Capitulo 5 Técnicas de Codificación de Señales Comunicaciones de datos Capitulo 5 Técnicas de Codificación de Señales Ing. Giuseppe Blacio

Datos analógicos/digitales se codifican en señales Introducción Datos analógicos/digitales se codifican en señales Datos digitales, señales digitales Datos digitales, señales analógicas Datos analógicos, señales digitales Datos analógicos, señales analógicas

Motivación Datos digitales, señales digitales Equipos más baratos que para modulación digital-a-analógica Datos analógicos, señales digitales Permite uso de equipos digitales modernos Repetidores aseguran transmisión sin errores Datos digitales, señales analógicas Ciertos medios (fibra óptica, no guiados) solo propagan señales analógicas Datos analógicos, señales analógicas Datos analógicos pueden transmitirse como señales analógicas económica y fácilmente (ej.: voz telefónica)

Codificaciones Datos digitales, señales digitales Codificación NRZ, NRZI, Manchester Datos digitales, señales analógicas (modems) Técnicas: ASK, FSK, PSK Datos analógicos, señales digitales Modulación de pulsos (PCM), Modulacion Delta Datos analógicos, señales analógicas Modulación de amplitud (AM), frecuencia (FM) y fase (PM)

Terminología Señalización digital: Señalización analógica Fuente de datos g(t) (digital o analógica) se codifica en una señal digital x(t) Señalización analógica Su base es una señal de frecuencia constante Señal portadora Frecuencia compatible con medio de transmisión usado Señal se transmite junto a señal portadora usando técnicas de modulación

Terminología Modulación Señal banda base Proceso de codificar fuente de datos en señal portadora con frecuencia fc Técnicas de modulación involucran operación en: amplitud, frecuencia y/o fase Señal banda base Señal original m(t), analógica o digital

DAtos Digitales, Señales Digitales

Características Señal digital Pulsos de voltajes discretos y discontinuos Cada pulso es un elemento de señal Datos binarios son codificados en elementos de señal (pulsos)

Términos Unipolar Polar Elemento de datos (bits) Todos los elementos son del mismo signo Polar Un estado lógico representado por un voltaje positivo y el otro por un voltaje negativo Elemento de datos (bits) Un uno o cero binario

Términos Tasa de datos o de transferencia Elemento de señal (símbolo) Tasa a la cual se transmiten los elementos de datos en bps Elemento de señal (símbolo) Parte de la señal que ocupa el intervalo más corto de un código de señalización Digital: pulso de voltaje con amplitud constante Analógico: pulso con frecuencia, amplitud y fase constantes

Tasa de modulación o señalización Términos Tasa de modulación o señalización Tasa en que se transmiten elementos de señal Medido en baudios = elementos de señal por segundo (símbolos/seg.)

Interpretación de señales Importante conocer Tiempo de bit – cuando comienza y cuando termina. Niveles de señal (alto o bajo) Para esto, se toman muestras de la señal Factores que afectan la interpretación Relación señal ruido (SNR) Tasa de datos/transferencia Ancho de banda

Interpretación de señales ∆ tasa de transferencia, ∆ BER BER: Bit Error Rate (tasa de errores de bits) Probabilidad de que un bit se reciba con error ∆ SNR,  BER ∆ ancho de banda, ∆ tasa de transferencia

Comparación de Esquemas de Codificación Espectro de señal Falta de frecuencias altas reduce el ancho de banda Reloj Necesario sincronía entre transmisor y receptor Reloj externo  costoso Mecanismo de sincronía basado en la señal

Comparación de Esquemas de Codificación Detección de errores Puede incrustarse dentro de la codificación de señal Interferencia de señal e inmunidad al ruido Algunos códigos son mejores que otros (BER) Costo y Complejidad Alta tasa de señalización lleva a mayor costo Algunos códigos requieren una tasa de señalización mayor que la tasa de datos

Esquemas de codificación Sin retorno a cero (NRZ-L o NRZ) Sin retorno a cero invertido (NRZI) Bipolar–AMI Pseudoternario Manchester (Ethernet) Manchester Diferencial B8ZS HDB3

NRZ Dos voltajes diferentes para bits 0 y 1 Voltaje constante durante un intervalo de bit NO hay transición  no hay retorno a 0 Volts Voltaje positivo constante para bit 0 Problema: muchos 0s o 1s consecutivos Se puede confundir la línea base No se puede recuperar el reloj (re-sincronizar)

NRZI Pulso de voltaje constante durante la duración Transmisor genera transición de la señal para codificar un 1 y se mantiene en señal actual para codificar un 0 Soluciona el problema de 1s consecutivos No soluciona el problema de 0s consecutivos Es un ejemplo de codificación diferencial

NRZ y NRZI - Adecuados para transmisión dentro del PC y para almacenamiento magnético. - No adecuados para comunicaciones de datos en un sistema de transmisión.

NRZ ventajas / desventajas Fácil de diseñar Buen uso del ancho de banda Desventajas: Perdida de sincronía

Codificación Diferencial Datos representados por cambios en vez de solo niveles de voltajes

Binario - AMI Uso de más de dos niveles 0 es representado por señal cero 1 es representado por un nivel positivo o negativo. Pulsos 1alternan en polaridad No hay perdida de sincronía si hay una larga cadena de unos (si hay ceros problema) Bajo ancho de banda Fácil detección de errores

Pseudoternario “Uno” es representado por ausencia de senal “Cero” es representado al alternar niveles positivo y negativo No hay ventajas ni desventajas comparado con Bipolar AMI

Bipolar–AMI y Pseudo-ternario

Desventajas de Binario Multinivel No es más eficiente que NRZ Receptor debe distinguir entre (A, -A, 0) Requiere aprox. 3dB mas de potencia para una misma probabilidad de error (BER)

Bifase Manchester Manchester diferencial Transición en la mitad de un periodo de bit Transición sirve como reloj y datos Bajo-alto  1 Alto-bajo  0 Usado por IEEE 802.3 (Ethernet) Manchester diferencial Transición en mitad de periodo de bit es para reloj Transición al inicio de un periodo de bit  0 No transición al inicio de un periodo de bit  1 Esquema diferencial Usado IEEE 802.5 (Token Ring)

Bifase: Ventajas / Desventajas Auto-sincronización Detección de errores: ausencia de transición Desventajas Eficiencia: 50% Duplica ratio de transiciones de señal en enlace  receptor tiene la mitad del tiempo para detectar cada pulso

Resumen

Tasa de modulación

Scrambling Se usa scrambling para reemplazar secuencias que podrían producir voltajes constantes (revolver los símbolos) Secuencia de llenado Debe producir suficiente transiciones para sincronización Debe ser reconocido por el Rx y ser reemplazable Misma longitud que el original No secuencias largas de nivel 0 No reducción de tasa de datos Capacidad de detección de errores

B8ZS Bipolar con substitución de 8 ceros. Basado en Bipolar AMI Si un octeto de ceros y el ultimo pulso de voltaje precedente fue positivo  codifique como 000+-0-+ Si un octeto de ceros y el ultimo pulso de voltaje precedente fue negativo  codifique como 000-+0+- Causa dos violaciones al código AMI Menos probable que ocurra debido a ruido Receptor detecta e interpreta como un octeto de ceros

HDB3 High Density Bipolar 3 Zeros Basado en Bipolar AMI Cadena de 4 ceros reemplazada con uno o dos pulsos

HDB3 Cuando aparecen más de cuatro ceros consecutivos, estos se agrupan de 4 en 4, y se sustituye cada grupo 0000 por una de las secuencias siguientes de impulsos: B00V ó 000V . B indica un impulso con distinto signo que el impulso anterior. Por tanto, B mantiene la ley de alternancia de impulsos, o ley de bipolaridad, con el resto de impulsos transmitidos. V indica un impulso del mismo signo que el impulso que le precede, violando por tanto la ley de bipolaridad. El grupo 0000 se sustituye por B00V cuando es par (o cero) el número de impulsos entre la violación V anterior y la que se va a introducir. El grupo 0000 se sustituye por 000V cuando es impar el número de impulsos entre la violación V anterior y la que se va a introducir. Así se logra mantener la ley de bipolaridad de los impulsos correspondientes a los "unos", y también la bipolaridad de las "violaciones" mediante los impulsos B y los impulsos V.

B8ZS y HDB3 1s

Datos Digitales, Señales Analógicas

Datos digitales, señales analógicas Ejemplo: Sistema telefónico 300 – 3400 Hz Uso de modem (modulador-demodulador)

Datos digitales, señales analógicas Técnicas de Modulación Amplitude Shift Keying (ASK) Frequency Shift Keying (FSK) Phase Shift Keying (PSK)

Técnicas de modulación

Amplitude Shift Keying (ASK) Valores binarios (1 ó 0) representados por diferentes amplitudes de frecuencia portadora Usualmente, una de las amplitudes es cero Técnica de modulación ineficiente Hasta 1200 bps en líneas telefónicas Usado en fibra óptica Amplitud cero  ausencia de luz en LED

Amplitude Shift Keying

Frequency Shift Keying (FSK) Valores representados por diferentes frecuencias Forma más común: BFSK Utiliza dos frecuencias diferentes Menos susceptible al error que ASK Hasta 1200 bps en líneas telefónicas Usado en radio de alta frecuencia (3-30 MHz) Altas frecuencias en coaxial

Binary FSK f1 y f2 son frecuencias diferentes, cercanas a la frecuencia portadora.

FSK en Líneas telefónicas

Multiple FSK (MFSK) Usa más de dos frecuencias Cada elemento de señal representa más de un bit

Phase Shift Keying (PSK) Fase de la señal portadora es desplazada para representar datos Algunos tipos: BPSK DPSK PSK en cuadratura PSK multinivel

Binary PSK (BPSK) Dos fases para representar 1 ó 0 Desplazamiento de 180o () ≡ a multiplicar onda senoidal por -1

BPSK: Ejemplo 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0

Differential PSK (DPSK) PSK Diferencial 0: fase igual a elemento anterior 1: fase opuesta a elemento anterior Fase es desplazada relativo a la transmisión previa en vez de alguna señal de referencia

DPSK: Ejemplo

PSK en Cuadratura (QPSK) Uso mas eficiente, cada elemento de señal (símbolo) representa dos bits Desplazamientos de p/2 (90°) en vez de 180° de BPSK

PSK Multinivel Uso de múltiples niveles puede ser extendido de usar dos bits a la vez Puede usarse múltiples ángulos de fase y tener mas de una amplitud. Modems de 9600 bps usan 12 ángulos, cuatro de los cuales tienen 2 amplitudes

PSK Multinivel

Desempeño de Esquemas de Modulación Digital a Analógico Ancho de banda ASK y PSK directamente relacionado a tasa de bits FSK relacionado a tasa de bits en baja frecuencia En presencia de ruido, BER de PSK y QPSK es 3dB superior que ASK y FSK

Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM) Usada en ADSL y ciertos estándares inalámbricos Combinacion de ASK y PSK Extensión lógica de QPSK Dos señales independientes son transmitidas por el mismo medio Matematicamente seria:

Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM) Receptor de-modula las señales y combina resultados para obtener cadena de bits original Se han llegado a usar hasta 256 niveles A mayor # de niveles, mayor BER potencial

Datos Analógicos, Señales Digitales

Datos analógicos, Señal Digital Digitalización Conversión de datos analógicos a digitales Datos digitales pueden ser usados así: Transmitidos directamente usando NRZ Transmitidos usando otro código (ej.: HDB3) Convertidos a señal analógica (ej.: ASK) y luego transmitidos ¿Por qué? ¿Ventajas?

Digitalización Codec Dos técnicas comunes Dispositivo que codifica señales analógicas y las decodifica en el destino Dos técnicas comunes PCM: Pulse Code Modulation Delta Modulation (DM)

Pulse Code Modulation (PCM) Basado en teorema de muestreo: Si una señal f(t) es muestreada en intervalos de tiempo regulares a una tasa al doble que la frecuencia máxima de la señal analógica original, las muestras contendrán toda la información de la señal original La función f(t) puede ser reconstruida a partir de estas muestras, usando un filtro lowpass

Pulse Code Modulation Ejemplo Datos de voz limitados a menos de 4000 Hz Se requiere 8000 muestras por segundo para caracterizar la señal por completo Muestras analógicas llamadas PAM: Pulse Amplitude Modulation A cada muestra se asigna un código binario

Pulse Code Modulation Sistema de 4 bits brinda 24 = 16 niveles Cuantización Error de cuantización o ruido Aproximaciones significa que es imposible recuperar la señal original exactamente Muestras de 8 bits  256 niveles para voz Calidad comparable con transmisión analógica 8000 muestras por segundo En este caso, ¿Cuál es la tasa de datos necesaria para transmitir una señal de voz?

Pulse Code Modulation 62

Codificación No Lineal Niveles de cuantización no están igualmente separados Con codificacion no lineal se reduce la distorsión de señal Puede hacerse al usar “companding” (compressing- expanding) Companding: proceso que comprime el rango de intensidad de una señal al impartir más ganancia a señales débiles que a señales fuertes de entrada En receptor se realiza operación inversa

Codificación No Lineal 64

Modulación Delta (DM) Entrada analógica es aproximada mediante una función escalonada Se mueve arriba o abajo un nivel (d) por cada intervalo de muestra Comportamiento binario o escalonado Función se mueve arriba o abajo por cada intervalo de muestra.

Modulación Delta

DM vs. PCM DM es más simple de implementar PCM tiene mejor características SNR (para la misma tasa de datos)

PCM: Desempeño Reproducción buena de la voz con PCM 128 niveles de cuantización Codificación de 7bits (27 = 128) Ancho de banda de voz: 4 KHz Tasa de datos requerida: 8000 x 7 = 56 Kbps Pero, según teorema de Nyquist es ineficiente Compresión de datos puede mejorar esto

PCM: Desempeño A pesar de ineficiencia, se sigue usando digitalización Uso de repetidores es preferible que amplificadores TDM (digital) es preferible a FDM (analógico), ya que no existe ruido de intermodulacion Habilita uso de dispositivos de conmutación digitales, más eficientes que los analógicos

Datos Analógicos, Señales Analógicas

Modulación Proceso de combinar señal de entrada m(t) con frecuencia portadora fc para producir señal s(t) con ancho de banda (usualmente) centrado en fc

Datos analógicos, señal analógica ¿Por que modular datos analógicos? A más alta frecuencia se puede tener transmisión más eficiente Permite uso de multiplexación por división de frecuencia Tipos de modulación Amplitud (AM): forma más simple Frecuencia (FM) Fase (PM)

Modulación Analógica FM y PM requieren un ancho de banda mayor que AM