1. Conversão digital-digital 1.1 Codificação

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