Técnicas de Codificación de la DataTécnicas de ... · • Teorema del Muestreo o Teorema deTeorema del Muestreo o Teorema de Nyquist: • La tasa de muestreo fs debe ser alLa tasa

Técnicas de Codificación de la DataTécnicas de Codificación de la Data

Profesora Maria Elena [email protected]@ciens.ucv.ve

Comunicación de Datos

Técnicas de Codificación y Modulación d l D tde la Data

• Digital – Digital• Analógica – Digital• Digital – Analógica• Analógica - Analógica


Señales digitales a señales digitalesSeñales 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 datoslos 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 psegundo (baudio) -> tasa a la cual un elemento de señal se transmite.


Elementos de Señal vs Elementos de DataElementos de Señal vs Elementos de Data1 ELEMENTO DE DATA 1 ELEMENTO DE DATA

1 0 1 1 0 1

2 ELEMENTOS DE SEÑAL1 ELEMENTO DE SEÑAL 2 ELEMENTOS DE SEÑAL

2 ELEMENTOS DE DATA

11 01 11

Comunicación de Datos1 ELEMENTO DE SEÑAL

Interpretando las señalesInterpretando las señales

• Se debe conocerSe 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

A h d b d– Ancho de banda– Tasa de datos


Comparación de los esquemas de difi iócodificación

• Espectro de la señal • Detección de error– Pérdida de altas frecuencias

reduce BW.– Pérdida de componente DC,

permite acoplamiento AC vía

– Incluidas en la codificación de la señal

• Inmunidad al ruido e interferencia y ruidopermite acoplamiento AC vía

transformador, permitiendo aislamiento

– Concentrar la potencia en la mitad del BW proporciona

interferencia y ruido– Algunas técnicas son mejores

que otras.• Costo y complejidadmitad del BW, proporciona

menor distorsión.• Clocking

– Sincronización transmisor y

y p j– Mas altas tas de señal mas

costo.– Algunos códigos requieren

mayor tasa de la señal que layreceptor

– Reloj externo– Proporcionar sinc a través de

la señal

mayor tasa de la señal que la tasa de datos.


la señal.

Esquemas de Codificación Lineales: Cl ifi ióClasificación

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

DIFERENCIAL


Técnicas de codificacióncodificación


Unipolar: NRZUnipolar: NRZ


Polar: NRZ-L y NRZ-IPolar: NRZ L y NRZ I


Polar RZPolar RZ


Polar: Manchester y Manchester Dif i lDiferencial


Bipolar-AMIBipolar AMI


Tasa de ModulaciónTasa de Modulación

Tasa de datos

TN 1=

Tb duración de un bit

bT

Tasa de modulación

cNS 1=

r = número de bits por elemento de señalC= factor del caso c está entre 0 y 1

rcNS =


C factor del caso, c está entre 0 y 1.

MultinivelMultinivel

• Codificar un patrón de m elementos deCodificar un patrón de m elementos de data en n elementos de señal.

• Se representan como mBnL• Se representan como mBnL.• 2m <= Ln.


2B1Q2B1Q


Técnicas Multinivel: MLT-3Técnicas Multinivel: MLT 3

• Otra técnica de codificación combina NRZI conOtra técnica de codificación combina NRZI con dos niveles mas de señal.

• En MLT-3, hay tres niveles de señal disponibles., y 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 , y ,–1, y así.

• Un bit en 0 se codifica con el mismo valor del valor precedente.


MLT-3MLT 3


Codificación por BloquesCodificación por Bloques

• La codificación de bloque se denominaLa codificación de bloque se denomina codificación mB / nB.

• Sustituye cada grupo de m bits con un• Sustituye cada grupo de m-bits con un grupo n-bits.


Codificación por BloquesCodificación por Bloques


4B/5B-NRZI4B/5B NRZI

• La data debe ser codificada para asegurarLa data debe ser codificada para asegurar transiciones.

• Cada 4 bits se codifican en un símbolo con 5 bits de código.

• Los patrones de 5 bits se eligen de forma tal de p gque existan mas de tres ceros en una fila.

• El código resultante es codificado usando NRZI.


4B/5B-NRZI4B/5B NRZI


4B/5B-NRZI


ScramblingScrambling

• Usado para reemplazar secuencias que puedan producir voltajes constantes.

• Rellenar secuencias.• Estas deben producir suficientes transiciones para mantener la

i i iósincronización.• Deben poder ser reconocidas por el receptor y reemplazarlas con la

original. • Igual longitud que la original• Igual longitud que la original.• No tienen componente DC.• No largas secuencias con nivel de señal cero.

N d ió l t d d t• No reducción en la tasa de datos. • Capacidad de detectar errores.• Es el objetivo de las técnicas B8ZS y HDB3.


Reglas de Sustitución B8ZSReglas de Sustitución B8ZS

Polaridad delPolaridad del pulso

precedentep

+ 000+-0-+

000 +0+- 000-+0+-


B8ZSB8ZS


Reglas de Sustitución HDB3Reglas de Sustitución HDB3

Número de pulsos bipolaresNúmero de pulsos bipolares (unos) desde la última sustitución

P l id d d l I PPolaridad del Pulso Precedente

Impar Par

Precedente- 000- +00+

+ 000+ -00-


HDB3HDB3


Ancho de Banda (Promedio)

Componente DC

Capacidad de Sincronismo

Detección de Errores

/2 Si i lNRZ B= R/2 Si No si largas secuencias de 1s o 0s

No

NRZ-L Si No si largas sec NoNRZ L Si No si largas sec de 1s o 0s

No

NRZ-I Si No si largas secs de 0s

No

Bipolar AMI B= R/2 No No en largas secuencias de 0s

Si

Pseudoternario No en largas secuencias de 1s

Si

Manchester B=R No Si SiManchester B=R No Si SiManchester

DiferencialNo Si Si

B8ZS No Si Si


B8ZS No Si SiHDB3MLT-3 B=R/3 No No para largas

secs de 0s.Si

Digital - AnalógicoDigital 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• Hay tres tipos de técnicas de modulación BASICAS:– Amplitude shift keying

(ASK)(ASK)– Frequency shift keying

(FSK)– Phase shift keying (PSK)


y g ( )

Digital - AnalógicoDigital Analógico

A cos (2πfct) 10 0ASK =

A cos (2πfct+ π/4) 11A cos (2πfct + 3 π/4) 10A cos (2πfct + 5 π/4) 00A (2 f 7 /4) 01

QPSK =

A cos (2πf1t) 1A cos (2πf2t) 0

FSK =

A cos (2πfct + 7 π/4) 01

Otras técnicas pueden:os ( π 2 ) 0

A cos (2πfct+ π) 1A cos (2πf t) 0PSK =

•Usar mas valores de ángulos de fase (eg 8 ángulos de fase permiten representar 3 bits porA cos (2πfct) 0 permiten representar 3 bits por señal, 8-PSK)•Se puede igualmente variar la amplitud y la fase


amplitud y la fase.

Diagrama de ConstelaciónDiagrama de Constelación

• Ayuda a definir la amplitud y fase de un y p yelemento de señal.

• Es útil cuando se describen esquemas multinivel eses.

• Tiene dos ejes, X y Y.• El eje X esta relacionado a la portadora en fase j p

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 señalorigen es la amplitud pico de la señal.• El ángulo que la línea hace con el eje X es la

fase del elemento de señal.


Diagrama de ConstelaciónDiagrama de Constelación


QAMQAM

• Combina ASK y PSKCombina ASK y PSK.• El mas simple es el 4-QAM, donde se

tienen 4 elementos de señal y setienen 4 elementos de señal y se representan 2 bits por elemento.


QAM: EjemplosQAM: Ejemplos


Medidas de rendimientoMedidas 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 t d d l ió• D tasa de modulación• r relacionado a la frecuencia, 0<r<1


Analógica - DigitalAnalógica Digital

• Digitalización: proceso de convertir la dataDigitalización: proceso de convertir la data analógica en digital.

• Dos técnicas para hacer esto son:p– Modulación por Codificación de Pulso (PCM)– Modulación Delta (DM)


Muestreo de una señal AnalógicaMuestreo de una señal Analógica

• La señal analógica es muestreada cadaLa señal analógica es muestreada cada Ts segundos.

• Ts es el intervalo o período de muestreo.Ts es el intervalo o período de muestreo.• fs = 1/Ts es la frecuencia de muestreo• Teorema del Muestreo o Teorema de• Teorema del Muestreo o Teorema de

Nyquist:• La tasa de muestreo fs debe ser al• La tasa de muestreo, fs, debe ser al

menos 2 veces la frecuencia mas alta contenida en la señal.


contenida en la señal.

Recuperación de una señal para dif t t d tdiferentes tasas de muestreo


PCMPCM

• La señala analógica es muestreada:g– La señal es muestreada según el teorema de

Nyquist.• La señal muestreada es cuantificada: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– Esto se denomina modulación por amplitud de pulso (PAM).

• Los valores cuantificados son codificados como un chorro de bits:un chorro de bits:– Cada una de estas muestras debe ser convertida a

un código binario de n bits


PCM: Diagrama de BloquesPCM: Diagrama de Bloques


PCM: Ejemplo


PCM: RefinamientosPCM: 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 menoscuantificación 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


Codificación No LinealCodificación No Lineal


Compasión (companding)Compasión (companding)

• La señal es comprimida en el emisor yLa señal es comprimida en el emisor y expandida en el receptor.

• Significa reducir la amplitud del voltaje• Significa reducir la amplitud del voltaje instantáneo por valores grandes.I t i l ñ l• Imparte mas ganancia a las señales débiles que a la mas fuertes.


Niveles de CuantificaciónNiveles de Cuantificación

• L es el número de niveles deL es el número de niveles de cuantificación.

• Se eligen dependiendo:• Se eligen dependiendo:– rango de las amplitudes de la señal

analógicaanalógica.– Grado de precisión necesario para recuperar

la señalla señal


Error de CuantificaciónError de Cuantificación

• Los valores de entrada al cuantificador sonLos 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 como:pSNR = 20 log 2n + 1.76 dB = 6.02n + 1.76 dB

• n es el número de bits por muestra.es e ú e o de b ts po uest a• n = log2 L


CodificaciónCodificación

• Cada muestra de la señal es cuantificadaCada muestra de la señal es cuantificada.• Cada muestra es cambiada a una palabra

código de n bitscódigo de n bits.• La tasa de datos es:

– R = fs x n.


DMDM

• La señal analógica se aproxima por una función tipo g p p pescalera.

• Los niveles bajan o suben una altura δ cada intervalo de muestreo Ts.muestreo Ts.

• Se sigue el Teorema del muestreo para obtener Ts.• En cada muestra la señal de entrada es comparada con

l i t l d l f ió lel mas reciente valor de la función escalera.• Si el valor muestreado excede el de la función escalera

se genera un 1. Se genera un 0 en caso contrario.g g


DM: Ejemplo


DM: Lado del TransmisorDM: Lado del Transmisor


DM: Lado del ReceptorDM: Lado del Receptor


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