Modulatia impulsurilor in cod (mic/pcm)

MODULATIA IMPULSURILOR IN COD (MIC/PCM)

Semnalul analog este proportional cu marimea   fizica pe care o reprezinta semnalul electric (semnalul de vorbire este permanent proportional cu presiunea acustica exercitata asupra membranei microfonului).

Un semnal electric digital este compus dintr-o succesiune de simboluri, fiecare simbol putand avea un numar finit de valori posibile (semnalul telegrafic, poate fi compus dintr-o succesiune de simboluri binare care pot avea una din doua valori posibile: prezenta sau absenta de semnal).

Fiecare simbol al unui semnal digital poarta intrinsec o cantitate de informatie q, care depinde de numarul m de valori posibile ale simbolului:

q = log₂m                             [biti]. (1.)

Cantitatea de informatie se masoara in biti (binary digit) iar un bit corespunde unui simbol binar. Semnalele digitale au fata de semnalele analogice avantajul de a fi stabile la perturbatii. Decizia la receptie se ia in cazul semnalului analogic pe o baza cantitativa, iar in cazul semnalului numeric pe o baza calitativa.

Avantajele sistemului numeric:

semnalele numerice pot fi regenerate in puncte intermediare ale liniei de transmisie si in consecinta se obtine o calitate ridicata a transmisiei, care nu depinde de lungimea liniei si de numarul de statii intermediare;

- introducerea si extragerea de cai, comutarea canalelor in statiile intermediare se realizeaza in forma numerica, fara pierderi de informatie;

- parametrii canalelor numerice au o mare stabilitate, pe aceste canale nu se produc supraincarcari si deci se realizeaza calitate ridicata a transmisiei pe canalele comutabile;
            - transmisia informatiei numerice se realizeaza pe canale numerice cu o eficienta mult mai mare fata de transmisia pe canale analogice.
Dezavantajele sistemului numeric, in comparatie cu cel analogic sunt: necesitatea conversiei semnalelor analogice in forma numerica ceea ce implica echipamente suplimentare si cresterea benzii de frecventa ocupata de semnal in canalul de transmisie.

In retelele de comunicatii se utilizeaza transmiterea semnalelor digitale, chiar daca semnalul terminalului este de tip analog, in consecinta, este necesara conversia analog/numerica fie direct in terminale, fie in circuitul de interfata cu linia analogica a abonatului.

La receptor se va realiza conversia digital-analogica pentru reconstruirea semnalului sursei.
Dintre metodele de conversie A/D a semnalului cea mai folosita este modulatia impulsurilor in cod MIC sau PCM (Pulse Code Modulation) inta lnita in sistemele PSTN (Public Switch Telecommunication Network).

1.Conversia analog - digitala

1.1. Esantionarea semnalelor telefonice, teorema esantionarii

Esantionarea este procesul prin care semnalul electric continuu in timp este inlocuit prin impulsuri echidistante in timp a caror amplitudine este egala sau proportionala cu amplitutdinea semnalului continuu la momentele respective. Aceste impulsuri se numesc esantioane, iar intervalul de timp dintre esantioane va fii numit perioada de esantionare.Frecventa de esantionare se noteaza cu f si este egala cu 1/T_A.

Fig. 1. Esantionarea periodica a semnalului continuu

Teorema esantionarii arata ca un semnal continuu, cu spectrul de frecventa limitat
la o frecventa maxima f_M este complet definit de esantioanele lui daca frecventa de
esantionare este mai mare sau cel putin egala cu dublul frecventei maxime f_Msau

Pentru un semnal telefonic cu spectrul cuprins intre 300-3400 Hz

esantionarea trebuie facuta de cel putin 6800 ori pe secunda. Pentru a exista si unele rezerve, frecventa de esantionare maxima, acceptata international, este de 8000 Hz. Perioada de esantionare corespunzatoare este:

Fig. 2. Spectrul de frecvente al unei succesiuni de impulsuri modulate in amplitudine.

O succesiune de impulsuri scurte (τ<<T_A) cu amplitudine constanta pastreaza (in
domeniul frecventa) un spectru de linii echidistante avandintre ele un ecart

daca amplitudinea nu ramane constanta ci este modulata de un semnal telefonic avand f_M = 3400 Hz atunci, de o parte si de alta a liniilor spectrale situate la frecventa nf_A, apar benzi laterale care se intind pa na la frecventele nf_A ± f_M.
Succesiunea de impulsuri modulate in amplitudine va fi denumita 'semnal PAM'
(Pulse Amplitude Modulation).

Spectrul semnalului esantionat pastreaza o componenta de joasa frecventa identica (dar atenuata) cu a semnalului original, care poate fi usor separata printr-o filtrare cu filtrul trece jos-FTJ.

Pentru separarea corecta a semnalului original este necesar ca f_A≥ 2f_M, astfel inca t componenta spectrala de joasa frecventa si prima banda laterala inferioara sa nu se intrepatrunda.

Fig. 3. Generarea semnalului PAM

Fig. 4. Semnal multiplex PAM.

Deoarece durata esantioanelor este mult mai mica decat perioada de esantionare,
rezulta ca diferenta de timp poate fi folosita pentru transmiterea de esantioane ale altor
canale telefonice, obtinandu-se in acest fel o multiplexare cu diviziune in timp a
semnalelor cu modulatia impulsurilor in amplitudine (MIA sau PAM / Pulse Amplitude
Modulation).

In fig. 4. semnalul multiplex PAM este format din esantioanele intretesute ciclic a trei semnale telefonice a, b, c.

1.2. CUANTIZAREA

Cuantizarea reprezinta procesul prin care se realizeaza asocierea amplitudinilor posibile ale esantioanelor la un numar finit de valori discrete.

Semnalul PAM este de tip analog ca si semnalul modulator original. Aceasta insemneaza ca amplitudinea esantioanelor, care reprezinta purtatoarea informatiei, ramane egala sau proportionala cu amplitudinea semnalului modulator si poate lua orice valoare dintr-un domeniu continuu de valori. Semnalul PAM rama ne sensibil ca si semnalul original la perturbatiile cauzate de salturile de amplitudine si de faza ce apar de-a lungul canalului de transmisiuni. Este necesar ca amplitudinea esantioanelor sa fie transformata in valori care sa fie transmise si prelucrate sub forma digitala.

Intregul domeniu de valori posibile pentru amplitudinea semnalelor este divizat intr-un numar finit de intervale de cuantizare. Toate amplitudinile cuprinse intre doua nivele de decizie primesc valoarea nivelului de reconstructie respectiv. Intre cele doua nivele de decizie se afla un nivel de reconstructie, situat la egala distanta de cele doua nivele de decizie asociate.

Prima etapa in transformarea semnalului PAM este impartirea domeniului continuu
de valori pe care il acopera amplitudinile esantioanelor intr-un numar finit de intervale de
cuantizare. Intregul domeniu a fost impartit in 16 intervale, 8 intervale in domeniul

valorilor pozitive (+1 la +8) si alte 8 intervale in domeniul valorilor negative (-1 la -8). Intervalele sunt despartite unul de celalalt prin nivele de decizie.

Dupa ce s-au stabilit intervalele de cuantizare se poate determina carui interval de cuantizare ii apartine amplitudinea fiecarui esantion.

Pe canalul de comunicatie este transmis numarul de ordine (-8 la +8) al intervalului respectiv si nu esantionul propriu-zis.

Fig. 5. Cuantizarea uniforma a amplitudinii esantioanelor
                                                                unui semnal analog

Se constata ca printr-un acelasi numar de ordine au fost etichetate esantioane de
amplitudini diferite cum sunt cele ale momentelor t₀ si t₂ precum si ale momentelor t₄ si t₅.
            La receptie, dupa primirea numarului de ordine, esantionul este reconstituit la
amplitudine fixa numita nivel de reconstructie si egala cu valoarea medie a intervalului de
cuantizare.

Ca urmare a fenomenului de refacere apar mici abateri fata de valoarea efectiva din momentul esantionarii semnalului analogic de la emisie. Pentru fiecare esantion abaterea poate sa ajunga pa na la o jumatate de interval de cuantizare.

Apare o distorsiune de cuantizare care este perceputa la receptie ca un zgomot suprapus peste semnalul util, de aceea se numeste zgomot de cuantizare.
            Rezulta ca prin acest proces se inregistreaza introducerea unei erori in procesul de
reconstructie a semnalului transmis.

Zgomotul de cuantizare este inevitabil, dar el este mentinut la nivelele ca t mai mici posibile, pentru a fi practic nesesizabil de abonati.

In cazul cuantizarii cu intervale egale (numita uniforma sau liniara), distorsiunea de cuantizare actioneaza foarte puternic asupra semnalelor de mica amplitudine. Raportul dintre un asemenea semnal si distorsiunea (maxima) de cuantizare poate fi foarte mic in timp ce pentru semnale mari acest raport poate avea valori mari.

Fig. 6. Distorsiunea de cuantizare.

Analiza statistica a semnalului de vorbire arata ca amplitudinile mici sunt acelea care apar mult mai frecvent deca t cele mari.

Se apreciaza ca raportul semnal /eroare de cuantizare este variabil, daca se foloseste o cuantizare uniforma, defavorizate fiind semnalele de amplitudine mici pentru care eroarea este foarte mare in comparatie cu valoarea semnalului util.

Pentru a asigura un raport semnal /eroare de cuantizare independent de valoarea
semnalului, poate fi folosita cuantizarea neuniforma, care asigura:
          - intervale de cuantizare mici pentru semnale de amplitudini mici;
            - intervale de cuantizare mari pentru semnale de amplitudini mari.
Se foloseste cuantizarea neuniforma care este specificata in Rec. G 711 a CCITT.

Pentru a obtine un raport semnal /zgomot de cuantizare satisfacator pentru

amplitudinile mici si mari s-a procedat in felul urmator: semnalele mici sunt cuantizate cu intervalle mici, in timp ce cuantizarea semnalelor mari se face cu intervale mari; cuantizarea este neuniforma iar raportul semnal /zgomot de cuantizare devine uniform in tot domeniul de amplitudini. Aceasta cuantizare se mai numeste si 'compandare', sugerand ca la emisia semnalelor de amplitudini mari sufera o anumita 'compresie' in raport cu cele de amplitudine mica, fiind refacute la receptie prin 'expandare'.

Cuantizarea cu compresie poate fi realizata prin:

- cuantizarea neliniara, adica aplicand direct semnalul analog unui cuantizor cu intervale crescande;

aplicarea semnalului analog unui cuadripol neliniar, compresor capabil sa comprime amplitudinile mari, urmat de un cuantizor liniar, cu intervale egale.
            Cele doua moduri de realizare a compresiei sunt realizate grafic in figura 8. a si b.
Se permite ca raportul semnal/distorsiune de cuantizare sa ramana constant pe un domeniu de valori relativ extins.

Prin cuantizarea neliniara se reduce considerabil numarul de intervale de cuantizare necesar. In timp ce cuantizarea liniara necesita aproximativ 1000 de intervale in domeniul pozitiv si 1000 intervale in domeniul negativ, la cuantizarea neuniforma numarul de intervale poate fi de 128 in fiecare din cele doua domenii.

Cuantizarea neuniforma este specificata in Rec G 711 CCITT sub forma de caracteristici , care pot fi:

-caracteristica cu 13 segmente (legea A de cuantizare) pentru sistemele PCM 30;

-caracteristica cu 15 segmente (legea de cuantizare) pentru sistemele PCM 24.

Caracteristica cu 13 segmente (utilizata in Europa) este constituita, atat in domeniul pozitiv cat sic el nagativ, din 7 segmente. Numarul total de sgmente este 13 (si nu 14) deoarece segmentele adiacente originii axelor de coordonate se gasesc unul in prelungirea celuilalt, constituind deci un singur segment (si nu doua). Dupa aceasta caracteristica se efectueaza cuantizarea neuniforma a semnalelor telefonice din sistemele de comunicatie moderne. Pe abscisa sunt indicate valorile normale (raportul dintre valoarea instantanee si valoarea maxima) ale semnalului analog ce urmeaza a fi cuantizat, pe ordonata sunt indicate numerele de ordine ale intervalelor de cuantizare.

1.3. CODAREA

In urma procesului de cuantizare, amplitudinea fiecarui esantion PAM este transformata intr-un numar, care este numarul intervalului de cuantizare in care este esantionul respectiv.

Aceasta transformare este realizata in convertorul A/N, rezultand cuvinte de cod alcatuite din simboluri binare. La prelucrarea semnalul vocal sunt necesare 256 intervale de cuantizare.

Pentru a atribui fiecarui interval un cuva nt de cod, este necesar ca acesta sa aiba 8 biti (2⁸ = 256).

Intervalele de cuantizare se noteaza cu 0 la +127 pentru domeniul pozitiv si cu 0 pana la -127 pentru domeniul negativ; se mai stabileste ca in domeniul pozitiv primul bit sa fie 1 iar pentru domeniul negativ primul bit sa fie 0. S-a definit codul 'binar simetric' ale carui intervale de la origine vor fi:

Intervalul de cuantizare	Cuvant de cod
+1	10000001
_ +0	10000000
-1	00000001
-0	00000000

Tabelul 1.

Deoarece in practica se constata ca amplitudinile mici au frecventa relativ mare, apare evident ca probabilitatea de aparitie a cuvintelor de cod corespunzatoare intervalelor (0,+1), (-0,-1) sa fie ridicata si deci apar succesiuni lungi de zerouri, ceea ce in transmisiile digitale este dezavantajos deoarece face dificila regenerarea la receptie a semnalului de tact. De aceea, in practica se utilizeaza codul binar simetric cu inversarea alternativa a bitilor (Alternate Digit Inversion, ADI); valoarea fiecarui bit cu numar de ordine par (in cuvantul de cod) este inlocuita cu opusul ei.

Exemplu:

+0                   11010101

+1                   11010100.

Din fiecare cuva nt de cod se poate deduce in care segment al caracteristicii si in care interval din interiorul segmentului este identificat esantionul respectiv. Primul bit indica semnul (bit de paritate), bitii 2, 3 si 4 indica segmentul, iar bitii 5, 6, 7 si 8 indica numarul de ordine al intervalului in interiorul segmentului.

1.4. Multiplexarea in timp

Pentru   transmiterea simultana a mai multor semnale trebuie folosita intrepatrunderea in timp a esantioanelor acestora. Intre doua esantioane succesive ale aceluiasi semnal exista un interval de 125 µs in care se transmit esantioanele altor semnale (distincte intre ele), constituindu-se un semnal PAM, care are caracterul unui semnal analogic ce urmeaza sa fie supus procesului de codare.

Dupa codare, semnalul multiplexat PAM se transforma intr-un semnal digital constituit din cuvinte de cod de 8 biti, intrepatrunse in ordinea in care erau intrepatrunse si esantioanele.

O succesiune de biti care contine ca te un cuva nt de cod (si numai unul) de la fiecare semnal de intrare este numit cadru.

In sistemele de transmisiuni PCM existente in sistemele de comunicatii curente, cadrul este constituit din 32 (PCM utilizat in Europa) sau 24 (PCM utilizat in SUA si Japonia) cuvinte de cod.

Semnalul multiplex PCM constituit din esantioanele intrepatrunse provenind de la mai multe semnale analogice distincte poate fi transformat de un coder PCM unic (central) intr-un semnal multiplex PCM. In sistemele mai moderne este preferata codarea PCM individuala (descentralizata) a fiecarui semnal analogic urmata de intrepatrunderea cuvintelor de cod cu ajutorul circuitelor electronice de tip digital.

2. CONVERSIA DIGITAL/ANALOGICA

2.1. Demultiplexarea

Procesele se realizeaza electronic, la fiecare iesire din demultiplexor exista un semnal PCM constituit din 8000 cuvinte de cod/sec.

2.2. Decodarea

Pentru decodarea semnalului PCM se utilizeaza la receptie o caracteristica inversa celei utilizate la emisie pentru codare.

Fiecare cuvant de cod contine intr-o forma codata numarul intervalului de cuantizare in care se inscrie esantionul PAM de la emisie.

Acest esantion este reconstituit la receptie cu o amplitudine egala cu valoarea medie a intervalului la cuantizare. Prin aceasta, succesiunea de cuvinte PCM redevine o succesiune de esantioane, adica un semnal PAM.

2.3. Demodularea semnalului PAM

Obtinem dintr-un semnal PAM prin filtrare trece-jos semnalul modulator original.
Daca la intrarea unui filtru trece jos cu frecventa de trecere f_t, se aplica un impuls de scurta
durata (impuls Dirac), se obtine la iesirea filtrului un impuls de tip sinx /x.

Impulsul la iesire este caracterizat de:

- atenuare cu un factor D ce este propriu respectivului filtru;

- alungirea la o valoare 2t_A = 1/f_t, invers proportionala cu frecventa   limita de trecere a filtrului;

- intarzierea cu t₀ reprezinta timpul de propagare;

- existenta oscilatiilor crescatoare si descrescatoare de frecventa f_g.

In figura 10 se arata prin insumarea grafica a impulsurilor de iesire faptul ca, prin filtrare trece jos, obtinem dintr-un semnal PAM semnalul modulator original.

Fig. 10. Demodularea semnalului PAM

II.Norme de tehnica securitatii muncii

1. Prevederi comune tuturor proceselor de munca din activitatea de telecomunicatii

a). Instruirea personalului

Instructajul de protectie a muncii se va face pe faze, in conformitate cu normele generale de protectie a muncii.

Personalul muncitor calificat si necalificat trebuie sa posede cunostinte generale cu privire la lucrul in conditii de protectie a muncii, precum si cele specifice lucrarilor ce urmeaza a le executa.

Instructajul de protectie a muncii se efectueaza tuturor persoanelor care depun o activitate cu caracter direct si anume:

productiv;

de manipulare;

transport;

intretinere;

reparatii,

precum si celor care prin natura obligatiilor profesionale conduc la aceste activitati.

Personalul muncitor care isi desfasoara activitatea in afara prevederilor din prezentele norme si asupra prevederilor specifice de lucru in statiile de cale ferata, cuprinse in "Normele specifice de protectie a muncii pentru transporturi pe cale ferata".

b). Dotarea cu echipament individual de protectie

Toti lucratorii din activitatea de telecomunicatii sunt obligati sa utilizeze echipamentul individual de protectie adecvat conform "Normativului - cadru de protectie si utilizare a echipamentului individual de protectie" emis de Ministerul Muncii si Protectiei Sociale.

c). Organizarea locului de munca

Organizarea locului de munca si a activitatilor inainte de inceperea lucrului, persoanelor special desemnate in acest scop vor verifica starea si functionarea uneltelor, sculelor si dispozitivelor care urmeaza sa fie utilizate.

Este interzisa utilizarea sculelor sau uneltelor care prezinta defectiuni.

Este interzisa modificarea sculelor sau oricarui alt echipament tehnic prin improvizatii.

In salile de echipamente de telecomunicatii, locurile de trecere si spatiile din jurul echipamentelor vor fi complet libere; este interzisa ocuparea lor cu materiale sau echipaj inutil.

Locurile de munca vor fi mentinute in stare de curatenie. In cazul incaperilor de lucru in care se gasesc instalatii prin a caror manevre sau atingere se vor produce accidente, pe usile acestora se vor afisa indicatoare de avertizare (conform standardelor in vigoare).

Aceste tablite se vor fixa ti pe usile incaperilor in care sunt:

instalatii de inalta tensiune;

instalatii sub presiune;

transformatoare;

sali de relee;

centrale de telecomunicatii.

2.           Instalarea, exploatarea si intretinerea retelelor urbane si interurbane de telecomunicatii

Pentru lucrarile executate la inaltime sau canalizari de adancime este obligatorie verificarea zilnica inainte de inceperea lucrului a:

centurilor si cordoanelor de siguranta

scarilor

ghearelor de catarat pe stalpii de lemn

La transportul si manipularea materialelor necesare pentru instalarea, exploatarea si intretinerea retelelor urbane si interurbane de telecomunicatii se vor respecta prevederile cuprinse in Normele specifice de protectie a muncii pentru manipularea, transportul prin purtare si cu mijloace mecanizate si depozitarea materialelor.

Bibliografie

1.            Ioan Bossie, Mircea Wardalla - Masurari speciale in telecomunicatii, Volumul 1, Editura AGIR,

Bucuresti 1997

2.            Ioan Bossie, Mircea Wardalla - Masurari speciale in telecomunicatii, Volumul 2, Editura AGIR,

Bucuresti 2002

3.            Tatiana Radulescu - Telecomunicatii, Editura Economica, Bucuresti 2000

4.            Adriana Trifu - Electronica Digitala, Editura Economica Preuniversitaria, Bucuresti 2001

5.            Eugenia Isac - Masurari electrice si electronice, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1997

6.            Teodor Danila - Componente si circuite electronice, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1999

7.            Tatiana Radulescu - Retele de telecomunicatii, Editura Thalia Bucuresti 2000

8.            Ion Marghescu - Evolutia comunicatiilor mobile - internet

9.            Barbat Boldur, Bogdan Octavian-Ioan - Comunicatii analogice si numerice curs editia a II-a - internet

10.        Vlad Cehan - Bazele radiocomunicatiilor - internet