01. Básico sobre redes de Telefonía

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Un transductor es un dispositivo que transforma (o traduce) una energía de entrada en otra de salida. En telefonía tenemos altavoces, que transforman señales eléctricas en sonido y micrófonos, que transforman el sonido en señales eléctricas.

Un sistema telefónico lo forman además las líneas de transmisión, los transformadores (de adaptación de impedancias), y la batería, que aporta la energía necesaria para el transporte de la señal.

Inicialmente se creó el telégrafo eléctrico, que incorporaba el código Morse para codificar las señales. Después de muchos intentos para transmitir voz, Alexander Graham Bell logró crear el primer teléfono capaz de transmitir voz con calidad aceptable. Para señalar al otro terminal que se deseaba iniciar conversación se accionaba una manivela en un extremo que hacía sonar un timbre en el otro.

El sonido

Como todas las señales complejas, el sonido entra dentro del teorema de Fourier, que dice que toda señal se puede descomponer en una suma de infinitas señales senoidales puras. Más información.

Por otra parte, las señales moduladas tienen un ancho de banda limitado: una señal ethernet ocupa sobre 100MHz, un canal Wi-Fi son 20MHz, uno de TDT 8MHz y así con cualquier señal. En el ámbito del sonido (señal banda base), tenemos:

Esa reducción de ancho de banda permite abaratar el coste de la electrónica utilizada en telefonía.

La red conmutada

Al principio, cuando había pocos teléfonos, se usaba una topología de malla completa o totalmente conexa. Esto requería una cantidad exagerada de cableado que no se utilizaría ni en el caso de que todos los nodos estuviesen conversando.

Así, se decidió pasar a topologías en estrella que albergan centros de conmutación en sus nodos centrales. Pasamos a hablar de red telefónica conmutada (PSTN, Public switched telephone network). La línea que comunica el centro de conmutación con el teléfono del usuario se denomina par, línea o bucle de abonado.

Métodos de conmutación

Quizá ya conozcas el FDMA, que se usa en TDT, radio FM, Wi-Fi y otros sistemas inalámbricos multicanal para transitir varias señales en el aire. Aquí necesitamos transmitir dos señales señales en un par (una por cada interlocutor), además del camino que toman las señales para unir el emisor y el receptor.

Estructura jerárquica de la red telefónica

Primeramente la conmutación era manual. Una operadora conectaba un cable de audio con conectores jack entre emisor y receptor. Después se incorporó a nivel local la conmutación electromecánica, en la que un disco se ajustaba en el centro de conmutación en función de un código que enviaba el teléfono que realizaba la llamada.

Conmutador electromecánico Strowger
Conmutador electromecánico Strowger

Hoy en día se usa conmutación electrónica, basada en semiconductores (como los switches) y no en partes mecánicas. Es más barata y fiable.

La jerarquía de sistemas de conmutación divide la red telefónica en centrales de menor a mayor ancho de banda:

Las líneas que comunican las centrales entre sí son:

A veces se realizan secciones directas entre centrales que no deberían estar conectadas si siguiesen a rajatabla la clasificación anterior.

Señalización y transmisión de voz

La línea telefónica tiene siempre una corriente continua de 48V (no se te ocurra probar esto, te detectarán). Sobre esa tensión se suman las señales alternas de la voz humana (hemos dicho que son una suma de tonos senoidales). Proceso de llamada:

Los impulsos de marcación se pueden enviar mediante disco de marcación o mediante teclados multifrecuencia, que mezclan dos tonos:

Red SS7

La red SS7 es la evolución del sistema anterior. Se pasa de utilizar un sistema de tonos a otro de mensajes estructurado en capas.

Estructura de la red de abonados

La red de abonados une los equipos del abonado (usuario) y la central local a la que pertenecen. Dado que es una red estrella, hay tantas líneas como abonados. Tramos:

El inyector de señal

El inyector de señal o pita-pita permite reconocer la continuidad de un par sin llegar a tocarlo. Es muy útil en una instalación grande. Por ejemplo, pones la fuente de señal en el PTR y vas a buscar a la línea de acometida cuál de los pares es el que comunica con tu PTR. O incluso desde la central local hasta la caja de acometida de tu edificio.

Lo verás si te instalan una línea telefónica de pares en casa.

En viviendas plurifamiliares, urbanizaciones, hoteles…

La red se estructura conforme a la norma de Infraestructuras Comunes de Telecomunicaciones (ICT) en casi todas las viviendas de nueva construcción. En viviendas unifamiliares no es obligatoria pero sí una buena práctica.

Redes analógicas y redes digitales

Red Digital de Servicios Integrados (RDSI)

La red RDSI o ISDN (Integrated Services Digital Network) es una alternativa a la PSTN. La transmisión se efectúa en canales de 64kbps. Se presentó en un momento en el que parecía que el futuro iba a ser digital …y lo sería, pero no en cobre. Tampoco triunfó como tecnología de transición ya que el ADSL era más fácil de implementar.

Voz y datos DSL a través de línea telefónica

La línea digital de abonado (DSL, Digital Subscriber Line) es una idea genial para dar internet a los hogares sin necesidad de cambiar el viejo par telefónico. La idea es que la voz sólo ocupa la parte más baja del ancho de banda del par, así que se pueden enviar datos modulados en alta frecuencia en la parte más alta. Dentro de la parte de voz, hay un ancho de banda para bajada y otro para subida (generalmente un 10% del ancho de banda de bajada).

Distribución de frecuencias ADSL (1MHz, 1,5Mbps). El usuario demanda más ancho de banda de bajada y por ello se dice que la línea es "asimétrica".
Distribución de frecuencias ADSL (1MHz, 1,5Mbps). El usuario demanda más ancho de banda de bajada y por ello se dice que la línea es "asimétrica".

Voz analógica en banda base (0-4kHz), datos digitales modulados (de 25kHz hasta lo que contrates).

Curiosidad: Los datos se modulan en QAM (Quadrature Amplitude Modulation) o EFM (Ethernet in the First Mile).

Existen modificaciones (ADSL2, VDSL…) que aumentan el ancho de banda máximo de 1 a 10MHz (con velocidades de hasta 300Mbps/100Mbps), pero reducen la longitud máxima del par. Cuanto más ancho de banda, más cerca tiene que estar la vivienda del nodo del operador.

En teoría los datos están fuera del ancho de banda audible, pero debido a la distorsión por intermodulación, pueden oirse y molestar. Para ello se deben acoplar microfiltros paso-bajo en cada teléfono de la casa.

En el lado del usuario, el router hace de modem, router, switch y punto de acceso Wi-Fi. En el lado del operador, el DSLAM (DSL Access Multiplexer) hace las tareas conmutación.

Si tienes ADSL y tu vivienda se ha hecho conforme a la normativa ICT, recibirás un par telefónico que se conectará a un multiplexor pasivo. El multiplexor pasivo es como un repartidor o como un switch RJ-45, pero para telefonía. Incorpora 8 bocas RJ-45 que han pasado por microfiltro ADSL para que sólo puedan ser usadas en telefonía y una boca adicional sin filtrar para conectar el modem router. Así, si pones el router al lado del multiplexor pasivo, es muy fácil conmutar las tomas de la casa entre voz (telefonía) y datos (internet via ethernet). Más info.

Resumen de redes típicas

ONT de Vodafone Portugal. El conector RJ-11 está en el router de la derecha.
ONT de Vodafone Portugal. El conector RJ-11 está en el router de la derecha.

Redes de telefonía móvil

La red de telefonía fija es totalmente cableada (cobre o fibra óptica). La telefonía móvil rompe esa barrera y se transmite por OEM (ondas electromagnéticas) a través del espacio libre hasta llegar a la estación base que hace de conversor de medios entre señales guiadas y no guiadas (similar a un punto de acceso Wi-Fi pero en grande).

Una estación base cubre una área llamada “celda” (por eso en inglés americano se les llama “cell phones” en lugar de “mobile phones”). Cuando el usuario se desplaza fuera de la celda de una estación base y entra en la celda de otra, el terminal cambia de estación. Esto es un concepto de radiocomunicaciones que se llama handover.

El primer estándar de telefonía móvil digital que se tuvo éxito fue el GSM (Groupe SpécialMobile). Substituyó la telefonía móvil analógica que funcionó hasta finales de los 90 (totalmente insegura). Después llegó el estándar de segunda generación (GPRS/EDGE), tercera (UMTS, HSPA, HSPA+), cuarta (4G/LTE) y próximamente la quinta. La mayoría de nosotros no necesitamos más ancho de banda para datos móviles, pero es interesante que incorporen mejoras de consumo eléctrico, seguridad, modulaciones más robustas… Podcast muy simpático respecto a este asunto.

Frecuencias típicas: 800MHz (4G LTE), 900MHz (2G, 3G), 1800MHz (2G), 1900MHz (GSM), 2100MHz (3G). Frecuencias más bajas permiten más alcance (penetración) pero tienen menos ancho de banda, por eso algunos estándar trabajan a dos frecuencias. La baja es para zonas rurales y la alta para urbanas.

En la imagen se puede ver la arquitectura de una red de telefonía móvil 4G con compatibilidad con todas las generaciones anteriores. Todo converge en las redes de datos (PSDN) y voz (PSTN). En el futuro todo será IP (sólo datos). Más info.

La tarjeta SIM (Subscriber Identification Module) identifica a los usuarios en las redes GSM y derivadas.

Las pasarelas GSM o femtoceldas son estaciones base en miniatura que interconectan telefonía fija con móvil. Son un concepto análogo a los puntos de acceso inalámbricos (Wi-Fi), pero en telefonía móvil. Se utilizan en lugares donde no llega la señal de las torres.

Sistemas privados de telefonía

En el caso más típico, a cada usuario le llega una sola línea telefónica con voz (banda base) y datos (modulados en banda ancha DSL). En empresas es necesario tener varias líneas para poder enviar y recibir muchas llamadas a la vez.

En esos casos se emplea una central de conmutación privada. Funciona de manera similar a la local, es decir, conmutando las líneas privadas con las externas mediante centrales privadas automáticas de conmutación (PBX: Private Branch Exchange). También puede incluir conectividad para telefonía VoIP, pasarela GSM, conexión RDSI, telefonía inalámbrica DECT, etc.

En el CIFP Ferrolterra tenemos una Panasonic KX-NCP500. Aquí tienes su manual de programación y manual de usuario.

Bibliografía


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