CODIFICA

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CODIFICAÇÃO DE CANAL PARA SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO
DIGITAL

• INTRODUÇÃO
• Evelio M. G. Fernández - 2011

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Informação sobre a Disciplina

• Quartas feiras das 0830 às 1130 horas
• Professor Evelio Martín García Fernández
• Gabinete 9, Tel [phone]
• e-mail evelio_at_eletrica.ufpr.br
• Página da Disciplina na Internet
• www.eletrica.ufpr.br/evelio/te812/index.htm

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Programa Previsto

• Visão geral sobre Codificação de Canal e
  Introdução à Teoria de Informação
• Revisão de conteúdos de Comunicações Digitais
• Introdução à Álgebra de Corpos Finitos
• Códigos de Bloco
• Códigos Convolucionais
• Códigos de Treliça (TCM)
• Técnicas avançadas de Codificação de Canal
  códigos Turbo, códigos LDPC, codificação
  espaço-temporal
• Estudo de artigos e exercícios de simulação

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Bibliografia

• Livro Texto
• S. Lin D. Costello, Error Control Coding
• T. K. Moon, Error Correction Coding
• Bibliografia adicional
• R. E. Blahut, Algebraic Codes for Data
  Transmission
• W. W. Peterson E. J. Weldon, Error-Correcting
  Codes.
• B. Sklar, Digital Communications Fundamentals
  and Applications

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Avaliação

• Prova 30
• Listas de Exercícios 30
• Trabalho de Simulação 25
• Seminário 15

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Sistemas de Comunicações Digitais

• Redes sem fio (802.11 a/b/g/n)
• Telefonia Celular (GSM, 3G)
• Satélite (TV, Rádio, Dados, DVB-S)
• Redes sem fio fixas (802.16, Wimax)
• Radiodifusão de TV digital (ATSC, DVB, ISDB)
• Ethernet (10M/100M/1G/10G)
• ADSL, VDSL
• Fibra óptica

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Chip de um Receptor de Satélite
8
(No Transcript)
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Introdução à Teoria de Informação

• Em 1948, Claude Shannon publicou o trabalho A
  Mathematical Theory of Communications. A partir
  do conceito de comunicações de Shannon, podem ser
  identificadas três partes
• Codificação de fonte Shannon mostrou que em
  princípio sempre é possível transmitir a
  informação gerada por uma fonte a uma taxa igual
  à sua entropia.

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Introdução à Teoria de Informação

• Codificação de Canal Shannon descobriu um
  parâmetro calculável que chamou de Capacidade de
  Canal e provou que, para um determinado canal,
  comunicação livre de erros é possível desde que a
  taxa de transmissão não seja maior que a
  capacidade do canal.
• Teoria Taxa-Distorção (Rate Distortion Theory) A
  ser utilizada em compressão com perdas

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Quais os Benefícios da Codificação de Canal?

• O uso de codificação de canal pode aumentar a
  faixa de operação de um sistema de comunicação,
  reduzir a taxa de erros, diminuir os
  requerimentos de potência transmitida ou uma
  combinação destes benefícios.
• Um bom projeto de sistema de comunicação precisa
  encontrar o melhor compromisso entre largura de
  banda, potência e taxa de erro de bits para uma
  determinada aplicação.

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Canal Discreto sem Memória
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Matriz de Canal ou Matriz de Transição
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Canal Binário Simétrico
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Capacidade do Canal BSC
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Capacidade de Canal

• A capacidade de canal não é somente uma
  propriedade de um canal físico particular.
• Um canal não significa apenas o meio físico de
  propagação das mensagens, mas também
• A especificação do tipo de sinais (binário,
  r-ário, ortogonal, etc)
• O tipo de receptor usado (determinante da
  probabilidade de erro do sistema).
• Todas estas informações estão incluídas na matriz
  de transição do canal. Esta matriz especifica
  completamente o canal.

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Teorema da Codificação de Canal
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Sistema de Comunicação Codificado
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Sistema de Comunicação Codificado

• Principal problema de engenharia a ser resolvido
• Projetar e implementar o codificador/decodificado
  r de canal de tal forma que
• A informação possa ser transmitida (ou
  armazenada) em um ambiente ruidoso tão rápido (ou
  tão densamente) quanto possível.
• A informação possa ser reproduzida de forma
  confiável na saída do decodificador.
• O custo de implementação do codificador e do
  decodificador esteja dentro de limites aceitáveis
  

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Teorema da Codificação de Canal

• Seja uma fonte discreta sem memória com alfabeto
  S e entropia H(S) que produz símbolos a cada Ts
  segundos. Seja um canal DMC com capacidade C que
  é usado uma vez a cada Tc segundos.
• Então, se
• existe um esquema de codificação para o qual a
  saída da fonte pode ser transmitida pelo canal e
  reconstruída com

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Teorema da Codificação de Canal

• Pelo contrário, se
• não é possível o anterior.
• Resultado mais importante da Teoria de Informação

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Código de Repetição
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Sistemas de Comunicações Digitais

• Sistema digital no sentido de que utiliza uma
  seqüência de símbolos pertencentes a um conjunto
  finito para representar a fonte de informação.
• Bons livros de referência
• B. Sklar, Digital Communications Fundamentals
  and Applications
• J. G. Proakis, Digital Communications
• S. Haykin, Sistemas de Comunicação, 4ª Edição

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Eficiência Espectral
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(No Transcript)
26
(No Transcript)
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Codificação de Canal em Sistemas Reais

• Disco Compacto Utiliza códigos de Reed-Solomon
  (RS) concatenados em um esquema conhecido como
  CIRC (cross-interleaved RS code)
• Comunicação por Satélite O padrão DVB-S utiliza
  um código convolucional puncionado de taxa ½ e K
  7 concatenado com um código RS (204, 188)

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Codificação de Canal em Sistemas Reais

• Sistemas COFDM (DVB-T, ISDB-T, 802.11a) Utilizam
  códigos convolucionais concatenados com códigos
  RS em esquemas similares aos utilizados em
  comunicação por satélite.
• Gigabit Ethernet Utiliza modulação codificada
  (TCM Trellis-Coded Modulation) para atingir
  ganho de codificação de 6 dB

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Transmissão Digital

• Sistemas de Transmissão atuais e futuros utilizam
  modulação digital
• ASK (Amplitude-Shift Keying)
• PSK (Phase-Shift Keying)
• FSK (Frequency-Shift Keying
• QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
• A escolha da técnica de modulação depende da
  aplicação

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Transmissão Digital

• Características desejáveis
• Baixa taxa de erro de bits (BER)
• Operar com baixa relação sinal ruído (SNR)
• Bom desempenho em canais com desvanecimento
  (fading)
• Ocupar pouca largura de banda
• Fácil implementação
• Baixo custo

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Transmissão Digital

• Parâmetros
• Taxa de Transmissão
• Representa a velocidade com que a informação é
  transmitida
• A taxa de transmissão em símbolos/s (baud) também
  é chamada de velocidade do canal
• Exemplo
• Rb 100 bits/s
• Rb 10 símbolos/s (bauds)

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Transmissão Digital

• Parâmetros de Desempenho
• Eficiência Espectral
• Eficiência em Potência

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Modelo de Transmissão Digital em Banda Passante
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Técnicas de Modulação Digital

• Tipos de Detecção
• Detecção Coerente
• Utiliza informação da fase da portadora para
  detectar o sinal
• Receptor de correlação
• Precisa de uma portadora local da mesma
  freqüência e fase
• Detecção não Coerente
• Não utiliza informação de referência de fase
• Receptores menos complexos (mais baratos)
• Desempenho inferior à detecção coerente

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Modulações Digitais Básicas
ASK
PSK
FSK
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Espaço de Sinais PSK Binário Coerente
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Geração e Detecção Coerente de Sinais BPSK
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Espaço de Sinais QPSK Coerente
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Constelação de Sinais 8-PSK
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• Exercício 1
• Um sistema de transmissão digital utiliza
  modulação PSK para transmitir dados a uma taxa de
  1000 bits/s com uma BER 10-4. Com o objetivo de
  se aumentar a taxa de transmissão para 3000
  bits/s no mesmo canal, a modulação PSK é
  substituída por 8-PSK, mantendo-se a mesma
  potência média transmitida. Determine a nova taxa
  de erro de bits.

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• Exercício Nº 2
• Um sistema de transmissão digital utiliza
  modulação PSK para transmitir dados a uma taxa de
  1000 bits/s com uma BER 10-4. Com o objetivo de
  reduzir a banda necessária para transmitir os
  mesmos 1000 bits/s, a modulação PSK é substituída
  por 8-PSK, mantendo-se a mesma potência média
  transmitida. Determine a nova taxa de erro de
  bits.

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Modulação ASK
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Modulação M-ASK
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Modulação M-QAM
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• Exercício Nº 3
• Um sistema de comunicação digital transmite um
  sinal de vídeo que ocupa uma banda entre 0 Hz e 4
  MHz. Este sinal é amostrado a 8 MHz por um
  conversor A/D de 16 bits. O sinal é transmitido
  usando-se modulação 16-QAM. Qual a banda
  necessária para transmitir este sinal?

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Constelação 32-QAM
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Espaço de Sinais FSK Binário Coerente
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(No Transcript)
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Padrões de Modem de Banda de Voz
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Constelação V.32
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Constelação V.34
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(No Transcript)
53
(No Transcript)
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Códigos BCH