Comunicação de dados - Transmissão de dados sobre a rede telefónica -

Transcrição

1 Comunicação de dado - Tranmião de dado obre a rede elefónica - A maior pare do erviço de dado ão fornecido por modem que eão a funcionar obre canai analógico - uo de modulação digial (e.g. ASK, FSK, PSK, QAM, CPM, OFDM); DTE - Daa Terminal Equipmen DCE - Daa Circui Equipmen Inerface DTE/DCE Uada no ADSL Equipameno erminal de dado Equipameno de comunicação Rede de comunicação Equipameno de comunicação Equipameno erminal de dado e.g. compuador e.g. modem O inerface DTE/DCE é caracerizado por: rê ipo de inai: dado, incronização e conrolo; vário nívei de organização que permiem o funcionameno da aplicaçõe.

2 Comunicação de dado - Arquiecura do modelo OSI e TCP/IP - TCP/IP OSI Aplicação Nível 7 Nível 6 Aplicação Apreenação Noa: Conceio e funçõe de um proocolo Conceio de primiiva de erviço Nível 5 Seão Tranpore Nível 4 Tranpore end-o-end Inerne Nível 3 Rede Ho-onewor Nível Nível Ligação de dado Fíico Equipameno de comunicação Rede DTE DTE DCE

3 Caracerização da informação digial A repreenação de uma menagem digial em banda de bae oma normalmene a forma de uma equência de impulo modulada em ampliude: x = ( ) a r( ) T a repreena o -éimo ímbolo perencene a um alfabeo de M ímbolo. r() é o impulo de upore. T não é neceariamene a duração do impulo, ma im a duração enre dua raniçõe uceiva do inal. Taxa ou rimo de ímbolo: R = /T [baud]; O impulo apó oda a cadeia, p(), eá ujeio à eguine condiçõe: p ( ) = Ea condição garane que e pode recuperar a menagem amorando x() periodicamene no inane = T com =, ±, ±, vio que Tipo de impulo: e.g. NRZ, RZ, Mancheer, muli-nível. = = ± T, ± T,... ( T ) a p( jt T ) a x = = j= e.g. p() pode er um impulo recangular rec(/t ).

4 Limiaçõe inroduzida pelo canal de ranmião Emior Canal Ruído, n() Recepor x() g = L B T = B Aenuação L + LPF y() Regenerador Menagem regenerada incronização O inal y() à aída do filro paa-baixo é expreo por: y = ~ d é o arao de ranmião ( ) a p( T ) n( ) d + é o impulo p() diorcido A recuperação da menagem é arefa do regenerador do inal onde o inal é amorado periodicamene, endo: Se ~ p( ) = = T + d y = ~ j + j ( ) a + a p( T jt ) n( ) ímbolo de canal inerferência iner-imbólica (IIS) p~ ruído ( ) Componene: - Igualador; - Amplificador; - Recuperação do relógio; - Amorador; - Circuio de decião.

5 Limiaçõe do canal de ranmião (con.) O efeio combinado do ruído e da inerferência iner-imbólica (IIS) podem reular em erro na menagem regenerada: y() A y( ) Como diminuir o ruído (aume-e branco e gauiano)? reduzir a largura de banda do filro redução da poência de ruído; implica ambém o alargameno do impulo aumeno da inerferência iner-imbólica. Uma Uma limiação fundamenal da da ranmião digial digial é a relação relação enre enre a IIS, IIS, a largura largura de de banda banda e o rimo rimo de de ímbolo (( R R = Rb Rb // log(rb)). Coniderando um canal ideal paa-baixo com largura de banda B, é poível ranmiir ímbolo independene a uma axa r B baud em IIS. Não é poível ranmiir ímbolo independene a r > B. Criério de Nyqui

6 Tranmião em diorção e com diorção (reviiação) Tranmião em diorção O inal à aída em a mema forma do inal à enrada Canal de ranmião não diorcivo Tranmião com diorção Impulo de upore diorcido Canal de ranmião diorcivo

7 Criério de Nyqui A uilização da axa de ímbolo máxima permiida (R = B, rimo de Nyqui) pelo criério de Nyqui envolve a uilização de um impulo epecial, o impulo inc: TF = inc( R ) inc( T ) P( f ) = T rec R p( ) = Não há influência do filro paa-baixo, com largura de banda B r/, no inal vio que P(f) = para f > r/. Aim, ee impulo não ofre diorção devido ao filro paa-baixo e por io pode-e er r = B; Não há inerferência iner-imbólica, embora p() não eja limiado no empo, vio que ee ipo de impulo é igual a zero no inane = ± T, ± T,. f epecro limiado Sem IIS Com IIS -T T T -T T T inane de amoragem inane de amoragem

8 Criério de Nyqui (con.) Na práica o impulo inc não é realizável (requereria um filro paa-baixo ideal e orna críica a precião emporal no inane de amoragem): o problema de incronização ão reolvido uando impulo com uma forma deignada por coeno elevado com um facor de exceo de banda α enre e. Facor de exceo de banda: B = B ( ) com R min α + R Bmin = = T p() Epecro do impulo para f > : P(f) α = Forma do impulo: T α =.5 α = Largura de banda: R W = α T W min = T ( + α ) = ( + ) R = -T α =.5 -T T α = T R R ( +,5) R f O filro é uma conane aé ee valor α = P ( f ) = T T π f in α W min π α W min f < W ( α ) ( α ) f W ( + α ) f W min min min ( + α ) p ( ) co = ( πα T ) ( ) inc α T T Noa: Para α = W = R

9 Diagrama de olho Indicador qualiaiivo do deempenho de um iema; Conrução do diagrama de olho: depende do nº de ímbolo adjacene que inerferem com o ímbolo em análie: e ó o ímbolo adjacene inerferem enão eremo 8 equência para analiar; a equência piore ão e. Parâmero que podem er avaliado aravé da obervação do diagrama de olho: Diorção no inane de amoragem (IIS) inane de amoragem ópimo margem de ruído Limiar de decião Declive dá a enibilidade a erro no inane de amoragem Noa: Não-linearidade no iema de ranmião criam aimeria no diagrama de olho. Inervalo de empo em que o inal pode er amorado Diorção no cruzameno por zero ( T). Jier (%) = T/T b x

10 Taxa de erro binário (Bi Error Rae - BER) Aume-e que: o canal não inroduz diorção o impulo recebido eá livre de IIS; o ruído é adiivo, branco, gauiano, em média nula e é independene do inal. Recepor digial de banda de bae: G(f)=η/ Regenerador x() + LPF H(f) y() S/H y( ) x e () inal regenerado incronização comparador O amorador (Sample & Hold - S/H) reira amora do inal: A amora ão comparada com um limiar de decião V: y y ( ) > V ( ) < V ( ) = a n( ) y +

11 Taxa de erro binário (con.) Aume-e que x() é um inal unipolar, i.e a = A ( lógico) e a = ( lógico); y() A A fdp de y( ) depende da fdp do ruído e do ímbolo ranmiido fdp condicionada; V x e () A y( K ) K y ( ) = a + n( ) H H : a : a = Y = N = A Y = A + N variável aleaória com diribuição gauiana fdp condicionada: p Y (y H ) = p N (y) p Y (y H ) = p N (y-a) erro

12 Taxa de erro binário (con.) A figura eguine mora curva ípica para a fdp condicionada, aim como um limiar de decião Vh; p Y (y H ) = p N (y) P e V h V h =V op A probabilidade média de erro é dada por A P e p Y (y H ) = p N (y-a) Na iuação preene, o limiar de decião ópimo eá localizado em V op = A/. Aim, a probabilidade média de erro mínima vem dada por: y P P e e = P = P P = P P + PP e e e ( Y > V H ) = p ( y H ) h V A V σ h ( Y < V H ) = p ( y H ) dy = Q com h Q V ( ) = Y Y π + e Vh dy = Q σ λ dλ Noa: para iema de comunicação ópica em-e normalmene P e = -. P e A = Q σ - inai binário; - ruído gauiano branco; - ímbolo equiprovávei.

13 Igualação em ranmião digial Independenemene do ipo de impulo ecolhido exie empre alguma IIS, reulado da imperfeiçõe do filro, conhecimeno incompleo da caraceríica do canal, ecneceidade de igualação. Em ranmião digial não é neceário igualar o inal em odo o empo baa garanir que a IIS é nula ou deprezável no inane de amoragem; P i (f) canal Igualador H c ( f ) I ( f ) P eq (f) Igualador ranveral com N + coeficiene: p~ ( ) T T T T c -N c N P ( f ) P ( f ) H ( f ) I ( f ) eq = i c p eq ( ) I ( f ) = P i Peq ( f ) ( f ) H ( f ) c O coeficiene ão calculado de modo a eliminar a IIS no inane de amoragem: N p ~ c ~ p eq ( ) = cn p( T nt ) = n= N p eq ( ) = = N n n= N n = ±, ±,..., ± N Igualador zero-forcing

14 Regeneradore - Caraceríica gerai - Sinal à enrada do recepor Igualador + amplificador y() S/H y( ) x e () inal regenerado comparador Exracor de relógio Equema para um regenerador binário (M=) Repeidor: repee o inal de enrada na aída, amplificando-o; Regenerador: regenera o inal de enrada realizando 3 funçõe (3R): Re-formaação (Igualação e amplificação - Rehaping); Re-emporização (exracção do inal de relógio - Reiming); Regeneração (amoragem e decião - Regeneraion).

15 Regeneradore - Probabilidade de erro para uma cadeia de m ecçõe- Emior Regenerador Regenerador m - Recepor meio de ranmião Cada regenerador é caracerizado por uma probablidade de erro dependene do código de linha ou écnica de modulação uada: Para o código NRZ polar (± A/): α = = Q À medida que um dado bi é ranmiido de eação em eação ee pode ofrer erro (admiindo independência enre repeidore): Prob (bi ofrer erro em m ecçõe) Só haverá erro na recepção quando um bi ofrer um nº ímpar de erro. Aim, a probabilidade de erro de bi para uma cadeia com m ecçõe é: m Pe, m = P = C α ímpar ímpar P e n m ( ) m = = α α P C m ( α ) mα (diribuição binomial) e α << e m não for muio grande

16 Regeneradore veru repeidore - Deempenho - Probabilidade de erro de bi para uma cadeia com m ecçõe com repeidore: P e, m = Q n = Q m n Probabilidade de erro de bi para uma cadeia com m ecçõe com regeneradore: P e, m mα = mq n P e = 5 Ganho de poência, db m Exemplo: Para m = ecçõe iema com repeidore exigem mai cerca de 8.5 db de poência (por repeidor) que iema com regeneradore.

17 Tranmião Digial - Modo de ranmião digial - Funçõe da incronização: reconhecimeno do princípio e fim da menagem; conhecimeno da duração de bi para amoragem correca. E R ~ ~ Tranmião aíncrona: emior e recepor êm relógio independene que ão periodicamene incronizado - no início de cada caracer (5 a 8 bi); devanagem: não é poível enviar equência longa (erro cumulaivo); uilização: e.g. ranmião de dado do compuador para o modem (inerface RS3C). Tranmião íncrona: informação de relógio vai embebida no próprio inal ou vai num canal independene; doi nívei de incronização: Trama: a incronização é ranmiida no princípio da ranmião (e.g. flag do HDLC); Bi: com código de linha apropriado (e.g. Mancheer, RZ); vanagem: é poível enviar uma longa equência de dado. E R ~ Recuperação de relógio

18 Técnica de incronização de bi LPF y() Regenerador x e () inal regenerado Exracor de relógio Sincronização de bi em malha abera: A incronização de bi fica implificada quando y() é um impulo RZ unipolar - o eu epecro inclui δ(f ± R b ); um filro paa-banda inonizado para f = r b irá exrair uma inuóide proporcional a co (πr b + φ). Pode uilizar-e ea écnica para inai polare; ma primeiro o inal y() em que er elevado ao quadrado. c() Como e realiza ea função? y() Quadrador y () LPF f = R b Ajuameno de fae c()

19 Técnica de incronização de bi (con.) Sincronização de bi em malha fechada: obêm-e uma incronização mai fiável; Volage-conrolled cloc y() Deecor de paagem por zero z() c() x Inegrador LPF v() VCC c() Ver Carlon, Sec..4 y() z() T b NOTA : Lembrar o funcionameno da malha de eguimeno de fae ( PLL - Phae Loced Loop). c() T b / z()c() T b /4 NOTA : ea incronização pode-e generalizar para o cao M-ário, correpondendo a uma incronização de ímbolo de duração T v()

20 Código de linha - Objecivo e caraceríica - Objecivo: O código de linha ão ecolhido de modo a ulrapaarem a limiaçõe do canal de ranmião e do equipameno aociado (e.g. amplificadore). Caraceríica: Baixa componene epecral na baixa frequência e zero à frequência zero: evia o vagueio DC; permie o acoplameno AC por ranformador. Coneúdo de emporização uficiene (número de raniçõe) para viabilizar a recuperação do inal de relógio; Capacidade de deecção de erro (e.g. código AMI); Largura de banda reduzida (inai muli-nível); Tranparência a oda a informação binária (e.g. deve er capaz de ranmiir longa equência de pulo);

21 Vanagem do NRZ unipolar: implicidade. NRZI - uma ranição equivale ao nível lógico imune à inverõe de polaridade. Vanagem do RZ e NRZ polar: meno poência para a mema probabilidade de erro. Vanagen do AMI: Componene DC nula; Deecção de erro; Mai raniçõe que o NRZ. CMI - Coded Mar Inverion (uilizado na 4ª hierarquia - 39 Mbp) A A/ -A/ - A A A/ Código de linha - Algun ipo - T b NRZ unipolar RZ unipolar NRZ polar RZ polar Bipolar ou AMI Código peudo-ernário Mancheer Devanagen do RZ e NRZ unipolar: inuficiene informação de emporização em longa equência de e (RZ); componene DC e na baixa frequência; não em capacidade de deecção de erro. Devanagem do AMI: longa equência de Solução: ubiuir a equência de zero por equência epeciai que conêm violaçõe inencionai do código - Bipolar N-Zero Subiuion (BNZS), High- Deniy Bipolar N (HDBN). O HDB3 é uado para a ª, ª e 3ª hierarquia. Vanagen do Mancheer: fore componene de emporização; componene DC nula. -A/ Devanagem do Mancheer: precia de mai largura de banda.

22 O epecro de poência de um inal digial aleaório (para ímbolo incorrelacionado) é dado por: G x O epecro de poência de x() coném impulo na harmónica do rimo de ímbolo, a meno que m a = ou P(f) = para oda a frequência f = n/t (T é o empo de ímbolo). Sinal RZ unipolar: Código de linha - Epecro - ( f ) = σ r P( f ) + ( m r) P( nr) δ ( f nr) G x (f) A T/4 A T/6 a G x ( f ) a n= A = T inc 6 f T A + 6 n= ( nπ ) in nπ RZ unipolar NRZ unipolar AMI P ( f ) - epecro do impulo p() r - rimo de ímbolo m a - média da ampliude do ímbolo σ a - devio padrão da ampliude do ímbolo δ f n T P com T ( f ) = inc Mai largura de banda (-) Recuperação de relógio (+) Epecro na baixa frequência (-) Recuperação de relógio (-) Epecro na baixa frequência (+) Recuperação de relógio (+) ft /T /T 3/T 4/T f