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II-3Transmissão em banda base
ISEL - DEETC -Comunicações �
banda base
Comunicações(21 de Maio de 2009)
Sumário1. Transmissão em banda base2. Códigos de linha
1. NRZ - Nível e Diferencial 2. RZ 3. Bifásicos4. Aplicações
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�
4. Aplicações3. Interferência Intersimbólica 4. Diagrama de olho5. Formatação de pulso6. Receptor7. Exercícios
1. Transmissão digital em banda base
� Banda base - o meio de transmissão admite componentes de frequência em torno de 0 Hz
� Uso de códigos de linha (ondas “quadradas”)� Tipicamente, utilizada em curta distância
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�
2. Códigos de linha: características
� Codificação de linha (line coding) consiste no uso
de pulsos eléctricos para codificar os bits 1 e 0
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�
� Estes pulsos são colocados directamente no meio
de transmissão
� Tipicamente são “ondas quadradas”
2. Códigos de linha: características
� Espectro dos dados codificados adaptado à resposta em frequência do canal de transmissão
� Dados com informação de temporização combinada
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�
combinada� Necessidade de transições (evitar perda de
sincronismo)� Clock embebido no código
� Vulnerabilidade ao ruído, interferências e interferência inter-símbólica
2. Códigos de linha NRZ e RZ• NRZ – Non-Return to Zero, não retorna a zero dentro do tempo de bit• RZ – Return to Zero, retorna a zero dentro do tempo de bit
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�
2. NRZ-Unipolar� A componente DC (valor médio) não é nula; é
directamente proporcional do número de bits 1 na
mensagen
O meio de transmissão não pode bloquear a
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�
� O meio de transmissão não pode bloquear a
componente DC (frequência 0 Hz)
� Codificação Transistor-Transistor Logic (TTL)
2. NRZ-Bipolar ou NRZ-Polar� A componente DC (valor médio) é nula quando
temos igual número de bits 1 e 0 na mensagem
� Melhor desempenho do que o NRZ Unipolar� Bipolar ou Polar são designações equivalentes
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�
� Bipolar ou Polar são designações equivalentes
2. NRZ-Level (Unipolar e Bipolar)� Formato básico (“níveis TTL”);
� Transmissão a curta distância com eficiência de 100%
� Necessita de sinal de “clock” em separado
� Problemas:
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� Problemas:
� perda de sincronismo para longas sequências do mesmo bit
� inversão dos níveis (troca dos fios) resulta na descodificação
errada de todos os símbolos
� Solução: NRZ diferencial
2. NRZ-Diferencial� Os bits são codificados com alternância de nível
no início do tempo de bit (transições), em vez de valores de amplitude absolutos; pode ser unipolar ou bipolar
� NRZ-M (Mark)
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�
� NRZ-M (Mark)
� Mudança de nível no início de tempo de bit para o bit 1
� Mantém o nível, caso o bit seja 0
� NRZ-S (Space)
� Mudança de nível no início de tempo de bit para o bit 0
� Mantém o nível, caso o bit seja 1
2. NRZ-Level e NRZ-Diferencial� Perda de sincronismo em longas sequências:
� Do mesmo bit em NRZ Unipolar e NRZ Bipolar� Longa sequência de zeros em NRZ-M� Longa sequência de uns em NRZ-S
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��
� Para não perder sincronismo, é necessária a existência de transições:� linha paralela (extra) de clock� códigos RZ–Return to Zero � códigos bifásicos
2. Códigos RZ e Bifásicos• Código RZ tem mais transições do que NRZ• AMI – Alternate Mark Inversion tende para valor médio nulo• Manchester – tem valor médio nulo
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��
2. Código Manchester• Manchester – tem sempre valor médio nulo• Transição a meio do tempo de bit
• Maior largura de banda do que os outros códigos
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��http://en.wikipedia.org/wiki/Manchester_code
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��
Códigos comuns
Códigos comuns
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��
2. Código 2B1Q (4 níveis)• Utilizado na codificação de linha da RDIS-Rede Digital de Integração de Serviços ou ISDN-Integrated Services Digital Network
• Por cada tempo de símbolo, codifica 2 bits
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��
Dibit Signal level
10 +450 mV 3 V
11 +150 mV 1 V
01 −150 mV -1 V
00 −450 mV -3 V
• Por cada tempo de símbolo, codifica 2 bits
2. Largura de banda
0.75
1 PNRZ
PRZ
UNRZ
Manchester
BNRZ
PNRZ
Manchester
BNRZ
Den
sida
de E
spec
tral
de
Pot
ênci
a
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��
0
0.25
0.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
PRZ
Den
sida
de E
spec
tral
de
Pot
ênci
a
UNRZ
f /Rb
2. Aplicações (resumo)
Código Aplicação
NRZ Unipolar Níveis TTL
NRZ Bipolar (Polar) Interface RS-232
NRZI (NRZ-M / NRZ-S) Comunicação USB
Manchester Norma Redes Locais IEEE 802.3 Ethernet
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��
Manchester Norma Redes Locais IEEE 802.3 Ethernet
Manchester Diferencial Norma Redes Locais IEEE 802.5 Token-Ring
USB usa bit stuffing: bit ‘0’ extra é inserido a cada 6 bit ‘1’ consecutivos
CAN - Controller Area Network - balanced (differential) 2-wire interface running over either a Shielded Twisted Pair (STP), Un-shielded Twisted Pair (UTP).The Bit Encoding NRZ (with bit-stuffing) for data communication on a differential two wire bus
http://www.interfacebus.com/Design_Connector_CAN.ht ml#b
3. ISI – InterSymbolic Interference• Modelo de canal AWGN com filtragem passa-baixo
• AWGN – additive white Gaussian noise
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�
3. ISI – InterSymbolic Interference• Causada pela limitação da largura de banda do meio de transmissão
• O meio actua como um filtro (tipicamente) passa-baixo
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�
• Truncatura das componentes de frequência
• Expansão do sinal no domínio do tempo
3. ISI – InterSymbolic InterferenceDefinição de ISI:
As transições instantâneas dos códigos de linha transformam-se em variações lentas que interferem com os símbolos adjacentes
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��
Assim, os níveis de tensão de um símbolo interferem nos restantes
3. ISI – InterSymbolic Interference
Sinal de entrada
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��
Sinal de saída
3. ISI – InterSymbolic Interference• Pulso sinc, com largura de banda limitada a Rs/2
• Tem amplitude nula nos instantes
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��
nula nos instantes múltiplos de Ts
• Ausência de ISI
4. Diagrama de Olho• Também designado por padrão de olho• Avalia a ISI num sistema de comunicação digital
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4. Diagrama de Olho• Análise em diferentes condições
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��
4. Diagrama de Olho• Uso do MATLAB
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��
4. Diagrama de Olho• Uso do MATLAB
0.5
1
1.5
2Padrão de Olho
0.5
1
1.5
2Padrão de Olho
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��
0 0.5 1 1.5 2-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
Canal passa-baixo Bc=Rb/2 Pn=0.00 Watt
Após filtragem passa-baixo
0 0.5 1 1.5 2-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
Canal passa-baixo Bc=Rb Pn=0.05 Watt
Após filtragem passa-baixo e adição de ruído
5. Formatação de pulso• Pulse shaping• Formatação de pulsos para o código de linha NRZ Bipolar• Formata o espectro e minimiza a ISI
2.0
0 1 2 3 4 5 6
ISEL - DEETC –Comunicações ��
-2.0
-1.0
0.0
1.0
t /T b
Sinal no domínio do tempo após formatação de pulso
5. Formatação de pulso• Enquadramento nos SCD• Coloca-se o filtro de formatação na saída do transmissor
ISEL - DEETC –Comunicações �
5. Formatação de pulso• Filtro raised-cosine (co-seno elevado)• Formata o espectro e minimiza a ISI
( ) ( )( )
( )tRtR
tRtp b
b
b Asinc21
cos2α
πα−
=
�
ISEL - DEETC –Comunicações �
( )
( )
( ) ( ) ( )
( )����
�
����
�
�
+>
+<<−���
���
��
��
−+
−<
=
α
ααααπ
α
12
0
12
12
122
cos1
12
1
2
b
bbb
bb
b
b
Rf
Rf
RRf
RR
Rf
R
fP
( )α+= 12
bT
RBLargura de banda:
5. Formatação de pulso• Filtro raised-cosine (co-seno elevado)• α é o factor de roll-off
• =0 filtragem ideal • =1 duplica a largura de banda
P (f )
1/Rb
ISEL - DEETC –Comunicações ��
Aumento da largura de banda implica:
• maior facilidade de realização do filtro • maior robustez a variações no sincronismo
0
0 0,25 0,5 0,75 1
α =0
α =1
α =0,5
1/Rb
f /Rb
5. Formatação de pulso
1 α =0
α =0,5α =1
p (t )
P (f )
1/Rb
Frequência
ISEL - DEETC –Comunicações ��
-0,3
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5t /Tb
0
0 0,25 0,5 0,75 1
α =0
α =1
α =0,5
1/Rb
f /Rb
Tempo
5. Formatação de pulso• Resposta impulsional
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��
5. Formatação de pulso• Resposta em frequência
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��
5. Formatação de pulso
-1,0
0,0
1,0
2,0
0 1 2 3 4 5 6
t /T b
α = 0,5
• Uso da formatação sobre NRZ Bipolar
ISEL - DEETC –Comunicações ��
α = 1
-2,0
-1,0
(a) α = 0,5
-2,0
-1,0
0,0
1,0
2,0
0 1 2 3 4 5 6
(b) α = 1
t /T b
6. Receptor
0,0
1,0
2,0
0 1 2 3 4 5 6
t /T b
ISEL - DEETC –Comunicações ��
-2,0
-1,0
α = 1
Sequência “1011001” em PNRZ com A=1 V e factor de rolloff α=1, adicionada de ruído gaussiano.
Sinal na entrada do receptor!
6. Receptor• Diagrama geral do processo de comunicação digital
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��
6. Receptor• Diagrama geral do processo de comunicação digital
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��
6. ReceptorEmissor
• Codificador de linha NRZ, RZ, Manchester, .....• Filtro de formatação de pulso raised-cosine, ....
• minimização da ISI
Meio de transmissão (cabos, fibra óptica, ar)• Atenuação • Distorção de amplitude e/ou de fase
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�
• Distorção de amplitude e/ou de fase• Limitação da largura de banda • Ruído • ISI e outros tipos de interferência
Receptor• Equalizador (compensação dea distorções)• Filtro de recepção• Regra(s) de decisão binária
6. Receptor• Filtro de recepção
• Técnicas a considerara) Correladorb) Filtro Adaptado
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�
7. ExercíciosConsidere as seguintes questões relativas ao processo de comunicação digital.
a) Em que consistem as técnicas pulse-shaping, raised cosine filtering e equalização?
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��
b) Qual o inconveniente causado pela transmissão de sequências com elevado número de bits iguais, nas modulações NRZ unipolar e bipolar?
c) Quais as vantagens da utilização do código de Manchester, em relação código NRZ bipolar?
7. ExercíciosNo codificador digital da figura, os codificadores NRZ têm Tb = 1 ms e a frequência das sinusóides é f = 2 kHz.
a) Esboce o sinal x(t) que codifica a sequência 011.
b) Simplifique o diagrama de blocos do codificador eobtenha outro diagrama equivalente.
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��
obtenha outro diagrama equivalente.
c) Apresente o diagrama de blocos do receptor correspondente.
7. ExercíciosSebenta “Comunicação de Dados” do prof. Carlos Meneses Ribeiro, ISEL-DEETC, 2009 http://www.deetc.isel.ipl.pt/sistemastele/cm/Biblio grafia/Tutorials/seb_scd_dados_09.pdf
contém:• Exercícios resolvidos• Exercícios por resolver (pág. 129)
---------------------------------------------------------------------------------
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---------------------------------------------------------------------------------A título de exemplo: 1) Explique o objectivo e o funcionamento do filtro adaptado de recepção.
2) Quais os factores que levam ao aparecimento de erros de bit numa transmissão digital? Como podem ser evitados/ minimizados?