TRANSMISSÃO DE DADOS Aula 2: Transmissão Digital Notas de aula do livro: FOROUZAN, B. A., Comunicação de Dados e Redes de Computadores, MCGraw Hill, 4ª edição Prof. Ulisses Cotta Cavalca <[email protected]> Belo Horizonte/MG 2015 SUMÁRIO 1) Conversão digital-digital 2) Conversão analógico-digital 1. Conversão digital-digital 1.1 Codificação ● Codificação de linha: ● ● É processo de conversão de dados digitais em sinais digitais. Processo geralmente utilizado na transmissão de dados (arquivos, textos, etc.) entre dispositivos e unidades de armazenamento. 1. Conversão digital-digital 1.1 Codificação ● Elemento de dados e elemento de sinal: 1. Conversão digital-digital 1.1 Codificação ● Taxa de sinal: 1 S=c x N x [baud ] r ● S: número de elementos de sinal; ● N: taxa de dados (bps); ● c: fator de caso; ● r: relação entre elemento de dados e elemento de sinal 1. Conversão digital-digital 1.1 Codificação ● Tópicos sobre codificação: ● Afastamento em relação à referência inicial ● ● Componentes DC ● ● No receptor, a decodificação é composta pela potência média efetiva do sinal recebido Um nível de sinal constante por certo tempo acarreta em espectro de frequência muito baixo Autosincronização ● Para a correta comunicação de dados, os intervalos entre transmissão devem corresponder aos intervalos de recepção; 1. Conversão digital-digital 1.1 Codificação ● Efeito da falta de sincronização: 1. Conversão digital-digital 1.1 Codificação ● Esquemas de codificação digital em linha: 1. Conversão digital-digital 1.2 Esquema unipolar ● NRZ (Non-Return to Zero): ● A voltagem positiva define o bit 1; ● A voltagem negativa define o bit 0; ● NRZ (Non-Return to Zero – Sem retorno a zero) significa que o sinal não retorna a zero no bit do meio; ● Apresenta problema das componentes DC ● Sensível ao problema de autosincronização ● Método de conversão não é comumente utilizado hoje em dia. 1. Conversão digital-digital 1.2 Esquema unipolar ● NRZ (Non-Return to Zero): 1. Conversão digital-digital 1.3 Esquema polar ● NRZ-L (NRZ-Level): ● ● ● ● Nível da tensão determina o valor do bit; Método apresenta problema de afastamento da referência inicial, componentes DC e autosincronização, sendo mais crítico no NRZ-L; Sensível à mudanças bruscas de polaridades. NRZ-I (NRZ-Inverted): ● ● A mudança ou a falta da mudança determina o valor do bit; Método apresenta problema de afastamento da referência inicial, componentes DC e autosincronização; 1. Conversão digital-digital 1.2 Esquema unipolar ● NRZ-L (Non-Return to Zero-L) ● Aplicado na norma RS-232: ● ● ● Utilizado na comunicação serial entre interfaces de switches e demais dispositivos Interface serial, ponto a ponto (2 nós), de baixa velocidade (até 115 kbps) Criado no final dos anos 1950, para interligar modems à terminais de mainframes 1. Conversão digital-digital 1.3 Esquema polar ● NRZ-L e NRZ-I 1. Conversão digital-digital 1.3 Esquema polar ● RZ (Return to Zero): ● Elimina o problema de autosincronização das codificações NRZ, pois receptor pode não saber o momento de início/término de um bit; ● Bit “do meio” retorna para zero ● Apresenta três valores: positivo, negativo, zero ● Desvantagens: ● ● ● requer 1 mudanças de nível para transmitir 1 bit → ocupa maior largura de banda; inversão de polaridade; Complexidade: utiliza 3 níveis de tensão 1. Conversão digital-digital 1.3 Esquema polar ● RZ (Return to Zero): 1. Conversão digital-digital 1.3 Esquema polar ● Manchester: ● Combinação do método RZ e NRZ-L; ● Regra de conversão: ● ● ● Tensão permanece em um nível na primeira metade do bit: positivo para bit 0, negativo para bit 1; Há deslocamento da tensão na segunda metade. Aplicado em redes ethernet 10BASE-T 1. Conversão digital-digital 1.3 Esquema polar ● Manchester diferencial: ● Combinação do método RZ e NRZ-I; ● Regra de conversão: ● ● ● ● Se o próximo bit é 1: 1ª metade é igual a 2ª metade do sinal anterior (sem inversão de sinal); Se o próximo bit é 0: 1ª metade é diferente da 2ª metade do sinal anterior (há inversão de sinal); 2ª metade do sinal é alterada (deslocamento da tensão na segunda metade). Aplicado em redes Token Ring (padrão IEEE 802.5), e armazenamentos magnético e ótico. 1. Conversão digital-digital 1.3 Esquema polar ● Manchester e Manchester Diferencial: 1. Conversão digital-digital 1.4 Esquema bipolar ● AMI (Alternated Mark Inversion) e Pseudoternário: ● ● ● ● ● Tentativa de resolver os problemas inerentes das codificações NRZ AMI: Os 1s binários são representados alternando-se voltagens positivas e negativas. Pseudoternário: Os 0s binários são representados alternando-se voltagens positivas e negativas. Apresenta problema de sincronização com longa sequência de 0s. Aplicado em transmissões de longa distância. 1. Conversão digital-digital 1.4 Esquema bipolar ● AMI e pseudoternário: 1. Conversão digital-digital 1.5 Esquema multinível ● ● Em métodos multiníveis do tipo mBnL, mBnL um padrão de m elementos é codificado como um m n padrão de n elementos de sinal, em que 2 ⩽L Necessidade: aumentar a velocidade de dados e diminuir a largura de banda. Aumentar o número de bits por baud. 1. Conversão digital-digital 1.5 Esquema multinível ● 2B1Q (2 bits, 1 quaternário): ● Padrão de dados de tamanho 2 (m=2) ● Apenas 1 elemento de sinal (n=1) ● ● Sinal de quarto níveis (L=4), também representado por letra (Q = quaternário) Utilizado na tecnolodia DSL (Digital Subscriber Line), ao qual foi umas das primeiras iniciativas em incrementar a velocidade de Internet. 1. Conversão digital-digital 1.5 Esquema multinível ● 2B1Q (2 bits, 1 quaternário): ● Regra de formação: ● Verifica qual é a próxima sequência de bits: 00, 01, 10, 11? ● ● O último sinal foi positivo? ● ● Utiliza a respectiva linha da tabela de transição Aplica valor de tensão da 2ª coluna da tabela de transição. O último sinal foi negativo? ● Aplica os valor de tensão da 3ª coluna da tabela de transição. 1. Conversão digital-digital 1.5 Esquema multinível ● 2B1Q (2 bits, 1 quaternário): 1. Conversão digital-digital 1.5 Esquema multinível ● 8B6T (8 bits, 6 ternário): ● Padrão de dados de tamanho 8 (m=8) ● 6 elementos de sinal (n=6) ● ● ● Sinal de três níveis (L=3), também representado por letra (T = ternário) Utilizado na tecnologia de cabemaneto 100BASE-4T A codificação 8B6T utiliza métrica de pesos (somatório dos sinais de tensão), para garantir equilíbrio das componentes DC. 1. Conversão digital-digital 1.5 Esquema multinível 8B6T (8 bits, 6 ternário): ● ● ● ● ● No primeiro padrão, sequência 00010001 é representado por -0-0++ (peso = 0) No 2º padrão, sequência 01010011 é representado por -+-++0 (peso=1) No 3º padrão, sequência 01010000 é representado por +--+0+ (peso=1) Se um peso repetir, o sinal real é invertido. 1. Conversão digital-digital 1.5 Esquema multinível ● 4D-PAM5: modulação de amplitude de pulso com cinco níveis e quatro dimensões: ● ● ● 4D → dados enviados através de 4 fios ao mesmo tempo. 5 níveis de sinal (-2, -1, 0, +1, +2), sendo 0 apenas para detecção de erro. Assim, a conversão é do tipo 8B4Q: ● ● ● 8 bits (m=8) 4 elementos de sinal (n=4); 4 níveis de sinal (L=4 → Q); ● Em cada meio, taxa de transmissão chega a 250Mbps ● Técnica utilizada em transmissão LAN gigabit. 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) ● PCM: ● ● ● Técnica mais comum de modulação analógico-digital; Aplicado no armazenamento e tratamento de áudio (CD); Conversão PCM é composta por 3 etapas: ● ● ● Amostragem: Define uma série de valores de pulsos de amplitude entre o valor máximo e mínimo do sinal; Quantização: Determina o conjunto de amplitudes cujos os sinais amostrados serão categorizados (discretizados); Codificação: Modificação de cada amostra em uma palavra de códigos (fluxo de bits) de nb bits. 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) ● PCM: Componentes 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) ● PCM: Amostragem ● ● ● ● Relembrando: Ts = 1/fs (a) Amostragem ideal: Pulsos do sinal analógico são amostrados em Ts segundos; (b) Amostragem natural: Pulsos do sinal analógicos são amostrados após duração de uma chave de ativação; (c) Amostragem de topo de plano: Captura valor do sinal analógico da primeira captura da amostragem natural. 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) ● PCM: Amostragem 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) ● PCM: Taxa de amostragem ● Quantidade de amostras necessárias para representação de um sinal analógico. De acordo com o teorema de Nyquist, a taxa de amostragem deve ser pelo menos 2 vezes a frequência do sinal. 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) ● PCM: Taxa de amostragem (a) fs = 2f Ts = 1/2T (b) fs = 4f Ts = 1/4T (c) fs = 4/3f Ts = 3/4T fs = 4/3f 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) ● PCM: Quantização ● ● ● ● ● ● (a) Um sinal analógico original tem amplitudes instantâneas entre Vmin e Vmax; (b) Dividimos o intervalo em zonas L, cada uma delas com altura ∆=(Vmax-Vmin)/L (delta); (c) Atribuímos valores quantizados de 0 a (L-1) ao ponto médio de cada zona. (d) Aproximamos o valor da amplitude amostrada com os valores quantizados Considere o exemplo cujas amplitudes são -20V e +20V, e oito níveis de sinal (L=8) Considere os valores amostrados: -6,1, 7,5, 16,2, 19,7, 11, -5,5, -11,3, -9,4, -6 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) ● PCM: Quantização 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) ● PCM: Codificação ● ● ● O sinal contido em cada amostra é relacionado com uma sequência binária No exemplo anterior, o código de quantização 2 é codificado como 010, 5 como 101, etc. Taxa de bits = taxa de amostragem x número de bits por amostra T b =f s x nb 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) ● PCM: Codificação ● ● Exemplo: Para digitalizar a voz humana, qual é a taxa de bits, supondo-se 8 bits por amostra Normalmente, a voz humana contém frequências que vão de 0 a 4000Hz. Portanto, a taxa de amostragem e a taxa de bits são calculadas: f s=2. f =2 . 4000=8000 amostras / s T b =f s . nb =8000 . 8=64kbps 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) ● PCM: Recuperação do sinal ● Requer uso de um decodificador PCM ● Utiliza: ● ● ● (1) Circuitos eletrônicos para conversão dos pulsos em ondas quadradas. Em outras palavras, reconstrução das amostras. (2) Sinal digital é processado por um filtro passa-baixa para transformação em sinal analógico. Sinal será reconstruído se tiver sido amostrado conforme teorema de Nyquist. 2. Conversão analógico-digital 2.1. Pulse Code Modulation (PCM) ● PCM: Recuperação do sinal 2. Conversão analógico-digital 2.2. Modulação Delta (DM) ● DM ● ● ● Substituição da técnica PCM em razão da sua complexidade O PCM acha o valor da amplitude do sinal para cada amostra; a DM encontra a variação a partir da amostra anterior. Na modulação DM, um sinal auxiliar é criado para realizar comparações, consequentemente encontrar as varições do sinal anterior. 2. Conversão analógico-digital 2.2. Modulação Delta (DM) ● DM: Modulação ● Comparador que verifica se a variação entre sinal analógico e auxiliar é positivo: ● ● Comparador que verifica se a variação entre sinal analógico e auxiliar é negativo: ● ● Próximo bit é 1 e sinal auxiliar em escada é incrementado Próximo bit é 0 e sinal auxiliar em escada é decrementado Método reque uma unidade de retardo para geração do sinal auxiliar. 2. Conversão analógico-digital 2.2. Modulação Delta (DM) ● DM: Modulação 2. Conversão analógico-digital 2.2. Modulação Delta (DM) ● DM: Demodulação ● ● A partir dos sinais digitais que contém os valores binários e unidade de retardo, o sinal auxiliar em escada é reconstruído. Sinal auxiliar é submetido à um filtro passa-baixa para suavização do sinal analógico