Capitulo 5Técnicas de
Codificación de Señales
Ing. Giuseppe Blacio
Comunicaciones de datos
Introducción
Datos analógicos/digitales se codifican en señales
• Datos digitales, señales digitales
• Datos digitales, señales analógicas
• Datos analógicos, señales digitales
• Datos analógicos, señales analógicas
MotivaciónDatos digitales, señales digitales• Equipos más baratos que para modulación digital-a-
analógicaDatos 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 analógicasDatos analógicos, señales analógicas• Datos analógicos pueden transmitirse como señales
analógicas económica y fácilmente (ej.: voz telefónica)
Codificaciones
•Codificación NRZ, NRZI, ManchesterDatos digitales,
señales digitales
•Técnicas: ASK, FSK, PSKDatos digitales, señales
analógicas (modems)
•Modulación de pulsos (PCM), Modulacion DeltaDatos
analógicos, señales digitales
•Modulación de amplitud (AM), frecuencia (FM) y fase (PM)Datos
analógicos, señales
analógicas
Terminología
Señalización digital:• 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• Proceso de codificar fuente de
datos en señal portadora con frecuencia fc
• Técnicas de modulación involucran operación en: amplitud, frecuencia y/o faseSeñal 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
Todos los elementos
son del mismo signo
PolarUn estado
lógico representad
o por un voltaje
positivo y el otro por un
voltaje negativo
Elemento de datos
(bits)
Un uno o cero binario
TérminosTasa de datos o de transferencia• Tasa a la cual se transmiten los
elementos de datos en bpsElemento 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
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
•Tiempo de bit – cuando comienza y cuando termina.
•Niveles de señal (alto o bajo)•Para esto, se toman muestras
de la señal
Importante conocer
•Relación señal ruido (SNR)•Tasa de datos/transferencia•Ancho de banda
Factores que
afectan la interpretac
ión
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 bandaReloj• 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 señalInterferencia 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
Ventajas:
•Perdida de sincroníaDesventaj
as:
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 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 / DesventajasVentajas• Auto-sincronización • Detección de errores: ausencia de
transiciónDesventajas• 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
ModulaciónAmplitud
e 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
binariobinariotfA
ts c
001)2cos(
)(
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
binariotfAbinariotfA
ts0)2cos(1)2cos(
)(2
1
f1 y f2 son frecuencias diferentes, cercanas a la frecuenciaportadora.
FSK en Líneas telefónicas
Multiple FSK (MFSK) Usa más de dos frecuencias Cada elemento de señal representa más
de un bit
MitfAts i 1)2cos()(
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
binariotfAbinariotfA
tfAtfA
tsc
c
c
c
0)2cos(1)2cos(
)2cos()2cos(
)(
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 /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:1. Transmitidos directamente usando NRZ2. Transmitidos usando otro código (ej.:
HDB3)3. Convertidos a señal analógica (ej.: ASK) y
luego transmitidos ¿Por qué? ¿Ventajas?
Digitalización Codec
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
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
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
Top Related