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327601-Transmissão_digital_PCM

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Transmissão Digital PCM
PAM, PCM e PDH 
Glaucionor
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MODULAÇÃO POR CÓDIGO DE PULSO - PCM
A modulação PCM permite digitalizar o sinal de áudio/voz. Através do PCM sinais analógicos são convertidos em uma seqüência de códigos binários. Cada canal digital tem uma taxa de transmissão de 64 Kbps.
VANTAGENS DO PCM
Utilização de apenas dois níveis de tensão “1” e “0”.
Fácil regeneração dos sinais digitais (eliminação de ruídos).
Alta qualidade de transmissão.
Unido a técnica TDM pode transmitir milhares de canais digitai via um único meio de transmissão.
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COMPARAÇÃO ENTRE GÁFICO E TABELA
 
Para ajudar a entender melhor a técnica utilizada pelo PCM para digitalizar a voz, podemos fazer uma analogia com a transformação de um gráfico em tabela e vice versa.
Dado um gráfico qualquer XY podemos tomar alguns pontos deste e montar uma tabela.
Pegando-se os pontos marcados no gráfico a tabela será:
X Y
0 0
1 1
2 0
3 -1
4 0
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 Após transformar o gráfico em tabela pode-se enviá-la a outra pessoa e ela conseguirá remontar o gráfico correspondente. O gráfico é o sinal analógico e a tabela o sinal digital que será transmitido. A quantidade de pontos (amostras) vai definir o quanto mais perfeito será a remontagem do gráfico. Se a quantidade de amostras do gráfico for pequena o gráfico remontado ficará deformado.
O PCM trabalha com este princípio, ou seja, não há a necessidade de se enviar a informação por completo ao receptor, pois enviando apenas parte dela é possível remontar a informação no receptor.
Mas, qual a quantidade de amostras que se deve enviar no mínimo para o receptor conseguir remontar a informação transmitida?
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 TEOREMA DA AMOSTRAGEM de Nyquist
Nyquist determinou a quantidade mínima de pontos a serem transmitidos ao receptor para uma correta remontagem do sinal transmitido.
O teorema de Nyquist (também conhecido como teorema da amostragem) diz que se amostrarmos um sinal com largura de banda fmax a uma frequência maior ou igual a duas vezes fmax, então o sinal amostrado contém toda a informação do sinal analógico e consegue-se recuperar exatamente o sinal original a partir das amostras.
 fa = 2 fmax (fa = Freqüência de amostragem)
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 Para realizar a amostragem dos pontos do sinal analógico utiliza-se uma chave analógica. O amostrador deve ter um sinal que controla o fechamento e abertura da chave, este sinal é chamado de frequncia de amostragem e é definido pelo teorema da amostragem.
Ex. Dado um sinal de informação com faixa de ocupação de 300 a 3.400 hz. Determine a freqüência da amostragem para este sinal.
fa = 2 fmax => fa = 2 x 3.400 hz => fa = 6.800 hz (sinal que vai controlar a chave).
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 O sinal resultante da amostragem é composto de pulsos com a amplitude do sinal modulante. Este sinal modulado é chamado de PAM (Modulação por amplitude de pulso). O processo de amostragem é entendido com uma pré modulação do PCM. O PAM separa as amplitudes do sinal de informação que serão digitalizadas e enviadas ao receptor PCM.
PAM
 
RECUPERAÇÃO DO PAM
A recomposição do sinal PAM é realizada por um filtro passa baixa. O pulso ao chegar ao filtro carrega o capacitor que na ausência do pulso se descarrega via resistor. Assim, o sinal PAM é transformado novamente em sinal analógico de voz.
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 SISTEMA DE AMOSTRAGEM
Para evitar interferência no sinal recuperado o sistema PAM do PCM utiliza uma portadora de amostragem com freqüência de 6.800 hz mais uma banda de guarda de 1.200 hz, ou seja, a frequência de amostragem do sinal de voz é de 8.000 hz.
Com uma freqüência de 8 Khz na amostragem, são tomadas 8.000 amostras do sinal de voz por segundo. Como cada amostra vai Sr codificada em 8 bits pelo PCM, a taxa de transmissão do canal digital de voz será de 8.000 amostras x 8 bits = 64 Kbps.
Ex. Dado um sinal modulante com faixa de 0 a 5 Khz. Determine a taxa de transmissão do canal sabendo que o PCM codifica as amostras com 10 bits.
fa = 2 fmax => fa = 2 x 5 Khz => fa = 10 Khz => 10.000 amostras por segundo x 10 bits = 100 Kbps.
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DIAGRAMA DE BLOCOS DA MODULAÇÃO POR CÓDIGO DE PULSO - PCM
 
O sistema de transmissão PCM é composto por uma unidade de conversão analógica/digital e no extremo receptor de uma unidade de conversão digital/analógico.
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ETAPAS DA TRANMISSÃO PCM
Amostrador- Seleciona parte do sinal analógico, gerando as amostras que serão codificadoas.
Quantizador – Aproxima os valores de tensão do sinal analógico, que não têm código binário correspondente, para os valores de tensão com códigos definidos.
Codificador – Converte o valor de tensão quantizado para o código binário correspondente.
AMOSTRAGEM
Consiste em um processo, onde são retiradas amostras do sinal original que serão utilizadas para a reconstituição desse sinal no receptor. A faixa da freqüência da voz varia de 300 Hz a 3.400Hz, todo o processo de amostragem do sinal de voz, é feito atarves de uma freqüência de amostragem de 8 Khz.
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QUANTIZAÇÃO
Como não é possível transmitir todos os valores de tensão, tal como são amostrados, realiza-se o processo que tem o objetivo de funcionar como um "arredondamento" dos diversos valores amostrados sobre níveis de valores estabelecidos, esse processo modula o sinal em PAM dentro desses níveis estabelecidos de tensão chamados de valores de decisão.
Quando um pulso está acima de um nível de decisão, ele é aproximado para o nível superior e quando o pulso está abaixo da linha de decisão, ele é aproximado para o nível inferior imediato. A aproximação para o número inteiro mais próximo origina um erro de quantificação que é minimizado se for utilizado um número elevado de códigos binários.
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QUANTIZAÇÃO
Se houvesse, por exemplo, 128 ou 256 níveis de sinal, e não os 8 do exemplo, o erro na atribuição por aproximação, de um número inteiro a cada amostra, seria substancialmente inferior. Cada nível é designado por um código digital "n" bits. É possível ter 2n (dois elevado a n) níveis de valores quantizados.
Nas figuras abaixo, são mostrados os códigos digitais de 3 bits é possível ter até 8 níveis para quantizar as amplitudes amostradas do sinal analógico utilizado neste exemplo, sendo quatro para amplitudes positivas e quatro para amplitudes negativas.
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CODIFICAÇÃO.
 
Consiste em pegar todo o sinal quantizado e transformá-lo em um sinal binário, levando-se em conta a seqüência em que o mesmo foi gerado pelo trem de pulsos. O sinal resultante será uma cadeia de “Zeros” e “Uns”. Este sinal está pronto para trafegar em um determinado tipo de enlace RTPC, LAN (Local Area Network) ou WAN (Wide Area Network).
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ETAPAS DA RECPÇÃO PCM
Regeneração – tanto no meio da linha, como na entrada do receptor PCM sua função é eliminar os ruídos introduzidos no sinal digital ao trafegar pela linha de transmissão.
Decodificação – Realiza a função contraria a do codificador transforma os códigos binários em pulsos PAM que serão entregues ao reconstrutor para reformatar o sinal original.
Reconstrutor – é o filtro passa baixa utilizado para ligar os pulsos PAM e recuperar o sinal original.
Ex. Dado um sistema PCM que trabalha com fmax = 3 Khz, n= 6 bits. Determine a taxa de transmissão do canal de voz.
 fa = 2 fmax => fa = 2 x 3 Khz => fa = 6 Khz => 6.000 amostras por segundo x 6 bits = 36 Kbps.
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PCM30
O sistema de transmissão PCM 30 é composto por 32 canais digitais de 64 kbps (30 canais de voz, um de sincronismo e outro de sinalização). É o padrão europeu de transmissão digital e é baseado na técnica PCM+TDM.
 ESPECIFICAÇÕES DO PCM30
O sistema primário de 30 canais é recomendado pelo CCITT e adotado no Brasil através de regulamentação da Telebrás. O sinal de áudio de cada canal é filtrado em 3.400 Hz e amostrado a 8Khz. Para a geração dos sistemas PCM de 30 + 2 canais
(Recomendação G732), as características e as definições correspondentes são:
Canal:
É um conjunto de recursos técnicos que possibilitam a transmissão da informação de um ponto para outro, acarretando conseqüentemente o conceito de ligação unidirecional. 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.
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PCM30
Intervalo de tempo de canal (ITC) Time Slot
Corresponde ao 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
 
Intervalo de tempo de bit (ITB)
È 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
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PCM30
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
* número de bits transmitidos durante o ITC = 8 bits
* número 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.
 
Quadro
Define-se por quadro (frame) o conjunto de todos os canais enviados em um período de amostragem. A estrutura de um quadro é constituída por 32 canais numerados de 0 a 31. Cada quadro possui 32*8 = 256 bits. Em cada quadro o canal 0 (zero) é utilizado basicamente para transportar o sincronismo de quadro e o canal 16 para transportar a informação de sinalização. Assim, os canais 1 a 15 e 17 a 31 são dedicados para as amostras de voz, totalizando portanto, 30 canais de voz.
O quadro determina a capacidade de transmissão de um enlace.
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PCM30
Ex. Dado um sistema PCM que trabalha com fmax = 4 Khz, n= 6 bits e transmite 38 canais de voz, um de sinalização e outro de sincronismo. Determine o tempo de amostragem, tempo de quadro, tempo de time slot, a taxa de transmissão do canal de voz e a taxa de transmissão do sistema.
 
a) fa = 2 fmax => fa = 2 x 4 Khz => fa = 8 Khz => ta = 1/fa => ta = 1/8 Khz => ta = 125s
tquadro = ta = 125s
ttime slot = tquadro/ número de canais => tts = 125s/40 => tts= 3,12s
taxa canal = No de bits do canal/tq => taxa canal = 6 bits/125s => taxa = 48 Kbps
taxa sistema = No de bits do quadro/tq => taxa canal = 240 bits/125s => taxa = 1,92 Mbps
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Tabela de codificação PCM

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