Técnicas de Codificação Do Sinal

Redes de Computadores 2Parte 12 – camada física e comunicação sem fio

– técnicas de codificação do sinal

Prof. Kleber Vieira Cardoso

Tópicos

● Conceitos● Dados digitais, sinais digitais● Dados digitais, sinais analógicos● Dados analógicos, sinais digitais● Dados analógicos, sinais analógicos

Conceitos● A escolha de qual codificação usar se baseia

nas exigências específicas a serem atendidas,no meio de comunicação e nas facilidades decomunicação disponíveis

Conceitos (cont.)● Em um sinal digital x(t), a forma exata depende da

técnica de codificação● A escolha pode se basear em critérios como conservação da

largura de banda, minimização de erros, recuperação desincronismo

● A base no sinal analógico S(f), é um sinal contínuo comfrequência constante conhecido como sinal de portadora

● A frequência do sinal de portadora é escolhido com base nomeio de transmissão

● Dados são transmitidos através da modulação– Modulação é processo de codificar os dados de entrada em um sinal de

portadora com frequência fc– As técnicas de modulação envolvem operações em um ou mais dos três

parâmetros fundamentais do sinal no domínio da frequência: amplitude,frequência e fase

Conceitos (cont.)

● O sinal de entrada m(t) é chamado de sinal demodulação ou sinal de banda básica (baseband)● O resultado da modulação é chamado sinal

modulado s(t)– s(t) é um sinal de banda limitada ou passa-banda ou

passa-faixa– A localização da largura de banda no espectro está

relacionada com a frequência fc do sinal de portadora

Conceitos (cont.)

● Exemplos de razões para escolha de codificação:● Dados digitais, sinais digitais: em geral, um equipamento de

codificação digital-digital é menos complexo e mais baratoque um equipamento de modulação digital-analógico

● Dados analógicos, sinais digitais: permite enviar todas asinformações como bits (ou seja, convergência),aproveitando sistemas de comunicação digitais disponíveis(ex.: redes de computadores)

● Dados digitais, sinais analógicos: não é viável transmitirsinais digitais em meios sem fio

● Dados analógicos, sinais analógicos: permite deslocar alargura de banda de um sinal de banda básica para outraparte do espectro e assim transmitir múltiplos sinais

– É possível que essa abordagem desapareça no futuro

Dados digitais, sinais digitais● Um sinal digital é uma sequência discreta e

descontínua de pulsos de voltagem● Cada pulso é um elemento de sinal● Dados binários (i.e. digitais) são transmitidos

através da codificação de cada bit em elementos desinal– No caso mais simples, há uma correspondência de um

para um entre bits e elementos de sinal● Conforme definido anteriormente, a duração de um

bit é o inverso da taxa de dados, ou 1/R = Tb. Poroutro lado a taxa de modulação é a taxa na qual onível de sinal é alterado e depende da codificação– A taxa de modulação é expressa em baud que significa

elementos de sinal por segundo

Dados digitais, sinais digitais (cont.)● Já vimos que três fatores são importantes para

o sucesso na receptação de um sinal: SNR,taxa de dados e largura de banda● Assim, se assumirmos que outros fatores

permanecem constantes, temos:– Um aumento na taxa de dados aumenta a taxa de erro

de bit (BER)– Um aumento na SNR diminui a BER– Um aumento na largura de banda permite aumentar a

taxa de dados● A técnica ou esquema de codificação é outro fator

que afeta o desempenho– Basicamente, um esquema de codificação é o

mapeamento de bits em elementos de sinal

Dados digitais, sinais digitais (cont.)

● A escolha de qual esquema de codificação utilizarleva em conta alguns critérios:

● Espectro do sinal – ausência/presença de componentes dealta frequência, ausência/presença de componente decorrente contínua, distorção nas bordas da banda

● Sincronização (clocking) – uso (ou não) do próprio sinalpara sincronização entre os comunicadores

● Detecção de erro – suporte (ou não) à detecção de erro nacamada física

● Imunidade a ruído e interferência – alguns esquemasexibem desempenho melhor na presença de ruído

● Custo e complexidade – quanto mais alta a taxa de dados,maior é o custo e complexidade


● Alguns esquemasde codificação


● Taxa demodulação

● É função da taxade dados (R) e donúmero de bitspor elemento desinal (L = log2M),onde M = 2L

D= RL= Rlog2M

Dados digitais, sinais digitais (cont.)● Técnicas bi-fase

● Apresentam uma transição no meio do bit, porexemplo: Manchester e Manchester diferencial

● Principais vantagens:– Sincronização – a transição previsível do meio do bit

permite a sincronização – Detecção de erro – se não houver transição no meio do

bit, há erro– Imunidade a ruído – o sinal precisaria ser invertido duas

vezes para gerar um erro não detectado● Principal desvantagem: taxa de dados = (taxa de

modulação)/2● Exemplos de uso: IEEE 802.3 (Ethernet) e IEEE

802.5 (Token Ring)


● Técnicas de perturbação (scrambling)● Consiste em utilizar uma técnica multinível binária

(ex.: AMI bipolar) e introduzir violações parapermitir a sincronização do receptor

● Principais vantagens:– Sincronização– Taxa de modulação = taxa de dados

● Exemplos de uso: linhas digitais de longa distânciaT-1 (padrão americano) e E (padrão europeu)

Dados digitais, sinais digitais (cont.)● Técnicas de perturbação (scrambling) – Exemplos:

– bipolar with 8-zeros substitution (B8ZS) – se 8 zeros e último pulsofoi positivo, trocar por 000+-0-+; se 8 zeros e último pulso foinegativo trocar por 000-+0+-

– high-density bipolar-3 zeros (HDB3) – se 4 zeros então obedece aseguinte tabela:

Dados digitais, sinais analógicos● O exemplo mais comum dessa transformação é o uso

de linha telefônicas para transmitir dados● O modem (modulador-demodulador) é o equipamento

responsável pelas conversões digital-analógico e analógico-digital

● As mesmas técnicas básicas são usadas emfrequências mais altas

● Várias tecnologias utilizam essas técnicas: 802.11,Bluetooth, 3G, LTE, etc.

● Modulação envolve operações em uma ou maiscaracterísticas do sinal: amplitude, fase e frequência● As técnicas que transformam dado digital em sinal

analógico são chamadas: ASK (amplitude shift keying),FSK (frequency shift keying) e PSK (phase shift keying)

Dados digitais, sinais analógicos (cont.)

● Técnicas demodulação


● ASK● A versão binária usa, comumente, uma das

amplitudes em zero e a outra é o sinal da portadora

● É uma técnica um tanto quanto ineficiente,sobretudo em meios que podem sofrer surtos deenergia

● É utilizada para transmissão de dados em fibraótica– LED – amplitudes zero e da portadora– Laser – amplitudes baixa e alta


● FSK● A forma mais comum é a binária (BFSK), na qual

duas frequências próximas à da portadora sãousadas

– Onde f1 e f2 são tipicamente deslocamentos dafrequência da portadora fc em quantidades iguais eopostas

● É usada em transmissões de alta frequência (3 a30 MHz) e também podem ser usadas emfrequências mais altas para transmissões em cabocoaxial

Dados digitais, sinais analógicos (cont.)● FSK (cont.)

● Uma forma mais eficiente, mas mais susceptível a erros, é amúltipla FSK (MFSK)

– Onde:● fi = fc + (2i – 1 – M).fd● fc é frequência da portadora

● fd é de frequência● M = 2L é o número de diferentes elementos de sinal● L é número de bits por elemento de sinal

● Exemplo: MFSK, com M = 4


● PSK● A versão mais simples é a binária (BPSK), com apenas

duas fases

● Maior eficiência, com menor robustez, pode ser obtida comquatro níveis (QPSK)


● QAM (Quadrature Amplitude Modulation)● É a combinação de ASK com PSK

● O fluxo de bits é dividido em dois e cada um é tratado poruma modulação, sendo o sinal resultante somado paratransmissão

Dados analógicos, sinais digitais

● Transformar dado analógico em sinal digital é umapasso fundamental para a convergência de mídias(“tudo é bit”), trazendo muitas vantagens:● Possibilidade de unificar as infraestruturas de

comunicação● Uso mais eficiente dos recursos● Facilidade para armazenar e comprimir os dados● Possibilidade de aumentar a escala e reduzir custos● Possibilidade de maior controle por software, ou seja,

mais flexibilidade● Dentre outras

Dados analógicos, sinais digitais (cont.)

● O nome genérico do dispositivo que convertedados analógicos em sinais digitais e vice-versa é codec (codificador-decodificador)

● As duas técnicas básicas utilizadas em codecssão● Pulse Code Modulation (PCM)● Delta Modulation (DM)


● Pulse Code Modulation (PCM)● Baseada no seguinte teorema:

– Exemplo: se dados de voz estão limitados a frequênciasde até 4 kHz então 8.000 amostras por segundo seriamsuficientes para caracterizar esses dados

● No entanto, é importante lembrar que essa amostragem(chamada de Pulse Amplitude Modulation - PAM) é de um sinalanalógico, ou seja, contínuo no tempo e, portanto, os valoresprecisam ser aproximados para um valores discretos


● Pulse Code Modulation (PCM) – cont.


● Pulse Code Modulation (PCM) – cont.● Diagrama de blocos PCM●

●

●

● O processo de quantização, ou seja, aproximar umpulso PAM por um pulso PCM introduz um erro ouruído de quantização– A SNR para o ruído de quantização é dada por:

– SNRdb = 20log 2n + 1,76 dB = 6,02n + 1,76 dB● Onde n é a quantidade de bits usados na quantização

Dados analógicos, sinais digitais (cont.)● Pulse Code Modulation (PCM) – cont.

● A quantização com intervalos regulares de amplitude tendea distorcer mais sinais com amplitude mais baixa

– Tipicamente, o esquema PCM é refinado através de uma técnica decodificação não linear que usa passos mais curtos para sinais demenor amplitude


● Delta Modulation (DM)● É uma das alternativas à técnica PCM● A entrada analógica é aproximada através de

função degrau que se move para cima ou parabaixo por um nível de quantização (δ) a cadaintervalo de amostragem (Ts)

– A função degrau tem um comportamento binário: a cadaamostra de tempo, sobe ou desce

– Um fluxo de bits é produzido a partir da diferença entre aúltima quantização e da a posição atual do sinalanalógico

● 1 – se função degrau deve subir● 0 – se função degrau deve descer

Dados analógicos, sinais digitais (cont.)● Delta Modulation (DM) – cont.

● Embora haja potencial para redução da quantidade bits, o ruídode sobrecarga de inclinação (slope overload) e quantizaçãopodem exigir um aumento da taxa de amostragem

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