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Comunicaciones de datos
Capitulo 5
Técnicas de Codificación
de Señales
Introducción
Datos analógicos/digitales se
codifican en señales
• Datos digitales, señales digitales
• Datos digitales, señales analógicas
• Datos analógicos, señales digitales
• Datos analógicos, señales
analógicas
Motivación
Datos digitales, señales digitales
• Equipos más baratos que para modulación digital-a-analógica
Datos analógicos, señales digitales
• Permite uso de equipos digitales modernos
• Repetidores aseguran transmisión sin errores
Datos digitales, señales analógicas
• Ciertos medios (fibra óptica, no guiados) solo propagan señales
analógicas
Datos analógicos, señales analógicas
• Datos analógicos pueden transmitirse como señales analógicas
económica y fácilmente (ej.: voz telefónica)
Codificaciones
Datos digitales,
señales digitales
• Codificación NRZ, NRZI,
Manchester
Datos digitales,
señales analógicas
(modems)
• Técnicas: ASK, FSK, PSK
Datos analógicos,
señales digitales
• Modulación de pulsos (PCM),
Modulacion Delta
Datos analógicos,
señales analógicas
• Modulación de amplitud (AM),
frecuencia (FM) y fase (PM)
Terminología
Señalización digital:
• Fuente de datos g(t) (digital o analógica) se codifica en
una señal digital x(t)
Señalización analógica
• Su base es una señal de frecuencia constante
• Señal portadora
• Frecuencia compatible con medio de transmisión usado
• Señal se transmite junto a señal portadora usando
técnicas de modulación
Terminología
Modulación
• Proceso de codificar fuente de datos en
señal portadora con frecuencia fc
• Técnicas de modulación involucran operación
en: amplitud, frecuencia y/o fase
Señal banda base
• Señal original m(t), analógica o digital
DATOS DIGITALES,
SEÑALES DIGITALES
Características
Señal digital
Pulsos de voltajes discretos y discontinuos
Cada pulso es un elemento de señal
Datos binarios son codificados en elementos de señal
(pulsos)
Términos
Unipolar
Todos los
elementos son
del mismo signo
Polar
Un estado
lógico
representado
por un voltaje
positivo y el
otro por un
voltaje
negativo
Elemento de
datos (bits)
Un uno o cero
binario
Términos
Tasa de datos o de transferencia
• Tasa a la cual se transmiten los elementos de
datos en bps
Elemento de señal (símbolo)
• Parte de la señal que ocupa el intervalo más
corto de un código de señalización
• Digital: pulso de voltaje con amplitud
constante
• Analógico: pulso con frecuencia, amplitud y
fase constantes
Términos
Tasa de modulación o
señalización
• Tasa en que se transmiten
elementos de señal
• Medido en baudios = elementos de
señal por segundo (símbolos/seg.)
Interpretación de señales
Importante
conocer
Factores que
afectan la
interpretación
• Tiempo de bit – cuando comienza y
cuando termina.
• Niveles de señal (alto o bajo)
• Para esto, se toman muestras de la
señal
• Relación señal ruido (SNR)
• Tasa de datos/transferencia
• Ancho de banda
Interpretación de señales

∆ tasa de transferencia, ∆ BER
 BER:
Bit Error Rate (tasa de errores de bits)
 Probabilidad


de que un bit se reciba con error
∆ SNR,  BER
∆ ancho de banda, ∆ tasa de transferencia
Comparación de Esquemas de Codificación
Espectro de señal
• Falta de frecuencias altas reduce el ancho de
banda
Reloj
• Necesario sincronía entre transmisor y
receptor
• Reloj externo  costoso
• Mecanismo de sincronía basado en la señal
Comparación de Esquemas de Codificación
Detección de errores
• Puede incrustarse dentro de la codificación de señal
Interferencia de señal e inmunidad al ruido
• Algunos códigos son mejores que otros (BER)
Costo y Complejidad
• Alta tasa de señalización lleva a mayor costo
• Algunos códigos requieren una tasa de señalización
mayor que la tasa de datos
Esquemas de codificación
Sin retorno a
cero (NRZ-L o
NRZ)
Sin retorno a
cero invertido
(NRZI)
Bipolar–AMI
Pseudoternario
Manchester
(Ethernet)
Manchester
Diferencial
B8ZS
HDB3
NRZ


Dos voltajes diferentes para bits 0 y 1
Voltaje constante durante un intervalo de bit
 NO


hay transición  no hay retorno a 0 Volts
Voltaje positivo constante para bit 0
Problema: muchos 0s o 1s consecutivos
 Se
puede confundir la línea base
 No se puede recuperar el reloj (re-sincronizar)
NRZI




Pulso de voltaje constante durante la duración
Transmisor genera transición de la señal para
codificar un 1 y se mantiene en señal actual para
codificar un 0
Soluciona el problema de 1s consecutivos
No soluciona el problema de 0s consecutivos
Es un ejemplo de codificación diferencial
NRZ y NRZI
- Adecuados para transmisión dentro del PC y para
almacenamiento magnético.
- No adecuados para comunicaciones de datos en un
sistema de transmisión.
NRZ ventajas / desventajas
Ventajas:
• Fácil de diseñar
• Buen uso del ancho
de banda
Desventajas: • Perdida de sincronía
Codificación Diferencial
Datos representados
por cambios en vez de
solo niveles de voltajes
Binario - AMI







Uso de más de dos niveles
0 es representado por señal cero
1 es representado por un nivel positivo o negativo.
Pulsos 1alternan en polaridad
No hay perdida de sincronía si hay una larga cadena
de unos (si hay ceros problema)
Bajo ancho de banda
Fácil detección de errores
Pseudoternario



“Uno” es representado por ausencia de senal
“Cero” es representado al alternar niveles positivo
y negativo
No hay ventajas ni desventajas comparado con
Bipolar AMI
Bipolar–AMI y Pseudo-ternario
Desventajas de Binario Multinivel



No es más eficiente que NRZ
Receptor debe distinguir entre (A, -A, 0)
Requiere aprox. 3dB mas de potencia para una
misma probabilidad de error (BER)
Bifase

Manchester
Transición en la mitad de un periodo de bit
 Transición sirve como reloj y datos
 Bajo-alto  1
 Alto-bajo  0
 Usado por IEEE 802.3 (Ethernet)


Manchester diferencial
Transición en mitad de periodo de bit es para reloj
 Transición al inicio de un periodo de bit  0
 No transición al inicio de un periodo de bit  1
 Esquema diferencial
 Usado IEEE 802.5 (Token Ring)

Bifase: Ventajas / Desventajas
Ventajas
• Auto-sincronización
• Detección de errores: ausencia de transición
Desventajas
• Eficiencia: 50%
• Duplica ratio de transiciones de señal en
enlace  receptor tiene la mitad del tiempo
para detectar cada pulso
Resumen
Tasa de modulación
Scrambling


Se usa scrambling para reemplazar secuencias que
podrían producir voltajes constantes (revolver los
símbolos)
Secuencia de llenado
Debe producir suficiente transiciones para sincronización
 Debe ser reconocido por el Rx y ser reemplazable





Misma longitud que el original
No secuencias largas de nivel 0
No reducción de tasa de datos
Capacidad de detección de errores
B8ZS







Bipolar con substitución de 8 ceros.
Basado en Bipolar AMI
Si un octeto de ceros y el ultimo pulso de voltaje precedente
fue positivo  codifique como 000+-0-+
Si un octeto de ceros y el ultimo pulso de voltaje precedente
fue negativo  codifique como 000-+0+Causa dos violaciones al código AMI
Menos probable que ocurra debido a ruido
Receptor detecta e interpreta como un octeto de ceros
HDB3



High Density Bipolar 3 Zeros
Basado en Bipolar AMI
Cadena de 4 ceros reemplazada con uno o dos
pulsos
HDB3






Cuando aparecen más de cuatro ceros consecutivos, estos se agrupan de 4
en 4, y se sustituye cada grupo 0000 por una de las secuencias siguientes
de impulsos: B00V ó 000V .
B indica un impulso con distinto signo que el impulso anterior. Por tanto, B
mantiene la ley de alternancia de impulsos, o ley de bipolaridad, con el
resto de impulsos transmitidos.
V indica un impulso del mismo signo que el impulso que le precede, violando
por tanto la ley de bipolaridad.
El grupo 0000 se sustituye por B00V cuando es par (o cero) el número de
impulsos entre la violación V anterior y la que se va a introducir.
El grupo 0000 se sustituye por 000V cuando es impar el número de
impulsos entre la violación V anterior y la que se va a introducir.
Así se logra mantener la ley de bipolaridad de los impulsos
correspondientes a los "unos", y también la bipolaridad de las "violaciones"
mediante los impulsos B y los impulsos V.
B8ZS y HDB3
1s
DATOS DIGITALES,
SEÑALES ANALÓGICAS
Datos digitales, señales analógicas
Ejemplo:
• Sistema telefónico
• 300 – 3400 Hz
• Uso de modem (moduladordemodulador)
Datos digitales, señales analógicas
Técnicas de
Modulación
Amplitude
Shift Keying
(ASK)
Frequency
Shift Keying
(FSK)
Phase Shift
Keying
(PSK)
Técnicas de modulación
Amplitude Shift Keying (ASK)





Valores binarios (1 ó 0) representados por
diferentes amplitudes de frecuencia portadora
Usualmente, una de las amplitudes es cero
Técnica de modulación ineficiente
Hasta 1200 bps en líneas telefónicas
Usado en fibra óptica
 Amplitud
cero  ausencia de luz en LED
Amplitude Shift Keying
 A cos( 2 f c t ) 1 binario
s (t )  
0 binario
0
Frequency Shift Keying (FSK)


Valores representados por diferentes frecuencias
Forma más común: BFSK
 Utiliza
dos frecuencias diferentes
 Menos susceptible al error que ASK
 Hasta 1200 bps en líneas telefónicas
 Usado en radio de alta frecuencia (3-30 MHz)
 Altas frecuencias en coaxial
Binary FSK
 A cos( 2  f 1t ) 1 binario
s (t )  
 A cos( 2  f 2 t ) 0 binario
f1 y f2 son frecuencias diferentes, cercanas a la frecuencia
portadora.
FSK en Líneas telefónicas
Multiple FSK (MFSK)


Usa más de dos frecuencias
Cada elemento de señal representa más de un bit
s ( t )  A cos( 2 f i t )
1 i  M
Phase Shift Keying (PSK)


Fase de la señal portadora es desplazada para
representar datos
Algunos tipos:
 BPSK
 DPSK
 PSK
en cuadratura
 PSK multinivel
Binary PSK (BPSK)


Dos fases para representar 1 ó 0
Desplazamiento de 180o () ≡ a multiplicar onda
senoidal por -1
 A cos( 2  f c t )
 A cos( 2  f c t )
s (t )  

 A cos( 2  f c t   )   A cos( 2  f c t )
1 binario
0 binario
BPSK: Ejemplo
0
0
1
0
0
1
1
1
1
0
0
Differential PSK (DPSK)




PSK Diferencial
0: fase igual a elemento anterior
1: fase opuesta a elemento anterior
Fase es desplazada relativo a la transmisión previa
en vez de alguna señal de referencia
DPSK: Ejemplo
PSK en Cuadratura (QPSK)


Uso mas eficiente, cada elemento de señal (símbolo)
representa dos bits
Desplazamientos de /2 (90°) en vez de 180° de
BPSK
PSK Multinivel



Uso de múltiples niveles puede ser extendido de
usar dos bits a la vez
Puede usarse múltiples ángulos de fase y tener mas
de una amplitud.
Modems de 9600 bps usan 12 ángulos, cuatro de
los cuales tienen 2 amplitudes
PSK Multinivel
Desempeño de Esquemas de Modulación
Digital a Analógico

Ancho de banda
 ASK
y PSK directamente relacionado a tasa de bits
 FSK relacionado a tasa de bits en baja frecuencia

En presencia de ruido, BER de PSK y QPSK es 3dB
superior que ASK y FSK
Modulación de Amplitud en Cuadratura
(QAM)





Usada en ADSL y ciertos estándares inalámbricos
Combinacion de ASK y PSK
Extensión lógica de QPSK
Dos señales independientes son transmitidas por el
mismo medio
Matematicamente seria:
Modulación de Amplitud en Cuadratura
(QAM)


Receptor de-modula las señales y combina resultados
para obtener cadena de bits original
Se han llegado a usar hasta 256 niveles

A mayor # de niveles, mayor BER potencial
DATOS ANALÓGICOS,
SEÑALES DIGITALES
Datos analógicos, Señal Digital

Digitalización


Conversión de datos analógicos a digitales
Datos digitales pueden ser usados así:
1.
2.
3.
Transmitidos directamente usando NRZ
Transmitidos usando otro código (ej.: HDB3)
Convertidos a señal analógica (ej.: ASK) y luego
transmitidos

¿Por qué? ¿Ventajas?
Digitalización

Codec
 Dispositivo
que codifica señales analógicas y las
decodifica en el destino

Dos técnicas comunes
 PCM:
Pulse Code Modulation
 Delta Modulation (DM)
Pulse Code Modulation (PCM)
Basado en teorema de muestreo:
• Si una señal f(t) es muestreada en intervalos
de tiempo regulares a una tasa al doble
que la frecuencia máxima de la señal
analógica original, las muestras contendrán
toda la información de la señal original
• La función f(t) puede ser reconstruida a
partir de estas muestras, usando un filtro
lowpass
Pulse Code Modulation

Ejemplo
 Datos
de voz limitados a menos de 4000 Hz
 Se requiere 8000 muestras por segundo para
caracterizar la señal por completo


Muestras analógicas llamadas PAM: Pulse Amplitude
Modulation
A cada muestra se asigna un código binario
Pulse Code Modulation


Sistema de 4 bits brinda 24 = 16 niveles
Cuantización
Error de cuantización o ruido
 Aproximaciones significa que es imposible recuperar la señal
original exactamente


Muestras de 8 bits  256 niveles para voz
Calidad comparable con transmisión analógica
 8000 muestras por segundo
 En este caso, ¿Cuál es la tasa de datos necesaria para
transmitir una señal de voz?

Pulse Code Modulation
Codificación No Lineal



Niveles de cuantización no están igualmente
separados
Con codificacion no lineal se reduce la distorsión de
señal
Puede hacerse al usar “companding” (compressingexpanding)
Companding: proceso que comprime el rango de intensidad
de una señal al impartir más ganancia a señales débiles que
a señales fuertes de entrada
 En receptor se realiza operación inversa

Codificación No Lineal
Modulación Delta (DM)



Entrada analógica es aproximada mediante una
función escalonada
Se mueve arriba o abajo un nivel (d) por cada
intervalo de muestra
Comportamiento binario o escalonado
 Función
se mueve arriba o abajo por cada intervalo de
muestra.
Modulación Delta
DM vs. PCM


DM es más simple de implementar
PCM tiene mejor características SNR (para la misma
tasa de datos)
PCM: Desempeño

Reproducción buena de la voz con PCM 128 niveles
de cuantización
de 7bits (27 = 128)
 Ancho de banda de voz: 4 KHz
 Tasa de datos requerida: 8000 x 7 = 56 Kbps
 Pero, según teorema de Nyquist es ineficiente
 Codificación

Compresión de datos puede mejorar esto
PCM: Desempeño

A pesar de ineficiencia, se sigue usando
digitalización
 Uso
de repetidores es preferible que amplificadores
 TDM (digital) es preferible a FDM (analógico), ya que
no existe ruido de intermodulacion
 Habilita uso de dispositivos de conmutación digitales,
más eficientes que los analógicos
DATOS ANALÓGICOS,
SEÑALES ANALÓGICAS
Modulación

Proceso de combinar señal de entrada m(t) con
frecuencia portadora fc para producir señal s(t) con
ancho de banda (usualmente) centrado en fc
Datos analógicos, señal analógica

¿Por que modular datos analógicos?
A más alta frecuencia se puede tener transmisión más
eficiente
 Permite uso de multiplexación por división de frecuencia


Tipos de modulación
Amplitud (AM): forma más simple
 Frecuencia (FM)
 Fase (PM)

Modulación
Analógica
FM y PM requieren un ancho
de banda mayor que AM

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