de la bobina híbrida.

Vamos a partir del circuito de la Figura 2.7 (fácilmente analizable por superposición) y ayudados de nuestros conocimientos en teoría de circuitos, vamos a ir añadiendo elementos que nos permitan diseñar un circuito que cumpla la función deseada.

Va(t) Vb(t)

(Va + Vb)/2

línea telefónica

Za Zb

Figura 2.7 Modelo simplificado de canal telefónico.

En este circuito el micrófono se puede modelar como un generador de tensión y suponemos que Za y Zb son iguales. Para obtener, por ejemplo, Vb a partir de la tensión de la línea telefónica, podríamos actuar tal como se muestra en la Figura 2.8.

En la práctica la tensión que genera el micrófono es muy débil y conviene amplificarla. Por lo tanto, al circuito anterior le añadiremos un amplificador a la salida del micrófono. Esta amplificación se puede realizar con un simple operacional. Es conveniente usar un amplificador inversor, pues la tensión del micrófono se debe de restar a la de la línea. Sólo nos queda ahora realizar el sumador y conectar su salida al auricular. Para realizar este sumador usaremos también un operacional. Esto puede verse en la Figura 2.9.


2-8

Va(t) Vb(t)

(Va + Vb)/2

línea telefónica

Za Zb

x2

+-

Hacia el auricularVb(t)

+

Figura 2.8 Diagrama de bloques de la bobina híbrida.

+ -

+ -

Va(t)

( -Va + Vb) /2

Za Zb R1 R1

2R

R

2R

- Vb(t) (auricular)

Línea telefónica Aparato telefónico

Vb(t) -Va(t)

Figura 2.9 Realización de la bobina híbrida con operacionales.

El efecto local de la bobina híbrida

En la práctica se producen desequilibrios en la impedancia que presenta la línea telefónica (600 Ω). Esto produce que la tensión que hay en la conexión con la línea telefónica no sea exactamente (Va+Vb)/2 con lo cual se produce un desequilibrio en las entradas del sumador, apareciendo en nuestro auricular la tensión que hay en nuestro micrófono multiplicada por un factor denominado comúnmente ß. El valor de ß se puede obtener considerando diferentes a Za y Zb y analizando el circuito para obtener la tensión que habría en el auricular.

Este efecto no resulta desagradable durante una conversación telefónica, más bien todo lo contrario. Al tener el auricular del teléfono en un oído, si no se produjese este efecto, sólo oiríamos nuestra voz por el otro oído, causándonos una sensación extraña. Sin embargo, en una comunicación entre módems este efecto puede ser desastroso, pues parte de la señal de


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datos que enviamos a la línea telefónica se suma a la señal de datos que recibimos. Se produce una especie de interferencia que puede provocar una mala desmodulación de los datos que recibimos. Para evitar esta situación los módems incorporan un sistema que anula o al menos disminuye este efecto.

Por último, hay que tener en cuenta que debemos aislar nuestro teléfono de la línea telefónica. Como veremos más adelante, la línea telefónica, además de transportar las señales eléctricas de la voz, proporciona una tensión continua para alimentar a los circuitos del teléfono. Este aislamiento se consigue con un transformador conectado entre la línea telefónica y la bobina híbrida.

El timbre de llamada.

El timbre de un teléfono es idéntico al timbre de la puerta de nuestra casa. Esta compuesto básicamente por un electroimán, una lengüeta metálica (o martillo) con un resorte y una campanilla. Si aplicamos una corriente alterna al electroimán, se produce un campo magnético también variable generando el balanceo de la lengüeta metálica que irá golpeando a la campanilla haciéndola sonar. En el sistema que estamos diseñando, si un usuario quiere avisar al otro, podría introducir en la línea un tono (de la amplitud suficiente) que hiciese sonar el timbre del otro usuario. Como ya se ha comentado, en nuestros días no es el usuario quien envía la corriente de campaneo sino que es la central.

La alimentación del teléfono

Es evidente que los elementos que componen un teléfono necesitan algún tipo de alimentación para su funcionamiento. De la misma manera que para la corriente de campaneo, esta energía la proporciona la central a través de la línea telefónica. Esto se puede comprobar fácilmente midiendo con un voltímetro la tensión que hay entre los dos cables de una línea telefónica, medida que nos dará un valor de 48 voltios. El generador de tensión conectado a nuestra línea telefónica tiene una impedancia de salida relativamente alta (muy alta para un generador de tensión) y por lo tanto, sólo podremos obtener unos pocos miliamperios de corriente, pero suficiente para alimentar al teléfono.

Para simplificar el estudio de nuestro sistema de momento vamos a obviar el sistema de alimentación, que como veremos más adelante, en el caso real de la central tiene alguna otra función.

2.3.3 Realización de la central

Como ya hemos visto, la función principal de una central es la interconexión física entre las líneas de los abonados, o sea, la conmutación de los circuitos de los distintos abonados. La palabra conmutación viene del hecho de que la conexión física en la línea de un abonado se cambia o conmuta para cada comunicación. Las otras funciones, necesarias para el establecimiento y seguimiento de una llamada las podemos agrupar como funciones de interfaz con la línea de abonado. Podemos hacer ahora un esquema funcional en el que se puede dividir a la central en tres partes: conmutación, interfaces y control.

Parte de conmutación.

El circuito de conmutación está compuesto por una matriz de interruptores que al cerrarse establecen la conexión física entre los abonados. Cada línea de abonado estará conectada a una fila y a una columna de la matriz. Para conectar físicamente al abonado A y al B basta con cerrar el interruptor en el punto de cruce de A y B, tal como se observa en la Figura 2.10.


2-10

C D

A

B

C

D

E

EBA

Figura 2.10 Conmutador de barras cruzadas.

Antiguamente la realización física de los interruptores se hacía mediante relés. Actualmente existen dispositivos que integran varios de estos conmutadores. Su funcionamiento se basa en unir las dos líneas de un punto de cruce con un transistor MOS (Figura 2.11). Con la tensión de puerta del transistor podemos habilitar la conducción entre el drenador y surtidor o bien hacer que exista una alta impedancia entre ellos.

control

Figura 2.11 Interruptor MOS

Esta conexión física se mantiene durante toda la comunicación, por lo tanto los dos teléfonos quedan unidos por un circuito físico permanente. Esta característica es la que da nombre a este tipo de conmutación. Como veremos más adelante existen otros tipos de conmutación que se aplicarán a otros tipos de redes, entre ellos el temporal que podrá verse al analizarse el tren MIC 30+2.

Los interfaces de línea

Podemos dividirlos según su funcionalidad: detección de colgado y descolgado, detección del número del abonado al que se llama, generador de diferentes tonos y por último la unidad de control.

- Detección de la situación de colgado/descolgado de un teléfono.

Funciones

Las funciones que podría realizar este subsistema serían:

• Detectar cuando un abonado quiere llamar a otro. Si no somos llamados y descolgamos el teléfono, se supone que nuestra intención es hacer una llamada.


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• Detectar cuando un abonado llamado está ocupado o no. Se supone que si un abonado tiene su teléfono descolgado, es porque está comunicando con otro.

• Detectar si el abonado llamado responde, o sea, si descuelga el teléfono.

• Indispensable para determinar cuál es el número del abonado al que se quiere llamar.

Realización hardware:

Como ya dijimos antes, la alimentación del teléfono se hace desde la central conectando a la línea de abonado un generador de 48 voltios que tiene una impedancia de salida relativamente alta. En el teléfono, la conexión entre la línea y los demás circuitos, se realiza a través de un interruptor que permanece abierto cuando el teléfono está colgado y se cierra al descolgar. Si el teléfono permanece colgado el generador está en circuito abierto y en la línea se medirán 48 voltios. Al descolgar el teléfono se cierra el circuito y se producirá una caída de tensión. Por tanto, la situación colgado/descolgado se puede detectar con un simple comparador de tensión, tal como se ve en la Figura 2.12.

48 V

V. ref

+ -

Colgado

Descolgado

R teléfono R alimentación

Central Teléfono Línea

1 = colgado 0 = descolgado

Detector colgado / descolgado

Figura 2.12 Detector de colgado-descolgado.

- Registrador.

Su función es determinar cuál es el número de abonado al que se quiere llamar. El método comentado anteriormente es el de marcación por pulsos. Consiste en producir situaciones de colgado y descolgado a intervalos de tiempo determinados con un interruptor que abre y cierra la línea. Esto genera en la salida del detector de colgado/descolgado un número de pulsos que el registrador interpreta como el número marcado, Figura 2.13.


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Detector Colgado / Descolgado

Colgado

Descolgado

4 pulsos = nº 4

Figura 2.13 Marcación por pulsos

Existe otro método de marcación conocido como multifrecuencia y consiste en enviar a la central, para cada número marcado, un conjunto tonos. En este caso el registrador está compuesto por varios detectores de tono, según los tonos recibidos se determina el número marcado.

- Generador de tonos.

Su función es informar al abonado que llama la situación de su llamada. Lo primero que debe saber un abonado que descuelga el teléfono para hacer una llamada es si la central puede atenderle; si tiene línea. Si esto es así, la central, después de detectar el descuelgue, debería enviar una señal para avisar de esta situación. En el caso real se envía un tono permanente de 400 Hz.

Otra información que debe dar la central al abonado que llama, es si el abonado llamado está en disposición de recibir su llamada o está comunicando. En este último caso la central devolverá una señal de comunicando que en el caso real es un tono intermitente de 400 Hz.

Si por el contrario, el abonado puede recibir la llamada, la central deberá hacer dos cosas; la primera es informar al abonado que llama enviándole una señal distinta a las anteriores. En el caso real es un tono intermitente de 400 Hz, pero de una cadencia más larga que el caso de comunicando.

Por otra parte debe informar al usuario llamado de que alguien quiere comunicar con él. Para esto, la central le envía un tono de 50 Hz y 75 voltios de pico que hace sonar el timbre de llamada.

- Alimentación.

La alimentación necesaria para el teléfono consiste en un generador de 48 voltios conectado directamente a la línea del abonado. El aislamiento de los demás elementos de interfaz con estos 48 voltios se puede hacer mediante un simple condensador que elimine la componente continua. Un esquema general de la interfaz de línea de la central sería el de la Figura 2.14.


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Detector Colgado / Descolgado

Generador de tonos

Registrador

CONTROL

Línea de

abonado

( Hacia conmutación )

Matriz de

conmutación

Alimentación

Figura 2.14 Interfaz de línea de la central.

Unidad de control.

Estará compuesta por un sistema inteligente (ordenador) que a partir de las informaciones generadas por las unidades de interfaz descritas, tomará las decisiones para activar y desactivar en cada línea de abonado, los generadores de tono y realizar las conexiones oportunas en la matriz de conmutación.

2.3.4 El medio de transmisión.

El medio de transmisión de nuestro sistema podría ser simplemente un par de cables que uniesen a los dos usuarios. Si la distancia que separa a los usuarios es grande deberíamos tener en cuenta algunas cuestiones como la atenuación y el ancho de banda del medio. La mayor parte de la energía de la voz se concentra entre 300 y 4000 Hz, tal como se observa en la Figura 2.15. Si nuestro medio es tal que permite el paso de estas frecuencias, lo podremos considerar apto para nuestra comunicación de voz.

400 Hz 4000 Hz

Watt/Hz

Figura 2.15 Densidad espectral de voz.


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2.4 Multiplexación por división en el tiempo, sistema MIC.

Evidentemente, la señal entregada por un abonado a la RTC es una señal analógica que deberá ser procesada convenientemente antes de intentar trabajar con ella en una central digital. Este proceso de conversión analógico-digital de la señal se lleva a cabo utilizando la técnica de modulación por impulsos codificados (Pulse-Code Modulation, PCM). En este apartado daremos unos breves conceptos acerca de esta técnica con el fin de que el alumno pueda aprovechar convenientemente la sesión de prácticas. Un esquema de bloques de un sistema de este tipo es el de la Figura 2.16.

FILTRO ANTIALIASING

SAMPLE & HOLD CUANTIFIC. CODIFIC.

x (t)

W

fs = 2W

x (kTs)

Xd (t)

Figura 2.16 PCM. Pulse Code Modulation

La señal de voz x(t), proveniente del aparato telefónico, se pasa en primer lugar por un filtro cuya misión es limitarla en banda para evitar el fenómeno de aliasing cuando se proceda a su muestreo. Este muestreo se lleva a cabo en el bloque siguiente (Sample & Hold), con una frecuencia de muestreo fs que deberá cumplir la condición de Nyquist, obteniendo una señal discreta en tiempo x(kTs) función del bloque siguiente, el cuantificador, es la de discretizar también la señal en amplitud, redondeando los valores de las muestras hasta el valor discreto más cercano en un conjunto de L niveles. Finalmente, cada uno de estos niveles será codificado convenientemente con lo que la señal analógica original queda definitivamente transformada en una señal digital.

Una vez comprobado que el muestreo de una señal analógica nos permite conservar toda su información siempre y cuando se respete el criterio de Nyquist, observamos que la calidad del sistema PCM va a depender en gran parte de la bondad del bloque de cuantificación. Un cuantificador uniforme subdivide el margen dinámico de la señal en L niveles, con un paso de cuantificación ∆ tal que ∆ = 2 ·Vmax / L .

Suponiendo la señal de entrada al cuantificador normalizada con |x(t)|≤ 1, la característica del cuantificador sería como la mostrada en la Figura 2.17.

Con este tipo de cuantificador, se observa que el error máximo para una muestra concreta n queda acotado a la mitad del paso de cuantificación |e(n)| ≤ ∆/2

De una forma intuitiva, puede decirse que la potencia de ruido dependerá, en general, de la frecuencia relativa de cada muestra de voz, es decir, de su estadística; y que será mínimo cuando sea menor el error en las muestras más frecuentes. Esto sugiere el uso de una cuantificación no uniforme, es decir, que adapte el paso de cuantificación (y por tanto el error instantáneo) a la frecuencia relativa de cada muestra (es decir, el paso de cuantificación será tanto más pequeño cuanto más probable sea la muestra asociada). En telefonía (salvo


2-15

E.E.U.U., Canadá y Japón) se usa la ley de cuantificación conocida como ley A. Dicha ley será visualizada en la pantalla del osciloscopio durante la realización de la práctica.

X (kTs)

Xq (kTs)

2/L 4/L 6/L

1/L

3/L

5/L

(L-1)/L

1

∆

Figura 2.17 Cuantificador uniforme.

2.4.1 El múltiplex TDM. sistema MIC 30+2

Ya hemos comentado que en telefonía se toma un ancho de banda para la señal de voz de 4 KHz. Esto nos lleva a una frecuencia de muestreo de 8 KHz para cumplir el criterio de Nyquist. Por otra parte, el cuantificador que se utiliza dispone de un conjunto de 256 niveles distribuidos de forma no uniforme, por lo que se necesitan 8 bits para codificar cada uno de ellos. Con esto, la velocidad de transmisión necesaria para un canal de voz será la de la expresión (2.1).

Kbpsmuestrabits

segundomuestrasvt 6488000 =×= (2.1)

Es decir, cada Ts segundos nuestro sistema ha de ser capaz de transmitir los 8 bits correspondientes a la codificación de la muestra. Sin embargo, supongamos que somos capaces de enviar estos 8 bits de una forma más rápida, por ejemplo en (Ts/2) segundos. Esto nos llevaría a disponer de otros (Ts/2) segundos durante los cuales no enviaríamos información al canal. Evidentemente, parece lógico aprovechar este intervalo de tiempo para enviar la codificación de las muestras correspondientes a otro canal de voz. Esta es la idea en la que se basa la multiplexación por división en tiempo (TDM): podemos aumentar el número de canales, siempre y cuando las muestras de cada uno de ellos lleguen al receptor con la suficiente celeridad, es decir, una cada Ts segundos.

En particular, el sistema MIC 30+2 multiplexa 30 canales vocales, junto a uno de señalización y otro de sincronismos, formando una trama como la de la Figura 2.18.


2-16

SLOT 0

SLOT 1

SLOT 2

SLOT 16

SLOT 31

SLOT 0

TRAMA MIC 30+2

SEÑALIZACIONSINCRONISMO CANALES VOCALES

8 bits 8 bits 8 bits 8 bits 8 bits 8 bits

Figura 2.18 Sistema MIC 30+2.

Durante la sesión de laboratorio, se visualizará en el osciloscopio la estructura de estas tramas. En general, si el canal del que se dispone puede transmitir a una velocidad de C bits/seg, entonces el número de señales simultáneas (número de canales) que puede transmitir será el resultante de la expresión. Es decir, se pueden transmitir tantas señales simultáneas como muestras codificadas "caben" entre dos instantes de muestreo consecutivos, tal como se ve en la expresión (2.2).

segmuestras2

1bits

muestra 1segbits

maxfnCNcanales ××= (2.2)

2.5 Descripción de los equipos de la práctica.

2.5.1 Interfaz de abonado.

Durante la sesión de laboratorio se construirá una pequeña red que permita mantener conversaciones telefónicas entre varios abonados. Para la construcción de esta red se dispone de los siguientes equipos todos contenidos en la misma central.

Unidad de interfaz PU 300.

Contiene los circuitos de interfaz de una central local, permitiendo la conexión de cuatro abonados. Un esquema de esta interfaz se puede observar en la Figura 2.19. Los elementos que la componen son los siguientes:

• Para cada uno de los abonados hay una unidad de interfaz de línea que se encarga de proporcionar la alimentación, el tono de llamada y de detectar la situación de colgado/descolgado. La situación de descolgado se indica al usuario mediante un led.

• Contiene un único registrador que se puede asignar a cada abonado manualmente.

• Una unidad de tonos.

• Un circuito de conexión con otras centrales (no será empleado en esta práctica).


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• Una unidad de E/S para el control de las diversas partes. Permite el control desde un ordenador y tiene una serie de interruptores que permite también un control manual.

UNIDAD DE TONOSDial tone

Ring Back toneBusy tone

CONEXION CON OTRAS CENTRALES

UNIDADES DE E/S HACIA CONTROL

REGISTRADOR

1 2 3

4OFF

PU-300

Generadorde

tonos

INTERFAZ DE LINEA

ALIMENTACION Y

TONO DE LLAMADA

DETECTOR COLG/DESCOL

INTERFAZ DE LINEA

ALIMENTACION Y

TONO DE LLAMADA


INTERFAZ DE LINEA

ALIMENTACION Y

TONO DE LLAMADA


INTERFAZ DE LINEA

ALIMENTACION Y

TONO DE LLAMADA


Figura 2.19 Diagrama de la unidad de interfaz PU-300

Matriz de conmutación ELS-1.

Nos permitirá hacer las conexiones necesarias para enviar a cada abonado los tonos pertinentes durante el establecimiento de la llamada y conectar entre sí a los distintos abonados. Un esquema de esta matriz de conmutación se puede observar en la Figura 2.20. Se compone de:

• Matriz de conmutación: Está compuesta por 8 filas y cuatro columnas. Las entradas de la matriz serán las filas. En cada una iremos conectando a los abonados y los tonos que genera la parte de interfaz.

• Una unidad de E/S: Esta unidad permite el control de las conexiones desde un ordenador y tiene una serie de interruptores que permite también un control manual.


2-18

UNIDADES E/S HACIA CONTROL

MATRIZ DE CONMUTACION

ELS - 1

Figura 2.20 Diagrama de la unidad de conmutación ELS-1.

Aparatos telefónicos.

Conectaremos hasta cuatro teléfonos iguales a los empleados en la red telefónica real.

Otros equipos.

Además de estos elementos, en el laboratorio se dispone de:

• Osciloscopio digital.

• Generador de funciones.

• Multímetro digital.

• Resistencias ajustables.

• Sondas y cables de conexión.

2.5.2 MIC 30+2.

En la Figura 2.21 se presenta el diagrama de bloques simplificado de un canal MIC completo. La señal recibida por la línea bifilar, proveniente del aparato telefónico, llega al híbrido donde se convierte a tetrafilar: dos cables para el sentido de ida y otros dos para el sentido de vuelta. En transmisión, la señal se filtra con un filtro antialiasing. Posteriormente, el CODEC (codificador/descodificador) la convierte a formato digital y la inserta en el tren MIC 30+2. En recepción, la señal es convertida de nuevo a su forma analógica y, tras atravesar el filtro interpolador, recupera su aspecto de partida. Por último, el híbrido pasa de dos a cuatro hilos para llevar la información vocal al teléfono remoto. El otro sentido de transmisión es completamente análogo.


2-19

2/4 Wire

Filtro Tx

Filtro Rx

A/D

D/A

CODECTx Rx

D/A

A/D

CODECFiltro Rx

Filtro Tx

2/4 Wire

Figura 2.21 Esquema simplificado del canal MIC completo.

Centralita ELS-2.

La centralita disponible en el laboratorio (ELS-2) presenta 8 canales como los anteriores, de los cuales tres están reservados para insertar los tonos de invitación a marcar, llamada en espera y ocupado. La asignación de slots (ranuras o casillas temporales) a los codecs se hace de forma manual mediante una serie de conmutadores Figura 2.22 y de acuerdo con las siguientes reglas:

F3 F2 F1 Función

0 0 0 Se selecciona el codec indicado por A2 A1 A0.

0 0 1 Al codec previamente seleccionado se le asigna la casilla indicada por A4 A3 A2 A1 A0 en emisión o recepción según indique A7 A6.

A7 A6 Función

0 0 Se selecciona la misma casilla para transmisión y recepción (modo lazo).

0 1 Se selecciona la casilla para transmisión.

1 0 Se selecciona la casilla para recepción.

1 1 Se libera el codec (queda sin casilla asignada).

Así, para comunicar 2 abonados A y B, se asignará al abonado A un slot en transmisión y otro en recepción, que se deberán hacer coincidir con los de recepción y transmisión de B respectivamente.

A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0

F3 F2 F1LOAD1

0

1

0

Figura 2.22 Conmutadores y funciones.


2-20

Unidad PU-302.

Además, se dispone de una unidad PU-302, cuyo esquema se ve en la Figura 2.23 que nos permitirá monitorizar slots concretos del tren MIC y visualizarlos en un conjunto de leds, introducir tensiones continuas a los codecs, etc.

TIME SLOT CONDITION

TIME SLOT SELECTION

DC out

-3V +3V 0V

ADJ

DC FOR CODEC

s g n

7 6 5 4 3 2 1

PU-302

0 0

S1 S2 S3 S4 S5 S6

TIME SLOTTx/RxBin/AltReal Time/Rec.

LOAD Step

ANALOG OUTPUT

Figura 2.23 Unidad PU-302

2.6 Desarrollo de la práctica

La presente práctica se realizará en una sola sesión de laboratorio con una duración total de 2 horas. Los aparatos del desarrollo de la práctica se dividen en 2 partes que se corresponden con el estudio de la interfaz de abonado y la central analógica y el tren MIC 30+2. Antes de empezar la sesión, y para comprobar que se han adquirido los conocimientos necesarios para un adecuado aprovechamiento, se proponen las siguientes cuestiones y estudios previos.

Previos

• En el esquema de la Figura 2.9 calcúlese el valor de β (factor del efecto local de la bobina híbrida) en función de Za y Zb y propóngase algún método de corrección. Supóngase, si es necesario, R >> Za, Zb

• En el circuito de la Figura 2.24 sabemos que R1=R2=600 W y la corriente mínima de alimentación que puede suministrar la central es de 13 mA. Si Rcc (resistencia en continua del teléfono) puede variar entre 200 y 400 Ohm y la corriente continua mínima de alimentación del teléfono es de 20 mA, obtener el valor de RL máximo.

• Si el conductor tiene una resistencia por unidad de longitud de 90 Ohm/Km, calcular la longitud máxima a la que el abonado puede estar de su central local (nótese que el camino es de ida y vuelta).


2-21

- 48 V R2

R1

I2

I1

RL/2

RL/2

RCC

A

B

DE

TE

CT

OR

C

OL

GA

DO

/DE

SCO

LG

AD

O

A la central

Línea de Transmisión TeléfonoCentral

Figura 2.24 Circuito típico de línea de abonado.

2.6.1 Bucle de abonado analógico. Central por conmutación espacial.

Alimentación, marcación y señalización del bucle de abonado.

En los puntos A y B de la Figura 2.24, determine:

• Las corrientes umbral del detector de colgado y descolgado.

• La tensión de colgado y descolgado.

• La duración de los pulsos resultantes de la marcación de un número.

• La frecuencia y tensión de pico a pico del tono de invitación a marcar (dialing tone).

• La frecuencia, tensión de pico y cadencia del tono de aviso de llamada (ring back tone).

• La frecuencia, tensión de pico y cadencia del tono de ocupado (busy tone).

• La frecuencia, tensión de pico y cadencia de campaneo.

Establecimiento de una comunicación entre abonados.

Desarrolle, manualmente, todo el proceso necesario para establecer la comunicación entre 2 abonados de la misma central. Explique razonadamente cada uno de los pasos realizados en dicho proceso. Considere para el abonado remoto los casos libre y ocupado.

2.6.2 Central digital. Conmutación por división en tiempo.

Digitalización y codificación de la señal

• Realice el circuito de la Figura 2.25.


2-22

A B

ELS-2

Generador de

Audiofrecuencia A/D

D/A

CODEC Tx Rx

in

out

Figura 2.25 Digitalización y codificación de la señal.

• Sitúe todos los interruptores del módulo ELS-2 en la posición OFF y el selector de modo en la posición PABX.

• Ajuste el generador a 1KHz y 3Vpp

• Coloque el codec 0, casilla 0 en modo lazo (transmita y reciba por la misma ranura temporal) y compruebe que la señal recibida es la misma que la transmitida

• Conecte el canal B del osciloscopio al bus Tx y Dispare el osciloscopio con el canal A y flanco de bajada con la señal de sincronismo de trama (Figura 2.26)

A B

ELS-2

Generador de

Audiofrecuencia A/D

D/A

CODECTx Rx

in

out

Tx h.w.

Tx sync

Figura 2.26 Visualización trama MIC 30+2

• Mida la duración de una trama MIC 30+2. ¿Se cumple el criterio de Nyquist?, ¿Cuál es la velocidad de transmisión de una trama MIC 30+2?

• Aplique al CODEC las tensiones continuas de 3V, 0V y -3V. Anote la palabra que se observa en la pantalla (Téngase en cuenta que el CODEC invierte los


2-23

bits pares de la palabra para transmitirla por el tren MIC). ¿Por que es difícil visualizar el valor 0?

Cuantificación no uniforme. Visualización de la ley A.

En el circuito de la Figura 2.27.

A B

ELS-2

Generador de

Audiofrecuencia

Tx Rx

A/D

D/A

CODEC

in

out

out in

TIME SLOT SELECTION

TIME SLOT CONDITION

DC out

-3V +3V0V

ADJ

DC FOR CODEC

s g n

7 6 5 4 3 2 1

PU-302

A/D

D/A

CODEC

in

out

out in

Filtro Rx

Filtro Rx

0

7

Figura 2.27 Visualización de la ley A

• Ajuste la salida del generador a 6 Vpp y 30 Hz (onda sinusoidal).

• Active el codec 0 en modo lazo.

• Disponga los controles del PU-302 de la siguiente forma:


2-24

S6 S5 S4 S3

00 TRANSMIT BINARY REAL TIME

• Ajuste la ganancia vertical de los dos canales del osciloscopio a 0.5 V/div y acoplamiento en continua.

• Visualice las dos formas de onda. ¿Qué se está observando?, ¿Cuales son las diferencias fundamentales entre las dos formas de onda?

• Ponga el osciloscopio en modo X-Y. En la pantalla aparece la curva de transferencia del conversor (ley A) ¿Por qué?

Simulación de una conmutación

Para ello asigne dos teléfonos de la central a los codec 4 y 5. Establezca su transmisión y recepción en las ranuras temporales del MIC de forma que se consiga una conmutación entre ambos codecs, o también con otras palabras, que ambos usuarios puedan iniciar una conversación. En esta situación explicar si sería posible incluir un nuevo abonado a la conversación

sistemas telefónicos

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