Transmissão Digital e Analógica

Transmissão Digital e Analógica Romildo Martins Bezerra CEFET/BA Redes de Computadores I Introdução... 2 Transmissão Digital... 2 Codificação de Linha... 2 Codificação de Blocos... 4 Transmissão Digital de dados analógicos... 5 Transmissão Analógica... 6 Transmissão Analógica de dados Digitais... 6 Modems... 9 Transmissão Analógica de Dados Analógicos... 9 Multiplexação... 10 As notas de aulas são referências para estudo. Portanto não devem ser adotadas como material didático absoluto! Versão 0.4 30/08/2008

Introdução Nesta unidade serão apresentadas técnicas de transmissão e multiplexação, além de padrões de meios físicos, finalizando a camada física. Transmissão de dados é comumente classificada em dois modos: Analógico e Digital. Formas de transmissão paralela e serial não serão tratadas nesta ocasião. Transmissão Digital A transmissão digital de dados representa um valor "instantâneo" de uma situação e não representa um movimento contínuo comum de sinais analógicos. Codificação de Linha É a forma como o sinal elétrico irá representar a informação digital diretamente no par de fios como diferenças discretas de voltagem (com um valor fixo para cada símbolo digital utilizado). Tal informação digital é assim classificada como em banda básica e exemplos de códigos de linha são o NRZ, AMI, Manchester, RZ, HDB-3, entre outros. Abaixo segue uma simples representação. Codificação de linha Um conceito interessante é o não relacionamento entre os níveis de sinal e dados. A codificação de linha não associa de forma única estes dois conceitos, conforme a figura abaixo. a. Dois níveis de sinal,dois níveis de dados tempo b.três níveis de sinal,três níveis de dados tempo 2

Um problema comum da codificação de linha é a seqüência de bits iguais consecutivos (1111111...). Imagine uma transmissão síncrona com o transmissor e receptor utilizando relógios distintos. Onde relógio do receptor está 0,1% mais rápido que o relógio do transmissor. Quantos bits extras por segundo o receptor irá receber se a comunicação acontece numa taxa de 1kbps? E a 1Mbps? A 1 Kbps: 1000 bits enviados 1001 bits recebidos 1 bit extra A 1 Mbps: 1,000,000bits enviados 1,001,000bits recebidos 1000bits extra ] Uma das soluções para este problema é a auto-sincronização, que consiste em ajustar os bits recebidos de acordo com o slot de tempo do receptor, reduzindo erros de não sincronização de relógio. Calculando a velocidade (bps) da transmissão Um sinal possui dois níveis de codificação de dados, com 1ms de duração de pulso. Vamos determinar de bits por segundo: F = (1 / T) = 1/ (1x10-3 ) = 1000Hz N Bits por segundo = f * log 2 L = 1000 * log 2 2 = 1000bps Agora execute os mesmos cálculos com quatro e oito níveis de codificação. Observe a velocidade de transmissão. Como visto anteriormente, é necessário representar a informação digital com um padrão no meio físico comum ao transmissor e receptor, daí a importância da codificação de linha. Existem várias técnicas de codificação de linha que podem ser classificadas em: Unipolar - A codificação unipolar utiliza somente um nível de tensão. È uma representação simples, que pode-se colocar o 0v para o bit 0 um Vcc qualque para o Bit 1. Gera alguns problemas devido a componente DC para uma seqüência de 1s ou 0s, além de preocupação adicional com a sincronização da linha. Polar - A codificação polar utiliza dois níveis de tensão (positivo e negativo). Existem várias técnicas (NRZ, RZ, Manchester e Manchester Diferencial). A representação indicada na figura xxx mostra uma representação polar utilizando a técnica Mancheter (utilizado no standard IEEE 802.3 - Norma que define a rede Ethernet e o modo de acesso CSMA/CD). A codificação Manchester Tipo de código de linha no qual o bit 0 é representado como uma transição positiva (subida) no meio do intervalo de sinalização do bit. Com o bit 1 ocorre o contrário, transição negativa (descida). Assim, comparado com o NRZ, facilita a recuperação da informação digital pois o sinal Manchester apresenta transições a cada ciclo do clock de referência. Um bom esquema de codificação do sinal digital incorpora um relógio de sincronismo para o receptor. Manchester Diferencial tempo Presença de transição, início de bit com tempo zero. 3

Bipolar Utiliza três níveis de tensão: positivo, negativo e zero. Não será tratado na disciplina. Os códigos mais comuns são o AMI e o BnZs. O AMI não resolve a questão da sincronização de zeros. Para tal, utilizando codificação bipolar, utilize o BnZs. Outros códigos: o o 2B1Q - (2 binário 1 quartenário) - sistema de codificação de linha usado em ISDN no qual cada 2 bits é representado por um nível de tensão, com 4 níveis para representar o total de símbolos. Não usa nível 0 volt. Utilizado no sistema digital RDSI (Rede Digital de Serviços Integrados. MLT-3, MuLTilevel-3, é um esquema de codificação que reduz a freqüência do sinal transmitido. A amplitude do sinal varia entre três níveis de tensão, conseguindo-se desta forma que a potência máxima do sinal transmitido seja deslocada para valores de freqüência abaixo de 20 MHz. Num par entrançado o nível do sinal é alto e a interferência eletromagnética é baixa quando se trabalha a baixas freqüências. Em sala, vimos a teoria do 2B1Q e criamos um código próprio, o 3B1Q! Pratiquem! Codificação de Blocos A codificação de blocos viabiliza um melhor desempenho na codificação e reduz a possibilidade de erros na transmissão. A técnica é bem simples. Dado uma seqüência de bits, estes são selecionados (divididos) a cada seqüência de m bits. Depois cada pedaço de m bits é substituída por outra seqüência de n bits onde n m. Para ilustrar, observe a seqüência de dados abaixo que utilizará a codificação em blocos 4B/5B. 1001010010010100 (2 bytes) 1001 0100 1001 0100 divisão (m=4) 10111 01010 10011 01010 substituição (n=5) codificação de linha Esta técnica simples garante redução de seqüências longas de 1s e 0s (ex: 111111111111 torna 111011110111101 utilizando 4B/5B) evitando problemas citados anteriormente. Reduz também o problema de detecção de erros, visto que o receptor pode detectar um erro de transmissão. A seguir a tabela completa do código 4B/5B. Dados Código Dados Código Dados Código 0000 11110 1000 10010 Q (Quiet) 00000 0001 01001 1001 10011 I (Idle) 11111 0010 10100 1010 10110 H (Halt) 00100 0011 10101 1011 10111 J (start delimiter) 11000 0100 01010 1100 11010 K (start delimiter) 10001 0101 01011 1101 11011 T (end delimiter) 01101 0110 01110 1110 11100 S (Set) 11001 0111 01111 1111 11101 R (Reset) 00111 Tabela 1 - Tabela do código 4B/5B Apesar de trabalharmos com o 4B/5B existem diversos outros códigos como o 8B/10B ou 8B/6T. 4

Transmissão Digital de dados analógicos Nem sempre a transmissão digital recebe sinais digitais como entrada. Um bom exemplo é a codificação de áudio para uma transmissão digital, onde as técnicas utilizadas até aqui não se aplicam. A escolha para a digitalização dos sinais é fruto da natural distorção numa transmissão a longa distância de um sinal analógico que necessitará de algumas ampliações, e subseqüentes distorções intrínsecas a este processo. Como os sinais digitais estão menos propensos a ruídos e distorções (pense porque!) existindo assim uma necessidade desta conversão analógico-digital. Mas como transformar um sinal analógico em um sinal digital? O processo de conversão denominado PCM (modulação por código de pulso), que consiste em amostrar o sinal analógico e medi-lo (quantificá-lo). O processo de forma detalhada utiliza o PAM (modulação por amplitude de pulso) de forma a coletar amostras em intervalos de tempo iguais e depois quantifica-los, atribuindo valores inteiros a cada amostra obtida. Nota-se que esta quantificação gera números inteiros (ou reais) que devem ser transformados em números binários de forma a ser utilizada na transmissão digital. Todo este processo pode ser visto no diagrama abaixo. Dados binários Quantização Dados analógico Codificação de linha Quantização de dados PAM Sinal digital Codificação binária Amostragem de dados analógicos Observe que algumas amostras possuem valores intermediários entre os níveis de quantização. Esse é um erro inserido pelo processo de quantização, denominado de Erro de Quantização. Quanto maior for o número de níveis de quantização, menor será esse erro. Este erro pode ser reduzido, mas não eliminado. Para que o erro de quantização seja nulo, são necessários infinitos níveis de quantização (seria necessário um sinal analógico). Mas aí cabe uma boa pergunta: Em que freqüência os dados devem ser amostrados de forma que o sinal possa ser reconstituído? (lembre dos desenhos feitos em sala!) O teorema de Nyquist provou que utilizando PAM a taxa de amostragem deve ser pelo menos duas vezes a maior que a freqüência do sinal original. Qual é a taxa de amostragem de sinal cuja largura de banda vale 13kHz (1kHz a 14kHz)? A taxa de amostragem deve ser, no mínimo, duas vezes a mais alta freqüência no sinal. Logo: Taxa de amostragem = 2 (14.000) = 28.000 amostras/segundo 5

Transmissão Analógica Não é sempre recomendado trabalhar apenas com a transmissão digital, pois a largura de banda para transmissão de um sinal digital é relativamente alta (veja domínios de freqüência e reflita sobre a causa), e em alguns casos a criação de filtros torna-se muito custosa. Logo uma saída é transformar os dados digitais em analógicos visando sua transmissão. Dentro deste contexto existem duas possibilidades: técnicas para transmissão de dados digitais e técnicas para transmissão de dados analógicos. Em ambos os casos são utilizadas técnicas de modulação. Modulação é o processo na qual a informação é adicionada a ondas eletromagnéticas. É assim que qualquer tipo de informação (digital ou analógica), até a voz humana ou transação de dados numa aplicação interativa é transmitida numa onda eletromagnética. O transmissor adiciona a informação numa onda básica de tal forma que poderá ser recuperada na outra parte através de um processo reverso chamado demodulação. Transmissão Analógica de dados Digitais A modulação digital é o processo que possibilita alteração de característica(s) de um sinal analógico de acordo com a informação digital a ser transmitida. De forma geral, tais características são: amplitude, fase e freqüência. A seguir serão apresentadas as técnicas ASK (amplitude), FSK (freqüência) e PSK (fase) que são utilizadas para transmissão analógica de dados digitais. Na página seguinte estas técnicas são ilustradas. Um bom exercício de pesquisa é encontrar as vantagens e desvantagens de cada uma das técnicas. Taxa de transmissão: 5 Taxa de modulação: 5 Taxa de transmissão = 5 Taxa de modulação = 5 Tempo Shift Keying Uso da alteração na amplitude do sinal para a transmissão de dados. Basicamente, a transmissão do bit 1 se dá pela transmissão da portadora e a transmissão do bit 0 se dá pela redução da amplitude da portadora. Aplica-se tal técnica em modems, pois sinais digitais precisam ser condicionados caso contrário serão distorcidos na linha de transmissão, o que acarretará em perda. Nos modems atuais, entretanto, utilizam-se técnicas de modulação mais avançadas que o ASK, obtendo assim taxas de transmissão maiores. Tempo Frequency Shift Keying Uso da alteração na freqüência do sinal para a transmissão de dados. Basicamente, na transmissão de um bit 1 se transmite uma portadora numa determinada freqüência e a transmissão do bit 0 se transmite uma portadora em outra freqüência. Taxa de transmissão = 5 Taxa de modulação = 5 Temp Phase Shift Keying Uso da alteração na fase do sinal para a transmissão de dados Basicamente, na transmissão de um bit 1 se transmite uma portadora numa determinada fase e a transmissão do bit 0 se transmite uma portadora em outra fase. Ao lado você vê o 2-PSK. 6

A técnica PSK acima utiliza apenas duas fases 0 o (para o bit 0) e 180º para o bit 1. Contudo, podemos utilizar mais fases visando aperfeiçoar a transmissão. Observe o gráfico abaixo. Taxa de transmissão = 5 Taxa de modulação = 5 Note que neste gráfico são utilizadas quatro fases distintas: Tempo Fase Bits 0 o 00 90º 01 180º 10 270 o 11 Este método é conhecido como 4-PSK. Representando dois bits (Dibit). Visando aumentar mais a transmissão de bits por segundo, criou a técnica QAM (Quadrature Modulation). Técnica para codificar dados digitais em um sinal analógico através de modulação em que duas componentes diferentes são combinadas em um único sinal através de modulação ortogonal destas duas componentes, evitando assim a interferência. Daí o termo "quadratura". A técnica empregada consiste na combinação da modulação por amplitude (AM) com modulação por fase (PSK) para criar uma constelação de pontos de sinal, cada qual representando uma combinação exclusiva de bits. Utilizada em TV digital e outros sistemas que necessitam de alta taxa de transferência de informação. Na imagem abaixo vejam o domínio do tempo ára o sinal 8-QAM, com tx de transmissão de 24 e tx de modulação de 8. Taxa de transmissão = Taxa de modulação = Tempo A seguir as constelações de 4-QAM e 8-QAM. 7

1,4 fases 2 amplitudes,4 fases Note que existem diversas combinações possíveis para criar uma constelação, cada uma com sua particularidade em relação a outra, mas de forma geral a QAM possui menos interferência à ruídos que a ASK e melhor utilização de banda que a PSK. Perguntas para pensar! Porque é recomendado que o número de fases seja maior que o de amplitudes? Represente 011010000100 utilizando 8-QAM. 3 s, 12 Fases 4 s, 8 Fases 2 s, 8 Fases Tabela com as modulações apresentadas. Modulação Unidades Bits/Baud Baud rate Bit Rate ASK, FSK, 2-PSK Bit 1 N N 4-PSK, 4-QAM Dibit 2 N 2N 8-PSK, 8-QAM Tribit 3 N 3N 16-QAM Quadbit 4 N 4N 32-QAM Pentabit 5 N 5N 64-QAM Hexabit 6 N 6N 128-QAM Septabit 7 N 7N 256-QAM Octabit 8 N 8N 8

Modems É um dispositivo eletrônico que modula um sinal digital em uma onda analógica, pronta a ser transmitida pelo meio e que demodula o sinal analógico, convertendo o sinal digital original Quando o sinal é recebido, um outro modem reverte o processo (chamado demodulação). Ambos os modems devem estar trabalhando de acordo com os mesmos padrões (olhem a importância dos padrões!). A linha telefônica no brasil trabalha com uma largura de banda entre 300Hz e 3400Hz, diferente de outros países que o freqüência máxima é 3300Hz. Em ambos os casos a largura de banda para dados é de 2400Hz. Abaixo segue um gráfico com indicações. Usada para voz Usada p/ dados 2400Hz para dado 3000Hz para voz Em sala veremos os padrões V.32, V.32bis, V.34bis, V.90 e V.92. Transmissão Analógica de Dados Analógicos Ao transmitir sinais analógicos em meios analágicos é claro que vem em mente a possibilidade de por o sinal em um meio físico. Vamos imaginar uma emissora FM que atinge tranquilamente a distância de 50Km de raio. A programação musical seria transmitidida de forma audível com uma potência elevadíssima para atingir toda a cidade. Certamente os ambientalistas (e todos nós!) não suportariam a poluição sonora gerada. A modulação analógica de dados analógicos consiste em combinar sinais de forma a permitir que a transmissão no meio físico seja mais eficiente. Como visto na transmissão digital, aqui também podemos utilizar amplitude (AM), fase (PM) e freqüência (FM). Neste contexto apresentaremos apenas as técnicas AM e FM. Modulação em ou simplesmente AM (do inglês Modulation - Modulada), é a forma de modulação em que a amplitude de um sinal senoidal, chamado portadora, varia em função do sinal de interesse, que é o sinal modulador. A frequência e a fase da portadora são mantidas constantes. Matematicamente, é uma aplicação direta da propriedade de deslocamentos em frequências da transformada de Fourier. A modulação por amplitude, devido a uma série de limitações, principalmente a questão do ruído, estava fadada ao desuso, hoje porém, devido ao avanço dos sinais digitais está voltando como forma de modulação. A seguir uma figura ilustrando a modulação AM. Já a FM (Frequency Modulation) corresponde a uma técnica de modulação de sinais que consiste no deslocamento da frequência original do sinal a ser transmitido através da variação da frequência da portadora, sendo esta variação proporcional ao sinal a ser transmitido. Para Pensar! Desenhe a representação da modulação FM! 9

informação portadora sinal AM Multiplexação Técnica que codifica as informações de duas ou mais fontes de dados em um único canal. Utilizadas em situações onde o custo de implementação de canais separados para cada fonte de dados é maior que o custo e a inconveniência de utilizar as funções de multiplexação/demultiplexação. Abordaremos três técnicas em sala de aula: FDM (Multiplexação por divisão na freqüência) Técnica utilizada para transmissão de vários canais de comunicação em um mesmo meio físico, onde cada canal utiliza uma faixa de frequências. TDM (Multiplexação por divisão no tempo) Técnica utilizada para permitir a existência de vários canais de comunicação em um mesmo meio de transmissão. Para uma dada taxa de transmissão em bit/s são alocados slots no tempo para cada canal de comunicação. WDM (Multiplexação por divisão no comprimento de onda) Sistema de canalização em freqüências (comprimentos de onda) óticas que permite a implantação de mais de uma portadora óptica em um enlace de fibra óptica. O WDM está associado a um sistema com poucas portadoras (<5), enquanto o DWDM é o termo empregado para um sistema com muitas portadoras. Multiplexação FDM 10