Transmissão Digital, Notas de aula de Engenharia Elétrica. Universidade Tecnica de Lisboa
Edilson.Camargo
Edilson.Camargo12 de Abril de 2016

Transmissão Digital, Notas de aula de Engenharia Elétrica. Universidade Tecnica de Lisboa

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Transmissão Digital

Página - 1

Índice

Introdução à Comunicação Digital

Introdução

PCM

Conversores A/D

Revisão de Modulação

Modulação Digital

Modulação ASK

Modulação FSK

Modulação PSK

Modulação QAM

Técnicas de Acesso ao Meio

Técnicas de Acesso

Espalhamento Espectral

Canais de Comunicação

Broadcasting

Rádio Digital

Telefonia Celular

TV Digital

Página - 2

1. INTRODUÇÃO:

 Os processos de modulação digital, tal como nos processos de modulação

analógica, consistem em alterar as características de uma portadora a partir

das variações de um sinal modulante.

 O que caracteriza uma modulação é o fato do sinal modulante ser sempre do

tipo digital. Já a portadora poderá ser digital ou analógica.

 As técnicas empregadas neste estudo utilizam a portadora analógica senoidal

já que somente esta pode ser irradiada, com eficiência, sob forma de onda

eletromagnética.

1.1. Como é o sistema de Transmissão Digital?

1.2. Canais de Propagação:

 Canais Livres

 Canais Guiados

1.3. Tipos de Modulação Digital

 Os processos de modulação digital com portadora analógica podem ser

classificados pelos seguintes critérios:

Página - 3

A. Quanto ao Tipo de Modulação:

 Amplitude: ASK

 Frequência: FSK

 Monobit: 2-PSK

 Multinível (M-ary)

 Fase: PSK

 Diferencial: DPSK

B) Quanto ao Número de Bits por ciclo da Portadora:

 Monobit: um bit por ciclo

 Multi-Nível: Mais de um bit por ciclo

1.4. Parâmetros da Modulação Digital

Os processos de modulação digital possuem parâmetros específicos classificados

pelos seguintes critérios:

A) Taxa de transmissão de dados –Data Rate –(DR):

 Indica o valor quantitativo de bits transmitidos em 1 segundo. Exemplo:

 64kbps (64 mil bits transmitidos em 1s)

 4,5Mbps(4,5 milhões de bits transmitidos em 1s) .

B) Índice de Modulação (M):

 A transmissão digital, diferentemente da analógica, possui apenas duas

condições para os dados transmitidos, zero (baixo) ou um (alto), desta forma

a definição de índice de modulação é quantificar as alterações sofridas pela

portadora senoidal em função do sinal modulante.

 O índice de modulação para as transmissões digitais é expresso por:,

M= 2

Página - 4

Onde: M: número de estados ou índice de modulação

n: número de bits por segundo.

Nota: O Índice de Modulação pode variar de acordo com as diversas técnicas

de modulação digital empregadas.

C) Número de Bits Transmitidos (n):

 A denominação “número de bits” significa a quantidade de bits que são

necessários para transmitir uma determinada quantidade de informação e

está relacionado diretamente em função ao índice de modulação (M)

específico a cada técnica.

 O número de bits transmitidos é expresso por:

 Onde:

M – número de estados ou índice de modulação;

n – número de bits necessários para transmitir determinada

informação.

D) Eficiência da codificação:

E) Taxa de Transferência (fi):

 É a velocidade com que a informação binária de 2 estados é transmitida pelo

canal de comunicação, sendo medida em bits por segundo.

n= ������2��

Eficiência=

x 100%

�� =

[bps]

Página - 5

Onde: Ti: Período da Transmissão

n: número de bits transmitidos.

F) Capacidade de Canal:

 É a taxa máxima na qual uma informação pode ser transmitida através de um

canal de transmissão com banda limitada.

Onde: BW-Largura de banda do canal

S/N – Relação sinal/ruído

G) Largura de Banda ou Banda Alocada (BW ou BO):

 Corresponde ao valor em Hertz que efetivamente a portadora modulada

necessitará para a transmissão de dados.

 É agregado ao valor percentual total da largura de banda da portadora

denominado de ROOLOff. Este valor varia de acordo com padrões e o mais

utilizado éo IBS / IDR que corresponde a um ROOLOff de 40%

�� = ���� × ������2 (

+ 1) [bps]

BWmin = ( × )

[bps]

Página - 6

H) Taxa de Erro de Bit (BER):

 As transmissões digitais podem sofrer degradações que causam a perda de

informação, ou seja, de bits transmitidos. A maneira de se mensurar esta

perda de dados é através da taxa de erro de bit(BER).

 Exemplo:

• BER = 1 x 10-4: significa que ocorre 1 erro de bit para cada 10 mil bits

transmitidos.

• BER = 3 x 10-6: significa que ocorrem 3 erros de bit para cada 1 milhão de

bits transmitidos.

BER=

Página - 7

1.5. Formato de dados na transmissão digital:

A) Não Retorno ao Nível Zero (NRZ-L)

• Duas diferentes voltagens para o bit 0 e 1;

• Voltagem constante durante o intervalo do bit;

– Nenhuma transição, significando não retorno a voltagem zero;

– Ausência de voltagem para o bit 0 e voltagem positiva constante para

o bit 1;

– Muitas vezes o bit 1 tem um valor negativo e o bit 0 tem um valor

positivo.

Página - 8

B) Não retorno ao Zero Invertido (NRZI)

• Pulso de voltagem constante para duração do bit.

• Dado codificado como presença ou ausência da transição do sinal no início

do bit (bit time).

– Transição (baixo para alto ou alto para baixo) denota o bit 1;

– Nenhuma transição representa o bit 0.

• Exemplo de codificação diferencial.

– Dado é representado pela troca ao invés dos níveis;

– Mais confiável detecção na troca do que em nível;

– Fácil de perder a polaridade.

NRZ - Prós e Contras

• Prós:

– Facilidade de implementação;

– Faz bom uso da largura de banda.

• Contra:

– Componente dc;

– Ausência de capacidade de sincronização.

• Usado para gravação magnética

• Não uso em transmissão de sinais

C) MultilevelBinary Bipolar-AMI

• Usa mais de dois níveis de sinal.

• Bipolar-AMI.

– Zero representado por ausência de sinal na linha;

Página - 9

– Um representeado por pulso negativo e positivo;

– Pulso um alterna em polaridade;

– Para longo string de uns não há perda de sincronismo;

– Longo string de zero ainda é problema;

– Não existe componente dc;

– Fácil detecção de erro.

D) Multilevel Binary Pseudo-ternary

• Um representado pela ausência de sinal;

• Zero representado por alternado positivo e negativo;

• Nem vantagem ou desvantagem sobre o bipolar-AMI.

Multilevel Binary Issues

• Continua problema com strings de 0’s ou 1’s.

– Pode se inserir bits adicionais.

• Não é eficiente comparado ao NRZ.

– Cada elemento do sinal representa somente um bit.

• Receptor deve distinguir três níveis: +A, -A, 0;

• Um sistema com 3 níveis poderia representar log23 = 1.58 bits.

E) Codificação Manchester

• Transição se dá no meio de cada período;

• Transição serve como clock e dado;

• Baixo para alto representa o bit 1;

Página - 10

• Alto para o baixo representa o bit 0;

• Usado em IEEE 802.3.

F) Codificação Diferencial Manchester

• Transição no meio do bit é para sincronização;

• Transição no início do período representa o bit 0;

• Ausência de transição no início representa o bit 1;

• Usado em IEEE 802.5.

G) Bifase – Prós e Contra

• Prós

– Sincronização no meio do bit (self clocking);

– Não tem componente dc;

– Possui detecção de erro.

Página - 11

• Contra

– No mínimo uma transição por bit e possivelmente duas;

– Taxa de modulação máxima é duas vezes NRZ;

– Requer mais largura de banda.

2. Modulação por Código de Pulso (PCM):

2.1. Introdução:

 Uma maior parte dos sinais que são processados em uma rede de

telecomunicações são sinais analógicos, como por exemplo, o sinal

produzido pelo microfone do aparelho telefônico.

 Para realizar o processamento digital destes sinais, é necessário convertê-los

para um formato digital.

 A técnica mais usada para realizar a conversão de um sinal analógico em

digital é a modulação por código de pulso (PCM).

 A modulação PCM consiste basicamente de três operações separadas:

• Amostragem;

• Quantização;

• Codificação.

• O sinal analógico x(t), passa por um filtro passa-baixa, responsável por limitar

a banda do sinal, sendo então amostrado pelo circuito de amostragem e

retenção obtendo assim um sinal PAM x(kTs). De seguida o sinal é

quantificado em q níveis discretos e este sinal xq(kTs) é então codificado.

Página - 12

2.2. Teorema da Amostragem

 O teorema de amostragem de Nyquist diz:

“Um sinal mantem todas as suas informações se for amostrado a uma

frequência (fs) maior que duas vezes a sua máxima frequência (fm).”

Onde: fs – Frequência de amostragem

fm– Frequência do sinal analógico (informação)

2.3. Espectro do sinal Amostrado

 O espectro de frequências deste sinal é composto basicamente da frequência

fundamental do sinal, que também será a frequência de amostragem (fs=

1/Ts) e suas frequências harmônicas 2fs, 3fs, 4fs...com as amplitudes das

componentes varia de acordo com a seguinte equação: Sa (x) = sin (x) / x.

 Nos sistemas reais o sinal de amostragem utilizado é um trem de pulso, que

é uma série periódica de pulsos com amplitude fixa (A), largura finita (τ) e

período (T). Neste caso, podemos definir o ciclo de trabalho do sinal como

sendo d = τ / T.

�� ≥ 2 × ��

Página - 13

Exemplo 1: Sinal de amostragem com T = 1 ms, τ = 0.25 ms., d =0.25, A =

1V .

Exemplo 2: Sinal de amostragem com T = 1 ms., τ = 0.125 ms., d =0.125, A

= 1V.

2.4. Quantização

 A quantização é um processo no qual as amostras individuais do sinal de

informação são arredondadas para o nível de tensão de referência mais

próximo.

 O erro introduzido neste processo é conhecido como erro de quantização ou

ruído de quantização.

 A quantidade de níveis a ser utilizada depende do número de bits do código

utilizado.

Página - 14

 O intervalo entre os níveis pode ser uniforme (linear) ou em compressão,

variando conforme a amplitude (não linear).

 Processo de Quantização: O sinal analógico é subdividido em níveis

discretos que são associados a valores digitais.

Onde: Vfs – Tensão de fundo de escala, ou tensão de referência; Vfs = Vref

n – Número de bits do conversor

A) Quantização Uniforme

 Para um sinal de informação cuja amplitude máxima é A (Vmax) e a amplitude

mínima é –A (Vmim), as amostras podem assumir quaisquer valores entre -A e

A.

 Se definirmos um conjunto limitado (N+1) de níveis de referência de tensão

entre -A e A, teremos como resultado N intervalos de quantização.

 A diferença entre um nível e próximo intervalo de quantização (q) ou passo

de quantização (ΔV) que pode ser calculado:

�� = ��

2 [2 ������0 + 2 ������1 + ⋯+ 2 ������ �� − 1 ] ±

��

2

�� =

2 =

2

2 = ∆��)

Página - 15

 Ilustração do sinal PCM quantização uniforme

B) Quantização por Compressão

 Na prática são frequentes dois tipos de curvas de compressão:

 Curva de compressão μ, adoptada nos Estados Unidos, Canadá e no Japão.

Página - 16

 A curva de compressão A, utilizada na Europa:

Página - 17

2.5. Análise de um sistema PCM

Erro de Quantização: É a diferença entre o sinal amostrado e o sinal

quantificado, podendo ser calculado pela seguinte expressão:

Faixa Dinâmica: É a razão entre o maior e o menor sinal analógico que pode

ser transmitido:

 A faixa dinâmica em sistemas de transmissão digital é geralmente calculada

em dB.

Ruído de Quantização:O ruído de quantização esta relacionado com a

incerteza quântica: (±

2

Relação Sinal/Ruído de Quantização:É a relação entre os valores RMS do

sinal original e os erros presentes no sinal.

�� = ±

2 ; �� = ±

2√

���� = ��

�� =

��

�� = 2

���� ���� = 20 ������ ( �� ��

)

�� ̅̅̅̅ =

2 ;

��/�� ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅ = 2 √

3

2

Página - 18

2.6. Modulação Diferencial PCM

 Uma desvantagem da modulação PCM é a largura de banda necessária para

transmitir o sinal, que é diretamente proporcional ao número de bits por

palavra.

 Um método de conversão analógico-digital alternativo é a modulação

diferencial por código de pulso.

 Este modulador compara o sinal amostrado com o sinal amostrado no

instante de amostragem anterior, a diferença entre os dois sinais é

quantificada, codificada e transmitida.

 Como a gama de amplitudes do sinal diferença entre amostras consecutivas

é menor que a gama de amplitudes do sinal analógico, é necessário um

número menor de bits para codificar o sinal diferença mantendo-se o mesmo

erro de quantificação que a modulação PCM.

2.7. Modulação Delta

 A modulação Delta é um caso limite da modulação DPCM, a diferença entre

o sinal amostrado no instante anterior é codificado utilizando-se só um nível.

Este tipo de modulador é essencialmente utilizado para a voz humana esinais

de vídeo e o sua grande vantagem é a sua simplicidade de implementação.

Página - 19

 O modulador Delta representado na figura compara o sinal x(t) com uma

aproximação em degrau xˆ(t) e a diferença x(t)− xˆ(t) é quantificada em dois

níveis ± Δ dependendo do sinal da diferença como se ilustra abaixo.

3. Conversores A/D

3.1. Introdução:

 Existem diversos tipos de circuito que realizam a codificação digital de um

sinal.

 Os codificadores mais utilizados são aqueles que empregam a comparação

de tensão entre valores de referência e a amplitude da amostra para a

obtenção do código.

3.2. Conversor A/D Serial - Contador

 Os codificadores seriais são os mais baratos e simples, no entanto têm um

tempo de conversão muito lento.

Página - 20

 O princípio de funcionamento é comparação da tensão da amostra com a

tensão de referência gerada internamente, através da conversão

Digital/Analógica (D/A) da saída de um contador digital.

 O contador inicia a contagem a partir do zero e continua contando até que o

valor da referência interna atinja o valor da amostra.

 Neste ponto o valor do contador é transferido para a porta de saída e

representa o valor da amostra convertido em sinal digital.

 O tempo de conversão depende do intervalo de quantização a que pertence a

amostra podendo demorar 2(n – 1) períodos de relógio.

3.3. Conversor A/D com Aproximações sucessivas

 O método de codificação por sucessivas aproximações também se baseia na

geração de referências de tensão internas, só que neste caso são geradas

apenas n referências.

 Ao invés de um contador utiliza-se um circuito programador que fornece na

sua saída um resultado que depende das comparações anteriores. O circuito

programador inicia com todos os bits em “0”.

 Iniciando pelo bit mais significativo (MSB) vai a cada comparação alterando

o valor de um dos bits Qn, … Q2, Q1 para “1”.

 Se o valor da referência gerada é menor que a amostra o programador

mantém o bit em “1” e passa para o próximo bit. Caso contrário o bit é

retornado para “0” e o programador passa para o próximo bit.

Página - 21

 Através desse método consegue-se garantir que o resultado seja obtido em

no máximo n passos.

 Exemplo: Considere um codificador de 4 bits e uma tensão de entrada Ve.

 O primeiro código gerado pelo programador é 1000, se a entrada Ve é menor

que a tensão de referência Vi então o próximo código será 1100.

 Se Ve> Vi então o próximo código é 1110. Se Ve< Vi então o próximo código

é 1101.

 Finalmente se Ve> Vi então o resultado será 1101 + 1 = 1110

3.4 Conversor A/D Paralelo

 Os codificadores paralelos são caros e complexos, mas possuem um tempo

de conversão muito pequeno.

Página - 22

 Neste tipo de codificador, utiliza-se um comparador de tensão e um nível de

referência para cada intervalo de quantização.

 A amostra é comparada simultaneamente com 2(n – 1) tensões de

referência, sendo o resultado destas comparações transformado em uma

palavra digital binária através uma matriz lógica.

 O tempo de conversão independe do valor da amostra, depende apenas do

tempo de atraso do circuito de comparação e da matriz lógica.

3.5 Circuitos Conversores D/A

 Após o processamento e transmissão do sinal PCM, este sinal deve voltar a

forma analógica original.

 Na decodificação é atribuído um valor de tensão a cada código PCM, esta

decodificação é feita por circuitos conversores D/A.

 A saída do decodificador é um pulso cuja amplitude corresponde ao valor

situado na metade do intervalo de quantização do código PCM.

 Para aumentar a potência do sinal, é uado um circuito de retenção que

mantém o valor da amostra até que um novo valor esteja decodificado.

Página - 23

A) Conversor D/A usando rede R-2R

 Um circuito muito utilizado para realizar a conversão D/A é a rede resistiva R-

2R, construída com dois valores de resistores, e por isso, simples de

implementar.

 O seu funcionamento é baseado na divisão de tensão na rede resistiva.

 Para cada entrada Qi, ao aplicarmos uma tensão Vx, obtemos na saída uma

tensão Vs = Vx/2(n+i).

 A máxima tensão de saída é dada por Vsmax = Ve(2n-1)/2n..

Exemplo:Em um decodificador de 8 bits, se aplicarmos simultaneamente a

tensão Vx nas entradas correspondentes aos bits 0, 2, 4 e 7 e 0V nas outras

entradas, teremos uma tensão de saída:

B) Conversor D/A usando conversão direta

 Este tipo de decodificador é construído utilizando-se valores das resistências

que são conectadas a cada bit do código digital que representam um peso

binário na configuração de um amplificador somador.

Página - 24

 Como a corrente em cada resistor é proporcional ao peso do bit, temos na

saída uma tensão proporcional ao valor digital de entrada.

 Note que o resistor R de valor menor corresponde ao bit mais significativos

sendo os outros valores múltiplos binários deste valor 2R, 4R, 8R, 16R, 32R

e assim sucessivamente.

 A desvantagem deste tipo de conversor D/A é que os valores dos resistores

são todos diferentes, tornando mais difícil a sua implementação,

principalmente em conversores com mais bits.

4. Modulação Digital

4.1. Introdução:

O processo de transmissão digital envolve a conversão de sinais para esta

finalidade que chamamos de modulação. De um modo geral os sistemas de

modulação envolvem duas entradas e uma saída.

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