transmissao digital analogica

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Romildo Martins Bezerra

Conceitos de Transmisso Digital e AnalgicaRomildo Martins Bezerra IFBA Redes de Computadores I

IntroduoNesta unidade sero apresentadas tcnicas de transmisso e multiplexao, alm de padres de meios fsicos, finalizando a camada fsica. Transmisso de dados comumente classificada em dois modos: Analgico e Digital. Formas de transmisso paralela e serial no sero tratadas nesta ocasio.

Transmisso Digital Introduo .......................................................................................... 2 Transmisso Digital ................................................................................ 2 Codificao de Linha ........................................................................... 2 Codificao de Blocos .......................................................................... 4 Transmisso Digital de dados analgicos .................................................... 5 Transmisso Analgica ............................................................................ 6 Transmisso Analgica de dados Digitais .................................................... 6 Modems ........................................................................................... 9 Transmisso Analgica de Dados Analgicos ................................................ 9 Multiplexao ..................................................................................... 10A transmisso digital de dados representa um valor "instantneo" de uma situao e no representa um movimento contnuo comum de sinais analgicos. Codificao de Linha a forma como o sinal eltrico ir representar a informao digital diretamente no par de fios como diferenas discretas de voltagem (com um valor fixo para cada smbolo digital utilizado). Tal informao digital assim classificada como em banda bsica e exemplos de cdigos de linha so o NRZ, AMI, Manchester, RZ, HDB-3, entre outros. Abaixo segue uma simples representao.

Codificao de linha

Um conceito interessante o no relacionamento entre os nveis de sinal e dados. A codificao de linha no associa de forma nica estes dois conceitos, conforme a figura abaixo.Amplitude

a. Dois nveis de sinal,dois nveis de dados

tempo

Amplitude

tempob.Trs nveis de sinal,trs nveis de dados

2As notas de aulas so referncias para estudo. Portanto no devem ser adotadas como material didtico absoluto! Verso 0.5 30/08/2010

Romildo Martins Bezerra

Romildo Martins Bezerra

Um problema comum da codificao de linha a seqncia de bits iguais consecutivos (1111111...). Imagine uma transmisso sncrona com o transmissor e receptor utilizando relgios distintos. Onde relgio do receptor est 0,1% mais rpido que o relgio do transmissor. Quantos bits extras por segundo o receptor ir receber se a comunicao acontece numa taxa de 1kbps? E a 1Mbps ? A 1 Kbps: 1000 bits enviados

Calculando a velocidade (bps) da transmisso Um sinal possui dois nveis de codificao de dados, com 1ms de durao de pulso. Vamos determinar de bits por segundo: F = (1 / T) = 1/ (1x10-3) = 1000Hz NBits por segundo = f * log 1000 * log 2 2 = 1000bps2 L

Bipolar Utiliza trs nveis de tenso: positivo, negativo e zero. No ser tratado na disciplina. Os cdigos mais comuns so o AMI e o BnZs. O AMI no resolve a questo da sincronizao de zeros. Para tal, utilizando codificao bipolar, utilize o BnZs. Outros cdigos: o 2B1Q - (2 binrio 1 quartenrio) - sistema de codificao de linha usado em ISDN no qual cada 2 bits representado por um nvel de tenso, com 4 nveis para representar o total de smbolos. No usa nvel 0 volt. Utilizado no sistema digital RDSI (Rede Digital de Servios Integrados. MLT-3, MuLTilevel-3, um esquema de codificao que reduz a freqncia do sinal transmitido. A amplitude do sinal varia entre trs nveis de tenso, conseguindo-se desta forma que a potncia mxima do sinal transmitido seja deslocada para valores de freqncia abaixo de 20 MHz. Num par entranado o nvel do sinal alto e a interferncia eletromagntica baixa quando se trabalha a baixas freqncias.

1001 bits recebidos

1 bit extra

A 1 Mbps: 1,000,000bits enviados ]

1,001,000bits recebidos

1000bits extra

=

o

Uma das solues para este problema a auto-sincronizao, que consiste em ajustar os bits recebidos de acordo com o slot de tempo do receptor, reduzindo erros de no sincronizao de relgio.

Agora execute os mesmos clculos com quatro e oito nveis de codificao. Observe a velocidade de transmisso.

Em sala, vimos a teoria do 2B1Q e criamos um cdigo prprio, o 3B1Q! Pratiquem! Codificao de Blocos A codificao de blocos viabiliza um melhor desempenho na codificao e reduz a possibilidade de erros na transmisso. A tcnica bem simples. Dado uma seqncia de bits, estes so selecionados (divididos) a cada seqncia de m bits. Depois cada pedao de m bits substituda por outra seqncia de n bits onde n m. Para ilustrar, observe a seqncia de dados abaixo que utilizar a codificao em blocos 4B/5B. 1001010010010100 (2 bytes) diviso (m=4) substituio (n=5)

Como visto anteriormente, necessrio representar a informao digital com um padro no meio fsico comum ao transmissor e receptor, da a importncia da codificao de linha. Existem vrias tcnicas de codificao de linha que podem ser classificadas em: Unipolar - A codificao unipolar utiliza somente um nvel de tenso. uma representao 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 seqncia de 1s ou 0s, alm de preocupao adicional com a sincronizao da linha. Polar - A codificao polar utiliza dois nveis de tenso (positivo e negativo). Existem vrias tcnicas (NRZ, RZ, Manchester e Manchester Diferencial). A representao indicada na figura xxx mostra uma representao polar utilizando a tcnica Mancheter (utilizado no standard IEEE 802.3 - Norma que define a rede Ethernet e o modo de acesso CSMA/CD). A codificao Manchester Tipo de cdigo de linha no qual o bit 0 representado como uma transio positiva (subida) no meio do intervalo de sinalizao do bit. Com o bit 1 ocorre o contrrio, transio negativa (descida). Assim, comparado com o NRZ, facilita a recuperao da informao digital pois o sinal Manchester apresenta transies a cada ciclo do clock de referncia. Um bom esquema de codificao do sinal digital incorpora um relgio de sincronismo para o receptor.

1001 0100 1001 0100 10111 01010 10011 01010

codificao de linha

Amplitude

Esta tcnica simples garante reduo de seqncias longas de 1s e 0s (ex: 111111111111 torna 111011110111101 utilizando 4B/5B) evitando problemas citados anteriormente. Reduz tambm o problema de deteco de erros, visto que o receptor pode detectar um erro de transmisso. A seguir a tabela completa do cdigo 4B/5B.

Manchester Diferencial tempo

Presena de transio, incio de bit com tempo zero.

Dados 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111

Cdigo 11110 01001 10100 10101 01010 01011 01110 01111

Dados 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

Cdigo 10010 10011 10110 10111 11010 11011 11100 11101

Dados Q (Quiet) I (Idle) H (Halt) J (start delimiter) K (start delimiter) T (end delimiter) S (Set) R (Reset)

Cdigo 00000 11111 00100 11000 10001 01101 11001 00111

Tabela 1 - Tabela do cdigo 4B/5B Apesar de trabalharmos com o 4B/5B existem diversos outros cdigos como o 8B/10B ou 8B/6T. 3 4

Romildo Martins Bezerra

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Transmisso Digital de dados analgicos Nem sempre a transmisso digital recebe sinais digitais como entrada. Um bom exemplo a codificao de udio para uma transmisso digital, onde as tcnicas utilizadas at aqui no se aplicam. A escolha para a digitalizao dos sinais fruto da natural distoro numa transmisso a longa distncia de um sinal analgico que necessitar de algumas ampliaes, e subseqentes distores intrnsecas a este processo. Como os sinais digitais esto menos propensos a rudos e distores (pense porque!) existindo assim uma necessidade desta converso analgico-digital. Mas como transformar um sinal analgico em um sinal digital? O processo de converso denominado PCM (modulao por cdigo de pulso), que consiste em amostrar o sinal analgico e medi-lo (quantific-lo). O processo de forma detalhada utiliza o PAM (modulao 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 quantificao gera nmeros inteiros (ou reais) que devem ser transformados em nmeros binrios de forma a ser utilizada na transmisso digital. Todo este processo pode ser visto no diagrama abaixo.

Transmisso AnalgicaNo sempre recomendado trabalhar apenas com a transmisso digital, pois a largura de banda para transmisso de um sinal digital relativamente alta (veja domnios de freqncia e reflita sobre a causa), e em alguns casos a criao de filtros torna-se muito custosa. Logo uma sada transformar os dados digitais em analgicos visando sua transmisso. Dentro deste contexto existem duas possibilidades: tcnicas para transmisso de dados digitais e tcnicas para transmisso de dados analgicos. Em ambos os casos so utilizadas tcnicas de modulao. Modulao o processo na qual a informao adicionada a ondas eletromagnticas. assim que qualquer tipo de informao (digital ou analgica), at a voz humana ou transao de dados numa aplicao interativa transmitida numa onda eletromagntica. O transmissor adiciona a informao numa onda bsica de tal forma que poder ser recuperada na outra parte atravs de um processo reverso chamado demodulao. Transmisso Analgica de dados Digitais A modulao digital o processo que possibilita alterao de caracterstica(s) de um sinal analgico de acordo com a informao digital a ser transmitida. De forma geral, tais caractersticas so: amplitude, fase e freqncia. A seguir sero apresentadas as tcnicas ASK (amplitude), FSK (freqncia) e PSK (fase) que so utilizadas para transmisso analgica de dados digitais. Na pgina seguinte estas tcnicas so ilustradas. Um bom exerccio de pesquisa encontrar as vantagens e desvantagens de cada uma das tcnicas.Amplitude

Dados binrios

Quantizao Dados analgico

Codificao de linha

Quantizao de dados

Taxa de transmisso: 5

Taxa de modulao: 5

PAM

Tempo

Codificao binria Sinal digital

Amostragem de dados analgicos

Amplitude

Taxa de transmisso = 5

Taxa de modulao = 5

Amplitude Shift Keying Uso da alterao na amplitude do sinal para a transmisso de dados. Basicamente, a transmisso do bit 1 se d pela transmisso da portadora e a transmisso do bit 0 se d pela reduo da amplitude da portadora. Aplica-se tal tcnica em modems, pois sinais digitais precisam ser condicionados caso contrrio sero distorcidos na linha de transmisso, o que acarretar em perda. Nos modems atuais, entretanto, utilizam-se tcnicas de modulao mais avanadas que o ASK, obtendo assim taxas de transmisso maiores.

Observe que algumas amostras possuem valores intermedirios entre os nveis de quantizao. Esse um erro inserido pelo processo de quantizao, denominado de Erro de Quantizao. Quanto maior for o nmero de nveis de quantizao, menor ser esse erro. Este erro pode ser reduzido, mas no eliminado. Para que o erro de quantizao seja nulo, so necessrios infinitos nveis de quantizao (seria necessrio um sinal analgico). Mas a cabe uma boa pergunta: Em que freqncia os dados devem ser amostrados de forma que o sinal possa ser reconstitudo? (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 freqncia do sinal original. Qual a taxa de amostragem de sinal cuja largura de banda vale 13kHz (1kHz a 14kHz)? A taxa de amostragem deve ser, no mnimo, duas vezes a mais alta freqncia no sinal. Logo: Taxa de amostragem = 2 (14.000) = 28.000 amostras/segundo

Tempo

Frequency Shift Keying Uso da alterao na freqncia do sinal para a transmisso de dados. Basicamente, na transmisso de um bit 1 se transmite uma portadora numa determinada freqncia e a transmisso do bit 0 se transmite uma portadora em outra freqncia.

Taxa de transmisso = 5

Taxa de modulao = 5

Temp o

Phase Shift Keying Uso da alterao na fase do sinal para a transmisso de dados Basicamente, na transmisso de um bit 1 se transmite uma portadora numa determinada fase e a transmisso do bit 0 se transmite uma portadora em outra fase. Ao lado voc v o 2-PSK.

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A tcnica PSK acima utiliza apenas duas fases 0o (para o bit 0) e 180 para o bit 1. Contudo, podemos utilizar mais fases visando aperfeioar a transmisso. Observe o grfico abaixo.Amplitude

Taxa de transmisso = 5

Taxa de modulao = 5

Note que neste grfico so utilizadas quatro fases distintas: Fase 0o 90 180 270o Bits 00 01 10 11

Tempo

1 Amplitude,4 fases

2 amplitudes,4 fases

Este mtodo conhecido como 4-PSK. Representando dois bits (Dibit). Visando aumentar mais a transmisso de bits por segundo, criou a tcnica QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Tcnica para codificar dados digitais em um sinal analgico atravs de modulao em que duas componentes diferentes so combinadas em um nico sinal atravs de modulao ortogonal destas duas componentes, evitando assim a interferncia. Da o termo "quadratura". A tcnica empregada consiste na combinao da modulao por amplitude (AM) com modulao por fase (PSK) para criar uma constelao de pontos de sinal, cada qual representando uma combinao exclusiva de bits. Utilizada em TV digital e outros sistemas que necessitam de alta taxa de transferncia de informao. Na imagem abaixo vejam o domnio do tempo ra o sinal 8-QAM, com tx de transmisso de 24 e tx de modulao de 8.AmplitudeTaxa de transmisso = 24 Taxa de modulao = 8

Note que existem diversas combinaes possveis para criar uma constelao, cada uma com sua particularidade em relao a outra, mas de forma geral a QAM possui menos interferncia rudos que a ASK e melhor utilizao de banda que a PSK. Perguntas para pensar! Porque recomendado que o nmero de fases seja maior que o de amplitudes? Represente 011010000100 utilizando 8-QAM.

3 Amplitudes, 12 Fases

4 Amplitudes, 8 Fases

2 Amplitudes, 8 Fases

Tempo

Tabela com as modulaes apresentadas. Modulao ASK, FSK, 2-PSK 4-PSK, 4-QAM 8-PSK, 8-QAM 16-QAM 32-QAM 64-QAM 128-QAM 256-QAM Unidades Bit Dibit Tribit Quadbit Pentabit Hexabit Septabit Octabit Bits/Baud 1 2 3 4 5 6 7 8 Baud rate N N N N N N N N Bit Rate N 2N 3N 4N 5N 6N 7N 8N

A seguir as constelaes de 4-QAM e 8-QAM.

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Modems um dispositivo eletrnico que modula um sinal digital em uma onda analgica, pronta a ser transmitida pelo meio e que demodula o sinal analgico, convertendo o sinal digital original Quando o sinal recebido, um outro modem reverte o processo (chamado demodulao). Ambos os modems devem estar trabalhando de acordo com os mesmos padres (olhem a importncia dos padres!). A linha telefnica no brasil trabalha com uma largura de banda entre 300Hz e 3400Hz, diferente de outros pases que o freqncia mxima 3300Hz. Em ambos os casos a largura de banda para dados de 2400Hz. Abaixo segue um grfico com indicaes.Usada para voz Usada p/ dados

informao

portadora

sinal AM

2400Hz para dado3000Hz para voz

MultiplexaoTcnica que codifica as informaes de duas ou mais fontes de dados em um nico canal. Utilizadas em situaes onde o custo de implementao de canais separados para cada fonte de dados maior que o custo e a inconvenincia de utilizar as funes de multiplexao/demultiplexao. Abordaremos trs tcnicas em sala de aula: FDM (Multiplexao por diviso na freqncia) Tcnica utilizada para transmisso de vrios canais de comunicao em um mesmo meio fsico, onde cada canal utiliza uma faixa de frequncias. TDM (Multiplexao por diviso no tempo) Tcnica utilizada para permitir a existncia de vrios canais de comunicao em um mesmo meio de transmisso. Para uma dada taxa de transmisso em bit/s so alocados slots no tempo para cada canal de comunicao. WDM (Multiplexao por diviso no comprimento de onda) Sistema de canalizao em freqncias (comprimentos de onda) ticas que permite a implantao de mais de uma portadora ptica em um enlace de fibra ptica. O WDM est associado a um sistema com poucas portadoras (