Fund. De Redes - professor.unisinos.brprofessor.unisinos.br/jcgluz/fund-redes/Aula4.pdfB8ZS e HDB3...
Transcript of Fund. De Redes - professor.unisinos.brprofessor.unisinos.br/jcgluz/fund-redes/Aula4.pdfB8ZS e HDB3...
Introdução
• Informações digitais ou analógicas podem ser codificadas tanto em
sinais analógicos como em sinais digitais.
– Dados digitais, sinais digitais
– Dados analógicos, sinais digitais
– Dados digitais, sinais analógicos
– Dados analógicos, sinais analógicos
Redes de Computadores 2
Dados analógicos/digitais e suas sinalizações
Dados analógicos
Sinal digitalSinal analógico
Banda base Portadora(AM,FM e PM)
Pulse Code Modulation (PCM)
Dados digitais
Sinal digitalSinal analógico
ASK PSK FSK NRZManchester
Diferenciais Scambling
Redes de Computadores 3
Dados digitais, sinais digitais
• Dados (analógicos ou digitais) são codificados em um sinal digital
– Pulsos de voltagem (discretos) representando um elemento de
sinalização
– Dados são codificados pelos elementos de sinalização
• Tipo de esquema de codificação depende do meio de transmissão
– Otimizar o meio de transmissão (banda passante ou erro)
• Questões importantes:
– níveis de sinal e de dados, taxa de sinalização e sincronização
Redes de Computadores 4
Nível de sinal versus nível de dados
• Nivel de sinal:
– Quantidade de níveis que um sinal digital pode assumir
• Nível de dados:
– Número de níveis que são utilizados para representar dados
Dois níveis de sinal, dois níveis de dados
1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1
três níveis de sinal, dois níveis de dados
Redes de Computadores 5
Taxa de sinalização versus taxa de dados (lembrando...)
LBaudRateBitRate 2log
• Taxa de sinalização (baud rate)
– Período de tempo para representar uma unidade de informação
(símbolo)
• Tempo de bit(s)
– Número de pulsos por segundo
• Taxa de dados (bit rate)
– Quantidade de bits transportados por segundo
Redes de Computadores 6
Componente DC
• Nível de energia residual que corresponde a uma frequência zero
• Indesejável por:
– Sinal com componente DC sofre distorção ao passar por
transformadores
– “alarga” a banda passante do sinal
Com componente DC(em média)
1 0 1 1 0 1
Sem componente DC(em média)
1 0 1 1 0 1
Redes de Computadores 7
Sincronização• Relógios do emissor e do receptor devem estar
sincronizados para correta interpretação do sinal– Amostragem no meio do tempo de bit
• Necessário manter a sincronização– Resincronização na presença de “bordas” do
sinal1 0 1 1 0 1
Relógio amostragem idênticoao da transmissão
Relógio amostragem adiantado Em relação ao da transmissão
O ou 1??
Redes de Computadores 8
Principais métodos de codificação
• Código unipolar: um nível de tensão (positivo ou negativo)
– Simples
• Código polar: dois níveis de tensão (positivo e negativo)
– Non Return to Zero (NRZ), Non Return to Zero Inverted (NRZ-I),
Manchester, Manchester diferencial
• Código bipolar: três níveis de tensão (zero, positivo e negativo)
– Alternate Mark Inversion (AMI), Bipolar n-Zero Substitution
(BnZS), pseudoternary
• Substituição Scrambling
– B8ZS e HDB3
• Codificação em bloco
– 4B/5B, 8B/10B, 8B/6T, etc
Redes de Computadores 9
Qual método de codificação a ser usado?
• Detecção de erros
• Imunidade à interferência e a ruídos• Custo e complexidade
– Alguns códigos necessitam taxas de sinalização maior que a taxa de transmissão e isso implica em custos maiores
• Espectro do sinal– Ausência de alta frequência reduz necessidade de banda
passante do meio– Ausência de uma componente DC elimina necessidade de um
referencial comum entre transmissor e receptor– Concentrar a energia no meio da banda passante do meio
• Temporização: – Sincronização entre transmissor e receptor
Redes de Computadores 10
Código simples (unipolar)
• Mais simples e primitivo
– O nível de tensão representa um bit (0 ou 1)e zero representa outro (1 ou
0)
– Obsoleto
• Desvantagem:
– Presença de componente DC
– Falta de mecanismos para sincronização
1 0 1 1 0 1
Redes de Computadores 11
Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)
• Dois níveis diferentes de tensão para bits em 0 e em 1
• Tensão constante durante o tempo de bit, ou seja, sem retorno para o
nível zero
• Normalmente:
– bit em 1: valor negativo
– bit em 0: valor positivo
Redes de Computadores 12
Nonreturn to Zero Inverted (on ones)
• Variação de NRZ
• Tensão constante durante o tempo de bit
• Dados são codificados em função da presença ou não de uma
transição no início do tempo de bit
– Transição representa 1 binário
– Sem transição representa 0 binário
• Código pertencente à família “codificação diferencial”
Redes de Computadores 13
NRZ/NRZ-I: vantagens e desvantagens
• Vantagens:
– Fácil de implementar
– Bom uso da banda passante
• Desvantagens
– Pode apresenta componente DC residual (menor que a unipolar)
– Não fornece mecanismo para sincronização de início e fim de bits
– Sem detecção de erros
• Empregado para gravação em meios magnéticos
• Raramente empregado para transmissão de sinais
Redes de Computadores 14
Codificação Manchester
• Transição no meio do tempo de duração de cada bit
• Transição serve para representar dados e garantir sincronização
– Transição nível baixo alto representa 1 binário
– Transição nível alto baixo representa 0 binário
• Empregado em redes do tipo IEEE 802.3
0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1
Manchester
Redes de Computadores 15
Codificação Manchester diferencial
• Sempre uma transição no meio do tempo de duração de cada bit
– Objetivo é sincronização
• Codificação:
– Transição no ínicio do tempo de bit representa zero binário
– Ausência de transição no início do tempo de bit representa um binário
• Empregado em redes do tipo IEEE 802.5
0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1Manchesterdiferencial
Redes de Computadores 16
Manchester : vantagens e desvantagens
• Vantagens
– Sincronização embutida com a transição no meio do tempo de bit
– Ausência de componente DC
– Possibilita detecção de erros de transmissão
• Ausência da transição esperada
• Desvantagens
– No mínimo uma transição ocorre durante o tempo de um bit
– A taxa sinalização é duas vezes a do NRZ
– Necessita de maior banda passante
Redes de Computadores 17
Bipolar-AMI
• Emprega mais de dois níveis de tensão
– Ausência de sinal na linha indica um bit em zero
– Pulso negativo ou positivo representa um bit em 1
• Pulsos tem sua polaridade alternada
Redes de Computadores 18
Pseudo-ternário
• Emprega mais de dois níveis de tensão
– Ausência de sinal na linha indica um bit em 1
– Pulso negativo ou positivo representa um bit em 0
• Pulsos tem sua polaridade alternada
Redes de Computadores 19
AMI e pseudo-ternário: vantagens e desvantagens
• Vantagens:
– Ausência de componente DC
– Fácil detecção de erros
• Desvantagens:
– Perda de sincronismo para grandes sequência de zeros (Bipolar) ou
de 1s (pseudoternário)
– Não é tão eficiente como o NRZ
• Linha assume três níveis diferentes para codificar apenas 2
valores
– Receptor deve distinguir 3 níveis de tensão (+A, 0, -A)
Redes de Computadores 20
Técnica de scrambling
• Substituir sequências que geram tensões constantes
• Critério para criação de sequências:
– Produzir transições para permitir sincronização
– “Protocolo” para o receptor interpretar e traduzir para o original
– Não modificar o “tamanho” da sequência original
• Objetivos:
– Reduzir componente DC
– Eliminar longas sequências de zero/um na linha
– Não aumentar/reduzir a taxa efetiva de transmissão
– Permitir detecção de erro
Redes de Computadores 21
B8ZS
• Bipolar With 8 Zeros Substitution
• Baseado no código bipolar-AMI
• Regra para codificação:
– Se um byte possui 8 zeros consecutivos
• Pulso precedente positivo, codifica como 0 0 0+ - 0 - +
• Pulso precedente negativo, codifica como 0 0 0- + 0 + -
• Sequências de violações no código AMI
• Receptor detecta o padrão e traduz a sequência para 8 zeros
Redes de Computadores 22
HDB3
• High Density Bipolar 3 Zeros
• Baseado no código bipolar-AMI
• Sequência de 4 zeros é substituída por um padrão com violação de
código
Redes de Computadores 23
Codificação em blocos
• Empregado para melhorar a eficiência da transmissão
– e.g.: codificação Manchester possui uma eficiência de apenas 50%
• Três etapas:
– Divisão: dados são divididos em grupos de m bits
– Substituição: grupos de m bits são substituídos por n bits ( n > m)
• Escolhe sequências visando sincronização e detecção de erros
– Codificação: para transmissão pode-se usar qualquer um dos
métodos vistos anteriormente
Redes de Computadores 25
Exemplos: 4B/5B e 8B/6T
4B/5B (Parcial)
-1 +1 0 +1 -1 08B/6T (exemplo de um código)
00011111
28 (256) mapeados em 36 (729)
24 (16) mapeados em 25 (32)
Redes de Computadores 26
Transmissão paralela
• Paralela → n bits enviados simultaneamente em um tempo de bit
– Necessário uma via (fio) por bit
– Relógio único (global)
– n + 1 via (fios) necessários = n para dados + 1 para o relógio
• Apresenta limitação em distância
– Custo
– Distorções no sinal de relógio
Redes de Computadores 28
Transmissão serial
• Serial → n bits enviados em sequência, um após o outro, cada um
ocupando um tempo de bit
• Serial assíncrona:
– Não há informação de sincronização entre o emissor e o receptor
– Presença de marcas de início e fim
– Fortemente baseado em temporização (sensível ao drift)
• Problema: não se pode enviar mensagens muito longas senão
ocorre defasagem entre emissor e receptor
• Serial síncrona
– Informação de relógio é embutido junto com os dados (e.g.
Manchester)
– Amortização das marcas de início e fim
Redes de Computadores 29
Introdução
• Dados analógicos podem ser:
– Transmitidos através de sinais analógicos
• É o que ocorre com sinais de rádio e de televisão analógicos
– Convertidos para seu equivalente digital (sinais digitais) e serem
transmitidos por um sinal digital
• É o que ocorre na telefonia e com CDs de músicas (gravação)
• Dados digitais podem ser:
– Convertidos para seu equivalente analógico (sinais analógicos) e
serem transmitidos por um sinal analógico.
• É o que ocorre com modems (linha discada, ADSL e Cable),
em sistemas telefônicos (no destinatário) e em CDs de
músicas (reprodução)
Redes de Computadores 31
Dados analógicos, sinais analógicos
• Porque modular sinais analógicos?
– Frequências mais altas fornecem uma transmissão mais eficiente
– Possibilita o emprego da técnica FDM (multiplexação em frequência)
– Adaptar sinal a requisitos de banda passante do meio
• Tipos de modulação empregada
– Amplitude (Amplitud Modulation - AM)
– Frequência (Frequency Modulation - FM)
– Fase (Phase Modulation - PM)
• Exemplo: sinais de televisão analógica e rádios (AM, FM, etc.)
Redes de Computadores 32
Dados analógicos, sinais digitais
• Digitalização do sinal, i.é., conversão do sinal analógico em digital
– Dado pode ser transmitido usando um tipo qualquer de codificação
digital
– Conversão sinal analógico em seu equivalente digital (uma técnica de
modulação)
• Codec (coder-decoder)
– Conversão pode utilizar duas técnicas:
• Pulse Code Modulation (PCM)
• Modulação delta
• Aplicação comum: rede de telefonia pública
Redes de Computadores 33
Pulse Amplitude Modulation (PAM) e Pulse Code Modulation (PCM)
• Quantização do sinal
– Inclui erro e/ou ruído
– Aproximação do sinal original, ou seja, é de recuperar exatamente
o sinal original
Amostragem
Quantização
Geração PCM
Redes de Computadores 34
Teorema de amostragem de Nyquist
• Precisão de uma reprodução digital de um sinal analógico depende do
número de amostras realizadas no sinal original
• Teorema de Nyquist::
– “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”
• Exemplo: Sinal de voz ocupa banda de 4 KHz (0–4KHz, com suas
bandas de guarda), o que implica em uma frequência de
amostragem de 8 KHz
• Portanto, a taxa PAM deve ser duas vezes a frequência mais alta
presente no sinal.
– Um sinal com frequência x deve ser amostrado a cada 1/(2x)
segundos.
Redes de Computadores 35
Visão simplificada da rede de telefonia pública
Digital
AnalógicoAnalógico
Sistema típico:
■ Amostras em 8 bits (fornece 256 níveis discretizados diferentes)
■ 8.000 amostras por segundo o que gera 64kbps (8.000 x 8
bits/amostra)
Redes de Computadores 36
Porque usar sinalização analógica?
• Transmissão digital exige uma banda passante “larga”
– Existência de infinitas frequências
• Transmissão analógica surge como solução
– Emprega uma faixa (banda) de frequências
• Combinações:
– Dados analógicos, sinais analógicos (imagem, áudio)
– Dados digitais, sinais analógicos (modems)
• Modulação → conversão de um sinal analógico em outro sinal
analógico de modo a transmiti-lo em um meio passa-banda
Redes de Computadores 37
Sinalização analógica • Baseada na existência de um sinal de frequência constante
– Portadora (carrier signal)
– Frequência da portadora depende do meio
• Modulação consiste em codificar os dados com base na portadora
– Combinação dos parâmetros: amplitude, frequência e fase
– Transformação de um sinal em passa-baixa em passa-banda
• Banda passante do sinal é centrada na frequência da portadora (fc)
Redes de Computadores 38
Dados digitais, sinais analógicos
• Transmissão de dados digitais através de sinais analógicos
• Modular é:
– Representar uma informação através de uma série de
modificações em um sinal analógico (portadora)
• Técnicas de modulação para dados digitais (keying)
– Amplitude shift keying (n-ASK)
– Frequency shift keying (n-FSK)
– Phase shift keying (n-PSK)
– Quadrature Amplitude Modulation (QAM)
Redes de Computadores 39
Modulação em amplitude (n-ASK)
• Dados binários são representados por n níveis diferentes de amplitudes da portadora
• Caso particular: n=2 (ASK)
– Um dos valores pode ser zero (supressão da portadora)
• Empregado em fibras óticas (presença ou ausência de luz)
Bit 1 = A cos (2 fct )Bit 0 = 0
S(t) =
Banda = Nbaud
fc
Nbaud
Redes de Computadores 40
Modulação em frequência (n-FSK)
• Dados binários são representados por n portadoras de diferentes
frequências
• Caso particular: n=2 (FSK)
Bit 1= A cos (2 p f1t )Bit 0 =A cos (2 p f2t )
S(t) =Banda = fc2 – fc1 + Nbaud
fc1
Nbaud/2
fc2
Redes de Computadores 41
Modulação em fase (n-PSK)
• Fase da portadora é deslocada em n valores para representar dados
• Caso particular: n=2 (PSK)
• Duas técnicas de base:
– Referência fixa (relação à portadora)
– Referência variável (em relação ao último baud)
Bit 1 = A cos (2 p f1t + p )Bit 0 = A cos (2 p fct )
S(t) =Banda = Nbaud
fc
Nbaud
Redes de Computadores 42
Quadratura de fase (QPSK)
• Cada elemento de sinalização é caracterizado por uma fase própria
– Esquema genérico é denominado de n-PSK (n = número de fases)
– Um elemento de sinalização representa log2 n bits
– Limitação de hardware para detectar diferentes fases próximas
• Caso especial: n=4 (quadratura de fase)
Bit 11 = A cos (2 p fct + p/4 )Bit 10 = A cos (2 p fct + 3p/4 )Bit 00 = A cos (2 p fct + 5p/4 )Bit 01 = A cos (2 p fct + 7p/4 )
S(t) =
10 11
00 01
Redes de Computadores 43
Quadratura de Amplitude (QAM)
• Combinação de ASK e PSK
– Variação em amplitude e em fase
• Possível definir várias amplitudes e fases (n-QAM)
• Exemplos: 16-QAM, 64-QAM, 128-QAM e 256-QAM
101
011010
000
001
110111
100
10 11
00 01
Redes de Computadores 44
Modem linha telefônica (Modulador-demodulador)
• Converte dados binários em sinal analógico (passa-banda) e vice-versa
– Transmissão de dados através do laço local da rede de telefonia pública
Interface digital
Interface analógica
DTE: Data Terminal Equipment DCE: Data Communication Equipment
Redes de Computadores 45
Banda passante da linha telefônica
• Passa-banda 300Hz a 3300 Hz (banda passante 3000 Hz)
– Bordas são suscetíveis a distorções, tolerados na transmissão de voz mas não para a transmissão de dados
• Solução: empregar uma faixa (banda) mais estreita
300 3300 Hz600 3000
2400 Hz (dados)3000 Hz (voz)
Redes de Computadores 46
Considerações gerais sobre Modems
• Emprega uma (ou mais) técnicas de modulação (ASK, FSK, PSK)
• Taxa de sinalização (baud rate) = 2400 elementos/s
– Tentam aumentar o número de bits por elemento de sinalização
• Recebem e transmitem simultaneamente (full duplex)
• Modem síncrono
– Via modulação e codificação dos dados embute informação de
sincronização
• Modem inteligente ou smart modems (Hayes compatível)
– Conjunto de comandos (em ASCII) para discagem automática e
configuração
Redes de Computadores 47
Modem: diagramas de constelação
2 bits por baud4800 bps
4 bits por baud9600 bps
QPSK 16-QAM 64-QAM
6 bits por baud14400 bps
5 bits por baud4 bits + 1 bit
correção(código Trellis)
9600 bpsModem V32
(QAM+redundância)
32-QAM
7 bits por baud6 bits + 1 bit correção
14400 bpsModem V32.bis
128-QAM
Redes de Computadores 48
Padrões de Modem: série V (standard ITU-T)
• Modem V32 (9.600 bps)
– 32-QAM, 2.400 baud, código de trellis
• Modem V32bis (até 14.400 bps)
– 128-QAM, 2400 baud, inclusão de fall-back e fall-forward
• Modem V34 (até 28.800 bps)
– 12 bits dados /baud
• Modem V34bis (até 33.600 bps)
– 14 bits dados/baud
• Modem V90 e V92 (até 56.000 bps para downloading)
– Sistemas assimétricos (duas velocidades: uploading e
downloading)
– Uploading V90 é até 33.6 Kbps, uploading V92 é até 48 Kbps
Redes de Computadores 49
Limitação de velocidade de transmissão
N
SBC 1log 2
bpsC
C
34860 11.62 3000
31621log3000 2
Redes de Computadores 50
Outra visão da rede de telefonia pública
Digital
Analógico
RuídoQuantização
PCM
Por que 56 Kbps? Para voz se faz 8.000 amostras/sec, 8 bits cada. Desses 8 bits, em alguns momentos, 1 bit é destinado para controle e 7 são destinados a dados (7 x 8.000=56.000).
Redes de Computadores 51
Modems tradicionais versus modems 56K
• Núcleo da rede de telefonia pública é digital, laço local é analógico
• Modems tradicionais:– Após modulação (emissor) há uma conversão analógico →digital
(entrada)• O mesmo vale para a resposta enviada pelo destino
– Conversões = ruído de quantização (afeta relação S/R de Shannon)• Modems 56K (V90 e V92)
– Comunicação é para a Internet com presença de um provedor de serviço
– Provedor (de qualidade) possui uma linha digital com a companhia telefônica
• Elimina a conversão na ponta do provedor (resposta) - downloading
– Assinante possui uma linha analógica (laço local) com a companhia telefônica
• Ruído de quantização na ponta assinante (requisição) – uploading– Velocidade de dowloading pode ser maior que a de uploading
Redes de Computadores 52