codigo de linhaa

5/13/2018 Codigo de linhaa - slidepdf.com

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UNIVERSIDADE EDUARDO MONDLANE

Faculdade de EngenhariaDepartamento de Engenharia Electrotécnica

Enga Electrónica

CadeiraSistemas de comunicação

Trabalho 3

Tema

Docente: Engo Ringler, Mário Viegas

Discentes: Mussa, Yussofo Momade Ossifo

Maputo, Outubro de 2011



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Índice

Sumário

UNIVERSIDADE EDUARDO MONDLANE ........................................................................................................ 0

Faculdade de Engenharia .......................................................................................................................... 0

Introdução ..................................................................................................................................................... 2

Áreas de aplicação .................................................................................................................................... 2

Exemplos de códigos de linha usados em diversos sistemas de comunicações são: ............................... 2

Atributos dos códigos de linha ...................................................................................................................... 3

Capacidade de sincronismo de símbolo ................................................................................................... 3

Componente DC ........................................................................................................................................ 3

Largura de Banda ...................................................................................................................................... 3Probabilidade de erro ............................................................................................................................... 4

Complexidade ........................................................................................................................................... 5

Capacidade de detecção de erros ............................................................................................................. 5

Formatos dos códigos de linha ................................................................................................................. 5

Razoes para utilização de códigos de linhas ................................................................................................. 6

Permite obter algumas características desejadas: ................................................................................... 6

Problema de erro de transferência ............................................................................................................... 7

POLAR ............................................................................................................................................................ 7

POLAR COM RETORNO A ZERO (PRZ) ....................................................................................................... 8

POLAR SEM RETORNO A ZERO (PNRZ) ...................................................................................................... 8

MANCHESTER ............................................................................................................................................ 9

UNIPOLAR ..................................................................................................................................................... 9

UNIPOLAR SEM RETORNO A ZERO (UNRZ) ............................................................................................. 10

BIPOLAR ...................................................................................................................................................... 10

AMI – Alternate Mark Inversion ............................................................................................................. 10SEM RETORNO A ZERO INVERTIDO (NRZI) .................................................................................................. 11

Outros códigos de linha: ............................................................................................................................. 12

Bibliografia .................................................................................................................................................. 13



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IntroduçãoTransmissão Digital

Códigos de Linha são dados de informação discreta (bits ou símbolos são associados comformas de onda (sinais) em banda base).

Codificação de Linha

É a forma como o sinal elétrico irá representar a informação digital diretamente no par de fioscomo diferenças discretas de voltagem (com um valor fixo para cada símbolo digital utilizado).Tal informação digital é assim classificada como em banda básica.

Fig.1. Codificação de linha

Áreas de aplicação Telefonia digital; Redes de computadores; Interfaces de comunicação via cabo Interfaces de comunicação via cabo.

Os códigos de linha convertem uma sequencia de dígitos binários numa forma de onda

adequados a transmissão em banda base através de um canal de comunicação.Consoante o canal disponível e a aplicação em questão, as formas de onda resultantes deverãoobedecer em maior ou menor grau a certos requisitos como, por exemplo, ausência decomponente contınua, largura de banda não excessiva e informação de temporização suficientepara a recuperação do relógio.

Exemplos de códigos de linha usados em diversos sistemas de comunicações são: Unipolar NRZ e RZ Bipolar NRZ e RZ (AMI) Manchester (bifasico) 4B3T 2B1Q 5B6B



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Atributos dos códigos de linhaDiferentes características do canal de transmissão, diferentes aplicações e requisitos dequalidade, levaram a desenvolver diferentes códigos de linha, com diferentes atributos. Quasesempre estes atributos constituem compromissos, no sentido em que tentar melhorar um deles

corresponde a piorar outro ou mesmo outros. Os atributos mais importantes num código de linhasão:

Capacidade de sincronismo de símboloDe modo a que o receptor consiga extrair correctamente a informação, este deverá conhecer oinício e fim de cada símbolo. Existem dois modos de transmissão: assíncrono e síncrono. Omodo assíncrono de transmissão é utilizado tipicamente quando a geração da informação éaleatória e em pequena quantidade e será estudado com maior pormenor mais adiante neste texto.O modo síncrono de transmissão é utilizado para transmitir grande quantidade de informação(trama) e o relógio com informação de início e fim de cada símbolo (ou bit no caso da

transmissão binária) tem que ser extraído, no receptor, do próprio código de linha, a partir dastransições entre níveis. Esta capacidade deverá ser imune nomeadamente à sequência de bitstransmitidos. Idealmente, deveria ser garantido sempre uma transição por símbolo.

Componente DCAlguns canais de transmissão têm acoplamento AC, ou seja, contêm bobines e condensadoresque eliminam a componente DC. Um caso típico desta situação é a linha telefónica. Paratransmitir neste tipo de canais o código de linha não deverá ter componente DC, pois corre-se orisco do código não ser detectado. Também é de evitar componentes DC localizadas pois podem

ser desvanecidas num tempo curto.

Largura de BandaO espectro do código de linha deverá estar contido na resposta em frequência do canal detransmissão, para evitar distorção da forma de onda.Como os códigos de linha têm transiçõesbruscas entre níveis (descontinuidades), a largura de banda é infinita. Este problema seráabordado mais adiante neste texto, mas a largura de banda dependerá do número máximo detransições por segundo e deverá ser a menor possível, de modo a aumentar a eficiência espectral,

que corresponde ao número de bits transmitidos por Hz, ou seja:



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Embora a dedução da densidade espectral de potência dos códigos de linha esteja fora do âmbitodeste texto, estas são apresentadas na figura abaixo assumindo que os níveis lógicos sãoequiprováveis e sua geração independente. Assume-se que a potência (e não a amplitude) detodos os códigos de linha é de 1 Watt. Não é apresentado o código NRZI que neste contexto éidêntico ao código PNRZ.

Fig.2. Largura de banda do primeiro zero

Como se pode verificar na figura a densidade espectral de potência vai tendendo para zero(segundo o quadrado de uma sinc) à medida que a frequência aumenta, mais rapidamentequando o primeiro zero se situa em Rb (PNRZ, UNRZ, AMI e NRZI) e mais lentamente quandoeste se situa em 2Rb (PRZ, Manchester). Um critério, embora minimalista, é considerar que amaior parte da potência do sinal está contida até à frequência do primeiro zero espectral (FirstNull Bandwidth) assumindo ser esta a largura de banda.

Probabilidade de erroUm código de linha deverá ser o mais imune ao ruído possível, ou seja, deverá ter o menornúmero de erros (enviar um nível lógico e o receptor interpretar como o outro nível lógico).Deve-se então minimizar a probabilidade de erro de bit (BER – bit error rate) para uma dadarelação sinal-ruído entre as energias Eb/No, em que No/2 é a potência por Hz do ruído no canalde transmissão. O BER é definido como:



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Em que se deve tender o número de bits transmitidos para infinito.

ComplexidadeUm código de linha deverá ser fácil de realizar e de ser detectado, pois esta facilidade leva aequipamentos menos complexos que por sua vez se traduzem num custo menor dosequipamentos.

Capacidade de detecção de errosAlguns códigos são capazes de detectar erros ao restringir por regra a sequência de símbolostransmitidos. Se houver possibilidade de informar o emissor destes erros estes poderão serreenviados.

Formatos dos códigos de linhaQuanto à maneira como a informação é transmitida os códigos de linha podem ser: (1) de nível,quando a informação se encontra no nível de tensão (2) de transição, quando a informação seencontra na transição entre níveis. Esta transição pode se dar entre símbolos ou a meio do

símbolo. Note-se que na presença de ruído é mais fácil detectar transições do que níveis detensão.

Quanto à polaridade os códigos de linha podem ser: (1) Polares (P), quando definidos portensões simétricas; (2) Unipolares (U) quando definidos por uma tensão e a tensão 0 volts; (3)Bipolares (B) quando definidos por duas tensões simétricas e pela tensão 0 volts; Os códigosunipolares necessitam de apenas uma fonte de alimentação, reduzindo a complexidade, mascontêm sempre componente DC.

Os códigos de linha podem ser: (1) de retorno a zero (RZ – return to zero), normalmente a meiodo bit; (2) sem retorno a zero (NRZ – no return to zero) e manterem a mesma tensão durantetodo o tempo de bit. Haverá sempre pelo menos uma transição por símbolo, facilitando osincronismo.



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Fig.3. Diferentes códigos de linha

Razoes para utilização de códigos de linhasOs códigos de linha têm como objectivo transmitir informação digital através de um canal detransmissão. Estes códigos estão em banda de base, não utilizando modulação, ou seja, sãoconstituídos por níveis de tensão (ou corrente) que transitam de um modo descontínuo. Atransmissão pode ser binária, quando codificada em duas formas de onda (dois símbolos)diferentes, ou M-área quando podem ser transmitidos M símbolos diferentes, correspondentes aum conjunto bits.

Permite obter algumas características desejadas: Ocupar pouca largura de banda Pequeno conteúdo espectral nas baixas freqüências Assegurar suficientes transições (sincronismo) Sinas sem nível DC (acoplamento AC) Detecção de erros



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A transmissão digital de dados representa um valor "instantâneo" de uma situação e nãorepresenta um movimento contínuo comum de sinais analógicos.

Problema de erro de transferênciaComparação do BER em códigos de linha Na figura 9.2 são comparados os valores do BER dosdiversos códigos em função da relação de energias 0 / N Eb em decibéis. Naturalmente que oscódigos de linha “polares”, sem componente DC, sendo aqueles que têm a menor energia para omáximo afastamento entre símbolos, obtêm o melhor desempenho. Os códigos “unipolares”estão distanciado destes 3 dB de relação 0 N Eb . O código AMI é o que tem pior desempenho,mas tem boa capacidade de sincronismo, nomeadamente em BNZS, não tem componente DCnem sofre de desvanecimento. Nesta comparação também não se entra em consideração com suaa capacidade de detecção de erros isolados, que aumenta o desempenho, embora necessite demecanismos de reenvio.

Fig.4. Gráfico de erro de transmissão dos diferentes códigos de transmissão.

POLARA codificação polar utiliza dois níveis de tensão (positivo e negativo). Existem várias técnicas(NRZ, RZ, Manchester e Manchester Diferencial). A representação indicada na figura 4 mostrauma 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 ManchesterTipo de código de linha no qual o bit 0 é representado como uma transição positiva (subida) nomeio 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



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sinal Manchester apresenta transições a cada ciclo do clock de referência. Um bom esquema decodificação do sinal digital incorpora um relógio de sincronismo para o receptor.

Fig.5. Código polar Manchester

POLAR COM RETORNO A ZERO (PRZ)Este código é semelhante ao PNRZ mas. É produzido um retorno a 0 Volts a meio de cada bit.Pode ser considerado um código de transição, já que ao símbolo “1” corresponde sempre umatransição positiva no início do bit e negativa a meio do bit, tendo o símbolo “0” as transiçõescontrárias.

A vantagem deste código em relação ao PNRZ é serem produzidas sempre duas transição por bit,uma no início e outra a meio do símbolo, nunca se perdendo o sincronismo. O número detransições por segundo é assim de 2Rb, independentemente da sequência de níveis lógicos. A

potência deste código é, independentemente da probabilidade de cada nível lógico, dada porA2/2 Watts e a energia média por bit é dada por:

Este código é utilizado por exemplo em comunicações por fibra óptica.

POLAR SEM RETORNO A ZERO (PNRZ)

Este é um código de nível em que o nível lógico “1” é representado pela tensão +A Volts e onível lógico “0” pela tensão – A Volts, durante todo o tempo de símbolo. Este código estárepresentado na figura 3.1-a). O sincronismo de símbolo é conseguido através das transições quepossam ocorrem quando da troca de níveis lógicos, pelo que pode ser perdido quando de umasequência longa de bits aos mesmo nível lógico. O número máximo de transições por segundo éde Rb, ou seja, no máximo uma transição por símbolo.



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Esta situação dá-se quando se envia uma sequência alternada de níveis lógicos. Se os nívellógicos forem equiprováveis a componente DC é nula.

Contudo, para uma sequência ao mesmo nível lógico suficientemente prolongada, existirádesvanecimento do sinal se o canal tiver acoplamento AC.

A potência deste código é, independentemente da probabilidade de cada nível lógico, dada porA2 Watts e a energia média por bit virá,

Um exemplo da transmissão com código PNRZ é a interface de computador RS-232, usada paraconectar numa rede local dois computadores, ou um computador e teclados, impressoras,modems, etc., sendo usuais débitos binários até 115 kbit/s.

MANCHESTEREste código, também denominado de split-phase, é um código polar detransição entre níveis.Como representado na figura 3.1-d), o nível lógico “1” érepresentado pela transição a meio dotempo de bit da tensão – A para +A e onível lógico “0” pela transição contrária. Dito de outraforma, o símbolo lógico“1” é representado pela amplitude – A na primeira metade do bit e por+A na segunda metade e o símbolo “0” pelas amplitudes simétricas. Como existe sempre umatransição a meio do bit nunca se perde o sincronismo de bit. O número mínimo de transições porsegundo é assim de Rb.

No máximo o número de transições é de 2Rb, quando se envia uma sequência do mesmo nívellógico. Os símbolos não têm componente DC, pelo que o código não tem componente DC, sejaqual for a sequência a ser transmitida e a probabilidade dos símbolos. A potência é,independentemente da probabilidade dos símbolos, dada por A2 Watts..

Este código é utilizado por exemplo na norma IEEE 802.3 para a 10 Mbit/s, parainterligar equipamentos de redes locais Ethernet.

UNIPOLARA codificação unipolar utiliza somente um nível de tensão. È uma representação simples, quepode-se colocar o 0v para o bit 0 um Vcc qualque para o Bit 1. Gera alguns problemas devido acomponente DC para uma seqüência de 1s ou 0s, além de preocupação adicional com asincronização da linha.



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UNIPOLAR SEM RETORNO A ZERO (UNRZ)Este código é análogo ao PNRZ mas, o nível lógico “0” é representado por 0 Volts. A pri ncipalvantagem é ser de fácil implementação, necessitando apenas de uma fonte de alimentação. Agrande desvantagem é ter sempre uma componente DC. Todas as outras características sãoidênticas ao código PNRZ. Aliás, este código pode ser interpretado como um código PNRZ

somado a uma componente DC, de modo que o nível lógico “0” seja representado por 0 Volts. Aenergia do sím bolo “1” é A2Tb e a do símbolo “0” é 0 Joules. A energia por símbolo é, par asímbolos equiprováveis.

Este código é vulgarmente utilizado para interligar em paralelo (em bus normalmente comdimensão múltipla de um byte) componentes de um computador, tais como o microprocessador,a RAM e controladores. Outra norma utilizando o código UNRZ é o “laço de corrente de 20mA”. Esta utiliza 20 mA de corrente ou a ausência de corrente como símbolos. As vantagens dautilização da corrente é um aumento da distância entre equipamentos e a corrente poder serutilizada no receptor para activar um díodo emissor de luz (led) que fará acoplamento óptico com

um fototransístor, isolando assim o emissor do receptor.

BIPOLARBipolar – 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 dezeros. Para tal, utilizando codificação bipolar, utilize o BnZs.

AMI – Alternate Mark InversionNeste código de nível bipolar o nível lógico “1” é representados alternativamente pelas tensões+A e –A, e o símbolo “0” por 0 Volts, como ilustrado na figura 3.1-e), em que se assume que oúltimo nível lógico “1” foi representado por – A Volts. Note-se que mark representa o símbolo“1”. É também conhecido por pseudo ternário porque tem 3 hipóteses como níveis de tensão,embora a informação seja binária.

Uma das vantagens deste código é ter memória e ser possível detectar erros quando da recepçãodos níveis lógicos “1” que devem ocorrer no receptor com tensões alternadas. Violações a estaregra correspondem a erros de bit.

Também devido a esta alternância o código não produz componente DC nem sequer duraçõesprolongadas à mesma tensão. O número máximo de transições é de Rb, o que acontece quandose transmitem apenas níveis lógicos a “1”. A energia do símbolo “1” é A2Tb e a do símbolo“0” é 0 Joules. A energia por símbolo é, para símbolos equiprováveis.



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Quando de um nível lógico “1” existe sempre uma transição que permite o sincronismo desímbolo. Quando de uma sequência prolongada de níveis lógicos “0” este sincronismo podeperder-se. Uma das maneiras de evitar esta perda de sincronismo é produzir transições como sefossem transmitidos níveis lógicos “1”, mas com violações que permitam ao r eceptor detectaresta situação e substituir por níveis lógicos “0”. A esta técnica dá-se o nome de bipolar comsubstituição de N zeros (BNZS – Bipolar with N Zero Substitution), em que N é o número deníveis lógicos consecutivos a “0” a ser substituídos. Exemplos comuns deste código são o B3ZS,B6ZS e B8Zs. O B6ZS tem a regra seguinte:

Último símbolo transmitido positivo, transmite-se “0 +A – A 0 –A +A”

Último símbolo transmitido negativo, transmite-se “0 – A +A 0 +A –A ”

Note-se que existem duas violações, no 2º e 5º símbolo. Se o número de zeros for múltiplo de 6 asubstituição é efectuada o mesmo número de vezes.

O código B6ZS é utilizado na América do Norte (DS-2 ou T2) na interligação entre centraistelefónicas por cabo, com 96 conversas telefónicas multiplexadas, transmitindo com um débitode 6,312 Mbit/s.

SEM RETORNO A ZERO INVERTIDO (NRZI)Este código, representado na figura 3.1-f), parece ser idêntico ao PNRZ mas é um códigotransição em que o nível lógico “1” corresponde a inverter o símbolo em relação ao últimosímbolo transmitido e o nível lógico “0” corresponde a manter o último símbolo transmitido.

A grande vantagem deste código, que emerge do facto de a informação fluir na transição,independentemente de esta ser positiva ou negativa, é ser insensível à polaridade. Pode-seinverter a polaridade do cabo de ligação entre os equipamentos emissor e receptor, que ainformação continua a ser descodificada correctamente.

Este código de linha pode ser encarado como um código PNRZ em que a sequência binária b[n]é pré-codificada em a[n] = (a[n-1] xor b[n]). No receptor esta pré-codificação é desfeita com após-descodificação c[n] = (a[n] xor a[n-1])

Um exemplo da transmissão com código NRZI é a interface de computador USB, usadopara conectar periféricos.



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Outros códigos de linha:

2B1Q - (2 binário 1 quaternário) - sistema de codificação de linha usado em ISDN noqual 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 Digitalde Serviços Integrados).

MLT-3, MuLTilevel-3, é um esquema de codificação que reduz a frequência do sinaltransmitido. A amplitude do sinal varia entre três níveis de tensão, conseguindo-se destaforma que a potência máxima do sinal transmitido seja deslocada para valores defrequência abaixo de 20 MHz. Num par entrançado o nível do sinal é alto e ainterferência eletromagnética é baixa quando se trabalha a baixas frequências.

Uma largura de banda superior à do primeiro zero torna a distorção insignificante. É tipicamenteesta a situação na transmissão assíncrona, de baixo débito binário, em que facilmente o canal temuma dimensão de apenas alguns metros e a sua largura de banda é mesmo bastante superior aodébito binário.



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Bibliografia

1. [Carlson (86)] - A. B. Carlson, “Communication Systems”, McGrawHill, 1986.

2. [Haykin (01)] - S. Haykin, “Communication Systems”, Wiley, 2001.

3. [LoCicero (97)] – J. L. LoCicero, B. P. Patel, Chapter 6 of Mobile Communication Handbook (J. D.Gibson) – “Line Coding”, Chapman & Hall/CRCnetBASE, 1999.

4. [Halsall (90)] - F. Halsall – “Data Communication, Computer Networks and Open Systems”,

Addison-Wesley, 1992.

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