Telefonia Básica telefonia fixa Thomaz 17.11.2006

Telefonia Básica

telefonia fixa

Thomaz 17.11.2006

Sistema de Telecomunicações

• Generalidades:– “Telecomunicações é a ciência que estuda os

procedimentos para o estabelecimento de um caminho de comunicação (voz, texto, imagem, dados ...) entre dois usuários quaisquer, pertencentes a uma rede, e no menor tempo possível”.

Um pouco de história …• 1200 AC - Homero cita uso de sinais de fogo em Iliada.• 700 AC to 300 DC – Pombos correios são utilizados nos jogos

olímpicos• 1791 – Os Irmãos Chappe, na França criam um sistema de envio de

informações em linha de visada, através de “semáforos” onde eram codificadas letras através de posições de “braços” em um poste;

• 1793 – A criação dos Irmãos Chappe se torna comercial, (incentivada por Napoleão) em várias cidades da França, se espalhando pela Itália, Rússia e Alemanha.

• 1840 – O congresso americano requisita fundos para implantar um sistema de “semáforo” entre NYC e New Orleans”, Samuel Morse, se mostra contrário por estar com o Telégrafo elétrico em desenvolvimento.

• 1844 - Morse demonstra o telégrafo elétrico.

– Fonte: http://www.telephonetribute.com/historical_information.html

Interconexão entre usuários.

Usuário 1 Usuário 2

Usuário 3 Usuário 4

!!.

!

nnN

NC N

n

62

3.4

!2!.24

!442

C

Circuito de Voz

Se o número de usuários aumentar ...

782

12.13

!2!.213

!13132

C

• Sendo que teremos 78 interconexões para 13 usuários, sendo que somente 6 conexões podem ser estabelecidas, ou seja, na melhor situação existirão 6 das 78 possíveis conexões em uso.

• Se o número de usuários aumentar para 1000, teremos 499.500 circuitos, sendo que somente 500 em uso, correspondendo a uma taxa de 1:1000.

• Isto a princípio parece improvável, porém efetivamente aconteceu após a invenção do telefone.

• Inicialmente o mercado era voltado para venda de telefones que eram comercializados aos pares

• Se quisesse usar o aparelho para conversar com n proprietários de telefones, o proprietário de um telefone tinha que conectar fios em todas as n residências

• Logo, as cidades ficaram tomadas por fios que passavam pelas casas e árvores, criando um cenário de total desorganização

• Alexander Graham Bell percebendo essa situação, criou a Bell Telephone Company que abriu a sua primeira estação de comutação

• A empresa ligava um fio até a casa ou o escritório de cada usuário

• Para fazer uma chamada, o usuário girava uma manivela, o que emitia um som na companhia telefônica e chamava a atenção de um operador.

• Esse, por sua vez, conectava manualmente o emissor da chamada ao receptor usando um jumper

• Estava criada o central de comutação, ou centro de fios.

Centro de fios:

Centro de Fios

Centro de Fios

Central Local

Central Local

Central Local

Central Local

CentralTrânsito

Interligação dos centros de fios:

Interligação das centrais:

Central Local

Central Local

Central Local

Central Local

CentralTrânsito

Para outras centraisTrânsito

Circuito Tronco

Circuito de Assinante

Circuito Tronco

Quesitos Fundamentais• Para que esta organização funcione

corretamente os seguintes quesitos devem ser associados:– Numeração:

• Identificação unívoca de cada região ou de cada assinante;

– Encaminhamento:• Estabelecimento dos caminhos de interligação de

maneira eficiente;

– Tarifação:• Estabelecimento de métodos para cobrança dos

serviços;

Quesitos Fundamentais

– Sinalização:• Troca de Informações para permitir o

encaminhamento das comunicações;

– Transmissão:• Parâmetros que permitam a inteligibilidade das

comunicações;

Objetivos Fundamentais

• Penetrabilidade:– Capacidade que uma rede deve ter para poder se

expandir na área geográfica de concessão sem ter que a cada expansão, modificar-se estruturalmente;

• Acessibilidade:– Capacidade que uma rede deve ter para garantir

que quaisquer dois (ou mais) usuários possam se comunicar tanto a nível local quanto a nível interurbano e internacional;

Objetivos Fundamentais, cont.

• Grau de serviço:– Capacidade que uma rede deve ter para garantir

uma boa probabilidade de se estabelecer uma comunicação entre dois usuários quaisquer;

• Inteligibilidade:– Capacidade que uma rede deve ter para garantir

que uma comunicação possa ser entendida pelas partes que se comunicam;

Objetivos Fundamentais, cont.• Operacionalidade:

– Capacidade que uma rede deve ter para facilitar o uso dos meios de comunicação pelos usuários de uma maneira rápida, eficiente e confortável;

• Economicidade:– A rede deve estar estruturada para se utilizar de

ganho de escala e propiciar eficiência de utilização dos seus recursos e meios, garantindo que parcelas crescentes de usuários possam ser atendidos pela rede de telecomunicações a custos razoáveis;

Redes básicas:

• Rede Malha:• Interliga todos os nós dois a dois:

Redes básicas:

• Rede Estrela:• Interliga todos os nós a uma nó

central:

Redes básicas:• Rede Anel:

• Interliga os nós em seqüência de modo a formar um anel:

Redes básicas:• Rede Barramento:

• Interliga todos os nós a um único arco chamado barramento ou “bus”:

Estrutura de um Sistema:

• Componentes:Podemos considerar três as famílias de

componentes de um sistema:

– Família dos Transdutores:• Interface entre os usuários e o sistema de

telecomunicações. Ex. Telefone, Modem, etc.

Estrutura de um Sistema:

– Família das Centrais de Comutação:• Central telefônica local, central telefônica trânsito,

etc., que servem para comutar os diversos circuitos;

– Família dos meios de transmissão:• Par físico, canal multiplex, que servem para interligar

as centrais de comutação entre sí e os transdutores as centrais de comutação;

Comunicação entre dois pontos:

Alto-falante

Microfone

Assinante A Assinante B

RX

TX

4 fios

• Porém a conexão do aparelho telefônico é a dois fios, e não a 4 fios como mostra o arranjo anterior.

• Como acontece a comunicação bidirecional “full duplex” em somente dois fios ?

• Para entender como se dá a comunicação através de dois fios, devemos entender como foi concebido os primeiros telefones:

• O transdutor para sinal mecânico (pressão sonora) voz, para sinal elétrico era a cápsula de carvão, no qual a pressão sonora, modula a resistência elétrica:

Como se trata de uma resistência é necessário que exista uma fonte de corrente para que tenhamos sinal.

• O transdutor de sinal elétrico para pressão sonora (voz), no qual o sinal elétrico modula a pressão sonora

Arranjo a dois fios• Este arranjo é apenas Ilustrativo

Bateria Central

Microfones a Carvão

Alto falantes

Corrente de “loop”

Outros sistemas com Bateria• Bateria Local • Bateria Central

Aparelho Telefônico• Básico, Com disco

MODEM• MODulador DEModulador

• Possibilita a utilização de dados sobre linha analógica a 2 fios.

• Modulação PSK e DPSK• Codificação e compactação

Modulação PSK e DPSK

Modulação DPSK e QAM• DPSK é uma variação da PSK onde

mantemos a amplitude constante e codificamos a defasagem de modo diferencial

• QAM é uma técnica parecida com a DPSK, porém alteramos também a amplitude

Modulação DPSK e QAM

MODEM - V.32 - Trellis

Gráfico resultante V.32

Largura de Banda• Duas relações avaliam a largura de banda

de um canal de analógico para transmissão de dados:

• Relação de Nyquist:– Para canal Isento de Ruído

• Relação de Shannon:– Para canal com ruído térmico

Relação de Nyquist

Relação de Shannon

MODEM Digital• Os modens digitais não utilizam uma portadora analógica

para transportar as informações digitais, ao invés da modulação executam uma codificação no sinal digital. Desta forma, a banda do sinal digital que chega ao modem é mantida na transmissão pela linha, por isso este modem e também chamado de Banda Base.

• A transmissão digital executada par este modem requer linhas digitais com largura de banda na ordem de 10kHz. Portanto, não pode haver nenhum tratamento neste tipo de linha que possa limitar a banda, como é o caso de linhas pupinizadas.

Codificação de linha

• Objetivos da codificacao:– Concentrar o espectro de transmissão dentro de uma

faixa com pouca componente DC.

– Garantir transmissao de sincronismo junto com o sinal digital.

– Aumentar a imunidade ao ruído.

– Confiabilidade na transmissão e recuperação do sinal.

Codificação de linha

A Central de Comutação – Definição:

É um conjunto de órgãos que permitem a interligação de dois circuitos quaisquer ligados a ela.

As funções principais de uma central de comutação são:• Função de espera:

– supervisionar e detectar uma chamada de entrada.

• Função de aviso:– enviar sinais a entrada e a saída indicando as condições da

ligação (corrente de toque, tom de linha, etc.).

• Função de recepção da informação:– receber e armazenar as informações quanto ao destino da

chamada.

A Central de Comutação - funções:• Função de controle:

– interpretar as informações recebidas, comandar a rede de comutação, determinar as condições de tarifação.

• Função de teste de ocupação:– investigar se a saída desejada se encontra livre. Se a saída for

um assinante, esta função verifica se esta ocupado ou não. Se a saída for uma rota, esta função verifica se ao menos um circuito se encontra livre.

• Função de interconexão:– realizar a comutação através da sua rede de conexão, de uma

entrada a uma saída.

• Função de transmissão da informação:– propiciar o envio das informações para outras centrais

(quando for o caso) que permitam a conexão da cadeia de circuitos.

A Central de Comutação - funções:

• Função de supervisão:– manter a entrada ligada a uma saída, ate que um dos dois

extremos da ligação se desconecte e propiciar a liberação da conexão e dos circuitos associados a entrada e a saída ao final da comunicação.

A Central de Comutação – Classificação:

• CENTRAL LOCAL – tem como função comutar ligações dos assinantes

filiados a ela tanto entre sí como com os circuitos de saída ou de entrada para outras centrais de comutação;

• CENTRAL TRÂNSITO – tem como função comutar as ligações das centrais

locais tanto entre sí como com outras centrais de trânsito;

Existem equipamentos que permitem conjugar estes dais tipos de centrais em uma só. Para efeito de compreensão didática de um sistema de telefonia, consideraremos que nestes equipamentos existem duas centrais com funções distintas, como conceituado acima.

A Central de Comutação – Classificação:• ESTÁGIO DE LINHA REMOTO:

– Tem como função concentrar o trafego dos terminais de assinantes em circuitos troncos que estão intrinsecamente filiados a uma "central local mãe" com a qual mantém uma forte dependência de processamento de chamadas. Como se o estagio de seleção de linha estivesse distante do resto da central local. Este tipo de central se viabilizou com a tecnologia digital;

• ESTÁGIO REMOTO (ERs):– É um ELR que tem como função concentrar o trafego

dos terminais de assinantes em circuitos troncos substituindo um armário de distribuição de rede, podendo ficar no lugar deste.

A Central de Comutação – Classificação:

• Quanto a seu funcionamento:– As centrais podem ser classificadas em função

de como acontece o processamento da chamada.

• Podemos classificar as centrais em:– Comutação Manual:

aquela onde o agente ativo é um operador ou operadora (telefonista);

– Comutação Automática:

aquela onde o agente ativo é um dispositivo eletrônico que operadora sem intervenção de um operador;

A Central de Comutação Manual:

A Central de Comutação Manual:

A Central de Comutação Manual:

Mais um pouco de história …• 1865 - Maxwell matematicamente prevê a propagação de

ondas eletromagnéticas no espaço livre;• 1866 – O primeiro cabo telegráfico transatlantico é lançado.

Antes deste cabo, enviar mensagens entre E.U.A e a Europa levava 11 dias.

• 1871 (Abril 1) - Bell chega a boston para trabalhar com surdos.

• 1875 (Junho 2) – A teoria do Telefone de Bell é confirmada experimentalmente.

• 1875 – Primeira palavra transmitida por telefone.• 1876 - Alexander Graham Bell "inventa" o telefone. • 1876 (Outubro 9) - Bell mostra a primeira conversa através

de telefone entre Boston e Com-bridgeport, Mass., distante 2 milhas.

• 1876 - Edison inventa o motor elétrico e o fonógrafo.• 1877 - Western Union apresenta a primeira linha telefônica

em operação entre Somerville, MA e Boston.• 1877 - Bell Telephone Company fundada, com Alexander

Graham Bell como "técnico" e Thomas Watson como "superintendente."

Um pouco de controvérsia …

• Invenção do telefone– atribuída durante muitos anos a G. Bell (1876)– Bell foi acusado de fraude e perdeu a patente

em 1893– durante mais de um século a questão da

invenção não foi resolvida– em 2001 a Câmara dos Representantes dos EUA

atribuiu a invenção ao italoamericano Antonio Meucci (1860), em cujo laboratório Bell trabalhou

Um pouco de controvérsia …• De acordo com uma resolução de 25 de

Setembro de 2001 da Câmara de Representantes dos EUA, foi reconhecido que a primeira ligação telefónica ocorreu na casa de Meucci, entre a cave e o 1º andar, e, mais tarde, de forma permanente entre a cave e o 2º andar, onde a sua mulher se encontrava acamada.

• Meucci demonstrou a sua invenção em 1860 e publicou uma descrição do seu 'teletrofono' no jornal de língua italiana de Nova Iorque. Iniciou o processo de patente em 1871, através de um pedido provisório, mas não dominando a língua inglesa e não tendo fundos para continuar o processo legal, vivendo mesmo da assistência social nessa altura, acabou por não conseguir renovar o pedido provisório, perdendo o seu direito em 1874 (bastariam 10 dólares para impedir que a patente de Bell fosse registada).

Um pouco de controvérsia …• Entretanto, em Março de 1876 é atribuída a

patente do telefone a Alexander Graham Bell, que desenvolvia experiências no laboratório onde os materiais de Meucci tinham sido guardados, e de onde desapareceram.

• Em 1887, o Governo dos EUA iniciou um processo de anulação da patente de Bell, com base em fraude e apropriação indevida da invenção, posição esta que veio a ser confirmada pelo Supremo Tribunal.

• Entretanto, dá-se o falecimento de Meucci em 1889, e a patente de Bell acaba por expirar em 1893, extinguindo-se o processo, sem que viesse a ser reconhecida a verdadeira autoria da invenção.

• Assim, a Câmara de Representantes repôs a verdade histórica, reconhecendo o trabalho e a invenção de Antonio Meucci.

A Central de Comutação – Automática:

• As centrais automáticas são divididas em:– Central por lógica cabeada:

• Neste tipo de central a lógica do processamento de chamadas é fixa e definida por um “cabeamento”.

– Central por programa armazenado:• Neste tipo de central a lógica do processamento de

chamada esta em um código armazenado, instruções.

Central por lógica cabeada:

Central por programa armazenado:

A Central de Comutação – História ...• 1889 - Almon B. Strowger inventa comutador onde linhas faziam

contatos com um contatos em um sistema rotativo cilíndrico. Controlado por chaves no telefone.

• 1890 - Herman Hollerith processa o censo de 1900, utilizando cartões perfurados. Sua empresa se tornou a IBM (1924).

• 1890 – Existem 211.503 centrais telefônicas da Bell. • 1891 – Invenção de uma comutador de 1000 linhas com discos

concêntricos. Não usada comercialmente. Criada a Strowger Automatic Telephone Exchange.

• 1892 - Almon Strowger, the St. Louis, era agente funerário, e descobriu que a esposa do seu concorrente era telefonista e desviava as chamadas para o seu marido. "Necessidade é a mãe da invenção" então Strowger desenvolveu sistema de telefone discado para retirar a “operadora” do sistema. Ele criou a empresa Automatic Electric, em Chicago, para produzir a central passo a passo (esta empresa hoje pertence a GTE).

• 1892 – Primeira central telefônica comercial instalada, em LaPorte, Indiana, EUA. Usava comutadores Strowger passo a passo.

A central por lógica cabeada

• As centrais por lógica cabeada por sua vez se dividem em dois grupos:– Central passo a passo, onde a conexão vai se dando a medida que

os dados vão sendo inseridos no sistema;

– Central por controle central, onde a conexão é feita após a análise dos dados que são fornecidas ao sistema.

A Central de Comutação – Passo a passo

A Central passo a passo - Concentração

Cada assinante agora disputa uma posição no uniseletor mostrado abaixo, e este seletor é que dá acesso aos seletores de dois movimentos (passo a passo).

A Central passo a passo - Concentração

Cada assinante agora disputa uma posição no uniseletor mostrado abaixo, e este seletor é que dá acesso aos seletores de dois movimentos (passo a passo).

A central por comando centralizado• Diagrama em blocos de uma central com comando central:

A central por comando Crossbar• Figura de um seletor crossbar:

A central por programa armazenado

• As centrais por programa armazenado são classificadas em função da sua matriz de comutação:– Central por programa armazenado, com matriz de comutação

Espacial (CPA-E);

– Central por programa armazenado, com matriz de comutação Temporal (CPA-T);

A Matriz de Comutação EspacialÉ o tipo de comutador que foi viso até aqui.

A Matriz de Comutação Temporal

• Só é possível entender a comutação temporal, se o conceito de multiplexação por divisão no tempo for compreendido.

• Multiplexação corresponde a transmitir vários canais (ou informações) através de um único meio.

• A multiplexação pode ser no domínio da freqüência ou do tempo, e só pode ser realizada para circuitos de Tx e RX (4 fios).

Conversão de 2 fios para 4 fios

O Canal de voz.

• O canal de voz foi escolhido com tamanho restrito em freqüência, pois a maior parte da componente espectral da voz está em baixas freqüências, com uma largura de 4 kHz, é transmitida quase toda a potência vocal com toda a inteligibilidade.

Multiplexação no domínio do tempo

Quantização • Sinal Original É um sinal contínuo

com amplitude variável e dinâmica

• Sinal - PAM é um sinal

discretizado no tempo com amplitude contínua

• Sinal PAM Quantizado

o sinal apresenta somente os valores que podem ser quantizados pela palavra disponível (neste caso palavra de 3 bits)

ContínuoPAM-trem de pulso

Trem de pulso PAM quantizado

Sinal analógico de entrada

Sistemas PCM e Multiplexação por divisãono Tempo (TDM)

• Na multiplexação por divisão do tempo, muitos sinais de 64 kbps são transmitidos por um único meio físico. Em centrais digitais os seguintes métodos são disponíveis:

– PDH (plesiochronous digital hierarchy) (the dominant method today, E1 & T1) (‘50-’60, G.702)

– SONET (synchronous optical network) (‘85)

– SDH (synchronous digital hierarchy) (CCITT ‘88)

European PCM frame

32 time slots x 8 bits x 8000 Hz = 32 x 64 kbit/s = 2048 kbit/s

frame synchronization slot

signaling or traffic

traffic

125 s

PDH E-1 frame

A Matriz de Comutação Temporal• Escrevendo em

uma posição de memória e lendo em outra, estará sendo feita uma comutação entre estes dois sinais sem interligá-los

• Existe uma mudança no tempo em que as amostras são escritas e lidas

Diagrama Básico de uma CPA

A comutação pode ser Temporal ou temporal e espacial

A unidade de Linha

A unidade de Tronco

Meios de Transmissão

Central Local

Central Trânsito

Circuito de assinante

Circuito de entroncamento

Rede Externa

Rede Externa

Distribuidor Geral

Diâmetro do Condutor (mm) 0,40 0,500,65

Resistência  Elétrica Máxima(Ω/Km) a 20°C 147,2 94,0 55,8

Desequilíbrio Resistivo(%)

Média Máxima2,0

1,5 1,5

Máxima Individual5,0

5,0 4,0

Capacitância Mutua(nF/Km) Média Máxima≤20p

46 ~ 56

>20p 48 ~ 54

Desequilíbrio Capacitivo(pF/Km)

P X PRMS Máxima     45,3

Máximo Individual 181

P X TMédia Máxima 574

Máximo Individual 2625

Resíduo de Telediafonia (dB/Km)

150 KHzRMS Mínima 68

Mínimo Individual 58

1024  KHzRMS Mínima 52

Mínimo Individual 35

Atenuação de Paradiafonia (dB)150 KHz Mínimo Individual 53

1024 KHz Mínimo Individual 40

Atenuação de Transmissão(dB/Km) a 20°C Média150 KHz 12,0 8,0 6,0

1024 KHz 26,0 20,4 16,0

Tensão Aplicada(Vcc / 3s)C X C

25003000 3600

C X B 10000

Características Elétricas dos Cabos

Características Dimensionais

Designação Número de ParesDiâmetro Externo

Nominal (mm)Massa Líquida

Nominal (Kg/Km)Comprimento Nominal (m)

CTP-APL 40

10 9,3 69 2000

20 10,0 98 2000

30 11,8 135 2000

50 13,3 195 2000

75 16,2 281 2000

100 17,2 351 2000

200 23,1 664 2000

300 26,6 947 2000

400 30,5 1242 1000

600 35,7 1817 1000

900 43,3 2695 500

1200 49,6 3545 500

1500 55,0 4402 400

1800 60,0 5254 400

2400 68,1 6959 400

Meios: Rede + Transmissão

Meio de transmissão entre centrais

• Normalmente os circuitos troncos, que são dimensionados pela teoria do trágego, são multiplexados para que seja feita a transmissão.

• A multiplexação pode ser:– FDM – por divisão de frequencia;– TDM – por divisão do tempo;

Multiplexação no domínio da freqüência

Características (FDM)

•sistemas de transmissão de linha dispõem de apreciável largura de banda

•a multiplexação nas freqüências permite vários canais no mesmo suporte físico

•a transmissão faz-se a “4 fios” → canais dedicados a cada sentido de transmissão

•estes sistemas foram muito utilizados no passado na rede de interligação

•canais de 4 kHz de largura de banda

•banda do sinal de voz: 3,1 kHz; banda de guarda: 0,9 kHz

•modulação de cada canal em SSB, conduzindo a um espectro compacto

•inseridas tonalidades piloto para monitorar a qualidade de transmissão e ajudar à

•recuperação das portadoras utilizadas no sistema de demultiplexação

•canais de 4 kHz de largura de banda

•banda do sinal de voz: 3,1 kHz; banda

Sistema de Multiplexação por Divisão na Freqüência

Multiplexação no domínio da freqüência

Multiplexação por divisão do tempo

Uniform quantization: transmitter• Transforming the continuos samples into discrete level samples is

called quantization

• In uniform quantization quantization step size is constant

PCM transmitterPAM Q-PAM

PAM (analog signal amplitude)

Q-PAM(quantized signalamplitude)

3

2, 8

256 log

2 / 7.8 10

: number of quantization levels

: number of quantization bits

ADC: nalog-to-Digital Converter

: output bitrate

( )M

v

M v

q M v q

q

q

v

A

r

Reconstruction from the quantized signal

• Note that quantization error amplitude is limited to

1/k

q 1 /q q

1 /q q

2 / q

PCM receiverQ-PAM

ST

Q-PAM(quantized signalamplitude)

time

PAM (analog signal amplitude)

Alguns códigos de linha

Unipolar [0,A] RZ and NRZ

Polar [-A/2,A/2] RZ and NRZ

Bipolar [-A/2,0,A/2] AMI

Split-Phase Manchester

Split-Polar quaternary NRZ

2 nM

2/ / log

ber r n r M

Code ratereduced by n

PCM Hierarchy in PDH

139.26 Mbit/s139.26 Mbit/s

34.368 Mbit/s34.368 Mbit/s

8.448 Mbit/s8.448 Mbit/s

2.048 Mbit/s2.048 Mbit/s

64 kbit/s64 kbit/s

European hierarchy

x4

...

x4

x4

x32

139.26 Mbit/s139.26 Mbit/s

44.736 Mbit/s44.736 Mbit/s

6.312 Mbit/s6.312 Mbit/s

1.544 Mbit/s1.544 Mbit/s

64 kbit/s64 kbit/s

USA hierarchy

x3

...

x7

x4

x24

If one wishes to disassemble a tributary from the mainflow the main flow must be demultiplexed step by step tothe desired main flow level in PDH.