nível físico - midiacom.uff.br · de um canal de comunicação em um meio físico de transmissão...
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Redes de Computadores
Nível Físico
Profa. Débora Christina Muchaluat Saade
Departamento de Ciência da Computação - UFF
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Redes de Computadores
Nível Físico
➽ Função principal • transmitir sinais, que representam informações, através
de um canal de comunicação em um meio físico de transmissão
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Redes de Computadores
Tipos de Sinal
➽ Sinal Analógico • Variação Contínua
➽ Sinal Digital • Variação Discreta • Intervalo de Sinalização
Qualquer informação pode ser transmitida através de sinal analógico ou digital
Sinal digital
Sinal analógico
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Redes de Computadores
Sinais
➽ Qualquer sinal pode ser entendido como uma soma de ondas de diferentes frequências e amplitudes. • Análise de Fourier
+ + .... +
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Redes de Computadores
Gráfico que mostra a “contribuição” de cada frequência componente (harmônico) na construção do sinal resultante. Esta contribuição está intimamente relacionada à amplitude daquela componente.
Exemplo: espectro de um sinal de voz
dB
40
4000 Hz
Espectro de um Sinal
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Redes de Computadores
Banda Passante
➽ Banda passante • intervalo de frequências componentes de um sinal
[fmin, fmax] ➽ Largura de banda
• fmax – fmin
➽ Exemplo: • Sinal de Voz
– Banda passante: [50Hz, 10KHz] – Largura de banda: ~10KHz
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Redes de Computadores
Banda Passante Necessária
➽ Exemplo • A banda passante necessária de um canal
telefônico capaz de manter boa intelegibilidade dos interlocutores tem uma largura de aproximadamente 3000 Hz.
Sinal Analógico Banda passante mínima exigida para o canal de comunicação de forma a preservar uma determinada qualidade do sinal recebido.
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Redes de Computadores
Meio Físico
➽ Meio de propagação das ondas ou sinais transmitidos • pares de condutores • sinais codificados como diferenças de voltagem
➽ Característica física: • oferecem banda passante limitada para
transmissão de um sinal • atua como filtro de frequências do sinal
transmitido, que sofre uma perda em cada uma de suas componentes de maneira desigual
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Redes de Computadores
Efeito da Banda Passante Limitada do Meio
➽ Sinal Analógico • Dependendo da largura da banda passante
– perda da “qualidade” – impossibilidade de entendimento da informação no receptor
➽ Sinal Digital • Dependendo da largura da banda passante
– erros na recepção da informação
Distorção do sinal recebido devido ao diferente ganho aplicado às diversas componentes do sinal.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0
0.3
0.6
Harmônicos
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0
0.3
0.6
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0
0.3
0.6
Harmônicos
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0.3
0.6
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0.3
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Harmônicos
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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0
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Harmônicos
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0
0.3
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0.3
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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0
0.3
0.6
Harmônicos
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Redes de Computadores
não é necessário que se preserve o formato preciso do
sinal original para que se possa receber corretamente
as informações.
Na transmissão através de sinais digitais
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Redes de Computadores
Recuperação do Sinal Digital
Receptor Transmissor
Transmissão
T
Intervalos de sinalização
T
Instantes de amostragem
T
Sinal recuperado
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Redes de Computadores
Banda Passante Necessária
Sinal Digital Qual será a banda passante mínima exigida para o meio físico que garanta a recuperação da informação original pelo receptor ?
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Redes de Computadores
Taxa de Transmissão Máxima
➽ Teorema de Nyquist: • Na ausência de ruído, a capacidade máxima C de
um canal (em bps) depende da sua largura de banda:
• W = largura de banda • L = número de níveis usados na codificação
➽ A Taxa de Transmissão Máxima é Limitada pela Presença de Ruídos
C = 2 W log2L bps
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Redes de Computadores
Ruído
➽ A quantidade de ruído presente numa transmissão é medida em termos da razão entre a potência do sinal e a potência do ruído, denominada razão sinal-ruído.
➽ Se representarmos a potência do sinal por S e a potência do ruído por N, a razão sinal-ruído é dada por S/N.
➽ É muito comum utilizar-se, ao invés desta razão diretamente, o valor 10 log10(S/N). O resultado obtido é uma medida da razão sinal-ruído em uma unidade denominada decibel (dB). • Uma razão de 10 corresponde a 10 dB; uma razão de 100
corresponde 20 dB; uma razão de 1.000 corresponde a 30 dB e assim por diante.
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Redes de Computadores
Alguns Tipos de Ruído
➽ Ruído térmico➽ Ruído de intermodulação➽ Crosstalk➽ Ruído impulsivo➽ Ruído de Quantização
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Redes de Computadores
Taxa Máxima de Transmissão: Lei de Shannon
➽ O principal resultado de Shannon (conhecido como a Lei de Shannon) afirma que a capacidade máxima C de um canal (em bps) depende da largura de banda e da razão sinal-ruído
• Exemplo: Um canal de 3.000 Hz com uma razão sinal-ruído de 30 dB (parâmetros típicos de uma linha telefônica) não poderá, em hipótese alguma, transmitir a uma taxa maior do que aproximadamente 30.000 bps.
C = W log2 (1 + S/N)
W: largura de banda; S/N: razão sinal-ruído
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Redes de Computadores
Utilização da Banda Passante do Meio de Transmissão
➽ Configuração de um único canal por meio de transmissão
➽ Como melhorar a utilização do meio de transmissão ?
0 40 400
“Desperdício”
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Redes de Computadores
Utilização da Banda Passante do Meio de Transmissão
➽ Configuração de múltiplos canais por meio de transmissão
C0
0 40 400
C1 C2
80 160
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Redes de Computadores
Multiplexação
➽ Permite que vários sinais de diferentes fontes (canais) possam compartilhar o mesmo meio físico • Multiplexação por Divisão da Frequência
– (Frequency Division Multiplexing - FDM)
• Multiplexação por Divisão do Tempo – (Time Division Multiplexing - TDM)
• Multiplexação por Divisão do Comprimento de Onda – (Wavelength Division Multiplexing - WDM)
• Multiplexação por Divisão de Código – (Code Division Multiplexing)
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Multiplexação na Frequência
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Redes de Computadores
Utilização da Banda Passante do Meio de Transmissão
C0
0 40 400
C1 C2
80 160
Banda Passante do Sinal
0 - 40 Mhz
0 - 40 Mhz
0 - 80 Mhz
Sinal de Voz Sinal de Voz Sinal de Voz Modulado
4000
8000
Filtro Filtro
4000
8000
Multiplexação na freqüência com dois canaisCanal 1 Canal 2
Sinal original
Transmissão FDM
Banda passante necessária
Sinal original
S
Transmissão FDM
Modulação
Banda passante necessária
Sinal original
S
S
Transmissão FDM
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Modulação
Filtro
Banda passante necessária
Transmissão
Sinal original
S
S
S
S
S
Transmissão FDM
Modulação
Filtro Demodulação
Banda passante necessária
Transmissão
Sinal original
S
S
S
S
S
S
Transmissão FDM
Modulação
Filtro Demodulação
Filtro
Banda passante necessária
Transmissão
Sinal original Sinal recebido
S
S
S
S
S
S
S
S
Transmissão FDM
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Redes de Computadores
Modulação e Demodulação
➽ A modulação é uma transformação aplicada a um sinal que faz com que ele seja deslocado de sua faixa de frequências original para uma outra faixa.
➽ A demodulação é uma transformação que é aplicada a um sinal previamente modulado e que faz com que ele seja deslocado de volta para a sua faixa de frequências original.
➽ A modulação e demodulação permitem que sinais sejam adaptados para a transmissão em canais com características diferentes daquelas do sinal original. • Por exemplo, sinais modulados em diferentes regiões do
espectro podem ser simultaneamente transmitidos em um mesmo meio físico através da multiplexação por divisão de freqüência.
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Redes de Computadores
MODEM
Filtro
Demodulador
R1
f 1 f 2
Filtro
Modulador
T1
MODEM
Filtro
Demodulador
R2
Filtro
Modulador
T2
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Redes de Computadores
Técnicas de Modulação
➽ Todas as técnicas de modulação resultam no deslocamento de um sinal de sua faixa de frequências original para uma outra faixa. • Todas as componentes do sinal são, uma a uma, deslocadas de um mesmo valor
f, fazendo com que o sinal passe a ocupar uma nova região do espectro. Porém, a contribuição de cada componente não é alterada. O valor f é denominado de frequência da onda portadora.
➽ As três técnicas básicas de modulação são denominadas de: • Modulação por Amplitude (Amplitude Modulation - AM ), • Modulação por Frequência (Frequency Modulation - FM ) e • Modulação por Fase (Phase Modulation - PM ).
➽ Quando o sinal original é um sinal digital, essas técnicas assumem denominações mais específicas: • Modulação por Chaveamento da Amplitude (Amplitude Shift Keying - ASK). • Modulação por Chaveamento da Frequência (Frequency Shift Keying - FSK). • Modulação por Chaveamento de Fase (Phase Shift Keying - PSK).
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Redes de Computadores
Modems
(a) A binary signal (b) Amplitude modulation
(c) Frequency modulation (d) Phase modulation
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Redes de Computadores
Frequency Division Multiplexing
(a) The original bandwidths. (b) The bandwidths raised in frequency. (b) The multiplexed channel.
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Redes de Computadores
Wavelength Division Multiplexing
Wavelength division multiplexing (WDM)
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Redes de Computadores
Multiplexador x Acesso Múltiplo
➽ Multiplexação pode ser realizada • de forma centralizada
– por um equipamento específico denominado de multiplexador (MUX),
• de forma distribuída – onde as várias fontes de sinais encontram-se diretamente
conectadas a um meio físico compartilhado. – nesse caso, a multiplexação é comumente denominada de
mecanismo de acesso múltiplo.
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Redes de Computadores
Multiplexador e Demultiplexador
MUX DEMUX
Multiplexadores: equipamentos que centralizam as funções de modulação, filtragem e combinação dos sinais
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Redes de Computadores
Exemplo para Comparação entre a Utilização de Multiplexadores e de Multiplexação Realizada por Meio de Acesso Múltiplo
➽ O FDMA (Frequency Division Multiple Access) é um exemplo de mecanismo de acesso múltiplo no qual o meio físico é multiplexado de forma análoga ao FDM. • Porém, cada uma das fontes é diretamente
responsável por requisitar, junto a um controlador do sistema, um canal a ser por ela utilizado, não existindo, portanto, a figura do multiplexador como um elemento centralizador da tarefa de multiplexação.
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Redes de Computadores
FDMA
Digitalização de Sinais
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Redes de Computadores
Digitalização de Sinais
Codificando cada nível com 4 bits:
1100 1110 1110 1110 1010 0011 0001 1001 1010 ...
Na recepção...
15 14
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9
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5
4
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1
0
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9
8
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6
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3
2
1
0
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Redes de Computadores
Taxa de Amostragem
➽ O teorema de Nyquist diz que, para se obter uma representação precisa de um sinal analógico, a amplitude do mesmo deve ser amostrada a uma taxa igual ou superior a duas vezes a frequência da componente de mais alta frequência do sinal. • Taxa de amostragem >= 2fmax
➽ A taxa de Nyquist é dada em Hz ou em amostras por segundo (sps) ➽ Amostragens abaixo da taxa de Nyquist introduzem componentes de
frequência adicionais ao sinal, causando distorção definitiva no sinal original (alias signal).
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Redes de Computadores
Sinal original
Pulsos PAM
Pulsos PCM
Saída PCM 100110011010101010100001101111101
7.0
6.0
4.1 4.5 2.5
5.0
2.2 3.0 1.1
5.0 5.0
100 110 011 010 101 010 100 001 101 111 101 0 1 2 3 4 5 6 7
PCM - Pulse Code Modulation
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Redes de Computadores
Quantização
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Redes de Computadores
Ruído de Quantização
➽ A diferença entre o valor real de uma amostra e seu representante binário é chamado erro de quantização. Como este erro varia de amostra para amostra, a distorção causada por tal erro é chamada ruído de quantização.
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Redes de Computadores
The Local Loop: Modems
The use of both analog and digital transmissions for a computer to computer call. Conversion is
done by the modems and codecs.
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Redes de Computadores
Acesso a Provedor
A/D D/A
Central Central
D/A A/D
A Conversão Analógico/Digital
Gera um Ruído chamado Ruído de Quantização
MODEM
Não é possível mais do que 30 kbps !!
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Redes de Computadores
Acesso a Provedor
A/D
Central Central
D/A A/D MODEM
Linha Digital (T1 ou E1, p. ex.)
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Redes de Computadores
Acesso a Provedor
A/D
Central Central
D/A A/D MODEM
30kbps
~56kbps
Multiplexação no Tempo
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Redes de Computadores
Multiplexação por Divisão de Tempo
➽ Ao invés de se utilizar as várias faixas de frequências para separar os sinais a serem transmitidos, utiliza-se o tempo como a grandeza a ser compartilhada. • obtém-se o compartilhamento do meio físico
intercalando-se porções de cada um dos sinais ao longo do tempo.
• A forma com que o tempo é subdividido dá origem a duas formas de TDM: o TDM síncrono e o TDM assíncrono (ou Estatístico).
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Redes de Computadores
Meio Físico
A
B
C
D
Multiplexação no Tempo
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Redes de Computadores
T
A1
Banda Desperdiçada Dados
B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2
Primeiro Ciclo Segundo Ciclo
➽ Multiplexação Síncrona (TDM) (synchronous Time Division Multiplexing)
Meio Físico
A
B
C
D
Multiplexação no Tempo
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Redes de Computadores
➽ Multiplexação Síncrona (TDM) (synchronous Time Division Multiplexing)
➽ Multiplexação Assíncrona ou Estatística (STDM) (Statistical Time Division Multiplexing)
T
A1 B1 B2 C2
Banda Extra Disponível Cabeçalho
A1
Banda Desperdiçada Dados
B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2
Primeiro Ciclo Segundo Ciclo
Meio Físico
A
B
C
D
Multiplexação no Tempo
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Redes de Computadores
Canal
➽ Representação para uma parcela da utilização do meio físico alocada a transmissão de um sinal.
➽ A implementação de um canal varia de acordo com a forma de multiplexação. Assim, tem-se um tipo de canal no FDM e um outro tipo de canal no TDM síncrono. • No FDM, um canal corresponde a uma faixa de freqüências • No TDM síncrono, denomina-se canal o conjunto de todos
os slots, um em cada frame, identificados por uma determinada posição fixa dentro desses frames.
– Ex.: o canal 3 é formado pelo terceiro slot dentro de cada ciclo.
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Redes de Computadores
Canais de Comunicação
➽ Dedicado (ou permanente) x Chaveado ➽ Ponto-a-ponto x Multiponto
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Redes de Computadores
Multiplexador x Acesso Múltiplo
➽ A multiplexação pode ser realizada tanto de forma centralizada, por um equipamento específico denominado de multiplexador (MUX), como de forma distribuída, onde as várias fontes de sinais encontram-se diretamente conectadas a um meio físico compartilhado. • Nesse último caso, a multiplexação é comumente denominada de
mecanismo de acesso múltiplo.
TDMA
MUX
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Redes de Computadores
Hierarquias de Transmissão Digital
➽ Em uma hierarquia de sinais digitais, os sinais de taxa mais alta são obtidos através do cascateamento de multiplexadores, como ilustrado no exemplo da figura abaixo.
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Redes de Computadores
Hierarquias de Transmissão Digital
➽ Esquemas de hierarquias de transmissão têm sido utilizados em sistemas de telefonia digital, tendo passado por processos de padronização em várias entidades internacionais, sendo, hoje em dia, utilizados também na transmissão de dados.
➽ E.U.A e Europa definiram diferentes padrões para o sinal básico e para a forma de multiplexação na geração dos sinais de ordem mais alta. • Enquanto a hierarquia americana está baseada no
T1, a hierarquia européia (que é a adotada pelo padrão brasileiro) define a utilização de um sinal básico denominado E1.
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Redes de Computadores
Sinal Digital Número de Canais de Voz Taxa de Transmissão DS-1 DS-2 DS-3 DS-4
24 96
672 4032
1,544 Mbps 6,312 Mbps
44,736 Mbps 274,176 Mbps
MUX T2
MUX
1
7
T3
T1 MUX
1
24
Hierarquia de Sinais Digitais Norte-Americana
➽ Inicialmente definido pela AT&T, tendo posteriormente se tornado o padrão utilizado para a transmissão digital de voz em sistemas telefônicos nos EUA. • prevê a multiplexação síncrona no tempo, de vinte e quatro canais de
voz, a 64 Kbps cada, transportados em um sinal de 1,544 Mbps (denominado DS-1 — Digital Signal Level 1).
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Redes de Computadores
Taxa dos Sinais em Hierarquias Digitais
➽ A definição da taxa dos sinais básicos das hierarquias digitais foi influenciada diretamente pela utilização dessas hierarquias em telefonia digital • vinte e quatro canais, onde cada slot tem duração suficiente para a
transmissão dos 8 bits de uma amostra PCM. • A cada frame ainda adiciona-se um bit denominado bit de framing, para a
marcação. – Assim, cada frame tem a duração para a transmissão de
24 x 8 + 1 = 193 bits. • A banda passante necessária para um sinal de voz em um serviço telefônico é
igual a 4.000 Hz, – A taxa de amostragem para construirmos a saída PCM é de 8.000 amostras
por segundo. Logo, para que se mantenha uma taxa assegurada para cada canal, é necessário que os frames se repitam 8.000 vezes por segundo
– Em outras palavras, um frame tem duração total de 1/8.000 = 125 µseg, e por isso a taxa total do sinal DS-1 é de 8.000 x 193 = 1,544 Mbps.
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Redes de Computadores
Time Division Multiplexing
The T1 carrier (1.544 Mbps).
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Redes de Computadores
Time Division Multiplexing (3)
Multiplexing T1 streams into higher carriers.
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Redes de Computadores
Hierarquia Européia
Sinal Digital Número de Canais de Voz Taxa de Transmissão
E1 E2 E3 E4
30 120 480
1920
2,048 Mbps 8,448 Mbps
34,368 Mbps 139,264 Mbps
➽ O esquema E1 é oriundo do padrão utilizado para a transmissão de voz em sistemas telefônicos digitais na Europa e no Brasil • 30 canais de voz, a 64 Kbps cada, transportados em
um sinal de 2,048 Mbps.
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Redes de Computadores
Linhas Digitais
A/D
Central Central
D/A A/D MODEM
Linha Digital
E1, p. ex.
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Redes de Computadores
Linhas Digitais
➽ RDSI-FE • Acesso básico (ISDN-BRI)
– 2 B+D • Acesso Primário (ISDN-PRI)
– E1 (30B + 2D); T1 (23B + D)
Central Central
Equipamento De Modulação Digital
Linha Digital Canal B = 64 kbps Canal D = 16 kbps
Canais B e D = 64 kbps
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Redes de Computadores
Diferentes Hierarquias de Sinais Digitais
Nível EUA Europa Japão
1234
1,544 Mbps (DS-1)6,312 Mbps (DS-2)
44,736 Mbps (DS-3)274,176 Mbps (DS-4)
2,048 Mbps (E-1)8,448 Mbps (E-2)
34,368 Mbps (E-3)139,264 Mbps (E-4)
1,544 Mbps 6,312 Mbps
32,064 Mbps 97,728 Mbps
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Redes de Computadores
Unificação das Hierarquias
155,52 x N Mbps
155,52 Mbps
51,84 Mbps
6,312 Mbps
1,544 Mbps 2,048 Mbps
x4 x3
x7
x3
xN
Sinal básico SONET (STS-1)
Sinal básico SDH (STM-1)
SDH
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Redes de Computadores
Time Division Multiplexing (5)
SONET and SDH multiplex rates.
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Redes de Computadores
Uma Visão de Outra Solução para o Acesso Residencial: xDSL
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Redes de Computadores
Digital Subscriber Lines (2)
Operation of ADSL using discrete multitone modulation.
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Redes de Computadores
Digital Subscriber Lines (3)
A typical ADSL equipment configuration.
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Redes de Computadores
Uma Visão de Outra Solução para o Acesso Residencial: Cable Modem
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Redes de Computadores
Internet over Cable
Cable television