Interfaces e transmissão de dados
2 Conceitos de transmissão de dados
2 – Conceitos de transmissão de dados
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Interfaces e transmissão de dados
2.3 Codificação dos dados
2.3 – Codificação dos dados
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2.3.1 – Fonte de dados digital – transmissão de dados digital
Códigos de linha
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Codificação dos dados
Motivações
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
Motivações:
•Gestão e redução do espectro do sinal:
•Remoção da componente DC do sinal (Sistemas de transmissão apresentam
acoplamento AC)
•Evitar problemas de sincronismo, quando o trem de símbolos a transmitir
contém longas sequências de 0’s ou 1’s
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Classificação dos códigos de linha
Codificação dos dados
Dados digitais – transmissão digital
Classificação dos códigos de Linha
•Os códigos podem ser classificados de várias formas:
1 - Quanto à polaridade
Av
[]
UNIPOLAR: (1 pulso a 0 e outra a |A| ). Exemplo: +A,0
t
A
[v]
2
POLAR : (Pulsos nunca são 0). Exemplo +A/2,-A/2 (ou +A, -A), etc.
t
−A
[v]
2
A
[v]
2
BIPOLAR (ou pseudoternário): Pulsos a 0, ±A ou +A/2,0,-A/2, etc.
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t
−A
[v]
2
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Codificação dos dados
Dados digitais – transmissão digital
Classificação dos códigos de Linha
2 - Quanto ao “duty cycle”
•O nível do pulso mantém-se constante durante o período nominal dos
símbolos que representa
Non Return To Zero (NRZ)
•O nível do pulso regressa ao zero antes de terminar esse período nominal
(normalmente a meio, o que corresponde a um duty cycle de 50%)
1
Return To Zero (RZ)
3 - Quanto ao número de níveis
1 0 1
t2
•Os códigos mais comuns apresentam os seguintes números de níveis:
dois(binários), três (ternários), quatro (quaternários), oito (octais), etc.
t1
Nota:
- Em códigos binários é usual encontrar as 4 combinações polar RZ, polar NRZ, unipolar RZ e unipolar NRZ
- Duty cicle = t2 / t1 , em que t1 é a duração máxima do pulso e t2 é a duração actual do pulso
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Codificação dos dados
Codificação NRZ
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
NRZ-L-> 0 nível “alto”, 1 nível “baixo”
•NRZ (Non return to zero)
NRZ-I-> 1-transição de sinal (H ou L), 0 não há transição
Nota: Quando o sinal é codificado, pela comparação da polaridade adjacente, em vez do seu valor
absoluto (caso do NRZ-I) é chamada codificação diferencial -> Detecção por transição
Inverte a polaridade por cada “1”
que encontra
( NRZI = Invert on ones)
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Codificação dos dados
Características NRZ
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
•Características códigos NRZ
•Vantagens
-Fáceis de produzir
-Utilização do espectro eficiente (a sua energia está entre DC e metade do ritmo biário. Para uma L.B. de
4800Hz consegue-se 9600bps)
•Desvantagens
-Contêm componente DC (polares ou unipolares), o que poderá constituir um problema
-Não têm capacidades de auto sincronização , pois não há separação entre pulsos adjacentes
(Ex: longo padrão de 0’s ou 1’s no NRZ-L ou longo padrão de 0’s no NRZ-I, produzem uma
tensão constante. Qualquer pequeno desvio de frequência de relógio entre o emissor e
receptor, provoca perda de sincronismo)
•Utilizações
-Interfaces locais computador-rede de curta distância, gravação magnética, etc.
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Codificação dos dados Densidade Espectral Potência NRZ
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
•Densidade espectral de potência para códigos NRZ
Unipolar
Polar
rb
2rb
3rb
1
tb
2
tb
3
tb
Expressão geral densidade espectral potência
Ps (f ) =
F( f )
tb
2
∞
∑ R ( k )e
rb = 2B
(3.68)
j 2πkftb
k = −∞
 sin πftb 


 πftb 
2


ft
sin
π
b

Ps (NRZ.polar ) = A2tb 
 πftb 
A2tb
Ps (NRZ.unipolar ) =
4
2
 1

1
+
δ
(
f
)

 (3.69)
t
b


(3.70)
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Codificação dos dados
Codificação AMI
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
•Códigos bipolares
“0” Representado por ausência de sinal na linha
AMI (Alternate Mark Invertion)
“1” Representados alternadamente por +A e -A
Sequências de “1’s” são alternadas entre +A e -A
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Codificação dos dadosCodificação Pseudo Ternário
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
•Códigos bipolares
“1” Representado por ausência de sinal na linha
Pseudo ternário (Inverso do AMI)
“0” Representados alternadamente por +A e -A
Sequências de “0’s” são alternadas entre +A e -A
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AMI e Pseudo Ternário
Codificação dosCaracterísticas
dados
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
•Características código bipolar AMI e Pseudo Ternário
•Vantagens
-Não apresenta componente DC
-Boa capacidade de auto-sincronização para longos padrões de “1” (AMI) ou “0” (Pseudo Ternário)
-Forma simples de detecção de erros -> Cada erro de bit causa uma violação na propriedade de
alternância do código
-Largura de Banda relativamente baixa (Baud rate = Débito binário)
•Desvantagens
-Problemas de sincronismo para longos padrões de “0” (AMI) ou “1” (Pseudo Ternário)
-Menos eficiente que o NRZ (Como apresenta 3 níveis, poderia codificar log 2 (3) = 1,58 bits em
vez de 1)
-Receptor tem que distinguir 3 níveis de tensão
-Para a mesma probabilidade de erro, necessita de uma potência 3dB acima do NRZ
•Utilizações
AMI: -Transmissão de dados a longa distância – 1,544 Mps -> Norma T1 Americana
Pseudo Ternário -Utilizado no acesso básico RDIS (Equipamento terminal)
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Codificação dos dados
Desempenho dos códigos NRZ, AMI
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
•Desempenho dos códigos anteriormente estudados
Maior potência (3dB) para mesmo BER
3dB
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Codificação dos dados
Codificação Manchester
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
•Códigos bifásicos
“0” Representado por transição descendente
•MANCHESTER
“1” Representado por Transição Ascendente
Transição no meio de cada bit
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Codificação Manchester Diferencial
Codificação dos dados
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
•Códigos bifásicos
•MANCHESTER Diferencial
“0” Representado por transição no início do período de bit
“1” Representado por ausência de transição no início do período de bit
“1” Ausência de Transição início periodo bit
“0” Transição início periodo bit
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Codificação dos dados
Características Manchester e
Dados digitais – transmissão digital
Manchester Diferencial
Códigos de Linha
•Características código MANCHESTER e MANCHESTER DIFERENCIAL
•Vantagens
-Fácil de implementar
-Excelente capacidade de auto-sincronização (Devido à transição a meio do bit)
-Ausência de componente DC
•Desvantagens
-Baud Rate Duplo do débito binário (Largura de Banda elevada)
-Requer maior largura de banda que o código binário NRZ
•Utilizações do código MANCHESTER
-Utilizado nas redes locais (LAN) ethernet – IEEE 802.3
•Utilizações do código MANCHESTER DIFERENCIAL
-Utilizado nas redes locais (LAN) em anel TOKEN RING – IEEE 802.5
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Codificação dos dados Taxa de Modulação / transmissão
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
•Taxa de transmissão versus taxa de modulação (Sequência de maior variação)
•Taxa de modulação R = Nº de transições do sinal por cada tempo de bit
D = tb
rb =
1
1µs
= 1Mbps e
R=
= 1Mbps e
R=
1
1µs
= 1Mbaud
tb
D
R=
1
[baud ] (3.71)
D
Taxa de modulação
rb =
1
[bs −1 ]
tb
Taxa de transmissão
(3.72)
rb =
1
1µs
1
= 2 Mbaud
0 .5 µ s
Dobra a taxa de modulação relativamente
à de transmissão
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Codificação dos dados
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
•Taxa de transmissão versus taxa de modulação
•A sequência binária transmitida é aleatória. A taxa de modulação também o é.
•Taxa de modulação é caracterizada pela variação média de transições ocorrida por
cada tempo de bit.
Taxas mínimas e máximas de modulação para diversos códigos (R/rb )
Codificação
Taxa Modulação Mínima
101010...
Taxa Modulação Máxima
NRZ-L
0 (Tudo 1’s ou 0’s)
1.0
1.0
NRZ-I
0(Tudo 0’s)
0.5
1.0 (tudo 1’s)
AMI
0(Tudo 0’s)
1.0
1.0 (tudo 1’s)
Pseudo ternário
0(Tudo 1’s)
1.0
1.0
Manchester
1.0 (para 10101...)
1.0
2.0 (Tudo 0’s ou 1’s)
Manchester diferencial
1.0 (Tudo 1’s)
1.5
2.0 (Tudo 0’s)
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Codificação dos dados Técnicas de Scrambling
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
Técnicas de “scrambling” ou baralhação
•Códigos bifásicos são largamente utilizados em redes locais, mas não são apropriados
para redes alargadas de longa distância (WAN) devido principalmente a:
-Pouca eficiência (Alta taxa de modulação relativamente à taxa de transmissão)
(Esta ineficiência reflecte-se num alto custo em ligações de longa distância)
•O código até agora estudado que parece mais eficiente, é o AMI / Pseudo ternário .
Menor L.B e fraca componente DC, mas estes apresentam problemas de sincronismo
(longos padrões de 0’s ou 1’s respectivamente)
•A técnica de scrambling baseia-se na substituição (preenchimento) de sequências do
sinal, que produzam tensões constantes,por outra sequência.
•Esta substituição deverá ser reconhecida pelo receptor que deverá repor os dados
originais
•A sequência de substituição tem o mesmo comprimento que a sequência original de
dados, de modo a não haver aumento da taxa de transmissão de dados.
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Codificação dos dados
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
Objectivos das técnicas de “scrambling” ou baralhação nos sinais digitais
•Não deverão ter componente DC
•Não deverão ter longas sequências de ausência de sinal na linha de transmissão
•Não deverão reduzir a taxa de transmissão de dados
•Deverão ter capacidades de detecção de erros (violações de polaridade)
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Codificação dos dados
Codificação B8ZS
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
•Código B8ZS (Bipolar with 8 zeros substitution)
V = Violação de polaridade no sinal bipolar
•Se surgir 1 octeto de 8 zeros e a polaridade do último pulso que precede este octeto for
+, então substitui os 8 zeros por 000+-0-+
•Se surgir 1 octeto de 8 zeros e a polaridade do último pulso que precede este octeto for -,
então substitui os 8 zeros por 000-+0+Generalizando: Subsitui 8 zeros por 000VB0VB, com:
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V - Violação de polaridade no sinal bipolar
B - Sinal bipolar Válido (“Balance bit”)
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Codificação dos dados
Codificação HDB3
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
•Código HDB3 (High-Density Bipolar-3 zeros)
•Substitui sequências de 4 zeros, por 3 zeros seguidos de uma violação de polaridade
(com a mesma polaridade do último pulso antes dos zeros) ou seja: 000V
•Este método simples levaria a que longas sequências de zeros sofressem sempre a
mesma substituição, provocando componente DC.
Nota: V - Violação de polaridade no sinal bipolar
B - Sinal bipolar Válido
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Codificação dos dados
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
4 Zeros = 000V (Ver slide anterior)
Longas seq. zeros
•Código HDB3 (Continuação)
Par
•Para evitar DC, longos padrões de 0’s são substituídos por B00V, em que B representa um sinal
bipolar válido e V uma violação de polaridade.
•Caso o número de pulsos bipolares (1’s) desde a última substituição seja ímpar: 000V. Caso seja
par: B00V
•Ou dito de outra forma as seguintes regras acontecem por cada sequência de 4 zeros:
O 2º e 3º zeros são sempre representados pela ausência de pulsos. O 4º zero é sempre 1 violação
O 1º zero é substituido por B se o pulso que o precede tem a mesma polaridade da última violação
O 1º zero é substituido por B se o pulso que o precede é uma violação
Para outros casos, o 1º zero é substituido por 0
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Codificação dos dadosCaracterísticas HDB3/B8ZS
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
•Características códigos B8ZS e HDB3
•Vantagens
-Não apresentam componente DC
-Excelente capacidade de auto-sincronização
-Pouca largura de banda
-Forma simples de detecção de erros -> Cada erro de bit causa uma violação na propriedade de
alternância do código
•Desvantagens
-Relativamente complexos (Necessitam de tabelas de codificação)
•Utilizações do código B8ZS
-Sistema de transmissão digital Norte Americano -> 1ª Hierarquia PDH – T1 (1.792 Mbps)
•Utilizações do código HDB3
-Sistema de transmissão digital Europeu e Japonês -> 1ª Hierarquia PDH - E1 (2.048 Mbps)
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Codificação dos dados Densidade espectral Potência
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
•Densidade espectral de potência das várias técnicas de codificação do sinal
Menor Componente DC
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Codificação dos dados
Códigos MBNL
Dados digitais – transmissão digital
Códigos de Linha
•Códigos multi-nível do tipo mBnL
n < m , => baud rate < bit rate
m bits são representados por n pulsos de L níveis
L > 2 => São multinível
Grupos de 4 bits são representados por 3
níveis. Para o 4B3T, o Baud rate é ¾ Bit Rate
Q = Quaternário. 2 bits por nível. Grupos de 2
bits são representados por 1 nível. Para o
2B1Q, o Baud rate é ½ Bit rate
•Utilizações dos códigos mBnL
- Circuitos de acesso da rede RDIS, operando a 160 Kbps sobre par entrançado a distâncias até alguns Km
- Redes Locais: Machester é exemplo de 1B2B. Ethernet 100 Mb/s utiliza 4B5B
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Meios de transmissão de dados Eficiência do canal
Exercícios de aplicação
1)Considere a seguinte sequência binária de dados: (…)1100000000110000010(…). Codifique-a em:
a) NRZ-I Polar, em que o pulso anterior tem polaridade negativa.
b) Manchester
c) HDB3, assumindo que o número de pulsos bipolares (1’s) desde a última substituição é par e o valor da
última polaridade na linha é negativa.
2) A taxa de modulação de um código de linha, é a variação média de transições do sinal, por cada tempo
de bit. Calcule as taxas mínimas, médias e máximas de modulação R/rb, para os seguintes códigos:
(Não se esqueça de indicar as sequências binárias que conduzem às taxas médias, mínimas e máximas)
a) NRZ-I.
b) Manchester
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Resumo
Codificação dos dados
Resumo
Capítulo 2 – Conceitos de transmissão de dados
2.3 Codificação dos dados
•2.3.1 Fontes de dados digitais – transmissão digital
•Códigos de linha Introdução e classificação
•Codificação, características e espectro NRZ
•Codificação, características e espectro AMI
•Desempenho AMI e NRZ
•Codificação e características MANCHESTER
•Codificação e características MANCHESTER Diferencial
•Taxa de modulação e transmissão binária dos códigos
•Técnicas de Scrambling
•Codificação e características B8ZS
•Codificação e características HDB3
•Densidade espectral Potência comparação
•Codificação e características MBNL
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2.1
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Interfaces e transmissão de dados
Codificação dos dados
Referências
Stallings – Data and Computer communications Cap. V (Dados digitais, transmissão analógica)
Leon Garcia – Communication Networks, Cap. III (Modems e modulação digital)
Halsall –Data Communications, Computer Networks and Open Systems 4th Edition Cap. II (Interface Eléctrica)
Couch – Analog and digital comm. systems- Cap. V (Sinais binários passa banda)
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2.1
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Interfaces e transmissão de dados
FIM
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