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F0aculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Evolução das redes de comunicação

A rede digital: suporte comum para todos os serviços

Projeto FEUP – Mestrado Integrado Engenharia Eletrotécnica e

Computadores

Turma 5, Equipa 5

Monitor: Sérgio Reis Supervisor: Artur Moura

Autores:

António Cruz Manuel Silva

Francisco Costa Rui Mendes

João Pinto

2 Evolução das redes de comunicação A rede digital: suporte comum para todos os serviços

Resumo

A unidade curricular PROJETO FEUP, âmbito sobre o qual este trabalho foi

desenvolvido, tem como cerne a integração dos novos alunos no ambiente universitário, assim

como, concomitantemente, o desenvolvimento de competências pessoais e interpessoais, que

serão cruciais na preparação do caminho de ser “engenheiro”.

No âmbito do tema proposto: “Evolução das redes de comunicação”, podemos referir

que a informação transportada nos modernos sistemas de telecomunicações pode ser

classificada em sinais de áudio, de vídeo e de dados. Esta informação entra no sistema

receptor através de um transdutor, gerando uma diferença de potencial, que é designada por

sinal de informação e pode ser de tipo analógico ou digital.

Um sinal analógico varia no tempo de um modo análogo ao da propriedade física que

esteve na sua origem. Estes sinais são contínuos e podem assumir qualquer valor entre dois

limites. Um exemplo de sinal analógico é a variação de tensão nos terminais de um microfone

proporcional à variação de pressão produzida pelo sinal sonoro sobre o diafragma do mesmo.

Um sinal digital não varia continuamente ao longo do tempo, apenas pode assumir

dois valores, 0 ou 1 para o caso binário; é essencialmente uma representação codificada da

informação original.Um exemplo de sinal digital é a sequência de altas e baixas voltagens

produzida durante uma chamada telefónica digital.

A conversão de sinais analógicos para digitais é feita através de um conversor. O

conversor analógico-digital é, então, um dispositivo capaz de reproduzir uma representação

digital a partir de um processo analógico normalmente um sinal por um nível de tensão ou

intensidade de corrente elétrica. Esta conversão passa por três fases: amostragem,

quantificação e codificação.


Índice Introdução ..................................................................................................................................... 4

Evolução das redes analógicas ...................................................................................................... 5

Rede telefónica ................................................................................................................. 5

Rede de televisão .............................................................................................................. 6

Rede de radiodifusão ........................................................................................................ 8

Rede de dados ................................................................................................................. 10

Comunicações Analógicas ........................................................................................................... 11

A transmissão analógica .......................................................................................................... 11

Modulação .............................................................................................................................. 12

Conversão analógico-digital ........................................................................................................ 13

Amostragem ............................................................................................................................ 13

Quantificação .......................................................................................................................... 13

Codificação .............................................................................................................................. 14

Comunicações Digitais ................................................................................................................ 15

Vantagens na utilização de sistemas digitais .......................................................................... 16

Desvantagens .......................................................................................................................... 16

Conclusão .................................................................................................................................... 17

Referências bibliográficas ........................................................................................................... 18


Introdução

Vivemos numa era que é caracterizada pelo constante uso e evolução das telecomunicações. Estamos, portanto, imbuídos numa esfera caracterizada, cada vez mais, pela informação digital, em que dispositivos como o telemóvel ou o computador são já meios banais de transmissão de informação.

Comunicar é um ato básico e primordial no mundo em sociedade. No entanto, tem assente um percurso evolutivo caracterizado por grandes avanços tecnológicos.

A era moderna das telecomunicações iniciou-se em meados do século XIX, com o aparecimento do telégrafo; a partir da segunda metade do século XX (1970) verificou-se o desenvolvimento exponencial com o aparecimento de meios sofisticados de comunicação semelhantes aos de hoje.

A transição da comunicação analógica para a digital foi um marco importante durante todo

este percurso evolutivo, trazendo inúmeras vantagens na transmissão da informação, que se

tornou mais eficiente.


Evolução das redes analógicas

Rede telefónica

“O telefone surgiu em 1876 sendo o seu criador Alexander Graham Bell” (António Ramalho, 2009). Inspirado pelo telégrafo, o primeiro telefone (fig.1) conseguia transmitir mensagens, de forma codificada, entre pontos distantes

No telefone, o microfone transforma as ondas sonoras em

sinais elétricos, que depois são

transmitidos para a rede telefónica enquanto o altifalante realiza o oposto.

Para se poder estabelecer uma chamada é necessário estabelecer-se uma ligação entre dois

telefones. As centrais são os equipamentos responsáveis pela conexão entre os diversos

telefones. A ligação física dos telefones às centrais de comutação é realizada através da rede

de acesso, e a interligação entre os equipamentos comutadores é realizada pelos sistemas de

transmissão (fig.2).

Figura 2 – A rede telefónica.

Figura 1 – O primeiro telefone.


Rede de televisão

Historicamente, o interesse de se criar a televisão remonta o século XIX, chegando até ao

ponto de Alexander Bain conseguir executar um projeto de envio telegráfico de uma imagem,

no ano de 1842.

No ano de 1920, o escocês John L. Baird empregou os diversos princípios já desenvolvidos e

montou um dos primeiros modelos de televisão que se tem notícia. Ao contrário das outras

tentativas, esse estudioso conseguiu aprimorar bastante a nitidez da imagem e do som com o

aparelho por ele produzido.

A partir de então, a televisão foi sendo aprimorada, nomeadamente em termos de resolução

(fig.3), até que o mesmo pudesse ter maior viabilidade comercial, até que, no ano de 1823, foi

desenvolvido o primeiro modelo de televisor a ser produzido em escala industrial.

O aparecimento da televisão a cores

No ano de 1954, a emissora norte-americana NBC empregou um sistema compatível com os

televisores preto e branco para realizar a transmissão de imagens coloridas. Em 1962, o

satélite Telstar realizou a primeira transmissão intercontinental enviando sinais de TV dos

Estados Unidos para o Velho Mundo.

Televisão analógica VS digital

Tendo em consideração as datas referidas no tópico anterior, a televisão, durante grande

parte do século XX, foi analógica, o que não permitia grande qualidade no som e

imagem, pois por vezes há a presença de “fantasmas”, ruídos e interferências.

Para este tipo de televisão era necessário uma antena para a transmissão do sinal da

imagem e, de igual forma, também não dispomos da vantagem de interacção com a

televisão analógica uma vez que esta não está preparada nem possui um gravador

digital no receptor ou conversor. Em termos estéticos este tipo de televisor ocupa

muito mais espaço do que uma televisão digital, com a qual nos deparamos hoje em

dia.

Figura 3 - Evolução da resolução televisiva.


A televisão digital, por sua vez, usa um modo de compressão digital para enviar áudio, vídeo

e sinais aos aparelhos compatíveis com a tecnologia oferecendo a transmissão e a

recepção de uma maior quantidade de conteúdos através da mesma frequência

e uma maior qualidade na imagem em alta-definição.

O ecrã da televisão passa do formato 4:3 (televisão analógica) para o formato 16:9

(televisão digital) possibilitando uma visualização mais abrangente por parte do espectador. Os

televisores mais modernos e sofisticados (como o LCD e o Plasma Full-HD) permitem uma

exibição da

imagem em alta definição.

O TDT

No caso de Portugal, a mudança da televisão digital para analógica foi feita em 26 de Abril

de 2012, a partir da TDT, Televisão Digital Terrestre. Este novo sistema televisivo caracteriza-se

por ser transmitido através do ar e recebido por antenas geralmente exteriores. O seu

funcionamento consiste basicamente em 4 fases:

1. Digitalização, codificação e difusão dos dados através do ar pelos centros

emissores;

2. Uma vasta rede de torres emissoras envia o sinal para as antenas das casas;

3. O sinal é recebido pelas antenas localizadas nos edifícios;

4. Os descodificadores TDT instalados em cada edifício convertem novamente

este sinal na imagem e som pretendidos.

“Estima-se que, antes do início da 1.ª fase do processo de desligamento das emissões

analógicas de TV, entre os 3,8 milhões existentes em Portugal continental, cerca de

1,1 milhões de lares assistiam às emissões de TV preferencialmente através de meios

analógicos no local de residência habitual.”

(http://www.anacom.pt/streaming/TDT_relatorioANACOM_1outubro2013.pdf?contentId=119

0375&field=ATTACHED_FILE)

.

A partir da tabela seguinte, podemoss inferir que 72,6 por cento (21,6 por cento do total de

lares ou 823 mil) passaram a receber a TDT (seja por via terrestre seja por satélite – “serviço

TDT complementar”);

http://www.anacom.pt/streaming/TDT_relatorioANACOM_1outubro2013.pdf?contentId=1190375&field=ATTACHED_FILE

http://www.anacom.pt/streaming/TDT_relatorioANACOM_1outubro2013.pdf?contentId=1190375&field=ATTACHED_FILE


Rede de radiodifusão

A comunicação via rádio assumiu-se, desde sempre, um meio extremamente fiável e

fidedigna na transmissão da informação.

Uma das principais vantagens da radiodifusão é a sua rapidez e eficácia.

• Marcos fundamentais

1. Maxwel demonstrou, em 1863, a existência de ondas eletromagnéticas;

2. Guglielmo Marconi (1874 - 1937), físico e inventor italiano, criou a tecnologia de

transmissão de voz sem fios e, portanto, é considerado o inventor do rádio;

3. Marconi realizou, em 1895, o primeiro teste de transmissão de sinais sonoros;

4. A primeira emissora de rádio portuguesa surge em 1925, denominada CT1 AA.

• Redes AM VS FM

A diferença entre as redes de AM e FM incidem na respetiva modulação. As primeiras

sofrem uma modulação em amplitude. Uma das vantagens das emissões em AM é a sua

capacidade de propagação, que permite, com um emissor de potência relativamente baixa,

atingir longas distância, devido à refletividade das ondas eletromagnéticas.


Figura 5 - Rádio moderno.

Por outro lado, as redes FM sofrem modulação em frequência. Estas são menos sujeitas a

interferências causada por "ruídos" eletromagnéticos (raios ou mesmo emissões de estações

de rádio, TV ou radioamadores etc.), mas não tem o alcance das primeiras.

• Rádio digital

A Rádio digital é a transmissão de informação através do método de modulação digital.

Assim, o áudio é primeiramente digitalizado e sua sequência binária é modulada por algum

padrão de codificação digital para então ser transmitido pelo ar de forma muito semelhante à

uma rádio analógica, envolvendo tradicionais elementos como torre e antenas.

As principais vantagens do rádio digital estão na melhoria da qualidade do som (rádio AM

com qualidade de FM e rádio FM com qualidade de CD), transmissão de dados (textos, fotos,

informações de trânsito, alertas de emergência, etc.), cobertura de uma mesma área com

menor potência e a otimização do espectro eletromagnético

A digitalização do rádio trouxe vantagens como uso a, interatividade, menor consumo de

energia elétrica, possibilidades de novos modelos de negócios e maior participação no

mercado publicitário.

Nas imagens seguintes (figs.4 e 5), podemos observar o tipos de rádio que eram usados

antigamente e verificar a diferenaça para o atual.

Figura 4 - Rádio antigo.


Figura 6 - Rede de dados.

Rede de dados

Uma rede de dados (fig,6) consiste em dois ou mais computadores e outros dispositivos

interligados entre si de modo a poderem compartilhar recursos físicos e lógicos, os quais

podem ser: dados, impressoras, mensagens (e-mails) entre outros.

O termo genérico “rede” define um conjunto de entidades (objetos, pessoas, etc.)

interligados uns aos outros. Uma rede permite que circulem elementos materiais ou

imateriais entre cada uma destas entidades.

rede (em inglês network): Conjunto dos computadores e periféricos conectados uns

aos outro.

instalação (em inglês networking): instalação dos instrumentos e das tarefas que

permitem ligar computadores para que possam partilhar recursos em rede.

Existem dois tipos fundamentais de redes:

LAN ( Local Area Network): Interliga um conjunto de computadores locais ou

próximos.

WAN ( Wide Area Network): Interliga um conjunto largo de redes locais (ou junções de

redes locais)


Comunicações Analógicas

Uma comunicação analógica envolve a transferência de uma forma de onda que

contém informações analógicas (sem digitalização em qualquer ponto) entre dois utilizadores.

Exemplos comuns onde a informação analógica é transferida dessa forma são os walkie-talkies

e rádio amador, TV analógica.

Com os avanços das

tecnologias, aliado ao crescente

número de utilizadores houve a

necessidade de se começar a

convergir os vários serviços.

Um dos primeiros exemplos

é a convergência entre redes de voz

e dados, inicialmente através de

tecnologia RDSI e, mais

recentemente, pela tecnologia

xDSL.

A transmissão analógica

A transmissão analógica consiste em fazer circular informações num suporte físico de

transmissão sob a forma de onda .

A transmissão da informação faz-se através de uma onda portadora, uma onda

simples cujo único objetivo é transportar os dados por modificação de uma destas

características (amplitude, frequência ou fase), é a razão pela qual a transmissão analógica é

geralmente chamada transmissão por modulação de onda portadora. De acordo com o

parâmetro da onda portadora que fazemos variar, distinguem-se três tipos de modulações

analógicas:

A modulação de amplitude do portador (AM);

A modulação de frequência do portador (FM);

A modulação de fase do portador.

Figura 7 - Esquema da comunicação entre computadores pela rede telefónica analógica.


Modulação

O princípio da modulação baseia-se na associação ao sinal que contém a informação

outro que lhe servirá de suporte (onda portadora). Para isso faz-se variar um dos parâmetros

característicos desta última em função da frequência e amplitude do primeiro. O sinal de

suporte é definido pela sua amplitude, frequência e fase e, consoante se atue sobre cada uma

destas grandezas, assim se obtém a modulação de amplitude frequência ou fase, operação que

se realiza num andar chamado modulador.

O Sistema de Modulação em

Amplitude é o sistema de modulação

mais antigo. Neste sistema a amplitude

da onda portadora é variada

proporcionalmente ao sinal modulador.

A modulação em frequência (FM)

transmite informações através de uma

portadora variando a sua frequência

instantânea proporcionalmente ao sinal

modulador (fig.8).

Modulação AM Figura 8 – Os dois tipos de modulação.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Portadora


Conversão analógico-digital

A transformação de um sinal analógico em digital é um processo nuclear na comunicação de

dados. Deste modo, ilustra-se a seguir os passos conducentes a este processo.

Amostragem

A amostragem consiste em tomar amostras de um

sinal contínuo regularmente espaçadas no tempo, que

gera um sinal discreto no tempo correspondente ao

sinal contínuo original. É natural que, algumas vezes,

exista um erro na representação, já que as variações

que ocorrem entre as amostras não são percetíveis.

No entanto, a as amostras obtidas a uma cadência

adequada permitem recuperar correctamente o sinal

original. É natural supor, consequentemente, que

quanto maior for o número de amostras em

determinado intervalo, melhor será a representação

discreta do sinal. Durante o processo de conversão

A/D normalmente o valor de cada amostra é mantido na

entrada do conversor até à amostra seguinte. Esse

processo é chamado de retenção.

Quantificação

A etapa que se segue à amostragem, consiste

em quantificar os valores das amostras do sinal

analógico.

A operação de quantificação é realizada por

um conversor analógico para digital. Este

processo introduz uma distorção e perda de

informação.

Na quantificação, o número de níveis está

diretamente relacionado ao número de bits do conversor: o erro de quantificação será tão

menor quanto maior for o número de bits usados para representar o valor.

Por exemplo: um conversor analógico-digital (ou A/D) de 10 bits, preparado para um sinal de

entrada analógica de tensão variável de 0V a 5V pode assumir os valores binários de 0

(0000000000) a 1023 (1111111111), ou seja, é capaz de capturar 1024 níveis discretos de um

determinado sinal. Se o sinal de entrada do suposto conversor A/D estiver em 2,5V, por

exemplo, o valor binário gerado será 512.

Figura 9 - Amostragem

Figura 10 – Quantificação.


Codificação

A codificação é o processo pelo qual os valores quantificados são convertidos (codificados)

em bits (0 e 1). Assim, todas amostras acima ou iguais a um nível previamente estabelecido

pertencem, por hipótese, ao “grupo 1”, e aquelas cujos valores se encontram abaixo do nível

“a” pertencem ao “grupo 0”. Com base neste critério, as amostras geram a sequência de zeros

(0s) e uns (1s), ilustrada na figura 4.4, que constitui um exemplo da quantificação das amostras

utilizando um único bit.

Dos exemplos apresentados pode concluir-se que

quanto maior for o número de níveis usados na

quantificação, maior é a precisão com que é descrito

o sinal analógico, isto é, mais precisa é a conversão

A/D. Deste modo, se forem usados ADCs de 10 bits

ou de 12 bits, as amostras podem ser quantificadas

em 210 (1024) ou 212 (4096) níveis.

.

Figura 10 – Codificação.


Comunicações Digitais

Ao contrário das comunicações analógicas, que enviam uma forma de onda de um

conjunto infinito de formas de onda, as comunicações digitais, num intervalo de tempo finito,

enviam uma forma de onda extraída de um conjunto finito de formas de onda. Para além

disso, o objetivo do recetor num sistema de comunicações digitais não é reproduzir com

precisão a forma de onda transmitida mas sim determinar, num sinal perturbado por ruído, a

forma de onda que, pertencendo ao conjunto finito de formas de onda, terá sido enviada pelo

emissor.

Os Sistemas Digitais são a base

da arquitetura de qualquer sistema

atual.

Sem eles não teria sido possível

inventar os Circuitos Integrados

(pequenas pastilhas de silício contendo

portas lógicas) que, por sua vez, dão

origem aos chips eletrónicos mais

complexos e que podemos encontrar

atualmente em quase todos os

equipamentos tecnológicos que nos rodeiam.

As principais funções de processamento de sinal num sistema de comunicações digitais

são:

• Formatação e codificação de fonte (transforma a informação da fonte em símbolos

digitais de modo a que esta se torne compatível com o processamento de sinal no

sistema de comunicações. Para além disso, esta codificação pode remover informação

redundante ou desnecessária.);

• Modulação/Desmodulação (Os símbolos são convertidos em formas de onda

compatíveis com o canal de transmissão.);

• Codificação de canal (Usa técnicas que realcem os sinais digitais de modo a que sejam

menos vulneráveis a perturbações do canal. Permite também detetar e corrigir erros.);

• Multiplexagem e Acesso Múltiplo (Partilha de recursos.);

• Espalhamento espectral ou “Spread Spectrum” (Reforça a segurança do sinal,

permitindo maior privacidade e melhor reforço contra interferências.);

• Criptografia/Mensagens Cifradas (Asseguram privacidade e autenticação.);

• Sincronização (Estima o tempo e a frequência.).

Figura 6 - Exemplo de funções digitais

Exemplo de funções digitais


Vantagens na utilização de sistemas digitais

• Facilidade de regeneração, em comparação com sistemas analógicos

• Maior imunidade à distorção e à interferência (o sinal digital só tem 2 estados)

• Os circuitos são mais fiáveis e podem ser produzidos com custos mais baixos.

• O armazenamento dos dados digitais é mais robusto;

• O processamento de sinais digitais é mais eficiente;

• As técnicas digitais são mais apropriadas ao tipo de processamento de sinal que protege

contra interferências;

• Tipos diferentes de sinais digitais – dados, telegrafia, telefone, televisão – podem ser

tratados como sinais idênticos na transmissão e na comutação.

Desvantagens:

• A comunicação digital normalmente requer maior largura de banda;

• Geralmente necessita de sincronização (existe um relógio no recetor que tem essa

função);

• As comunicações digitais requerem equipamentos mais complexos.


Conclusão

Os sistemas de comunicação sofreram, como foi evidenciado ao longo deste trabalho, uma

evolução significativa, ao ponto de serem cruciais no modo de vida de uma sociedade de hoje,

apelidada, muitas vezes, de sociedade da informação, dada a rapidez com que esta circula

pelos "quatro cantos do mundo".

A evolução da comunicação, com a transição da informação analógica para a digital,

permitiu dar um novo rumo tecnológico marcado pela informatização da mesma.

É de salientar a importância na aposta contínua no desenvolvimento de meios de

comunicação cada vez mais mais eficazes e capazes de dar resposta aos mais variados

problemas, que afetam o meio tecnológico em que estamos mergulhados, nomeadamente na

otimização do processo de conversão da informação.


Referências bibliográficas

Ticnologia.pt. “Sistemas digitais: princípios e prática”.

http://ticnologia.pt/revisoes/25/livro-sistemas-digitais-principios-e-pratica-da-fca.html (acedido em 17/10/2014)

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CARDOSO, Wanderley, “Conversor analógico/ digital (A/D)”. 2012 . http://www.ceunes.ufes.br/downloads/2/wanderleycardoso-Aula%2005%20-%20Entrada%20Anal%C3%B3gica.ppt (acedido em 19/10/2014)

kioskea.net . “Transmissão de dados- a transmissão analógica”. 2014. http://pt.kioskea.net/contents/685-transmissao-de-dados-a-transmissao-analogica (acedido em 20/10/2014).

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20/10/2014)

Wikipedia.pt. “Convergência tecnológica”. 2013.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Converg%C3%AAncia_tecnol%C3%B3gica (acedido em

20/10/2014)

ANACOM. “TDT em Portugal”. 2012.

http://www.anacom.pt/render.jsp?categoryId=7&themeMenu=1#horizontalMenuArea

(acedido em 22/10/2014)

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http://www.anacom.pt/render.jsp?categoryId=7&themeMenu=1#horizontalMenuArea

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