Universidade federal do rio grande do sul instituto de informática departamento de informática aplicada inf01154 Redes de Computadores n modulação Digital. Utilização de ferramentas analíticas e gráficas na representação e avaliação de um


Largura de banda em centrais públicas de telefonia



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1.4Largura de banda em centrais públicas de telefonia


Os sinais de voz que partem do ser humano são analógicos e sonoros, ou seja, o ar é empurrado com mais ou menos intensidade, um determinado número de vezes por segundo, gerando uma onda que se propaga. Quando atinge um ouvido, este decodifica as ondas sonoras e as transforma em percepções ao cérebro, que identifica um padrão e monta uma mensagem.

A freqüência da voz humana, ou seja, o número de vezes por segundo que o ar é empurrado, é dada pelas cordas vocais, gerando um som mais agudo (de maior freqüência), ou mais grave (de menor freqüência). Normalmente, o ser humano consegue emitir sinais sonoros aproximadamente entre 100 Hz e 8.000 Hz (8 kHz). Um ouvido humano perfeito consegue captar aproximadamente de 16 Hz a 18.000 Hz.

Entretanto, numa conversação normal, geralmente não se passa de 3 kHz. Assim, visando utilizar melhor o canal, criou-se uma largura de banda de 4 kHz para canais de telefonia, que é o que utilizamos atualmente em nossas ligações.

O motivo básico para isso é que o sistema de telefonia utiliza os canais de forma multiplexada1, necessitando alocar uma determinada largura de banda para cada canal de voz. Em testes práticos, julgou-se que a faixa de frequências entre 300Hz e 3400Hz permitia uma conversação normal. Desta forma, utiliza-se filtros eletrônicos para cortar sinais com frequências acima disto. O valor de 4 kHz é utilizado como uma tolerância para evitar interferências entre canais multiplexados lado a lado. A figura a seguir ilustra isso.



Isso foi feito para conseguir mais ligações entre centrais públicas utilizando o mesmo meio físico, que é o princípio da multiplexação, visto através da figura a seguir.

Em resumo, pode-se concluir que foi criada uma limitação de 4 kHz nos canais de telefonia, a fim de poder multiplexar mais canais nas comunicações entre centrais públicas diferentes, gerando economia e dando uma resposta satisfatória ao usuário.

Exemplificando, caso você esteja assistindo ao vivo uma orquestra sinfônica e queira telefonar a uma pessoa para ela escutar como estão bonitas as músicas, tenha certeza que o seu interlocutor não vai conseguir perceber o que você está ouvindo, pois o som estará limitado em menos de 4 kHz, e instrumentos como o piano trabalham normalmente entre 20Hz a 7 kHz (chegando a 18 kHz), e o violino vai de 200Hz a 10 kHz (chegando a 20 kHz).

2.Modulação digital


A modulação é a variação das características de uma onda (denominada portadora) de acordo com outra onda ou sinal (denominado sinal modulador).

O objetivo do processo de modulação é imprimir uma informação em uma onda portadora, para permitir que esta informação seja transmitida no meio de comunicação.

Na tecnologia atual, existem dois tipos de portadora: portadora analógica (senóide) e a portadora digital (trem de pulsos). O sinal modulador pode ser analógico (como a voz) ou digital (dados).



Sem Modulação = Transmissão em banda base. Utiliza-se codificação do sinal para evitar problemas de sincronismo, que podem acontecer com sequências muito grandes de “0” ou “1”. Alguns exemplos são NRZ, NRZi, Manchester, AMI, MLT-3, entre outros. Muito utilizado em redes Ethernet, Fast Ethernet e em Fibra ótica.

2.1Modulação com portadora analógica


Pode-se ter os seguintes tipos de modulação com portadora analógica:

  • Moduladora analógica: AM (Amplitude Modulation) ou modulação em amplitude; FM (Frequency Modulation) ou modulação em freqüência; PM (Phase Modulation) ou modulação em fase

  • Moduladora digital: ASK (Amplitude Shift Keying) ou modulação por deslocamento de amplitude; FSK (Frequency Shift Keying) ou modulação por deslocamento de freqüência; PSK (Phase Shift Keying) ou modulação por deslocamento de fase.

Em uma modulação AM, modifica-se a característica AMPLITUDE de uma portadora analógica (ver figura). A frequência da portadora está relacionada à banda da estação de rádio, enquanto a envoltória está relacionada à frequência “carregada”, ou ao áudio.





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A transmissão de dados em linhas telefônicas utilizando-se modems analógicos tem como base de funcionamento a existência de uma portadora analógica (com uma freqüência menor que 4 KHz) e uma moduladora digital (sinal que se quer transmitir). Esse tipo de modulação digital também é utilizado em praticamente toda comunicação de dados wireless, como wimax (802.16), wi-fi (802.11), ADSL (com o OFDM), padrões de modulação em TV Digital, como o DVB e o ISDB, que se baseiam em OFDM, etc.

Para os objetivos deste curso, será analisado com maior profundidade a modulação ASK, FSK e PSK.

2.1.1Modulação ASK


Primeiramente deve-se montar uma tabela fazendo uma equivalência entre o sinal que se deseja transmitir e o parâmetro da onda que vai ser variado (neste caso é a amplitude). Desta forma, cria-se um padrão que será impresso na portadora pelo transmissor e traduzido pelo receptor.

Por exemplo, suponha que para representar o nível lógico "1" seja utilizada uma amplitude de 5 Volts, e para representar o nível lógico "0" seja utilizada uma amplitude de 1 Volt.

Além disto, estabeleceu-se que a freqüência da portadora seria de 2400 Hz e a cada ciclo da onda portadora seria impressa uma nova informação, ou seja, ela iria carregar um bit por ciclo de onda, ou ainda, teria possibilidade de sofrer mudança de amplitude a cada ciclo de onda.

Supondo que existe a necessidade de transmitir a seqüência de bits "101001" através da linha, a forma de onda resultante seria a seguinte:

Observe que a cada ciclo está sendo enviado um bit de informação digital, conforme o padrão escolhido. Desta forma, como a portadora está a 2400 Hz, pode-se ver facilmente que está sendo transmitido um sinal na taxa de 2400 bit/s.

Quando um sinal é modulado, ele gera um espalhamento na frequência limitado à largura de banda do canal.

Observe também que a comunicação foi possível graças ao estabelecimento de um padrão que seria conhecido pelo transmissor e pelo receptor. Na prática, existem organismos internacionais responsáveis por determinar os padrões que devem ser seguidos pelos fabricantes de modems. Exemplos são o ITU-T (International Telecommunication Union), e o EIA (Eletronic Industries Association). Outro exemplo na próxima figura (http://www.complextoreal.com/chapters/mod1.pdf), onde pode-se ver a onda quadrada equivalente, referente ao sinal.



Não necessariamente a portadora carrega um bit por ciclo de onda. Na transmissão, pode-se considerar que estão sendo transmitidos SÍMBOLOS, e os símbolos podem significar um ou mais bits. Uma analogia é imaginar os símbolos como caixas, e dentro dessas caixas podem ser acomodados um ou mais bits. As figuras a seguir mostram um caso onde são necessários dois ciclos de onda para transmitir um bit, e outro caso onde é transmitido um bit a cada meio ciclo de onda. Observe que a amplitude e a freqüência da portadora continuam sendo as do exemplo anterior.


2.1.1.1DOIS CICLOS POR BIT



2.1.1.2MEIO CICLO POR BIT



Não é possível imprimir uma informação em menos de meio ciclo. Portanto, temos que o máximo que pode-se transmitir da forma analisada acima é com a portadora no seu máximo (4 kHz) e dois bits impressos em cada ciclo de portadora. Temos assim um máximo possível de 8 kbit/s nesse tipo de modulação. Porém, sabe-se que existem modems que utilizam taxas maiores que estas, como 9600 bit/s, ou até 56 kbit/s. Então, como eles fazem? A resposta para isto será respondida em seguida, quando se analisar modulação multinível.

Os exemplos acima mostram que a portadora varia de acordo com um padrão, podendo carregar consigo a informação digital. O número de ciclos que a portadora leva para ser modificada traz um novo conceito, que é a taxa de modulação, cuja unidade é o baud.


2.1.2Diferença entre baud e bit/s


A taxa de modulação (medida em bauds) é o número de possíveis variações da onda portadora por segundo, ou seja, o número de vezes que se imprime a informação digital na onda portadora por segundo (a cada possível variação na onda portadora está se imprimindo uma informação digital).

A taxa do sinal (medida em bit/s), indica o número de bits efetivamente transmitidos pelo canal de comunicação por segundo.

Até este momento, foi analisada a modulação monobit, onde a portadora carrega um bit a cada baud. Desta forma, temos que na modulação monobit o número de bauds é sempre igual ao número de bit/s. Após a análise de FSK e PSK, será vista a modulação multinível, onde a cada baud (ou variação da onda portadora), pode-se imprimir mais de um bit na onda portadora.

2.1.3Modulação multinível


O objetivo da modulação multinível é transmitir a informação com maior taxa, e para conseguir isto é impresso mais de um bit por variação da onda portadora.

Por exemplo, na modulação ASK dibit, em vez de criar-se uma tabela para os bits "1" e "0", cria-se uma tabela de amplitudes diferenciadas para os bits "00", "01", "10", e "11". Assim, cada variação na onda portadora carrega consigo mais de um bit.

A figura a seguir mostra um exemplo de ASK dibit, onde a seguinte tabela foi estabelecida como padrão entre transmissor e receptor:

"00": 2V


"01": 4V

"10": 6V


"11": 8V

Além disto, o padrão convencionou que a portadora tivesse 2400 Hz e fosse variada a cada ciclo (2400 bauds). A figura a seguir ilustra a forma de onda resultante para transmitir a seqüência de bits "100011010011".




Para aumentar mais ainda a taxa de transmissão do sinal, pode-se utilizar mais de dois bits por baud. A figura a seguir mostra uma modulação tribit em amplitude e seqüência de bits "100011010011000111".

Na prática não é possível aumentar infinitamente o número de níveis para conseguir-se maior taxa de transmissão. Existem limitações devido à incidência de ruído na linha. Adiante será visto o teorema de Shannon, que determina a máxima capacidade de transmissão do sinal na presença de ruídos.

Adiante serão vistos outros tipos de modulação multinível, com combinações entre amplitude e fase.

2.1.4Modulação FSK


Neste tipo de modulação, a característica da onda portadora que vai variar é a freqüência, deixando a amplitude e a fase constantes.

Da mesma forma que na modulação ASK, a primeira coisa a ser feita é o estabelecimento de um padrão entre transmissor e receptor, para que a comunicação possa ser efetuada e haja entendimento entre eles.

O padrão para o exemplo a seguir é que o bit "0" corresponda à freqüência de 1000 Hz e o bit "1" corresponda à freqüência de 2000 Hz. Na prática, normalmente a portadora fica em uma freqüência determinada e o bit "0" corresponde a uma freqüência determinada abaixo da portadora, e o bit "1" a uma freqüência acima da portadora, como mostra a figura a seguir.



2.1.5Modulação PSK


Na modulação PSK, a característica da onda portadora que vai variar é a fase, deixando a amplitude e a freqüência constantes.

Da mesma forma que na modulação ASK, a primeira coisa a ser feita é o estabelecimento de um padrão entre transmissor e receptor, para que a comunicação possa ser efetuada e haja entendimento entre eles.

O padrão adotado na figura a seguir é que quando há uma troca do sinal digital de 1 para 0 ou de 0 para 1, inverte a fase, ou seja, soma 180°.

A figura a seguir ilustra a constelação do BPSK (Binary Phase Shift Keying), uma QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) e 8-PSK2, que são respectivamente PSK monobit, PSK dibit e PSK tribit, como pode ser inferido pela figura, visto o número de níveis que cada modulação proporciona.



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