Tema 4 CODIFICACIN Y MODULACIN DIGITAL COMUNICACIN DE

Tema 4 CODIFICACIÓN Y MODULACIÓN DIGITAL COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 1

Técnicas de Codificación z Datos PM) digitales, señales digitales analógicos, señales digitales (PCM) digitales, señales analógicas (modem) analógicos, señales analógicas (AM, FM, COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 2

Datos digitales, señales digitales z Señal digital: secuencia de pulsos de tensión y. Discreto, pulsos de tensión discontinuos y. Cada pulso es un elemento de señal y. Datos binarios codificados en elementos de señal COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 3

Esquemas de Codificación z No Retorno a Cero. Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L) z No Retorno a Cero Invertido. Nonreturn to Zero Inverted (NRZI) z Binario Multinivel (Bipolar-AMI, Alternate Mask Inversion) z Pseudoternarios z Bifase: Manchester y Manchester Diferencial z B 8 ZS (Bipolar con 8 ceros de sustitución) z HDB 3 (Bipolar de Alta Densidad con 3 ceros) COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 4

No Retorno a Cero-Nivel (NRZ-L) z Dos tensiones diferentes para los bits 0 y 1 z Tensión constante durante el intervalo del bit yno hay transición, no retorna a tensión cero z Ausencia de tensión para 0, tensión constante positiva para 1 z Más habitual, tensión negativa para un valor y tensión positiva el otro valor COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 5

No Retorno a Cero Invertido (NRZI) z Sin retorno a cero invertido en 1’s z Tensión constante durante la duración de un bit z El dato se codifica por la presencia o ausencia de una transición al principio del tiempo del bit z Transición (bajo a alto o al revés) significa un 1 z Sin transición significa un 0 z Ejemplo de codificación diferencial COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 6

NRZ Cada vez que vaya a empezar un “ 1” se produce una transición. Si empieza un “ 0” no se produce transición. COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 7

Codificación Diferencial z Datos representados por cambios en vez de por niveles z Detección más fiable en la transición que en el nivel z En sistemas de transmisión complicados es fácil perder la polaridad. Si se invierte, se cambian los 0 por 1 y viceversa. Con codificación diferencial no existe este problema COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 8

NRZ: ventajas e inconvenientes z Ventajas: y. Fácil de implementar y. Uso eficaz del ancho de banda z Inconvenientes y. Componente continua (DC) y. Ausencia de la capacidad de sincronización z Usados para grabaciones magnéticas z No usados para transmisión de señales COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 9

Binario Multinivel z Usan más de dos niveles z Bipolar-AMI y 0 representado por ausencia de señal y 1 representado por pulsos de polaridad alternante y. No hay pérdidas de sincronismo para una larga cadena de unos (sí para cadena de ceros) y. No tiene componente continua y. Menor ancho de banda que NRZ y. Sencilla detección de errores COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 10

Pseudoternario z Unos representados por ausencia de señal z Ceros representados por pulsos de polaridad alternante z No tiene ventajas ni inconvenientes respecto al Bipolar-AMI COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 11

Bipolar-AMI y Pseudoternario COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 12

Inconvenientes para Binario Multinivel z No tan eficiente como el NRZ y. Cada elemento de señal sólo representa un bit y. En un sistema de 3 niveles, lo que representaría log 23 = 1. 58 bits de información y. El Receptor debe distinguir entre tres niveles (+A, -A, 0) y. Necesita aproximadamente 3 d. B más de potencia de señal para la misma probabilidad de error y. Dada una relación S/N, la tasa de error por bit para los códigos NRZ es menor que para binario multinivel COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 13

Bifase z Manchester y Transición en mitad del intervalo de duración del bit y La transición sirve como reloj y para transmitir el dato y Transición Bajo a Alto representa “ 1” y Transición Alto a Bajo representa “ 0” z Manchester Diferencial y Transición en mitad del intervalo usado sólo para sincronizar. y La transición al principio del intervalo del bit representa “ 0”. y La ausencia de transición al principio del intervalo representa “ 1” y Nota: es un esquema de codificación diferencial COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 14

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Bifase: ventajas e inconvenientes z Inconvenientes y. Al menos una transición por cada bit pudiendo ser hasta dos y. Velocidad de modulación máxima doble que en NRZ y. Necesita más ancho de banda z Ventajas y. Sincronización: el receptor se sincroniza con la propia señal (auto-sincronizados) y. Ausencia de componente continua y. Detección de errores, si hay una ausencia de la transición esperada COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 16

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Técnicas de “Scrambling” z Usada para reemplazar secuencias que producirían una tensión constante por otras secuencias con transiciones para mantener el sincronismo. z La secuencia de relleno debe y Producir suficientes transiciones para sincronizar y Ser reconocida por el receptor y reestablecer la original y Tener la misma longitud que la original OBJETIVOS: z z Eliminar la componente continua Evitar que las secuencias largas sean señales de tensión continua No reducir la velocidad de transmisión de datos Tener cierta capacidad de detectar errores COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 18

B 8 ZS (Norteamérica) z Bipolar con 8 Ceros de Sustitución z Basado en AMI bipolar z Si aparece un octeto con todo ceros y el último valor de tensión anterior a dicho octeto fue positivo, se codifica dicho octeto como 000+-0 -+ z Si aparece un octeto con todo ceros y el último valor de tensión anterior a dicho octeto fue negativo, se codifica dicho octeto como 000 -+0+z Causa dos violaciones del código AMI z Improbable que ocurra debido al ruido z El receptor detecta e interpreta como octeto con todo ceros z Adecuado para transmisión a altas velocidades COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 19

HDB 3 (Europa y Japón) z Alta Densidad Bipolar 3 Ceros z Basado en AMI bipolar z Si aparece un cuarteto con todo ceros y el último valor de polaridad anterior a dicho cuarteto fue negativo, se codifica dicho cuarteto como 000 - o bien +00+ z Si aparece un cuarteto con todo ceros y el último valor de polaridad anterior a dicho cuarteto fue positivo, se codifica dicho cuarteto como 000+ o bien – 00 z En las violaciones siguientes se alternan las polaridades de las violaciones para evitar la componente continua z Adecuado para transmisión a altas velocidades COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 20

B 8 ZS y HDB 3 COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 21

Datos Digitales, Señales Analógicas z Sistema de Telefonía pública y 300 Hz a 3400 Hz y. Usa modem (modulador-demodulador) z Desplazamiento de Amplitud (ASK, Amp Shift K. ) z Desplazamiento de Frecuencia (FSK, Frec S. K. ) z Desplazamiento de Fase (PSK, Phase S. Keying) COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 22

Técnicas de Modulación COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 23

Desplazamiento de Amplitud (ASK) z Valores representados por diferentes amplitudes de portadora z Usualmente, una amplitud es cero y. Se usa presencia y ausencia de portadora z Susceptible de repentinos cambios de ganancia z Poco eficiente z Hasta 1200 bps en líneas de calidad telefónica z Usada en fibra óptica COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 24

ASK 1 binario 0 binario COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 25

Desplazamiento de frecuencia (FSK) z Valores representados por diferentes frecuencias (próximas a la portadora) z Menos sensible a errores que ASK z Hasta 1200 bps en líneas de calidad telefónica z Transmisión por radio en HF (3 -30 MHz) z Incluso en LAN en frecuencias superiores con cable coaxial COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 26

FSK 1 binario 0 binario COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 27

FSK en línea de calidad telefónica COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 28

Desplazamiento de Fase (PSK) z La Fase de la portadora se desplaza para representar los datos z PSK Diferencial y. El cambio de fase se refiere a la transmisión del bit anterior en lugar de a una referencia absoluta COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 29

PSK 1 binario 0 binario COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 30

PSK en cuadratura (QPSK) z Uso más eficaz del espectro si por cada elemento de señalización se representa más de un bit y. Con saltos de fase de /2 (90 o) y. Cada elemento representa dos bits y. Se pueden usar 8 ángulo de fase e incluso amplitudes distintas y. Un modem estándar de 9600 bps usa 12 ángulos, cuatro de los cuales tienen dos amplitudes COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 31

QPSK 11 10 00 01 COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 32

OTROS PSK z 8 -PSK 8 fases, repartidas dos en cada cuadrante, para cada una de las 8 ternas que se pueden generar con tres bits z 16 -PSK 16 fases, repartidas cuatro en cada cuadrante, para cada una de las 16 cuaternas que se pueden generar con cuatro bits COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 33

Codificación Amplitud - Fase z La información digital está contenida tanto en la fase como en la amplitud Amp 1 1 2 2 Fase -135 -45 +135 +45 MSB 0 0 1 1 0 1 0 1 LSB z Puede haber 16 cuaternas con 4 bits COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 34

Constelación 110 111 010 000 011 001 100 101 COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 35

Modulación en Amplitud en Cuadratura (QAM) z Se pueden enviar dos señales diferentes simultáneamente sobre una misma portadora z Se utilizan dos réplicas de la portadora, una de ellas desfasada 90 respecto a la otra (en cuadratura) z Cada una de las portadoras se modula usando ASK z Las dos señales independientes se transmiten por el mismo medio COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 36

Prestaciones (1) z Ancho de Banda BT y ASK y PSK directamente relacionado con la velocidad de transmisión R. y FSK depende tanto del salto de frecuencia de las frecuencias con la portadora como de la velocidad binaria R r es un factor relacionado con la técnica de filtrado y su valor está comprendido entre 0 y 1. es f 2 -fc o bien fc-f 1 COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 37

Prestaciones (2) En señalización multinivel se consigue un importante aprovechamiento del espectro COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 38

Algunos ejemplos de Ancho de Banda en FSK =1, 25 MHz, fc=5 MHz, R=1 Mbps, BT depende de =100 Hz, fc=1. 170 Hz, R=300 bps, BT depende de R COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 39

Datos Analógicos, Señales Digitales z Digitalización: conversión de datos analógicos en datos digitales y. Los datos digitales se pueden transmitir utilizando NRZ-L y. Los datos digitales se pueden transmitir utilizando otros códigos que no sean NRZ-L y. Los datos digitales se pueden convertir en señal analógica: (ASK, FSK, PSK) y. La conversión analógica a digital y viceversa se realiza usando un codec: PCM, DM y. Modulación por Impulsos Codificados (PCM) y. Modulación Delta (DM) COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 40

Modulación Impulsos Codificados MIC (Pulse Code Modulation) (1) z Si una señal se muestrea a intervalos regulares a un ritmo mayor que el doble de la componente de frecuencia más alta, las muestras contienen toda la información de la señal original (TEOREMA DEL MUESTREO) z Los datos de voz están limitados a 4000 Hz z Se necesitan 8000 muestras por segundo z A cada muestra se le asigna un código digital COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 41

Modulación por Impulsos Codificados MIC (PCM) (2) z Un sistema de 4 bits proporciona 16 niveles z Cuantificación y. Error de cuantificación o ruido y. Las aproximaciones suponen que es imposible recuperar exactamente la señal original z Muestras de 8 bits proporcionan 256 niveles z Calidad comparable a la transmisión analógica z 8000 muestras por segundo de 8 bits cada una suponen 64 kbps COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 42

Relación Señal / Ruido PCM z La relación S/N se mejora en aproximadamente 6 d. B cada vez que se aumenta un bit COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 43

Codificación no lineal z Los niveles de cuantificación no están espaciados regularmente z Se reduce mucho la distorsión de señal z Los escalones son más pequeños para entradas más bajas z También se puede usar cuantificación uniforme y previamente expandir y comprimir la señal analógica, dando más ganancia a los niveles más bajos COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 44

Modulación Delta (DM) z La entrada analógica se aproxima mediante una función escalera z Se mueve arriba o abajo un nivel en cada intervalo de muestra, intentando asemejarse a la entrada analógica z Comportamiento binario: la subida se representa con un 1 y la bajada con un 0 z Se necesita un bit por cada muestra z La precisión es mayor cuanto mayor sea la frecuencia de muestreo, si bien ello incrementa la velocidad de transmisión COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 45

Modulación Delta (DM) Compromiso elección : grande para poco error de sobrecarga de pendiente y pequeño para poco ruido o error de cuantificación (ruido granular) COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 46

Problemas DM z Sobrecarga de pendiente, si la señal varía rápidamente el DM no puede seguir las variaciones z Ruido granular o de cuantificación. En ausencia se señal, o con variaciones muy pequeñas el DM está variando constantemente entre 0 y 1 generando un ruido que la señal analógica no tiene z DM es más sencillo que PCM pero tiene peor relación S/N COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 47

Espectro Expandido z Datos analógicos o digitales z Señal analógica z Datos esparcidos en una ancho de banda grande z Consigue que la perturbación y la interceptación sean más difíciles z Salto en Frecuencia (Frequency hoping) y La señal se transmite sobre una serie pseudoaleatoria de frecuencias z Secuencia Directa y Cada bit se representa mediante varios bits en la señal trasmitida COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 48

Secuencia Directa COMUNICACIÓN DE DATOS. ESI-CR. UCLM 49