centrals

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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".
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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Buses PCM
CODEC
OutBuf
ÍnBuf
CODEC
OutBuf
ÍnBuf
CODEC
OutBuf
ÍnBuf
TSAC
Figura 8. Conexión del circuito TSAC en una tarjeta de abonados.
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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.
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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
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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.
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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.
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