Camada Fsica e Tecnologias de Transmisso

Prof. Mauro Tapajs

Camada Fsica

Define a representao dos bits

Transmite bits

Preocupaes fsicas

Adapta o sinal ao meio de transmisso

Define o formato e a pinagem dos conectores

Meios de Transmisso

o caminho fsico por onde passar a informao na forma de sinais

O transporte dos sinais que representam os bits da comunicao de dados feito atravs de algum tipo de meio fsico

Cada meio apresentam caractersticas prprias de largura de banda, custo, atraso de transmisso e facilidade de instalao e manuteno

Fatores para o Design dos Meios de Transmisso

Banda: quanto maior a largura de banda do sinal, maior a taxa de envio de bits que ele pode carregar

Limitaes fsicas: determinam a distncia mxima que pode ser percorrida pelos sinais eltromagnticos

Interferncia: vrios sinais competindo numa mesma faixa de frequncias podem se sobrepor distorcendo oe mesmo eliminando o sinal resultante

Nmero de receptores: cada unidade ligada numa rede insere atenuaes e distores para que possa receber o sinal com a informao, limitando a distncia e taxa de dados (bps) possvel

Modelo de Comunicao de Dados

Passos na Transmisso da Informao

Gerao do padro da informao (voz, dado, imagem, vdeo, etc)

Descrio do padro com certo grau de preciso por um conjunto de smbolos (bits)

Codificao destes smbolos numa forma adequada ao meio de transmisso de interesse

Transmisso destes smbolos codificados

Decodificao dos smbolos

Recriao do padro original com base nos smbolos recebidos e sujeito degradao do meio de transmisso

Sinais

Representaes do comportamento de uma grandeza eltrica

Descrevem algum tipo de informao a ser transmitida (sinal = informao)

Servem como meio de transporte da informao que se deseja transmitir

Sofre com as condies fsicas do sistema de comunicaes

Existe todo um embasamento matemtico para a sua descrio

Sistemas Contnuos e Discretos

Sinais Analgicos e Digitais

Sinais analgicos representado continuamente como funo de uma varivel independenteSinais peridicos - variam de forma peridica segundo g(t)=g(t+T)Sinais discretos representados somente em tempos determinados (discretos)Sinais digitais - so sinais discretos no tempo e amplitude

Sinais Analgicos

A intensidade varia sem nenhuma interrupo, no havendo descontinuidade do sinal ao longo do tempo.

Sinais analgicos podem assumir infinitos valores distintos de amplitude.

TempoAmplitude

Sinais Digitais

So sinais cuja intensidade assume um nmero finito de valores, mudando abruptamente entre cada um destes valores ao longo do tempo.

TempoAmplitude

TempoAmplitude

Sinais Digitais

Representados como uma sequncia de smbolos de um alfabeto de textos e dgitos

A capacidade de um canal digital medida em bps bits por segundo

Os dados digitais so binrios: usam 1s ou 0s para representar qualquer informao

Os dgitos binrios podem ser representados por alteraes em sinais eletromagnticos

Alguns Tipos de Sinais

Sinal senoidal

Sinal de onda quadrada

Sinal DC

Caractersticas do Sinal Peridico

Amplitude

Freqncia

Fase

Tempo

Tempo

Tempo

Componentes em Frequncia de um Sinal

Segundo a anlise de Fourier, um sinal pode ser decomposto num somatrio de sinais componentes senoidais

+

=

Exemplo:
Componentes do Sinal Onda Quadrada

Representao de Sinais na Frequncia

Chama-se largura de banda de um sinal a faixa de frequncias onde o sinal pode ser transmitido sem perda significativa de sua energia

Representao de um Sinal Peridico na Freqncia

Tela de um osciloscpio mostrando uma onda senoidal

Representao de um Sinal Peridico na Freqncia

Tela de um osciloscpio mostrando uma onda quadrada e seu correspondente espectro

Largura de Banda

Largura do espectro de frequncia que podem ser transmitidas num canal de comunicao

Quanto maior a largura de banda mais bits enviados por segundo (dependendo de outros fatores como a codificao e modulao usadas) e com custos maiores

Largura de bandas muito limitadas geram distores e menor taxa de bits

Mxima Taxa de Dados de um Canal

Canal sem rudo = 2H log2V (bits/seg)H = largura de banda (Hz)

V = nmero de nveis discretos

Canal com rudo = H log2(1 + S/N) (bits/seg)S/N relao sinal rudo (dB)

Largura de Banda

a diferena entre a maior freqncia e a menor freqncia de um sinal

freqnciaAmplitude

24 KHz2 KHzLargura de Banda = 24 2 = 22 KHz

freqnciaAmplitude

22KHz3 KHzLargura de Banda = 22 3 = 19 KHz

30 dB

Pode-se utilizar como critrio de determinao da largura de banda a faixa em que a maior parte do sinal est contido (largura de banda efetiva)

Sinal de Voz Humana

O sinal de voz humana est basicamente limitado entre 300 Hz e 3400 kHz

Largura de Banda da Voz

Por Que Estudar Sinais Analgicos e Telecomunicaes em Redes de Comunicao de Dados?

Muitos dos tipos de informao tem origem em forma analgico por natureza (voz, vdeo, etc)

Deve-se entender bem sinais analgicos e suas caractersticas para se poder converter para formato digital

Sistemas telefnicos eram primariamente analgicos

Ao final, os meios de transmisso fsicos que iro encaminhar a informao sero inerentemente sistemas analgicos

Sinais com Problemas

Sinais sofrem atenuao, podendo no chegar em forma compreensvel pelo receptor

Sofrem tambm com a distoro causada pelo atraso diferenciado entre as varias componentes do sinal

Efeitos de rudo so indesejveis

Problemas que podem ocorrer com Sinais

AtenuaoPerda da fora do sinal atravs da distncia

DistoroEfeitos de atenuao e atraso diferenciados em diferentes faixas de frequncias

RudoDistores diversas causadas por sinais esprios no usados na transmisso

Atenuao nos Sinais

Tipos de Transmisso de Sinais

AnalgicaSomente envia sinais analgicos

Uso de amplificadores para garantir que os sinais alcancem distncias maiores

O sinal no pode ser regenerado (transformado na sua forma original)

DigitalTransmisso de sinais analgicos e digitais

Uso de repetidores para garantir maior alcance

Equipamentos de comutao podem regenerar os sinais sendo transmitidos

Alta fidelidade - fcil

distino do sinal na presena de rudoIndependncia do tempo - a informao digital pode ser transmitida numa temporizao diferente da gerada na origem

Independncia da fonte da informao - toda a informao digital pode seguir no mesmo canal independente do que represente

Vantagens no Uso de Sinais Digitais

O sinal digital pode facilmente ser regenerado em comutadores intermedirios no sistema de transmisso

A informao digital pode ter vrios significados dependendo da codificao em uso para ela (texto, imagens, voz, vdeo, dados, correio, etc)

Facilidade no projeto e criao dos circuitos e processadores usados no processamento digital

Porm exige maior banda de transmisso

Vantagens no Uso de Sinais Digitais

Erros no Sinal Digital Pode Acontecer!

010010Sinal Original

Atenuao

Banda Limitada

Rudo

Sinal Recebido

01

0110Rudo Impulsivo

Erro

Os diferentes efeitos do meio de transmisso podem deformar at o sinal digital original podendo tambm gerar erros

Atenuao e Distoro num Sinal Digital

Perda

Atenuao

Disperso

Distoro

No-linearidade

Novas frequncias

GanhoAmplificao &Rudo

CausaEfeitoEfeitos Indesejados

CODEC Codificador / Decodificador

Trabalham efetuando a converso analgica-digital e vice-versaCodificam qualquer tipo de sinal analgico (msica, vdeo, etc) gerando seu correspondente em formato digital

O Processo de Digitalizao de um Sinal Analgico

Amostragem do sinal analgico na frequncia de Nyquist (teorema da amostragem)

Quantizao das amostras - para cada amostra se arredonda seu valor em amplitude para um dos possveis valores definidos

Codificao de cada amostra quantizada na forma de uma palavra digital

1) Amostragem do Sinal Digital por Pulsos

PAMPulse Amplitude Modulation

2) Quantizao das Amostras Obtidas

Com PAM somente o tempo representado em forma discreta

Para termos a amplitude discreta, arredondamos cada amostra para um dentre um conjunto discreto de valores definido

3) Pulse Coded Modulation - PCM

Com PCM cada amostra quantizada ter uma palavra digital representando aquele valor

Codificao de Voz PCM

PCM (Pulse Coded Modulation)

Codifica o sinal de voz (restritos na faixa de 4 kHz) em bits para a transmisso

Isto feito amostrando-se o sinal de voz periodicamente

Se utilizarmos uma taxa de amostragem de 8000 amostras/seg, podemos recuperar o sinal na recepo (teorema de Nyquist)

Se para cada amostra usarmos 8 bits, esta taxa de amostragem implica numa transmisso de 64 kbps (canal de voz PCM)

Digitalizao de Sinais de Voz
PCM
(Processo)

Codificao PCM - Codificao

No exemplo, a amplitude da amostra codificada em 4 bits

Codificao PCM de Voz

Amostras geradas a cada 125 us (ou 8000 vezes por segundo)Cada uma resulta em bits a serem encadeados no fluxo (neste exemplo so usados 8 bits para cada amostra)

Codificao de Voz Para Transmisso Digital - PCM

A codificao PCM comum gera amostras de

16 bits e chamada de PCM linear, por que utiliza uma proporcionalidade linear na definio da amplitude das amostras (por exemplo: CDs de msica, arquivos .WAV)A norma ITU-T G.711 utiliza compresso logartmica dando maior preciso nas menores amplitudes (o ouvido humano mais sensvel aos sinais mais baixos)

A-law - 13 bits para 8 bits - usado nos Brasil

-law - 14 bits para 8 bits - usado nos EUA e Japo

Codificao Digital de Sinais de udio

MPEG um padro ITU-T de compresso de udio e vdeo

No caso do udio ele explora propriedades psicoacsticas dos sinais de udio e a forma como ele compreendido pela percepo humana

A percepo do som funo da frequncia e fora do sinal. Naturalmente mascaramos a percepo de determinadas bandas de frequncia presentes no sinal de udio

Ao suprimir a informao referente a estas bandas, se reduz a informao necessria para a correta reproduo do som

Existem 3 nveis de codificao (Layers I, II e III).

Cada um com maior qualidade de som e tempo

de codificaoMP3 = MPEG Layer III

Sinais de Vdeo

Sinais de vdeo naturalmente necessitam de grande largura de banda para sua transmisso

O olho humano percebe as cores como composies de 3 cores bsicas: vermelho (435 nm), verde (546 nm) e azul (700 nm)

Clulas cones so especializadas na percepo de cores (em sinais mais fortes), enquanto que as clulas rods so especializadas em mobilidade e tons de cinza (em sinais mais fracos)

A percepo de cores no tem espectro largo

Mais de um padro espectral pode gerar a mesma sensao de cor

Sinais de Vdeo Analgico

Varredura da tela para composio das imagens

Montagem de imagem entrelaada

Montagem do Sinal de TV Analgica Colorida

Gerao e Transmisso de Sinais de Vdeo Analgico

Idias por Trs da Compresso de Sinais de Vdeo Digital

A percepo de cores pela viso humana no tem espectro largo (normalmente se usa 8 bits para represent-lo digitalmente)

Assim, precisamos de menos bits para representar um vdeo colorido implicando numa menor taxa de transmisso

Em determinados momentos do vdeo, existe pouca informao nova a ser apresentada, exigindo menor taxa de quadros a ser enviada

Os nveis de detalhes da imagem podem ser codificados em separado, sendo que, os nveis mais baixos contm maiores detalhes

Sinais de Vdeo Analgico usado nas Transmisses de TV

Existem 3 padres na transmisso de vdeo para TV:NTSC (National Television Standards Committee) - possui 524 linhas e sinal composto onde cada quadro montado por dois campos (fields) par e mpar entrelaados numa taxa de 59,94 ( 30 + 30). usado nos EUA e Japo

PAL (Phase Alternation by Line) - possui 625 linhas que formam 50 campos (fields) entrelaados por segundo resultando em 25 quadros (frames) por segundo. A variante PAL-M usado somente no Brasil e apresentado a 30 quadros por segundo

SECAM (Systeme Electronique Couleur Avec Memoire) - Semelhante ao PAL com 525 linhas e 25 quadros por segundo. Usado na Frana, Rssia e alguns outros pases

Compresso de Sinais de Vdeo Digital

H.261 - (1 a 30) x 64 kbps - usado em Vdeoconferncia

Formato QCIF - 144x176 pixels - menor taxa de bits

Formato CIF - 288x352 pixels - maior taxa de bits

H.263 - usado em taxas mais baixas (adequado para tecnologias de redes de acesso mais lentas)

MPEG compresso de fluxos de udio e vdeo

MPEG I (SIF-Source Input Format) at 1,5 Mbps Exemplo: VCDs qualidade NTSC

MPEG II - adequado para transmisso, armazenamento, taxas diferentes que mltiplos de 64 kbps, alm de taxas mais altas (4 a 15 Mbps) (Exemplo: DVDs)

MPEG III trabalho absorvido pelo MPEG II

MPEG IV - adequado para VideoIP e multimdia em plataformas mveis (taxas mdias)

Converso de Sinais Analgicos

Para sinais analgicos

Barato e fcil de se fazer (por exemplo: telefone)

Permite vrios tipos de manipulaes do sinal para melhorar a eficincia da transmisso

Usado nas redes telefnicas, rdio AM, FM, etc

Para sinais digitais

Uso de CODECs

Converso de Sinais Digitais

Para sinais analgicos

Normalmente requer um Modem

Permite que dados digitais sejam enviados por redes analgicas

Necessria quando a transmisso for analgica

Para sinais digitais

Alternativa mais barata quando se est trabalhando com grandes quantidades de dados

Mais confivel por que no h converso a ser feita

Compresso de Dados

Reduz a quantidade de bits a serem enviados para determinado tipo de compresso

Usado na transmisso e no armazenamento (HDs, CDs, fitas, etc)

Seu princpio bsico eliminar a redundncia na informao

O cdigo substitudo por pores comprimidas dos dados

Dois tipos:

Compresso lossless (sem perda): reconstitui os dados exatamente como era o original (.ZIP, .GIF)

Compresso lossy (com perda): reconstitui os dados de forma que fiquem perceptualmente os mesmos (.JPEG, .MPEG)

Meios de Transmisso

O transporte dos sinais que representam os bits da comunicao de dados feito atravs de algum tipo de meio fsico

Cada meio apresentam caractersticas prprias de largura de banda, custo, atraso de transmisso e facilidade de instalao e manuteno

Tx

Rx

Meio de Transmisso

Tipos de Meios de Transmisso

Guiados: necessitam de condutores fsicos de um dispositivo para o outro como cabos coaxiais, fibra tica, etc

No-guiados: no necessitam de condutores fsicos exclusivos. So os meios eletromagnticos como a propagao eletromagntica no ar livre (atmosfera) ou num oceano

Cada tipo tem sua aplicao em funo das caractersticas do sistema, condies geogrficas e custosPassagem de cabos por pntanos, florestas

Utilizao de links sem fio atravs de uma cidade, etc

Meios Guiados Mais Usados Atualmente em Redes

Cabos de Par Tranado

o mais popular, difundido e o mais adotado meio de transmisso utilizado em redes locais de computadores

Os condutores tranados visam evitar o efeito de induo do sinal no condutor adjacente (crosstalk)

Normalmente temos as seguintes variaes:UTP (Unshielded Twisted Pair) - par tranado no-blindado - o sinal segue com polaridades invertidas em cada cabo do par

STP (Shielded Twisted Pair) - par tranado blindado - utilizado em meios de alta incidncia de rudos eletromagnticos como fbricas, linhas de montagem, transmissores, etc. Devem ser aterrados em ambos os lados (efeito irradiador da blindagem).

Par Tranado

Cabo categoria 3: 4 pares de fios e cobertura de plstico

Cabo categoria 5: 4 pares de fios mais entrelaados que o 3 e cobertura de teflon

Cabos categoria 5 so melhores em altas taxas de bits

Par Tranado - Pinagem

O sentido do campo eletromagntico depende do sentido da corrente eltrica no condutor, que por sua vez, depende das polaridades (positiva ou negativa) dos sinais

No par tranado, as informaes trafegam repetidas em dois fios, porm com polaridades invertidas

Portanto o campo gerado por um condutor anulado pelo campo do outro, reduzindo a interferncia por crosstalk

O efeito intensificado quando dois fios so enrolados um ao outro (da o nome par tranado)

Par Tranado Blindado (Shielded Twister Pair)

Possui uma malha blindada global que confere uma maior imunidade s interferncias eletromagnticas externas e possui uma blindagem interna envolvendo cada par tranado

Desta forma, o STP utilizado em meios de alta incidncia de rudos eletromagn-ticos, tais como: fbricas, centrais de comutao, transmissores de alta potncia, etc

Conectores e cabos

mais caros

STP com blindagem individual para cada par

Par Tranado STP

Liga equipamentos semelhantes (estaes com estaes ou dispositivos de rede com outros dispositivos de rede)

Cabo Cross

Categorias de Cabos de Par Tranado

So categorizados de acordo com a norma EIA/TIA 568

Cabo Coaxial

O cabo coaxial consiste em dois condutores cilndricos, um interno e outro externo, separados por um material dieltrico (isolante)

O dado transmitido no condutor mais interno. A proteo de metal protege contra campos eletromagnticos externos e evita que a radiao da energia eletromagntica do fio interno interfira em outros fios

Com um nico cabo coaxial a transmisso half-duplex, ou seja, unidirecional para cada perodo.

Adequado para frequncias maiores que as usadas em par tranado

Cabo Coaxial

Alguns tipos comuns:

Cabo coaxial grosso (thicknet) 50 Ohms usado em Ethernet 10BASE5

Cabo coaxial fino (thinnet) 50 Ohms usado em Ethernet 10BASE2

Cabos Coaxiais

Algumas especificaes RG (radio government) para cabos coaxiais:

Thick Ethernet. RG-8, RG-9 e RG-11 (50 ohms)

Thin Ethernet: RG-58 (50 ohms)

TV: RG-59 (75 ohms)

Conectores BNC (bayonet network connectors)Conexes Terminadores

Exemplo: Cabos Coaxiais em Redes Locais

Fibra tica

Fibra tica

As fibras so feitas de vidro de grande transparncia

A atenuao da luz na fibra depende do comprimento de onda da luz usada

Sistema de transmisso composto de: fonte de luz, meio de transmisso e detector de luz

Transmissores possveis so LEDs (Light Emitting Diodes) e lasers

Fibra tica

Utiliza o prncipio da reflexo da luz entre dois meios

Permite taxas muito elevadas de frequncia (faixa da luz visvel)

A tecnologia de hoje no utiliza plenamente a capacidade das fibrasFibras multimodo (dimetro 50 e 62,5 um): vrios modos de propagao (vrios sinais de luz). Apresenta problema de disperso modal e alta atenuao (5 dB/km). As do tipo ndice gradual apresentam baixa atenuao (3 dB/km) e largura de banda de at 1 GHz

Fibras monomodo (dimetro 5-10 um): permite um nico modo de propagao, atingindo distncias maiores que as multimodo. Baixas perdas (0,2 dB/km) e largura de banda (>10 GHz)

Atenuao de Sinais na Fibra tica

Comportamento da Luz dentro da Fibra

Fibra tica

A atenuao da luz na fibra depende do comprimento de onda da luz usada

Sistema de transmisso composto de: fonte de luz, meio de transmisso e detector de luz

Transmissores possveis so LEDs (Light Emitting Diodes) e lasers

Aplicaes:Redes Telefnicas, ISDN, LAN, WAN

FTTH - Fiber to the Home

Cabos submarinos

Distribuio de TV a cabo

Aplicaes Mdicas, Educacionais, Industriais e Militares

Fibra tica - Caractersticas

Adequado para grandes larguras de banda e grandes distncias

Permite comunicao Full-duplex

Grande imunidade interferncia eletromagntica e escutas (sniffing)

Ocupa pouco espao e leve

Apresenta dificuldade maior nas emendas de cabos

Ainda representa custo maior comparada com outros tipos de cabos

Limitada pela tecnologia eletrnica nos dispositivos intermedirios na rede (pesquisas para chegar a uma comutao totalmente tica)

Exemplos de Cabos de Fibra tica

Cabo submarino

Fibra tica Tipos de Conectores

SC Simplex

ST (normalmente multimodo)

SC Duplex

FC/PC

Fibra tica

Comparao da Fibra com Fios de Cobre

Economizam nos repetidores

Altas taxas

Imune a descargas eltricas e interferncia eletromagntica

Mais compactas e leves, custo de suporte mais baratos que os cabos tradicionais

Mais seguras por no vazarem luz e no permitirem escuta

Tecnologia mais cara

Cabeamento Estruturado

Normas que descrevem a instalao de cabos em edifcios de forma organizada, facilitando a manuteno e alteraes na topologia de rede e independente de fabricante

Facilitam a futuras mudanas em equipamentos (maior custo inicial mas evita problemas de cabeamento futuros

Normas usadas: EIA/TIA 568C e ISO/IEC 11801

Meios de transmisso descritos:

Cabo UTP e STP

Fibra tica multimodo 62,5/125

Fibra tica monomodo

Cabeamento Estruturado!!!

Cabeamento Estruturado

preparado de tal forma que atende ao mais variados lay-outs de instalao, por um longo perodo de tempo, sem exigir modificaes fsicas da infra-estrutura.

Um s cabeamento atende diferentes tipos de redes de sinal em baixa tenso, como por exemplo telefonia, redes locais de computao, sistema de alarme, transmisso de sinal de vdeo, sistemas de inteligncia predial, automao predial e industrial.

Elementos de Cabeamento Estruturado

Cabeamento horizontal segue da rea de trabalho at o telecommunications closet (normalmente em topologias estrela)

Cabeamento Backbone (vertical) se compe da ligao da sala de equipamentos com todos os demais pontos de distribuio de cabeamento

Work Area (WA) rea de trabalho

Telecommunications closet (TC) armrio de telecomunicaes (normalmente um por andar)

Equipment Room (ER) sala de equipamentos. Ponto central de cabeamento da instalao.

Cabeamento Estruturado

Exemplo: Distncias para Cabeamento

Nveis de Interconexo

FsicoEnlance de DadosRedeTransporteSessoApresentaoAplicaoRepetidoresPontes (Bridges)RoteadoresGateways

Internetworking and the OSI ModelRepeaters work at the physical layer.

They simply repeat any signal from one cable plant to the next.

Concentrators are repeaters but offer more fault isolation than normal repeaters.

Bridges work at the data link layer.

Specifically, they forward based on the MAC address of the packet.

Routers work at the network layer.

They forward based on a network identification inside the packet, not on the MAC address.

Gateways operate the the session, presentation and application layer.

They provide protocol translation between different communication types.

Repetidores

Estende fisicamente a rede interconectando mltiplos segmentos de rede

Simplesmente regeneram o sinal e o repetem o sinal para todas as redes nas quais ele est conectado

Podem conectar diferentes cabeamentos, mas no diferentes protocolos de nvel superior

Dispositivo que trabalha no nvel fsico no modelo OSI baixo custo

Estaes no percebem a existncia de repetidores

Concentradores - Hubs

10BASET module10BASE2 moduleFiber moduleConnectionfor thickcoaxial cableRepeater cards slide into chassis.Cards interconnect through a common backplane.

Wiring concentrator chassis

This device was introduced around 1985 after UTP wire began being used.

It is usually called a concentrator although it can be called a hub.

It houses repeater modules that slide into the chassis.

Concentrators house all repeater types into one unit using repeater modules that are connected together with a common backplane.

It allows the concentrator to act as one repeater.

It reduces the number of repeaters on a network.

Concentrators usually have connections for fiber, 10BASET, 10BASE2 and one connector for 10BASE5 (connection to external cable plant).

It added life to the Ethernet standard by providing a physical star topology.

The concentrator allows for better network management

HUBs

This device was introduced around 1985 after UTP wire began being used.

It is usually called a concentrator although it can be called a hub.

It houses repeater modules that slide into the chassis.

Concentrators house all repeater types into one unit using repeater modules that are connected together with a common backplane.

It allows the concentrator to act as one repeater.

It reduces the number of repeaters on a network.

Concentrators usually have connections for fiber, 10BASET, 10BASE2 and one connector for 10BASE5 (connection to external cable plant).

It added life to the Ethernet standard by providing a physical star topology.

The concentrator allows for better network management

Modulao de sinais

Sinais digitais em ondas quadradas possuem muitas componentes em frequncia (largura de banda infinita) e sofrem muito na transmisso

Resultado: o sinal digital puro no bom para a transmisso

Assim, sinais em banda base (digital puro) s funcionam em distncias curtas (LANs)

Soluo: Uma portadora (sinal senoidal) enviado e suas caractersticas alteradas de forma a transmitirem bits

Modulao de sinais

Normalmente se necessita de carregar o sinal original em sinais de frequncia mais adequada (portadoras - carriers) para os meios de transmisso sendo usados

A portadora um sinal senoidal com frequncia compatvel com o meio de transmisso

Soluo: Uma portadora enviada e suas caractersticas alteradas de forma a transmitirem o sinal original

Modulao o processo de combinar um sinal de entrada com uma portadora gerando um sinal adequado de transmisso

Portadoras de alta frequncia apresentam menor atenuao e distoro, atravessando distncias mais longas com menos perda

Modulao de Sinais Digitais em Portadoras Analgicas

O exemplo mais conhecido a comunicao de dados atravs do sistema telefnico (modems)

Neste caso, deve-se transformar a informao digital num sinal que seja adequado para transmisso pelo canal de voz.

Consiste em transformar um sinal, atravs da sua combinao com outro sinal, denominado portadora, de forma a melhor adequar a transmisso do sinal original ao meio de transmisso.

A portadora tem suas caractersticas (amplitude, freqncia ou fase) modificadas de acordo com o sinal modulante.

A freqncia da portadora geralmente bem maior que a maior freqencia do sinal transmitido.

A modulao permite a multiplexao (juno de vrios) sinais no domnio da frequncia

Modulao

f0

Bla, bla bla

f0

Banda passante do meio de transmisso

Modulao ASK (Amplitude Shift Keying)

Modulao FSK (Frequency Shift Keying)

Modulao PSK (Phase Shift Keying)

Melhor performance que ASK e FSK

BPSK (Binary Phase Shift Keying) - duas fases possveis (muito usado em rdio e satlite)

Modulao de sinais

Sinal digital original

Modulado por amplitude

Modulado por frequncia

Modulado por fase

Modulao Multinvel

A utilizao de mais smbolos (nveis de amplitude, frequncia ou fase) permite maior taxa de bits

Porm, ao definir mais smbolos, o esquema se torna mais susceptvel rudo

Os modems modernos usam alguma variante de ASK + PSK como QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

Modulao QAM

Quadrature Amplitude Modulation

So combinaes de ASK e PSK com 16, 64 e 256 smbolos diferentes

Aplicaes em microondas

Modulaes Comuns

Multiplexao

Custos com meios fsicos obrigam a se agrupar vrios canais de comunicao num nico meio de transporte

Melhor aproveitamento da banda disponvel

Multiplexao

FDM

Frequency Division Multiplexing

Muito usado em telefonia e rdio (TV, AM e FM)

Exige circuitos analgicos

FDM

Permite que vrios canais sejam acomodados lado a lado em frequncia

No final, somente transmitido um nico sinal multiplexado

FDM

TDM

Time Division Multiplexing

Divide o tempo para os vrios canais sendo transmitidos (timeslots)

Mais adequado transmisso de sinais digitais

Mais adaptado ao processamento de dados em formato digital

Exige sincronizao entre os multiplexadores

TDM

Cada canal (cor diferente) possui um determinado tempo para mandar seus bits, depois a vez de outro canal

TDM

No exige protocolos de enlace de dados para delimitao de PDUs (quadros)

A taxa de dados (data rate) fixa, podem ocorrer slots vazios (como nas redes telefnicas)

Multiplexao TDM Estatstica

Pacotes de vrios fluxos de dados so misturados numa mesma fila e transmitidos sob demanda

Pode manter vrias filas diferenciadas por servio onde um esquema de prioridades pode estar em vigor cada fila atendida de modo round-robin

Apresenta menor atraso mdio (mas de forma inconstante alta varincia) e aproveita melhor o canal de comunicao TDM e FDM alocam canais exclusivos que esto em uso mesmo que no haja nada a transmitir!

Deve identificar a informao sendo enviada (canais) para correta entrega na recepo

Multiplexao TDM Estatstica

Multiplexao TDM Sncrona

Spread Spectrum

Cada estao transmite um sinal que espalhado numa larga faixa de frequncias como se fosse um sinal de rudo

A estao receptora extrai apenas a sua mensagem, permitindo que um conjunto de estaes compartilhem o meio

Existem duas alternativas para SS:Frequency hopping a frequncia de transmisso salta (muda) constantemente. O receptor deve estar sincronizado com os saltos e pegar sua mensagem

Direct Sequence cada bit a ser transmitido cortado em vrios bits menores usando um padro definido de bits. Isto tem o efeito de espalhar o sinal numa largura de banda muito maior que a original dele. A recepo deve usar o mesmo padro de bits para recuperar o sinal original

Direct Sequence

uma tipo de modulao desenvolvido para fins militares

O sinal modulado com uma sequncia binria pseudo aleatria de forma a alargar o seu espectro

Este fato dificulta o envio de sinais de jamming (sinais para impedir a transmisso)

Somente receptores que tenham a pseudo sequncia podero recuperar o sinal segurana

Frequency hoppingDirect sequence

Direct Sequence

Tecnologias Baseadas em Fibra tica

Usadas largamente em backbones de longo alcance, alm de vrias tecnologias de redes (Ethernet, Fibre Channel, etc)

J esto chegando na rea metropolitana (MAN's) e nas redes de acesso

Tendncia natural a ser a nica infra-estrutura de transmisso para vrias tecnologias de rede (banda larga, pequena e flexvel, imune a rudos)

Hierarquias Digitais TDM de Multiplexao em Sistemas de Transmisso

PDH Plesiochronous Digital Hierarchy (em desuso)

SDH Synchronous Digital Hierarchy

Sistemas PDH

Cada fonte criada numa temporizao prpria (plesicrona)

O sinal multiplexado ligeiramente maior que a soma das componentes

Com isso no se sabe exatamente onde se comea um canal

Necessidade de demultiplexao de todo o feixe para se retirar canais determinados

Formatos de feixe definidos:DS1 ou T1 - EUA e Japo

E1 - ITU-T (Brasil)

Linhas TDM - T1 e E1

Linhas digitais de padro TDM, desenvolvidas para a conexo de PABXs com as operadoras telefnicas

Linha T1:utilizada nos Estados Unidos e Japo

velocidade de 1544 Mbps (carrega 24 canais PCM)

Linha E1:utilizado no Brasil e Europa

velocidade de 2048 Mbps (32 canais PCM, sendo 30 para dados e 2 para sinalizao/sincronizao

Organizao do Feixe E1

Padro: ITU-T G.704

30 canais PCM de 64 kbps + 2 canais de sincronizao (canal 0) e sinalizao (canal 16)

Organizao do Feixe DS-1 (T1)

24 canais de 64 kbps

1 bit de sincronizao inicial

O oitavo bit dos canais 6 e 12 usado para sinalizao

Hierarquia do Sistema de
Transmisso Digital Europeu/Brasileiro

Hierarquia do Sistema de
Transmisso Digital Americano

Organizao dos Feixes

SDH - Synchronous Digital Hierarchy

Inicialmente desenvolvida como SONET (Synchronous Optical Network) nos EUA (ANSI)

Define uma interface tica de transmisso (Recomendao ITU-T G.707)

Prov uma organizao adequada para links com altas taxas de transmisso

Possui um nico clock que mantm a rede toda sincronizada

Permite equipamentos mais simples (sem tantos bancos de multiplexadores e demultiplexadores) e controle total da rede via software

a tecnologia mais usada para transporte dos novos servios de banda larga em longa distncia

SDH

STM - Synchronous Transport ModuleSTS Synchronous Transport SignalOC Optical Carrier

WDM - Wavelenght-Division Multiplexing

Transmisso de vrios feixes de luz em frequncias diferentes (cores) multiplexados numa mesma fibra tica

Permite melhor utilizao das capacidades das fibras

A diferena bsica sobre FDM que o processo de multiplexao totalmente passivo

DWDM Dense Wavelenght-Division Multiplexing

Em DWDM mais comprimentos de onda so inseridos na fibra para se ter mais vias de dados

DWDM Dense Wavelenght Division Multiplexing

Muitas operadoras esto chegando ao limite de sua infra-estrutura de fibras baseadas em TDM (SDH/SONET), uma tecnologia originalmente desenvolvida para trfego de voz digital

Uma opo seria se passar mais fibras. Nem sempre possvel por razes de custo (Por exemplo: cabos martimos)

Partindo da planta atual de fibras passadas, existem duas alternativas para o crescimento de bandaaumentar a atual taxa de dados (bps) TDM usadas nas fibras alternativa limitada!

aumentar o nmero de canais que podem passar por uma nica fibra (multiplexao) - DWDM!

DWDM e TDM

Pode ser feita uma analogia como se a fibra fosse uma avenida de vrias faixas, onde TDM somente utiliza uma destas faixas ganhando velocidade aumentando a potncia do motor do carro

DWDM por outro lado utiliza vrias faixas de forma independente e sem restries sobre os tipos de veculos que trafegariam nestas faixas. Pode-se cobrar de um cliente somente o comprimento de onda que ele utilizar (uma faixa) e no toda uma fibra (uma avenida)

essencialmente uma tecnologia de meio fsico, independente de protocolos e formatos

Comunicao em Banda Larga

Sinais em banda larga so os sinais usados para transmisso em longas distncias e que concentram vrios canais de informao

Utilizando tcnicas de modulao e multiplexao pode-se compor mais canais num mesmo meio fsico aproveitando melhor sua capacidade

Estas tcnicas so adequados para comunicao sem fio, pois diferentes faixas de rdio podem ser usadas e serem melhor aproveitadas

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Fundamentos de Comunicaao de Dados - Camada Fsica

Prof. Mauro Tapajs Santos