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Técnicas de Modulação Todas as técnicas de modulação envolvem o deslocamento do sinal original, doravante denominado sinal modulador ou modulante, de sua.

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1 Técnicas de Modulação Todas as técnicas de modulação envolvem o deslocamento do sinal original, doravante denominado sinal modulador ou modulante, de sua faixa de freqüências original para uma outra faixa. O valor desse deslocamento corresponde à freqüência de uma onda denominada portadora. Toda onda possui três características básicas explicadas anteriormente: amplitude, freqüência e fase. Quando se modula uma portadora, uma destas características será modificada em função do sinal para que o destinatário possa, através da verificação da característica usada na modulação, recuperar o sinal original. O sinal modulador pode ser do tipo Analógico ou Digital levando a duas categorias de modulação: a modulação analógica e a modulação digital.

2 Técnicas de Modulação Modulação Analógica. A modulação é chamada de analógica quando o sinal modulador for do tipo analógico. Existem três técnicas básicas de modulação analógica. – Modulação por Amplitude (Amplitude Modulation – AM); Na modulação por amplitude, a portadora terá a sua amplitude sendo modificada em função do sinal modulador. Neste caso, quando o sinal modulador aumenta em amplitude, a portadora também aumentará e quando o sinal modulador diminuir de amplitude, a amplitude da portadora também será diminuída. Um cuidado importante a ser tomado é quanto a amplitude mínima da portadora. Se ela ficar inferior a capacidade do receptor em identificá-la, o sinal será perdido.

3 Técnicas de Modulação – Modulação por Freqüência (Frequency Modulation – FM); Na modulação por freqüência, a portadora terá a sua freqüência variando em função do sinal modulador. Quando o sinal modulador aumenta em amplitude, a freqüência da portadora será aumentada e quando o sinal diminuir de amplitude a freqüência da portadora será diminuída. A aparência da portadora modulada fica semelhante a um efeito de sanfona. Tal como no caso anterior, o aparelho receptor analisará a variação na freqüência da portadora e assim reproduzirá o sinal original. – Modulação por Fase (Phase Modulation – PM). Na modulação por fase, a portadora terá a variação da sua fase modificada em função do sinal modulador. Conforme o sinal vai aumentando de amplitude, a velocidade com que a fase varia também aumenta, enquanto que quando o sinal diminui em amplitude, a velocidade com que a fase varia também é reduzida. Neste caso a portadora modulada também possui a aparência do efeito sanfona, mas a forma como este efeito é aplicado torna a onda modulada por fase diferente da onda modulada por freqüência. O aparelho receptor, verificando a variação na velocidade com que a fase varia, ele é capaz de recuperar o sinal original.

4 Técnicas de Modulação A Figura abaixo mostra as 3 técnicas de modulação analógica.

5 Técnicas de Modulação Modulação Digital. No caso específico do sinal modulador ser um sinal digital, utilizam-se as mesmas técnicas apresentadas anteriormente, só que neste caso mudam-se as denominações. – Modulação por Deslocamento de Amplitude (Amplitude Shift Keying – ASK); Na técnica ASK, a amplitude do sinal resultante da modulação varia de acordo com a amplitude do sinal que se quer modular, mantendo-se a freqüência da onda portadora constante. Diferente da modulação analógica, só existirão duas amplitudes. Uma referente à modulação do valor um e outra referente ao valor zero. No caso do valor zero, a amplitude é reduzida a ponto de não haver mais a portadora, sendo visto como silêncio na transmissão.

6 Técnicas de Modulação – Modulação por Deslocamento de Freqüência (Frequency Shift Keying – FSK); Na técnica FSK, mantém-se a amplitude da portadora constante. O que varia é a freqüência de acordo com o sinal transmitido. Semelhante a técnica anterior, só existirão duas freqüências diferentes. Um referente à modulação do valor um e outra referente à modulação do valor zero. – Modulação por Deslocamento de Fase (Phase Shift Keying – PSK). Na técnica PSK, a transmissão do sinal é identificada por modificações na fase da onda transmitida. A amplitude e a freqüência da onda portadora são mantidas constantes. No exemplo da Figura a seguir, quando existe a alternância entre o bit 0 e o bit 1, a fase da portadora é deslocada de 180º.

7 Técnicas de Modulação A Figura abaixo mostra as 3 técnicas de modulação digital.

8 Técnicas de Multiplexação Sempre que a banda passante de um meio físico for maior ou igual à banda passante necessária para um sinal, podemos utilizar este meio para a transmissão do sinal. Na prática, a banda passante necessária para um sinal é, em geral, bem menor do que a banda passante dos meios físicos disponíveis, como mostra a figura abaixo.

9 Técnicas de Multiplexação A pergunta natural a se fazer neste momento é: não seria possível aproveitar a banda extra disponível para a transmissão de outros sinais? Vamos supor a existência de três sinais (C 0, C 1 e C 2 ) com a banda passante necessária indicada na figura abaixo, não seria possível transmiti-los simultaneamente através de um mesmo meio físico como mostrado nesta mesma figura? A resposta a essa pergunta é sim, e a técnica que permite a transmissão de mais de um sinal em um mesmo meio físico é denominada multiplexação.

10 Técnicas de Multiplexação Existem duas formas básicas de multiplexação: – Multiplexação na Freqüência (Frequency Division Multiplexing – FDM); – Multiplexação no Tempo (Time Division Multiplexing – TDM).

11 Multiplexação na Freqüência Em primeiro lugar, se passarmos um filtro em cada um dos sinais da Figura anterior de forma a preservar somente a faixa relativa à banda passante necessária de cada um deles, teremos dado o primeiro passo para alojar esses três sinais na forma desejada, sem que um sinal interfira no outro. O passo seguinte é deslocar a faixa de freqüências original do segundo e do terceiro sinal de forma que eles passem a ocupar as três faixas disjuntas, sem sobreposição. Como vimos anteriormente, a técnica de modulação permite esse deslocamento de freqüência. Dessa forma, os três sinais podem ser transmitidos no meio físico, cada um deles ocupando uma banda ou canal distinto com tamanho necessário para a sua transmissão

12 Multiplexação na Freqüência Como os sinais foram previamente filtrados de acordo com a sua banda passante necessária, a informação de cada um deles está preservada e contida naquela faixa de freqüência na qual está sendo transmitido e em nenhuma outra.

13 Multiplexação na Freqüência

14 Nessa figura, estão representados três sinais de voz através de seus espectros. Um dos sinais foi modulado para a freqüência de 4 KHz à 8 KHz e um outro foi modulado para a freqüência de 8 KHz à 12 KHz. Os sinais são passados por filtros de forma a impedir que existam componentes em outras freqüências que não a faixa a eles reservadas, faixas estas de tamanho igual a 4 KHz. Note que mencionamos anteriormente que a banda passante necessária para um sinal de voz tem uma largura de 3 KHz, portanto, 4 KHz é mais do que suficiente para a transmissão desses sinais. Após terem sido filtrados, esses sinais podem trafegar simultaneamente pelo meio físico.

15 Multiplexação na Freqüência Um receptor que deseje recuperar um dos sinais transmitidos numa linha multiplexada na freqüência, deverá conhecer a faixa de freqüências que está sendo utilizada para a sua transmissão. Dessa forma, ele poderá deslocar o sinal recebido de forma a fazer o sinal desejado ocupar novamente a sua faixa original (de 0 a n Hz). O sinal demodulado pode a seguir ser filtrado para conter somente o sinal original. A figura a seguir ilustra o processo de transmissão em uma linha multiplexada na freqüência. Equipamentos capazes de realizar modulações e demodulações de sinais são denominados MODEMs (MOduladores/DEModuladores).

16 Multiplexação na Freqüência

17 Multiplexação no Tempo A Multiplexação por divisão do tempo se beneficia do fato de que a capacidade (em bits por segundo) do meio de transmissão, em muitos casos, excede a taxa média de geração de bits das estações conectadas ao meio físico. Quando isso ocorre, vários sinais podem ser transportados por um único caminho físico, intercalando-se porções de cada sinal no tempo. A multiplexação no tempo pode ser classificada em: – síncrona – assíncrona.

18 TDM Síncrono No TDM síncrono (ou simplesmente TDM), o domínio do tempo é dividido em intervalos de tamanho fixo T chamados frames; Cada frame é subdividido em N subintervalos {t 1, t 2,..., t n } denominados slots ou segmentos que formam uma partição dos frames que, por sua vez, formam uma partição do tempo infinito, como mostra a figura abaixo.

19 TDM Síncrono Denomina-se canal, ao conjunto de todos os slots, um em cada frame, identificados por uma determinada posição fixa dentro desses frames. Por exemplo, o canal 3 é forma pelo terceiro slot de cada frame. Canais podem ser alocados a estações que desejem transmitir. Cada estação deverá esperar o slot correspondente dentro de cada frame, quando então poderá transmitir durante o tempo daquele slot, utilizando a taxa de transmissão máxima suportada pelo meio físico.

20 1/1/2014Pós-Graduação em Gerência e Projeto de Redes de Computadores TCP/IP 20/63 TDM Síncrono Quando uma estação que alocou um canal não estiver transmitindo (ou a taxa de transmissão for menor do que a taxa assegurada pelo canal), tem-se um desperdício de capacidade do meio físico, já que o canal alocado não pode ser utilizado por qualquer outra estação até o momento da desconexão como mostra a figura.

21 TDM Assíncrono Uma alternativa ao TDM síncrono que procura eliminar o desperdício da capacidade existente nesse esquema é o TDM assíncrono (também conhecido por TDM estatístico ou STDM – Statistical TDM). Nesse esquema, não há alocação de canal nem estabelecimento de conexão. Parcelas de tempo são alocadas dinamicamente de acordo com a demanda das estações. Nenhuma capacidade é desperdiçada, pois o tempo não utilizado está sempre disponível caso alguma estação gere tráfego e deseje utilizar o canal de transmissão.

22 TDM Assíncrono Em compensação, no TDM assíncrono, cada unidade de informação transmitida deve sempre conter um cabeçalho com os endereços de origem e de destino como mostra a figura a seguir. No TDM síncrono, cada canal já identifica o transmissor. Em canais ponto a ponto com TDM síncrono, esse cabeçalho é totalmente desnecessário já que o receptor também é identificado pela conexão. Não havendo a noção de conexão dedicada, o canal é sempre compartilhado no tempo por todas as estações a ele conectadas, sendo o acesso definido como assíncrono.

23 TDM Assíncrono

24 Digitalização de um Sinal pela Técnica PCM A transmissão digital é, em geral, mais vantajosa do que a analógica devido, principalmente, à possibilidade de restaurarmos o sinal original mesmo na presença de falhas ou ruídos no sistema. A transmissão digital vem substituindo a analógica sempre que possível, inclusive na própria rede telefônica, com a instalação de novas centrais e cabos de fibra óptica. A informação de voz é originalmente analógica. Para utilizarmos as vantagens da transmissão digital, devemos codificá-la em um sinal digital antes da transmissão.

25 Digitalização de um Sinal pela Técnica PCM Os dispositivos capazes de codificar informações analógicas em sinais digitais são denominados CODECs (CODer/DECoder). Agora examinaremos a principal técnica utilizada por CODECs, denominada PCM (Pulse Code Modulation – Modulação por Código de Pulso).

26 Digitalização de um Sinal pela Técnica PCM A técnica PCM é baseada no teorema de Nyquist (ou teorema da amostragem) visto anteriormente. O teorema assegura que uma taxa de amostragem duas vezes superior que a largura de banda do sinal (B) é suficiente para recuperar este sinal. Utilizando uma taxa de amostragem maior ou igual a 2B, o sinal original deve ser amostrado e, a cada amostra, deve-se associar um valor proporcional à amplitude do sinal naquele ponto. Este processo é conhecido como PAM (Pulse Amplitude Modulation – Modulação por Amplitude de Pulso).

27 Digitalização de um Sinal pela Técnica PCM A partir dos pulsos PAM, podemos produzir os pulsos PCM através de um processo conhecido como quantização, onde cada amostra PAM é aproximada a um inteiro de n bits. No exemplo da figura apresentada mais a frente, escolhemos n = 3, dando origem a oito níveis (2 3 ). A saída PCM corresponde ao resultado dessa quantização.

28 Digitalização de um Sinal pela Técnica PCM

29 Podemos calcular, a partir desse processo, a taxa gerada pela transmissão de informações analógicas através de sinais digitais. Considere o caso de sinais de voz, por exemplo. Se assumirmos que a banda passante necessária desses sinais tem largura igual a Hz (4 KHz), a taxa de amostragem de Nyquist é, neste caso, igual a amostras por segundo. Se escolhermos essa taxa e codificarmos cada amostra com oito bits, a taxa gerada será x 8 = 64 Kbps.


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