Plano de Ensino: Sistemas de Comunicações Digitais - Prof. Marcelo E. Pellenz

Sistemas de Comunicações Digitais Prof Marcelo E Pellenz Escola Politécnica Pontifícia Universidade Católica do Paraná PUCPR Sistemas de Comunicações Digitais Plano de Ensino Tópicos de Estudo Metodologia de Avaliação Avaliações Formativas Listas de Exercícios Atividades de Simulação Projetos em Equipe Avaliações Somativas Avaliações Individuais Disciplinas Correlatas Análise de Sinais e Sistemas Processamento Digital de Sinais Ferramenta e Atividades de Simulação As atividades de simulação serão desenvolvidas nos softwares Matlab Mathematica e na plataforma Tinkercad Os estudantes podem baixar a versão completa do software Matlab do site da Mathworks usando o email institucional da PUCPR httpswwwmathworkscom Sistemas de Comunicações Digitais Tópicos Introdução aos Sistemas de Transmissão Digital Fundamentos Básicos da Teoria de Informação Processo de Digitalização de Sinais Analógicos Modelo de Canal AWGN Recepção Ótima no Canal AWGN Transmissão Digital em Banda Base Banda Passante Fundamentos de Comunicações Sem Fio Sistemas de Comunicações Digitais Objetivos Entender os princípios básicos da transmissão digital Conhecer e aplicar os fundamentos básicos de análise de sinais Identificar os limites teóricos de capacidade de transmissão digital Interpretar métricas de desempenho dos sistemas de transmissão digital Especificar avaliar e comparar diferentes tecnologias de comunicação digital Selecionar e integrar diferentes arquiteturas de comunicação Exemplos de Sistemas de Comunicação Cabeados Sistemas Convencionais de Telefonia Fixa Sistemas de Distribuição de Sinal de TV via Cabo CATV Redes Cabeadas Wired Networks LANs Backbone de Fibra Ótica das Operadoras de Telecomunicações MANs WANs Barramento de comunicação para comunicação entre CPU memória e periféricos Exemplos de Sistemas de Comunicação Sem Fio Wireless Transmissão via Satélite Transmissão de Sinais de Rádio e TV Telefone Sem Fio Sistemas de Telefonia Móvel Celular Redes Sem Fio WiFi Bluetooth Zigbee LoRa Enlaces de Microondas Redes de Sensores Sem Fio GPS Sistemas de Comunicações Digitais 7 O que caracteriza um sistema de comunicação digital Sistemas de Comunicações Digitais Fundamentos de Transmissão Digital Porque utilizar sistemas digitais ao invés de analógicos Quais os componentes de um sistema de transmissão digital 8 Sistemas de Comunicações Digitais Diagrama de Blocos Genérico de um Sistema de Transmissão Digital PontoaPonto Fonte de Informação Formatação Codificação de Fonte Cifragem Codificação de Canal MUX Modulador Múltiplo Acesso Interface de TX Canal Formatação Decodificação de Fonte Decifragem Decodificação de Canal DEMUX Demodulador Múltiplo Acesso Interface de Rx TRANSMISSOR RECEPTOR Receptor da Informação Sincronização Dados de Outras Fontes Dados para Outras Fontes DA AD 8 Simplex HalfDuplex FullDuplex TDD FDD Distúrbios Introduzidos pelo Canal As fontes de informação podem ser analógicas ou digitais discretas Sistemas de Comunicações Digitais Fundamentos de Transmissão Digital O bloco de formatação é responsável pela digitalização do sinal quando temos fontes de informação analógicas eou pela adequação dos dados da fonte digital discreta Fonte de Informação Formatação Codificação de Fonte O bloco de codificação de fonte é responsável pelo processo de compressão ou compactação dos dados de informação provenientes da fonte Cifragem O bloco de cifragem é responsável pelo mecanismosalgoritmos de segurança associados ao processo de comunicação Codificação de Canal O bloco de codificação de canal é responsável pelo processo de detecção e correção de erros que possam ocorrer durante a comunicação MUX O bloco de MUX MUltipleXing é responsável agregação de dados de diferentes fontes ou aplicações no lado do transmissor Mapeia a informação digitaldiscreta em formas de onda sinais apropriadas para a transmissão no canal de comunicação Sistemas de Comunicações Digitais Fundamentos de Transmissão Digital Modulador Múltiplo Acesso As técnicas de múltiplo acesso permitem que o canal de comunicação seja compartilhado por diversos usuáriosdispositivos TDMAFDMACDMASDMA O canal de comunicação pode ser um meio cabeado guiado ou sem fio O canal introduz distúrbios no sinal transmitido que afetam o processo de recepção Transforma os sinais digitais tempo discreto em formas de onda analógicas tempo contínuo que são efetivamente enviadas no canal de comunicação Interface de Tx Canal As técnicas de transmissão digital podem ser classificadas em transmissão digital em banda base e transmissão digital em banda passante Sistemas de Comunicações Digitais Fundamentos de Transmissão Digital Na transmissão digital em banda base a informação digital é representada por sinais que são pulsos no tempo Na transmissão digital em banda passante a informação digital é representada por sinais que envolvem o uso de portadoras ondas senoidaiscossenoidais Quais são os distúrbios que podem ser introduzidos pelo canal de comunicação no sinal transmitido e que afetam o desempenho do receptor 12 Sistemas de Comunicações Digitais Fundamentos de Transmissão Digital 13 Principais Distúrbios Introduzidos pelo Canal de Comunicação Ruído Térmico Atenuação Perda de Percurso Distorção Atraso Delay Desvanecimento Fading Interferência Sistemas de Comunicações Digitais Fundamentos de Transmissão Digital Ruído Térmico O ruído térmico é um fenômeno físico gerado naturalmente nos circuitos elétricoseletrônicos Em geral o nível de ruído térmico é muito baixo sendo afetado apenas pela temperatura No contexto das comunicações sem fio ele é particularmente problemático no lado do receptor onde o nível de sinal recebido pela antena é muito baixo Portanto por menor que seja o nível de ruído térmico gerado no circuito do receptor ele pode afetar a qualidade do sinal recebido Atenuação Quando um sinal de propaga do transmissor para o receptor através do canal de comunicação ele sofre uma redução na sua amplitudeintensidade Este fenômeno é chamado de atenuação ou perda de percurso A atenuação ocorre na comunicação em meios guiados cabeados como por exemplo par metálico cabo coaxial fibra ótica A atenuação também ocorre na comunicação em meios não guiados como na comunicação sem fio Sistemas de Comunicações Digitais Fundamentos de Transmissão Digital Distorção O problema de distorção do sinal transmitido têm como origem a limitação de largura de banda do canal de comunicação O sinal transmitido ocupa uma determinada largura de banda ou seja possui um determinado espectro de frequências O canal de comunicação possui uma largura de banda disponível A largura de banda do sinal transmitido deve ser igual ou menor que a largura de banda disponível no canal para que não ocorra distorção Interferência O problema da interferência ocorre quando o sinal recebido é afetado por outro sinal no canal de comunicação A interferência pode ter origem devido a transmissões concorrentes de outros usuários ou sistemas de comunicação Sistemas de Comunicações Digitais Fundamentos de Transmissão Digital Atraso Atraso é um problema inerente a todo sistema de comunicação analógico e digital Existem diferentes tipos de atraso no processo de comunicação Atraso de processamento Transmissor este atraso ocorre devido as etapas de processamento do sinal no transmissor antes de ser enviado no canal Atraso de transmissão Transmissor é o tempo que transmissor leva para enviar o quadro no canal de comunicação Atraso de propagação Canal de Comunicação tempo que o sinal leva se propagando entre o transmissor e o receptor Fading Este é um problema padrão da comunicação sem fio que ocorre devido aos múltiplos percursos múltiplas reflexões que o sinal segue entre transmissor e receptor O resultado do efeito de desvanecimento ou fading é uma atenuação adicional e variável do sinal no recebido pelo receptor Sistemas de Comunicações Digitais Fundamentos de Transmissão Digital Principais Distúrbios Introduzidos pelo Canal de Comunicação Distúrbio Tipo de Canal de Comunicação Ocorrência Origem Ações Meios Guiados Cabeados Meios Não Guiados Canal Sem Fio Sempre Sob Certas Condições Eliminar Compensar Minimizar Nenhuma Ruído Térmico X X X Circuitos Eletrônicos do Receptor X Atenuação Perda de Percurso X X X Propagação do Sinal no Meio Físico Canal X Distorção X X X Largura de Banda do SinalCanal X X Interferência X X X Outros Usuários ou Sistemas ou Equipamentos X X Atraso Delay X X X Distância de Propagação entre Transmissor e Receptor X Desvanecimento Fading X X Fenômeno de Propagação de Múltiplos Percursos Auto Interferência X Sistemas de Comunicações Digitais Fundamentos de Transmissão Digital Quais são as métricas de desempenho e os parâmetros importantes de um sistema de transmissão digital 18 Sistemas de Comunicações Digitais Fundamentos de Transmissão Digital 19 Parâmetros e Métricas Importantes na Transmissão Digital Largura de Banda do Canal Taxa de Transmissão Eficiência Espectral Relação SinalRuído Probabilidade de Erro de Bit BER Símbolo SER QuadroPacote FERPER Sistemas de Comunicações Digitais Fundamentos de Transmissão Digital Frequência de Operação A largura de banda é um recursoparâmetro de qual quais elementos do sistema de comunicação Sistemas de Comunicações Digitais Fundamentos de Transmissão Digital Lista 1 Plataforma SOCRATIVE Nome da Sala SCOMPUCPR Sistemas de Comunicações Digitais Fundamentos de Transmissão Digital Formatador Decodificador de Fonte Decodificador de Canal Demodulador Formatador Codificador de Fonte Codificador de Canal Modulador Transmissor Receptor SOURCE Informação Transmissor Sinal Transmitido Sinal Recebido Receptor Informação Recebida Ruído Canal Fonte Usuário Sistemas de Comunicações Digitais Diagrama de Blocos Simplificado Como podemos determinar ou estimar a capacidade máxima de transmissão de um sistema de comunicação Teoria versus Tecnologia Sistemas de Comunicações Digitais Fundamentos de Transmissão Digital Fundamentos da Teoria da Informação e Codificação Sistemas de Comunicações Digitais Teorema de Capacidade de Canal Teorema da Capacidade de Canal de Shannon Canal AWGN Additive White Gaussian Noise Sistemas de Comunicações Digitais Teorema de Capacidade de Canal Sistemas de Comunicações Digitais Claude Elwood Shannon 1916 2001 Definição de capacidade de canal A maior taxa de informação que pode ser transmitida de forma confiável através de um canal de comunicação Transmissão confiável significa uma transmissão livre de erros ou com uma probabilidade de erro arbitrariamente baixa Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon O que significa uma BER arbitrariamente baixa Quais as implicações práticas no projeto do sistema de comunicação Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon Esta capacidade é afetada pelo Efeito de atenuação do canal que varia com a frequência e a distância Efeito do ruído e interferência induzido no canal de comunicação Efeitos não lineares durante a transmissão como a distorção do sinal Embora os efeitos de distorção e atenuação possam ser minimizados ou compensados não é possível remover o ruído Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon Alguns destes efeitos como por exemplo a atenuação podem variar com o tempo como por exemplo o comportamento do canal de rádio móvel Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon Modelo do Canal AWGN Additive White Gaussian Noise Channel Taxa de Transmissão de Informação 𝑅 Capacidade de Canal 𝐶 Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon O teorema da codificação de canal de Shannon diz que Se 𝑅 𝐶 então existe em princípio uma técnica de codificação de canal que possibilita a transmissão de informação de forma confiável sem erros ou com probabilidade de erro arbitrariamente baixa através de um canal ruidoso Por outro lado se 𝑅 𝐶 então a probabilidade de erro do sistema de transmissão será muito alta para cada símbolo transmitido tornando o sistema de comunicação inútil A fórmula de Capacidade de Canal de Shannon AWGN é dado por Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon 33 Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon Fonte de Informação Formatação Codificação de Fonte Cifragem Codificação de Canal MUX Modulador Múltiplo Acesso Interface de TX Canal Formatação Decodificação de Fonte Decifragem Decodificação de Canal DEMUX Demodulador Múltiplo Acesso Interface de Rx TRANSMISSOR RECEPTOR Receptor da Informação Sincronização Dados de Outras Fontes Dados para Outras Fontes DA AD 33 A capacidade de canal C aumenta com o aumento da disponibilidade de banda B e também com o aumento da relação sinalruído SN Relação SinalRuído SignaltoNoise Ratio SNR Sistemas de Comunicações Óticas e Sem Fio Teorema da Capacidade de Canal de Shannon O teorema da capacidade de canal é um dos resultados mais importantes da teoria de informação Uma simples fórmula estabelece a relação entre três parâmetros chaves do sistema de comunicação Largura de Banda do Canal B Potência Média Recebida do Sinal S Potência do Ruído no Receptor N Para uma dada potência média recebida S e largura de banda de canal B nós podemos transmitir informação sem erros numa taxa C bitss desde que seja utilizado um sistema de codificação suficientemente complexo para correção de erros Não é possível transmitir a uma taxa maior que C bitss usando qualquer esquema de codificação sem uma probabilidade de erro definida Portanto o teorema de capacidade de canal define o limite fundamental Teórico de taxa para transmissão livre de erros num canal limitado em potência e limitado em largura de banda Sistemas de Comunicações Óticas e Sem Fio Teorema da Capacidade de Canal de Shannon Exemplo Considere uma transmissão digital em uma linha telefônica par metálico com largura de banda de 1MHz Considere que o sinal recebido possui uma potência 15 vezes maior que a potência do ruído no receptor Calcular a capacidade teórica de transmissão deste canal de comunicação Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon Exercício 1 Considere que um canal de comunicação possua largura de banda disponível de 5MHz a Calcule a capacidade de canal para uma relação sinalruído de 5 dB b Calcule a capacidade de canal para uma relação sinalruído de 15 dB Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon Qual foi a máxima taxa de transmissão dos modems discados Qual a máxima taxa de transmissão da tecnologia ADSL Discutir como foi possível a evolução de taxa de transmissão do ADSL dado que ele utiliza o mesmo canal de comunicação meio físico do modem discado Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon Aparentemente observando a fórmula de capacidade parece que um acréscimo de largura de banda B resulta num aumento proporcional de capacidade C Contudo isso não acontece pois um aumento de largura de banda também resulta num aumento de potência do ruído dado que Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon Considere o caso onde exista uma largura de banda infinita disponível Valor Finito lim 𝑥 1 1 𝑥 𝑥 𝑒 Exemplo da Derivação no Software Mathematica wwwwolframcloudcom Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon Limite Inferior de Capacidade de Shannon Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon 5 0 5 10 15 20 25 10 2 10 1 10 0 10 1 EbNo dB Eficiência Espectral RB bitssHz Curva de Capacidade de Shannon Limite Inferior de Capacidade Dentro da Capacidade Fora da Capacidade Sistemas de Comunicações Digitais Curva de Capacidade de Canal Demonstração Quando RB for muito pequeno temos 𝑒𝑥 1 𝑥 Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon Lista 2 Plataforma SOCRATIVE Nome da Sala SCOMPUCPR Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon Tarefa 1 Curva de Capacidade de Canal de Shannon Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon a Usando o software Matlab traçar o gráfico da curva capacidade de canal em termos da eficiência espectral versus relação sinalruído Eixo y Eficiência espectral Τ 𝑅 𝐵 Escala Logarítmica Escala do eixo y 102 a 101 Eixo x Relação SinalRuído 𝐸𝑏𝑁0 dB Escala do eixo x 5 dB a 25 dB b Interpretar a curva de capacidade de canal e o limite inferior de capacidade 𝐸𝑏 𝑁0 𝑚𝑖𝑛 2𝑅𝐵 1 𝑅𝐵 Tarefa 1 Curva de Capacidade de Canal 5 0 5 10 15 20 25 10 2 10 1 10 0 10 1 EbNo dB Eficiência Espectral RB bitssHz Curva de Capacidade de Shannon 16 dB Dentro da Capacidade Fora da Capacidade Curva de Capacidade de Canal Tarefa 2 Exercícios Capacidade de Canal de Shannon Sistemas de Comunicações Digitais Teorema da Capacidade de Canal de Shannon Exercício 1 Considere uma canal de comunicação com largura de banda de 10MHz a Calcule a capacidade de canal para uma relação sinalruído de 10 dB b Calcule a relação sinalruído mínima necessária em dB para se transmitir informação através deste um canal com taxa de 20 Mbps Tarefa 2 Exercícios Exercício 2 Mostre que de acordo com o teorema de Shannon se a potência do sinal é igual a potência do ruído a capacidade do canal em bitss é igual a largura de banda B Hz Exercício 3 Um sistema de transmissão digital transmite em um canal de comunicação com largura de banda de 1MHz e opera com relação sinalruído de 10 adimensional Se a largura de banda for reduzida de 25 de quanto deve ser aumentada a potência do sinal recebido para manter a mesma capacidade de canal Modelagem do Ruído Térmico Additive White Gaussian Noise AWGN Sistemas de Comunicações Digitais Modelagem do Ruído Térmico Existem diferentes tipos de ruído Ruído Térmico O ruído térmico é gerado pela agitação de elétrons e está presente em todos os circuitosdispositivos elétricoseletrônicos O ruído térmico não pode ser eliminado e é função da temperatura O ruído térmico é particularmente problemático na comunicação sem fio Ruído de Intermodulação Crosstalk Ruído Impulsivo Sistemas de Comunicações Digitais Modelagem do Ruído Térmico A intensidade de ruído térmico encontrado em uma largura de banda de 1Hz em qualquer dispositivo ou condutor é dado por O ruído térmico é assumido ser independente da faixa frequência A potência média de ruído térmico presente em uma largura de banda de B Hz Em Watts 𝑁 𝑘𝑇𝐵 𝑁0𝐵 Em decibéis dBW 𝑁 10 log10𝑘 10 log10𝑇 10 log10𝐵 Sistemas de Comunicações Digitais Modelagem do Ruído Térmico 𝑁0 𝑘𝑇 WHz 𝑁0 Densidade espectral de potência do ruído em Watts por 1 Hz de banda 𝑘 Constante de Boltzmann 13803 1023 JK 𝑇 Temperatura absoluta em graus Kelvin 𝑁 2286 dBW 10 log10𝑇 10 log10𝐵 Sistemas de Comunicações Digitais Modelagem do Ruído Térmico Modelo do Canal AWGN Additive White Gaussian Noise Channel 𝜎𝑛2 𝑁0 2