Técnicas de Codificación de la Data Profesora Maria Elena Villapol [email protected] Comunicación de Datos Técnicas de Codificación y Modulación d la de l D Data t • • • • Digital – Digital Analógica – Digital Digital – Analógica Analógica - Analógica Comunicación de Datos Señales digitales a señales digitales • Términos claves – Elemento de data -> bits -> un símbolo binario, 1 o 0. – Tasa de datos -> bps -> tasa a la cual se transmiten los datos datos. – Elemento de señal -> digital: pulso de voltaje; analógico: pulso de frecuencia, fase o amplitud constante -> parte de la señal que ocupa el mas corto tiempo de un código de señalización. – Tasa de modulación -> elementos de señal por p segundo (baudio) -> tasa a la cual un elemento de señal se transmite. Comunicación de Datos Elementos de Señal vs Elementos de Data 1 ELEMENTO DE DATA 1 0 1 1 ELEMENTO DE SEÑAL 1 ELEMENTO DE DATA 1 0 1 2 ELEMENTOS DE SEÑAL 2 ELEMENTOS DE DATA 11 01 11 1 ELEMENTO DE SEÑAL Comunicación de Datos Interpretando las señales • Se debe conocer – Temporización de los bits – cuando un bit comienza y termina. – Niveles de la señal. • Factores que afectan la interpretación correcta de la señal: – SNR – Ancho A h d de b banda d – Tasa de datos Comunicación de Datos Comparación de los esquemas de codificación difi ió • Espectro de la señal – Pérdida de altas frecuencias reduce BW. – Pérdida de componente DC, permite acoplamiento AC vía transformador, permitiendo aislamiento – Concentrar la potencia en la mitad del BW BW, proporciona menor distorsión. • Clocking – Sincronización transmisor y receptor – Reloj externo – Proporcionar sinc a través de la señal señal. • Detección de error – Incluidas en la codificación de la señal • Inmunidad al ruido e interferencia y ruido – Algunas técnicas son mejores que otras. • Costo y complejidad p j – Mas altas tas de señal mas costo. – Algunos códigos requieren mayor tasa de la señal que la tasa de datos. Comunicación de Datos Esquemas de Codificación Lineales: Cl ifi Clasificación ió Esquemas de codificación lineales Unipolar Polar Bipolar Multinivel Multi transición NRZ NRZ, RZ, MANCHESTER Y MANCHESTER DIFERENCIAL AMI Y PSEUDOTERNARIO 2B/1Q, 8B/6t Y 4D-PAM5 MLT-3 Comunicación de Datos Técnicas de codificación Comunicación de Datos Unipolar: NRZ Comunicación de Datos Polar: NRZ-L NRZ L y NRZ-I NRZ I Comunicación de Datos Polar RZ Comunicación de Datos Polar: Manchester y Manchester Dif Diferencial i l Comunicación de Datos Bipolar AMI Bipolar-AMI Comunicación de Datos Tasa de Modulación Tasa de datos 1 N= Tb Tb duración de un bit Tasa de modulación 1 S = cN r r = número de bits por elemento de señal C= factor del caso C caso, c está entre 0 y 1 1. Comunicación de Datos Multinivel • Codificar un patrón de m elementos de data en n elementos de señal. • Se representan como mBnL mBnL. • 2m <= Ln. Comunicación de Datos 2B1Q Comunicación de Datos Técnicas Multinivel: MLT-3 MLT 3 • Otra técnica de codificación combina NRZI con dos niveles mas de señal. • En MLT-3,, hayy tres niveles de señal disponibles. p • Para un bit en 1, MLT-3 se alterna de –1 a 0, a +1,, y de allí nuevamente a 0,, entonces retorna a –1, y así. • Un bit en 0 se codifica con el mismo valor del valor precedente. Comunicación de Datos MLT 3 MLT-3 Comunicación de Datos Codificación por Bloques • La codificación de bloque se denomina codificación mB / nB. • Sustituye cada grupo de m m-bits bits con un grupo n-bits. Comunicación de Datos Codificación por Bloques Comunicación de Datos 4B/5B NRZI 4B/5B-NRZI • La data debe ser codificada para asegurar transiciones. • Cada 4 bits se codifican en un símbolo con 5 bits de código. patrones de 5 bits se eligen g de forma tal de • Los p que existan mas de tres ceros en una fila. • El código resultante es codificado usando NRZI. Comunicación de Datos 4B/5B NRZI 4B/5B-NRZI Comunicación de Datos 4B/5B-NRZI Comunicación de Datos Scrambling • • • • • • • • • • Usado para reemplazar secuencias que puedan producir voltajes constantes. Rellenar secuencias. Estas deben producir suficientes transiciones para mantener la sincronización. i i ió Deben poder ser reconocidas por el receptor y reemplazarlas con la original. Igual longitud que la original original. No tienen componente DC. No largas secuencias con nivel de señal cero. N reducción No d ió en lla ttasa d de d datos. t Capacidad de detectar errores. Es el objetivo de las técnicas B8ZS y HDB3. Comunicación de Datos Reglas de Sustitución B8ZS Polaridad del pulso p precedente + 000+-0-+ - 000 +0+ 000-+0+- Comunicación de Datos B8ZS Comunicación de Datos Reglas de Sustitución HDB3 Número de pulsos bipolares (unos) desde la última sustitución Polaridad P l id d d dell Pulso Precedente - I Impar P Par 000- +00+ + 000+ -00- Comunicación de Datos HDB3 Comunicación de Datos Ancho de Banda (Promedio) Componente DC Capacidad de Sincronism o Detección de Errores B= R/2 /2 Si No sii largas l secuencias de 1s o 0s No NRZ-L NRZ L Si No si largas sec de 1s o 0s No NRZ-I Si No si largas secs No de 0s No No en largas secuencias de 0s Si No en largas secuencias de 1s Si No Si Si Manchester Diferencial No Si Si B8ZS No Si Si No No para largas Si Comunicación de Datos secs de 0s. NRZ Bipolar AMI B= R/2 Pseudoternario Manchester B=R HDB3 MLT-3 B=R/3 Digital - Analógico • • Modulación: resultado del proceso de variar ciertas características de una señal, llamada portadora, en concordancia con una señal de mensaje. Hay tres tipos de técnicas de modulación BASICAS: – Amplitude shift keying (ASK) – Frequency shift keying (FSK) – Phase shift keying y g ((PSK)) Comunicación de Datos Digital - Analógico ASK = A cos (2πfct) 0 FSK = A cos (2πf1t) A cos os ((2πf π 2t)) PSK = 1 0 A cos (2πfct+ π) A cos (2πfct) QPSK = 1 0 A cos (2πfct+ π/4) A cos (2πfct + 3 π/4) A cos (2πfct + 5 π/4) A cos (2πf (2 fct + 7 π/4) /4) 11 10 00 01 Otras técnicas pueden: 1 0 •Usar mas valores de ángulos de fase (eg 8 ángulos de fase permiten representar 3 bits por señal, 8-PSK) •Se puede igualmente variar la amplitud y la fase. fase Comunicación de Datos Diagrama de Constelación • Ayuda y a definir la amplitud p y fase de un elemento de señal. • Es útil cuando se describen esquemas multinivel es. es • Tiene dos ejes, X y Y. • El eje j X esta relacionado a la p portadora en fase y el Y a la portadora fuera de fase. • La longitud del vector que conecta el punto al origen es la amplitud pico de la señal señal. • El ángulo que la línea hace con el eje X es la fase del elemento de señal. Comunicación de Datos Diagrama de Constelación Comunicación de Datos QAM • Combina ASK y PSK. PSK • El mas simple es el 4-QAM, donde se tienen 4 elementos de señal y se representan 2 bits por elemento. Comunicación de Datos QAM: Ejemplos Comunicación de Datos Medidas de rendimiento • • • BT = (1+r)R ASK BT = 2ΔF + (1+r)R FSK BT = ((1+r)/b)R = ((1+r)/Log2 L)R = (1+r)D Técnicas multinivel • • • • BT ancho de banda R tasa de datos D ttasa d de modulación d l ió r relacionado a la frecuencia, 0<r<1 Comunicación de Datos Analógica - Digital • Digitalización: proceso de convertir la data analógica en digital. • Dos técnicas p para hacer esto son: – Modulación por Codificación de Pulso (PCM) – Modulación Delta (DM) Comunicación de Datos Muestreo de una señal Analógica • La señal analógica es muestreada cada Ts segundos. • Ts es el intervalo o período de muestreo. • fs = 1/Ts es la frecuencia de muestreo • Teorema del Muestreo o Teorema de Nyquist: • La tasa de muestreo muestreo, fs fs, debe ser al menos 2 veces la frecuencia mas alta contenida en la señal. Comunicación de Datos Recuperación de una señal para dif diferentes t tasas t de d muestreo t Comunicación de Datos PCM • La señala analógica g es muestreada: – La señal es muestreada según el teorema de Nyquist. • La señal muestreada es cuantificada: – Cada muestra es un valor de la amplitud, por lo tanto es analógico. – Esto se denomina modulación por amplitud de pulso (PAM). • Los valores cuantificados son codificados como un chorro de bits: – Cada una de estas muestras debe ser convertida a un código binario de n bits Comunicación de Datos PCM: Diagrama de Bloques Comunicación de Datos PCM: Ejemplo Comunicación de Datos PCM: Refinamientos • Un refinamiento de PCM es la codificación no lineal. • Igual espaciado implica error absoluto es igual para cada muestra, sin importar nivel de la señal. • Valores pequeños son mas distorsionados. • Se puede usar un número mayor de pasos de cuantificación para menores amplitudes y menos número para valores de la amplitud mayores. • La SNR para el ruido de cuantificación se expresa como: SNR = 20 log 2n + 1.76 dB = 6.02n + 1.76 dB Comunicación de Datos Codificación No Lineal Comunicación de Datos Compasión (companding) • La señal es comprimida en el emisor y expandida en el receptor. • Significa reducir la amplitud del voltaje instantáneo por valores grandes. • Imparte I t mas ganancia i a las l señales ñ l débiles que a la mas fuertes. Comunicación de Datos Niveles de Cuantificación • L es el número de niveles de cuantificación. • Se eligen dependiendo: – rango de las amplitudes de la señal analógica. analógica – Grado de precisión necesario para recuperar la señal Comunicación de Datos Error de Cuantificación • Los valores de entrada al cuantificador son valores reales. • Los valores de salida son valores aproximados. p • La SNRdB para el ruido de cuantificación se expresa p como: SNR = 20 log 2n + 1.76 dB = 6.02n + 1.76 dB el número ú e o de b bits ts po por muestra. uest a • n es e • n = log2 L Comunicación de Datos Codificación • Cada muestra de la señal es cuantificada cuantificada. • Cada muestra es cambiada a una palabra código de n bits. bits • La tasa de datos es: – R = fs x n. Comunicación de Datos DM • La señal analógica g se aproxima p p por una función tipo p escalera. • Los niveles bajan o suben una altura δ cada intervalo de muestreo Ts. • Se sigue el Teorema del muestreo para obtener Ts. • En cada muestra la señal de entrada es comparada con ell mas reciente i t valor l d de lla ffunción ió escalera. l • Si el valor muestreado excede el de la función escalera genera un 1. Se g genera un 0 en caso contrario. se g Comunicación de Datos DM: Ejemplo Comunicación de Datos DM: Lado del Transmisor Comunicación de Datos DM: Lado del Receptor Comunicación de Datos
