Subido por Denis Martinez

CodificacionData

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Técnicas de Codificación de la Data
Profesora Maria Elena Villapol
maria.villapol@ciens.ucv.ve
Comunicación de Datos
Técnicas de Codificación y Modulación
d la
de
l D
Data
t
•
•
•
•
Digital – Digital
Analógica – Digital
Digital – Analógica
Analógica - Analógica
Comunicación de Datos
Señales digitales a señales digitales
• Términos claves
– Elemento de data -> bits -> un símbolo binario, 1 o 0.
– Tasa de datos -> bps -> tasa a la cual se transmiten
los datos
datos.
– Elemento de señal -> digital: pulso de voltaje;
analógico: pulso de frecuencia, fase o amplitud
constante -> parte de la señal que ocupa el mas corto
tiempo de un código de señalización.
– Tasa de modulación -> elementos de señal por
p
segundo (baudio) -> tasa a la cual un elemento de
señal se transmite.
Comunicación de Datos
Elementos de Señal vs Elementos de Data
1 ELEMENTO DE DATA
1
0
1
1 ELEMENTO DE SEÑAL
1 ELEMENTO DE DATA
1
0
1
2 ELEMENTOS DE SEÑAL
2 ELEMENTOS DE DATA
11
01
11
1 ELEMENTO DE SEÑAL
Comunicación de Datos
Interpretando las señales
• Se debe conocer
– Temporización de los bits – cuando un bit comienza y
termina.
– Niveles de la señal.
• Factores que afectan la interpretación correcta
de la señal:
– SNR
– Ancho
A h d
de b
banda
d
– Tasa de datos
Comunicación de Datos
Comparación de los esquemas de
codificación
difi
ió
•
Espectro de la señal
– Pérdida de altas frecuencias
reduce BW.
– Pérdida de componente DC,
permite acoplamiento AC vía
transformador, permitiendo
aislamiento
– Concentrar la potencia en la
mitad del BW
BW, proporciona
menor distorsión.
•
Clocking
– Sincronización transmisor y
receptor
– Reloj externo
– Proporcionar sinc a través de
la señal
señal.
•
Detección de error
– Incluidas en la codificación de
la señal
•
Inmunidad al ruido e
interferencia y ruido
– Algunas técnicas son mejores
que otras.
•
Costo y complejidad
p j
– Mas altas tas de señal mas
costo.
– Algunos códigos requieren
mayor tasa de la señal que la
tasa de datos.
Comunicación de Datos
Esquemas de Codificación Lineales:
Cl ifi
Clasificación
ió
Esquemas de
codificación lineales
Unipolar
Polar
Bipolar
Multinivel
Multi transición
NRZ
NRZ, RZ,
MANCHESTER
Y MANCHESTER
DIFERENCIAL
AMI Y
PSEUDOTERNARIO
2B/1Q, 8B/6t Y
4D-PAM5
MLT-3
Comunicación de Datos
Técnicas de
codificación
Comunicación de Datos
Unipolar: NRZ
Comunicación de Datos
Polar: NRZ-L
NRZ L y NRZ-I
NRZ I
Comunicación de Datos
Polar RZ
Comunicación de Datos
Polar: Manchester y Manchester
Dif
Diferencial
i l
Comunicación de Datos
Bipolar AMI
Bipolar-AMI
Comunicación de Datos
Tasa de Modulación
Tasa de datos
1
N=
Tb
Tb duración de un bit
Tasa de modulación
1
S = cN
r
r = número de bits por elemento de señal
C= factor del caso
C
caso, c está entre 0 y 1
1.
Comunicación de Datos
Multinivel
• Codificar un patrón de m elementos de
data en n elementos de señal.
• Se representan como mBnL
mBnL.
• 2m <= Ln.
Comunicación de Datos
2B1Q
Comunicación de Datos
Técnicas Multinivel: MLT-3
MLT 3
• Otra técnica de codificación combina NRZI con
dos niveles mas de señal.
• En MLT-3,, hayy tres niveles de señal disponibles.
p
• Para un bit en 1, MLT-3 se alterna de –1 a 0, a
+1,, y de allí nuevamente a 0,, entonces retorna a
–1, y así.
• Un bit en 0 se codifica con el mismo valor del
valor precedente.
Comunicación de Datos
MLT 3
MLT-3
Comunicación de Datos
Codificación por Bloques
• La codificación de bloque se denomina
codificación mB / nB.
• Sustituye cada grupo de m
m-bits
bits con un
grupo n-bits.
Comunicación de Datos
Codificación por Bloques
Comunicación de Datos
4B/5B NRZI
4B/5B-NRZI
• La data debe ser codificada para asegurar
transiciones.
• Cada 4 bits se codifican en un símbolo con 5
bits de código.
patrones de 5 bits se eligen
g de forma tal de
• Los p
que existan mas de tres ceros en una fila.
• El código resultante es codificado usando NRZI.
Comunicación de Datos
4B/5B NRZI
4B/5B-NRZI
Comunicación de Datos
4B/5B-NRZI
Comunicación de Datos
Scrambling
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Usado para reemplazar secuencias que puedan producir voltajes
constantes.
Rellenar secuencias.
Estas deben producir suficientes transiciones para mantener la
sincronización.
i
i
ió
Deben poder ser reconocidas por el receptor y reemplazarlas con la
original.
Igual longitud que la original
original.
No tienen componente DC.
No largas secuencias con nivel de señal cero.
N reducción
No
d
ió en lla ttasa d
de d
datos.
t
Capacidad de detectar errores.
Es el objetivo de las técnicas B8ZS y HDB3.
Comunicación de Datos
Reglas de Sustitución B8ZS
Polaridad del
pulso
p
precedente
+
000+-0-+
-
000 +0+
000-+0+-
Comunicación de Datos
B8ZS
Comunicación de Datos
Reglas de Sustitución HDB3
Número de pulsos bipolares
(unos) desde la última sustitución
Polaridad
P
l id d d
dell
Pulso
Precedente
-
I
Impar
P
Par
000-
+00+
+
000+
-00-
Comunicación de Datos
HDB3
Comunicación de Datos
Ancho de
Banda
(Promedio)
Componente
DC
Capacidad de
Sincronism
o
Detección de
Errores
B= R/2
/2
Si
No sii largas
l
secuencias
de 1s o 0s
No
NRZ-L
NRZ
L
Si
No si largas sec
de 1s o 0s
No
NRZ-I
Si
No si largas secs No
de 0s
No
No en largas
secuencias
de 0s
Si
No en largas
secuencias
de 1s
Si
No
Si
Si
Manchester
Diferencial
No
Si
Si
B8ZS
No
Si
Si
No
No para largas
Si
Comunicación
de Datos
secs de 0s.
NRZ
Bipolar AMI
B= R/2
Pseudoternario
Manchester
B=R
HDB3
MLT-3
B=R/3
Digital - Analógico
•
•
Modulación: resultado del
proceso de variar ciertas
características de una señal,
llamada portadora, en
concordancia con una señal
de mensaje.
Hay tres tipos de técnicas de
modulación BASICAS:
– Amplitude shift keying
(ASK)
– Frequency shift keying
(FSK)
– Phase shift keying
y g ((PSK))
Comunicación de Datos
Digital - Analógico
ASK =
A cos (2πfct)
0
FSK =
A cos (2πf1t)
A cos
os ((2πf
π 2t))
PSK =
1
0
A cos (2πfct+ π)
A cos (2πfct)
QPSK =
1
0
A cos (2πfct+ π/4)
A cos (2πfct + 3 π/4)
A cos (2πfct + 5 π/4)
A cos (2πf
(2 fct + 7 π/4)
/4)
11
10
00
01
Otras técnicas pueden:
1
0
•Usar mas valores de ángulos de
fase (eg 8 ángulos de fase
permiten representar 3 bits por
señal, 8-PSK)
•Se puede igualmente variar la
amplitud y la fase.
fase
Comunicación de Datos
Diagrama de Constelación
• Ayuda
y
a definir la amplitud
p
y fase de un
elemento de señal.
• Es útil cuando se describen esquemas multinivel
es.
es
• Tiene dos ejes, X y Y.
• El eje
j X esta relacionado a la p
portadora en fase
y el Y a la portadora fuera de fase.
• La longitud del vector que conecta el punto al
origen es la amplitud pico de la señal
señal.
• El ángulo que la línea hace con el eje X es la
fase del elemento de señal.
Comunicación de Datos
Diagrama de Constelación
Comunicación de Datos
QAM
• Combina ASK y PSK.
PSK
• El mas simple es el 4-QAM, donde se
tienen 4 elementos de señal y se
representan 2 bits por elemento.
Comunicación de Datos
QAM: Ejemplos
Comunicación de Datos
Medidas de rendimiento
•
•
•
BT = (1+r)R
ASK
BT = 2ΔF + (1+r)R
FSK
BT = ((1+r)/b)R = ((1+r)/Log2 L)R = (1+r)D Técnicas multinivel
•
•
•
•
BT ancho de banda
R tasa de datos
D ttasa d
de modulación
d l ió
r relacionado a la frecuencia, 0<r<1
Comunicación de Datos
Analógica - Digital
• Digitalización: proceso de convertir la data
analógica en digital.
• Dos técnicas p
para hacer esto son:
– Modulación por Codificación de Pulso (PCM)
– Modulación Delta (DM)
Comunicación de Datos
Muestreo de una señal Analógica
• La señal analógica es muestreada cada
Ts segundos.
• Ts es el intervalo o período de muestreo.
• fs = 1/Ts es la frecuencia de muestreo
• Teorema del Muestreo o Teorema de
Nyquist:
• La tasa de muestreo
muestreo, fs
fs, debe ser al
menos 2 veces la frecuencia mas alta
contenida en la señal.
Comunicación de Datos
Recuperación de una señal para
dif
diferentes
t tasas
t
de
d muestreo
t
Comunicación de Datos
PCM
• La señala analógica
g
es muestreada:
– La señal es muestreada según el teorema de
Nyquist.
• La señal muestreada es cuantificada:
– Cada muestra es un valor de la amplitud, por lo tanto
es analógico.
– Esto se denomina modulación por amplitud de pulso
(PAM).
• Los valores cuantificados son codificados como
un chorro de bits:
– Cada una de estas muestras debe ser convertida a
un código binario de n bits
Comunicación de Datos
PCM: Diagrama de Bloques
Comunicación de Datos
PCM: Ejemplo
Comunicación de Datos
PCM: Refinamientos
• Un refinamiento de PCM es la codificación no lineal.
• Igual espaciado implica error absoluto es igual para
cada muestra, sin importar nivel de la señal.
• Valores pequeños son mas distorsionados.
• Se puede usar un número mayor de pasos de
cuantificación para menores amplitudes y menos
número para valores de la amplitud mayores.
• La SNR para el ruido de cuantificación se expresa como:
SNR = 20 log 2n + 1.76 dB = 6.02n + 1.76 dB
Comunicación de Datos
Codificación No Lineal
Comunicación de Datos
Compasión (companding)
• La señal es comprimida en el emisor y
expandida en el receptor.
• Significa reducir la amplitud del voltaje
instantáneo por valores grandes.
• Imparte
I
t mas ganancia
i a las
l señales
ñ l
débiles que a la mas fuertes.
Comunicación de Datos
Niveles de Cuantificación
• L es el número de niveles de
cuantificación.
• Se eligen dependiendo:
– rango de las amplitudes de la señal
analógica.
analógica
– Grado de precisión necesario para recuperar
la señal
Comunicación de Datos
Error de Cuantificación
• Los valores de entrada al cuantificador son
valores reales.
• Los valores de salida son valores aproximados.
p
• La SNRdB para el ruido de cuantificación se
expresa
p
como:
SNR = 20 log 2n + 1.76 dB = 6.02n + 1.76 dB
el número
ú e o de b
bits
ts po
por muestra.
uest a
• n es e
• n = log2 L
Comunicación de Datos
Codificación
• Cada muestra de la señal es cuantificada
cuantificada.
• Cada muestra es cambiada a una palabra
código de n bits.
bits
• La tasa de datos es:
– R = fs x n.
Comunicación de Datos
DM
• La señal analógica
g
se aproxima
p
p
por una función tipo
p
escalera.
• Los niveles bajan o suben una altura δ cada intervalo de
muestreo Ts.
• Se sigue el Teorema del muestreo para obtener Ts.
• En cada muestra la señal de entrada es comparada con
ell mas reciente
i t valor
l d
de lla ffunción
ió escalera.
l
• Si el valor muestreado excede el de la función escalera
genera un 1. Se g
genera un 0 en caso contrario.
se g
Comunicación de Datos
DM: Ejemplo
Comunicación de Datos
DM: Lado del Transmisor
Comunicación de Datos
DM: Lado del Receptor
Comunicación de Datos
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