redes de computadores redes de computadores i camada física professor: m.sc. carlos oberdan rolim

REDES DE COMPUTADORESREDES DE COMPUTADORES I

Camada física

Professor: M.Sc. Carlos Oberdan Rolim

URI - DECC - Santo Ângelo

EMBASAMENTO TEÓRICO PARA COMUNICAÇÃO DE DADOS

• transmissão de sinal: propagação de ondas através de um meio físico (ar, fios metálicos, fibra de vidro) que podem ter suas características (amplitude, freqüência, fase) alteradas no tempo para refletir a codificação da informação transmitida.

• A informação está associada, em geral, às idéias ou dados manipulados pelos agentes que as criam, manipulam e processam. Sinais correspondem à materialização específica dessas informações, utilizada no momento da transmissão.


sinal analógico: sinal que varia continuamente no tempo.

Sinal analógico

Modulação por amplitude, freqüência e fase

Sinais Periódicos e Não Periódicos• Sinal periódico: completa um padrão dentro de

um período mensurável, denominado período, e esse padrão se repete de forma idêntica ao longo dos períodos seguintes. O termino de um padrão é chamado ciclo

• Sinal não periódico: muda sem exibir um padrão ou ciclo que se repita ao longo do tempo



Onda senoidal

É a forma fundamental de um sinal analógico, varia de forma contínua ao longo do cicloCada ciclo da senoide consiste de dois arcos da função seno e segue a seguinte fórmula:

S(t)=A sem (2πft + θ), onde S é o valor instantâneo da senoide, A é a amplitude, f a freqüência e θ a fase

Onda senoidal• Amplitude máxima• Freqüência• Fase


Descrevem completamente uma onda senoidal

fim de ciclo

• Período é o tempo necessário para um fenômeno se repetir• Freqüência é a taxa de mudança em relação ao tempo

(quantidade de períodos)

• Mudança em um curto espaço de tempo significa alta freqüência

• Mudanças ao longo de espaço de tempo prolongado significa baixa freqüência

Período se refere a quantidade de tempo, em segundos, que um sinal precisa para completar um ciclo (mudar de fase).

Freqüência corresponde ao numero de períodos em 1 segundo . (Hz)

Freqüência e períodos são inversos entre si T = 1 / f e f = 1 / T

Unidades de período e freqüênciaUnidade Equivalência Unidade Equivalência

Segundo (s) 1s Hertz (Hz) 1 Hz

Milissegundo (ms) 10 -3 s Quilohertz (kHz) 103Hz

Microssegundo(µs) 10 -6 s Megahertz (MHz) 106Hz

Nanossegundos (ns) 10 -9 s Gigahertz (GHz) 109Hz

Picossegundos (ps) 10 -12 s Terahertz (THz) 1012Hz

Unidades de período e freqüência

Campo Eletromagnético•As ondulações de uma onda são geradas pelas perturbações nas propriedades eletromagnéticas da onda. Ou seja, nas propriedades elétricas e propriedades magnéticas

* Fonte: http://www.if.ufrgs.br/oei/stars/espectro.htm

O campo eletromagnético*O campo eletromagnético*

Campo Eletromagnético

• Tanto a luz como o infravermelho ou ondas de rádios, são iguais, o que diferencia uma onda eletromagnética da outra é a sua frequência.

•Quanto mais alta for essa frequência mais energética é a onda.

•Quanto mais energético for o fóton, menor o seu poder de transposição de obstáculos, por causa disso a luz que possui uma alta freqüência não consegue atravessar uma parede.

* Fonte: http://www.if.ufrgs.br/oei/stars/espectro.htm

Comprimento da onda•É a distância entre valores repetidos da mesma onda

Fórmula:

Então, num exemplo de 27Mhz o comprimento da onda será:

A velocidade da luz no vácuo é de 299.792.458 m/s ≡ 300.000 Km/seg ≡ (3 x 10e8 m/s)A frequência é de 27.000.000 oscilações/s (hertz) Comprimento de onda = 299792458 m/s / 27000000 osc/s Comprimento de onda = 11,10 m/osc


λ (Lambda) = Comprimento de OndaC = Velocidade da Luz = f = Frequencia em Hertz

A 2.4 GHz, o comprimento da onda será APENAS 12,5

centímetros!!

Em 5.8Ghz = 5,1 cm

A 2.4 GHz, o comprimento da onda será APENAS 12,5

centímetros!!

Em 5.8Ghz = 5,1 cm

Exercício Resolvido

Expressar um período de 100 ms em microsegundos.

SoluçãoDa tabela anterior nós achamos o equivalente de 1 ms (1 ms é 10−3 s) e 1 s (1 s é 106 μs). Nós fazemos as substituições:.

Fase• O termo fase descreve a posição da forma de

onda com relação ao marco zero do tempo– é o ângulo de Inflexão em um ponto especifico no

tempo

• A fase é medida em graus ou radianos• 360º = 2πrad

Domínio do Tempo x Frequência• Uma onda senoidal para ser bem definida precisa dos

parâmetros de amplitude, fase e frequência• Na maioria dos gráficos a amplitude é apresentada

em função do tempo, mas também pode ser apresentada em função do frequência

No domínio do tempo é mostrada as mudanças de amplitude em relação ao tempo

No domínio da freqüência é mostrado apenas o valor máximo e a freqüência

Sinais Compostos• Série de Fourier

– Para compreender a informação contida em um sinal é preciso discretizar o sinal, dividi-lo em sinais simples e identificar as excitações correspondentes

– No século XIX o matemático francês chamado Jean Baptiste Fourrier mostrou que qualquer sinal composto é a soma de um conjunto de senoidais de diferentes freqüências, fases e amplitudes

– Qualquer sinal pode ser descrito por

• Transformada de Fourier – FFT (Fast Fourier Transformer)

• Sinal no domínio do tempo, sua discretização e em seguida o sinal no domínio da frequência


• Transformada de Fourier – FFT (Fast Fourier Transformer)

• Sinal complexo e seu espectro FFT


Sinal composto e meio de transmissão

• Fisicamente quando um sinal viajar por um meio de comunicação sofre com fenômenos que limitam ou impedem a passagem de determinadas freqüências, com isso um sinal composto que entra, nunca será igual ao sinal de saída

Uma onda senoidal simples não é útil em comunicações de dados. É preciso enviar um sinal composto formado por várias ondas senoidais simples

Banda passante de um sinal

• Intervalo de frequências que compõe o sinal.

Exemplo:banda passante do ouvido humano: 20 Hz a 20 kHz

Largura de banda

• Tamanho da banda passante (diferença entre a maior e a menor freqüência).

• A largura de banda normalmente se refere à diferença entre duas freqüências, das quais as superiores e inferiores são filtradas pelo meio

Exemplo:

largura de banda do ouvido humano: 20.000 - 20 = 19.980 Hz

Sinais digitais• Além de representadas por um sinal analógico as informações

podem ser transmitidas por um sinal digital

sinal digital: seqüência de pulsos com amplitude fixa (em valores discretos), onde o sinal é construído através de uma seqüência de intervalos de tamanho igual a τ (tau) segundos, chamados intervalos de sinalização.

Possui estágios bem definidos Não são periódicos

• Um sinal analógico tem infinitamente muitos níveis de intensidade ao longo de um período de tempo

• Um sinal digital tem um número limitado de valores definidos. – Geralmente representado por valores 0´s e 1´s


Taxa de modulação e taxa de transmissão• Por não serem periódicos, os termos freqüência e

período não são adequados para mensurar um sinal digital

• Para isso foram criadas duas novas unidades que se adequam as necessidades dos sinais digitais, são elas:– Taxa de modulação: representa a quantidade de modulações

(sinalizações) realizadas (geralmente em 1 segundo)– Taxa de transmissão: quantidade de bits enviada em um

segundo

Velocidade ou taxa de Modulação A velocidade de modulação ou velocidade de sinalização é definida

como sendo a quantidade de pulsos (sinalizações) que ocorre durante certo intervalo de tempo. É representada por Vm. Usa a unidade chamada de baud

Um sinal digital binário é um caso particular de sinal digital multi-nivel e assim pode ser expresso em baud


Sinal Multinível – Cada pulso possui um tempo de duração de τ segundos. Assim, em 1 segundo tem-se 1/τ pulsos (lê-se 1 sobre “tau” pulsos)

O tempo geralmente é definido como 1 segundo. Assim: Vm = Quantidade de pulsos / largura do pulso (1

segundo) Vm = 1 / τ [bauds]

Exemplo I : Num sinal digital cada pulso possui uma largura de 2,5 ms. Calcule a velocidade de modulação desse sinal.

Solução: Vm = 1 / τ = 1 / 2,5 x 10-3 s Vm = 400 bauds

Exemplo II : Um sinal digital possui uma velocidade de modulação de 5000 bauds. Calcule a largura de cada pulso desse sinal. Solução:

Sabemos que τ = 1/ Vm = 1 / 5000 τ = 0,2 ms


Em ambos exemplos não é dito se o sinal é digital ou não. Isso não importa, pois a definição de velocidade de modulação vale para qualquer tipo de sinal

Velocidade ou taxa de transmissão• Também chamado de bit rate• Corresponde a quantidade de bits transmitidos por

segundo. • Medida em bits por segundo (bps)

– 1.024 bps = 1 kbps (1 kilobit ou mil bits por segundo)– 1.048.576 bps = 1 Mbps (1 megabit ou 1 milhão de bits por

segundo)– 1.073.741.824 bps = 1 Gbps (1 gigabit ou um bilhão de bits

por segundo)


O bit rate útil de uma comunicação refere-se à capacidade de transferência de um canal excluindo os dados de controle transmitidos (para correção de erros, etc).


(a) 1 bit por nível (b) 2 bit por nível


Lembrando que em um intervalo de sinalização τ um ou mais bits podem ser transmitidos

Sinal digital (dibit)

Nos leva a seguinte pergunta:

Qual a relação de quantidade de bits de sinalização com a taxa de transmissão???


• Lembrando que baud representa o número de intervalos de sinalização em um segundo.Se:

1 bit em 1 τ 2⇒ 1 níveis de sinalização2 bits em 1 τ 2⇒ 2 níveis de sinalização (dibit)3 bits em 1 τ 2⇒ 3 níveis de sinalização (tribit). . .n bits em 1 τ 2⇒ n níveis de sinalização

então:L níveis de sinalização log⇒ 2 (L) bits/nível de sinalização

Logo:1 baud = log2 (L) bits por segundo

Exemplo: em uma transmissão de 10 bauds temos:

se 1 bit transmitido em 1 τ 10 * log⇒ 2 (2) bps = 10 bpsse 2 bits transmitidos em 1 τ 10 * log⇒ 2 (4) bps = 20 bpsse 3 bits transmitidos em 1 τ 10 * log⇒ 2 (8) bps = 30 bps


Taxa de transmissão x taxa de modulação

• Em resumo– Taxa de modulação (baud rate): representa a

quantidade de modulações (sinalizações) realizadas.Unidade de medida baud

– Taxa de transmissão (bit rate): corresponde a quantidade de bits transmitidos. Medida em bits por segundo (bps)

A taxa de transmissão é sempre maior ou igual a taxa de modulação

Largura de banda em bits por segundo• O termo largura de banda pode se referir ao número de bits

por segundo de um canal, enlace ou até mesmo uma rede pode transmitir.

• Existe uma relação entre largura de banda em Hertz e largura de banda em bits por segundo. Basicamente aumentando um acaba aumentando o outro

Em redes usados o termo largura de banda em dois contextos:

Largura de banda em Hertz: se refere ao intervalo de freqüências de um sinal composto ou o intervalo de freqüências que um canal deixa passar

Largura de banda em bits por segundo: se refere à taxa de transmissão de bits em um canal ou enlace

Throughput• Mede a velocidade pela qual podemos enviar dados pela rede• Largura de banda e throughput são coisas diferentes.

– Um enlace pode ter a largura de banda de B bps, porém pode enviar somente T bps, em que T < B

Ex: Uma rede com largura de banda de 10 Mbps é capaz de deixar passar apenas uma média de 12.000 pacotes por minuto, em que cada pacote transporte em média 10.000 bits. Qual é o throughput dessa rede ?

Largura de banda é a medida possível de um enlaceThroughput é a medida real da rapidez pela qual os dados podem ser enviados

T = 12.000 * 10.000 = 2 Mbps 60

Ou seja um quinto da largura de banda


Limites na taxa de transferência

• A taxa de transferência depende de três fatores:– Largura de banda disponível– O nível dos sinais usados– A qualidade do canal (o nível de ruído)

• Foram desenvolvidas duas formulas para calcular a taxa de transferência: – Nyquist para um canal sem ruídos– Shannon para um canal com ruídos


• Taxa de transmissão máxima de um canal sem ruído (Teorema de Nyquist)

– Em 1924 H. Nyquist provou que se um sinal arbitrário é transmitido por um canal de largura de banda de W Hz, o sinal resultante da transmissão pode ser totalmente reconstituído no receptor através da amostragem do sinal transmitido a uma freqüência mínima de 2 W Hz (que também é a máxima recomendada).

– Em outras palavras: A freqüência de amostragem de um sinal analógico, para que possa posteriormente ser reconstituído com o mínimo de perda de informação, deve ser igual ou maior a duas vezes a maior freqüência do espectro desse sinal.


– Para transmissão digital isso implica que o nível de sinalização (mudanças de amplitude do sinal) não pode ser maior que 2 vezes a largura de banda (2 W Hz). Ou seja, em um canal digital de W Hz de banda, transmite-se no máximo 2 W bauds.

Como1 baud = log2 (L) bps

então a capacidade máxima de um canal digital (na ausência deruído) é

C = 2 * largura de banda * log2 (L) bps

Exemplo:Em um canal de 3.000 Hz de banda (típico em telefonia) com 2

níveis de sinalização, pode-se transmitir (digitalmente) no máximo:

C = 2 * 3.000 * log2 (2) = 6.000 bps

Importante

Quando o sinal tem apenas 2 níveis é simples distinguir entre 0 e 1. Quando aumenta para 64 níveis o receptor deve ser mais sofisticado.


Aumentar os níveis de um sinal reduz a confiabilidade do sistema

Ruído– Em qualquer transmissão, o sinal recebido é sempre igual ao

sinal transmitido modificado por distorções impostas por meios físicos e por distorções inseridas através de interferências indesejáveis ou ruídos (maior limitação no desempenho dos sistemas de comunicação).

– O ruído é medido pela razão entre a potência do sinal (S) e a potência do ruído (N), chamada de razão (ou relação) sinal-ruído (S/N).

– Em geral se usa o valor 10 log10 (S/N) que se denomina decibel (dB).

Em termos menos técnicos, a relação sinal-ruído compara o nível de um sinal desejado (música, por exemplo) com o nível do ruído de fundo. Quanto mais alto for a relação sinal-ruído, menor é o efeito do ruído de fundo sobre a detecção ou medição do sinal.

Para fins de comparação o SN um ADSL normalmente é:- 5dB = ruim, impossível sincronizar - 23dB-28dB = excelente- 29dB-35dB = raro


• Ruído

– térmico: causado pela agitação dos elétrons nos condutores, presente em todos os dispositivos eletrônicos e meios de transmissão, sendo uniformemente distribuído em todas as freqüências do espectro (ruído branco) com quantidade definida em função da temperatura.

– intermodular: causado pelo compartilhamento de um mesmo meio físico (através de multiplexação de freqüência) por sinais de diferentes freqüências. Ocorre em geral devido a defeitos de equipamento ou na presença de sinais de potência muito alta.


• Ruído

– crosstalk: causado pela interferência indesejável entre condutores muito próximos que induzem sinais entre si (linhas telefônicas cruzadas, cabos de pares trançados em redes Ethernet, por exemplo).

– impulsivo: pulsos irregulares de grande amplitude, não contínuos e de difícil prevenção. Tem origem em várias fontes: distúrbios elétricos externos, falha de equipamento, etc. Na transmissão analógica, sendo de curta duração, não causam danos. Na transmissão digital são a maior causa de erros.


• Taxa de transmissão máxima de um canal com ruído térmico (Lei de Shannon)

Em 1948, Claude Shannon provou que a taxa de transmissão máxima de um canal, na presença de ruído térmico é:

C = W * log2 (1 + S/N) bps

onde W é a largura de banda e S/N a relação sinal ruído.

•

• Atenuação: queda de potência de um sinal em função da distância de transmissão e do meio físico.

• Eco: reflexão de sinal quando há mudança da impedância (resistência à passagem de um sinal alternado) do meio de transmissão.

Exemplo: Calcular a transferência máxima teórica de uma linha telefônica Canal de 3 kHz , com S/N = 3.162 (30 dB)

C = W log2 (1 + S/N) = 3.000 log2 (1+ 3.162) = 3.000 log2 3.163 = 3.000 * 11.62 ≈ 34.860 bps

Para aumentar essa velocidade aumenta banda disponível ou reduz S/N

Atenuação em um ADSL:0 - 19dB = excelente20-30dB = Muito bom30-40dB = bom65dB ou superior terão problemas


Portadora• Numa transmissão analógica o transmissor produz um sinal de alta

freqüência que funciona como suporte para o sinal de informação. Esse final de suporte é chamado de portadora ou freqüência portadora

• O dispositivo receptor é sintonizado na freqüência da portadora que ele espera receber do transmissor

• A informação digital modula então o sinal da portadora modificando uma ou mais de suas características (amplitude, freqüência, fase)


Modulação de sinais digitais• Exemplo: Necessidade de transmitir dados do computador via

linha telefônica

Modulação binário para analógico

• Tipos:– ASK – Amplitude Shift Key– FSK – Frequency Shift Key– PSK – Phase Shift Key– QAM – Quadrature Amplitude Modulation


ASK (Amplitude Shift Key)• A intensidade do sinal da portadora varia de modo a representar a

informação binária 0 ou 1.• A frequencia e a fase permanecem constante enquanto a amplitude sofre

variações


FSK (Frequency Shift Key)• A frequencia do sinal da portadora varia para representar a informação

binaria 0 ou 1• A frequencia do sinal é mantida constante durante cada intervalo de bit,

mas o valor da frequencia em cada intervalo depende do bit representado

• Amplitude e fase permanecem inalterados em cada intervalo de bit


PSK (Phase Shift Key)• A fase da portadora varia para representar 0 ou 1• Amplitude e frequencia permanecem constantes• Não é susceptivel as degradações provocadas por ruídos que afetam a

ASK ou as limitações de banda da FSK


QAM (Quadrature Amplitude Modulation)• Modifica simultaneamente duas características da onda da portadora:

amplitude e fase• Utilizada em TV digital e outros sistemas que necessitam de alta taxa de

transferência de informação• Este fator reduz as taxas de transmissão potenciais da técnica PSK• É uma combinação da ASK e PSK elaborada para aumentar o número de

bits para uma dada taxa de modulação• A modulação QAM pode ser: 4 QAM, 8 QM, 16 QAM, 32 QAM, 64 QAM,

128 QAM, 256 QAM, 512 QAM, 1024 QAM e 2048

Exemplo de Sinal 8-QAM(8 refere-se a taxa de modulação em 1 segundo)


Modulação de sinais analogicos

Modulação analógico para analógico

• Tipos:– AM– FM– PM


Modulação AM


• Modulação FM


MEIOS FÍSICOS DE TRANSMISSÃO DE SINAIS• Os meios físicos de transmissão de sinais diferem com

relação à:– banda passante;– potencial para conexão ponto a ponto ou multiponto;– limitação geográfica devido à atenuação do meio;– imunidade a ruído;– custo;– disponibilidade de componentes; e– confiabilidade.


• Os meios mais comumente usados são:– cabo de pares trançados;– cabo coaxial; e– fibra ótica.

• Sob circunstâncias especiais, podem também serem usados:– radiodifusão;– infravermelho;– enlaces de satélites; e– enlaces de microondas.


Cabo coaxial• O cabo coaxial é constituído de um condutor interno (mina) circundado por

um condutor externo (malha), tendo, entre os condutores, um dielétrico plástico que os separa, terminando com uma cobertura externa de proteção.

• Velocidade máxima teórica 20Mbps

Cabo Coaxial


Cabo coaxialConector

A: revestimento de plásticoB: tela de cobreC: isolador dialétrico internoD: núcleo de cobre.

BNC-T

Terminador

Conexão


Cabo de pares trançados• No cabo de pares trançados, um, dois ou quatro pares de fios são enrolados em espiral dois a dois

de forma a reduzir o ruído e manter constante as propriedades elétricas do meio ao longo de todo o seu comprimento. Suporta transmissão analógica e digital, tem largura de banda relativamente alta (10 (Ethernet) / 100 (Fast Ethernet) / 1.000 (Gigabit Ethernet) / 10.000 (10Gigabit Ethernet) Mbps, dependendo da distância, técnica de transmissão e qualidade do cabo).

Cabo de pares trançados


O cabo de pares trançados pode ser:– não blindado: (Unshielded Twisted Pair - UTP): quando seus pares são envolvidos

unicamente por uma cobertura plástica (são mais baratos, mas mais sujeitos à interferências). Permite taxas de transmissão de até 100 Mbps com a utilização do cabo CAT 5e; é o mais barato para distâncias de até 100 metros;

– blindado: (Shielded Twisted Pair - STP): quando seus pares são envolvidos por uma capa metálica (blindagem) e uma cobertura plástica. A malha metálica confere uma imunidade bastante boa em relação ao ruído, particularmente ao efeito crosstalk de fiações adjacentes.

– Screened Twisted Pair (ScTP) e Screened Foil Twisted Pair (S/FTP): são cabos com dupla blindagem, onde cada par individual recebe uma blindagem do tipo "folha metálica" (foil) e todos recebem uma blindagem geral tipo malha de blindagem (screened). O ScTP é blindado por uma malha metálica parecida com as dos cabos coaxiais, enquanto os S/FTP são blindados com uma fina folha de aço ou de alumínio


Características do cabeamento em par metálico segundo as normas ISO e EIA/TIA

ISO EIA/TIA UtilizaçãoCat 1 Serviços telefônicos e dados de baixa velocidade

Cat 2 RDSI e circuitos T1/E1 - 1,536 Mbps/2,048 Mbps

Classe C Cat 3 Taxas até 16 MHz, incluindo 10Base-T e 100Base-T

Classe B Cat 4Taxas até 20 MHz, incluindo Token-Ring e 100B-T (extinto)

Classe D Cat 5Taxas até 100 MHz, incluindo 100Base-T4 e 100Base-TX (extinto)

Cat 5e(enhanced)

Taxas até 125 MHz, incluindo 1000Base-T e 1000Base-TX

Classe E Cat 6

Taxas até 200/250 MHz, incluindo 1000Base-T e 1000Base-TXPode-se usar para 10GBase-T com alcance reduzido a 55m

Cat 6a(augmented)

Taxas até 500 MHz em redes 10GBase-T

Classe F Cat 7 Taxas até 500/600 MHz, incluindo 10GBase- T

Classe Fa Cat 7a Ainda não reconhecida. Taxas de 100Gbps – 15 metros


Cabo de pares trançadosCabo não blindado

Cabo blindado

Conector RJ45

Cabos cat 5 e 5E, certificados para o padrão EIA-568-B


Conector IEC 61076-3-104Chamado de TERA deverá ser usado em redes de 100Gbps

Cabo S/FTP

Cabo cat 6a, com o espaçador interno e comparação entre a espessura domesmo volume de cabos cat 5e e cat 6a


568A e 568B

Qual o padrão em uso nesse cabo ?

São padrões de cabeamento Se um cabo for fabricado com ambas as pontas em T568A, ou

mesmo, ambas as pontas em T568B, ele será um cabo direto.


Cabos Cross-over Servem para interligar dois computadores diretamente Se for fabricado com uma ponta em T568A e outra ponta em T568B,

será chamado de cabo crossover.


Erros comuns na crimpagem

FIBRA ÓPTICA• A transmissão em fibra óptica é realizada pelo envio de um sinal de luz codificado,

dentro de um domínio de freqüência do infravermelho, 1012 a 1014 Hz, através de um cabo ótico que consiste de um filamento de sílica ou plástico. Pode ter diâmetros ínfimos, da ordem de micrômetros (mais finos que um fio de cabelo) até vários milímetros.

Cabo de fibra óptica

• Toda vez que um feixe de luz atravessa um material e passa para outro material com índice de refração diferente, ocorre um fenômeno chamado refração.

• Velocidade da luz 300.000 km/segundo• Tecnologia atual permite ultrapassar os 50.000 Gbps (50Tbps).

Entretanto limite prático é de 100Gps devido a conversão de sinal óptico/elétrico

• O cabo óptico funciona baseado nesse princípio. Possui um filamento condutor de luz, ao redor do qual se colocam substâncias de menor índice de refração, que fazem com que os raios de luz sejam refletidos internamente, minimizando as perdas de transmissão.

• Existem três tipos de fibras óticas:– multimodo degrau– multimodo gradual– monomodo


Refração da luz

Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=EK9bblRKayAURI - DECC - Santo Ângelo

Como as fibras são fabricadas

Entenda como se faz a fusão de uma fibra ótica

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=kOFjiuyOSaQ


Fibra ótica multimodo degrau• É a mais simples e foi a primeira a ser produzida. Seu

funcionamento é baseado no fenômeno da reflexão total interna na casca de índice de refração mais baixo.

• A qualificação multimodo refere-se à possibilidade de que vários feixes em diferentes ângulos de incidência se propaguem através de diferentes caminhos pela fibra.

• O termo degrau vem da existência de uma descontinuidade na mudança de índice de refração na fronteira entre o núcleo e a casca da fibra.

Fibra multimodo degrau


• As fibras multimodo degrau mais comuns têm diâmetro de núcleo e casca de 100 um e 140 um, respectivamente (normalmente indicados separados por uma barra: 100/140).

• O padrão ISSO 9314/ANSI X3T9.5 (FDDI) define a possibilidade da utilização de cabos de fibra multimodo degrau 50/125, 100/140 e 85/125.

• Em fibras multimodo degrau, o fenômeno de dispersão modal é um dos maiores limitantes da taxa de transmissão.

• A dispersão modal caracteriza-se pelo fato de que os diferentes raios de um pulso de luz se propagam por diferentes caminhos ao longo da fibra fazendo com que os momentos de chegada desses raios no destino ocorram em tempos diferentes, fazendo com que pulsos consecutivos possam gerar interferência uns nos outros.


Fibra óptica multimodo gradual• Na fibra óptica multimodo gradual, ao invés de ocorrer uma mudança

brusca do índice de refração do núcleo para a casca, ocorre uma diminuição gradual de forma contínua, como mostra a figura abaixo.

Fibra óptica multimodo gradual


Fibra óptica monomodo• Em fibras monomodo, a ideia é produzir núcleos de diâmetro

tão pequeno, que apenas um modo (feixe) seja transmitido

• Dessa forma é eliminado naturalmente o problema da dispersão modal, atingindo-se, consequentemente, maiores taxas de transmissão e maiores distâncias.

Fibra monomodo


três tipos de fibra ótica: multimodo índices degrau e gradual emonomodo índice degrau

• Para efeito de comparação, as fibras multimodo permitem um alcance de até 550 metros no Gigabit Ethernet e 300 metros no 10 Gigabit

As fibras monomodo podem atingir até 80 km no padrão 10 Gigabit.

Esta brutal diferença faz com que as fibras multimodo sejam utilizadas apenas em conexões de curta distância, já que sairia muito mais caro usar cabos multimodo e repetidores do que usar um único cabo monomodo de um ponto ao outro.


Monomodo e multimodo com dispersão modal


• Fibras ópticas têm uma série de vantagens sobre cabos metálicos (par trançado e coaxial):– São imunes a interferências eletromagnéticas e a

ruídos e, como não irradiam luz para fora do cabo, não se verifica “crosstalk”.

– Permitem um isolamento completo entre o emissor e o receptor, eliminando o perigo de curtos elétricos entre ambos

– São mais finas e mais leves que cabos coaxiais e permitem taxas de transmissão de até 1000 Gbps operacional ( experimentalmente já se trabalha com taxas de Terabits por segundo).


• Existem desvantagens também:

– Ainda são caras

– Exigem procedimentos especiais para a emenda e aplicação de conectores (junção ou solda)

– O lançamento (aéreo ou subterrâneo) da fibra exige certoscuidados de manuseio e disposição (não se poder fazer uma curva muito acentuada com o cabo sob pena de tornar o ângulo de incidência dos feixes em relação à normal muito pequeno, provocando o escape desses feixes que não serão mais refratados).


OUTROS MEIOS DE TRANSMISSÃO• Além dos três meios descritos anteriormente, existem outros meios de

transmissão (pouco usados em redes locais).

• A radiodifusão (wireless networks) é adequada para ligações ponto a ponto e para ligações multiponto, e são uma alternativa viável onde é difícil, ou mesmo impossível, instalar cabos metálicos ou de fibra ótica (ligação de redes entre dois prédios separados por ruas de uma cidade), ou então quando a confiabilidade do meio físico é extremamente importante, como por exemplo em aplicações bélicas, onde o rompimento de cabos poderia paralisar todo um sistema de defesa.

• Radiação infravermelha, microondas e satélites também podem ser usados como meios de transmissão em redes de computadores (na verdade, muita da comunicação entre redes distantes - intermunicipais/interestaduais - são feitas através de enlaces de rádio com microondas e redes intercontinentais são feitas através de enlaces de satélites).


TRANSMISSÃO SEM FIO• Necessária para:

– Pessoas que precisam ficar on-line o tempo todo;– Estabelecimento de conexões de longa distância (intermunicipal,

interestadual, intercontinental; interplanetária).

• Base: Quando os elétrons se movem, criam ondas eletromagnéticas que podem se propagar no espaço (inclusive no vácuo). Foram descritas pelo físico inglês James C. Maxwell em 1865, e produzidas e observadas pelo físico alemão Heinrich Hertz em 1887.

• Características:– O número de oscilações por segundo de uma onda eletromagnética é

chamado freqüência (f) e é medido em Hz (em homenagem a Hertz);– A distância entre dois pontos máximos (ou mínimos) da onda é

chamada de comprimento de onda (λ).


Espectro eletromagnético


Espectro eletromagnético e seu uso nas comunicações


Legenda

• O gerenciamento do espectro eletromagnético é normalmente realizado por organismos internacionais (ITU-R) e nacionais (ANATEL – Agência nacional de Telecomunicações).


Transmissão de Rádio• Espectro vai de VLF a VHF;• Instalação Fácil;• Barato;• Viaja a longa distância e é multidirecional;• VLF, LF e MF atravessa obstáculos (p. ex. prédios), perde

potência muito rapidamente (aprox. 1/raio3) e tende a seguir a curvatura da Terra;

• HF, UHF e VHF viaja em linha reta, reflete em obstáculos, pode ser absorvida pela chuva, é sujeita a interferências de motores, é absorvida pela Terra, é refletida pela ionosfera;

• Governo controla o uso através da ANATEL;


Propagação de ondas: (a) VLF, LF e MF, (b) HF e VHF


Transmissão em Microondas• Acima de 100 MHz, as ondas viajam em linha reta, sendo necessário um

alinhamento perfeito entre o emissor e o receptor;

• Fornecem relação sinal/ruído muito superior;

• Até o surgimento da fibra ótica, por décadas formaram o coração do sistema de transmissão das operadoras de telecomunicação;

• Com propagação em linha reta o alcance é curto (devido à curvatura da Terra). Com torres de 100 metros de altura, são necessários repetidores a cada 80 Km aproximadamente.

• É muito usada na comunicação de longa distância (telefonia fixa, telefonia móvel, distribuidoras de TV);


Ondas em Infravermelho e Ondas Milimétricas

• Usadas para comunicação de curta distância (controles remotos de TC, videocassete, aparelhos de som, redes locais);

• Parcialmente direcionais;

• Barato e fácil de construir;

• Não atravessa objetos sólidos (não transparentes);

• Bom para redes locais onde não se quer (ou pode) colocar cabeamento.


O SISTEMA TELEFÔNICO• O sistema telefônico brasileiro (e da maioria dos países) é

composto basicamente de 3 elementos:

– Centrais telefônicas locais, às quais estão conectados os aparelhos telefônicos de uma pequena região (na distância máxima típica de 10 Km);

– Centrais telefônicas de comutação, as quais se ligam várias centrais locais de diversas pequenas regiões;

– Centrais telefônicas de interconexão, que interligam centrais de comutação de regiões mais abrangentes.


• Normalmente, obedece-se ao padrão mostrado na figura a seguir, onde se identificam:

– Enlaces de loop local, normalmente em fio de cobre com sinalização analógica;

– Enlaces de tronco de conexão, normalmente feitos em fio de cobre especial ou fibra ótica (mais comum hoje em dia);

– Enlaces de tronco de interconexão, normalmente feitos em microondas ou fibra ótica (mais comum hoje em dia).


Sistema telefônico


Enlace de Loop Local

• Disponibiliza enlace analógico com banda de 4 KHz entre o usuário final e a central telefônica local.

• A comunicação digital se faz com o uso de modems (moduladores / demoduladores) que convertem sinal digital em sinal analógico e vice-versa.


Enlace digital através de transmissão analógica


Enlace de Tronco de Conexão - Multiplexação

• A partir de centrais telefônicas locais, obviamente não se disponibiliza tantos enlaces quantos os existentes no loop local.

• A tecnologia avança e a economia de escala exige o compartilhamento de meios entre vários usuários via multiplexação de canais de melhor qualidade. Como? Com técnicas de multiplexação de canais.


Multiplexação por Divisão de Freqüência (Frequency Division Multiplexing - FDM)

• Com a divisão da banda passante em várias sub-bandas. Por exemplo, a faixa de 500 a 1500 KHz reservada para rádios AM, é dividida em sub-faixas que são destinadas às rádios que transmitem em uma mesma região.

Multiplexação por Divisão de Freqüência nas rádios AM


Multiplexação por Divisão de Freqüência no sistema telefônico (analógico)


Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda (Wavelenght Division Multiplexing - WDM)

• Usada para fibras óticas, fazendo-se com que dois ou mais sinais óticos com comprimento de onda diferentes viajem por caminhos distintos dentro de uma mesma fibra ótica.

Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda


Multiplexação por Divisão de Tempo (Time Division Multiplexing - TDM)

• Nos enlaces entre centrais de comutação e centrais de interconexão, tem-se cada vez mais o uso de tecnologias digitais.

• Atualmente, a comunicação de voz e/ou dados tende a ser digitalizada o mais rapidamente possível, senão no cliente final, pelo menos na central local.

• Como? Cada enlace analógico é digitalizado na central local por um

• CODEC (Codificador-Decodificador), na freqüência de 8 Khz.8000 Hz => 1 / 8000 Seg por amostra => 125 u Seg por amostra1

• Essa técnica de digitalização é chamada de Modulação por Codificação de Pulso (Pulse Code Modulation - PCM) e é a base de todo o sistema telefônico do país (de vários países).

• No Brasil, 30 canais analógicos digitalizados, mais 2 canais de sincronização e controle, formam um tronco de 32 canais de 8 bits. 32 canais x 8 bits/canal x 8000 amostras/segundo = 2048 Kbps ≡ tronco E1

1 Que é a unidade básica de tempo do sistema telefônico.


Rede telefônica do ponto de vista de multiplexadores


Padrão de multiplexação a partir de tronco E1

Padrão de multiplexação a partir de tronco T1 (mais comum nos EUA)

redes de computadores redes de computadores i camada física professor: m.sc. carlos oberdan rolim

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