William Stallings
Data and Computer
Communications
7th Edition
Capítulo 5
Técnicas de Codificação do Sinal
“Signal Encoding Techniques”
Técnicas de codificação
•
•
•
•
Dado
Dado
Dado
Dado
digital, sinal digital
analógico, sinal digital
digital, sinal analógico
analógico, sinal analógico
Dado Digital, Sinal Digital
• Sinal Digital
—Discreto, pulsos de tensão em valores pré-fixados
—Cada pulso é um elemento (símbolo) dentro de um
conjunto de chamado alfabeto da fonte
—Dado binário é codificado nesses símbolos
Termos (1)
• Unipolar
—Todos os símbolos tem o mesmo “sinal” numérico
• Polar
—Um estado lógico representado por um pulso positivo
e outro por pulso negativo
• Taxa de dados
—Taxa de transmissão em bits / segundo
• Duração ou comprimento do bit
—Tempo gasto para transmissão de um bit
Termos (2)
• “Mark” e “Space”
—Bits 1 e 0, respectivamente
• Taxa de modulação
—Taxa na qual o nível do sinal muda
—Medida em “baud” = símbolos por segundo
• Taxa de bits por segundo = baud multiplicada
pelo número de bits por símbolo
Baud versus bit rate
• A largura de faixa restringe o número de
símbolos que se pode enviar por segundo
(baud)
• Por exemplo, o canal telefônico tem BW = 3100
Hz e permite por volta de 2400 baud
• Tática para aumentar a taxa de bits: aumentar
o número de bits / símbolo
• Modem V.32, 9600 bps, obtidos usando 2400
baud com 4 bits/símbolo
Interpretando Sinaiss
• Informação útil
—Temporização dos bits – quando eles iniciam e
terminam
—Nívels do sinal (dos símbolos)
• Fatores que afetam a correta interpretação
(decodificação) dos sinais
—Razão Sinal / Ruído (Signal to noise ratio)
—Taxa de dados
—Largura de faixa (Bandwidth)
Comparação de esquemas de
codificação(1)
• Espectro do sinal
—Ausência de freqüências altas reduz a largura de
faixa
—Ausência de componente DC (freq. zero) permite
“acoplamento AC” via transformador, permitindo
isolamento
—Concentração de potência no meio da largura de
faixa
• Clocking
—Sincronismo do transmissor e receptor
—Clock externo
—Mecanismo de Sync baseado no próprio sinal
Comparação de esquemas de
codificação (2)
• Detecção de erro
—Pode ser incorporada ao próprio sinal codificado
• Imunidade à interferência e rúido
—Alguns códigos (esquemas) são melhores que os
outros
• Custo e complexidade
—Taxa de sinal mais alta (e, consequentemente, taxa
de bits mais alta) implica em aumento de custo
—Alguns códigos requerem taxa de sinal mais alta que
a de bits
Esquemas de codificação
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•
•
•
•
•
•
Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)
Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)
Bipolar –AMI (alternate mark inversion)
Pseudoternary
Manchester
Differential Manchester
B8ZS
HDB3
Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)
• Duas diferentes voltagens para os bits 0 e 1
• Voltagem constante durante intervalo do bit
—Sem transição, ou seja, não retorna para voltagem 0
• Por exemplo: 0 Volts pra bit 0 e +5 Volts pra bit
1
• Geralmente usa-se voltagem negativa para um
bit e positiva para o outro
Nonreturn to Zero Inverted
• Transição (nível baixo para alto ou alto para
baixo) corresponde ao bit 1
• Sem transição corresponde ao bit 0
• Um exemplo de “codificação diferencial”
• Pulso de tensão constante para cada bit
• Informação contida na existência ou não de
transição
NRZ
Codificação diferencial
• Informação é representada por mudanças ao
invés de níveis
• É mais fácil (robusto) detectar transição do que
nível
• Mas não é “perfeita”, pois pode-se perder a
polaridade do sinal
NRZ pros e cons
• Pros
—Fácil de se trabalhar
—Faz bom uso da largura de faixa
• Cons
—Apresenta componente DC
—Não provê facilidades para sincronismo
• Usada para gravação em mídia magnética
• Geralmente não usada para transmissão de
sinais
Binária multi-nível - Multilevel
Binary
• Usa mais do que 2 níveis
• Bipolar-AMI
—Bit zero representado pela ausência de tensão na
linha
—Bit 1 representado por pulsos positivos ou negativos
—Pulsos do bit 1 são alternados em polaridade
—Melhora o sincronismo se aparece uma longa strig de
1’s (zero’s ainda são problema)
—Não apresenta componente DC
—Largura de faixa melhor
—Fácil detecção de erro
Pseudoternary
• Bit 1 representado pela ausência de sinal na
linha
• Zero representado pela alternância de pulsos
positivos e negativos
• Equivalente ao bipolar-AMI
Bipolar-AMI e Pseudoternary
Relações de compromisso no uso
de binário multi-nível
• Exemplo: 3 símbolos
—Transmite log23 = 1.58 bits por símbolo
—Receptor deve distinguir dentre 3 níveis, exemplo:
(+A, -A, 0)
—Requer aproximadamente 3dB a mais de potência do
sinal para a mesma probabilidade de erro
Biphase
• Manchester
— Transição no meio de cada período de bit
— Transição serve como clock (sincronismo) e dado (informação)
— Baixo pra alto representa 1
— Alto pra baixo representa 0
— Usado no padrão Ethernet IEEE 802.3
• Differential Manchester
— Transição no início do bit representa 0
— Não haver transição no início do bit representa 1
— Esse é um padrão “diferencial”
— Usado no padrão Token-Ring IEEE 802.5
Codificação Manchester
Codificação Manchester
Diferencial
Biphase Pros e Cons
• Con
—A taxa de modulação é duas vezes a do NRZ
—Requer mais largura de faixa
• Pros
—Sincronização na transição no meio do bit (self
clocking)
—Não há componente DC
—Detecção de erro
• Ausência da transição esperada
Taxa de modulação
Embaralhamento (Scrambling)
• Usa-se scrambling para evitar sequencias que iriam
gerar tensões constantes
• Sequencia de “filling” (recheio)
— Deve produzir transições suficientes para manter sync
— Deve ser reconhecida pelo receptor e reconvertida para a
original
— Deve ter o mesmo comprimento da original
•
•
•
•
Evitar componente DC
Evitar longas sequencias de nível zero na linha
Não reduzir a taxa de bit
Incluir capacidade para detecção de erro
B8ZS
• Bipolar com substituição de 8 zeros
• Baseado no bipolar-AMI
• Se um octeto com apenas zeros aparecer, e o último
pulso de tensão foi positivo, codifique como 000+-0-+
• Se um octeto com apenas zeros aparecer, e o último
pulso de tensão foi negativo, codifique como 000-+0+• Causa 2 violações ao código AMI
• Improvável de ocorrer devido ao ruído
• Receptor detecta e interpreta como 8 zeros
Uso prático
• The number of consecutive zeros that can be tolerated in user data
depends on the data rate, i.e. , the level of the line code in the Tcarrier hierarchy. The North American T1 line code (1.544 Mb/s)
does not use bipolar violations. The European T1 line code (2.048
Mb/s) may use bipolar violations when 8 or more consecutive zeros
are present. This line code is called bipolar with eight-zero
substitution (B8ZS ) . (In all levels of the European Tcarrier hierarchy, the patterns of bipolar violations that are used
differ from those used in the North American hierarchy.) At the
North American T2 rate (6.312 Mb/s), bipolar violations are inserted
if 6 or more consecutive zeros occur. This line code is called bipolar
with six-zero substitution (B6ZS ). At the North American T3 rate
(44.736 Mb/s), bipolar violations are inserted if 3 or more
consecutive zeros occur. This line code is called "bipolar with three-
zero substitution" (B3ZS ).
HDB3
• High Density Bipolar 3 Zeros
• Baseado no bipolar-AMI
• String de 4 zeros é substituída com 1 ou 2
pulsos
B8ZS and HDB3
Dado Digital, Sinal Analógico
• Sistema público de telefonia
—Largura de faixa: 300Hz a 3400Hz
—Use modem (modulator-demodulator)
• Modulações:
—Amplitude shift keying (ASK)
—Frequency shift keying (FSK)
—Phase shift keying (PK)
Modem versus driver de linha
• Driver de linha apenas aplica um “código de
linha”, como HDB3, etc.
• Modem é diferente:
Modulation Techniques
Amplitude Shift Keying
• Informação representada por diferentes
amplitudes
• Usualmente, uma amplitude é zero
—Ou seja, usa-se presença e ausência da portadora
•
•
•
•
Susceptível a mudanças bruscas no ganho
Ineficiente
Até 1,2 kbps em linhas telefonicas “voice grade”
Usado em fibra óptica
Frequency Shift Keying
• Forma mais comum é o binary FSK (BFSK)
• 2 valores binários representados por 2
frequencias diferentes (próximas à da
portadora)
• Mais robusto a erros do que ASL
• Até 1,2 kbps em linhas telefonicas “voice grade”
• Rádio de alta frequencia
• Usado em LANs com cabo coaxial
Multiple FSK
•
•
•
•
Usa mais do que 2 frequencias
Mais eficiente em termos de largura de faixa
Menos robusto a erros
Cada símbolo representa mais de 1 bit
FSK em linhas telefonicas (Voice
Grade Line)
Phase Shift Keying
• Informação é representada pela fase do sinal
• Binary PSK
—Duas fases representam 2 dígitos binários
• Differential PSK
—Fase é deslocada em relação a um valor anterior, e
não em relação a algum sinal de referência
Modulação em fase
Differential PSK
Síntese
Quadrature PSK
• Cada símbolo representa mais de 1 bit
—Informação codificada em deslocamentos de fase de
/2 (90o)
—Pode-se usar diferentes ângulos (fase) e mais de
uma amplitude
—Modem 9600bps usa 12 angles , dos quais quatro
têm duas possíveis amplitudes
• Offset QPSK (orthogonal QPSK)
—Esquema moderno
Moduladores QPSK e OQPSK
Exemplos de formas de onda da
QPSK e OQPSK
Performance de esquemas de
modulação
• Bandwidth
—ASK e PSK bandwidth diretamente relacionada à taxa
de bits
—FSK é mais complicada
• Na presença de ruído, bit error rate (BER) de
PSK e QPSK são 3dB superior a ASM e FSK
BER (bit error rate) por SNR
Quadrature Amplitude
Modulation
• QAM é uma técnica moderna usada em modems
asymmetric digital subscriber line (ADSL) e
alguns sistemas wireless
• Combina ASK e PSK
• Envia 2 sinais digitais usando uma mesma
portadora
—Uma cópia da portadora é deslocada de 90°
—Cada portadora é modulada com ASK
Constelações do QAM
Constelação do QAM
Modulador QAM
Modems comerciais
Padrão ITU Máxima Baud Máxima BPS Modulação
V.21
300
300
2 FSK
V.22
600
1200
4 FSK
V.22bis
600
2400
16 QAM
V.27ter
1600
4800
8 PSK
V.29
2400
9600
16 QAM
V.32
2400
9600
32 QAM
V.32bis
2400
14400
128 QAM
V.34
3229
33600
960 QAM
Cable modem
Dado analógico, sinal digital
• Conversão A/D
—Pulse code modulation (PCM)
—Delta modulation (DM)
—ADPCM, etc.
Digitalizando sinal analógico
Exemplo de PCM
PCM Block Diagram
Codificação não-linear (lei A e mu)
Funções usadas para compressão
das amplitudes mais altas do sinal
Modulação Delta (DM)
Operação da modulação delta
Dado analógico, sinal analógico
• Por que modular sinais analógicos
—Maior frequencia pode tornar atenuação menor
—Permite multiplexar sinais
• Tipos de modulação
—Amplitude
—Frequency
—Phase