PCM 2016

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PCM-TDM
Pulse Code Modulation
Sistemas de Telecomunicações I
MATERIAL PARA 2ª AVALIAÇÃO
Professor Fred Sizenando Rossiter Pinheiro
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MODELO DA COMUNICAÇÃO DIGITAL
Transmissão Digital X Transmissão Analógica
Comunicação Digital: Transmissão de informação através de símbolos
Vantagens da Digitalização
Processamento Digital de Sinais
Maior Imunização a Interferências e Ruído
Possibilidade de :
** TDM
** Controle Remoto Microprocessamento;
** Redução de Espaços e Custos.
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Transmissão Analógica via RF:
Portadora variando parâmetro ( amplitude,fase, frequência) em função da Amplitude da Informação.
 Comunicação DigitaI:
Informação através de Símbolos
Desvantagens da Comunicação Digital:
-Bandas Mais Largas
-Exigência de Baixas B.E.R.(Taxa de Erros de Bits)
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Sistema de comunicação digital
Sistema de radiocomunicação digital, para transmissão de sinais analógicos
(O Codificador e decodificador de Linha substituem a parte destacada no caso de Transmissão em Banda base)
Blocos constituintes básicos
Condicionador: filtragem para limitar o espectro de frequências e amplitudes do sinal de entrada
Codificação de fonte: conversão analógico/digital do sinal da fonte, segundo algum processo usual – PCM, LPC e etc.
Codificação canal: introduz códigos corretores ou detectores de erros
Modulador: Adequar o sinal para sua posterior transmissão
Blocos constituintes básicos
Transmissor: adequação do sinal ao meio de transmissão adotado – cabo, fio, fibra etc.
Demodulação: exige cuidados especiais, tais como sincronismo em vários níveis
Condicionados de saída: eliminar sinais criados no processo de decodificação, assim como restaurar o sinal a face às distorções introduzidas no processamento anterior
CODIFICAÇÃO DE VOZ
Codificação de Voz
-Características dos sinais de voz
-Técnicas de Quantização
-ADPCM
-Codificação de Voz por domínio da Frequência
- Vocoders
- Codificadores Preditivos Lineares
Fred Sizenando
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HIERARQUIA DOS SPEECH CODERS
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OS CODIFICADORES DE FORMA DE ONDA OBJETIVAM A REPRODUÇÃO A MAIS FIEL POSSÍVEL DO SINAL DA FALA, SÃO VERSÁTEIS PARA ATENDER UMA GAMA DE DIFERENTES CARACTERÍSTICAS DE VOZ,BEM COMO TÊM ADEQUAÇÃO A AMBIENTE RUIDOSO.
Codificadores de forma de onda : trabalhar para qualquer sinal independentemente da forma de como ele foi gerado, e para, no final reproduzir uma forma de onda o mais próximo possível da forma de onda inicial. 
Os codificadores de fonte exploram a fonte da produção da voz. Explorando ao máximo as características da voz, tentam criar um sinal digital usando um modelo de como a voz foi gerada, e extraindo do sinal a ser codificado apenas os parâmetros desse modelo. 
Ao enviar apenas os parâmetros relevantes ao modelo necessita-se de menos largura de banda. 
(denominam-se por vocoders.)
Fred Sizenando
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1-CONVERSÃO ANALÓGICO-DIGITAL EM TELEFONIA (SOLUÇÃO CLÁSSICA)
1-Cenário: racionalização de banda para atender forte demanda celular
1-Avaliação da qualidade de um codificador de Voz (Método 1) 
-S/R não dá qualidade perceptiva (ouvido).
MOS (Mean Opinion Score): Recomendação P.800.1 do ITUT, avaliação subjetiva feita por um grupo de pessoas treinadas para aferir de uma maneira absoluta e global a qualidade do sinal .
Processo demorado e custoso.
(Intelegibilidade e timbre da Voz)
Relação entre qualificações M.O.S (ITUT P.800.1)
PCM : Exemplo de Transmissão em Banda Base
Tx em Banda Base Espectro se concentra em torno da frequência zero
Tx em Banda Passante (CW) : Espectro se concentra em torno da frequência da Portadora 
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Domínio do tempo e da freqüência
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Onda Quadrada e Série de Fourier
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EXEMPLOS
Conclusões Práticas
Para transmissão de sinais em banda base , os meios de transmissão precisam garantir uma largura de banda (Hz) de passagem no mínimo igual à metade da Taxa de transmissão (bits/s).
Em diversos testes básicos de manutenção de sistemas, o sinal senoidal de X Hertz pode simular um sinal digital (banda base) de 2X bits/s.
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EVOLUÇÃO DA REDE DE COMUNICAÇÃO
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Rede de Transporte Digital Conversão A D de sinais na forma PCM
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Amostragem de Canal de Voz
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PCM-TDM 30(+2) CANAIS (E1)
2,048 Mbits/sHDB-3
AMOSTRAGEM DE UM SINAL
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TDM – Time Division Multiplex
Técnica para transmissão de várias mensagens por um único meio e consiste na divisão do tempo em canais apropriados.
Princípio Básico de sistemas TDM
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TDM – Time Division Multiplex
Em princípio, o número de canais é ilimitado
Fatores que limitam o nº de canais:
Energia do sinal demodulado
Banda passante do meio de transmissão
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TDM X FDM
Nos sistemas TDM, os sinais são operados no tempo e misturados no domínio da freqüência, enquanto, nos sistemas FDM, os sinais são separados no domínio das freqüências e misturados no tempo.
Vantagens do TDM:
Relativamente mais simples
Menos vulneráveis à diafonia.
Desvantagem TDM : banda mais larga.
Exemplo:TDM-PCM 30 canais: 1.024 KHz de banda
 FDM 30 canais: 30x 4 KHz= 120 KHz
Padrões de canalização FDM 
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Padrões de Canalização TDM (PDH)
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Requisito para a multiplexação no tempo sinais: Amostragem 
Amostragens de sinais com diferentes freqüências
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TDM – Time Division Multiplex
Sinal PAM: amostras das mensagens entrelaçadas no tempo
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PRINCÍPIO BÁSICO DE SISTEMAS AMOSTRADOS
Teorema da Amostragem
	NYQUIST: “A freqüência mínima de amostragem (fs) é igual a duas vezes a freqüência máxima (W) do sinal a ser transmitido”
TEOREMA DA AMOSTRAGEM
“Seja um sinal, limitado em banda, e seu intervalo de tempo dividido em partes iguais, de forma que se obtenham intervalos tais que, cada subdivisão compreenda um intervalo com período T segundos, onde T é menor do que 1/2*fm, e se uma amostra instantânea é tomada arbitrariamente de cada subintervalo, então o conhecimento da amplitude instantânea de cada amostra somado ao conhecimento dos instantes em que é tomada a amostra de cada subintervalo contém toda a informação do sinal original.“
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Teorema da Amostragem: “Para que um sinal possa ser adequadamente reconstruído a frequência de amostragem deve ser no mínimo o dobro da maior freqüência do sinal original”
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Demonstração sintética do Teorema da Amostragem
Espectro de um sinal amostrado com freqüência original máxima fB
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Para não haver superposição de bandas é necessário que 1/Ts >2 w
A utilização de um filtro passa-baixas limitado a w irá “reconstruir” o sinal original.
Efeito das diferentes frequências de amostragens (distorção de “foldover”)
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Teorema da amostragem de Shannon, ou Nyquist-Shannon-Kotelnikov, Whittaker-Shannon-Kotelnikov, Whittaker-Nyquist-Kotelnikov-Shannon, WKS e etc.
Um sinal analógico, limitado em Banda, que foi amostrado, pode ser perfeitamente recuperado a partir de uma sequência infinita de amostras, se a taxa de amostragem for maior que 2*Fm amostras por segundo, onde Fm é a maior frequência do sinal original.
 Porém, se um sinal conter uma componente exatamente em Fm Hertz, e amostras espaçadas de exatamente 1/(2Fm) segundos, não se consegue recuperar totalmente o sinal.
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Taxa e Frequência de Nyquist.
Se a maior frequência B no sinal original é conhecida, O teorema dá o limite inferior da frequência de amostragem para que a reconstrução perfeita possa ser assegurada. Este limite inferior para a frequência de amostragem, 2B, é chamado de taxa de Nyquist. 
Se em vez disso a frequência de amostragem é conhecida, o teorema nos dá um limite superior para componentes de frequência,B < fs/ 2, do sinal , permitindo a reconstrução perfeita. Este limite superior é a frequência de Nyquist, denominadafN. 
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Considerações sobre o Teorema
O sinal a ser amostrado deve ser limitado em banda; isso é, qualquer componente deste sinal, que contém uma frequência acima de certo limite deveria ser zero.
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Aliasing
(distorção de “foldover”) (desobediência ao Teorema da Amostragem)
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O filtro anti-aliasing objetiva limitar a largura de banda do sinal para satisfazer a condição para a amostragem adequada. 
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Aliasing é o fenômeno decorrente da superposição de bandas quando não obedecido o Teorema da Amostragem
O fenômeno “Aliasing” pode ocorrer em qq processo de amostragem (não só voz) como em vídeos. Observa-se isso em filmes antigos digitalizados ,nas cenas de movimentos mais bruscos (como as rodas de uma carruagem em movimento nos filmes de bang bang)
Para reduzir o aliasing:
 Amostrar o sinal com uma taxa de amostragem que obedeça ao teorema da amostragem
Filtrar o sinal por forma a fazer desaparecer as frequências mais elevadas do sinal (acima
 da frequência de Nyquist)
Sinal amostrado com diferentes taxas 
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Frequência de Nyquist
A metade da frequência de amostragem é chamada frequência de Nyquist e corresponde ao limite máximo de frequência do sinal que pode ser reproduzido. 
Exemplo: Em sistemas Telefônicos :
Frequência de Amostragem= 8 HKz
freqüência de Nyquist= 4 KHZ
(Utiliza-se filtro anti Aliasing de 3,4KHz)
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Técnicas de Amostragem
1-Amostragem por pulsos (ideal) 
2-Amostragem Natural 
3-Amostragem de Topo Plano (Flat Top)
(Amostragem e Retenção) 
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(Fonte: Ryerson Communications Lab)
1-Amostragem com Impulsos (ideal)
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Amostragem com Impulsos
Trem de impulsos espaçados de Ts multiplicam o sinal x(t) no domínio do tempo, criando um sinal xs(t) (discreto no tempo e contínuo em amplitude). 
Trem de impulsos espaçados de fs fazem convolução com o sinal X(f) no domínio da frequência criando um sinal repetitivo Xs(f) com espaçamento fs
(Ver figura anterior)
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2- Amostragem Natural 
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(Ryerson Communications Lab)
(A amplitude dos pulsos PAM acompanha o sinal original )
Amostragem Natural
 Pulsos de amostragem têm largura finita τ
Espectro amostrado irá ser repetido num “envelope” ‘Sinc’.
Modelo mais realista
Distorção após a reconstrução depende de τ/Ts
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Amostragem Natural 
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A amplitude dos pulsos PAM é plana (não acompanha a variação do sinal original). 
Utiliza circuitos de “amostragem/retenção”
 
Amostragem Topo Plano (Flat-Top)
Teoricamente o sinal amostrado de Topo Plano pode ser obtido pela convolução de um pulso retangular com o sinal amostrado ideal
 
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Espectro do Sinal Amostrado Topo Plano
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Eeng 360 61
The spectrum of the flat-top PAM
 Analog signal maybe recovered from the flat-top PAM signal by the use of a LPF.
LPF Response
Note that the recovered signal has some distortions due to the curvature of the H(f).
Distortions can be removed by using a LPF having a response 1/H(f).
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Circuito de Amostragem / Retenção +Circuito de geração de pulsos
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Requisito para a conversão analógico digital: Quantização 
Figure 3.10 Two types of quantization: (a) midtread and (b) midrise.
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Quantization Noise
Figure 3.11 Illustration of the quantization process. (Adapted from Bennett, 1948, with permission of AT&T.)
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Exercício
Calcule o espaço de memória (Mega Bits)necessário para armazenar um arquivo com música estéreo ( 2 canais) digitalizada com frequência de amostragem 2,2 vezes maior que a maior frequência de áudio original.
Considere que o show tem 1 hora de duração e a utilização de 16 bits por amostra
Calcule o tempo requerido para transmissão desse arquivo na velocidade de 30 Mbits/s 
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Solução
Máxima frequência de áudio: 20 KHz
Freq. de Amostragem= 2,2 x 20= 44 KHz
(44.000 amostras/seg)x 16 bits/amostra=
Utilização de 704.000 bits / segundo de gravação. 
Em uma hora de gravação...
704.000 bits x 1 hora=704.000 x 3.600 segs=
2.534.400.000 bits = 2,534 Gbits
2 Canais (estéreo) 5,07 Gbits
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Calcule o tempo requerido para transmissão desse arquivo 
A) Velocidade de 30 Mbits/s
t= E/V=(5.070Mbits) / 30Mbits/s)= 
t=~169 segundos = 2,8 minutos
B) Velocidade de 2 Mbits/s ?
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Exercício
 Determine A Frequência de Amostragem mínima para cada um dos sinais a seguir:
( A ) 1 + cos (2.000π t) + sen(4.000 π t)
( B ) Sen(2000 π t)/ (π t)
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Solução
 ( A) w=2 πf f=w/ (2 π)
 wmáx=4.000π rad/s=>
fmáx =(4.000 π)/(2 π) Hz
 fmáx=2.000 Hz.
Daí Freq. De Amostragem Nyquist= 
2x 2.000= 4 KHz (deve-se usar maior)
( B ) A Freq máx=2.000 π rad/s, 
freq. máxima = 2.000 π rad/s =1.000 Hz
, assim a frequência de Amostragem mínima é: 1.000 Hz x 2 = 2 KHz
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PULSOS PAM
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FILTRAGEM ANTI-ALIASING
	“A taxa ou freqüência de amostragem, deve ser maior que o dobro da maior freqüência contida no sinal a ser amostrado, para que ele possa ser reproduzido integralmente, sem erro de aliasing”
Filtro Anti-Aliasing: Filtro passa baixa com freqüência de corte igual ou menor à freqüência de Nyquist
Garante que o sinal não contenha sinais acima deste limite (distorções, interferências, ruídos, etc...)
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SEM ALIASING
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COM ALIASING
Superposição de Espectros
Sinal Distorcido
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CI ADC 0804 para conversão A/D
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Os diferentes tipos de conversores A/D diferem no modo como são geradas as estimativas do quociente WD .
O ADC 0804 se baseia em aproximações sucessivas,com utilização de diversas tensões de controle para as comparações.
Os bits vão sendo definidos dos mais significativos para os menos significativos na evolução das comparações sucessivas.
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Conversor D/A DAC 0808
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Conversor Digital-Analógico DAC 0808
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PCM - Pulse Code Modulation
Sistema PCM Básico
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PCM - Pulse Code Modulation
AMOSTRADOR: Dentro dos critérios já conhecidos, recolhem-se amostras em nº finito (q).
QUANTIZADOR: Cada nível é representado por um código digital de extensão infinita.
CODIFICADOR: Gera um código digital que representa univocamente a amostra quantizada.
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PCM - Pulse Code Modulation
Cada amostra ou pulso PAM é transformada em uma quantidade ou palavra predefinida de ν bits.
O valor quantizado (para mais ou para menos) depende dos valores dos níveis de decisão no projeto do ADC.
A falta ou excesso no valor do sinal provoca o surgimento de um sinal aleatório, chamado ruído de quantização.
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ERRO OU RUÍDO DE QUANTIZAÇÃO
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EXEMPLO
Aspecto de um arquivo de áudio amostrado no formato *.WAV com 8 bits
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EXEMPLO
PCM 8 bits em formato *.WAV
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QUANTIZAÇÃO LINEAR (Homogênea)
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Relação Sinal / Ruído de Quantização
Cálculo da Relação Sinal/ Ruído de Quantização Uniforme
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Ruído (variância do erro) na quantização uniforme
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Relação Sinal/ Ruído de quantização
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(Máxima S/R)
Relação Sinal pico / Ruído de Quantização e Número de Bits (N)
S/N (dB)= 10log( 3L2)=10log3 +10log(L2 )= 
 =( 10x 0,477)+ 20log(L)= 
=4,77 +20log(2N)=
S/N (dB)= 4,77 +20N log(2) =
S/N (dB)=4,77+ 6N
Estou perguntando isso pois no slide também consta outra equação:
S/R = 10log( 3L²)=10log3 +10log(L²) = 4,77 + 20log(L) (Eq.II)
Sabendo-se que L = 2*A/q , inserindo na Eq.II ficaria:
S/R = 4,77 + 20log(2*A/q) = 4,77 + 20log2 + 20log(A/q) 
 Que resulta em:
S/R = 10,77 + 20log(A/q)
Que difere da equação (I) 
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Relação Sinal de Pico / Ruído de Quantização linear e o número de bits por amostra
Em dB (pico): 
S/N (dB)=4,77+ 6N
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Cada bit acrescentado na quantização eleva em 6 dB a Relação S/R
Variação Dinâmica (Dynamic Range)
Limite de variação da amplitude do sinal a ser quantizado.
DR= 10 log (Pmáx/Pmín) (dB)
DR= 20 log (Vmáx/Vmín) (dB)
Valor típico: DR=30 dB (Telefonia)
O Nº de bits necessários é definido pela máxima potência de ruído de quantização aceitável.
Tipicamente em Telefonia é exigido S/R>26dB
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Estatística da voz no telefone
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S/R (Digital Telephony, John C. Bellany)
Considerando A=Pico de amplitude senoidal
q=passo de quantização.
S/R= 10log((A2/2)/(q2/12))
S/R = 7,78 + 20log (A/q)
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Exercício (Livro Digital Telephony,Bellamy)
Uma onda senoidal com amplitude de 1 V , deve ser digitalizado
com SQR (S/R)mínimo de 30 dB. Quantos intervalos de quantização uniformes e quantos bits são necessários para codificar cada amostra ?
Solução
Considerando S/R = 7,78 + 20log (A/q), então:
30= 7,78+ 20 log( 1/q)
Daí : q=0,078 V.
Assim 1/0,078=12,8 intervalos~=13 Intervalos para cada polaridade. Se n= número de bits.
Daí: 26 Intervalos no total 2n =26 n=5 bits por amostra.
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Ruído no Sinal PCM
Causas: 
1-Erro de Quantização
2-Erros nos bits na recuperação do sinal Interferência Inter simbólica, p.exemplo)
	Qualidade na Recepção (saída):
(S/N) pico = (3M2/(1+4(M2-1)Pe)
(S/N)=(M2)/(1+4(M2-1)Pe)
Pe= Probabilidade de Erro de bit na recuperação do sinal
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Qualidade (S/N) x Amplitude do sinal de entrada x número de bits por amostra (Quantização Linear)
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Relação Sinal / Ruído (livro Couch)
Considerando Pe=0 ---> (S/N)pico=3L2 
Pe= Probabilidade de Erro de bit na recuperação do sinal
O valor médio da (S/N)  (S/N)=L2
No caso apenas está sendo considerado o ruído de quantização.
Como L=2n, então:
(S/N) dB= 6,02n +α 
Onde α =0 para valor médio de SNR e 4,77 para pico de SNR
O acréscimo de 1 bit possibilita ganho de 6 dB (Quantização Uniforme)
100
Gravação de CDs em PCM
Banda de entrada: 2 canais de 20 KHz (stéreo)
15 bits por amostra;
S/N= 90 dB
Largura de Banda para 1º nulo: 
>=2x20 KHz x 15= 600KHz por canal
101
Problema (livro Digital Communications Bernard Sklar)
Na gravação de um CD, a razão entre o pico do sinal de áudio e o pico do ruído de quantização precisa ser maior que 96 dB. Supondo a taxa de amostragem de 44,1 k(amostras)/s.
Quantos níveis de quantização do sinal analógico são necessários para garantir essa qualidade? 
Quantos bits por amostra são necessários?
Qual a taxa de bits por segundo?
102
Solução
A) S/R= 3 L2  (S/R)>96 dB 10LOG(3L2)>96
L >21.032 níveis de quantização
B) 2X>21.032 X > 14,36
X = 15 bits por amostra.(Na prática: 16 bits)
C) Taxa= 44,1k amostras/s x 15 bits
Taxa = 661,5 kbits/s 
(Na prática:705kbits/s x 2 (estéreo)
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EXERCÍCIO (Digital telephon,Bellamy, página 105)
Qual a mínima taxa bits/s que um codificador PCM precisa ter para codificar um sinal de áudio em alta fidelidade com um range dinâmico de 40 dB? 
Considere que a frequência máxima do sinal é 20 KHz e que é exigido S/R>50dB.
Para simplificar considere entrada senoidal.
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Solução
 Frequência de Amostragem > 40 KHz
Assumindo Fa= 48 KHz
105
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Quantização Não Linear (Compressão)
Quantização Não Uniforme 
Nos sinais de voz, ocorre predominância de volumes mais baixos. 
Em apenas 15% do tempo, a voltagem excede o valor RMS. 
Esses valores baixos de sinais são afetados na Quantização Uniforme por uma mesma potência de ruído (q2/12) 
A Solução é a Quantização Não Uniforme.
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QUANTIZAÇÃO Não-Uniforme
Quantização não-linear – 3 Segmentos (I,II,III) e 5 degraus por segmento
Uniform
Non-Uniform
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Compressão visando Quantização Não Uniforme
O Efeito da Quantização Não Uniforme pode ser obtido passando o sinal por um amplificador não linear que provoque a compressão do sinal e depois por um quantizador linear.
110
111
LEI A DE COMPRESSÃO
112
LEI A DE COMPRESSÃO
Características básicas que representam a lei A:
Cada segmento tem o mesmo número de níveis de quantização
Os intervalos entre níveis dentro de um mesmo segmento devem ser iguais
Os intervalos em todos os segmentos devem ser múltiplos integrais dos intervalos contidos no primeiro segmento, correspondente às menores amplitudes.
113
COMPRESSÃO
CONCEITO: É a operação que consiste em comprimir as amostras do sinal PAM com o objetivo de equalizar a Relação S/R.
O grau de não-uniformidade na quantização é conhecido como lei de compressão.
Lei µ: 			 onde 0 ≤ V1, V0 ≤ 1
(24 Canais , EUA e Japão)
114
LEI µ DE COMPRESSÃO (24 canais)
O grau de compressão pode variar conforme o valor de µ, que é normalmente 100 ou 225 (T1-D1, primeiros sistemas americanos e japonês) e µ = 255 (T2-D2 idem), ilustrados na figura:
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LEI A DE COMPRESSÃO (padrão europeu adotado no Brasil) (30 ch)
A compressão é linear para pequenos sinais e revertida em logarítmica para sinais grandes.
				para 
				para 
Lei A (Quantização Não Uniforme 
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SISTEMAS PCM
CODIFICAÇÃO: 
	É a operação que associa um determinado código a cada valor de pulso PAM após serem quantizados e comprimidos.
Utilizando o código binário os pulsos são codificados por dois níveis de amplitude 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 a cada nível do segmento. 
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CODIFICAÇÃO
Como estamos vendo, as amostras poderão pertencer a 7 segmentos e cada segmento tem 16 níveis. Para codificarmos os 7 segmentos necessitaremos de 3 bits e os níveis ao segmentos são necessários 4 bits.
OBS: Devido ao segmento I conter 32 níveis, utilizam-se 2 códigos para indicar as amostras na primeira (níveis 1 a 16) e segunda metade (níveis de 17 a 32).
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PALAVRA PCM
Nos atuais sistemas PCM, o codificador converte as amplitudes dos pulsos PAM num código binário de 8 bits (palavra PCM), que já se encontra na forma comprimida:
Bit 1 – Polaridade da amostra: Indica se a amostra encontra-se na metade superior ou inferior da curva de compressão
Bit 2, 3, 4 – Segmento: Indica qual o segmento (de I a VII) dentro da metade definida pelo primeiro bit em que se encontra a amostra em questão
Bit 5, 6, 7, 8 – Nível do segmento: Indica qual o nível (de 1 a 16) em que foi quantizada a amostra no segmento
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CARACTERÍSTICAS DO MULTIPLEX TDM-PCM
A característica essencial do sinal TDM é o intervalo de tempo (time slot) que corresponde à palavra PCM de 8 bits. Ao conjunto de intervalos de tempo, associados a canais diferentes e seguindo uma certa ordem pré-fixada,que se repetem de período a período, dá-se o nome de quadro (Frame).
O número de intervalos de tempo (time slots) dentro de um quadro define a capacidade do sistema TDM
Sistema 	E1(30 + 2 Canais telefônicos) Digitalizados TDM
Cada canal amostrado a 8 KHz (frequência de Amostragem) e adotando quantização não uniforme com 8bits
 Cada canal : 8 x 8= 64 Kbits/s (= E0)
32 Canais multiplexados TDM:
32x 64 kbits/s = 2,048 Mbits/s= E1.
Período de Amostragem: 1/8KHz= 125 microsegundos = Tempo de um Quadro
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CARACTERÍSTICAS DO MULTIPLEX TDM-PCM
Multiplexação no tempo de um sistema PCM de N canais
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Transmissão da Sinalização de Linha no E1
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Exercício
A ) Quantos canais telefônicos são amostrados em um quadro?
B ) Quantos bits são utilizados por amostra ?
C) Quantos quadros formam um multiquadro?
D ) Quantos canais são transmitidos em um multiquadro?
E) Quantas amostras são efetuadas para transmissão PCM da palavra “Oi” que dura 1 segundo ? 
F) Quantos quadros são utilizados nessa transmissão?
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MULTIPLEXAÇÃO E DESMULTIPLEXAÇÃO EM SISTEMAS PCM
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MULTIPLEXAÇÃO E DESMULTIPLEXAÇÃO EM SISTEMAS PCM
CONTADOR – Representa um circuito digital seqüencial que possui N estados (determinado pelas condições 0 ou 1) representado por um conjunto de flipflops internos e que excitado por um sinal de relógio (clock) a uma taxa de N*8Khz muda seqüencialmente do estado 0 ao estado N-1.
DECODIFICADOR: Representa um circuito digital combinacional que, excitado pelas saídas do contador e possuindo N saídas, ativa cada uma delas (colocando unicamente aquela em nível lógico 1) quando o contador estiver no estado de mesmo número.
MULTIPLEXADOR – Representa um circuito digital combinacional com 1 entrada de dados e N saídas, controlado pelas saídas do contador.
CONVERSOR A/D E D/A – O conversor A/D é o responsável pela implementação da quantização e a codificação, enquanto que o conversor D/A é o responsável pela implementação da decodificação.
FILTRO PASSA-BAIXA
(FPB) – É responsável pela reconstituição do sinal analógico.
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ESPECIFICAÇÕES CCITT PARA O SISTEMA PCM DE 30 + 2 CANAIS
O sinal de áudio de cada canal é filtrado em 3.400 Hz e amostrado a 8Khz. 
PCM de 30 + 2 canais (Recomendação G732), definições :
CANAL:
Conduz um conjunto de 8 bits que podem ser relativos à codificação de uma amostra de voz ou de outras informações, tais como sincronismo de quadro, sinalização MFC,etc.
INTERVALO DE TEMPO DE CANAL (ITC):
Intervalo de tempo dedicado a transmissão das amostras relativas a um determinado canal.
	Em cada período de amostragem, tem-se:
	T = 1/8000 = 125 μs
	Para transmitir 32 ITCs, tem-se: ITC = 125/32 = 3,9 μs
132
ESPECIFICAÇÕES CCITT PARA O SISTEMA PCM DE 30 + 2 CANAIS
INTERVALO DE TEMPO DE BIT (ITB):
É o intervalo de tempo dedicado a transmissão de um bit O ITB corresponde na verdade a largura do bit.
	Em cada ITC, tem-se 3,9 μs, logo: 
	ITB = 3,9μs/8 = 0,4875 μs = 488 ns
VELOCIDADE DE TRANSMISSÃO:
Define o número de bits transmitidos na unidade de tempo. Para calcular essa velocidade, os seguintes parâmetros são considerados:
	Freqüência de amostragem = 8Khz
	Nº de bits transmitidos durante o ITC = 8 bits
	Nº de ITCs transmitidos durante um intervalo de amostragem = 32
	A velocidade de transmissão (taxa de transmissão) é dada por:
	8000*8*32 = 2.048.000 bits/s ou então 2,048 Mbits/s
133
ESPECIFICAÇÕES CCITT PARA O SISTEMA PCM DE 30 + 2 CANAIS
QUADRO:
Conjunto de todos os canais enviados em um período de amostragem. É constituído por 32 canais ( 0 a 31). Cada quadro possui 32*8 = 256 bits. O canal 0 (zero) é utilizado para transportar o sincronismo de quadro nos quadros pares e o canal 16 para transportar a informação de sinalização de linha. Assim, os canais 1 a 15 e 17 a 31 são dedicados para as amostras de voz (30 canais). 
134
ESPECIFICAÇÕES CCITT PARA O SISTEMA PCM DE 30 + 2 CANAIS
SINCRONISMO OU ALINHAMENTO DO QUADRO:
O alinhamento de quadro é considerado perdido, quando três (3) sinais de alinhamento de quadro pares consecutivos tenham sido incorretamente recebidos. O sincronismo é considerado restaurado quando da recepção de dois (2) quadros pares consecutivos de sincronismo. O tempo de espera para a recuperação do sincronismo é da ordem de 0,5 ms.
135
136
ESPECIFICAÇÕES CCITT PARA O SISTEMA PCM DE 30 + 2 CANAIS
MULTIQUADRO:
Seqüência de 16 quadros correspondentes a uma varredura completa com as informações de sinalização, sincronismo e alarme dos 32 canais com tempo total igual a: 125 μs * 16 = 2ms.
137
ESPECIFICAÇÕES CCITT PARA O SISTEMA PCM DE 30 + 2 CANAIS
INFORMAÇÃO DE ALARME:
Nos ITCs (Intervalo de tempo de canal) 0 (zero) dos quadros ímpares, encontram-se palavras que podem caracterizar informações particulares que normalmente representam sinais de alarmes do equipamento terminal distante.
Sincronismo de Multiquadro
138
Conversão A/D para alguns sinais de vídeo e áudio
139
Digitalização de Imagens 
140
(Efeito do tamanho de um Pixel na codificação (A) e decodificação(B) 
Amostragem 
141
Variação de Amplitude no escaneamento A->B
As amostragens são feitas em pontos do trajeto AB (gráfico com variação do sinal)
As oscilações curtas representam ruído
Amostragem e Quantização do sinal escaneado
142
(Escala de quantização)
Mais detalhes ...
Cada amostra corresponderá a um pixel.
A “frequência espacial” da imagem identifica o quão bruscamente ocorre a variação do sinal AB (variação cor ou variação da intensidade do preto)
No caso de vídeos, a frequência de amostragem deverá ser adequada à velocidade de variação das imagens 
143
Resolução Espacial
144
Aquisição de Imagem: Amostragem, quantização e codificação
 A imagem digital pode ser capturada através de scanners, câmeras digitais ou câmeras analógicas ligadas ao computador através de placas digitalizadoras. 
A câmera digital e o “scanner” contêm sensores que captam a luz emitida ou refletida dos objetos, e a decompõe nos seus componentes fundamentais: vermelho (R), verde (G) e azul (B).
A imagem capturada é bidimensional e pode ser dividida em seus componentes fundamentais, chamado de “Pixels". 
“Pixel” é o menor componente de uma imagem digital. Sua representação é a de um ponto, porém, com um tamanho definido. (ALBUQUERQUE, 2000).
145
Pixels  Quantização em 8 bits
As intensidades RGB de cada pixel são enviados para o conversor analógico / digital, e quantizados... 
ou seja, os valores dos componentes fundamentais RGB, que teoricamente poderiam variar de zero ao infinito, são convertidos para poucos valores inteiros, próximos de 256.
146
Conversão em componentes de Luminância e Crominância
As Intensidades RGB já quantizados são convertidas para componentes de luminância (“Y”) e crominância (“U” e ”V”).
 Luminância: escala de representação numérica do cinza, 
Crominância: duas escalas numéricas, que juntas representam as cores. 
A escala de luminância (ITU-R 601), é quantizada com valores entre “16” e “235”, sendo que, o valor “16” representa o negro absoluto e o valor “235” representa o branco absoluto
147
Aspectos da Compressão de dados na digitalização de Imagens
 A forma mais simples de compressão de uma imagem é a redução da sua resolução geométrica... 
mas, isso implica em aumentar o tamanho da região de um pixel (ver figura anterior).
Outra forma de compressão é a redução do espaço de cor pela simples utilização de um 
número menor de bits para representação de cada pixel
148
Representação de Cores (RGB) (vermelho,verde e azul) 
Somatório RGB possibilita obter quase todas as cores visíveis pelo olho humano. 
Cada pixel é representado pelos valores dessas componentes. Exemplos:
Padrão RGB 8-8-8, 8 bits para codificação de cada componente; 
 Padrão RGB 5-6-5, número maior de bits (6) para a componente verde, por ser o olho humano mais sensível a essa componente
149
Sistema YCrCb
 A componente Y é denominada luminância e é uma medida da sensibilidade do olho humano às várias componentes de frequência de uma cor. 
Para as fontes usuais de luz provenientes de dispositivos de vídeo, Y é dada por:
150
JPEG (ou JPG)
Método comum usado para comprimir imagens fotográficas. O grau de redução pode ser ajustado, o que permite escolher o tamanho de armazenamento e seu compromisso com a qualidade da imagem.
 Geralmente se obtém uma compressão pouco perceptível na perda de qualidade da imagem.
O algoritmo de compactação JPEG funciona melhor em fotografias e pinturas de cenas realistas com variações suaves de tom e cor.
151
Métodos de compressão do JPEG
1-Baseline / Sequencial Encoding: os componentes da imagem são compactados de forma sequencial da esquerda para a direita e de cima para baixo.
2-Progressive Encoding: a imagem é compactada em um processo de múltiplas linhas de varredura. Geralmente utilizada em arquivos que são transmitidos pela Internet, possibilita a visualização da imagem inteira, em menor resolução, enquanto o restante da imagem está sendo enviada.
3-Lossless: neste método não ocorre perda na qualidade da imagem. Existem duas variações: o original, que foi normalizado em 1992, e o JPEG-LS, que deverá deixar obsoleto o formato JPEG “lossless” original.
152
Codificação JPEG :
 Imagem dividida em blocos de 8x8 pixels, é aplicada compressão em cada bloco. A imagem é varrida da esquerda para direita, de cima para baixo.
153
Aspectos da JPEG
154
Decodificação JPEG :
155
Geração de Sinal de Vídeo de TV
156
157
Entroncamento de 2 centrais analógicas via PCM E1 / cabo de pares
158
Entroncamento PCM 120 canais Rádio
Entroncamento E3 480 Canais
159
Distorção do Sinal Digital em Banda Base (principalmente em cabo de pares)
160
 Efeito da falta de Sincronismo de linha (exemplo)
161
162
TRANSMISSÃO
CODIFICAÇÃO DE LINHA:
	
	Objetivo:atenuar os efeitos citados e permitir maior alcance em fios metálicos. 
Critérios adotados:
Não permitir a existência de componentes contínuas,
no Código de Linha, pois os transformadores bloqueiam essas componentes;
Utilizar nas entradas dos regeneradores filtros que possibilitam a atenuação das baixas freqüências;
Redução da energia dos componentes de alta freqüência.
Características Desejadas na Transmissão em Banda Base 
O espectro de potência deve ser tal que a maioria da energia esteja contida na menor largura de banda possível. Quanto menor for a largura de banda, maior será a eficiência da transmissão.
163
Codificação de linha: adequação do sinal digital visando maior alcance na transmissão em meios guiados
As Codificações de Linha HDB-3 (Alta Densidade Bipolar 3) e AMI (Inversão Alternada de Marcas) são as mais utilizadas na transmissão de sinais digitalizados de voz ,especialmente na Telefonia.
Outros códigos de Linha: NRZ, HDB-n, Manchester (usado em Redes Ethernet) ,CMI (code mark inversion), 4B/3T, 2B1Q (utilizado em rede de acesso telefônica digital para transmitir dados e voz).
Exemplos de códigos em linha
Binário On/Off – NRZ
On/Off – NRZ
Polar – NRZ
Polar – RZ
Bipolar –NRZ
Bipolar –RZ
Duobinário –NRZ
Duobinário –RZ
Manchester
HDB-3 –NRZ
HDB-3 –RZ
166
TRANSMISSÃO
INTRODUÇÃO:
O sinal digital no PCM, apresenta-se originalmente na forma NRZ (No Return to Zero):
O estado elétrico do sinal se mantém constante durante o tempo de bit. É o mais utilizado no interior de circuitos e equipamentos digitais.
O código NRZ, não é aconselhável para o envio direto à linha de transmissão: a partir cerca de 30 metros (salas distintas por exemplo) o Receptor passa a ter dificuldades restritivas para conseguir recuperar o sinal. 
167
Codificação NRZ
Principais causas da limitação do alcance :
Componente de CC introduzida que impende o uso de transformadores de acoplamento necessários aos repetidores regenerativos;
Longa seqüência de pulsos de mesma amplitude, dificultando a identificação dos limites de cada bit na regeneração ou na recepção.
Em outras palavras: esse tipo de código não “contém sincronização”(relógio): 
Aspectos da Transmissão em Banda Base
Ocorre principalmente na transmissão através de meios guiados.
 Exemplos: Transmissão PCM via cabo de pares ou cabo coaxial , conexão USB, RS-232 (porta serial), conexões internas de computadores, redes locais, etc.; 
168
Aspectos importantes na Transmissão em Banda Base
Evitar componente contínua no sinal (Regeneradores possuem acoplamento AC)
Evitar longa sequência de zeros
Possibilidade de extração do clock na recepção ou na regeneração*.
Detecção de erros
Largura de 	Banda
Potência espectral
* Os regeneradores e receptores digitais em BB não possuem seu próprio relógio, mas extraem-no do sinal recebido 
169
170
TRANSMISSÃO
TRANSFORMAÇÃO DO NRZ PARA AMI	
	Etapas:
Transformação dos pulsos NRZ para RZ (Return to Zero): 
Pulsos positivos correspondentes ao valor binário “1” passam a ocupar a metade do tempo do bit.
Inversão de polaridade dos pulsos alternados: 
Os pulsos apresentam dois níveis de tensão, positivo e negativo que são transmitidos alternativamente.
Formas de Onda de Sinais Codificados em Linha 
NRZ – Non Return to Zero
-Level
NRZ – Non Return to Zero
-Mark (0no change, 
1 change)
NRZ – Non Return to Zero
-Space (1no change, 
0 change)
Bipolar Return to Zero
AMI – Alternate Mark Inversion 
(zero  zero, 
1 alternating pulse)
171
Bi-Phase level 
(1 +v-v, 0 -v+v) 
Bi Phase Mark
Bi-Phase Space
Delay Modulation
Dicode NRZ
Dicode RZ
 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1
172
173
 CI HC-5560 Codificador -Decodificador
Line Coding Requirements
Favorable power spectral density (PSD) 
Low bandwidth (multilevel codes better)
No/little DC power
Error detection and/or correction capability
Self clocking (Ex. Manchester)
Transparency in generating the codes (dependency on the previous bit?)
Differential encoding (polarity reversion)
Noise immunity (BER for a given SNR)
 
174
Densidade Espectral do Sinal digital codificado em linha
176
TRANSMISSÃO
TRANSFORMAÇÃO DO AMI PARA HDB-3
(High Density Bipolar With 3 zero maximum tolerance prior to zero substitution)
Esse código irá eliminar a possibilidade de que uma longa sucessão de zeros (0) deixem os geradores de relógio sem sincronismo.
177
TRANSMISSÃO
REGRAS DE CODIFICAÇÃO DE HDB-3:
É necessário existir 4 “zeros” consecutivos na linha;
O 2º e 3º espaços da seqüência serão sempre representados por zeros;
O 4º espaço da seqüência será sempre substituído por uma violação (um pulso de mesma polaridade que o último pulso do sinal);
O 1º espaço da seqüência será sempre substituído por uma marca (pulso de polaridade oposta ao último pulso presente no sinal) somente quando o pulso que o precede imediatamente for uma marca de polaridade igual a da última violação ocorrida, ou se constituir uma violação em si, caso contrário será representada por um zero.
178
179
Exemplo Codificação HDB-3
180
Lógica HDB-3 do Codificador HC-5560
A- Se a polaridade do pulso imediatamente anterior é (-) e se tiver ocorrido um número ímpar (par) de pulsos 1 desde a última substituição,cada grupo de 4 zeros consecutivos será codificado como:000-(+00+) 
B- Se a polaridade do pulso imediatamente anterior é (+) então a substituição será 000+ (-00-) para um número ímpar (par) de pulsos 1desde a última substituição.
181
Exercício I:
Decodificação HDB-3
Transformar o sinal HDB-3 abaixo em NRZ Unipolar
182
Exercício II
Com base no exercício anterior, esboce as regras para Decodificação de um sinal HDB-3
183
Solução do Exercício I
184
Regras da Decodificação HDB-3
1-Os espaços sempre são decodificados como espaços.
2-As marcas bipolares sempre são decodificadas como marcas, exceto quando seguidas de uma combinação 00V+ ou 00V-
3- V+ e V- são decodificadas como espaços se forem precedidas da combinação MB00 ou M000, onde M é marca (B+, B-, V+, V-)
Perda e Recuperação do Sincronismo de Quadro
185
Codificação de Linha em Modens Banda Base
186
Códigos de linha: onde se usam?
187
188
ESPECIFICAÇÕES CCITT PARA O SISTEMA PCM DE 30 + 2 CANAIS
PERDA DE SINCRONISMO DE MULTIQUADRO:
No canal 16 do quadro zero (0), os bits de 1 a 4 formam a palavra de sincronismo de multiquadro. O bit número seis (6) do mesmo canal é utilizado para os alarmes de sincronismo de multiquadro, sendo o mesmo 0 (zero) ou 1 (um). Será 0 (zero) quando não houver alarme de multiquadro ou será 1 (um) quando houver alarme de multiquadro a ser transmitido.
Cabos de pares especiais foram desenvolvidos para melhor atender PCM
Freq.
(KHz)
Atenuação
(dB/km)
Freq.
(KHz)
Atenuação
(dB/km)
10
3,0
400
9
20
3,2
500
12
40
3,6
600
13
50
3,8
700
15
100
4
1000
19
200
5
1500
22
300
7
2000
30
O condutor mais adotado em função do custo/benefício é o de 0,69 mm(AWG-22) com isolamento de papel.
Paradiafonia média para 1.024 KHz: 
100 dB (pares de grupos adjacentes)
189
Suporte de Transmissão
190
Amplificação e Regeneração
191
192
Regeneração de Sinais PCM 
Os regeneradores normalmente não possuem seus próprios relógios, mas extraem-no do sinal recebido (Mestre-Escravo)
Para isso é necessário que o sinal tenha muitas transições( RZ- HDB-3 , por exemplo).
Equalizador: compensa principalmente as distorções devido resposta não plana
 ( atenuação na linha) com a frequência.
 Uma das formas de atuação do equalizador é tomar como referência a detecção dos valores de pico do sinal recebido(+ e -).
193
Equalização de Sinal Digital Distorcido
194
TRANSMISSÃO
195
REGENERAÇÃO DO SINAL:
O processo de reconstituição é realizado através de repetidores (regeneradores) localizados ao longo da linha, a distâncias previamente determinadas. A distância entre regeneradores depende do tipo de cabo, sendo da ordem de 700 m a 2,0 Km.
No Brasil a utilização quase 100% é do código HDB-3 com medição de taxa de erro através das palavra de alinhamento de quadro
Para gerar
o relógio, o Regenerador utiliza um circuito LC sintonizado para oscilar na frequência correspondente à máxima energia do sinal “excitador” retirado da saída do amplificador.
No caso do E1, essa frequência é 1.024KHz.
Quanto maior o “Q” (fator de mérito do oscilador),maior será o tempo que o circuito continuará oscilando sem sinal na sua entrada.
196
Condição para recuperar o sinal digital
O transmissor e o receptor PCM devem estar sincronizados;
É adotada a filosofia “Mestre x Escravo”;
O Relógio (Clock) no Receptor é obtido a partir do próprio sinal digital recebido;
Essa recuperação exige que haja transições suficientes no sinal recebido
197
198
TRANSMISSÃO
CIRCUITO DE RELÓGIO:
O sinal vindo do amplificador equalizador é aplicado a um retificador de onda completa. Esse sinal é então encaminhado a um circuito sintonizado de alta precisão, centrado na frequência f = 1.024 Khz. A saída do filtro passa-faixa fornece o sinal senoidal na frequência de sintonia. O sinal senoidal é então aplicado a um circuito conversor de onda senoidal em quadrada, cuja saída está ligada a um circuito diferenciador, obtendo-se finalmente o sinal de relógio.
Regenerador Típico PCM-Cabo
199
Atenuação em fios metálicos :diferentes frequências, distâncias e bitolas. Supondo terminações com impedâncias casadas
200
“Jitter” (variações > 20 Hz e “Wander” (<20Hz) de um sinal digital: variação do instante de transição do bit em torno do instante ideal.
Uma das formas de minimizar esse problema é a utilização de “buffer” para armazenamento e ordenamento dos pacotes de bits. 
201
Constituição física dos Cabos
202
Largura de Banda de Sinais PCM
O espectro de um sinal PAM tem relação linear com o espectro do sinal analógico de entrada.
Esse não é o caso de Sinais PCM
Banda PCM: depende a taxa de transmissão e da forma dos pulsos utilizados
R(taxa bits/s)=n(nº de bits) x fs(freq.amostragem)
Para não haver Aliasing: 
Bpcm>=(1/2)x R= (1/2) n fs 
O mínimo só é obtido quando a forma do tipo (senx)/x é usada para gerar o sinal PCM.
Banda para “1º nulo da banda”: Bpcm=R=nfs
203
Os Detectores de Limiar (comparadores com saída nos níveis do código HDB-3, têm a função de determinar o nível de cada pulso “1” polaridades distintas ( “+”, “-”) ou “0”.
Tipicamente a maior distância de transmissão E1 em cabo de pares trançados sem regeneração é de 1.830 metros , correspondendo a uma atenuação de 36 dB ( para 1.024 KHz).
204
Performance PCM com Quantização linear
Nº deNíveis de Quantização (M)
Quantidadede bits por amostra (n)
Largura de banda PCM (1ºnulo )
(S/N) pico (dB)
(S/N) (dB)
2
1
2B
10,8
6,0
4
2
4B
16,8
12,0
8
3
6B
22,8
18,1
16
4
8B
28,9
24,1
32
5
10B
34,9
30,1
64
6
12B
40,9
36,1
128
7
14B
46,9
42,1
256
8
16B
52,9
48,2
512
9
18B
59,0
54,2
1024
10
20B
65,0
60,2
2048
11
22B
71,0
66,2
205
Fibras Ópticas
Custo maior para instalação a clientes (em torno de U$80 mil a U$200 mil por km)
Radiação infravermelha emitida por:
Diodos: Laser (LD) ou Emissores de Luz (LED)
Dispositivos fotodetectores baseados em diodos PIN ou de avalanche.
Atenuação: inferior a 0,3 dB/km.
Grande Aplicação em sistemas de alta capacidade e alta velocidade (especialmente backbones)
206
Fibras Multimodo e Monomodo
207
Janelas de Transmissão Óptica:não há picos de atenuação devido OH-
208
Existem 3 janelas ópticas, ao redor de 850nm, 1300nm e 1550nm, sendo que a última foi subdividida em duas menores (Banda C e Banda L) 
Um concerto de um famoso pianista, com duração de 1 hora,foi digitalizado e armazenado em um site de músicas clássicas. A faixa de áudio considerada para digitalização foi de 0 a 10 kHz, utilizando como taxa de amostragem 5 vezes a freqüência de Nyquist e amplitude quantizada em 512 níveis.
 Para realizar transferências de dados deste site, o computador utilizado consegue manter uma taxa constante de 4 Mbits/s. 
Com base nas informações acima, qual o tempo estimado em segundos, para a completa transferência do arquivo para esse computador ?
209
Solução
T= (tamanho do arquivo em bits)/(veloc.bits/s)
T(s)= Arq(kbits)/(4.000kbits/s)
512 níveislog2(512)=9 bits.
Fa=10x 10kHz= 100 kHz
Achar o tamanho do arquivo em bits e daí calcular o tempo
210
Um sistema remoto de aquisição de dados coleta informação na forma de palavras binárias de 3 bits, a uma taxa de 10.000 bps (bits por segundo). Para reduzir a taxa de transmissão e utilizar meios de transmissão mais econômicos, é feita uma codificação das palavras binárias de 3 bits utilizando um código de prefixo de tamanho variável. O conjunto de palavras-código é:
{1, 01, 001, 0001, 00001, 000001, 0000001, 0000000}
Através de medidas, obteve-se a frequência de ocorrência das palavras binárias, conforme mostra a tabela.
211
Determine a codificação mais adequada visando a maior redução possível na taxa de transmissão
Calcule a nova taxa de transmissão em bits/s 
212
213
EXERCÍCIO 1
 A figura seguinte corresponde á síntese de aplicação da Quantização Não Linear (Lei A) e uso de 8 bits de codificação por amostra adotado no PCM E1, são utilizados 8 segmentos, sendo os dois primeiros colineares, cada segmento é dividido em 16 níveis em escala linear. Os segmentos superiores correspondem a um espaçamento internível maior (maior erro de quantização) e os inferiores têm espaçamento menor e daí também menor erro absoluto de quantização, em consequência obtem-se uma aproximada equalização da Relação Sinal/ Ruído de Quantização para diferentes níveis de voz na comunicação telefônica.
214
Indique qual seriam as representações para amostras de sinal de voz com valores de tensão + 612 , -615 e +1.650
Comparação entre quantizações uniforme e Lei A
EXERCÍCIO –ENADE
Cabos elétricos de linhas de transmissão estão sujeitos a vibrar sob efeito do vento. Estas vibrações podem alcançar algumas dezenas de Hz. Um sistema projetado para monitorar, com boa precisão, este fenômeno capta um sinal elétrico analógico, proporcional à aceleração Instantânea do cabo e com as seguintes características: 
- faixa de frequência: 0 a 100 Hz
-Excursão em amplitude: − 5 V a + 5 V
Este sinal é digitalizado com uma resolução de 50 mV e transmitido para uma central de processamento, onde é analisado.
Do ponto de vista teórico, qual é a mínima taxa de transmissão destes dados digitalizados, em bits/s?
216
Alternativas de Resposta 
217
(A) 200
(B) 800
(C) 1400
(D) 1600
(E) 8000
Interferência Inter-simbólica (ISI)
218
ISI-Efeitos das imperfeições na resposta em frequência do canal
Dispersão no formato do pulso sobre a transmissão de dados pelo canal. 
219
Controle da ISI no Sistema
220
Fred Sizenando
221
HIERARQUIA DOS SPEECH CODERS
221
OS CODIFICADORES DE FORMA DE ONDA OBJETIVAM A REPRODUÇÃO A MAIS FIEL POSSÍVEL DO SINAL DA FALA, SÃO VERSÁTEIS PARA ATENDER UMA GAMA DE DIFERENTES CARACTERÍSTICAS DE VOZ,BEM COMO TÊM ADEQUAÇÃO A AMBIENTE RUIDOSO.
Desafios da Codificação de Voz
1-Possibilidade de recuperar a voz com qualidade utilizando baixas Taxa de bits
2- Requisito para desenvolvimento de Codificadores paramétricos: Conhecimento minucioso das características da voz humana, no domínio do tempo e da frequência.
Instrumentos estatísticos para caracterização: PDF (probabilidade), ACF (autocorrelação) e PSD (potência)
2-Características da amplitude dos Sinais de Voz
Função Densidade de Probabilidade (PDF): 
-Não uniforme
-Probabilidade muita alta de amplitudes quase zero
-Probabilidade significante de amplitudes muito altas 
-A função exponencial (dupla) laplaciana (2 lados) dá uma boa aproximação para voz em telefonia (long term)
2-Exemplo gráfico de distribuição Laplaciana (FDP)
Fred Sizenando
225
2-CARACTERÍSTICAS DO SINAL DA VOZ
Autocorrelação diferente de zero entre amostras sucessivas
Característica não plana do espectro da voz
Existência de segmentos de “VOZ” (com vibração das cordas vocais) e
“NÃO-VOZ” (“som Surdo”) (sem vibração) na fala.
Quase periodicidade do sinal 
Banda Limitada
Variação de amplitude em torno de 40 db
Função de Autocorrelação(ACF)
-Um alta autocorrelação sinaliza maior possibilidade de prever o valor de uma amostra a partir da amostra anterior.
ACF : medida da proximidade ou similaridade entre amostras de um sinal de voz.
2-Função de Autocorrelação
X(k) representa a k-ésima amostra da voz
A ACF é normalizada para a variância do sinal de voz , ficando entre -1 a +1 e C(0)=1.
Os sinais típicos têm correlação com amostra adjacente C(1) de 0,85 a 0,9
2-Função de Densidade Espectral de Potência (PSD)
As componentes de alta frequência contribuem muito pouco para a energia total da voz, mas têm peso na Intelegibilidade
A Medida Espectral Não uniforme (Spectral Flatness Measure)(SFM) é uma indicação do “ganho máximo” teórico de codificação
SFM é uma indicação do “quão parecido com um tom” e “quão diferente de ruído” está o sinal.
SFM=1 corresponde a ruído branco.
2-Medida Espectral Não Uniforme
Fred Sizenando
230
CODIFICADORES DE FORMA DE ONDA
OBJETIVO: REPRODUÇÃO FIEL DO SINAL DA FALA 
BAIXA COMPLEXIDADE
APENAS MODERADA ECONOMIA NA TAXA DE TRANSMISSÃO , EXEMPLOS: 
PCM (MODULAÇÃO POR CÓDIGO DE PULSOS)
DPCM (PCM DIFERENCIAL ) 
ADPCM(PCM ADAPTATIVO DIFERENCIAL)
DM ( MODULAÇÃO DELTA )
CVSDM (CONTINUOSLY VARIABLE SLOPE DELTA MODULATION)
APC ( CODIFICAÇÃO PREDITIVA ADAPTADA)
Codificação em Forma de Onda
 Codificação por onda é uma forma de transmitir sinais analógicos por um meio digital com alta qualidade de sinal. Porém precisa de altas taxas de transmissão de 16 a 64 kpbs.
 Existem três formas de codificação desses sinais: PCM, DPCM e ADPCM 
PCM, DPCM e ADPCM são também técnicas para armazenar dados de áudio analógicos em um formato digital, a Microsoft.Arquivo WAV
DPCM
DPCM (Diferencial Pulse Code Modulation): a codificação é feita em relação às diferenças consecutivas das amostras.
Com uma menor gama de variações é possível menor taxa de transmissão  menor banda requerida.
A Taxa de transmissão é reduzida de 64 kbits/s para 48 kbits/s por canal telefônico.
DPCM
 A codificação DPCM surgiu com o objetivo de diminuir a dependência por altas taxas de transmissão da codificação PCM.
 Essa codificação se beneficia da alta correlação entre as sucessivas amostras dos sinais de fala para obter uma taxa menor. Como desvantagem diminui a qualidade da transmissão de voz e introduz erros para baixas amplitudes.
Fred Sizenando
234
DPCM: TRANSMITE A DIFERENÇA ENTRE AS AMOSTRAS SUCESSIVAS, UTILIZANDO MENOR Nº DE NÍVEIS DE QUANTIZAÇÃO
Desvantagens do DPCM
Faz uso da quantização uniforme, que introduz erros grandes para amplitudes baixas.
Como o sinal de voz tem na maior parte do tempo amplitudes baixas, foi desenvolvido o ADPCM.
235
DPCM
(Codificação é feita a partir da diferença entre o valor atual e a previsão desse valor)
DPCM na Compressão de Imagens e Vídeos
Grande correlação entre pixels vizinhos na imagem.
Grande correlação entre Amostras subsequentes do mesmo pixel (Vídeos)
Aplicação em JPEG (quantização grosseira)
237
DPCM e ADPCM
O DPCM utiliza quantização uniforme, desvantagem que provoca pior S/R nas baixas amplitudes das diferenças.
O ADPCM : o passo de quantização varia com o tempo e é baseado nas amostras passadas do sinal.
ADPCM analisa as diferenças (DPCM): se a diferença entre sinais é pequena aumenta o tamanho dos níveis de quantização
se a diferença é grande diminui os níveis de quantização  equalização da S/R
Fred Sizenando
239
QUANTIZAÇÃO ADAPTATIVA
ADPCM
Tem por objetivo melhorar o desempenho dos sistemas de codificação PCM e DPCM. Este tipo de codificação faz uso de quantização e predição adaptativa. 
ADPCM aprimorou a tecnologia PCM. Mantém a qualidade com baixa taxa de transmissão.
ADPCM (PADRÃO G721) opera a 32Kbits/s com mesma qualidade do PCM 64 Kbits/s.
Existem outros codificadores de voz da ITU que utilizam técnicas variantes do G.726, como por exemplo o codec G.727 e o codec G.722. 	
Fred Sizenando
241
QUANTIZAÇÃO ADAPTATIVA
OS INTERNÍVEIS DE QUANTIZAÇÃO SÃO AJUSTADOS DINAMICAMENTE DE ACORDO COM O SINAL DE ENTRADA
AS LINHAS DE INTERNIVEIS VARIAM COMO UMA SANFONA
UMA ESTRATÉGIA SIMPLES (EX.) É ADOTAR O TAMANHO DO DEGRAU DO QUANTIZADOR PROPORCIONAL AO SINAL QUANTIZADO SAINTE DA AMOSTRA ANTERIOR
Fred Sizenando
242
ADPCM
Codificadores ADPCM apresentam boa qualidade de voz para taxas entre 24 e 48kbit/s.
O ADPCM elimina redundâncias presentes no sinal utilizando o algoritmo padrão G.721 (CCITT). 
Transmite a diferença codificada da amostra atual e a predita com base na Autocorrelação da Voz) . 
PCM e ADPCM são subclasses de forma de onda da Microsoft (.Formato de arquivo WAV).
PCM X ADPCM em arquivos wav.
ADPCM é uma maneira mais eficiente de armazenar formas de onda de PCM musical que são de 8 ou 16 bits por amostra.
ADPCM usa apenas 4 bits por amostra, ocupando um quarto do espaço em disco de PCM de 16 bits.
A qualidade do som é inferior:
o hardware do Windows Sound System entende apenas PCM de 8/16 bits, o computador deve compactar e descompactar ADPCM em/de PCM, que requer tempo de CPU. 
Mono 22 kHz ADPCM pode ser descompactado em tempo real (isto é, durante a execução)
Para fazer ADPCM, o computador deve ter o Gerenciador de compactação de áudio (ACM) instalado.
243
244
ADPCM armazena as diferenças de valor entre duas amostras adjacentes e faz algumas suposições que permitem a redução de dados.
 Por essas suposições frequências baixas são reproduzidas corretamente, mas qualquer frequência alta tende ter distorção. 
A distorção é facilmente audível nos arquivos ADPCM 11 kHz, mas se torna mais difícil de discernir com taxas de amostragem maiores e é praticamente impossível reconhecer com arquivos ADPCM 44 kHz.
Codec G.726 ADPCM a 16, 24, 32 e 40 Kbps
Software de Codec de Voz/Audio G.726
O codec de áudio G.726 ADPCM é amplamente utilizado em aplicações tais como armazenamento de voz, telefonia, multiplicação do circuito digital, e redes, multimídia e vídeo-conferência e VoIP.
245
ADPCM : reduz taxa para 32 kbits/s, mantendo a qualidade de voz.
ADPCM
CODIFICAÇÃO
ADPCM
DECODIFICAÇÃO
LPC Coding
In modern communication system, the voice is artificially generated at the receiver mimicking the original voice using the appropriate coefficients 
Transmit only few gain coefficients!
Modelo matemático simples para simulação do trato vocal
Um fole que gera um fluxo de ar (pulmões);
Uma membrana que vibra com a passagem do ar (cordas vocais, localizadas na glote);
Um tubo, com cerca de 17 cm de comprimento (laringe, faringe e boca). 
Características espectrais da voz
VOCODER NA MÚSICA
No filme Sgt. Pepper's Lonely Hearts Club Band, a voz da cantoria robótica da canção dos Beatles, "Mean Mr. Mustard", foi obtida com o uso de um vocoder.
Alguns artistas e bandas que já usaram vocoder em pelo menos uma de suas músicas: 
Coldplay ; Pepeu Gomes; Michael Jackson, Pink Floyd, Lulu Santos e Neil Young. 
Ver:
 https://www.youtube.com/watch?v=-hqvvNcvenU
251
252
O GERADOR DE FATOR DE ESCALA É QUEM AJUSTA DINÂMICAMENTE OS INTERNÍVEIS DO QUANTIZADOR DE 4 BITS, ISTO DEPENDE DO LOCUTOR
Algumas aplicações do ADPCM
Digitalização de sinais de voz que podem ser transmitidos simultaneamente com sinais de dados sobre uma rede digital. 
(rede normalmente utilizada para a transmissão de apenas um destes sinais).
253
Características espectrais da voz
 Sons vocalizados
Sons não vocalizados → 
Synthesis Encoding
A idéia básica é aproximar o comportamento do trato vocal como um filtro, cujos parâmetros são variáveis no tempo.
Viável após o brutal aumento de capacidade computacional dos DSPs partir da década de 1990. 
A codificação é feita por análise, no domínio freqüência, de pequenos grupos de amostras (frames) do sinal PCM.
Análise
espectral (FFT) para determinar a natureza do frame (vocalizado ou não vocalizado), e identificar (se a natureza do frame for vocalizada) as freqüências das formantes e os parâmetros para o filtro de simulação das ressonâncias do trato vocal (filtro de síntese);
Transmissão dos dados de natureza do frame, e, se vocalizado, freqüências das formantes e parâmetros do filtro de síntese.
Synthesis encoding
Algoritmo - Encoder
Se o frame for vocalizado,
 a. Seleciona fonte de sinal de pulsos periódicos, ajustados nas freqüências das formantes, para excitar o filtro de síntese;
 b. Ajusta os parâmetros do filtro de síntese;
 c. Transmite para a saída, durante a duração do frame, o sinal da fonte de pulsos, através do filtro de síntese;
Se o frame for não vocalizado, transmite para a saída sinal de ruído branco durante a duração do frame.
Synthesis encoding
Algoritmo - DEcoder
Caracteríticas
Bit rates muito baixos (1,2 a 2,4 Kbps)
Sinal recuperado é perceptivelmente artificial ( palavras inteligíveis com voz "robotizada", o que prejudica a discernibilidade).
Aumentar o bit rate não melhora a qualidade
Modelo mais sofisticado pode aumenta a qualidade
Empregado em aplicações militares e em música (voz "robótica“).
Synthesis encoding
hybrid encoding
Objetivo de conseguir um trade-off entre as características das famílias de waveform encoding e synthesis encoding
Bit rates mais baixos, com qualidade razoável, e com esforço computacional moderado. 
Simplificação da construção e diminuição do custo final do produto
A idéia é, utilizando linear prediction, simplificar o esforço computacional para encontrar os parâmetros do filtro de síntese e conseguir um sinal de voz, recuperado, com qualidade razoável (índice MOS entre 3,7 e 3,9).
Geração do sinal PCM e separação das amostras em frames;
Análise do frame no domínio freqüência para determinar uma estimativa para a função de excitação do filtro de síntese;
Simulação do frame com a função de excitação estimada;
Comparação da saída do filtro de síntese com o frame original, gerando uma função diferença;
Aprimoramento interativo da função de excitação até a função diferença atender o critério desejado ;
Transmissão dos parâmetros da última função de excitação do filtro de síntese para este frame.
hybrid encoding
Algoritmo - Encoder
O decoder usa os dados recebidos para ajustar um gerador da função de excitação, que é passada pelo filtro de síntese para obter o sinal de voz recuperado.
hybrid encoding
Algoritmo - decoder
As diferenças entre os vários tipos de VOCODERs desta família está na forma de gerar a função de excitação, e no uso de um único filtro de síntese ou dois filtros de síntese para short term prediction (deteção das formantes) e long term prediction (deteção de periodicidades na fala).
Os principais tipos (com vários sub-tipos dentro de cada um) são:
MPE-LPC (Multiple-Pulse Excited Linear Prediction Coding);
RPE-LPC (Regular-Pulse Excited Linear Prediction Coding);
CELP (Codebook-Excited Linear Prediction).
hybrid encoding
Classificação
Telefonia celular GSM;
Telefonia celular TDMA;
Telefonia celular CDMA;
Vídeo-conferência;
VoIP.
hybrid encoding
aplicação
Modulação Delta
Corresponde ao ADPCM com 2 níveis.
A qualidade não é a característica fundamental.
1-O sinal analógico é aproximado por uma série segmentos
2-Cada segmento é comparado com o sinal original para determinar o incremento ou decremento do segmento
3-	Somente a informação de incremento ou decremento é transmitida através PWM.
Modulação Delta
Sinal analógico é quantizado em degraus de tensão com valor absoluto Δ(delta). A tensão do sinal quantizado , varia +Δ ou –Δ a cada ciclo do sinal de relógio (intervalo ), nunca permanecendo no mesmo valor em intervalos consecutivos. 
O sinal modulado delta (DM) é o sinal digital binário resultante da comparação do sinal analógico x(t) com o sinal quantizado .
Modulação Delta
Codificação de Voz por Domínio da Frequência 
1- Codificadores de Sub-Banda (SBC)
2- Codificadores de Bloco (por Transformação Adaptativa)(ATC)
1-Codificadores de Sub-Banda (SBC)
Sinal de Voz dividido em sub-bandas que são amostradas ,quantizadas e codificadas separadamente.
As sub-bandas podem ter larguras e tratamento de quantização/codificação (nº de bits) distintos de acordo com a relevância dada a cada faixa.
Exemplo de Codificação SBC
Número da Sub-banda
Faixa de Frequência (Hz)
Largura (Hz)
1
200-700
500
2
700-1.310
610
3
1.310-2.020
710
4
2.020-3.200
1.130
Codificador de Sub-banda
Decodificador de Sub-banda
Exemplo: Calcular a Taxa de codificação
Número da Sub-banda
Faixa de Frequência (Hz)
Número de bits de codificação
Largura (Hz)
1
225-450
4
225
2
450-900
3
450
3
1.000-2.700
2
500
4
1.800-2.700
1
900
Solução
Sub-banda 1: Fa1=2x(225)=450 amostras/s
Sub-banda 2: Fa2=2x(450)=900 amostras/s
Sub-banda 3: Fa3=2x500=1.000 amostras/s
Suba-banda 4: Fa4=2x900=1.800 amostras/s
Taxa= (450x4)+ (1.000x2) + (1.800x1)=8.300 bits/s= 8,3 kbits/s
274
275
TRANSMISSÃO
REPRESENTAÇÃO DAS FASES DO SISTEMA PCM EM NÍVEIS HOMÓLOGOS:
276
CENTRAIS TELEFÔNICAS DIGITAIS
Vantagens Técnicas:
Melhor qualidade de transmissão
Maior segurança
Maior capacidade de sinalização
Menor tempo para estabelecimento de chamadas
Maior facilidade de projeto e implementação de matrizes de comutação de grande capacidade e bloqueio pequeno
Compatibilidade com os meios de comunicação digital
277
CENTRAIS TELEFÔNICAS DIGITAIS
Vantagens Econômicas:
Redução de custo dos terminais de acesso à central
Maior segurança
Redução de peso e espaço ocupado pela matriz de comutação
Possibilidade de integração de serviço
Simplificação da operação e dos procedimentos de pesquisa e correção de falhas
278
TRANSIÇÃO
Começou nos anos 70
Centrais digitais CPA (Controle por Programa Armazenado)
Em 2007, no Brasil, 99% das centrais telefônicas são digitais
279
280
UNIDADE REMOTA DE ACESSO
281
Trata-se de um módulo de uma central de assinante colocado remotamente para atender a necessidade de assinantes concentrados em uma área onde há dificuldades para prover a rede de acesso, seja pela distância, pela geografia ou outro motivo, normalmente aplicada para atendimento de vilas em localidades rurais. Liga-se à central-mãe através de enlaces E1 e pode apresentar capacidade de comutação interna, embora o controle (processamento da chamada) fique por conta da central-mãe. Também conhecido como Estágio de Linha Remoto ou Estágio Remoto de Assinante.
282
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291
TEMAS DIVERSOS
MATERIAL PARA LEITURA COMPLEMENTAR (ANEXOS)
292
Filtro Passa Baixas Básico
293
Eeng 360 294
Generating Natural Sampling (Livro Leon W Cauch)
The PAM wave form with natural sampling can be generated using a CMOS circuit consisting of a clock and analog switch as shown. 
Eeng 360 295
 The duty cycle of the switching waveform is d = τ/Ts = 1/3.
 The sampling rate is fs = 4B.
Eeng 360 296
Recovering Naturally Sampled PAM 
At the receiver, the original analog waveform, w(t), can be recovered from the PAM signal, ws(t), by passing the PAM signal through a low-pass filter where the cutoff frequency is: B <fcutoff < fs -B
If the analog signal is under sampled fs < 2B, the effect of spectral overlapping is called Aliasing. This results in a recovered analog signal that is distorted compared to the original waveform. 
LPF Filter
B <fcutoff < fs -B
Multiplex TDM (PAM) Básico (exemplo)
297
298
Eeng 360 299
Instantaneous Sampling (Flat-Top PAM)
 This type of PAM signal consists of instantaneous samples.
 w(t) is sampled at t = kTs .
 The sample values w(kTs ) determine the amplitude of the flat-top rectangular pulses.
Eeng 360 300
Instantaneous Sampling (Flat-Top PAM)
DEFINITION: If w(t) is an analog waveform bandlimited to B Hertz, the instantaneous sampled PAM signal is given by
Where h(t) denotes the sampling-pulse shape and, for flat-top sampling, the pulse shape is,
THEOREM: The spectrum for a flat-top PAM signal is:
Eeng 360 301
Some notes on PAM
The flat-top PAM signal could be generated by using a sample-and-hold type electronic circuit.
There is some high frequency loss in the recovered analog waveform due to filtering effect H(f) caused by the flat top pulse shape.
This can be compensated (Equalized) at the receiver by making the transfer function of the LPF to 1/H(f)
This is a very common practice called “EQUALIZATION”
The pulse width τ is called the APERTURE since τ/Ts determines the gain of the recovered analog signal
Disadvantages of PAM
PAM requires a very larger bandwidth than that of the original signal; 
The noise performance of the PAM system is not satisfying.
302
303
304
Amostragem Instantânea
305
Flat Top PAM (Couch 2001)
306
Espectro de Flat-Top PAM
307
Pulse Modulation -Introduction
2
3
4
5
Figure 3.3 (a) Spectrum of a signal. (b) Spectrum of an undersampled version of the signal exhibiting the aliasing phenomenon.
6
Figure 3.4 (a) Anti-alias filtered spectrum of an information-bearing signal. (b) Spectrum of instantaneously sampled version of the signal, assuming the use of a sampling rate greater than the Nyquist rate. (c) Magnitude response of reconstruction filter.
7
3.3 Pulse-Amplitude Modulation 
8
9
Pulse Amplitude Modulation – 
Natural and Flat-Top Sampling 
The circuit of Figure 11-3 is used to illustrate pulse amplitude modulation (PAM). The FET is the switch used as a sampling gate.
When the FET is on, the analog voltage is shorted to ground; when off, the FET is essentially open, so that the analog signal sample appears at the output. 
Op-amp 1 is a noninverting amplifier that isolates the analog input channel from the switching function.
Figure 11-3. Pulse amplitude modulator, natural sampling. 
Pulse Amplitude Modulation – 
Natural and Flat-Top Sampling 
The most common technique for sampling voice in PCM systems is to a sample-and-hold circuit. 
As seen in Figure 11-4, the instantaneous amplitude of the analog (voice) signal is held as a constant charge on a capacitor for the duration of the sampling period Ts. 
This technique is useful for holding the sample constant while other processing is taking place, but it alters the frequency spectrum and introduces an error, called aperture error, resulting in an inability to recover exactly the original analog signal. 
Pulse Amplitude Modulation – 
Natural and Flat-Top Sampling 
The amount of error depends on how mach the analog changes during the holding time, called aperture time.
To estimate the maximum voltage error possible, determine the maximum slope of the analog signal and multiply it by the aperture time DT in Figure 11-4.
Pulse Amplitude Modulation – 
Natural and Flat-Top Sampling 
Figure 11-4. Sample-and-hold circuit and flat-top sampling. 
Pulse Amplitude Modulation – 
Natural and Flat-Top Sampling 
Pulse Amplitude Modulation – 
Natural and Flat-Top Sampling 
Figure 11-5. Flat-top PAM signals. 
Recovering the original message signal m(t) from PAM signal 
10
3.4 Other Forms of Pulse Modulation
 a. Pulse-duration modulation (PDM)
 b. Pulse-position modulation (PPM)
PPM has a similar noise performance as FM.
11
In pulse width modulation (PWM), the width of each pulse is made directly proportional to the amplitude of the information signal. 
In pulse position modulation, constant-width pulses are used, and the position or time of occurrence of each pulse from some reference time is made directly proportional to the amplitude of the information signal.
PWM and PPM are compared and contrasted to PAM in Figure 11-11. 
Pulse Width and Pulse Position Modulation
Figure 11-11. Analog/pulse modulation signals. 
Pulse Width and Pulse Position Modulation
327
Figure 11-12 shows a PWM modulator. This circuit is simply a high-gain comparator that is switched on and off by the sawtooth waveform derived from a very stable-frequency oscillator. 
Notice that the output will go to +Vcc the instant the analog signal exceeds the sawtooth voltage.
The output will go to -Vcc the instant the analog signal is less than the sawtooth voltage. With this circuit the average value of both inputs should be nearly the same. 
This is easily achieved with equal value resistors to ground. Also the +V and –V values should not exceed Vcc.
Pulse Width and Pulse Position Modulation
Figure 11-12. Pulse width modulator. 
Pulse Width and Pulse Position Modulation
A 710-type IC comparator can be used for positive-only output pulses that are also TTL compatible. PWM can also be produced by modulation of various voltage-controllable multivibrators. 
One example is the popular 555 timer IC. Other (pulse output) VCOs, like the 566 and that of the 565 phase-locked loop IC, will produce PWM. 
This points out the similarity of PWM to continuous analog FM. Indeed, PWM has the advantages of FM---constant amplitude and good noise immunity---and also its disadvantage---large bandwidth. 
Pulse Width and Pulse Position Modulation
Since the width of each pulse in the PWM signal shown in Figure 11-13 is directly proportional to the amplitude of the modulating voltage.
The signal can be differentiated as shown in Figure 11-13 (to PPM in part a), then the positive pulses are used to start a ramp, and the negative clock pulses stop and reset the ramp.
This produces frequency-to-amplitude conversion (or equivalently, pulse width-to-amplitude conversion). 
The variable-amplitude ramp pulses are then time-averaged (integrated) to recover the analog signal. 
Demodulation
Figure 11-13. Pulse position modulator. 
Pulse Width and Pulse Position Modulation
Demodulation
As illustrated in Figure 11-14, a narrow clock pulse sets an RS flip-flop output high, and the next PPM pulses resets the output to zero.
The resulting signal, PWM, has an average voltage proportional to the time difference between the PPM pulses and the reference clock pulses. 
Time-averaging (integration) of the output produces the analog variations. 
PPM has the same disadvantage as continuous analog phase modulation: a coherent clock reference signal is necessary for demodulation. 
The reference pulses can be transmitted along with the PPM signal. 
This is achieved by full-wave rectifying the PPM pulses of Figure 11-13a, which has the effect of reversing the polarity of the negative (clock-rate) pulses. 
Then an edge-triggered flipflop (J-K or D-type) can be used to accomplish the same function as the RS flip-flop of Figure 11-14, using the clock input.
The penalty is: more pulses/second will require greater bandwidth, and the pulse width limit the pulse deviations for a given pulse period.
Demodulation
Figure 11-14. PPM demodulator. 
Demodulation
Pulse Code Modulation (PCM) 
Pulse code modulation (PCM) is produced by analog-to-digital conversion process. 
As in the case of other pulse modulation techniques, the rate at which samples are taken and encoded must conform to the Nyquist sampling rate.
The sampling rate must be greater than, twice the highest frequency in the analog signal, 
 fs > 2fA(max) 
3.6 Quantization Process
12
338
SOLUÇÃO DE QUESTÃO DA AVALIAÇÃO ANTERIOR
Faça o diagrama temporal da troca de sinalização (de assinante, acústica, de linha e MFC) que ocorre na ligação interurbana entre um assinante A ( 3456-7890) que liga para B( 3234-5678), a mesma não é completada devido congestionamento no trecho entre a TANDEM e a Central B (todos os circuitos ocupados) Considerar o código DDD da operadora “021”.
Considerar o diagrama da figura seguinte.
Principais Sinais para frente
(MFC)
SINAL
GRUPO I
GRUPO II
1
Algarismo 1
Assinante Comum
2
Algarismo 2
Assinantecom
tarifação imediata
3
Algarismo 3
Terminal da Operadora não tarifado DDD e bloqueado DDI
4
Algarismo 4
Telefone Público
5
Algarismo 5
Mesa Operadora (telefonista do 101)
15
Fim de número
Reserva
340
(Correção da Prova 1)
Principais Sinais para trás
SINAL
GRUPO A
GRUPO B
1
Enviar o próximo algarismo (referente assinante B)
Assinante livre com tarifação
2
Enviar o primeiro algarismo (referente assinante B)
Assinante ocupado
3
Passar para o grupo B
Assinante com número mudado
4
Congestionamento
Congestionamento
5
Enviar categoria e identidade do assinante chamador.
Assinante Livre sem tarifação
7
Enviar o algarismo N-3
Número vago
8
Enviar o algarismo N-2
Assinante com defeito
9
Enviar o algarismo N-1
Reserva
341
342
(Correção da Prova 1)
 (QUESTÃO )
Descreva passo a passo, com base na evolução de sinais nos pontos 2,3,4,5,6,7,8,9 e 10 do diagrama, o que acontece seqüencialmente a partir do instante em que o assinante originador “A” ocupa um juntor de saída para uma tentativa de conexão com o assinante “B” que está localizado em central no outro extremo do diagrama. 
Caso julgue que o sinal não passa em algum dos pontos citados,indicar “não utilizado”.
343
(Correção da Prova 1)
344
345
(Correção da Prova 1)
QUESTÃO seguinte
346
com base na evolução de sinais nos pontos 2,3,4,5,6,7,8,9 e 10 do diagrama,
 indique sucintamente como se processa a sinalização MFC para envio do dígito “3”
 a partir do juntor sainte e passando pelo Multiplex 
347
(Correção da Prova 1)
348
(Correção da Prova 1)
Questão 02- Determinar a distancia máxima
349
Medição Sonora 
(SPL=Nível de Pressão Sonora)
SPL= 10 log( P/10-12)
10-12 W/m2 : (=0 dB SPL) é a pressão sonora limite inferior de audição, corresponde a 0,0002 dyne/cm2 
P:potência sonora em W/m2 
O limite superior (onde começa o desconforto) é 120 dB SPL
350
Exemplo 
Banda de Rock produzindo som de 10 W/m2 corresponde a:
10log(10/10-12)= 130 dB SPL
351
Exemplos Típicos
Ambiente silencioso em uma casa: 35 dB
Rua Movimentada : 70 dB
Som próximo a avião a jato ultrapassa 150 	dB 
352
Conditions for Optimality of scalar Quantizers
Let m(t) be a message signal drawn from a stationary process M(t)
 -A  m  A
 
		 
 m1= -A
 mL+1=A
 mk  mk+1 for k=1,2,…., L
The kth partition cell is defined as
 Jk: mk< m  mk+1 for k=1,2,…., L
d(m,vk): distortion measure for using vk to represent values inside Jk. 
Probability Pk (given)
Figure 3.13 The basic elements of a PCM system.
Pulse Code Modulation
Quantization (nonuniform quantizer)
Figure 3.14 Compression laws. (a) m -law. (b) A-law.
Encoding 
365
366
AMOSTRAGEM
367
368
Circuitos para Amostragem e Retenção
(a)Forma mais simples.
(b) Transistor MOS canal N para amostragem e Amplificador Operacional (buffer) para evitar descarga antecipada do capacitor pelo circuito seguinte.
(c) Diminuição do tempo de amostragem
369
 Circuito Temporizador (geração dos pulsos de amostragem) com CI LM 555 (multivibrador astável), freqüência ajustável por RA.
1. Unipolar nonreturn-to-zero (NRZ) Signaling 
2. Polar nonreturn-to-zero(NRZ) Signaling
3. Unipor nonreturn-to-zero (RZ) Signaling 
4. Bipolar nonreturn-to-zero (BRZ) Signaling 
5. Split-phase (Manchester code) 
Line codes:
Figure 3.15 Line codes for the electrical representations of binary data. 
(a) Unipolar NRZ signaling. (b) Polar NRZ signaling.
(c) Unipolar RZ signaling. (d) Bipolar RZ signaling. 
(e) Split-phase or Manchester code.
Differential Encoding (encode information in terms of signal 
transition; a transition is used to designate Symbol 0)
 
 
Regeneration (reamplification, retiming, reshaping )
 
 
 
Two measure factors: bit error rate (BER) and jitter. 
Decoding and Filtering
3.8 Noise consideration in PCM systems
 (Channel noise, quantization noise)
 (will be discussed in Chapter 4)
 
 
 
Time-Division Multiplexing 
 
 
Synchronization
Figure 3.19 Block diagram of TDM system.
Example 2.2 The T1 System 
 
 
3.10 Digital Multiplexers 
3.11 Virtues, Limitations and Modifications of PCM
 Advantages of PCM
 1. Robustness to noise and interference
 2. Efficient regeneration 
 3. Efficient SNR and bandwidth trade-off
 4. Uniform format 
 5. Ease add and drop
 6. Secure 
3.12 Delta Modulation (DM) (Simplicity)
 
 
 
Figure 3.23 DM system. (a) Transmitter. (b) Receiver.
The modulator consists of a comparator, a quantizer, and an accumulator
 The output of the accumulator is
Two types of quantization errors :
Slope overload distortion and granular noise 
Slope Overload Distortion and Granular Noise
( differentiator )
Delta-Sigma modulation (sigma-delta modulation)
 The modulation which has an integrator can 
 relieve the draw back of delta modulation (differentiator) 
 Beneficial effects of using integrator:
 1. Pre-emphasize the low-frequency content
 2. Increase correlation between adjacent samples 
 (reduce the variance of the error signal at the quantizer input )
 3. Simplify receiver design
 Because the transmitter has an integrator , the receiver 
 consists simply of a low-pass filter. 
 (The differentiator in the conventional DM receiver is cancelled by the integrator )
Figure 3.25 Two equivalent versions of delta-sigma modulation system.
3.13 Linear Prediction (to reduce the sampling rate)
Consider a finite-duration impulse response (FIR) 
discrete-time filter which consists of three blocks :
1. Set of p ( p: prediction order) unit-delay elements (z-1) 
2. Set of multipliers with coefficients w1,w2,…wp
3. Set of adders (  )
 
For convenience, we may rewrite the Wiener-Hopf equations
The filter coefficients are uniquely determined by
Linear adaptive prediction (If for varying k is not available) 
Substituting (3.71) into (3.69)
Differentiating (3.63), we have
Figure 3.27
Block diagram illustrating the linear adaptive prediction process.
3.14 Differential Pulse-Code Modulation (DPCM)
Usually PCM has the sampling rate higher than the Nyquist rate .The encode signal contains redundant information. DPCM can efficiently remove this redundancy. 
Figure 3.28 DPCM system. (a) Transmitter. (b) Receiver.
Input signal to the quantizer is defined by: 
From (3.74)
Processing Gain
3.15 Adaptive Differential Pulse-Code Modulation (ADPCM)
 Need for coding