2 Conceitos de transmissão de dados

Transcrição

1 2 Conceitos de transmissão de dados 2 Conceitos de transmissão de dados 1/51

2 2.3 Codificação dos dados 2.3 Codificação dos dados 2/51

3 2.3.1 Fonte de dados digital transmissão de dados digital Códigos de linha 3/51

4 Codificação dos dados Motivações Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha Motivações: Gestão e redução do espectro do sinal: Remoção da componente DC do sinal (Sistemas de transmissão apresentam acoplamento AC) Evitar problemas de sincronismo, quando o trem de símbolos a transmitir contém longas sequências de 0 s ou 1 s 4/51

5 Classificação dos códigos de linha Codificação dos dados Dados digitais transmissão digital Classificação dos códigos de Linha Os códigos podem ser classificados de várias formas: 1 - Quanto à polaridade UNIPOLAR: +A,0 A t POLAR : +A/2,-A/2 BIPOLAR (pseudoternário): +A/2,0,-A/2 A/2 A/2 A/2 A/2 t t 5/51

6 Codificação dos dados Dados digitais transmissão digital Classificação dos códigos de Linha Nota: 2 - Quanto ao duty cycle O nível do impulso mantém-se constante durante o período nominal dos símbolos que representa Non Return To Zero (NRZ) O nível do impulso regressa ao zero antes de terminar esse período nominal (normalmente a meio, o que corresponde a um duty cycle de 50%) Return To Zero (RZ) 3 - Quanto ao número de níveis Os códigos mais comuns apresentam os seguintes números de níveis: dois(binários), três (ternários), quatro (quaternários), oito (octais), etc Em códigos binários é usual encontrar as 4 combinações polar RZ, polar NRZ, unipolar RZ e unipolar NRZ 6/51

7 Codificação dos dados Codificação NRZ Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha NRZ-L-> 0 nível alto, 1 nível baixo NRZ (Non return to zero) NRZ-I-> 1-transição de sinal (H ou L), 0 não há transição Nota: Quando o sinal é codificado, pela comparação da polaridade adjacente, em vez do seu valor absoluto (caso do NRZ-I) é chamada codificação diferencial -> Detecção por transição Inverte a polaridade por cada 1 que encontra ( NRZI = Invert on ones) 7/51

8 Codificação dos dados Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha Características códigos NRZ Vantagens -Fáceis de produzir -Utilização do espectro eficiente (a sua energia está entre DC e metade do bit rate. Para uma L.B. De 4800Hz consegue-se 9600bps) Desvantagens Utilizações Características NRZ -Contêm componente DC, o que poderá constituir um problema -Não têm capacidades de auto sincronização, pois não há separação entre pulsos adjacentes (Ex: longo padrão de 0 s ou 1 s no NRZ-L ou longo padrão de 0 s no NRZ-I, produzem uma tensão constante. Qualquer pequeno desvio de frequência de relógio entre o emissor e receptor, provoca perda de sincronismo) -Não usado em transmissão de dados, mas para gravação magnética, etc. 8/51

9 Codificação dos dados Densidade Espectral Potência NRZ Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha Densidade espectral de potência para códigos NRZ Unipolar rb 2rb 3rb Polar 1 t b 2 t b 3 t b Expressão geral densidade espectral potência P P s s P s () f = F ( f ) t b 2 A t b sinπftb 1 ( NRZ.unipolar) = 1 + δ ( f ) ( NRZ.polar) 2 k = R( k) e 4 j2πkft πft 2 sinπft = A t b πftb b b b 2 2 t b r (3.68) b = 2B (3.69) (3.70) 9/51

10 Codificação dos dados Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha Códigos bipolares AMI (Alternate Mark Invertion) Codificação AMI 0 Representado por ausência de sinal na linha 1 Representados alternadamente por +A e -A Sequências de 1 s são alternadas entre +A e -A 10/51

11 Codificação dos dadoscodificação Pseudo Ternário Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha Códigos bipolares Pseudo ternário (Inverso do AMI) 1 Representado por ausência de sinal na linha 0 Representados alternadamente por +A e -A Sequências de 0 s são alternadas entre +A e -A 11/51

12 Códigos de Linha Características código bipolar AMI e Pseudo Ternário Vantagens -Não apresenta componente DC -Boa capacidade de auto-sincronização para longos padrões de 1 (AMI) ou 0 (Pseudo Ternário) -Forma simples de detecção de erros -> Cada erro de bit causa uma violação na propriedade de alternância do código -Menos Largura de Banda que o NRZ Desvantagens -Problemas de sincronismo para longos padrões de 0 (AMI) ou 1 (Pseudo Ternário) -Menos eficiente que o NRZ (Como apresenta 3 níveis, poderia codificar log 2 (3) = 1,58 bits em vez de 1) -Receptor tem que distinguir 3 níveis de tensão -Para a mesma probabilidade de erro, necessita de uma potência 3dB acima do NRZ Utilizações Características AMI e Pseudo Ternário Codificação dos dados Dados digitais transmissão digital AMI: -Transmissão de dados a longa distância 1,544 Mps -> Norma T1 Americana Pseudo Ternário -Utilizado no acesso básico RDIS (Equipamento terminal) 12/51

13 Codificação dos dados Desempenho dos códigos NRZ, AMI Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha Desempenho dos códigos anteriormente estudados Maior potência (3dB) para mesmo BER 3dB 13/51

14 Códigos bifásicos MANCHESTER Codificação dos dados Codificação Manchester Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha 0 Representado por transição descendente 1 Representado por Transição Ascendente Transição no meio de cada bit 14/51

15 Codificação dos dados Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha Códigos bifásicos Codificação Manchester Diferencial 0 Representado por transição no início do período de bit MANCHESTER Diferencial 1 Representado por ausência de transição no início do período de bit 1 Ausência de Transição início periodo bit 0 Transição início periodo bit 15/51

16 Codificação dos dados Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha Características código MANCHESTER e MANCHESTER DIFERENCIAL Vantagens -Fácil de implementar -Excelente capacidade de auto-sincronização (Devido à transição a meio do bit) -Ausência de componente DC Desvantagens -Baud Rate Duplo do bit rate -Requer maior largura de banda que o código binário NRZ Características Manchester e Manchester Diferencial Utilizações do código MANCHESTER -Utilizado nas redes locais (LAN) ethernet IEEE Utilizações do código MANCHESTER DIFERENCIAL -Utilizado nas redes locais (LAN) em anel TOKEN RING IEEE /51

17 Codificação dos dados Taxa de Modulação / transmissão Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha Taxa de transmissão versus taxa de modulação (Sequência de 1 s) D = t b 1 r b = = 1Mbps e 1 μ s 1 R = = 1Mbaud 1 μ s D t b 1 r b = = 1Mbps 1 μ s e 1 R = = 2Mbaud 0.5μs R = 1 [ baud ] D (3.71) Taxa de modulação Dobra a taxa de modulação relativamente à de transmissão r b 1 1 = [ bs tb ] (3.72) Taxa de transmissão 17/51

18 Codificação dos dados Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha Taxa de transmissão versus taxa de modulação A sequência binária transmitida é aleatória. A taxa de modulação também o é. Taxa de modulação é caracterizada pela variação média de transições ocorrida por cada tempo de bit. Taxas mínimas e máximas de modulação para diversos códigos (R/r b ) Codificação Taxa Modulação Mínima Taxa Modulação Máxima NRZ-L 0 (Tudo 1 s ou 0 s) NRZ-I 0(Tudo 0 s) (tudo 1 s) AMI 0(Tudo 0 s) (tudo 1 s) Pseudo ternário 0(Tudo 1 s) Manchester 1.0 (para ) (Tudo 0 s ou 1 s) Manchester diferencial 1.0 (Tudo 1 s) (Tudo 0 s) 18/51

19 Codificação dos dados Dados digitais transmissão digital Técnicas de Scrambling Códigos de Linha Técnicas de scrambling ou baralhação Códigos bifásicos são largamente utilizados em redes locais, mas não são apropriados para redes alargadas de longa distância (WAN) devido principalmente a: -Pouca eficiência (Alta taxa de sinalização relativamente à taxa de transmissão) (Esta ineficiência reflecte-se num alto custo em ligações de longa distância) O código até agora estudado que parece mais eficiente, é o AMI. Menor L.B e fraca componente DC, mas este apresenta problemas de sincronismo (longos padrões de 0 s) A técnica de scrambling baseia-se na substituição (preenchimento) de sequências do sinal, que produzam tensões constantes,por outra sequência. Esta substituição deverá ser reconhecida pelo receptor que deverá repor os dados originais A sequência de substituição tem o mesmo comprimento que a sequência original de dados, de modo a não haver aumento da taxa de transmissão de dados. 19/51

20 Codificação dos dados Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha Objectivos das técnicas de scrambling ou baralhação Não deverão ter componente DC Não deverão ter longas sequências de ausência de sinal na linha de transmissão Não deverão reduzir a taxa de transmissão de dados Deverão ter capacidades de detecção de erros (violações de polaridade) 20/51

21 Codificação dos dados Codificação B8ZS Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha Código B8ZS (Bipolar with 8 zeros substitution) V = Violação de polaridade no sinal bipolar Se surgir 1 octeto de 8 zeros e a polaridade do último pulso que precede este octeto for +, então substitui os 8 zeros por Se surgir 1 octeto de 8 zeros e a polaridade do último pulso que precede este octeto for -, então substitui os 8 zeros por /51

22 Codificação dos dados Codificação HDB3 Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha Código HDB3 (High-Density Bipolar-3 zeros) Substitui sequências de 4 zeros, por 3 zeros seguidos de uma violação de polaridade (com a mesma polaridade do último pulso antes dos zeros) ou seja: 000V Este método simples levaria a que longas sequências de zeros sofressem sempre a mesma substituição, provocando componente DC. Nota: V - Violação de polaridade no sinal bipolar B - Sinal bipolar Válido 22/51

23 Codificação dos dados Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha Não está ilustrado, mas o nº de 1 s Código HDB3 (Continuação) 1 foi ímpar Ímpar Par Para evitar DC, longos padrões de 0 s são substituídos por B00V, em que B representa um sinal bipolar válido e V uma violação de polaridade. Caso o número de pulsos bipolares (1 s) desde a última substituição seja ímpar: 000V. Caso seja par: B00V 23/51

24 Códigos de Linha Características códigos B8ZS e HDB3 Vantagens -Não apresentam componente DC Desvantagens Utilizações do código B8ZS Características HDB3/B8ZS Codificação dos dados Dados digitais transmissão digital -Excelente capacidade de auto-sincronização -Pouca largura de banda -Forma simples de detecção de erros -> Cada erro de bit causa uma violação na propriedade de alternância do código -Relativamente complexos (Necessitam de tabelas de codificação) -Sistema de transmissão digital Norte Americano -> 1ª Hierarquia PDH T1 (1.792 Mbps) Utilizações do código HDB3 -Sistema de transmissão digital Europeu e Japonês -> 1ª Hierarquia PDH - E1 (2.048 Mbps) 24/51

25 Codificação dos dados Densidade espectral Potência Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha Densidade espectral de potência das várias técnicas de codificação do sinal Menor Componente DC 25/51

26 Codificação dos dados Códigos MBNL Dados digitais transmissão digital Códigos de Linha Códigos multi-nível do tipo mbnl m bits são representados por n pulsos de L níveis n < m, => baud rate < bit rate L > 2 => São multinível Grupos de 4 bits são representados por 3 níveis. Para o 4B3T, o Baud rate é ¾ Bit Rate Q = Quaternário. 2 bits por nível. Grupos de 2 bits são representados por 1 nível. Para o 2B1Q, o Baud rate é ½ Bit rate Utilizações dos códigos mbnl - Circuitos de acesso da rede RDIS, operando a 160 Kbps sobre par entrançado a distâncias até alguns Km - Redes Locais: Machester é exemplo de 1B2B. Ethernet 100 Mb/s utiliza 4B5B 26/51

27 2.3.2 Fonte de dados digital transmissão Analógica. Modems e modulação digital Fonte de dados digital transmissão de dados analógica Modems e modulação digital 27/51

28 Codificação dos dados Dados digitais transmissão analógica Modulação digital Introdução Sempre que se pretenda transmitir dados através da rede telefónica pública comutada A rede telefónica (PSTN) foi desenhada para transmitir, comutar e receber sinais analógicos, nomeadamente de voz. A gama de frequências permitidas na PSTN situa-se entre os 300Hz e 3400 Hz, o que conduz a uma L.B. De cerca de 3Khz Não seria possível transmitir um sinal digital sem forte distorção através da PSTN A solução é utilizar o sinal digital para modular uma portadora sinusoidal (analógica). Requer a utilização de modem (MODulator/DEModulator) Modulações digitais: ASK (Amplitude Shift Keying) FSK (Frequency Shift Keying) PSK (Phase Shift Keying) 28/51

29 Codificação dos dados Dados digitais transmissão analógica Modulação digital Modems Modems Tipos de Modems Modems Banda Base: - Amplifica, Codifica, Descodifica - Sinal é tratado em Banda Base - Para linhas dedicadas Modems Banda Canal: - Amplifica, Modula, Desmodula - Há uma translação do sinal na frequência para canais passa banda - Para linhas dedicadas e comutadas 29/51

30 Dados digitais transmissão analógica Modulação digital ASK (Amplitude Shift Keying) Codificação dos dados Modulação ASK Os dois valores binários são representados pelas duas amplitudes da portadora Originado simplesmente por ligar e desligar a portadora, sendo também designado por OOK (On/Off Keying) 30/51

31 Codificação dos dados Modulador / Desmodulador ASK Dados digitais transmissão analógica Modulação digital Diagrama de modulador / desmodulador ASK s ASK (t) m(t) ' m ( t) x (t) x(t) Modulador não é mais do que um multiplicador da mensagem com a portadora Desta multiplicação resulta um sinal modulado S ASK (transladado na frequência) Para recuperar o sinal original (desmodulador), é suficiente a multiplicação do sinal modulado S ASK pela portadora x(t) e aplicar um filtro passa baixo. 31/51

32 Codificação dos dados Geração do sinal ASK Dados digitais transmissão analógica Modulação digital Geração do sinal ASK - Consideremos o sinal binário desenvolvido em série de Fourier m( t) = + cos( ω0t) cos(3ω 0t) + cos(5ω 0t) π Consideremos o sinal sinusoidal da portadora, representado por: x( t) = cos( ω t) c - O sinal resultante, modulado em amplitude é obtido pela multiplicação dos dois sinais: s ASK ( t) = m( t) x( t) (3.72) 32/51

33 Codificação dos dados s Dados digitais transmissão analógica Modulação digital Geração do sinal ASK s ASK -Desenvolvendo 3.72: ( t) = cos( ωct) + cos( ωct)cos( ω t) cos( ωct)cos(3ω 0t) + cos( ωct)cos(5ω 0 2 π t -E lembrando que: 2cos A cos B = cos( A B) + cos( A + B) (3.73) t) = cos( ωct) + cos( ωc ω ) t + cos( ωc + ω0) t cos( ωc 3ω 0) cos( ωc π 3 3 ASK ( 0 ω0 )... -Conclui-se que: s ASK (t) é igual ao sinal original m(t) com metade da amplitude, sofrendo uma translação na frequência provocada pela portadora ω c mas com 2 componentes em frequência: D e para a freq.fundamental. e, etc. para as harmónicas. ω ω 0 ω +ω ω 3ω c c 0 c 0 c 0 Estas componentes são chamadas de bandas laterais ω + 3ω ) /51

34 Modulação digital Representação espectral do sinal ASK Codificação dos dados Representação espectral ASK Dados digitais transmissão analógica Potência Sinal 6 f 0 2 f 0 f c 3 f 0 f c f 0 f c f0 B = f f c + f c + 3 f0 c + f0 fc f0) = 2 ( f 0 Frequência Considerando que a L.B. Necessária do canal é a que consegue passar a frequência fundamental da sequência (Pior cenário de requisitos de L.B.), pela equação r b ( ASK) = = 2 f0 = B (3.74) tb r Conclui-se que a modulação OOK apresenta uma má eficiência espectral, pois η = b = 1 B Aplicando um filtro à saída do modulador, de modo a eliminar a banda lateral inferior, conseguiria-se duplicar a eficiência espectral: B = f0 rb ( ASK) = 2B (3.75) No entanto: Reduz a Potência do sinal, diminuindo A S/N, e aumentando a taxa de erros de bit f c 34/51 f 0

35 Dados digitais transmissão analógica Modulação digital FSK (Frequency Shift Keying) m(t) x 1 ( t) Codificação dos dados Modulação FSK x 2 ( t) s FSK (t) Os dois valores binários são representados por duas portadoras de diferentes frequências (2 sinais ASK de diferentes portadoras) A diferença entre as duas frequências é conhecida por frequency shift 35/51

36 Codificação dos dados Dados digitais transmissão analógica Modulação digital Geração do sinal FSK - A operação de modulação é obtida pela soma dos dois sinais ASK ' S FSK ( t) = cos( ω t) m( t) + cos( ω t) m ( ) (3.75) 1 2 t ' - Em que ( t) representa o complementar de ' m m( t) = 1 m ( t) -Desenvolvendo 3.46: t) = cos( ω t) + cosω0t cos3ω 0t cos( ω2t) + cosω0t cos3ω 2 π 3 2 π 3 S FSK ( 1 0t S FSK ( t) cos 1 ω π cosω 2t + [ cos( ω2 ω0 ) t + cos( ω2 + ω0 ) t cos( ω2 3ω 0) t cos( ω2 + 3ω 0) t +... ] 2 π 3 3 = cosω t + [ cos( ω ω ) t + ( ω + ) t cos( ω 3ω ) t cos( ω + 3ω ) t... ] 8 Componentes mais a portadora: 36/51

37 Codificação dos dados Dados digitais transmissão analógica Modulação digital Representação espectral do sinal FSK Não simultâneo 1 0 Frequency shift Considere-se a pior sequência de bits a transmitir: Cada valor binário é representado por uma portadora diferente, => A L.B. Mínima para cada portadora pode ser vista como a soma de duas portadores ASK ' No entanto, como o 0 e o 1 modulam duas portadores diferentes não simultâneas, a largura de banda f 0 para cada portadora ' é metade da requerida para o ASK A largura de banda requerida para cada portadora é metade do bit rate rb f 0 = 2 ' Considerando apenas a fundamental do sinal a L.B. Total requerida será f 0 B = f ' frequency shift - Como a componente mais alta em frequência para cada portadora f0 é metade da requerida para o ASK, ' B = 4 f0 + frequency shift = 2 f0 + frequency shift = rb + frequency shift B Igual à do ASK + frequency shift (3.76) f 0 37/51

38 Codificação dos dados Modem Bell 103 Dados digitais transmissão analógica Modulação digital Representação espectral do sinal FSK modem Norma EIA Bell 103 e ITU-T V.21 38/51

39 Codificação dos dados Modulação PSK Dados digitais transmissão analógica Modulação digital PSK (Phase Shift Keying) 1 m(t) x 1 ( t) s PSK (t) s' PSK ( t) Coerente Valores binários diferentes são representados pela inversão de 180º na fase da portadora Diferencial Mudança de fase de 90º => 1 Mudança de fase de 270º => 0 Detecção por transição 39/51

40 Codificação dos dados Representação Espectral PSK Dados digitais transmissão analógica Modulação digital Representação espectral do sinal PSK 1 rb = = 2 f0 rb = tb B (3.77) Diagrama de fase do sinal PSK -> Igual à do sinal ASK, mas sem a portadora => Toda a potência concentra-se no sinal. Apresenta melhor eficiência de potência que ASK 40/51

41 Codificação dos dados Dados digitais transmissão analógica Modulação digital Métodos de modulação Multinível PSK Modulação Multinível PSK Cada elemento (variação) de sinalização representa mais do que 1 bit Exemplo para PSK: Sendo cada símbolo = 2bit => 4 diferentes fases Acos( ω t + 45º ) 11 c Taxa de modulação (Baud Rate) Acos( ω t + 135º ) 10 c S( t) = Acos( ωct + 225º ) 00 rb rb R = = [ baud] (3.78) Acos( ωct + 315º ) 01 log 2 M n S c Representação genérica para um sinal modulado em quadratura ( t) = Ac [ mi ( t)cos( ω ct + θ ) mq ( t) sen( ωct + θ ) ](3.79) Ac Amplitude da portadora (Cte.) fc Frequência da portadora (Cte.) Fase Quadratura i, q Componentes em fase e quadratura 41/51

42 Codificação dos dados Dados digitais transmissão analógica Modulação digital Representação (constelação) do sinal PSK multinível QPSK ou 4-PSK Constelação PSK 8-PSK M=4 M=8 R rb = [ ] 2 baud rb R = [ ] 3 baud 42/51

43 Codificação dos dados Modulação QAM Dados digitais transmissão analógica Modulação digital Métodos de modulação Multinível QAM (Quadrature amplitude modulation) Combinação de variações de fase com variações de amplitude Modulador QAM R = rb [ ] 2 baud 43/51

44 Codificação dos dados Constelação QAM Dados digitais transmissão analógica Modulação digital Métodos de modulação Multinível QAM (Quadrature amplitude modulation) Combinação de variações de fase com variações de amplitude Ex: Constelação modem 2400 baud com 12 Ângulos de fase em que 4 deles com 2 valores diferentes de amplitude 16-QAM r b = 4 R = 9600bps Notas : A robustez da modulação relativamente a erros de transmissão é determinada pela proximidade dos pontos adjacentes na constelação. Desta forma são usados diferentes níveis de amplitude associados a cada fase. Para evitar erros de discriminação no receptor, nem todas as fases contêm 2 amplitudes, pelo que a eficiência diminui 44/51

45 Codificação dos dados Dados digitais transmissão analógica Modulação digital Exemplos constelações QAM 45/51

46 Codificação dos dados Dados digitais transmissão analógica Modulação digital Exemplos constelações 16 - QAM 46/51

47 Codificação dos dados Dados digitais transmissão analógica Modulação digital Normas V.32 e V.32bis para MODEMS Modem V.32 e V.32bis V.32 Full Duplex 2 fios 2400 baud: 9600 bps 5 bits por nível 2 5 = 32 níveis V.32 bis Full Duplex 4 fios 2400 baud: bps 8 bits por nível 47/51

48 Codificação dos dados Dados digitais transmissão analógica Modulação digital Desempenho dos diversos tipos de modulação Probabilidade de erro de bit (BER) para diversos tipos de modulação E b = N0 S N B R (3.80) E b N 0 S R [ db] = [ db] [ db] (3.81) N B Eficiência ( η) de Largura de Banda 48/51

49 Codificação dos dados Resumo Capítulo 2 Conceitos de transmissão de dados Resumo 2.3 Codificação dos dados Fonte de dados digitais transmissão analógica Introdução Tipos de Modems Fontes de dados digitais transmissão digital Modulação ASK Códigos de linha Introdução e classificação Geração Sinal ASK Codificação, características e espectro NRZ Representação espectral ASK Codificação, características e espectro AMI Modulação FSK Geração Sinal FSK Desempenho AMI e NRZ Modem Bell 103 Codificação e características MANCHESTER Representação espectral FSK Codificação e características MANCHESTER Diferencial Modulação multinível FSK Taxa de modulação e transmissão binária dos códigos Modulação PSK Constelação PSK Técnicas de Scrambling Modulação multinível PSK Codificação e características B8ZS Modulação QAM Constelação QAM Codificação e características HDB3 Modems V.32 e V.32 bis Densidade espectral Potência comparação Desempenho dos diversos tipos de modulação Codificação e características MBNL 49/51

50 Codificação dos dados Referências Stallings Data and Computer communications Cap. V (Dados digitais, transmissão analógica) Leon Garcia Communication Networks, Cap. III (Modems e modulação digital) Halsall Data Communications, Computer Networks and Open Systems 4th Edition Cap. II (Interface Eléctrica) Couch Analog and digital comm. systems- Cap. V (Sinais binários passa banda) 50/51

51 FIM 51/51