PCM Digitalización

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
Instituto Nacional de Investigación y
Capacitación de Telecomunicaciones
U.D.: TRANSMISION DIGITAL
Prof. Ing. Juan Miguel Alvarado Diaz
Malvaradod@ete.edu.pe
TELECOMUNICACIONES MILITARES
IESTPE-ETE
AA 3: MODULACIÓN POR CODIGO DE PULSO

2
CLASE 4: PCM

3
MODULACION DIGITAL DE PULSOS

Conversión Analógico a Digital
4
• Se trata de digitalizar una señal analógica
y consiste en muestrear periódicamente la
señal analógica con infinitos valores
continuos y transformar su valor en
valores enteros discretos que
posteriormente se convertirán en ceros y
unos.
• De esta manera la señal analógica se
transforma en pulsos digitales.

5
Conversión Analógico a Digital
Al proceso de conversión de señales analógicas en digitales se le
denomina digitalización y a los dispositivos que lo levan a cabo
codec

Modulación por amplitud de pulsos (PAM)
6
• La señal analógica se muestrea con una
determinada frecuencia y se genera una señal
de pulsos discretos.
• PAM es el primer paso del método Modulación
por codificación en pulsos (PCM)

7
• Consta de dos etapas
– Se muestrea la señal al doble del ancho de banda de la
misma obteniendo un tren de pulsos de amplitud variable
(PAM)
2,8
1,9
4,5
1,3
2,8
3,6 3,6
PAM

PAM
8

9
– Se cuantifican las muestras aproximandolas mediante
un entero de n bits
Cuantificación de señal PAM
3
2
5
1
3
4 4
0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0
0 1 0 1 0 1 0 0 1

Cuantificación de señal PAM
10

11
Las señales analógicas son digitalizadas por un
dispositivo llamado codec (coder-decoder), produciendo
un número de 7 u 8 bits por muestra.
El codec toma 8000 muestras por segundo (125 µseg
/muestra) debido a que el teorema de Nyquist establece
que esto es suficiente para capturar toda la información
de un canal telefónico de 4 KHz de ancho de banda
“”Ancho de banda”” de cada canal de voz = 64 Kbps.
Como consecuencia, virtualmente todos los intervalos de
tiempo en el sistema telefónico son múltiplos de 125 µseg
Modulación por codificación de pulsos (PCM)

• Modulación por pulsos codificados
– Forma básica de modulación digital de pulsos
– Mensaje representado por una secuencia de
pulsos codificados (representación de la
señal mensaje en forma discreta en tiempo y
amplitud)
– Operaciones básicas:
– Muestreo (S)
– Cuantización (Q)
– Codificación (E)
12

13
• PCM modifica los pulsos generados por PAM para
obtener una señal completamente digital.
• PCM consta de 4 procesos:
– PAM
– Cuantificación
– Cuantificación binaria, y
– Codificación digital a digital.
• Según el teorema de Nyquist la tasa del muestreo debe
ser al menos doble de la frecuencia más alta de la onda
para no perder información significativa.

14
El filtro es para prevenir el aliasing la señal mensaje.
El Q (Quantizer) y el E (Encoder) forman el conversor
A/D

15
• En el receptor las operaciones básicas son la
regeneración de la señal dañada, decodificación y
reconstrucción de un tren de muestras cuantizadas.
• Se utiliza masivamente para comunicaciones
telefónicas

16

Muestreo (S) - PCM
17
• El filtro pasabajos limita la frecuencia de la señal
analógica de entrada.
• El bloque muestreador, toma muestras, en forma
periódica, de la señal analógica y la convierte en una
señal PAM de varios niveles (sample and hold).
Secuencia de pulsos con amplitudes variables acordes
con el valor de la muestra

Cuantificación (Q) – PCM
• La versión muestreada de una señal es luego
cuantificada, nueva versión discreta en amplitud y
tiempo.
• En comunicaciones telefónicas se prefiere utilizar una
separación variable entre los niveles de representación
– Ej.: El rango de voltaje de una señal de voz están en
el orden de 1000 a 1
18

19
• Cuantificador no uniforme: A medida que la señal I/O
aumenta, aumenta también el salto/cuanto.
– Saltos grandes, excursiones de la señal en rangos
grandes de amplitud, ocurren en forma no frecuente.
– Saltos pequeños, necesitan mayor cobertura a
expensas de los saltos grandes

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• Cuantificador no uniforme es equivalente a
hacer pasar la señal por un compresor y luego
aplicar la señal comprimida a un cuantificador
uniforme.
• Ley de compresión m
• m y v son voltajes normalizados de entrada y salida.
 m es una ctte. >0

21
• Para un dado valor de m, la
recíproca de la pendiente de
la curva de compresión que
define los saltos cuánticos,
está dada por la derivada de
ImI, respecto de IvI

• La ley m es aproximadamente logarítmica para
mImI>>1
• En USA y Japón se utiliza
compresión/expansión de ley m.
• Los primeros sistemas de transmisión digital de
Bell Systems utilizaban PCM de 7 bits con m =
100, los más recientes utilizan PCM de 8 bits
con m = 255

• Otra ley de compresión
muy utilizada en la práctica
es la llamada ley A
definida por

• El caso A = 1 corresponde a cuantificación
uniforme.
• La recíproca de la pendiente de la curva de
compresión está dada por la derivada de ImI
respecto de IvI

• En Europa el ITU ha establecido el uso del
compresor / expansor ley A para aproximar el
proceso logarítmico.
• El comportamiento es inferior a ley m para
señales pequeñas (ruido de canal inactivo).
• La ley A es de uso en Europa, Sudamérica y en
todas las rutas internacionales, debiendo los
países que usan ley m adaptarse para las
mismas. (A = 87.6)

• Para restaurar las muestras de la señal a su
nivel correcto, se deberá utilizar un dispositivo
en el Rx con una característica complementaria
al compresor; un expansor.
• Idealmente las leyes de compresión / expansión
son complementarias excepto por el efecto de la
cuantificación, la salida del expansor deberá ser
igual a la entrada del compresor: Ambos efectos
COMPANSIÓN

• Tanto para ley A / ley m, el rango dinámico del
compansor mejora incrementando los valores
de A / m.
• La SNR para bajas señales se incrementa a
expensas de la SNR de las señales de gran
amplitud.
• Situación de compromiso para la elección de los
valores de A / m (valores típicos A = 87.6 y m =
255)

• La circuitería actual provee una réplica
aproximada por partes a la curva deseada.
• Se utiliza una suficiente cantidad de segmentos
lineales, la aproximación se acerca bastante a la
curva real de compresión.

29
Cuantificacion utilizando señal y magnitud

PCM
30

Analogo a PCM
31

Teorema de Nyquist
32

Analogo a PCM
33

Analogo a PCM
34

Analogo a PCM
35

36
Codificación (E) – PCM
• Ventajas:
– Señales más robustas al ruido, interferencia y otros
daños que sufre por el canal.
• Código: Sucesión ó arreglo particular de
eventos discretos = SIMBOLO
• Palabra código: Arreglo único de símbolos para
representar un valor único.
– Código binario: 2 valores diferentes, 0 y 1
– Código ternario: 3 valores diferentes para representar

Codificación (E) – PCM
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• Código binario
– Soportan alto nivel de ruido
– Muy sencillo de regenerar
– Cada palabra consiste en R bits (R = número de bits
por muestra)
– Números diferentes: 2R
• Representación ordinal del número, más
sencillo, en correspondencia con el binario
Ej.: 15 23+22+21+20 1111

Generación PCM
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Generador
Rampa
Muestreo y
Retención
Contador
Binario
Convertidor
Paralelo/Serie
Comparador
Vi
Orden de
Codificación
Reloj
Orden
de
Codificación
Cuenta Digital
Salida
PCM
Detener conteo
Reinicio
110001110001010101

Decodificador PCM
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Regenerador
de pulsos
Convertidor
Serie/Paralelo
Sincronización
Regulación
Divisor Resistivo
y Sumador
Muestra
y
Retención
LPF
Vo
Analógico
Entrada
PCM
110001110001

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