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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DO PARANÁDEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICAEL43D – FUNDAMENTOS EM COMUNICAÇÃO DE DADOS

F UNDAMENTOS EM C OMUNICAÇÃO DE D ADOS

OBJETI VO 08 – CÓDI GOS DE LI NHA

Obje t ivos de Ens ino

• Estudo das técnicas de codificação de linha.

• Estudo detalhado de um circuito codificador AMI básico.

Conteúdo

• Códigos de linha.

Sumár io

8.1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 2

8.2 CÓDIGOS DE LINHA........................................................................................................ 3

8.2.1. CODIFICAÇÃO PORNÍVEL.................................................................................................... 4 8.2.2. CODIFICAÇÃO PORFASE..................................................................................................... 9 8.2.3. EXEMPLO: CODIFICAÇÃO PCM.........................................................................................11

8.3 PRÁTICA DE LABORATÓRIO .......................................................................................13



2 O BJETIVO 8: C ÓDIGOS DE LINHA


8.1 INTRODUÇÃO

O comportamento de meios físicos condutores de eletricidade são modelados

(caracterizados) por uma composição de comportamentos resistivos, capacitivos e indutivosdistribuídos ao longo do comprimento do meio. Um sinal elétrico ao se propagar por este tipo decanal irá sofrer alterações no seu formato devido às características resistivas, capacitivas eindutivas do canal.

Modelo de um meio condutor de energia elétrica.

As alterações no sinal podem ser classificadas em:

• Distorções de Amplitude:

As distorções de amplitude são causadas basicamente pela característica resistiva domeio. Tal característica irá causar a degradação do sinal pela conversão do mesmo(energia elétrica) em calor (energia térmica) e se manifestará por uma redução na sua

amplitude.

•• Distorções de Fase:

As características capacitiva e indutiva do meio são as principais causadoras dasdistorções de fase do sinal. As distorções de fase ocorrerão somente em sinais queapresentam alternância de amplitude ao longo do tempo. Estes sinais irão interagir comas características capacitiva e indutiva provocando alterações em suas fases.

•• Distorções de Banda:

As distorções de banda são resultantes dos efeitos compostos das características domeio. Em outras palavras, as características do meio podem lhe conferir um

comportamento de filtro passa-baixas ou mesmo de filtro passa-faixa.

R[Ω /m] L[H/m]

C[F/m]

R[Ω /m] L[H/m]

C[F/m]

R[Ω /m] L[H/m]

C[F/m]

R[Ω /m] L[H/m]

C[F/m]

Transmissor Receptor

Canal



O BJETIVO 8: C ÓDIGOS DE LINHA 3

ABRIL DE 2005

8.2 CÓDIGOS DE LINHA

Os códigos de linha correspondem a convenções (ou regras ou mesmo códigos) cujafinalidade é representar seqüências de dígitos binários (bits) em níveis de tensão (ou corrente)

elétrica para fins de transmissão em meios físicos condutores de eletricidade. Os códigos delinha não são apropriados para meios físicos condutores de ondas eletro-magnéticas ou deondas luminosas já que tais meios possuem características de utilização diferenciada.

Na tabela de classificação das modulações, os códigos de linha se localizam noquadrante dito sem modulação, isto é, sinal modulante digital modificando uma portadora

digital.

Portadora

InformaçãoAnalógica Digital

Analógica

MODULAÇÕES ANALÓGICAS – Amplitude (Ac): AM – Freqüência (f c ): FM – Fase (φ ): PM

MODULAÇÕES DE PULSO

– Amplitude (A): PAM – Largura (σ): PWM – Posição: PPM – PCM

Digital

MODULAÇÕESDIGITAIS – Amplitude (Ac): ASK – Freqüência (f c ): FSK – Fase (φ ): PSK – Quadratura: QAM (= ASK+PSK)

– Códigos de Linha(Não há modulação neste caso)

Cr i t ér ios de Aval iação do s Códig os de L inha

Além de representar os sinais digitais em níveis de tensão (ou corrente) elétrica, oscódigos de linha também podem auxiliar na solução de algumas questões relacionadas atransmissão de sinais em meios físicos condutores de eletricidade. Cada código de linha aquiapresentado será analisado (e avaliado) conforme os seguintes itens:

(a) Armazenamento de Cargas na Linha:

Além de causar defasagens no sinal, as características capacitiva e indutiva provocam oarmazenamento de cargas no meio. O armazenamento de cargas na linha irá ocorrercom sinais que possuam nível médio diferente de zero, ou seja, sinais com nível DC. Talarmazenamento de cargas no meio pode gerar distorções no sinal transmitido. Assim,bons códigos de linha não devem possuir nível médio a fim de evitar o acúmulo de cargasna linha e eventuais distorções no sinal transmitido.





(b) Identificação de Ociosidade da Linha:

Imagine um código de linha bastante simples que represente o bit 1 por um nível detensão positiva (por exemplo, +A volts) e o bit 0 pelo nível de tensão 0 volts. Suponhaagora que um dado transmissor enviou a seguinte seqüência de bits 0,0,1,0,0. Sabendo

que o meio de transmissão, quando ocioso, é interpretado como um nível de tensão iguala 0 volts, qual seqüência foi interpretado no receptor? A seqüência correta 0,0,1,0,0 ousomente o bit 1? É mais provável que o receptor tenha compreendido somente o bit 1dado que o código proposto não permite diferenciar entre um meio ocioso (0 volts) e atransmissão de um seqüência de bits 0 (também 0 volts). Os códigos de linha podemtambém auxiliar a identificar se um meio de transmissão está ocioso ou não, se contémdado válido ou não.

(c) Estabelecimento de Sincronismo de Sinal no Receptor:

Uma das questões fundamentais para a transmissão digital é o estabelecimento de

sincronismo de sinal no receptor. Alguns códigos de linha auxiliam na tarefa deestabelecimento de sincronismo ao produzirem um sinal codificado com umacomponente de tempo do relógio transmissor bastante significativa.

(d) Identificação e Correção de Erros no Sinal Transmitido:

Ao trafegar pelo canal é possível que uma determinada seqüência de bits sofra alteraçõesdevido a distorções ou ruídos presentes no canal. A tarefa de identificação e correção deeventuais erros existentes no sinal codificado pode ser facilitada pela utilização dedeterminados códigos de linha com características apropriadas para esta finalidade.

8.2.1. Codi f icação por Nível

Retorn o ao Zero vs. Não -Retorn o ao Zero

Os códigos de linha por nível podem ser de dois tipos diferentes: códigos com retorno

ao zero (RZ) ou códigos de não-retorno ao zero (NRZ).

Os códigos NRZ codificam um bit em um nível, e permanecem neste nível até o finaldo tempo de bit (duração do bit). A vantagem dos códigos NRZ é diminuir a largura espectral dosinal, isto é, diminuir a ocupação da banda de freqüência.

Os códigos RZ também codificam um bit em um nível, mas, diferentemente doscódigos NRZ, antes do final do tempo do bit (duração do bit), o sinal volta ao nível ZERO detensão. A vantagem dos códigos RZ é diminuir a componente CC do sinal, isto é, diminuir oarmazenamento de cargas na linha.




ABRIL DE 2005

Exemplos de codificações NRZ e RZ.

Código ON/ OFF

Conceitualmente, a forma mais simples de código de linha utiliza um nível diferentepara codificar cada bit de informação. Por exemplo, dentro de computadores utiliza-se uma

codificação ON/OFF que usa 3 volts para representar o bit 1 e 0 volts para representar o bit 0. Acodificação ON/OFF é um código não-balanceado, ou seja, os níveis de representação não sãosimétricos em relação ao referencial de tensão (0 volts). Em telecomunicações, este tipo decódigo é conhecido por código unipolar.

O elevado consumo de potência da codificação unipolar não a torna muito atraentepara a transmissão de dados digitais. Entretanto, uma variação simples neste código diminuibastante a potência consumida na transmissão. Tal variação corresponde ao chamado códigobalanceado ou código polar. Neste código, o bit 1 é representado por um nível constante detensão com polaridade positiva (por exemplo, +A volts) e o bit 0 por um nível constante detensão (igual a representação do bit 1) mas com polaridade negativa (por exemplo, –A volts).

(a) Código Unipolar NRZ (b) Código Polar NRZ

Codificação unipolar (a) e polar (b).

1 0 1 1 0 0 1

A

tempo

-A

1 0 1 1 0 0 1

A






O código unipolar sempre apresentará componente média diferente de zero e, por tanto,ocorrerá o armazenamento de cargas na linha quando da utilização deste código. Nocódigo polar não haverá armazenamento de cargas na linha quando a seqüência binária a

ser transmitida for composta de 0’s e 1’s perfeitamente alternados. Entretanto, por setratar de uma situação bastante particular, espera-se que normalmente o código polarproduza armazenamento de cargas na linha. Pode-se concluir assim que ambos oscódigos unipolar e polar não são eficientes para evitar o armazenamento de cargas nalinha.


O código unipolar representa o bit 0 pelo nível de tensão 0 volts. Esta característica docódigo unipolar inviabiliza a identificação de ociosidade da linha já que alinha ou podeestar ociosa ou pode estar trafegando uma rajada (= uma seqüência muito longa

composta somente) de bits 0. Já no código polar nenhum dos dígitos binários érepresentado pelo nível de tensão 0 volts. Por tanto é possível, neste código, dizer se alinha está ociosa ou não.


Tanto o código unipolar quanto o código polar representam o bit 0 e o bit 1 por nível detensões diferentes. Caso haja uma seqüência de bits 0 e 1 perfeitamente alternada, nãohaverá problemas de sincronismo no receptor. Todavia, os sinais digitais normalmenteapresentam rajadas de bits 0 ou de bits 1. Nestes caso, nenhum dos dois códigospropicia alguma vantagem que melhore o estabelecimento de sincronismo no receptor.


Ambos os códigos unipolar e polar não apresentam qualquer mecanismo para detecçãode erros no sinal transmitido que é recebido no receptor.

Codi f icação Bipolar

A codificação bipolar foi proposta especificamente para eliminar o problema dearmazenamento de cargas na linha. Nesta codificação o bit 0 é representado pelo nível de

tensão 0 volts. Já o bit 1 é representado por um nível de tensão constante (A volts) cujapolaridade é alternada entre positiva e negativa. Por utilizar a alternância de polaridade nospulsos elétricos para a codificação do bit 1, a codificação bipolar também é referenciada porcodificação por inversão de marca alternada, ou código AMI (do inglês, “Alternate Mark Inversioncode”).




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Exemplo de código bipolar NRZ.


O código bipolar consegue eliminar o armazenamento de cargas na linha uma vez quebits 0’s são representados por 0 volts e a alternância de polaridade dos bits 1’s evita oacúmulo de cargas na linha.

(b) Identificação de Ociosidade da Linha:O bit 0 é representado no código bipolar pelo nível de tensão 0 volts, ou seja, este códigonão permite a identificação de ociosidade da linha.


O código bipolar utiliza a alternância de polaridade para codificar o bit 1. Assim, umarajada de 1’s possui uma componente de tempo (do relógio transmissor) bastantesignificativa. Por outro lado, uma rajada de 0’s não contém nenhuma informação detempo. Caso a informação digital contenha mais bits 0 do que bits 1, poderão ocorrerproblemas de sincronismo no receptor.


Caso seja transmitida uma rajada de bits 1’s em codificação bipolar é possível identificara ocorrência de erros no sinal transmitido que é recebido no receptor. A forma deidentificação está relacionada com a alternância de polaridade na representação do bit 1.Caso ocorra um erro na alternância da polaridade de um bit 1, está caracterizado um errono sinal recebido. Tal erro na alternância da polaridade é chamado de violação. Por outrolado, no caso de transmissão de bits 0’s, não há mecanismos para identificar aocorrência de erros no sinal transmitido.

Subst i tu i ção de N Zeros B inár ios

A maior limitação do código bipolar é a sua dependência de uma incidência mínima debits 1’s para manter sua eficiência. A codificação por substituição de N zeros binários, oucodificação BNZS (do inglês, “Binary N Zero Substitution”), consiste de um código bipolar noqual rajadas de zeros com tamanho igual N bits são substituídas por um código especial detamanho N que produzem violações na alternância no código bipolar. As violações produzidas

1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1

A

tempo

-A





na alternância de polaridade do código bipolar são propositais e servem para identificar aocorrência de uma substituição de N bits 0’s.

A codificação BNZS serve para aumentar a incidência de bits 1’s no sinal transmitidoao mesmo tempo que permite a obtenção do sinal original pela identificação das violações nocódigo bipolar. Por exemplo, o código B3ZS substitui uma seqüência de 3 bits 0’s por dois

códigos distintos: 00V ou B0V. O código 00V consiste de 2 bits 0’s (00) seguidos de um pulsoque representa uma violação no código bipolar (V). O código B0V consiste de um pulso bipolaralternado (B), seguido de um bit 0 (0) e terminando uma violação no código bipolar (V). Nasduas substituições, a violação ocorre no último bit do código.

101 000 11 000 000 001 000 1

(a)Vpositiva: +0– 00– +– +0+ –0– 00+ 00+ –

(b)Vnegativa: +0– +0+ –+ –0– +0+ 00– 00– +

violaçõesCodificação B3ZS com número ímpar (a) e número par (b) de pulsos válidos.

A decisão de substituir uma seqüência de 3 bits 0’s por 00V ou B0V é feita ao secomparar a polaridade do último pulso bipolar válido (B) com a última violação (V). Caso o pulsoanterior for de polaridade igual à da última violação ou se constituir em uma violação em si,substitui-se a seqüência de 3 bits 0’s por B0V. Caso contrário, substitui-se a seqüência de 3bits 0’s por 00V.

O ITU (do inglês, “International Telecommunication Union”) – órgão internacional parapadronização de sistemas de telecomunicação – definiu uma forma de codificação BNZS

padrão, chamada de código bipolar de alta densidade, ou código HDB (do inglês, “High DensityBipolar”). A forma mais usual de código HDB substitui seqüências de 4 bits 0’s por códigos comviolações no último bit. Tal codificação particular é conhecida por codificação HDB3 já que sãopermitidas seqüências de até 3 bits 0’s no código. Este código funciona analogamente aocódigo B3ZS explicado anteriormente.

1 0000001011 0000 0000 0000 001

(a)Vpositiva: + –00– 00+0–+ 000+ –00– +00+ 00–

(b)Vnegativa: + 000+ 00–0+– 000– +00+ –00– 00+

violações

Codificação HDB3.




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O código BNZS mantém a característica do código bipolar de alternância da polaridadedos bits 1’s evitando o armazenamento de cargas na linha.


No código BNZS, o bit 0 continua sendo representado pelo nível de tensão 0 volts.Entretanto, a característica de substituir rajadas de bits 0’s por outros códigos quecontém bits 1’s impede a formação de longas seqüências de bits 0’s. Desta forma épossível identificar a ociosidade da linha.


Como no código bipolar, no código BNZS uma rajada de 1’s possui uma componente detempo (do relógio transmissor) bastante significativa. E, a característica do código BNZSde substituir rajadas de bits 0’s traz benefícios para o estabelecimento de sincronismo noreceptor. Em outras palavras, não há problemas de sincronismo no código BNZS.


O código BNZS possui o mesmo mecanismo de detecção de erro do código bipolar, ouseja, identifica a ocorrência de um erro na alternância da polaridade de um bit 1.Entretanto, este mecanismo não é utilizado para a correção do erro mas sim para noprocesso de substituição das rajadas de bits 0’s.

8.2.2. Codi f icação por Fase

A codificação por nível faz uso de níveis para codificação como, por exemplo, o

código bipolar e sua variante, o código BNZS: existem dois dígitos binários (0 e 1)representados por três níveis distintos (–A volts, 0 volts e +A volts). Nestes códigos, emparticular, a utilização destes três níveis permitem resolver todos os problemas envolvidos nacodificação de sinais digitais. Entretanto, a solução é obtida as custas do aumento dacomplexidade no código. A codificação por fase corresponde a códigos de linha que realizam

a codificação de sinais digitais através do aumento da largura de banda do sinal codificado.

Espectro de freqüência dos códigos bipolar (a) e Manchester (b).

Espectro

(a)

(b)

1/T 2/T 3/T 4/T freq.





Bi fás ico Dig i t a l

O código bifásico digital, também conhecido como código Manchester, realiza acodificação de sinais digitais através do aumento da largura de banda do sinal codificado.

A ilustração a seguir apresenta os espectros de freqüência dos códigos bipolar e

bifásico digital. Nela pode-se observar que, para freqüências maiores que 2/T, o código bipolarquase não possui componentes de freqüência. Por sua vez, o código bifásico digital(Manchester) possui componentes significativas de freqüência até 4/T tendo largura, por tanto,largura de banda maior que o código bipolar.

Na codificação bifásica digital, observa-se que há uma transição no centro de cadarepresentação de bit. O bit 1 é representado por uma transição da polaridade positiva para apolaridade negativa (de +A volts para –A volts). Já o bit 0 é representado por uma transiçãooposta da polaridade negativa para a polaridade positiva (de –A volts para +A volts).

Codificação bifásica digital (Manchester).

Note que ambas as representações contém polaridade positiva e negativa igualmentebalanceada não havendo, por tanto, acúmulo de cargas na linha ou mesmo problemas deidentificação de sua ociosidade. Mais ainda, não há problemas de sincronismo pois tanto arepresentação do bit 1 quanto a representação do bit 0 possuem uma componente de tempobastante significativa. Entretanto, esta codificação não apresenta mecanismos paraidentificação e correção de erros no sinal transmitido que é recebido no receptor.

I nv ersão de Marca Codi f icada

Um outro tipo de código de linha que resolve as questões envolvidas na codificação desinais digitais pelo aumento da largura de banda do sinal codificado é conhecido por inversão demarca codificada, ou CMI (do inglês, “Coded Mark Inversion”). Neste código o bit 1 érepresentado por um nível constante de tensão (A volts) cuja polaridade é alternada. Já o bit 0 érepresentado por uma transição entre os níveis de tensão –A e +A volts. Este código é umamistura da codificação bipolar (bit 1) e da codificação bifásica digital (bit 0).

Codificação CMI.

1 1 0 0 1 0 1 1 0

1 1 0 0 1 0 1 1 0




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O código CMI é o mais completo, pois resolve todas as questões relacionadas atransmissão de sinais pela combinação das melhores características dos melhores códigos. Éfácil perceber que o código CMI não apresenta acúmulo de cargas na linha, consegue identificarde ociosidade e consegue estabelecer o sincronismo no receptor. Mais ainda, o código CMIconsegue identificar e corrigir erros no sinal transmitido que é recebido no receptor através da

verificação de ocorrência de violações (para a representação do bit 1) e pelos tipos de transiçãono sinal (para representação do bit 0).

8.2.3. Ex em plo : Codi f icação PCM

O sinal processado em um sistema PCM, é codificado em um código binário,apresentando-se sobre a forma NRZ (No return to Zero), ou seja, sob a forma de pulsosunipolares. No equipamento da central, o pulso unipolar não causa qualquer problema, maspara a transmissão do sinal na linha existem duas observações:

Com pon ent e CC

A linha que transporta o sinal PCM deve também transportar a alimentação CC aosregeneradores de linha. Portanto, é necessário que o código de linha não contenhacomponente contínua, pois os transformadores bloqueariam esta componente.

Com ponent e de Ba ixa Freqü ênc ia

A energia contida no código de linha na região de baixa freqüência deve ser a menorpossível, para reduzir a interferência dos sistemas PCM com as linhas de voz queocupam os mesmo cabo.

Para evitar os problemas citados, é realizada a conversão “Unipolar-Bipolar”, queconverte o trem-de-pulsos em uma seqüência de pulsos positivos e negativos alternados,reduzindo a componente de baixa freqüência. Deste modo, o trem-de-pulsos é transmitido commenor distorção.

Vários tipos de conversões foram pesquisados para se obter o código adequado àslinhas de transmissão. Dentre elas a adotada é o código AMI (Alternate Mark Inversion). Essecódigo consiste em representar o valor “1”, na seqüência de pulsos por amplitudes sempreiguais em valor absoluto, ora com polaridade positiva, ora negativa. Dessa forma, dois valores“1” consecutivos terão sempre polaridades diferentes. O valor “0” é representado pela ausência

de amplitude.O sinal AMI é isento de componente contínua, porém não evita uma longa seqüênciade zeros. Caso isso ocorra, a recepção perde o sincronismo, tornando difícil ou mesmoimpossível a recuperação do mesmo nos repetidores de linha, ocasionando uma elevada taxade erro na saída destes repetidores. Para evitar este problema, foi adotado o código HDB-3 quetem a capacidade de eliminar as longas seqüências de zeros na linha, através da inserção depulsos de “violação” e de “marcação”, os quais podem ser positivos ou negativos.





Regras par a Codi f icação

Quando houver zeros na linha, as regras de codificação do HDB-3 são:Caso (1) O primeiro pulso desta seqüência será “0” (000V) se o pulso (marca) precedente

tiver polaridade oposta à polaridade da violação precedente e não for uma violaçãopor si mesma.

Caso (2) O primeiro pulso desta seqüência será “B” (B00V) se o pulso (marca) precedentetiver polaridade idêntica a polarização da violação precedente ou for, por simesma, uma violação.

Obs.: “B” é o pulso de marcação e “V” é o pulso de violação. As polaridades de “B” e “V” sãoidênticas e dependem da violação anterior.

Regras para Decodi f icação

As regras para decodificação do HDB-3 são:(a) Se dois pulsos forem de mesma polaridade, separados por três “0”, o segundo pulso é

reconhecido como pulso de violação, sendo decodificado como “0”.(b) Se dois pulsos forem de mesma polaridade separados por dois “0”, os dois pulsos são

reconhecidos como pulsos de “marcação” e “violação” respectivamente, portanto troca-seos dois “1” por “0”.

A etapa de emissão do sinal na linha, além da transformação do código NRZ para outro

adequado à transmissão (HDB-3), são agregadas as informações de sinalização e sincronismo,além da parte correspondente à informação que é o objetivo da transmissão.




ABRIL DE 2005

8.3 PRÁTICA DE LABORATÓRIO

Sim ulado r d e Codi f icação AMI





(página em branco)

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