Modulação e multiplexação

Conceitos de modulação e multiplexação

1. Non-return-to-zero

Quando vemos uma onda quadrada, geralmente assumimos que o sinal começa em 0, mas nem sempre isso é o que acontece de fato. Considerando que alguns dos meios de comunicação tem atenuação de componentes de baixa frequência, isso significa filtrar qualquer variação causada na média de potência do sinal. A implicação disso é que um sinal desequilibrado pode acabar se degradando. A solução? Modificar os níveis lógicos de modo que o valor lógico baixo seja um nível de tensão negativa. Surge então o sinal Non-return-to-zero.

Fig. - O sinal do tipo Non-Return-to-Zero, como o nome implica, não retorna a zero. Isso ajuda a manter o sinal balanceado.

2. O problema da sincronização

Considere o seguinte: foi enviado, através de um fio condutor, o sinal abaixo.

Do que precisamos para interpretar o sinal eletronicamente? De nada mais do que um sistema capaz de ler os níveis lógicos do sinal com velocidade o suficiente de modo que satisfaça o período natural de sua oscilação. Em outras palavras, precisamos de um leitor que seja ao menos capaz de realizar a leitura na frequência do sinal de clock.

Os mais atentos já devem ter identificado o problema. Afinal, não é comum que se envie junto aos dados também o sinal de clock; isso imputa ao destinatário a missão de decodificar, também, o período de comunicação do sinal obtido. Essa missão não é particularmente problemática quando consideramos os períodos em que há variação de sinal - quando o pulso de 1 ou 0 dura exatamente um ciclo -; no entanto, há ocasiões em que o sinal passa alguns ciclos em 1 ou em 0. Quando isso ocorre, não há nenhuma maneira de encontrar o período do sinal. Em outras palavras, não há como sincronizar o clock.

Uma solução ingênua é passar a enviar o sinal de clock junto do sinal de dados. O problema dessa abordagem é um tanto óbvio: custo. Não é economicamente viável

em especial quando há significativa distância entre o remetente e o destinatário - utilizar um segundo condutor para outro sinal apenas para sincronização de clock.

A segunda pior solução possível, mas que ainda resolve de forma definitiva o problema, é utilizar a codificação manchester.

Com essa codificação, é possível enviar o sinal de clock junto com os dados em um único condutor. Melhor, mas tem um outro problema claro: a taxa de transmissão necessária para enviar um sinal com codificação manchester dobra. Mesmo com essa clara limitação, a solução por codificação manchester era utilizada nas primeiras versões do protocolo Ethernet.

Outra solução é o NRZ-I (Non-Return-to-Zero Inverted), onde a transição de nível de tensão ocorre apenas quando um bit ‘1’ é transmitido. Isso resolve o problema para sequências de uns, pois mantém uma alternância mínima no sinal. No entanto, ainda apresenta dificuldades para longas sequências de zeros, onde não há mudanças de estado, tornando a sincronização desafiadora.

Fig. - O sinal NRZ-I é uma codificação conceitualmente similar à Manchester, mas sem a limitação de dobrar a taxa de transmissão.

Para mitigar os problemas do NRZ-I, surgiram técnicas de codificação como o 4B/5B e o 8B/10B. No esquema 4B/5B, cada grupo de 4 bits é convertido em um código de 5 bits, garantindo que haja transições suficientes para sincronização. A ideia é justamente utilizar mais bits do que o necessário para poder evitar os casos em que hajam muitos zeros em sequência.

Fig. - A codificação 4B/5B mapeia 4 bits de dados para um codeword de 5 bits.

O overhead do uso do NRZ-I em conjunto com codificação 4B/5B é de 25%, um claro ganho com relação aos 100% presentes quando se utiliza a codificação Manchester.

Já no 8B/10B, utilizado em redes de alta velocidade como o Gigabit Ethernet e Fibre Channel, 8 bits são mapeados para 10 bits, assegurando um balanceamento de carga DC e a presença de transições regulares no sinal.

3. Modulação

Considere a seguinte aplicação de um sinal NRZ:

Percebe-se que há 4 níveis em vez de 2. Isso permite a codificação de 2 bits por mensagem enviada. Quando isso ocorre, dizemos que o símbolo sendo enviado corresponde a 2 bits. A taxa de transmissão de símbolos por segundo é chamada de Baud rate.

Tipos de modulação

Modulação por amplitude (ASK - Amplitude Shift Keying): A informação é transmitida variando a amplitude da onda portadora. No caso binário, a presença ou ausência de um sinal pode representar os bits 1 e 0, respectivamente. Esse método é simples, mas suscetível a ruídos e interferências, tornando-o menos confiável em ambientes ruidosos.
Modulação por frequência (FSK - Frequency Shift Keying): Diferentes frequências são utilizadas para representar os bits. Por exemplo, uma frequência mais baixa pode indicar um bit 0, enquanto uma frequência mais alta pode indicar um bit 1. Essa modulação é mais robusta contra ruídos do que a ASK e é utilizada em sistemas como modems antigos e comunicação via rádio.
Modulação por fase (PSK - Phase Shift Keying): A fase da onda portadora é alterada para codificar informações. Um exemplo comum é o BPSK (Binary PSK), onde dois estados de fase distintos representam os bits 0 e 1. Uma variação mais eficiente é o QPSK (Quadrature PSK), que utiliza quatro estados de fase para transmitir dois bits por símbolo, dobrando a eficiência espectral.
Modulação por quadratura (QAM - Quadrature Amplitude Modulation): Essa técnica combina variações na amplitude e na fase da onda portadora, permitindo representar múltiplos bits por símbolo. Por exemplo, o esquema 16-QAM usa 16 estados distintos, cada um representando 4 bits. A QAM é amplamente utilizada em sistemas modernos como redes Wi-Fi, televisão digital e comunicação via satélite, pois permite um alto rendimento de dados sem aumentar excessivamente a largura de banda necessária.

Essas técnicas são essenciais para aumentar a eficiência espectral e a taxa de transmissão sem exigir proporcionalmente mais largura de banda. A escolha do tipo de modulação depende do meio de transmissão, da robustez necessária contra ruídos e da capacidade de processamento dos dispositivos envolvidos.

4. Multiplexação

A multiplexação é a técnica de combinar múltiplos sinais em um único canal de transmissão, otimizando o uso dos recursos disponíveis. Um exemplo prático disso é o uso da multiplexação por divisão de tempo (TDM) em redes de telefonia, onde múltiplas chamadas de voz compartilham o mesmo meio físico alternando pequenos intervalos de tempo para cada transmissão. Outro exemplo é a multiplexação por divisão de frequência (FDM) usada na transmissão de rádio e televisão, onde diferentes estações ocupam diferentes faixas de frequência dentro do espectro disponível. Para isso, são utilizadas bandas de guarda para evitar interferências entre os sinais.

Tipos de multiplexação

Multiplexação por divisão de frequência (FDM): Cada sinal é transmitido em uma faixa de frequência distinta dentro do mesmo meio físico.
Multiplexação por divisão de tempo (TDM): Os sinais compartilham o mesmo canal físico, mas em intervalos de tempo diferentes.
Multiplexação por divisão de código (CDM): Cada usuário transmite utilizando um código único, permitindo que múltiplos sinais coexistam sem interferência significativa.

Essas técnicas são fundamentais para otimizar a transmissão de dados em redes de computadores, permitindo um uso mais eficiente da infraestrutura de comunicação.