Telefonia Sistemas Analógicos e Digitais
História da telefônia Os sistemas telefônicos analógicos tem sua origem em 1861 quando foi concebido por um inventor alemão Johann Phillip Reis filho de portugueses judeus. Filiado a Associação de Físicos de Frankfurt e lecionando física no Instituto Garnier aos 27 anos J. P. Reis faz sua primeira demonstração pública, provando a possibilidade teórica da conversão de variações de corrente elétricas em ondas sonoras. Na época a comunidade cientifica não compreendeu bem sua invenção. Sua invenção tem o nome Das Telephon
Reconhecimento Reis faleceu em 1874, no ano de 1876 o jornal New York times escreve um editorial intitulado The Telephone descrevendo a invenção de J.P. Reis, a Associação de Físicos de Frankfurt o homenageia construindo uma estátua no centro de Frankfurt o departamento alemão de comunicações cria dois selos postais em homenagem ao inventor do telefone.
Nos livros de histórias O que todos nos sabemos é que o inventor do telefone é o escocês Alexander Graham Bell que no ano mesmo ano de 1876 obteve uma patente norte americana nº 174.465, mas para que obteve-se esta patente teve que enfrentar nos tribunais o engenheiro norte americano Elisha Gray. Alexander Graham Bell Elisha Gray
Nesta foto podemos ver uma comparação das anotações de Alexander Graham Bell e Elisha Gray, os dois inventores tinha a idéia de transmitir a voz humana utilizando a corrente elétrica, porém Graham Bell se dedicava a uma melhor sonorização, compreensão da voz que era transmitida, enquanto Elisha Gray dava ênfase a intensidade da corrente elétrica que conduzia a voz.
Com o fato de Graham Bell obter a patente o mesmo começou a demonstrar sua invenção ao mundo, na exposição de Filadélfia apresentou o telefone ao imperador do Brasil Dom Pedro II que ao ver o funcionamento do telefone exclamou Meu Deus isto fala e assim encomendou o primeiro telefone do Brasil no ano de 1877 e outros pelo mundo. E no ano de 1884 é instalado a primeira estação telefônica do estado de São Paulo na cidade de Santos
E assim se manteve até o ano de 1889 quando o empresário dono de uma funerária Almond Brown Strowger, perceber que estava sendo desfavorecido por telefonistas, inventou uma Comutadora eletromecânica, que levou seu nome o Seletor de Strowger e assim eliminou a necessidade da telefonista em uma estação telefônica. Almond Brown Strowger Seletor de Strowger
Aparelho telefônico Aparelho utilizado para transmitir som a distância através da conversão de sinais sonoros em sinais elétricos e composto por: O microfone para converter a voz em sinais elétricos; O receptor para a função inversa (sinal elétrico em vibrações acústicas); O emissor de sinais numéricos (disco ou teclado); O sinalizador sonoro (campainha).
Conversão de sinal sonoro em sinal elétrico Quando as vibrações sonoras incidem sobre a membrana, fazendo-a vibrar, este movimento comprime mais ou menos os grânulos, diminuindo ou aumentando a resistência, com uma correspondente vibração na corrente no mesmo ritmo das vibrações sonoras. Esta variação da corrente produz uma potência elétrica, que às vezes é maior que a potência acústica aplicada na vibração da membrana, fazendo com que a cápsula se comporte como um amplificador. A cápsula de carvão é o microfone mais barato, porém apresenta algumas restrições: - Produz uma distorção maior que a dos outros microfones. - Tem uma sensibilidade que varia com a freqüência, atenuando muito as baixas freqüências.
Conversão de sinal elétrico em sinal sonoro Nas cápsulas receptoras dinâmicas, a bobina pela qual circula a corrente DC está unida à membrana, movendo-se num campo magnético cilíndrico (Figura acima); a força que atua sobre a bobina e a membrana é proporcional à força do campo magnético e à energia que passa pela bobina.
Emissor de sinais numéricos (disco ou teclado) Discagem Decádica (telefones com disco): o usuário gira o disco até o chamado apara dedo. O disco ao retornar a posição normal, devido à ação de uma mola, provoca abertura no loop de corrente da linha, tantas vezes quanto for o número discado. A central percebe a interrupção do loop de corrente e contabiliza os pulsos enviados, que chegam na razão aberto-fechado de 2:1 divididos em 33,33ms e 66,66ms, um pulso totalizando 100ms (0,1s). O processo deve ser repetido para cada dígito discado.
Circuito de Campainha ou Ring A central telefônica, após identificar o assinante chamado, deve enviar um sinal e fazer soar a campainha do telefone. Esse sinal deve ter potência suficiente para avisálo da chamada a uma distância razoável. Nos aparelhos rudimentares foi utilizada uma campainha eletromagnética. A corrente necessária e padronizada para esse fim foi de corrente alternada, senoidal, cujo valor poderá estar situado entre 70 a 90 Vrms (eficazes) com freqüência de 25Hz ± 20%. A corrente denominada de corrente de toque é enviada ao assinante chamado de forma pulsada, de maneira a provocar um segundo toque de campainha e quatro segundos de silêncio (1:4s). Dessa forma, todos os circuitos combinados formam o diagrama geral do telefone, que é indicado na figura abaixo.
Sinal Analógico Em telefonia, o sinal analógico é uma representação elétrica do sinal de voz gerado pelo usuário ao falar no telefone. A voz é, na sua origem, uma onda mecânica. Quando a onda é identificada pelo microfone do telefone do assinante, ela é convertida em representação elétrica. A central recebe este sinal elétrico, o qual tem valores altos de energia que variam aleatoriamente no tempo. A central é obrigada a identificar todos os valores desta energia para poder comutar e encaminhar o sinal ao destino. É formado por níveis de tensão que variam, aleatoriamente, entre 0V a 48V (Volts) não sendo possível afirmar qual é o valor desta energia num determinado momento de tempo. A informação que o sinal representa esta contida no formato do sinal. As Centrais Telefônicas Analógicas entendem e comutam somente este tipo de sinal.
Central Telefônica Manual O estabelecimento e a interrupção das ligações entre as linhas de assinantes eram feitos pela intervenção de pessoas denominadas operadoras utilizando equipamentos chamados cordões. Possuem um painel frontal onde se localizam um conjunto seqüencial de jaques em paralelo com um conjunto seqüencial de lâmpadas onde cada uma das lâmpadas é associada a um assinante. ETAPAS PARA REALIZAR UMA CHAMADA 1. Assinante levanta o fone do gancho 2. Telefonista atende 3. Telefonista ouve (e memoriza) o número do assinante desejado 4. Telefonista seleciona a posição do assinante desejado 5. Assinante chamado atende 6. Desconexão reposição dos cordões
Central Telefônica Automática São aquelas em que a comutação anteriormente feita de forma manual passa a ser feita através de dispositivos eletromecânicos de forma automática. MOTIVOS DA AUTOMATIZAÇÃO DAS CENTRAIS TELEFÔNICAS 1. Baixo nível de sigilo na comunicação; 2. Ligações erradas devido distração das telefonistas; 3. Dificuldade de memorização dos números; 4. Dificuldade de tarifação; 5. crescimento no número de usuários.
Sistema Passo a Passo Foi o primeiro sistema automatizado baseado na invenção de STROWGER e concretizado na primeira central automática do mundo. Instalada em La Porte, Indiana, em 1892. O disco introduzido em 1896 permitiu uma simplificação do sistema, bem como a redução de vários condutores entre o telefone e a central. A movimentação dos seletores é feita pelos pulsos de corrente continua gerada pelo disco. Pré-seletor PS é um seletor rotativo simples, sem seleção numérica, com a função de dar ao assinante chamador (A) o acesso ao primeiro assinante (SG). Cada assinante tem um PS exclusivo. Quando o assinante levanta o fone do gancho, opera-se o reles de linha que dispara seu PS. Os estágios seletores de grupo (SG) tem dois movimentos, o primeiro de elevação é numérico e acionado por um algarismo do numero de (B) seu segundo movimento é livre. O seletor final (SF) tem seus dois movimentos controlados numericamente, o primeiro pela dezena e o segundo giro pela unidade do numero do assinante chamado (B). Para permitir muitas chamadas simultâneas cada estágio (SG) e (SF) possui centenas de setores devidamente agrupados.
Sistema Passo a Passo A Escova encontra e prende o Selector do Primeiro Grupo que esteja Livre. A Escova do Selector do Primeiro Grupo sobe Verticalmente (Primeiro Digito Marcado) e Gira para ligar a um Selector do Segundo Grupo que esteja Livre A Escova do Selector do Segundo Grupo sobe Verticalmente (Segundo Digito Marcado) e Gira para se ligar a um Selector Final que esteja Livre. A Escova do Selector Final sobe Verticalmente (do Segundo até ao Último Dígito Marcado) e Gira (Último Dígito Marcado) para ligar ao Cliente Chamado.
Manutenção de antigos dispositivos de sistemas automáticos passo-a-passo Uma central telefônica inglesa do início do século XX, que utilizava o sistema passo-a-passo
Sistema Crossbar Sistema de barras e pontes de ferro que são acionados por relés que ocasionam o fechamento e travamento de um determinado ponto de acoplamento. A operação de uma saída no seletor Crossbar precisa de um posicionamento prévio de duas barras horizontais, seguido do acionamento da barra vertical em questão. Tão logo a barra vertical opere, as horizontais são desoperadas e um estilete elástico de aço permanece preso entre a vertical e os contatos indicados pelas horizontais. Os contatos são exclusivamente de pressão, a semelhança de contatos de reles daí a grande confiabilidade do seletor, que apresenta apenas pequeno movimento basculante nas horizontais e verticais. Não possuindo contatos deslizantes estes podem ter pontos de contatos de liga nobre(prata/cobre, Paládio, ouro, etc.), indicados pela menor distorção de faixa de freqüência de voz, autolimpeza, etc. Funcionamento do comutador crossbar. Duas chamadas estão conectadas através dos contatos formados pelos cruzamentos das barras a-1 e c-3.
Sistema Crossbar
SISTEMA TELEFÔNICO DIGITAL INTRODUÇÃO
Sinal Digital Assume valores discretos podendo ter vários valores de amplitude, desde que em quantidade finita, mas normalmente o mais usado é o digital com dois valores. Uma das vantagens da transmissão digital é a possibilidade da regeneração do sinal, ou seja, o sinal é recriado, sendo vantajosa quando comparado com os amplificadores que podem amplificar indesejavelmente também os ruídos. Até a década de 60, a Rede Telefônica prestava um serviço de transmissão de voz e era um serviço totalmente analógico.
REDE DE COMUTAÇÃO DIGITAL Os sinais analógicos de voz são gerados em cada ramal e recebidos pela central onde são quantizados e codificados na forma de informação digital.as centrais privadas de PABX podem utilizar tanto a comutação analógica como a digital.nos ramais digitais o processo de digitalização ocorre no próprio terminal do usuário.após a recepção na central PABX, o sinal digital de cada usuário (canal) é comutado (seleção física de circuito) para uma linha específica, sendo convertido novamente em sinal analógico e encaminhado para a Central Pública, usando-se um par de fios para cada ligação.
MÉTODOS DE CODIFICAÇÃO DA VOZ A figura mostra um diagrama de blocos para o processo de conversão A/D (analógico/digital) e D/A (digital/analógico) que foi descrito.
MÉTODOS DE CODIFICAÇÃO DA VOZ CONVERSÃO A/D E D/A
TIPOS DE CONVERSÃO DIGITAL As técnicas de waveform encoding mapeiam o sinal original no domínio tempo (por isso também são denominadas como técnicas de time-domain encoding), usando os bits do sinal digital, que são representações das amplitudes, no tempo, do sinal PAM. Conforme o modo de codificação empregado, estas técnicas produzem bit rates de altos a moderados, mas, em contrapartida, obtém os melhores índices de qualidade (MOS ou CMOS).
TIPOS DE CONVERSÃO DIGITAL A "mãe" de todas as técnicas de waveform encoding é conhecida como PCM (Pulse Coded Modulation). Para aplicações de telefonia, o uso do PCM é padronizado na recomendação G.711 da ITU-T (International Telecommunications Union Telecommunication standards section).a diferença do PCM para o processo de conversão A/D e D/A já descrito está no modo de fazer a quantização. Este processo, conhecido como companding (COMPressing and expanding) pode ser feito de duas formas, conhecidas como µ- law (mu-law), usada nos Estados Unidos e Japão, e A-law, usada nos demais países. As duas formas são equivalentes, mas a A-law exige menos esforço computacional para implementação. O algoritmo, nos dois casos, é simples: primeiro é feita uma quantização linear com um número maior de intervalos.
TIPOS DE CONVERSÃO DIGITAL / CODIFICAÇÕES Codificar: permite uma melhor armazenagem do sinal e o torna mais fácil de transmitir. Sinais digitais: Modulação por pulso. PCM (pulse-code Modulation) linear e variantes PAM, PWM, PPM, PNM, etc.
TIPOS DE CONVERSÃO DIGITAL DPCM e ADPCM Observando o comportamento do sinal PCM (pulse code modulation) obtido a partir de sinais de voz, observamos que ele não costuma apresentar variações muito grandes entre duas amostras consecutivas. Comparando os valores binários que codificam uma amostra e sua antecessora, vemos que a diferença é um número que pode ser codificado com menos de oito bits. Esta técnica, que é uma variação da modulação delta (delta modulation DM), é conhecida como DPCM (differential PCM). O processo de encoding é feito da seguinte forma: O sinal de voz é captado e codificado no formato PCM convencional; O valor binário de cada amostra PCM é passado para dois circuitos, preditor e diferenciador; O circuito preditor cria um delay de um intervalo de amostragem (125 µs), portanto, na sua saída sempre está o valor binário da amostra anterior; O circuito diferenciador compara os valores binários da amostra corrente e da amostra anterior (na saída do preditor), e calcula a diferença binária entre eles A saída do diferenciador é o sinal digital a transmitir.
TIPOS DE CONVERSÃO DIGITAL PCM Linear: É o mais utilizado, principalmente em padrão para cd's e musicas pussui intervalos temporais e passos da quantificação uniforme PCM não linear: u-law o sinal é compactado para envio e depois espandido PCM diferencial - Modulação delta (DPCM ou 1-bit modulation) ao contrario dos outros, não codifica a amplitude e sim a diferença trabalha usando um bit a cada amostra, se o sinal sobe ou desce em relação a amostra anterior apresenta distorção nos transitórios mas é vantajoso devido à economia PCM Diferencial Adaptive DPCM trabalha apenas com a contagem da diferença como delta, porem usa passos irregulares ajusta o tamanho do passo quando transitórios aparecem
TIPOS DE CONVERSÃO DIGITAL PCM Linear PCM não Linear
TIPOS DE CONVERSÃO DIGITAL PCM Diferencial modulação delta PCM Diferencial adaptative
Transmissão PCM
VANTAGENS E DESVANTAGENS DE SINAL PCM necessita de uma largura maior de banda, (ocupa mais espaço), logo para mandar uma única amplitude precisa de vários pulsos. É mais robusto, pois consegue ler o sinal desde que se tenha ausência ou presença de sinal. a qualidade do sinal está relacionada à amostragem e quantização, logo se o canal ou o meio de armazenagem não são bons não afeta a informação. permite multiplexação, ou seja mais de uma informação enviada ao mesmo tempo e no mesmo canal de maneira entrelaçada.
Modulação é uma forma de colocar dados digitais em um sinal analógico para transmissão. Esse método se faz necessário devido a necessidade de aproveitar a infra-estrutura analógica existente (rede publica) há também a possibilidade de envio e recebimento de sinais digitais sem convertê-los em analógico, que seria o uso de sistemas com fibra óptica que permite tráfego de qualidade velocidade e quantidade de informações sob um mesmo canal (cabo).
Modulação Algumas técnicas básicas: ASK Amplitude Shift Keying: onde cada valor binário de dados é associado a uma portadora distinta FSK Frequency Shift Keying: é produzido um desvio na frequencia para cada valor binário dos dados. PSK Phase Shift Keying: desvio na fase portadora para cada valor binário
VANTAGENS DO SISTEMA DIGITAL Relação sinal/ruído melhorado Facilidade de separar o ruído de sinal na decomposição da forma de onda Múltiplos algoritmos Gerenciamento por software Qualidade nas ligações,ddd e DDI Economia de energia elétrica Novos serviços agregados, como facilidades (transferencias, espera, fone conferencias etc...) que antigamente só eram possíveis com pabx
Referencias Bibliográficas Sites: Wikipédia Telefônica Portugal Anatel Apostilas e livros - ERICSSON S/A. Entendendo Telecomunicações Ed. Érica, SP, 2000. - ROCHOL, Jürgen. Redes de Computadores Apostila UFRGS, 1998. - NEC S/A. Básico de Comutação Apostila, SP, 1998.