Comunicaciones Eléctricas Ing. Verónica M. Miró 2011

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1 Comunicaciones Eléctricas Ing. Verónica M. Miró 2011
PCM Comunicaciones Eléctricas Ing. Verónica M. Miró 2011

2 Pulse Code Modulation - PCM
Modulación por pulsos codificados Forma básica de modulación digital de pulsos Mensaje representado por una secuencia de pulsos codificados (representación de la señal mensaje en forma discreta en tiempo y amplitud) Operaciones básicas: Muestreo (S) Cuantización (Q) Codificación (E)

3 Pulse Code Modulation - PCM
Cada muestra que entra al codificador se cuantifica en un determinado nivel de entre un conjunto finito de niveles de reconstrucción. Cada uno de estos niveles se hace corresponder con una secuencia de dígitos binarios, y esto es lo que se envía al receptor. Se pueden usar distintos criterios para llevar a cabo la cuantificación, siendo el más usado el de la cuantificación logarítmica.

4 Pulse Code Modulation - PCM
El filtro es para prevenir el aliasing la señal mensaje. El Q (Quantizer) y el E (Encoder) forman el conversor A/D

5 Pulse Code Modulation - PCM
En el receptor las operaciones básicas son la regeneración de la señal dañada, decodificación y reconstrucción de un tren de muestras cuantizadas. Se utiliza masivamente para comunicaciones telefónicas

6 Pulse Code Modulation - PCM

7 Muestreo (S) - PCM El filtro pasabajos limita la frecuencia de la señal analógica de entrada. El bloque muestreador, toma muestras, en forma periódica, de la señal analógica y la convierte en una señal PAM de varios niveles (sample and hold). Secuencia de pulsos con amplitudes variables acordes con el valor de la muestra

8 Cuantificación (Q) – PCM
La versión muestreada de una señal es luego cuantificada, nueva versión discreta en amplitud y tiempo. En comunicaciones telefónicas se prefiere utilizar una separación variable entre los niveles de representación Ej.: El rango de voltaje de una señal de voz están en el orden de 1000 a 1

9 Cuantificación (Q) – PCM
Cuantificador no uniforme: A medida que la señal I/O aumenta, aumenta también el salto/cuanto. Saltos grandes, excursiones de la señal en rangos grandes de amplitud, ocurren en forma no frecuente. Saltos pequeños, necesitan mayor cobertura a expensas de los saltos grandes

10 Cuantificación (Q) – PCM
Cuantificador no uniforme es equivalente a hacer pasar la señal por un compresor y luego aplicar la señal comprimida a un cuantificador uniforme. Ley de compresión m m y v son voltajes normalizados de entrada y salida. m es una ctte. >0

11 Cuantificación (Q) – PCM
Para un dado valor de m, la recíproca de la pendiente de la curva de compresión que define los saltos cuánticos, está dada por la derivada de ImI, respecto de IvI

12 Cuantificación (Q) – PCM
La ley m es aproximadamente logarítmica para mImI>>1 En USA y Japón se utiliza compresión/expansión de ley m. Los primeros sistemas de transmisión digital de Bell Systems utilizaban PCM de 7 bits con m = 100, los más recientes utilizan PCM de 8 bits con m = 255

13 Cuantificación (Q) – PCM
Otra ley de compresión muy utilizada en la práctica es la llamada ley A definida por

14 Cuantificación (Q) – PCM
El caso A = 1 corresponde a cuantificación uniforme. La recíproca de la pendiente de la curva de compresión está dada por la derivada de ImI respecto de IvI

15 Cuantificación (Q) – PCM
En Europa el ITU ha establecido el uso del compresor / expansor ley A para aproximar el proceso logarítmico. El comportamiento es inferior a ley m para señales pequeñas (ruido de canal inactivo). La ley A es de uso en Europa, Sudamérica y en todas las rutas internacionales, debiendo los países que usan ley m adaptarse para las mismas. (A = 87.6)

16 Cuantificación (Q) – PCM
Para restaurar las muestras de la señal a su nivel correcto, se deberá utilizar un dispositivo en el Rx con una característica complementaria al compresor; un expansor. Idealmente las leyes de compresión / expansión son complementarias excepto por el efecto de la cuantificación, la salida del expansor deberá ser igual a la entrada del compresor: Ambos efectos COMPANSIÓN

17 Cuantificación (Q) – PCM
Tanto para ley A / ley m, el rango dinámico del compansor mejora incrementando los valores de A / m. La SNR para bajas señales se incrementa a expensas de la SNR de las señales de gran amplitud. Situación de compromiso para la elección de los valores de A / m (valores típicos A = 87.6 y m = 255)

18 Cuantificación (Q) – PCM
La circuitería actual provee una réplica aproximada por partes a la curva deseada. Se utiliza una suficiente cantidad de segmentos lineales, la aproximación se acerca bastante a la curva real de compresión.

19 Codificación (E) – PCM Ventajas:
Señales más robustas al ruido, interferencia y otros daños que sufre por el canal. Código: Sucesión ó arreglo particular de eventos discretos = SIMBOLO Palabra código: Arreglo único de símbolos para representar un valor único. Código binario: 2 valores diferentes, 0 y 1 Código ternario: 3 valores diferentes para representar

20 Codificación (E) – PCM Código binario
Soportan alto nivel de ruido Muy sencillo de regenerar Cada palabra consiste en R bits (R = número de bits por muestra) Números diferentes: 2R Representación ordinal del número, más sencillo, en correspondencia con el binario Ej.:

21 Códigos de línea Son utilizados para representar eléctricamente una tira de datos binaria Los símbolos 1 y 0 son equiprobables La potencia promedio está normalizada a la unidad La frecuencia está normalizada con respecto a la tasa de bits Rb = 1/Tb

22 Códigos de línea Unipolar no retorno a cero (NRZ)
Unipolar retorno a cero (RZ) Bipolar retorno a cero (RZ): AMI Fase desplazada ó código Manchester

23 Códigos de línea Unipolar NRZ
1: Transmite un pulso de amplitud A para la duración del símbolo 0: No hay transmisión Más conocido como ON – OFF Desperdicio de energía debido a la transmisión de DC level El espectro de la señal transmitida no es cero en f = 0

24 Códigos de línea Polar NRZ
1: Transmite un pulso de amplitud A para la duración del símbolo 0 : Transmite un pulso de amplitud -A para la duración del símbolo Fácil de generar El espectro de potencia de la señal es grande cerca de f = 0

25 Códigos de línea Unipolar RZ
1: Representado por un pulso rectangular de amplitud A y duración la mitad del símbolo 0 : Ausencia de pulso Presencia de funciones d en f=0; ±1/Tb en el espectro de la señal transmitida que puede ser usada para recuperación de clock en el receptor Requiere 3dB adicionales de potencia que el bipolar RZ para tener la misma Pe de símbolo

26 Códigos de línea Bipolar RZ
1: Representado por dos niveles de amplitud, (-A, A), donde cada uno utiliza la mitad del ancho de bit. 0 : Ausencia de pulso El espectro de potencia no tiene componente de DC y tiene componentes de baja frecuencia de muy bajo bajor, cuando los símbolos 1 y 0 tienen igual probabilidad AMI (Alternate Mark Inversion)

27 Polaridad del pulso predecesor B: Relleno – V: Violación
Códigos de línea – HDB3 Supera la desventaja del código AMI: una larga cadena de ceros = pérdida de sincronización. Reemplaza cadenas de 4 ceros con secuencias que contienen 1 ó 2 pulsos Polaridad del pulso predecesor B00V B: Relleno – V: Violación 000- +00+ 000+ -00-

28 Códigos de línea – HDB3 CÓDIGO AMI B: Relleno V: Violación CÓDIGO HDB3

29 Códigos de línea Fase Desplazada - Manchester
1: Representado un pulso positivo (+A) y un pulso negativo (-A), donde uno utiliza la mitad del ancho de bit. 0 : Representado un pulso negativo (-A) y un pulso positivo (+A). El espectro de potencia no tiene componente de DC y tiene insignificantes componentes de baja frecuencia.

30 CODIFICACIÓN DIFERENCIAL
Método de codificación por trancisiones de la señal 0 : Transcisión 1 : No trancisión

31 SEÑAL PCM

32 REGENERACIÓN Sistema PCM: tiene facilidad de controlar los efectos de la distorsión y el ruido producidos durante la transmisión de la señal PCM por el canal. Repetidores: Reconstrucción de señal: Facilidad de reconstrucción de la señal PCM Repetidores regenerativos

33 REGENERACIÓN Ecualizador: Compensa los efectos de la distorsión de fase y amplitud del pulso recibido producido por las características no ideales del canal Clock: Provee un tren de pulsos periódicos derivado de los pulsos recibidos, para muestrear los pulsos ecualizados en los instantes de tiempo donde SNR es máxima. Dispositivo de Decisión: Cada muestra extraída es comparada con un umbral. En cada intervalo de bit se toma una decisión por un 1 ó por un 0 dependiendo si el umbral es excedido ó no.

34 REGENERACIÓN Resultados: Errores en la regeneración:
La acumulación de distorsión y ruido es completamente removida, si ambos efectos no son demasiado importantes como para causar un error en el proceso de decisión. Idealmente, excepto por el retardo, la señal regenerada es exactamente la misma que la señal originalmente transmitida. Errores en la regeneración: Insalvable presencia de ruido en el canal y la interferencia, causan decisiones erradas. Desviación del espaciamiento entre los pulsos recibidos, se produce jitter en la posición de los pulsos regenerados. (Jitter: falta de uniformidad en la velocidad de muestreo, aleatorio)

35 DECODIFICACIÓN Antes de ingresar al decodificador, la señal que sale del canal debe ser regenerada. Los pulsos limpios son reagrupados en palabras código y decodificados en una serie de pulsos PAM cuantificados. Decodificación: Suma lineal de todos los pulsos de la palabra código, pesados de acuerdo a la posición que ocupa en el símbolo, con R:bits por muestra.

36 FILTRADO FILTRO PASABAJOS: Recupera la señal mensaje pasando la salida del decodificador por el filtro de reconstrucción, con frecuencia de corte igual al ancho de banda del mensaje W. Suponiendo que no hay ruido durante la transmisión, la señal recuperada es no ruidosa con excepción de la distorsión lineal introducida por el proceso de la cuantificación.

37 CONSIDERACIONES DE RUIDO – SISTEMA PCM
La performance de un sistema PCM está influenciado por dos fuentes de ruido: Ruido del canal, introducido en cualquier lugar entre la salida del Tx y la entrada del Rx. El ruido está siempre presente, aunque el equipo esté apagado. Ruido de cuantificación: Introducido en el Tx y se transporta todo el tiempo a través del Rx. Es un ruido dependiente de la señal, no existe cuando no está presente la misma. Ambos aparecen simultáneamente en un sistema PCM pero los consideramos en forma separada, para ver sus efectos.

38 CONSIDERACIONES DE RUIDO – SISTEMA PCM
La fidelidad en la transmisión de información de un sistema PCM puede ser medida en términos de la probabilidad promedio de error de símbolo (probabilidad de que el símbolo reconstruido a la salida del receptor difiera del símbolo binario transmitido, en promedio) BER (Bit Error Rate). Cuando es importante reconstruir la forma analógica de la señal mensaje, distintos errores de símbolo deberán ser considerados ó pesados en forma diferente. Ej.: un error en el bit más significativo de una palabra código es más influyente que un error en el bit menos significativo

39 CONSIDERACIONES DE RUIDO – SISTEMA PCM
Disminuir la Pe es el objetivo más importante Consideremos un canal ruidoso aditivo, blanco y gaussiano. El efecto del canal ruidoso puede ser prácticamente ininteligible asegurando una adecuada relación señal de energía del mensaje respecto de la densidad de ruido. De esta manera el ruido queda limitado al de cuantificación y (bajo el control del diseñador) actúa solo. Utilizando un adecuado número de niveles de representación en el cuantificador y selección de estrategia de compansión adecuada al mensaje a transmitir, el ruido puede mantenerse suficientemente pequeño.

40 UMBRAL DE ERROR – SISTEMA PCM
La probabilidad de error de símbolo en un sistema PCM binario, debido al ruido blanco, aditivo y gaussiano depende únicamente de la relación Eb/No, con Eb: Energía del bit transmitido y No: Densidad espectral de ruido. Esta relación es adimensional aunque Eb y No, tiene significados físicos diferentes.

41 UMBRAL DE ERROR – SISTEMA PCM

42 UMBRAL DE ERROR – SISTEMA PCM
De esta tabla queda claro que hay un umbral en 11 dB aproximadamente. Para Eb/No por debajo del umbral de error, la performance del Rx involucra una cantidad significativa de errores y el efecto del ruido del canal queda enmascarado Proveyendo una Eb/No por encima del umbral , el ruido del canal no tiene influencia en la performance del Rx (mayor ventaja de PCM)

43 Multiplexación TDM TDM: Utilización conjunta de un canal de comunicaciones común por una pluralidad de fuentes de mensaje independientes, sin interferencia mutua entre ellas.

44 Multiplexación TDM La función del conmutador es doble:
Tomar una muestra angosta de cada uno de los N mensajes de entrada a una frecuencia fs que es un poco mayor que 2W (W: frecuencia de corte del filtro antitraslape) Intercalar en forma secuencial las N muestras dentro del intervalo de muestreo Ts. Luego se aplica a un modulador por pulsos.

45 Multiplexación TDM Se produce una expansión del ancho de banda N.
El esquema ajusta N muestras de N fuentes de mensaje independientes. Las muestras angostas se distribuyen en filtros de reconstrucción adecuados Conmutador y deconmutador en sincronismo, esencial para la operación satisfactoria del sistema.

46 Multiplexación TDM TDM es sumamente sensible a la dispersión del canal común es necesaria la ecualización exacta de la respuesta, en amplitud y fase TDM es inmune a las no linealidades en el canal como la diafonía. Esto se debe a que las señales de mensaje diferentes no se aplican simultáneamente en el canal.

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50 Sincronización Si aumenta la cantidad de fuentes de mensajes, el intervalo de tiempo que es posible asignar a cada fuente tiene que reducirse, ya que la totalidad de las mismas debe ajustarse a un intervalo de tiempo igual al recíproco de la frecuencia de muestreo (se reduce la duración permisible de la palabra código que representa a una muestra). Pulsos cortos, difíciles de generar y transmitir . El deterioro de los pulsos interfiere con la operación apropiada del sistema RESTRICCIÓN DEL NÚMERO DE FUENTES EN UN GRUPO TDM

51 Sincronización Deslizamientos: Diferencias entre las velocidades de escritura de los flujos digitales en los buffers de entrada de los equipos sincrónicos y las velocidades de lectura de los bits en esas memorias antes de ser procesados. Desbordamiento ó vaciado de la memoria del buffer produciendo pérdidas ó duplicaciones de fragmentos de información

52 Sincronización Fallas en la sincronización:
Voz: Comunicación entrecortada con posible percepción de clicks audibles Video: Congelamiento temporal de la imagen Datos: Aumento de la tasa de retransmisión de paquetes (deterioro de la performance del sistema para la transferencia de datos)

53 Sincronización Los equipos de transmisión sincrónicos deben tener la misma frecuencia y una diferencia de fase limitada: Se deben referenciar los relojes con un mismo patrón. Diferencia de frecuencias de los relojes Tx y Rx: no son idénticas y varían con el tiempo Fluctuación rápida de fase (Jitter): en los regeneradores, debidas al proceso. Fluctuación lenta de fase (Wander): variación del tiempo de propagación de la señal a través del medio de transmisión (cambios climáticos)

54 Sincronización Temporización Tx – Rx Reloj local en el Rx
Pulso de código al final de cada trama (patrón de ceros y unos alternados a la mitad de la tasa de la trama para establecer la sincronización) Recuperación de la sincronización cuando se interrumpe la transmisión

55 Sincronización Fijar un procedimiento ordenado para detectar el pulso de sincronismo Observar los elementos de código de a uno por vez hasta que se detecta el pulso de sincronismo. Se requiere un cierto tiempo para restablecimiento dependiendo del momento de restablecimiento

56 Señal PCM: Aplicaciones
Cuando se inició la aplicación comercial de los codificadores PCM, se pensaba en una red mixta de transmisión digital y centros de conmutación analógicos. Esto requería de conversores A/D y D/A en cada sección de transmisión. USA se resolvió colocar un máximo de 4 Codec en línea a lo largo de un trayecto. CCITT en 1968 determinó un Circuito de Referencia de 7 Codec en línea. Para mantener una relación señal a ruido de cuantificación S/Nq acotada a valores inaudibles luego de 7 pasos es necesario llevar el valor de S/Nq para cada Codec individual a 33 dB.

57 Señal PCM: Aplicaciones
Se resolvió utilizar 8 bits de codificación para cada muestra. En el caso de la ley μ en particular, cada 6 muestras se transmite una de ellas con solo 7 bits, el octavo y menos significativo de los bits se lo utiliza para señalización. El resultado es la velocidad de 64 kb/s, teniendo en cuenta la frecuencia de muestreo de 8 kHz y la codificación en 8 bit por muestra. En una red totalmente digital (actual) que solo requiere un conversor en cada extremo telefónico, el valor de S/Nq= 33 dB es excesivo; bastaría con menos bits para obtener una prestación similar.

58 Señal PCM: Aplicaciones
En aplicaciones satelitales y celulares, donde el costo del ancho de banda es mucho mayor que en enlaces terrestres, se aplican métodos para el aprovechamiento de los 64 kb/s mediante varios canales de velocidad inferior. Aparece entonces la codificación Diferencial PCM Adaptativa (ADPCM) que permite codificar canales telefónicos con velocidades de 16, 24 y 32 kb/s; aplicado para enlaces satelitales. También se dispone de varios tipos de codificación predictiva lineal LPC para telefonía celular.

59 Señal PCM: T1 y E1 T1: 24 canales con señalización distribuída. Ver ejemplo Haykin, pág. 212 E1: 30 canales con señalización y sincronización agrupada en dos canales suplementarios.

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62 Formatos de codificación
PCM (Pulse Code Modulation). Codifica la forma de onda con una precisión de N bits por muestra. La ley A de distribución cuántica de códigos permite mejorar la relación señal-a-ruido con 8 bit/muestra. Se trata de la codificación básica de la telefonía pública a 64 kb/s. DPCM (Diferencial PCM). Se fundamenta en la predicción de muestras mediante la memorización en el tiempo. Se realiza la codificación de la diferencia entre la muestra y la predicción. La predicción es un algoritmo autoadaptativo dependiente de la actividad de la señal vocal. Se utiliza en conexiones internacionales a 16/24/32 kb/s dependiendo de la carga de tráfico.

63 Formatos de codificación
Delta Se trata de una forma especial de codificación DPCM. No tiene aplicaciones extendidas. La velocidad de muestreo es 64 kb/s y la codificación es 1 bit por muestra. LPC (Linear Predictive Codec) Se basa en una estimación lineal de la fuente. Se codifican un grupo de muestras; por ejemplo 160 muestras en 20 mseg. Se aplican en sistemas celulares para alta compresión de la información vocal (menos de 10 kb/s).

64 Formatos de codificación
ATC (Adaptative Transform Coding). Este tipo de codificador trabaja en el dominio de la frecuencia. Recurre a la transformada discreta coseno DCT de exitosa aplicación en señales de vídeo. AC-3 Se utiliza como canal de sonido en la televisión digital DTV. Se trata de 6 canales de audio a una velocidad total de 384 kb/s.

65 BIBLIOGRAFÍA Communication Systems, Simon Haykin, 4ta. Ed.
Communication Systems, Simon Haykin, 3ra. Ed. Electronic Communication, Sam Shanmugham