Sistema de Transmissão

1º. Semestre 2017

1. CONCEITOS INTRODUTÓRIOS

1.1. História das Telecomunicações

• 1685 – Experiências de AMPÈRE e de OERSTED

• 1744 – Telégrafo de LHOMOND

• 1800 – Telégrafos de GAUSS e de Lord KELVIN

• 1844 – Telégrafo de MORSE

• 1868 – MAXWELL escreve o tratado de eletromagnetismo

• 1875 – Telefone de GRAHAM BELL

• 1905 – HERTZ comprova a existência dos fenômenos eletromagnéticos

• 1915 – Inaugurada a rádio-difusão

• 1920 – surge a eletrônica

• 1927 – É sugerido o conceito de televisão

• 1930 – surge a técnica de multiplexação

• 1930 – a telefonia alcança dimensões intercontinentais

• 1945 – CLARKE sugere a comunicação via satélite

• 1947 – Os sistemas de micro-ondas permitem comunicação interurbana de alta capacidade

• 1947 – É inaugurada a televisão preto-e-branco

• 1947 – É sugerido o conceito de telefonia celular

• 1958 – É lançado o primeiro satélite artificial

• 1962 – Inaugurada a TV a cores

• 1962 – surgem os satélites de comunicação

• 1963 – aparece o satélite geo-estacionário

• 1969 – É criada a ARPANET

• 1970 – Aparece a fibra óptica

• 1975 – a INTERNET é desmembrada da ARPANET

• 1980 – A tecnologia de comunicação por fibra óptica se

torna realidade

• 1980 – A tecnologia de telefonia celular é concretizada

• 1990 – A web faz deslanchar a INTERNET

• 1990 – Surge a 2ª geração de telefonia celular

• 2000 – Os serviços de comunicação multimídia se

popularizam

↓ • 2017 – fim das Transmissões de TV Analógica (BRASIL)

1.2. Importância das Telecomunicações

• O homem gasta hoje cerca de 90% de seu tempo de

vigília se comunicando

– A comunicação é feita com outros seres humanos, ou com

máquinas (ex: PC, TV) ou com matéria escrita (ex: jornais, livros)

• Aproximadamente um décimo das informações recebidas

vem de pontos distantes

• A sociedade humana deve todo o seu desenvolvimento à

capacidade de comunicação

– Há uma grande necessidade de rapidez e transporte de

informações em grandes volumes, numa sociedade dinâmica e

competitiva como a a nossa

1.3. Mercado para Telecomunicações

2. CONCEITOS BÁSICOS

2.1. Comunicações e Telecomunicações

CONCEITO DE COMUNICAÇÃO

• A sociedade humana se desenvolveu graças à comunicação entre os homens.

(a) ANTES

FONTE

Tem informação

A informação passou a ser um bem comum

Não tem informação

Precisa receber a informação

(b) DEPOIS

Tem informação

) -)- )

Tem informação

Canal

Voz

DESTINATÁRIO

FONTE E DESTINATÁRIO

• Fonte é a boca que fala ou o cérebro que pensa ?

• Destinatário é o ouvido que escuta ou o cérebro que

pensa ?

• Não importa. Fonte e destinatário são fronteiras lógicas

– O que está antes da fonte não importa

– O que está depois do destinatário não interessa

MODELO DE SISTEMA DE COMUNICAÇÕES

• O objetivo do sistema de comunicação é levar a informação da fonte

até o destinatário.

• A informação é uma entidade abstrata. O sinal é o suporte físico que

carrega a informação.

• A informação está associada com o padrão de variação do sinal.

FONTE CANAL DESTINATÁRIO

INFORMAÇÃO

SINAL

MODELAGEM BÁSICA PARA COMUNICAÇÃO

OS BLOCOS DO MODELO

• A fonte é considerada como uma caixa preta.

• O destinatário é considerado como uma caixa preta.

• Quanto ao canal interessa estudar com detalhes o

que há dentro da caixa e tudo o que nela se passa.

TELECOMUNICAÇÕES

• Problema: a comunicação por voz usa sinais acústicos, que se atenuam rapidamente. A 50m de distância uma pessoa não consegue falar com outra.

• Solução: converter o sinal acústico para elétrico. O sinal elétrico tem pouca atenuação e consegue ser amplificado.

Sinal Acústico

Sistema Telefônico

Sinal Acústico Sinal elétrico Sinal elétrico

Aparelho Telefônico Aparelho Telefônico

• TELECOMUNICAÇÕES: é a tecnologia que permite comunicação a

distância.

CONCEITO DE TELECOMUNICAÇÃO

Tipos de Informação a Serem

Transmitidas

COMUNICAÇÃO HUMANA

• O homem pode receber informação pelos cinco

sentidos, mas a tecnologia de telecomunicações só

usa os sentidos de visão e audição

– a comunicação humana é áudio-visual

• O homem é um receptor inteligente e consegue

extrair a informação mesmo de sinais contaminados

– A lógica humana é difusa

– A inteligência humana corrige erros no sinal recebido

• O homem exige respostas rápidas na comunicação

– O ser humano deseja comunicação em tempo quase-real

COMUNICAÇÃO HUMANA

COMUNICAÇÃO ENTRE MÁQUINAS

• As máquinas foram construídas para trabalhar com

sinais digitais e com códigos

– A lógica das máquinas é binária

– As máquinas se comunicam com dados

• O receptor da máquina é burro : exige a recepção de

sinais bem formatados e tem dificuldade no trabalho

quando erros contaminam o sinal recebido

– As máquinas toleram retardos mas não toleram erros

COMUNICAÇÃO HOMEM-MÁQUINA

E MÁQUINA-HOMEM

• Quando o homem quer se comunicar com máquinas

tem de enviar dados

• Quando a máquina precisa se comunicar com o

homem tem de enviar sinais audíveis ou sinais

visuais

Conceitos de Sistema

SISTEMA

• SISTEMA DE TELECOMUNICAÇÕES

• SISTEMA DE PROCESSAMENTO DE DADOS

• SISTEMA DE COMUNICAÇÃO DE DADOS

• SISTEMA DE TELEPROCESSAMENTO

SISTEMA - É um conjunto de elementos, cada um com uma função

bem definida, interligados entre si por um conjunto de relações de

modo a formar um todo organizado, com a finalidade de atingir um

certo objetivo, que nenhum componente por si só seria capaz de

atingir.

TELECOMUNICAÇÕES X PROCESSAMENTO

SISTEMA DE COMUNICAÇÃO

INFORMAÇÃO

Fonte Canal Destinatário

SISTEMA DE TELEPROCESSAMENTO

INFORMAÇÃO

SISTEMA DE

PROCESSAMENTO INFORMAÇÃO

Fonte Processador Usuário

Fonte Canal +

Processamento Usuário

MODELO DE SISTEMA DE COMUNICAÇÕES

• O modelo clássico de sistema de comunicação é

essencialmente unidirecional: da fonte para o destinatário.

FONTE CANAL DESTINATÁRIO

INFORMAÇÃO

SINAL

COMUNICAÇÃO UNIDIRECIONAL

COMUNICAÇÕES BIDIRECIONAIS: Canal X Circuito

É preciso montar dois canais, um para cada sentido

Fonte

Destinatário

Terminal Terminal Circuito

Canal

Canal Fonte

T Circuito

Destinatário

T

COMUNICAÇÃO BIDIRECIONAL

ANÁLISE DOS SINAIS DE COMUNICAÇÃO

Domínio do Tempo

• Variações do Tempo

A

Tempo Freqüência

A

Domínio de Freqüência

• Conteúdo de Freqüências

A análise de FOURIER permite passar de um domínio a outro

RELAÇÃO ENTRE O SINAL E O MEIO

• O sinal tem de atravessar o meio para chegar no destinatário

FONTE CANAL DESTINATÁRIO

• Nem sempre o espectro do meio é compatível com o espectro do sinal, mas

existem recursos para fazer as adaptações

ESPECTRO DE UM SINAL – faixa onde se encontra o conteúdo de

frequência de um sinal.

ESPECTRO DE UM MEIO – faixa das frequências que atravessam o meio.

Meio Sinal

• COMUNICAÇÃO – procedimento pelo qual se

transfere a informação de uma fonte para um

destinatário, de modo que esta informação passe a

ser um bem comum.

• FONTE – entidade que dispõe de uma informação e

está preparada para enviá-la.

• DESTINATÁRIO – entidade que precisa de uma

informação e está preparada para recebê-la.

SISTEMA DE COMUNICAÇÃO (2)

• INFORMAÇÃO – entidade abstrata: é o que se

deseja comunicar.

• SINAL – suporte físico que carrega a informação. A

informação está associada com o padrão de variação

do sinal.

• CANAL – meio que separa a fonte do destinatário e

pelo qual segue o sinal portador de informação.

SISTEMA DE COMUNICAÇÃO (3)

Terminologia

TELECOMUNICAÇÃO – tecnologia que permite comunicação a distância.

TRANSDUTOR – componente que faz a conversão da forma de energia original

para energia elétrica (ou vice-versa).

Sinal

Original

Sinal

Tx

Sinal

Rx

Sinal

Original

FONTE

EMISSOR

MEIO RECEPTO

R

DESTINO

RUÍDO

Canal de Telecomunicações

SISTEMA DE TELECOMUNICAÇÃO (1)

• TRANSMISSOR - componente que faz as adaptações do sinal entrante no canal para introdução no meio.

• MEIO – elemento físico que cobre a distância entre o transmissor e o receptor.

• RECEPTOR – componente que faz as adaptações do sinal extraído do meio para uma saída conveniente ao destinatário.

• RUIDO – fonte de energia espúria, que se introduz no meio e afeta a qualidade da comunicação.

• DISTORÇÃO - imperfeições do meio, que prejudicam o formato do sinal que se comunica pelo meio.

SISTEMA DE TELECOMUNICAÇÃO (2)

D.1) LARGURA DE BANDA

• BW - BandWidth

• Hz, KHz, MHz, GHz

• Largura de faixa

• Banda

• Espaço em Hz

Canal de voz - BW = 3,1 KHz

Canal de áudio - BW = 20 KHz

Canal de vídeo - BW = 4,2MHz

4,2MH

z

20KH

z

3,1KH

z

CLASSIFICAÇÃO

A VOZ HUMANA E OUVIDO HUMANO

FONTE DESTINATÁRIO

INFORMAÇÃO

MEIO FÍSICO

SINAL (VOZ HUMANA)

Faixa de Frequência

20 Hz - 12.000 Hz

Faixa de Maior Energia

100 Hz - 1500Hz

Faixa de maior Inteligibilidade

1500Hz - 8000 Hz

Faixa de Frequência

16 Hz - 20.000 Hz

FAIXA DE FREQUÊNCIAS

20 Hz

3.400 Hz

8.000 Hz

12.000 Hz

300 Hz

FAIXA DE FREQ.

USADA PARA

TELEFONIA

LIMITES DA

VOZ HUMANA

100 Hz

Comunicação de Dados

Quando nos comunicamos, estamos

compartilhando informações. Esse compartilhamento

pode ser local ou remoto. Entre indivíduos, a

comunicação local se dá normalmente frente a frente, ao

passo que a comunicação remota ocorre a distância. O

termo Telecomunicações significa comunicações a

distância.

A palavra dados se refere a informações

apresentadas em qualquer forma que seja acordada entre

as partes que criam e usam os dados.

Comunicação de Dados

• São trocas de dados entre dois

dispositivos por intermédio de algum tipo

de meio de tx. Para que as comunicações

de dados ocorram, os dispositivos de

comunicação devem fazer parte de um

sistema de comunicações, composto por

uma combinação de hardware e software.

Eficácia

• A eficácia de um sistema de

comunicações depende de quatro

características fundamentais: entrega,

precisão, sincronização e jitter.

Entrega

• O sistema deve entregar dados no destino

correto. Os dados tem de ser recebidos

pelo dispositivo ou usuário pretendido e

apenas por esse dispositivo ou usuário.

Precisão

• O sistema deve entregar os dados de

forma precisa. Dados que foram alterados

na transmissão e deixados sem correção

são inúteis.

Sincronização

• O sistema deve entregar dados no

momento certo. Dados entregues com

atrasos são inúteis. No caso de áudio e

vídeo, a entrega em tempo significa

fornecer os dados à medida que eles são

produzidos e sem atrasos consideráveis.

Esse tipo de entrega é denominada

Transmissão em tempo real.

Jitter

• Refere-se à variação no tempo de

chegada dos pacotes. É o atraso desigual

na entrega de pacotes de áudio e vídeo.

Suponhamos, por exemplo, que pacotes

de vídeo sejam enviados a cada 30 min.

Se alguns desses pacotes chegarem com

atraso de 30 min. e outros com atraso de

40 min., o resultado será uma qualidade

de vídeo irregular.

Componentes

• Um sistema de comunicação de dados é

formado por cinco componente:

Os Cinco componentes da

Comunicação de dados

1 - Mensagem

• As mensagens são as informações

(dados) a serem transmitidas. Entre as

formas populares de informação, temos:

texto, números, figuras, áudio e vídeo.

2 - Emissor

• O Emissor (sender) é o dispositivo que

envia a mensagem de dados. Pode ser

um computador, estação de trabalho,

aparelho telefônico, televisão e assim por

diante.

3 - Receptor

• O Receptor (receiver) é o dispositivo que

recebe a mensagem. Pode ser um

computador, estação de trabalho,

aparelho telefônico, televisão e assim por

diante.

4 – Meio de Transmissão (Canal)

• O meio de transmissão é o caminho físico

pelo qual uma mensagem trafega do

emissor ao receptor. Alguns exemplos de

meio de tx são: cabo par trançado, cabo

coaxial, fibra óptica e ondas de rádio.

5 – Protocolo

• O protocolo é um conjunto de regras que

controla a comunicação de dados.

Representa um acordo entre os

dispositivos de comunicação. Sem um

protocolo, dois dispositivos podem estar

conectados, mas sem se comunicar.

•Conceito de protocolo

–Conjunto de regras e formatos que determinam o comportamento de

comunicação das entidades

–É a definição das funções que a Rede e seus componentes devem

realizar

–As funções são divididas em Níveis ou Camadas

–Cada Nível é responsável por conjunto de funções a serem

realizadas

–A divisão em Níveis permite o entendimento, a síntese e a

implementação das Redes de Computadores

–Cada Camada fornece à Camada superior serviços específicos e o

suporte necessário para a transferência das informações

–Camadas de mesmo Nível se comunicam através de Protocolos

•Principais Funções de um Protocolo

–Endereçamento

–Estabelecimento de Conexão

–Confirmação de Recebimento

–Retransmissão

–Conversão de Código

–Numeração e Seqüência

–Controle de Fluxo

–Controle de Erro

Representação de Dados

• As informações de hoje são transmitidas

por diversas formas, tais como por texto,

números, imagens, áudio e vídeo.

Texto

• Em comunicação de dados, o texto é

representado como um padrão de bits,

uma sequência de bits (0s ou 1s). Os

diferentes padrões de bits foram

elaborados para representar símbolos de

texto. Cada conjunto é chamado de

código e o processo de representação de

símbolos é denominado codificação.

Eu Falo Você Entende Você Escuta

Nós estamos usando a mesma linguagem

Você recebe a Informação Eu Transmito a Informação

As máquinas por sua vez, também necessitam

de uma Linguagem comum para se comunicar

Linguagem: Um grupo definido de caracteres ou símbolos

representativos combinados segundo regras específicas para que

possa existir uma única interpretação

Por que?

Códigos

Caracter / Byte

A informação a ser transmitida é montada através de um

agrupamento de Bits denominado de caracter, o conjunto de

regras que define esse agrupamento é chamado de código.

Para transmitir o Caracter “A”

Código BAUDOT 1 1 0 0 0

Código ASCII 1 0 0 0 0 0 1

Código EBCDIC 0 0 1 1 1 0 0 0

CARACTERES

Quanto aos caracteres, podemos dividi-los em três

grupos:

Alfabético : A, B, C, D, .....

Numérico : 0, 1, 2, 3, .....

Símbolos Especiais : ? ! / \ ......

A regra específica para interpretação caracteriza um

código.

Por exemplo:

Código de 5 Bits: Letra A 1 1 0 0 0

Código de 8 Bits: Letra A 1 0 0 0 0 0 1 1

Quantidade

de Bits

usados

Quantidade

de

combinações

Quantidade de

caracteres que o

código admite

Código No de bits Caracteres

CCITT no 2

(Baudot)

5 32

BCD 6 64

EBCDIC 8 256

ASCII 7/8 128/256

CCITT no 5 7 128

Números

• Os números também são representados

por padrões de bits. Entretanto, um código

como ASCII não é usado para representar

números; o número é convertido

diretamente em binário para simplificar as

operações matemáticas.

Imagens

• As Imagens também são representados

por padrões de bits. Em sua forma mais

simples, uma imagem é composta por

uma matriz de pixels, em que cada pixel é

um pequeno ponto.

Áudio

• Áudio se refere ao registro ou transmissão

(difusão) de som ou música. O áudio é,

por natureza diferente de texto, números

ou imagens. Ele é contínuo, não discreto.

Vídeo

• Vídeo se refere ao registro ou transmissão

(difusão) de uma imagem ou filme. O

vídeo pode ser uma combinação de

imagens, cada uma delas uma entidade

discreta, dispostas para transmitir a idéia

de movimento.

Fluxo de Transmissão

• A Comunicação entre dois dispositivos

pode ser simplex, half-duplex ou full-

duplex, conforme mostrada na figura

seguinte.

Fluxo de dados

I) POR DIRECIONALIDADE

• SIMPLEX

• HALF DUPLEX

• FULL DUPLEX

• MULTI-CAMINHOS

A B

A B

A B

A

B C

D

CLASSIFICAÇÃO

Simplex

• No modo simplex, a comunicação é

unidirecional. Apenas um dos dois

dispositivos de um link pode transmitir; o

outro pode apenas receber.

Half duplex

• No modo half duplex, cada estação pode

transmitir, assim como receber, mas não

ao mesmo tempo. Quando um dispositivo

está transmitindo, o outro pode apenas

receber e vice-versa.

Full duplex

• No modo full duplex, é como uma via de

mão dupla com tráfego fluindo em ambas

as direções ao mesmo tempo.

QUANTO AO TIPO DE SINAL

• ANALÓGICO - Sinais contínuos no tempo

• DIGITAL - Sinais discretos

1 1 0 0

0 discreto em níveis

discreto no tempo

QUANTO AO MECANISMO DE

TRANSPORTE DOS SINAIS

• Propagação guiada (confinada em meios físicos)

– Pares metálicos

– Cabos de pares

– Cabo coaxial

– Fibra óptica

• Propagação irradiada (pelo espaço)

– Rádio terrestre

– Rádio via satélite

1.7 – Taxa de Transmissão

CONCEITO DE TAXA DE TRANSMISSÃO

• R b - Taxa de Bit (Bit Rate)

• bit/ s, Kbit/s, Mbit/s, Gbit/s

• Velocidade de transmissão

• Quantidade de bits / unidade de tempo

• “Kilobitagem”

• Ex.: Modem de linha 28,8Kbps / 33,6Kbps / 56Kbps.

tempo

Na comunicação digital, a característica

essencial do sinal que se comunica é a

quantidade de elementos binários

portadores de informação transmitidos por

unidade de tempo, ou seja, a taxa de

transmissão em bit/s.

Conversão Analógica Digital

A técnica mais comum para converter

sinais analógicos em dados digitais

(digitalização) é denominada de PCM (

modulação por código de pulso, do inglês

Pulse Code Modulation). Um codificador

PCM possui três processos conforme figura

seguinte:

Componentes de um codificador

PCM

Passos:

1. O sinal analógico é amostrado.

2. O sinal amostrado é quantizado

3. Os valores quantizados são codificados.

Amostragem

A primeira etapa no PCM é a

Amostragem. O sinal analógico é amostrado

a TS segundos, em que TS é o intervalo ou

período de amostragem. O inverso do

intervalo de amostragem é denominado taxa

ou freqüência de amostragem e é

representado por fS, em que fS=1/TS.

Existem três métodos de amostragem:

Ideal, Natural e Amostragem e Retenção.

Na amostragem ideal, os pulsos do

sinal analógico são amostrados em

intervalos de TS segundos. Trata-se de um

método ideal que não é de fácil

implementação.

Na amostragem natural, uma chave de

alta velocidade é ativada somente no

pequeno período de amostragem. O

resultado é uma sequência de amostras que

retenha o formato do sinal analógico.

Entretanto, o método de amostragem

mais comum é chamado amostragem e

retenção (sample & Hold).

O processo de amostragem é, algumas

vezes, conhecido como PAM (modulação

por amplitude de pulso). Precisamos,

porém, nos lembrar que o resultado da

amostragem ainda é um sinal analógico

com valores não inteiros.

Taxa de amostragem

De acordo com o teorema de Nyquist,

para reproduzir um sinal analógico original,

uma condição necessária é que a taxa de

amostragem seja pelo menos o dobro da

freqüência mais elevada contida no sinal

original.

Quantização

O resultado da amostragem é uma

série de pulsos com valores de amplitude

que se encontram entre as amplitudes

máxima e mínima do sinal. O conjunto de

amplitudes pode ser infinito, com valores

não inteiros entre os dois limites. Esses

valores não podem ser usados no processo

de codificação. A seguir listamos os passos

do processo de quantização:

1. Supondo que o sinal analógico original

tenha amplitude instantâneas entre e

2. Dividimos o Intervalo em L zonas, cada

uma delas com altura ∆.

3. Atribuímos valores quantizados de 0 a

(L-1) ao ponto médio de cada zona.

4. Aproximamos o valor da amplitude

amostrada com os valores quantizados.

minV maxV

L

VV minmax

O erro de quantização muda a relação

SNR do sinal, que por sua vez, reduz a

capacidade limite superior de acordo com

Shannon.

Pode ser provado que a contribuição

do erro de quantização para a SNRdb do

sinal depende do número de níveis de

quantização L ou o número de bits por

amostra nb.

][76,102,6 dBnSNR bdB

Quantização linear versus não linear

Para muitas aplicações, a distribuição

das amplitudes instantâneas no sinal

analógico não é uniforme. Mudança na

amplitude normalmente ocorrem mais

frequentemente nas amplitudes mais baixas

que naquelas mais altas. Para esses tipos

de aplicações é melhor usar zonas não

uniformes.

A quantização não uniforme também pode ser obtida usando-se um processo chamado compressão-expansão e expansão. O sinal comprimido-expandido no emissor antes da conversão; ele é expandido no receptor após a conversão. Compressão-expansão significa reduzir a amplitude da voltagem instantânea para valores maiores; expansão é o processo oposto. Esse processo da maior peso a sinais fortes e menos peso aos sinais fracos.

Codificação

A última etapa é a codificação. Após

cada amostra ter sido quantizada e o

número de bits por amostra ser decidido,

cada amostra pode ser modificada para

uma palavra de código de nb bits.

Taxa de bits = freq. Amostragem x nb

nb = log2 L

em(t)

0 Ts 2Ts 3Ts t

• A modulação por codificação de pulso é um

Pulso Code Modulation – PCM

Sinal

Analógico

Sample

&

Hold

Quantizador

Codificador

&

Modulador

0 Ts 2Ts 3Ts t

em(t) em(t)

0 Ts 2Ts 3Ts t

Sinal

Analógico

Filtro

Passa-Baixa

Quantizador

Decod.

&

Demod.

em(t)

0 Ts 2Ts 3Ts t

010 011 100 111 em(t)

0 Ts 2Ts 3Ts t

010

011 100

111

• A modulação por codificação de pulso consiste basicamente em transformar um sinal analógico em digital (conversão A/D), permitindo representar a informação contida no sinal analógico por uma sequência de bits

• Para obtenção do sinal digital, a técnica PCM pode ser dividida nas seguintes etapas:

– Amostragem

• Amostragem do sinal analógico a uma taxa maior que a de Nyquist

– Quantização

• Quantização das amostras (“round-off” arredondamento)

– Codificação

• Representação das amostras quantizadas em seqüências de símbolos binários

Pulso Code Modulation – PCM

• Pode ser empregado para diversos tipos diferentes de fontes analógicas (áudio, vídeo, etc)

• Pode-se combinar fontes analógicas com digitais e transmití-las em redes de altas velocidades

• PCM pode utilizar repetidores para melhorar a SNR em transmissões de longa distância (Regeneração)

• Desempenho superior dos sistemas digitais em relação ao ruído (codificação da fonte e canal, etc)

• Armazenamento digital da informação

• Aplicação em sistemas de hierarquia (SDH, PDH, etc)

• Relativamente barato

PCM – Vantagens

De Acordo com o Teorema de Nyquist, a

taxa de amostragem deve ser pelo

menos o dobro da frequência mais

elevada contida no sinal.

Fa frequência de amostragem

Fs máxima frequência do sinal

Note

fsfa 2

Exemplo intuitivo do teorema de Nyquist.