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Camada Física e Tecnologiasde Transmissão
Prof. Mauro Tapajós
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Camada FísicaDefine a representação dos bits
Transmite bits
Preocupações físicas
Adapta o sinal ao meio de transmissão
Define o formato e a pinagem dos
conectores
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Meios de Transmissão
É o caminho físico por onde passará ainformação na forma de sinais
O transporte dos sinais que representam osbits da comunicação de dados é feito através
de algum tipo de meio físico
Cada meio apresentam característicaspróprias de largura de banda, custo, atraso de
transmissão e facilidade de instalação e
manutenção
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Fatores para o Design dos
Meios de TransmissãoBanda: quanto maior a largura de banda do sinal,maior a taxa de envio de bits que ele pode carregar
Limitações físicas: determinam a distância máximaque pode ser percorrida pelos sinais elétromagnéticos
Interferência: vários sinais competindo numa mesmafaixa de frequências podem se sobrepor distorcendo
oe mesmo eliminando o sinal resultanteNúmero de receptores: cada unidade ligada numarede insere atenuações e distorções para que possareceber o sinal com a informação, limitando a
distância e taxa de dados (bps) possível
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Modelo de Comunicação deDados
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Passos na Transmissão da
Informação1) Geração do padrão da informação (voz,
dado, imagem, vídeo, etc)
2) Descrição do padrão com certo grau de
precisão por um conjunto de símbolos(bits)
3) Codificação destes símbolos numa forma
adequada ao meio de transmissão deinteresse
4) Transmissão destes símbolos codificados
5) Decodificação dos símbolos
6) Recriação do padrão original com base
nos símbolos recebidos e sujeito à
degradação do meio de transmissão
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Sinais
Representações do comportamento de umagrandeza elétrica
Descrevem algum tipo de informação a sertransmitida – (sinal = informação)
Servem como meio de transporte da informaçãoque se deseja transmitir
Sofre com as condições físicas do sistema decomunicações
Existe todo um embasamento matemático para asua descrição
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Sistemas Contínuos e
Discretos
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Sinais Analógicos e Digitais
Sinais analógicos – representado continuamente como função de umavariável independente
Sinais periódicos - variam de forma periódica segundo g(t)=g(t+T)Sinais discretos – representados somente em tempos determinados
(discretos)
Sinais digitais - são sinais discretos no tempo e amplitude
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Sinais Analógicos
A intensidade varia sem nenhumainterrupção, não havendo descontinuidadedo sinal ao longo do tempo.
Sinais analógicos podem assumir infinitosvalores distintos de amplitude.
Tempo
Amplitude
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Sinais DigitaisSão sinais cuja intensidade assume um númerofinito de valores, mudando abruptamente entrecada um destes valores ao longo do tempo.
Tempo
Amplitude
Tempo
Amplitude
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Sinais Digitais
Representados como uma sequência de símbolosde um “alfabeto” de textos e dígitos
A capacidade de um canal digital é medida embps – bits por segundo
Os dados digitais são binários: usam 1’s ou 0’s
para representar qualquer informaçãoOs dígitos binários podem ser representados por
alterações em sinais eletromagnéticos
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Alguns Tipos de Sinais
Sinal senoidal
Sinal de ondaquadrada
Sinal DC
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Características do Sinal
Periódico
Amplitude
Freqüência
Fase
Tempo
Tempo
Tempo
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Componentesem
Frequênciade um Sinal
Segundo a análise deFourier, um sinalpode ser decomposto
num somatório desinais componentessenoidais
+
=
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Exemplo:Componentesdo Sinal Onda
Quadrada
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Representação de Sinais na
FrequênciaChama-se largura de banda de um sinal a faixa defrequências onde o sinal pode ser transmitido sem perdasignificativa de sua energia
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Representação de um SinalPeriódico na Freqüência
Tela de um osciloscópio mostrando uma onda senoidal
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Noise and interference
s In practical communication systems signals are blurred by noise
and interference:
Time domain Frequency domain
Representação de um SinalPeriódico na Freqüência
Tela de um osciloscópio mostrando uma ondaquadrada e seu correspondente espectro
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Largura de BandaLargura do espectro de frequência que podem ser
transmitidas num canal de comunicação
Quanto maior a largura de banda – mais bits
enviados por segundo (dependendo de outros
fatores como a codificação e modulação usadas)
e com custos maiores
Largura de bandas muito limitadas geram
distorções e menor taxa de bits
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Máxima Taxa de Dados de um
Canal
Canal sem ruído = 2H log2V (bits/seg)
H = largura de banda (Hz)
V = número de níveis discretos
Canal com ruído = H log2(1 + S/N) (bits/seg)S/N – relação sinal ruído (dB)
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Largura de BandaÉ a diferença entre a maior freqüência e a menor freqüência
de um sinal
freqüênciaAmplitude
24 KHz2 KHz
Largura de Banda = 24 – 2 = 22 KHz
freqüência
Amplitude
22KHz3 KHz
Largura de Banda = 22 – 3 = 19 KHz
30 dB
Pode-se utilizar como critério de determinação da largura debanda a faixa em que a maior parte do sinal está contido(largura de banda efetiva)
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Sinal de Voz Humana
O sinal de voz humana está basicamente limitadoentre 300 Hz e 3400 kHz
L d
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Largura deBanda da Voz
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Por Que Estudar Sinais Analógicos e
Telecomunicações em Redes deComunicação de Dados?
Muitos dos tipos de informação tem origem em forma
analógico por natureza (voz, vídeo, etc)
Deve-se entender bem sinais analógicos e suascaracterísticas para se poder converter para formatodigital
Sistemas telefônicos eram primariamente analógicos
Ao final, os meios de transmissão físicos que irãoencaminhar a informação serão inerentemente
sistemas analógicos
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Sinais com Problemas
Sinais sofrem atenuação, podendo não chegar emforma compreensível pelo receptor
Sofrem também com a distorção causada pelo atraso
diferenciado entre as varias componentes do sinalEfeitos de ruído são indesejáveis
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Problemas que podem ocorrercom Sinais
Atenuação
Perda da força do sinal através da distânciaDistorção
Efeitos de atenuação e atraso diferenciados em
diferentes faixas de frequênciasRuído
Distorções diversas causadas por sinais
espúrios não usados na transmissão
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Atenuação nos Sinais
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Tipos de Transmissão de
SinaisAnalógica
Somente envia sinais analógicos
Uso de amplificadores para garantir que os sinaisalcancem distâncias maiores
O sinal não pode ser regenerado (transformado nasua forma original)
Digital Transmissão de sinais analógicos e digitais
Uso de repetidores para garantir maior alcance
Equipamentos de comutação podem regenerar os
sinais sendo transmitidos
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Alta fidelidade - fácil
distinção do sinal na
presença de ruído
Independência do tempo - a informação digital
pode ser transmitida numa temporizaçãodiferente da gerada na origem
Independência da fonte da informação - toda ainformação digital pode seguir no mesmo canal
independente do que represente
Vantagens no Uso de Sinais
Digitais
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O sinal digital pode facilmente ser regeneradoem comutadores intermediários no sistema de
transmissãoA informação digital pode ter vários significadosdependendo da codificação em uso para ela(texto, imagens, voz, vídeo, dados, correio, etc)
Facilidade no projeto e criação dos circuitos eprocessadores usados no processamento digital
Porém exige maior banda de transmissão
Vantagens no Uso de Sinais
Digitais
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Erros no Sinal Digital – Pode
Acontecer!0 1 0 0 1 0
Sinal Original
Atenuação
Banda Limitada
Ruído
Sinal Recebido
0 1 0 1 1 0
Ruído Impulsivo
Erro
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Os diferentes efeitos domeio de transmissãopodem deformar até osinal digital original
podendo também gerarerros
Atenuação eDistorçãonum Sinal
Digital
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Perda Atenuação
Dispersão Distorção
Não-linearidade Novas frequências
Ganho Amplificação &Ruído
Causa Efeito
Efeitos Indesejados
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CODEC – Codificador /
Decodificador Trabalham efetuando a conversão analógica-digital e vice-versa
Codificam qualquer tipo de sinal analógico (música, vídeo,etc) gerando seu correspondente em formato digital
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O Processo de Digitalização
de um Sinal Analógico1) Amostragem do sinal analógico na frequência
de Nyquist (teorema da amostragem)
2) Quantização das amostras - para cada amostrase “arredonda” seu valor em amplitude paraum dos possíveis valores definidos
3) Codificação de cada amostra quantizada naforma de uma palavra digital
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1) Amostragem do Sinal Digital
por PulsosPAM
Pulse Amplitude
Modulation
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2) Quantização das Amostras
ObtidasCom PAM somente o tempo é representado em formadiscretaPara termos a amplitude discreta, “arredondamos” cadaamostra para um dentre um conjunto discreto de valores
definido
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3) Pulse Coded Modulation - PCM
Com PCM cada amostra quantizada terá uma palavradigital representando aquele valor
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Codificação de Voz PCM
PCM (Pulse Coded Modulation)
Codifica o sinal de voz (restritos na faixa de 4 kHz) em
bits para a transmissão
Isto é feito amostrando-se o sinal de vozperiodicamente
Se utilizarmos uma taxa de amostragem de 8000
amostras/seg, podemos recuperar o sinal na recepção
(teorema de Nyquist)
Se para cada amostra usarmos 8 bits, esta taxa de
amostragem implica numa transmissão de 64 kbps
(canal de voz PCM)
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Digitalizaçãode Sinais de
VozPCM
(Processo)
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Codificação PCM - Codificação
No exemplo, aamplitude daamostra é codificadaem 4 bits
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Codificação PCM de Voz
Amostras geradas a cada 125 us (ou 8000 vezes por segundo)
Cada uma resulta em bits a serem encadeados no fluxo (neste exemplo são
usados 8 bits para cada amostra)
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Codificação de Voz Para
Transmissão Digital - PCM A codificação PCM comum gera amostras de
16 bits e é chamada de PCM linear, por que
utiliza uma proporcionalidade linear na
definição da amplitude das amostras (por
exemplo: CDs de música, arquivos .WAV)
A norma ITU-T G.711 utiliza compressão logarítmica
dando maior precisão nas menores amplitudes (o ouvidohumano é mais sensível aos sinais mais baixos)
A-law - 13 bits para 8 bits - usado nos Brasil
µ-law - 14 bits para 8 bits - usado nos EUA e Japão
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Codificação Digital de Sinais
de ÁudioMPEG – é um padrão ITU-T de compressão de áudio e vídeo
No caso do áudio ele explora propriedades psicoacústicas dossinais de áudio e a forma como ele é compreendido pelapercepção humana
A percepção do som é função da frequência e força do sinal.Naturalmente mascaramos a percepção de determinadasbandas de frequência presentes no sinal de áudio
Ao suprimir a informação referente a estas bandas, se reduz a
informação necessária para a correta reprodução do somExistem 3 níveis de codificação (Layers I, II e III).
Cada um com maior qualidade de som e tempo
de codificação
MP3 = MPEG Layer III
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Sinais de VídeoSinais de vídeo naturalmente necessitam degrande largura de banda para sua transmissão
O olho humano percebe as cores como
composições de 3 cores básicas: vermelho (435nm), verde (546 nm) e azul (700 nm)
Células “cones” são especializadas na percepçãode cores (em sinais mais fortes), enquanto que ascélulas “rods” são especializadas em mobilidade etons de cinza (em sinais mais fracos)
A percepção de cores não tem espectro largo
Mais de um padrão espectral pode gerar a mesma
sensação de cor
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Sinais deVídeo
AnalógicoVarredura da tela para
composição dasimagens
Montagem de imagementrelaçada
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Montagem do Sinalde TV Analógica
Colorida
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Geração e Transmissão de
Sinais de Vídeo Analógico
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Idéias por Trás daCompressão de Sinais de
Vídeo DigitalA percepção de cores pela visão humana não temespectro largo (normalmente se usa 8 bits pararepresentá-lo digitalmente)
Assim, precisamos de menos bits para representarum vídeo colorido implicando numa menor taxa detransmissão
Em determinados momentos do vídeo, existe poucainformação nova a ser apresentada, exigindo menortaxa de quadros a ser enviada
Os níveis de detalhes da imagem podem sercodificados em separado, sendo que, os níveis mais
baixos contém maiores detalhes
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Sinais de Vídeo Analógico
usado nas Transmissões deTVExistem 3 padrões na transmissão de vídeo para TV:
NTSC (National Television Standards Committee) -possui 524 linhas e sinal composto onde cada quadro émontado por dois campos (fields) par e ímpar entrelaçadosnuma taxa de 59,94 (≅ 30 + 30). É usado nos EUA e Japão
PAL (Phase Alternation by Line) - possui 625 linhas queformam 50 campos (fields) entrelaçados por segundoresultando em 25 quadros (frames) por segundo. A variantePAL-M é usado somente no Brasil e é apresentado a 30quadros por segundo
SECAM (Systeme Electronique Couleur Avec Memoire)- Semelhante ao PAL com 525 linhas e 25 quadros porsegundo. Usado na França, Rússia e alguns outros países
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Compressão de Sinais de Vídeo
DigitalH.261 - (1 a 30) x 64 kbps - usado em Vídeoconferência
Formato QCIF - 144x176 pixels - menor taxa de bitsFormato CIF - 288x352 pixels - maior taxa de bits
H.263 - usado em taxas mais baixas (adequado paratecnologias de redes de acesso mais lentas)MPEG – compressão de fluxos de áudio e vídeo
MPEG I (SIF-Source Input Format ) – até 1,5 Mbps –Exemplo: VCDs – qualidade NTSC
MPEG II - adequado para transmissão, armazenamento,taxas diferentes que múltiplos de 64 kbps, além de taxasmais altas (4 a 15 Mbps) – (Exemplo: DVD’s)
MPEG III – trabalho absorvido pelo MPEG II
MPEG IV - adequado para VideoIP e multimídia emplataformas móveis (taxas médias)
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Conversão de Sinais
Analógicos
Para sinais analógicos
– Barato e fácil de se fazer (por exemplo: telefone)
– Permite vários tipos de manipulações do sinal
para melhorar a eficiência da transmissão
– Usado nas redes telefônicas, rádio AM, FM, etc
Para sinais digitais
– Uso de CODEC’s
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Conversão de Sinais Digitais
Para sinais analógicos
– Normalmente requer um Modem
– Permite que dados digitais sejam enviados porredes analógicas
– Necessária quando a transmissão for analógica
Para sinais digitais – Alternativa mais barata quando se está
trabalhando com grandes quantidades de dados
– Mais confiável por que não há conversão a ser
feita
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Compressão de DadosReduz a quantidade de bits a serem enviados paradeterminado tipo de compressãoUsado na transmissão e no armazenamento (HD’s,CD’s, fitas, etc)
Seu princípio básico é eliminar a redundância nainformaçãoO código é substituído por porções comprimidas dosdados
Dois tipos: – Compressão lossless (sem perda): reconstitui os dadosexatamente como era o original (.ZIP, .GIF)
– Compressão lossy (com perda): reconstitui os dadosde forma que fiquem perceptualmente os mesmos(.JPEG, .MPEG)
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Meios de Transmissão
O transporte dos sinais que representam osbits da comunicação de dados é feito atravésde algum tipo de meio físico
Cada meio apresentam características
próprias de largura de banda, custo, atraso de
transmissão e facilidade de instalação e
manutenção
Tx RxMeio deTransmissão
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Tipos de Meios de Transmissão
Guiados: necessitam de condutores físicos de umdispositivo para o outro como cabos coaxiais, fibraótica, etcNão-guiados: não necessitam de condutores
físicos exclusivos. São os meios eletromagnéticoscomo a propagação eletromagnética no ar livre(atmosfera) ou num oceano
Cada tipo tem sua aplicação em função dascaracterísticas do sistema, condições geográficas ecustos
Passagem de cabos por pântanos, florestasUtilização de links sem fio através de uma
cidade, etc
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Meios Guiados Mais Usados
Atualmente em Redes
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Cabos de Par Trançado
É o mais popular, difundido e o mais adotado meio detransmissão utilizado em redes locais de computadores
Os condutores trançados visam evitar o efeito de indução dosinal no condutor adjacente (crosstalk )
Normalmente temos as seguintes variações:
UTP (Unshielded Twisted Pair ) - par trançado não-blindado - o sinalsegue com polaridades invertidas em cada cabo do par
STP (Shielded Twisted Pair ) - par trançado blindado - utilizado emmeios de alta incidência de ruídos eletromagnéticos como fábricas,linhas de montagem, transmissores, etc. Devem ser aterrados emambos os lados (efeito irradiador da blindagem).
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Par Trançado
Cabo categoria 3: 4 pares de fios e coberturade plástico
Cabocategoria 5
: 4 pares de fios maisentrelaçados que o 3 e cobertura de teflon
Cabos categoria 5 são melhores em altastaxas de bits
Par Trançado Pinagem
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Par Trançado - Pinagem
• O sentido do campoeletromagnético depende dosentido da corrente elétrica nocondutor, que por sua vez,depende das polaridades (positivaou negativa) dos sinais
• No par trançado, as informaçõestrafegam repetidas em dois fios,porém com polaridades invertidas
• Portanto o campo gerado por umcondutor é anulado pelo campo do
outro, reduzindo a interferênciapor crosstalk
• O efeito é intensificado quandodois fios são enrolados um aooutro (daí o nome par trançado)
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• Par Trançado Blindado (“Shielded Twister Pair”)• Possui uma malha blindada global que confere uma maior
imunidade às interferências eletromagnéticas externas e
possui uma blindagem interna envolvendo cada par
trançado• Desta forma, o STP é utilizado em meios de alta
incidência de ruídos eletromagné-ticos, tais como:
fábricas, centrais de comutação, transmissores de alta
potência, etc
• Conectores e cabos
mais caros
STP com blindagem individualpara cada par
Par Trançado STP
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• Liga equipamentos semelhantes (estações com estaçõesou dispositivos de rede com outros dispositivos de rede)
Cabo Cross
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Categorias de Cabos de Par
TrançadoCategoria
Impedãncia(ohms)
Taxa da SinalizaçãoMáxima (MHz)
Taxa de bits(Mbps)
Tipos de Redes
1 150 1 Até 1 Telefonia convencional / ISDN BRI
2 100 5 Até 4 ISDN PRI
3 100 16 Até 10Ethernet 10baseT, 100baseT4 / TokenRing / (muito usado em telefonia nosEUA)
4 100 20 Até 16Ethernet 10baseT, 100baseT4 / 16 MbpsToken Ring (normalmente STP)
5 (568 -A) 100 100 Até 100 Ethernet 10baseT, 100baseT4,100baseT, 155 Mbps ATM
5E (568-B) 100 100 -Ethernet 10baseT, 100baseT4,100baseT
6 100 250 -Ethernet 100base TX, 1000baseTX,
token ring, ATM 155 e 622
7 600 - Aplicações em banda larga
São categorizados de acordo com a norma EIA/TIA 568
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Cabo CoaxialO cabo coaxial consiste em dois condutores cilíndricos,um interno e outro externo, separados por um materialdielétrico (isolante)
O dado é transmitido no condutor mais interno. Aproteção de metal protege contra camposeletromagnéticos externos e evita que a radiação daenergia eletromagnética do fio interno interfira emoutros fios
Com um único cabo coaxial a transmissão é half-duplex,
ou seja, unidirecional para cada período.Adequado para frequências maiores que as usadas empar trançado
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Cabo Coaxial
Alguns tipos comuns:
Cabo coaxial grosso (thicknet )50 Ohms – usado emEthernet 10BASE5
Cabo coaxial fino (thinnet ) 50Ohms – usado em Ethernet10BASE2
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Cabos CoaxiaisAlgumas especificações RG (radio government ) paracabos coaxiais:
Thick Ethernet. RG-8, RG-9 e RG-11 (50 ohms)
Thin Ethernet: RG-58 (50 ohms)
TV: RG-59 (75 ohms)
Conectores BNC (bayonet network connectors)
Conexões Terminadores
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Exemplo: Cabos Coaxiais emRedes Locais
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Fibra Ótica
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Fibra Ótica
As fibras são feitas de vidro de grandetransparência
A atenuação da luz na fibra depende docomprimento de onda da luz usada
Sistema de transmissão é composto de: fonte
de luz, meio de transmissão e detector de luz
Transmissores possíveis são LED’s (Light
Emitting Diodes) e lasers
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Fibra Ótica
Utiliza o príncipio da reflexão da luz entre dois meios
Permite taxas muito elevadas de frequência (faixa daluz visível)
A tecnologia de hoje não utiliza plenamente acapacidade das fibras
Fibras multimodo (diâmetro 50 e 62,5 um): vários modosde propagação (vários sinais de luz). Apresenta problema dedispersão modal e alta atenuação (5 dB/km). As do tipo índice
gradual apresentam baixa atenuação (3 dB/km) e largura debanda de até 1 GHz
Fibras monomodo (diâmetro 5-10 um): permite um únicomodo de propagação, atingindo distâncias maiores que asmultimodo. Baixas perdas (0,2 dB/km) e largura de banda (>10
GHz)
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Atenuação de Sinais na Fibra
Ótica
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Comportamentoda Luz dentro
da Fibra
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Fibra ÓticaA atenuação da luz na fibra depende do comprimentode onda da luz usada
Sistema de transmissão é composto de: fonte de luz,meio de transmissão e detector de luz
Transmissores possíveis são LED’s (Light Emitting
Diodes) e lasers
Aplicações:Redes Telefônicas, ISDN, LAN, WAN
FTTH - Fiber to the Home
Cabos submarinos
Distribuição de TV a cabo
Aplicações Médicas, Educacionais, Industriais e Militares
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Fibra Ótica - Características
Adequado para grandes larguras de banda e grandesdistâncias
Permite comunicação Full-duplex
Grande imunidade à interferência eletromagnética eescutas (sniffing)
Ocupa pouco espaço e é leve
Apresenta dificuldade maior nas emendas de cabos
Ainda representa custo maior comparada com outrostipos de cabos
Limitada pela tecnologia eletrônica nos dispositivosintermediários na rede (pesquisas para chegar a uma
comutação totalmente ótica)
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Exemplosde Cabosde Fibra
Ótica Cabo submarino
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Fibra Ótica – Tipos de Conectores
SC Simplex
ST (normalmentemultimodo)
SC DuplexFC/PC
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Fibra Ótica
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Comparação da Fibra com Fios
de CobreEconomizam nos repetidores
Altas taxas
Imune a descargas elétricas e interferênciaeletromagnética
Mais compactas e leves, custo de suporte mais
baratos que os cabos tradicionaisMais seguras por não vazarem luz e nãopermitirem “escuta”
Tecnologia mais cara
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Cabeamento EstruturadoNormas que descrevem a instalação de cabos emedifícios de forma organizada, facilitando a manutenção ealterações na topologia de rede e independente defabricante
Facilitam a futuras mudanças em equipamentos (maiorcusto inicial mas evita problemas de cabeamento futuros
Normas usadas: EIA/TIA 568C e ISO/IEC 11801
Meios de transmissão descritos:
Cabo UTP e STP
Fibra ótica multimodo 62,5/125
Fibra ótica monomodo
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Cabeamento Estruturado!!!
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Cabeamento
EstruturadoÉ preparado de tal forma que atende ao mais variados
lay-outs de instalação, por um longo período de
tempo, sem exigir modificações físicas da infra-estrutura.
Um só cabeamento atende diferentes tipos de redesde sinal em baixa tensão, como por exemplo telefonia,
redes locais de computação, sistema de alarme,
transmissão de sinal de vídeo, sistemas de
inteligência predial, automação predial e industrial.
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Elementos de Cabeamento
EstruturadoCabeamento horizontal – segue da área detrabalho até o telecommunications closet (normalmente em topologias estrela)
Cabeamento Backbone (vertical) – se compõe daligação da sala de equipamentos com todos osdemais pontos de distribuição de cabeamento
Work Area (WA) – área de trabalho
Telecommunications closet (TC) – armário detelecomunicações (normalmente um por andar)
Equipment Room (ER) – sala de equipamentos.Ponto central de cabeamento da instalação.
Cabeamento Estruturado
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Cabeamento Estruturado
Exemplo: Distâncias
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Exemplo: Distânciaspara Cabeamento
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Níveis de Interconexão
Físico
Enlance de Dados
Rede
Transporte
Sessão
Apresentação
Aplicação
Repetidores
Pontes (Bridges)
Roteadores
Gateways
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Repetidores
Estende fisicamente a rede interconectandomúltiplos segmentos de rede
Simplesmente regeneram o sinal e o repetem o
sinal para todas as redes nas quais ele estáconectado
Podem conectar diferentes cabeamentos, masnão diferentes protocolos de nível superior
Dispositivo que trabalha no nível físico no modeloOSI – baixo custo
Estações não percebem a existência de
repetidores
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Concentradores - Hubs
10BASET module
10BASE2 module
Fiber module
Connection
for thick
coaxial cable
Repeater cards slide into chassis.
Cards interconnect through a common
backplane.
Wiring concentrator chassis
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HUBs
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Modulação de sinais
Sinais digitais em ondas quadradas possuem muitascomponentes em frequência (largura de bandainfinita) e sofrem muito na transmissão
Resultado: o sinal digital “puro” não é bom para a
transmissãoAssim, sinais em banda base (digital “puro”) sófuncionam em distâncias curtas (LAN´s)
Solução: Uma “portadora” (sinal senoidal) é enviado e
suas características alteradas de forma a transmitirembits
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Modulação de sinaisNormalmente se necessita de “carregar” o sinal original emsinais de frequência mais adequada (portadoras - carriers)para os meios de transmissão sendo usados
A portadora é um sinal senoidal com frequência compatível
com o meio de transmissãoSolução: Uma portadora é enviada e suas característicasalteradas de forma a transmitirem o sinal original
Modulação é o processo de combinar um sinal de entrada
com uma portadora gerando um sinal adequado detransmissão
Portadoras de alta frequência apresentam menoratenuação e distorção, atravessando distâncias mais longascom menos perda
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Modulação de Sinais Digitais em
Portadoras Analógicas
O exemplo mais conhecido é a comunicação de dadosatravés do sistema telefônico (modems)
Neste caso, deve-se transformar a informação digital numsinal que seja adequado para transmissão pelo canal devoz.
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Consiste em transformar um sinal, através da sua combinação comoutro sinal, denominado portadora, de forma a melhor adequar atransmissão do sinal original ao meio de transmissão.
A portadora tem suas características (amplitude, freqüência oufase) modificadas de acordo com o sinal modulante.
A freqüência da portadora geralmente é bem maior que a maiorfreqûencia do sinal transmitido.
A modulação permite a multiplexação (junção de vários) sinais no
domínio da frequência
Modulação
f 0
Bla,
bla bla
f 0
Banda passante do
meio de transmissão
Modulação ASK
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Modulação ASK ( Amplitude Shift
Keying)
Modulação FSK
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ç(Frequency Shift
Keying)
Modulação PSK (Phase
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Shift Keying)Melhor performance que ASK e FSK
BPSK (Binary Phase Shift Keying) - duas fasespossíveis (muito usado em rádio e satélite)
Modulação de sinais
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Sinal digital original
Modulado por amplitude
Modulado por frequência
Modulado por fase
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Modulação MultinívelA utilização de mais símbolos (níveis de amplitude,frequência ou fase) permite maior taxa de bits
Porém, ao definir mais símbolos, o esquema se torna maissusceptível à ruído
Os modems modernos usam alguma variante de ASK +PSK como QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
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Modulação QAM
Quadrature Amplitude Modulation
São combinações de ASK e PSK
com 16, 64 e 256 símbolosdiferentes
Aplicações em microondas
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Modulações Comuns
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Multiplexação
Custos com meios físicos obrigam a se“agrupar” vários canais de comunicação numúnico meio de transporte
Melhor aproveitamento da banda disponível
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Multiplexação
Frequency Division Multiplexing
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FDMMuito usado em telefonia e rádio
(TV, AM e FM)
Exige circuitos analógicos
Permite que vários canais sejam
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FDM acomodados lado a lado em
frequência
No final, somente é transmitido umúnico sinal multiplexado
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FDM
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TDM
Time Division Multiplexing
Divide o tempo para os vários canais sendo
transmitidos (timeslots)
Mais adequado à transmissão de sinais digitais
Mais adaptado ao processamento de dados emformato digital
Exige sincronização entre os multiplexadores
TDM
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Cada canal (cor diferente) possui um determinado tempo para
mandar seus bits, depois é a vez de outro canal
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TDM
Não exige protocolos de enlace dedados para delimitação de PDU’s(quadros)A taxa de dados (data rate) é fixa,podem ocorrer slots vazios (comonas redes telefônicas)
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Multiplexação TDM Estatística
Pacotes de vários fluxos de dados são misturadosnuma mesma fila e transmitidos sob demanda
Pode manter várias filas diferenciadas por serviço ondeum esquema de prioridades pode estar em vigor – cadafila é atendida de modo round-robin
Apresenta menor atraso médio (mas de formainconstante – alta variância) e aproveita melhor o canalde comunicação – TDM e FDM alocam canais exclusivosque estão em uso mesmo que não haja nada atransmitir !
Deve identificar a informação sendo enviada (canais)para correta entrega na recepção
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MultiplexaçãoTDM Estatística
MultiplexaçãoTDM Síncrona
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Spread Spectrum
Cada estação transmite um sinal que é “espalhado” numa largafaixa de frequências como se fosse um sinal de ruído
A estação receptora extrai apenas a sua mensagem, permitindo
que um conjunto de estações compartilhem o meio
Existem duas alternativas para SS:
Frequency hopping – a frequência de transmissão “salta”(muda) constantemente. O receptor deve estar sincronizado
com os “saltos” e pegar sua mensagemDirect Sequence – cada bit a ser transmitido é “cortado” emvários bits menores usando um padrão definido de bits. Isto temo efeito de “espalhar” o sinal numa largura de banda muitomaior que a original dele. A recepção deve usar o mesmo
padrão de bits para recuperar o sinal original
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Direct Sequence
É uma tipo de modulação desenvolvido para fins militares
O sinal é modulado com uma sequência binária pseudoaleatória de forma a “alargar” o seu espectro
Este fato dificulta o envio de sinais de jamming (sinaispara impedir a transmissão)
Somente receptores que tenham a pseudo sequênciapoderão recuperar o sinal – segurança
Frequency hopping Direct sequence
Di S
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Direct Sequence
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Tecnologias
Baseadas em FibraÓtica
Usadas largamente em backbones de longo
alcance, além de várias tecnologias de redes(Ethernet, Fibre Channel, etc)
Já estão chegando na área metropolitana(MAN's) e nas redes de acesso
Tendência natural a ser a única infra-estruturade transmissão para várias tecnologias de rede(banda larga, pequena e flexível, imune a ruídos)
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Hierarquias Digitais TDM de
Multiplexação em Sistemas deTransmissão
PDH – Plesiochronous
Digital Hierarchy (emdesuso)
SDH – SynchronousDigital Hierarchy
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Sistemas PDH
Cada fonte é criada numa temporização própria(plesiócrona)
O sinal multiplexado é ligeiramente maior que asoma das componentes
Com isso não se sabe exatamente onde secomeça um canal
Necessidade de demultiplexação de todo o feixepara se retirar canais determinados
Formatos de feixe definidos:DS1 ou T1 - EUA e Japão
E1 - ITU-T (Brasil)
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Linhas TDM - T1 e E1Linhas digitais de padrão TDM, desenvolvidaspara a conexão de PABX’s com as operadorastelefônicas
Linha T1:
utilizada nos Estados Unidos e Japão
velocidade de 1544 Mbps (carrega 24 canais PCM)
Linha E1:utilizado no Brasil e Europa
velocidade de 2048 Mbps (32 canais PCM, sendo 30 para
dados e 2 para sinalização/sincronização
Organização do Feixe E1
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g ç
Padrão: ITU-T G.70430 canais PCM de 64 kbps + 2 canais desincronização (canal 0) e sinalização (canal 16)
Organização do Feixe DS-1 (T1)
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g ç
24 canais de 64 kbps
1 bit de sincronização inicial
O oitavo bit dos canais 6 e 12 é usado para sinalização
i i d Si d
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Hierarquia do Sistema deTransmissão DigitalEuropeu/Brasileiro
E3
E2
E1
Ch 0
Ch 31
1
2
3
4
1
23
4E4
1
2
3
4
Legenda:
Canal DS0 (64 Kbps)
Canal E1 (2,048 Mbps)
Canal E2 (8,448 Mbps)
Canal E3 (34,368 Mbps)
Canal E4 (139,264 Mbps)
E1
E2
E3
E4
Mux TDM E1
Mux TDM E2
Mux TDM E3
Mux TDM E4
Hi i d Si d
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Hierarquia do Sistema deTransmissão Digital Americano
T2
T1
Ch 1
Ch 24
1
2
3
4
1
2
3
4
5
6
7
5
1
2
3
4
T3
6
T4
Legenda:
Canal DS0 (64 Kbps)
Canal DS1 (1,544 Mbps)
Canal DS2 (6,312 Mbps)
Canal DS3 (44,736 Mbps)
Canal DS4 (274,176 Mbps)
T1
T2
T3
T4
Mux TDM T1
Mux TDM T2
Mux TDM T3
Mux TDM T4
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Organização dos Feixes
SDH Synchronous Digital
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SDH - Synchronous Digital Hierarchy
Inicialmente desenvolvida como SONET(Synchronous Optical Network ) nos EUA (ANSI)
Define uma interface ótica de transmissão(Recomendação ITU-T G.707)
Provê uma organização adequada para links comaltas taxas de transmissão
Possui um único clock que mantém a rede todasincronizada
Permite equipamentos mais simples (sem tantosbancos de multiplexadores e demultiplexadores)e controle total da rede via software
É a tecnologia mais usada para transporte dos
novos serviços de banda larga em longa distância
SDH
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STM - Synchronous Transport ModuleSTS – Synchronous Transport Signal
OC – Optical Carrier
WDM W l ht Di i i
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WDM - Wavelenght-Division
Multiplexing Transmissão de vários feixes de luz em frequênciasdiferentes (cores) multiplexados numa mesma fibra ótica
Permite melhor utilização das capacidades das fibras
A diferença básica sobre FDM é que o processo demultiplexação é totalmente passivo
DWDM D W l ht
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DWDM – Dense Wavelenght-
Division Multiplexing
Em DWDM mais comprimentosde onda são inseridos na fibrapara se ter mais vias de dados
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DWDM – Dense Wavelenght
Division MultiplexingMuitas operadoras estão chegando ao limite de suainfra-estrutura de fibras baseadas em TDM(SDH/SONET), uma tecnologia originalmente
desenvolvida para tráfego de voz digitalUma opção seria se passar mais fibras. Nem sempre épossível por razões de custo (Por exemplo: cabosmarítimos)
Partindo da planta atual de fibras passadas, existemduas alternativas para o crescimento de banda
aumentar a atual taxa de dados (bps) TDM usadas nasfibras – alternativa limitada!
aumentar o número de canais que podem passar por umaúnica fibra (multiplexação) - DWDM!
DWDM e TDMPode ser feita uma analogia como se a fibra fosse uma avenida de
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Pode ser feita uma analogia como se a fibra fosse uma avenida devárias faixas, onde TDM somente utiliza uma destas faixasganhando velocidade aumentando a potência do motor do carro
DWDM por outro lado utiliza várias faixas de forma independente esem restrições sobre os tipos de veículos que trafegariam nestasfaixas. Pode-se cobrar de um cliente somente o comprimento deonda que ele utilizar (uma faixa) e não toda uma fibra (umaavenida)
É essencialmente uma tecnologia de meio físico, independente deprotocolos e formatos
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Comunicação em Banda Larga
Sinais em banda larga são os sinais usados paratransmissão em longas distâncias e queconcentram vários canais de informação
Utilizando técnicas de modulação e multiplexaçãopode-se compor mais canais num mesmo meiofísico aproveitando melhor sua capacidade
Estas técnicas são adequados para comunicaçãosem fio, pois diferentes faixas de rádio podem ser