William Stallings Data and Computer Communications 7 th Edition

1. William StallingsData and Computer Communications7th Edition Capítulo 5 Técnicas de Codificação do Sinal “Signal Encoding Techniques”

2. Técnicas de codificação • Dado digital, sinal digital • Dado analógico, sinal digital • Dado digital, sinal analógico • Dado analógico, sinal analógico

3. Dado Digital, Sinal Digital • Sinal Digital • Discreto, pulsos de tensão em valores pré-fixados • Cada pulso é um elemento (símbolo) dentro de um conjunto de chamado alfabeto da fonte • Dado binário é codificado nesses símbolos

4. Termos (1) • Unipolar • Todos os símbolos tem o mesmo “sinal” numérico • Polar • Um estado lógico representado por um pulso positivo e outro por pulso negativo • Taxa de dados • Taxa de transmissão em bits / segundo • Duração ou comprimento do bit • Tempo gasto para transmissão de um bit

5. Termos (2) • “Mark” e “Space” • Bits 1 e 0, respectivamente • Taxa de modulação • Taxa na qual o nível do sinal muda • Medida em “baud” = símbolos por segundo • Taxa de bits por segundo = baud multiplicada pelo número de bits por símbolo

6. Baud versus bit rate • A largura de faixa restringe o número de símbolos que se pode enviar por segundo (baud) • Por exemplo, o canal telefônico tem BW = 3100 Hz e permite por volta de 2400 baud • Tática para aumentar a taxa de bits: aumentar o número de bits / símbolo • Modem V.32, 9600 bps, obtidos usando 2400 baud com 4 bits/símbolo

7. Interpretando Sinaiss • Informação útil • Temporização dos bits – quando eles iniciam e terminam • Nívels do sinal (dos símbolos) • Fatores que afetam a correta interpretação (decodificação) dos sinais • Razão Sinal / Ruído (Signal to noise ratio) • Taxa de dados • Largura de faixa (Bandwidth)

8. Comparação de esquemas de codificação(1) • Espectro do sinal • Ausência de freqüências altas reduz a largura de faixa • Ausência de componente DC (freq. zero) permite “acoplamento AC” via transformador, permitindo isolamento • Concentração de potência no meio da largura de faixa • Clocking • Sincronismo do transmissor e receptor • Clock externo • Mecanismo de Sync baseado no próprio sinal

9. Comparação de esquemas de codificação (2) • Detecção de erro • Pode ser incorporada ao próprio sinal codificado • Imunidade à interferência e rúido • Alguns códigos (esquemas) são melhores que os outros • Custo e complexidade • Taxa de sinal mais alta (e, consequentemente, taxa de bits mais alta) implica em aumento de custo • Alguns códigos requerem taxa de sinal mais alta que a de bits

10. Esquemas de codificação • Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L) • Nonreturn to Zero Inverted (NRZI) • Bipolar –AMI (alternate mark inversion) • Pseudoternary • Manchester • Differential Manchester • B8ZS • HDB3

11. Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L) • Duas diferentes voltagens para os bits 0 e 1 • Voltagem constante durante intervalo do bit • Sem transição, ou seja, não retorna para voltagem 0 • Por exemplo: 0 Volts pra bit 0 e +5 Volts pra bit 1 • Geralmente usa-se voltagem negativa para um bit e positiva para o outro

12. Nonreturn to Zero Inverted • Transição (nível baixo para alto ou alto para baixo) corresponde ao bit 1 • Sem transição corresponde ao bit 0 • Um exemplo de “codificação diferencial” • Pulso de tensão constante para cada bit • Informação contida na existência ou não de transição

13. NRZ

14. Codificação diferencial • Informação é representada por mudanças ao invés de níveis • É mais fácil (robusto) detectar transição do que nível • Mas não é “perfeita”, pois pode-se perder a polaridade do sinal

15. NRZ pros e cons • Pros • Fácil de se trabalhar • Faz bom uso da largura de faixa • Cons • Apresenta componente DC • Não provê facilidades para sincronismo • Usada para gravação em mídia magnética • Geralmente não usada para transmissão de sinais

16. Binária multi-nível - Multilevel Binary • Usa mais do que 2 níveis • Bipolar-AMI • Bit zero representado pela ausência de tensão na linha • Bit 1 representado por pulsos positivos ou negativos • Pulsos do bit 1 são alternados em polaridade • Melhora o sincronismo se aparece uma longa strig de 1’s (zero’s ainda são problema) • Não apresenta componente DC • Largura de faixa melhor • Fácil detecção de erro

17. Pseudoternary • Bit 1 representado pela ausência de sinal na linha • Zero representado pela alternância de pulsos positivos e negativos • Equivalente ao bipolar-AMI

18. Bipolar-AMI e Pseudoternary

19. Relações de compromisso no uso de binário multi-nível • Exemplo: 3 símbolos • Transmite log23 = 1.58 bits por símbolo • Receptor deve distinguir dentre 3 níveis, exemplo: (+A, -A, 0) • Requer aproximadamente 3dB a mais de potência do sinal para a mesma probabilidade de erro

20. Biphase • Manchester • Transição no meio de cada período de bit • Transição serve como clock (sincronismo) e dado (informação) • Baixo pra alto representa 1 • Alto pra baixo representa 0 • Usado no padrão Ethernet IEEE 802.3 • Differential Manchester • Transição no início do bit representa 0 • Não haver transição no início do bit representa 1 • Esse é um padrão “diferencial” • Usado no padrão Token-Ring IEEE 802.5

21. Codificação Manchester

22. Codificação Manchester Diferencial

23. Biphase Pros e Cons • Con • A taxa de modulação é duas vezes a do NRZ • Requer mais largura de faixa • Pros • Sincronização na transição no meio do bit (self clocking) • Não há componente DC • Detecção de erro • Ausência da transição esperada

24. Taxa de modulação

25. Embaralhamento (Scrambling) • Usa-se scrambling para evitar sequencias que iriam gerar tensões constantes • Sequencia de “filling” (recheio) • Deve produzir transições suficientes para manter sync • Deve ser reconhecida pelo receptor e reconvertida para a original • Deve ter o mesmo comprimento da original • Evitar componente DC • Evitar longas sequencias de nível zero na linha • Não reduzir a taxa de bit • Incluir capacidade para detecção de erro

26. B8ZS • Bipolar com substituição de 8 zeros • Baseado no bipolar-AMI • Se um octeto com apenas zeros aparecer, e o último pulso de tensão foi positivo, codifique como 000+-0-+ • Se um octeto com apenas zeros aparecer, e o último pulso de tensão foi negativo, codifique como 000-+0+- • Causa 2 violações ao código AMI • Improvável de ocorrer devido ao ruído • Receptor detecta e interpreta como 8 zeros

27. Uso prático • The number of consecutive zeros that can be tolerated in user data depends on the data rate, i.e. , the level of the line code in the T-carrier  hierarchy. The North American T1 line code (1.544 Mb/s) does not use bipolar violations. The European T1 line code  (2.048 Mb/s) may use bipolar violations when 8 or more consecutive zeros are present. This line code is called bipolar with eight-zero substitution (B8ZS ) . (In all levels of the European T-carrier  hierarchy, the patterns of bipolar violations that are used differ from those used in the North American hierarchy.) At the North American T2 rate (6.312 Mb/s), bipolar violations are inserted if 6 or more consecutive zeros occur. This line code is called bipolar with six-zero substitution (B6ZS ). At the North American T3 rate (44.736 Mb/s), bipolar violations are inserted if 3 or more consecutive zeros occur. This line code is called "bipolar with three-zero substitution" (B3ZS ).

28. HDB3 • High Density Bipolar 3 Zeros • Baseado no bipolar-AMI • String de 4 zeros é substituída com 1 ou 2 pulsos

29. B8ZS and HDB3

30. Dado Digital, Sinal Analógico • Sistema público de telefonia • Largura de faixa: 300Hz a 3400Hz • Use modem (modulator-demodulator) • Modulações: • Amplitude shift keying (ASK) • Frequency shift keying (FSK) • Phase shift keying (PK)

31. Modem versus driver de linha • Driver de linha apenas aplica um “código de linha”, como HDB3, etc. • Modem é diferente:

32. Modulation Techniques

33. Amplitude Shift Keying • Informação representada por diferentes amplitudes • Usualmente, uma amplitude é zero • Ou seja, usa-se presença e ausência da portadora • Susceptível a mudanças bruscas no ganho • Ineficiente • Até 1,2 kbps em linhas telefonicas “voice grade” • Usado em fibra óptica

34. Frequency Shift Keying • Forma mais comum é o binary FSK (BFSK) • 2 valores binários representados por 2 frequencias diferentes (próximas à da portadora) • Mais robusto a erros do que ASL • Até 1,2 kbps em linhas telefonicas “voice grade” • Rádio de alta frequencia • Usado em LANs com cabo coaxial

35. Multiple FSK • Usa mais do que 2 frequencias • Mais eficiente em termos de largura de faixa • Menos robusto a erros • Cada símbolo representa mais de 1 bit

36. FSK em linhas telefonicas (Voice Grade Line)

37. Phase Shift Keying • Informação é representada pela fase do sinal • Binary PSK • Duas fases representam 2 dígitos binários • Differential PSK • Fase é deslocada em relação a um valor anterior, e não em relação a algum sinal de referência

38. Modulação em fase

39. Differential PSK

40. Síntese

41. Quadrature PSK • Cada símbolo representa mais de 1 bit • Informação codificada em deslocamentos de fase de /2 (90o) • Pode-se usar diferentes ângulos (fase) e mais de uma amplitude • Modem 9600bps usa 12 angles , dos quais quatro têm duas possíveis amplitudes • Offset QPSK (orthogonal QPSK) • Esquema moderno

42. Moduladores QPSK e OQPSK

43. Exemplos de formas de onda da QPSK e OQPSK

44. Performance de esquemas de modulação • Bandwidth • ASK e PSK bandwidth diretamente relacionada à taxa de bits • FSK é mais complicada • Na presença de ruído, bit error rate (BER) de PSK e QPSK são 3dB superior a ASM e FSK

45. BER (bit error rate) por SNR

46. Quadrature Amplitude Modulation • QAM é uma técnica moderna usada em modems asymmetric digital subscriber line (ADSL) e alguns sistemas wireless • Combina ASK e PSK • Envia 2 sinais digitais usando uma mesma portadora • Uma cópia da portadora é deslocada de 90° • Cada portadora é modulada com ASK

47. Constelações do QAM

48. Constelação do QAM

49. Modulador QAM

50. Modems comerciais