L A B O RA TO RIO RI O N° 1 HDB-3
1. INTRODUCCION El HDB-3 es la norma de intercambio de tráfico telefónico en las redes de telefonía, usada en Europa y Latino América.
Códigos de transmisión digital por cable.- la transmisión digital con códigos nativos usando cables de cobre presenta varios problemas debido principalmente a que estos códigos tiene una componente continua, que por definición no se puede transmitir. Por otra parte los acoplamientos entre nodos de la red normalmente son capacitivos por lo que se cargan al valor de la continua y actúan como un pedestal que la señal entrante debe separar para ser detectada. El resultado de lo anterior es un alcance prácticamente nulo para la distancia de transmisión digital por cable. Para solucionar este problema e han diseñado códigos adecuados.
Características deseables en un código de transmisión digital por cable.a) Transparencia: consiste en que las modificaciones traducidas por el código a nivel eléctrico o lógico no alteren la información original o mensaje en términos de significado y velocidad.
b) Espectro de potencia nulo en frecuencia cero: esta característica garantiza que en promedio la trama digital transmitida tendrá un valor eléctrico de cero, es decir no tendrá componente continua y por lo tanto no será afectada por acoplamientos capacitivos. En la práctica esto sugiere usar niveles eléctricos alternados entre positivos y negativos.
c) Espectro de potencia potencia adecuado en la frecuencia de trabajo: el espectro resultante de la codificación no debe tener nulos en frecuencias cercanas a las de operación de tal modo que se pueda recuperar la señal con bajas sensibilidad.
d) Alto contenido de temporización: las transiciones que genera el código deben ser suficientes como para el receptor recupere el reloj de la propia línea de llegada. En la práctica se han diseñado varios códigos que cumplen estas condiciones para diferentes velocidades y servicios.
En telefonía se utilizan dos:
AMI (Alternate Mark Inversion) HDB-3 (High Densely Bynari-3)
El código AMI utilizado como norma en Norte América alterna los valores lógicos de uno entre señales eléctricos positivos y negativas. Los ceros quedan invariantes con un valor de cero eléctrico que en la práctica para las secuencias largas de cero pueden perder la sincronización. Para solucionar este problema este código se utiliza junto con equipos electrizadores que incrementan artificialmente las transiciones. 1.1. Consideraciones sobre la transmisión MIC. La transmisión de señales en forma digital, presenta ventajas indiscutibles sobre los sistemas de transmisión convencionales, en los cuales, la señal que se transmite es de tipo analógico. En efecto, la amplitud de una señal analógica, varía en forma continua en el tiempo, y por lo tanto, es susceptible a cualquier perturbación que se superponga a ella, mientras que la señal digital varía entre dos amplitudes fijas y definidas en el tiempo, por lo que en recepción, es suficiente reconocer, de cual de ellas se trata, y por lo tanto, es menos sensible a los ruidos que se puedan superponer a ella durante la transmisión. El interés que despiertan los sistemas de transmisión digital ha ido aumentando, gracias al grado de integración de los circuitos lógicos y al advenimiento de la fibra óptica como medio de transmisión. 1.2. Códigos utilizados para la transmisión de señales mic (PCM) La señal MIC, está formada por una secuencia de bits, dependiendo del tipo de transmisión adoptado (mediante cable o radio enlace), pueden aparecer algunas dificultades enumeradas más adelante, por lo que será necesario convertirla en otra señal, que manteniendo inalterada la información contenida en ella, esté mejor adaptada al medio de transmisión. Para la transmisión MIC, las condiciones que deben cumplir las características de las señales en línea, son las siguientes: a) Transparencia: Que significa que cualquier modificación a ser realizada en la secuencia transmitida, no debe alterar la información que transporta. b) Espectro de la señal nulo a la frecuencia cero (para evitar la deriva del cero) c) Máximo espectral, de ser posible para un submúltiplo o en la proximidad de un submúltiplo, de la velocidad binaria, de forma que la energía necesaria para producir la señal provenga de una zona en la que la atenuación de transmisión del cable, sea más reducida, y la atenuación de la diafonía
mayor (obteniéndose, por consiguiente, una mejor relación señal/ruido) que en la proximidad de dicha velocidad. d) Mínima longitud de secuencias sin impulsos, para evitar que las amortiguaciones de las oscilaciones, afecte al funcionamiento de los circuitos de recuperación de reloj.
1.2.1. Código de no retorno a cero NRZ
Esta señal es la más cómoda desde el punto de vista circuital, porque todos los circuitos lógicos funcionan, según el principio SI-NO, por lo tanto este código es el que se usa en el interior de los equipos (multiplex o radio enlaces). En la señal se observa que todos los bits "1", tienen la misma polaridad positiva, por lo que su espectro presenta una componente continúa. En la figura 1, se ha supuesto una frecuencia de repetición de reloj de 34 Mbits/seg, y sabiendo que esta onda cuadrada está formada por la superposición
de N armónicos, todos de orden impar, se ve intuitivamente en la figura que la fundamental tiene 17 MHz, el tercer armónico 51 MHz, y así sucesivamente. Observamos así que no existe ningún armónico en la frecuencia de 34 MHz, es decir a la frecuencia de reloj, por lo que es imposible extraer en recepción la frecuencia de reloj deseada, y por lo tanto, si se utiliza este método, es también necesario transmitir por separado, la frecuencia del reloj. En la práctica, el reloj, se obtiene, usando las transiciones que se producen siempre (para todos los códigos), a la frecuencia de reloj o a un múltiplo de ella, para sincronizar un VCO. Sin embargo, esto no elimina el problema, ya que si se produce una secuencia larga de ceros, que no tienen transiciones, ya no es posible sincronizar el VCO. Se puede observar por otra parte, que en el espectro de la señal NRZ existe una señal de componente continua, por lo cual no es adecuado para su transmisión por cable. Algunas razones: a) La componente continua, no permite enviar por la línea, la tele alimentación de los transceptores de radio, con la misma función que los regeneradores, que deben reconstruir la señal MIC recibida. b) Todos los circuitos por los que circula la señal. deben tener una respuesta en frecuencia, que extienda hasta la componente continua (por ejemplo, los amplificadores, no pueden tener acoplamiento capacitivo o mediante transformador), de lo contrario, el espectro de la señal, quedará alterado en forma irremediable. Analizando la señal, se observa también que es prácticamente imposible detectar un error, si durante la transmisión, un pico de ruido, se suma a un cero, simulando así, la presencia de un "1". 1.2.2. Código con retorno a cero RZ (return to zero) unipolar
Es similar al código NRZ anterior, pero con la duración de los impulsos reducida a la mitad. También este código es cómodo, desde el punto de vista circuital, porque todos los circuitos lógicos funcionan con el principio SI-NO, por lo tanto, el código RZ, es otro de los utilizados en el interior de los equipos. En la señal, se observa que todos los bits, tienen la misma polaridad positiva, por lo que en su espectro, existe una componente continua. Suponiendo que el reloj es de 34 Mbits/seg, y que la onda cuadrada está formada por la superposición de "n" armónicas, del orden impar, se deduce que la fundamental, tendrá la misma frecuencia del reloj, es decir 34 Mbit/s, el tercer armónico 102 MHz, y así sucesivamente. Por tanto, es posible en recepción, extraer el reloj directamente de la señal RZ recibida. Sin embargo, si la señal RZ, presentase, una secuencia de ceros larga, será imposible extraer el reloj durante todo este período. La presencia de la componente continua provoca los mismos inconvenientes que para la señal NRZ.
1.2.3. Código de inversión de marcas alternada AMI (alternative mark inversion)
Este es el primer código de "línea", en efecto, observando la señal, se ve, que los "1", son alternativamente positivos y negativos, por lo que de acuerdo a su espectro, no existe componente continua. La ausencia aparente de la frecuencia de reloj en su espectro, se puede evitar, simplemente rectificando la señal recibida, para hacer positivos los "1" negativos, haciéndola así similar al código RZ, en este caso, la señal recibida, ha atravesado ya la línea y por lo tanto la aparición de la componente continua no importa, y la frecuencia de reloj se puede extraer del nuevo espectro que presenta ahora la señal. Otra ventaja que presenta este código es la posibilidad de reconocer errores si, durante la transmisión, un pico de ruido se suma a un "0", simulando así la presencia de un "1"; se tendría entonces una violación del código, el cual establece que los "1", son alternativamente positivos y negativos. Sin embargo, con este código, existe también la posibilidad de que una secuencia larga de "0", haga imposible la extracción de la frecuencia de reloj. 1.2.4. Código binario de alta densidad con protección de más de tres ceros consecutivos HDB3 (high density binary 3)
Este también es un código de línea. Observando la señal, se ve que los "1" son alternativamente positivos y negativos, por lo cual, de acuerdo al espectro, no existe componente continua. Todo lo mencionado para la señal AMI, es válido, con la ventaja adicional de que se puede extraer el reloj, en presencia de secuencias largas de "0". En efecto, cuando aparecen más de tres "0" consecutivos, se inserta automáticamente un "1" en lugar del cuarto "0" (bit stuffing), violando, sin embargo la polaridad (es decir se inserta un "1", con la misma polaridad del último "1" transmitido, para poder así reconocerlo en recepción y eliminarlo. Sin embargo, si entre violaciones sucesivas no hay un "1", o bien hay un número par de "1", se inserta un bit adicional para mantener nula la componente continua. En la práctica el reloj, no se extrae filtrando la señal para separar el armónico correspondiente, sino utilizando las transiciones que se producen a la frecuencia de reloj o a sus múltiplos, para sincronizar un oscilador local (VCO) a la frecuencia de reloj. Este principio, que se podría suponer válido para todos los códigos previos, en la práctica solo se puede aplicar al HDB3, porque es el único que no presenta secuencias largas de "0" (en las cuales, la ausencia de transiciones, haría perder el sincronismo del oscilador local). 1.2.5. Código binario con sustitución de 6 ceros B6Z6 (binary with 6 substitution of zeros)
Este código, es también de línea, totalmente similar al AMI, con la excepción de que cuando hay secuencias largas de "0", se substituye cada grupo de 6 ceros por una secuencia determinada de símbolos (por ejemplo, 0-1-1-0-0-1).
1.2.6. Código de inversión de marca codificada CMI (coded mark inversion)
La UIT-T recomienda este código para la transmisión de señales a 139.264 Mbit/s. Se obtiene, como se ve en la figura 6, representando los bits "1", alternativamente con nivel alto (+1) y bajo (-1). En cambio, cada bit "0", se representa con valor bajo, la primera mitad del ciclo y con valor alto, la segunda mitad, independientemente del valor del bit precedente. El reloj se puede extraer fácilmente, dado el elevado número de transiciones, y su espectro de frecuencia no tienen componente continua. Permite además controlar la calidad de transmisión, ya que una secuencia de bits en código CMI, puede mantener el nivel alto (o bajo), durante un tiempo máximo de 1.5 T de reloj. Después de este tiempo, debe cambiar necesariamente al nivel bajo (o alto). Este código se emplea debido a la facilidad de realización de las redes de codificación, no obstante tiene una ocupación espectral superior al HDB3 (el código HDB3, en su espectro de frecuencia, tiene el primer nulo a la frecuencia de reloj, mientras que el espectro de frecuencia del CMI, tiene el primer nulo a la frecuencia igual al doble de la del reloj). El código HDB3 pertenece a los códigos de línea llamados Técnica de Altibajos. Consisten en sustituir secuencias de bits que provocan niveles de tensión constantes por otras que garantizan la anulación de la componente continua y la sincronización del receptor. La longitud de la secuencia queda inalterada, por lo que la velocidad de transmisión de datos es la misma; además el receptor debe ser capaz de reconocer estas secuencias de datos especiales. Los objetivos en el diseño de estas técnicas son: -Evitar la componente en continua. - Evitar las secuencias largas que correspondan a señales de tensión nula. - No reducir la velocidad de datos. - Capacidad para detectar errores. El esquema de codificación basado en Norteamérica se llama B8ZS y el utilizado en Europa y Japón es el HDB3, ambos se basan en la codificación AMI. En el esquema HDB3, se reemplazan las cadenas de cuatro ceros por cadenas que contienen uno o dos pulsos. En este caso, el cuarto cero se sustituye por un estado de señal no permitido en el código, este procedimiento se denomina violación del código. En las violaciones siguientes, se considera una regla adicional para asegurar con ello que tengan una polaridad alternante y así no introducir componente en
continua. Si la última violación fue positiva, la siguiente debe ser negativa y viceversa. Esta condición se determina dependiendo si el número de pulsos desde la última violación es par o impar y dependiendo de la polaridad del último pulso anterior a la aparición de los cuatro ceros. La mayor parte de la energía se concentra en una región estrecha en torno a la frecuencia correspondiente a la mitad de la razón de datos. Por tanto, estos códigos son adecuados para la transmisión a altas velocidades. HDB3 ("High Density Bipo lar-3 Zeros" ):
Número de 1´s desde la última sustitución
PAR
IMPAR
Pulso anterior positivo
+ 00 + + 000 +
Pulso anterior negativo
- 00 -
- 000 -
Un ejemplo de una señal codificada con HDB3, es la siguiente:
2. OBJETIVO 2.1. Objetivo general Diseñar un codificador HDB-3 básico. 2.2. Objetivo especific o Diseñar y analizar el funcionamiento de un codificador de tipo HDB-3 con un generador de trama de 8bits por lo cual se realizara un modulador que convierta una señal digital tipo NRZ en el código deseado.
El objetivo de esta práctica es el de diseñar un codificador del tipo HDB-3, (inversión alternada de marca, con protección de tres ceros). Esta codificación es útil en la transmisión digital por cable de acuerdo al marco teórico explicado más arriba. Para cumplir el objetivo anterior, será necesario, realizar un diseño modular que convierta una entrada simulada de señal digital en el código deseado.
3. DISEÑO DEL CIRCUITO Nuestro diseño comprende de las siguientes etapas: Generador de trama de 8 bits Codificador HDB-3 Salida codificada 3.1. Diseñ o de las etapas del cir cu ito en b loq ues
Generador
Codificador
de trama 8
HDB-3
Salida codificada
bits
clock
Ch1
ch2
Osciloscopio
3.1.1. Generador de trama de 8 bits
En esta parte del circuito 3.1.2. Codificador HDB-3
3.1.3. Salida codificada
4. DIAGRAMA DEL CIRCUITO 4.1. Diagram a del generado r de tr ama de 8 b its
5. DESARROLLO DEL PROYECTO
6. ESPECIFICAIONES DE LOS COMPONENTES USADOS
74151.- Multiplexor de 8 entradas de datos
74393.- Doble contador binario síncrono de 4 bits
UA741.- Amplificador Operacional
7404.- Compuerta NOT o Inversor
7408.- Compuerta AND
7432.- Compuerta OR
Peine de resistencias de 330
9 resistencias de 10k
,
,
utilizada para proteger el DIP Switch
se utilizó éste valor por la forma de señal que emitía, llegando asi
a tener una señal estable con dichas resistencias, que también protegen los amplificadores operacionales, ya que estos son muy sensibles.
74161
74393
1 dip switch de 8 canales
leds rojos
7. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES 7.1. Obs ervacion es 7.2. Recom endacio nes
8. CUESTIONARIO 8.1. Investigar las características de HDB -3 y sus prin cipales aplic acion es
8.2. Expliq ue lo s mé tod os de m edición de erro res en tr ansm isión d igital por cable . 8.3. Cu ál es el eq ui val ent e de la rel ación señ al/ru id o an alóg ic a en lo s sist emas digitales.
9. BIBLOGRAFIA docente.ucol.mx/al000408/public_html/ HDB3.html
