1 CÓDIGOS DE TRANSMISSÃO EM BANDA BASE

Transcrição

1 Página 1 1 CÓDIGOS DE TRANSMISSÃO EM BANDA BASE Devido à simplicidade e eficiência que podem ser obtidos com sistemas de transmissão banda base, são estes os mais largamente utilizados em comunicação de dados em distâncias limitadas, como perímetros urbanos, campus ou redes com abrangência local /ROC 99/. As características desses sistemas estão intimamente relacionadas com o código utilizado para representar e transmitir a informação. A escolha do código a ser adotado pelo sistema de comunicação banda base é baseado em quatro critérios: 1. menor banda de freqüência ocupada pelo espectro de energia do sinal; 2. facilidade de recuperação do sincronismo; 3. não possuir componentes de baixa freqüência (facilita o acoplamento indutivo); 4. robustez (em relação ao ruído) e simplicidade de implementação. Por quê uma freqüência alta é ruim na transmissão sobre par de fios? Porque quanto maior a freqüência, maior a atenuação (característica do meio físico), assim, a distância alcançada pela transmissão é menor. Os principais códigos banda base utilizados em sistemas de comunicação de dados digitais são os seguintes: AMI, HDBn, 4B/3T, bifase (manchester), MLT-3 e 5B/6B. A seguir esses códigos serão examinados com mais detalhes. 1.1 NRZ Non Return Zero O código NRZ é usado como referência, por ser extremamente simples. Nele, o sinal fica totalmente em 1 ou 0 durante todo o tempo de bit, como mostra a figura. O problema deste código é que um excessivo número de 0 s ou 1 s faz com que o receptor perca o sincronismo com o transmissor, necessitando uma linha adicional de sincronismo externo. NRZ é utilizado na interface RS-232, que é a linha de comunicação serial dos computadores com modens, por exemplo. É também utilizado no giga ethernet baseado em fibra ótica. O código NRZ necessita metade da freqüência do codificação Manchester. 1.2 Manchester (bifase) O código bifase, o código bifase diferencial, e o código Milller são todos códigos de dois níveis, codificam essencialmente a transição (fase) do sinal entre os dois níveis de tensão. Esses códigos, devido à sua simplicidade de implementação, são largamente empregados em redes locais, como a Ethernet e Token Ring, e também na gravação magnética de dados em discos rígidos ou flexíveis.

2 Página 2 O código bifase associa a cada bit zero uma transição negativa do sinal no meio do bit, e para o bit "um" é codificado uma transição positiva no meio do bit. Já o código bifase diferencial associa a cada bit "zero" uma transição no início do bit enquanto os ums não tem transição no início do bit. A figura a seguir 1 ilustra seu funcionamento e o motivo de necessitar uma freqüência tão elevada. Sinalização física no 10BASE-T Os sinais do 10BASE-T são enviados através de dois pares trançados utilizando transmissão diferencial balanceada, ou seja, em cada par, um fio é usado para levar a amplitude positiva do sinal diferencial (de 0V a +2,5V) e um fio leva a amplitude negativa do sinal (de 0V a 2,5V). O sinal pico a pico medido entre os dois fios é, portanto, 5V. A transmissão diferencial fornece seu próprio ponto de referência, através do qual os sinais elétricos mudam para negativo ou positivo (de acordo com a codificação Manchester). Não há necessidade de terra comum nos equipamentos ligados por um segmento UTP, o que isola a sinalização de problemas com variações de voltagem de terra, aumentando a segurança do sistema [SPU 00] pg 127. A figura a seguir ilustra o processo. Codificação Manchester para o 10BASE-T par trançado ,5V Fio trançado 1 0 V Fio trançado 2-2,5V 100ns Sinalização física no 10BASE-FL Os transceivers óticos enviam e recebem pulsos de luz através da fibra ótica de acordo com a codificação Manchester, com um esquema de sinalização bastante simples conhecido como NRZ (Non-Return-to-Zero), onde o bit 1 significa a existência de luz e o bit 0 significa a ausência de luz. Existe uma fibra para enviar o sinal (TX) e uma para receber o sinal (RX). Veja exemplo na figura a seguir. 1

3 Página 3 Codificação Manchester para o 10BASE-FL fibra ótica Presença de luz Ausência de luz 100ns 1.3 AMI ou bipolar A lei de formação do AMI (Alternate Mark Inversion), ou também conhecido por código bipolar, associa a cada bit 1 (marca) um pulso com largura de 0,5 Tb (tempo de bit), alternando pulsos positivos e negativos para minimizar as componentes de DC no espectro. Esse código foi originalmente desenvolvido na década de 60 pela Bell americana para Sistemas PCM (Pulse Code Modulation). A principal limitação do código AMI é a ausência de informação de relógio com longas seqüências de zeros. Por esse motivo é comum o código AMI ser usado em conjunto com um embaralhador de bits, ou scrambler. A figura a seguir ilustra o código 2. O código AMI foi utilizado nas antigas linhas T1 (1,544 Mbps) e canais de 64Kbps americanos. 1.4 HDBn É um código semelhante ao AMI, mas que evita as seqüências de mais de n zeros sucessivos, através da substituição do zero n+1 por uma marca de violação (V). A violação consiste em um pulso com a mesma polaridade do pulso anterior. Assim, nesse código, ao serem detectados quatro zeros consecutivos, serão codificados blocos do tipo 000V ou B00V, em que B é um pulso bipolar normal e V corresponde a um pulso de violação (mesma polaridade do anterior). A codificação de um ou outro bloco é feita de tal forma que o número de pulsos B entre duas violações V seja sempre impar. Esse código é recomendado pelo ITU-T sendo também o código padronizado pelo sistema Telebrás para os 2

4 Página 4 modems banda base utilizados pela Embratel nos sistemas multiplex de primeira e segunda ordem (E1 e E2). O HDB3 é utilizado nas redes G.703 E1, onde se utiliza somente dois pares de fios para enviar e receber o sinal. Um par de fios para transmitir e um para receber. As seguintes regras devem ser obedecidas em uma seqüência de 4 zeros: O 2 o e 3 o zeros são sempre representados pela ausência de pulsos O 4 o zero é sempre uma violação O 1 o zero será substituído por B se o pulso que o precede tem a mesma polaridade da última violação O 1 o zero será substituído por B se o pulso que o precede é uma violação Código HDB3 Exemplo B V V B V Exemplo V V B 0 0 V B 0 0 V 1.5 4B/3T No código 4B/3T, os dígitos binários são agrupados em grupos de 4 bits, e cada grupo de 4 bits é convertido em 3 bits. O resultado é uma redução na taxa de sinalização em ¾. A escolha da seqüência é feita de acordo com o valor médio atual da componente contínua do sinal. A seqüência 000 não é utilizada por não ser boa para a transmissão de relógio.

5 Página 5 Palavra binária Modo positivo Modo negativo Disparidade DC O resultado pode ser visto na figura a seguir. Código 4B/3T Existem seis estados possíveis em relação à disparidade DC (-3, -2, -1, +1, +2, +3). Como o estado nulo não existe, é feita a passagem direta de 1 para +1 e vice-versa no acréscimo de +1 ou 1. O código 4B/3T é utilizado em FDDI B/5B (não é de transmissão física) Tanto o 100BASE-TX como o 100BASE-FX utilizam o sistema de codificação 4B/5B para efetuar a transmissão dos sinais. O 4B/5B transforma 4 bits a serem transmitidos em 5 bits, causando um overhead de 25%, mas agregando funções de controle [SPU 00] pg 120. Esta sinalização foi adaptada da utilizada nas redes FDDI (Fiber Distributed Data Interface). A codificação com 5 bits (32 símbolos) ao invés de 4 (16 símbolos) permite um acréscimo de 16 símbolos (32-16) ao sistema. Um desses símbolos é o IDLE, que é continuamente enviado quando não existem dados a transmitir naquele momento. Isso faz com que a sinalização fique permanentemente ativa, enviando sinais a 125Mbauds (overhead de 25% em relação aos 100Mbit/s) quando nada mais está em andamento.

6 Página 6 A tabela a seguir 3 mostra alguns símbolos que podem ser enviados no canal. Os símbolos de controle são representados por letras, como J e K, utilizados juntos para marcar o início do preâmbulo no quadro. Outros dois códigos, T e R, são utilizados para marcar o final do quadro. Name 4b 5b Description hex data hex data hex data hex data hex data hex data hex data hex data hex data hex data 9 A hex data A B hex data B C hex data C D hex data D E hex data E F hex data F I -NONE Idle J -NONE SSD #1 K -NONE SSD #2 T -NONE ESD #1 R -NONE SSD #2 H -NONE Halt SSD= Start of Stream Delimiter (100BASE-TX Ethernet) ESD= End of Stream Delimiter (100BASE-TX Ethernet) A interface de rede ignora os símbolos IDLE, portanto, uma portadora só é detectada quando símbolos de dados válidos são vistos no canal, mantendo a compatibilidade com o método CSMA/CD. Existe também o 8B/10B, que é um código binário redundante para transmissão em fibras óticas, no qual cada oito bits são codificados em dez bits, permitindo uma melhor detecção de erro e transmissão da informação de relógio. Esse código é utilizado no Gigabit-Ethernet. Existe também o 5B/6B, onde cada 5 bits são codificados em 6 bits, e diversos outros nessa linha, visando diminuir o overhead. 1.7 MLT-3 (MultiLevel Threshold 3) No Fast-Ethernet 100Base-TX (sobre par de fios), a sinalização de linha inicialmente converte o sinal original através do 4B/5B, que converte os 4 bits de dados para 5 bits. Após essa etapa, utiliza-se uma sinalização chamada MLT-3 (MultiLevel Threshold 3). Durante cada 3

7 Página 7 transição de sinal (4 bits convertido para 5 bits) o sinal pode assumir um entre 3 níveis. Durante cada ciclo de relógio, uma mudança de um nível marca bit 1, enquanto que um sinal constante marca bit 0. Como o nível de sinal não muda durante os bits 0, reduz a freqüência necessária no fio, entretanto, torna necessário o uso de um scrambler, a fim de espalhar os padrões de emissão eletromagnética nos dados. Os três níveis são conseguidos através de tensões diferenciais que variam de 0 a +1 no fio positivo e de 0 a 1 no fio negativo. A figura a seguir mostra a transmissão do sinal hexadecimal 0E, que é primeiramente dividido em pedaços de 4 bits, depois passa pela tabela do 4B/5B e então é transmitido através do par trançado na sinalização MLT NRZI (Non Return to Zero, Invert on Ones) No Fast-Ethernet 100BASE-FX (100Mbps, banda base, fibra ótica), a sinalização física para enviar a codificação de 5 bits obtida pelo 4B/5B é uma variante do NRZ (que simplesmente envia pulso positivo no bit 1 e pulso negativo no bit 0 ). Essa variante é conhecida como NRZI (Non-Return-to-Zero, Invert-on-Ones). Esse sistema não modifica o sinal quando envia bit 0, e inverte o sinal do estado anterior quando enviando bit 1. A figura a seguir mostra a transmissão do sinal hexadecimal 0E, que é primeiramente dividido em pedaços de 4 bits, depois passa pela tabela do 4B/5B e então é transmitido através da fibra na sinalização NRZI. O problema deste código é que um excessivo número de 0 s faz com que o receptor perca o sincronismo com o transmissor, necessitando uma linha adicional de sincronismo externo. A solução é utilizar este código juntamente com um algoritmo que não permita uma seqüência grande de zeros, como o 4B/5B, por exemplo. NRZI é utilizado no Fast-Ethernet com fibra ótica, e também nos CDs (Compact Discs) e interface USB.

8 1.9 Sinalização física no 1000BASE-T Página 8 Para enviar 1 Gbps através de 4 pares de fios levou a engenharia de redes a desenvolver um sistema no estado da arte, chamado 4D-PAM5. Este esquema traduz 8 bits de dados em uma transmissão simultânea de quatro símbolos (4D) através dos quatro pares de fios. Os símbolos são transmitidos utilizando um sistema com 5 níveis de amplitude (PAM5). Os cinco níveis incluem um sinal de correção de erros para melhorar a razão sinal ruído no cabo [SPU 00] pg Comparação entre os principais códigos analisados Na figura a seguir são mostrados os espectros de cada código para fins de comparação. É notório que o código 4B/3T e HDB3, apresentam uma ocupação de banda bastante favorável. Já em termos de simplicidade de implementação, os códigos de dois níveis são melhores. O código 4B3T exige a menor largura de banda para transmissão, permitindo o uso de um meio menos sofisticado. 4B3T 1.11 Exemplo de utilização dos códigos A tabela a seguir /MOE 95/ mostra os códigos de linha utilizados para os sistemas de transmissão TDM do sistema PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) de 1 a, 2 a, 3 a e 4 a ordens, a serem falados no próximo capítulo. Meio de 2Mbps 8Mbps 34Mbps 140Mbps transmissão Par simétrico HDB ,7-3,5Km Cabo coaxial - - 4B/3T 9,3Km 4B/3T ou CMI 4,65Km Fibra multimodo com Binário ou CMI Binário ou CMI 5B/6B 5B/6B LED: nm 1300nm 8-12Km 20Km 9-11Km 15Km 5,5Km 12-21Km 5Km 7Km Fibra multimodo com Binário ou CMI 5B/6B 5B/6B 5B/6B

9 Página 9 Laser: nm 1300nm Fibra monomodo com Laser: 1300nm 1550nm 12-16Km 30-40Km 10-15Km 25-35Km 10-13Km 29-39KmKm - - 5B/6B 30-55Km 20-30Km 5B/6B 30-50Km 40-70Km 1.12 BIBLIOGRAFIA /MOE 95a/ /ROC 99/ /TAN 97/ Moecke, Marcos. Curso de Telefonia Digital - Multiplexação por Divisão de Tempo e Transmissão Digital. Escola Técnica Federal de Santa Catarina São José p. ROCHOL, Juergen. Redes de Computadores 2 a parte. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Instituto de Informática TANENBAUM, Andrew C. Redes de Computadores - 3a edição. Ed. Campus, Rio de Janeiro, 1997.