1 Transmissão digital em banda base

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1 1 Transmissão digital em banda base A transmissão digital oferece algumas vantagens no que diz respeito ao tratamento do sinal, bem como oferecimento de serviços: Sinal pode ser verificado para avaliar a existência de erros; Ruídos e interferência podem ser mais facilmente filtrados; Uma variedade de serviços pode ser oferecida em uma linha de comunicação; Grande largura de banda pode ser obtida através de compressão de dados. Para a transmissão digital, uma sequência de dígitos binários é codificada por sinais digitais e transmitida em banda-base ou empregando modulação. Banda base significa a transmissão do sinal sem portadora, isto é, sem deslocamento no espectro de frequências, em geral para transmissão a distâncias curtas. No processo de modulação emprega-se o deslocamento do sinal para uma frequência mais alta através do sinal da portadora. Um sinal digital é representado por pulsos de tensão discretos e descontínuos, conforme exemplifica a Figura 1 e Figura 2. Cada pulso é denominado um elemento de sinal, sendo o dado binário codificado em um elemento de sinal. O sinal digital pode ser unipolar, quando todo o elemento de sinal tem o mesmo sinal algébrico e é dito bipolar quando um estado lógico representado por voltagem positiva o outro por voltagem negativa. Figura 1: Sinal digital unipolar. Figura 2: Sinal digital bipolar. A codificação de dados ou codificação digital de dados são termos empregados para modulação digital em banda base. Muitas redes de computadores são para aquisição e armazenamento de dados ou são simplesmente redes locais de computadores. Para tais redes a codificação em banda base é suficiente para transmissão, não havendo necessidade de modular os dados em uma frequência mais alta. 1

2 2 Códigos de linha A codificação de dados é realizada através dos códigos de linha. As características ideais de um código são: Ocupar pouca largura de banda; Ausência de componentes DC. Esta característica é conveniente se houver transformadores no sistema, pois estes bloqueiam a componente contínua dos sinais de entrada; A constante alteração dos níveis lógicos (0 1 ou 1 0) permitindo a sincronização entre transmissor e receptor sem a necessidade de informação adicional (bits adicionais) para sincronismo. O sincronismo é necessário para se determinar o começo e o fim de cada frame de transmissão; Capacidade de detecção de erro; Imunidade a ruídos e interferência de sinais. A taxa de transmissão de códigos de linha pode ser dada em bits por segundo ou bauds por segundo, este último se refere ao quantidade de símbolos por segundo. Um símbolo pode ser representado por um conjunto de bits como ilustra a Tabela 1, onde um símbolo é formado por 2 bits. Assim, se N é o número de símbolos e b é o número mínimo de bits para representar tais símbolos, então N = 2 b, alternativamente, b = log 2 N. Nesse caso, taxa em bits = taxa em bauds log 2 N. A taxa em bits é representada por R, por conseguinte, o tempo de duração de um bit é T b = 1 R. Tabela 1: Bits e símbolos Símbolos Bits A Figura 3 apresenta alguns dos códigos de linha empregados para codificação digital. 2

3 2.1 No return to zero level NRZ Dois níveis de tensão diferentes para bits 0 e 1, por exemplo: nível alto para o bit 1 e nível baixo para o bit 0; As tensões são constantes durante o tempo de duração do bit. O tempo de duração do bit deve ser o mesmo para ambos os tipos de pulso Dois tipos de código NRZ serão considerados, o NRZ Level (NRZ L) e o NRZ Invert-on-one (NRZ I). Para o NRZ L é estritamente o nível de tensão que determina os valores de dados, na Figura 3, um nível alto para o bit 0 e nível baixo para o bit 1. No NRZ I, a transição de tensão no início do pulso determina o valor associado de dado. Por exemplo, transição no início do pulso pode ser usada para representar o binário 1 e a falta de transição o 0, Figura 3. A codificação NRZ apresenta prós e contras em sua utilização, uma vantagem é o seu conceito simples e a facilidade de implementação. Um problema é o seu nível DC, que impede seu isolamento com a utilização de transformadores. Para longas sequências de um tipo de bit o código não tem capacidade de sincronização. Figura 3: Códigos de linha 3

4 2.2 Codificação multinível binária Neste tipo de codificação são mais do que dois níveis para codificação dos dados. São considerados dois tipos de código de linha, o bipolar Alternate Mark Inversion (AMI) e o pseudoternário: AMI o binário 0 é representado pela ausência de sinal; o bit 1 é representado por pulso negativo ou positivo; Os pulsos para o bit 1 têm polaridade alternada. Pseudoternário Bit 1 representado pela ausência de sinal Bit 0 representado pela alternância entre polaridade Nenhuma vantagem ou desvantagem sobre bipolar-ami Quanto aos prós e contras destas duas codificações pode-se citar: Prós Sem perda de sincronismo se uma sequência de bits 1 ocorrer (Zero ainda é um problema); Sem componente DC: pode-se usar transformador para isolar a linha de transmissão; Pequena Largura de banda; Fácil detectar erros. Contras Com a codificação binária multinível, o sinal de linha pode assumir 1 de 3 níveis, mas cada elemento de sinal suporta apenas 1 bit de informação ao invés de log 2 3 = 1.58bits Receptor deve distinguir entre 3 níveis (+A, -A, 0); Requer aproximadamente 3dB mais de potência de sinal para a mesma probabilidade de erro de bit. 4

5 2.3 Codificação Manchester Apresenta codificação no meio do tempo de bit. São consideradas as codificações Manchester e Manchester diferencial. Manchester Transição no meio de cada período de bit; Transição serve como clock e dado; Pode-se adotar: Transição alto para baixo representa 0, Transição baixo para alto representa 1; Used by IEEE (Ethernet). Manchester diferencial Transição no meio do período de bit apenas clock; Transição no começo do período de bit representa 0; Nenhuma transição representa 1; Used by IEEE (Token Ring). Como vantagens e desvantagens para essas duas codificações de linha: No mínimo uma transição por tempo de bit e possivelmente duas; Taxa de modulação máxima é duas vezes a do NRZ; Requer maior largura de banda; Sincronismo no meio da transição de bit (self clocking); Nenhum componente dc; Detecção de erro: A ausência de uma transição pode permitir a detecção de erros. 3 Técnicas de scrambling As técnicas de scrambling servem para evitar que uma sequência de bits fique por um longo período de tempo em um mesmo nível de tensão. Assim, é papel de um scrambler: Produzir transições suficientes para manter o sincronismo; 5

6 Após ser recebido pelo receptor, o sinal passa pelo processo inverso (unscrambling), permitindo que a sequência original de bits possa ser interpretada corretamente pelo detector. Além disso, não tem componente DC, as sequências com nível zero não são longas, não há redução na taxa de dados e possui a capacidade de detecção de erros. Dois tipos de codificação são apresentadas, a Bipolar with 8 zeros substitution B8ZS e High density bipolar 3 zeros HDB3. A codificação de linha B8ZS é empregada em circuitos T1 (multiplexação de 24 canais de voz sistema Americano) enquanto a codificação HDB3 é utilizada em circuitos E1 (multiplexação de 32 canais de voz sistema Europeu). B8ZS Baseada no bipolar-ami Seja um octeto todo de zeros e o último pulso de voltagem o precedendo for positivo, codifica-se como Seja um octeto todo de zeros e o último pulso de voltagem o precedendo for negativo, codifica-se como Causa duas violações do código AMI É improvável de ocorrer como resultado de ruído Receptor detecta e interpreta a sequência como octeto de zeros Na Figura 4 a regra usada para 1 o octeto de zeros foi: último pulso de voltagem precedendo for negativo, codifica-se como HDB3 Bipolar 3 Zeros Baseada no bipolar-ami Evita sequência de quatro zeros ou mais O quarto zero numa sequência é sempre transmitido como um impulso que viola a regra da alternância (V) Após a primeira sequência de 4 zeros, para as sequências consecutivas, o primeiro zero da sequência é substituído por um impulso que respeita a regra da alternância (B), o quarto zero, por um impulso que viola essa regra A codificação HDB3 é ilustrada na Figura 5. 6

7 Figura 4: Codificação B8ZS, em que B=balanceamento e V=violação da regra Figura 5: Codificação HDB3, em que B=balanceamento e V=violação da regra 4 Exercício 1. Codifique a sequência usando codificação: (a) Pseudoternária; (b) Manchester; (c) Manchester Diferencial; (d) B8ZS (e) HDB3. 7