PRACTICA DE LABORATORIO N 7 CENTRALES DIGITALES Introducción: La Central de Conmutación es el punto donde se interconectan los abonados entre si, bien directamente o a través de otras centrales. Las centrales en términos generales pueden ser de dos tipos: Centrales locales, a las cuales se conectan los abonados, y centrales tandem, las cuales no poseen abonados y sirven mas bien para cursar el tráfico generado en otras centrales. En esta práctica se estudiarán básicamente las centrales locales y en particular los circuitos de conexión de los abonados. Las centrales locales proveen un cierto número de servicios y, en el caso de centrales digitales uno de los más importantes es el relativo a la codificación y descodificación de las señales analógicas provenientes del subscriptor, así como también las funciones relacionadas con la supervisión de la comunicación. La central es responsable de: 1. proveer la alimentación de energía a los aparatos telefónicos de los abonados 2. conmutación. 3. digitalización de las señales analógicas. 4. direccionamiento 5. proveer las señales de supervisión 6. señales de alerta 7. señales de prueba La Central provee la alimentación de 48 volts necesarios para la operación de la propia central y de los aparatos de los abonados. Adicionalmente, la central puede proveer alimentación adicional para el funcionamiento de otros equipos de la misma, y para la iluminación. La alimentación también se puede proveer en forma combinada, con la alimentación primaria suministrada por el servicio comercial de electricidad, y un sistema de emergencia constituido por baterías y generadores locales en la propia central. La batería de la central alimenta al bucle del abonado, al tiempo que se encarga de separar las señales alternas de la voz de y proveer los tonos de señalización. En la práctica se acostumbra polarizar el lazo de abonado de manera que el conductor marcado "RING" sea negativo respecto al "TIP". Estos nombres provienen de la época de la telefonía manual, en la cual las operadoras realizaban la conmutación por medio de clavijas que se insertaban en un tablero (donde estaban conectados los usuarios); la punta de clavija es el "tip" y el cuerpo es el "ring". EIE-UCV 63 LJF/ljf/lc La señalización conlleva la dirección y el control de las corrientes de señales y el equipo de conmutación de manera tal de llevar al usuario la información necesaria para operar el sistema. Por ejemplo, al usuario se le informa si la línea está lista para ser usada (por medio del tono de invitación a discar), si el otro teléfono está desocupado o no, y en general, el estado del sistema a medida que se establece la comunicación. Hoy en día incluso muchas de estas señales de supervisión hacia el usuario han sido substituidas por mensajes en voz sintetizada tales como "El número que Ud. ha discado está temporalmente fuera de servicio", etc. La digitalización es la conversión de la señal de línea modulada en pulsos de código (PCM). En tanto que las señales analógicas contienen la información completa, pero son afectadas por las pérdidas de la línea y el ruido, las señales digitales se transmiten mas fácilmente y se reproducen sin cambios entre puntos lejanos lo cual produce una calidad de sonido que incluso puede superar a la de una conversación entre abonados locales hablando sobre una misma línea. Las funciones digitales incluyen: 1. limitación del ancho de banda 2. Compansión (es decir, compresión y expansión) de las señales 3. muestreo (sampling and holding) de la señal durante el proceso de conversión 4. la conversión Analógica Digital propiamente dicha. 5. la asignación de la señal convertida a una posición específica en una trama de información, y la multicanalización de grupos de señales. El circuito de abonado. El circuito de interfaz de la línea de abonado, comúnmente llamado "circuito de abonado", y cuya abreviatura en inglés es SLIC (Subscriber Line Interface Circuit) se refiere a aquellos componentes circuitales o tarjeta de la central que son específicos de cada subscriptor. Algunas de las características provistas por dicho circuito es probable que pasen a ubicarse en el propio equipo de abonado en un futuro cercano. Es importante destacar que muchos de los componentes del circuito de abonado no intervienen directamente en el procesamiento de la voz. Algunas de las secciones más importantes del SLIC incluyen la alimentación (desde la batería de la central), protección de sobre voltaje, timbre, supervisión, codificación, circuito híbrido (para la conversión de dos a cuatro hilos) y la prueba. En la jerga de telefonía estas funciones se resumen en el acronismo "BORSCHT", que significa "Battery feed, Over voltage protection, Ringing, Supervision, Coding, Hybrid and Test". La telefonía analógica está dando paso rápidamente a instrumentos totalmente digitales. Un terminal de este tipo es capaz de combinar (y separar) las señales de la voz de aquellas provenientes de un computador. Muchas funciones que anteriormente estaban restringidas a la central local, están disponibles ahora en el propio equipo del usuario. En la actualidad se dispone de filtros, codificadores/decodificadores, circuitos de voz, dispositivos de protección y controladores EIE-UCV 64 LJF/ljf/lc de línea, en forma de circuitos integrados de gran escala (Large Scale Integrated circuits). Es probable que muy pronto todos estas funciones estén integrados en un sólo circuito LSI telefónico. Las funciones BORSCHT mencionadas anteriormente se hallan en la propia central, en el circuito de abonado SLIC. Sin embargo, es probable que en el futuro cercano se trasladen algunas de estas funciones al equipo del abonado en la forma de un circuito UDLT (Universal Digital Line Transceiver) en la medida que el proceso de digitalización de la red alcance incluso al propio equipo del subscriptor. La alimentación de Batería ocurre en la actualidad a 48 volts desde un banco de baterías ubicadas en la central local (generalmente se trata de baterías de plomo-acido) y provee corrientes que pueden ir desde unos pocos mA hasta unos 100 mA. La circulación de esta corriente activa unos sensores en la propia central y se utiliza además para determinar la condición de colgado/descolgado del equipo del abonado. En el caso de la protección de sobretensión se utilizan dispositivos de estado sólido (por ejemplo diodos de avalancha, o varistores) para minimizar las perturbaciones producidas por las señales de timbre o descargas atmosféricas, antes de que las mismas puedan alcanzar los circuitos internos del teléfono. En la figura 1. se muestra en forma simplificada la conexión del teléfono a la central, y el circuito mismo del teléfono. linea de abonado Timbre R S1 Hibrido S3 L1 R1 Relé sensor 48 v C2 L4 L2 C1 Repetidor de impulsos Red de balance R2 RV1 L3 S2 T C3 C4 RV2 S5 S4 Transmisor RV3 Receptor Gancho conmutador Figura 1. Interfaz entre el teléfono y la central En dicha figura se observa que la alimentación de corriente continua proveniente de la batería central se aplica al aparato del subscriptor a través de dos relees (y la línea de abonado). El capacitor C1 en el aparato de abonado evita que la corriente continua de alimentación pase a través del timbre. El relé sensor posee una constante de tiempo larga y se mantiene cerrado aún durante las breves interrupciones producidas por el discado. Por otra parte el relee repetidor de impulsos tiene una constante de tiempo corta y se activa con cada uno de los pulsos de discado. La EIE-UCV 65 LJF/ljf/lc señalización de discado es producida por el contacto S3 el cual produce una serie de aperturas y cierres durante el retorno del resorte del disco dactilar. Un filtro formado por la resistencia R1 y el capacitor C2 evita los chispazos producidos por los rebotes del contacto S3. De igual manera, durante el tiempo de envío de los pulsos se cortocircuita el receptor por medio del contacto S4 que forma parte integral del disco dactilar. La forma de la corriente del bucle de abonado durante la señalización se muestra en la figura 2. Los varistores RV1, RV2 y RV3 se utilizan para amortizar las transitorias producidas por los pulsos de señalización, al tiempo que proporcionan protección contra sobretensiones. 60 ms > 300 ms i tiempo 40 ms Figura 2. Corriente de señalización decádica El transformador híbrido se conecta de forma tal que la tensión de señal de voz que aparece en el propio receptor telefónico (efecto local) queda atenuada. De hecho los devanados del transformador se conectan a la manera de un puente de Wheatstone, donde la línea de teléfono queda en una de las ramas del puente y en la otra queda un circuito de balance, el cual está constituido por L4, C2, C3 y C4. En la propia central existe otro transformador híbrido cuya función es la conversión de 2 a 4 hilos, ya que si bien la línea del abonado es bidireccional y por tanto permite una operación "full duplex" de los abonados, en los circuitos de larga distancia se usan amplificadores para aumentar el nivel de la señal y los mismos son dispositivos unidireccionales. La central también suministra la tensión de operación del timbre electromecánico, la cual es una tensión alterna de 20 Hz y de aproximadamente 90 volts de amplitud. El teléfono debe proveer aislamiento para evitar que esta alta tensión llegue al auricular. Este valor tan alto de tensión de timbre no es necesario en el caso de los teléfonos totalmente electrónicos, pero por razones de compatibilidad con el equipo existente continuará usándose durante muchos años venideros. La supervisión se refiere a la detección de la condición de colgado/descolgado del equipo de abonado, lo cual se realiza por medio de los relees descritos anteriormente. Por último, las funciones de codificación y descodificación se realizan por medio circuitos de modulación por pulsos codificados (PCM) en la propia tarjeta del circuito de abonado. Dicha función la realizan dispositivos denominados "CODEC" (COder/DECoder), algunos de los cuales incluyen a su vez las EIE-UCV 66 LJF/ljf/lc funciones de limitación de ancho de banda y filtrado pasabajos para la reconstrucción de la señal de voz (analógica). Estos últimos reciben el nombre genérico de "COMBOS". Una vez codificada la señal es necesario ubicarla dentro de la trama PCM; dicha función es realizada por un circuito denominado TSAC (Time Slot Assignment Circuit), el cual determina en que momento la información contenida en los buffers del CODEC pasa al bus PCM y viceversa. Otras funciones BORSCHT como las de prueba son realizadas por circuitos que no se hallan en la tarjeta del circuito de abonado. Con el continuo progreso en la producción de circuitos integrados de un alto grado de integración (LSI) se ha logrado incorporar un gran número de estas funciones en un pequeño número de componentes, lo cual redunda en una disminución del tamaño de físico del circuito de abonado. La figura 3 muestra una tarjeta típica de abonado, basada en un circuito integrado para las funciones de SLIC (Subscriber Loop Interface Circuit); las funciones del CODEC y del TSAC son provistas por los integrados correspondientes los cuales se muestran por separado en otras figuras. MC3419 MDA220 MJE271 2 3 RPT 4 R L EP VAG 18 RXI 17 V R TSI TXO 16 CC C R RPR PDI 6 RSI 7 C R RX BP 5 R T RR Gnd 1 C T HSO BN + TX2 14 TSO 12 RSO 11 HST MJE270 10 V OB 9 EE R AG V RX VTX 13 8 EN V 15 R R CTX TX1 RX H V TX Power Down Hook Status Tip Sense Ring Sense -48 V Figura 3. Circuito SLIC basado en el chip MC3419 de Motorola En la figura se aprecia que un puente de diodos a la entrada protege al circuito en caso de un contacto accidental con la línea de energía AC, así como del voltaje de timbre. De hecho, el puente es parte del circuito de alimentación de batería. Los resistores RPT y RPR que tienen valores nominales de resistencia del orden de 30 Ohms, actúan como limitadores del corriente. Las señales de voz provenientes del subscriptor a través de los hilos de entrada "tip" y "ring" son entregadas a la central en el terminal TXO. El amplificador operacional conectado en este terminal provee una amplificación dada por la relación de las resistencias RTX2 y RVTX. De igual manera las EIE-UCV 67 LJF/ljf/lc señales de corriente de voz son entregadas a la central en la forma de un voltaje VTX en el terminal indicado. Por otra parte, las señales de voz provenientes del otro abonado, que aparecen desde la central como un voltaje VRX entrando al terminal RXI (pin 17) y se convierten en corrientes diferenciales para ser entregadas a la línea del subscriptor. La supervisión del status del gancho conmutador (colgado/descolgado) aparece en forma digital en las pines 12, 13 y 14. El CODEC: En otras prácticas del laboratorio tales como "PAM" y "Conversión Analógica-Digital" se han mostrado los principios de la telefonía digital. En los primeros sistemas, y por razones de costo, se tomaban muestras analógicas en el tiempo, y esa "trama" analógica era enviada a un convertidor analógico-digital común a todo el sistema. Sin embargo, hoy en día y debido a los avances habido en los circuitos integrados de alto nivel de integración y el consecuente abaratamiento de los costos, se ha invertido la situación de manera que la conversión analógica-digital se realiza en cada canal independientemente y luego se combinan las señales digitales para producir la trama PCM propiamente dicha. El circuito encargado de dicha conversión se denomina CODEC e incluye internamente un sample-and-hold, un convertidor analógico-digital no-lineal para proveer la función de compansión, y las interfaces apropiadas para la conexión a los buses PCM de la central. La figura 4 muestra la organización interna de un CODEC típico basado en dos chips; existen otros CODECs como el MC14402 de Motorola que proveen todas estas funciones en un solo chip. Como se mencionó antes, en la transmisión PCM se utiliza compansión, es decir, la compresión y posterior expansión de las señales de voz para mejorar la gama dinámica del canal aprovechando la característica no-lineal del oído humano. En los primeros sistemas la compresión se realizaba en forma analógica para luego efectuar un codificación por medio de un convertidor A/D lineal; en los sistemas modernos se usa una codificación que incorpora la compresión al utilizar un convertidor D/A no lineal en el lazo de realimentación del convertidor por aproximaciones sucesivas. EIE-UCV 68 LJF/ljf/lc LINEAR CHIP Analog In CMOS CHIP MM58150 LF3700 Input Sample and hold Comparator output Comparator Auto Zero Circuit 5V Ref. Succesive Output Aproximation Register PCM Buffer PCM out Nonlinear DA converter Polarity control Auto Zero Output Output signalling bit clock enable Output Output sync signalling bit 1M Output Sample and Hold Analog Output Input S H control Output S H control Output S H control Control Logic Master Clock 12V Input PCM Buffer PCM in Input Input bit signalling Input clock enable Sync. Input signalling bit Figura 4 . CODEC de dos chips (ley o ley A) En la actualidad se utilizan ampliamente dos leyes de compresión: la denominada ley y la ley A. La primera de ellas se utiliza en los Estados Unidos, Canadá y México, en tanto que la Ley A se utiliza en Europa, Africa y Sur América. La ley se define mediante: v2 log 1 v1 log 1 donde v1 y v2 son los voltajes normalizados de entrada y salida, y es una constante positiva. En el caso específico de la norma americana se utiliza un valor de = 255. EIE-UCV 69 LJF/ljf/lc 1 0,9 0,8 Salida =100 0,7 normalizada |v 2| =5 0,6 =0 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,2 0,4 0,6 Entrada normalizada |v 1| 0,8 1 0,8 1 Figura 5. Curva de compresión Ley Por otra parte, la Ley A se define mediante: 1 0,9 0,8 A=100 0,7 Salida 0,6 normalizada |v 2| 0,5 A=1 0,4 A=2 0,3 0,2 0,1 0 0 0,2 0,4 0,6 Entrada normalizada |v 1| Figura 6. Curva de compresión Ley A Av1 1 log A v2 1 log Av1 1 log A para 0 v1 para 1 A 1 A v1 1 En la práctica el valor de A es aproximadamente 87.6. Finalmente debe mencionarse que los circuitos de los CODECs comerciales no implementan estas leyes en forma continua; por el EIE-UCV 70 LJF/ljf/lc contrario se linealiza la función de transferencia por tramos. En general se utilizan 15 tramos los cuales se codifican como los 4 bits mas significantes de la conversión (el bit mas significante es el signo).Los restante 4 bits se obtienen por interpolación lineal sobre el tramo. El muestreo de la señal analógica debe realizarse cada 125 seg para evitar los problemas debidos al solape del espectro ("aliasing"), ya que por razones de compatibilidad con los sistemas analógicos se sigue utilizando una ancho de banda nominal de 4 kHz (en realidad el ancho de banda efectivo es de 300 a 3.400 Hz). Las señales ya codificadas serán mezclada con otras señales para formar la trama de transmisión en los formatos T1 de 24 canales o E1 de 30 canales de voz mas 2 de control. En este ultimo caso debe notarse que dentro de la central no son necesarios los dos canales de control ya que se usan exclusivamente en transmisión, por lo que se pueden manejar internamente tramas de 32 canales de voz. Para conforma la trama PCM a partir de las señales muestreadas se utiliza un circuito de control que determina el instante exacto cuando se permite a cada CODEC acceder al bus común para entregar el contenido de su buffer de salida o recoger información del bus para su buffer de entrada. El circuito responsable de este control se denomina TSAC ("Time Slot Assignment Circuit"). La figura 7 muestra una trama típica de transmisión en formato E1 y en la figura 8 se ilustra el control de los CODECs por medio del circuito TSAC. Debido a que la asignación de la ranuras de tiempo es totalmente dinámica, bajo control del procesador central, es posible realizar la comunicación entre dos abonados sin la intervención de relees o conmutadores mecánicos. Esta es la base de la conmutación digital. La figura 9 ilustra en forma simplificada una comunicación entre dos abonados utilizando conmutación temporal exclusivamente. En el ejemplo mostrado el TSAC ha asignado al abonado A la ranura 5 para la transmisión de sus señales, al tiempo que la ha asignado la ranura 11 para la recepción desde el bus. Por otra parte en el caso del abonado B la asignación es exactamente opuesta. En el bus PCM están presentes ambas señales conjuntamente con la de otros abonados. La comunicación se logra porque cuando se alcanza la ranura de tiempo 5, el CODEC A coloca en el bus el contenido de su buffer de salida, el cual es recibido única y exclusivamente por el buffer de entrada del CODEC. El mismo proceso ocurre para la vía opuesta de conversación, en la ranura 11 de la trama. Para aumentar las capacidades de conmutación se acostumbra utilizar otros elementos de estado sólido: los conmutadores temporales y los conmutadores espaciales. EIE-UCV 71 LJF/ljf/lc 1 x 0 1 0 0 1 1 A lineamiento de trama x x x x x Tramas 0,2,...,14 1 Ranura de tiempo 0 x x Tramas 1,3,...,15 Palabra de estado Ranuras de tiempo 26 2 5 24 0 - 15 y 17 - 31 31 0 1 15 16 17 30 31 0 23 22 21 20 1 1 trama = 32 ranuras de tiempo CANAL 16 TRA MA 1 Señalización CANAL 16 TRA MA 0 alineamiento de multitrama uso del canal 16 canal 1 CANAL 16 TRA MA 2 Señalización canal 17 canal 2 CANAL 16 TRA MA 3 Señalización canal 18 canal 3 canal 19 0 0 0 0 X X X X a b c d a b c d a b c d a b c d a b c d a b c d CANAL 16 TRA MA 14 Señalización CANAL 16 TRA MA 15 Señalización CANAL 16 TRA MA 0 alineamiento canal 14 canal 30 canal 15 canal 31 de multitrama a b c d a b c d a b c d a b c d 0 0 0 0 X X X X 15 0 1 2 3 14 15 0 1 1 multitrama = 16 tramas Figura 7. EIE-UCV 72 LJF/ljf/lc Buses PCM CODEC OutBuf ÍnBuf CODEC OutBuf ÍnBuf CODEC OutBuf ÍnBuf TSAC Figura 8. Conexión del circuito TSAC en una tarjeta de abonados. EIE-UCV 73 LJF/ljf/lc Bus PCM 5 CODEC OutBuf A ÍnBuf 11 5 11 11 CODEC OutBuf B ÍnBuf 5 TSAC Figura 9. Conmutación Temporal simplificada. Durante el proceso de transmisión, y debido a que el canal de transmisión posee un ancho de banda grande, se acostumbra combinar las salidas de varias de esta tramas elementales para formar otras de jerarquías superiores. Este proceso se denomina multicanalización y la figura 10 muestra el proceso para las jerarquías americanas. Asimismo las Tablas 1 y 2 muestran el número de canales totales y la rata de señalización de línea de las jerarquías americana y europea. EIE-UCV 74 LJF/ljf/lc trama de 24 canales 1.544 Mb/s 2 1 24 canales MUX de 24 canales 6.312 Mb/s MUX de 3 4 grupos 44.736 Mb/s 7 grupos MUX de 6 grupos 24 canales 4 5 6 7 Figura 10. Multicanalización PCM en las jerarquías americanas. TABLA I JERARQUIAS DIGITALES AMERICANAS Sistema Bell Rata de Bits Capacidad de Canales de Voz T1 1.544 Mb/s 24 T2 6.312 Mbs 96 T3 44.736 Mb/s 672 T4 274.176 Mb/s 4032 TABLA II JERARQUIAS DIGITALES EUROPEAS Jerarquía Rata de Bits Capacidad de Canales de Voz E1 2.048 Mb/s 30 E2 8.448 Mbs 120 E3 34.368Mb/s 480 E4 139.264 Mb/s 1920 EIE-UCV 75 LJF/ljf/lc TRABAJO PRACTICO DE LABORATORIO Para las experiencias de laboratorio se usará el módulo SIP 397-3 de Science Instruments. Se requiere adicionalmente de un osciloscopio de 4 canales con sicronismo externo, así como un oscilador de audio y un voltímetro. Coloque todos los switches en OFF antes de encender la fuente de poder. Encienda y coloque todos los voltajes al máximo. 1. Circuito SLIC Estudie el circuito del SLIC y asegúrese de entender su funcionamiento. El switch 1a permite la utilización de un transformador en lugar del aparato de abonado para aplicar las señales provenientes de un oscilador de audio. El resistor de 470 simula la carga de dc del teléfono. Cierre 1a, 2a, 3a y abra 4a para conectar el oscilador. Aplique una señal de 1 kHz en TP1. Use un voltaje de 0.1 a 0.6 Vpp aproximadamente. Observe la tensión de salida en VTX y mida la ganancia del circuito. La ganancia se controla por medio del resistor de realimentación R15. Verifique esto colocando resistencia en paralelo para modificar la ganancia. Mida ahora la ganancia de recepción, inyectando la señal en el terminal VRX y midiendo en los terminales de línea. Compruebe el funcionamiento del circuito bajo condiciones de colgado/descolgado (se simula con el switch 1a o con un teléfono). Mida la tensión en cada uno de los pines del SLIC en ambas posiciones. Anote sus mediciones. 2. CODEC Coloque los switches como se indica a continuación para alimentar al CODEC , el reloj maestro y el TSAC: Abiertos: 1a, 1c, 1d, 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 3b, 3c, 3d, 3e, 4a, 4b, 4c, 4e (OFF) Cerrados: 1b, 1e, 3a, 4d (ON) Ajuste la frecuencia del reloj en el punto TP19, a un valor de 1.5 a 2 MHz, por medio del control R36. Conecte el generador en el punto TP15 e inyecte una señal de aproximadamente 3 Vpp. Observe la entrada y la salida (en TP16). Mida la ganancia de señal entre estos puntos. Cierre temporalmente el switch 3e y mida de nuevo. Retorne el switch a la posición abierta. Comente sus observaciones. Varíe la frecuencia y determine la respuesta del circuito completo. Halle los puntos de corte de 3 dB. Determine aproximadamente la pendiente de corte del filtro. Observe la salida PCM en el pin 20 del CODEC. Observe la señal cuando se abra el switch 1b. Dibuje aproximadamente la trama observada. EIE-UCV 76 LJF/ljf/lc Varíe la amplitud de la señal del generador (señal de entrada) y observe los cambios en la trama PCM. 3. TSAC Ajuste el reloj en el punto TP11 a la frecuencia máxima con ayuda de un contador digital. Observe la señal en TP2 y mida su frecuencia. Coloque todos lo switches 1c, 2c, 3c, y 4c en OFF. Observe el pulso de habilitación en el osciloscopio en TP13. Observe en otro canal del osciloscopio la trama PCM (PIN 20). Dibuje y dimensione. Utilizando un barrido de 20 microseg. y sincronismo externo desde TP2, observe la señal de habilitación a medida que se cambia los switches "c". Dibuje la posición del pulso para varias combinaciones de estos switches. Estudie el funcionamiento del TSAC MC14417 en el manual del fabricante (ver anexo). 4. Observación de la señal de línea de PCM. Abra 1b y cierre el switch 3b para conectar la salida PCM al modulador de luz. Conecte una fibra óptica entre el LED y el receptor óptico. Observe la señal recibida en el pin 20. Observe la señal recibida en TP16 a medida que cierra los switches 1d, 2d, 3d, y 4d (solo uno a la vez). Explique sus observaciones. Conclusiones y comentarios finales. EIE-UCV 77 LJF/ljf/lc