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UNIVERSIDADE EDUARDO MONDLANE FACULDADE DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELECTROTECNICA APONTAMENTOS DE SISTEMAS TELEFÓNICOS PEREIRA, ESMERALDO MENDES JOSÉ MAPUTO 2012 Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 1 INDICE CAPÍTULO I. INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS TELEFÓNICOS ...................................................... 4 1.1. Desenvolvimento das telecomunicações.....................................................................................................4 1.2. Estrutura da rede de telecomunicações ......................................................................................................4 1.3. Serviços de redes .........................................................................................................................................9 1.4. Terminologia ............................................................................................................................................. 10 1.5. Regulamentação ....................................................................................................................................... 10 1.6. Padrões (Standards) .................................................................................................................................. 11 1.7. Modelo de referência ISO para interconexões de sistemas abertos ........................................................ 11 1.8. Funcionamento do telefone .................................................................................................................... 13 CAPÍTULO 2. TRANSMISSÃO EM TELECOMUNICAÇÕES ......................................................... 16 2.1. Introdução ................................................................................................................................................. 16 2.2 Níveis de potência ...................................................................................................................................... 16 2.3. Circuito a quatro fios................................................................................................................................. 17 2.5. Multiplexação por divisão de frequência ................................................................................................. 21 2.6. Multiplexação por divisão de tempo ........................................................................................................ 22 CAPÍTULO 3. EVOLUÇÃO DOS SISTEMAS DE COMUTAÇÃO .................................................. 30 3.1. Introdução ................................................................................................................................................. 30 3.2. Comutação de mensagens ........................................................................................................................ 30 3.3. Comutação de circuitos ............................................................................................................................ 31 3.4. Sistemas manuais ...................................................................................................................................... 31 3.5. Funções de um sistema de comutação ..................................................................................................... 35 3.6 Sistema strowger passo-a-passo ................................................................................................................ 36 3.7. Registos –Transladores–Emissores ........................................................................................................... 39 3.8. Repartidores ............................................................................................................................................. 41 3.9. Sistemas Crossbar ..................................................................................................................................... 42 3.10. Um trunking geral ................................................................................................................................... 45 CAPITULO 4. TRAFÉGO EM TELECOMUNICAÇÕES................................................................... 47 4.1. Introdução ................................................................................................................................................. 47 4.2. Unidade de Tráfego .................................................................................................................................. 48 4.3. Congestão ................................................................................................................................................. 50 4.4. Medições do Tráfego ................................................................................................................................ 51 4.5. Um modelo matemático ........................................................................................................................... 52 4.6. Sistemas de chamadas perdidas ............................................................................................................... 56 4.6.1.Teoria ...................................................................................................................................................... 56 4.6.2. Desempenho do trafégo ........................................................................................................................ 59 Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 2 4.6.3. Sistemas de chamadas perdidas em Tandem ........................................................................................ 61 4.6.4. Uso de tabelas de trafego ...................................................................................................................... 62 4.7. Sistemas de Bicha ..................................................................................................................................... 62 4.7.1. A Segunda Distribuiçao de Erlang .......................................................................................................... 62 4.7.2. Probabilidade de atraso ......................................................................................................................... 65 4.7.3 Capacidade finita da fila .......................................................................................................................... 66 4.7.4. Alguns resultados úteis .......................................................................................................................... 66 4.7.5. Sistemas com um único servidor ........................................................................................................... 67 CAPITULO 5. REDES DE COMUTAÇÃO ......................................................................................... 71 5.1. Introdução ................................................................................................................................................. 71 5.2. Redes de um único estágio ....................................................................................................................... 71 5.3. Gradings .................................................................................................................................................... 72 5.3.1. Princípios ................................................................................................................................................72 5.3.2. Construção de gradings progressivos .................................................................................................... 74 5.3.4. Capacidade de trafego nos gradings ...................................................................................................... 76 5.3.4. Aplicações dos Gradings ........................................................................................................................ 78 5.4. Sistemas de link......................................................................................................................................... 78 5.4.1. Generalidades ........................................................................................................................................ 78 5. 4.2. Redes de dois estágios .......................................................................................................................... 79 5.4.3. Redes de três estágios ........................................................................................................................... 82 5.5. Grau de serviço de sistemas de link .......................................................................................................... 85 5.5.1.Generalidades ......................................................................................................................................... 85 5.5.2. Redes de dois estagios ........................................................................................................................... 85 5.5.3. Redes de três estagios ........................................................................................................................... 86 CAPITULO 6. COMUTAÇÃO POR DIVISÃO DE TEMPO .............................................................. 88 6.2. Comutação Espacial e Temporal ............................................................................................................... 88 6.2.1. Introdução .............................................................................................................................................. 88 6.2.2. Comutadores espaciais .......................................................................................................................... 88 6.2.3. Comutadores temporais ........................................................................................................................ 89 6.3. Redes de comutação por divisão de tempo ............................................................................................. 90 6.3.1. Redes básicas ......................................................................................................................................... 90 6.3.2. Caminhos bidireccionais ........................................................................................................................ 91 6.3.3. Redes de comutação mais complexas ................................................................................................... 92 6. 3.4. Concentrador ........................................................................................................................................ 92 6.4. Grau de serviços das redes de comutação por divisão de tempo ............................................................ 93 6.6. Sincronização ............................................................................................................................................ 95 Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 3 6.6.1. Alinhamento do frame ........................................................................................................................... 95 6.6.2. Redes de sincronização .......................................................................................................................... 96 CAPITULO 7. CONTROLE DE SISTEMAS DE COMUTAÇÃO ..................................................................... 99 7.1. Introdução ................................................................................................................................................. 99 7.2. Funções de processamento da chamada .................................................................................................. 99 7.2.1. Sequência de operações ........................................................................................................................ 99 7.2.2. Trocas de sinais .................................................................................................................................... 101 7.2.3. Diagrama de transição de estado ........................................................................................................ 102 7.3. Controle comum ..................................................................................................................................... 105 7.4. Confiabilidade, disponibilidade e segurança .......................................................................................... 106 7.5. Controle por programa armazenado ...................................................................................................... 108 7.5.1. Arquitectura do processador ............................................................................................................... 108 7.5.2. Processamento distribuido .................................................................................................................. 109 7.5.3. Software ............................................................................................................................................... 110 7.5.4. Controle de sobrecarga ........................................................................................................................ 112 CAPITULO 8: SINALIZAÇÃO ................................................................................................................... 114 8. 1. Introdução .............................................................................................................................................. 114 8.2. Sinalização PCM ...................................................................................................................................... 115 8.3. Sinalização de linha de assinante ............................................................................................................ 115 8.4. Princípio de sinalização de canal comum ............................................................................................... 115 8.4.1. Generalidades ...................................................................................................................................... 115 8.4.2 Redes de Sinalização ............................................................................................................................. 116 8.5. Sistema de sinalização CCITT Nº 7 .......................................................................................................... 118 8.6. Redes digitais de serviços integrados ..................................................................................................... 119 Capitulo 9. Redes e Plano Nacional de Telecomunicações ................................................................. 121 9.1. Introdução ............................................................................................................................................... 121 9.2. Esquema nacional de numeração ........................................................................................................... 122 9.3. Facturação ...............................................................................................................................................122 9.4. Encaminhamento .................................................................................................................................... 123 9.4.1. Encaminhamento Alternativo Automático (AAR) ................................................................................ 124 9.5. Gestão de rede ........................................................................................................................................ 126 CAPITULO 10: REDES CELULARES ........................................................................................................ 127 Acrônimos ............................................................................................................................................ 129 Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 4 CAPÍTULO I. INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS TELEFÓNICOS 1.1. Desenvolvimento das telecomunicações A maior parte das actividades humanas dependem do uso da informação, esta aparece numa grande variedade de formas, incluindo a voz humana, documentos escritos e impressos e dados de computadores. A informação pode ser processada, armazenada e transportada. E foram desenvolvidas tecnologias para executar todas essas funções. Um dos mais importantes meio de transportar a informação é converte-la em sinais eléctricos e transmiti-la sob uma distância: isto é telecomunicação. As comunicações eléctricas começaram com a invenção do telegrafo independentemente por Wheatstone e Morse em 1837. Sistemas telegráficos consistiam principalmente em linhas separadas, ponto-a-ponto enviando informação numa direcção de cada vez (half duplex). Com o surgimento da telefonia tornou-se necessário que as linhas fossem conectadas em conjunto, de maneira a permitir conversação em ambos os sentidos (full duplex). Em 1878 Alexander Graham Bell inventou o telefone e a primeira central telefónica a New Haven Connecticut foi inaugurada em 1878. Redes de telecomunicações cresceram em todos os paises do mundo e foram acrescidas de uma rede internacional que conecta mais de um bilião de telefones em mais de 200 países. Estas redes agora providênciam muitos serviços diferentes incluindo telegráfia, telefonia, comunicações de dados e transmissão de televisão. O negócio de telecomunicações envolve muitos participantes, estes incluem: Os utilizadores, Os operadores públicos de telecomunicações (PTO), Os provedores de serviços que envolvem telecomunicações, Os fabricantes de equipamentos e componentes (tanto hardware como software), Os investidores e, Os governos. Uma vez que os utilizadores devem pagar taxas para cobrir o custo de providênciar redes, eles são habitualmente chamados assinantes ou clientes. 1.2. Estrutura da rede de telecomunicações Se uma comunicação é requerida entre estações de “n” utilizadores, ela pode ser providênciada por uma rede constituinda numa linha de cada estação para qualquer outra como mostrado na figura 1.2-a, esta é a chamada rede totalmente interligada ou rede em malha. A rede em malha tem a vantagem de: existe uma ligação entre uma estação e qualquer outra. A desvantagem é o alto custo na utilização de cabos. Na chamada rede em malha cada estação necessita de linhas para as outras “ ” estações. Portanto se a linha de A para B também transportar chamadas de B para A o número total de linhas requeridas é igual a: ( ) Se , então N é aproximadamente proporcional a 2n . O arranjo da figura 1.2-a é praticável se n for pequeno e as linhas forem curtas, contudo a medida que n aumenta e as linhas se tornam mais compridas Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 5 este arranjo torna-se extremamente caro. Por exemplo um sistema servindo 10 mil estações de utilizadores necessita de aproximadamente 50 milhões de linhas. Em vez de cada estação ser conectada com qualquer outra, elas podem ser conectadas por uma única linha formando um bus como mostrado na figura 1.2-b ou um anel como ilustrado na figura 1.2-c. Estas redes são inuteis para a telefonia normal, uma vez que apenas uma conversação poder ter lugar de cada vez. Contudo as redes do tipo bus e anelar podem ser usadas para comunicação de dados, para transmissão de dados sobre um circuito comum a muito maior velocidade do que é gerada nos terminais individuais. Quando o circuito esta ocupado, o terminal que precisa enviar uma mensagem armazena-a até que o circuito se torne livre. Estas configurações são usadas para redes de areas locais (LAN), para transmissão de dados a curtas distâncias. a) Rede em malha b) Bus C) Rede em anel d) Rede em estrela e) Rede em arvore Figura 1.2. Estrutura de redes Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 6 Para a telefonia, a comunicação nos dois sentidos é requerida entre qualquer par de estações e, deve ser possível que muitas conversações tenham lugar ao mesmo tempo, Estes requisitos podem ser satisfeitos providênciando uma linha para cada estação de utilizador apartir de um centro de comutação central (por exemplo uma central telefónica). O centro de comutação central interliga as linhas sempre que solicitada. Esta configuração de rede é mostrada na figura 1.2-d e é chamada de rede em estrela. Neste sistema o número de linhas é reduzido de ( ) para . Se n for grande o custo de providênciar o centro de comutação é de longe menor que a poupança em custo de linha. Numa área coberta por uma rede em estrela, a medida que o número de estações servidas por ela cresce, os custos de linha aumentam tornando-se então económico dividir a rede em redes menores, cada uma servida pela sua própria central, como é ilustrado na figura 1.3. a) Area com um só central b) Area com várias centrais Figura 1.3. O comprimento médio de uma linha de cliente e, portanto o custo total da linha decresce com o número de centrais, mais o custo de providênciar as centrais aumenta. Portanto como mostrado na figura 1.4 existe o número optimo de centrais para o qual o custo total da rede é minimo. Figura 1.4. Variação do custa da rede com o número de centrais Numa área servida por várias centrais os clientes em cada central terão que conversar com clientes de outras centrais. É necessário portanto providênciar circuitos entre centrais. Estes circuitos são chamados de Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 7 circuitos de junção e eles formam a rede de junção. Se junções são providênciadas entre todas as centrais, a rede de junção tem a configuração da figura 1.2.a). Contudo se o custo da junção for alto não será económico ligar todas as centrais directamentene, sendo mais barato fazer conexões entre as centrais locais dos clientes atravéz de um centro de comutação chamado tandem. Redes de junção tem então uma configuração em estrela como mostrado na figura 1.2. d). Na prática junções directas entre duas centrais locais provam-se economicas quando existe uma grande comunidade de interesses entre os seus clientes (resultando numa alta carga de trafégo), ou quando a distância entre elas é curta (resultando num baixo custo de transmissão). Seguindo o mesmo princípio o encaminhamento directo através de uma central tandem é mais economico quando o trafegoé pequeno ou a distância entre elas é grande. Consequentemente uma area multicentral habitualmente tem junções directas entre algumas centrais, mais o tráfego entre outras é encaminhado através de uma central tandem. A rede da área como mostrado na figura 1.5 abaixo é então uma mistura de uma rede em estrela ligando todas as centrais locais a uma central tandem e uma rede em malha ligando algumas das centrais locais entre elas. Figura 1.5. Area multicentral. L – Central Local; T – Central Tandem Clientes que querem comunicar com pessoas noutra parte do país para além da sua própria área, terão que ter a sua área interligada com outras através de circuitos de longa distância, os quais formam uma rede troncal. Uma vez que todas as centrais locais numa área têm junções para centrais tandem, estas providênciam o acesso conveniente a rede troncal. Contudo em cidades grandes o trafego de longa distância é suficiente para a comutação local tandem e as funções de comutação troncal sejam efectuadas por centrais diferentes (centrais separadas). Tal como não é económico que todas as centrais na mesma area estejam totalmente interligadas entre si, também não é frequentemente economico que todas as centrais troncais estejam totalmente interligadas entre si. Consequentemente rotas de encaminhamento entre diferentes áreas são providenciadas por conecções tandem através de centrais de tránsito troncais. Numa grande rede nacional, centrais de tránsito troncais podem ou não ser totalmente conectadas e um ou mais níveis de centro de comutação são introduzidos, isto produz uma concatenação de redes em estrela resultando na configuração em arvore como a mostrada na figura 1.2-e). Contudo rotas directas são providênciadas quando o trafego é elevado ou os custos de transmissão são baixos (distâncias curtas). Portanto a arvore é completada por rotas laterais ligando centrais no mesmo nível, como ilustrado na figura 1.6. Numa rede do tipo mostrado na figura 1.6 onde existe uma rota directa entre duas centrais do mesmo nível, existe também uma possivel rota alternativa entre centrais do mesmo nível através de uma central do nível superior próximo, então se o circuito directo não estiver disponível (devido ao corte no cabo por exemplo) é possível escoar o tráfego numa rota indirecta. Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 8 Em sistemas de comutação antigos, algumas mudanças deveriam ser feitas através de rearranjos manuais. Sistemas modernos de comutação providênciam o encaminhamento automático alternativo (AAR). Com o AAR se uma central origem não é capaz de achar um circuito livre na rota directa para uma central destino, ela automaticamente encaminha a chamada para a central de nível superior, isto acontece não apenas quando não há circuitos directos devido a um corte mas também quando estes estão todos ocupados. Portanto as conexões tandem aumentam o número de circuitos disponíveis para transportar trafego de pico e menos circuitos são disponíveis na rota directa. Figura 1.6. rede de comunicação nacional 1. Central internacional – Gat way (centro de trânsito 3); 2. Centrais Tandem nacionais (centros de comutação trocais tercearios); 3. Centrias regionais Tandem (centros de comutação troncais secundários); 4. Centrais locais Tandem (centros de comutação troncais primárias); 5. Centrais locais; 6. Linhas de clientes. Numa rede moderna o uso do AAR melhora a resistência da rede para fazer face tanto aos cortes como as sobrecargas de trafego. Uma rede nacional pública comutada de telecomunicações (PSTN) como mostra na figura 1.6 consiste na hierarquia seguinte: 1. Redes locais - que interligam estações dos clientes as suas centrais locais (são também chamadas redes de distribuição de assinantes, redes de acesso dos clientes ou loop de cliente). 2. Redes de junção - que interconectam um grupo de centrais locais servindo uma area e uma central tandem ou troncal. 3. Rede troncal - que providência circuitos de longa distância entre areas locais através do país. Acima desta hierarquia existe a rede internacional que providência circuitos ligando as redes nacionais dos diferentes paises através de uma ou mais centrais internacionais. Abaixo da hierarquia da rede nacional pública, alguns clientes tem linhas internas servindo telefones de extensão. Estes são conectados uns aos Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 9 outros e as linhas das centrais públicas através de uma central privada (PBX - Private Branch Exchange ou PABX - Private Automatic Branch Exchange). Para comunicações de dados elas podem ter uma LAN que esteja também ligada a rede pública de dados. Grandes companhias tem também redes privadas (normalmente empregando circuitos alugados a um operador de telecomunicações) ligando os seus PBX’s ou LAN’s em diferentes partes do país ou ainda através dos diferentes países. Uma rede de telecomunicações contém um grande número de links (ligação ponto a ponto) juntando diferentes locais que são conhecidas como nós da rede, portanto cada terminal do cliente é um nó. Centros de comutação formam outros nós. Em alguns nós certos circuitos não são comutados, mais os seus links de transmissão são ligados de uma forma semi-permanente. Os clientes requerem de conexão a nós onde existem operador telefónicos que as possam assistir a fazer chamadas e a serviços públicos de emergência (por exemplo policia, bombeiros e serviços de ambulância). Eles também querem obter ligações de provedores comerciais de serviços de rede de “valor acrescentado” (VANS) tais como caixas de correio de voz, preços de bolças, meterologia e resultados desportivos. Consequentemente uma rede de telecomunicações pode ser considerada como a totalidade dos links de transmissão e dos nós, os quais podem ser dos seguintes tipos: nós do cliente; nós de comutação; nós de transmissão; nós de serviços. De maneira a estabelecer uma ligação para um destino requerido e desliga-lo quando não for mais necessário o cliente deve enviar uma informação para a central. Para uma conexão que passa através de várias centrais, tal informação deve ser enviado entre todas as centrais na rota. Esta troca de informação é chamada de sinalização. Uma rede de telecomunicações pode, portanto, ser considerada como um sistema consistindo nos seguintes subsistemas em interacção: Sistema de transmissão; Sistema de comutação; Sistema de sinalização. 1.3. Serviços de redes Os clientes dum operador público de telecomunicações (PTO) requerem muitos serviços diferentes dos quais aparentam requerer diferentes redes. Exemplos incluem: Redes telefónicas pública comutação (PSTN); Rede telegráfica pública comutação (telex); Redes privadas de voz e dados (usando circuitos algados); Redes móveis celulares; Rede pública de dados – PDN ( empregando normalmente comutação de pacotes); Redes de serviços especiais intrduzidas para satistazer necessidades especiais dos clientes. Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 10 Estes serviços podem usar centros de comutação separados e os circuitos privados usam linhas de transmissão conectados de uma forma semi-permanente aos nós das redes sem comutação. Contudo como mostrado na figura 1.7, os diferentes serviços usam uma rede de transmissão comum que consiste nos circuitos de junção e troncais. Os clientes são conectados à esta através da sua central local via rede de acesso local. Figura 1.7. Relação entre serviços e rede de suporte CP – Circuitos privados; PDN – Rede pública de dados; PSTN – Rede pública de comutação telefónica; Telex – Rede telegráficade comutação pública. Os serviços providenciados pelas redes de telecomunicações podem portanto serem divididos em duas categorias: 1. Teleserviços - nos quais a provisão de um serviço depende de um particular aparelho terminal (por exemplo de um telefone ou tele-impressor). 2. Serviços de transmissão – os quais fornecem ao cliente capacidade de transmissão que pode ser usada para qualquer função desejada (por exemplo circuitos privados). 1.4. Terminologia Nomes diferentes para os centros de comutação das redes são usados nos diferentes paises. Internacionalmente centrais troncais são chamados de centros primários, secundários e terciários, como mostrado na figura 1.6. O centro primário esta no nível mais baixo da hierarquia troncal e faz o interface com as centrais locais. Na terminologia ITU (União Internacional de Telecomunicações), uma central internacional do tipo gatway é chamada de Centro de Transito 3 (CT3). Centrais internacionais CT1 e CT2 interligam apenas circuitos internacionais. Centrais CT2 comutam tráfego entre grupos regionais e centrais CT1 interligam continentes. 1.5. Regulamentação O negocio de operar redes de telecomunicações teve a tendência de ser um monopólio. Entretanto é extremamente caro escavar estradas, instalar condutas e cabos através de um país. Este custo alto constituiu uma barreira a que muitos operadores entrassem no mercado. Ultimamente existe uma liberarização do mercado, isto fez com que sejam usados métodos para regular o negocio das telecomunicações. Em Moçambique o orgão que regula as telecomunicações é o INCM - Instituto Nacional de Comunicações de Moçambique. Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 11 1.6. Padrões (Standards) O planeamento e a operação com sucesso das telecomunicações internacionais depende da cooperação entre os países envolvidos. A padronização (standardização) que tornou uma rede internacional efectivamente possível é executada pela União Internacional das Telecomunicações (ITU). Esta foi fundada em 1865 como União Telegráfica Internacional e é a mais antiga das agências especializada das Nações Unidas. O trabalho da ITU é feito através de dois corpos principais: 1. O Sector de Telecomunicações do ITU (ITU-T) - que foi anteriormente o comite consultatif internacional telegraphique et telephonique (CCITT). Os seus deveres incluem estudos de questão técnica, métodos de operação e tarifas para telefonia, telegráfia e telecomunicações de dados. 2. O Sector de Rádio Comunicações do ITU (ITU-R) - que foi anteriormente o Comite Internacional de rádio comunications (CCIR). Os seus estudos incluem todas as questões técnicas e operativas de rádio e telecomunicações abrangendo comunicações ponto a ponto, serviços móveis e emissões comerciais de rádio e de televisão. Associado a ele existe o Gabinete Internacional de Registo de frequência (IFRB), o qual regula a atribuição de frequência de rádio para previnir interferência entre diferentes transmissões. O ITU-R e o ITU-T são compostos por representantes dos governos, dos operadores e das organizações industriais. Ambas têm um grande número de grupos de estudos activos. As recomendações dos grupos de estudo são apresentadas em secções plenárias que se reunem em alguns anos. Os resultados das secções plenárias são publicados em séries de volumes que providênciam registos actualizados do que há de mais recente do sector Na teoria estes corpos emitem recomendações que se aplicam apenas as comunicações internacionais. Contudo uma comunicação internacional passa por partes das redes nacionais de dois paises para além dos circuitos internacionais envolvidos, consequentemente os padrões nacionais são inevitavelmente afectados. Por exemplo uma conecção telefónica internacional não pode satisfazer os requisitos de transmissão do ITU-T se esses forem violados por parte da rede nacional entre o cliente chamador (ou chamado) e a central internacional de transito. Portanto na prática os PTO’s devem ter em consideração as recomendações da ITU-T a quando do planeamento das suas redes e os fabricantes devem produzir os equipamentos que satisfaçam as especificações do ITU-T. Para além da ITU existe a Internacional Standard Organization (ISO), ela produz padrões em muitos campos incluindo tecnologias de informação de particular importância para as telecomunicações. Existe também o Instituto Europeu de Telecomunicações (ETSI). Nos EUA os padrões são produzidos pelo American Standard Institute (ASI) e pelo Institut of Electrical and Electronic Enginher (IEEE). Entre outras organizações de padronização encontramos: a Association Francaise de Normalization (AFNOR), a British Standard Institute (BSI) e a Deutsches Institute für Normung (DIN). Os padrões de grandes companhias industriais podem também ser influentes. Por exemplo certas companhias de computadores fabricam equipamentos compativel com os padrões IBM. Nos Estados Unidos da America a organização de pesquisa e engenharia da companhia BELL ( BELL CORE) produz padrões que facilitam a comunicação entre diferentes operadores regionais BELL. 1.7. Modelo de referência ISO para interconexões de sistemas abertos Para comunicação de dados com sucesso através de uma rede, procedimentos de operação adequados devem ser estabelecidos. Eles devem ser especificados em detalhe e estritamente seguidos pelo terminal emissor de dados, terminal receptor e por quaisquer centros de comutação intervenientes. Estes procedimentos são chamados de protocolos. Muitas LAN’s interconectam terminais de dados do memsmo fabricante e operam usando rotocolos proprietários, contudo, a medida que a comunicação de dados se desenvolveu surgiu a necessidade de Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 12 comunicar entre computadores e terminais de diferentes fabricantes. Isto levou-nos ao conceito de interconexão de sistemas abertos (OSI) para permitir que as redes sejam independentes da máquina. O desenvolvimento das especificações de protocolos necessários para a interconexão de sistemas abertos foi executado pela ISO. Os padrões ISO são baseados no protocolo de sete camadas conhecido como modelo de referência ISO para o OSI. O princípio deste modelo é mostrado na figura 1.8. Figura 1.8. Modelo de sete camadas ISO para interconecção de sistemas abertos Cada camada é um utilizador de serviços da camada de baixo e providência serviços a camada acima. Também cada camada é especificada independentemente das outras camadas, contudo tem um interface definido com a camada de baixo e com a camada de cima. Portanto no que diz respeito aos utilizadores a comunicaçõa parece ter lugar através de cada camada como mostrado pelas linhas tracejadas na figura 1.8. De facto, na realidade cada troca de dados passa pela camada de baixo (camada física), no terminal emissor, atravessa a rede para o terminal receptor e então sobe de novo. As camadas do modelo OSI são como se segue: Camada 1 – camada fisíca: esta define o interface em termos de conexões, tensões e velocidade de dados de maneira que os sinais sejam transmitidos bit-a-bit. Camada 2 – camada de link: esta providência a detencção e correcção de erros para um link de maneira a assegurar que a troca de dados seja confiavel. Ela pode requerer que os dados sejam divididos em blocos chamados “pacotes”, para inserir bits de verificação de erros ou de sincronização, contudo a transparência é preservada para os bits de dados nestes blocos. Camada 3 – camada de rede: esta diz respeito as operações da rede entre os terminais. Ela é responsável pelo estabelecimento das conexões correctas entre os nós apropriados da rede. Camada 4 – camada de transporte: é responsável pelo estabelecimentodo caminho de comunicação apropriado independente da rede, para um equipamento terminal particular (por exemplo providênciando a apropriada velocidade de dados e controle de erros). Ela portanto, liberta o utilizador da nessecidade de se preocupar com esses detalhes. Camada 5 – camada de sessão: diz respeito ao estabelecimento e manutenção de uma sessão operacional entre terminais. Camada 6 – camada de apresentação: diz respeito ao formato de dados apresentados de maneira a ultrapassar diferenças da representação da informação tal como ela é fornecida num terminal e requerida por outro terminal. O seu proposito é fazer com que a comunicação sobre a rede seja independente da máquina. Camada 7 – camada de aplicação: Define a natureza da tarefa a ser executada. Ela fornece ao utilizador de programas a aplicação necessária, por exemplo correio electrónico, processamento de palavras, transações bancárias, etc. Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 13 É bastante util analisar sistemas de comunicação em termos do modelo OSI. Os sistemas de comunicação estão agora a ser especificados e projectados com protocolos em camadas de acordo com o modelo OSI. Um exemplo e o sistema de sinalização CCITT 7. Os projectistas de redes de telecomunicações estão principalmente ocupados com as camadas 1 á 3. As camadas mais altas dizem respeito aos projectistas de software para aplicações particulares da rede. No caso da telefonia a camada 3 apenas requere os sinais de “ pedido de chamada” e de “desligar” (fora de descanso e no descanso ou pedido de chamada), ‘‘toque de chamada’’ e tons de endereçamento (discagem). Protocolos para as camadas mais altas podem ser desenvolvidos “ad hoc” pelo utilizador a medida que a conversação avança. Em contraste para comunicação entre máquinas (computadores) devem ser preparados todos os trabalhos em detalhe e programados com antecedência. 1.8. Funcionamento do telefone 1. Recepção: As correntes de voz de entrada passam entre os fios A e B através do enrolamentode e do transmissor. As forças electromotrizes induzidas nos enrolamentos de e são ambas nas mesmas direcções, e tendem a produzir correntes em direcções opostas em R1. As proporções dos enrolamentos e das impedâncias dos circuitos conectados são contudo tais que a corrente resultante em R1 é pequena e introduz pouca queda de tensão. A tensão dos enrolamentos de e é portanto quase toda disponível, o que provoca o fuxo da corrente no circuito local de recepção (auscutador). Isto contudo inclui não apenas o receptor mas também o transmissor. 2. Pedido de chamada: Quando a linha de assinante esta vaga, a bateria da central alimenta a linha atraves do enrolamento de um rele de linha, normalmente conhecido como rele L. Nenhuma corrente flui normalmente, mas quando o assinante retira o auscutador do descanso, um loop de corrente continua estabelece-se via GS2, o enrolamento de 35 e o transmissor. O rele de linha é operado pela corrente que flui a volta do loop como mostrado na figura 1.9.a). A operação do rele L, faz com que a central tome conhecimento do pedido de chamada. 3. Discagem: A operação do rele L numa central automática resulta no reconhecimento por parte da central de um pedido de chamada o qual dá origem ao envio de um sinal de marcar. A operação de discagem é Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 14 feita através dos contactos D1 e D2 que estão fechados e abertos o número de vezes correspondente ao número discado, de maneira que trens de impulsos estejam directamente ligados ao loop. 4. Desligar: Quando uma conecção é estabelecida entre um assinante e outro, uma ponte de transmissão é introduzida no circuito de maneira a tornar a conversação possivel, incluidos nessa a ponte estão reles de supervisão em cada lado da comunicação. Na figura 1.9 LA e LC são reles de supervisão, quando o assinante chamador repõe o auscutador no descanso, o rele de supervisão LA que foi operado pelo loop de assinante liberta-se imediamentamente quando o loop é disconectado em GS2. Isto permite que o equipamento ocupado na chamada volte a situação de desocupado ou vaga. 5. Recepção de uma chamada: Quando se recebe uma chamada, a central envia um sinal de baixa frequência que passa pelo terminal A, campainha, consensador e terminal B fazendo tocar a campainha. Ao se levantar o auscutador os contactos GS introduzem um circuito de baixa impedância, fazendo com que a corrente no loop de assinante aumente, dando assim a conhecer a central que a chamada foi atendida. Os restantes processos são idênticos aos descritos anteriormente. 6. Sinalização da linha de assinante (Sinalização Loop-disconnect): Numa rede telefónica local a sinalização loop-disconnect é usada para enviar os sinais de pedido de Chamada e de desligar dos clientes para Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 15 a central. Uma vez que existe uma corrente mínima de linha que a central pode detectar, existe portanto uma resistência de linha máxima permissivel, isto limita o comprimento de linha máximo e o tamanho da áre servida pela central. Quando telefones de disco marcadore são usados, os clientes enviam informação de endereço por impulsos decadicos. Por digitar o disco marcador estabelece-se e corta-se o circuito para enviar um trem de até 10 impulsos de loop-disconect, aproximadamente 10 impulsos por segundo. A central é capaz de detectar o fim de cada trem de impulsos devido a mínima pausa entre digitos (por exemplo de 400 milisegundos a 500 milisegundos), resultando no estado de loop significativamente maior que os estados de loop (ligado) estabelecidos durante o envio dos impulsos (por exemplo 33 milisegundos). Um telefone com botões usando sinalização multifrequência entre dois tons (DTMF), ele envia cada digito por meio de uma combinação de duas frequências, uma de cada dois grupos de quatro frequências como mostrado na figura 1.11. Isto é feito para reduzir o risco de “imitação de sinal”, uma vez que cada digito usa duas frequências e estes não estão harmonicamente relacionados, existe muito menos possibilidade de cada combinação seja produzida pela voz ou por ruido da sala recolhido pelo transmissor do telefone do que se apenas uma frequência fosse usada. Frequencias (Hz) 1209 1336 1477 1633 697 1 2 3 Reservado 770 4 5 6 Reservado 852 7 8 9 Reservado 941 * 0 # Reservado Figura 1.11. Codificação de frequências usado pelo telefone de teclas Em adição aos digitos de 1 à 0 o teclado do telefone tem os símbolos asterisco e cardinal, que são usados em centrais SPC para activar facilidades sob o controle dos clientes. Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 16 CAPÍTULO 2. TRANSMISSÃO EM TELECOMUNICAÇÕES 2.1. Introdução Os sistemas de transmissão providenciam circuitos entre nós numa rede de telecomunicações. Se um circuito usa um caminho de transmissão separado para cada derecção, estes são chamados de canais. Em geral um canal completo passa atravéz do equipamento de emissão numa “estação terminal”, uma “linha de transmissão”o qual pode conter “repetidores” em “estações intermédias” e equipamento de recepção noutra estação terminal. 2.2 Níveis de potência Uma larga gama de níveis de potência é encontrada em sistemas de transmissão de telecomunicações e, portanto é conveniente usar uma unidade logaritmica para potências. Esta unidade é o decibel (dB) que é definido como o seguinte: a) Se a potência de saída P2 é maior que a potência de entrada P1 então o ganho G em decibeis é: ( ) (2.1.a) b) Se contudo12 PP , então a perda ou atenuação L em decibeis é igual a: ( ) (2.1.b) c) Se os circuitos de entrada e saída tem a mesma impedância então: ( ) ( ) , e ( ) ( ) ; (2.2) Uma unidade logaritmica de potência é conveniente quando um número de circuitos tendo ganhos ou perdas são conectados em tandem. O ganho ou perdas geral do número total de circuitos em tandem é simplesmente a soma algébrica dos seus ganhos ou perdas individuais medidas em decibel. Se uma rede passiva tal como um atenuador ou filtro é introduzido no circuito entre o gerador e a carga, o acrescimo da perda total do circuito é chamado de perda de insersão. Se uma rede activa tal como um amplificador é inserido a potência recebida pela carga deve aumentar, isto é portanto um ganho de inserção. O decibel (dB) como definido acima é uma unidade relativa do nível de potência. Para medir o nível absoluto de potência em decibeis é necessário especificar um nível de referência. Este é usualmente tomado como sendo de 1 mW e o simbolo “dBm”, é usado para indicar níveis de potência relativos a , por exemplo e . Algumas vezes (em sitemas satelite por exemplo) o nível de referência é tomado como sendo , o simbolo usado é então dBw. Uma vez que o sistema de transmissão contém ganhos e perdas, um sinal terá diferentes níveis em diferentes pontos do sistema, e portanto é conveniente exprimir os níveis em diferentes pontos do sistema em relação a um ponto escolhido chamado “ponto de referência zero”. O nível relativo dum sistema em qualquer outro ponto em relação a este nível no ponto de referência é denotado como dBr. Um exemplo pode ser visto na figura 2.1. É muitas vezes conveniente exprimir o nível do sinal em termos do nível correspondente no ponto de referência, isto é denotado como dBm0, consequentemente: Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 17 Por exemplo se um sinal tem o nível absoluto de num ponto onde o nível relativo é -10 dB, o nível do sinal referido no ponto de referência zero é: ( ) Figura 2.1. Exemplos de níveis relativos de potência no sistema de transmissão analógico 2.3. Circuito a quatro fios 2.3.1. Princípio de operação É frequentemente necessário o uso de amplificadores para compensar a atenuação numa linha de transmissão. Uma vez que a maior parte dos amplificadores são unidirecionais é normalmente necessário providenciar canais separados para a direcção de transmissão de “ida ” e de “retorno”. O termo “circuito a quatro fios” é então usado, apesar dos canais de ida e de retorno poderem ser providenciados por canais num sistema multiplex como mostrado na figura 2.2, ao invês de ser em pares de cabos. Fig 2.2. Circuito à 4 fios (hibrido) Cada extremo do circuito a quatro fios deve estar conectado a uma linha a dois fios ligada a um telefone. Se ambos caminhos do circuito a quatro fios estiverem conectados directamente ao circuito a dois fios em cada extremo, um sinal poderá circular à volta do loop completo então criado. Isto resultará em uma oscilação contínua conhecida como singing, a menos que a soma dos ganhos nas duas direcções fossem Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 18 menores que zero. Para evitar isto, a linha de dois fios em cada extremo é conectada à linha de quatro fios através de um “equipamento terminal de 2 fios por 4 fios”. Este contém um transformador hibrido (consistindo em dois transformadores conectados inversamente) e uma rede de balanceamento de linha cuja impedância é semelhante a do circuito a dois fios sobre a requerida banda de frequência. O sinal de saída do amplificador de recepção faz com que tensões iguais sejam induzidas nos enrolamentos secundários do transformador T1. Se as impedâncias da linha de dois fios e do balanceamento de linha forem iguais então correntes iguais fluiram nos enrolamentos primários do transformador T2 e nenhum sinal é aplicado a entrada do amplificador de emissão. Estes enrolamentos estão conectados em anti-fase, portanto nenhuma f.e.m. é induzida no enrolamento secundário do transformadoT2. Deve-se notar que a potência de saída do amplificador de recepção divide-se igualmente entre a linha de dois fios e a rede de balancemaneto de linha. Quando um sinal é aplicado a partir da linha de dois fios, a ligação usada entre os enrolamentos do transformador resulta numa corrente zero na rede de balanceamento de linha. A potência é então dividida igualmente entre a entrada do amplificador de emissão e a saida do amplificador de recepção onde não produz qualquer efeito. O preço para evitar o “singing” é portanto a perda de 3 dB em cada direcção de transmissão para além de quaisquer perdas nos transformadores (tipicamente 0,5 dB a 1 dB). A impedância de linha a 2 fios varia com a frequência. Para conseguir uma operação correcta de um terminal de dois por quatro fios será necessário projectar uma rede de balanceamento complexa para adapta- la extritamente ao longo da banda de frequência, isto seria muito caro se fosse praticável. Para além disso, quando a linha a quatro fios é conectada a linha de dois fios por comutadores numa central electromecânica não se sabe previamente a qual linha de dois fios esse equipamento de quatro fios será conectado. Consequentemente um simples “balanceamento de compromisso” é normalmente empregue, por exemplo uma resistência de 600 Ω ou 900 Ω, portanto uma pequena fracção de potência recebida no lado da recepção no circuito de quatro fios passará atravéz do transformador híbrido e será retransmitida noutra direcção. 2.3.2. Ecos Num circuito a quatro fios, um balanceamento de linhas imperfeito faz com que parte da energia do sinal transmitido numa direcção volte na outra. O sinal refletido para o lado do falador (do que fala) é chamado “eco do falador”, e o do lado do que escuta é chamado “eco do que escuta”. Os caminhos atravessados por estes ecos são mostrados na figura 2.3. Figura 2.3. Caminhos de eco e do singing no circuito a 4 fios Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 19 A atenuação entre a linha a dois fios e a linha a quatro fios (entre a linha a quatro fios e a linha a dois fios ) foi mostrado na secção 2.3.1 como sendo de 3 dB. Portanto, a atenuação total de um circuito a dois fios para outro a 2 fios é de: (2.4), onde G4 é o ganho líquido de um lado do circuito a quatro fios, isto é, ganho total de amplificação menos perda total da linha). A atenuação através do transformador hibrido de um lado do circuito a quatro fios para outro de quatro fios é chamada de perda ou atenuação trans-hibrido. Pode ser demostrada que esta perda é sendo, | | (2.5) onde Z é impedância da linha a dois fios e N é a impedância da rede de balanceamento. A perda ou atenuação B representa a parte da perda trans-hibrida que é devida a não adaptação da impedância entre a linha de dois fios e a rede de balanceamento e, é conhecido como perda de retorno de balanceamento (BRL – Balance Return Loss). A atenuação do eco que atinge a linha de dois fios de quem fala a volta do caminho mostrado na figura 2.3 é: ( ) O eco é atrasado por um tempo , onde T4 é o atraso da linha a quatro fios (entre os seus terminais a dois fios). A atenuação do eco que atinge a linha de dois fios de quem escuta (relativo ao sinal recebido directamente) é: ( ) ( ) e é atrasado por um tempo deem relação ao sinal recebido directamente. O efeito do eco para quem fala e para quem escuta é diferente. Para quem fala ele interrompe a sua conversação e para quem escuta reduz a inteligibilidade de aquilo que recebe. O eco de quem fala é usualmente o mais problemático porque tem nível mais alto (de uma quantidade igual ao BRL). O efeito incomodo do eco aumenta com a sua magnitude e atraso. Quanto mais longo for o circuito maior será a atenuação do eco requerida, isto pode ser conseguido fazendo com que a perda total L2 aumente com o comprimento do circuito. Existe um limite para o qual a perda pode ser aumentada para controlar o eco. Este é normalmente atingido quando o atraso a volta do loop LT4 é de cerca de 40 ms. Este atraso é excedido em circuitos intercontinentais, via satelite e outros, sendo portanto impossível obter tanto uma adequada baixa perda de transmissão como uma adequada alta atenuação de eco. Em tais circuitos é necessário controlar o eco pela introdução dos dispositivos chamados supressores de eco ou canceladores de eco. Um supresor de eco consiste num atenuador operando a voz, o qual é instalado no caminho do circuito a quatro fios e é operado por sinais do outro caminho. Sempre que a voz é transmitida numa direcção, a transmissão na direcção oposta é atenuada, interrompendo portanto o caminho do eco. Exite um destes supressores em cada extremo do circuito. Uma serie de dificuldades surgem com simples supressores de eco deste tipo. Numa conecção comutada de muito longa distância é possivel haver uma serie de circuitos com supressores de eco ligados em tandem. Se estes circuitos operassem independentemente poderiam aumentar problemas em relação ao sinal é portanto necessário desactivar os supressores de eco nos links intermédios da conecção. É também necessário desactivar os supressores de eco durante a transmissão de dados, uma vez Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 20 que sistemas de transmissão de dados frequentemente usam um canal de retorno para requerer a retransmissão de blocos de informação quando erros são detectados. Supressores de ecos mais sufisticados foram criados para providenciar estas facilidades e para trabalhar com tempos de propagação muito longos (250 ms em cada direcção) encontrados em links de satelites sincronos. Canceladores de eco são agora também usados. O eco é cancelado pela subtração de uma sua replica. Esta replica é sintetizada por meio de um filtro controlado por um loop de feedback o qual adapta as características de transmissão do caminho do eco e detecta quaisquer variações que possam ocorrer durante uma conversação. 2.3.3. Estabilidade Se as perdas de retorno de balanceamento das transmissões do circuito a quatro fios forem suficientemente pequenas e os ganhos dos seus amplificadores forem suficientemente altos, o ganho líquido a volta do loop pode ser maior que zero e pode ocorrer o singing. A perda líquida LS do caminho do singing é mostrado na figura 2.3 e é : ( ) (2.6) Substituindo a equação (2.4) na equação (2.6) tem-se: ( ) (2.7) portanto a perda do caminho do singing é igual a soma das perdas de dois a dois fios nas duas direcções de transmissão e dos BRL’s em cada extremo. A condição necessária de estabilidade é LS>0, isto requer que L2+B>0, isto é G2<B onde: (2.8) O ganho G2 que pode ser obtido num circuito a quatro fios é limitado por BRL. A equação (2.5) mostra que se N=Z a perda do retorno de balanceamento é infinito. Nos casos limites onde tanto Z ou N são zero ou infinito a perda do retorno de balanceamento é zero. A perda entre os canais de ida e de retorno é então de apenas (mais quaisquer perdas devido a influência dos transformadores). Circuitos a quatro fios são normalmente criados para serem estaveis incondicionalmente, isto é devem serem estáveis mesmo quando as linhas a dois fios em cada extremo são circuitos abertos ou estão em curto circuito (B=0), isto exige uma operação com uma perda liquida total . Na prática a atenuação do caminho do singing é deliberadamente feita maior que zero, isto dá uma margem de segurança e evita a distorção por atenuação causada pelos ecos quando o circuito opera perto do seu ponto de singing. O ponto singing dum circuito é definido como sendo o ganho maximo S que pode ser obtido (de uma linha de 2 fios para a linha de 2 fios) sem produzir singing. Portanto da expressão 2.7 temos , isto é, o ponto do singing é dado pelo BRL (ou pela média dos dois BRL’s se estes forem diferentes nos dois extremos do circuito). A Margem de estabilidade é definida como a quantidade máxima do ganho adicional M que pode ser introduzida (igualmente e simultaneamente) em cada direcção de transmissão sem causar o singing, isto é, , portanto da equação 2.7 temos (2.9) A margem de estabilidade é a soma da perda de dois fios a dois fios e do BRL. Na prática uma margem de estabilidade de 3 dB é considerada adequado, isto é, . Se o circuito for projectado para BRL igual a zero, então a perda total do circuito de dois fios para dois fios é portanto 3 dB. Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 21 No estabelecimento de conexões comutadas de longa distância é frequentemente necessário conectar uma série de circuitos a 4 fios em tandem. É vantajoso eliminar o equipamento terminal dos interfaces entre as linhas a quatro fios em vez de interconecta-los numa base de dois fios. A conexão completa portanto consiste numa serie de circuitos a quatro fios em tandem com uma terminação de quatro fios por dois fios em cada extremo de conexão. É necessário assegurar que este circuito tenha uma estabilidade adequada. Uma vez que o desvio standard de G4 aumenta com o número de circuitos em tandem, tal deve acontecer também à perda total. Uma regra simples que foi adaptada pelos operadores em alguns países é: Onde n é o número de circuitos a 4 fios em tandem na conexão comutada. 2.5. Multiplexação por divisão de frequência Na transmissão por multiplexação por divisão de frequências (FDM), uma série de canais de banda base são enviadas sob um caminho de transmissão comum de banda larga usando cada canal para modular uma frequência diferente de portadora. Sistemas usando este processo são chamados de sistemas de portadora multicanais. Um equipamento de multiplexação para 12 canais telefónicos é mostrado na figura 2.6-a. O extremo de emissão de cada sinal de banda base dum circuito de audio frequência é aplicado a um modulador balanceado fornecido por uma protadora adequada fC. A saída deste modulador é um sinal de portadora suprimida com banda lateral dupla ( ) Este sinal é aplicado a um filtro passa banda que elimina a banda lateral superior ( ) e transmite a banda lateral inferior ( ). As saídas destes filtros são ligados em comum para dar um sinal de saída composto contendo o sinal de cada canal telefónico transladado para uma diferente parte do espectro de frequência como mostrado na figura 2.6-c. No extremo de recepção o sinal de entrada é aplicado a um banco de filtro passa banda, cada qual seleccionando a banda de frequências contendo o sinal de um canal. Este sinal é aplicado a um modulador fornecido com a portadora adequada fc e a saída deste modulador consiste no sinal de banda base e componentes de audio frequência não desejados. Os componentes não desejados são suprimidos por um filtro passa baixo e o sinal banda base é transmitido para o circuito de audio frequência no nível correcto por meio de um amplificador. Modulação por portadora suprimida é usada para minimizar a potência total dos amplificadores do sistemade transmissão de banda larga. O uso da modulação de banda lateral única maximiza o número de canais que podem ser transmitidos na largura de banda disponível. Para evitar interferência entre canais as bandas laterais os canais adjacentes obviamente não devem sobrepor-se. Filtros passa banda práticos não podem ter uma caracteristica perfeitamente abrupta, portanto é necessário deixar uma pequena banda de guarda entre as bandas de frequências de canias adjacentes. A figura 2.6-c mostra-nos o grupo básico padrão de 12 canais (grupo básico B do CCITT). O espaçamento entre portadoras é de 4 KHz, portanto 12 canais ocupam a banda de 60-108 KHz. Cada canal tem uma banda base de 300 Hz a 3,4 KHz. A frequência de filtros de cristal é usada para obter as necessárias transições abruptas entre as bandas. Para transmissão sobre um cabo de pares balanceados o grupo básico de 12 canais, modula uma portadora de 120 KHz, de maneira a produzir uma banda lateral inferior na banda de frequência de 12 KHz a 60 KHz. O grupo básico é também usado como bloco de construção para sistemas maiores como mostrado na figura 2.7. Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 22 2.6. Multiplexação por divisão de tempo 2.6.1. Princípios O sistema de multiplexação por divisão de tempo (TDM) básico é mostrado na figura 2.8-a). Cada canal de banda base é conectado ao caminho de transmissão através de uma porta de amostragem, a qual é aberta durante curtos intervalos por meio de um trem de impulsos modulados na amplitude. Pulsos com a mesma frequência mas deslocados no tempo, como mostrado na figura 2.8-b) são aplicados nas portas de emissão de outros canais. Portanto o caminho de transmissão comun recebe trens de impulsos intercalados modulados pelos diferentes canais. No terminal de recepção, as portas são abertas por impulsos coinsidentes com os recebidos do caminho de transmissão de maneira que o desmodulador de cada canal esteja conectado ao caminho de transmissão durante o seu intervalo alocado. Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 23 O sinal modulado na amplitude pode ser correctamente desmodulado por um filtro passa baixo com uma frequência de corte de desde que seja maior que o dobro da maior frequência da banda base. O sinal de entrada é portanto limitado na banda pelo filtro de entrada mostrado na figura 2.8-a). Para acomodar canais telefónicos com uma banda de 300 Hz à 3,4KHz usando filtros passa baixo baratos a frequência de amostragem internacionalmente acordada é de 8 KHz. O gerador de impulsos do terminal receptor deve ser sincronizado com o do terminal emissor. Um impulso de sincronização distinto é portanto enviado em cada periodo de repetição para além dos trens dos impulsos dos canais. A forma completa da onda transmitida durante cada periodo de transmissão contém portanto um time slot para cada canal e um para sinal de sincronismo o qual é chamado por frame. O sistema TDM elementar mostrado na figura 2.8 usa modulação de impulsos de amplitude. Modulação por comprimento de impulso e modulação por posição de impulso podem também ser empregues, contudo estes métodos não são usados em linhas de transmissão porque a atenuação e a distorção devido ao atraso provoca a dispersão dos impulsos transmitidos. Eles espalham-se no tempo e interferem com os impulsos dos canais adjacentes. Para ultrapassar este problema é usada a modulação por condificação de impulsos (PCM). Na modulação por codificação de impulsos cada amostra analógica é aplicada a um conversor analógico-digital o qual produz um loop de impulsos que representam a sua tensão em código binário. No lado de recepção um conversor analógico-digital executa o processo inverso. Uma vez que os codificadores usados Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 24 para conversão analógico-digital são necessários para executar as suas operações durante o tempo do time slot de um canal, eles podem ser ligados em comum em todos canais TDM como mostrado na figura 2.9. Figura 2.8 O grupo de bits representando uma amostra é chamado de word ou byte. Um byte de 8 bites é normalmente chamado de octeto. Para telefonia a amostragem é feita a 8 KHz e a codificação de 8 bites é usada. Portanto um canal telefónico requere que os digitos binários sejam encaminhados a velociadade de . Uma vez que a largura de banda mínima requerida é metade da velocidade dos impulsos, uma largura de banda de 32 KHz é necessária para transmitir um único canal telefónico. As vantagens de transmissões digitais são conseguidas a custa de uma muito maior necessidade de largura de banda. Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 25 2.6.2. Grupo Multiplex Primário - PCM Sistemas PCM foram desenvolvidos primeiro para a transmissão sobre cabos, projectados originalmente para transmissão de audio frequências. Foi achado que estes são satisfatórios usando uma adequada codificação bipolar para uma transmissão até ⁄ . Consequentemente os canais telefónicos são combinados por multiplexação por divisão no tempo para formar um conjunto de 24 ou 30 canais, isto é conhecido como grupo primário multiplex. Ele é também usado como bloco de construção para juntar um maior número de canais em sistemas multiplex de ordem superior. A operação de um multiplex primário é mostrado na figura 2.11, o comprimento do frame/trama é de correspondente ao intervalo de amostragem. Ele contém uma amostra de voz de cada canal em conjunto com digitos adicionais usados para sincronização e sinalização. Duas estruturas de frame são usadas na maior parte dos casos, em sistema europeu de 30 canais e o sistema OSI de 24 canais usado na America do Norte e no Japão. Ambos sistemas empregam codificação de 8 bits, contudo o sistema de 30 canais usa compandig da lei A. E o sistema de 24 canais usa compandig da lei μ. Como mostrado na figura 2.11, o frame do sistema de 30 canais é dividido em 32 time slots, cada com 8 digitos. Portanto a velocidade total dos bits é de ⁄ . Os time slots de 1 à 15 e de 17 à 31 estão alocados a um canal de voz. O time slot zero é usado para alinhamento do frame; o time slot 16 é usado para sinalização. 2.6.3. Hierarquia Digital Plesiocrona O grupo primário multiplex de 24 canais ou 30 canais é usado como bloco de construção para um número maior de canais em sistemas multiplex de ordem superior. A cada nível de hierarquia, vários conjuntos de bits conhecidos como tributarios, são combinados por um multiplexador. A saída de cada multiplexador pode servir como tributário a um multiplexador no próximo nível superior na hierarquia ou pode ser enviado directamente para uma linha ou para um link de rádio. Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 26 Numa rede de transmissão que não foi projectada para operação sincrona as entradas de um multiplexador digital, não serão em geral exactamente sincronas, contudo elas têm a mesma velocidade de bits nominal. Eles normalmente têm como origem diferentes osciladores de cristal e podem variar dentro de uma tolerância de clock, diz-se então que eles são plesiocronos. A primeira geração de sistemas multiplex digital de ordem superior foram projectados para esta situação, eles formam a hierarquia digital presiocrona (PDH). Mais recentemente a introdução de redes digitais integradas resultam em sistemas de transmissão totalmente sincronizados e isto levou ao surgimento da nova hierarquia digital sincrona (SDH). Se as entradas de um multiplex são síncronas,isto é, elas têm a mesma velocidade de bits e estão em fase, elas podem ser intercaladas tomando um bit ou um grupo de bits de cada um a vez. Isto pode ser feito por um comutador que faz a amostragem, de cada entrada sobre o controle do clock do multiplexador, como mostrado na figura 2.13. Existem dois métodos principais de intercalação de sinais digitais: Intercalação de bits; Intercalação de palavras. Na intercalação de bits, um bit é tomado de cada tributário de cada vez. Se existem N sinais de entrada, cada um com uma velocidade ⁄ , então a velocidade combuinada será ⁄ e cada elemento do sinal combinado terá uma duração igual a ⁄ de um digito de entrada. Na intercalação de palavras, grupos de bits são tomados de cada tributário de cada vez, e isto envolve o uso de mémoria em cada entrada para manter os bits a espera de serem amostrados. A intercalação de bits foi escolhida para a hierarquia digital plesiocrona. Mais tarde foi escolhida a interlação de palavra para hierarquia digital sincrona. Existem três padrões incompativeis de multiplexação digital plesiocrona centrados na Europa, América do Norte e Japão. Os padrões europeus são baseados no multiplex primário de 30 canais e os padrões Norte americanos e Japoneses no multiplex de 24 canais ilustrado na figura 2.14. Estes sistemas usam intercalação de bits, o comprimento do frame é o mesmo do multiplex primário isto é 125 μs, uma vez que este é determinado pela velocidade de amostragem básica do canal de 8 KHz. Contudo quando N tributários são conbinados, o número de digitos contidos no frame de ordem superior é maior que o número de digitos do frame do tributário. Assim é porque é necessário adicionar um overhead extra de digitos por duas razões: Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 27 Figura 2.14. Hierarquia digita plesiocrona Europeia 1. A primeira razão é o alinhamento do frame. Um desmultiplexador de ordem superior deve reconhecer o ínicio de cada frame por forma a encaminhar os digitos subsequentes, recebidos para os tributários de saída correctos, tal como um desmultiplexador primário deve encaminhar os digitos recebidos para os canais de saída correcto, mesma tecnica é empregue. Um código único é enviado como palavra de alinhamento de frame (FAW), a qual é reconhecida pelo desmultiplexador e usada para manter as suas operações em sincronismo com o sinal de entrada. A hierarquia europeia usa um bloco FAW no ínicio de cada frame. 2. A segunda razão de adicionar digitos extra ao frame é para executar o processo conhecido como justificação (justify do word). Este processo é para permitir que o multiplexador e o desmultiplexador mantenham uma operação correcta apesar dos sinais de entrada dos tributários entrando no multiplexador possam estar desviados uns em relação aos outros. Se um tributário de entrada é lento, um digito extra (isto é um digito de justificação) é adicionado para manter a velocidade de saída de digitos correcta. Se o tributário de entrada aumenta a velocidade, nenhum digito é adicionado. Estes digitos de justificação devem ser removidos pelo desmultiplexador de maneira a enviar a sequência correcta dos digitos do sinal para o tributário de saída. Portanto outros digitos adicionais chamados digitos de serviço de justificação devem ser adicionados ao frame do multiplexador para sinalizar ao desmultiplexador se digitos de desmultiplexação foram adicionados em cada tributário. 3. Figura 2.16. A “montanha” multiplex PDM Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 28 Quando a intercalação de bits é usada, bits para um canal particular ocorrem em diferentes bytes de frame de ordem superior, de maneira a separar um canal de um conjunto de bits agragados. Um processo de desmultiplexação total é necessário, isto resulta na montanha de multiplex mostrado na figura 2.16. A nova hierarquia digital sincrona, utiliza intercalação de byte, isto permite-nos drop and insert ou add/drop ou ainda muldexers. Para inserir ou remover conjuntos de ordem superior com relativa facilidade. 2.6.4 Hierarquia digital sincrona As redes tornaram-se totalmente digitais, operando de uma forma sincrona, usando sistemas de transmissão de fibra óptica de alta capacidade e comutação por divisão de tempo. É vantajoso que os multiplexadores usados nesta rede sejam compativeis com os comutadores usados nos nós da rede, isto é: eles devem ser sincronos em vez de plesiocronos. Em 1990 o CCITT definiu uma nova hierarquia multiplex conhecida como hierarquia digital sincrona (SDH). A hieraquia digital sincrona usa velocidade de digitos de Mb/s 155,52 e multiplos desta por factores de 4n , por exemplo Mb/s 622,08 e Mb/s 2488,32 resultando na hierarquia ilustrada na figura 2.17. Qualquer das existentes velocidades plesiocronas CCITT até Mb/s 140 pode ser multiplexada na velocidade de transporte comum da hierquia digital sincrona de Mb/s 155,52 . A SDH inclui também canais de gestão os quais têm um formato padrão para mensagens de gestão de rede. O Sinal basico STM chamado modulo de transporte sincrono no nível 1 (STM-1) é mostrado na figura 2.18-a). Ele tem 9 circuitos iguais com bytes de overhead no início de cada segmento, os restantes bytes contêm uma mistura de trafego e overhead dependendo do tipo de trafego transportado. O comprimento total é de 2430 bytes com cada overhead usando 9 bytes, portanto, a velocidade de bit total é de ⁄ que é normalmente chamado Mb/s 155 . O frame é normalmente apresentado com 9 filas e 270 colunas de bytes de 8 bites como mostrado na figura 2.18-b) As primeiras 9 colunas são para overheads de secção – SOH, tais como: Alinhamento de frame; monitorização de erro e dados. As restantes 261 colunas constituem o pay load no qual uma variedade de sinais pode ser mapeada. Cada tributário do multiplex tem a sua própria área de payload conhecido como unidade tributária (TU). Cada coluna contém 9 bytes (1 de cada linha), com cada byte tendo a capacidade de 64 Kb/s; 3 colunas de 27 bytes podem transportar o sinal PCM de 1,5 Mb/s com 24 canais e alguns overheads; 4 colunas de 36 bytes podem transportar um sistema PCM de 2 Mbits com 32 time slots. O frame STM-1 pode suportar pay loads a velocidades europeias de 8 ; 34 e 140 Mb/s. No processo de multiplexação os bytes dos tributário são colocados num container e um overhead de encaminhamento é adicionado para formar um container virtual (VC). Sistemas Telefónicos Pereira, Esmeraldo Mende José – Faculdade de Engenharia - UEM 29 O container virtual viaja através da rede, como um pacote completo até ele ser desmultiplexado. Uma vez que o container virtual pode não estar totalmente sincronizado com o frame STM-1, o seu ponto de inicio é indicado por um pointer. O container virtual em conjunto com o seu pointer constituem a unidade tributária. Portanto, é a unidade tributária que está sincronizada com o frame STM-1. Os pointers ocupam lugares fixos do frame e os seus valores numéricos mostram onde começam os containers virtuais sem permitir que a desmultiplexação seja feita. O frame STM-1 é usado desta maneira para transportar sinais que usam o TDM plesiocrono. Devido ao facto que STH providência interfaces para mensagens de gestão de redes num formato padrão, ele pode levar- nos a uma rede de transmissão com gestão da emissão na qual a capacidade de transporte pode ser alocada de uma forma flexível a vários serviços. A rede pode ser reconfigurada sobre controle de software a partir de terminais remotos. A facilidade do SDH em providenciar multiplex add/drop leva-nos a novas estruturas de rede. A figura 2.19 mostra-nos 4 unidades de
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