Formatação e Modulação em Banda Básica - PDF
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Laís Lencastre Caldeira
1 Formatação e Modulação em Banda Básica Edmar José do Nascimento (Tópicos Avançados em Engenharia Elétrica I) edmar.nascimento Universidade Federal do Vale do São Francisco Colegiado de Engenharia Elétrica
2 Roteiro 1 Formatação de Dados Textuais 2 Formatação de Informação Analógica Amostragem Aliasing Sobre-amostragem 3 PCM 4 Transmissão em Banda Básica
4 Introdução A etapa inicial e essencial de qualquer sistema de comunicação digital é a formatação (formatting) A formatação assegura que a mensagem seja compatível com o processamento digital A formatação engloba as seguintes funções: Codificação de caracteres Amostragem Quantização PCM - Pulse Code Modulation Após a formatação, a etapa conhecida como modulação de pulso realiza o mapeamento dos dados digitais para formas de onda digitais
6 Visão Geral de um Sistema em Banda Básica
7 Codificação de Caracteres Se os dados a serem transmitidos consistem em texto alfanumérico, vários formatos de codificação de caracteres podem ser usados ASCII - American Standard Code for Information Interchange EBCDIC - Extended Binary Coded Decimal Interchange Code Unicode Usando o código ASCII de 7 bits, a letra "a"é codificada na seqüência binária " " Na transmissão serial, o primeiro bit a ser transmitido é o bit menos significativo
8 Código ASCII de 7 bits
9 Código EBCDIC
10 Codificação de Caracteres O processo de codificação de caracteres resulta em uma cadeia de bits (bit stream) A cadeia de bits pode ainda ser particionada em grupos de k bits para formar novos dígitos ou símbolos Um símbolo pertence a um alfabeto de tamanho M = 2 k Quando k = 1, M = 2, o alfabeto é denominado de binário Em geral, denomina-se de alfabeto M-ário Cada símbolo está associado a uma forma de onda para transmissão Quanto maior o tamanho do alfabeto, mais bits são representados por um símbolo (forma de onda)
11 Codificação de Caracteres
12 Codificação de Caracteres
13 Amostragem Roteiro 1 Formatação de Dados Textuais 2 Formatação de Informação Analógica Amostragem Aliasing Sobre-amostragem 3 PCM 4 Transmissão em Banda Básica
14 Amostragem Teorema da Amostragem A informação analógica não é compatível com o processamento digital A adequação da forma de onda analógica ao processamento digital se inicia com a amostragem A saída do processo de amostragem é uma seqüência de pulsos com amplitudes proporcionais a alguma característica do sinal analógico (amplitude) Pulse Amplitude Modulation (PAM) Pode ser feita através da operação "amostra e segura"(sample-and-hold)
15 Amostragem Teorema da Amostragem No teorema da amostragem, estabelece-se que um sinal limitado em banda sem componentes espectrais acima de f m Hertz pode ser unicamente determinado através de suas amostras obtidas em intervalos uniformes de T s 1 2f m s Este critério é conhecido como critério de Nyquist Em termos da freqüência de amostragem f s, o critério de Nyquist estabelece que f s = 1 T s 2f m A freqüência f s = 2f m é denominada de taxa de Nyquist
16 Amostragem Teorema da Amostragem O processo de amostragem pode ser feito de várias maneiras Amostragem com impulsos Amostragem natural Sample-and-hold A amostragem com impulsos é um método ideal e de utilidade teórica Neste método, a amostragem de x(t) é representada pelo produto de x(t) por um trem de impulsos x δ (t) definido por x δ (t) = n= δ(t nt s )
17 Amostragem Amostragem com Impulsos Aplicando as propriedades do impulso, o sinal amostrado x s (t) pode ser escrito como x s (t) = x(t)x δ (t) = x(t)δ(t nt s ) = n= n= x(nt s )δ(t nt s ) No domínio da freqüência X δ (f ) = 1 δ(f nf s ) T s n= X s (f ) = X(f ) X δ (f ) = 1 X(f nf s ) T s n=
18 Amostragem Amostragem com Impulsos
19 Amostragem Amostragem com Impulsos Em relação ao espectro do sinal amostrado X s (f ) observa-se que: O espectro se repete periodicamente a cada f s Hertz O espectro é multiplicado por um valor constante de 1/T s Com f s 2f m, as réplicas do espectro não se sobrepõem e o sinal analógico pode ser recuperado com o uso de um filtro passa-baixas Escolhendo-se f s > 2f m, a operação de filtragem é facilitada Se f s < 2f m (subamostragem), as réplicas se sobrepõem resultando na perda de parte da informação (aliasing)
20 Amostragem Amostragem com Impulsos
21 Amostragem Amostragem Natural A amostragem com impulsos é um modelo apenas teórico Um modelo mais próximo do real é obtido considerando-se um trem de pulsos x p (t) de largura T e amplitude 1/T O sinal amostrado é dado por x s (t) = x(t)x p (t) Como o sinal x p (t) é periódico, a sua representação no domínio da freqüência pode ser feita em termos da série exponencial de Fourier, ou seja: x p (t) = n= c n e j2πnfst, c n = 1 ( nt ) sinc T s T s
22 Amostragem Amostragem Natural Essas expressões resultam em x s (t) = x(t) n= { X s (f ) = F x(t) = n= c n e j2πnfst n= c n X(f nf s ) c n e j2πnfst} = n= Observa-se que as réplicas do espectro são agora multiplicadas pelos coeficientes c n c n F{x(t)e j2πnfst }
23 Amostragem Amostragem Natural
24 Amostragem Sample and Hold O método sample and hold é o mais simples de ser implementado Nesse método, o valor da amostra atual é mantido constante até o momento da amostra seguinte Matematicamente, a seqüência amostrada pode ser representada pela convolução do trem de pulsos amostrado x(t)x δ (t) por um pulso retangular p(t) de amplitude unitária e largura T s, ou seja: [ x s (t) = p(t) [x(t)x δ (t)] = p(t) x(t) n= ] δ(t nt s )
25 Amostragem Sample and Hold No domínio da freqüência, tem-se: { X s (f ) = P(f )F x(t) { = P(f ) X(f ) = P(f ) 1 T s n= n= [ 1 T s } δ(t nt s ) n= X(f nf s ) ]} δ(f nf s ) P(f ) é da forma T s sinc(ft s ), de modo que as componentes de mais alta freqüência de X s (f ) são mais atenuadas O efeito do ganho não uniforme dado por P(f ) pode ser compensado aplicando-se P 1 (f ) após a filtragem
26 Aliasing Roteiro 1 Formatação de Dados Textuais 2 Formatação de Informação Analógica Amostragem Aliasing Sobre-amostragem 3 PCM 4 Transmissão em Banda Básica
27 Aliasing Aliasing O fenômeno de aliasing surge com a sobreposição das réplicas do espectro do sinal amostrado As componentes do espectro entre f s f m e f m são prejudicadas Várias técnicas podem ser usadas para lidar com esse problema Aumentar a freqüência de amostragem Eliminar uma porção do espectro antes da amostragem (filtro antialiasing) Eliminar a porção comprometida do espectro do sinal amostrado (filtro antialiasing)
28 Aliasing Aliasing no Domínio da Freqüência
29 Aliasing Aliasing no Domínio da Freqüência
30 Aliasing Pré-filtragem
31 Aliasing Pós-filtragem
32 Aliasing Considerações Práticas Os filtro realizáveis requerem uma largura de banda não nula para a transição entre a banda de passagem e a região com a atenuação requerida Essa banda é conhecida como largura de banda de transição Deseja-se a largura de banda de transição seja a menor possível Com isso, aumenta-se a complexidade e o custo do filtro É necessário então um compromisso entre o custo da complexidade do filtro (banda de transição) e o custo de uma maior taxa de amostragem (armazenamento) Na prática, a largura de banda de transição se situa entre 10 e 20% da largura de banda do sinal f s 2, 2f m
33 Sobre-amostragem Roteiro 1 Formatação de Dados Textuais 2 Formatação de Informação Analógica Amostragem Aliasing Sobre-amostragem 3 PCM 4 Transmissão em Banda Básica
34 Sobre-amostragem Sobre-amostragem A sobre-amostragem consiste em realizar a amostragem em uma taxa bastante superior à taxa mínima de Nyquist Na conversão analógico-digital, quando não há sobre-amostragem, o processo é o seguinte: A banda do sinal analógico é limitada através de um filtro analógico de alto desempenho O sinal filtrado é amostrado em uma taxa próxima à taxa de Nyquist As amostras são processadas por um conversor analógico-digital que mapeia as amostras para níveis discretos de tensão
35 Sobre-amostragem Sobre-amostragem Quando há sobre-amostragem, o processo é o seguinte: A banda do sinal analógico é limitada através de um filtro analógico de baixo desempenho (mais barato) O sinal pré-filtrado é amostrado em uma taxa bastante superior à taxa de Nyquist As amostras são processadas por um conversor analógico-digital que mapeia as amostras para níveis discretos de tensão As amostras digitais são processadas por um filtro digital de alto desempenho a fim de reduzir a largura de banda das amostras A taxa de amostragem na saída do filtro digital é reduzida em proporção à redução da largura de banda obtida pelo filtro
36 Sobre-amostragem Sobre-amostragem Um exemplo de aplicação desses conceitos pode ser visto na digitalização de som com qualidade de CD Nessa aplicação, a banda considerada para o sinal analógico é de 20 khz Quando a taxa de amostragem é de 44,1 khz (não há sobre-amostragem), a largura de banda de transição de 4,1 khz pode ser implementada com um filtro elíptico de 10 a ordem Com a sobre-amostragem, pode-se escolher uma taxa de 174,4 khz com uma largura de banda de transição de 136,4 khz implementada com um filtro elíptico de 4 a ordem Com o processamento digital, pode-se até reverter a distorção causada pela filtragem analógica
37 PCM Quando os sinais PAM são quantizados e codificados em uma palavra digital, denomina-se de PCM (Pulse Code Modulation) os sinais assim obtidos A faixa de amplitudes do sinal é dividida em L níveis correspondendo a l bits (l = log 2 L) Para uma melhor fidelidade ao sinal analógico, pode-se aumentar o número de bits (níveis) Em uma transmissão em tempo real, os bits extras dessa melhoria na fidelidade devem ser encaixados no tempo de transmissão da amostra Bits representados por pulsos de menor duração Aumento na largura de banda de transmissão Quando não há restrições de tempo real, pode-se aumentar a fidelidade com o aumento do atraso
38 PCM
39 Fontes de Corrupção Vários fatores podem prejudicar a recuperação do sinal analógico a partir do sinal digital Os efeitos oriundos do processo de amostragem e quantização são os seguintes: Ruído de quantização Saturação do quantizador Jitter (Variação no instante de amostragem) - efeito equivalente à modulação em freqüência; pode ser controlado com referências de tempo estáveis O canal também pode ocasionar efeitos nocivos ao sinal digital Ruído do canal Interferência inter-simbólica
40 Ruído de Quantização Em um quantizador uniforme, o intervalo de quantização q é o mesmo para todos os L níveis O erro introduzido na quantização é de no máximo q/2 Considerando-se que o erro de quantização e é uniformemente distribuído no intervalo ( q/2, q/2), a variância do erro é σ 2 = q/2 q/2 e 2 p(e)de = q/2 q/2 e 2 1 q2 de = q 12 Sendo V p a tensão de pico e V pp = V p ( V p ) = 2V p a tensão de pico a pico, a potência de pico do sinal analógico normalizada é dada por ( Vp 2 Vpp ) 2 L 2 q 2 = 2 4
41 Ruído de Quantização
42 Ruído de Quantização Como o sinal é de média nula, a variância de e representa a potência média do ruído de quantização Assim, a relação potência de pico - ruído de quantização é dada por ( S N ) q = L2 q 2 /4 q 2 /12 = 3L2 Observa-se que quando se aumenta a quantidade de níveis de quantização, diminui-se o efeito do ruído
43 Quantização Não-uniforme A voz humana possui características estatísticas importantes que devem ser levadas em conta no processo de quantização Seja x(t) um sinal de voz, o valor normalizado da amplitude de tensão em relação ao seu valor RMS é dado por x(t) norm = x(t) E{X 2 (t)} Um gráfico de relevância é aquele que mostra a probabilidade de que x(t) norm exceda um determinado valor x No gráfico mostrado a seguir, os valores de x são as abscissas e na ordenada tem-se a P(x(t) norm > x) = P(x(t) > x E{X 2 (t)})
44 Estatísticas de Amplitude da Fala
45 Quantização Não-uniforme A partir desse gráfico, pode-se observar que: As baixas amplitudes da voz predominam (baixo volume) Em 50% do tempo, a amplitude da tensão é menor do que um quarto da tensão RMS As altas amplitudes são eventos raros Em apenas 15% do tempo, a amplitude da tensão excede o valor RMS A conseqüência disso é que para a voz, a maioria dos intervalos de quantização não são usados quando se usa quantização uniforme Somente os sinais fortes tem um bom aproveitamento dos intervalos de quantização A relação sinal ruído (SNR) é pior para sinais fracos do que para sinais fortes
46 Quantização Não-uniforme Na quantização não-uniforme, a idéia é permitir uma quantização mais "fina"de sinais mais fracos e mais "grosseira"para sinais mais fortes Quantização proporcional ao tamanho do sinal Com a quantização não-uniforme, pode-se conseguir uma SNR constante, independente do tamanho do sinal Nos sinais de voz, a faixa dinâmica é de 40dB, ou seja, a relação entre a potência da amplitude mais forte e da mais fraca é de 10 4 Sendo assim, quando se utiliza quantização uniforme, a SNR pode ser 40dB inferior para sinais fracos Por essa razão, em telefonia se utiliza um quantizador com compressor logarítmico
47 Quantização Não-uniforme
48 Quantização Não-uniforme A quantização não-uniforme pode ser realizada de duas formas: Usando um quantizador não-uniforme Usando uma curva característica de compressão seguida de um quantizador uniforme
49 Quantização Não-uniforme Os dois principais tipos de características de compressão são a lei µ e a lei A A lei µ é usada principalmente na América do Norte e a lei A na europa De acordo com a lei µ, a relação entre a entrada x e a saída y é dada pela expressão: ( ) ln 1 + µ x x max y = y max sgn(x) ln (1 + µ) Na América do Norte se utiliza o valor de µ igual a 255
50 Quantização Não-uniforme De acordo com a lei A, a relação entre a entrada x e a saída y é dada pela expressão: y = { ( ) A x ymax 1+ln A x max sgn(x), 0 < x x max 1 A y max 1+ln [A( x /x max )] 1+ln A sgn(x), 1 A < x x max < 1 }
51 Lei µ e Lei A
52 Representação em Formas de Ondas A conversão de amostras de tensão para uma seqüência de dígitos é apenas uma abstração Para que os dígitos possam ser transmitidos através de um canal, eles precisam ser representados por formas de onda elétricas Na transmissão binária, cada "zero"e cada "um"são mapeados para uma forma de onda O pulso correspondendo ao zero ou ao um podem ocupar a totalidade do intervalo do bit ou apenas uma parte dele A utilização do intervalo completo favorece a detecção pelo receptor
53 Representação em Formas de Ondas
54 Formas de Ondas PCM Quando a modulação de pulso é aplicada a um símbolo binário, a forma de onda resultante é chamada de forma de onda PCM Em telefonia, essas formas de onda são chamadas também de códigos de linha Se a modulação de pulso é aplicada a um símbolo não binário, a forma de onda resultante é chamada de forma de onda de modulação de pulso M-ária (M-ary pulse-modulation waveform) As formas de onda PCM podem ser classificadas de quatro maneiras: NRZ (Não retorno ao zero - Nonreturn-to-zero) RZ (Retorno ao zero - Return-to-zero) Codificada em fase - Phase encoded Binária multi-nível - Multilevel binary
55 Formas de Ondas PCM
56 Formas de Ondas PCM Nas formas de onda NRZ, a amplitude se mantém no nível alto ou baixo durante todo o intervalo do bit Para NRZ-L(Level), o bit 1 é representado por um nível de tensão e o bit 0 por outro nível de tensão Para NRZ-M(Mark), o bit 1 é representado por uma transição de nível e o bit 0 pela ausência de transição Para NRZ-S(Space), o bit 0 é representado por uma transição de nível e o bit 1 pela ausência de transição NRZ-M é usado principalmente na gravação de fitas magnéticas
57 Formas de Ondas PCM Nas formas de onda RZ, a amplitude cai para zero durante parte do intervalo do bit Para RZ unipolar, o bit 1 é representado por um nível de tensão durante a metade do intervalo do bit e o bit 0 pelo nível nulo de tensão Para RZ bipolar, tanto o bit 1 quanto o bit 0 são representados por níveis de tensão durante a metade do intervalo do bit Para RZ-AMI(Alternate mark inversion), o bit 0 é representado pelo nível nulo de tensão e o bit 1 é representado por níveis de tensão alternados (±V ) durante a metade do intervalo de bit RZ-AMI é usado em sistemas telefônicos
58 Formas de Ondas PCM As formas de onda codificadas em fase são usadas em sistemas de gravação magnéticos, em comunicações ópticas e em enlaces de satélite para telemetria Para bi φ L (bi-phase-level ou codificação Manchester), o bit 1 é representado por um pulso de meia largura na primeira metade do intervalo do bit e o bit 0 é representado por um pulso de meia largura na segunda metade do intervalo do bit Para bi φ M (bi-phase-mark uma transição ocorre sempre no início do intervalo do bit; o bit 1 é representado por uma segunda transição na metade do intervalo e no bit 0 não há uma segunda transição Para bi φ S (bi-phase-space uma transição ocorre sempre no início do intervalo do bit; o bit 0 é representado por uma segunda transição na metade do intervalo e no bit 1 não há uma segunda transição
59 Formas de Ondas PCM Uma outra forma de onda codificada em fase é a codificação de Miller ou DM (Delay Modulation) Para DM o bit 1 é representado por uma transição no ponto médio do intervalo do bit e o 0 é representado pela ausência de transição desde que ele não seja seguido por outro 0 (neste caso, a transição é feita após o primeiro 0) Na codificação binária multi-nível, são usados três níveis para representar os bits 0 e 1 Além das codificações bipolar RZ e RZ-AMI, tem-se os seguintes formatos Para Dicode NRZ, uma alternância entre bits é representada por uma troca de polaridades, enquanto que a ausência de alternância é representada pelo nível 0 Dicode RZ é semelhante à Dicode NRZ, sendo apenas os pulsos de meia duração
60 Escolha das Formas de Ondas PCM Dada a diversidade de formas de onda, a escolha é guiada por determinadas características, tais como: Componente DC - Em algumas aplicações, é necessário eliminar a componente DC para fins de acoplamento (transformadores) Relógio embutido - As características do código de linha podem ser usadas para fins de sincronização Detecção de erros - Em esquemas como o dicode, a alternância das polaridades permite a detecção de erros Largura de banda - Alguns esquemas permitem a transmissão de uma maior quantidade de dados por largura de banda Imunidade ao ruído
61 Densidade Espectral de Formas de Ondas PCM
62 Densidade Espectral de Formas de Ondas PCM No gráfico anterior, a DEP é expressada em função da largura de banda normalizada WT W é a largura de banda e T é a duração do símbolo WT = W /(1/T ) = WR S com unidades Hz/(pulso/s) ou Hz/(símbolo/s) Um valor de WT menor que 1 significa que é necessário menos de 1 Hz para transmitir 1 símbolo/s, ou seja, a forma de onda é eficiente Pode-se observar que as sinalizações DM (Delay Modulation) e Dicode (Duobinário) são eficientes eficientes A DEP também permite analisar o conteúdo DC do sinal Nesse caso, as sinalizações NRZ e Dicode (Duobinário) tem fortes componentes espectrais no nível DC
63 Tamanho da Palavra PCM Na escolha da quantidade de níveis de quantização L (l bits) pode-se colocar como parâmetro de projeto uma distorção especificada Seja e a magnitude do erro de quantização e p uma fração da tensão pico-a-pico V pp, relacionados da seguinte maneira O erro máximo é dado por e pv pp Logo V pp 2L e max = q 2 = V pp 2L pv pp = 2 l = L 1 2p = l log 1 2 2p bits
64 Formas de Onda M-árias Existem basicamente três formas de modular a informação em uma seqüência de pulsos PAM (Pulse Amplitude Modulation) PPM (Pulse Position Modulation) PDM (Pulse Duration Modulation), também chamada de PWM Dentre essas formas de modulação de pulso, em comunicações tem-se interesse em PAM Quando os pulsos PAM são quantizados, resultando em conjunto de amostras pertencentes a um alfabeto M-ário, denomina-se de modulação de pulso M-ária PCM é um caso especial quando M = 2
65 Formas de Onda M-árias
66 Formas de Onda M-árias A vantagem da modulação de pulso M-ária é a redução da largura de banda em relação à sinalização binária Se cada símbolo do alfabeto M-ário corresponde a k bits, a taxa de símbolos por segundo é reduzida para R/k A desvantagem desse tipo de sinalização é que ela requer mais energia por símbolo para que o desempenho na detecção seja o mesmo