Introdução à Telefonia por IP utilizando Asterisk/Telefonia Digital

Telefonia Digital

Uma grande parte dos sinais de informações que são processados em uma rede de telecomunicações são sinais analógicos, tal como por exemplo o sinal de voz captado por um microfone, ou uma imagem capturada através de dispositivo CCD. Para realizar o processamento digital (transmissão, armazenamento, comutação) destes sinais, é necessário convertê-los para um formato digital.

A técnica mais conhecida e utilizada para realizar a conversão de um sinal analógico em digital é a modulação por código de pulso, abreviadamente denominada de PCM ("Pulse Code Modulation"). Esta técnica foi patenteada, em 1939, pelo Sr. Alec Reeves quando era engenheiro da ITT na França.

Na técnica Modulação por Código de Pulso (PCM), a amplitude de cada amostra de sinal é representada por um código de vários bits, sendo cada bit transmitido através de um pulso. Por isso , as deformações na largura e amplitude do pulso são irrelevantes, desde que se possa distinguir claramente a presença e ausência de um pulso. Pelo fato de o PCM ser um sinal digital, a informação contida na palavra PCM não sofre atenuação.

O ruído introduzido durante a transmissão do sinal não é cumulativo, pois ele pode ser removido através de um processo de regenaração, de modo que a qualidade do sinal PCM depende somente do processo de geração do sinal, e não do meio onde o sinal é transmitido. Não haverá perda de informação, desde que o sinal recebido possa ter os bits "0" e "1" recuperados nos instantes de amostragem.

Sabe-se que a voz é um conjunto de vibrações acústicas e a forma como ela se manifesta na natureza é analógica. O objetivo da Telefonia Digital é transmitir o sinal de voz em um sistema digital através do processo de digitalização, que permitem que esses conjuntos de vibrações acústicas sejam transmitidos em um meio digital assumindo apenas dois valores, zeros ou uns. A idéia de digitalizar sinais analógicos partiu das operadoras que tinham problemas de envio de sinais analógicos para distâncias elevadas, com perdas dos sinais.

Para que o processo de conversão do sinal ocorra, é necessária a utilização de princípios de modulação e codificação do mesmo, a esse processo é dado o nome de digitalização.

Digitalizando um Sinal

É o processo de transformação de um sinal analógico em um sinal digital, consiste em três fases:

• Amostragem: que consiste em retirar amostras do sinal original conforme uma frequência pré-determinada;
• Quantização: que consiste em refinar o sinal amostrado;
• Codificação: que transforma o sinal quantizado em um sinal binário.

Amostragem

A amostragem consiste em um processo, onde são retiradas amostras do sinal original que serão utilizadas para a reconstituição desse sinal no receptor.

A digitalização do sinal ocorre quando há transformação do sinal analógico em um trem de pulsos, onde a amplitude desse trem é diretamente proporcional ao pulso da amplitude instantânea do sinal amostrado. Esse processo recebe o nome de Pulse Amplitude Modulation. Segundo Gomes (1995, p. 232) “... O sistema PAM (Pulse Amplitude Modulation), é aquele no qual se aplica mais diretamente o conceito de um sinal amostrado e do próprio Teorema de Amostragem, pois o sinal modulado pode ser compreendido como o produto do sinal modulante pelo trem-de-pulso da portadora...”.

A amostragem do sinal baseia-se no teorema de Nyquist, que basicamente diz: Se um sinal for amostrado em intervalos regulares a uma taxa maior do que duas vezes a freqüência mais alta desse sinal, as amostras conterão toda a informação do sinal original. No sistema telefônico a voz está situada abaixo da freqüência mais alta de 4000Hz (4KHz), logo, para obter-se toda a informação do sinal original, deve-se amostrá-lo a uma taxa de 8000 vezes por segundo (2 x 4000Hz = 8000 amostras/s)

Quantização

Na modulação PCM os pulsos PAM são convertidos em sinais digitais. Como não é possível transmitir esses valores tal como são amostrados, realiza-se o processo que tem o objetivo de funcionar como um "arredondamento" dos diversos valores amostrados sobre níveis de valores estabelecidos, esse processo modula o sinal em PAM dentro desses níveis estabelecidos de tensão chamados de valores de decisão.

Quando um pulso está acima de um nível de decisão, ele é aproximado para o nível superior e quando o pulso está abaixo da linha de decisão, ele é aproximado para o nível inferior imediato. A aproximação para o número inteiro mais próximo origina um erro de quantificação que é minimizado se for utilizado um número elevado de patamares ou níveis. Se houvesse, por exemplo, 128 ou 256 níveis de sinal, e não os 8 do exemplo, o erro na atribuição por aproximação, de um número inteiro a cada amostra, seria substancialmente inferior. Cada nível é designado por um código digital "n" bits. É possível ter 2n (dois elevado a n) níveis de valores quantizados.

Codificação

Consiste em pegar todo o sinal quantizado e transformá-lo em um sinal binário, levando-se em conta a seqüência em que o mesmo foi gerado pelo trem de pulsos. O sinal resultante será uma cadeia de “Zeros” e “Uns”. Este sinal está pronto para trafegar em um determinado tipo de enlace RTPC, LAN (Local Area Network) ou WAN (Wide Area Network).

Obtém-se um sinal PCM através de uma onda quantizada, temos que analisar a máxima amplitude do sinal quantizado, para que possamos definir os seus estados como zero ou um, o número de bits da codificação está relacionado à quantidade de intervalos em que meço essa amplitude, que pode ser de 8, 16, 32, 64, 128 bits e assim por diante. Para aplicações em telefonia, como mencionado anteriormente, a frequência de amostragem adotada internacionalmente é de 8.000 amostras por segundo, definido pelo Teorema de Nyquist. Neste caso, cada nível de valor corresponde a um código de 8 bits, o que permite serem quantizados níveis distintos. Fazendo-se uma conta simples, teríamos então, 8.000 amostras/segundo x 8 bits/amostra, onde obteríamos uma taxa de 64.000 bits/segundo (64 kbit/s). Este procedimento é chamado PCM (Pulse Code Modulation).

Segundo Gomes (2002, p. 287) “... A grande vantagem do PCM reside justamente no fato de só haver dois níveis distintos para o sinal modulado, reduzindo-se de forma substancial o ruído que interfere sobre o sinal modulado, pois este pode ser constantemente regenerado, reassumindo sua forma original”.

Ficheiro:ModulacaoPulsada.jpg

Referências

MOECKE, Marcos. Telefonia Digital: Modulação por Código de Pulso.

Disponível em: <http://manoel.pesqueira.ifpe.edu.br/fmn/anterior/2008.1/Telefonia/Mod_PCM.pdf> Acesso em: 08 Abr 2013

Raphael Augusto da Silva (discussão) 17h37min de 9 de abril de 2013 (UTC)

João Paulo Vicentini (discussão) 22h59min de 19 de abril de 2013 (UTC)