Parte 02 Multiplexação Analógica e Digital no STFC. Prof. Rafael Saraiva Campos 2013/1

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1 Parte 02 Multiplexação Analógica e Digital no STFC Prof. Rafael Saraiva Campos 2013/1

2 Multiplexação STFC (1/2) 1. Multiplexação Definição 2. Multiplexação no STFC Linhas Tronco Linhas de Assinante (em redes de acesso óticas ou mistas) 3. Multiplexação Analógica FDM (Frequency Division Multiplexing) Modulação em Amplitude (AM - Amplitude Modulation) Hierarquia Multiplex Analógico

3 Multiplexação STFC (2/2) TDM (Time Division Multiplexing) Digitalização do Sinal de Voz Amostragem: Teorema da Amostragem Quantização e Codificação: Quantização Uniforme; Ruído de Quantização; Quantização Não-Uniforme; PCM (Pulse Code Modulation) Hierarquias MUX Digital PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) SDH (Synchronous Digital Hierarchy) não será estudado nesse curso

4 1. Multiplexação Multiplexar é combinar sinais de diversas fontes de modo a permitir a transferência através de um meio de transmissão comum. Demultiplexar é separar os sinais combinados no meio de transmissão comum.

5 2. Multiplexação no STFC Linhas Tronco Multiplex Analógico FDM (Frequency Division Multiplexing) Multiplex Digital TDM (Time Division Multiplexling) WDM (Wavelength Division Multiplexing) Rede de Acesso (Loop Local) opticalizado (total ou parcialmente) WDM

6 3. Multiplexação Analógica FDM (Frequency Division Multiplexing)

7 3. Multiplexação Analógica FDM (Frequency Division Multiplexing) LPF(Low Pass Filter): Filtro Passa-Baixa BPF(Band Pass Filter): Filtro Passa-Banda

8 3. Multiplexação Analógica Modulação AM

9 3. Multiplexação Analógica Hierarquia Multiplex Analógico

10 3. Multiplexação Analógica Hierarquia Multiplex Analógico (Pré-Grupo Básico) O pré-grupo básico é um esquema básico de formação de um quadro FDM. As entradas de voz são provenientes de centrais telefônicas, que por sua vez vêm dos aparelhos telefônicos, nos canais de 4 khz. Os canais de 4 khz entrantes são transladados (por modulação) pelas portadoras locais de 12 khz, 16 khz e 20 khz, sendo aproveitados as faixas de 12 a 16 khz, de 16 a 20 khz de 20 a 24 khz, que formam janelas em freqüência do FDM. Os canais transladados ocupam faixas adjacentes no espectro e podem ser somados para transmissão no meio comum. Deste modo, é composta a banda básica de três canais, que ocupa a faixa de 12 a 24 khz.

11 3. Multiplexação Analógica Hierarquia Multiplex Analógico Grupo Básico

12 3. Multiplexação Analógica Hierarquia Multiplex Analógico

13 TDM Usuários (tributários, na nomenclatura do MUX) alternam-se na utilização do canal comum Uma janela de tempo (timeslot) é alocada a cada tributário

14 TDM Exemplo com 6 tributários Cada quadro tem 6 timeslots (1 por tributário)

15 TDM No FDM, cada usuário (ou tributário) ocupa uma banda de frequência durante todo o tempo No TDM, cada usuário (ou tributário) ocupa uma janela de tempo (timeslot), ocupando toda a largura de banda disponível.

16 Digitalização de Sinais de Voz Sinal Analógico Sinal Digital Amostrador Quantizador Codificador Esquema simplificado as etapas de digitalização do sinal analógico de voz Antes da amostragem, o sinal de voz deve passar por um filtro passa-baixa (LPF Low Pass Filter); Por que?

17 Digitalização de Sinais de Voz: Amostragem Sinal original Trem de impulsos Sinal Amostrado LPF Sinal recuperado

18 Digitalização de Sinais de Voz: Amostragem f s 2 f max Taxa de Nyquist

19 Digitalização de Sinais de Voz: Amostragem Se a taxa de amostragem for inferior ao dobro da máxima frequência do sinal ocorrerá aliasing. Como prevenir esse problema? Filtro passa baixa (LPF) antes do amostrador: filtro antialiasing Aumentar a taxa de amostragem

20 Digitalização de Sinais de Voz: Quantização Uniforme A quantização pode ser entendida como o mapeamento dos níveis do sinal analógico de entrada (domínio contínuo) para níveis discretos de saída (níveis de quantização) Na quantização uniforme, o passo de quantização d (amplitude dos níveis de quantização ) é constante.

21 Digitalização de Sinais de Voz: Quantização Uniforme

22 Digitalização de Sinais de Voz: Ruído de Quantização O erro, ou ruído de quantização, é a diferença entre o nível do sinal na entrada do quantizador e o nível do sinal na saída do quantizador Sinal Analógico Amostrador Quantizador Codificador x(t) y(t) Sinal Digital n( t) y( t) x( t)

23 Digitalização de Sinais de Voz: Ruído de Quantização Sinal original Sinal quantizado (d=0.5) 5 níveis de quantização Módulo do erro de quantização (d=0.5)

24 Digitalização de Sinais de Voz: Ruído de Quantização Sinal original Sinal quantizado (d=0.25) 9 níveis de quantização Módulo do erro de quantização (d=0.25)

25 Digitalização de Sinais de Voz: Ruído de Quantização Sinal original Sinal quantizado (d=0.125) 17 níveis de quantização Módulo do erro de quantização (d=0.125)

26 Digitalização de Sinais de Voz: Ruído de Quantização SQNR 10 log P P x N Px = potência do sinal amostrado (mw) Pn = potência do ruído de quantização (mw) SQNR = relação sinal-ruído de quantização (db)

27 Digitalização de Sinais de Voz: Ruído de Quantização Nível 0 Problema da Quantização Uniforme -Ruído de quantização não é uniforme -Valores de SQNR mais baixos para níveis baixos (próximos do zero) do sinal de entrada Solução? Mais níveis de quantização (menor passo de quantização) para níveis mais baixos do sinal de entrada Quantização Não-Uniforme d = 0.125

28 Digitalização de Sinais de Voz: Ruído de Quantização Diagrama de blocos do modelo construído no SIMULINK para gerar os gráficos dos slides 23, 24, 25 e 27 (disponível no site).

29 Digitalização de Sinais de Voz: Quantização Não-Uniforme Quantização não-uniforme em PCM Usam-se intervalos de quantização menores para os valores menores do sinal

30 Digitalização de Sinais de Voz: Quantização Não-Uniforme Com quantização não-uniforme a relação sinal-ruído de quantização torna-se mais independente do nível do sinal. A quantização não-uniforme corresponde a duas operações consecutivas: compressão não linear e quantização uniforme. No receptor terá de ser usado um expansor. São usadas duas leis de compansão (compressão+expansão): a lei μ na América do Norte e Japão e a lei A na Europa e Brasil. As características de compressão foram determinadas a partir de estudos experimentais realizados com sinais representativos (MOS Mean Opinion Score)

31 Digitalização de Sinais de Voz: Quantização Não-Uniforme Lei A Saída Entrada

32 Digitalização de Sinais de Voz: Quantização Não-Uniforme Lei A Observação: O primeiro segmento é dividido em 2 (000 e 001); assim, todos os segmentos tem 16 níveis

33 Digitalização de Sinais de Voz: Quantização Não-Uniforme Palavra PCM (8 bits)

34 Digitalização de Sinais de Voz: Quantização Não-Uniforme Quantização Uniforme Quantização Não-Uniforme Lei A (A = 87.6)

35 Digitalização de Sinais de Voz: Quantização Não-Uniforme Diagrama de blocos do modelo construído no SIMULINK para gerar o gráfico da SQNR da quantização não-uniforme no slide 34 (disponível no site).

36 Hierarquia MUX Digital: PDH - Portadora E1

37 Hierarquia MUX Digital: PDH

38 Siglas AM (Amplitude Modulation) BPF (Band Pass Filter) FDM (Frequency Division Multiplexing) LPF (Low Pass Filter) PCM (Pulse Code Modulation) PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) SDH (Synchronous Digital Hierarchy) SQNR (Signal to Quantization Noise Ratio) TDM (Time Division Multiplexing)

39 Questionário 1) Defina multiplexação. Cite 2 tipos de multiplexação. 2) Na hierarquia do MUX Analógico, um supergrupo ocupa a banda de 312 khz a 512 khz. Pergunta-se: a) qual a largura de banda ocupada por 1 supergrupo? b) qual a banda passante mínima de um meio guiado por onde 1 supergrupo será transmitido? 3) Um sinal analógico ocupa da banda de 30 Hz a 3.3 khz. Pergunta-se: a) qual a taxa de amostragem mínima necessária para reconstruir o sinal? b) se houver 1024 níveis de quantização, qual será a taxa em bits/segundo do sinal codificado? 4) Qual a diferença entre quantização uniforme (linear) e não-uniforme (não-linear)? Qual a melhor? Por que? 5) Suponha uma portadora com 24 canais PCM 8 bits multiplexados no tempo, acrescida de 1 bit para sincronismo. Qual seria a taxa em bits/segundo?