Conceitos PCM

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Laboratório de Telecomunicação
Professor : Luiz Amparo
Conceitos 8 : Modulação por Código de Pulso - P.C.M. 
 1) Modulação por Código de Pulso - PCM
 Os sistemas que operam através de Modulação por Código de Pulsos (MCP) baseiam-se na possibilidade de se reconstituir integralmente um sinal x (t), a partir de um certo número de amostras instantâneas, retiradas periodicamente do sinal. Em seguida, as amostras têm seus valores aproximados a níveis previamente escolhidos, chamados de níveis de quantização e o processo denomina-se Quantização. A necessidade de quantização é óbvia, pois é impossível codificar-se infinitos níveis existentes em um sinal analógico.	
​ Após a quantização, o sinal discreto no tempo (amostrado) e discreto em amplitude (quantizado) é codificado, através de um circuito denominado de comparador , que efetua a comparação dos níveis de amostragem ao níveis quântico, formando-se assim, o sinal MCP.
Podemos ter dois tipos de circuitos Comparadores :
 Comparador Linear é quando os valores dos níveis quânticos obedecem a uma constante.
Exemplo : patamar-X 0,3 V, patamar –Y 0,6 V, patamar –Z 0,9 V, podemos observar que entre os valores dos patamares está sendo aplicada uma constante de 0,3 Volts.
Comparador Não Linear é quando os valores dos níveis quânticos não obedecem a uma constante e sim a uma Lei de Compressão denominada Lei A.
Etapas de uma Modulação por Código de Pulsos são :
1.1) Amostragem : 
 Foi demonstrado através de estudos por Nyquist e Shannon, que um sinal não precisa ser transmitido continuamente, durante todo o tempo, basta que dele seja retirada amostras com uma frequência duas vezes que a freqüência do próprio sinal, para que possa ser reproduzido e recuperado satisfatoriamente. 
 Exemplo, no caso da Voz humana cuja freqüência está compreendida entre 300 --- 3400 Hz, cujo Canal de Voz foi padronizado em 4 Khz. Bastaria retirar amostras no total de 2 x 4 Khz, para definirmos a freqüência de amostragem padrão para a voz humana. fa ≥ 2 . fm
Logo a Freqüência de Amostragem Padrão para a Voz Humana é 8 Khz.
 O sinal na saída do Amostrador é um sinal PAM ( Modulação por Amplitude de Pulso ) 
Resumo : O Sinal Analógico, antes de ser amostrado, passa por um atenuador regulável, onde o valor máximo de amplitude do sinal elétrico é de 0,2218 Volts e um filtro passa baixa limita a freqüência a 3.400 Hz
 1 relógio 8000 x 32 pulsos 
TX-1 
No PCM-30, são acionadas 30 chaves eletrônicas a cada amostragem, comandada por um relógio de 256.000 pulsos por segundos, os it´s 0 e 16 são bloqueados no amostrador.
1.2) Quantização : 
 É o processo que consiste em aproximar o valor da amostra ao nível de quantização mais próximo. A escala de variação de amplitude é dividida em intervalos , sendo cada divisão da escala denominado de Nível de Quantização, que por sua vez determina o número de dígitos utilizados na codificação binária e o intervalo entre dois níveis de quantização chama-se Degrau de quantização.
 Na quantização os sinais amostrados, são aproximados a valores de amplitude predeterminados. Essa aproximação gera um erro denominado Erro de quantização, que gera um ruído no sinal, chamado de ruído de quantização.
Sinal Quantizado
 Para que a relação sinal/ruído se mantenha constante, os sinais de entrada são comprimidos. Várias leis de compressão foram estudadas ( logarítmica, hiperbólica e exponencial ). 
 Mas a lei de compressão logarítmica ( Lei A ) é a que melhor atende a exigência da relação sinal ruído de se manter constante. Essa etapas de quantização / compressão / codificação, ocorre em um mesmo circuito integrado denominado CODEC.
Curva característica da lei A de Compressa , de 13 segmentos
 Os valores das amplitudes do sinal de entrada estão normalizadas a 4.096 valores unitários, correspondendo a um sinal máximo de -10,86 dbm ( 0,2218 V ), onde o nível médio é de - 14 dbm.
 A máxima amplitude das amostras ( 0,2218 V ) é dividida em 4096 valores de ∆V = 0,0000541 volts. Como as amostras de pequena amplitudes são muito mais freqüentes, a compressão é menor para as pequenas e mais acentuadas para as grandes.
 Logo o erro de quantização é maior nas maiores amplitudes de forma a manter constante a relação sinal / ruído.
1.3) Codificação :
 É a transformação do número que identifica o nível de quantização mais próximo da amostra, para uma codificação em binário. A codificação utiliza somente dois níveis distintos ¨um¨ e ¨zero¨.
 Como estes níveis podem ser facilmente restaurados, o sistema que utiliza modulação PCM é menos sensível a ruídos de amplitude apresentando uma melhor qualidade de transmissão que os sistemas convencionais.
 Nos equipamentos PCM, são utilizados codificação a 8 bit´s, que possibilita a 2 8 = 256 níveis de quantização. ( Códigos binários de 0000 0000 ------ 1111 1111 , sendo 128 níveis positivos e 128 níveis negativos ) .
 Composição da Palavra MCP através da Curva de Compressão ( Lei A ) 
Na saída de um Circuito PCM, temos um tributário de 64 Kbps.
Canal de Voz—Amostrado—Codificado a 8 bit´s : 
Logo teremos, 4000 x 2 = 8000 x 8 bit´s = 64 Kbps
 O sinal processado em um sistema PCM, é codificado em um código binário, apresentando-se sobre a forma NRZ-L ( No return to Zero level ), ou seja, sob a forma de pulsos unipolares.
1.4) Componente CC
 A linha que transporta o sinal PCM deve também transportar a alimentação CC aos regeneradores de linha. Portanto, é necessário que o código de linha não contenha componente contínua, pois os transformadores bloqueariam esta componente.
1.5) Componente de Baixa Freqüência
 A energia contida no código de linha na região de baixa freqüência deve ser a menor possível, para reduzir a interferência dos sistemas PCM com as linhas de voz que ocupam os mesmo cabo. Para evitar os problemas citados, é realizada a conversão “Unipolar-Bipolar”, que converte o trem-de-pulsos em uma seqüência de pulsos positivos e negativos alternados, reduzindo a componente de baixa freqüência. Deste modo, o trem-de-pulsos é transmitido com menor distorção.
 Vários tipos de conversões foram pesquisados para se obter o código adequado às linhas de transmissão. Dentre eles os adotados foram os códigos : AMI (Alternate Mark Inversion) e HDB-3 (High Density Bipolar).
Resumo :
 Entrada do Circuito PCM ............................ Saída do Circuito PCM
Unidade Básica : Canal de Voz ................................ Tributário
Unidade Ref : Freqüência ( Hz ) ........................... Bit´s ( bps )
 4 KHz ......................................... 64 K bps
Logo, como um circuito PCM e composto por 30 canais de voz mais 2 canais de controle, teremos 32 canais de voz.
Sendo assim, 64 K bps X 32 canais = 2048 Khz ou melhor 2 M bps.
Conclusão na Saída de um Circuito PCM, teremos um E1 de 2 Mbps, codificado através do código NRZ-L.