II-3 Banda Base

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

ISEL - DEETC -Comunicações

�

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


�

2. Códigos de linha: características

� Codificação de linha (line coding) consiste no uso

de pulsos eléctricos para codificar os bits 1 e 0


�

� 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


�

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


�

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


�

� 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


�

� 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:


� 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)


�

� 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


��

� 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


��

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


��http://en.wikipedia.org/wiki/Manchester_code


��

Códigos comuns

Códigos comuns


��

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


��

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


��

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


��

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


�

3. ISI – InterSymbolic Interference• Causada pela limitação da largura de banda do meio de transmissão

• O meio actua como um filtro (tipicamente) passa-baixo


�

• 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


��

Assim, os níveis de tensão de um símbolo interferem nos restantes

3. ISI – InterSymbolic Interference

Sinal de entrada


��

Sinal de saída

3. ISI – InterSymbolic Interference• Pulso sinc, com largura de banda limitada a Rs/2

• Tem amplitude nula nos instantes

ISEL - DEETC –Comunicações

��

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


��

4. Diagrama de Olho• Análise em diferentes condições


��

4. Diagrama de Olho• Uso do MATLAB


��

4. Diagrama de Olho• Uso do MATLAB

0.5

1

1.5

2Padrão de Olho

0.5

1

1.5

2Padrão de Olho


��

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


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


-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


��

5. Formatação de pulso• Resposta em frequência


��

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


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


-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


��

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


�

• 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


�

7. ExercíciosConsidere as seguintes questões relativas ao processo de comunicação digital.

a) Em que consistem as técnicas pulse-shaping, raised cosine filtering e equalização?


��

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.


��

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)

---------------------------------------------------------------------------------


��

---------------------------------------------------------------------------------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?

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