R d d C t d Redes de Computadores

Introdução ç Insttituto d de Info ormátic ca - UF FRGS

R d de Redes d Computadores C t d

Informações (digitais ou analógicas) podem ser codificadas tanto em sinais analógicos como em sinais digitais.





Codificação de dados



Aula 4



bits Fonte da informação

A. Carissimi -10-abr-17

Institu uto de Informática - U UFRGS



Dados D d di digitais, it i sinais i i di digitais it i Dados digitais, sinais analógicos Dados analógicos analógicos, sinais digitais Dados analógicos, sinais analógicos (fora do contexto da disciplina)

Codificação de fonte

•Dados •Imagem áudio •áudio

•jpeg (imagem) •mpeg (imagem+áudio) •PCM PCM (voz) ( ) •ASC II, XML... (dados)

bits Codificação de canal

baud (pulso) Transmissão

•Banda base •Modulação

•digital •analógica

2

Redes de Computadores

Dados digitais, g , sinais digitais g



 

Gerar um espectro de frequências mais adequado para a transmissão no meio físico → impacta na banda passante



  

Eliminação de componente DC Sincronização (recuperação de relógio) Detecção de erros (rudimentar) Elemento de sinalização (baud)

Que símbolo se q coloca aqui?

t Taxa de símbolos ou taxa de baud Redes de Computadores

3

1

Níveis de sinais

Unipolar: um nível de voltagem para representar dado (0 e +V) P l dois Polar: d i níveis í i de d voltagem lt para representar t dados d d ((-V V e +V) V) Bipolar: três níveis de voltagem para representar dados (-V, 0 e +V)

Pontos a serem considerados





2 níveis de dados (bit 0 e bit 1)

Esquema de codificação de linha






Codificação em banda base Objetivo:




Eliminação ç de componente p DC

0

1

1

0

1

1

Com componente DC (em média (e éd a noo infinito) o)

0

1

1

Codificação NRZ (Non Return to Zero)

0

1

Sem componente DC (em média no infinito) Domínio frequência

f Redes de Computadores

f

4

Sincronização ç

Estratégias g ppara sincronização ç

Relógios do emissor e receptor devem estar sincronizados







Amostragem no meio do tempo de bit

 

Caso I: Relógios sincronizados Δts = Δtr



0

Meio físico

1

0

1



R Receptor t

Δtr

1

0

1

1

0 0

Receptor

Caso II: Relógios não sincronizados Δts > Δtr Caso III: Relógios não sincronizados Δts < Δtr

Δtr

EVITAR que duas amostragem façam referências ao mesmo símbolo (ou que percam um símbolo)

D d Dados

B d (tempo Baud (t d bit) de

Bit 0 Codificação Manchester Bit 1 6

Prós e contras

NRZ-L

•Bit 0: pulso positivo (+V) •Bit 1: pulso negativo (-V)

• ver NRZ-I

NRZ-I (diferencial)

•Bit 0: ausência de transição no início do tempo de bit •Bit 1: presença de transição no início do tempo de bit

•Simplicidade •11 bit por baud •Perda de sincronismo (longas sequências) •Presença de componente DC residual •Sem detecção de erro

M h t Manchester

•Bit Bit 0: 0 transição t i ã nível í l alto lt ao nível í l bbaixo i •Bit 1: transição nível baixo ao nível alto

•Ausência A ê i de d componente t DC •Oferece sincronização •Permite detecção de erro •1 bit necessita dois elementos sinalização

Manchester diferencial

•Bit 0: transição nível no inicio do tempo de bit •Bit 1: sem transição no inicio do tempo de bit (há sempre transição no meio do tempo de bit)

•Ver Manchester

Pseudo ternário Pseudo-ternário

•Bit 0: Pulso positivo/negativo (alternado) •Bit 1: ausência de sinal (0 V)

•Ausência de componente DC •Problema de sincronização para longas sequências de bits em um (ou zero se AMI) •Permite detecção de erros •Reconhecer 3 níveis ( +V, +V 0, 0 -V) V)

AMI

•Bit 0: ausência de sinal (0 V) •Bit 1: Pulso positivo/negativo (alternado)

•Ver Pseudo-ternário


XOR

Relógio

Códigos g diferenciais ppseudoternário e bipolar p AMI 

Empregam 3 níveis (-V, 0, +V)  



7

Pseudoternário: bits em 0 corresponde a -V e +V alternadamente, bit em 1 é 0 AMI bits AMI: bit em 1 corresponde d a -V V e +V V alternadamente, lt d t bit em 0 é 0

Características 




Regra de codificação

Assíncrona: usar uma marca de inicio de dados para sinalizar o receptor do “inicio do tempo” e transmitir um conjunto de bits (ex. RS-232)  Em quantidade para que desvios de relógios não se acumulem Síncrono: “embutir” um sinal de relógio junto aos dados


Alguns g métodos de codificação ç de linha ((banda base)) Método



5


Custo: necessário dois fios (um para os dados, outro para o relógio) Si l dde relógio Sinal ló i sofre f atrasos, t atenuações t õ e iinterferências t f ê i Usando em barramentos de computadores, não para comunicação de dados

Estratégias possíveis 


1

1



 A. Carissimi -10-abr-17

1

1

Δts A. Carissimi -10-abr-17


0

0


1

T Transmissor i 1

Empregar um fio a parte para enviar o sinal de relógio



Um canal de b bits emprega uma banda de 11.66 Hz/bit Introduzem transição em sequências de 1 (AMI) ou 0 (bipolar)  Auxilia sincronização ç ppara longas g sequencias q de 1s ((AMI)) OU de 0s (pseudoternário) Detecção de erro: não pode haver dois pulsos em -V ou +V consecutivos S componente t DC Sem


8

Em busca de algo g mais.... As codificações de banda base vistas ainda deixam a desejar em dois aspectos  

 

Embaralhamento (scrambling) e codificação em bloco Tentam de forma diferente:  Produzir transições para permitir sincronização  Eliminar (reduzir) componente DC  Permitir algum nível de detecção de erro






9

Substituir a sequência original por uma outra que evite longas sequências de zeros (ou uns) uns), permita sincronização, sincronização reduza DC e permita detecção de erro Não modificar o “tamanho” da sequência original Exemplos: p B8ZS,, HDB3

Codificação em blocos 




Scrambling 

Eficiência Efi iê i de d bbanda d passante t Detecção de erros

Novas técnicas 










Scramblingg e codificação ç em blocos

Substituir a sequência original por uma outra que evite sequências longas de zeros (ou uns), permita sincronização, reduza DC e permita detecção de erro Modificar o “tamanho” da sequência original (n bits) para m bits (m > n)  Seleciona combinações de 2m visando sincronização e detecção de erro  Emprega qualquer codificação de banda base

10


Exemplo p de scrambling: g B8ZS e HDB3

Exemplos p de codificação ç em blocos: 4B/5B e 8B/6T


11





4B/5B (Parcial) – sem combinação 3 zeros consecutivos

8B/6T (exemplo de um código)

28 (256) mapeados em 36 (729) -1

00011111


24 (16) mapeados em 25 (32)

+1

0

+1

-1

0 ((usa 6 fios para p transmissão paralela) 12

Modulação ç digital g ((keying) y g)

Dados digitais, g , sinais analógicos g Modulação é a codificação de dados com base em uma portadora

Bit 1 = A cos (2  fct ) Bit 0 = 0





Dados são representados por diferentes frequências (n) Bit 1= A cos (2  f1t ) Bit 0 =A cos (2  f2t )




Fase (n-PSK) 

Dados D d são representados d por diferentes fases (n) Bit 1 = Acos (2  f1t + ) Bit 0 = Acos (2  fct )


Quadratura de Amplitude Q p (Q (QAM)) 

Esquema genérico é denominado de n-PSK (n = número de fases) U elemento Um l t de d sinalização i li ã representa t log l 2 n bits bit Limitação de hardware para detectar diferentes fases próximas

Combinação de ASK e PSK 

Variação em amplitude e em fase 10

11

Caso especial: n=4 (quadratura de fase) 45, 135, 225 e 315 graus 10

S(t) =

Bit 11 = A cos (2  fct Bit 10 = A cos (2  fct Bit 00 = A cos (2  fct Bit 01 = A cos (2  fct


+ /4 ) + 3/4 ) + 5/4 ) + 7/4 )

Diagramas de constelação

00

11

01

15

101 00



01

4 fases, 2 amplitudes

011 100










Cada elemento de sinalização é caracterizado por uma fase própria 

Frequência (n FSK) (n-FSK)

14

Quadratura de fase (Q Q (QPSK))



Dados são representados por diferentes amplitudes (n)

13




Amplitude (n-ASK) 







Modulação digital (keying): dados digitais em sinais analógicos  Amplitude shift keying (n-ASK), (n ASK) Frequency shift keying (n-FSK), (n FSK) Phase shift keying (n-PSK), Quadrature Amplitude Modulation (QAM) Modulação analógica: conversão de um sinal analógico em outro sinal analógico de modo a transmiti-lo transmiti lo em um m meio passa-faixa passa fai a  Sinal de 0 a B Hz pode ser deslocado para S a S+B Hz







010

001

000 110 111

Possível definir várias amplitudes e fases (n-QAM) 

Exemplos: 16-QAM, 64-QAM, 128-QAM e 256-QAM


16

Dados analógicos, g , sinais digitais g Digitalização do sinal, i.é., conversão de um sinal analógico em digital  

Aplicação comum: rede de telefonia pública


17

Precisão de uma reprodução digital de um sinal analógico depende do número de amostras realizadas Teorema de Nyquist::

 A. Carissimi -10-abr-17






Inclui erro e/ou ruído Aproximação do sinal original, ou seja, é impossível de recuperar exatamente o sinal original 18

Converte dados binários em sinal analógico e vice-versa 

“Um sinal amostrado em intervalos regulares a uma taxa igual a duas vezes a da sua mais alta freqüência contém toda a informação do sinal original original”  Exemplo: Sinal de voz ocupa banda de 4 KHz (0–4KHz), o que implica em uma freqüência de amostragem de 8 KHz

Transmissão de dados através do laço local da rede de telefonia pública Interface analógica

U sinal Um i l com frequência f ê i x deve d ser amostrado d a cada d 1/(2x) 1/(2 ) segundos. d






Portanto, a taxa PAM deve ser duas vezes a frequência mais alta presente no sinal. 

Quantização do sinal

Estudo studo de caso: caso Modem ode linhaa ddiscada scada ((Modulador-demodulador) odu ado de odu ado )







Teorema de amostragem g de Nyquist yq 

Geração PCM


Conversão pode utilizar duas técnicas:  Pulse Code Modulation (PCM)  modulação delta




Quantização

Codec (coder (coder-decoder) decoder) 





Amostragem

Dado pode ser transmitido usando um tipo qualquer de codificação digital C Conversão ã do d sinal i l analógico ló i em seu equivalente i l t digital di it l ((uma técnica té i de d modulação)

19

Interface digital A. Carissimi -10-abr-17



Pulse u se Amplitude p tude Modulation odu at o ((PAM)) e Pulse u se Code Modulation odu at o ((PCM) C )

DTE: Data Terminal Equipment DCE: Data Communication Equipment


20

Banda ppassante da linha telefônica


300

3000

600

3300

Hz

2400 Hz (dados) 3000 Hz (voz)

2 bits por baud 4800 bps

21




Dados são compactados antes de transmitir Sistemas assimétricos


22

Tanenbaum, A.; Wethreall, D. Redes de Computadores (5a edição), Editora Pearson Education, 2011.



Carissimi, A.; Rochol, J; Granville, L.Z; Redes de Computadores. Série Livros Didáticos. Bookman 2009.

23



Capítulo 2 (2.5.1 (2 5 1 e 22.5.2) 5 2)

Capítulo 3 (3.2.2 a 3.2.4)





log 1.001 ) log 2 3 C  2.400   24.000 bps b 0,3 C  2.400  (

C Como então existem i modems d dde capacidade id d superior i a este lilimite? i ? 

7 bits por baud 6 bits + 1 bit correção 14400 bps Modem V32.bis





C  2.400  log 2 1  1.000 



128-QAM

(QAM+redundância) (QAM redundância)

S Supondo d S/N=30 S/N 30 dB e canall de d 2.400 2 400 kHz kH (3.000 (3 000 hz h – 600 hz) h )

S  C  B log 2 1   N 

32-QAM


Leituras adicionais

Linha telefônica apresenta uma limitação na sua capacidade máxima de transmissão (Shannon) 

5 bits por baud 4 bits + 1 bit correção ((código g Trellis)) 9600 bps Modem V32



Limitação ç de velocidade de transmissão 

64-QAM

16-QAM 16 QAM

Bordas são suscetíveis a distorções que são toleradas na transmissão de voz mas não para a transmissão de dados voz,  Solução: empregar uma faixa (banda) mais estreita





QPSK

Passa-banda 300Hz a 3300 Hz (banda passante 3000 Hz)




Diagramas g de constelação ç


24