camada física - gcar - grupo de controle automação e...

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Carlos E. Pereira - UFRGS/DELET GCAR

Camada FísicaCamada Física


Camada FísicaCamada Física

➩ lida com a transmissão pura de bits

➩ definição do meio físico, níveis de tensão,duração de um bit, taxa detransmissão,comprimento máximo,construção dos conectores

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Camada Física Camada Física FieldbusFieldbus Meios Físicos mais usadosMeios Físicos mais usados

● Par trançado– padrão RS-485

– IEC 1158-2

● Cabo coaxial

● Fibra ótica

● Rádio


Par Par TrançadoTrançado

● Dois fios são enrolados em espiral de formaa reduzir o ruído e manter constante aspropriedades elétricas do meio através detodo o seu comprimento.

● Permite transmissão analógica ou digital

● Desvantagem: susceptibilidade àinterferência e ruído (crosstalk) = pode sermelhorado com blindagem

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● Classificados em cinco categorias de acordocom capacidades de utilização e aplicação:freqüência máxima, taxas de transmissão– categoria 3: 16MHz, 10 Mbps

– categoria 4: 20 MHz, 16 Mbps

– categoria 5: 100 MHz, 100Mbps● cabos de 100 ohms, 24 AWG, distâncias de no

máximo 100 metros



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Cabo Cabo CoaxialCoaxial

● Condutor interno circundado por condutorexterno, tendo um diétrico separandocondutores. Condutor externo é aindacircundado por outra camada isolante


Cabo Cabo CoaxialCoaxial

● Grande variedade: uns melhores para altrafreqüência, outros mais imune a ruídos, etc.

● Cabos de mais alta qualidade tendem a nãoser maleáveis e são dífíceis de instalar

● Cabo coaxial mantém uma capacitânciaconstante e baixa, permitindo trabalhar ataxas mais altas

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Fibra ÓticaFibra Ótica

● Transmissão realizada pelo envio de umsinal de luz codificado, dentro do domíniode freqüência do infravermelho (10**12 a10** 14 Hz)

● são imunes a interferência eletromagnéticase a ruídos, permitem isolamento elétricoentre transmissor e receptor

● Problemas: junção de fibras, custo


Camada FísicaCamada FísicaTaxas Taxas de de TransmissãoTransmissão

● IEC 1158-2: 31.25Kbps

● Profibus: 9600 a 12 Mbps

● Interbus-S 500Kbps

● FastEthernet: 100Mbps

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Camada FísicaCamada FísicaComprimento MáximoComprimento Máximo

● Depende da freqüência de transmissão

● Profibus– RS485

● 12 MBit/s = 100 m; 1.5 M Bit/s = 400m; < 187.5 kBit/s = 1000 m(com repetidores até 10km)

– IEC1158-2● 31.25K Bits/s = 1900 m por segmento (com repetidores até 10 km)


Camada FísicaCamada Física:: Número NúmeroMáximo Máximo de de Elementos na RedeElementos na Rede

● RS485: (Profibus DP/FMS): 32 porsegmento (máximo 127) => devido aoendereçamento

● IEC-1158-2 (Profibus-PA, FoundationFieldbus): 10 a 32 por segmento (máximo127) => depende do consumo de energia

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Transmissão Transmissão de de InformaçãoInformaçãolivro Soareslivro Soares,,LemosLemos,,ColcherColcher

● Codificação de sinais

● Banda Passante

● Taxa de Transmissão Máxima de um Canal– Nyquist

– Relação Sinal/Ruído

● Multiplexação e Modulação

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Codificação Codificação de de SinaisSinais

● Sinal Digital– dois níveis

– multi-nível

T

T = intervalo de sinal ização

T

T = in te rva lo de s ina l i zação

0 0

01

1110


Codificação Codificação de de sinaissinais

● 1 baud = número de intervalos desinalização por segundo

● 1 baud = log2 L bps (L = número de níveis)

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BandaBanda PassantePassante

● Série de Four ier : representação de umsinal como uma soma de senóides ecosenóides (de freqüências múltiplasinteiras da fundamental)

● g(t) = 0.5 a0 + ΣΣ an sen(2ππnft) + ΣΣ bn cos(2ππnft)


Espectro Onda QuadradaEspectro Onda Quadrada

t-T /2 T /2 f-1 /T 1 /T

A A T

Largura de banda infinitaBanda ‘dominante’depende de T

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Curva Característica Curva Característica de de umaumaLinha Linha de de TransmissãoTransmissão


Linha Linha de de TransmissãoTransmissãocomo Filtrocomo Filtro

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Taxa Taxa de de TransmissãoTransmissãoMáximaMáxima de um Canal de um Canal

● Qual a banda passante necessária paratransmitir-se um sinal digital de 1/T bps ?

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Teorema Teorema de de NyquistNyquist

● Se um sinal arbitrário é transmitido atravésde um canal de largura de banda W Hz, osinal resultante da filtragem pode sercompletamente reconstruído pelaamostragem a no mínimo 2W

● No caso, amostragens maiores que 2Wseriam inúteis, pois freqüências que seriamrecuperadas não mais existem no sinaltransmitido devido à filtragem do canal


Teorema Teorema de de NyquistNyquist

● Para sinais de digitais, isto correspondedizer que o número de transições de umnível de ampli tude para outro não pode sermaior do que 2W por segundo, ou seja,através de um canal de largura de banda WHz, pode-se transmitir no máximo 2Wbauds

● ou ainda,C = 2W bauds = 2W log2 L bps

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Fontes Fontes de de distorção distorção de de sinaissinaisna transmissãona transmissão

● Ruído: interferência de sinais indesejáveis– Lei de Shanon

C = W log2 (1 + S/N) onde S/N relaçãosinal/ruído

se ruído = 0, C -> infinito (infinitas freqüênciasde 0 a W, para representar infinitos símbolos)

ex: canal de 3kHz, S/N=30db

capacidade máxima teórica C=30000 bps


Fontes Fontes de de distorção distorção de de sinaissinaisna transmissãona transmissão

● Atenuação: potência de um sinal diminuicom a distância percorrida (perdas deenergia por calor e radiação)– geralmente, quanto maior a freqüência maiores

as perdas

● Ecos: toda vez que há mudança deimpedância, sinais são refletidos e podemretornar pela linha, corrompendo os sinaissendo transmitidos

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Multiplexação Multiplexação e e ModulaçãoModulação

● Multiplexação em freqüência– quando a banda passante do meio é maior que a

banda do sinal

– deslocamento na freqüência através demodulação

– exemplo típico: transmissões de rádio e TV


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Técnicas Técnicas de de ModulaçãoModulação

● Modulação em Amplitude (AM)

● Modulação em Freqüência (FM)

● Modulação por Fase (PM)


Técnicas Técnicas de de Modulação Modulação dedesinais digitaissinais digitais

● Modulação por chaveamento de amplitude(ASK - amplitude shit keying)

● Modulação por chaveamento de freqüência(FSK)

● Modulação por chaveamento de fase (PSK)

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Técnicas Técnicas de de Modulação Modulação dedesinais digitaissinais digitais


Sistemas Sistemas em em banda larga banda larga eebanda básicabanda básica

● Sinalização em Banda básica (‘baseband’):nenhuma modulação, sinal é colocadodiretamente na rede

● Sinalização em Banda Larga (‘broadband’ ):usa multiplexação em freqüência

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Pulse Code Modulation (PCM)Pulse Code Modulation (PCM)

● Técnica baseada no teorema da amostragem

● Sinal original é amostrado e a cada amostraé associado um valor proporcional àamplitude do sinal (PAM)

● a partir dos pulsos PAM são gerados osPCMs através da quantização (cada amostraé aproximada a um inteiro de n bits)


Pulse Code ModulationPulse Code Modulation

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Pulse Code Modulation (PCM)Pulse Code Modulation (PCM)

● Ex: canal de voz– banda passante necessária: 4kHz

– logo taxa de amostragem de Nyquist = 8kamostras por segundo

– usando codificação com 8 bits: 64Kbps


Multiplexação Multiplexação no Tempo -no Tempo -TDM TDM síncronosíncrono

● Divide o domínio do tempo em intervalosde tamanho fixo T chamado frames

● Cada frame é subdividido em sub-intervalos, determinados slots ou segmentos

● Canal: conjunto de todos os segmentos deuma dada posição em todos os frames

● Canais podem ser alocados estática oudinamicamente

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MultiplexaçãoMultiplexação no Tempo - no Tempo -TDMTDM síncrono síncrono

● Segmentos de tempo dentro de um framenão precisam ter o mesmo tamanho

● geralmente são definidos em função da taxade transmissão necessária para o canal emquestão


MultiplexaçãoMultiplexação no Tempo - no Tempo -TDM TDM assíncronoassíncrono

● Visa eliminar o desperdício no TDMsíncrono quando uma estação usa menosque a banda do canal a ela alocado

● neste caso, parcelas de tempo são alocadasdinamicamente conforme a demanda

● cada unidade de informação transmitidadeve conter cabeçalho com identificação daorigem e destino

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Codificação Codificação e e Transmissão Transmissão dedeSinais Digitais Sinais Digitais em em Banda BásicaBanda Básica

● Codificação NRZ (non return to zero)


Codificação Codificação NRZNRZ

● Para uma amostragem correta, transmissor ereceptor precisam ter relógios ajustados emfreqüência e fase

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Transmissão assíncronaTransmissão assíncrona

● Neste caso admite-se que a referência detempo entre transmissor e receptor não éúnica, apenas próxima

● uso de um relógio no receptor comfreqüência múltipla da freqüência dooscilador do transmissor

● detectado o início da recepção aamostragem se dá a n/2 pulsos do relógio doreceptor (quanto maior n, maior a precisão)


Transmissão assíncronaTransmissão assíncrona

● Exige um mecanismo que permita adetecção de um início da recepção (bit destart)

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Transmissão síncronaTransmissão síncrona

● Neste caso procura-se garantir umareferência única de tempo

● 2 modos:1) transmitindo o relógio em separado, tomando o

cuidado que o retardo sofrido pelo relógio sejao mesmo sofrido pelos dados: relógio recebidoé usado como base para amostragem

2) envio de dados junto com informação desincronismo que permitam recuperar o relógio


Técnicas para Técnicas para a a TransmissãoTransmissãoconjunta conjunta de de dados dados e e relógiorelógio

● Deve-se garantir a existência de transiçõesem qualquer que seja o padrão dos bitstransmitidos

● Manchester– transição positiva representa o bit 1

– transição negativa representa o bit 0

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Codificação ManchesteCodificação Mancheste

● toda transmissão de bits implica em transiçãp,porém nem toda transição caracteriza um bit=> dificulta separação de dados e sincronismo


Codificação Codificação Manchester -Manchester -Recuperação Recuperação do do RelógioRelógio

● Uso de um preâmbulo com Os e 1salternados permite obter seqüência detransições representativas de transmissões

● A partir de uma transição válida, esperar 3/4do período de sinalização e amostrar o sinalrecebido na descida do relógio recuperado(os bits amostrados serão o inverso do valordo sinal amostrado)

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CodificaçãoCodificação Manchester - Manchester -RecuperaçãoRecuperação do do Relógio Relógio


Codificação Codificação ManchesterManchesterDiferencialDiferencial

● Cada bit é representado por duas metades,tendo a segunda metade polaridade inversaà da primeira

● bit 0: troca de polaridade no começo datransmissão do bit

● bit 1: não há troca de polaridade

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CodificaçãoCodificação Manchester ManchesterDiferencialDiferencial


Vantagens da CodificaçãoVantagens da CodificaçãoManchesterManchester

● Redução do nível DC: diminui o custo doprojeto dos transmissores, pois permiteacoplamento AC ou por transformador entretransceptor e cabo

● esquema intrínseco de detecção de erro:ruído tende a eliminar a transição no meioda célula de dados

● ausência de transmissão pode ser detectadapela ausência de transições no meio

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ExemplosExemplos

● 232 e 485

● Ethernet– Ethernet1

– Ethernet2

● CAN-BUS

● Fieldbus


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