TELEFONIA ANALOGA

7/21/2019 TELEFONIA ANALOGA

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UTAFISEI CARRERA DE ING. ELECTRNICA Y COMUNICACIONES

COMUNICACIONES MVILES

30 | Pgina Ing. Mg. Juan Pablo Pal lo Noroa

CAPTULO 2

TELFONO CELULAR ANALGICOBell Telephone Laboratories, de Murry Hill, New Jersey, propuso el concepto de telfono celular,con el nombre de servicio telefnico mvil avanzado (AMPS) en 1971. Este concepto era unaintrigante idea que agreg profundidad, o dimensin espacial, al modelo convencional detroncales de cable que usaban las redes telefnicas pblicas en esos das. El plan celularestableca sitios celulares de bajo perfil y baja potencia, enlazados por un centro deconmutacin y control. El sistema AMPS entr en operacin en 1983, por parte de Ameritech,e incorpor grandes reas que cubran unas 2100 millas cuadradas del rea de Chicago. Elsistema original usaba antenas omnidireccionales, para minimizar los costos iniciales de equipo.Los radio transceptores que se usaban en los telfonos celulares AMPS usan modulacin defrecuencia de banda angosta (NBFM, de narrowband frequency modulation), con una banda de

audiofrecuencia de 300 Hz a 3 kHz, y desviacin mxima de frecuencia de 12 kHz, paramodulacin de 100%. Esto corresponde a un ancho de banda de 30 kHz, si se aplica la regla deCarson. Con informacin emprica se determin que un canal telefnico AMPS de 30 kHzrequiere una relacin mnima de seal a interferencia (SIR, de signal-to-interference) de 18 dB,para que el funcionamiento sea satisfactorio. El factor mnimo de reutilizacin que satisfizo esterequisito, usando antenas direccionales de 120, fue 7. En consecuencia, el sistema AMPS usauna pauta de reutilizacin de siete clulas, con lugar para divis in y sectorizacin de clula, paraincrementar la capacidad de canales cuando sea necesario.

2.1.

Asignacin de frecuencias AMPS

La FCC decidi, en 1980, permitir dos portadoras comunes por rea celular de servicio. Setrataba de eliminar la posibilidad de un monopolio, y proporcionar las ventajas que suelenacompaar a un ambiente competitivo. A continuacin surgieron dos sistemas de asignacin defrecuencia, el A y el B, cada uno con su propio grupo de canales que compartan el espectroasignado de frecuencias. El sistema A se define para las empresas sin cables telefnicos, y elsistema B para empresas con cables.

La figura 1 muestra el sistema de administracin de frecuencias para telfonos celulares AMPS.La FCC asign originalmente una banda de frecuencias de 40 MHz al sistema AMPS, formado por666 canales dplex por rea de servicio, con distancia de 30 kHz entre canales adyacentes. Loscanales A van del 1 al 333, y los B van del 334 al 666. Para las unidades mviles, el canal 1 tiene

una frecuencia de transmisin de 825.03 MHz, y el canal 666, de 844.98 MHz. En los sistemastelefnicos celulares con frecuencia es necesario o preferible transmisiones de estacin base aunidad mvil, y de unidad mvil a estacin base, en forma simultnea. La transmisinsimultnea en ambas direcciones es un modo de transmisin llamado full dplex o simplementedplex. El funcionamiento dplex se puede lograr mediante mtodos en el dominio de lafrecuencia o del tiempo. El duplexado por divisin de frecuencia (FDD, de frequency-divisinduplexing) es cuando a cada usuario se le proporcionan dos bandas de frecuencias distintas.


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En el FDD, cada canal dplex consiste en realidad de dos canales simplex (de un sentido). Encada unidad mvil se usa un aparato especial, llamado duplexor, que tambin se usa en laestacin base, para permitir la transmisin y recepcin simultneas en un canal dplex.

FIGURA 1 ESPECTRO DE FRECUENCIAS DEL SERVICIO TELEFONICO MOVIL AVANZADO (AMPS)

Las transmisiones de las estaciones base a las unidades mviles se llaman enlaces en sentidodirecto y las transmisiones de las unidades mviles hacia las estaciones base se llaman enlacesen sentido inverso. El receptor de cada canal funciona a 45 MHz arriba del transmisor y, enconsecuencia, el canal 1 recibe a 870.03 MHz y el canal 666 a 889.98 MHz.

Entonces, cada canal de radio en dos sentidos consiste en un par de canales simplex (de unsentido) separados por 45 MHz. La separacin de 45 MHz entre las frecuencias de trans misin yrecepcin se escogi de tal modo que se puedan usar duplexores poco costosos, pero muyselectivos, en las unidades mviles. A continuacin se agreg un espectro adicional defrecuencias de 5 MHz a la banda original de 20 MHz, que aument la cantidad total de canalessimplex disponibles a 832 (416 dplex).

Los espectros de canal AMPS se dividen en dos conjuntos o grupos bsicos. Un conjunto decanales est dedicado al intercambio de informacin de control entre las unidades mviles y elsitio de clula, y se llaman canales de control; son las reas sombreadas de la figura 7. Elsegundo grupo, llamado canales de voz o de usuario, est formado por los canales restantes, yse usa en las conversaciones reales y los intercambios de datos entre usuarios. La figura 7muestra el espectro de frecuencias de los 166 canales AMPS adicionales. Las frecuencias

agregadas se llaman espectro ampliado e incluyen los canales 667 a 799, y 991 a 1023. Lafrecuencia central de transmisin de la unidad mvil, en MHz, para cualquier canal, se calculacomo sigue:

0.03 N + 825.000 para 1


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La frecuencia central de recepcin se obtiene sumando 45 MHz a la frecuencia central detransmisin. Por ejemplo, las frecuencias centrales de transmisin y recepcin para el canal 3sonTransmisin 0.03 (3) + 825 = 825.09 MHz

Recepcin 825.09 MHz + 45 MHz = 870.09 MHzY para el canal 991,

Transmisin 0.03 (991 - 1023) + 825 = 824.04 MHzRecepcin 824.04 MHz + 45 MHz = 869.04 MHz

La siguiente tabla resume las asignaciones de frecuencia para el sistema AMPS. El operadorpuede dividir al conjunto de canales de control en subconjuntos de canales de controldedicados, canales de voceo y canales de acceso. Ntese que las frecuencias de transmisin yrecepcin del canal 1 no comienzan en el extremo bajo del conjunto de frecuencias (824 a 869MHz), porque la asignacin original de 40 MHz comenz en 825 MHz. Cuando la FCC asign msfrecuencias al servicio, algunas de las nuevas frecuencias se agregaron sobre el intervalooriginal, y algunas otras abajo de ese intervalo.

AMPS

Espaciamiento de canales 30 kHzAsignacin de espectro 20 MHzEspectro adicional 5 MHzCantidad total de canales 832

Tabla 1 ASIGNACION DE FRECUENCIAS AMPS

Asignacin de frecuencias de sistema A

AMPS

Canal Numero TX mvil, MHz RX mvil, MHz1 825.030 870.030313a 834.390 879.390333b 843.990 879.990667 845.010 890.010

716 846.480 891.480991 824.040 869.0401023 825.000 870.000

Tabla 2 ASIGNACION DE FRECUENCIAS DEL SISTEMA A


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Asignacin de frecuencias de sistema BCanal Numero TX mvil, MHz RX mvil, MHz334c 835.020 880.020354d 835.620 880.620

666 844.980 890.000717 846.510 891.000799 848.970 894.000

Tabla 3 ASIGNACION DE FRECUENCIAS DE SISTEMA B

a. ltimo canal dedicado de control para el sistema Ab. Primer canal dedicado de control para el sistema Ac. ltimo canal dedicado de control para el sistema Bd. Primer canal dedicado de control para el sistema B

2.2

Clasificacin AMPS de telfonos celulares

Hay varios tipos de telfonos celulares: mviles (en el automvil), porttiles (de bolsillo) ymanuales (transportables). Hay tres clases de telfonos celulares. La clase a la que pertenecedeterminado radio se determina mediante el tipo de telfono y cunta potencia de transmisines capaz de producir. Los mviles (clase 1) irradian la mxima potencia, y les siguen lostransportables (clase 2); los de bolsillo (clase 3) tienen la mnima potencia de salida. La tabla 4muestra las clases de telfonos celulares AMPS y sus potencias.

2.2.1.

Canal de control AMPS

Los canales de control se usan en los sistemas celulares de telfono para permitir que se

comuniquen las unidades mviles con la red celular a travs de las estaciones base. Se usancanales de control para originar y terminar llamadas y para obtener informacin sobre elsistema. En AMPS hay 21 canales de control en el sistema A y 21 canales en el sistema B. Loscanales de control estn a cada lado del borde del sistema A y B, y los canales de control delsistema A ocupan los canales 313 al 333, y los del sistema B ocupan del 334 al 354. Como seusan 21 de los 416 canales dplex para control, slo quedan 395 canales disponibles paratransmisin de voz. Los canales de control no pueden conducir informacin de voz; sonexclusivamente para conducir informacin de servicio.

En AMPS, la estacin base emite en el canal de control directo (FCC, de forward control channel)

y escucha o recibe en el canal de control inverso (RCC, de reverse control channel). A veces, alos canales de control se les llama canales de preparacin o de voceo. Todas las estaciones basetransmiten en forma continua datos modulados por conmutacin de frecuencia (FSK) en el FCC,por lo que las unidades telefnicas celulares inactivas pueden mantener un amarre con el FCCms intenso, independientemente de su ubicacin. La unidad de un suscriptor debe estaramarrada (a veces se dice enganchada) a un FCC para poder originar o recibir llamadas.


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Niveles de potencia de telfonos mviles AMPSClase de potencia de estacin mvil AMPS

I I II II III IIINivel de

potencia

dBW mW dBW mW dBW mW

0 6 4000 2 1600 -2 630

1 2 1600 2 1600 -2 6302 2 630 -2 630 -2 6303 -6 250 -6 250 -6 2504 -10 100 -10 100 -10 1005 -14 40 -14 40 -14 40

6 -19 15 -18 15 -18 157 -22 6 -22 6 -22 6

Tabla 4 NIVELES DE POTENCIA DE TELEFONOS MOVILES AMPS

Cada estacin base usa un canal de control para vocear en forma simultnea hacia unidadesmviles, para alertarlas de la presencia de llamadas que entran, y para mover las llamadasestablecidas a un canal vacante de voz. El canal de control en sentido directo transmite enforma continua datos a 10 kbps, usando FSK binaria. Las transmisiones de control en sentidodirecto pueden contener informacin indirecta, informacin de control de la estacin mvil oinformacin del archivo de control.

El formato para el canal de control en sentido directo se ve en la figura 2a. All se ve que elmensaje del canal de control est antecedido por un esquema de puntos, que es una secuencia

alterna de unos y ceros. Al esquema de puntos de 10 bits le sigue una palabra de sincronizacinde 11 bits, con una secuencia exclusiva de unos y ceros, que permite que un receptor entre ensincrona en forma instantnea. La palabra de sincronizacin va seguida en forma inmediata porel mensaje, repetido cinco veces.

La redundancia ayuda a compensar los efectos perjudiciales del desvanecimiento. Si tres de lascinco palabras son idnticas, el receptor supone que esas son el mensaje.

Los formatos de datos de canal de control en sentido directo consisten en tres corrientes deinformacin discreta: la corriente A, la B y la de ocupado-desocupado. Las tres corrientes de

datos se multiplexan entre s. Los mensajes hacia la unidad mvil con el bit menos significativode su nmero de identificacin mvil (MIN, de mobile identification number) igual a 0 setransmiten en la corriente A, y los MIN con el bit menos significativo igual a 1 se transmiten porla corriente B.

La corriente de datos ocupado-desocupado contiene bits ocupado-desocupado para indicar elestado actual del canal de control inverso (0 ocupado, 1 desocupado). Al principio de cadasecuencia de puntos, hay un bit ocupado-desocupado, y tambin al principio de cada palabra de


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llamada, se transmite una seal de sealizacin de tiempo fuera de 1.8 segundos. Cada palabrade mensaje contiene 40 bits, y se repite cinco veces para hacer un total de 200 bits.

2.2.2.

Sealizacin de canal de voz

Los canales celulares analgicos llevan informacin tanto de voz, con FM, como digital, usandoFSK binaria. Al transmitir informacin digital de sealizacin, se inhiben las transmisiones devoz. A esto se le llama silencio y rfaga: la voz se silencia y se transmiten los datos en una rfagacorta.

La frecuencia de bits de la informacin digital es 10 kbps. La figura 9a muestra el formato desealizacin de canal de voz para un canal de voz en sentido directo, y la figura 9b muestra elformato para el canal de sentido inverso. La secuencia digital de sealizacin comienza con unasecuencia de 101 bits de puntos que prepara al receptor a recibir informacin digital. Despusde la secuencia de puntos se manda una palabra de sincronizacin para indicar el inicio del

mensaje.

En el canal de voz en sentido directo los mensajes digitales de sealizacin se repiten 11 veces,para asegurar su integridad, y en el canal de recepcin se repiten 5 veces. El canal de sentidodirecto usa palabras de 40 bits, y el canal de sentido inverso usa palabras de 48 bits.

2.2.3.

Tonos de audio de supervisin y sealizacin

Mientras se estn usando los canales de voz hay dos procedimientos adicionales que se usanpara mantener la supervisin entre la unidad mvil y la estacin base: tono de audio desupervisin (SAT, de supervisor audio tone) y el tono de sealizacin (ST, de signaling tone).

Los SAT se usan para asegurar la confiabilidad de las comunicaciones de voz. Los transmite laestacin base y la unidad mvil los manda de regreso. Si el SAT coincide con el SAT transmitido,la unidad mvil sabe que est sintonizada a la estacin base correcta. Las seales SAT son tonosanalgicos de 5970, 6000 o 6030 Hz.

La estacin base transmite en forma continua uno de los tres SAT en cada canal activo de voz.Los SAT se sobreponen a la seal de voz en los enlaces de sentido directo e inverso. En lasclulas que contienen ms de una estacin base, los SAT identifican el lugar de la estacin baseespecfica para determinado canal, y son asignados por el centro de conmutacin para cadallamada.


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FIGURA 3 Formato de canal de voz: (a) canal de sentido directo; (b) canal de sentido inverso

El tono de sealizacin es una rfaga de datos de 10 kbps, que inicia una terminacin dellamada por parte de la unidad mvil. El tono de seal de mensaje de fin de llamada consiste enunos y ceros lgicos alternados, que manda la unidad mvil a travs del canal de control ensentido inverso durante 200 ms. La seal ST se debe transmitir en forma simultnea con el SAT.


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El ST notifica a la estacin base que la unidad mvil ha terminado la llamada en formaintencional, y que no ha salido involuntariamente del sistema. El ST se manda en formaautomtica cuando la unidad mvil cuelga o se apaga.

Adems, una seal de datos de banda ancha puede usar uno de los canales de voz paraproporcionar mensajes breves de datos que permitan al usuario y a la estacin base ajustar lapotencia de salida de las unidades mviles, o iniciar una transferencia de llamada.

2.3.

Acceso mltiple por divisin de frecuencia N-AMPS

Motorola desarroll un AMPS de banda angosta (N-AMPS) para aumentar la capacidad delsistema AMPS en los grandes mercados celulares. Con N-AMPS es posible que hasta tresunidades mviles usen un solo ancho de banda de 30 kHz, al mismo tiempo, usando accesomltiple por divisin de frecuencia (FDMA) y canales de voz de 10 kHz. La sealizacin SAT y STque se usa en N-AMPS es idntica a la de AMPS, pero se logra mediante FSK y corrientes de

datos subaudibles.

En N-AMPS se reduce la desviacin mxima de frecuencia, con lo que se baja la relacin de seala interferencia y se degrada un poco la calidad de audio. La degradacin se compensa usandocompresin y expansin de voz para obtener un silenciamiento sinttico del canal de voz. EnN-AMPS hay un filtro de paso alto, de 300 Hz, en cada canal de voz, de modo que los datos SATy ST no interfieran con las seales de voz. Los datos SAT y ST se transmiten en una corriente dedatos continua de 200 bps NRZ.

2.4.

Telfono celular ETACS

El sistema europeo de comunicaciones de acceso total (ETACS) evolucion en Europa a media-dos de la dcada de 1980. ETACS es virtualmente idntico a AMPS, pero ETACS se limita a unancho de banda de 25 kHz. Tambin, usa un mtodo distinto de formato de nmerostelefnicos del suscriptor (que se llama MIN, o nmero de identificacin mvil) por la necesidadde admitir cdigos de distintos pases de toda Europa, y los cdigos de rea en Estados Unidos.

2.5.

Diagrama de bloques del telfono celular analgico

La figura 10 muestra el diagrama de bloques de un transceptor caracterstico de telfonocelular. Ntese que un transceptor de radio celular se parece mucho a uno normal de FM,excepto por la adicin de varias etapas. Como un telfono celular debe ser capaz de manejar

transmisiones dplex, se debe disear de tal modo que el transmisor y el receptor estn activosal mismo tiempo.


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FIGURA 4 DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN TRANSCEPTOR CELULAR TIPICO

El receptor de la figura 4 es de tipo superheterodino de doble conversin. Usa inyeccin por ellado de alta y un circuito de oscilador local formado por un sintetizador de frecuencia de un solochip con un pre escalador y filtro de lazo a bordo, y un VCO (oscilador controlado por voltaje) de915 a 937 MHz (45 MHz arriba de la RF de llegada). La primera FI (45 MHz) es suficientementealta como para impulsar la frecuencia de imagen mucho ms all de la banda de paso del filtropreamplificador, y la segunda FI (455 kHz) es lo bastante baja como para amplificarse losuficiente y activar el detector de FM. En el transmisor, la seal moduladora se aplica en formadirecta al VCO del transmisor para producir una seal de portadora directa de FM derelativamente baja frecuencia, que se multiplica y despus se amplifica en forma apreciable,antes de llegar a la antena de transmisin.

Ntese que el microprocesador tiene lneas de control a cada bloque funcional principal deltransistor. El microprocesador determina las frecuencias en las salidas del sintetizador defrecuencia. Tambin vigila la salida del detector de FM para determinar la calidad de la sealrecibida, y para detectar la informacin recibida de preparacin. Tambin, el microprocesador

proporciona informacin de preparacin al transmisor y controla la ganancia del amplificadorfinal de potencia.

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