Conceitos de Comunicação de Dados

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Laboratório de Telecomunicação
Professor : Luiz Amparo
Experiência_9 : Comunicação de Digital 
 É o envio de informação de um ponto para outro, expressa em termos de números ou dígitos. As informações podem ser apresentadas como grupos de dígitos ( usualmente binário) denominados de WORD. A primeira complicação é que a comunicação digital sempre necessita de algum processo de codificação e decodificação.
Introdução a Sinalização Digital
Objetivos : Mostrar como representar os dados através de “ palavras de dados (Word) ” que podem ser enviados como dígito contínuo, um bit por vez e reconstruído a distancia no receptor.
 Mostrar que os sinais analógicos podem ser convertidos em palavras de dados e envia através deste processo.
8.1) Circuito Conversor Analógico Digital 
 Este circuito tem como função converter sinais analógicos em sinais digitais . Como sabemos internamente em um conversor A/D, temos um comparador de 8 bit´s. Logo na saída teremos um tributário de 64 K bps.
Podemos observar que este conversor tem como limitação sinais com amplitude máxima de até 5 volts, ou seja, +/- 2,5 volts.
8.2) Característica da Transmissão 
Transmissão Paralela e Transmissão serial
 Há duas formas básicas de transferir dados entre o computador e seus periféricos: serial e paralela.
Conversor Paralelo Serial
 É o circuito que fará a conversão do formato paralelo de dados para o formato serial
Transmissão em Paralelo 
 Neste circuito as informações digitadas nas chaves Push Button, encontram no formato paralelo de dados , onde todos os 8 bit´s podem ser visualizados ao mesmo tempo. Mas para uma Transmissão em Paralelo necessitamos de tantas vias quantos forem os bits que compõem a Word,,neste módulo 8 bit´s.
Transmissão em Série : Consiste na Transmissão de 1 bit por vez na unidade de tempo, logo podemos conclui que nesta transmissão necessitamos de apenas uma via 
- Transmissão em Série Assíncrona, é caracterizada pela possibilidade de ser iniciada a qualquer tempo, sem limitação de tamanho de mensagem ( quantidade de caracteres). Neste tipo de transmissão cada caracters ( independente do código adotado) recebe bit´s adicionais que indicarão o ínicio e o fim dos mesmos. Esses bit´s são chamados :
Start Bit : Adicionaado antes do caracters, para indicar ínicio.
Stop Bit : Adicionado após o caracters, para indicar fim.
Obs: Tecnicamente, quando há a transição entre um bit stop e outro star, o receptor percebe o ínicio de um novo caracters e inicia a contagem do número de biy´s , o que depende do código adotado. Quando conta o núemro de bit´s correspondentes, o que deve coincidir com a chegada do próximo stop, sendo considerado o caraters como recebido.
 Número bit´s de Controle x 100
Over head = 
 Total de bit´s Transmitidos 
- Transmissão em Série Síncrona :
 Neste tipo de transmissão não temos mais os bit´s se starte stop delimitando o caracters. Existe um atroca de sincronismo entre os equipamentos envolvidos, e esse sincronismo é chamado de clock, onde a cada pulso de clock deverá ser enviado um bit, e o receptor a cada chegada do pulso de clock, deverá receber o bit trasnmitido. A largura de pulso que define um bit em função da velocidade do terminal. ( Transição Positiva ou Transição Negativa do Pulso de Clock )
Logo, torna-se então necessário para o receptor saber onde começa e termina um pulso.
Por exemplo : para uma transmissão de 50 bits / seg o pulso terá largura de 20 ms
T = 1 / f = 1 / 50 bits/s = 20 ms
Existem duas maneiras de ser enviar o clock, junto com os dados ou por uma via paralela.
 Quando o clock é enviado junto com os dados, na recepção é feita a recuperação da cadência (clock), em função do trem de pulsos recebidos (dados). Essa cadência recuperada é utilizada para sinconizar a geração local de cadência de mesma ordem, o que possibilita ler corretamente os bit´s recebidos.
 
8.3) Técnicas para Detecção e Correção de Erros
Detecção de Erros
Existe uma quantidade considerável de métodos destinados a detecção e. eventualmente. à correção de erros. Definiremos. a seguir alguns deles.
Paridade
É o método através. do qual. pelo uso de um bit adicional no caractere. provoca-se um número ímpar ou par (de acordo com a escolha) de bits no nível 1 lógico. Não há restrição quanto ao uso de método de paridade para qualquer alfabeto de codificação (Baudot. ASCII. EBCDIC). Quando optamos pela formação de conjuntos pares de bits 1 nos caracteres. temos o método Paridade PAR.
Exemplo: Paridade PAR
	CARACTERE
	BIT PARIDADE
	SER TRANSMITIDO
	1010100
	1
	10101001
	0011010
	1
	00110101
	1100000
	O
	11000000
Quando optamos pela formação de conjuntos ímpares de bits no nível 1 nos caracteres. temos o métodã paridade ímpar.
Exemplo: Paridade IMPAR
	CARACTERE
	BIT PARIDADE
	A SER TRANSMITIDO
	1001000
	1
	10010001
	0101010
	O
	01010100
	1011011
	O
	10110110
Observa-se que a ocorrência de um número ímpar de erros não será detectado.
Quando nos referimos à transmissão de blocos. o controle de erros passará a ser feito a nível de blocos, com a geração do caractere especial de controle BCC (Block Check Character), Para isso dois novos enfoques podem ser dados à paridade (que continua podendo ser ímpar ou par). Essas novas paridades serão: horizontal e vertical. ou LRC (Longitudinal Redundancy Checking) e VRC (Vertical Redundancy Checking).
8.4) Modos de Operação e Comunicação
 Quanto ao modo de operação, podemos classificar a ocorrência desses dois eventos em três grupos.
- Simplex
 Neste caso, o sistema utiliza transmissão em um único sentido. Como exemplo, podemos citar os Sistemas de Rádio e Televisão. ( este tipo de transmissão utiliza apenas um canal ) 
 Simplex 
- Half Duplex ( Semi-Duplex )
 Aqui, a transmissão é feita nos dois sentidos, porém não simultaneamente. . Como exemplo, podemos citar a Operadora de rádio Nextel. ( este tipo de transmissão utiliza apenas um canal ) 
 Semi-Duplex ​
- Full Duplex ( Duplex )
 Neste caso, a transmissão é feita nos dois sentidos simultaneamente. O nosso sistema telefônico é um exemplo deste tipo de transmissão. ( este tipo de transmissão utiliza 2 canais ) 
 Duplex ​
8.5) Velocidade de Modulação Transmissão x Velocidade de Modulação
 Em uma transmissão de sinais digitais existem 2 grandezas muito importantes que são:
Velocidade de Transmissão ou Operação : ( Bits )
 A taxa de transmissão é dada pelo número de bits por segundo que podem ser transmitidos. Levando-se em conta que a linha pode assumir ”n” estados diferentes, pode-se transmitir “K” bits por estado, tal que : 2K = n ou K = log 2 n 
Portanto:
 Taxa de transmissão = K x Tx. de modulação = 1 / δ log2 n //// bps
Velocidade de Modulação ou Sinalização : (Bauds )
 A taxa de modulação representa a quantidade de vezes que a linha foi sinalizada e é expressa em bauds.
 Por exemplo: uma linha cujo elemento básico de sinal tem duração de 20 ms e sinalização de linha de 0 a 50 mA, é assumido apenas dois estados (monobit); ao se aplicar a fórmula:
Taxa de modulação = 1 / δ onde: δ = duração do elemento básico de sinal obtém-se:
Taxa de modulação = 1 / 20ms = 50 bauds
Bits e Bauds
Resumindo : Bauds é a medida de quantas vezes em um segundo um sinal é alterado. Já o bps significa quantos bits por segundo foram transmitidos.
Obs :Quando utilizamos a Técnica Monobit,verificamos a coincidência entre Bps e Bauds.
Velocidade de Operação.................Técnica utilizada ..........................Velocidade de Sinalização
 Monobit 2 400 bauds
 
 2400 bps Dibit 1 200 bauds
 
 Tribit 800 bauds
 600 bps Monobit
 1200 bps Dibit 600 bauds
 1800 bps Tribit
8.6) Técnicas Multinível
 Nas Técnicas em que a cada alteração na portadora é trasnmitido um bit 0 ou 1, dá-se o nome de Monobit.
 A partir da Técnica Monobit apareceram outras técnicas, onde uma mudança nas características da portadora faz com que sejam transmitidos dois ou mais bits, dependendo da técnica utilizada. Por exemplo a técnica Dibit, onde a cada combinação de dois bits alteramos a fase da portadora em relação a fase anterior.
	DIBIT
	ALTERNATIVA -- A
	ALTERNATIVA -- B
	0 0
	0º
	+ 45º
	0 1
	+ 90º
	+ 135º
	1 1
	+ 180º
	+ 225º
	1 0
	+ 270º
	+ 315º
As Técnicas Tribit e Tetrabit agrupam os bits em três e quatro bits, respectivamente havendo um número maior de fases para técnicas tetrabit em relação a tribit 
	0 0 1
	0º
	0 0 0
	45º
	0 1 0
	90º
	0 1 1
	135º
	1 1 1
	180º
	1 1 0
	225º
	1 0 0
	270º
	1 0 1
	315º
 Nessas técnicas a mudança da portadora ocorreu na fase, em relação a fase anterior constituindo a modulação DPSK. Associada as técnicas multinível recebem o nome :
	DIBIT
	DPSK-4
	TRIBIT
	DPSK-8
	TETRABIT
	DPSK-16
Modulação QAM
 Neste tipo de modulação combinam-se as modulações ASK e PSK, onde as condições de bits alterar-se-a amplitude e fase da portadora
 Podemos ter diversos tipos de modulação QAM, utilizando as técnicas dibit, tribit ou tetrabit descritas. Dessa maneira conseguimos a modulação QAM-16, utilizando a técnica tetrabit, a técnica QAM-8 que utiliza a técnica tibit e a QAM-4 utilizando dibit.
 A seguir temos a tabela da modulação QAM-16, onde o bit Q1 determina a amplitude relativa do sinal a ser transmitido, e os bits Q2, Q3 e Q$ a fase.
8.7) Codificação :
 É a transformação do número que identifica o nível de quantização mais próximo da amostra, para uma codificação em binário. A codificação utiliza somente dois níveis distintos ¨um¨ e ¨zero¨.
 Como estes níveis podem ser facilmente restaurados, o sistema que utiliza modulação PCM é menos sensível a ruídos de amplitude apresentando uma melhor qualidade de transmissão que os sistemas convencionais.
 Nos equipamentos PCM, são utilizados codificação a 8 bit´s, que possibilita a 2 8 = 256 níveis de quantização. ( Códigos binários de 0000 0000 ------ 1111 1111 , sendo 128 níveis positivos e 128 níveis negativos ) . Composição da Palavra MCP através da Curva de Compressão ( Lei A ) 
Componente CC
 A linha que transporta o sinal PCM deve também transportar a alimentação CC aos regeneradores de linha. Portanto, é necessário que o código de linha não contenha componente contínua, pois os transformadores bloqueariam esta componente.
Componente de Baixa Freqüência
 A energia contida no código de linha na região de baixa freqüência deve ser a menor possível, para reduzir a interferência dos sistemas PCM com as linhas de voz que ocupam os mesmo cabo. Para evitar os problemas citados, é realizada a conversão “Unipolar-Bipolar”, que converte 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 com menor distorção.
 Vários tipos de conversões foram pesquisados para se obter o código adequado às linhas de transmissão. Dentre eles os adotados foram os códigos : AMI (Alternate Mark Inversion) e HDB-3 (High Density Bipolar).
Codificação e Transmissão do Sinal - Códigos de Linha
 Antes se ser inserido na linha, um sinal PCM deve passar por uma nova codificação, chamada codificação de Linha. 
 O comportamento de meios físicos condutores de eletricidade são modelados (caracterizados) por uma composição de comportamentos resistivos, capacitivos e indutivos distribuídos ao longo do comprimento do meio. Um sinal elétrico ao se propagar por este tipo de canal irá sofrer alterações no seu formato devido às características resistivas, capacitivas e indutivas do canal.
As alterações no sinal podem ser classificadas em:
Distorções de Amplitude: As distorções de amplitude são causadas basicamente pela característica resistiva do meio. 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 das distorções de fase do sinal. As distorções de fase ocorrerão somente em sinais que apresentam alternância de amplitude ao longo do tempo. Estes sinais irão interagir com as características capacitiva e indutiva provocando alterações em suas fases.
Distorções de Banda: As distorções de banda são resultantes dos efeitos compostos das características do meio. Em outras palavras, as características do meio podem lhe conferir um comportamento de filtro passa-baixas ou mesmo de filtro passa-faixa.
Códigos de Linha
 Os códigos de linha correspondem a convenções (ou regras ou mesmo códigos) cuja finalidade 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 de linha não são apropriados para meios físicos condutores de ondas eletro-magnéticas ou de ondas luminosas já que tais meios possuem características de utilização diferenciada.
Critérios de Avaliação dos Códigos de Linha
Armazenamento de Cargas na Linha:
 Além de causar defasagens no sinal, as características capacitiva e indutiva provocam o armazenamento de cargas no meio. O armazenamento de cargas na linha irá ocorrer com sinais que possuam nível médio diferente de zero, ou seja, sinais com nível DC. Tal armazenamento 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 cargas na linha e eventuais distorções no sinal transmitido.
Identificação de Ociosidade da Linha:
 Imagine um código de linha bastante simples que represente o bit 1 por um nível de tensão positiva (por exemplo, +A volts) e o bit 0 pelo nível de tensão 0 volts. Suponha agora 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 igual a 0 volts, qual seqüência foi interpretado no receptor? 
 A seqüência correta {0,0,1,0,0} ou somente o bit {1}?
 É mais provável que o receptor tenha compreendido somente o bit 1 dado que o código proposto não permite diferenciar entre um meio ocioso (0 volts) e a transmissão de um seqüência de bits 0 (também 0 volts). Os códigos de linha podem também auxiliar a identificar se um meio de transmissão está ociosoou não, se contém dado válido ou não.
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 de estabelecimento de sincronismo ao produzirem um sinal codificado com uma componente de tempo do relógio transmissor bastante significativa.
Identificação e Correção de Erros no Sinal Transmitido:
 Ao trafegar pelo canal é possível que uma determinada seqüência de bits sofra alterações devido a distorções ou ruídos presentes no canal. A tarefa de identificação e correção de eventuais erros existentes no sinal codificado pode ser facilitada pela utilização de determinados códigos de linha com características apropriadas para esta finalidade.
Codificação RZ // NRZ 
 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 final do tempo de bit (duração do bit). A vantagem dos códigos NRZ é diminuir a largura espectral do sinal, isto é, diminuir a ocupação da banda de freqüência.
 Os códigos RZ também codificam um bit em um nível, mas, diferentemente dos códigos NRZ, antes do final do tempo do bit (duração do bit), o sinal volta ao nível ZERO de tensão. A vantagem dos códigos RZ é diminuir a componente CC do sinal, isto é, diminuir o armazenamento de cargas na linha.
Codificação Unipolar // Polar
 A codificação Unipolar é um código não-balanceado, ou seja, os níveis de representação não são simétricos em relação ao referencial de tensão (0 volts).
 O elevado consumo de potência da codificação unipolar não a torna muito atraente para a transmissão de dados digitais. Entretanto, uma variação simples neste código diminui bastante a potência consumida na transmissão. Tal variação corresponde ao chamado código balanceado ou código polar.
Pode-se concluir assim que ambos os códigos unipolar e polar não são eficientes para evitar o armazenamento de cargas na linha.
Já no código polar nenhum dos dígitos binários é representado pelo nível de tensão 0 volts. Por tanto é possível, neste código, dizer se a linha está ociosa ou não.
Todavia, os sinais digitais normalmente apresentam rajadas de bits 0 ou de bits 1. Nestes caso, nenhum dos dois códigos propicia alguma vantagem que melhore o estabelecimento de sincronismo no receptor.
Ambos os códigos unipolar e polar não apresentam qualquer mecanismo para detecção de erros no sinal transmitido que é recebido no receptor.
Código HDB-3
 Um dos métodos usando violação mais usado é o HBD-3 (High Density Bipolar with 3 zero ma.;âmum tolerance prior to zero substitution). No HBD-3 um conjunto de quatro zeros seguidos é substituído por uma seqüência OOOV ou BOOV. A polaridade de B ou V depende do último pulso apresentado. B satisfaz a regra da altemância e V viola a regra de altemância de pulsos.
o primeiro bit será O se o pulso precedente não for uma violação e tiver polaridade oposta à polaridade da violação precedente. Se o pulso precedente tiver polaridade idêntica à polaridade da violação precedente ou for uma violação, o primeiro bit da seqüência será B
Técnicas de Modulação Digital ---- Códigos de Linha
8.8) Regeneradores e Taxa de Erros
 Os sinais digitais MCP trafegando nos pares, sofrem distorções devido, principalmente, à diafonia e atenuação, portanto, a certas distâncias faz-se necessária a recuperação destes sinais, com a completa eliminação dos ruídos introduzidos, a que chamamos de regeneração.
Sistema de regeneração
 Devido à atenuação introduzida pela linha e aos ruídos presentes na mesma, faz-se necessário restaurar completamente o sinal digital e injetá-Io novamente na linha com o mesmo formato que tinha ao sair do equipamento terminal, limpo de qualquer ruído. O equipamento que realiza esta função, denomina-se regenerador de pulsos de linha, ou simplesmente regenerador.
Para que um regenerador de pulsos de linha execute as funções acima mencionadas com o máximo de precisão possível, é necessário que ele possua uma série de características elétricas, as quais passaremos a descrever.
O regenerador é composto dos seguintes circuitos:
. circuito de entrada;
. circuito de alimentação;
. circuito extrato r de relógio; . circuito de decisão;
. circuito de saída.
Pode-se representar os circuitos do regenerador pelos símbolos indicados na figura abaixo podendo estes serem:
. unidirecional - regenera apenas um sentido e acopla o sinal no outro sentido; 
. bidirecional - regenera ambos os sentidos
Taxa de Erro
Definimos taxa de erro como sendo a razão entre o número de bits errados e o número total de bits recebidos. o aparecimento de um pulso espúrio ou o desaparecimento dé um verdadeiro, implica na introdução de um erro,	.
Devido às características do meio de transmissão, o pulso chega ao regenerador com amplitude reduzida e deformado, O problema do regenerador é determinar se, num dado instante, o pulso está ou não presente, Tal decisão é bastante afetada pelo ruído superposto ao sinal recebido e pode levar a uma decisão errada.
A taxa de erro é uma medida importante nas linhas de transmissão digital, pois indicam a qualidade destas.
Por normalização, a taxa de erro é considerada aceita e, se esta é melhor que um bit errado em cada um milhão de bits recebidos, que indicamos por 1 em 10 6 ou 1 x 10 -6 , e considerada crítica indicando que o equipamento deve interromper o funcionamento quando esta for pior que um erro em cada 1.000 bits recebidos, que indicamos por 1 em 10 3 ou 1 x 10 -3.	.
Como exemplo, calcularemos a taxa ou erro de uma linha, onde após um período de medição de 10 minutos com um instrumento detector de erros constatou-se que a quantidade de bits errados recebidos era de 1 .000.
Para sabermos qual é a taxa de erro devemos, primeiramente, calcular o total de bits recebidos em 10 minutos, que é:
1 segundo ........ 2 x 10 6 bits (2.048 kbit/s)
10 minutos _ 600 segundos x bits recebidos, logo: 600 (x bits recebidos) = 1.200 x 10 6 bits
Taxa de erro = número de bits errados = 1.000
 total de bits recebidos 1 .200 x 10 6
Taxa de erro = 0,8 x 10 6, indicando que a qualidade da linha é aceitável, pois a taxa encontrada é melhor que 1 x 10-6.
Os aparelhos detectores de erros de transmissão, no caso de MCP de 1 0 ordem, identificam os erros ao constatar que a codificação AMI ou HDB-3 usada foi violada. Quando os terminais MCP são dotados desta supervisão, o equipamento dá alarme quando a taxa de erro atingir um erro em 10 5 bits transmitidos.
 TRIBIT FASE