Codificações de dados

Os algoritmos de compressão são diferentes entre si e oferecem-nos diferentes taxas de compressão;

As ideias base mais comuns, e que mais frutos têm dado, são as seguintes:
–Alterar o tipo de representação dos caracteres, recorrendo a códigos de comprimento variável;
–Utilizar um dicionário comum à transmissão e à recepção;
–Usar representações especiais para repetições de caracteres.

Compressão sem e com perda de informação:

A informação é recuperada sem qualquer alteração após o processo de descompressão;
Este tipo de compressão é usada em texto e algumas aplicações multimédia críticas onde a informação é essencial;
Exemplos: aplicações médicas, trocas de informação entre duas sucursais bancárias, etc..
Este tipo de compressão é também designada por compressão reversível.

•Compressão com perda de informação:
–Neste tipo de compressão também designada por irreversível, a informação descomprimida é diferente da original;
–Técnicas irreversíveis são pouco comuns em ficheiros de dados, mas existem situações em que a informação perdida é de pouco ou nenhum valor, como em compressão de voz e imagem, por exemplo.

Compressão de dados

Objectivos da compressão de dados:
–ocupar menos espaço, ficando mais barata a transmissão;
–a transmissão ser mais rápida (menor tempo de acesso);
–poder processar os dados sequencialmente de forma mais rápida;
–reduzir o tempo e espaço necessários para backups (e portanto o custo).

Sem a compressão de dados, a transmissão de imagens em canais com baixa largura de banda (linha telefónica), a utilização de aplicações como videofones e videoconferência seriam impraticáveis;
A compressão de dados envolve a codificação da informação de modo que o ficheiro fique com menos espaço;
Algumas técnicas são gerais, e outras específicas para certos tipos de dados, tais como voz, imagem ou texto;
A variedade de técnicas é enorme, de forma que veremos apenas alguns exemplos...

Detecção e correcção de erros

O equipamento transmissor calcula o bit de paridade para cada caracter transmitido. O receptor calcula um novo bit de paridade em cima dos bits recebidos e compara este bit com aquele enviado pelo transmissor. Se forem iguais, a transmissão é considerada correcta; se não haverá necessidade de reetransmissão do caracter; caso haja um número par de bits com erro, a técnica não consegue detectar, pois a verificação de bits "1"s do caracter recebido permanecerá par ou ímpar, de acordo com o método, satisfazendo ao bit de paridade.

Na transmissão:
–1º - Os dados de informação a serem transmitidos são transformados num polinómio D(x), em função dos "0"s e "1"s.
–2º - Ao polinómio D(x) será adicionado no fim o mesmo número de zeros quanto o grau do polinómio gerador G(x).
–3º - Fazemos a divisão do polinómio D(x) por G(x).
–4º - O resto desta divisão R(x) será adicionado no fim da transmissão de D(x).

Na recepção:
–1º - Os dados recebidos serão divididos pelo mesmo polinómio gerador G(x).
–2º - Se o resto desta divisão for igual a zero, significa que não houve erros na transmissão; caso contrário, foi detectado erro na transmissão, sendo necessário a reetransmissão da informação enviada anteriormente.

Ligações síncronas e assíncronas

Síncrona:
–Ocorre a intervalos regulares entre o emissor e o receptor;
–Existe uma linha comum entre ambos pela qual corre um sinal de relógio digital, que assim coloca ambos em sintonia;
–É a norma para redes locais.
•Assíncrona:
–Não é sincronizada;
–Obriga a que cada pacote de dados se identifique e assinale o seu início e fim;
–Usa-se nas ligações entre dois computadores através de um cabo série ou na ligação a terminais.

Codificações bifásicas

•As codificações bifásicas caracterizam-se por transições de nível em todos os bits onde ponto de transição vai depender dos dados a transmitir;
•Na codificação bifásica de nível, também conhecida por “Manchester”, os bits 1 produzem uma transição de nível elevado para baixo a meio do bit e os bits 0 produzem transições de nível baixo para nível elevado também a meio do bit;
•No início de cada bit são produzidas as transições de nível necessárias para manter a codificação coerente:
–se o bit é um e o nível está baixo.
–se o bit é zero e o nível está alto.
•A variante “Manchester” diferencial produz sempre uma transição de nível a meio dos bits e uma transição no início dos bits zero;
•As variantes bifásicas “mark” e “space” provocam sempre uma transição de nível entre os bits; no caso bifásica-M os bits 1 provocam uma transição a meio do bit; no caso de bifásica-S os bits 0 provocam uma transição a meio do bit.

As vantagens das codificações bifásicas relativamente aos métodos NRZ e RZ são evidentes: a componente contínua do sinal é muito menor e a existência de transições de nível em todos os bits torna a sincronização muito simples; outra vantagem das codificações bifásicas é o facto de algumas transições de nível serem pré-determinadas facilitando a detecção de erros.

Técnicas de codificação

Non Return To Zero (NRZ)
Return Zero (RZ)‏
Diferenciais

•A forma mais simples de codificação consiste em associar um nível de tensão a cada bit;
•Esta codificação é conhecida por NRZ-L (“Non return to zero - Level”): um bit 1 será codificado sob a forma de uma tensão elevada e um bit 0 sob a forma de uma tensão baixa;
•Existem mais duas codificações NRZ (o sinal não retorna ao nível zero após uma transição provocada pelos dados a transmitir):
–A codificação NRZ-M (“NRZ - Mark”) produz uma transição de nível sempre que surge um bit 1;
–A codificação NRZ-S (“NRZ - Space”) produz uma transição de nível sempre que surge um bit 0.
•A frequência máxima gerada é igual a metade da taxa de transmissão (2 bit/Hz);

•A codificação RZ (“Return-zero”) difere das anteriores pelo facto de o nível de tensão retornar sempre ao nível zero após uma transição provocada pelos dados a transmitir (a meio da transmissão do bit);
•Geralmente um bit 1 é representado por um nível elevado, mas a meio da transmissão do bit o nível retorna a zero;
•Devido a este facto a frequência máxima gerada é o dobro da anterior, sendo igual à taxa de transmissão (1 bit/Hz);
•O grande problema das codificações NRZ e RZ é que geram uma componente contÍnua (a média do sinal não é zero) o que dificulta o isolamento entre emissor e receptor;
•Mais grave ainda é que certas sequências de bit a 1 ou 0 produzem um sinal sem qualquer variação;
•O receptor deve estar sincronizado com o emissor (ler os bits no ponto correcto), sem transições de nível por períodos longos a receptor tende a desviar-se e efectuar a leitura fora do ponto correcto, originando erros.

Grandezas e medidas

Decibel
– utilizado para descrever todos os sinais de rede, sejam ondas de voltagem em cobre, pulsos ópticos em fibra ou microondas num sistema sem fio;

Throughput:
–Refere-se à largura de banda realmente medida, numa hora do dia específica, usando específicas rotas de Internet, e durante a transmissão de um conjunto específico de dados na rede.

Bit rate
Bit rate ou Data rate (bps) é o número de bits transferido por unidade de tempo (segundo

Tipos de Modelaçao

Tipos de modulação:
–Amplitude (AM Amplitude Modulation): as ondas variam em amplitude; uma amplitude codifica o bit zero e outra o bit um.

O exemplo mais típico na modulação por amplitude são as transmissões de rádio AM, em que temos, por exemplo, um frequência portadora de 1000KHz (1000000Hz) transportando um sinal de voz que tem um faixa de variação de 5KHz (5000Hz).

–Frequência (FM Frequency Modulation):as ondas variam em frequência ou números de ciclos por segundo (hertzs); uma frequência codifica o bit zero e outra o bit um.

–Fase (PM Phase Modulation): faz-se variar a fase das ondas; cada variação de fase de uma onda pode codificar vários sinais (bits).

Modulação em amplitude, frequência e fase

Um sinal analógico pode apresentar infinitos valores de amplitude;
Esta característica é muito explorada por sistemas de telefone e televisão.


Além da amplitude, um sinal analógico pode ainda apresentar variações infinitos de frequência e de fase;
Para garantir que a transmissão analógica ocorra de modo mais uniforme, utilizamos a modulação (processo pelo qual um onda portadora analógica pode ser alterada isoladamente ou em conjunto com outras ondas, de forma a seguir um padrão uniforme para a transmissão de dados).


Por que motivo uma onda precisa de ser modulada?
–Principalmente porque no caso da irradiações electromagnéticas, as antenas devem possuir um diâmetro de no mínimo um décimo do comprimento da onda;
–Imaginemos que a onda não fosse modulada e utilizássemos uma onda com um sinal de 1000Hz;
–Haveria necessidade de uma antena de 300000m de comprimento para receber esse sinal, no entanto, quando o mesmo sinal é irradiado com frequências na faixa do FM, ou seja, de 88 a 108MHz, uma antena de um metro já é suficiente.


As técnicas de modulação são capazes também de reduzir o ruído e a interferência do sinal;
Para isso são usadas portadoras com frequências superiores ao sinal original;
Além disso, as técnicas de modulação permitem transmitir várias ondas no mesmo canal simplesmente modulando-as em frequências diferentes;
Este é o princípio da técnicas de modulação baseado em frequências.

Conversores digital/analógico (DACs)‏

O objectivo é converter uma quantidade especificada como um número binário para uma diferença de potencial ou corrente proporcional à entrada digital;
Os métodos mais populares são os seguintes:

–Resistências calibradas num circuito somador - ao ligar um conjunto de resistências a um amplificador operacional somador, a diferença de potencial é proporcional à soma pesada das tensões de entrada. Este circuito gera uma tensão de saída de 0 a -10 V, em que o máximo ocorre para uma entrada de 64. Esta técnica de conversão é utilizada apenas para conversores rápidos de baixa precisão.
–Escada R-2R - a técnica de resistências calibradas torna-se muito difícil quando temos mais de alguns bits. Uma solução elegante é fornecida pela escada R-2R. São necessários apenas dois valores de resistências, a partir das quais a rede R-2R gera a escala de correntes binárias.

Erros de conversão A/D

Existem inúmeros tipos de erros de conversão que afectam a performance de um conversor;
Os mais comuns são os erros de offset, de escala, não linearidade e não monotonicidade.

Sinal analógio-Transmissoes

•Sendo o sinal analógico uma onda que varia continuamente e é transmitida por diversos meios, ela está mais sujeita a distorções, atenuações e ruídos ao longo da sua transmissão;
•Os sistemas telefónicos analógicos, quando usados para a comunicação de dados, são muito limitados, principalmente no que diz respeito à largura de banda, além de estarem sujeito à distorção do sinal se a comunicação for realizada através de longa distâncias;
•O baixo custo é uma das principais vantagens do uso de sistemas de transmissão telefónicos, no entanto não é um meio adequado para a transmissão de dados, principalmente devido à baixa velocidade (além disso, a qualidade da transmissão tende a piorar quando maior fôr a distância entre os nós).

O sinal digital caracteriza-se pela presença de pulsos nos quais a amplitude é fixa;
O sinal é construído através de uma sequência de intervalos de tamanho fixo iguais a T segundos, chamado intervalos de sinalização, durante os quais a amplitude do sinal permanece fixa, caracterizando um dos símbolos digitais transmitidos.

Técnicas de conversão analógico/digital

Muitas vezes é necessário converter um sinal analógico para um número digital preciso, proporcional à sua amplitude, e vice versa;

O campo de aplicações destas funções é enorme e sempre em crescimento;
Qualquer instrumento de medida necessita de conversão A/D para poderem ser utilizadas as possibilidades do processamento digital, seguida de conversão D/A para interacção com o meio exterior.

•Sinais analógicos variam continuamente no tempo;
•São todos aqueles que ao longo de um intervalo de tempo pré-estabelecido, poderão atingir qualquer valor dentro de um determinado limite;
•São impulsos sob forma de Ondas Sinusoidais

A Onda Sinusoidal possui um padrão que se repete:
–Padrão que se repete chamado ciclo;
–Cada ciclo demora um determinado tempo para ocorrer, chamado de período T;
–O nº de vezes que o ciclo se repete por segundo é chamado de frequência, medida em Hertz (Hz=ciclos por segundo);
–A amplitude da onda é a sua altura, medida em Volts no caso de ondas eléctricas.
O comprimento da onda é dado em metros, dividindo a velocidade da luz pela frequência da onda. Podemos sabê-lo através:
x metros = Velocidade da luz / frequência da onda

Exemplo: Qual comprimento da onda em 20 Mhz de frequência :
x= 300 000 000 / 20 000 000 Hz
x= 15 metros
Para sabermos qual o comprimento da onda numa determinada frequência, basta dividirmos a velocidade de propagação da onda electromagnética no vácuo (300000000) pela frequência (em Hertz).

Multiplexação

Consiste na operação de transmitir varias comunicações diferentes ao mesmo tempo através de um único canal físico; o dispositivo que efectua este tipo de operação chama-se multiplexador.

Pode ser conseguida por multiplexação em frequência, em que cada sinal é modulado por uma portadora com frequência diferente. A largura de banda do canal tem de ser maior do que as somas das larguras de banda dos vários canais.

Pode ser conseguida por multiplexação por divisão no tempo, através de diferentes algoritmos, mas todos com uma base comum: a de, durante uma fatia de tempo, a largura de banda do meio de transmissão estar ocupada por uma dada transmissão.

Codificação e modulação

Para transmitir os bits de um computador para outro há que definir ao nível físico o formato que eles devem assumir – nisso consiste a codificação;

No caso em que os sinais a transmitir tenham de ser convertidos do formato digital para o formato analógico há que proceder a operações de modulação. A operação inversa é chamada desmodulação.

Os dispositivos que realizam estas operações são conhecidos como Modems.

Modem = modulator + demodulator

Taxa de transmissão e largura de banda

Existe uma relação entre taxa de transmissão e largura de banda estabelecida por H. Nyquist em 1924 (para canais sem ruído):
–taxa máxima = 2Hlog2V bps
em que:
–H = largura de banda
–V = nº de níveis do sinal


Exemplo:
Transmissão de sinal binário (V = 2) num canal com LB de 3KHz (H = 3000)‏
Taxa máxima = 2*3000*log2V = 6000 bps

Taxa de transmissão

Nº de bits transmitidos por segundo (bps)‏



Pode ser expressa em:
Bps (bytes por segundo)‏
Kbps (1000*bps)‏
Mbps (1000000*bps)‏
Gbps (1000000000*bps)‏

Largura de banda (bandwidth)‏

Expressa em hertz, é a diferença entre a maior frequência e a menor frequência que o canal suporta; as frequências são expressas em hertzs (Hz).
A linha telefónica, por exemplo, tem uma largura de banda típica de 3100Hz.

Taxa de transmissão e caracteristicas

Consiste no número de bits por segundo (bps) que podem ser transmitidos por um canal;
Não confundir com o baud rate (ou apenas baud) que mede o número de transições (de voltagem ou frequência) por segundo, de um sinal. Devido às técnicas de compressão, é possível ter um número de bps superior ao do baud.

A taxa de transmissão depende:
–Das características dos cabos utilizados;
–Da quantidade de tráfego de mensagens provenientes dos vários nos das redes;
–Utilização da largura de banda para transmissão de um só ou vários fluxos de mensagens ao mesmo tempo;
–Das taxas de transmissão máximas dos modems.

Pacote de dados

São agrupamentos ou sequencias de bits ou bytes.
•Tem uma estrutura típica que inclui:
–um cabeçalho;
–a parte dos dados propriamente ditos;
–um segmento final que controla os erros ocorridos durante a transmissão.

Ondas no espaço

• Ondas no espaço
–Ondas infra-vermelhos
–Ondas rádio
–Microondas
–Ondas de satélite

Meios físicos de transmissão

Cabos podem ser:
Eléctricos ;de pares entrançados ou Coaxiais

–Ópticos
Fibra óptica