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Redes de Computadores
Prof. Macedo Firmino
Camada Fısica
Macedo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 1 / 46
Pilha TCP/IP
Meio Físico
Transporte
Rede
Física
Enlace de dados
Aplicação
Transporte
Rede
Física
Enlace de dados
Aplicação
A B
M1
M1
CabT
M1
CabT
CabR
M1
CabT
CabR
CabE
1011001010001011
M1
M1
CabT
M1
CabT
CabR
M1
CabT
CabR
CabE
1011001010001011
CDE CDE
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Camada Fısica
Camada Fısica
Funcoes:
Caracterısticas fısicas (mecanicas e eletricas) das interfaces e dosmeios. Define quais os tipos de meio de transmissao devem serutilizados (cabo par trancado, fibra optica, cabo coaxial, etc.).Quantos pinos o conector de rede tera e qual sera a finalidade decada pino;
Representacao dos dados: define a codificacao dos dados em sinais(eletricos ou opticos);
Taxa de transferencia dos dados: corresponde ao numero de bits porsegundo, isto e, define o tempo de duracao de um bit no meio;
Sincronizacao dos bits: os relogios do transmissor e do receptordevem estar sincronizados.
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Sinais
Sinais - Classificacao
Uma das funcoes mais importantes da camada fısica e converter dados emsinais eletromagneticos e transmiti-los atraves de um meio de transmissao.Existem dois tipos de sinais:
Analogico: possuem um numeroinfinito de valores distribuıdosnuma faixa (contınuos), porexemplo os numeros inteiros.
Digital: possuem apenas umnumero limitado de valores(discretos), por exemplo 1 e 0;
Tempo
Valor
Tempo
Valor
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Sinais
Sinais - Classificacao
Tanto os sinais analogicos quanto os digitais podem se apresentar nasseguintes formas:
Periodica: a um determinadointervalo de tempo (chamadoperıodo) este sinal repete umdeterminado padrao;
Nao-periodica: evolui no temposem exibir um padrao.
Tempo
Valor
Período
Tempo
Valor
Em comunicacao de dados, utilizamos geralmente sinais analogicosperiodicos e sinais digitais nao periodicos.
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Sinais
Sinais - Propriedades
Propriedades:
Perıodo e o intervalo de tempo que uma onda leva para completar umciclo, medido em segundos;
Frequencia e o numero de perıodos num intervalo de tempo de 1segundo. A frequencia e expressa em hertz (Hz).
Tempo
Valor
Período
f =1
T
T =1
f
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Sinais
Sinais - Propriedades
Unidade de frequencia Equivalencia em perıodo
1 Hz (Hertz) 1 s (segundo)1 KHz (KiloHertz) = 103 Hz 1 ms (milisegundos) = 10−3s1 MHz (Megahertz) = 106 Hz 1 µs (microsegundos) = 10−6s1 GHz (Gigahertz) = 109 Hz 1 ns (nanosegundos) = 10−9
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Sinais
Sinais - Propriedades
Propriedades:
Fase: descreve a posicao de uma forma de onda relativa ao tempozero. A fase e medida em graus ou radianos.
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Sinais
Sinais - Propriedades
A maioria dos sinais digitais nao sao perıodicos. Sendo assim, os termosperıodo e frequencia nao sao apropriados. Para descrever estes sinais saoutilizados:
Intervalo de sinalizacao: e tempo necessario para enviar um unico bit;
Numero de bits por segundo (bps): e a quantidade de bits enviadosnum tempo de 1s.
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Sinais
Largura de Banda
A largura de banda e uma propriedade de um meio fısico.
Para sinais analogicos ela corresponde a diferenca entre a maior e amenor frequencia que um meio pode transmitir satisfatoriamente(perdas abaixo da metade da potencia inicial do sinal). Ela e expressaem hertz (Hz);
Para sinais digitais ela e o numero maximo de bits por segundo queum meio pode transmitir. A unidade e bits por segundo (bps).
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Sinais
Deficiencias de Transmissao
Os sinais viajam atraves dos meios de transmissao (cabo de partrancado, fibra optica, cabo coaxial, etc.), que nao sao perfeitos.Estas imperfeicao causam prejuızo de sinal.
Isto significa que o sinal no inıcio da transmissao nao e o mesmo doque o sinal no final da transmissao. O que e enviado nao e o que erecebido.
Normalmente as causas de deficiencia em uma transmissao sao:
Atenuacao;Distorcao;Ruıdo.
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Sinais
Atenuacao
Atenuacao significa perda de energia. Quando um sinal viaja nummeio, irremediavelmente perde energia. Muitas vezes essa perda eassociada a resistencia do meio. Para compensar essa perda,amplificadores podem ser utilizados para restaurar o nıvel do sinal.
Amplificador
Meio de transmissão
Original Atenuado Amplificado
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Sinais
Distorcao
Distorcao e a atenuacao e deslocamento de fase de diferentescomponentes de frequencia.
Sinal Transmitido Sinal Recebido
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Sinais
Ruıdos
Um ruıdo corresponde a interferencia de um sinal por um outro(s)sinal(is) de forma inesperada. Os ruıdos podem ser provocado pelomovimento aleatorio de eletrons nos condutores (ruıdo termico), peloacionamento de motores e outros aparelhos eletronicos (ruıdoinduzido), pelo efeito que a corrente num condutor provoca em outrofio (Crosstalk) e ruıdos gerados no meio proveniente de redeseletricas, de iluminacao e outras fontes (ruıdo impulsivo)
Meio de transmissão
Transmitido Ruído Recebido
+ =
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Modos de Transmissao
Modos de Transmissao
A transmissao dos dados pode ser:
Paralela: Os dados sao agrupados em um conjunto de n bits. Esteconjunto de bits sao enviados e recebido a cada instante de tempo.Para isso e utilizado n meios fısicos.
Serial: somente 1 bit e enviado a cada instante de tempo. Sendonecessario apenas 1 canal de comunicacao para transporta-lo.
Transmissor Receptor0
1
0
1
Transmissor Receptor1 0 0 1
Transmissão Paralela Transmissão Serial
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Modos de Transmissao
Modos de Transmissao
A transmissao serial ocorre de dois modos:
Assıncrona: o processo inicia-se com 1 start bit. Em seguida, vem umconjunto de bits, e finaliza com um 1 ou mais stop bits. Pode ocorrerum perıodo de repouso entre a transmissao dos bits;
Sıncrona: enviamos bits um apos o outro sem start/stop bits ouintervalo de repouso. O receptor e responsavel pelo agrupamento epela interpretacao dos bits recebidos.
Transmissor Receptor
Transmissão Assíncrona
1 100110 01 100101 0
1 110011 0
Start bitStop bit
Transmissor Receptor
Transmissão Síncrona
01010110 11101101 10111011
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Codificacao de Linha
Codificacao de Linha
A codificacao de linha e o processo de converter dados binarios, ou seja,uma sequencia de bits, em sinais digitais.
Codificador Decodificador
Sinal Digital
Transmissor Receptor
Dado Digital011010011010
Dado Digital011010011010
Podemos dividir as codificacoes de linha em:
Unipolar;
Polar;
Bipolar.
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Codificacao de Linha
Codificacao de Linha - Unipolar
A codificacao unipolar utiliza somente um nıvel de tensao. O sinal dapolaridade pode ser atribuıdo a qualquer um dos dois estados binarios (0ou 1), mas geralmente e deixado para o nıvel 1. Nesse caso, o outro nıvel(nıvel 0) e representado por um zero de tensao.
Valor
Tempo
0 1 0 0 1 1
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Codificacao de Linha
Codificacao de Linha - Polar
A codificacao polar utiliza dois nıveis de tensao, um positivo e outronegativo, para representar os dados.
Sao exemplos de codificacoes polares:
Non-Return to Zero (NRZ);
Return to Zero (RZ);
Manchester;
Manchester Diferencial.
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Codificacao de Linha
Codificacao de Linha - Polar (NRZ)
Na codificacao NRZ, o valor do sinal e sempre positivo ou negativo.Existem duas formas de codificacao NRZ, sao elas:
NRZ-L: o nıvel do sinal depende do bit que ele representa. Umatensao positiva representa o bit 0, enquanto que uma tensao negativacorresponde ao bit 1.
NRZ-I: a transicao entre nıveis de tensao representa um bit 1,enquanto que a ausencia de transicao corresponde ao bit 0.
Valor
Tempo
0 1 0 0 1 1Valor
Tempo
0 1 0 0 1 1
NRZ-L NRZ-I
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Codificacao de Linha
Codificacao de Linha - Polar (RZ)
O codificacao RZ utiliza tres nıveis de tensao: positiva, negativa e zero. Atransicao acontece a cada bit e na metado de cada intervalo desincronizacao o sinal retorna a zero. Deste modo, o bit 1 e representadopela transicao positiva-zero e o bit 0 e representado pela transicaonegativa-zero.
Valor
Tempo
0 1 0 0 1 1
A transicao no intervalo do bit e utilizado para sincronizacao.
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Codificacao de Linha
Codificacao de Linha - Polar (Manchester)
A codificacao Manchester utiliza uma inversao no meio de cada intervalode sincronizacao. Uma transicao positiva (do nıvel de tensao negativo parao nıvel de tensao positivo) representa o bit 1 e uma transicao negativa (donıvel de tensao positivo para o nıvel de tensao negativo) representa o bit 0.
Valor
Tempo
0 1 0 0 1 1
O protocolo Ethernet utiliza a codificacao Manchester.
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Codificacao de Linha
Codificacao de Linha - Polar (Manchester Diferencial)
Na codificacao Manchester Diferencial a presenca ou ausencia de umatransicao adicional no comeco do intervalo e usado para identificar o bit.Uma transicao representa o bit 0 e ausencia de transicao representa o bit1.
Valor
Tempo
0 1 0 0 1 1
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Codificacao de Linha
Codificacao de Linha - Bipolar (AMI)
A codificacao Bipolar utiliza tres nıveis de tensao: positivo, negativo ezero. O nıvel zero e usado para representar o bit 0s. Os 1s saorepresentados atraves de pulsos alternados de tensao positiva e negativa.Se o bit 1 for representado atraves de uma tensao positiva, o proximo bit1 sera representado por uma tensao negativa.
Valor
Tempo
0 1 0 0 1 1
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Modulacao
Modulacao de Sinais Digitais
A modulacao de sinais digitais sao tecnicas para converter sinais digitais,em outro sinal analogico de modo a transmiti-lo em um canal fısico.
Tempo
Valor
0 1 0 0 1 1
Modulador Demodulador
Sinal Analógico
Transmissor Receptor
Dado Digital010011
Dado Digital010011
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Modulacao
Modulacao de Sinais Digitais (Portadora)
Em uma transmissao analogica, o dispositivo transmissor produz umsinal de alta frequencia (chamado de portadora) que funciona comosuporte para o sinal de informacao;
A informacao digital modulada modifica uma ou mais caracterısticas(amplitude, frequencia ou fase) da frequencia portadora;
O dispositivo receptor e sintonizado na frequencia da portadora queele espera receber a transmissao.
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Modulacao
Modulacao de Sinais Digitais
Modens (Modulador/Demodulador) sao dispositivos que recebem umfluxo serial de bits e produz uma portadora modulada, utilizandoalguma tecnica de modulacao. Alem disso, os modens recupera osdados binarios a partir de um sinal modulado.
Os principais mecanismos de modulacao (digital-analogico) sao:
ASK (Amplitude Shift Keying);FSK (Frequency Shift Keying);PSK (Phase Shift Keying);QAM (Quadrature Amplitude Modulation).
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Modulacao
Modulacao ASK
Na tecnica ASK, a amplitude do sinal da portadora varia de modo arepresentar a informacao binaria (0 e 1).
Tempo
Valor
0 1 0 0 1 1
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Modulacao
Modulacao FSK
Na tecnica FSK, a frequencia do sinal portadora varia de modo arepresentar os nıveis binarios (0 e 1).
Tempo
Valor 0 1 0
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Modulacao
Modulacao PSK
Na tecnica PSK, a fase da portadora e variada de modo a representar osnıveis binarios (0 e 1).
Tempo
Valor 0 1 0
Se utilizarmos quatro variacoes de fase (4-PSK) podemos representar 2bits por fase, ao inves de apenas 1, melhorando a eficiencia datransmissao. Por exemplo:
Bits Fase
00 0o
01 90o
10 180o
11 270o
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Modulacao
Modulacao QAM
A tecnica QAM e uma combinacao das tecnicas ASK e PSK elaborada demaneira a aumentar o numero de bits transmitido para uma dada taxa demodulacao.
Tempo
Valor 00 01 10 11
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Modulacao
Modulacao de Sinais Analogicos
A modulacao de um sinal analogico e a representacao de um sinalanalogico por outro sinal analogico. Esta modulacao se faznecessaria, por exemplo, em estacoes de radio para ajustar afrequencia de operacao;
As principais modulacoes analogicas sao:
AM (Amplitude Modulation);FM (Frequency Modulation).
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Modulacao
Modulacao de Sinais Analogicos - AM
Tempo
Valor
Tempo
Valor
Tempo
Valor
Sinal modulante
Portadora
Sinal AM
Numa transmissao AM, o sinalda portadora e modulado demodo que sua amplitude variede acordo com as variacoes daamplitude do sinal modulante.
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Modulacao
Modulacao de Sinais Analogicos - FM
Tempo
Valor
Tempo
Valor
Tempo
Valor
Sinal modulante
Portadora
Sinal
Numa transmissao FM, afrequencia do sinal da porta-dora e modulado de modo aseguir as variacoes da ampli-tude do sinal modulante.
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Multiplexacao
Multiplexacao
Multiplexacao e um conjunto de tecnicas que permitem a transmissaosimultanea de multiplos sinais atraves de um unico enlace de dados;
Se a largura de banda de um link for maior que a largura de bandanecessaria aos dispositivos conectados a ela, essa banda esta sendodesperdicada;
Sao tecnicas de multiplexacao:
Multiplexacao por divisao de frequencia (FDM - Frequency DivisionMultiplexing);Multiplexacao por divisao de comprimento de onda (WDM - WaveDivision Multiplexing);Multiplexacao por divisao do tempo (TDM - Time DivisionMultiplexing).
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Multiplexacao
Multiplexacao FDM
Na FDM, os sinais gerados em cada dispositivo transmissor sao modulados emportadoras de frequencias diferentes. Em seguida, estes sinais sao combinados emum unico sinal composto para serem transportado atraves do enlace. Asfrequencias as portadoras sao separadas de forma a previnir a interferencia entreos sinais. O receptor utiliza filtros e demultiplexador para obter o sinal original.
Modulador
Portadora 1
Modulador
Portadora 1
Filtro
Modulador
Portadora 1
Modulador
Portadora 1
Filtro
Modulador
Portadora 1
Modulador
Portadora 1
Filtro+
A tecnica FDM e utilizado na transmissao de AM e FM, canais de televisao e natelefonia.
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Multiplexacao
Multiplexacao WDM
A WDM foi desenlvolvida para suportar transmissoes de dados em velocidadesaltıssimas atraves de cabos de fibra optica. No lado do transmissor combinamosmultiplas fontes luminosas (diferentes comprimentos de onda) em um unico sinalde luz. Na lado do receptor as fontes sao separadas. O modo mais simples deconvergir sinais luminosos e separa-los de volta e utilizando prismas.
Fibra óptica
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Multiplexacao
Multiplexacao TDM
TDM e um processo de multiplexacao onde toda a banda e entregue a um canalnum determinado intervalo de tempo. Cada conexao ocupa o enlace durante umaporcao do tempo. O fluxo de dados de cada conexao e dividido em unidades e olink combina unidades de cada conexao para montar um frame (quadro). Umframe consiste de um agrupamento de slot time.
A3 A2 A1
B3 B2
C3 C1
A3 A2 A1
B3 B2
C3 C1
C1 A1
Frame 1
C3 B3 A3
Frame 3
B2 A2
Frame 2
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Espalhamento Espectral
Espalhamento Espectral
A multiplexacao FDM combina sinais de varias fontes para atingir amaxima eficiencia na transmissao. Para isso, a FDM utiliza variasfaixas de frequencia. O espalhamento espectral tem como objetivopermitir uma protecao a comunicacao. Para isso, o espalhamentoespectral utiliza varias faixas de frequencia;
Apos o sinal ser criado pela fonte, o processo de espalhamento usaum codigo de espalhamento e espalha as frequencias;
Existem duas tecnicas de espalhamento espectral:
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum);DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum).
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Espalhamento Espectral
Espalhamento Espectral - FHSS
A tecnica FHSS usa M diferentes frequencias de portadoras. Em um dadoinstante, e utilizado uma determinada portadora (F1). No momentoseguinte, passa a ser utilizado outra portadora (F4). Ao longo de um ciclosao utilizado M faixas de frequencia.
Sinal Original
Sinal Espalhado
Modulador
X
Gerador dos índicespseudo-aleatório
FreqüênciasF1F2F3F4F5...
Índices 12345...
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Espalhamento Espectral
Espalhamento Espectral - FHSS
Exemplo:
F1F2F3F4F5F6F7F8
1 2 3 4 5 6 7 8 Período detransições
Freqüências daportadora
Se o intruso tentar interceptar o sinal transmitido, ele tera que descobrir asequencia de saltos e perıodo de transicao.
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Espalhamento Espectral
Espalhamento Espectral - DSSS
No DSSS, substituımos cada bit de dados por um codigo de espalhamentode n bits. Em outras palavras, para cada bit e representado por umcodigo, chamado de chips.
Sinal
Original
Sinal
Espalhado
Modulador
X
Gerador de chips
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Espalhamento Espectral
Espalhamento Espectral - DSSS
Exemplo:
Modulador
X
Gerador de chips
0 01001000111
Modulador
X
Gerador de chips
1 10110111000
O espalhamento do sinal pode prover privacidade se um intruso naoconhecer o codigo de espalhamento.
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Exercıcio
Exercıcio
1. Quais sao as funcoes da camada fısica?
2. Qual a diferenca entre dados analogicos e digitais? Deexemplos de cada um.
3. O que e frequencia, perıodo, amplitude e fase de um sinal?Qual a relacao entre frequencia e perıodo?
4. Como os ruıdos e demais problemas podem interferir natransmissao de dados?
5. Qual a diferenca entre a transmissao paralela e serial? eentre sıncrona e assıncrona?
6. Considere a sequencia de bits “11000110010”. Como seria acodificacao dessa sequencia utilizando as tecnicas decodificacao Unipolar, NRZ-L, NRZ-I, RZ, Manchester,Manchester Diferencial e a Bipolar?
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Exercıcio
Exercıcio
7. O que e modulacao? Qual o papel do modem e da portadoranesse processo?
8. Faca um desenho mostrando como seria a modulacao dosbits “11000110010” utilizando as modulacoes ASK, FSK,PSK e QAM?
9. O que e multiplexacao e quais as vantagens em utilizar essatecnica?
10. Qual a diferenca entre a FDM e TDM?
11. O que e espalhamento espectral? Como funciona oespalhamento FHSS e DSSS?
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