Centrales Digitales

PRACTICA DE LABORATORIO N( 7

CENTRALES DIGITALES

Introduccin:

La Central de Conmutacin es el punto donde se interconectan los abonados entre si, bien directamente o a travs de otras centrales. Las centrales en trminos generales pueden ser de dos tipos: Centrales locales, a las cuales se conectan los abonados, y centrales tandem, las cuales no poseen abonados y sirven mas bien para cursar el trfico generado en otras centrales. En esta prctica se estudiarn bsicamente las centrales locales y en particular los circuitos de conexin de los abonados.

Las centrales locales proveen un cierto nmero de servicios y, en el caso de centrales digitales uno de los ms importantes es el relativo a la codificacin y descodificacin de las seales analgicas provenientes del subscriptor, as como tambin las funciones relacionadas con la supervisin de la comunicacin.

La central es responsable de:

1.proveer la alimentacin de energa a los aparatos telefnicos de los abonados

2.conmutacin.

3.digitalizacin de las seales analgicas.

4.direccionamiento

5.proveer las seales de supervisin

6.seales de alerta

7.seales de prueba

La Central provee la alimentacin de 48 volts necesarios para la operacin de la propia central y de los aparatos de los abonados. Adicionalmente, la central puede proveer alimentacin adicional para el funcionamiento de otros equipos de la misma, y para la iluminacin. La alimentacin tambin se puede proveer en forma combinada, con la alimentacin primaria suministrada por el servicio comercial de electricidad, y un sistema de emergencia constituido por bateras y generadores locales en la propia central.

La batera de la central alimenta al bucle del abonado, al tiempo que se encarga de separar las seales alternas de la voz de y proveer los tonos de sealizacin. En la prctica se acostumbra polarizar el lazo de abonado de manera que el conductor marcado "RING" sea negativo respecto al "TIP". Estos nombres provienen de la poca de la telefona manual, en la cual las operadoras realizaban la conmutacin por medio de clavijas que se insertaban en un tablero (donde estaban conectados los usuarios); la punta de clavija es el "tip" y el cuerpo es el "ring".

La sealizacin conlleva la direccin y el control de las corrientes de seales y el equipo de conmutacin de manera tal de llevar al usuario la informacin necesaria para operar el sistema. Por ejemplo, al usuario se le informa si la lnea est lista para ser usada (por medio del tono de invitacin a discar), si el otro telfono est desocupado o no, y en general, el estado del sistema a medida que se establece la comunicacin. Hoy en da incluso muchas de estas seales de supervisin hacia el usuario han sido substituidas por mensajes en voz sintetizada tales como "El nmero que Ud. ha discado est temporalmente fuera de servicio", etc. La digitalizacin es la conversin de la seal de lnea modulada en pulsos de cdigo (PCM). En tanto que las seales analgicas contienen la informacin completa, pero son afectadas por las prdidas de la lnea y el ruido, las seales digitales se transmiten mas fcilmente y se reproducen sin cambios entre puntos lejanos lo cual produce una calidad de sonido que incluso puede superar a la de una conversacin entre abonados locales hablando sobre una misma lnea. Las funciones digitales incluyen:

1.limitacin del ancho de banda

2.Compansin (es decir, compresin y expansin) de las seales

3.muestreo (sampling and holding) de la seal durante el proceso de conversin

4.la conversin Analgica Digital propiamente dicha.

5.la asignacin de la seal convertida a una posicin especfica en una trama de informacin, y la multicanalizacin de grupos de seales.

El circuito de abonado.

El circuito de interfaz de la lnea de abonado, comnmente llamado "circuito de abonado", y cuya abreviatura en ingls es SLIC (Subscriber Line Interface Circuit) se refiere a aquellos componentes circuitales o tarjeta de la central que son especficos de cada subscriptor. Algunas de las caractersticas provistas por dicho circuito es probable que pasen a ubicarse en el propio equipo de abonado en un futuro cercano.

Es importante destacar que muchos de los componentes del circuito de abonado no intervienen directamente en el procesamiento de la voz. Algunas de las secciones ms importantes del SLIC incluyen la alimentacin (desde la batera de la central), proteccin de sobre voltaje, timbre, supervisin, codificacin, circuito hbrido (para la conversin de dos a cuatro hilos) y la prueba. En la jerga de telefona estas funciones se resumen en el acronismo "BORSCHT", que significa "Battery feed, Over voltage protection, Ringing, Supervision, Coding, Hybrid and Test".

La telefona analgica est dando paso rpidamente a instrumentos totalmente digitales. Un terminal de este tipo es capaz de combinar (y separar) las seales de la voz de aquellas provenientes de un computador. Muchas funciones que anteriormente estaban restringidas a la central local, estn disponibles ahora en el propio equipo del usuario. En la actualidad se dispone de filtros, codificadores/decodificadores, circuitos de voz, dispositivos de proteccin y controladores de lnea, en forma de circuitos integrados de gran escala (Large Scale Integrated circuits). Es probable que muy pronto todos estas funciones estn integrados en un slo circuito LSI telefnico. Las funciones BORSCHT mencionadas anteriormente se hallan en la propia central, en el circuito de abonado SLIC. Sin embargo, es probable que en el futuro cercano se trasladen algunas de estas funciones al equipo del abonado en la forma de un circuito UDLT (Universal Digital Line Transceiver) en la medida que el proceso de digitalizacin de la red alcance incluso al propio equipo del subscriptor.

La alimentacin de Batera ocurre en la actualidad a 48 volts desde un banco de bateras ubicadas en la central local (generalmente se trata de bateras de plomo-acido) y provee corrientes que pueden ir desde unos pocos mA hasta unos 100 mA. La circulacin de esta corriente activa unos sensores en la propia central y se utiliza adems para determinar la condicin de colgado/descolgado del equipo del abonado. En el caso de la proteccin de sobretensin se utilizan dispositivos de estado slido (por ejemplo diodos de avalancha, o varistores) para minimizar las perturbaciones producidas por las seales de timbre o descargas atmosfricas, antes de que las mismas puedan alcanzar los circuitos internos del telfono. En la figura 1. se muestra en forma simplificada la conexin del telfono a la central, y el circuito mismo del telfono.

Figura 1. Interfaz entre el telfono y la central

En dicha figura se observa que la alimentacin de corriente continua proveniente de la batera central se aplica al aparato del subscriptor a travs de dos relees (y la lnea de abonado). El capacitor C1 en el aparato de abonado evita que la corriente continua de alimentacin pase a travs del timbre. El rel sensor posee una constante de tiempo larga y se mantiene cerrado an durante las breves interrupciones producidas por el discado. Por otra parte el relee repetidor de impulsos tiene una constante de tiempo corta y se activa con cada uno de los pulsos de discado. La sealizacin de discado es producida por el contacto S3 el cual produce una serie de aperturas y cierres durante el retorno del resorte del disco dactilar. Un filtro formado por la resistencia R1 y el capacitor C2 evita los chispazos producidos por los rebotes del contacto S3. De igual manera, durante el tiempo de envo de los pulsos se cortocircuita el receptor por medio del contacto S4 que forma parte integral del disco dactilar. La forma de la corriente del bucle de abonado durante la sealizacin se muestra en la figura 2. Los varistores RV1, RV2 y RV3 se utilizan para amortizar las transitorias producidas por los pulsos de sealizacin, al tiempo que proporcionan proteccin contra sobretensiones.

Figura 2. Corriente de sealizacin decdica

El transformador hbrido se conecta de forma tal que la tensin de seal de voz que aparece en el propio receptor telefnico (efecto local) queda atenuada. De hecho los devanados del transformador se conectan a la manera de un puente de Wheatstone, donde la lnea de telfono queda en una de las ramas del puente y en la otra queda un circuito de balance, el cual est constituido por L4, C2, C3 y C4. En la propia central existe otro transformador hbrido cuya funcin es la conversin de 2 a 4 hilos, ya que si bien la lnea del abonado es bidireccional y por tanto permite una operacin "full duplex" de los abonados, en los circuitos de larga distancia se usan amplificadores para aumentar el nivel de la seal y los mismos son dispositivos unidireccionales.

La central tambin suministra la tensin de operacin del timbre electromecnico, la cual es una tensin alterna de 20 Hz y de aproximadamente 90 volts de amplitud. El telfono debe proveer aislamiento para evitar que esta alta tensin llegue al auricular. Este valor tan alto de tensin de timbre no es necesario en el caso de los telfonos totalmente electrnicos, pero por razones de compatibilidad con el equipo existente continuar usndose durante muchos aos venideros.

La supervisin se refiere a la deteccin de la condicin de colgado/descolgado del equipo de abonado, lo cual se realiza por medio de los relees descritos anteriormente. Por ltimo, las funciones de codificacin y descodificacin se realizan por medio circuitos de modulacin por pulsos codificados (PCM) en la propia tarjeta del circuito de abonado. Dicha funcin la realizan dispositivos denominados "CODEC" (COder/DECoder), algunos de los cuales incluyen a su vez las funciones de limitacin de ancho de banda y filtrado pasabajos para la reconstruccin de la seal de voz (analgica). Estos ltimos reciben el nombre genrico de "COMBOS". Una vez codificada la seal es necesario ubicarla dentro de la trama PCM; dicha funcin es realizada por un circuito denominado TSAC (Time Slot Assignment Circuit), el cual determina en que momento la informacin contenida en los buffers del CODEC pasa al bus PCM y viceversa.

Otras funciones BORSCHT como las de prueba son realizadas por circuitos que no se hallan en la tarjeta del circuito de abonado. Con el continuo progreso en la produccin de circuitos integrados de un alto grado de integracin (LSI) se ha logrado incorporar un gran nmero de estas funciones en un pequeo nmero de componentes, lo cual redunda en una disminucin del tamao de fsico del circuito de abonado. La figura 3 muestra una tarjeta tpica de abonado, basada en un circuito integrado para las funciones de SLIC (Subscriber Loop Interface Circuit); las funciones del CODEC y del TSAC son provistas por los integrados correspondientes los cuales se muestran por separado en otras figuras.

Figura 3. Circuito SLIC basado en el chip MC3419 de Motorola

En la figura se aprecia que un puente de diodos a la entrada protege al circuito en caso de un contacto accidental con la lnea de energa AC, as como del voltaje de timbre. De hecho, el puente es parte del circuito de alimentacin de batera. Los resistores RPT y RPR que tienen valores nominales de resistencia del orden de 30 Ohms, actan como limitadores del corriente. Las seales de voz provenientes del subscriptor a travs de los hilos de entrada "tip" y "ring" son entregadas a la central en el terminal TXO. El amplificador operacional conectado en este terminal provee una amplificacin dada por la relacin de las resistencias RTX2 y RVTX. De igual manera las seales de corriente de voz son entregadas a la central en la forma de un voltaje VTX en el terminal indicado.

Por otra parte, las seales de voz provenientes del otro abonado, que aparecen desde la central como un voltaje VRX entrando al terminal RXI (pin 17) y se convierten en corrientes diferenciales para ser entregadas a la lnea del subscriptor.

La supervisin del status del gancho conmutador (colgado/descolgado) aparece en forma digital en las pines 12, 13 y 14.

El CODEC:En otras prcticas del laboratorio tales como "PAM" y "Conversin Analgica-Digital" se han mostrado los principios de la telefona digital. En los primeros sistemas, y por razones de costo, se tomaban muestras analgicas en el tiempo, y esa "trama" analgica era enviada a un convertidor analgico-digital comn a todo el sistema. Sin embargo, hoy en da y debido a los avances habido en los circuitos integrados de alto nivel de integracin y el consecuente abaratamiento de los costos, se ha invertido la situacin de manera que la conversin analgica-digital se realiza en cada canal independientemente y luego se combinan las seales digitales para producir la trama PCM propiamente dicha. El circuito encargado de dicha conversin se denomina CODEC e incluye internamente un sample-and-hold, un convertidor analgico-digital no-lineal para proveer la funcin de compansin, y las interfaces apropiadas para la conexin a los buses PCM de la central. La figura 4 muestra la organizacin interna de un CODEC tpico basado en dos chips; existen otros CODECs como el MC14402 de Motorola que proveen todas estas funciones en un solo chip.

Como se mencion antes, en la transmisin PCM se utiliza compansin, es decir, la compresin y posterior expansin de las seales de voz para mejorar la gama dinmica del canal aprovechando la caracterstica no-lineal del odo humano. En los primeros sistemas la compresin se realizaba en forma analgica para luego efectuar un codificacin por medio de un convertidor A/D lineal; en los sistemas modernos se usa una codificacin que incorpora la compresin al utilizar un convertidor D/A no lineal en el lazo de realimentacin del convertidor por aproximaciones sucesivas.

Figura 4 . CODEC de dos chips (ley o ley A)

En la actualidad se utilizan ampliamente dos leyes de compresin: la denominada ley y la ley A. La primera de ellas se utiliza en los Estados Unidos, Canad y Mxico, en tanto que la Ley A se utiliza en Europa, Africa y Sur Amrica. La ley se define mediante:

donde v1 y v2 son los voltajes normalizados de entrada y salida, y es una constante positiva. En el caso especfico de la norma americana se utiliza un valor de = 255.

Figura 5. Curva de compresin Ley Por otra parte, la Ley A se define mediante:

Figura 6. Curva de compresin Ley A

En la prctica el valor de A es aproximadamente 87.6. Finalmente debe mencionarse que los circuitos de los CODECs comerciales no implementan estas leyes en forma continua; por el contrario se linealiza la funcin de transferencia por tramos. En general se utilizan 15 tramos los cuales se codifican como los 4 bits mas significantes de la conversin (el bit mas significante es el signo).Los restante 4 bits se obtienen por interpolacin lineal sobre el tramo.

El muestreo de la seal analgica debe realizarse cada 125 seg para evitar los problemas debidos al solape del espectro ("aliasing"), ya que por razones de compatibilidad con los sistemas analgicos se sigue utilizando una ancho de banda nominal de 4 kHz (en realidad el ancho de banda efectivo es de 300 a 3.400 Hz). Las seales ya codificadas sern mezclada con otras seales para formar la trama de transmisin en los formatos T1 de 24 canales o E1 de 30 canales de voz mas 2 de control. En este ultimo caso debe notarse que dentro de la central no son necesarios los dos canales de control ya que se usan exclusivamente en transmisin, por lo que se pueden manejar internamente tramas de 32 canales de voz. Para conforma la trama PCM a partir de las seales muestreadas se utiliza un circuito de control que determina el instante exacto cuando se permite a cada CODEC acceder al bus comn para entregar el contenido de su buffer de salida o recoger informacin del bus para su buffer de entrada. El circuito responsable de este control se denomina TSAC ("Time Slot Assignment Circuit"). La figura 7 muestra una trama tpica de transmisin en formato E1 y en la figura 8 se ilustra el control de los CODECs por medio del circuito TSAC.

Debido a que la asignacin de la ranuras de tiempo es totalmente dinmica, bajo control del procesador central, es posible realizar la comunicacin entre dos abonados sin la intervencin de relees o conmutadores mecnicos. Esta es la base de la conmutacin digital. La figura 9 ilustra en forma simplificada una comunicacin entre dos abonados utilizando conmutacin temporal exclusivamente. En el ejemplo mostrado el TSAC ha asignado al abonado A la ranura 5 para la transmisin de sus seales, al tiempo que la ha asignado la ranura 11 para la recepcin desde el bus. Por otra parte en el caso del abonado B la asignacin es exactamente opuesta. En el bus PCM estn presentes ambas seales conjuntamente con la de otros abonados. La comunicacin se logra porque cuando se alcanza la ranura de tiempo 5, el CODEC A coloca en el bus el contenido de su buffer de salida, el cual es recibido nica y exclusivamente por el buffer de entrada del CODEC. El mismo proceso ocurre para la va opuesta de conversacin, en la ranura 11 de la trama. Para aumentar las capacidades de conmutacin se acostumbra utilizar otros elementos de estado slido: los conmutadores temporales y los conmutadores espaciales.

Figura 7.

Figura 8. Conexin del circuito TSAC en una tarjeta de abonados.

Figura 9. Conmutacin Temporal simplificada.

Durante el proceso de transmisin, y debido a que el canal de transmisin posee un ancho de banda grande, se acostumbra combinar las salidas de varias de esta tramas elementales para formar otras de jerarquas superiores. Este proceso se denomina multicanalizacin y la figura 10 muestra el proceso para las jerarquas americanas. Asimismo las Tablas 1 y 2 muestran el nmero de canales totales y la rata de sealizacin de lnea de las jerarquas americana y europea.

Figura 10. Multicanalizacin PCM en las jerarquas americanas.

TABLA IJERARQUIAS DIGITALES AMERICANAS

Sistema BellRata de BitsCapacidad de Canales de Voz

T11.544 Mb/s24

T26.312 Mbs96

T344.736 Mb/s672

T4274.176 Mb/s4032

TABLA IIJERARQUIAS DIGITALES EUROPEAS

JerarquaRata de BitsCapacidad de Canales de Voz

E12.048 Mb/s30

E28.448 Mbs120

E334.368Mb/s480

E4139.264 Mb/s1920

TRABAJO PRACTICO DE LABORATORIO

Para las experiencias de laboratorio se usar el mdulo SIP 397-3 de Science Instruments. Se requiere adicionalmente de un osciloscopio de 4 canales con sicronismo externo, as como un oscilador de audio y un voltmetro. Coloque todos los switches en OFF antes de encender la fuente de poder. Encienda y coloque todos los voltajes al mximo.

1. Circuito SLICEstudie el circuito del SLIC y asegrese de entender su funcionamiento. El switch 1a permite la utilizacin de un transformador en lugar del aparato de abonado para aplicar las seales provenientes de un oscilador de audio. El resistor de 470SMBOLO 87 \f "Symbol" simula la carga de dc del telfono. Cierre 1a, 2a, 3a y abra 4a para conectar el oscilador. Aplique una seal de 1 kHz en TP1. Use un voltaje de 0.1 a 0.6 Vpp aproximadamente. Observe la tensin de salida en VTX y mida la ganancia del circuito. La ganancia se controla por medio del resistor de realimentacin R15. Verifique esto colocando resistencia en paralelo para modificar la ganancia.

Mida ahora la ganancia de recepcin, inyectando la seal en el terminal VRX y midiendo en los terminales de lnea.

Compruebe el funcionamiento del circuito bajo condiciones de colgado/descolgado (se simula con el switch 1a o con un telfono). Mida la tensin en cada uno de los pines del SLIC en ambas posiciones. Anote sus mediciones.

2. CODECColoque los switches como se indica a continuacin para alimentar al CODEC , el reloj maestro y el TSAC:

Abiertos: 1a, 1c, 1d, 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 3b, 3c, 3d, 3e, 4a, 4b, 4c, 4e (OFF)

Cerrados: 1b, 1e, 3a, 4d (ON)

Ajuste la frecuencia del reloj en el punto TP19, a un valor de 1.5 a 2 MHz, por medio del control R36.

Conecte el generador en el punto TP15 e inyecte una seal de aproximadamente 3 Vpp. Observe la entrada y la salida (en TP16). Mida la ganancia de seal entre estos puntos. Cierre temporalmente el switch 3e y mida de nuevo. Retorne el switch a la posicin abierta. Comente sus observaciones.

Vare la frecuencia y determine la respuesta del circuito completo. Halle los puntos de corte de 3 dB. Determine aproximadamente la pendiente de corte del filtro.

Observe la salida PCM en el pin 20 del CODEC. Observe la seal cuando se abra el switch 1b. Dibuje aproximadamente la trama observada.

Vare la amplitud de la seal del generador (seal de entrada) y observe los cambios en la trama PCM.

3. TSACAjuste el reloj en el punto TP11 a la frecuencia mxima con ayuda de un contador digital.

Observe la seal en TP2 y mida su frecuencia.

Coloque todos lo switches 1c, 2c, 3c, y 4c en OFF. Observe el pulso de habilitacin en el osciloscopio en TP13. Observe en otro canal del osciloscopio la trama PCM (PIN 20). Dibuje y dimensione.

Utilizando un barrido de 20 microseg. y sincronismo externo desde TP2, observe la seal de habilitacin a medida que se cambia los switches "c". Dibuje la posicin del pulso para varias combinaciones de estos switches. Estudie el funcionamiento del TSAC MC14417 en el manual del fabricante (ver anexo).

4. Observacin de la seal de lnea de PCM.

Abra 1b y cierre el switch 3b para conectar la salida PCM al modulador de luz. Conecte una fibra ptica entre el LED y el receptor ptico. Observe la seal recibida en el pin 20. Observe la seal recibida en TP16 a medida que cierra los switches 1d, 2d, 3d, y 4d (solo uno a la vez). Explique sus observaciones.

Conclusiones y comentarios finales.PGINA 77EIE-UCV

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