Principais fundamentos de um sistema telefônico O sistema telefônico é composto por assinantes, sistemas de distribuição, centrais telefônicas e sistemas de transmissão. A figura 2 mostra um esboço de um sistema telefônico, e seus componentes básicos elementos: Figura 2: Representação do sistema telefônico urbano. A rede de telefonia considerando a chamada telefônica inicia-se na casa do assinante, que está conectado à rede através do circuito de transmissão do seu aparelho telefônico. Através de um sistema de distribuição, que se constitui basicamente de uma estrutura física de conexão, esse assinante tem acesso a uma operadora de telefonia, dando origem a RTPC (Rede de Telefonia Pública Comutada). Em geral, este sistema é composto por caixas de distribuição, armários de distribuição, distribuidores gerais, meios físicos, centrais telefônicos e telefones. As centrais telefônicas são responsáveis pela inteligência de um sistema telefônico, pois fazem o controle das chamadas, pela gerência dos serviços, promovem a sinalização acústica e a sinalização de controle. As centrais públicas são classificadas de acordo com a abrangência e os tipos de ligações que efetuam: Local é onde nascem às linhas de assinantes e toda troca de informação relacionada a esses assinantes; Trânsito local é uma central telefônica que troca informações entre outras centrais, que podem ser centrais locais ou até mesmo uma outra central trânsito;
Trânsito interurbana interliga dois ou mais sistemas locais, inclusive por intermédio de uma central de trânsito local. Também interliga centrais interurbanas; Trânsito internacional faz a interligação entre países. A central de trânsito é também comumente chamada de central TANDEM. Telefonia Digital: Voz Analógica A maior parte da energia presente na voz humana está compreendida numa faixa de freqüências reduzida, sendo comum no sistema telefônico limitá-la a uma banda de freqüências compreendidas entre 300 e 3400 Hz, zona onde serão mantidas a integridade e confiabilidade, permitindo a adequada audição da voz. Sinais Analógicos Sinais analógicos são sinais físicos que se manifestam na natureza e assumem sempre valores contínuos como, a temperatura, a pressão, as vibrações acústicas, a eletricidade e o sinal de voz. Quando se fala em um microfone conectado a um osciloscópio, este mostrará uma onda que corresponde às vibrações acústicas da sua voz, conforme a figura 3: Figura 3: Sinais senoidais (sinais analógicos). Fonte: Martignoni.
Sinais Digitais São os que assumem valores específicos, valores binários, 1 e 0, on" e off", "alto" e "baixo", high and low". São sinais processados por máquinas ou equipamentos para serem utilizados em um meio digital. O som da voz, para ser transmitido em um sistema digital deve ser codificado para o formato digital antes de ser transmitido através do meio e decodificado no outro lado para a sua forma analógica original para que o ouvinte possa compreendê-lo, como mostra a figura 4. Figura 4: Representando uma conversação em sinal digital. Qualquer informação analógica que precisa ser armazenada em um computador ou transmitida por um sistema de comunicação digital, passa necessariamente por um processo de codificação ou digitalização do sinal, que permite grandes vantagens, tais como: Sinais digitais são muito menos sensíveis a interferências ou ruídos; É possível transmitir mais informação através de sistemas digitais ao invés de sistemas analógicos; Podem ser enviados diretamente a computadores, que são equipamentos que utilizam sistemas digitais. É possível através da digitalização dos sinais telefônicos, desenvolver equipamentos mais compactos, com maior capacidade, mais precisos, menos sensíveis a ruídos e uma infinita integração entre diversos tipos de transmissão de sinais. A qualidade dos serviços oferecidos pelas companhias telefônicas cresceu consideravelmente e com a possibilidade de utilização de processadores de sinais digitais e computadores, permitindo a expansão de serviços oferecidos aos assinantes, gerando simultaneamente economia aos usuários e maior receita às operadoras de telefonia.
O que é visto hoje é uma transformação geral em todo processo de telefonia e informática, onde ambos estarão eternamente ligados. Telefonia Digital: Voz Digital Possui vantagens significativas sobre um sistema de telefonia analógico. Sabe-se que a voz é um conjunto de vibrações acústicas e a forma como ela se manifesta na natureza é analógica. O objetivo é transmitir o sinal de voz em um sistema digital através do processo de digitalização, que permitem que esses conjuntos de vibrações acústicas sejam transmitidos em um meio digital assumindo apenas dois valores, zeros ou uns. As figuras 5 e 6 mostram as representações dos sinais digitais. Figura 5: Sinais analógicos e sinais binários. Para que o processo de conversão do sinal ocorra, é necessária a utilização de princípios de modulação e codificação do mesmo, a esse processo é dado o nome de digitalização. Figura 6: Sinais digitais. Fonte: Martignoni.
Digitalizando um Sinal É o processo de transformação de um sinal analógico em um sinal digital, consiste em três fases: Amostragem, que consiste em retirar amostras do sinal original conforme uma freqüência pré-determinada; Quantização, que consiste em refinar o sinal amostrado; Codificação, que transforma o sinal quantizado em um sinal binário. A figura 8 mostra todas as fases da digitalização do sinal analógico. Figura 7: Digitalização do sinal. A digitalização do sinal ocorre quando a transformação do sinal analógico em um trem de pulsos, onde a amplitude desse trem é diretamente proporcional ao pulso da amplitude instantânea do sinal amostrado. Segundo Gomes (1995, p. 232)... O sistema PAM (Pulse Amplitude Modulation), é aquele no qual se aplica mais diretamente o conceito de um sinal amostrado e do próprio Teorema de Amostragem, pois o sinal modulado pode ser compreendido como o produto do sinal modulante pelo trem-de-pulso da portadora.... Para aplicações em telefonia, a freqüência de amostragem adotada internacionalmente é de 8.000 amostras por segundo, definido pelo Teorema de Nyquist. Neste caso, cada nível de valor corresponde a um código de 8 bits, o que permite serem quantizados níveis distintos. Fazendo-se uma conta simples, teríamos então, 8.000 amostras/segundo x 8 bits/amostra, onde obteríamos uma taxa de 64.000 bits/segundo (64 kbit/s). Este procedimento é chamado PCM (Pulse Code Modulation), a Figura 08 representa a taxa de amostras PCM.
Figura 8: Quantificação das amostras. O PCM é a técnica mais comumente utilizada dentro de um processo de digitalização de áudio, pois produz uma aproximação razoável da voz humana. Porém, para se reproduzir adequadamente sons mais complexos, como músicas, por exemplo, devem-se utilizar técnicas mais sofisticadas. O antigo CCITT padronizou categorias de PCM. As mais conhecidas são a padronização americana e a européia, onde: América utiliza 24 canais de áudio ou 1544 Mbit/s de velocidade e consiste no chamado estágio ou enlace T1; Européia utiliza 30 canais de áudio ou 2048 Mbit/s de velocidade e consiste no estágio ou enlace E1, o Brasil adota essa codificação. Amostragem Consiste em um processo, onde são retiradas amostras do sinal original que serão utilizadas para a reconstituição desse sinal no receptor. A figura 9 mostra que segundo o teorema de Nyquist, que demonstrou que um sinal pode ser perfeitamente reconstituído, se deste forem extraídas amostras com no mínimo o dobro da largura de banda deste sinal, a largura de banda ou banda passante de um sinal, é o intervalo de freqüências que compreende a diferença entre a maior e a menor freqüência que compõe o sinal. Figura 9: Representação da faixa de freqüência.
A figura 10 mostra como a faixa da freqüência da voz varia de 300 Hz a 3KHz, todo o processo de análise do sinal de voz, é feito levando em conta a faixa de freqüência de 1 Hz a 4 khz, porém no processo de amostragem somente é considerado o sinal variante de 300 Hz a 3kHz, pois o sinal a ser recuperado será o mais próximo possível do original. Quantização Figura 10: Sinal sendo amostrado. Como não é possível transmitir esses valores tal como são amostrados, realiza-se o processo que tem o objetivo de funcionar como um "arredondamento" dos diversos valores amostrados sobre níveis de valores estabelecidos, esse processo modula o sinal em PAM dentro desses níveis estabelecidos de tensão chamados de valores de decisão. Quando um pulso está acima de um nível de decisão, ele é aproximado para o nível superior e quando o pulso está abaixo da linha de decisão, ele é aproximado para o nível inferior imediato. A aproximação para o número inteiro mais próximo origina um erro de quantificação que é minimizado se for utilizado um número elevado de patamares ou níveis. Se houvesse, por exemplo, 128 ou 256 níveis de sinal, e não os 8 do exemplo, o erro na atribuição por aproximação, de um número inteiro a cada amostra, seria substancialmente inferior. Cada nível é designado por um código digital "n" bits. É possível ter 2n (dois elevado a n) níveis de valores quantizados.
Nas figuras 11 e 12, são mostrados os códigos digitais de 3 bits é possível ter até 8 níveis para quantizar as amplitudes amostradas do sinal analógico utilizado neste exemplo, sendo quatro para amplitudes positivas e quatro para amplitudes negativas. Figura 11: Sinal amostrado sendo quantizado. Fonte: Martignoni. Figura 12: Sinal quantizado.
Codificação Consiste em pegar todo o sinal quantizado e transformá-lo em um sinal binário, levando-se em conta a seqüência em que o mesmo foi gerado pelo trem de pulsos. O sinal resultante será uma cadeia de Zeros e Uns. Este sinal está pronto para trafegar em um determinado tipo de enlace RTPC, LAN (Local Area Network) ou WAN (Wide Area Network). Obtém-se um sinal PCM através de uma onda quantizada, temos que analisar a máxima amplitude do sinal quantizado, para que possamos definir os seus estados como zero ou um, o número de bits da codificação está relacionado à quantidade de intervalos em que meço essa amplitude, que pode ser de 8, 16, 32, 64, 128 bits e assim por diante, a Figura 13 define como é codificado o sinal quantizado. Segundo Gomes (2002, p. 287)... A grande vantagem do PCM reside justamente no fato de só haver dois níveis distintos para o sinal modulado, reduzindo-se de forma substancial o ruído que interfere sobre o sinal modulado, pois este pode ser constantemente regenerado, reassumindo sua forma original. Figura 13: Sinal codificado. Telefonia Digital: Multiplexação de Sinais Mesmo com a digitalização do sinal analógico, ainda é preciso maximizar a transmissão do mesmo de um ponto a outro e essa maximização é feita através da multiplexação, que nada mais é do que, a transmissão simultânea
de dois ou mais elementos, sinais, de informação utilizando o mesmo meio de transmissão. Para compreender este conceito, a figura 14 apresenta uma breve analogia ao tráfego simultâneo de veículos através de uma grande avenida. Figura 14: Simplificação da multiplexação. Analogamente à transmissão de sinais, cada veículo corresponderia a um sinal, a rua procedente de cada veículo representaria a largura de banda necessária para a circulação deste veículo, e a avenida corresponderia ao meio de transmissão de maior capacidade de tráfego que as ruas anteriores e que possibilita o tráfego simultâneo de veículos. Sempre que a largura de banda de um meio físico for maior ou igual à largura de banda de um determinado sinal, este meio poderá ser utilizado para transmitir este sinal. Na prática, a banda passante necessária para um sinal é em geral bem menor do que a banda passante dos meios físicos disponíveis. Portanto, dentro deste fundamento de aproveitar a banda passante extra para a transmissão simultânea de outros sinais se baseia o conceito de multiplexação, que nada mais é do que a técnica que permite a transmissão de mais de um sinal em um mesmo meio físico, assim como é mostrado na figura 15. A multiplexação resulta na otimização dos meios de transmissão, normalmente de capacidade limitada, com a transmissão de diversos sinais simultaneamente. Existem duas formas básicas de multiplexação: Domínio do tempo, o chamado TDM ou Time Division Multiplexing; Domínio da freqüência, o chamado FDM ou Frequence Division Multiplexing. Segundo Hersent (2002, p. 8) A principal vantagem da multiplexação estatística é que ela permite que a largura de banda seja usada de maneira mais eficiente....
Figura 15: Sinal multiplexado. Alessandro de Souza Campos Formado em Engenharia da Computação em 2.004 pela UNORP - Centro Universitário do Norte Paulista. Atualmente é assumiu a função de engenheiros nos processos tecnológicos da Telebrasil Telecomunicações (Grupo Telefónica).