Digitalização de Sinais. Teorema da Amostragem. Redes. Digitalização Multiplexação Modulação Codificação. Prof. Sérgio Colcher
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- Valdomiro Bonilha Dias
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1 Redes Digitalização Multiplexação Modulação Codificação Teorema da Amostragem DIGITALIZAÇÃO Prof. Sérgio Colcher 2 Teorema da Amostragem Digitalização de Sinais Sinal Transmitido Amostra Freqüência de amostragem Codificando cada nível com 4 bits: Na recepção
2 Na recepção... Digitalização de Sinais Codificando cada nível com 4 bits: Teorema da Amostragem Se um sinal arbitrário (analógico ou digital) não contém freqüências acima de W Hz, ele pode ser completamente reconstruído a partir de amostras tomadas a uma freqüência superior a, no mínimo, 2W vezes por segundo. Intervalo entre duas amostras: t t < segundos 2W 5 6 Teorema da Amostragem Frequência de Amostragem: Exemplo Expressão matemática capaz de fornecer a interpolação do sinal a partir apenas das amostras 2W amostras por segundo é a frequência mínima de amostragem acima da qual essa interpolação é feita sem erros. A taxa de 2W amostras por segundo ficou conhecida como taxa de amostragem de Nyquist O intervalo máximo t entre as amostras ficou conhecido como intervalo de Nyquist : t < segundos 2W Considerando que um sinal de voz não contém componentes acima de 4000 Hz, ele pode ser recuperado realizando-se 8000 amostras por segundo. Uma amostra a cada /8000 seg, ou seja, uma amostra a cada 25 µseg. Se cada amostra for codificada com 8 bits, por exemplo, então Taxa do sinal gerado = 8 bits/amostra x 8000 amostras/seg = 64 Kbps Corresponde a um dos padrões internacionais de telefonia digital 7 8
3 Utilização da Banda Passante do Meio Desperdício MULTIPLEXAÇÃO Configuração de um único canal por meio de transmissão Como melhorar a utilização do meio de transmissão? 9 0 Utilização da Banda Passante do Meio C0 C C2 Configuração de múltiplos canais por meio de transmissão Multiplexação Permite que vários sinais de diferentes fontes (canais) possam compartilhar o mesmo meio físico: Multiplexação por Divisão da Frequência (Frequency Division Multiplexing - FDM) Multiplexação por Divisão do Comprimento de Onda (Wavelength Division Multiplexing - WDM) Multiplexação por Divisão do Tempo (Time Division Multiplexing - TDM) Multiplexação por Divisão de Código (Code Division Multiplexing) 2
4 Utilização da Banda Passante do Meio Multiplexação na Freqüência C0 C C2 Banda Passante do Sinal 0-80 Mhz 0-40 Mhz 0-40 Mhz 3 4 Bandas de Guarda Sinal de Voz Sinal de Voz Sinal de Voz Modulado Hz Filtro Filtro Bandas de Guarda Canal Canal 2 Multiplexação na freqüência com dois canais
5 Transmissão FDM Modulação e Demodulação Modulação S Sinal original S S Banda passante necessária Modulação Filtro Transmissão Sinal recebido S S S S Filtro Demodulação transformação aplicada a um sinal que faz com que ele seja deslocado de sua faixa de freqüências original para uma outra faixa. Demodulação transformação aplicada a um sinal previamente modulado que faz com que ele seja deslocado de volta para a sua faixa original. S 7 8 MODEMs MODEM MODEMs são equipamentos capazes de fazer a MODulação e a DEModulação de sinais. Os mais conhecidos são os que temos em nossas residências permitem que obtenhamos acesso a um provedor internet através do sistema telefônico. adaptam o sinal digital proveniente de nosso computador para que ele passe a ocupar adequadamente a banda entre 0 e 4000 hz T Modulador Filtro R Filtro Demodulador MODEM f f 2 T2 Modulador Filtro R2 Filtro Demodulador 9 20
6 WDM (Wavelength Division Multiplexing) FDM e WDM é, na realidade, uma forma de FDM na qual o espectro de freqüências utilizado fica na região das ondas de luz (não necessariamente visíveis). ao invés de medir pela freqüência, mede-se pelo comprimento de onda DWDM (Dense WDM) separação menor entre os comprimentos de onda dos diferentes canais nm x 0 nm Permite taxas de terabytes/segundo Multiplexador e Demultiplexador MUX DEMUX Multiplexadores de freqüência: equipamentos que centralizam as funções de modulação, filtragem e combinação dos sinais Demultiplexadores de freqüência: desempenham as funções inversas 2 22 Linhas de Assinantes de Telefonia Convencional Multiplexador x Acesso Múltiplo Multiplexação pode ser realizada de forma centralizada Filtros de 300 a 3400 Hz 2 canais FDM de 4 KHz por um equipamento específico denominado multiplexador (MUX) de forma distribuída onde as várias fontes de sinais encontram-se diretamente conectadas a um meio físico compartilhado nesse caso, a multiplexação é comumente denominada de mecanismo de acesso múltiplo Linhas de assinante Analógicas (2) 23 24
7 Acesso Múltiplo por Divisão da Freqüência (FDMA) Técnicas de Modulação F F2 F3 F Técnicas de Modulação Todas as técnicas de modulação resultam no deslocamento de um sinal de sua faixa de freqüências original para uma outra faixa. Todas as componentes do sinal são, uma a uma, deslocadas de um mesmo valor f denominado de freqüência da onda portadora. o valor da contribuição de cada componente não é alterada. Informação Codificador Sinal em Banda Básica Modulador/ Filtro Processo de Comunicação Informação Decodificador Sinal em Banda Básica Demodulador/ Filtro Sinal para Transmissão Canal Sinal para Transmissão 27 28
8 Técnicas de Modulação Modulação Todas as componentes do sinal são, uma a uma, deslocadas de um mesmo valor f denominado de freqüência da onda portadora. Sinal Original Modulador Onda Portadora Sinal Modulado Tipos de Sinal Original Analógico Modulação Analógica Digital Modulação Digital Tipos de Portadora Senoidal Seqüência de pulsos Técnicas Básicas de Modulação TECNICAS BÁSICAS PARA MODULAÇÃO COM PORTADORA SENOIDAL AM Fundamentos de Sistemas de Comunicação Modulação por Amplitude Modulação por Freqüência Modulação por Fase Modulação Analógica (sinal original analógico) AM FM PM Modulação Digital (sinal original digital) ASK FSK PSK AM: Amplitude Modulation FM: Frequency Modulation PM: Phase Modulation ASK: Amplitude Shift Keying FSK: Frequency Shift Keying PSK: Phase Shift Keying Na verdade, AM, FM e PM são nomes genéricos Se a modulação é digital, atribui-se nomes mais específicos ASK, FSK e PSK Se a modulação é analógica, os nomes são os gerais AM, FM e PM 3 32
9 FM PM ASK Fundamentos de Sistemas de Comunicação FSK Fundamentos de Sistemas de Comunicação 35 36
10 PSK Fundamentos de Sistemas de Comunicação 37 å g( t) = C cos f n= 0 a( t) = Acosa m( t) = g( t) a( t) n 0 0 Efeito da Modulação ASK m( t) = AC cos f cos a AC cos f cosa m ( t) = AC cos f cosa n n n n ACn ACn mn ( t) = cos( fn + a) + cos( fn -a) 2 2 Suponha que A = 2 m ( t) = C cos( f + a) + C cos( f -a ) n n n n n 38 n n Efeito da Modulação ASK Efeito da Modulação ASK Informação Digital Sinal Original W Hz Portadora (freqüência f ) 0 Hz -f a 0 f a Modulação ASK Utilizando uma portadora De freqüência f a Hz Sinal Resultante S(f) 2W 0 f Hz 39 40
11 Informação digital - Sinal Analógico Modulação de dado digital Informação Analógica - Sinal Analógico Modulação de dado analógico AM, FM,... Informação Analógica - Sinal digital Digitalização PCM, ADPCM, Informação digital - Sinal digital Codificação digital Banda básica Codificação e Transmissão Codificação e Transmissão de Informação Digital Com Modulação modulação de onda portadora ex.: MODEM Em Banda Básica informação digital codificada diretamente sobre o par de fios como diferenças discretas de voltagem (com um valor fixo para cada símbolo digital utilizado) 4 42 Cable Modem Transmissão de dados através da rede de TV a cabo Exemplo de FDM para Acesso à Internet: Cable Modem Bandas geralmente designadas de forma assimétrica canais de 6 MHz (TV) Transmissões podem alcançar, na prática, taxas de 30 a 40 Mbps em um canal de 6 MHz Upstream pode ser através de outra rede (p. ex. Rede telefônica) amplificadores unidirecionais na planta de distribuição da operadora 43 44
12 Cable Modem: Arquitetura CATV: Alocação das Freqüências Rede Interna Cabo Coaxial Set-top box (0/00 BaseT) Cable Modem Rede de Distribuição Transmissor vídeo áudio dados CMTS (Cable Modem Termination System) Head-end Provedor Internet 5 Up Quando a transmissão de vídeo for digital, essa organização poderá mudar Canais de Vídeo Analógico Down Freqüência (MHz) 750 Reservado Para uso Futuro Cable Modem 50 a 750 MHz 0 a 45 MHz Exemplo de FDM para Acesso à Internet: ADSL CMTS Cable modems 47 48
13 Rede Telefônica - Acesso xdsl xdsl: Arquitetura xdsl: Digital Subscriber Line família de novas tecnologias de MODEM que oferecem transmissão de dados digitais em altas taxas de velocidade com aproveitamento da planta de cabos de par trançado já instalada Limitação de aproximadamente 4 khz de largura de banda é imposta pelos equipamentos internos à rede telefônica Site do Usuário Par Trançado Comutador de Circuito (Central Telefônica) Rede Telefônica par trançado oferece banda na faixa de MHz, variando em função da distância do assinante à central splitter splitter ADSL - Asymmetric Digital Subscriber Line opção mais difundida Internet Modem xdsl DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) ADSL: FDM ADSL POTS Upstream ADSL Downstream Bandas de subida (upstream) e de descida (downstream) assimétricas Proposto originalmente para aplicações de VoD adequado também para acesso à Internet Taxas variam com a distância e a qualidade do sinal na linha 6 a 640 Kbps de subida,5 a 9 Mbps de descida Freqüência (khz) 5 52
14 Transmissão de Sinais Digitais Transmissão digital Informação Analógica com Transmissão Digital possibilidade de regeneração Digitalização da informação analógica amostragem quantização Exemplos PCM, DPCM, ADPCM, etc Digitalização de Sinais (PCM) Digitalização de Sinais (PCM) 5 Amostra Codificando cada nível com 4 bits: Codificando cada nível com 4 bits: Freqüência de amostragem 7 6 Na recepção
15 Digitalização das Centrais Telefônicas Taxa de Transmissão no Acesso ao Provedor Com a modernização das redes telefônicas as centrais passaram a ser digitais, assim como as linhas de transmissão entre as centrais Rede Telefônica Capacidade máxima de 33.6 kbps em ambos os sentidos de transmissão MODEM A/D D/A A/D D/A A/D D/A Internet Central Central D/A A/D Par Trançado Comutadores de Circuito (Centrais Digitais) Provedor de Serviços Taxa de Transmissão no Acesso ao Provedor A taxa de transmissão depende da banda disponível mas também depende (e muito) da quantidade de ruído presente em uma linha de transmissão Por Shanon: C = W log 2 ( + S/N) bps A conversão analógico/digital gera um ruído denominado ruído de quantização MODEM Taxa de Transmissão no Acesso ao Provedor A/D Central D/A D/A Central A/D Provedor A Conversão Analógico/Digital Gera um Ruído chamado Ruído de Quantização Não é possível obter-se mais do que 33.6 kbps!! 59 60
16 Taxa de Transmissão no Acesso ao Provedor Taxa de Transmissão no Acesso ao Provedor MODEM Rede Telefônica Capacidade máxima de 33.6 kbps da residência para o provedor e 56 kbps no sentido inverso A/D Central D/A Central Provedor A/D D/A Internet MODEM D/A A/D Par Trançado Comutadores de Circuito (Centrais Digitais) Provedor de Serviços ~33kbps ~56kbps Linha Digital (T ou E, p. ex.) 6 62 Multiplexação Permite que vários sinais de diferentes fontes (canais) possam compartilhar o mesmo meio físico: Multiplexação por Divisão da Frequência (Frequency Division Multiplexing - FDM) Multiplexação por Divisão do Comprimento de Onda (Wavelength Division Multiplexing - WDM) Multiplexação por Divisão do Tempo (Time Division Multiplexing - TDM) Multiplexação por Divisão de Código (Code Division Multiplexing) Multiplexação no Tempo 63 64
17 Multiplexação por Divisão de Tempo Ao invés de se utilizar as várias faixas de frequências para separar os sinais a serem transmitidos, utiliza-se o tempo como a grandeza a ser compartilhada. obtém-se o compartilhamento do meio físico intercalando-se porções de cada um dos sinais ao longo do tempo. A forma com que o tempo é subdividido dá origem a duas formas de TDM: o TDM síncrono e o TDM assíncrono (ou Estatístico). A B C D Multiplexação no Tempo Meio Físico Multiplexação no Tempo Multiplexação no Tempo A A B B C Meio Físico C Meio Físico D Dados Banda Desperdiçada D Dados Banda Desperdiçada ý Multiplexação Síncrona (TDM) (synchronous Time Division Multiplexing) A B C D A2 B2 C2 D2 Primeiro Ciclo T Segundo Ciclo ý ý Multiplexação Síncrona (TDM) (synchronous Time Division Multiplexing) Multiplexação Assíncrona ou Estatística (STDM) (Statistical Time Division Multiplexing) A B C D A2 B2 C2 D2 Primeiro Ciclo T A B B2 C2 Segundo Ciclo Cabeçalho Banda Extra Disponível 67 68
18 Representação para uma parcela da utilização do meio físico alocada a transmissão de um sinal. Canal A implementação de um canal varia de acordo com a forma de multiplexação. Assim, tem-se um tipo de canal no FDM e um outro tipo de canal no TDM síncrono. No FDM, um canal corresponde a uma faixa de freqüências No TDM síncrono, denomina-se canal o conjunto de todos os slots, um em cada frame, identificados por uma determinada posição fixa dentro desses frames. Ex.: o canal 3 é formado pelo terceiro slot dentro de cada ciclo. Comutação de Circuitos Chaveamento por divisão espacial (Space Division Switching - SDS) cada nó fecha um circuito físico entre entrada e saída Chaveamento por divisão da freqüência (Frequency Division Switching - FDS) cada nó chaveia de um canal de freqüência de uma linha de entrada para um canal de freqüência de uma linha de saída Chaveamento por divisão do tempo (Time Division Switching - TDS) cada nó chaveia de um canal TDM (slot) de uma linha de entrada para um canal TDM de uma linha de saída Comutação de Circuitos Comutação de Circuitos Características Necessidade de estabelecimento de conexão (roteamento no momento da conexão) Canal dedicado durante o tempo de uma chamada Endereçamento necessário apenas na conexão Retardo de transferência dos dados constante Características Possibilidade de bloqueio da comunicação devido à falta de recursos Não necessita empacotamento Melhor para tráfego contínuo Pior para tráfego em rajadas 7 72
19 MUX Multiplexador x Acesso Múltiplo A multiplexação pode ser realizada tanto de forma centralizada, por um equipamento específico denominado multiplexador (MUX), como de forma distribuída, onde as várias fontes de sinais encontram-se diretamente conectadas a um meio físico compartilhado. Nesse último caso, a multiplexação já é realizada no acesso do usuário à rede, sendo, por essa razão chamada de mecanismo de acesso múltiplo. Multiplexador x Acesso Múltiplo A cada esquema de multiplexação pode-se associar um mecanismos de acesso múltiplo FDM - FDMA TDM - TDMA CDM - CDMA Outros exemplos de esquemas de acesso múltiplo também são encontrados nos protocolos de acesso ao meio utilizados em redes locais e metropolitanas como o CSMA/CD (Ethernet) e o Token Ring TDMA Hierarquias de Transmissão Digital Em uma hierarquia de sinais digitais, os sinais de taxa mais alta são obtidos através do cascateamento de multiplexadores Nível Nível 2 Nível MUX MUX. MUX. Hierarquias de Transmissão Digital Têm sido utilizadas em sistemas de telefonia digital Passaram por processos de padronização em várias entidades internacionais Hoje em dia, utilizadas também na transmissão de dados EUA, Europa e Japão definiram diferentes padrões para o sinal básico e para a forma de multiplexação na geração dos sinais de ordem mais alta 75 76
20 Sinal Digital Número de Canais de Voz Taxa de Transmissão DS- DS-2 DS-3 DS-4 24 Hierarquia de Sinais Digitais dos EUA MUX T MUX T2 MUX 7,544 Mbps 6,32 Mbps 44,736 Mbps 274,76 Mbps Inicialmente definido pela AT&T, tendo posteriormente se tornado o padrão utilizado para a transmissão digital de voz em sistemas telefônicos nos EUA. multiplexação síncrona no tempo, de vinte e quatro canais de voz, a 64 Kbps cada, transportados em um sinal de,544 Mbps (denominado DS- Digital Signal Level ). T3 Hierarquia Européia Sinal Digital Número de Canais de Voz Taxa de Transmissão E E2 E3 E ,048 Mbps 8,448 Mbps 34,368 Mbps 39,264 Mbps O esquema E é oriundo do padrão utilizado para a transmissão de voz em sistemas telefônicos digitais na Europa e no Brasil 30 canais de voz, a 64 Kbps cada, transportados em um sinal de 2,048 Mbps Nível EUA Europa Japão Diferentes Hierarquias de Transmissão Digital,544 Mbps (DS-) 2,048 Mbps (E-) 6,32 Mbps (DS-2) 8,448 Mbps (E-2) 44,736 Mbps (DS-3) 34,368 Mbps (E-3) 274,76 Mbps (DS-4) 39,264 Mbps (E-4),544 Mbps 6,32 Mbps 32,064 Mbps 97,728 Mbps Dado digital - Sinal digital Codificação digital Banda básica Dado digital - Sinal Analógico Modulação de dado digital Banda larga Dado Analógico - Sinal digital Digitalização PCM, ADPCM,... Dado Analógico - Sinal Analógico Modulação de dado analógico AM, FM,... Codificação e Transmissão 79 80
21 Codificação em Banda Básica NRZ (Non-Return to Zero) NRZI (Non-Return to Zero Inverted) Pseudoternary AMI (Alternate Mark Inversion) HDB3 (High Density Bipolar Three Zeros) B8ZS (Bipolar with Eight Zeros Substitution) 4B3T (4-Binary 3-Ternary) Manchester Diferential Manchester Multi-Level Codes Onda de Relógio Bits Sinal NRZ RZ Manchester Manchester Diferencial Codificação em Banda Básica Recuperação do Sinal NRZ Transmissor Receptor Transmissão T Intervalos de sinalização T Instantes de amostragem Necessidade de uma referência única de tempo para transmissor e receptor 83
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