Métodos de codificaç ao para uma unidade RS-232

TRABALHO DE STD, NO. 1, ABRIL 2015

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M´etodos de codificac¸a˜ o para uma unidade RS-232 Bruna Guaranys, Felipe Calliari, Guilherme Ribeiro, Rodrigo Caleiro, Stella Salim, Thiago Milagres Pontif´ıcia Universidade Cat´olica do Rio de Janeiro

Abstract—O objetivo principal deste trabalho e´ realizar simulac¸o˜ es da unidade RS-232 com diferentes tipos de codificac¸a˜ o, com uso da linguagem VHDL. Index Terms—VHDL, FPGA, Codificac¸a˜ o, RS-232

˜ I. I NTRODUC¸ AO

N

A transmiss˜ao bin´aria entre dispositivos, s˜ao exploradas t´ecnicas de codificac¸a˜ o que aumentam a efic´acia do sinal em termos de banda, potˆencia, facilidade em recuperar erros, recuperac¸a˜ o de clock, entre outros fatores. Neste trabalho utilizamos estas t´ecnicas em conjunto com a unidade RS-232, a qual e´ compat´ıvel com a FPGA, onde um sinal foi codificado, transmitido e posteriormente decodificado.

Fig. 1. Simulacao da palavra 10101010 em non-return-to-zero-space

C. Non-return-to-zero-inverted E´ exatamente an´alogo ao anterior, mas logicamente invertido. Haver´a mudanc¸a sempre que ocorrer ”um” no c´odigo, e o n´ıvel permanecer´a o mesmo quando houver um ”zero”.

˜ II. M E´ TODOS DE C ODIFICAC¸ AO A. Unipolar non-return-to-zero E´ a mais simples e mais intuitiva forma de codificac¸a˜ o. E´ o que e´ utilizado implicitamente quando ”altos” e ”baixos” s˜ao codificados como ”um” e ”zero”, respectivamente. Sua principal desvantagem reside no fato de que se apenas um bit for ignorado em um c´odigo do tipo NRZ, a mensagem toda pode se tornar indecifr´avel. Se emissor e receptor n˜ao estiverem perfeitamente sincronizados, eles n˜ao ser˜ao capazes de saber a durac¸a˜ o exata para cada c´elula de bit. Neste trabalho, a codificac¸a˜ o b´asica era justamente a NRZ. Coube aos alunos modific´a-la para outros m´etodos, que ser˜ao vistos a seguir. B. Non-return-to-zero-space E´ uma forma de codificac¸a˜ o bin´aria na qual um parˆametro passa por uma transic¸a˜ o sempre que h´a um ”zero” no c´odigo, e permanece o mesmo quando ocorre ”um”. Com o NRZS, resolve-se parcialmente o problema da perda de sincronismo (pois zeros bin´arios em sequˆencia n˜ao apresentar˜ao problemas), mas longas sequˆencias de bits ”um” ainda podem resultar em perdas (caso o receptor fique fora de fase). Uma das soluc¸o˜ es para este problema e´ a injec¸a˜ o de transic¸o˜ es em n´umero suficiente para evitar perda de sincronismo. Na imagem ao lado, pode-se ver a simulac¸a˜ o da palavra ”10101010” com a codificac¸a˜ o non-return-to-zero-space. Na parte de cima da imagem podemos ver o enable entrando em ac¸a˜ o, e, no final, o done, indicando o fim da transmiss˜ao.

Fig. 2. Simulacao da palavra 10101010 em non-return-to-zero-inverted

D. Coded mark inversion Este esquema codifica bits ”zero” como um bit zero com metade da durac¸a˜ o seguido de um bit um com metade da durac¸a˜ o. J´a os bits ”um” s˜ao codificados por um n´ıvel constante, mas este n´ıvel e´ invertido a cada vez que um ”um” e´ encontrado. Usar este m´etodo resulta em uma f´acil e confi´avel recuperac¸a˜ o de clock.

Fig. 3. Simulacao da palavra 10101010 em coded mark inversion

E. Manchester coding Tamb´em chamada de Codificac¸a˜ o em fase, este m´etodo lida com o problema de sincronizac¸a˜ o. Para isso, h´a sempre uma transic¸a˜ o, n˜ao importa qual seja o bit. Quando houver ”um”, haver´a uma transic¸a˜ o de baixo para cima, e quando ocorrer ”zero”, acontece o contr´ario. Dessa forma, a ausˆencia

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de transmiss˜ao pode ser detectada pela simples ausˆencia de transic¸o˜ es. Al´em disso, como h´a uma transic¸a˜ o em cada bit, o receptor pode realizar a recuperac¸a˜ o de clock. Por apresentar uma maior facilidade em recuperar erros, o c´odigo Manchester e´ muito utilizado para transmiss˜ao de dados (como em Ethernet/802.3). Entretanto, para armazenamento de dados n˜ao se mostra uma opc¸a˜ o t˜ao boa, j´a que poderia exigir o dobro da densidade de bits da NRZ, por exemplo.

Fig. 6. Todas as simulac¸o˜ es estudadas neste trabalho Fig. 4. Simulacao da palavra 10101010 em codificac¸a˜ o Manchester

˜ III. C ONCLUS AO F. Differential Manchester E´ uma derivac¸a˜ o um pouco mais complexa da codificac¸a˜ o Manchester. Nela, os bits tamb´em s˜ao divididos em duas metades, com a segunda metade sendo sempre o inverso da primeira. A codificac¸a˜ o e´ feita da seguinte forma: quando ocorre um bit ”zero”, h´a uma mudanc¸a de polaridade no comec¸o da transmiss˜ao do bit. J´a quando h´a um bit ”um”, n˜ao h´a troca de polaridade no comec¸o da transmiss˜ao do bit. Portanto, ao contr´ario da codificac¸a˜ o Manchester, apenas a presenc¸a de transic¸a˜ o e´ importante, e n˜ao sua polaridade. Assim, o esquema funcionar´a de forma exatamente igual se o sinal for invertido (propriedade compartilhada, por exemplo, pelas codificac¸o˜ es NRZ e Coded mark inversion) Se os ”altos” e ”baixos” tiverem a mesma voltagem com sinais opostos, o sinal ter´a um DC bias nulo, reduzindo a potˆencia necess´aria para transmiss˜ao e minimizando o ru´ıdo produzido pela linha de transmiss˜ao. Possui as mesmas vantagnes do Manchester: facilidade para recuperac¸a˜ o de erros, possibilidade de detectar a ausˆencia de transmiss˜ao pela simples ausˆencia de transic¸o˜ es, e recuperac¸a˜ o de clock pelo receptor.

Fig. 5. Simulacao da palavra 10101010 em codificac¸a˜ o Differential Manchester

Como um resumo geral, e´ v´alido observar a imagem ao lado, com todas as codificac¸o˜ es estudadas para este trabalho, aplicadas a uma mensagem.

Com este trabalho, pudemos fazer um estudo sobre cada um dos principais m´etodos de codificac¸a˜ o, aprendendo sobre as vantangens e desvantagens de cada um, e sua implementac¸a˜ o em VHDL. R EFERENCES [1] Princ´ıpios B´asicos de Arquitetura e Organizac¸a˜ o de Computadores - Linda Null, Julia Lobur [2] Wikipedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Non-return-to-zero [3] PCBHeaven - http://www.pcbheaven.com/wikipages/manchesterc oding/