Transmissão Digital e Analógica

Transmissão Digital e Analógica
Romildo Martins Bezerra
CEFET/BA
Redes de Computadores I
Introdução ............................................................................................ 2
Transmissão Digital ................................................................................. 2
Codificação de Linha............................................................................. 2
Codificação de Blocos ........................................................................... 4
Transmissão Digital de dados analógicos ..................................................... 5
Transmissão Analógica ............................................................................. 6
Transmissão Analógica de dados Digitais ..................................................... 6
Modems ............................................................................................ 9
Transmissão Analógica de Dados Analógicos ................................................. 9
Multiplexação ...................................................................................... 10
As notas de aulas são referências para estudo. Portanto não devem ser adotadas como material didático absoluto!
Versão 0.4 – 30/08/2008
Romildo Martins Bezerra
Introdução
Nesta unidade serão apresentadas técnicas de transmissão e multiplexação, além de padrões de
meios físicos, finalizando a camada física. Transmissão de dados é comumente classificada em dois modos:
Analógico e Digital. Formas de transmissão paralela e serial não serão tratadas nesta ocasião.
Transmissão Digital
A transmissão digital de dados representa um valor "instantâneo" de uma situação e não
representa um movimento contínuo comum de sinais analógicos.
Codificação de Linha
É a forma como o sinal elétrico irá representar a informação digital diretamente no par de fios
como diferenças discretas de voltagem (com um valor fixo para cada símbolo digital utilizado). Tal
informação digital é assim classificada como em banda básica e exemplos de códigos de linha são o NRZ,
AMI, Manchester, RZ, HDB-3, entre outros. Abaixo segue uma simples representação.
Codificação
de linha
Um conceito interessante é o não relacionamento entre os níveis de sinal e dados. A codificação
de linha não associa de forma única estes dois conceitos, conforme a figura abaixo.
Amplitude
a. Dois níveis de sinal,dois níveis de dados
tempo
Amplitude
tempo
b.Três níveis de sinal,três níveis de dados
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Romildo Martins Bezerra
Um problema comum da codificação de linha é a seqüência de
bits iguais consecutivos (1111111...). Imagine uma transmissão
síncrona com o transmissor e receptor utilizando relógios distintos.
Onde relógio do receptor está 0,1% mais rápido que o relógio do
transmissor. Quantos bits extras por segundo o receptor irá receber se
a comunicação acontece numa taxa de 1kbps? E a 1Mbps ?
A 1 Kbps:
1000 bits enviadosÎ1001 bits recebidosÎ1 bit extra
Calculando a velocidade (bps) da
transmissão
Um sinal possui dois níveis de
codificação de dados, com 1ms de
duração
de
pulso.
Vamos
determinar de bits por segundo:
F = (1 / T) = 1/ (1x10-3) = 1000Hz
A 1 Mbps:
1,000,000bits enviadosÎ1,001,000bits recebidosÎ1000bits extra
]
N°Bits por segundo = f * log 2 L =
1000 * log 2 2 = 1000bps
Uma das soluções para este problema é a auto-sincronização,
que consiste em ajustar os bits recebidos de acordo com o slot de
tempo do receptor, reduzindo erros de não sincronização de relógio.
Agora execute os mesmos cálculos
com quatro e oito níveis de
codificação. Observe a velocidade
de transmissão.
Como visto anteriormente, é necessário representar a informação digital com um padrão no meio
físico comum ao transmissor e receptor, daí a importância da codificação de linha. Existem várias técnicas
de codificação de linha que podem ser classificadas em:
•
Unipolar - A codificação unipolar utiliza somente um nível de tensão. È uma representação
simples, que pode-se colocar o 0v para o bit 0 um Vcc qualque para o Bit 1. Gera alguns
problemas devido a componente DC para uma seqüência de 1s ou 0s, além de preocupação
adicional com a sincronização da linha.
•
Polar - A codificação polar utiliza dois níveis de tensão (positivo e negativo). Existem
várias técnicas (NRZ, RZ, Manchester e Manchester Diferencial). A representação indicada
na figura xxx mostra uma representação polar utilizando a técnica Mancheter (utilizado no
standard IEEE 802.3 - Norma que define a rede Ethernet e o modo de acesso CSMA/CD). A
codificação Manchester Tipo de código de linha no qual o bit 0 é representado como uma
transição positiva (subida) no meio do intervalo de sinalização do bit. Com o bit 1 ocorre o
contrário, transição negativa (descida). Assim, comparado com o NRZ, facilita a
recuperação da informação digital pois o sinal Manchester apresenta transições a cada
ciclo do clock de referência. Um bom esquema de codificação do sinal digital incorpora um
relógio de sincronismo para o receptor.
Amplitude
Manchester
Diferencial
tempo
Presença de transição, início de bit
com tempo zero.
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Romildo Martins Bezerra
•
Bipolar – Utiliza três níveis de tensão: positivo, negativo e zero. Não será tratado na
disciplina. Os códigos mais comuns são o AMI e o BnZs. O AMI não resolve a questão da
sincronização de zeros. Para tal, utilizando codificação bipolar, utilize o BnZs.
•
Outros códigos:
2B1Q - (2 binário 1 quartenário) - sistema de codificação de linha usado em ISDN
no qual cada 2 bits é representado por um nível de tensão, com 4 níveis para
representar o total de símbolos. Não usa nível 0 volt. Utilizado no sistema digital
RDSI (Rede Digital de Serviços Integrados.
MLT-3, MuLTilevel-3, é um esquema de codificação que reduz a freqüência do sinal
transmitido. A amplitude do sinal varia entre três níveis de tensão, conseguindo-se
desta forma que a potência máxima do sinal transmitido seja deslocada para
valores de freqüência abaixo de 20 MHz. Num par entrançado o nível do sinal é
alto e a interferência eletromagnética é baixa quando se trabalha a baixas
freqüências.
o
o
Em sala, vimos a teoria do 2B1Q e criamos um código próprio, o 3B1Q! Pratiquem!
Codificação de Blocos
A codificação de blocos viabiliza um melhor desempenho na codificação e reduz a possibilidade de
erros na transmissão. A técnica é bem simples. Dado uma seqüência de bits, estes são selecionados
(divididos) a cada seqüência de m bits. Depois cada pedaço de m bits é substituída por outra seqüência de
n bits onde n ≠ m. Para ilustrar, observe a seqüência de dados abaixo que utilizará a codificação em
blocos 4B/5B.
1001010010010100
(2 bytes)
1001 0100 1001 0100
divisão (m=4)
10111 01010 10011 01010
substituição (n=5)
codificação de linha
Esta técnica simples garante redução de seqüências longas de 1s e 0s (ex: 111111111111 torna
111011110111101 utilizando 4B/5B) evitando problemas citados anteriormente. Reduz também o problema
de detecção de erros, visto que o receptor pode detectar um erro de transmissão.
A seguir a tabela completa do código 4B/5B.
Dados
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
Código
11110
01001
10100
10101
01010
01011
01110
01111
Dados
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
Código
10010
10011
10110
10111
11010
11011
11100
11101
Dados
Q (Quiet)
I (Idle)
H (Halt)
J (start delimiter)
K (start delimiter)
T (end delimiter)
S (Set)
R (Reset)
Código
00000
11111
00100
11000
10001
01101
11001
00111
Tabela 1 - Tabela do código 4B/5B
Apesar de trabalharmos com o 4B/5B existem diversos outros códigos como o 8B/10B ou 8B/6T.
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Romildo Martins Bezerra
Transmissão Digital de dados analógicos
Nem sempre a transmissão digital recebe sinais digitais como entrada. Um bom exemplo é a
codificação de áudio para uma transmissão digital, onde as técnicas utilizadas até aqui não se aplicam. A
escolha para a digitalização dos sinais é fruto da natural distorção numa transmissão a longa distância de
um sinal analógico que necessitará de algumas ampliações, e subseqüentes distorções intrínsecas a este
processo.
Como os sinais digitais estão menos propensos a ruídos e distorções (pense porque!) existindo
assim uma necessidade desta conversão analógico-digital. Mas como transformar um sinal analógico em um
sinal digital?
O processo de conversão denominado PCM (modulação por código de pulso), que consiste em
amostrar o sinal analógico e medi-lo (quantificá-lo). O processo de forma detalhada utiliza o PAM
(modulação por amplitude de pulso) de forma a coletar amostras em intervalos de tempo iguais e depois
quantifica-los, atribuindo valores inteiros a cada amostra obtida. Nota-se que esta quantificação gera
números inteiros (ou reais) que devem ser transformados em números binários de forma a ser utilizada na
transmissão digital. Todo este processo pode ser visto no diagrama abaixo.
Dados binários
Quantização
Dados analógico
Codificação
de linha
Quantização
de
dados
Codificação
binária
Sinal digital
PAM
Amostragem de dados
analógicos
Observe que algumas amostras possuem valores intermediários entre os níveis de quantização.
Esse é um erro inserido pelo processo de quantização, denominado de Erro de Quantização. Quanto maior
for o número de níveis de quantização, menor será esse erro. Este erro pode ser reduzido, mas não
eliminado. Para que o erro de quantização seja nulo, são necessários infinitos níveis de quantização (seria
necessário um sinal analógico). Mas aí cabe uma boa pergunta:
Em que freqüência os dados devem ser amostrados de forma que o sinal possa ser reconstituído?
(lembre dos desenhos feitos em sala!)
O teorema de Nyquist provou que utilizando PAM a taxa de amostragem deve ser pelo menos duas
vezes a maior que a freqüência do sinal original.
Qual é a taxa de amostragem de sinal cuja largura de banda vale 13kHz (1kHz a 14kHz)?
A taxa de amostragem deve ser, no mínimo, duas vezes a mais alta freqüência no sinal. Logo:
Taxa de amostragem = 2 × (14.000) = 28.000 amostras/segundo
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Romildo Martins Bezerra
Transmissão Analógica
Não é sempre recomendado trabalhar apenas com a transmissão digital, pois a largura de banda
para transmissão de um sinal digital é relativamente alta (veja domínios de freqüência e reflita sobre a
causa), e em alguns casos a criação de filtros torna-se muito custosa. Logo uma saída é transformar os
dados digitais em analógicos visando sua transmissão. Dentro deste contexto existem duas possibilidades:
técnicas para transmissão de dados digitais e técnicas para transmissão de dados analógicos. Em ambos os
casos são utilizadas técnicas de modulação.
Modulação é o processo na qual a informação é adicionada a ondas eletromagnéticas. É assim que
qualquer tipo de informação (digital ou analógica), até a voz humana ou transação de dados numa
aplicação interativa é transmitida numa onda eletromagnética. O transmissor adiciona a informação numa
onda básica de tal forma que poderá ser recuperada na outra parte através de um processo reverso
chamado demodulação.
Transmissão Analógica de dados Digitais
A modulação digital é o processo que possibilita alteração de característica(s) de um sinal
analógico de acordo com a informação digital a ser transmitida. De forma geral, tais características são:
amplitude, fase e freqüência. A seguir serão apresentadas as técnicas ASK (amplitude), FSK (freqüência) e
PSK (fase) que são utilizadas para transmissão analógica de dados digitais. Na página seguinte estas
técnicas são ilustradas.
Um bom exercício de pesquisa é encontrar as vantagens e desvantagens de cada uma das técnicas.
Amplitude
Taxa de transmissão: 5
Taxa de modulação: 5
Tempo
Amplitude
Taxa de transmissão = 5
Taxa de modulação = 5
Tempo
Taxa de transmissão = 5
Frequency Shift Keying
Uso da alteração na freqüência do sinal para a
transmissão
de
dados.
Basicamente,
na
transmissão de um bit 1 se transmite uma
portadora numa determinada freqüência e a
transmissão do bit 0 se transmite uma portadora
em outra freqüência.
Taxa de modulação = 5
Temp
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Amplitude Shift Keying
Uso da alteração na amplitude do sinal para a
transmissão de dados. Basicamente, a transmissão
do bit 1 se dá pela transmissão da portadora e a
transmissão do bit 0 se dá pela redução da
amplitude da portadora. Aplica-se tal técnica em
modems, pois sinais digitais precisam ser
condicionados caso contrário serão distorcidos na
linha de transmissão, o que acarretará em perda.
Nos modems atuais, entretanto, utilizam-se
técnicas de modulação mais avançadas que o ASK,
obtendo assim taxas de transmissão maiores.
Phase Shift Keying
Uso da alteração na fase do sinal para a
transmissão
de
dados
Basicamente,
na
transmissão de um bit 1 se transmite uma
portadora numa determinada fase e a transmissão
do bit 0 se transmite uma portadora em outra
fase. Ao lado você vê o 2-PSK.
Romildo Martins Bezerra
A técnica PSK acima utiliza apenas duas fases 0o (para o bit 0) e 180º para o bit 1. Contudo,
podemos utilizar mais fases visando aperfeiçoar a transmissão. Observe o gráfico abaixo.
Amplitude
Taxa de transmissão = 5
Taxa de modulação = 5
Note que neste gráfico são utilizadas quatro
fases distintas:
Tempo
Fase
0o
90º
180º
270o
Bits
00
01
10
11
Este método é conhecido como 4-PSK. Representando dois bits (Dibit).
Visando aumentar mais a transmissão de bits por segundo, criou a técnica QAM (Quadrature
Amplitude Modulation). Técnica para codificar dados digitais em um sinal analógico através de modulação
em que duas componentes diferentes são combinadas em um único sinal através de modulação ortogonal
destas duas componentes, evitando assim a interferência. Daí o termo "quadratura".
A técnica empregada consiste na combinação da modulação por amplitude (AM) com modulação
por fase (PSK) para criar uma constelação de pontos de sinal, cada qual representando uma combinação
exclusiva de bits. Utilizada em TV digital e outros sistemas que necessitam de alta taxa de transferência
de informação. Na imagem abaixo vejam o domínio do tempo ára o sinal 8-QAM, com tx de transmissão de
24 e tx de modulação de 8.
Amplitude
Taxa de transmissão =
Taxa de modulação =
Tempo
A seguir as constelações de 4-QAM e 8-QAM.
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Romildo Martins Bezerra
1 Amplitude,4 fases
2 amplitudes,4 fases
Note que existem diversas combinações possíveis para criar uma constelação, cada uma com sua
particularidade em relação a outra, mas de forma geral a QAM possui menos interferência à ruídos que a
ASK e melhor utilização de banda que a PSK.
Perguntas para pensar!
•
•
Porque é recomendado que o número de fases seja maior que o de amplitudes?
Represente 011010000100 utilizando 8-QAM.
3 Amplitudes, 12 Fases
4 Amplitudes, 8 Fases
2 Amplitudes, 8 Fases
Tabela com as modulações apresentadas.
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Modulação
Unidades
Bits/Baud
Baud rate
Bit Rate
ASK, FSK, 2-PSK
4-PSK, 4-QAM
8-PSK, 8-QAM
16-QAM
32-QAM
64-QAM
128-QAM
256-QAM
Bit
Dibit
Tribit
Quadbit
Pentabit
Hexabit
Septabit
Octabit
1
2
3
4
5
6
7
8
N
N
N
N
N
N
N
N
N
2N
3N
4N
5N
6N
7N
8N
Romildo Martins Bezerra
Modems
É um dispositivo eletrônico que modula um sinal digital em uma onda analógica, pronta a ser
transmitida pelo meio e que demodula o sinal analógico, convertendo o sinal digital original Quando o
sinal é recebido, um outro modem reverte o processo (chamado demodulação). Ambos os modems devem
estar trabalhando de acordo com os mesmos padrões (olhem a importância dos padrões!).
A linha telefônica no brasil trabalha com uma largura de banda entre 300Hz e 3400Hz, diferente
de outros países que o freqüência máxima é 3300Hz. Em ambos os casos a largura de banda para dados é
de 2400Hz. Abaixo segue um gráfico com indicações.
Usada para voz
Usada p/ dados
2400Hz para dado
3000Hz para voz
Em sala veremos os padrões V.32, V.32bis, V.34bis, V.90 e V.92.
Transmissão Analógica de Dados Analógicos
Ao transmitir sinais analógicos em meios analágicos é claro que vem em mente a possibilidade de
por o sinal em um meio físico. Vamos imaginar uma emissora FM que atinge tranquilamente a distância de
50Km de raio. A programação musical seria transmitidida de forma audível com uma potência elevadíssima
para atingir toda a cidade. Certamente os ambientalistas (e todos nós!) não suportariam a poluição sonora
gerada.
A modulação analógica de dados analógicos consiste em combinar sinais de forma a permitir que a
transmissão no meio físico seja mais eficiente. Como visto na transmissão digital, aqui também podemos
utilizar amplitude (AM), fase (PM) e freqüência (FM). Neste contexto apresentaremos apenas as técnicas
AM e FM.
Modulação em Amplitude ou simplesmente AM (do inglês Amplitude Modulation - Amplitude
Modulada), é a forma de modulação em que a amplitude de um sinal senoidal, chamado portadora, varia
em função do sinal de interesse, que é o sinal modulador. A frequência e a fase da portadora são mantidas
constantes. Matematicamente, é uma aplicação direta da propriedade de deslocamentos em frequências
da transformada de Fourier.
A modulação por amplitude, devido a uma série de limitações, principalmente a questão do ruído,
estava fadada ao desuso, hoje porém, devido ao avanço dos sinais digitais está voltando como forma de
modulação. A seguir uma figura ilustrando a modulação AM.
Já a FM (Frequency Modulation) corresponde a uma técnica de modulação de sinais que consiste
no deslocamento da frequência original do sinal a ser transmitido através da variação da frequência da
portadora, sendo esta variação proporcional ao sinal a ser transmitido.
Para Pensar!
Desenhe a representação da modulação FM!
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Romildo Martins Bezerra
informação
portadora
sinal AM
Multiplexação
Técnica que codifica as informações de duas ou mais fontes de dados em um único canal.
Utilizadas em situações onde o custo de implementação de canais separados para cada fonte de dados é
maior que o custo e a inconveniência de utilizar as funções de multiplexação/demultiplexação.
Abordaremos três técnicas em sala de aula:
• FDM – (Multiplexação por divisão na freqüência) Técnica utilizada para transmissão de
vários canais de comunicação em um mesmo meio físico, onde cada canal utiliza uma faixa
de frequências.
• TDM – (Multiplexação por divisão no tempo) Técnica utilizada para permitir a existência de
vários canais de comunicação em um mesmo meio de transmissão. Para uma dada taxa de
transmissão em bit/s são alocados slots no tempo para cada canal de comunicação.
• WDM – (Multiplexação por divisão no comprimento de onda) Sistema de canalização em
freqüências (comprimentos de onda) óticas que permite a implantação de mais de uma
portadora óptica em um enlace de fibra óptica. O WDM está associado a um sistema com
poucas portadoras (<5), enquanto o DWDM é o termo empregado para um sistema com
muitas portadoras.
Multiplexação FDM
10 y