Fund. De Redes - professor.unisinos.brprofessor.unisinos.br/jcgluz/fund-redes/Aula4.pdfB8ZS e HDB3 Redes de Computadores 24. Codificação em blocos

Fund. De RedesCodificação de dados

Introdução

• Informações digitais ou analógicas podem ser codificadas tanto em

sinais analógicos como em sinais digitais.

– Dados digitais, sinais digitais

– Dados analógicos, sinais digitais

– Dados digitais, sinais analógicos

– Dados analógicos, sinais analógicos

Redes de Computadores 2

Dados analógicos/digitais e suas sinalizações

Dados analógicos

Sinal digitalSinal analógico

Banda base Portadora(AM,FM e PM)

Pulse Code Modulation (PCM)

Dados digitais

Sinal digitalSinal analógico

ASK PSK FSK NRZManchester

Diferenciais Scambling


Dados digitais, sinais digitais

• Dados (analógicos ou digitais) são codificados em um sinal digital

– Pulsos de voltagem (discretos) representando um elemento de

sinalização

– Dados são codificados pelos elementos de sinalização

• Tipo de esquema de codificação depende do meio de transmissão

– Otimizar o meio de transmissão (banda passante ou erro)

• Questões importantes:

– níveis de sinal e de dados, taxa de sinalização e sincronização


Nível de sinal versus nível de dados

• Nivel de sinal:

– Quantidade de níveis que um sinal digital pode assumir

• Nível de dados:

– Número de níveis que são utilizados para representar dados

Dois níveis de sinal, dois níveis de dados

1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1

três níveis de sinal, dois níveis de dados


Taxa de sinalização versus taxa de dados (lembrando...)

LBaudRateBitRate 2log

• Taxa de sinalização (baud rate)

– Período de tempo para representar uma unidade de informação

(símbolo)

• Tempo de bit(s)

– Número de pulsos por segundo

• Taxa de dados (bit rate)

– Quantidade de bits transportados por segundo


Componente DC

• Nível de energia residual que corresponde a uma frequência zero

• Indesejável por:

– Sinal com componente DC sofre distorção ao passar por

transformadores

– “alarga” a banda passante do sinal

Com componente DC(em média)

1 0 1 1 0 1

Sem componente DC(em média)

1 0 1 1 0 1


Sincronização• Relógios do emissor e do receptor devem estar

sincronizados para correta interpretação do sinal– Amostragem no meio do tempo de bit

• Necessário manter a sincronização– Resincronização na presença de “bordas” do

sinal1 0 1 1 0 1

Relógio amostragem idênticoao da transmissão

Relógio amostragem adiantado Em relação ao da transmissão

O ou 1??


Principais métodos de codificação

• Código unipolar: um nível de tensão (positivo ou negativo)

– Simples

• Código polar: dois níveis de tensão (positivo e negativo)

– Non Return to Zero (NRZ), Non Return to Zero Inverted (NRZ-I),

Manchester, Manchester diferencial

• Código bipolar: três níveis de tensão (zero, positivo e negativo)

– Alternate Mark Inversion (AMI), Bipolar n-Zero Substitution

(BnZS), pseudoternary

• Substituição Scrambling

– B8ZS e HDB3

• Codificação em bloco

– 4B/5B, 8B/10B, 8B/6T, etc


Qual método de codificação a ser usado?

• Detecção de erros

• Imunidade à interferência e a ruídos• Custo e complexidade

– Alguns códigos necessitam taxas de sinalização maior que a taxa de transmissão e isso implica em custos maiores

• Espectro do sinal– Ausência de alta frequência reduz necessidade de banda

passante do meio– Ausência de uma componente DC elimina necessidade de um

referencial comum entre transmissor e receptor– Concentrar a energia no meio da banda passante do meio

• Temporização: – Sincronização entre transmissor e receptor


Código simples (unipolar)

• Mais simples e primitivo

– O nível de tensão representa um bit (0 ou 1)e zero representa outro (1 ou

0)

– Obsoleto

• Desvantagem:

– Presença de componente DC

– Falta de mecanismos para sincronização

1 0 1 1 0 1


Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)

• Dois níveis diferentes de tensão para bits em 0 e em 1

• Tensão constante durante o tempo de bit, ou seja, sem retorno para o

nível zero

• Normalmente:

– bit em 1: valor negativo

– bit em 0: valor positivo


Nonreturn to Zero Inverted (on ones)

• Variação de NRZ

• Tensão constante durante o tempo de bit

• Dados são codificados em função da presença ou não de uma

transição no início do tempo de bit

– Transição representa 1 binário

– Sem transição representa 0 binário

• Código pertencente à família “codificação diferencial”


NRZ/NRZ-I: vantagens e desvantagens

• Vantagens:

– Fácil de implementar

– Bom uso da banda passante

• Desvantagens

– Pode apresenta componente DC residual (menor que a unipolar)

– Não fornece mecanismo para sincronização de início e fim de bits

– Sem detecção de erros

• Empregado para gravação em meios magnéticos

• Raramente empregado para transmissão de sinais


Codificação Manchester

• Transição no meio do tempo de duração de cada bit

• Transição serve para representar dados e garantir sincronização

– Transição nível baixo alto representa 1 binário

– Transição nível alto baixo representa 0 binário

• Empregado em redes do tipo IEEE 802.3

0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1

Manchester


Codificação Manchester diferencial

• Sempre uma transição no meio do tempo de duração de cada bit

– Objetivo é sincronização

• Codificação:

– Transição no ínicio do tempo de bit representa zero binário

– Ausência de transição no início do tempo de bit representa um binário

• Empregado em redes do tipo IEEE 802.5

0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1Manchesterdiferencial


Manchester : vantagens e desvantagens

• Vantagens

– Sincronização embutida com a transição no meio do tempo de bit

– Ausência de componente DC

– Possibilita detecção de erros de transmissão

• Ausência da transição esperada

• Desvantagens

– No mínimo uma transição ocorre durante o tempo de um bit

– A taxa sinalização é duas vezes a do NRZ

– Necessita de maior banda passante


Bipolar-AMI

• Emprega mais de dois níveis de tensão

– Ausência de sinal na linha indica um bit em zero

– Pulso negativo ou positivo representa um bit em 1

• Pulsos tem sua polaridade alternada


Pseudo-ternário

• Emprega mais de dois níveis de tensão

– Ausência de sinal na linha indica um bit em 1

– Pulso negativo ou positivo representa um bit em 0

• Pulsos tem sua polaridade alternada


AMI e pseudo-ternário: vantagens e desvantagens

• Vantagens:

– Ausência de componente DC

– Fácil detecção de erros

• Desvantagens:

– Perda de sincronismo para grandes sequência de zeros (Bipolar) ou

de 1s (pseudoternário)

– Não é tão eficiente como o NRZ

• Linha assume três níveis diferentes para codificar apenas 2

valores

– Receptor deve distinguir 3 níveis de tensão (+A, 0, -A)


Técnica de scrambling

• Substituir sequências que geram tensões constantes

• Critério para criação de sequências:

– Produzir transições para permitir sincronização

– “Protocolo” para o receptor interpretar e traduzir para o original

– Não modificar o “tamanho” da sequência original

• Objetivos:

– Reduzir componente DC

– Eliminar longas sequências de zero/um na linha

– Não aumentar/reduzir a taxa efetiva de transmissão

– Permitir detecção de erro


B8ZS

• Bipolar With 8 Zeros Substitution

• Baseado no código bipolar-AMI

• Regra para codificação:

– Se um byte possui 8 zeros consecutivos

• Pulso precedente positivo, codifica como 0 0 0+ - 0 - +

• Pulso precedente negativo, codifica como 0 0 0- + 0 + -

• Sequências de violações no código AMI

• Receptor detecta o padrão e traduz a sequência para 8 zeros


HDB3

• High Density Bipolar 3 Zeros

• Baseado no código bipolar-AMI

• Sequência de 4 zeros é substituída por um padrão com violação de

código


B8ZS e HDB3


Codificação em blocos

• Empregado para melhorar a eficiência da transmissão

– e.g.: codificação Manchester possui uma eficiência de apenas 50%

• Três etapas:

– Divisão: dados são divididos em grupos de m bits

– Substituição: grupos de m bits são substituídos por n bits ( n > m)

• Escolhe sequências visando sincronização e detecção de erros

– Codificação: para transmissão pode-se usar qualquer um dos

métodos vistos anteriormente


Exemplos: 4B/5B e 8B/6T

4B/5B (Parcial)

-1 +1 0 +1 -1 08B/6T (exemplo de um código)

00011111

28 (256) mapeados em 36 (729)

24 (16) mapeados em 25 (32)


Transmissão paralela

• Paralela → n bits enviados simultaneamente em um tempo de bit

– Necessário uma via (fio) por bit

– Relógio único (global)

– n + 1 via (fios) necessários = n para dados + 1 para o relógio

• Apresenta limitação em distância

– Custo

– Distorções no sinal de relógio


Transmissão serial

• Serial → n bits enviados em sequência, um após o outro, cada um

ocupando um tempo de bit

• Serial assíncrona:

– Não há informação de sincronização entre o emissor e o receptor

– Presença de marcas de início e fim

– Fortemente baseado em temporização (sensível ao drift)

• Problema: não se pode enviar mensagens muito longas senão

ocorre defasagem entre emissor e receptor

• Serial síncrona

– Informação de relógio é embutido junto com os dados (e.g.

Manchester)

– Amortização das marcas de início e fim


Codificação de dados

(continuação)


Introdução

• Dados analógicos podem ser:

– Transmitidos através de sinais analógicos

• É o que ocorre com sinais de rádio e de televisão analógicos

– Convertidos para seu equivalente digital (sinais digitais) e serem

transmitidos por um sinal digital

• É o que ocorre na telefonia e com CDs de músicas (gravação)

• Dados digitais podem ser:

– Convertidos para seu equivalente analógico (sinais analógicos) e

serem transmitidos por um sinal analógico.

• É o que ocorre com modems (linha discada, ADSL e Cable),

em sistemas telefônicos (no destinatário) e em CDs de

músicas (reprodução)


Dados analógicos, sinais analógicos

• Porque modular sinais analógicos?

– Frequências mais altas fornecem uma transmissão mais eficiente

– Possibilita o emprego da técnica FDM (multiplexação em frequência)

– Adaptar sinal a requisitos de banda passante do meio

• Tipos de modulação empregada

– Amplitude (Amplitud Modulation - AM)

– Frequência (Frequency Modulation - FM)

– Fase (Phase Modulation - PM)

• Exemplo: sinais de televisão analógica e rádios (AM, FM, etc.)


Dados analógicos, sinais digitais

• Digitalização do sinal, i.é., conversão do sinal analógico em digital

– Dado pode ser transmitido usando um tipo qualquer de codificação

digital

– Conversão sinal analógico em seu equivalente digital (uma técnica de

modulação)

• Codec (coder-decoder)

– Conversão pode utilizar duas técnicas:

• Pulse Code Modulation (PCM)

• Modulação delta

• Aplicação comum: rede de telefonia pública


Pulse Amplitude Modulation (PAM) e Pulse Code Modulation (PCM)

• Quantização do sinal

– Inclui erro e/ou ruído

– Aproximação do sinal original, ou seja, é de recuperar exatamente

o sinal original

Amostragem

Quantização

Geração PCM


Teorema de amostragem de Nyquist

• Precisão de uma reprodução digital de um sinal analógico depende do

número de amostras realizadas no sinal original

• Teorema de Nyquist::

– “Um sinal amostrado em intervalos regulares a uma taxa igual a

duas vezes a da sua mais alta freqüência contém toda a informação

do sinal original”

• Exemplo: Sinal de voz ocupa banda de 4 KHz (0–4KHz, com suas

bandas de guarda), o que implica em uma frequência de

amostragem de 8 KHz

• Portanto, a taxa PAM deve ser duas vezes a frequência mais alta

presente no sinal.

– Um sinal com frequência x deve ser amostrado a cada 1/(2x)

segundos.


Visão simplificada da rede de telefonia pública

Digital

AnalógicoAnalógico

Sistema típico:

■ Amostras em 8 bits (fornece 256 níveis discretizados diferentes)

■ 8.000 amostras por segundo o que gera 64kbps (8.000 x 8

bits/amostra)


Porque usar sinalização analógica?

• Transmissão digital exige uma banda passante “larga”

– Existência de infinitas frequências

• Transmissão analógica surge como solução

– Emprega uma faixa (banda) de frequências

• Combinações:

– Dados analógicos, sinais analógicos (imagem, áudio)

– Dados digitais, sinais analógicos (modems)

• Modulação → conversão de um sinal analógico em outro sinal

analógico de modo a transmiti-lo em um meio passa-banda


Sinalização analógica • Baseada na existência de um sinal de frequência constante

– Portadora (carrier signal)

– Frequência da portadora depende do meio

• Modulação consiste em codificar os dados com base na portadora

– Combinação dos parâmetros: amplitude, frequência e fase

– Transformação de um sinal em passa-baixa em passa-banda

• Banda passante do sinal é centrada na frequência da portadora (fc)


Dados digitais, sinais analógicos

• Transmissão de dados digitais através de sinais analógicos

• Modular é:

– Representar uma informação através de uma série de

modificações em um sinal analógico (portadora)

• Técnicas de modulação para dados digitais (keying)

– Amplitude shift keying (n-ASK)

– Frequency shift keying (n-FSK)

– Phase shift keying (n-PSK)

– Quadrature Amplitude Modulation (QAM)


Modulação em amplitude (n-ASK)

• Dados binários são representados por n níveis diferentes de amplitudes da portadora

• Caso particular: n=2 (ASK)

– Um dos valores pode ser zero (supressão da portadora)

• Empregado em fibras óticas (presença ou ausência de luz)

Bit 1 = A cos (2 fct )Bit 0 = 0

S(t) =

Banda = Nbaud

fc

Nbaud


Modulação em frequência (n-FSK)

• Dados binários são representados por n portadoras de diferentes

frequências

• Caso particular: n=2 (FSK)

Bit 1= A cos (2 p f1t )Bit 0 =A cos (2 p f2t )

S(t) =Banda = fc2 – fc1 + Nbaud

fc1

Nbaud/2

fc2


Modulação em fase (n-PSK)

• Fase da portadora é deslocada em n valores para representar dados

• Caso particular: n=2 (PSK)

• Duas técnicas de base:

– Referência fixa (relação à portadora)

– Referência variável (em relação ao último baud)

Bit 1 = A cos (2 p f1t + p )Bit 0 = A cos (2 p fct )

S(t) =Banda = Nbaud

fc

Nbaud


Quadratura de fase (QPSK)

• Cada elemento de sinalização é caracterizado por uma fase própria

– Esquema genérico é denominado de n-PSK (n = número de fases)

– Um elemento de sinalização representa log2 n bits

– Limitação de hardware para detectar diferentes fases próximas

• Caso especial: n=4 (quadratura de fase)

Bit 11 = A cos (2 p fct + p/4 )Bit 10 = A cos (2 p fct + 3p/4 )Bit 00 = A cos (2 p fct + 5p/4 )Bit 01 = A cos (2 p fct + 7p/4 )

S(t) =

10 11

00 01


Quadratura de Amplitude (QAM)

• Combinação de ASK e PSK

– Variação em amplitude e em fase

• Possível definir várias amplitudes e fases (n-QAM)

• Exemplos: 16-QAM, 64-QAM, 128-QAM e 256-QAM

101

011010

000

001

110111

100

10 11

00 01


Modem linha telefônica (Modulador-demodulador)

• Converte dados binários em sinal analógico (passa-banda) e vice-versa

– Transmissão de dados através do laço local da rede de telefonia pública

Interface digital

Interface analógica

DTE: Data Terminal Equipment DCE: Data Communication Equipment


Banda passante da linha telefônica

• Passa-banda 300Hz a 3300 Hz (banda passante 3000 Hz)

– Bordas são suscetíveis a distorções, tolerados na transmissão de voz mas não para a transmissão de dados

• Solução: empregar uma faixa (banda) mais estreita

300 3300 Hz600 3000

2400 Hz (dados)3000 Hz (voz)


Considerações gerais sobre Modems

• Emprega uma (ou mais) técnicas de modulação (ASK, FSK, PSK)

• Taxa de sinalização (baud rate) = 2400 elementos/s

– Tentam aumentar o número de bits por elemento de sinalização

• Recebem e transmitem simultaneamente (full duplex)

• Modem síncrono

– Via modulação e codificação dos dados embute informação de

sincronização

• Modem inteligente ou smart modems (Hayes compatível)

– Conjunto de comandos (em ASCII) para discagem automática e

configuração


Modem: diagramas de constelação

2 bits por baud4800 bps


QPSK 16-QAM 64-QAM


5 bits por baud4 bits + 1 bit

correção(código Trellis)

9600 bpsModem V32

(QAM+redundância)

32-QAM

7 bits por baud6 bits + 1 bit correção

14400 bpsModem V32.bis

128-QAM


Padrões de Modem: série V (standard ITU-T)

• Modem V32 (9.600 bps)

– 32-QAM, 2.400 baud, código de trellis

• Modem V32bis (até 14.400 bps)

– 128-QAM, 2400 baud, inclusão de fall-back e fall-forward

• Modem V34 (até 28.800 bps)

– 12 bits dados /baud

• Modem V34bis (até 33.600 bps)

– 14 bits dados/baud

• Modem V90 e V92 (até 56.000 bps para downloading)

– Sistemas assimétricos (duas velocidades: uploading e

downloading)

– Uploading V90 é até 33.6 Kbps, uploading V92 é até 48 Kbps


Limitação de velocidade de transmissão

N

SBC 1log 2

bpsC

C

34860 11.62 3000

31621log3000 2


Outra visão da rede de telefonia pública

Digital

Analógico

RuídoQuantização

PCM

Por que 56 Kbps? Para voz se faz 8.000 amostras/sec, 8 bits cada. Desses 8 bits, em alguns momentos, 1 bit é destinado para controle e 7 são destinados a dados (7 x 8.000=56.000).


Modems tradicionais versus modems 56K

• Núcleo da rede de telefonia pública é digital, laço local é analógico

• Modems tradicionais:– Após modulação (emissor) há uma conversão analógico →digital

(entrada)• O mesmo vale para a resposta enviada pelo destino

– Conversões = ruído de quantização (afeta relação S/R de Shannon)• Modems 56K (V90 e V92)

– Comunicação é para a Internet com presença de um provedor de serviço

– Provedor (de qualidade) possui uma linha digital com a companhia telefônica

• Elimina a conversão na ponta do provedor (resposta) - downloading

– Assinante possui uma linha analógica (laço local) com a companhia telefônica

• Ruído de quantização na ponta assinante (requisição) – uploading– Velocidade de dowloading pode ser maior que a de uploading


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