Comunicações Digitais - Aula 2

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COMUNICAÇÕES DIGITAIS 
AULA 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. Amilton Carlos Rattmann 
 
 
2 
CONVERSA INICIAL 
A área da comunicação digital é repleta de mecanismos, algoritmos e 
protocolos, que operam ora de forma conjunta, ora de forma independente, 
transportando um monumental volume de dados, estando presente em todos os 
acessos à Internet, e também em redes celulares, transmissão de TV digital, 
redes industriais e redes locais, empregando alguma técnica digital na 
transmissão. Veremos nesta aula algumas técnicas de modulação e codificação 
e formas de modelar e organizar a comunicação digital. 
TEMA 1 – MODELO DO CANAL DE COMUNICAÇÃO 
Antes da transmissão de sinais digitais, a fonte de informações é 
codificada para eliminar as redundâncias de fonte e possibilitar a transmissão 
mais eficiente das informações. A informação codificada é submetida à 
codificação de canal para a inserção de redundâncias que possibilitem a 
recuperação da informação através da detecção e correção de erros. A 
redundância inserida está algébrica ou logicamente associada às informações 
transmitidas e deve ser capaz de suportar as alterações produzidas pelo canal e 
as distorções causadas pelo ruído ao longo da propagação dos sinais, 
entregando ao receptor uma estimativa do sinal originalmente transmitido, 
passível de recuperação. 
A Figura 1 apresenta uma comparação entre o desempenho de 
comunicações com e sem códigos corretores de erros na transmissão pelo canal. 
O eixo das ordenadas representa a taxa de erro de bits, BER (do inglês: Bit Error 
Rate), que representa a probabilidade de ocorrências de erros em uma 
determinada transmissão e assinala uma taxa específica (BERREF) para 
estabelecer uma comparação entre os modos de operação. No eixo das 
abcissas, a relação Eb/N0 representa uma medida da energia de bit sobre o 
ruído, que remete à potência de transmissão e à energia gasta neste processo. 
As duas curvas plotadas no gráfico representam a probabilidade de erros com a 
variação da potência de transmissão. Quanto maior a potência de transmissão 
ou, mais precisamente, quanto maior a relação entre o nível de transmissão e o 
nível de ruído, menor a probabilidade de erros. Há uma diferença entre as curvas 
pois, todo erro ocorrido na transmissão sem correção de erros representa perdas 
de informação e erros ocorridos na transmissão com correção de erros carregam 
 
 
3 
uma taxa de recuperação, contabilizando menor perda de informação. As 
diferenças entre as perdas de informação podem ser comparadas pela taxa de 
erros de bits de referência, que estabelece uma equivalência para a mesma taxa 
de informação entregues sem erro. Na linha BERREF, os dois modos de operação 
apresentam a mesma probabilidade de perdas de informações, mas mostra que 
com a utilização de código corretor de erros é necessário utilizar menos potência 
na transmissão, assinalado no gráfico como G(dB). Esta diferença G pode ser 
interpretada como um ganho na potência de transmissão ou na relação sinal-
ruído, pois representa menor potência de transmissão para o mesmo alcance ou 
um alcance maior na transmissão para a mesma potência. 
Figura 1 – Comparação entre modos de comunicação com e sem a utilização de 
códigos corretores de erros 
 
Fonte: Elaborado com base em Brandão, 2014. 
1.1 O meio de comunicação 
O meio de comunicação interliga os elementos transmissor e receptor 
através de um canal. A redundância de fonte deve ser eliminada para tornar a 
transmissão mais eficiente, melhorando a relação bit/Hz. A codificação de fonte 
elimina a redundância de fonte, aplicando o conhecimento da teoria da 
informação, área que iniciou com a publicação com o artigo de Shannon, em 
1948. 
A codificação de canal, aplicada após a codificação de fonte, é 
responsável pela inserção de redundâncias na transmissão, para garantir uma 
chance maior de recuperação de informações no receptor. É nesta parte do 
 
 
4 
sistema de comunicações que ocorreu a maior desenvolvimento nos últimos 
anos, avançando em técnicas de codificação e maior velocidade de transmissão. 
1.2 O transmissor 
O transmissor implementa um sistema modulador ou codificador, 
necessários para permitir o transporte de informações através do canal. No 
modelo de transmissão digital, determina-se um bloco de m bits como 
mensagem. Cada mensagem m é transmitida por um sinal analógico s(m), 
repetindo-se a cada novo bloco m. Cada bloco m corresponde unicamente a um 
sinal s(m), distinto. Existem 2m blocos de mensagens {m1, m2, m3, m4, ..., mm} 
que produzem 2m sinais s(m) analógicos {s1(m), s2(m), s3(m), s4(m), ... , sm(m)}, 
conforme apresentada na Figura 2. 
Figura 2 – Modelo de transmissor 
 
Fonte: Elaborado com base em Brandão, 2014. 
1.3 O canal 
Na modelagem geral do sistema de comunicação digital, parte das 
distorções produzidas pelo canal podem ser desconsideradas pelo projeto 
adequado do canal, que minimize os efeitos indesejados, mantendo apenas o 
ruído como única manifestação interferente. A definição de múltiplos canais 
estreitos reduz os efeitos de atraso de fase e atenuação seletiva. 
1.4 O Receptor 
A Figura 3 apresenta o modelo geral do receptor, no qual o canal não 
insere atenuação ou alteração no sinal, mas mantém a presença do ruído n(m), 
que é vista no modelo como uma adição ao sinal recebido s(m), produzindo 
s’(m). A ruído é uma entidade estatística definida nos sistemas de comunicação 
como um modelo AWGN (do inglês: Additive White Gaussian Noise), conceito 
visto anteriormente. 
 
 
5 
Figura 3 – Modelo de receptor 
 
O sinal na entrada do receptor é s’(m) = s(m) + n(m). O receptor deve 
escolher a mensagem m recebida em função do sinal s’(m) recebido. O receptor 
conhece todas as mensagens; pela implementação de uma codificação de fonte 
adequada, produz mensagens equiprováveis, e o padrão do ruído opta 
corretamente pela mensagem s(m) que possui a menor distância da mensagem 
s’(m). Embora ocorram erros, podem ser recuperados no receptor pela 
codificação de canal, que produz redundâncias que entregam informações 
extras ao receptor, permitindo a escolha adequada da mensagem m. 
TEMA 2 – AS CAMADAS FUNCIONAIS 
Os protocolos de comunicação de dados evoluíram muito desde as 
primeiras comunicações entre terminais de console e computadores centrais. Se 
tornaram complexos, agregaram funcionalidades, mecanismos e algoritmos, 
suportando diferentes serviços. A dificuldade para integrar ambientes distintos e 
heterogêneos exigiu muitos esforços e tornou-se dispendiosa, por exigir 
implementações completas das estruturas de protocolos distintos em 
equipamentos (gateways) para se garantir as funcionalidades mútuas entre 
ambientes. Essa realidade motivou o estudo de soluções e a adoção de modelos 
que separassem as características necessárias à comunicação, em camadas 
funcionais distintas, que facilitassem a tarefa de interconectar sistemas 
heterogêneos, que veremos nesta aula. 
2.1 Camadas funcionais 
O modelo de separação em camadas permite desenvolver ou atualizar 
parte de um protocolo, ou permitir o desenvolvimento do mesmo protocolo por 
equipes ou empresas distintas, trabalhando em camadas diferentes. Existem 
modelos de camadas, propostos por organizações, descrevendo soluções mais 
 
 
6 
abrangentes ou mais restritivas, às vezes criadas para descrever protocolos 
específicos. O Modelo OSI (Open Systems Interconnection) proposto pela ISO 
(International Standards Organization) é mais abrangente e mais aceito para 
especificar e organizar as funcionalidades dos protocolos. Está dividido em sete 
camadas funcionais que serão descritas adiante, neste tema. É comum 
denominar como pilha o conjunto de camadas de um protocolo. 
No modelo OSI, cada camada troca informações de controle com a 
mesma camada em outra pilha, estabelecendo um protocolo entre as camadas. 
Todas as informações de controleinseridas na camada n de origem são 
necessárias e interpretadas pela camada n de destino, conforme apresentado 
na Figura 4. 
Figura 4 – Funcionalidade das camadas 
 
Os protocolos n trocam mensagens entre camadas n utilizando unidades 
de dados denominadas PDU (do inglês: Protocol Data Unit). As PDU de camada 
n quando descem para a camada n-1, tornam-se SDU (do inglês Service Data 
Unit) e são encapsuladas como carga de dados na PDU do protocolo n-1. O 
encapsulamento agrega o PCI (do inglês: Protocol Control Information) da 
camada n-1 ao PDU da mesma camada. O processo de encapsulamento 
continua camada a camada, até chegar à camada física, conforme apresentado 
na Figura 5. 
 
 
 
7 
Figura 5 – Encapsulamento 
 
2.1.1 A camada física 
A camada física guarda todas as especificações relacionadas à 
transmissão do sinal lógico pelo meio físico, permitindo que um bit chegue ao 
destino como foi originalmente transmitido – ou o mais próximo possível. Ao se 
conectar dois equipamentos de fabricantes diferentes por interfaces compatíveis 
no estabelecimento de uma comunicação de dados, estamos nos beneficiando 
do modelo, pelas especificações mecânica, elétrica e de comando, que são 
partes da recomendação desta camada. A especificação mecânica define a 
forma pela qual a conexão mecânica ocorre, além de quantidades de pinos, 
dimensões e tipos de conectores utilizados. Os conectores RJ45, DB25, M34, 
BNC são exemplos de conexões especificadas nas camadas físicas de protocolo 
diferentes, ou aparecem como opções para o mesmo protocolo. 
A especificação elétrica define parâmetros elétricos da conexão, como 
tensões envolvidas, correntes, impedâncias, frequências e formato dos sinais, 
que definem a taxa de bits máxima e comprimento máximo do cabo para 
determinado desempenho. Na interface V.24, por exemplo, a informação lógica 
de nível alto (bit um), para um dado transmitido, é definida por uma tensão entre 
-3 e -25V, e uma informação lógica de nível baixo (bit zero) é definida por uma 
tensão entre 3 e 25V. Caso fosse um sinal de controle, o sinal estaria ativo com 
uma tensão entre 3 e 25V e não ativo com uma tensão entre -3 e -25V. 
As especificações de controle definem a forma pela qual os equipamentos 
estabelecem uma comunicação confiável, e definem a função de cada sinal da 
interface. Na interface V.24 ou V.35, o sinal DCD ativo, definido no sentido do 
equipamento ECD (equipamento de comunicação de dados) para ETD 
(equipamento de terminação de dados), indica que o ECD está recebendo um 
sinal com a frequência correta (portadora) de outro equipamento ECD. 
 
 
8 
2.1.2 A camada de enlace 
A camada física garante a entrega de bits de dados no destino, mas não 
garante a entrega correta dos bits. Os sinais lógicos transmitidos sofrem 
interferências eletromagnéticas no transporte pelo canal, que podem produzir 
interpretações equivocadas na recepção, identificando valores lógicos diferentes 
daqueles originalmente transmitidos, denominados erros de transmissão. A 
camada de enlace, entre outras funções, garante a detecção e a possível 
correção dos erros de transmissão, tornando a comunicação mais confiável entre 
elementos ETD. 
A camada de enlace também é responsável pelo controle de fluxo e pela 
entrega de quadros na ordem que foram enviados. O controle de fluxo é 
necessário para compatibilizar dispositivos com desempenhos e capacidades 
diferentes. Este controle permite que um controlador de 8 bits e relógio lento se 
comunique com um controlar de 64 bits com relógio rápido. O sequenciamento 
de informações garante que as partes de uma informação de maior tamanho, 
como um arquivo de imagem, sejam entregues na ordem que foram produzidas 
mesmo na ocorrência de erros na transmissão. A camada de enlace implementa 
mecanismos que corrigem as perdas e reorganizam os quadros para garantir a 
sequência correta das informações. 
2.1.3 A camada de rede 
Como vimos, a camada de enlace pode detectar ou corrigir erros de 
transmissão conforme mecanismos empregados, envolvendo dois elementos 
ETD (origem e destino) em conexão direta ponto a ponto, ou entre elementos 
dispostos em um enlace de múltiplos acessos ao meio. Porém, a camada de 
enlace não consegue trocar informações entre elementos que não estejam 
diretamente conectados. A camada de rede extrapola as limitações da conexão 
direta e cria um mecanismo para comunicação entre elementos que estão 
distantes, interligados por meio de muitos enlaces e conexões diretas, passando 
informações de elemento a elemento, até que atinja o elemento de destino. Os 
elementos que apenas geravam ou recebiam informações ganham, com esta 
camada, a funcionalidade de transportar informações de elementos que não 
estão diretamente conectados, e que não foram geradas nem se destinam a 
estes elementos. Entre as funções da camada de rede, então os mecanismos de 
 
 
9 
roteamento para encaminhar as informações (pacotes de dados) de forma a 
atingir os destinos. Como cada elemento de rede está ligado a dois ou mais 
enlaces distintos, o processo de roteamento (tomada de decisão) tenta 
determinar qual enlace leva a informação ao destino correto – ou, em outras 
palavras, ao ETD de destino, que deve receber a informação transportada. 
2.1.4 A camada de transporte 
Vimos que a camada de rede consegue entregar a informação no 
elemento de destino, que pode estar muito distante, através de centenas de 
enlaces elementos, mas não consegue estabelecer uma diferenciação entre os 
tipos de tráfego, nem estabelecer condições de controle de fluxo. A camada de 
transporte estabelece um fluxo virtual específico de comunicação fim a fim, além 
de permitir a multiplexação entre fluxos, na qual os elementos de rede 
estabelecem conexões simultâneas com outros elementos de rede, 
determinando fluxos com características distintas, orientados ou não orientados 
à conexão, com tráfego sensível a perdas ou sensível a latência, com ou sem 
controle de sequência de informações. Nesta camada, ocorre a comunicação 
entre processos existentes nos ETD, cuja entrega de informações ocorre sem 
erros. Os fragmentos de dados (segmentos de dados) são transportados em 
sequência, com garantia na entrega das informações ou sem garantia na entrega 
das informações, dependendo da forma como a conexão virtual foi estabelecida. 
A individualização de cada fluxo ocorre pela identificação das portas de origem 
e destino envolvidas em cada ponta da conexão. 
2.1.5 A camada de sessão 
A camada de sessão é necessária ao controle da comunicação entre as 
partes comunicantes, podendo ser vista como um controle de diálogo entre os 
usuários. Entre as funções desta camada, está o registro de marcas do 
andamento da comunicação, para permitir a continuidade da troca de 
mensagens a partir da última marca confirmada, nos casos de reconexão por 
falhas de comunicação. Outra função está no controle de operações críticas, nas 
quais um usuário ou processo são impedidos de atuar simultaneamente sobre 
um mesmo recurso, ou parte de um recurso, através de um gerenciamento de 
tokens, por exemplo. O gerenciamento de pontos de reinício e sincronismo para 
 
 
10 
transmissão de longas sequências de dados por múltiplos fluxos de transporte 
de dados, como apresentada na Figura 6, também é função desta camada. 
Figura 6 – Coordenação de transmissão de múltiplos fluxos na camada de 
sessão 
 
2.1.6 A camada de apresentação 
A camada de apresentação está relacionada com as funções semânticas 
de representação da informação. Códigos para representação de caracteres, 
representação de estruturas de dados, formato dos dados, formatos de imagem, 
compressão, criptografia e outras formas de representação estão entre as 
funções desta camada que permitem a correta transmissão de informações entre 
múltiplos sistemas heterogêneos através da rede de dados, retirando esta 
preocupação dosaplicativos, que podem trabalhar da maneira e com os padrões 
com os quais foram criados. Embora no modelo TCP/IP não exista uma 
referência explícita à camada de apresentação, esta função está embutida na 
camada de aplicação do modelo TCP/IP, na qual o desenvolvedor opta por incluir 
ou não determinadas funções no desenvolvimento de funções da camada. 
Exemplo de um protocolo do guarda-chuva TCP/IP é o SSL, que estabelece um 
canal criptografado entres as camadas de transporte e aplicação. 
2.1.7 A camada de aplicação 
A camada de aplicação está ligada ao suporte de aplicações. Entre as 
funções desta camada, estão os protocolos de comunicação e as funções que 
permitem o ingresso de serviços de usuário na rede de dados. A linguagem 
HTML, por exemplo, transportada entre servidores de páginas e navegadores, 
traz aplicações suportadas pelo protocolo HTTP pertencente à camada de 
aplicação. Outros protocolos, como o FTP e o SMTP, suportam aplicativos de 
transferência de arquivos e de troca de e-mails, respectivamente. Um Codec de 
áudio, por exemplo, pertence às soluções dessa camada da aplicação. 
 
 
11 
TEMA 3 – MODULAÇÃO DIGITAL 
Neste tema, veremos as técnicas de modulação empregadas na 
transmissão digital. Algumas técnicas de modulação foram usadas na gravação 
de informações digitais em mídias físicas analógicas, permitindo o 
armazenamento de programas e dados em fitas magnéticas. Outras técnicas de 
modulação foram utilizadas nas comunicações de alta velocidade 
proporcionadas por modens analógicos e em modems ADSL. 
3.1 Modulação ASK 
A modulação por alteração de amplitude ASK (do inglês Amplitude-Shift 
Keying) altera apenas a amplitude de um sinal portador com determinada 
frequência através de um sinal modulante digital. Uma amplitude será nula e a 
outra assume um valor diferente de zero que possa ser reconhecido pelo 
receptor. 
A equação geral do sinal ASK pode expressa pela Equação 1, na qual o 
α representa uma amplitude, g(t) um pulso e o cos(2πfCt+θ), representa o sinal 
da portadora com determinada frequência e fase: 
 𝑠(𝑡) = 𝛼𝑔(𝑡)cos⁡(2𝜋𝑓𝐶𝑡 + 𝜃) (1) 
 𝛼 = {𝐴1, 𝐴2, 𝐴3, … , 𝐴𝑁} 
O pulso com amplitude AN é multiplicado pelo sinal portador, gerando o 
sinal ASK, apresentado na Figura 7. Este sinal também é conhecido como 
resultado da modulação OOK (do inglês On-Off Keying). 
Figura 7 – Sinal ASK On-Off – ou OOK 
 
 
 
 
12 
O esquema geral de um modulador ASK é apresentado na Figura 8, na 
qual é possível observar o multiplicador de pulso pela amplitude AN e o 
multiplicador do pulso pelo sinal portador. Neste diagrama geral, a modulação 
on-off vista na Figura 7 e a modulação ASK multinível apresentada na Figura 10, 
na qual níveis diferentes de pulsos são multiplicados pelo sinal portador, são 
geradas por esse modulador. A modulação multinível transporta mais bits por 
símbolo. Cada uma das quatro amplitudes representa (ou carrega) dois bits de 
informação, o dobro da modulação ASK ou da modulação ASK, com dois níveis. 
Figura 8 – Modulador geral ASK 
 
Fonte: Elaborado com base em Brandão, 2014. 
Esquemas mais simples de um modulador ASK trazem o modulador 
sendo chaveado por um sinal digital. Seria um caso particular do ASK on-off. 
Na demodulação do sinal ASK, uma correlação do entre o sinal 
transmitido e os sinais possíveis, de conhecimento do receptor, é executada para 
identificar o símbolo com a menor distância do sinal recebido. Este será o 
símbolo com a maior probabilidade de estar correto. A expressão (2) apresenta 
a determinação do símbolo transmitido pela comparação entre os valores da 
correlação entre u(t), sinal recebido, e s1(t), símbolo 1, e entre u(t) e s2(t), símbolo 
2. A maior valor determina a mensagem recebida: 
∫ 𝑟(𝑡)𝑠1(𝑡)𝑑𝑡 −
𝐸1
2
≥ ∫ 𝑟(𝑡)𝑠2(𝑡)𝑑𝑡 −
𝐸2
2
⇒ 𝑚1, 𝑐𝑎𝑠𝑜⁡𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟á𝑟𝑖𝑜,𝑚2
∞
−∞
∞
−∞
 (2) 
O esquema geral do demodulador é apresentado na Figura 9, na qual o 
diagrama do correlacionador está representado por dois blocos. 
 
 
 
13 
Figura 9 – Esquema geral do demodulador ASK 
 
A Figura 10 apresenta sinal ASK multinível para quatro símbolos, que 
pode ser modulado e demodulado a partir dos esquemas apresentados nas 
Figuras 8 e 9. 
Figura 10 – Sinal ASK multinível. Símbolos: b1b0 = {11, 10, 01, 00} 
 
Alguns controles remotos de portão utilizam esta modulação para 
transmitir os códigos de abertura e fechamento. 
3.2 Modulação FSK 
A modulação por alteração de frequência FSK (do inglês Frequency-Shift 
Keying) altera apenas a frequência de um sinal portador com amplitude 
constante, através de um sinal modulante digital. A duração da frequência é 
limitada no tempo. Cada frequência carrega um símbolo diferente que possa ser 
reconhecido indubitavelmente pelo receptor. 
A equação geral do FSK é apresentada abaixo (3), na qual a função rect 
indica apenas que a frequência tem duração limitada, A representa a amplitude 
constante, fi representa a frequência da portadora relacionada a mensagem m = 
{m1, m2, ... M}, de comprimento de L bits. θi representa a fase de cada frequência, 
que são independentes entre si: 
 
 
14 
𝑠𝑖(𝑡) = 𝐴𝑟𝑒𝑐𝑡 (
𝑡
𝑇
) cos(2𝜋𝑓𝑖𝑡 + 𝜃𝑖) ; 𝑖 = 1,2, …𝑀 (3) 
Os projetos de sistemas FSK são elaborados para que os sinais sejam 
ortogonais, aumentando a separação entre os símbolos. 
Um esquema de modulador FSK é apresentado na Figura 11, em que o 
bloco de L bits produz uma frequência fi, com fase θi no oscilador, produzindo 
um sinal FSK, apresentado na Figura 12. 
Figura 11 – Esquema geral do modulador FSK 
 
Para um sistema FSK binário, as expressões (4) produziram o sinal FSK, 
como apresentado na Figura 12. 
𝑠1(𝑡) = 𝐴𝑟𝑒𝑐𝑡 (
𝑡
𝑇
) cos(2𝜋𝑓1𝑡 + 𝜃1) 
(4) 
𝑠2(𝑡) = 𝐴𝑟𝑒𝑐𝑡 (
𝑡
𝑇
) cos(2𝜋𝑓2𝑡 + 𝜃2) 
Figura 12 – Sinal FSK 
 
 
 
 
15 
Na Figura 13 é apresentado um esquema geral de demodulador FSK, 
basicamente formado por dois demoduladores de amplitude sintonizados nas 
frequências e fases específicas do sinal modulado recebido. 
Figura 13 – Esquema geral de um demodulador FSK 
 
Os primeiros computadores residenciais com sistemas de 
armazenamento em fitas K7 e modem V.21 utilizavam este esquema de 
modulação. 
3.3 PSK (Phase-shift keying) 
A modulação por alteração de fase PSK (do inglês: Phase-Shift Keying), 
altera apenas a fase de um sinal portador com amplitude e frequência 
constantes, através de um sinal modulante digital. A modulação PSK é um caso 
especial da modulação QAM, sem variação na amplitude, utilizando os mesmos 
sinais portadores em quadratura. A Figura 14 apresenta o diagrama do QPSK, 
4PSK ou 4QAM, e seu respectivo sinal. 
Figura 14 – Diagrama e sinal QPSK 
 
Fonte: Malburg, 2004. 
 
 
16 
3.4 QAM (Quadrature amplitude modulation) 
A modulação em quadratura QAM (do inglês: Quadrature Amplitude 
Modulation) altera simultaneamente fase e amplitude de um sinal portador com 
frequência constante, através de um sinal modulante digital. As composições dos 
pares amplitude-fase são distribuídas uniformemente nos quadrantes, criando 
uma visão gráfica denominada constelação. 
O modulador QAM é apresentado na Figura 15, na qual se observa duas 
portadoras em quadratura e um conjunto de valores α e β, positivos e negativos, 
que em combinação com as portadoras estabelecem pontos de amplitude e fase 
no diagrama. 
Figura 15 – Esquema do modulador QAM 
 
Fonte: Elaborado com base em Brandão, 2014. 
Na Figura 16 é apresentado o diagrama de símbolos do modulador da 
Figura 15, com as 16 posições dos símbolos com amplitudes ±∆/2 e ±3∆/2. 
Figura 16 – Constelação do sistema QAM-16 
 
Fonte: Elaborado com base em Brandão, 2014. 
 
 
17 
Na Figura 17, observa-se as diferenças entre os esquemas de modulação 
PSK e QAM para 16 símbolos e a maior distância entre símbolo no QAM, 
proporcionando maior robustez frente ao ruído. 
Figura 17 – Diagrama 16QSK e constelação16QAM 
 
Fonte: Mow, 2006. 
O QAM é utilizado na maioria dos moduladores em sistemas de rádio 
enlace de micro-ondas e modems, sendo intensivamente utilizado nas 
tecnologias xDSL (ADSL, VDSL). 
TEMA 4 – CODIFICAÇÃO DE LINHA E CANAL 
A necessidade da codificação de linha se justifica pela melhoria da 
eficiência espectral do sinal ou, em outros termos, concentra-se na busca da 
melhor relação bit/Hz do sistema. O sinal NRZ, produzido por sistemas digitais, 
apresenta valor médio diferente de zero, o que implica em redução do alcance 
de transmissão e em desperdício de energia com a componente CC, conforme 
visto no gráfico da Figura 18. A necessidade de manter muitos harmônicos para 
possibilitar a recuperação do sinal transmitido também incide em maior gasto de 
energia e canais mais largos. A codificação de linha modifica o sinal NRZ, 
transformando-o em sinal RZ, melhorando a eficiência espectral e reduzindo o 
nível CC da linha, como será visto nesta aula. 
 
 
 
18 
Figura 18 – Componente CC do sinal NRZ de 1 kHz 
 
Apesar de existirem muitos tipos de códigos, com características e 
aplicações específicas, pode ser adotada uma classificação comum, usada por 
vários autores, que organiza os códigos em unipolares, polares, bipolares, 
bifásicos e de múltiplos níveis. 
Os códigos unipolares (Figura 19) são caracterizados por transmitirem 
valores +V e 0V para os bits altos e baixos, respectivamente. São pouco práticos 
para sistemas de transmissão, por estabelecerem nível médio diferente de zero 
com valor V/2 para bits altos e baixos equiprováveis em códigos RZ e V/4 para 
códigos NRZ. Os códigos NRZ-I (ou NRZI) trocam a tensão de linha a cada bit 
alto, apresentando bastante imunidade a ruído, além de facilidade na 
implementação, por ser um código diferencial. Consegue manter a referência de 
relógio na ocorrência de muitos bits altos, mas não em longas sequências de bits 
de valor lógico baixo. 
Figura 19 – Códigos Unipolares 
 
Uma versão óptica do NRZ-I foi utilizada em CD (do inglês: compact disk) 
e DVD (do inglês: digital video disk), empregando dois patamares físicos na 
gravação, sendo um patamar composto pela superfície do disco, denominado 
 
 
19 
land, e outro patamar definido pelos sulcos, denominado pit, organizados em 
trilhas nas quais o laser incidente reflete a luz nas partes planas e sofre difração 
nas bordas dos sulcos, identificando as transições. 
Figura 20 – A superfície do CD e DVD 
 
Fonte: DVD, 2019. 
Figura 21 – Decodificação do NRZ-I 
 
Os códigos polares (Figura 22) são caracterizados por transmitirem 
valores +V e -V para bits altos e baixos, respectivamente, não utilizando o nível 
0V de forma útil na transmissão. 
O código polar NRZ melhora o componente CC com relação aos códigos 
unipolares, mantendo o valor CC em torno do zero. A principal componente de 
 
 
20 
frequência se manifesta na metade da frequência de relógio, para sequências 
alternadas de nível alto e baixo (10101010). 
O código polar RZ melhora definitivamente o componente CC, produzindo 
valor 0V para valores lógicos equiprováveis. Como há retorno do nível de tensão 
na metade do período de bit, o pico da densidade espectral ocorre na 
componente de frequência igual ao do relógio para valores subsequentes de 
níveis baixos ou altos (00000000 ou 11111111). 
O código NRZ-I polar funciona de maneira semelhante ao NRZ-I unipolar, 
no sentido de utilizar a mesma representação dos símbolos de valor alto pela 
transição de nível de linha. Possui componente CC aproximadamente igual a 0V 
e harmônico de maior intensidade em valor igual à metade da frequência de 
relógio, na sequência de níveis altos (11111111). 
Por apresenta maior robustez na identificação da transição em relação ao 
ruído, a codificação NRZ-I foi utilizada pela IBM na gravação de informações em 
fitas magnéticas, sendo apresentada como NRZ IBM na documentação de 
serviço dos equipamentos IBM 729. 
Figura 22 – Códigos Polares 
 
Os códigos bipolares (Figura 23), de forma diferente dos unipolares e 
polares, atribuem dois valores distintos para o bit alto, alternando entre valores 
+V e -V, utilizando o valor de 0V para o bit baixo. Este código garante 
componente CC de valor 0V, tanto para os códigos NRZ quanto RZ. Os 
harmônicos de maior energia estão concentrados em valor igual ao da metade 
da frequência de relógio, para os dois códigos. Ainda existe o problema de 
sincronismo por conta das longas sequências de bits baixos. 
 
 
21 
Figura 23 – Códigos bipolares 
 
4.1 Código Manchester 
O código Manchester é utilizado na rede Ethernet IEEE 802.3, 
modificando o sinal NRZ por um sinal bipolar (+V; -V), com tensão média nula. 
A codificação é realizada pela divisão do tempo de bit em duas partes, nas quais 
o bit alto é transmitido como uma transição de nível alto para nível baixo (HI-LO), 
e o bit de nível baixo é transmitido como uma transição de nível baixo para nível 
alto (LO-HI). Essa codificação elimina o nível médio de tensão e permite a 
sincronização de relógio por meio das máquinas que estão conectadas ao 
barramento, mesmo com a presença de longas sequências de bits de nível alto 
ou baixo, conforme apresentado na Figura 24. 
Figura 24 – Codificação Manchester 
 
Fonte: Elaborado com base em Geeks For Geeks, 2019. 
É importante apontar que existem duas definições opostas para a 
codificação Manchester. A definição descrita acima, com transição central 
crescente para o bit 1, é utilizada pelo IEEE 802.3, e apresentada por autores 
 
 
22 
como Stallings, Halsall e Pedroni. Tanembaum apresenta a codificação 
contrária, com transição central decrescente para o bit 1. Uma nota de aplicação 
da Phillips de 1997 também apresenta a transição central decrescente para o bit 
1, para a codificação Manchester. Um artigo publicado em 2000 no jornal 
Engineering and Science Engineering, por Ron Forster, esclarece que G. E. 
Thomas publicou seu artigo em 1948, quando trabalhava em um sistema de 
gravação em tambor magnético para o Mark 1, computador experimental da 
universidade de Manchester. Nesta publicação, utilizava transição decrescente 
para o bit 1 e transição central crescente para o bit 0. O IEEE definiu e publicou 
sua norma com uma referência contrária, que se tornou padrão. Desta forma, 
existem dois métodos de codificação; o de transição central descendente para o 
bit 1 é definido como Manchester G. E. Thomas, e outro, com transição central 
ascendente para o bit 1, como Manchester IEEE 802.3. 
4.2 Código Manchester Diferencial 
O código Manchester diferencial ainda divide o tempo de bit em duas 
partes, mas produz uma inversão de fase para o bit 1. A não inversão de fase 
indica sequências de bits zeros. A troca subsequente de fase indica sequências 
de bits 1, como apresentado na Figura 25. O código Manchester diferencial não 
sofre o problema de inversão descrito no código Manchester. 
Independentemente da polaridade do sinal, irá funcionar. O Manchester 
diferencial é utilizado na rede Token Ring, IEEE 802.5. 
Figura 25 – Codificação Manchester Diferencial 
 
Fonte: Elaborado com base em Geeks For Geeks, 2019. 
 
 
 
23 
4.3 Código AMI/HDB3 
A padrão AMI é uma codificação RZ bipolar, caracterizada pela 
alternância de valores dos bits altos entre níveis +V e -V, mas mantendo o bit 
baixo em 0V, conforme apresentado na Figura 26. Essa codificação mantém o 
nível CC da linha em 0V e entrega a referência de relógio para o receptor, mesmo 
com longas sequências de níveis altos no sinal, embora não consiga fazer o 
mesmo com longas sequências de níveis baixos. 
O AMI é utilizado na codificação de linha de conexões T1, suportando o 
transporte de uma estrutura TDM, composta de 24 canais, principalmente nas 
comunicações de voz entre centrais telefônicas na América do Norte e Japão. A 
estrutura de 24 canais de 8 bits (7 bits de amostras de voz e 1 bit de controle)é 
repetida a cada 125 μs, produzindo uma taxa de 1.544 Mbps (192 bits mais 1 bit 
extra). 
O código HDB3 é um código bipolar que funciona de forma muito próxima 
à codificação AMI, mas que implementa um mecanismo que produz transições 
artificiais na linha, com vistas a substituir ocorrências de longas sequências de 
zeros no sinal. A codificação substitui sequências de quatro zeros por um padrão 
000V ou B00V, conforme padrão apresentado na Tabela 1. Os valores V e B são 
bits com valores altos, mas com violação na polaridade, o que significa repetição 
da polaridade do último bit transmitido, violando a alternância dos bits altos. Na 
ocorrência de quatro zeros seguidos, avalia-se quantos bits de nível alto foram 
transmitidos desde a última violação (repetição do valor +V ou -V). Caso seja um 
número ímpar, o padrão de substituição será 000V. Caso seja um número par, o 
padrão de substituição será B00V. A polaridade do padrão é definida conforme 
a Tabela 1. O bit V representa violação sem influenciar a alternância dos valores 
de +V ou -V. O código B representa violação influenciando a alternância dos 
valores do sinal. 
Tabela 1 – Padrões de substituição de HDB3 
Quantidade de +/- bits 
desde último V 
Padrão Polaridade do último 
pulso 
Codificado 
IMPAR 000V 
+ 000+ 
- 000- 
PAR B00V 
+ -00- 
- +00+ 
 
 
 
24 
Figura 26 – Codificação AMI/HDB3 
 
A codificação HDB3 é utilizada na codificação de linha nas conexões E1, 
que transportam, em TDM, 30 canais de voz ou dados entre centrais telefônicas 
no padrão brasileiro e europeu, a uma taxa de 2.048 kbps. 
TEMA 5 – MODOS DE OPERAÇÃO 
5.1 Taxas de bits 
O termo taxa de bits se refere à quantidade de bits que foram transmitidos 
em determinada unidade de tempo, medida em bits por segundo (bps). A taxa 
de símbolos é outra medida importante. Os símbolos são as associações entre 
informação e forma de transmitir a informação. Quando ocorre uma troca na 
frequência de um sinal portador de esquema FSK, ou uma alteração na 
amplitude em um esquema ASK, essas alterações são símbolos. A capacidade 
de um canal está associada à quantidade de trocas de símbolos por unidade de 
tempo. A taxa de símbolos na linha é medida em Bauds. No princípio das 
comunicações digitais, ocorria normalmente o transporte de um bit por símbolo. 
Essa condição temporal fez com que as medidas “taxa de bit” e “taxa de símbolo” 
fossem tratadas equivocadamente como uma única medida. Com a evolução 
dos esquemas de modulação digital, ficou mais intuitivo perceber estas 
diferenças. Na Figura 27 são apresentados dois esquemas de modulação. Na 
Figura 27(a), o diagrama BPSK transporta um bit por símbolo. Dessa forma, 
considerando que a taxa de símbolos seja de 1.200 Bauds, a taxa de bits é de 
1.200 bps. O diagrama da Figura 27(c) apresenta uma constelação do 16QAM, 
com 16 símbolos, em que cada símbolo carrega quatro bits. Supondo que neste 
 
 
25 
canal a taxa de símbolos também seja de 1.200 Bauds, agora a taxa de bits será 
quatro vezes maior, ou de 4.800 bps. Seguindo o mesmo raciocínio, a taxa de 
bits para o diagrama da Figura 27(b) é de 2.400 bps. 
Figura 27 – Diagrama de modulação (a) BPSK; (b) QPSK; (c) 16QAM 
 
Fonte: Wallace, 2019. 
5.2 Comunicação síncrona e assíncrona 
Os sistemas de comunicação podem ser operados de modos diferentes. 
No modo assíncrono, mais antigo, de menos capacidade, mas muito simples, 
existe fluxo de dados apenas quando há necessidade efetivamente. Como a 
linha permanece em repouso, é necessário produzir um bit de partida para alertar 
o dispositivo remoto de que está iniciando a transmissão de um byte. Após o bit 
de partida (Start bit – ST), seguem sete ou oito bits de dados, um bit de paridade 
para verificação e um bit de parada (Stop bit), encerrando a comunicação. A 
paridade indica corretamente apenas um bit trocado, mostrando uma fragilidade 
da comunicação que, normalmente, leva à sua aplicação em linhas, curtas de 
baixa velocidade, baixo custo e baixo risco. A interface normalmente está 
disponível em microcontroladores por meio dos circuitos UART, necessitando 
apenas do drive de linha proporcionado por outros componentes integrados 
como o MAX232. A velocidade máxima é 115 kbps, para uma distância muito 
curta, como 3m. Para 15m, por exemplo, a velocidade de operação 
recomendada é 9,6 kbps. 
Atualmente, o sistema assíncrono mais conhecido é o RS-232 ou V.24. 
Ele voltou a ser utilizado em sistemas embarcador e soluções IoT (do inglês: 
Internet of Things), pela simplicidade na operação e pelo baixo custo. 
 
 
26 
Os sistemas síncronos operam em alta velocidade, que variam de 
centenas de kbps a dezenas de Gbps. Para permitir a leitura precisa de bits, 
necessitam de uma referência precisa e constante de relógio, que normalmente 
é retirada do próprio sinal transmitido, funcionalidade obtida pela codificação de 
linha, vista no tema anterior. 
Nos sistemas síncronos, os bits são organizados em blocos de dados, 
normalmente grandes, podendo variar de centenas a milhares de bytes, 
separados em campos de carga e controle. Os campos de carga carregam a 
informação de sistemas usuários e os campos de controle transportam 
informações que permitem a organização de informação, multiplexação e 
correção de erros, muitas vezes. 
5.3 Modo Simplex/Half duplex/Full duplex 
Outra classificação dos sistemas de comunicação está na simultaneidade 
das informações recebidas e transmitidas. Nos sistemas Simplex, existe um 
transmissor e um ou vários receptores; os papeis não se invertem. A 
comunicação sempre ocorre em sentido único. Sistemas de rádio difusão e de 
televisão são ainda bons exemplos de sistemas Simplex. Não existem outras 
aplicações operando dessa forma, mas ainda se poderia fazer uma analogia com 
sensores; por exemplo, não existe sentido em um sensor receber informações, 
mas permanecer continuamente enviando informações para um elemento de 
controle. 
Os sistemas half-duplex estabelecem comunicação nos dois sentidos, 
mas não simultaneamente. A transmissão se processa em um sentido, depois 
inverte conforme a necessidade dos interlocutores, mas nunca ao mesmo tempo. 
As estações (ou computadores em redes) ligadas às redes locais Ethernet 
10Base2 e 10Base10, operavam ligadas a um barramento comum, composto 
por cabo coaxial, alternadamente. Quando uma estação fazia a transmissão, as 
demais permaneciam em silêncio, aguardando a liberação do meio pera permitir 
nova transmissão. Outro exemplo ocorre em sistemas mestre-escravo, no qual 
o mestre tem controle absoluto das comunicações, enviando mensagens para 
os escravos do barramento e autorizando o envio de respostas de cada escravo, 
em intervalos específicos. 
 
 
 
27 
Figura 28 – Operação mestre-escravo half-duplex do protocolo I2C 
 
Fonte: Elaborado com base em UM10204 User Manual, 2014. 
Como exemplo de sistema mestre-escravo half-duplex, a Figura 28 
apresenta uma sequência de comunicação do protocolo I2C que opera com 
barramento serial a dois fios, no qual a resposta do sistema escravo ocorre em 
um intervalo específico entre dois blocos de transmissões do sistema mestre. 
Mesmo com intervalo de transmissão do escravo, o mestre permanece com o 
controle do tempo, mantendo ativo o sinal de relógio (SCL), na linha, para 
sincronizar a reposta do escravo exatamente neste intervalo. 
Os sistemas full-duplex operam de forma simultânea, enviando e 
recebendo informações ao mesmo tempo. Os mecanismos que permitem essa 
facilidade podem implementar soluções por tensão/corrente, por faixas de 
frequências diferentes no mesmo meio, ou por duplicação de meios. Redes 
ethernet atuais, operando com switches, sistemas E1, T1, redes WAN e parte 
dos sistemas industriais, operam em modo full-duplex. 
FINALIZANDO 
Vimos nesta aula o modelo normalmente utilizado para as comunicações 
digitais e a função dos blocos funcionais deste modelo.Passamos pelo principal 
e mais completo modelo de referência de protocolos, denominado modelo 
ISSO/OSI, em que as sete camadas empregadas em redes de comunicação 
foram mencionadas, da camada física que realiza a efetiva transmissão de 
informações, até a camada de aplicação, que faz a interface com os aplicativos 
usuários de rede. Vimos as formas de transportar informação de dados, 
essencialmente digitais, ou discretas, através de meios essencialmente 
analógico, pela modulação digital e pela codificação de linha, mecanismos 
diferentes para necessidades diferentes de transmissão. Apresentamos, 
 
 
28 
finalmente, os princípios de funcionamento dos sistemas assíncronos e 
síncronos, e os modos de comunicação simplex, half-duplex e full-duplex, cujo 
conhecimento serão necessários para a interpretação de normas e documentos 
técnicos e escolhas dos sistemas de comunicação mais adequados para uma 
determinada solução técnica. Bons estudos! 
 
 
 
29 
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<https://www.datasheetarchive.com/pdf/download.php?id=90d4aa19bd8a1f252
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