TRANSMISSÃO DE DADOS

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1 TRANSMISSÃO DE DADOS Aula 2: Transmissão Digital Notas de aula do livro: FOROUZAN, B. A., Comunicação de Dados e Redes de Computadores, MCGraw Hill, 4ª edição Prof. Ulisses Cotta Cavalca <ulisses.cotta@gmail.com> Belo Horizonte/MG 2015

2 SUMÁRIO 1) Conversão digital-digital 2) Conversão analógico-digital

3 1.1 Codificação Codificação de linha: É processo de conversão de dados digitais em sinais digitais. Processo geralmente utilizado na transmissão de dados (arquivos, textos, etc.) entre dispositivos e unidades de armazenamento.

4 1.1 Codificação Elemento de dados e elemento de sinal:

5 1.1 Codificação Taxa de sinal: S=c x N x 1 r [baud] S: número de elementos de sinal; N: taxa de dados (bps); c: fator de caso; r: relação entre elemento de dados e elemento de sinal

6 1.1 Codificação Tópicos sobre codificação: Afastamento em relação à referência inicial No receptor, a decodificação é composta pela potência média efetiva do sinal recebido Componentes DC Um nível de sinal constante por certo tempo acarreta em espectro de frequência muito baixo Autosincronização Para a correta comunicação de dados, os intervalos entre transmissão devem corresponder aos intervalos de recepção;

7 1.1 Codificação Efeito da falta de sincronização:

8 1.1 Codificação Esquemas de codificação digital em linha:

9 1.2 Esquema unipolar NRZ (Non-Return to Zero): A voltagem positiva define o bit 1; A voltagem negativa define o bit 0; NRZ (Non-Return to Zero Sem retorno a zero) significa que o sinal não retorna a zero no bit do meio; Apresenta problema das componentes DC Sensível ao problema de autosincronização Método de conversão não é comumente utilizado hoje em dia.

10 1.2 Esquema unipolar NRZ (Non-Return to Zero):

11 1.3 Esquema polar NRZ-L (NRZ-Level): Nível da tensão determina o valor do bit; Método apresenta problema de afastamento da referência inicial, componentes DC e autosincronização, sendo mais crítico no NRZ-L; Sensível à mudanças bruscas de polaridades. NRZ-I (NRZ-Inverted): A mudança ou a falta da mudança determina o valor do bit; Método apresenta problema de afastamento da referência inicial, componentes DC e autosincronização;

12 1.2 Esquema unipolar NRZ-L (Non-Return to Zero-L) Aplicado na norma RS-232: Utilizado na comunicação serial entre interfaces de switches e demais dispositivos Interface serial, ponto a ponto (2 nós), de baixa velocidade (até 115 kbps) Criado no final dos anos 1950, para interligar modems à terminais de mainframes

13 1.3 Esquema polar NRZ-L e NRZ-I

14 1.3 Esquema polar RZ (Return to Zero): Elimina o problema de autosincronização das codificações NRZ, pois receptor pode não saber o momento de início/término de um bit; Bit do meio retorna para zero Apresenta três valores: positivo, negativo, zero Desvantagens: requer 1 mudanças de nível para transmitir 1 bit ocupa maior largura de banda; inversão de polaridade; Complexidade: utiliza 3 níveis de tensão

15 1.3 Esquema polar RZ (Return to Zero):

16 1.3 Esquema polar Manchester: Combinação do método RZ e NRZ-L; Regra de conversão: Tensão permanece em um nível na primeira metade do bit: positivo para bit 0, negativo para bit 1; Há deslocamento da tensão na segunda metade. Aplicado em redes ethernet 10BASE-T

17 1.3 Esquema polar Manchester diferencial: Combinação do método RZ e NRZ-I; Regra de conversão: Se o próximo bit é 1: 1ª metade é igual a 2ª metade do sinal anterior (sem inversão de sinal); Se o próximo bit é 0: 1ª metade é diferente da 2ª metade do sinal anterior (há inversão de sinal); 2ª metade do sinal é alterada (deslocamento da tensão na segunda metade). Aplicado em redes Token Ring (padrão IEEE 802.5), e armazenamentos magnético e ótico.

18 1.3 Esquema polar Manchester e Manchester Diferencial:

19 1.4 Esquema bipolar AMI (Alternated Mark Inversion) e Pseudoternário: Tentativa de resolver os problemas inerentes das codificações NRZ AMI: Os 1s binários são representados alternando-se voltagens positivas e negativas. Pseudoternário: Os 0s binários são representados alternando-se voltagens positivas e negativas. Apresenta problema de sincronização com longa sequência de 0s. Aplicado em transmissões de longa distância.

20 1.4 Esquema bipolar AMI e pseudoternário:

21 1.5 Esquema multinível Em métodos multiníveis do tipo mbnl, um padrão de m elementos é codificado como um padrão de n elementos de sinal, em que 2 m L n Necessidade: aumentar a velocidade de dados e diminuir a largura de banda. Aumentar o número de bits por baud.

22 1.5 Esquema multinível 2B1Q (2 bits, 1 quaternário): Padrão de dados de tamanho 2 (m=2) Apenas 1 elemento de sinal (n=1) Sinal de quarto níveis (L=4), também representado por letra (Q = quaternário) Utilizado na tecnolodia DSL (Digital Subscriber Line), ao qual foi umas das primeiras iniciativas em incrementar a velocidade de Internet.

23 1.5 Esquema multinível 2B1Q (2 bits, 1 quaternário): Regra de formação: Verifica qual é a próxima sequência de bits: 00, 01, 10, 11? Utiliza a respectiva linha da tabela de transição O último sinal foi positivo? Aplica valor de tensão da 2ª coluna da tabela de transição. O último sinal foi negativo? Aplica os valor de tensão da 3ª coluna da tabela de transição.

24 1.5 Esquema multinível 2B1Q (2 bits, 1 quaternário):

25 1.5 Esquema multinível 8B6T (8 bits, 6 ternário): Padrão de dados de tamanho 8 (m=8) 6 elementos de sinal (n=6) Sinal de três níveis (L=3), também representado por letra (T = ternário) Utilizado na tecnologia de cabemaneto 100BASE-4T A codificação 8B6T utiliza métrica de pesos (somatório dos sinais de tensão), para garantir equilíbrio das componentes DC.

26 1.5 Esquema multinível 8B6T (8 bits, 6 ternário): No primeiro padrão, sequência é representado por (peso = 0) No 2º padrão, sequência é representado por (peso=1) No 3º padrão, sequência é representado por (peso=1) Se um peso repetir, o sinal real é invertido.

27 1.5 Esquema multinível 4D-PAM5: modulação de amplitude de pulso com cinco níveis e quatro dimensões: 4D dados enviados através de 4 fios ao mesmo tempo. 5 níveis de sinal (-2, -1, 0, +1, +2), sendo 0 apenas para detecção de erro. Assim, a conversão é do tipo 8B4Q: 8 bits (m=8) 4 elementos de sinal (n=4); 4 níveis de sinal (L=4 Q); Em cada meio, taxa de transmissão chega a 250Mbps Técnica utilizada em transmissão LAN gigabit.

28 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) PCM: Técnica mais comum de modulação analógico-digital; Aplicado no armazenamento e tratamento de áudio (CD); Conversão PCM é composta por 3 etapas: Amostragem: Define uma série de valores de pulsos de amplitude entre o valor máximo e mínimo do sinal; Quantização: Determina o conjunto de amplitudes cujos os sinais amostrados serão categorizados (discretizados); Codificação: Modificação de cada amostra em uma palavra de códigos (fluxo de bits) de n b bits.

29 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) PCM: Componentes

30 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) PCM: Amostragem Relembrando: T s = 1/f s (a) Amostragem ideal: Pulsos do sinal analógico são amostrados em Ts segundos; (b) Amostragem natural: Pulsos do sinal analógicos são amostrados após duração de uma chave de ativação; (c) Amostragem de topo de plano: Captura valor do sinal analógico da primeira captura da amostragem natural.

31 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) PCM: Amostragem

32 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) PCM: Taxa de amostragem Quantidade de amostras necessárias para representação de um sinal analógico. De acordo com o teorema de Nyquist, a taxa de amostragem deve ser pelo menos 2 vezes a frequência do sinal.

33 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) PCM: Taxa de amostragem (a) f s = 2f T s = 1/2T (b) f s = 4f T s = 1/4T (c) f s = 4/3f T s = 3/4T f s = 4/3f

34 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) PCM: Quantização (a) Um sinal analógico original tem amplitudes instantâneas entre V min e V max ; (b) Dividimos o intervalo em zonas L, cada uma delas com altura =(V max -V min )/L (delta); (c) Atribuímos valores quantizados de 0 a (L-1) ao ponto médio de cada zona. (d) Aproximamos o valor da amplitude amostrada com os valores quantizados Considere o exemplo cujas amplitudes são -20V e +20V, e oito níveis de sinal (L=8) Considere os valores amostrados: -6,1, 7,5, 16,2, 19,7, 11, -5,5, -11,3, -9,4, -6

35 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) PCM: Quantização

36 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) PCM: Codificação O sinal contido em cada amostra é relacionado com uma sequência binária No exemplo anterior, o código de quantização 2 é codificado como 010, 5 como 101, etc. Taxa de bits = taxa de amostragem x número de bits por amostra T b =f s x n b

37 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) PCM: Codificação Exemplo: Para digitalizar a voz humana, qual é a taxa de bits, supondo-se 8 bits por amostra Normalmente, a voz humana contém frequências que vão de 0 a 4000Hz. Portanto, a taxa de amostragem e a taxa de bits são calculadas: f s =2. f = =8000 amostras/s T b =f s. n b =8000.8=64kbps

38 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) PCM: Recuperação do sinal Requer uso de um decodificador PCM Utiliza: (1) Circuitos eletrônicos para conversão dos pulsos em ondas quadradas. Em outras palavras, reconstrução das amostras. (2) Sinal digital é processado por um filtro passa-baixa para transformação em sinal analógico. Sinal será reconstruído se tiver sido amostrado conforme teorema de Nyquist.

39 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) PCM: Recuperação do sinal

40 2. Conversão analógico-digital 2.2. Modulação Delta (DM) DM Substituição da técnica PCM em razão da sua complexidade O PCM acha o valor da amplitude do sinal para cada amostra; a DM encontra a variação a partir da amostra anterior. Na modulação DM, um sinal auxiliar é criado para realizar comparações, consequentemente encontrar as varições do sinal anterior.

41 2. Conversão analógico-digital 2.2. Modulação Delta (DM) DM: Modulação Comparador que verifica se a variação entre sinal analógico e auxiliar é positivo: Próximo bit é 1 e sinal auxiliar em escada é incrementado Comparador que verifica se a variação entre sinal analógico e auxiliar é negativo: Próximo bit é 0 e sinal auxiliar em escada é decrementado Método reque uma unidade de retardo para geração do sinal auxiliar.

42 2. Conversão analógico-digital 2.2. Modulação Delta (DM) DM: Modulação

43 2. Conversão analógico-digital 2.2. Modulação Delta (DM) DM: Demodulação A partir dos sinais digitais que contém os valores binários e unidade de retardo, o sinal auxiliar em escada é reconstruído. Sinal auxiliar é submetido à um filtro passa-baixa para suavização do sinal analógico