Codificación en línea: formatos y análisis espectral

CODIFICACIÓNCODIFICACIÓN
EN LÍNEAEN LÍNEA
Tema VTema V
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAREPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICAUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
““ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZVICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ
Departamento de Ingeniería ElectrónicaDepartamento de Ingeniería Electrónica

SumarioSumario
1. Introducción1. Introducción
2. Propiedades de los Códigos en Línea2. Propiedades de los Códigos en Línea
3. Formatos de Señalización Binaria3. Formatos de Señalización Binaria
4. Análisis de Espectro de Potencia de los códigos4. Análisis de Espectro de Potencia de los códigos
5. Codificación5. Codificación DiferencialDiferencial
6. Patrones de Ojos6. Patrones de Ojos
7. Otra visión de la codificación en línea7. Otra visión de la codificación en línea

Motivación del TemaMotivación del Tema
La codificación de línea se puedeLa codificación de línea se puede
entender como …entender como …
Las diferentes maneras deLas diferentes maneras de
representar los unos y ceros querepresentar los unos y ceros que
componen una señal digital paracomponen una señal digital para
adaptarla eficientemente aladaptarla eficientemente al
medio de transmisión.medio de transmisión.

Propiedades deseables de los Propiedades deseables de los
Códigos de Línea.Códigos de Línea.
Auto sincronización: Debe poseer suficiente
información de temporización incorporada al
código de manera que se pueda diseñar la
sincronización para extraer la señal de
sincronización o de reloj.

Baja probabilidad de error de bits: Se pueden
diseñar receptores para recuperar datos binarios
con una baja probabilidad de error de bits cuando
la señal de datos de entrada se corrompe por ruido
o ISI (Interferencia InterSimbolo).

Un espectro adecuado para el canal: Por
ejemplo, si el canal es acoplado de ca, la densidad
espectral de potencia de la señal de codificación de
líneas será insignificante a frecuencias cercanas a
cero.
Ancho de banda del canal de transmisión:
Debe ser tan pequeño como sea posible. Esto facilita
la transmisión de la señal en forma individual o la
multicanalización.

Capacidad de detección de errores: Debe ser
posible poner en practica esta característica con
facilidad para la adición de codificadores y
decodificadores de canal, o debe incorporarse al
código de línea.
Transparencia: El protocolo de datos y el código
de líneas están diseñados de modo que toda
secuencia posible de datos se reciba fiel y
transparentemente.

Formatos de SeñalizaciónFormatos de Señalización
BinariasBinarias
1.1. Señalización UnipolarSeñalización Unipolar:: UsandoUsando
lógica positiva, el “1” binario selógica positiva, el “1” binario se
representa con un nivel alto de voltajerepresenta con un nivel alto de voltaje
(+A Volts) y un “0” binario con un nivel(+A Volts) y un “0” binario con un nivel
de cero Volts.de cero Volts.
2.2. Señalización PolarSeñalización Polar:: Los unos y losLos unos y los
ceros binarios se representan porceros binarios se representan por
medio de niveles positivos y negativosmedio de niveles positivos y negativos
de igual voltaje.de igual voltaje.

3.3. Señalización Bipolar (Pseudoternaria)Señalización Bipolar (Pseudoternaria)::
Los “1” binarios se representan porLos “1” binarios se representan por
medio de valores alternadamentemedio de valores alternadamente
negativos y positivos. El “0” binario senegativos y positivos. El “0” binario se
representa con un nivel cero. El términorepresenta con un nivel cero. El término
pseudoternario se refiere al uso de trespseudoternario se refiere al uso de tres
niveles de señales codificadas paraniveles de señales codificadas para
representar datos de dos nivelesrepresentar datos de dos niveles
(binarios).(binarios).
BinariasBinarias

4.4. Señalización ManchesterSeñalización Manchester::
Cada “1” binario se representa con unCada “1” binario se representa con un
pulso de período de medio bit positivopulso de período de medio bit positivo
seguido por un pulso de período de medioseguido por un pulso de período de medio
bit negativo. Del mismo modo, el “0”bit negativo. Del mismo modo, el “0”
binario se representa con un pulso debinario se representa con un pulso de
período de medio bit negativo seguido porperíodo de medio bit negativo seguido por
un pulso de período de medio bit positivo.un pulso de período de medio bit positivo.

BinariasBinarias

Convenimientos PreviosConvenimientos Previos
Con frecuencia se utilizan notaciones
abreviadas para estos formatos, las
cuales son:
1. Unipolar NRZ se nombrará
simplemente como unipolar.
2. Polar NRZ como Polar.
3. Bipolar RZ como Bipolar.

Formatos deFormatos de
SeñalizaciónSeñalización
BinariaBinaria

Análisis de los Espectros de PotenciaAnálisis de los Espectros de Potencia
de los códigos de línea binariosde los códigos de línea binarios
SeñalizaciónSeñalización Unipolar NRZ.Unipolar NRZ.






+





= )(
1
1
4
)(
22
f
TfT
fTsenTA
fP
bb
bb
ZunipolarNR δ
π
π

SSeñalización Polar NRZ.eñalización Polar NRZ.
2
2
)( 





=
b
b
bNRZpolar
fT
fTsen
TAfP
π
π

SeñalizaciónSeñalización Unipolar RZ.Unipolar RZ.






−+
























= ∑
∞
−∞=
)(
1
1
2
2
16
)(
2
2
bnbb
b
b
RZunipolar
T
n
f
TfT
fT
sen
TA
fP δ
π
π

SeñalizaciónSeñalización Bipolar RZ.Bipolar RZ.
( ))(
2
2
8
)( 2
2
2
b
b
b
b
RZbipolar fTsen
fT
fT
sen
TA
fP π
π
π
























=

SeñalizaciónSeñalización Manchester NRZManchester NRZ






























= )
2
(
2
2
)( 2
2
2 b
b
b
bNRZManchester
fT
sen
fT
fT
sen
TAfP
π
π
π

Comparación entre los diferentesComparación entre los diferentes
modos de codificación.modos de codificación.
Tabla 1: Eficiencias Espectrales de varios Códigos de LíneasTabla 1: Eficiencias Espectrales de varios Códigos de Líneas
Tipo de
código
Primer ancho
de banda nulo
(Hz)
Eficiencia
Espectral
R/B [(bits/seg)/Hz]
Unipolar
NRZ
R 1
Polar NRZ R 1
Unipolar RZ 2R ½
Bipolar NRZ R 1
Manchester
NRZ
2R ½
Niveles
Múltiples
NRZ
R/L*
L

Codificación DiferencialCodificación Diferencial
Los datosLos datos
diferencialesdiferenciales
codificados soncodificados son
generados por:generados por:
1−⊕= nnn ede
Los datos codificados recibidos seLos datos codificados recibidos se
decodifican mediantedecodifican mediante
1
~~~
−⊕= nnn eed
AA BB SALSAL
00 00 00
00 11 11
11 00 11
11 11 00
Compuerta Or-Ex

Generación de Codificación Diferencial.Generación de Codificación Diferencial.

Ejemplo de Uso de CodificaciónEjemplo de Uso de Codificación
DiferencialDiferencial
Codificación Código resultante
Secuencia de entrada dn

1
1 1 0 1 0 0 1
Secuencia codificada en
0 1 1 0 0 0 1

a) Decodificación (con
polaridad correcta)

Secuencia recibida 1 0 1 1 0 0 0 1
Secuencia decodificada 1 1 0 1 0 0 1
b) Decodificación (con
polaridad invertida)

Secuencia recibida 0 1 0 0 1 1 1 0
Secuencia decodificada 1 1 0 1 0 0 1
AA BB SALSAL
00 00 00
00 11 11
11 00 11
11 11 00
Compuerta Or-Ex
Se compara el valor
lógico del dato
actual con el
anterior
Valor Inicial
Arbitrario

Patrones de Ojos: Medida práctica de losPatrones de Ojos: Medida práctica de los
niveles de ruido del código de línea.niveles de ruido del código de línea.
El efecto de la filtración y ruido en un canal seEl efecto de la filtración y ruido en un canal se
ve observando el código de línea recibido enve observando el código de línea recibido en
un osciloscopio.un osciloscopio.
En la imagen siguiente se muestran formas deEn la imagen siguiente se muestran formas de
onda polares NRZ dañadas en los casos de:onda polares NRZ dañadas en los casos de:
1.1. Filtración de canal idealFiltración de canal ideal
2.2. Filtración que produce interferenciaFiltración que produce interferencia
intersímbolos (ISI)intersímbolos (ISI)
3.3. Ruido más ISIRuido más ISI

Formas de Ondas de Patrones deFormas de Ondas de Patrones de
OjosOjos

EEl Patrón de Ojo proporciona lal Patrón de Ojo proporciona la
siguiente información:siguiente información:
El error de sincronización permitido en elEl error de sincronización permitido en el
muestreador del receptor esta dado por el ancho delmuestreador del receptor esta dado por el ancho del
ojo, conocido como apertura del ojo.ojo, conocido como apertura del ojo.
La sensibilidad al error de sincronización esta dadaLa sensibilidad al error de sincronización esta dada
por la pendiente de la apertura del ojo, evaluada en opor la pendiente de la apertura del ojo, evaluada en o
cerca del cruce por cero.cerca del cruce por cero.
El margen de ruido del sistema esta dado por laEl margen de ruido del sistema esta dado por la
altura de la apertura del ojo.altura de la apertura del ojo.

SEGUNDA VISIÓN DE LOS HECHOS….SEGUNDA VISIÓN DE LOS HECHOS….
A continuaciónA continuación
analizaremos laanalizaremos la
codificación de línea vistacodificación de línea vista
por otro autor, en estepor otro autor, en este
caso W. Stallings.caso W. Stallings.

Formatos de codificación digital deFormatos de codificación digital de
señalesseñales
DefiniciónDefinición
de cada unode cada uno
de losde los
CODIGOSCODIGOS
másmás
empleadosempleados

Formatos de codificación digital deFormatos de codificación digital de
señalesseñales
Resumen deResumen de
las técnicaslas técnicas
dede
codificacióncodificación
en líneaen línea

No Retorno a Cero (NRZ, Nonreturn toNo Retorno a Cero (NRZ, Nonreturn to
zero)zero)
El nivel de tensión se mantiene constanteEl nivel de tensión se mantiene constante
durante la duración del bit, no hay retorno adurante la duración del bit, no hay retorno a
nivel cero de la tensión. “0” es un alto y “1” esnivel cero de la tensión. “0” es un alto y “1” es
un bajo.un bajo.
NRZ-L, Nivel No Retorno a Cero (NonReturn to Zero Level)NRZ-L, Nivel No Retorno a Cero (NonReturn to Zero Level)

No Retorno a Cero con Inversión deNo Retorno a Cero con Inversión de
unos (NRZI)unos (NRZI)
El nivel de tensión se mantiene constanteEl nivel de tensión se mantiene constante
durante la duración del bit, no hay retorno adurante la duración del bit, no hay retorno a
nivel cero de la tensión. “0” no cambia el nivel,nivel cero de la tensión. “0” no cambia el nivel,
el “1” cambia alternadamente el nivel.el “1” cambia alternadamente el nivel.

El caso de NRZI, es una codificación diferencial.El caso de NRZI, es una codificación diferencial.
Procedimiento: si se tiene un cero se mantiene elProcedimiento: si se tiene un cero se mantiene el
nivel anterior. Si se tiene un “1” se codifica con lanivel anterior. Si se tiene un “1” se codifica con la
señal contraria a la que se utilizó en el “1” anterior.señal contraria a la que se utilizó en el “1” anterior.
Este esquema de polarización no es vulnerable a laEste esquema de polarización no es vulnerable a la
inversión de cables en el proceso de transmisión, esinversión de cables en el proceso de transmisión, es
decir la inversión de la polaridad en los cables dedecir la inversión de la polaridad en los cables de
transmisión no afecta los datos.transmisión no afecta los datos.

RepresentaciónRepresentación
EspectralEspectral
de lade la
CodificaciónCodificación

Binarios MultinivelBinarios Multinivel
Estos códigos usan más de dosEstos códigos usan más de dos
niveles de señal.niveles de señal.
Los casos son:Los casos son:
1.1.
Bipolar AMI (Alternate Mark InversioBipolar AMI (Alternate Mark Inversion
2.2. PseudoternarioPseudoternario

BIFASEBIFASE
Engloba todo un conjunto de técnicas deEngloba todo un conjunto de técnicas de
codificación alternativas, diseñadas paracodificación alternativas, diseñadas para
superar las dificultades encontradas ensuperar las dificultades encontradas en
los códigos NRZ.los códigos NRZ.
Dos de estas técnicas, son:Dos de estas técnicas, son:
1.1. ManchesterManchester
2.2. Manchester diferencialManchester diferencial

Manchester y ManchesterManchester y Manchester
DiferencialDiferencial
EspectralEspectral
de lade la

Técnicas deTécnicas de << <<ScramblingScrambling> >> >
La idea que se sigue es:La idea que se sigue es:
ReemplazarReemplazar las secuencias de bits que denlas secuencias de bits que den
lugar a niveles de tensión constantelugar a niveles de tensión constante porpor
otras secuencias que proporcionenotras secuencias que proporcionen
suficiente número de transicionessuficiente número de transiciones, de, de
forma tal que el reloj del receptor puedaforma tal que el reloj del receptor pueda
mantenerse sincronizado.mantenerse sincronizado.

En el receptor:En el receptor:
Se debe identificar la secuenciaSe debe identificar la secuencia
reemplazada y sustituirla por la secuenciareemplazada y sustituirla por la secuencia
original.original.
La secuencia reemplazada tendrá laLa secuencia reemplazada tendrá la
misma longitud que la original, por lo cualmisma longitud que la original, por lo cual
no se produce cambio de velocidadno se produce cambio de velocidad

Los objetivos sonLos objetivos son
1.1. Evitar la componente en continuaEvitar la componente en continua
2.2. Evitar las secuencias largas queEvitar las secuencias largas que
correspondan a señales de tensión nulacorrespondan a señales de tensión nula
3.3. No reducir la velocidad de transmisión deNo reducir la velocidad de transmisión de
los datoslos datos
4.4. Tener cierta capacidad para detectarTener cierta capacidad para detectar
erroreserrores

Reglas de CodificaciónReglas de Codificación
1.1. B8ZS (Bipolar with 8-ZerosB8ZS (Bipolar with 8-Zeros
Substitution) utilizado enSubstitution) utilizado en
Norteamérica.Norteamérica.
2.2. HDB3 (High Density Bipolar 3 Zeros)HDB3 (High Density Bipolar 3 Zeros)
utilizado en Europa y Japón.utilizado en Europa y Japón.

Técnicas deTécnicas de <<ScramblingScrambling>>
B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution)B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution)
Esta basado en AMI bipolar, con las reglas:Esta basado en AMI bipolar, con las reglas:
a)a) Si aparece un octeto con todos ceros y elSi aparece un octeto con todos ceros y el
último valor de tensión anterior a dichoúltimo valor de tensión anterior a dicho
octeto fue positivo, codificar dicho octetoocteto fue positivo, codificar dicho octeto
concon 0 0 0 + - 0 - +0 0 0 + - 0 - +
b)b) Si aparece un octeto con todos ceros y elSi aparece un octeto con todos ceros y el
último valor de tensión anterior a dichoúltimo valor de tensión anterior a dicho
octeto fue negativo, codificar dicho octetoocteto fue negativo, codificar dicho octeto
comocomo 0 0 0 - + 0 + -0 0 0 - + 0 + -

V: violación de secuencia bipolarV: violación de secuencia bipolar
B: bit bipolar validoB: bit bipolar valido
EstrategiaEstrategia::
Pulso anterior: +Pulso anterior: + →→ 0 0 0 + - 0 - +0 0 0 + - 0 - +
Pulso anterior: - → 0 0 0 - + 0 + -Pulso anterior: - → 0 0 0 - + 0 + -

Con este procedimiento se fuerzan dosCon este procedimiento se fuerzan dos
violaciones de código del código AMI,violaciones de código del código AMI,
combinaciones de señalización nocombinaciones de señalización no
permitidos por el código.permitidos por el código.
El receptor identificará ese patrón y loEl receptor identificará ese patrón y lo
interpretará convenientemente como uninterpretará convenientemente como un
octeto todo ceros.octeto todo ceros.

HDB3 (High Density Bipolar 3 Zeros)HDB3 (High Density Bipolar 3 Zeros)
Se basa en la codificación AMI.Se basa en la codificación AMI.
Se reemplaza las cadenas de cuatroSe reemplaza las cadenas de cuatro
ceros por cadenas que contienen unoceros por cadenas que contienen uno
o dos pulsos.o dos pulsos.
El cuarto cero se sustituye por unaEl cuarto cero se sustituye por una
violación del código.violación del código.

Tabla 5.4 Reglas de Sustitución enTabla 5.4 Reglas de Sustitución en
HDB3HDB3
Numero de Pulsos Bipolares (unos)
desde la última sustitución
Polaridad del
pulso anterior
Impar Par
- 000- +00+
+ 000+ -00-
La sustitución dependerá:
a) Si el número de pulsos desde la última violación es par o impar.
b) Dependiendo de la polaridad del último pulso, anterior a la aparición de
los cuatro ceros.

Tabla 5.4 Reglas de Sustitución en HDB3
Numero Impar de 1’s
Desde la última sust.

Actividades ComplementariasActividades Complementarias
1.1. Analice los contenidos de este temaAnalice los contenidos de este tema
consultando la bibliografía.consultando la bibliografía.
2.2. Resuelva algunos problemas planteados enResuelva algunos problemas planteados en
el libro de W Stallings.el libro de W Stallings.

FIN TEMA 5FIN TEMA 5
GraciasGracias

Bipolar AMIBipolar AMI
 El “0” binario se representa por ausencia de señalEl “0” binario se representa por ausencia de señal
y el “1” binario se representa como un pulsoy el “1” binario se representa como un pulso
positivo o negativo.positivo o negativo.
 Los pulsos correspondientes a los “1” deben tenerLos pulsos correspondientes a los “1” deben tener
una polaridad alternante.una polaridad alternante.
0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1

EspectralEspectral
de lade la

 Ventajas:Ventajas:
1.1. Para la cadena de “1” se tiene sincronismo.Para la cadena de “1” se tiene sincronismo.
2.2. No hay componente CDNo hay componente CD
3.3. El ancho de banda es, menor que para NRZEl ancho de banda es, menor que para NRZ
4.4. Se puede usar la alternancia para los “1” comoSe puede usar la alternancia para los “1” como
una forma de detectar errores.una forma de detectar errores.
 Desventajas:Desventajas:
1.1. Una larga cadena de “0” pierde el sincronismo.Una larga cadena de “0” pierde el sincronismo.

PseudoternarioPseudoternario
 Se tiene una codificación con tres niveles.Se tiene una codificación con tres niveles.
 Para este caso el bit “1” se representa por laPara este caso el bit “1” se representa por la
ausencia de señal, y el “0” mediante pulsosausencia de señal, y el “0” mediante pulsos
de polaridad alternante.de polaridad alternante.
0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1

EspectralEspectral
de lade la

 VentajasVentajas
1.1. Se puede enviar la señal de sincronismo conSe puede enviar la señal de sincronismo con
la información.la información.
2.2. No se tiene componente contínua.No se tiene componente contínua.
3.3. Se disminuye el ancho de bandaSe disminuye el ancho de banda
4.4. El mayor nivel de energía está ubicado a laEl mayor nivel de energía está ubicado a la
mitad de la frecuencia normalizadamitad de la frecuencia normalizada

 DesventajasDesventajas
1.1. Una larga cadena de “1” hace perder elUna larga cadena de “1” hace perder el
sincronismo.sincronismo.
2.2. El sistema receptor se ve obligado aEl sistema receptor se ve obligado a
distinguir entre tres niveles de: +A, -A y 0.distinguir entre tres niveles de: +A, -A y 0.
3.3. Requiere 1,58 bits para transportar solo unRequiere 1,58 bits para transportar solo un
bit de información.bit de información.
bits58,13log2 =

Codificación ManchesterCodificación Manchester
 Siempre hay una transición en mitadSiempre hay una transición en mitad
del intervalo de duración del bit. Sirvedel intervalo de duración del bit. Sirve
como procedimiento de sincronización.como procedimiento de sincronización.
 Regla:Regla:
 a) “1” lógico: transición de bajo a alto.a) “1” lógico: transición de bajo a alto.
b) “0” lógico: transición de alto a bajo.b) “0” lógico: transición de alto a bajo.
Nota: esta regla es contraria a la utilizada por otros autores, peroNota: esta regla es contraria a la utilizada por otros autores, pero
se ajusta a la estandarizada en equipos de uso comercialse ajusta a la estandarizada en equipos de uso comercial

Codificación ManchesterCodificación Manchester

Codificación Manchester:Codificación Manchester:
Comparación con otras CodificacionesComparación con otras Codificaciones

Manchester DiferencialManchester Diferencial
 La transición en mitad del intervaloLa transición en mitad del intervalo
se utiliza tan solo parase utiliza tan solo para
proporcionar sincronización.proporcionar sincronización.
 La codificación de “0” seLa codificación de “0” se
representa por la presencia de unarepresenta por la presencia de una
transicion altransicion al principio del intervaloprincipio del intervalo
del bit, y un 1 se representadel bit, y un 1 se representa
mediante la ausencia de unamediante la ausencia de una
transición al principio del intervalo.transición al principio del intervalo.

Manchester DiferencialManchester Diferencial

Manchester Diferencial:Manchester Diferencial:
Comparación con otras TécnicasComparación con otras Técnicas

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