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Redes de Computadores

Parte II: Camada Física

Professor: Reinaldo Gomesreinaldo@computacao.ufcg.edu.brDezembro, 2012

Meios de Transmissão

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Meios de Transmissão

TerminologiaA i ã d d d iA transmissão de dados ocorre entre um transmissor e um receptor através de algum meio

Meios guiadosPar traçado, cabo coaxial, fibra óptica, ...

Meios não guiados/sem fioAr, água, vácuo, ...

Espectro eletromagnético

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Meios de Transmissão

CabosCoaxial

Vantagens: menor interferência, maior distânciag ,

Desvantagens: mais caro, precisa de aterramento, difícil instalação

Meios de TransmissãoCabos

Par trançadoPar trançado

Vantagens: mais barato (não blindado), mais leve, fácil manuseio, não precisa de aterramento, fácil instalação

Desvantagens: limitação da distância, interferência eletromagnética

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Meios de TransmissãoCabos

Fibra ópticaFibra óptica

Vantagens: longo alcance, baixa perda, imune a ruído e a interferência eletromagnética, banda passante quase infinitap q

Desvantagens: custo, instalação

Modos de transmissão - Fibra Óptica

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Meios de Transmissão

Sem fioAntenas: Rádio, TV, Satélites, Microondas, etc.Vantagem: fácil instalaçãoDesvantagem: alta interferência

Forma de sinalização

Analógica:I f õ d f ê i õInformações geradas por fontes sonoras têm variações contínuas no tempo

Digital:Níveis discretos de tensão ou corrente. Pulsos nos quais a amplitude é fixa

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Sinais Analógicos e Digitais

Modos de transmissão

ParalelaTransmissão simultânea de vários bits (em geral umTransmissão simultânea de vários bits (em geral um byte), utilizando várias linhas de comunicaçãoUtilizada internamente nos computadores e para distâncias curtas

SerialOs bits são transmitidos um a um, em sequência, em um única linha de dadosTipo de transmissão mais utilizado em redes de computadores

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Ritmos de transmissão

SíncronaCadência fixa para transmissão sequenciada dos bitsCadência fixa para transmissão sequenciada dos bitsTransmissor e receptor devem estar sincronizados

AssíncronaNão exige fixação prévia de padrão de tempo Tempo de transmissão entre dois grupos de bits

d ipode variarUtiliza start bits e stop bits

Modos de operaçãoA transmissão e a recepção podem ou não existir simultaneamente no tempopSimplex

comunicação em uma única direçãoHalf-Duplex

comunicação em ambas as direções, porém nãosimultaneamente

Full-DuplexFull Duplexcomunicação em ambas as direções simultaneamente

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Tipos de ligação

Ponto-a-pontoA d i i i li d iApenas dois equipamentos interligados por um meio físico de transmissão

MultipontoVários equipamentos interligados por um meio físico de transmissão

Banda passante

Banda passante de um sinalIntervalo de frequências que compõem o sinalIntervalo de frequências que compõem o sinal (Ex.: 300Hz a 3300Hz - sinal de voz)

Largura de bandaTamanho da banda passante, ou seja, a diferença entre início e final da banda(Ex.: 3KHz)

Taxa de transmissão de dadosDepende da largura de bandaLimitada a duas vezes a largura de banda (1 bit por intervalo de sinalização)Especificada em bits por segundo (bps)

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Fontes de distorção de sinaisRuídosLinha cruzada (Crosstalk)Linha cruzada (Crosstalk)AtenuaçãoEcos

Formas de sinalização

Há duas maneiras para transmissão de dadosHá duas maneiras para transmissão de dados

Sinais AnalógicosSinais Digital

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Formas de sinalização

AnalógicaInformações geradas porInformações geradas por fontes sonoras têm variações contínuas no tempo;Dispositivos que transformam movimento ou condição de um evento

Sofrem menos atenuações Sofrem menos atenuações que sinais digitais em longas que sinais digitais em longas ou condição de um evento

natural em sinal elétrico ou mecânico que seja similar;

distâncias;distâncias;

Exemplos de dados analógicos

Relógio de ponteiros: i t é ál i t do seu movimento é análogo ao movimento do

tempo.Termômetro:

mede temperaturas que mudam constantemente. ação contínua e a faixa de valores não é limitada.

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Formas de sinalização

DigitalNíveis discretos de tensão ouNíveis discretos de tensão ou corrente; Pulsos nos quais a amplitude é fixa;Um sinal digital representa um valor “instantâneo” de uma it ã ã tsituação e não representa um

movimento contínuo.

Exemplos de sinais digitais

Saída serial de um computador:

Microcontroladores

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Transmissão digital

Transmissão digital

Um sinal digital caracteriza-se pela presença de pulsos p p ç pnos quais a amplitude é fixa;O sinal é construído através de uma seqüência de intervalos (de sinalização) de tamanho fixo iguais a T segundos;

T 1

gCada nível representa um bit (neste exemplo).

0

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Transmissão digital

O número de níveis usado na transmissão pode ser Tpmaior que dois;Com quatro níveis podemos representar 2 bits a cada intervalo de sinalização (dibit);Com oito níveis podemos

T1111

1010

0101

00000101 0101 1010 0101 0000 1111Com oito níveis podemos

representar 3 bits a cada intervalo de sinalização (tribit);

Transmissão digital

O número de intervalos de sinalização por segundo

1111Tç p g

pode ser diferente do número de bits por segundo;O número de intervalos de sinalização por segundo de um sinal digital é o número de bauds desse sinal;

1010

0101

00000101 0101 1010 0101 0000 1111

T

)(log1 2 bpsLbaud=

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A taxa máxima de transmissão de um Canal

Teorema de Nyquist:bpslog2dadosdemáxima Taxa 2LH=

Onde:

H é a largura de banda de um filtro passa baixa

L é o número de níveis discretos

T 1.

0

Transmissão Analógica

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Transmissão Analógica

Como posso transmitir um sinal digital através de um meio de transmissão analógico?um meio de transmissão analógico?

Esta função descreve o sinal correspondente a s u ç o desc eve o s co espo de etransmissão do caracter “b”O padrão de bits a ser transmitido é “01100010”

Transmissão Analógica

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Transmissão Analógica

Fontes de distorção de sinais

Além dos efeitos de distorção oriundos da largura de banda dos meios físicos, outros fatores podem causar distorções durante a transmissão:

RuídosAtenuação Ecos

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Fontes de distorção de sinais

RuídosInterferências de sinais externos ao meio físico;A quantidade de ruído é medida em termos da razão entre a potência do sinal e a potência do ruído:

razão sinal-ruído = S / N:Onde S = Sinal (Signal) e N = ruído (Noise)

Normalmente utiliza-se uma escala logarítmica paraNormalmente utiliza-se uma escala logarítmica para essa relação:

10 log10 (S/N) em decibéis (dB)

Classificação de ruídos

Ruído térmico;Ruído de intermodulação;Crosstalk;Ruído impulsivo

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Classificação de ruídos

Ruído térmico;provocado pela agitação dos elétrons nos condutores;uniformemente distribuído em todas as freqüências do espectro;função da temperatura;função da temperatura;chamado de “ruído branco”

Classificação de ruídos

Ruído de intermodulação;ocasionado quando diferentes freqüências compartilham o mesmo meio físico através de FDM;Pode ocorrer devido a sinais com potência muito alta;;

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Classificação de ruídos

Crosstalk;Muito comum em sistemas telefônicos;Também chamado de linha cruzada;Causado por interferências induzidas por cabos muito próximos;

Classificação de ruídos

Ruído impulsivo;Podem ser causados por falhas em equipamentos;Podem ser causados por disparos de certos equipamentos como motores elétricos ligados próximos do meio físico ou no mesmo circuito elétrico;;

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Lei de Shannon

A capacidade máxima teórica C de um canalteórica C de um canal (em bps), cuja largura de banda é H Hz e cuja a relação sinal ruído é S/N, é dada por:

b)/(l bps)/1(logC 2 NSH +=

Fontes de distorção de sinais

AtenuaçãoA potência cai com a distância de modoA potência cai com a distância de modo logarítmico;Normalmente expresso em Decibéis;Ocorre por aquecimento;Repetidores podem reforçar o sinal e retransmiti-lo.

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Fontes de distorção de sinais

EcosCausam efeitos similares aos ruídos;Causam efeitos similares aos ruídos;Mudanças de impedâncias na linha faz com que os sinais sejam refletidos;Em linhas telefônicas utilizam-se canceladores de ecos.

Multiplexação

MotivaçãoBanda passante necessária para um sinal é, em geral, bem menor do que a banda passante dos meios físicos disponíveis;Pode-se aproveitar a banda passante não utilizada para transmitir outros sinais (simultaneamente).

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Multiplexação

MultiplexaçãoCompartilhamento de um mesmo canal de transmissão por vários sinais, sem interferência entre eles, para aproveitar toda a banda passante;

Multiplexação na freqüência e no tempoFDM – Frequency Division MultiplexingTDM – Time Division Multiplexing

FDM - Frequency Division MultiplexingProcedimento no transmissor

Os sinais são filtrados para preser ar a fai a relati a àOs sinais são filtrados para preservar a faixa relativa à banda passante de cada um;Deslocamento da faixa de freqüência original dos sinais, para que ocupem faixas disjuntas.

Procedimento no receptorConhecimento da faixa de freqüência do sinalConhecimento da faixa de freqüência do sinalDeslocamento do sinal para a faixa originalFiltro para reconstituir o sinal original

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FDM - Frequency Division Multiplexing

a) Largura de banda original;b) Sinal deslocado na frequência;b) Sinal deslocado na frequência;c) Canal multiplexado.

FDM - Frequency Division Multiplexing

OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexingg q y p gUsando FDM não existe relacionamento entre as frequências no expectro – portadoras são colocadas juntas

No OFDM cada portadora é uma senoide com frequência igual a de uma frequência base da senoide fundamental –essa condição permite a ortogonalidadeessa condição permite a ortogonalidade

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WDM - Wavelengh Division Multiplexing

TDM - Time Division Multiplexing

Capacidade de transmissão (em bps), em muitos casos excede a taxa de geração dos equipamentoscasos excede a taxa de geração dos equipamentos conectados;Vários sinais são intercalados no tempo;TDM síncrono

intervalos (frames) e subintervalos (segmentos)canal: conjunto dos segmentos, um em cada frame

TDM assíncronoTDM assíncrononão existe alocação de canaleliminação do desperdício

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Multiplexação no tempo - TDM

Métodos de Codificação Digital

Fisicamente: comunicação por corrente elétrica, ondas de rádio luzondas de rádio, luzComputadores: dispositivos digitais

corrente elétrica Info. Digital ?

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Codificação Polar

+

Corrente elétrica para enviar bits

Tempo0

-00 01 1

Corrente elétrica para enviar bits.Voltagem negativa: bit 1Voltagem positiva: bit 0

Codificação Unipolar

1´s e 0´s representados por voltagem positiva1 s e 0 s representados por voltagem positivamas suscetível a interferências

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Codificação Bipolar

Utiliza voltagens negativa, positiva e zero.1 - positivo ou negativo 0 - voltagem zeromais resistente à interferência

Codificação Manchester - Bipolar

1 - mudança de negativo p/ positivog p p0 - mudança de positivo p/ negativo

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Modulação

Modulação

Deslocamento do sinal original, de sua faixa de freqüência para outra faixafreqüência para outra faixa

Sinal original - sinal moduladorPortadora (carrier) - onda básica usada no deslocamento

Modulação analógicaModulação por Amplitude - AMMod lação por Freqüência FMModulação por Freqüência - FMModulação por Fase - PM

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MODULANTE

Tipos de modulação

MODULANTE

PORTADORA

AM

FM

PM

OSCILADOR ANTENA

Modulação em amplitude

OSCILADOR

SINAL

X

ANTENA

PORTADORA

MODULANTE

ONDA MODULADA AM

1 0 1 0OSCILADOR

SINAL

X

ANTENA

PORTADORA

MODULANTE

ONDA MODULADA

1 0 1 0

ASK

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OSCILADOR ANTENA

Modulação em freqüência

FMSINAL

XPORTADORA

MODULANTE

ONDA MODULADA

FSK

1 0 1 0OSCILADOR

SINAL

X

ANTENA

PORTADORA

MODULANTE

ONDA MODULADA

1 0 1 0

OSCILADOR ANTENA

Modulação em fase

PMSINAL

XPORTADORA

MODULANTE

ONDA MODULADA

PSKOSCILADOR

SINAL

X

ANTENA

PORTADORA

MODULANTE

ONDA MODULADA

1 0 1 0

1 0 1 0

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Modem

Sinal modulado (modem analógico)ou codificado (modem digital)

Sinal

( g )

Si l

LinhaTelefônica

Modem Modem

Gera sinais analógicos adequados à transmissãode um sinal binário vindo do ETDsobre uma linha telefônica

Binário SinalBinário

Modems Analógicos

O Modem gera uma onda chamada Portadora

Exemplo: Modulação FSK

O Modem modifica (modula) o sinal da PortadoraPode variar a amplitude, a frequência ou a fase da portadoraou uma combinação delasPodem transmitir dados síncronos ou assíncronos