Sistemas Telefônicos

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Charles Casimiro Cavalcante

charles@gtel.ufc.br

Grupo de Pesquisa em Telecomunica¸c˜oes Sem Fio – GTEL Departamento de Engenharia de Teleinform´atica

Universidade Federal do Cear´a – UFC http://www.gtel.ufc.br/∼charles

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e em todo o mundo iniciaram mudan¸cas radicais em diferentes ´

areas...

Deve-se enfatizar que a introdu¸c˜ao de telefonia digital na rede telefˆonica foi motivada pelo desejo de melhorar a qualidade, adicionar novos servi¸cos e reduzir os custos de servi¸cos convencionais de voz.”

John C. Bellamy, 2000 Digital Telephony

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1 Introdu¸c˜ao

2 Conceitos em sistemas telefˆonicos 3 Sinaliza¸c˜ao

4 Introdu¸cão às centrais telefônicas digitais 5 Servi¸cos e redes ATM

6 Voz sobre IP (VoIP) 7 Teoria de filas 8 Teoria do tr´afego

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O pai do telefone

Johann Philipp Reis (1834-1874, Alemanha)

1861-1866: In´umeras demonstra¸c˜oes documentadas na Sociedade Cient´ıfica de Frankfurt

Transmissão de músicas e sons por meios elétricos (mesmo princ´ıpio do telefone de A. G. Bell, de 1876)

Interesse por parte da comunidade cient´ıfica Erro de tradu¸c˜ao: ”ton; t¨one”

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O pai do telefone - cont.

Innocenzo Manzetti (1826-1877, Itália) 1849: Constru¸cão de um autômato

Robˆo capaz de se mover e tocar flauta

Aperfei¸coamanto do robô: transmissão de voz à distância por meio de eletricidade

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Antonio Meucci (1808-1889, It´alia) 1850: Chegada `a Nova York

1857: Aparelho funcionando satisfatoriamente 1860: Demonstra¸c˜ao p´ublica

1871: Aviso de patente, n˜ao renovada em 1876 1876: Patente de Alexander Graham Bell

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Alexander Graham Bell(1847-1922, EUA)

Professor de surdos-mudos; procurava desenvolver um aparelho para educa¸c˜ao de deficientes auditivos

1876: Linha telefônica entre o andar térreo e o sótão de sua oficina; depósito de patente em Washington

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Status do sistema de telefonia mundial

Rede internacional (dados estat´ısticos de 1996) Mais de 1 bilhão de aparelhos telefônicos Mais de 1 bilhão de aparelhos celulares

Internet: centenas de milhares de computadores Migra¸c˜ao lenta para novas tecnologias

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Status do sistema de telefonia mundial - cont.

Telefonia M´ovel em Crescimento

Aproximadamente 2 bilhões de usuários no final de 2005 Pa´ıses com média de mais de 1 celular por habitante Mais usuários do que a telefonia fixa

Local ´Area Networks (LANs)

Convergˆencia de tecnologias e integra¸c˜ao entre as redes de telefonia fixa e sem fio

“O maior negócio do mundo” Novas aplica¸cões, novas solu¸cões VoIP

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Status do Sistema de Telefonia Nacional

Dados estat´ısticos de 1993

12,5 milhões de telefones (8,4 telefones/100 habitantes) Brasil no mundo: 40o (já figurara entre os 10 primeiros) 1o. lugar: Suécia, com 70 telefones/100 habitantes Demanda reprimida:

Apenas 20% das residências urbanas são atendidas Apenas 2% das propriedades rurais são atendidas

Apenas 50% dos estabelecimentos de negócios são atendidos Déficit de 11 milhões de telefones

Custo m´edio de $ 1.500 por terminal (investimento: $ 20 bilh˜oes)

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Status do Sistema de Telefonia Nacional - cont.

Plano Nacional de Telecomunica¸c˜oes

1967: Embratel (comunica¸cões de longa distância) Implanta¸cão de grandes troncos de microondas

Sucesso: desenvolvimento da telefonia interurbana antes da local

Problema: telefonia local

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Status do Sistema de Telefonia Nacional - cont.

Privatiza¸c˜oes

Problema imposs´ıvel de ser resolvido pelo governo Necessidade de inje¸c˜ao de recursos no setor Capta¸c˜ao de investimentos externos

Conclus˜oes sobre o processo de privatiza¸c˜ao? Crise: in´ıcio de 2001

Perspectiva de mercado mal-dimensionada

Aparelhos Fixos × Aparelhos Celulares(Fonte: Anatel)

Data 1990 1997 2000 2003

Aparelhos Fixos 12,2 17 30,9 39,1

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Ondas

Natureza

Mecˆanicas ou el´asticas

Meios materiais (gases, l´ıquidos ou sólidos) Impulsos mecânicos (varia¸cão da pressão do meio) Ex.: ondas sonoras, ondas em uma corda

Eletromagn´eticas

Meios materiais ou v´acuo Energia eletromagn´etica

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Ondas

Dire¸cão de Vibra¸cão e de Propaga¸cão Transversais

Longitudinais

Mistas (ondas sonoras nos s´olidos) Caracter´ısticas das Ondas

Amplitude Per´ıodo [s] Freqüência [Hz] Comprimento de onda [m] Velocidade Onda eletromagnética: 3 × 108 _m/s

Onda sonora no ar: 340 m/s Onda sonora no mar: 1505 m/s

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Ondas sonoras

Som

Sensa¸cão no sistema nervoso devido às vibra¸cões das membranas do aparelho auditivo.

Voz

Fonemas: sons elementares Letras

Faixa de freqüências: 0,1 a 10 kHz Potência média

Voz baixa: 0,001 µW Voz normal: 10 µW. Grito: entre 1 e 2 mW

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Ondas sonoras - cont.

Audi¸c˜ao

Caracter´ısticas do som Intensidade - amplitude

Sons graves - freqüências baixas Sons agudos - freqüências altas Timbre - harmônicas 20 20 k 17 0,0017 f (Hz) m som infra-som ultra-som

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Utiliza¸c˜ao do canal telefˆonico

Voz

Faixa de freq¨uˆencias: de 300 a 3.400 Hz Energia: 68%

Inteligibilidade: 85%

0 0,3 3,4 4 (kHz)

Faixa de freqüências para transmissão de voz

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Utiliza¸c˜ao do canal telefˆonico - cont.

M´usica(15 kHz)

Faixa de freq¨uˆencias: de 50 a 10.000 Hz V´ıdeo

Sinal de v´ıdeo (monocrom´atico), sub-portadoras de ´audio e de cor

Faixa de freq¨uˆencias requerida: de 4 a 8 MHz

Fatores importantes (conversão para equivalentes elétricos): Distribui¸cão da luz e da sombra

Perspectiva tridimensional Percep¸c˜ao de movimento Percep¸c˜ao da cor Picture element (pixel)

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Tipos de sistema

Simplex

A

B

Radiodifus˜ao: AM, FM, TV

Semi-Duplex

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Tipos de sistema

Full-Duplex

A

B

Enlaces de microondas, sat´elites, telefonia Informa¸c˜ao Bilateral

Aparelho telefˆonico

Central de comuta¸c˜ao ou telefˆonica Roteamento

Viabilidade econˆomica A propaga¸c˜ao dos sinais

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Propaga¸c˜ao dos sinais

Bateria

Bateria central de 48 V, alimenta o aparelho telefˆonico atrav´es do cabo

Bateria local

Elimina a influˆencia do cabo na amplitude do sinal Inconvenientes operacionais

Perdas

Pequenas distâncias: perdas insignificantes Médias e longas distâncias: atenua¸cãodo sinal

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Propaga¸c˜ao dos sinais - cont.

Solu¸cão para a Atenua¸cão do Sinal: Média Distância

Pupiniza¸c˜ao

Michel Idvorsky Pupin (1858-1935, Iugoslávia): descreveu matematicamente a ressonância elétrica e a retifica¸cão de sinais em altas freqüências

Adi¸cão de indutâncias concentradas em série com os condutores da linha (L/C = r/G); preven¸cão contra distor¸cões em freqüência

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Solu¸cão para a Atenua¸cão do Sinal: Média Distância - cont.

Pupiniza¸c˜ao - cont.

A atenua¸c˜ao de uma linha modelada por parˆametros concentrados

Z = r + jωL e Y = G + jωC (1)

´e dada por α = 1 2 rG − ω2LC + q (rG − ω2_LC)2_{+ ω}2_{(LG + rC)}2 1₂ (2)

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Solu¸cão para a Atenua¸cão do Sinal: Média Distância - cont.

Pupiniza¸c˜ao - cont.

Esta atenua¸c˜ao independe de ω se L/C = r/G Na pr´atica: L/C < r/G

A pupiniza¸c˜ao n˜ao pode ser usada em sistemas multicanais (filtro passa baixas).

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Solu¸cões para a Atenua¸cão do Sinal: Longa Distância

Amplificadores de resistˆencia negativa

0 R

_<

1

P

2 1

P

_>

P

Amplifica¸cão bidirecional a 2 fios Limita¸cões práticas: ganhos de 8 dB

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Solu¸cões para a Atenua¸cão do Sinal: Longa Distância - cont.

Amplificadores com jun¸c˜ao h´ıbrida

Separa¸c˜ao entre os canais: 2 pares de fios por assinante Amplificadores unidirecionais no trecho a 4 fios

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Solu¸cões para a Atenua¸cão do Sinal: Longa Distância - cont.

Amplificadores em sistemas multicanais

Multiplexa¸cão por divisão em freqüência ou em tempo (a 4 fios)

FDM: AM-SSB, AM comum; 12 canais/par telefˆonico; 10.800 canais/cabo coaxial; 2.700 canais/enlace de microondas TDM: PCM; 24 (EUA) ou 30 (CCITT, adotado no Brasil) canais de voz/par telefˆonico

Linhas tronco; vantagem econˆomica

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As Jun¸c˜oes H´ıbridas ou H´ıbridos

Circuito com 4 acessos (4 pares de terminais)

Sinal (atenuado) passa entre acessos adjacentes e ´e zero no acesso oposto ao de entrada (h´ıbrido balanceado)

1 2 3 4 acesso de entrada sinal sinal acesso adjacente acesso adjacente acesso oposto 1 2 3 4

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As Jun¸c˜oes H´ıbridas ou H´ıbridos - cont. Tipos de h´ıbrido

1 Transformador balanceado (h´ıbrido indutivo) 2 Ponte de resistˆencia (h´ıbrido resistivo)

3 Perda entre acessos adjacentes: 3 db para o h´ıbrido indutivo e

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As Jun¸c˜oes H´ıbridas ou H´ıbridos - cont. Localiza¸c˜ao dos h´ıbridos

1 Solu¸c˜ao utilizada para linhas telefˆonicas extensas

2 Convers˜ao de 2 para 4 fios: centrais de trˆansito das cidades

A

_B

Canal urbano Canal urbano Canal interurbano

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Unidades de N´ıvel de Sinal em Telecomunica¸c˜oes

Unidades Logar´ıtmicas de Sinal e Ru´ıdo An´alise, especifica¸c˜ao, testes e medidas Lei de Weber-Fechner

Sinais de áudio, destinados a um utilizador final humano “A sensa¸cão subjetiva é proporcional ao logaritmo do est´ımulo objetivo”

Os n´ıveis de som s˜ao expressos em unidades logar´ıtmicas (decib´eis).

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Defini¸c˜oes

Potência elétrica de sinal: mW Potência elétrica de ru´ıdo: pW Tom de teste padrão: 1 mW

1 N´ıvel tipicamente encontrado em linhas telefˆonicas

2 Medido no ponto onde o sinal entra no sistema de transmiss˜ao 3 N´ıvel relativo zero de uma escala logar´ıtmica

4 Qualquer n´ıvel ´e expresso em dB relativos ao 1 mW, ou seja,

dBmW ou dBm.

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Defini¸c˜oes - cont.

Convers˜ao entre as escalas linear e logar´ıtmica

PdBm= 10 · log (PmW) (3)

Potˆencia relativa de sinal em um ponto X PdBr= 10 · log P

X

P0

(4) N´ıvel absoluto de um sinal medido no ponto de n´ıvel relativo zero PdBm0 = 10 · log P0 1 mW (5)