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