Transmissão Digital em Banda Base: Técnicas e Processos

Transmissão Digital em Banda Base Técnicas de Transmissão Digital por Pulsos Sistema de Transmissão Digital PontoaPonto Diagrama de Blocos Funcional 2 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 Modulação por Pulso Banda Base Modulação em Banda Passante Filtro Casado Sincronismo Amostragem Detecção Demodulação da Banda Passante Canal Símbolo Transmitido Símbolo Recebido Estimado Modulação Mária Transmissão Digital em Banda Base Técnicas de Modulação por Pulsos Todo sistema de transmissão digital em banda passante como por exemplo os sistemas de comunicação sem fio possuem a etapa de processamento em banda base Sistemas de Comunicação Sem Fio Processamento em Banda Base Processamento em Banda Passante Ruído Térmico AWGN Resposta ao Impulso do Canal Transmissão Digital em Banda Base Técnicas de Modulação por Pulsos Taxa de Amostragem Tempo de Amostragem Quantiza cada valor amostrado em um dos níveis possíveis de quantização Codifica cada valor de nível em bits Codificação Modulação por Pulsos Amostragem Quantização Formas de Onda em Pulsos Sinais em Banda Base Fluxo de Bits bits de dados Formatação Inf Digital Inf Textual Inf Analógica Fonte Mapeia cada bits de dados em em um dos símbolos de saída e transmite a forma de onda em banda base com duração Taxa de Informação Dados Taxa de Símbolos Transmissão A taxa de transmissão em símboloss também é denominada de baud rate Transmissão Digital em Banda Base Técnicas de Modulação por Pulsos t Ts Sampling Time xnTs Valores Amostrados xqnTs Valores Quantizados Limites Níveis de Quantização 111 31867 110 22762 101 13657 100 04552 011 04552 010 13657 001 22762 000 31867 Palavras PCM 110 110 111 110 100 010 011 100 100 011 Sequência PCM Transmissão Digital em Banda Base Técnicas de Modulação por Pulsos Para se transmitir os bits de informação através do canal de comunicação eles precisam ser representados por pulsos formas de onda Um conjunto de bits é representado por um símbolo M símbolos possíveis Cada símbolo transmitido representa bits Cada forma de onda transporta ou representa um símbolo Existem modulações binárias M2 e modulações Márias M2 M k log2 Transmissão Digital em Banda Base Técnicas de Modulação por Pulsos 01 00 10 1 0 Transmissão Digital Transmissão de Sinais Símbolos Os sinais símbolos possuem duração definida Tempo de Símbolo Envolve a TransmissãoRecepção de Sinais de Energia 4PAM Pulso Retangular PAM Binário 2PAM Pulso Retangular 11 Exemplo Modulação Binária M2 Exemplo de Modulação Mária M4 Transmissão Digital em Banda Base Técnicas de Modulação por Pulsos 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 PAM Binário 2PAM Pulso Retangular 4PAM Pulso Retangular 10 11 01 01 00 Quais são os fatoresproblemas principais que afetam as formas de onda no canal de comunicação e geram erros de decisão no receptor Transmissão Digital em Banda Base Técnicas de Modulação por Pulsos Transmissão Digital em Banda Base Processo de Demodulação e Detecção Ruído Térmico AWGN Afeta o sinal de maneira aditiva Additive Possui densidade espectral de potência plana para toda faixa de frequência de interesse White É modelado como um processo aleatório Gaussiano Gaussian Noise Formatação Modulação por Pulso Modulação em Banda Passante Formatação Filtro Casado Sincronismo Amostragem e Detecção Demodulação da Banda Passante Canal Símbolo Transmitido Símbolo Estimado Modulação Mária Distorção Interferência Intersimbólica ISI InterSymbol Interference Devido ao efeito de filtragem no transmissor canal e receptor os sinais símbolos são alargados Este fenômeno é denominado de distorção e tem a ver com a resposta em frequência do canal Canal de comunicação se comporta como um filtro Canal de comunicação possui uma determinada largura de banda disponível Transmissão Digital em Banda Base Processo de Demodulação e Detecção Formatação Modulação por Pulso Modulação para Banda Passante Formatação Filtro Casado Sincronismo Amostragem e Detecção Demodulação da Banda Passante Canal Símbolo Transmitido Símbolo Estimado Modulação Mária Demodulação Passar o sinal de banda passante altas frequências para banda base baixas frequências Resulta na recuperação do sinal recebido em banda base A decisão sobre qual foi o símbolo bit dado informação transmitida é feita a partir do sinal em banda base Transmissão Digital em Banda Base Processo de Demodulação e Detecção Formatação Modulação por Pulso Modulação para Banda Passante Formatação Filtro Casado Sincronismo Amostragem e Detecção Demodulação da Banda Passante Canal Símbolo Transmitido Símbolo Estimado Modulação Mária Processamento em Banda Base Etapa 1 Filtragem Casada ou Correlator Preparar o sinal recebido em banda base para detecção decisão dos símbolos recebidos Calcular Estimar o nível de potência energia do sinal recebido em relação a potência energia do ruído usando um processamento denominado correlator ou filtragem casada filtro casado Transmissão Digital em Banda Base Processo de Demodulação e Detecção Formatação Modulação por Pulso Modulação para Banda Passante Formatação Filtro Casado Sincronismo Amostragem e Detecção Demodulação da Banda Passante Canal Símbolo Transmitido Símbolo Estimado Modulação Mária Processamento em Banda Base Etapa 2 Sincronismo de Símbolo e Amostragem Amostrar a forma de onda recuperada nos instantes de símbolos corretos na saída do correlator Processamento em Banda Base Etapa 3 Detecção Estimar o símbolo transmitido com base nas amostras do sinal recebido após o filtro casado Etapas de Processamento no Receptor Transmissão Digital em Banda Base Técnicas de Modulação por Pulsos Transmissão Digital em Banda Base Processo de Demodulação e Detecção Translação em Frequência downconversion Filtro de Recepção Correlator Filtro de Equalização Comparação com Limiar Para sinais passa faixa Banda Passante Compensação da ISI induzida no canal Pulso em Banda Base possivelmente distorcido Amostragem Teste Estatístico Pulso em Banda Base Forma de Onda Recebida Passo 1 Transformação de Forma de Onda para Amostra Passo 2 Tomada de Decisão Demodulação Filtro Casado Correlator Detecção Transmissão Digital em Banda Base Processo de Demodulação e Detecção Formatação Modulação por Pulso Modulação Banda Passante Formatação Filtro Casado Sincronismo Amostragem e Detecção Demodulação Canal Símbolo Transmitido Símbolo Estimado Modulação Mária 0 05 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Tempo s 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 Amplitude V Bits 1 0 1 0 1 1 0 05 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Tempo s 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 Amplitude V Bits 1 0 1 0 1 1 Transmissão Digital em Banda Base Sinal em Banda Base Transmitido 0 05 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Tempo s 2 15 1 05 0 05 1 15 2 Amplitude V Bits 1 0 1 0 1 1 Transmissão Digital em Banda Base Sinal em Banda Base Recebido Efeito do Canal AWGN 0 05 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Tempo s 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 Amplitude V Bits 1 0 1 0 1 1 0 05 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Tempo s 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 Amplitude V Bits 1 0 1 0 1 1 Transmitido Recebido Transmissão Digital em Banda Base Sinal em Banda Base Recebido Efeito do Canal AWGN 0 05 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Tempo s 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 Amplitude V Bits 1 0 1 0 1 1 0 05 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Tempo s 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 Amplitude V Bits 1 0 1 0 1 1 Transmitido Recebido Transmissão Digital em Banda Base Estrutura do Receptor com Correlatores Banco de M Correlatores Saída dos Correlatores Vetor de Observação Transmissão Digital em Banda Base Receptor com Filtro Casado O receptor com correlator é equivalente ao receptor com filtro casado Transmissão Digital em Banda Base Receptor com Filtro Casado Exemplo Transmissão Digital em Banda Base Saída do Filtro Casado Sem Ruído 0 05 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Tempo s 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 Amplitude V Bits 1 0 1 0 1 1 0 05 1 15 2 25 3 35 4 45 5 tempo s 2 15 1 05 0 05 1 15 2 Saída do Filtro Saída Amostrada Transmissão Digital em Banda Base Sinal Recebido com Ruído AWGN 0 05 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Tempo s 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 Amplitude V Bits 1 0 1 0 1 1 0 05 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Tempo s 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 Amplitude V Bits 1 0 1 0 1 1 Transmissão Digital em Banda Base Saída do Filtro Casado Com Ruído 0 05 1 15 2 25 3 35 4 45 5 tempo s 2 15 1 05 0 05 1 15 2 Saída do Filtro Saída Amostrada 0 05 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Tempo s 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 Amplitude V Bits 1 0 1 0 1 1 0 05 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Tempo s 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 Amplitude V Bits 1 0 1 0 1 1 Transmissão Digital em Banda Base Exemplo de Filtro Casado Caso Ideal Sem Ruído Sinal Recebido Transmissão Digital em Banda Base Exemplo de Filtro Casado Caso Ideal Sem Ruído Sinal Recebido Transmissão Digital em Banda Base Exemplo de Filtro Casado Transmissão Digital em Banda Base Problema da Distorção Entendendo o Problema da Distorção do Sinal no Canal de Comunicação Transmissão Digital em Banda Base Problema de Distorção Formatação Modulação por Pulso Modulação em Banda Passante Formatação Filtro Casado Sincronismo Amostragem e Detecção Demodulação da Banda Passante Canal Símbolo Transmitido Símbolo Estimado Modulação Mária Distorção Interferência Intersimbólica ISI InterSymbol Interference Devido ao efeito de filtragem no transmissor canal e receptor os sinais símbolos são alargados Este fenômeno é denominado de distorção e tem a ver com a resposta em frequência do canal Transmissão Digital em Banda Base Problema da Distorção A distorção do sinal transmitido pode ocorrer devido aos seguintes fatores a Se a largura de banda do sinal for maior que a largura de banda disponível no canal de comunicação b Se a largura de banda do sinal se encaixa na largura de banda do canal mas o canal possui uma resposta em frequência módulo não constante c Se a largura de banda do sinal se encaixa na largura de banda do canal mas o canal possui uma resposta em frequência fase não linear Transmissão Digital em Banda Base Problema da Distorção Tarefa Efeito de Distorção no Sinal Transmitido Wolfram Cloud wwwwolframcloudcom Exemplo de um Espaço de Sinais Exercício Representação Geométrica de um Conjunto de Sinais Constelação de Sinais Implementação do Receptor com Correlatores Banco de N Correlatores Saída dos Correlatores Vetor Observado Implementação do Receptor com Filtro Casado Banco com N Filtros Casados Saída do Filtro Casado Vetor Observado Filtro 1 Filtro N Exemplo de Receptor com Filtro Casado Apenas um Filtro Casado T 1 Transmissão Digital em Banda Base Representação Geométrica de Sinais Na prática a arquitetura do transmissor e do receptor utilizam a constelação de sinais O transmissor utiliza a constelação de sinais para gerar as formas de onda transmitidas O receptor utiliza a constelação de sinais para decidir qual foi o sinal transmitido No receptor a saída dos correlatores do sinal recebido com os sinais de base representa a coordenada recebida ponto recebido na constelação de sinais Transmissão Digital em Banda Base Esquema MPAM Utiliza um conjunto de sinais pulsos para transmissão Cada pulso representa um símbolo transporta um símbolo Exemplos B B T 01 3B T T 3B T 00 10 1 A T 0 T A 4PAM Pulso Retangular PAM Binário 2PAM Pulso Retangular 11 Detecção do MPAM AmplitudeFase Variável de Decisão Detetor ML Compara com M1 limiares Representação Geométrica do MPAM 00 01 11 10 4PAM Constelação de Sinais Transmissão Digital em Banda Base Representação Geométrica de Sinais O desempenho das modulações digitais é geralmente expresso em termos da Probabilidade de Erro de Bit BER Probabilidade de Erro de Símbolo SER Para o canal AWGN problema do ruído térmico o desempenho é função da relação sinalruído SignaltoNoise Ratio A relação sinalruído é a razão entre potência de sinal recebida e potência de ruído no receptor SNRPrxPnoise Também pode ser expressa em termos da energia de símbolo ou energia de bit recebida pelo parâmetro do ruído térmico EbN0 ou EsN0 Desempenho Probabilidade de Erro Detecção do MPAM Desempenho Probabilidade de Erro Função Qx e Função Erro Complementar