Fund. De Redes Codificação de dados
Introdução Informações digitais ou analógicas podem ser codificadas tanto em sinais analógicos como em sinais digitais. Dados digitais, sinais digitais Dados analógicos, sinais digitais Dados digitais, sinais analógicos Dados analógicos, sinais analógicos 2
Dados analógicos/digitais e suas sinalizações Dados analógicos Sinal analógico Sinal digital Pulse Code Modulation (PCM) Banda base Portadora (AM,FM e PM) Dados digitais Sinal digital Sinal analógico ASK PSK FSK Diferenciais NRZ Manchester Scambling 3
Dados digitais, sinais digitais Dados (analógicos ou digitais) são codificados em um sinal digital Pulsos de voltagem (discretos) representando um elemento de sinalização Dados são codificados pelos elementos de sinalização Tipo de esquema de codificação depende do meio de transmissão Otimizar o meio de transmissão (banda passante ou erro) Questões importantes: níveis de sinal e de dados, taxa de sinalização e sincronização 4
Nível de sinal versus nível de dados Nivel de sinal: Quantidade de níveis que um sinal digital pode assumir Nível de dados: Número de níveis que são utilizados para representar dados 0 0 Dois níveis de sinal, dois níveis de dados 0 0 três níveis de sinal, dois níveis de dados 5
Taxa de sinalização versus taxa de dados (lembrando...) Taxa de sinalização (baud rate) Período de tempo para representar uma unidade de informação (símbolo) Tempo de bit(s) Número de pulsos por segundo Taxa de dados (bit rate) Quantidade de bits transportados por segundo BitRate BaudRate log 2 L 6
Componente DC Nível de energia residual que corresponde a uma frequência zero Indesejável por: Sinal com componente DC sofre distorção ao passar por transformadores alarga a banda passante do sinal 0 0 Com componente DC (em média) 0 0 Sem componente DC (em média) 7
Sincronização Relógios do emissor e do receptor devem estar sincronizados para correta interpretação do sinal Amostragem no meio do tempo de bit Necessário manter a sincronização Resincronização na presença de bordas do sinal 0 0 Relógio amostragem idêntico ao da transmissão O ou?? Relógio amostragem adiantado Em relação ao da transmissão 8
Principais métodos de codificação Código unipolar: um nível de tensão (positivo ou negativo) Simples Código polar: dois níveis de tensão (positivo e negativo) Non Return to Zero (NRZ), Non Return to Zero Inverted (NRZ-I), Manchester, Manchester diferencial Código bipolar: três níveis de tensão (zero, positivo e negativo) Alternate Mark Inversion (AMI), Bipolar n-zero Substitution (BnZS), pseudoternary Substituição Scrambling B8ZS e HDB3 Codificação em bloco 4B/5B, 8B/0B, 8B/6T, etc 9
Qual método de codificação a ser usado? Detecção de erros Imunidade à interferência e a ruídos Custo e complexidade Alguns códigos necessitam taxas de sinalização maior que a taxa de transmissão e isso implica em custos maiores Espectro do sinal Ausência de alta frequência reduz necessidade de banda passante do meio Ausência de uma componente DC elimina necessidade de um referencial comum entre transmissor e receptor Concentrar a energia no meio da banda passante do meio Temporização: Sincronização entre transmissor e receptor 0
Código simples (unipolar) Mais simples e primitivo O nível de tensão representa um bit (0 ou )e zero representa outro ( ou 0) Obsoleto Desvantagem: Presença de componente DC Falta de mecanismos para sincronização 0 0
Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L) Dois níveis diferentes de tensão para bits em 0 e em Tensão constante durante o tempo de bit, ou seja, sem retorno para o nível zero Normalmente: bit em : valor negativo bit em 0: valor positivo 2
Nonreturn to Zero Inverted (on ones) Variação de NRZ Tensão constante durante o tempo de bit Dados são codificados em função da presença ou não de uma transição no início do tempo de bit Transição representa binário Sem transição representa 0 binário Código pertencente à família codificação diferencial 3
NRZ/NRZ-I: vantagens e desvantagens Vantagens: Fácil de implementar Bom uso da banda passante Desvantagens Pode apresenta componente DC residual (menor que a unipolar) Não fornece mecanismo para sincronização de início e fim de bits Sem detecção de erros Empregado para gravação em meios magnéticos Raramente empregado para transmissão de sinais 4
Codificação Manchester Transição no meio do tempo de duração de cada bit Transição serve para representar dados e garantir sincronização Transição nível baixo alto representa binário Transição nível alto baixo representa 0 binário Empregado em redes do tipo IEEE 802.3 0 0 0 0 0 0 Manchester 5
Codificação Manchester diferencial Sempre uma transição no meio do tempo de duração de cada bit Objetivo é sincronização Codificação: Transição no ínicio do tempo de bit representa zero binário Ausência de transição no início do tempo de bit representa um binário Empregado em redes do tipo IEEE 802.5 0 0 0 0 0 0 Manchester diferencial 6
Manchester : vantagens e desvantagens Vantagens Sincronização embutida com a transição no meio do tempo de bit Ausência de componente DC Possibilita detecção de erros de transmissão Ausência da transição esperada Desvantagens No mínimo uma transição ocorre durante o tempo de um bit A taxa sinalização é duas vezes a do NRZ Necessita de maior banda passante 7
Bipolar-AMI Emprega mais de dois níveis de tensão Ausência de sinal na linha indica um bit em zero Pulso negativo ou positivo representa um bit em Pulsos tem sua polaridade alternada 8
Pseudo-ternário Emprega mais de dois níveis de tensão Ausência de sinal na linha indica um bit em Pulso negativo ou positivo representa um bit em 0 Pulsos tem sua polaridade alternada 9
AMI e pseudo-ternário: vantagens e desvantagens Vantagens: Ausência de componente DC Fácil detecção de erros Desvantagens: Perda de sincronismo para grandes sequência de zeros (Bipolar) ou de s (pseudoternário) Não é tão eficiente como o NRZ Linha assume três níveis diferentes para codificar apenas 2 valores Receptor deve distinguir 3 níveis de tensão (+A, 0, -A) 20
Técnica de scrambling Substituir sequências que geram tensões constantes Critério para criação de sequências: Produzir transições para permitir sincronização Protocolo para o receptor interpretar e traduzir para o original Não modificar o tamanho da sequência original Objetivos: Reduzir componente DC Eliminar longas sequências de zero/um na linha Não aumentar/reduzir a taxa efetiva de transmissão Permitir detecção de erro 2
B8ZS Bipolar With 8 Zeros Substitution Baseado no código bipolar-ami Regra para codificação: Se um byte possui 8 zeros consecutivos Pulso precedente positivo, codifica como 0 0 0+ - 0 - + Pulso precedente negativo, codifica como 0 0 0- + 0 + - Sequências de violações no código AMI Receptor detecta o padrão e traduz a sequência para 8 zeros 22
HDB3 High Density Bipolar 3 Zeros Baseado no código bipolar-ami Sequência de 4 zeros é substituída por um padrão com violação de código 23
B8ZS e HDB3 24
Codificação em blocos Empregado para melhorar a eficiência da transmissão e.g.: codificação Manchester possui uma eficiência de apenas 50% Três etapas: Divisão: dados são divididos em grupos de m bits Substituição: grupos de m bits são substituídos por n bits ( n > m) Escolhe sequências visando sincronização e detecção de erros Codificação: para transmissão pode-se usar qualquer um dos métodos vistos anteriormente 25
Exemplos: 4B/5B e 8B/6T 4B/5B (Parcial) 24 (6) mapeados em 25 (32) 8B/6T (exemplo de um código) - + 0 + - 0 000 28 (256) mapeados em 36 (729) 26
Transmissão paralela Paralela n bits enviados simultaneamente em um tempo de bit Necessário uma via (fio) por bit Relógio único (global) n + via (fios) necessários = n para dados + para o relógio Apresenta limitação em distância Custo Distorções no sinal de relógio 28
Transmissão serial Serial n bits enviados em sequência, um após o outro, cada um ocupando um tempo de bit Serial assíncrona: Não há informação de sincronização entre o emissor e o receptor Presença de marcas de início e fim Fortemente baseado em temporização (sensível ao drift) Problema: não se pode enviar mensagens muito longas senão ocorre defasagem entre emissor e receptor Serial síncrona Informação de relógio é embutido junto com os dados (e.g. Manchester) Amortização das marcas de início e fim 29
Codificação de dados (continuação) 30
Introdução Dados analógicos podem ser: Transmitidos através de sinais analógicos É o que ocorre com sinais de rádio e de televisão analógicos Convertidos para seu equivalente digital (sinais digitais) e serem transmitidos por um sinal digital É o que ocorre na telefonia e com CDs de músicas (gravação) Dados digitais podem ser: Convertidos para seu equivalente analógico (sinais analógicos) e serem transmitidos por um sinal analógico. É o que ocorre com modems (linha discada, ADSL e Cable), em sistemas telefônicos (no destinatário) e em CDs de músicas (reprodução) 3
Dados analógicos, sinais analógicos Porque modular sinais analógicos? Frequências mais altas fornecem uma transmissão mais eficiente Possibilita o emprego da técnica FDM (multiplexação em frequência) Adaptar sinal a requisitos de banda passante do meio Tipos de modulação empregada Amplitude (Amplitud Modulation - AM) Frequência (Frequency Modulation - FM) Fase (Phase Modulation - PM) Exemplo: sinais de televisão analógica e rádios (AM, FM, etc.) 32
Dados analógicos, sinais digitais Digitalização do sinal, i.é., conversão do sinal analógico em digital Dado pode ser transmitido usando um tipo qualquer de codificação digital Conversão sinal analógico em seu equivalente digital (uma técnica de modulação) Codec (coder-decoder) Conversão pode utilizar duas técnicas: Pulse Code Modulation (PCM) Modulação delta Aplicação comum: rede de telefonia pública 33
Pulse Amplitude Modulation (PAM) e Pulse Code Modulation (PCM) Amostragem Quantização Geração PCM Quantização do sinal Inclui erro e/ou ruído Aproximação do sinal original, ou seja, é de recuperar exatamente o sinal original 34
Teorema de amostragem de Nyquist Precisão de uma reprodução digital de um sinal analógico depende do número de amostras realizadas no sinal original Teorema de Nyquist:: Um sinal amostrado em intervalos regulares a uma taxa igual a duas vezes a da sua mais alta freqüência contém toda a informação do sinal original Exemplo: Sinal de voz ocupa banda de 4 KHz (0 4KHz, com suas bandas de guarda), o que implica em uma frequência de amostragem de 8 KHz Portanto, a taxa PAM deve ser duas vezes a frequência mais alta presente no sinal. Um sinal com frequência x deve ser amostrado a cada /(2x) segundos. 35
Visão simplificada da rede de telefonia pública Digital Analógico Analógico Sistema típico: Amostras em 8 bits (fornece 256 níveis discretizados diferentes) 8.000 amostras por segundo o que gera 64kbps (8.000 x 8 bits/amostra) 36
Porque usar sinalização analógica? Transmissão digital exige uma banda passante larga Existência de infinitas frequências Transmissão analógica surge como solução Emprega uma faixa (banda) de frequências Combinações: Dados analógicos, sinais analógicos (imagem, áudio) Dados digitais, sinais analógicos (modems) Modulação conversão de um sinal analógico em outro sinal analógico de modo a transmiti-lo em um meio passa-banda 37
Sinalização analógica Baseada na existência de um sinal de frequência constante Portadora (carrier signal) Frequência da portadora depende do meio Modulação consiste em codificar os dados com base na portadora Combinação dos parâmetros: amplitude, frequência e fase Transformação de um sinal em passa-baixa em passa-banda Banda passante do sinal é centrada na frequência da portadora (fc) 38
Dados digitais, sinais analógicos Transmissão de dados digitais através de sinais analógicos Modular é: Representar uma informação através de uma série de modificações em um sinal analógico (portadora) Técnicas de modulação para dados digitais (keying) Amplitude shift keying (n-ask) Frequency shift keying (n-fsk) Phase shift keying (n-psk) Quadrature Amplitude Modulation (QAM) 39
Modulação em amplitude (n-ask) Dados binários são representados por n níveis diferentes de amplitudes da portadora Caso particular: n=2 (ASK) Um dos valores pode ser zero (supressão da portadora) Empregado em fibras óticas (presença ou ausência de luz) Banda = Nbaud Nbaud fc S(t) =Bit = A cos (2 fct ) Bit 0 = 0 40
Modulação em frequência (n-fsk) Dados binários são representados por n portadoras de diferentes frequências Caso particular: n=2 (FSK) Banda = fc2 fc + Nbaud fc S(t) = Bit = A cos (2 p ft ) Bit 0 =A cos (2 p f2t ) fc2 Nbaud/2 4
Modulação em fase (n-psk) Fase da portadora é deslocada em n valores para representar dados Caso particular: n=2 (PSK) Duas técnicas de base: Referência fixa (relação à portadora) Referência variável (em relação ao último baud) Banda = Nbaud Nbaud S(t) = Bit = A cos (2 p ft + p ) Bit 0 = A cos (2 p fct ) fc 42
Quadratura de fase (QPSK) Cada elemento de sinalização é caracterizado por uma fase própria Esquema genérico é denominado de n-psk (n = número de fases) Um elemento de sinalização representa log2 n bits Limitação de hardware para detectar diferentes fases próximas Caso especial: n=4 (quadratura de fase) S(t) = Bit = A cos (2 p fct Bit 0 = A cos (2 p fct Bit 00 = A cos (2 p fct Bit 0 = A cos (2 p fct + p/4 ) + 3p/4 ) + 5p/4 ) + 7p/4 ) 0 00 0 43
Quadratura de Amplitude (QAM) Combinação de ASK e PSK Variação em amplitude e em fase 0 0 00 0 00 0 00 00 000 0 Possível definir várias amplitudes e fases (n-qam) Exemplos: 6-QAM, 64-QAM, 28-QAM e 256-QAM 44
Modem linha telefônica (Modulador-demodulador) Converte dados binários em sinal analógico (passa-banda) e vice-versa Transmissão de dados através do laço local da rede de telefonia pública Interface analógica Interface digital DTE: Data Terminal Equipment DCE: Data Communication Equipment 45
Banda passante da linha telefônica Passa-banda 300Hz a 3300 Hz (banda passante 3000 Hz) Bordas são suscetíveis a distorções, tolerados na transmissão de voz mas não para a transmissão de dados Solução: empregar uma faixa (banda) mais estreita 300 600 3000 3300 Hz 2400 Hz (dados) 3000 Hz (voz) 46
Considerações gerais sobre Modems Emprega uma (ou mais) técnicas de modulação (ASK, FSK, PSK) Taxa de sinalização (baud rate) = 2400 elementos/s Tentam aumentar o número de bits por elemento de sinalização Recebem e transmitem simultaneamente (full duplex) Modem síncrono Via modulação e codificação dos dados embute informação de sincronização Modem inteligente ou smart modems (Hayes compatível) Conjunto de comandos (em ASCII) para discagem automática e configuração 47
Modem: diagramas de constelação QPSK 6-QAM 2 bits por baud 4800 bps 4 bits por baud 9600 bps 5 bits por baud32-qam 4 bits + bit correção (código Trellis) 9600 bps Modem V32 64-QAM 6 bits por baud 4400 bps 28-QAM 7 bits por baud 6 bits + bit correção 4400 bps Modem V32.bis (QAM+redundânc ia) 48
Padrões de Modem: série V (standard ITU-T) Modem V32 (9.600 bps) 32-QAM, 2.400 baud, código de trellis Modem V32bis (até 4.400 bps) 28-QAM, 2400 baud, inclusão de fall-back e fall-forward Modem V34 (até 28.800 bps) 2 bits dados /baud Modem V34bis (até 33.600 bps) 4 bits dados/baud Modem V90 e V92 (até 56.000 bps para downloading) Sistemas assimétricos (duas velocidades: uploading e downloading) Uploading V90 é até 33.6 Kbps, uploading V92 é até 48 Kbps 49
Limitação de velocidade de transmissão S C B log 2 N C 3000 log 2 362 C 3000.62 34860 bps 50
Outra visão da rede de telefonia pública Digital Ruído Quantização PCM Analógico Por que 56 Kbps? Para voz se faz 8.000 amostras/sec, 8 bits cada. Desses 8 bits, em alguns momentos, bit é destinado para controle e 7 são destinados a dados (7 x 8.000=56.000). 5
Modems tradicionais versus modems 56K Núcleo da rede de telefonia pública é digital, laço local é analógico Modems tradicionais: Após modulação (emissor) há uma conversão analógico digital (entrada) O mesmo vale para a resposta enviada pelo destino Conversões = ruído de quantização (afeta relação S/R de Shannon) Modems 56K (V90 e V92) Comunicação é para a Internet com presença de um provedor de serviço Provedor (de qualidade) possui uma linha digital com a companhia telefônica Elimina a conversão na ponta do provedor (resposta) - downloading Assinante possui uma linha analógica (laço local) com a companhia telefônica Ruído de quantização na ponta assinante (requisição) uploading Velocidade de dowloading pode ser maior que a de uploading 52