Tehnici de comunicatii – Indrumator de laborator

Lucrarea 1 – Transmisia in banda de baza

1

Lucrarea 1.

Transmisia in banda de baza

Intr-o transmisiune de date, informatia transmisa poate fi de origine

analogica sau numerica. Un semnal este considerat numeric (digital) daca el

este discretizat in timp si in amplitudine, ceea ce inseamna ca amplitudinea sa

poate lua doar anumite valori, care raman constante pe intervale bine

precizate de timp (respectiv pe intervalul corespunzator duratei unui simbol).

Pentru semnalele analogice, amplitudinea acestora variaza de o maniera

continua in timp.

O informatie analogica poate fi convertita in numeric, de exemplu

semnalele video sau audio. De asemenea si procesul invers este posibil,

respectiv conversia din numeric in analogic. Semnalele ce reprezinta datele pot

fi considerate impulsuri modulate in amplitudine. Aceste impulsuri, numite

semnale in banda de baza, au un spectru de frecvente care include frecventele

foarte joase si ocupa o banda de frecvente mult mai mare decat banda

telefonica vocala. Transmiterea lor se poate face, in functie de caracteristicile

canalului de telecomunicatii, in banda de baza sau, si aceasta este cazul cel mai

des intalnit, prin modularea unui purtator de frecventa adecvat aleasa.

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) defineste “banda

de baza” ca fiind banda de frecvente ocupata de un semnal (de date) inainte ca

acesta sa moduleze un purtator (sau subpurtator) pentru a se obtine semnalul

care trebuie transmis. Un semnal de date in banda de baza este, prin urmare,

un semnal de date asa cum el se prezinta la iesirea sau la intrarea unui

echipament de prelucrare sau de prezentare a datelor.

Deci putem spunem despre o transmisie de date ca se face in “banda de

baza” daca semnalul de date nu sufera nici un fel de deplasare spectrala

datorata modulatiei. Semnalele in banda de baza sunt supuse atenuarilor

introduse de catre liniile de transmisie, ele trebuind regenerate periodic in

cazul transmisiilor pe distante lungi.

Tehnici de comunicatii – Indrumator de laborator

Lucrarea 1 – Transmisia in banda de baza

2

In prezent transmisiunile de date se realizeaza in cea mai mare parte pe

canalele ce permit mai multe fluxuri simultan, in aceaste cazuri fiind necesara

translatarea spectrului semnalelor din banda de baza in banda (benzile)

cablului respectiv.

Sunt insa si cazuri cand este mai avantajoasa transmisia in banda de

baza. Circuitele telefonice bifilare nebobinate, cablurile coaxiale, fibrele optice,

permitand transmisia unor semnale cu frecventa mult mai mare decat

frecventa limita a unui canal telefonic vocal, pot fi echipate pentru transmisiuni

in banda de baza, oferind viteze de transmitere a datelor foarte ridicate.

Sistemele de transmisie in banda de baza pot fi analogice (telefonia

analogica, sisteme de televiziune cu circuit inchis) sau digitale (telefonia

digitala, retele locale de calculatoare).

In general, semnalul binar propriu zis nu este transmis pe linia de

comunicatie sub forma sa bruta, ci se utilizeaza diverse tehnici de codare a

acestuia in prealabil. Motivele care stau la baza acestei codari sunt diverse:

Recuperarea tactului necesar unei transmisii sincrone este facilitata de

catre secventele binare care prezinta tranzitii cat mai numeroase intre

doua stari care corespund unor simboluri. Este astfel de dorit evitarea

transmiterii unor secvete de date care sa corespunda unor siruri lungi

de 1, respectiv 0.

Formarea spectrala („spectrum shaping”) a semnalului ce se transmite

fara a utiliza tehnici de modulare sau filtrare. Acest lucru poate fi

important de exemplu in aplicatiile pe liniile telefonice, care introduc

atenuari puternice ale semnalului la frecvente mai mari de 300kHz.

Eliminarea componentei continue din semnal.

Utilizarea eficienta a benzii de frecventa. Se pot transmite date cu un

debit mai mare utilizand aceeasi banda de frecventa.

Principalele limitari sunt determinate de diafonia prin cuplaj intre

perechile aceluiasi cablu. De asemenea distanta de transmisie este limitata la

10 – 20 km dar, pentru retelele de tranmisiuni de date locale, aceasta distant

este suficient de mare. Daca este necesar, marirea distantei de transmisie se

Tehnici de comunicatii – Indrumator de laborator

Lucrarea 1 – Transmisia in banda de baza

3

poate asigura prin utilizarea repetoarelor regeneratoare si a amplificatoarelor

de banda larga inserate pe liniile de transmisiuni.

1. Modemul

Modemul (Modulator - Demodulator) este un dispozitiv care moduleaza

un semnal purtator analog pentru a coda informatie digitala, si de asemenea

demoduleaza un astfel de semnat purtator pentru a decoda informatia

transmisa. Scopul este producerea unui semnal care sa poate fii transmis usor

si care sa poate fii decodat pentru a reproduce datele digitale originale.

Multi ani, compania americana AT&T a mentinut un monopul asupra

echipementelor ce puteau fi conectate electric la reteaua lor telefonica.

Producatorii de echipamente de comunicatii au gasit o solutie de a evita acest

monopol, creand un modem care nu era legat direct la linie, ci era clupat audio

cu sistemul telefonic. Acest modem poate fi vazut in figura de mai jos.

Figura 1.1. Modem cuplat audio.

Cel mai cunoscut exemplu este modemul voiceband care transforma

codul binar al unui calculator personal in sunete care pot fi transmise pe liniile

telefonice si odata receptionat la capatul celalalt transforma acest semnal

inapoi in binar. Modemurile sunt, in general, clasificate in functie de cantitatea

Tehnici de comunicatii – Indrumator de laborator

Lucrarea 1 – Transmisia in banda de baza

4

de date pe care o pot trimite intr-o anumita perioada de timp, masurata in biti

pe secunda, sau "bps". De asemenea, acestea pot fi clasificate dupa BAUD,

adica de cate ori apar modificari de semnal intr-o secunda.

Modemuri tot mai rapide sunt folosite de utilizatorii de Internet in

fiecare zi, in special modemuri prin cablu si modemuri ADSL. In telecomunicatii,

modemurile radio de banda larga de frecvente transmit pachete repetate de

date la rate foarte mari prin legaturi de microunde radio. Modemul radio de

banda ingusta este utilizat pentru pachete de date la rate mici, de pana la

19.2kbps, si este destinat special retelelor private de radio. Unele modemuri cu

microunde transmit mai mult de o suta de milioane de biti pe secunda.

Modemurile optice transmit date prin fibra optica, avand rate de date de peste

un miliard de biti pe secunda. Un kbps, asa cum este definit in telecomunicatii

inseamna 1000 de biti pe secunda, si nu 1024 de biti pe secunda cum este

definit in binar. De exemplu, un modem de 56k poate transfera date de pana la

56,000 de biti pe secunda, care in binar inseamna doar 7,8kB.

Debitele strandard folosite de modemurile pe linia telefonica sunt:

100bps (110 BAUD);

300bps (300 BAUD);

1.2kbps (600 BAUD);

2.4kbps (1200 BAUD);

4.8kbps (1600 BAUD);

9.6kbps (2400 BAUD);

14.4kbps (2400 BAUD);

28.8kbps (3200 BAUD);

33.6kbps (3429 BAUD);

56kbps (8000 BAUD);

Modemurile mai noi pot sa depaseasca debitul informational de 56kbps

prin compresia datelor inainte ca acestea sa fie trimise pe linie. Fizic se

transmite tot 56kbps, dar prin compresie se pot atinge debite pe pana la

300kbps. Acest debit este variabil chiar si presupunand ca linia nu isi modifica

caracteristicile, in functie de tipul informatiei transmise.

Tehnici de comunicatii – Indrumator de laborator

Lucrarea 1 – Transmisia in banda de baza

5

2. Coduri in banda de baza

Codurile din banda de baza se comporta asemanator cu modulatiile,

modificand distributia energiei in banda si ajutand la sincronizarea tactului la

receptie. Diferenta intre un semnal in banda de baza si unul modulat este ca in

urma prelucrarii, semnalul va ocupa aceeasi banda si va ramane

dreptunghiular.

2.1. Codul NRZ (Non Return to Zero)

Cel mai simplu mod de a reprezenta datele binare este folosind un cod

care atribuie un nivel de semnal valorii “0” logic si alt nivel valorii “1” logic. de

obicei pentru “1” se foloseste un nivel pozitiv de tensiune, iar pentru “0” o

tensiune nula (0 V). Codarea NRZ are urmaroarele variante:

NRZ-L (Level): echivalent cu NRZ (“1” - nivel ridicat, “0” – nivel zero);

NRZ-M (Mark): “1” – apare o tranzitie, “0” – nu apare nici o tranzitie;

NRZ-S (Space): “1” – nu apare nici o tranzitie, “0” – apare o tranzitie;

Acest cod nu este recomandat pentru transmiterea directa pe linia de

comunicatii deoarece atenuarea introdusa de transformatoarele de linie va

determina deformarea sa intr-o asemenea masura incat nu va mai fi posibila

reconstituirea datelor la receptie. In plus, pentru un sir lung de simboluri de

acelasi tip nu vor fi tranzitii in semnalul de date, ceea ce inseamna ca nu va fi

posibila sincronizarea tactului de la receptie cu cel de la emisie.

Codul NRZ-M este folosit la transmiterea datelor in retelele de tip

FastEthernet 100BaseFX si FDDI, deoarece pe aceste canale exista un singur

emitator, iar comunicarea este unidirectionala.

Tehnici de comunicatii – Indrumator de laborator

Lucrarea 1 – Transmisia in banda de baza

6

Figura 1.2. Codarea NRZ.

2.2. Codul bifazic

Se utilizeaza trei variante ale acestui cod: BIΦ-L, BIΦ-M si BIΦ-S. Prima

varianta este cunoscuta si sub denumirea de codare Manchester, si va fi

prezentata ulterior.

Codurile BIΦ-M si BIΦ-S presupun aparitia unei tranzitii la inceputul

oricarui interval de bit. Pentru codul BIΦ-M daca bitul este de „1”, atunci o a

doua tranzitie va apare la mijlocul intervalului de bit. Pentru transmisia unui

„0” nu se va mai produce nici un fel de tranzitie. Codarea BIΦ-S este exact

inversa codarii BIΦ-M: tranzitie la jumatatea intervalului daca se transmite „0”

si lipsa unei tranzitii daca se transmite „1”.

Figura 1.3. Codarea bifazica Mark si Space.

Tehnici de comunicatii – Indrumator de laborator

Lucrarea 1 – Transmisia in banda de baza

7

2.3. Codul Manchester

Codul Manchester determina o tranzitie pentru semnalul emis, tranzitie

care apare la mijlocul fiecarei perioade de bit. Astfel, un „1” este reprezentat

printr-o tranzite de la nivelul -V la nivelul +V, in timp ce unei tranzitii de la

nivelul +V la nivelul -V ii corespunde un „0”. In cazul sirurilor de biti identici

este necesara o tranzitie suplimentara care asigura revenirea semnalului la

nivelul corespunzator.

In acest fel se asigura sincronizarea intre emitator si receptor, chiar si in

cazul transmisiei unor secvente lungi de „0” sau „1”. In plus, deoarece

simbolurile binare sunt reprezentate prin tranzitii si nu prin nivele de tensiune

(stari) ca la codurile de tip NRZ, scade probabilitatea aparitiei unor erori

cauzate de zgomotul din mediul de transmisie. Zgomotul care afecteaza

semnalul poate modifica nivelele transmise, dar este putin probabil ca el sa

duca la inversarea tranzitiei sau la eliminarea ei.

Figura 1.4. Codarea Manchester.

Dezavantajul codarii bifazice (aici incluzand si Manchester) tine de

banda ocupata de semnalul codat. Deoarece bitul emis are durata egala cu

jumatatea bitului logic, debitul de iesire va fi dublul debitului informational

rezultand o banda de frecventa relativ mare. Energia semnalului este

concentrata in banda [0.6-2.5]fN, (figura 1.7) banda mai mare decat cea a

secventei necodate.

Aceasta banda relativ larga nu recomanda folosirea codului bifazic

pentru debite mai mari de 1200bps decat pe canale dedicate de banda larga.

Banda necesara transmiterii unui semnal cu debitul de 10Mbps este de 20MHz.

Tehnici de comunicatii – Indrumator de laborator

Lucrarea 1 – Transmisia in banda de baza

8

Codul Manchester este utilizat in retelele Ethernet 10Base5, 10Base2,

10BaseT si 10baseFL.

2.4. Codul Miller

Codul Miller se obtine din codul Bifazic-S prin eliminarea unei tranzitii

din doua. Altfel spus, semnalul codat Miller prezinta tranzitii numai la tranzitiile

de un anume sens ale semnalul bifazic diferential. Acest cod prezinta avantajul

unui spectru de frecvente mai ingust, energia fiind concentrata in banda

[0.4-1.2]fN. Tot datorita acestei concentrari a energiei intr-o banda ingusta,

imunitatea la perturbatii este mai mare decat in cazul codului bifazic.

Prin eliminarea a jumatate din tranzitiile codului bifazic rezulta un debit

codat dublu. Exista cel putin o tranzitie la doi biti (corespunzatoare situatiei

cele mai defavorabile 101), avand o buna capacitate de sincronizare. Codul

Miller este recomandat sa fie folosit la debite de peste 2400bps, si se utilizeaza

in inregistrarile magnetice.

Figura 1.5. Codul Miller

2.5. Codul AMI (Alternate Mark Inversion)

In codul AMI “1” logic se codeaza alternativ ca +V si −V , iar “0” logic

este reprezentat prin tensiune zero. In acest mod, se obtine un semnal cu trei

niveluri de amplitudine (pseudoternar) a carui componenta de curent continuu

este nula, iar componentele de frecventa joasa sunt nesemnificative.

Largimea de banda a codului AMI este mai ingusta decat cea a codului

bifazic, puterea este concentrata la frecvente mai inalte. Energia este

concentrata in banda [0.6-1.5]fN, imbinand avantajele codurilor Manchester si

Miller. Capacitatea de sincronizare a codului este slaba deoarece secventele

lungi de “0” sunt codate fara nici o tranzitie. De asemenea nivelul 0V din linie

Tehnici de comunicatii – Indrumator de laborator

Lucrarea 1 – Transmisia in banda de baza

9

pentru o secventa lunga de “0” poate duce la concluzia ca s-a terminat

transmisia sau s-a pierdut conexiunea. Bitul transmis are o durata egala cu cel

informational, debitele fiind egale.

Acest cod este lipsit (aproape) complet de componenta de curent

continuu, fapt ce justifica utilizarea lui in telefonia digitala, in sistemele ce

poseda dispozitive de aleatorizare (scrambler) care au drept scop echilibrarea

aparitiei simbolurilor de "1" si "0" in orice secventa, ceea ce duce la

imbunatatirea informatiei de sincronizare, deci la eliminarea principalului

dezavantaj al codului AMI.

Figura 1.6. Codul AMI.

2.6. Codul CMI (Coded Mark Inversion)

Regula de codare la CMI este: bitul “0” este codat cu o tranzitie pozitiva

la mijlocul perioadei de bit (tranzitie LH), iar bitul “1” este codat alternativ cu

+V sau –V (nivele HH sau LL).

Codurile CMI se folosesc la transmisii cu viteze de peste 140Mbiti/sec,

asigurand o densitate foarte mare a impulsurilor, iar tactul de sincronizare al

echipamentelor putand fi extras usor. Distributia spectrala de putere a

semnalului codat este asimetrica, energia este concentrate in banda [0.1-0.8]fN,

iar semnalul nu are componenta continua.

Tehnici de comunicatii – Indrumator de laborator

Lucrarea 1 – Transmisia in banda de baza

10

Figura 1.7. Codul CMI.

In figura de mai jos sunt prezentate densitatile spectrale de putere ale

codurilor Bifazic-S, Miller, AMI si CMI.

Figura 1.8. Densitatile spectral ale principalelor coduri BB.

3. Sincronizarea tactului la 10eceptive cu cel de la emisie

Sincronizarea este necesara din doua motive:

Citirea bitilor necesita un tact cu frecventa si faza identice cu cele ale

tactului de la emisie, pentru a nu aparea pierderi de biti sau citiri duble;

Procesul de decodare pentru codurile Bifazic, Miller si CMI necesita un

tact de 2fbit identic cu cel de la emisie.

Tehnici de comunicatii – Indrumator de laborator

Lucrarea 1 – Transmisia in banda de baza

11

Defazajul care apare intre tactul de la emisie si cel de la receptie are

urmatoarele cauze:

Momente de timp diferite de pornire a oscilatoarelor de la emisie si

11eceptive: genereaza defazajul initial, ce are o valoare intre 0° si 180°;

Diferente intre frecventele generate de oscilatoarele de la emisie si

11eceptive. Practic este imposibil sa se realizeze doua oscilatoare cu

frecvente absolute identice;

Intarzierile si perturbatiile de pe canal;

Nedeterminarea de 180° (la cod Miller)

Pentru a elimina acest defazaj, se foloseste un bolc de sincronizare.

Eliminarea defazajului se face in doua etape:

1. Sincronizarea rapida – are rolul de a elimina defazajul initial, fiind efectuata o

singura data la inceputul receptiei. In cazul codurilor la care tactul de bit difera

de tactul de emisie (Miller), se va elimina si nedeterminarea de 180°

2. Sincronizarea dinamica – elimina continuu defazajul dintre tactul semnalului

receptionat si tactul semnalului emis. Actioneaza pe toata durata receptiei.

Daca nu exista bloc de sincronizare rapida, sincronizarea dinamica este

respunzatoare si de eliminarea defazajului initial.

Schema bloc a circuitului de sincronizare este prezentata mai jos:

Figura 1.9. Schema circuitului de sincronizare.

Tehnici de comunicatii – Indrumator de laborator

Lucrarea 1 – Transmisia in banda de baza

12

Parametrii care determina performantele circuitului de sincronizare

sunt:

ΔΦ - defazajul initial:

(1.1)

Unde n este numarul de celule divizoare cu 2 asupra carora actioneaza

sincronizarea rapida.

Δ φ - pasul de sincronizare:

(1.2)

Unde N este numarul total de celule divizoare cu 2.

np – numarul de pasi in care se face sincronizarea:

(1.3)

fatac – frecventa cu care se alineaza fronturile:

(1.4)

ts – timpul de sincronizare:

(1.5)

Tehnici de comunicatii – Indrumator de laborator

Lucrarea 1 – Transmisia in banda de baza

13

4.Parte practica

Alegeti o secventa de 16 biti si codati-o NRZ, NRZ-M, NRZ-S,

Manchester, BIΦ-S, Miller, AMI si CMI.

Porniti aplicatia “Codare in banda de baza”, introduceti secventa de biti

si verificati daca codarea voastra a fost corecta.

Figura 1.10. Aplicatia “Codare in banda de baza”.