FM vs AM e Codificação de Fonte e Canal - Anotações de Aula

Princípios de Telecomunicações Aula 4 Prof Gabriel Queiroz Email gabrielqueirozcefetrjbr Por que FM é melhor que AM A modulação FM é desde o seu projeto mais robusta ao ruído O ruído afeta a amplitude do sinal mas não é na amplitude que a informação está contida mas sim na frequência Diferente do que acontece na modulação AM Por que FM é melhor que AM A modulação FM tem uma largura de banda maior mas se o ruído branco está presente em todas as frequências isso não significa que a potência do ruído também é maior do que no AM Sim tomando uma densidade espectral de potência fixa ao aumentar a banda a potência ou energia contida também aumenta Mas essa não é a pergunta certa Por que FM é melhor que AM A pergunta certa é importa que a potência do ruído possa ser maior Agora a resposta é não justamente pela natureza da interferência do ruído no sinal modulado e por um fenômeno curioso conhecido como efeito de captura efeito de captura Em FM é necessária uma SNR menor 6 dB do que em AM 20 dB E quais seriam as vantagens do rádio AM em relação ao rádio FM Há alguma Codificação de fonte e de canal Codificação de fonte Visa usar o menor número de bits possível para representar a mensagem sem comprometer a exatidão da detecção remove bits Codificação de canal Acrescenta redundância para ajudar o receptor a corrigir erros oriundos do ruído e da distorção do canal adiciona bits Codificação de fonte e de canal Codificação de fonte e de canal são dois estágios sucessivos presentes em sistemas de comunicações digitais digitais Aleatoriedade e redundância O ruído é aleatório Aleatoriedade vista como problema mas Aleatoriedade é imprevisibilidade incerteza Sem aleatoriedade não há informação pois o sinal seria portanto previsível ou conhecido a priori Uma mensagem só contém informação se for imprevisível Codificador de fonte Reduzir a redundância da mensagem com base em sua previsibilidade Já que não há informação se for previsível Usase um código o mais curto possível que seja capaz de representar o sinal fonte Em suma o código reduz a redundância para transmitir apenas a parte imprevisível ou aleatória da mensagem Codificador de fonte Uma codificação de fonte eficiente deve conter códigos curtos para mensagens mais previsíveis e códigos longos para mensagens mais imprevisíveis Exemplo código Morse inglês E T A prováveis palavrascódigo curtas X Q Z improváveis palavrascódigo longas Exemplo linguagens faladas o inglês apresenta 50 de redundância Codificador de fonte Tem como função então reduzir ao máximo a redundância do sinal quantizado de forma que seja utilizado um menor número de bits possível para sua representação sem no entanto perder informação significativa Também se pode dizer que a codificação de fonte realiza uma compressão de dados PCM G711 voz MPEG4 vídeo Codificador de canal O codificador de canal introduz de forma controlada uma quantidade padronizada de informação redundante de tal forma que no receptor essa informação adicional possa ser utilizada para detectar e corrigir erros decorrentes de ruídos e distorções no canal de comunicações Bit de paridade repetição Bluetooth Reed Solomon CDs DVDs Bluray QR code etc Codificador de canal A sequência numérica é transmitida pelo meio e enviada ao decodificador de canal o qual tenta reconstruir a sequência de informação original Baseado no conhecimento do código utilizado pelo codificador de canal e na redundância controlada contida na informação recebida Codificador de canal Ocorre no lado do transmissor antes da modulação e da codificação de linha Redundância adicionada para recuperar bits que se perdem em decorrência da resposta do canal Existem códigos que apenas detectam erros e códigos que corrigem erros Necessariamente se vai corrigir é porque detectou um erro Por que retirar redundância para depois acrescentar redundância Paradoxo da redundância A redundância acrescentada na codificação corretora de erros ou de canal só se justifica quando representa menos bits que os extraídos na codificação de fonte É um preço a pagar tradeoff ou relação de compromisso pela proteção da informação detecção correta correção de erros etc Paradoxo da redundância Há toda uma busca por combinações de codificação conjunta fontecanal que maximizem a remoção da redundância do sinal sem perder capacidade de detecção e correção de erros Exemplo soma de verificação checksum Em redes de computadores podem haver erros binários quando um datagrama pacote ou bloco de dados é armazenado na memória de um roteador Também é possível devido a ruídos atenuações e distorções que os bits sejam trocados o que representa um erro de bit Exemplo soma de verificação checksum O checksum é uma forma simples de detecção sem correção em redes de computadores Consiste em somar palavras sequências de 16 bits Exemplo soma de verificação checksum Na fonte Complemento a 1 da soma em complemento a 1 de todas as palavras de 16 bits Soma em complemento a 1 leva em conta o vai um do bit mais significativo O complemento a 1 troca todos os bits 1 do resultado por 0 e troca todos os bits 0 do resultado por 1 Exemplo soma de verificação checksum No destino Soma de todas as palavras de 16 bits incluindo os 16 bits da soma de verificação Se um ou mais bits do resultado forem 0 ocorreu um erro Exemplo soma de verificação checksum Em função da implementação um datagrama com erro pode ser Descartado Passado para a aplicação junto com um aviso Exemplo soma de verificação checksum Palavra 1 0110011001100000 Palavra 2 0101010101010101 Palavra 3 1000111100001100 Resultado da soma 10100101011000001 Ocorre um vai um carry ou overflow Complemento a 1 1011010100111101 Complemento o que falta para chegar em tudo 1 Exemplo soma de verificação checksum O resultado da palavra de checksum vai no cabeçalho do Protocolo de Datagrama de Usuário UDP Exemplo correção antecipada de erros FEC Várias taxas com maior ou menor inserção de redundância sobrecarga com bits de controle que não são informação Exemplo FEC 13 usado no Bluetooth por exemplo Triplica a quantidade de dados Bit repetido três vezes consecutivas 111 101 Codificação de linha Representação de como o sinal elétrico mapeia a informação digital pulsos bits diretamente no par de fios meio confinado ou no espaço livre meio não confinado como diferenças discretas de voltagem Cada símbolo conjunto de bits sequência de pulsos possui um valor de voltagem associado Codificação de linha A codificação de linha é feita antes da transmissão no meio seja uma transmissão em bandabase ou em RF Embora a modulação tenha suas vantagens ela nem sempre é necessária Alto consumo de energia em operações de RF Exemplos conexão USB RS232 LANs etc Codificação de linha O processo de codificação de linha consiste em representar o sinal digital de uma forma mais adequada à transmissão Note que a adequação aqui se refere à adequação da sequência de bits da transmissão para obter características desejáveis Não é uma adequação ao meio como é o caso da modulação Codificação de linha Alguns aspectos relevantes à transmissão do sinal são tratados através da codificação de linha Componente DC do sinal Largura de banda do sinal Sincronização Outros NRZ Não retorna a zero Sequência mais comum e simples de se trabalhar em circuitos digitais Análoga à modulação OOK Pode ser uma codificação unipolar apenas um valor de tensão diferente de zero ou bipolar dois valores A versão bipolar é empregada nas comunicações de portas seriais RS232 NRZ Não retorna a zero 1110100001110010000000000011101111 INFO NRZ 0V Quais são os problemas da codificação de linha NRZ E por que são um problema RZ Retorna a zero Um retorno ao zero acontece na metade do tempo de um bit E quando o tempo cai pela metade O que dobra Lida com o problema de longas sequências de 1s mas não com o de longa sequência de 0s na versão unipolar RZ Retorna a zero Apresenta selfclocking em sua forma bipolar O valor da componente DC cai pela metade O bit 1 é um pulso positivo na primeira metade e depois cai para zero O zero é nulo unipolar ou o inverso do 1 bipolar RZ Retorna a zero 11101000011100100000000000011101111 INFO RZ 0V NRZI Não retorna a zero invertido Um bit representa uma transição no valor de tensão e o outro mantém o valor de tensão Padrão usado nas comunicações básicas via USB Universal Serial Bus Possui também problemas com longas sequências do bit que mantém o valor de tensão Também existe a versão RZI NRZI Não retorna a zero invertido a Bit stream b NonReturn to Zero NRZ c NRZ Invert NRZI AMI Inversão de marca alternada Semelhante à RZ bipolar Elimina a componente contínua Problemas com longas sequências de zero cadência O bit 0 é ausência de nível de tensão e o bit 1 alterna entre pulsos positivos e negativos Largura de banda maior que a da NRZ AMI Inversão de marca alternada 0111010000111001000000000011101111 NRZ AMI Manchester Também possui o problema de usar o dobro de largura de banda Sempre há transição na linha Forte componente de relógio Usada nas redes Ethernet originais redes de computadores cabeadas Manchester Os bits não representam níveis de tensão mas sim transições O bit 0 é uma transição baixo alto O bit 1 é uma transição alto baixo CMI Inversão de marca codificada Transforma um bit em dois bits Menor eficiência são usados dois bits para se representar uma informação que é carregada por um bit O bit 0 vira 01 e o bit 1 vira 11 ou 00 alternadamente Mesmo conceito de alternância da AMI há várias codificações a partir da AMI CMI Inversão de marca codificada Dobra a frequência de bits em relação à NRZ Resolve os problemas de longas sequências de zeros e uns Possibilita a detecção de erros 11 seguido de 11 00 seguido de 00 10 CMI Inversão de marca codificada 0111010000111001000000000011101111 NRZ 01001100011101010101001100010111010101010101010100110010111001100 CMI 4B5B Uma codificação de linha que transporta conjuntos de 4 bits em conjuntos de 5 bits em um dicionário Não há associação direta de valor de tensão aos níveis 0 e 1 pode implementar como NRZ NRZI etc O diferencial desse mapeamento é impedir longas sequências de zero 4B5B Insere alguma capacidade extra de detecção de erros Como são usadas apenas 16 combinações das 32 possíveis 5 bits receber qualquer uma das outras combinações não usadas pode ajudar a interpretar uma falha ou erro de bit Usada em FDDI distribuição por fibra e em Fast Ethernet redes cabeadas de 100 Mbps 4B5B Data 4B Codeword 5B Data 4B Codeword 5B 0000 11110 1000 10010 0001 01001 1001 10011 0010 10100 1010 10110 0011 10101 1011 10111 0100 01010 1100 11010 0101 01011 1101 11011 0110 01110 1110 11100 0111 01111 1111 11101 4B5B O mapeamento tem uma eficiência de 80 Mesmo não sendo válidas para dados as sequências não usadas podem ter significado Sequências de controle de comunicação Linha ociosa 11111 ou início de uma transmissão 11000