TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO CONCEITOS BÁSICOS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE SINAIS DIGITAIS

TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE SINAIS DIGITAIS

2 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 2 2 3 3 3 3

DIGITALIZAÇÃO DO SINAL DE VOZ

CODIFICAÇÃO DIGITAL DE VOZ COM BOA QUALIDADE 64 KBPS PCM

PULSE AMPLITUDE MODULATION - PAM AMOSTRAGEM DO SINAL DE VOZ NA TAXA DE 8000 AMOSTRAS POR SEGUNDO: TRANSMISSÃO PAM

RECEPÇÀO PAM DEPOIS DO HOLDING APÓS O FILTRO PASSA BAIXAS

DIFICULDADES DA COMUNICAÇÃO PAM 1 - O MEIO DE TRANSMISSÃO DEFORMA OS PULSOS MODIFICANDO SEUS NÍVEIS E PROVOCANDO INTERFERÊNCIAS ENTRE AS AMOSTRAS DEVIDO AO ALARGAMENTO DAS MESMAS. ESTE ALARGAMENTO DOS PULSOS SE DEVE AO FATO DE QUE A LARGURA DE FAIXA DE TRANSMISSÃO É LIMITADA E NÃO CONSEGUE TRANSMITIR AS TRANSIÇÕES BRUSCAS DO SINAL PULSANTE. 2 - O RUÍDO, NA RECEPÇÃO, PROVOCA ALTERAÇÕES NOS NÍVEIS DE AMOSTRAGEM.

PULSE CODE MODULATION - PCM A MELHOR MANEIRA DE SE TRANSMITIR O NÍVEL DE CADA AMOSTRA É NA FORMA NUMÉRICA. O NÚMERO TRANSMITIDO REPRESENTA O VALOR DA AMPLITUDE DE CADA AMOSTRA. ESSE NÚMERO É TRANSMITIDO NA FORMA DIGITAL, OU SEJA, EM UMA SEQÜÊNCIA DE BITS. ESTE PROCESSO É DENOMINADO PCM - “PULSE CODE MODULATION”

DEFORMAÇÕES NO SINAL DIGITAL O MEIO DE TRANSMISSÃO, TAMBÉM, DEFORMA E ACRESCENTA RUÍDO AOS PULSOS DO SINAL DIGITAL. ENTRETANTO ESSAS DEFORMAÇÕES , NA QUASE TOTALIDADE DAS VEZES, NÃO IMPEDEM A IDENTIFICAÇÃO CORRETA DE CADA BIT. MESMO QUE OCORRAM ALGUNS ERROS, DE IDENTIFICAÇÃO DE BITS, OS CÓDIGOS CORRETORES DE ERROS MINIMIZAM ESSAS OCORRÊNCIAS, TANTO QUANTO SE ACHAR NECESSÁRIO.

TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE UM SINAL DE VOZ NA FORMA PCM

ERROS DE QUANTIZAÇÃO VAMOS SUPOR QUE FOSSEM USADOS PALAVRAS DIGITAIS DE 4 BITS PARA DESIGNAR AS TENSÕES DAS AMOSTRAS. NESTE CASO, O BIT MAIS SIGNIFICATIVO REPRESENTARIA O SINAL ALGÉBRICO DAS AMOSTRAS. SOBRARIAM 3 BITS PARA DESIGNAR OS VALORES QUANTITATIVOS DAS AMOSTRAS.

8 2 = ERROS DE QUANTIZAÇÃO EXISTEM APENAS 3 PALAVRAS DE 3 BITS: 000 001 010 011 100 101 110 111 PORTANTO, SÓ PODERÃO SER TRANSMITIDOS 8 VALORES QUANTITATIVOS DAS AMOSTRAS

ERROS DE QUANTIZAÇÃO ENTRETANTO, TEÓRICAMENTE, EXISTEM INFINITOS VALORES DAS AMOSTRAS. NESTE CASO, O DISPOSITIVO DEVE APROXIMAR OS VALORES EXATOS DE CADA AMOSTRA PARA UM DOS OITO NIVEIS DE TRANSMISSÃO. ISTO ACARRETA DIFERENÇAS ENTRE OS VALORES EXATOS DAS AMOSTRAS E OS VALORES TRANSMITIDOS. ISTO INFLUI NA QUALIDADE DA COMUNICAÇÃO.

DIMINUIÇÃO DAS AMPLITUDES DOS ERROS DE AMOSTRAGEM VAMOS SUPOR QUE FOSSEM UTILIZADAS PALAVRAS DE 8 BITS, EM VEZ DE QUATRO, PARA QUANTIZAR AS AMOSTRAS. NESTE CASO, TERÍAMOS PARA DESIGNAR OS NÍVEIS DE TENSÃO 128 2 7 = VALORES NUNÉRICOS AS AMPLITUDES DOS ERROS DIMINUIRIAM NA PROPOÇÃO DE 128 PARA 8, OU SEJA, 16 VEZES. NESTA SITUAÇÃO, A QUALIDADE DA VOZ RECEBIDA TEM QUALIDADE CONSIDERADA MUITO BOA. O TESTE DA QUALIDADE DE VOZ É FEITO TRANSMITINDO-SE CONVERSAÇÕES PARA UM GRUPO DE PESSOAS QUE OPINAM SOBRE ESSA QUALIDADE. O RESULTADO SE CHAMA MEAN OPINION SCORE – MOS.

QUANTIZAÇÃO NO PCM CONVENCIONAL PARA O PADRÃO INTERNACIONAL DE PCM, RECOMENDADO PELA UIT, SÃO UTILIZADOS 8 BITS PARA SE TER UMA BOA QUALIDADE NA TRANSMISSÃO DA VOZ. NESTE CASO O CANAL DE VOZ É TRANSMITIDO NA TAXA DIGITAL:

QUALIDADE DO PCM EM DEPENDÊNCIA DA TAXA DIGITAL A MEDIDA QUE SE DIMINUI OS BITS DE QUANTIZAÇÃO A TAXA DIGITAL DIMINUI NA MESMA PROPORÇÃO. ENTRETANTO AS AMPLITUDES, DOS ERROS DE QUANTIZAÇÃO, AUMENTAM, EXPONENCIALMENTE PIORANDO A QUALIDADE DA COMUNICAÇÃO ( MEAN OPINION SCORE - MOS )

PROCESSOS DE CODIFICAÇÃO DIGITAL À TAXAS MENORES ACARRETANDO QUALIDADE DE VOZ ACEITÁVEL

CODIFICAÇÃO DE VOZ COM QUALIDADE ACEITÁVEL PARA A UTILIZAÇÃO NA COMUNICAÇÃO CELULAR, DE SEGUNDA GERAÇÃO, FORAM DESENVOLVIDOS PROCESSOS DE DIGITALIZAÇÃO DE VOZ MUITO MAIS EFICIENTES DO QUE O PCM CONVENCIONAL. EMBORA A QUALIDADE DA COMUNICAÇÃO NÃO SEJA TÃO BOA QUANTO A DO PCM, ÉLA É ACEITÁVEL PARA A COMUNICAÇÃO CELULAR: ADPCM – ADAPTATIVE DIFFERENTIAL PULSE CODE MODULATION RPE-LTP – RESIDUAL PULSE EXCLTATION LONG TERM PREDICTOR CELP – CODE EXCITED LINEAR PREDICTOR

CODIFICAÇÃO DE VOZ COM QUALIDADE ACEITÁVEL 13 KBPS RPE-LTP 8 KBPS CELP

CONCEITOS SOBRE TRANSMISSÃO DE SINAIS DIGITAIS

CONVENÇÕES PARA O SINAL DIGITAL

CONVENÇÕES PARA O SINAL DIGITAL ( CONTINUAÇAO ) O SINAL NRZ ( NON RETURN TO ZERO) , É USADO NOS PROCESSAMENTOS DA INFORMAÇÃO DIGITAL, UTILIZANDO CIRCUITOS LÓGICOS. EXEMPLOS: COMPUTADORES PROCESSAMENTOS LÓGICOS DA BANDA BÁSICA

CONVENÇÕES PARA O SINAL DIGITAL ( CONTINUAÇAO ) O SINAL NRZ POLAR É USADO QUANDO SE TRANSMITE O SINAL DIGITAL MODULANDO UMA PORTADORA. EXEMPLOS: MODEM DE LINHA DE ASSINANTE RÁDIO CELULAR DIGITAL.

4 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 3 3 4 4 4 4

RUÍDO TÉRMICO A TEMPERATURA AMBIENTE PROVOCA MOVIMENTOS ALEATÓRIOS DAS MOLÉCULAS DOS RESITORES E COMPONENTES ATIVOS DE UM RECEPTOR. ISTO FAZ GERAR TENSÃO ALEATÓRIA NESSES COMPONENTES. ESSA TENSÃO ALEATÓRIA É CONHECIDA COMO RUÍDO TÉRMICO. O RUÍDO TÉRMICO INTERFERE NA QUALIDADE DA COMUNICAÇÃO. PARA SE TER QUALIDADE, NO SINAL RECEBIDO, É NECESSÁRIO QUE SUA POTÊNCIA SUPERE, DE UMA MANEIRA SIGNIFICATIVA, A POTÊNCIA DO RUÍDO TÉRMICO. OSCILOSCÓPIO AMPLITUDES DO RUÍDO ANALISADOR DE ESPECTRO COMPOSIÇÃO DE FREQUÊNCIAS DO RUÍDO 2 N f

4 4 4 4 4 4 5 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

EFEITO DA LARGURA DE FAIXA NA AMPLITUDE DO RUÍDO OSCILOSCÓPIO ANALISADOR DE ESPECTRO 2 N Þ 4 f b 2 N Þ 1 f 2 b

DIMINUIÇÃO DA INTERFERÊNCIA PROVOCADA PELO RUÍDO PARA DIMINUIR A INTENSIDADE DO RUÍDO, A ÚNICA MANEIRA É LIMITAR, NO RECEPTOR, SUA LARGURA DE FAIXA POR MEIO DA UTILIZAÇÃO DE UM FILTRO PASSA BAIXAS. ENTRETANTO, ESSE FILTRO LIMITA, AO MESMO TEMPO, A LARGURA DE FAIXA OCUPADA PELO SINAL DIGITAL A DIMINUIÇÃO DA LARGURA DA FAIXA OCUPADA POR UM SINAL DIGITAL PROVOCA DEFORMAÇÕES NESSE SINAL.

OTIMIZAÇÃO DA LARGURA ESPECTRAL HÁ ALGUMAS DÉCADAS ATRÁS, O ENGENHEIRO NYQUIST, DO BELL LABS, FICOU ENCARREGADO DE ESTUDAR O PROBLEMA DA DIMINUIÇÃO, OTIMIZADA, DA LARGURA DE FAIXA OCUPADA POR UM SINAL DIGITAL, AFIM DE DIMINUIR, TAMBÉM A INTERFERÊNCIA DO RUÍDO

ELE CONCLUIU QUE A MELHOR SITUAÇÃO DE COMPROMISSO SERIA A DIMINUIÇÃO DA LARGURA DE FAIXA OCUPADA PELO SINAL DIGITAL PARA UM VALOR IGUAL A METADE DE SUA TAXA DIGITAL.

EFEITO DA LARGURA DE FAIXA NA FORMA DO SINAL DIGITAL SUPONDO BW IGUAL A METADE DA TAXA DIGITAL ANALISADOR DE ESPECTRO OSCILOSCÓPIO T 2 E 1 b f = + b A T 3 f - f 2 f A b b b 2 E b A - A 1 f f 2 b b

jitter COMUNICAÇÃO DIGITAL DE FAIXA MÍNIMA OTIMIZADA A - A f A - A f 2 bit b s 2 E b A - A 1 f f 2 b 2 E b b 2 N 1 f 2 b jitter

1 1 1 2 7 7 7 7 7 7

2 2 2 3 8 8 8 8 8 8

3 3 4 4 3 9 9 9 9 9 9

ERROS DE BITS PROVOCADOS POR MULTI-TRAJETOS

EFEITO DA PROPAGAÇÃO MULTIPERCURSO NA INFORMAÇÃO TRANSMITIDA O SINAL QUE CHEGA ATRAZADO, AO SE COMPOR COM O PRIMEIRO SINAL, PODE PROCOCAR INTERFERÊNCIA ENTRE SÍMBOLOS. ISTO TENDE A PROVOCAR ERROS NO SINAL REGENERADO. ESTE EFEITO É TANTO PIOR QUANTO MAIOR A TAXA DIGITAL, POIS, O INTERVALO ENTRE DOIS BITS CONSECUTIVOS DIMINUI NA MESMA PROPORÇÃO.

“DELAY EQUALIZER” O SISTEMA TRANSMITE, PERIODICAMENTE, UMA PALAVRA DIGITAL CONHECIDA. ESTA INFORMAÇÃO, CUJO NOME É “PALAVRA DE TREINAMENTO”, SERVE DE BASE PARA A ADAPTAÇÃO DO FILTRO DIGITAL, ATÉ QUE SE TENHA UM SINAL COM INTERFERÊNCIA ENTRE SÍMBOLOS MINIMIZADA.

NOÇÕES DE CÓDIGOS DETECTORES E CORRETORES DE ERROS

CÓDIGOS DE BLOCOS

EXEMPLO DE MENSAGEM = 0011 PALAVRA DE CÓDIGO = 0011001 CÓDIGOS DE BLOCO DIVIDE-SE A MENSAGEM ORIGINAL EM BLOCOS DE N BITS. ESSES BLOCOS SÃO CHAMADOS “PALAVRAS DA MENSAGEM” ACRESCENTA-SE R BITS A CADA PALAVRA DA MENSAGEM. OS R BITS ACRESCENTADOS SÃO CHAMADOS DE BITS DE REDUNDÂNCIA RESULTAM AS PALAVRAS DE CÓDIGO CONTENDO N+R BITS DESSA MANEIRA TEM-SE O CÓDIGO ( N+R, N ). CÓDIGO DE HAMMING ( 7 , 4 ) N = 4 E R = 3: EXEMPLO DE MENSAGEM = 0011 PALAVRA DE CÓDIGO = 0011001

CÓDIGOS DE BLOCO TABELA DO CÓDIGO DE HAMMING ( 7, 4 ) ENTRADA SAÍDA BLOCO DE 4 BITS TABELA DO CÓDIGO DE HAMMING ( 7, 4 ) 0000 0000000 0001 0001111 0010 0010110 0011 0011001 . . 1111 1111111 SAÍDA BLOCO DE 7 BITS NOTE-SE QUE, NA SAÍDA, SELECIONOU-SE APENAS 16 PALAVRAS ENTRE AS 128 PALAVRAS POSSÍVEIS DE SEREM EXPRESSAS POR ESSES 7 BITS. TEM-SE 16 PALAVRAS PERMITIDAS E 112 PROIBIDAS AS PALAVRAS PERMITIDAS DIFEREM, ENTRE SI DE, PELO MENOS, TRÊS BITS.

DETECÇÃO DE ERROS NO RECEPTOR - COMO A DIFERENÇA MÍNIMA, ENTRE AS PALAVRAS DE CÓDIGO, É DE 3 BITS, SE HOUVER ERROS DE 1 OU 2 BITS, EM UMA PALAVRA RECEBIDA, ESTA PALAVRA SE TORNA UMA PALAVRA PROIBIDA. DESTA MANEIRA É DETECTADA A PRESENÇA DE ERROS 0000000 0001111 0010110 0011001 . 1111111 - SE A QUANTIDADE DE ERROS, NA PALAVRA, FOR 3 OU MAIS BITS, É POSSÍVEL QUE RESULTE OUTRA PALAVRA PERMITIDA. PORTANTO, NESTE CASO, OS ERROS NÃO SÃO DETECTADOS.

DETECÇÃO DE ERROS NO RECEPTOR ( CONTINUAÇÃO ) - ENTRETANTO A PROBABILIDADE DE ERRAR 3 OU MAIS BITS SIMULTÂNEOS, EM UMA MESMA PALAVRA DE 7 BITS, É BEM MENOR DO QUE ERRAR ATÉ 2 BITS SIMULTÂNEOS NESSA PALAVRA. - EXEMPLO: PARA UM SINAL DE ENTRADA ERRANDO UM BIT A CADA 100.000, TEREMOS UMA PALAVRA ERRADA, NÃO DETETADA, A CADA PALAVRAS RECEBIDAS.

CORREÇÃO DE ERROS 0000000 0001111 0010110 0011001 . 1111111 - COMO NO CÓDIGO EXEMPLIFICADO, A DIFERENÇA ENTRE AS PALAVRAS DE CÓDIGO É DE, PELO MENOS, 3 BITS, RESULTA: - SE HOUVER ERRO DE APENAS 1 BIT, NA PALAVRA CORRETA ESTA PALAVRA PROIBIDA DIFERE APENAS DE UM BIT DA PALAVRA ORIGINAL E DIFERE DE 2 OU MAIS BITS DAS DEMAIS PALAVRAS DO CÓDIGO.

CORREÇÃO DE ERROS AO SE DETECTAR UMA PALAVRA ERRADA, FAZ-SE A COMPARAÇÃO COM AS PALAVRAS PERMITIDAS. ADOTA-SE COMO CORRETA A PALAVRA PERMITIDA MAIS PARECIDA COM A PALAVRA ERRADA RECEBIDA. A PALAVRA PERMITIDA MAIS PARECIDA COM A PALAVRA ERRADA RECEBIDA É AQUELA QUE DIFERE DE MENOR QUANTIDADE DE BITS.

CORREÇÃO DE ERROS 0000000 0001111 0010110 0011001 . 1111111 - COMO NO CÓDIGO EXEMPLIFICADO, A DIFERENÇA ENTRE AS PALAVRAS DE CÓDIGO É DE, PELO MENOS, 3 BITS, RESULTA: - SE HOUVER ERRO DE APENAS 1 BIT, NA PALAVRA CORRETA ESTA PALAVRA PROIBIDA DIFERE APENAS DE UM BIT DA PALAVRA ORIGINAL E DIFERE DE 2 OU MAIS BITS DAS DEMAIS PALAVRAS DO CÓDIGO. PORTANTO, QUANDO HOUVER APENAS UM BIT ERRADO, A PALAVRA PERMITIDA MAIS PARECIDA COM A PALAVRA ERRADA RECEBIDA É, REALMENTE, A PALAVRA CORRETA QUE FOI TRANS MITIDA

CORREÇÃO DE ERROS ( CONTINUAÇÃO ) CONLUSÃO: O CÓDIGO DE HAMMING ( 7, 4 ) TEM CAPACIDADE DE DETETAR, COM CERTEZA, ATÉ DOIS ERROS E CORRIGIR, COM CERTEZA, ATÉ UM ERRO EM CADA PALAVRA RECEBIDA.

CÓDIGOS DE BLOCO CÍCLICOS

0011001 0011 CÓDIGOS DE BLOCO CÍCLICOS SÃO AQUELES QUE CODIFICAM A MENSAGEM POR MEIO DE “SHIFT REGISTER” REALIMENTADO. EXEMPLO: CÓDIGO ( 7. 4 ) ENTRAM PALAVRAS DE 4 BIT DE MENSAGEM E SAEM PALAVRAS DE CÓDIGO CONTENDO 7 BITS. OS 3 BITS ADICIONADOS SÃO CHAMADOS DE CRC - - “CICLIC REDUNDANCY CHECK” 0011001 0011

0010001 0011001 CÓDIGOS DE BLOCO CÍCLICOS bit errado A DECODIFICAÇÃO, QUE DETETA E CORRIGE ERROS, UTILIZA TAMBÉM “SHIFT REGISTER” REALIMENTADO. EXEMPLO: DECODIFICADOR PARA O CÓDIGO ( 7, 4 ) 0010001 bit errado 0011001

IMPLEMENTAÇÃO DOS CÓDIGOS DETETORES E CORRETORES DE ERROS MODERNAMENTE, OS CÓDIGOS DE BLOCO SÃO SEMPRE IMPLEMENTADOS NA FORMA CÍCLICA DEVIDO A SIMPLICIDADE DE SEU DIAGRAMA. ESTE TIPO DE IMPLEMENTAÇÃO POSSUI O NOME DE “CICLIC REDUNDANCE CHECK” - CRC. EXISTEM DIVERSAS FAMÍLIAS DE CÓDIGOS CÍCLICOS . ENTRE ELAS PODEMOS CITAR, ALÉM DO CÓDIGO DE HAMMING, O CÓDIGO BCH E O CÓDIGO DE REED-SOLOMON. EXEMPLO: OS DADOS ENVIADOS NAS MENSAGENS CANAL DE CONTROLE FORWARD DO SISTEMA AMPS POSSUEM UM CRC DO TIPO BCH (40 , 28) ONDE O BLOCO DA MENSAGEM TEM 28 BIT E A PALAVRA DE CÓDIGO POSSUI 40 BIT.

CÓDIGOS CONVOLUCIONAIS E TURBO CODE SÃO CÓDIGOS CORRETORES QUE TRABALHAM COM SEQUÊNCIAS DIGITAIS RELATIVAMENTE LONGAS. NO RECEPTOR, COMPARA-SE A SEQUÊNCIA RECEBIDA COM AS SEQUÊNCIAS PERMITIDAS. ADOTA-SE, COMO CORRETA, A SEQUÊNCIA PERMITIDA MAIS PARECIDA COM A SEQUÊNCIA RECEBIDA. A SEQUÊNCIA PERMITIDA, ESCOLHIDA COMO CORRETA, É AQUELA QUE DIFERE DE MENOR QUANTIDADE DE BITS DA SEQUÊNCIA RECEBIDA. ATUALMENTE, ESSES CÓDIGOS CORRETORES SÃO OS MAIS USADOS NOS SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO, EM GERAL, E NOS SISTEMAS CELULARES EM PARTICULAR.