BC-0506:Comunicação e Redes Aula 2: Introdução aos Sistemas de Comunicação

Transcrição

1 BC-0506:Comunicação e Redes Aula 2: Introdução aos Sistemas de Comunicação Santo André, maio de 2011

2 Sistemas de Comunicação Informação / Mensagem Representação de fatos, conceitos ou instruções de uma forma adequada para comunicação, interpretação ou processamento por seres humanos ou máquinas

3 Sistemas de Comunicação Comunicação Ato de transportar informação de uma origem a um destino A comunicação requer uma linguagem ou um código que contém a informação e um meio físico por onde a informação é transferida Protocolo de Comunicação Conjunto de regras e convenções que especifica em detalhes como a comunicação é feita entre dois elementos do sistema Telecomunicação Consiste na transmissão da informação de uma origem a um destino através de ondas eletromagnéticas

4 Sistemas de Comunicação Sistema de Comunicação Modelo Básico Fonte de Sinal Transmissor Sinal Recuperado Receptor Canal de Comunicação

5 Sistemas de Comunicação Transmissor Converte a informação para uma forma mais adequada para sua transmissão através do canal de comunicação Receptor A função principal do receptor é recuperar a informação transmitida a partir do sinal recebido Executa a operação inversa do transmissor Opera na presença de ruído, interferência e distorção Necessita de técnicas distintas para minimizar esses efeitos Canal de Comunicação É o meio físico entre o transmissor e o receptor Pode ser Guiado ( Wired ) ou Não-Cabeado ( Wireless )

6 Sistemas de Comunicação Independente do tipo de meio físico, normalmente o sinal transmitido pelo canal de comunicação sofre alterações das suas características, causadas fundamentalmente por: Atenuação Distorções de Amplitude, Frequência e Fase Ruído Interferências

7 Sistemas de Comunicação Exemplo mais Simples de Canal de Comunicação O Canal de Voz Telefonia Hz

8 Sistemas de Comunicação Espectro de Frequência Média na Conversação Potências Relativas 1 0,1 0,01 0,001 Frequência de Voz Faixa de Boa Inteligibilidade Mulheres Homens 0, khz

9 Sistemas de Comunicação Ouvido Humano Sensor de vibração espiral preenchido com fluido Funciona como um filtro espacial O som é detectado medindo o nível de pressão sobre um ponto Quando um sinal acústico atinge o ouvido externo (Pinna), ele é convertido em energia e filtrado pelo ouvido médio. No ouvido interno (Cochlea), a energia é transformada em atividade nervosa

10 Sistemas de Comunicação Sistemas de Comunicação Atuais MSC PSTN

11 Representação de Sinais no Domínio do Tempo

12 Sinais O que são sinais?

13 Sinais Sinais Transportam informações sobre o estado ou comportamento de um fenômeno ou acontecimento físico São representados matematicamente como funções de uma ou mais variáveis independentes Um sinal de voz pode ser representado matematicamente como uma função do tempo Uma imagem fotográfica pode ser representada matematicamente como a variação do brilho e da cor em função de duas variáveis no espaço

14 Amplitude (V) Sinais Sinais Determinísticos Podem ser representados por uma função analítica É possível determinar precisamente o valor do sinal em um dado instante de tempo ex: f(t)=acos( o t), onde A e o são constantes 1 Sinal Determinístico Tempo (s)

15 Amplitude (V) Sinais Sinais Aleatórios Só podem ser representados por suas características estocásticas (média, variância, autocorrelação etc) Não podem ser representados por uma função analítica (não é possível determinar precisamente o valor do sinal em um dado instante de tempo) ex: f(t)=acos( o t), onde A é uma V.A. contínua Gaussiana ex: f(t) é um sinal de voz Sinal Aleatório - Voz Tempo (s)

16 f(t) Sinais Sinais Periódicos Apresentam uma repetição de seus valores de amplitude a intervalos regulares de tempo Satisfazem a condição: f(t) = f(t + kt o ), para todo t Onde, T o é o período fundamental de repetição e k é um n o inteiro A área sob qualquer intervalo de duração igual a kt o é a mesma 1 Sinal Periódico T o 2T o t

17 f(t) Sinais Sinais Aperiódicos Não existe To que satisfaça a condição de periodicidade Não apresentam um repetição de seus valores de amplitude a intervalos regulares de tempo 1 Sinal Aperiódico t

18 Sinais Sinais em Tempo Contínuo Definidos ao longo de todos os instantes de tempo num intervalo possível de valores. Portanto, podem ser representados por uma variável independente contínua x(t) onde t pode assumir qualquer valor real São geralmente denominados como sinais analógicos 1 Sinal Analógico

19 Sinais Sinais em Tempo Discreto Definidos apenas em instantes distintos do tempo num intervalo possível de valores. Portanto, podem ser representados por uma variável independente discreta São matematicamente representados por sequências de números x[n] onde n {...-3,-2,-1,0,1,2,3...} Normalmente são derivados de sinais em tempo contínuo através do processo de amostragem 1 Sinal em Tempo Discreto

20 Sinais Sinais Analógicos Variação contínua da amplitude Número infinito de símbolos Sinais Digitais Variação discreta da amplitude Número finito de símbolos

21 Sinais Exemplo: Sinal Analógico de Voz

22 Sinais Exemplo: Sinal Digital de Imagem (Matriz Espacial) Pixel pode ser 0 (branco) ou 1 (preto)

23 Representação de Sinais no Domínio da Frequência

24 Representação no Domínio da Frequência Sinal Cossenoidal Amplitude Voltz Intensidade do sinal Frequência Hertz (ciclos/s) Taxa de mudança do sinal s t A cos 2 f t c Fase Graus / Radianos / etc Posição relativa do sinal no tempo Período Tempo de repetição do sinal 1 / f c = c / f c (c = )

25 Representação no Domínio da Frequência Sinal Cossenoidal Qual é a Amplitude de um Sinal de 1V? Qual é a Frequência de um Sinal de 1kHz?

26 Representação no Domínio da Frequência Sinal Cossenoidal com Amplitude de 1V e frequência de 1KHz com fase zero s t 1 cos t

27 Representação no Domínio da Frequência Sinal Cossenoidal O que acontece Se o Sinal não for Cossenoidal? Qual é ou Quais são as Componentes de Frequência do Sinal?

28 Representação no Domínio da Frequência Representação de Sinais no Domínio da Frequência Sinais podem ser decompostos em sinais cossenoidais de frequências múltiplas Frequência fundamental e harmônicas Séries e Transformadas de Fourier (FFT, DFT)

29 Representação no Domínio da Frequência Analisadores de Espectro Usados para visualizar sinais no domínio da frequência

30 Representação no Domínio da Frequência Qual a importância da Análise no Domínio da Frequência? A análise da largura de faixa de frequência de um sinal ou sistema permite o dimensionamento adequado do sistema A determinação da distribuição espectral de um sinal ou a resposta de frequência de um sistema permitem otimizar o desempenho do sistema

31 Teorema da Amostragem

32 Amostragem Teorema da Amostragem Teorema da Amostragem O teorema da amostragem é um dos resultados mais importantes na análise de sinais e tem ampla aplicação nas áreas de comunicações e processamento de sinais Muitas das técnicas de processamento de sinais modernas e toda a família de métodos de comunicação digital são baseadas na validade desse teorema De fato, esse teorema e os resultados obtidos pelas técnicas de quantização de sinal oferecem uma ponte de conexão entre o mundo analógico e digital

33 Amostragem Teorema da Amostragem f 1 (t) A idéia central que rege o teorema da amostragem é muito simples e bastante intuitiva Considere 2 sinais f 1 (t) e f 2 (t): f 2 (t) T 1 t T 2 t O sinal f 1 (t) apresenta variações lentas da amplitude e é composto fundamentalmente por componentes de baixa frequência O sinal f 2 (t) apresenta variações rápidas da amplitude e é composto fundamentalmente por componentes de alta frequência Pode-se aproximar esses sinais através de amostras tomadas a intervalos regulares T 1 e T 2, respectivamente

34 Teorema da Amostragem Um sinal f(t) limitado em faixa, que não possui nenhuma componente espectral acima da frequência B Hz, é determinado univocamente por seus valores tomados a intervalos uniformes menores que 1 / (2.B) segundos Assim, pode-se representar um sinal f(t) completamente utilizando uma taxa de amostragem 2 vezes maior que a maior componente de frequência de f(t) f samp 2 f max Assim, o teorema da amostragem oferece: Um método de reconstrução do sinal original a partir de suas amostra Um limite superior do intervalo de amostragem (ou limite inferior da frequência de amostragem) necessária para uma reconstrução sem distorção

35 Amostragem Por que os Sistemas de Compact Disc usam frequência de amostragem de 44,1KHz? A música apresenta uma faixa audível de 20Hz à 20KHz Aplicando o teorema de Nyquist para a frequência máxima, tem-se: f samp 2 f max 40KHz Necessidade de uma banda de guarda Para reduzir a complexidade de um filtro prático, pode-se utiliza uma faixa adicional de 10% f samp f 0.1 f 44KHz 2 max max f samp 2 f max 10%

36 Sinais Digitalização da Informação Sinal Analógico Amostragem Quantizador 111 Codificador & Modulador e m (t) e m (t) e m (t) e m (t) T s 2T s 3T s t 0 T s 2T s 3T s t 0 T s 2T s 3T s t 0 T s 2T s 3T s t Sinal Analógico Filtro Passa-Baixa Quantizador Decod. & Demod.

37 Digitalização da Informação Analógica Qualquer sinal analógico (voz, música, vídeo etc) limitado em faixa pode ser transformado em digital O processo de digitalização de um sinal analógico é composto basicamente pelas etapas de: Amostragem Quantização Codificação / Modulação

38 Meios de Transmissão

39 Meios de Transmissão Classificação dos Meios de Transmissão Podemos classificar de forma simples os meios de comunicação como: Meios Guiados Meios Não-Guiados (Wireless)

40 Canais de Comunicação Guiados

41 Meios de Transmissão Canais Cabeados (Wireline) Par Trançado Cabo Coaxial Fibra Óptica TX Amplificador Regenerador etc RX

42 Meios de Transmissão Par Trançado Formado por 2 fios condutores entrelaçados revestidos por um isolante elétrico Principais Características Largura de Faixa: ~ 60kHz Custo baixo Suscetível a ruído Distância de 6km Principal Aplicação Redes telefônicas Twist Length

43 Meios de Transmissão Unshielded Twisted Pair (UTP) Evolução para Redes de Computadores Locais (LAN) Principais Características Instalação fácil Custo baixo Suscetível a ruído Comprimento Máximo depende da taxa transmitida 100m para Fast Ethernet (100Mbps) Principal Aplicação LAN

44 Meios de Transmissão Shield Twisted Pair (STP) Evolução para Redes de Computadores Locais (LAN) Principais Características Blindagem contra interferências e ruídos Instalação difícil Mais caro Principal Aplicação LAN

45 Meios de Transmissão Cabo Coaxial Formado por 1 fio condutor central, revestido por um material isolante que são rodeados por uma blindagem Principais Características Largura de Faixa maior que TP TV a cabo ~ 300 Mbps Limite ~ 2 Gbps Susceptibilidade à Interferência menor que par trançado Distâncias de cobertura maiores que TP Instalação complexa Custo Elevado Principal Aplicação (atualmente) TV a Cabo

46 Meios de Transmissão Cabo Coaxial

47 Meios de Transmissão Fibra Ótica Formado por 1 fibra de vidro central, uma casca com coeficiente de refração adequado e revestida por um material opaco resistente Principais Características Alta capacidade (~20Tbps) Baixa atenuação Peso e espessura reduzidos Isolação elétrica e eletromagnética Imunidade a umidade Instalação e manutenção difícil Custo Elevado Principal Aplicação HS-LAN, backbone de redes de dados, TV a Cabo

48 Meios de Transmissão Fibra Ótica Núcleo Casca Capa opaca n 1 n 2 < n 1 n = O índice de refração do meio é definido como: n c v meio onde c = Km/s é a velocidade da luz no vácuo e v meio é a velocidade da luz no meio

49 Meios de Transmissão Fibra ótica

50 Meios de Transmissão Fibra

51 Meios de Transmissão Fibra Monomodo e Multimodo

52 Canais de Comunicação Não-Guiados (Wireless)

53 Meios de Transmissão Canais Sem Fio (Wireless) Infravermelho Radiopropagação TX RX TX RX

54 Meios de Transmissão Transmissão por Infra-Vermelho Ondas de luz (eletromagnéticas) na faixa de infra-vermelho Principais Características Não requerem licença Alcance curto Hardware barato Instalação fácil Normalmente direcionais Não atravessam obstáculos! Principal Aplicação Controle Remoto, IrDA

55 Meios de Transmissão Transmissão por Infra-Vermelho TX RX Foto-diodo Foto-transistor

56 Meios de Comunicação Transmissão por Radiofrequência Ondas Eletromagnéticas pelo ar Principais Características Mobilidade Longo Alcance Implementação Fácil Sujeitos a várias fontes de interferência Interferências elétricas (ruído de ignição, etc) Interferência eletromagnéticas Potência cai com o quadrado da distância Depende da aplicação (celular: cai com o cubo, etc) Principal Aplicação WLAN, Redes Celulares, Microlink

57 Meios de Comunicação Canal de Radiopropagação Transmitter A D C B Receiver A: Espaço Livre B: Reflexão C: Difração D: Dispersão Reflexão: objeto é grande em relação a Dispersão: objeto é pequeno em relação a

58 Espectro eletromagnético O espectro eletromagnético é o intervalo completo da radiação eletromagnética, que contém desde as ondas de rádio, as microondas, o infravermelho, a luz visível, os raios ultravioleta, os raios X e até a radiação gama. Para saber mais: Uma carga em repouso cria à sua volta um campo que se estende até ao infinito. Se esta carga for acelerada haverá uma variação do campo elétrico no tempo, que irá induzir um campo magnético também variável no tempo. Estes campos em conjunto constituem uma onda eletromagnética. Uma onda eletromagnética propaga-se mesmo no vácuo. Maxwell concluiu que a luz visível é constituída por ondas eletromagnéticas, em tudo análogas às restantes, com a única diferença na frequência e comprimento de onda. De acordo com a frequência e comprimento de onda das ondas eletromagnéticas pode-se definir um espectro com várias zonas (podendo haver alguma sobreposição entre elas).

59 Espectro de Frequência Alocação do Espectro

60 Espectro de Frequência Alocação do Espectro

61 Ação do Meio de Transmissão Sobre o Sinal

62 Meios de Comunicação Atenuação A amplitude do sinal é reduzida à medida que o sinal se propaga pelo canal (Leis de Friis para Espaço-Livre) Principais causas da atenuação na radiopropagação Absorção da energia da onda transmitida Dispersão da energia da onda transmitida Principal efeito da atenuação Limitação da distância de cobertura do sistema

63 Meios de Comunicação Distorção As componentes de frequência do sinal são modificadas de maneira diferente pelo meio de transmissão Principais causas da distorção na transmissão Propagação por Multipercursos Meio de Transmissão com faixa de frequência limitada (filtragem) Principal efeito da distorção Erros na recepção

64 Meios de Comunicação Ruído Variação aleatória indesejada do sinal Sem o efeito do ruído, uma mensagem poderia ser transmitida com um potência infinitesimal sobre distâncias infinitas Fontes naturais e sinais externos interferentes Ruído térmico, causado pelo movimento aleatório dos elétrons Sinal RF Diferentes Fontes de Ruído Receiver Sinal RF + Ruído

65 Meios de Comunicação Ruído Branco AWGN (Additive White Gaussian Noise) Modelo matemático para representar o ruído térmico Caracterizado como um processo aleatório Gaussiano Analogia com a Luz Branca Efeito Aditivo Luz branca é composta por todas as cores do espectro Ruído branco é composto por componentes distribuídas igualmente em todas as frequências do espectro

66 Meios de Comunicação Densidade Espectral de Ruído Branco AWGN N o = k T Watts/Hz Potência de Ruído Branco AWGN P N = k T B Watts k: Constante de Boltzmann k = 1, Watts/K.Hz T: Temperatura em Kelvin T = 290K (ambiente) B: Banda de Frequência

67 Meios de Comunicação Exemplo: Determine a densidade espectral e a potência de um ruído do tipo AWGN para T=290K e B = 1MHz Densidade Espectral de Ruído N o = k T = 1, N o = W/Hz Considerando em dbm N o = 10.log 10 ( / ) N o = -173,97 dbm/hz Potência de Ruído P N = N o B = P N = W Considerando em dbm P N = 10.log 10 ( / ) P N = -113,97dBm

68 Limites da Comunicação

69 Limites da Comunicação Quais os principais fatores que limitam a capacidade de um sistema de comunicação? É possível obter uma expressão matemática para a capacidade máxima de um sistema de comunicação?

70 Limites da Comunicação Desempenho dos sistemas é limitado basicamente pela: Relação Sinal Ruído Relação entre a potência de sinal e a potência do ruído do sistema Banda de Transmissão Largura da faixa de frequência de transmissão disponível Sistemas de comunicação devem utilizar os recursos de potência de transmissão e de largura de faixa da forma mais eficiente possível

71 Limites da Comunicação Faixa de Frequência de Transmissão Conjunto de frequências alocadas para a transmissão do sinal de informação Normalmente estabelecida e regulamentada pelo tipo de aplicação e pelas características do sinal transmitido: Voz via Telefone: 3 khz Música via AM: 10 khz Música via FM: 200 khz Vídeo via TV: 6.0 MHz Dados via Fast Ethernet : ~30 MHz (100Mbps)

72 Limites da Comunicação Faixa de Frequência de Transmissão

73 Limites da Comunicação Relação Sinal Ruído (SNR) Relação entre a Potência do Sinal e a Potência do Ruído P SNR P sinal ruído É comum representá-la na forma logarítmica em DECIBÉIS (db): P SNR db 10 log 10 P sinal ruído Algumas Relações de Potência Comuns em db: 0dB: P sinal = P ruído 3dB: P sinal = ½ P ruído 3dB: P sinal = 2 P ruído 10dB: P sinal = 10 P ruído 20dB: P sinal = 100 P ruído

74 Limites da Comunicação Potência em dbm Forma muito utilizada na área de comunicações para especificar a potência dos sinais Utiliza como referência um sinal de 1mW P dbm Psinal W 10 log10 1mW De forma simplificada, tem-se: P dbm log P 10 sinal Simplifica as operações de ganho e atenuação na análise de sistemas de comunicação Substitui multiplicações e divisões por somas e subtrações W

75 Limites da Comunicação Como melhorar a Relação Sinal Ruído (SNR) Redução do ruído Redução da distância entre transmissor e receptor Aumento da potência do transmissor etc

76 Limite de Nyquist

77 Limite de Nyquist Limite de Nyquist A maioria dos sinais digitais é não-periódica e os parâmetros de frequência e período comumente utilizado em sistema analógicos não são adequados Deste modo, é comum utilizar a taxa de transmissão (bits ou símbolos) como parâmetro de desempenho do sistema O limite de Nyquist oferece uma aproximação da taxa de bit máxima possível para sistemas de comunicação digital limitados em banda, mas sem a presença de ruído Ele leva em consideração que um símbolo de informação pode transmitir ( carregar ) mais de um bit

78 Limite de Nyquist Esquema de Comunicação Digital Binário utiliza apenas 2 símbolos diferentes para a transmissão da informação desejada Deste modo, cada símbolo representa um único bit Esquema de Comunicação Digital M-ário É possível utilizar um esquema de comunicação digital mais complexo composto por M símbolos diferentes para a transmissão da informação desejada Neste caso, cada símbolo pode representar vários bits

79 Limite de Nyquist Considerando o caso geral de um esquema de comunicação digital com M símbolos diferentes, pode-se definir os seguintes parâmetros: Taxa de Símbolos (Baud Rate) Quantidade de símbolos transmitidos por segundo (R s ) R Taxa de Bits Quantidade de bits transmitidos por segundo (R) R s b 1 T s 1 T b

80 Limite de Nyquist Bit Rate x Baud Rate

81 Limite de Nyquist Exemplo: Considere que se deseja baixar um documento de texto a uma taxa de 100 páginas por minuto. Qual seria a taxa de transferência de bits se em média cada página tem 24 linhas com 80 caracteres por linha e se fossem usados 8 bits para representar um caractere? A capacidade do sistema em banda base sem ruído é dada por: R b 2 B log 2 M

82 Limite de Shannon

83 Limite de Shannon Teorema de Shannon - Hartley Estabelece a taxa de transmissão de informação máxima sobre um canal de comunicação de banda limitada e na presença de ruído branco gaussiano aditivo (AWGN) A Capacidade de Canal pode ser definida como: A taxa de transmissão máxima para que seja possível obter uma transmissão confiável da informação De acordo com o teorema de Shannon, é possível obter transmissão confiável da informação se R C ch A Capacidade em canal AWGN pode ser expressa por: C ch Bch log 2 1 SNR Onde, B ch é a banda do canal, SNR é a relação sinal-ruído, N=N o B ch

84 Limite de Shannon Exemplo: Considere um sistema de internet discada. Qual seria a máxima taxa de transmissão possível na presença de ruído do tipo AWGN se SNR=30dB e B = 3kHz? Faixa de frequência ocupada B ch = 3 KHz Relação SNR SNR db = 10 log 10 (SNR) SNR = 10 (SNR db/10) SNR = 1000 (vezes) Aplicando a fórmula de Shannon C ch = B ch log 2 (1 + SNR) C ch = 3x10 3 log 2 ( ) C ch 29,9 Kbps

85 Limite de Shannon Exemplo: Seja um sistema de internet a cabo, qual seria a máxima taxa de transmissão possível na presença de ruído do tipo AWGN se SNR=30dB e B = 300MHz? Faixa de frequência ocupada B ch = 300 MHz Relação SNR SNR db = 10 log 10 (SNR) SNR = 10 (SNR db/10) SNR = 1000 (vezes) Aplicando a fórmula de Shannon C ch = B ch log 2 (1 + SNR) C ch = 3e 8 log 2 ( ) C ch 2,99 Gbps

86 Limite de Shannon Exemplo: E se SNR=40dB para o sistema de internet a cabo, qual seria a nova máxima taxa de transmissão possível na presença de ruído do tipo AWGN? Faixa de frequência ocupada B ch = 300 MHz Relação SNR SNR db = 10 log 10 (SNR) SNR = 10 (SNR db/10) SNR = (vezes) Aplicando a fórmula de Shannon C ch = B ch log 2 (1 + SNR) C ch = 3e 8 log 2 ( ) C ch 3,99 Gbps

87 Limite de Shannon O teorema de Shannon-Hartley também indica que se pode trocar banda por SNR Exemplo Se SNR= 7x e B ch =4 KHz C ch = 12Kbps Se SNR= 15x e B ch = 3KHz C ch = 12Kbps Assim, uma redução de 25% na banda requer um aumento de 60% na potência de sinal

88 Limite de Shannon O teorema de Shannon-Hartley implica que um canal sem ruído (SNR = ) apresenta capacidade infinita Por outro lado, na situação de ruído, tem-se que para aumentar a capacidade do canal sem aumentar a potência de sinal deve-se aumentar a banda de frequência. Porém isto acarreta em um aumento na potência do ruído (P N =N o B ch ), impedindo que a capacidade seja infinita C ch Bch log 2 1 N o Ps B ch

89 Limite de Shannon Capacidade de Canal em função da Banda e da SNR

90 Limite de Shannon A expressão de Shannon se aplica a que tipo de sinais? Para que condições de transmissão?

91 Sistemas de Comunicação Digital

92 Sistemas de Comunicação Digital Como transmitir eficientemente a informação entre 2 pontos distantes? O que seria necessário para que a transmissão seja feita sem fio por radiopropagação?

93 Sistemas de Comunicação Digital Sistema de Comunicação Digital Modelo Básico Fonte de Sinal Transmissor Sinal Recuperado Receptor Canal de Comunicação

94 Sistemas de Comunicação Digital O que são sistemas de comunicação digital? Quais as vantagens de termos a informação na forma digital?

95 Sistemas de Comunicação Digital Transmissão Digital Informação pode ser analógica ou digital Sinal é atenuado com a distância Podem ser usados regeneradores no processo de retransmissão: Não ocorre amplificação do ruído mas, dependendo da intensidade do ruído e da presença de interferências, podem ocorrer erros Critério de desempenho: Taxa de erro (BER, SER, FER) etc Conversão ADC (Codificação Digital) Informação analógica sinal digital (Digitalização da informação analógica) Processos de Codificação Envio do sinal de voz pelo telefone Conversão DDC (Codificação Digital) Informação digital sinal digital Envio de dados de um computador

96 Sistemas de Comunicação Digital Transmissão Analógica Informação pode ser analógica ou digital Sinal é atenuado com a distância Podem ser usados amplificadores no processo de retransmissão, porém o ruído também é amplificado Critério de desempenho: SNR, Erro Médio Quadrado, %Distorção etc Conversão AA (Modulação Analógica) Informação analógica sinal analógico Envio do sinal de voz pelo telefone Modulação de um sinal de música Conversão DA (Modulação Digital) Informação digital sinal analógico Envio de dados de um computador por uma linha telefônica convencional

97 Sistemas de Comunicação Digital Comunicação Digital (informação digital) Transmissor envia uma forma de onda que pertence a um conjunto finito de formas de onda possíveis durante um intervalo limitado Receptor decide qual forma de onda foi transmitida a partir do sinal recebido com ruído Sistemas Analógicos: O receptor deve reproduzir com fidelidade a forma de onda enviada, porém existem infinitas formas de onda possíveis Sistemas Digitais: O receptor conhece o conjunto de formas de onda possíveis (alfabeto) e deve determinar qual delas foi transmitida num dado intervalo de tempo Tarefa bem mais simples que a realizada pelos sistemas analógicos Sistema mais robusto a ruído e interferência A probabilidade de uma decisão errada (probabilidade de erro de bit ou de símbolo) Medida importante do desempenho do sistema

98 Sistemas de Comunicação Digital Comunicação Digital (informação digital) Fonte: J.Proakis, M.Salehi, Comm. Systems Engineering

99 Sistemas de Comunicação Digital Vantagens da Comunicação Digital (informação digital) Maior imunidade ao ruído e distorção do canal Capaz de percorrer longas distâncias em canais de baixa qualidade Regeneração do sinal empregando repetidores (TX noise free) Códigos Corretores de Erro Receptor necessita distinguir apenas um número finito de símbolos Facilidade de criptografia no domínio digital Permite o armazenamento dos dados Possibilita a compressão da informação Custo relativamente baixo dos dispositivos digitais (CIs) Capacidade de transmissão Multimídia

100 Sinal Banda Base x Sinal Banda Passante Sinal em Banda Base (Passa-Baixa) Um sinal real x bb (t) é denominado sinal em banda base quando suas componentes de frequência estão próximas da componente DC O sinal em banda base é geralmente o sinal original proveniente da fonte de informação Sinal em Banda Passante (Passa-Faixa ou Modulado) Um sinal real x(t) é denominado sinal em banda passante quando suas componentes de frequência estão centradas em torno de uma frequência e sua componente DC é zero

101 Transmissão em Banda-Passante Modulação

102 Transmissão Banda-Passante Transmissão em Banda-Passante É realizada pelo processo de Modulação Translação do sinal de informação em banda-base para bandapassante, numa frequência muito maior que a do sinal original, através de um sinal de alta freqüência O sinal banda-base original é chamado de sinal modulante O sinal passa-faixa gerado é chamado de sinal modulado O sinal de alta frequência é chamado de sinal de portadora A modulação pode ser obtida pela variação da amplitude, fase ou frequência do sinal de portadora de alta frequência, de acordo com a variação do sinal de informação

103 Transmissão Banda-Passante Por que modular? Permitir uma transmissão eficiente pelo canal de comunicação Permite a transmissão a longa distância Possibilitar uma redução da complexidade do hardware Possibilitar uma redução dos efeitos de interferência e ruído Técnicas como a modulação FM (troca de banda por SNR) Permitir uma ocupação mais adequada da banda de frequência Compartilhar o canal de comunicação para diferentes serviços Possibilitar a multiplexação de vários sinais banda-base

104 Transmissão Banda-Passante Por que usar altas frequências em Sistemas sem Fio? A transmissão direta do sinal em banda-base de uma dada fonte de informação sobre um determinado canal pode ser irrealizável Na Radiopropagação, a dimensão dos elementos irradiantes (antenas) deve ser proporcional ao comprimento de onda Antena Dipólo de Meia-Onda Tx /2 c f Para f=100khz Antena=1,5km ( /2) ( =300000/100000=3 km)

105 Transmissão Banda-Passante Calcular para a faixa de áudio: f = 300 Hz f = 3 khz c f Qual deve ser o tamanho da Antena? Como posso separar o sinal de diferentes usuários?

106 Modulação Analógica Modulação Analógica O sinal de informação analógico aplicado na entrada do transmissor pode assumir um número infinito de valores Objetivo é a fidelidade de reprodução da forma de onda do sinal de informação transmitido (aplicado ao TX) SNR: critério de desempenho A modulação analógica pode ser obtida pela variação dos parâmetros do sinal de portadora senoidal, de acordo com a variação do sinal de informação e o t E t cos t t o o o AM FM PM

107 Modulação Analógica Modulação Analógica Modulador Mensagem Analógica Portadora Senoidal AM FM PM AM&PM

108 Modulação Digital Modulação Digital O Sinal de informação aplicado na entrada do TX faz parte de um conjunto finito de valores (símbolos) Objetivo é determinar o símbolo transmitido Detalhes da forma de onda não são relevantes (sinal digital), normalmente forma de onda é conhecida a priori, basta saber qual símbolo foi transmitido BER e SER: critério de desempenho

109 Modulação Digital Modulação Digital Modulador Mensagem Digital Portadora Senoidal ASK FSK PSK QAM

110 Modulação Digital Modulação Digital Transceptor Digital Genérico

111 Modulação Digital ASK Amplitude Shift Keying A informação é representada pela variação da amplitude da portadora Normalmente aplicado em sistemas de fibra óptica Apresenta alta sensibilidade a ruído (variação na amplitude) O método binário mais simples (OOK) consiste em: Bit 1 tx portadora com amplitude A Bit 0 tx portadora com amplitude zero

112 Modulação Digital FSK Frequency Shift Keying A informação é representada pela variação da frequência da portadora Método menos sensível a ruído do que ASK Ocupa uma banda maior que ASK e PSK O método mais simples (BFSK) consiste em: Bit 1 tx portadora com f 1 Bit 0 tx portadora com f 2

113 Imag Modulação Digital PSK Phase Shift Keying A informação é representada pela variação de fase da portadora Apresenta menos sensibilidade a ruído do que ASK Apresenta boa eficiência de potência O método binário mais simples (BPSK), consiste em: Bit 1 tx portadora com fase 1 Bit 0 tx portadora com fase 2 Bit Fase Cosntelação - BPSK Real

114 Imag Modulação Digital Uma técnica PSK muito utilizada nas redes celulares e redes de computadores sem fio é o QPSK (Quartenary Phase Shift Keying): Bit Fase Constelação - QPSK Real

115 Modulação Digital QAM Quadrature Amplitude Modulation A informação é representada pela variação da amplitude e fase da portadora Modulação em quadratura Alta eficiência espectral Mais bits por símbolo Requer alta Potência

116 Multiplexação

117 Multiplexação FDM TDM Multiplexação por divisão de frequência Banda limitada na transmissão da informação Multiplexação por divisão de tempo Combina-se vários canais digitalizados TDM Síncrono e TDM Assíncrono (Estatístico) WDM Multiplexação por divisão de comprimento de onda Mais de um sinal compartilha uma dada fibra ótica CDM Multiplexação por divisão de código Associado a cada sinal um código com propriedades de correlação adequadas para separá-los

118 Multiplexação FDM TDM Freqüência Freqüência Tempo WDM Tempo CDM Lambda Frequência Tempo Tempo

119 Multiplexação Exemplo FDM Considere os 3 sinal de voz abaixo: Freq. (KHz) Freq. (KHz) Freq. (KHz) É possível transmití-los em um mesmo canal, transladando as frequências dos sinais como mostrado abaixo: Freq. (KHz)

120 Multiplexação Exemplo TDM Síncrono A 2 A 1 B 2 B 1 C 2 A 2 B 1 B 2 C 1 A 1 C 2 C 1 t 2 t 1 Exemplo TDM Assíncrono A 1 B 2 B 1 C 2 B 2 B 1 A 1 B 1 A 1 C 2 t 2 t 1

121 Técnicas de Múltiplo Acesso

122 Técnicas de Múltiplo Acesso Técnicas de Múltiplo Acesso Técnica de multiplexação que permite a utilização de mais de um canal para compartilhar um meio de comunicação Pode ser usada para separar diferentes usuários que compartilham um mesmo conjunto de canais A alocação de recursos não é definida A Priori e não é necessariamente fixa Principais Técnicas Determinísticas FDMA TDMA CDMA Principais Técnicas Aleatórias CSMA

123 Técnicas de Múltiplo Acesso Como compartilhar uma rede com vários usuários empregando técnicas determinísticas? FDMA Acesso múltiplo por divisão de frequência empregado nos sistemas celulares de 1 a Geração TDMA Acesso múltiplo por divisão de tempo empregado nos sistemas celulares de 2 a e 3 a Geração CDMA Acesso múltiplo por divisão de código empregado nos sistemas celulares de 2 a e 3 a Geração

124 Técnicas de Múltiplo Acesso FDMA TDMA Frequência Frequência Tempo Acesso múltiplo por divisão de frequência CDMA Tempo Acesso múltiplo por divisão de tempo Frequência Tempo Acesso múltiplo por divisão de código Em um sistema de comunicação, a tecnologia de acesso torna possível ao receptor separar o sinal desejado dos sinais interferentes

125 Técnicas de Múltiplo Acesso Como compartilhar uma rede de computadores com vários usuários empregando técnicas aleatórias? CSMA Técnica de múltiplo acesso por contenção Acesso múltiplo por monitoramento de portadora Escuta o canal, se ele estiver livre transmite

126 Técnicas de Múltiplo Acesso CSMA Frequência Tempo Único acesso múltiplo por tempo