Fund. De Redes. Meios de Transmissão

Fund. De Redes

Meios físicos de transmissão

Direcionados (guiados)

•par trançado •cabo coaxial •fibra ótica

Não-direcionados (não-guiados ou irradiados)

•rádio

•microondas (terrestre e satelital) •infra-vermelho

Fatores de projeto

Largura de banda

•maior largura de banda -> maior taxa de transmissão

Perdas na transmissão

•atenuação do sinal limita a distância da comunicação

Interferência

•comum em meios não-guiados, porém pode se manifestar em meio guiado através de acoplamento entre cabos

Número de receptores

Consiste de pares de fios de cobre

•Isolados individualmente

•Enrolados de forma helicoidal (reduz interferência)

•pares paralelos = antena = alta interferência

•Um par atua como um canal de comunicação

•Vários pares unidos juntos dentro de um mesmo cabo

•Meio de transmissão mais utilizado atualmente.

•Rede Telefônica

•entre a central telefônica e a casa do assinante (subscriber loop)

•Dentro de prédios

•ramais de PABX (cat 1 e 2 com conector RJ-11)

•Para redes locais (LAN)

•10 Mbps •100 Mbps •1 Gbps •10 Gbps •Veja mais:

http://pt.wikipedia.org/wiki/Cabeamento

•Barato (aprox. US$ 1 por metro – não blindado)

•Fácil de manusear e instalar (flexível, pode dobrar)

•Curtas distâncias (max. 100 m)

•Taxa de transmissão “menor” do que a fibra ótica ou

o cabo coaxial

Par trançado - Tipos

Unshielded Twisted Pair (UTP)

•Fio telefônico comum •Baixíssimo custo

•Fácil instalação

•Sofre interferência eletromagnética externa

Shielded Twisted Pair (STP)

•Blindagem em cada par trançado •Custo mais elevado

•Mais difícil de manipular

•Interferência eletromagnética externa reduzida •utilizado em ambientes hostis

Norma atual EIA/TIA 568B (a 568A é anterior)

Conector RJ-45 com 4 pares – o fio nr. 1 é o branco-laranja.

100BaseT (100 Mbps) se usam os fios 1 e 2 (par2 TX) e fios 3 e 6 (par3 RX). 1000BaseT (1 Gbps) são usados os 4 pares.

Par trançado - Categorias UTP

Categoria Impedância Tipo de Cabo Aplicação (telefonia e dados)

EIA/TIA 1 150 Ohms UTP Telefonia analógica 4KHz Telefone digital 64KHz EIA/TIA 2

(até 1MHz)

100 Ohms UTP ISDN Dados IBM 3270, AS400 EIA/TIA 3

(até 16MHz)

100 Ohms UTP, STP IEEE 10BaseT

Token Ring 4Mbits/s EIA/TIA 4

(até 20Mhz)

100 Ohms UTP, STP IEEE 10BaseT

Token Ring 4 e 16Mbits/s EIA/TIA 5

(até 100MHz)

100 Ohms UTP, STP IEEE 10BaseT e IEEE 100BaseT Nível 6 UTP, STP Dados – 155Mbps Nível 7 UTP, STP Dados – 1000Mbps

Par trançado – cabo direto e cruzado

Figura 1 abaixo –cabo direto (o que deve ser usado entre o micro e o switch/hub).

Cabo coaxial (coax)

•Melhor isolamento do que o par trançado

•Suporta transmissões em maiores distâncias

Dois tipos:

50 Ohms (baseband)

•transmissão digital (ex: LAN)

75 Ohms (broadband)

Cabo coaxial - Aplicações

Utilização versátil

Televisão

•TV a cabo (CATV)

(75 ohms)

Centrais telefônicas

•sendo substituído por fibras óticas

Comunicação entre computadores (LAN)

•sinalização digital (50 ohms)

Fibra ótica

Forma cilíndrica composta de três partes concêntricas

•Núcleo (core): silício ou plástico (8 a 100 m)

•Cladding: cobertura de silício ou plástico que envolve o núcleo •Capa (jacket)

Informações são transmitidas por pulsos de luz

Teleprocessamento

Teleprocessamento

Fibra ótica - frequências

Fiber type Application

820 to 900 366 to 333   Multimode LAN 1280 to 1350 234 to 222 S Single mode Various 1528 to 1561 196 to 192 C Single mode WDM 1561 to 1620 185 to 192 L Single mode WDM

Fibra ótica - Características de transmissão

•Grande capacidade de transmissão

•Taxa de transmissão de Gbps

•DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)

•ex: 80 canais de 10Gbps são disponíveis

•Baixa atenuação

•Não sensível à interferência eletromagnética

•Repetidores

Meios não-guiados

(wireless)

Teleprocessamento

Transmissão Wireless

• 2GHz to 40GHz

• 30MHz to 1GHz

• 3 x 10

to 2 x 10

Hz

Teleprocessamento

Rádio

•Omnidirecional

•Fácil de gerar

•Trafegam em longas distâncias

•Penetram facilmente em obstáculos em freqüências baixas

•Refletem em obstáculos em freqüências altas

Microondas (Terrestre)

•Freqüências > 100MHz: as ondas trafegam em linha reta

•Antenas parabólicas (3m de diâmetro) concentram o sinal

em um único feixe para aumentar o S/N

•Deve possuir visada direta

•Precursora das fibras óticas em telecom

•Necessidade de repetidores

Teleprocessamento

Teleprocessamento

Microondas (Terrestre)

Distância máxima entre antenas:

d = 7.14

√

Kh

d = distância em quilômetros

h = altura da antena (m)

K = 4/3

Ex: Duas antenas que possuem altura de 100m podem estar no máximo a 7.14 x

√

Microondas (Satélite)

•Satélite é uma estação repetidora

•Satélite recebe o sinal em uma freqüência (uplink), amplifica (ou repete) este sinal, e retransmite em outra freqüência (downlink) Tipos de satélites:

•GEO (Geosynchronous Earth Orbit) - 36000Km da terra •LEO (Low Earth Orbit)

•MEO (Medium Earth Orbit)

Empregos:

Televisão, telefonia de longa distância, redes privadas

Teleprocessamento

Satélite - Ponto-a-Ponto

• RTT (Round Trip Time)

– tempo que o sinal leva para ir do ponto A até o ponto B e retornar ao ponto A

• Calcule o RTT da seguinte topologia:

Teleprocessamento

Infra-vermelho

•Modulação da luz infra-vermelho

•Direcional e bloqueado por barreiras físicas •Comunicação barata e sem regulamentação •Fácil de construir

•Necessita de visada direta (ou reflexão) •Empregos - comunicação a curta distância:

Teleprocessamento

Luz visível (laser)

•Unidirecional

•Grande largura de banda e baixo custo •Fácil de instalar

•Sem precisar de licença

Digital e Analógico

• Dado

– Entidade que possui significado

• Sinal

– Representação eletromagnética do dado

• Transmissão

– Comunicação do dado pela propagação e

processamento de sinais

Dado e Sinal

• Geralmente usam-se:

– sinais digitais para transporte de dados digitais

– sinais analógicos para transporte de dados analógicos

• Pode-se utilizar sinais analógicos para o

transporte de dados digitais

– Modem

• Pode-se utilizar sinal digital para o

transporte de dados analógicos

Sinais Analógicos transportando dados

analógicos e digitais

Sinais Digitais transportando dados

analógicos e digitais

“um sinal arbitrário transmitido em um meio com largura de banda W Hz pode ser completamente reconstruído a partir da amostragem do sinal resultante com uma freqüência de 2W Hz”.

• Ex: A voz analógica é transmitida em uma largura de banda de 4KHz. Ela pode ser completamente reconstruída com uma taxa de amostragem de 8000 amostras/s (= 2 x 4000Hz). Essa é a base da técnica PCM, onde cada canal de voz ocupa 64kbps

• Capacidade do canal é a taxa de transmissão máxima

(em bps) que ele suporta

• Segundo Nyquist, a limitação da capacidade do canal é

APENAS dependente de sua largura de banda (o canal é

tido como

livre

de erros).

• Para uma dada largura de banda W é possível aumentar

a capacidade do canal (C) aumentando-se o número de

níveis de sinalização (M)

Capacidade do Canal - Nyquist

• Pode-se aumentar a capacidade de transmissão do

canal aumentando-se o número de níveis de

sinalização (M) (codificação multinível)

– 2 níveis representam dois símbolos (0 e 1)

– 4 níveis representam quatro símbolos diferentes (00,01,10,11)

Níveis de Sinalização

bits/M = log

M

• Um canal com 8 níveis de sinalização é capaz de

representar log

(8) = 3bits codificados por nível

Capacidade do canal de voz (Nyquist)

C = 2W log

(M)

Canal telefônico (W) = 3100Hz

M

Capacidade (bps)

2

6200

4

12400

8

24800

16

49600

...

...

• baud rate

versus

bit rate

(bps):

– baud rate: número de transições de níveis (M) por segundo (taxa de sinalização)

– bit rate: número de bits transmitidos por segundo

• Linha de

b baud

não necessariamente transmite

b bps

– depende da codificação utilizada (cada nível M pode representar vários bits)

• Ex:

– Com M=32 e 1200 baud é possível transmitir C=log₂(32)*1200 bps = 6000bps

– Calcule a taxa de transmissão (bps) de um canal que possui M=16 e 2000 baud

• Shanon introduz a influência do ruído (térmico)

– relação entre a potência do sinal e a potência do ruído – expresso em dB (decibels)

• Capacidade máxima do canal, em bps, é dada por:

C = W log

(1 + S/N)

W: Largura de banda do canal S/N : razão sinal/ruído (dB)

• Exemplo: linha telefônica – Canal de 3100Hz – S/N = 30dB (razão 1000)

C = B log

(1 + S/N)

C =

3100

log

(1 +

1000

)

C = 30898,40 bps

• Calcule a taxa máxima de transmissão (C) de um

canal de 50Hz que possui 40dB de S/N

• Calcule a taxa máxima de transmissão (C) de um

canal de voz que possui S/N = 500

• Calcule a taxa máxima de transmissão (C) de um

canal de voz que possui S/N de 35dB

• Quantos dB de S/N possui um canal de voz que

possui capacidade máxima de transmissão igual a

20500 bps

dB e potência do sinal

• A potência de um sinal é um parâmetro importante em

qualquer sistema de transmissão

• À medida que um sinal se propaga no meio, há perda

ou atenuação da potência do sinal

• Para compensar essa perda existem amplificadores que

podem ser inseridos em vários pontos

• É costume expressar ganho, perda e níveis relativos

através da unidade decibel

Meio

Teleprocessamento

dB e potência do sinal

N

= 10log

(P

/P

)

N_dB = número de decibels

P₁ = nível de potência de entrada P₂ = nível de potência de saída log₁₀ = log base 10

Ex: sinal com potência de 10mW é inserido em um meio de transmissão e a potência de saída após uma certa distância é de 5mW. A perda pode ser expressa em:

N_dB = 10log₁₀(5/10) = 10(-0.3) = -3dB

Unidade relativa de medida utilizada usualmente em sistemas elétricos e eletrônicos para descrever ganho ou perda (atenuação) de potência

dB e potência do sinal

1) Calcule a perda de um sinal cuja potência de entrada é de 1000mW e a potência de saída é de 500mW. Compare o resultado com o exemplo

anterior. O que pode ser deduzido?

3) Um determinado sinal possui uma relação S/N (Sinal/Ruído) de 30dB. Calcule a potência do sinal (S) e também a potência do ruído (N)

2) Calcule o ganho de um sinal cuja potência de entrada é de 100W e de saída é de 10000W.

4) Calcule a perda inserida em um meio de transmissão que atenua um sinal de 20mW para 5mW

Teleprocessamento

Conceitos Básicos

Informação

Sinais eletromagnéticos

Analógicos

Discretos

(Digitais)

representado por (voz, dados, imagem, vídeo)

Terminologia Transmissão

• Simplex

– Unidirecional

• televisão

• Half-duplex

– Bidirecional alternadas no tempo

• rádio policial

• Full-duplex

– Ambas as direções ao mesmo tempo

Teleprocessamento

Sinais Eletromagnéticos

• Domínio Tempo (DT)

– Representação do sinal como uma função do tempo

• Domínio Freqüência (DF)

– Representação do sinal como uma função da freqüência

“A representação do sinal no domínio freqüência é mais importante para o entendimento da transmissão de dados do

Sinais Eletromagnéticos (DT)

• Analógico

– Intensidade do sinal varia continuamente no tempo – Não há descontinuidade ou interrupções no sinal

• Discretos

– A intensidade mantém um nível constante por algum período do tempo e depois se modifica para outro nível constante

– Um sinal discreto com apenas dois níveis distintos é chamado de sinal digital

Teleprocessamento

Sinal Analógico

• suscetíveis a erros ocasionados por ruídos e interferências no meio de transmissão

• amplificadores podem ser

utilizados para regeneração do sinal -> maior custo

• amplificadores também aumentam o ruído

Sinal Discreto

• menos suscetíveis a erros ocasionados por ruídos e interferências no meio de transmissão

• repetidores regeneram o sinal digital -> menos níveis -> menos erros

• ruídos não são repassados e a distorção é baixa

Teleprocessamento

Por que Digital?

• Menor distorção e melhor detecção de erros na transmissão. Os amplificadores analógicos amplificam o ruído também.

• Avanços da eletrônica digital reduzem os custos. Circuitos

analógicos são muito caros e difíceis de produzir e integrar em grande escala.

• Integração de vários tipos de dados (voz, vídeo, dados). • Segurança (criptografia) e compressão facilitadas.

Sinais Eletromagnéticos (DT)

• Periódicos

– Padrão se repete no tempo – Ex: onde senóide

• Aperiódicos

– Padrão que não se repete no tempo – Ex: conversação telefônica

Teleprocessamento

Sinais Periódicos

contínuo

Teleprocessamento

Seno - Sinal Periódico Fundamental

• Amplitude de pico (A)

– máximo valor ou força do sinal no tempo – tipicamente medido em Volts (v)

• Frequência (f)

– taxa (em ciclos por segundo) na qual o sinal se repete – medido em Hertz(Hz) = 1ciclo/s

– T (período) = 1/f (tempo de uma repetição do sinal)

• Fase (

θ

)

– medida da posição relativa (em relação a alguma origem arbitrária) de um sinal no tempo

Seno - Sinal Periódico Fundamental

S(t) = A sin (2

π

ft +

φ

)

Teleprocessamento

Conceito - Domínio Frequência

• Os componentes do sinal são apenas ondas

senoidais de freqüências f e 3f • A segunda freqüência é múltipla da primeira • Quando todos os componentes das

freqüências são múltiplos de uma única freqüência, essa última é chamada de

freqüência fundamental.

• O período do sinal total é igual ao período da

Teleprocessamento

Teorema de Fourier

• Qualquer função periódica x(t), com um período T, pode ser representada através do somatório de senos e cossenos. • Teorema de Fourier:

f = 1/T = freqüência fundamental

a_k e b_k: amplitude senos e cossenos da k-ésima harmônica

• Um sinal qualquer pode ser reconstituído conhecendo-se a sua série de Fourier, ou seja, conhecendo-se o período (T) e suas amplitudes.

Representação DF

Representação de um sinal contínuo

Representação de um sinal discreto

Teleprocessamento

Conceitos DF

• Espectro do sinal

– Representação das freqüências (componentes harmônicos) nas quais um determinado sinal contém energia

• Largura de banda do canal

– Representação das freqüências que não sofrem atenuação significativa do canal

– diferente para cada meio de transmissão – influi na taxa de transmissão (bps)

1 2 3 4 f A

Espectro sinal A Largura de banda canal

1 2 3 4 f

A _Transmissão

Teleprocessamento

Teleprocessamento

• Voice-grade channel

• Canal artificialmente filtrado

para transportar as freqüências

mais significativas da voz

humana

• Considerar a largura de banda

do canal de voz = 3100Hz

• Bandas de segurança: tornam

a largura de banda do canal =

4000Hz (4KHz)

Teleprocessamento

Exercícios

1) Diferencie sinal digital de sinal analógico

2) Diferencie sinal periódico de sinal aperiódico

3) Qual a largura de banda de um canal telefônico?

4) O que acontece se você toca um CD de alta qualidade em uma linha telefônica?

5) O que é espectro de um sinal?

6) Defina largura de banda de um canal

7) Explique os componentes de uma onda senoidal

8) Explique sucintamente o que representa o Teorema de Fourier 9) Qual o período de uma onda senoidal de 100KHz?