Modulação. Modulação e Codificação. Modulação. Modulação. Técnicas de Modulação

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1 Modulação e Codificação Modulação Dados analógicos Sinais analógicos Dados digitais Sinais analógicos Codificação Dados analógicos Sinais digitais Dados digitais Sinais digitais Modulação Processo pelo qual o sinal de dados (dito sinal modulante) modifica um ou mais parâmetros (amplitude, freqüência ou fase) de uma onda senoidal, dita portadora. A informação impõe o modo como vai ser modificada a portadora. Ao se analisar, na recepção, as modificações sofridas pela portadora, pode-se recuperar a informação digital (demodulação). Por isso, se diz que a portadora transporta a informação. Modulação Modulação Uso mais comum: transmissão de dados digitais em rede telefônica. Rede telefônica: sinais de voz a 3400 Hz. Há basicamente quatro técnicas modulação em amplitude modulação em frequência modulação em fase modulação QAM Através destas técnicas de modulação pode-se transformar um dado digital em um sinal analógico. Modulação em Amplitude Também chamada de ASK (Amplitude Shift Keying chaveamento de amplitude). A amplitude da onda portadora é modificada de acordo com o sinal a ser transmitido. Exemplo: Acos( 2πf binário 1 ct) 0 binário 0 Existem duas variações desta técnica: modulação de amplitude e suspensão de portadora. Sensível a ruídos e a interferências. Trabalha até 1200 bps em linhas de voz Pode ser usada para transmitir dados digitais sobre fibra ótica. LED - Binário 1 - presença de luz Binário 0 - ausência de luz Laser - nível de luz baixo ou alto 1

2 Modulação em Frequência Também chamada de FSK (Frequency Shift Keying chaveamento de freqüência). A mais comum é a FSK binária (BFSK). A freqüência da onda portadora é modificada de acordo com o sinal a ser transmitido. Exemplo Acos( 2πf1t ) binário 1 Acos( 2πf 2t) binário 0 BFSK é menos suscetível a erros do que a ASK. Trabalha acima de 1200 bps em linhas de voz. Pode ser usada para transmissão de rádio de alta frequência (de 3 a 30 MHz). Modulação em Fase Também chamada de chamada de PSK (Phase Shift Keying chaveamento de fase). A fase da onda portadora é modificada de acordo com o sinal a ser transmitido. Varia-se a fase da portadora, mantendo-se suas amplitudes e freqüências constantes. Possui um alto rendimento e baixa interferência a ruídos. PSK Binária (BPSK) Duas fases para os dois dígitos binários (180 o ) PSK Diferencial (DPSK) Mudança de fase faz referência a transmissão do bit anterior. Quadature PSK (QPSK) Cada elemento de sinal pode representar mais do que um bit. Ex.: Usa mudanças de fase de 90 o. Cada elemento pode representar dois bits. Pode usar 8 ângulos de fase e ter mais do que uma amplitude. Modems de 9600bps usam 12 ângulos, quatro dos quais tem duas amplitudes. Modulação QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Usada na ADSL e em alguns padrões de redes wireless. Combina ASK e PSK, mantendo sua frequência constante. Pode ser considerada uma extensão da QPSK. Tem-se uma constelação de pontos de modulação possíveis. 2

3 Multiplexação É a técnica que permite a transmissão de mais de um sinal em um mesmo meio físico. A capacidade de transmissão do meio físico é dividida em fatias (canais), com a finalidade de transportar informações de equipamentos distintos. Multiplexação Existem duas técnicas de multiplexação: Multiplexação por Divisão de Freqüência (FDM - Frequency Division Multiplexing) Multiplexação por Divisão de Tempo (TDM - Time Division Multiplexing) Multiplexação - FDM Multiplexação - FDM Neste tipo de modulação a banda passante é dividida em vários canais de comunicação, em faixas de freqüência distintas. Cada um desses canais pode ser usado individualmente como se fosse uma linha separada. Na telefonia as faixas de freqüência reservadas para a transmissão de voz são de 4 KHz. Neste tipo de técnica os terminais não precisam estar geograficamente próximos. Todos sinais são enviados ao mesmo tempo, porém cada um ocupando uma diferente porção da largura de banda. Uma desvantagem da FDM é a dificuldade de expansão. Multiplexação - FDM Multiplexação - FDM Etapas para a transmissão de um sinal multiplexado na freqüência: passar um filtro no sinal de forma a preservar somente a faixa relativa à banda passante necessária a cada um deles; deslocar a faixa de freqüência deste sinal para a faixa de freqüência da sua transmissão; na recepção deve-se novamente deslocar o sinal da freqüência de transmissão de transmissão para a sua freqüência original; novamente passa-se um filtro para conter somente o sinal original. Transmissão de canais de voz sobre o mesmo meio simultaneamente. 3

4 Multiplexação - FDM Transmissão ADSL Menos de 25kHz para voz Plain old telephone service (POTS) Uso de FDM para alocar duas bandas Multiplexação - TDM Este tipo de multiplexação se beneficia do fato de que a capacidade (em quantidade de bits por segundo) do meio de transmissão, em muitos casos, excede a taxa média de geração de bits das estações conectadas ao meio físico. Ela intercala os bits, que fluem das linhas de baixa velocidade, dentro da linha de maior velocidade. A TDM pode ser classificada em síncrona e assíncrona. Multiplexação - TDM Multiplexação - TDM Síncrona O domínio do tempo é dividido em intervalos de tamanho fixo T chamados frames (quadros). Cada frame é subdividido em N subintervalos {t 1,...,t n } denominados slots ou segmentos que formam uma partição dos frames que, por sua vez, formam uma partição do tempo infinito. Os segmentos de tempo dentro de um frame não precisam ser do mesmo tamanho. Multiplexação - TDM Síncrona Canal Fixo é o conjunto de todos os segmentos, um em cada frame, identificados por uma determinada posição fixa dentro desses frames. Cada canal deve ser alocado para as diferentes fontes de transmissão. Canais Chaveados são alocados e deslocados dinamicamente durante o funcionamento das fontes transmissoras. Multiplexação - TDM Assíncrona Também chamada de multiplexação estatística. Não há alocação de canal. Parcelas de tempo são alocadas dinamicamente de acordo com a demanda das estações, isto é, com a largura individual de cada canal. A banda a ser destinada a cada uma dos canais é alocada dinamicamente com base na utilização estatística. Cada canal dispõe de banda somente quando estiver enviando dados. 4

5 Multiplexação - TDM Assíncrona Permite-se dessa forma a maximização do uso da largura de banda disponível na linha compartilhada. Nenhuma capacidade de transmissão é desperdiçada, pois o tempo não utilizado está sempre disponível caso alguma estação gere tráfego e deseja utilizar o canal de transmissão. Multiplexação - TDM Assíncrona Cable Modem Dois canais dedicados para transferência de dados. Um em cada direção. Cada canal é compartilhado por vários assinantes. Uso de TDM Assíncrono ou estatístico. Limitações da Rede Telefônica As linhas telefônicas possuem um comportamento elétrico diferente daquele que seria considerado ideal. Isso se deve à existência de resistências, capacitâncias e indutâncias ao longo da fiação e circuitos comutadores, amplificadores e multiplexadores. Limitações da Rede Telefônica Tal comportamento pode ser descrito pelo modelo apresentado na figura abaixo, que representa um quilômetro de linha de transmissão. Limitações da Rede Telefônica Os resistores R representam a resistência dos fios e são responsáveis por uma atenuação geral do sinal, independente da freqüência. C representa a capacitância decorrente da proximidade entre os condutores. L é a indutância dos fios. G é condutância do isolante, que resulta em fuga de corrente. Limitações da Rede Telefônica As influências da indutância e da condutância são normalmente desprezíveis. Além do comportamento elétrico da linha, outros fatores contribuem para a degeneração do sinal transmitido: introdução de componentes que não faziam partes do sinal original, alteração da sua forma (freqüência, fase, amplitude). 5

6 Distorção e Ruído Distorção e Ruído Todo sinal elétrico ao propagar-se em um meio de transmissão sofre degradação Distorções são alterações determinísticas e sistemáticas da forma de onda do sinal, causadas pelas características de transmissão imperfeitas do canal Ruídos são perturbações de natureza aleatória, causadas por agentes externos ao sistema de comunicação Distorção Mudança indesejada na forma da onda Ocorre sempre que é transmitido o sinal sobre um certo canal. Conhecendo o canal, pode-se predizer o que irá acontecer sobre qualquer sinal que seja transmitido por ele. É passível de compensação pela adição de componentes elétricos passivos e/ou ativos ao canal, que eliminem ou minimizem seus efeitos. Distorção por atenuação As distorções, por serem sistemáticas e determinísticas, podem ser compensadas no transmissor e no receptor, através de circuitos de equalização Se todas as componentes de um sinal tivessem suas amplitudes simplesmente atenuadas de forma constante, o sinal perderia potência mas manteria a mesma forma de onda, sem distorção A distorção ocorre porque a atenuação afeta de maneira diferente as amplitudes relativas de diferentes componentes do sinal. Distorção por atenuação Distorção por atenuação A perda geralmente é maior nas margens inferior e superior da banda de passagem do canal Utilização de amplificadores e equalizadores para minimizar o efeito da distorção Os equalizadores são dispositivos cuja função de transferência é o inverso daquela do canal, na faixa de freqüências de interesse, compensando o efeito da atenuação variável do canal 6

7 Distorção por Retardo (de fase) Distorção de fase Não só a amplitude de uma senóide é afetada ao ser transmitida em um canal sua fase também é modificada As componentes do sinal sofrem saltos de fase não linear provocando um atraso maior nas freqüências que estão à margem da banda de passagem Danosa à transmissão de dados possibilidade de interferência entre símbolos Utilização de equalizadores de fase Ruído É constituído por sinais eletrônicos aleatórios Por serem aleatórios, não podem ser completamente compensados. Adição adulterada ao sinal de informação que tende a alterar seu conteúdo. É um sinal indesejável. É muito difícil de compensar, pois não pode ser prognosticado, a não ser em termos de probabilidade. Ruído Existem dois tipos de ruído que afetam as comunicações telefônicas: ruído branco ruído impulsivo Ruído branco Ruído branco É denominado também ruído térmico. Provocado pela agitação dos elétrons nos condutores. Sua quantidade é função da temperatura. É uniformemente distribuído em todas as freqüências do espectro. Na prática, é o chiado de fundo que pode ser ouvido em qualquer sistema de comunicação. É mais danoso à comunicação de voz do que à comunicação de dados. 7

8 Ruído branco A recuperação e amplificação do sinal em pontos intermediários de um canal de comunicação não melhora a relação sinal/ruído (RSR) ruído branco também é amplificado e se adiciona ao nível de ruído presente no novo trecho de linha Assim, a RSR se deteriora com o aumento do número de trechos de um canal Ruído impulsivo É não contínuo e consiste em pulsos irregulares e com grandes amplitudes, sendo de difícil prevenção a duração destes pulsos pode variar de alguns milisegundos até centenas de milisegundos É provocado por Ruído impulsivo distúrbios elétricos externos ou falhas nos equipamentos indução no circuito telefônico (raios) É o causador da maior parte dos erros em comunicação de dados Sua medida se realiza pela contagem do número de vezes que, num determinado período de tempo, os picos ultrapassem um nível pré-fixado 8