Codificação de Bloco

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1 Codificação de Bloco A codificação de blocos foi desenvolvida para melhorar o desempenho da codificação de linha, tendo em vista que necessitamos de algum tipo de redundância que assegure a sincronização. A codificação de blocos pode satisfazer estes dois objetivos. Neste método existem basicamente três passos a serem seguidos: divisão, substituição e codificação de linha. 1º Passo: Divisão Nesta etapa, a seqüência de bits é dividida em grupos de m bits de tamanho. Na codificação 4B/5B, a seqüência de bits original é dividida em grupos de 4 bits. 2º Passo: Substituição O principal dessa técnica de codificação de blocos é a etapa de substituição. Nela, realizamos a substituição de um código de m-bits por um grupo de n-bits. Na codificação 4B/5B substituímos a sequência de 4-bits, que pode representar até 16 possibilidades (2 4 ), por um código de 5-bits, que pode representar até 32 possibilidades (2 5 ). Isto significa que alguns dos elementos do código de 5-bits podem ser mapeados dentro do grupo de 4-bits. É claro que muitos dos elementos do código de 5-bits não terão nenhuma correspondência no grupo de 4-bits. Entretanto, podemos aplicar uma estratégia ou política para escolher os elementos do código de 5-bits que assegurem os mecanismos que facilitem a sincronização e a detecção de erros no receptor Para obter sincronização, podemos utilizar o código de 5-bits de um modo tal que, por exemplo, não tenhamos mais que três 0s ou 1s consecutivos na sequência. A codificação de blocos pode resolver o problema de detecção de erros, onde o receptor pode detectar um erro de transmissão, visto que foi acrescentado apenas um bit.

2 3º Passo: Codificação de linha Após a etapa da substituição, podemos utilizar qualquer um dos esquemas de codificação de linha para criar um sinal codificado. Normalmente é escolhido um esquema de codificação de linha muito simples porque o procedimento de codificação em bloco proporciona bastante complexidade ao esquema de codificação de linha. Como descrito, no código 4B/5B cada conjunto de 4-bits de dados é mapeado num código de 5-bits. A seleção do código de 5-bits é feita de forma tal que cada possibilidade contenha não mais que um 0 isolado e não mais que dois 0s agrupados. Logo, quando esses códigos de 5-bits são enviados em seqüência, não mais que três 0s consecutivos são encontrados no bloco. A Tabela a seguir mostra o mapeamento 4B/5B. As seqüências codificadas para os caracteres de controle (terceira coluna) não seguem as regras de codificação 4B/5B. Dados Dados Controle Controle Codificados Codificado Q (Silencioso) I (Ocioso) H (Parada) J (Delimitador de início) K (Delimitador de início) T (Delimitador de fim) S (Configurar) R (Reset) Vimos que a codificação 4B/5B proporciona sincronização e capacidade de detecção de erro, porém ela tem um preço; requer uma largura de banda maior e às vezes não temos essa largura de banda extra. A codificação 8B/6T foi criada para substituir um grupo de 8-bits, que pode representar até 256

3 possibilidades (2 8 ), por um código com seis períodos de tempo, onde em cada período é possível ter um de três níveis de tensão (+1, 0 e -1), que pode representar até 729 possibilidades (3 6 ). A codificação é escolhida de modo a facilitar o sincronismo e a capacidade de detecção de erro. A figura abaixo ilustra um exemplo de codificação 8B/6T. PAM E PCM A informação de voz é analógica. Para utilizarmos as vantagens da transmissão digital devemos codificá-la em um sinal digital antes da transmissão. Os dispositivos capazes de codificar informações analógicas em sinais digitais são chamados CODECs. Como o modem, a palavra codec vem da junção de codificador e decodificador. Um método de conversão de analógico para digital (A/D) muito difundido é o PAM (Pulse Amplitude Modulation, Modulação por Amplitude de Pulso). Esta técnica de conversão A/D toma um sinal analógico, amostra-o e gera urna série de pulsos baseados no resultado da amostragem. O termo amostragem significa realizar a medição de valores instantâneos do sinal em intervalos iguais. A modulação PAM baseia-se numa técnica denominada sample and hold (amostra e mantém), onde em um dado momento, o valor instantâneo do sinal é lido e mantido (conservado) por um breve instante de tempo, assim é amostrado apenas o valor no referido ponto da onda. A modulação PAM isolada não é muito útil nas comunicações de dados, porque o sinal amostrado ainda é um sinal analógico, não digital, visto que o resultado da amostragem é uma seqüência de pulsos de amplitudes variáveis.

4 Para torná-lo digital, devemos modificá-lo através da técnica PCM (Pulse-Code Modulation, Modulação por Codificação de Pulso). A modulação PCM modifica os pulsos criados pela PAM de modo a gerar um sinal totalmente digital. Para tanto, a PCM inicialmente quantiza os pulsos PAM, atribuindo valores inteiros, distribuídos em uma determinada faixa, às amostras geradas na modulação PAM. Para cada amostra quantizada é atribuído uma intensidade e um sinal, e cada valor é traduzido em um código binário equivalente de 8-bits, onde o oitavo bit indica o sinal (positivo ou negativo) da conversão. Em seguida, essa representação binária é transformada num sinal digital através de algum esquema de codificação de linha. A figura a seguir apresenta o resultado da modulação PCM de um sinal originalmente codificado em um sinal unipolar.

5 Etapas da transmissão PCM Amostragem: Consiste em um processo, onde são retiradas amostras do sinal original que serão utilizadas para a reconstituição desse sinal no receptor. Quantização: Como são amostrados realiza-se o processo que tem o objetivo de funcionar como um "arredondamento" dos diversos valores amostrados sobre níveis de valores estabelecidos. Quando um pulso está acima de um nível de decisão, ele é aproximado para o nível superior e quando o pulso está abaixo da linha de decisão, ele é aproximado para o nível inferior imediato. A aproximação para o número inteiro mais próximo origina um erro de quantificação que é minimizado se for utilizado um número elevado de códigos binários. Se houvesse, por exemplo, 128 ou 256 níveis de sinal, e não 8 como exemplo, o erro na atribuição por aproximação, de um número inteiro a cada amostra, seria substancialmente inferior.

6 Codificação: Consiste em pegar todo o sinal quantizado e transformá-lo em um sinal binário, levando-se em conta a seqüência em que o mesmo foi gerado pelo trem de pulsos. O sinal resultante será uma cadeia de 0s e 1s. A PCM é baseada no teorema de amostragem, segundo o qual, se um sinal é amostrado em intervalos de tempos regulares, a uma velocidade igual ou maior que duas vezes a frequência mais alta do sinal, então, as amostras conterão todas as informações do sinal original. Ou seja, Frequência de amostragem tem que ser > ou = 2x Frequência do sinal Por exemplo: em um canal telefônico, com banda passante de 4.000Hz, que exigirá no mínimo uma frequência de amostragem da ordem de Hz (o dobro da frequência máxima do canal) e se essas amostras forem codificadas em formato de 8 bits (ou 1 byte), teremos uma taxa de transferência de dados ou velocidade de: 8 x = bits por segundo (64 kbps). No exemplo abaixo, cada amostra pode ser representada por 4 bits (2 4 = 16 níveis diferentes). Ruído Quando as informações são transmitidas na forma de um sinal eletromagnético, o sinal recebido é formado pelo sinal transmitido, que pode

7 ser modificado por várias distorções impostas pelo sistema de transmissão, além da adição de energia eletromagnética indesejada que é inserida em algum lugar entre o transmissor e o receptor. Esses sinais indesejados são chamados de ruído. O ruído é o maior limitador no desempenho dos sistemas de comunicação. O ruído pode ser dividido em quatro categorias: 1) Ruído térmico: também conhecido como ruído ambiente, está sempre presente e é gerado por equipamento de transmissão e meios de transmissão. Existe devido à agitação dos elétrons em um condutor. Esse tipo de ruído dificilmente é eliminado. 2) Ruído de intermodulação: esse ruído ocorre quando os sinais de diferentes frequências utilizam o mesmo meio de transmissão. A intermodulação pode causar a produção de sinais em uma faixa de frequências, que poderão perturbar a transmissão de outro sinal naquela mesma faixa. Como vimos na multiplexação por divisão de frequências. 3) Linha Cruzada ou Cross Talk: esse tipo de problema já foi experimentado por qualquer pessoa que, durante uma conversa telefônica, tenha ouvido outra conversa telefônica; essa deficiência é uma combinação indesejada entre caminhos de sinal. Esse efeito é provocado por uma interferência indesejável entre condutores próximos que induzem sinais entre si. 4) Ruído de impulso: ele é gerado por diversas causas, incluindo distúrbios eletromagnéticos externos, como relâmpagos e falhas no sistema de comunicações. Outra deficiência é a atenuação. A atenuação é a queda na força do sinal que ocorre à medida que o sinal caminha através de um cabo ou através do ar (no caso de uma transmissão sem fio). Quanto mais longo o percurso, maior a atenuação. Quanto mais alta a taxa de frequência do sinal, maior a atenuação também. Tipos diferentes de cabos têm diferentes atenuações, por exemplo, os cabos de par trançado que são mais sensíveis à atenuação do que os cabos coaxiais e os de fibras ópticas (tem a menor taxa de atenuação).

8 Esse problema pode ser contornado colocando-se repetidores (ou amplificadores) entre o transmissor e o receptor. Na figura abaixo, temos um exemplo de atenuação do sinal, em que a linha tracejada é o sinal transmitido, que já está fraco (atenuado) e a linha contínua é o sinal depois da amplificação (voltou com a força anterior). Complemento A quantidade de ruído presente em uma transmissão é medida em termos da razão entre a potência do sinal e a potência do ruído, denominada razão sinal ruído. Se representarmos a potência do sinal por S (signal) e a potência do ruído por N (noise), a razão sinal-ruído é dada por S/N. É muito comum utilizarse, ao invés dessa razão, o valor: S PS Q= = 10 log 10 db N PN Onde Q = qualidade do sinal PS = potência do sinal PN = potencia do ruído O resultado obtido é uma medida da razão sinal-ruído em uma unidade denominada decibel (db). Uma razão de 10 corresponde a 10 db; uma razão de 100 corresponde 20 db; uma razão de corresponde a 30 db e assim por diante. Decibéis estão relacionados por uma expressão logarítmica com base 10. Assim se nós temos 1000 e queremos encontrar o log, teríamos como

9 resposta, 3, porque, 1000 = 10³. Observe que na realidade o logaritmo nada mais é que o expoente. 3 db corresponde a 2x 10 db corresponde a 10x 6 db corresponde a 4x 20 db corresponde a 100x 9 db corresponde a 8x 30 db corresponde a 1000x 12 db corresponde a 16x 40 db corresponde a 10000x watt (W) Unidade básica de potência. É definido como 1 ampère (A) de corrente em 1 volt (V), logo: potência = tensão x corrente (P=v.i). O permitido é no máximo 4 watts de potência a ser radiado de uma antena em uma WLAN sobre a frequência de 2,4 Ghz. Pode não parecer muita potência, mas é o suficiente para enviar sinais claros por quilômetros. miliwatt (mw) Em WLANs, níveis de potência são comumente expressos em miliwatts (mw), ou seja (1/1000W). Em um segmento WLAN típico indoor, os níveis de potência raramente ultrapassam 100mW, o que é suficiente para se comunicar na faixa de 500 metros ou mais em condições ótimas. Os Pontos de acesso (Access Point) normalmente irradiam o sinal entre mW dependendo do fabricante. Perda e ganho de potência em um circuito são medidos em decibéis e não em watts. Isso se explica pelo fato de que perda e ganho são conceitos relativos e decibel é uma medida relativa. Perder metade de potência em um sistema corresponde a perda de 3 decibéis. Se um sistema perde metade da sua potência (-3dB) e logo após perde a metade novamente, isso equivale a perda de ¾ da potência original. (1/2 da primeira mais a ½ da segunda). Como referência rápida, existem números relacionados a ganho e perda que deveríamos estar familiarizados: -3 db = Metade da potência em mw +3 db = Dobro da potência em mw -10 db = Um décimo da potência em mw

10 +10 db = Dez vezes a potência em mw Uma variante do db é o dbm (db miliwatt). É a medida mais utilizada para expressar a potência de um equipamento de transmissão (rádio), 0 dbm é definido com 1 mw de potência. O m em dbm, nada mais é que uma referência em relação a 1 mw, logo uma medida em dbm é uma medida de potência absoluta. Observe que no gráfico o ponto de referência é sempre o mesmo, mas os níveis de potência podem se mover em qualquer direção do ponto de referência, se eles representam perda ou ganho. Podemos inclusive usar o diagrama acima como uma tabela de conversão. Exemplo1: Converter +43 dbm em mw Observe que se formos expressar 43 em 10 e 3 teríamos: 43 = Olhando para o gráfico, partindo do ponto de referência, seguindo para a direita, nós deveríamos multiplicar 4 vezes o fator de 10 mais uma vez o fator de 2. Contamos a quantidade de números 10 e elevamos a 10, assim temos 10 4, que é igual à 10000, podemos verificar que + 40 db é igual à mw, depois faltam +3 db que na tabela vale 2 mw, assim multiplicamos mw pelos 2 mw, temos mw ou 20 W

11 dbi Ao quantificarmos o ganho de uma antena, comumente a expressamos em dbi, que é uma medida relativa. O i se refere apenas a uma antena isotrópica. Uma antena isotrópica é teoricamente um transmissor ideal que irradia sinal em todas as direções com a mesma intensidade, com 100% de eficiência em três dimensões. dbi é usado da mesma maneira que db. Como db, dbi é uma unidade de medida relativa e pode se adicionada ou subtraída de outras unidades decibel. Por exemplo, se um sinal sofre uma perda de 2dB antes de chegar a uma antena com ganho de 8 dbi, o sinal resultante tem um ganho de 6dB. Exemplo 3: Dado o circuito abaixo, o sinal resultante irradiado pela antena, levando-se em conta os dados mostrados na tabela: Para designar o nível de potência em vários pontos do circuito, faremos: P1 Potência de saída do Access Point P2 Potência irradiada pela antena

12 P3 Potência do sinal antes de chegar à antena. Primeiramente vamos transformar a potência de saída do Access Point para facilitar o calculo : P (dbm) = 10 log 100 P1 = 10 x 2 = 20 dbm Agora calculamos o sinal resultante computando as perdas causadas pelos conectores e o ganho da antena. P2 = Potência do AP perdas dos conectores + ganho da antena P2 = = 23 dbm = 200 mw Observe que o ganho real foi de 3 db (o dobro) em relação ao sinal que sai do AP. Para calcularmos o sinal que chega a antena, fazemos: P3 = Potência do AP perdas dos conectores P3 = 11 dbm.