Apostila Scda Capitulo-03 v01-2007

FAZ Sistema De Comunicação de Dados Prof. MSc. Fábio Seguins

Apostila_SCDA_Capitulo 03_V01-2007.doc 77

PARTE II – COMUNICAÇÃO DE DADOS

CAPÍTULO 3 – CANAL DE COMUNICAÇÃO 3.1. CANAL: Natureza e Caracterização

Natureza dos canais • Canais de transmissão privados – Instalados pela própria entidade operadora Ex.: redes locais • Canais de transmissão públicos – Instalados por uma entidade que depois os aluga a outra entidades – Comutados Ex.: rede telefônica – Dedicados Ex.: linhas alugadas

Caracterização dos canais Propriedades dos meios transmissão (canal) • Resistência aos sinais – atenuação: (Função da freqüência) • Tempo de propagação dos sinais: (Função da freqüência) • Imunidade ao ruído Limitações impostas pelas propriedades • Distância (comprimento): Solução: repetidores (amplificadores) • Largura de banda – Gama de freqüências permitida – Solução: uso de equalizadores • Capacidade de um canal – Velocidade de transmissão máxima (bps) – Fórmula de Nyquist – Fórmula de Shannon-Hartley

Existe uma classificação de canais de comunicação, baseada na velocidade do canal, ou também chamada largura de banda do canal de comunicação que pode ser caracterizada da seguinte forma:

Voice band: é a banda do canal de voz que temos nos sistemas telefônicos. A linha telefônica oferece um canal de freqüência de 4kHz, que podemos utilizar, por exemplo, para realizar uma conexão assíncrona com um provedor e acessar a Internet com velocidade de até 56kbps.

Narrow band: ou simplesmente canal de banda estreita, corresponde aos circuitos de dados que trabalham com velocidades de até 64kbps. São circuitos de baixa velocidade que trabalham com transmissão síncrona, ainda muito utilizados pelas corporações e bancos para aplicações específicas de dados.

Broad band: ou simplesmente banda larga, corresponde aos circuitos e tecnologias de dados que trabalham com velocidades acima de 64kbps. Os serviços de acesso à Internet em alta velocidade usando modems ADSL são serviços broad band, que podem atingir velocidades de até 6Mbps. Os circuitos banda larga também trabalham com transmissão síncrona.

Nos últimos anos as operadoras de telecomunicação vêm investindo massivamente na criação

de redes de acesso banda larga, principalmente devido à necessidade cada vez maior que os usuários de Internet têm de banda. As novas aplicações, como a digitalização de músicas em padrão MP3, o uso de aplicações de vídeo e voz na Internet, têm gerado uma demanda muito grande por acessos em alta velocidade.

Nos Estados Unidos, o mercado de banda larga é muito expressivo. No Brasil, devido ao alto custo e à obrigatoriedade do pagamento do serviço de um provedor, mesmo sem usar a rede dele, tem espantado um pouco os clientes, entretanto espera-se que os serviços de banda larga tenham um crescimento de 15% ao ano até 2006. [11]



3.2. CAPACIDADE DO CANAL A máxima capacidade de um canal de transmissão de dados é a velocidade máxima do sinal de

transmissão que pode passar através desse canal. A unidade dessa medida é o bps (bit por segundo), e os teoremas básicos para encontrar esta velocidade máxima do sinal são os Teoremas de Nyquist e de Shannon. [18]

Diferentes tipos de sinais (voz humana, música, dados, imagem, ...) necessitam de diferentes capacidades de canal, as quais são indicadas em termos de largura de banda e outros fatores que influenciam a capacidade de um canal.

A taxa em que podemos enviar dados sobre um canal é proporcional à largura de banda do canal. Mas o que significa largura de banda (bandwidth)?

A largura de banda de um canal de comunicação constitui uma medida da máxima taxa de informação que pode ser transmitida pelo canal. Largura de banda significa o espectro de freqüência que o canal é capaz de transmitir e não tem qualquer relação com as freqüências que são transmitidas no canal.

Ele indica apenas a diferença entre os limites inferior e superior das freqüências que são suportadas pelo canal. Por exemplo, um canal que admite freqüências da ordem de 1.500 a 5.000Hz, tem uma largura de banda igual a 5.000 – 1.500 = 3.500Hz. Da mesma forma, um canal que admite freqüências que vão desde 18.000Hz a 21.500Hz também apresenta uma largura de banda 3.500Hz (21.500 – 18.000).

A média de freqüência de 300 a 4.000Hz ou de 300 a 3.300Hz é satisfatória para a transmissão da voz humana, mas não para a transmissão de música, pois esta pode variar rapidamente entre freqüências baixas e altas, muito mais que a variação de freqüências da voz humana. Para reproduzir o som de um instrumento de percussão, devemos baixar a freqüência a 60 ou até 30Hz, enquanto para os tons mais altos, a freqüência vai acima de 15.000 ou 18.000 Hz.

Uma estação de rádio AM utiliza uma largura de banda de 5.000Hz e portanto é capaz de reproduzir música de forma que a mesma não seja distorcida mas não com alta fidelidade, enquanto que a rádio FM transmite com alta fidelidade porque utiliza uma largura de banda de 18.000Hz. Uma largura de banda de 18.000Hz possibilita que sejam transmitidas freqüências que representam desde o som de um tambor até o som do violino.

Na verdade, as ondas de rádio FM não são transmitidas com freqüências de 30 a 18.000Hz; as freqüências são da ordem de 100MHz, pois este meio de transmissão só trabalha eficientemente com freqüências de 70 a 150MHz. A alta freqüência deve, portanto, ser capaz de transportar a baixa freqüência.

Em outras palavras, a baixa freqüência deve modular a freqüência portadora para produzir um sinal que possa ser transmitido eficientemente e, a partir do qual, depois da transmissão, a baixa freqüência possa ser recuperada. [17]

Uma questão assim surge: quantos estados de sinalização podem ser transmitidos e distinguidos separadamente no receptor de um sistema de comunicação de dados?

A resposta para esta questão, examinados os fatores que influenciam esse número de estados, vem definir o conceito de capacidade máxima de um canal. Ruído e distorção sobre o canal, flutuações na atenuação do sinal portador, e um limite na potência do sinal, têm influência no número de estados de sinalização.

Quanto maior o número de estados que podem ser transmitidos e distinguidos, maior será a capacidade do canal.

Podemos então concluir que a capacidade do canal está intimamente relacionada com a velocidade de transmissão, pois quanto maior o número de estados mais bits por segundo poderão ser transmitidos. Daí medir-se capacidade na unidade bits/segundo (bps – bits per second).

Neste ponto, é conveniente fazer uma diferenciação entre as unidades "bits por segundo (bps)" e “BAUDS”. [18] 3.2.1.Grandezas relacionadas com a capacidade do canal 3.2.1.1. Largura de banda x Taxa de transmissão

Um aspecto, que nos preocupa ainda com relação à transmissão, é a confusão que alguns costumam fazer entre a relação da largura de banda e da taxa de transmissão. Em outras palavras, colocando-se este aspecto sob métricas, podemos dizer que nossa preocupação é a confusão muitas vezes existente entre a relação de MHz e Mbps (alguns autores costumam se referir a esta confusão como sendo MHz, Mbps e Mega-confusão).

O problema da confusão entre MHz e Mbps é baseado no fato da limitação do meio físico e do hardware real envolvidos na transmissão. Quando ilustramos um sinal digital com a representação de valores de 1 e 0 com formas perfeitas, é importante lembrar que é uma aproximação ideal. Na prática, a sinalização dos 0s e 1s não pode ser efetuada instantaneamente. Então, existe uma certa tolerância de quando podemos admitir a amostragem para entender a representação efetuada.

Mas, caso o leitor ainda não tenha se preocupado com este problema, deve observar os exemplos de meios de transmissão, taxa de transmissão e largura de banda que a tabela apresenta a seguir:



Exemplo da relação de largura de banda e taxa de transmissão.

MEIO DE TRANSMISSÃO TAXA DE TRANSMISSÃO LARGURA DE BANDA Par trançado 4Mbps 3MHz Cabo coaxial 550Mbps 350MHz Fibra óptica 2Gbps 2Gbps

Na tabela do exemplo anterior, é possível notar que a largura de banda (expressa em MHz) é menor que a taxa de transmissão (expressa em Mbps). Em uma primeira observação da tabela, podem surgir as seguintes dúvidas:

• Estaria esta tabela correta? • Poderíamos encontrar uma outra tabela com uma relação inversa entre MHz e Mbps? • Como poderíamos explicar de forma precisa a relação de largura de banda e taxa de transmissão?

A limitação na transmissão dos bits enviados em sistema de comunicação é decorrente da limitação física

imposta pelo meio. De outra forma, num sistema de comunicação qualquer, independente de como o sinal será transportado (ou seja, através de ondas de corrente elétrica, rádio ou luz), a largura de banda não será infinita devido à limitação característica imposta pelo meio físico. 3.2.1.2. Bits x Baund

Não se deve confundir taxa de dados com taxa baud. Um baud é uma unidade de velocidade de sinais. A taxa baud pode ser usada para expressar a capacidade de um canal de comunicações. Nos primórdios das redes de telecomunicações e comunicações entre computadores, quando as taxas de transmissão de dados eram muito lentas (por exemplo, menos do que 300bps), baud era aceita como uma medida precisa da velocidade de um canal. Tendo recebido esse nome em homenagem ao engenheiro francês Jean Maurice Emile Baudot (1845 – 1903), baud foi usada originalmente para medir a velocidade de transmissões por telégrafo. Ela é igual ao número de vezes que a condição da linha muda por segundo.

Embora represente uma medida de velocidade de transmissão de dados, o baud não corresponde ao número de bits transmitidos por segundo. Assim, taxa baud é diferente de taxa de dados.

Em baixas velocidades (menos do que 300bps), a taxa de dados e a taxa baud coincidem, pois os métodos de sinalização são relativamente simples. Com o aumento da velocidade, os métodos de sinalização tornam-se mais complexos, pois diversos bits são frequentemente codificados por baud, o que possibilita para cada sinal representar mais do que um bit de informação.

Por exemplo, considere um canal de comunicações transmitindo a 2.400baud. Isso significa que a taxa de sinalização do canal muda 2.400 vezes por segundo. Se cada sinal representa um bit, a taxa baud é igual à taxa de dados. Nesse caso, 2.400baud = 2.400bps. Contudo, se cada sinal representa quatro bits, como no caso de modulação de amplitude de quadratura, a taxa baud continua sendo 2.400, mas a taxa de dados é 4bits x 2.400 mudanças de sinal por segundo, ou seja, 9.600bps. Como resultado, a taxa baud do canal permanece 2.400, mas sua largura de banda é 9.600bps.

À medida que o número de elementos de sinalização por unidade de tempo aumenta (a taxa em bauds), a duração de cada elemento deve diminuir: [3] [8]

Fig. 3.1 – Duração de elementos em uma transmissão.

Como pôde ser observado na figura anterior, a duração do elemento de sinalização diminui à medida que

a taxa de bauds aumenta.



Relacionando esse conceito com um MODEM, se cada bit entrando no MODEM é representado por uma mudança de sinal, então 1bps = 1baud. Se, por outro lado, um modem de modulação de fase é usado onde uma mudança de sinal é usada para representar 3bits, então 3bps = 1baud. Como é raro que em comunicações de dados tenhamos 1bps = 1baud, a taxa baud e a taxa de dados não são consideradas a mesma coisa, especialmente hoje em dia, com a regra de comunicação a altas velocidades. Portanto, a taxa de dados é a medida mais precisa.

Se o estado do sinal representa a presença ou ausência de um bit, então a taxa em bauds é a mesma que a taxa em bps. Por outro lado, o nível de um sinal digital não precisa necessariamente se restringir a dois. Outras formas possíveis de codificação de sinais digitais podem ser obtidas através de mais que um bit a cada nível de amplitude, com mais do que duas amplitudes. Ao se transmitir dois bits por nível, por exemplo, necessita-se de quatro níveis para expressar todas as combinações possíveis de dois bits. Essa combinação é denominada “dibit”. A Figura 3.2 apresenta um exemplo de sinal digital “dibit”.

Fig. 3.2 - Mensagem digital com 4 níveis de sinais.

A comunicação entre dois navios, por exemplo, pode ser feita através de sinais de luz., ligando e desligando uma lanterna.

A cada vez que a lanterna pisca, uma unidade de informação é enviada. Alternativamente, poder-se-ia enviar duas unidades de informação a cada piscada se tivéssemos uma lanterna com quatro cores (símbolos) para representar grupos de informação. Por exemplo, vermelho, verde, azul e branco poderiam representar os grupos 11, 10, 01 e 00 respectivamente.

Esta codificação multinível (dibit) reduz a largura de banda necessária, enviando duas vezes mais informação por unidade de tempo. Se a velocidade de sinalização neste caso fosse 200bauds/s, por exemplo, teríamos 400bits transmitidos em um segundo.

Pode-se ter esquemas com três ou mais bits “tribit” ou mais níveis de amplitude. No caso de uma comunicação “tribit”, o número de níveis necessários será oito. De uma forma geral, para se codificar n bits em um nível de amplitude, são necessários 2n níveis diferentes. Um esquema utilizando 4 bits é denominado “tetrabit” e assim sucessivamente. Um esquema utilizando 6 bits a cada baud é denominado “hexabit” e assim sucessivamente. 3.2.1.3. Capacidade de fluxo

Outro conceito pouco entendido é o de capacidade de fluxo. Frequentemente vemos largura de banda e capacidade de fluxo sendo confundidas; entretanto, são diferentes. Em redes e comunicações entre computadores, a largura de banda representa a capacidade teórica de um canal de comunicação expressa em bits por segundo. Para entender a diferença entre largura de banda e capacidade de fluxo, vamos considerar uma rede local Fast Ethernet. A Fast Ethernet tem uma taxa máxima de transferência de 100 Mbps. Será que isso significa que podemos esperar que todas as taxas de transferência sejam a 100 Mbps? Não. Fatores externos como a capacidade de processamento de um nó, velocidade de processamento de entrada e saída, sobrecarga no sistema operacional, sobrecarga no software de comunicações e quantidade de tráfego na rede em um dado momento reduzem a taxa de dados. Conseqüentemente, existe uma diferença entre a capacidade teórica máxima de um canal de comunicações e a taxa de transmissão de dados real. Essa “taxa real” é conhecida como capacidade de fluxo; ela descreve a quantidade de dados que um canal pode suportar. A capacidade de fluxo, por outro lado, nos fornece informações sobre o que o canal realmente pode transmitir. O fato de um meio ou arquitetura de rede local ser especificado para operar a uma certa taxa de dados não nos permite assegurar que essa taxa será a capacidade de fluxo alcançada por qualquer nó ou grupo de nós. [8]



3.2.1.4. Relembrando o logarítmo

Tab. 3.1 – Propriedades do logaritmo. PROPRIEDADE EQUAÇÃO

Numerador igual à base Logb b = 1 Exponenciação Logb nx = x * logb n

Mudança de base Logb n = loga n / loga b Exponenciação b(logbn)=n

3.2.1.5. Relembrando o decibel

O dB é uma unidade logarítmica muito usada em telecomunicações, representando relações entre duas grandezas de mesmo tipo, como relações de potências, tensões ou outras relações adimensionais, principalmente pois:

- O ouvido humano tem resposta logarítmica (sensação auditiva versus potência acústica); - Em telecomunicações, se usam números extremamente grandes ou pequenos. O uso de logaritmos facilita sua utilização. Por definição, uma quantidade Q em dB é igual a 10 vezes o logaritmo decimal da relação de duas

potências, ou seja:

Q(dB) = 10 log ( P1 / P2 ). (3.1)

Como a relação entre potência e tensão é dada por:

P = V2 / R (3.2) é possível escrever:

Q (dB) = 20 log ( V1 / V2 ) + 10 log ( R2 / R1). (3.3) Caso as resistências sejam as mesmas, pode-se simplificar a equação para:

Q(dB) = 20 log ( V1 / V2 ). (3.4)

A Tabela 3.2 a seguinte fornece alguns valores típicos:

Tab. 3.2 – Valores típicos para a relação dB. Q (dB) P1 / P2 V1 / V2

120 1.000.000.000.000 1.000.000 90 1.000.000.000 31.600 60 1.000.000 1.000 30 1.000 31,6 20 100 10 10 10 3,16 6 4 2 3 2 1,414 0 1 1 -3 0,5 0,707 -6 0,25 0,5

-10 0,1 0,316 -20 0,01 0,1 -30 0,001 0,0316 -60 0,000001 0,001

-120 0,000000000001 0,000001



Observe que 0dB equivale a uma relação de 1; 3dB equivale a uma relação de 2 (em potência), e 10dB equivale a uma relação de 10. Assim:

* +3dB equivale a multiplicar por 2; * +10dB equivale a multiplicar por 10; * -3dB equivale a dividir por 2; * -10dB equivale a dividir por 10.

É fácil converter qualquer valor inteiro de dB na relação correspondente, usando apenas 3dB e 10dB. Por

exemplo, 17 dB: 17 = 10 + 10 - 3 dB ou em unidades lineares 10 x 10 / 2 = 50. Portanto 17dB equivale a uma relação de 50. [3]

Exemplo de operações com dB e as respectivas unidades lineares:

3.2.1.6. Outras unidades logarítmicas

•dBA: zero dBA equivale a uma intensidade sonora (pressão sonora) de 20microPascal, e equivale aproximadamente ao limiar de audição. O limiar de dor se situa em torno de 120dBA, ou seja, uma pressão 106 vezes maior ou uma potência sonora 1012 vezes maior (a potência sonora é proporcional ao quadrado da pressão). O A se refere a um tipo de filtro de ponderação, que leva em conta a não linearidade do ouvido em freqüência.

• Neper: Uma unidade bastante usada em cálculo é o Neper, que é igual ao logaritmo neperiano da razão de duas tensões (ou correntes) na mesma impedância. Obs.: 1N =8,65dB.

• dBr: é uma unidade relativa de medida de nível, em relação ao ponto zero de transmissão, (0 TLP), onde geralmente o nível do tom de teste é de 0dBm. Apenas indica o somatório dos ganhos e atenuações num ponto qualquer em relação ao ponto de referência, ou ponto zero de transmissão.

• dBm: é uma unidade de medida de potência : 0dBm = 1mW. P(dBm) = 10log P(mW). Portanto: 3dBm = 2mW, 30dBm = 1W, -30dBm = 1microW.

• dBm0: é uma unidade de medida de potência relativa ao ponto zero. Geralmente, é usado para indicar o nível de outros sinais, como pilotos, tons de sinalização, ruído, fuga de portadora, diafonia, etc., em relação ao tom de teste. Ex.: um tom de sinalização de –20dBm0 terá uma potência (ou nível) de –28 dBm num ponto onde o tom de teste tem –8dBm. (ponto de –8dBr). Ex.: se num determinado ponto o nível do ruído é de –34 dBm e o nível do tom de teste é de –4dBm, então o nível do ruído é de –30dBm0.

Obs.: a relação sinal/ruído em db é o nível do ruído em dBm0 com sinal trocado. Relação entre dBm, dBr e dbm0 : dBm = dBr + dBm0.

•dBu: é uma unidade de medida de tensão, onde 0dBu = 0,775V. Um voltímetro pode ter uma escala graduada em dBu, relacionada com a tensão V por: U(dbu) = 20 log ( V / 0, 775 ). Como 0,775V corresponde a tensão desenvolvida por 1mW num resistor de 600ohms, a leitura em dBu corresponde a potência em dBm, desde que seja efetuada em um circuito cuja resistência de terminação é de 600 ohms. Em qualquer outra impedância Z (resistiva), deve ser somado à leitura em dbu um fator de correção F(dB) = 10 log( 600 / Z ) para obter o valor da potência em dBm:

P (dBm) = U (dBu) + F (dB). Alguns valores de F e Z: 6dB em 150ohms, 9dB em 75ohms, 10,8dB em 50ohms.



• VU: unidade de medida de tensão, usada em estúdios de radio : 0VU = +4dBm = 1,228V em 600 ohms.

• dBµ: unidade de medida de tensão onde 0dbµ = 1microvolt, usada para medir tensões muito pequenas como por ex. sensibilidade de receptores. Zero dbµ em 50 ohms equivale a uma potência de -107dBm.

•dBp : dB ponderado psofometricamente (psofos= ruído), ou seja, que leva em conta o somatório das respostas em freqüência do ouvido e da cápsula receptora telefônica, e usado para medir ruído e relações sinal/ruído em telefonia. Aplica-se também ao dBm e dBm0.

• dBi : usado para expressar o ganho de uma antena em relação a antena ISOTRÓPICA. A antena isotrópica tem um diagrama de irradiação esférico, ou seja, irradia igualmente em todas as direções. O dBi é muito usado em cálculos de enlaces de telecomunicações. A antena isotrópica é uma referencia teórica, sendo de difícil construção prática.

• dBd : usado para expressar o ganho de uma antena em relação ao DIPOLO de meia onda. O dipolo de meia onda é a antena ressonante mais simples e fácil de ser construída e por isso é muito usada como referencia. Em espaço livre, o ganho do dipolo de meia onda é de 0dBd = 2,15dBi. [4]

3.2.1.7. Soma de sinais não coerentes

Qual é a potência total de um sinal com 10dBm somado a um ruído de 6dBm? Solução: a diferença entre as parcelas é 10dBm - 6dBm = 4dB (obs.: subtrair potências em unidades logarítmicas equivale a fazer um quociente em unidades lineares, portanto, o resultado é um numero adimensional, o dB). No gráfico da figura seguinte, obtemos para uma diferença de 4dB o valor de 1,45dB. A soma dos dois sinais tem uma potência de 10dBm + 1,45dB = 11,45dBm.

Segue abaixo algumas regras básicas de operação: Somam-se e subtraem-se dB com dBW, dBm, dBμ, ... Não se somam nem se subtraem dBW com dBW, dBm com dBm, dBμ com dBμ, ... A diferença entre dois valores em dBW, dois valores em dBm, dois valores dBμ, ... é expressa em dB.

3.2.2. Problemas de transmissão 3.2.2.1. Distorção [5] [13]

A distorção pode ser definida como uma mudança indesejável na forma do sinal de comunicação de dados sofrida na transmissão entre fonte e destino.

Os diferentes valores de efeitos impostos às diferentes freqüências que formam o sinal geram a distorção. Por exemplo, no canal fio, ao se aplicar pulsos de comunicações digitais diretamente a um par de fios ou a um cabo, devido à capacitância e à indutância distribuídas, a partir de alguns poucos metros da fonte geradora começará a ocorrer distorção.

Isso pode ser comprovado com o auxílio de um instrumento denominado analisador de distorção. Os pulsos distorcidos apresentam-se como dentes de serra, semelhantes aos mostrados na figura abaixo.



Nas comunicações digitais, a recuperação do sinal digital distorcido pode levar o usuário a não identificar a voz de seu correspondente (a voz é reproduzida com o timbre modificado), chegando até ao não-entendimento do que é falado.

Existem basicamente quatro tipos de distorção, que serão analisados a seguir: - a atenuação, - o deslocamento de fase - deslocamento em freqüência. - Distorção de retardo Atenuação [6] [9]

As potências de sinais são normalmente expressas em Watt. Para que a informação que o sinal transporta seja extraída pelo receptor em boas condições é necessário que a potência de recepção do sinal seja superior a um dado valor mínimo (chamado de limiar de sensibilidade do receptor).

A potência de recepção é em geral inferior à potência de emissão, isto é, o meio físico através do qual o sinal circula tem perdas provocando uma atenuação na potência do sinal.

As perdas e ganhos de potência expressam-se geralmente em dB. O dB é uma unidade logarítmica usada para medir relações entre duas grandezas do mesmo tipo.

Neste caso usa-se para medir ganhos (amplificação) e perdas (atenuação) de potência. Supondo uma potência de emissão PE e uma potência de recepção PR , então a atenuação será

dada pela equação a seguir. Como PE é maior do que PR, então obtemos necessariamente um valor negativo o que indica que se trata de uma atenuação. A atenuação é uma característica do meio de transmissão, mas deve ser sempre especificada para um dado valor de freqüência de sinal podendo nestes casos ser especificada por unidade de distância.

Assim, pode-se definir atenuação da seguinte forma: Quando um sinal eletromagnético é transmitido por qualquer meio, ele gradualmente se torna

mais fraco em distâncias maiores; isso é chamado de atenuação. A atenuação introduz três considerações para o projetista de um sistema de telecomunicações:

1. um sinal recebido precisa ter força suficiente para que o circuito eletrônico no receptor possa detectar e interpretar o sinal.

2. O sinal precisa manter um nível suficiente mais alto do que o ruído para que seja recebido sem erro.

3. A atenuação é maior em freqüências mais altas, o que causa distorção.

A primeira e segunda considerações se resolvem com atenção à força de sinal e com o uso de amplificadores ou repetidores. No tipo mais simples de enlace entre transmissor e receptor, a transmissão de dados ocorre entre um transmissor e um receptor através de um meio de transmissão.

Para distâncias muito curtas, nenhuma medida precisa ser tomada para compensar a atenuação. Para distâncias em que a atenuação se torna significativa, um ou mais dispositivos intermediários podem ser usados para compensar a deficiência. No caso dos sinais analógicos, um amplificador é usado; o amplificador aumenta a amplitude (força) do sinal. No caso ideal, o amplificador não irá alterar o conteúdo da informação do sinal. Na prática, entretanto, o amplificador introduzirá alguma distorção no sinal. Essa distorção será cumulativa se vários amplificadores forem usados ao longo do caminho entre o transmissor e o receptor. No caso dos sinais digitais, os dispositivos intermediários são um ou mais repetidores. O



repetidor recebe o sinal que chega em um lado, recupera os dados binários e transmite um novo sinal digital no outro lado (Figura 15.9). Portanto, não existe uma acumulação da distorção. Contudo, qualquer erro feito na recuperação dos dados binários do sinal de entrada persistirá para o restante do caminho de transmissão.

A terceira consideração, conhecida como distorção de atenuação, é particularmente perceptível para sinais analógicos. Como a atenuação é diferente para diferentes freqüências, e o sinal é composto de vários componentes em diferentes freqüências, o sinal recebido não só tem a força reduzida, mas também é distorcido. Para resolver esse problema, existem técnicas que visam a equalizar a atenuação por meio de uma banda de freqüências. Isso normalmente é feito para linhas de telefone que usam bobinas de carga que mudam as propriedades elétricas da linha para amenizar os efeitos da atenuação.

Os sinais digitais também são compostos de diversas freqüências. Entretanto, a maior parte da energia em um sinal digital concentra-se em uma banda razoavelmente estreita. Por isso, a distorção de atenuação nos sinais digitais é um problema menos grave do que nos sinais analógicos.

A atenuação consiste na perda da potência do sinal transmitido ao longo do canal,

principalmente devido à resistência oferecida à passagem do sinal pelo meio físico, fazendo com que parte da potência se transforme em calor ao longo do trajeto. Essa forma de distorção depende do tipo de meio físico, pois é ele quem dificulta mais ou menos a passagem da energia do sinal.

A figura a seguir mostra a forma do sinal original e após percorrer um determinado percurso no meio físico.

Em um determinado instante, a atenuação faz com que o sinal fique tão fraco que ele não é mais reconhecido pelo receptor. Antes que isto aconteça, é necessária a utilização de equipamentos que amplifiquem o sinal, levando-o aos níveis originais de amplitude. [5]

A atenuação de um dado meio físico esta diretamente relacionada com a freqüência do sinal. Para um sinal periódico, quando a freqüência aumenta a atenuação também aumenta. Dependendo dos meios de transmissão usados, também podem existir valores de atenuação elevados para as freqüências baixas. Resumindo, um canal de comunicação comporta-se como um filtro de freqüências.



Qualquer canal de transmissão pode ser caracterizado por uma curva de resposta em freqüência que condiciona de modo decisivo a transmissão do sinal. A figura a seguinte ilustra comportamentos típicos para um sistema de banda base (à esquerda) e um sistema de banda canal (à direita).

Os sistemas de banda-base são tipicamente usados para transmissão de sinais digitais em que é comum existirem componentes continuas (f = 0). Os sistemas de banda-canal são habitualmente usados para sinais analógicos que utilizam ondas portadoras cuja freqüência se encontra muitas vezes centrada entre f1 e f2.

Considera-se como largura de banda (W) a zona onde a atenuação tem um valor superior a - 3 dB (acima da linha horizontal assinalada). A atenuação de - 3 dB corresponde a uma perda de cerca de 50% da potência de sinal:

Estas curvas são conhecidas por funções de transferência do domínio de freqüências e são normalmente representadas por H(f). [6]

Deslocamento de fase (ou Atraso de grupo)

Em uma transmissão de dados o sinal ser transmitido demora certo tempo até chegar ao receptor. Até aí tudo bem, não há conseqüências. O problema é que algumas linhas (principalmente pares de fios longos) sofrem um atraso diferenciado para freqüências diferentes.

Desta forma, caso o sinal seja transmitido em uma determinada freqüência, pode sofrer um atraso maior que outro transmitido em uma freqüência diferente.

Para exemplificar, considere o seguinte gráfico de atraso em função da freqüência para uma determinada distância do meio físico.

Supondo que o sinal que esteja sendo transmitido seja da seguinte forma: bit "0": 1kHz, correspondendo a um atraso de 0,5.ms (ver gráfico) bit "1": 3kHz, correspondendo a um atraso de 1,5ms (ver gráfico)

Pode-se calcular que, para uma transmissão a 1kbps, se a seqüência transmitida for "10", o bit

"0", que saiu depois do bit "1", chegará antes no receptor, pois sofreu um menor atraso no canal de transmissão.

Para eliminar este problema, é exigida por norma a utilização de equalizadores de sinal, que mantém o atraso constante para determinada faixa de freqüência, evitando esse tipo de erro.



A tabela abaixo mostra as características elétricas de cabos telefônicos, sendo R a resistência em ohms, C a capacitância em farads, e AWG, o código que identifica o fio pelo seu diâmetro. Note que os valores referem-se a distâncias em quilômetros, lembrando que, quanto mais longa a linha, maior a atenuação resistiva e capacitiva oferecida pelo par de fios. [12]

Tabela – Resistência e capacitância de cabos telefônicos [12] DIÂMETRO (mm) AWG R (Ω/km) C (nF/km)

0,40 26 288 49 0,50 24 184 51 0,65 22 106 51 0,90 19 56 51

Deslocamento em freqüência A distorção por deslocamento em freqüência consiste no fato de que um determinado sinal

transmitido em uma freqüência definida sofra um deslocamento nesta freqüência para cima ou para baixo, ou seja, o receptor receberá o sinal numa freqüência diferente da padronizada.

Normalmente os receptores do sinal possuem uma certa tolerância para este tipo de distorção, aceitando uma pequena faixa de freqüências, ao invés de uma única freqüência.

Distorção de retardo [9] [13] A distorção de retardo (delay) é um fenômeno que ocorre nos cabos de transmissão (como par

trançado, cabo coaxial e fibra óptica); ele ocorre também quando os sinais são transmitidos através do ar por meio de antenas.

A distorção de retardo é causada pelo fato de que a velocidade de propagação de um sinal por meio de um cabo é diferente para diferentes freqüências. Para um sinal com uma determinada largura de banda, a velocidade tende a ser mais alta próximo à freqüência central do sinal e tende a cair perto das



bordas da banda. Portanto, vários componentes de um sinal chegarão no receptor em momentos diferentes.

Esse efeito é chamado de distorção de retardo porque o sinal recebido é distorcido devido a um retardo variável em seus componentes de freqüência. A distorção de retardo é especialmente crítica para dados digitais. Devido à distorção de retardo, uma parte da energia do sinal em uma posição de bit transbordará para outras posições de bit, o que pode causar erros na recepção; isso é uma grande limitação à velocidade de dados para os dados digitais.

O retardo também tem valor significativo nos enlaces entre pontos muitos distantes, como nos enlaces via satélite. O retardo provoca um efeito de eco, percebido algumas vezes em ligações telefônicas, via satélite geoestacionário, quando o dispositivo de cancelamento de eco não opera corretamente. Dois pontos distantes do satélite de 40 mil quilômetros cada um, viajando na velocidade de propagação da luz no vácuo, pode percorrer os 80 mil quilômetros a onda sofre um significativo retardo de 266ms.

Em uma partida de futebol televisionada e assistida simultaneamente entre dois receptores, posicionados lado a lado, um sintonizado no canal local e o outro no sistema satélite, dá para notar que as imagens estão defasadas no tempo: a do canal local viaja menos e acontece primeiro.

Também, cada tipo de equipamento integrante do sistema impõe ao sinal um tempo de retardo próprio do circuito eletrônico, quase sempre de pequeno valor, mas nem sempre desprezível.

Em alguns casos, grupos de freqüências do sinal sofrem um retardo maior que outras freqüências, no conhecido retardo de grupo.

3.2.2.2. Ruído [6] [8] [9] [13]

Quando as informações são transmitidas na forma de um sinal eletromagnético, o sinal recebido consistirá no sinal transmitido, modificado pela atenuação e as várias distorções impostas pelo sistema de transmissão, além da adição de energia eletromagnética indesejada que é inserida em algum lugar entre o transmissor e o receptor. Os sinais indesejados são chamados de ruído. O ruído é o principal fator limitador no desempenho dos sistemas de comunicações.

Os meios de transmissão estão sujeitos a diversos tipos de ruído com diversas origens. Designamos por ruído todos os sinais presentes que não transportam informação útil. O ruído é um sinal externo e indesejável em um meio de transmissão.

O ruído vai afetar de modo decisivo a recepção dos sinais já que o receptor deve ter a capacidade de distinguir o sinal útil e filtrar todos os outros.

Quando o ruído possui características físicas semelhantes ao sinal a filtragem é complexa e geralmente o sinal aparece ligeiramente distorcido o que pode provocar erros na interpretação da informação que está a ser transmitida.

Mais do que a potência de ruído interessa quantificar a relação entre a potência de sinal e a potência de ruído, normalmente expressa em dB é:

Onde: - S (sinal – do inglês signal) representa a potência de sinal - N (ruído – do inglês noise) representa a potência de ruído.

Esta análise deve ser realizada no ponto de recepção já que devido à atenuação é o ponto onde S é

menor. Como o ruído está sempre presente, para passar despercebido, é preciso ser superado, em intensidade,

pelo sinal. Os diferentes sistemas de comunicações requerem um valo mínimo de S/N na recepção, para que as

comunicações ocorram com boa qualidade de sinal. Valores mínimos de S/N para uma boa recepção: Nas comunicações analógicas Com sinal de voz, S/N ≥ 30dB Com sinal de vídeo, S/N ≥ 45dB

Nas comunicações digitais: S/N ≥ 15dB.



Ruído térmico (ou Ruído ambiente, ou Ruído branco ou Ruído gaussiano) [5] [8] [12] [13]: Deriva da agitação que os elétrons têm acima do zero absoluto (0ºK). O ruído branco (white noise) é um sinal cuja amplitude varia em torno de um certo nível,

aleatoriamente no tempo, seguindo uma distribuição gaussiana. Em outras palavras, é um sinal que possui componentes em todo o espectro de freqüências de forma igualitária, somando-se ao sinal de dados.

O ruído térmico foi exaustivamente estudado por J. B. Johnson, do Bell Laboratories, em 1928. Esse tipo de ruído acontece devido à agitação térmica das moléculas em um dado meio físico,

sendo inevitável, pois as moléculas estão em constante movimento. Assim, este tipo de ruído é inevitável. Por este motivo é conhecido também como ruído térmico, sendo diretamente proporcional à temperatura do meio físico. Quanto maior for a temperatura maior é a agitação e logo maior é o ruído térmico.

É gerado por equipamento de transmissão como transmissores, receptores e repetidoras. Esse tipo de ruído também pode ser induzido por fontes externas como transformadores de lâmpadas fluorescentes, dispositivos elétricos, calor e até mesmo a radiação de fundo do Big Bang. Com a presença do ruído ambiente, um equipamento receptor pode ter problemas para distinguir sinais recebidos.

A figura a seguir ilustra a influência do ruído branco na comunicação de dados. Apesar de prejudicar a comunicação, é um ruído previsível sendo, portanto tratável.

Como o nome indica, o ruído térmico é causado pela movimentação dos elétrons livres em um condutor, sendo, portanto, maior quanto mais alta a temperatura no condutor. Esse tipo de ruído não pode ser eliminado, representando um fator limitante ao desempenho dos sistemas de comunicação. Considerando-se o ruído térmico como um sinal, nota-se que ele contém componentes harmônicas de todas as freqüências, e, por isso, também é chamado de ruído branco. A potência do ruído térmico introduzido por qualquer dispositivo ou condutor elétrico, para uma largura de faixa de 1Hz (isto é, a densidade de potência do ruído), é dada por [12]

N0 = kT [Watts/Hz],

em que k = 1,3803 x 1023 J/K é a constante de Boltzman, e T, a temperatura absoluta (Kelvin). Para uma faixa com largura T Hz, a potência do ruído é [12]

N = kTF [Watts]

Note que a potência do ruído aumenta com a largura de faixa do canal. A figura abaixo mostra os

efeitos do ruído branco (linha interf), juntamente com aqueles causados pelo ruído impulsivo (linha receb), a ser apresentado adiante. [12]

Ruído de intermodulação [6] [8] [9]: É originado por ineficiências dos equipamentos. Os equipamentos que lidam com sinais devem

manter a sua forma, quando isso não acontece produzem-se distorções no sinal.



A multiplexação por divisão de freqüências, um conceito que discutiremos mais tarde, mistura múltiplas freqüências de transmissão de dados em um meio único de transmissão. O ruído de intermodulação ocorre quando duas dessas freqüências interagem para produzir um sinal fantasma em uma freqüência diferente, que pode ser a soma ou a diferença das duas freqüências originais. Por exemplo, vamos considerar simplesmente que, em um ambiente de multiplexação por divisão de freqüências, um cabo coaxial transporta três sinais distintos a freqüências f1 , f2 , e f3 . O ruído de intermodulação pode ocorrer se f3 for igual à soma ou à diferença entre f1 e f2 . Em qualquer desses casos, o sinal espúrio à freqüência f3 pode interferir na transmissão de dados válidos naquela freqüência.

O ruído de intermodulação é produzido quando existe alguma não-linearidade no transmissor, no receptor ou no sistema de transmissão interventor. Normalmente, esses componentes se comportam como sistemas lineares; ou seja, a saída é igual à entrada vezes uma constante. Em um sistema não-linear, a saída é uma função mais complexa da entrada. Essa não linearidade pode ser causada por mau funcionamento de componentes ou pelo uso de força de sinal excessiva. É nessas circunstâncias que os termos de soma e diferença ocorrem.

Ruído “crosstalk” ou linha cruzada: Quando diversos sinais circulam em cabos elétricos próximos uns dos outros, existe a tendência

para que os sinais passem de uns cabos para os outros. Esse fenômeno é tanto mais intenso quanto maior for a freqüência dos sinais.

A linha cruzada já foi experimentada por qualquer pessoa que, durante uma conversa telefônica, tenha ouvido outra conversa telefônica; essa deficiência é uma combinação indesejada entre caminhos de sinal. Ela pode ocorrer por combinação elétrica entre cabos próximos ou por sobreposição dos sinais transmitidos por antenas. Em geral, a linha cruzada possui ordem de magnitude igual ou menor do que o ruído térmico.

A sua principal característica é que não é previsível, variando consideravelmente em amplitude,

freqüência e periodicidade de ocorrência. Dessa forma, dificilmente pode-se tratar o ruído impulsivo, fazendo com que aconteçam os erros de transmissão de dados.

Os ruídos externos (crosstalk e impulsos) podem ser combatidos com uma blindagem. Um cabo blindado tem o fio condutor que transporta o sinal, totalmente rodeado por uma malha condutora ligada ao potencial zero (blindagem).

Se o par é não balanceado, tal significa que uma das duas linhas é mantida ao potencial zero e a outra linha é usada para transporte do sinal que terá como referência o potencial zero. Num par balanceado o sinal é transmitido sob a forma de uma diferença de potencial entre os dois condutores. Um exemplo é a técnica conhecida por “differential signaling” usada em transmissão binária onde os bits são representados por correntes (tensões) num sentido ou noutro.

Como o sinal é transmitido sob a forma de diferença de potencial entre os dois condutores e ambos os condutores estão sujeitos às mesmas fontes de ruído externas, sob o ponto de vista de sinal o ruído é eliminado.

Transmissão de Dados Digitais

CROSSTALK [7] O que é CROSSTALK?

Quando um sinal elétrico trafega num condutor, gera ao redor deste, um campo elétrico. Crosstalk ou diafonia é a medida da interferência elétrica gerada em um par pelo sinal que está trafegando num par adjacente



dentro do mesmo cabo. A menor interferência acarreta um melhor desempenho do crosstalk ou diafonia (mais dBs de isolamento). A baixa interferência entre pares é crítica para a confiabilidade das aplicações das categorias 3, 4 e 5 para cabos UTP de 4 pares exigem uma avaliação do crosstalk, ou diafonia, com o método par a par (NEXT). As especificações da norma ANSI TIA/EIA 568A para cabos de 25 pares exigem uma avaliação do crosstalk através do método da somatória das potências (Power Sum).

Qual a diferença entre estes dois métodos e por que cabos de 4 e de 25 pares não são testados da mesma maneira? Método Par – a – Par (NEXT)

No método de avaliação do crosstalk par – a – par, ele é medido para cada combinação de pares em um cabo. Em um cabo de 4 pares, o crosstalk é medido para um total de seis combinações. O "pior crosstalk par –a – par" corresponde ao pior valor dos seis. Isto é ilustrado pela fórmula abaixo. A fórmula para determinar a pior diafonia par – a –par é:

Pior par-a-par (NEXT) = pior dentre PR1-2, PR1-3, PR1-4, PR2-3, PR2-4, PR3-4

Um cabo de 4 pares, normalmente atende apenas a um usuário. O método par-a-par foi escolhido pra cabos de 4 pares em aplicações LAN porque, normalmente, apenas dois pares são usados para a transmissão de dados pelas aplicações atuais. Nem todos os pares ativos, ou utilizados, são os mesmos para todas as aplicações como: 10 BASE-T, Token Ring e TP-PMD (FDDI sobre cobre). Apenas a combinação de um par é relevante para qualquer uma dessas aplicações isoladas e a combinação crítica altera-se quando a aplicação é modificada.

Método de soma de potências (Power Sum)

No método de teste da Soma das Potências, ou Power Sum, o crosstalk é medido como se todos os pares do cabo estivessem ativos ao mesmo tempo. Em cabos com número maior de pares, vários usuários são atendidos pelo mesmo cabo. Por exemplo: ao colocarmos doze sinais token-ring de dois pares em um cabo de 25 pares, não seria adequado especificar a diafonia pelo método par-a-par (NEXT). Apesar de que as diafonias para cada combinação de pares poderiam satisfazer as especificações da categoria 5 pelo método par-a-par (NEXT), o acoplamento TOTAL de um par com todos os outros poderia ser excessivo e acarretaria a perda da integridade dos dados. Alterando-se o método de avaliação para o método de Soma de Potências, com todos os pares em uso, garante-se que o desempenho não será comprometido. Um exemplo é demonstrado pela fórmula abaixo:

A fórmula usada para calcular a Soma de Potências (Power Sum) para o par 1 é:



Valor da Soma de Potência (Power Sum)

O valor de Soma de Potências, Power Sum, é igual a pior diafonia PS do par 1 ao par 25. O Power Sum de um cabo de 25 pares, normalmente garante um desempenho de 3 a 6 dB melhor do que seu desempenho de diafonia par-a-par. Desde que a diferença entre os desempenhos de diafonia das categorias 4 e 5 seja de 6 dB, um cabo de 25 pares que atinge "raspando" a categoria 5 em uma base par-a-par (NEXT) falhará no Power Sum para categoria 5 e satisfará muito pouco as especificações da categoria 4. A norma ANSI TIA/EIA 568A, o padrão NEMA e o programa de verificação de desempenho da UL requerem que cabos de categorias 3, 4 e 5 UTP com mais de 4 pares SEJAM testados com o método Power Sum. Certifique-se que seus cabos UTP atendem ao Power Sum! Fonte: Lucent Technologies

Ruído de impulsos [6] [8] [9]: Todos os tipos de ruído analisados até agora possuem magnitudes razoavelmente previsíveis e

constantes. Portanto, é possível construir um sistema de transmissão que lide com eles. O ruído de impulso, no entanto, não é contínuo, consistindo em pulsos irregulares ou picos de ruído de curta duração e amplitude relativamente alta. Ele é gerado por diversas causas, incluindo distúrbios eletromagnéticos externos, como relâmpagos e falhas no sistema de comunicações.

O ruído de impulso normalmente é apenas uma pequena inconveniência para dados analógicos. Por exemplo, a transmissão de voz pode ser prejudicada por curtos cliques e estalos, sem qualquer perda de inteligibilidade. Entretanto, o ruído de impulso é a principal origem de erros na comunicação de dados digital. Por exemplo, um curto pico de energia de 0,01s de duração não destruiria qualquer informação de voz, mas eliminaria cerca de 500 bits de dados transmitidos a 56kbps. A Figura 15.10 é um exemplo do efeito em um sinal digital. Aqui, o ruído consiste em um nível relativamente modesto de ruído térmico, além de alguns picos ocasionais de ruído de impulso. Os dados digitais são recuperados do sinal por amostragem da forma de onda recebida uma vez por tempo de bit. Como se pode ver, o ruído é ocasionalmente suficiente para mudar um 1 para um 0, ou um 0 para um 1.



Fig 5.10. Efeito do ruído no sinal digital.

Na figura abaixo observam-se os efeitos causados por ruído térmico e impulsivo em uma linha de comunicação. O sinal emitido pelo transmissor (na figura, transm) sofre contaminação por ruído branco (os pulsos irregulares de baixa intensidade) ao trafegar pela linha, e por ruído impulsivo proveniente do meio em que a linha se encontra. Em um sistema de comunicação de dados, pulsos de ruído impulsivo de maior intensidade podem causar erros de detecção no receptor.

Supondo que a tomada de amostras da entrada (receb) seja feita pelo receptor no meio do intervalo correspondente a cada bit, pelo menos quatro dos bits recebidos podem ser amostrados com o valor errado. Os pulsos de ruído duram, em geral, alguns milissegundos, podendo, portanto, afetar de dezenas a milhares de bits, dependendo da velocidade de transmissão. [12]

Efeitos dos ruídos branco e impulsivo [12]

Interferência intersimbólica Num canal de banda-base (sinal digital) o sinal é tipicamente constituído por impulsos que se

traduzem num espectro de freqüências muito extenso. Com uma largura de banda limitada procede-se a uma atenuação das freqüências elevadas

sendo produzidas distorções no sinal que deixará de ser constituído por impulsos a passara a ser constituído por elevações de tensão mais progressivas (resposta de freqüência).

O atraso de propagação dos sinais depende da sua freqüência, logo com um espectro extenso as diversas componentes do sinal vão chegar defasadas ao receptor produzindo distorções significativas (resposta de fase).



O formato do sinal fica mais arredondado e espalha-se no domínio dos tempos, como conseqüência os bits sobrepõem-se causando dificuldades na recepção, este fenômeno que afeta os sinais digitais é conhecido por Interferência Intersimbólica.

O modo de reduzir a Interferência Intersimbólica consiste em aplicar um filtro apropriado (geralmente na recepção) de modo a eliminar as freqüências que produzem este efeito. Na realidade o filtro deve funcionar em consonância com o meio de transmissão de modo a que o somatório dos efeitos produza o resultado desejado.

Um canal de transmissão com essas características é conhecido por Canal de Nyquist, a sua resposta de amplitude e fase em freqüência, é tal que elimina a Interferência Intersimbólica.

Um canal de transmissão de sinais digitais é do tipo banda-base (comportamento filtro passa-baixo):

Outros tipos de ruídos são [13]: Ruído atmosférico: comumente chamado pelos operadores de rádio de estática. Produz

cliques nos fones ou no alto-falante, superpondo-se ao sinal recebido. Resulta das descargas elétricas na atmosfera (raios), quando da ocorrência de tempestades, em diversos pontos da Terra, com maior incidência na região dos trópicos. O ruído atmosférico afeta sobremaneira as comunicações rádio em alta freqüência (HF – de 3 a 30MHz).

A estática provoca nas comunicações digitais a destruição de várias seqüências de bits: é o efeito rajada (burst). Quando isso ocorre, geralmente a informação é perdida. Para proteger a informação desse tipo de destruição, é imperativo o uso de um poderoso código de correções de erro.

Ruído cósmico: gerado por distúrbios ocorridos fora da Terra, por diversas fontes do espaço

interestelar. Ocorre com maior intensidade em freqüências acima de 20MHz. Sendo o Sol a estrela da nossa galáxia, pela sua proximidade e devido à ocorrência de fortes explosões em sua superfície é a mais poderosa fonte geradora de ruído galáctico. O Sol é a fonte dos raios ultravioleta, responsável pela maior parte das ionizações moleculares na atmosfera terrestre e que chega a afetar o campo magnético da Terra. As manchas solares de maior intensidade são observadas em ciclos de onze anos. Uma mancha pode existir por cerca de 27 dias, correspondente ao período de rotação do Sol.

Eventualmente, o nível do campo eletromagnético (ruído) gerado é tão elevado que pode queimar componentes eletrônicos de receptores de satélite posicionado na trajetória da onda emitida pelo Sol. As comunicações via rádio em HF são seriamente prejudicadas e podem não ocorrer.

Ruído provocado pelo homem: gerado por aparelho, máquina ou dispositivo fabricado pelo

homem. A sigla MMN (man made noise) é usada para designar esse tipo de ruído. São exemplos: o ruído gerado por motores de ignição aplicados a automóveis e motos; ruído gerado por motores elétricos com escovas, caso de liquidificador.

3.2.2.3. Figura de ruído [13]

Anteriormente, foi mencionado que o nível do ruído elétrico depende da agitação térmica dos elétrons existentes na matéria. Assim, a maneira mais indicada para mensurar o nível de ruído é em função da temperatura ambiente na qual se encontra a antena, o receptor ou o amplificador.

O ruído interno é devido, principalmente, às permanentes colisões de elétrons quando da passagem da corrente elétrica nos componentes resistivos como os resistores, diodos e transistores.



Equipamentos receptores e amplificadores são montados com estágios amplificadores em cascata. Então, o ruído gerado no primeiro estágio é amplificado pelos demais e cada um deles contribui com uma parcela de ruído. Além disso, o sistema também amplifica o ruído externo captado pela antena junto com o sinal.

A potência de ruído interno gerado por um dispositivo é expressa pela figura de ruído, F. Quanto menor for o ruído melhor será o sistema; portanto, quanto menor a figura de ruído, melhor o

sistema. A figura de ruído é definida pela relação entre duas potências medidas:

F = (potência do ruído medido na saída do dispositivo, à temperatura ambiente) (potência de saída do dispositivo, como se o dispositivo não gerasse ruído)

3.3. Capacidade do canal: Nyquist e Shannon Fórmula de Nyquist [1]

Em 1924, Nyquist publicou uma equação determinando a máxima capacidade de um canal desconsiderando a existência do ruído branco. A equação é a seguinte:

MCn = 2*B*log2N, Onde: MCn = máxima capacidade do canal por Nyquist B: largura de banda, medida em Hz; N= número de níveis do sinal.

O valor de log2N pode ser encarado como a modulação multinível utilizada, pois se N é o número de níveis, log2N é a modulação multinível

Assim, para facilitar a fórmula, pode-se representar que:

MCn=2*B*Mmn, Onde: Mmn: modulação multinível que está sendo utilizada: monobit: Mmn=1; dibit: Mmn=2; tribit: Mmn=3; e assim por diante.

A base do teorema diz que um canal com largura de banda B pode enviar no máximo 2B valores de tensão diferentes por segundo, ou seja, no máximo pode-se alterar a onda portadora a cada meio ciclo a fim de transmitir um sinal binário.

Assim, por exemplo, caso a largura de banda de um canal seja de 4KHz e o modem utilizado seja dibit, a máxima capacidade de transmissão de dados pela linha é de 16000 bps.

É importante ressaltar que o teorema de Nyquist não leva em consideração a existência de ruído. Assim, é possível teoricamente aumentar indefinidamente a taxa de transmissão do canal, simplesmente aumentando o número de níveis da modulação multinível. Entretanto, isto não é verdade, visto que quanto maior o número de níveis, mais difícil será a reconstrução correta do sinal na existência de ruído, pois os níveis ficam mais próximos entre si.

Para a transmissão digital, o processo é parecido. Nyquist provou que o número necessário de amostragens de um sinal analógico para poder ser totalmente recuperado no destino é de 2 vezes a largura de banda em Hertz.



Fórmula de Shannon

Vimos que existe uma variedade de deficiências que distorcem ou enfraquecem o sinal. No que diz respeito aos dados digitais, a questão levantada é até que ponto essas deficiências limitam a velocidade de dados que pode ser atingida. A velocidade em que os dados podem ser transmitidos por meio de determinado caminho de comunicação, ou canal, sob condições específicas, é chamada de capacidade de canal.



Existem quatro conceitos que estamos tentando inter-relacionar: • Velocidade de dados: Essa é a velocidade, em bits por segundo (bps), em que os dados podem ser

comunicados. • Largura de banda: É a largura de banda do sinal transmitido quando limitado pelo transmissor e pela

natureza do meio de transmissão, expressa em ciclos por segundo, ou Hertz. • Ruído: Esse é o nível médio do ruído sobre o caminho de comunicações. • Taxa de erros: Essa é a taxa em que os erros ocorrem, onde um erro é a recepção de um 1 quando um

0 foi transmitido, ou a recepção de um 0 quando um 1 foi transmitido.

O problema que com o qual temos de lidar é o seguinte: os sistemas de comunicação são dispendiosos e, em geral, quanto maior for a largura de banda de um sistema, maior será seu custo. Além disso, todos os canais de transmissão de qualquer interesse prático são de largura de banda limitada. As limitações surgem de propriedades físicas do meio de transmissão ou de limitações deliberadas no transmissor sobre a largura de banda para evitar interferência de outras origens. Desse modo, gostaríamos de utilizar determinada largura de banda da maneira mais eficiente possível. Com relação aos dados digitais, isso significa que gostaríamos de obter a velocidade de dados mais alta possível em determinado limite de taxa de erros para uma largura de banda específica. O principal obstáculo para isso é o ruído.

Com todos os outros parâmetros iguais, dobrar a largura de banda duplica a velocidade de dados. Agora, analise a relação entre velocidade de dados, ruído e taxa de erros. A presença de ruído pode danificar um ou mais



bits. Se a velocidade de dados aumentar, os bits se tornam “mais curtos”, de modo que mais bits são afetados por determinado padrão de ruído. Portanto, em determinado nível de ruído, quanto maior for a velocidade de dados, mais alta será a taxa de erros.

Todos esses conceitos combinam-se perfeitamente em uma fórmula desenvolvida pelo matemático Claude Shannon que provou, em 1948, como ser determinada a capacidade de um canal.

Como ilustrado anteriormente, quanto mais alta a velocidade de dados, maiores os danos que ruídos indesejados podem causar. Para determinado nível de ruído, esperaríamos que uma força de sinal maior melhorasse a capacidade de receber dados corretamente na presença de ruído. O principal parâmetro envolvido nesse raciocínio é a razão sinal-ruído (SNR, ou S/N), que é a razão da potência em um sinal para a potência contida no ruído que está presente em determinada ponto na transmissão. Geralmente, essa razão é medida em um receptor, pois é nesse ponto que é feita uma tentativa de processar o sinal e eliminar o ruído indesejado. A razão sinal-ruído é importante na transmissão dos dados digitais, porque ela define o limite superior na velocidade de dados atingível. O resultado de Shannon é que a capacidade de canal máxima, em bits por segundo, obedece à equação

MCs=Blog2(1+S/N)

onde MCs é a capacidade do canal, em bits por segundo, e B é a largura de banda do canal, em Hertz. A fórmula de Shannon representa o máximo teórico que pode ser alcançado. Na prática, entretanto, obtêm-se índices mais baixos. Uma razão para isso é que a fórmula considera o ruído térmico. O ruído de impulso não é levado em conta, nem a distorção de atenuação ou de retardo.

A razão entre a potência do sinal e a potência do ruído branco é conhecida como relação sinal-ruído, normalmente sendo expressa em decibéis (dB). Para extrair o valor real utilizado na fórmula de Shannon (número adimensional), deve-se utilizar a fórmula:

n° dB=10log10(S/N).

Assim, por exemplo, um canal com largura de banda de 4kHz e uma relação sinal ruído de 30dB vai possuir uma máxima capacidade de transmissão calculada da seguinte forma:

- Primeiramente, deve-se passar de dB para relação entre potências: assim,

10(30/10)=10log10(S/N) e S/N=1000.

- A seguir, aplica-se na fórmula de Shannon:

MCs=4000 log2(1+1000) = > MCs=4000 (log101001/log102) => MCs=39868 bps.

Desta forma, o máximo que pode ser transmitido através deste canal é 39868 bps, não podendo se utilizar um modem com velocidade de sinal superior a isto.

Podemos fazer várias observações referentes à equação de Shannon. A medida da eficiência de uma transmissão digital é a razão C/B, que é o valor de bps por Hertz que é obtido. Para determinado nível de ruído, pareceria que a velocidade de dados pudesse ser aumentada pelo aumento na força do sinal ou na largura de banda. Entretanto, conforme aumenta a força do sinal, também aumentam as não-linearidades no sistema, gerando um acréscimo no ruído de intermodulação. Note também que, como o ruído é considerado branco, quanto maior a largura de banda, mais ruído é admitido no sistema. Portanto, quando B aumenta, SNR diminui.

Um bom exemplo de aplicação do limite de Shannon é a velocidade de um modem. De meados para o final dos anos 90, as velocidades dos modems cresceram de 14.400bps para 28.800bps e depois atingiram 33.600bps. Os modems analógicos convencionais atingiam a taxa de pico de 33.600bps (ou, em alguns casos, 38.400bps), pois essa era a taxa máxima de dados possível para os canais de comunicação analógica existentes baseados na freqüência do canal e razão entre sinal e ruído. Um exemplo de como isso é calculado usando o limite de Shannon é mostrado no quadro abaixo. Para superar o limite de Shannon, conexões híbridas analógico-digital foram criadas, consistindo de canais analógicos e digitais. (O limite de Shannon se aplica somente a canais analógicos.) Isso permitiu aos projetistas elevar a velocidade dos modems até 56.000bps. [1] [8]



MEGAHERTZ VS. MEGABITS [7] Megahertz Vs. Megabits

Uma fonte freqüente de confusão nas especificações de sistemas de cabeamento estruturado relaciona-se aos termos "megahertz" e "megabits por segundo". Estes dois termos NÃO significam a mesma coisa. Vamos examiná-los com mais cuidado: Hertz = Medida de Freqüência

Propriedades de transmissão, como atenuação e diafonia, são especificadas normalmente como uma função da freqüência, medida em Hertz (Hz) ou em ciclos por segundo. Um quilohertz (kHz) é igual a 1000 ciclos por segundo e um megahertz (Mhz) é igual a 1.000.000 de ciclos por segundo. Bits = Medida de Transmissão de Dados

Dados digitais são transmitidos com uma série de sinais digitais, "0" ou "1", denominados dígitos binários ou bits. A velocidade de transmissão destes símbolos digitais de dados é medida em bits por segundo, quilobits (1.000 bits) ou megabits (Mb/s) (1.000.000 bits) por segundo.

Apesar de que, em algumas ocasiões, as medidas de freqüência (Hertz) e transmissão de dados (bps) possam ser numericamente iguais, deve-se Ter em mente que a quantidade de dados (i.e. número de bits) que podem ser transmitidos em um determinado grupo de freqüências (hertz ou megahertz) depende do ESQUEMA DE



CODIFICAÇÃO DIGITAL como uma forma de compactar bits de dados nas freqüências de sinal que estiverem sendo transmitidas. Esquemas de codificação diferentes de bits compactados na mesma banda de freqüências. Matematicamente, a taxa de transmissão de dados é o produto da banda passante utilizada pelo número de bits por unidade da banda: Taxa de Dados em Mb/s = (Banda Passante) * (Mbits por Mhz da Banda)

Assim, existe mais do que uma forma de aumentar a taxa de dados de um canal de transmissão; ou aumentamos a banda de freqüências ou a eficiência da codificação é melhorada (mais bits na mesma largura de faixa). Tendências na conhecida Banda de Voz para modems

A tabela abaixo mostra a evolução da tecnologia de modems ao longo do tempo e o aumento associado na taxa de dados, utilização da banda passante e eficiência da banda de freqüências:

A: Tipo de Modem B: Taxa de Dados (Kb/s) C: Banda Passante Utilizada D: Eficiência (Bits / Hertz)

Como fica evidente nas duas últimas colunas da tabela, a maior parte do aumento na taxa de transmissão de dados por modems ao longo do tempo deve-se a aumentos na eficiência de utilização da banda passante (1 a 6.4) com apenas aumentos modestos na largura da banda de frequências (2, 4 a 3). Tendências Observadas em Lans

Com esquemas de codificação mais antigos como a codificação Manchester utilizada nas aplicações Ethernet e Token Ring, a freqüência (em Mhz) na qual os parâmetros elétricos são especificados (i. e. a freqüência crítica) é igual à taxa de dados (em Mb/s). Com os códigos mais recentes, como a NRZI (Não Retorno ao Zero Invertido), a freqüência crítica é ½ da taxa de bits (dados). Para MLT-3 (Multi-Level Transmit 3), o código para TP-PMD (FDDI sobre cobre), a freqüência crítica é ¼ da taxa de bits. Assim, apesar de que a taxa de dados TP-PMD é 125 Mb/s (100 Mb/s de dados mais 25 Mb/s de controle de bits), a freqüência crítica é ¼ disto ou 31.25 MHz. Até mesmo códigos mais sofisticados, como o CP-32 e o CP-64, estão sendo considerados para aplicações futuras. A eficiência da banda passante do CAP-32 é de 5.000 bits/hertz, que se aproxima de frequências já utilizadas em modems de alta performance.

O fator chave que afeta a adequabilidade de códigos diferentes sobre cabos é a relação sinal / ruído do cabeamento (SNR) a freqüência crítica. Quanto mais eficiente for a codificação, exige-se maior SNR. SNR é a diferença entre a atenuação (sinal) do cabeamento e o crosstalk (diafonia). Atenuação e NEXT versus freqüência 100 Metros de Cabo de Categoria 5 I Atenuação II (sinal), III SNR, IV Ruído V Diafonia, VI Freqüência Resumo

Megabits e megahertz não são a mesma coisa. Códigos de linha eficientes transmitem muitos bits em cada hertz da banda de frequências utilizada. Assim, a freqüência crítica (em Mhz) tende a ser apenas uma fração da taxa de dados (em Mb/s). A adequabilidade de códigos de linha eficientes em um dado cabo em uma dada freqüência. Quanto mais alta a SNR de um cabo, mais eficientes podem ser os códigos. A SNR é função do desempenho de atenuação e do desempenho de atenuação de um par ou ao reduzir-se o acoplamento entre pares (melhorando NEXT). A SNR não melhora especificando-se o desempenho à altas freqüências. Fonte: Lucent Technologies



REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ROESLER, V. Nyqyuist e Shannon. Apostila da Disciplina Comunicação de Dados. UNISINOS, 2006. [2] AZAMBUJA, M. Teleprocessamento. Apostila da Disciplina Comunicação de Dados. Faculdade de Informática – FIT, 2003. [3] [TONIN, N. Telecomunicações e Redes 1. Apostila do curso de Ciência da Computação. Universidade Regional Integrada. [4] http://paginas.terra.com.br/lazer/py4zbz/teoria/odb.htm, acessado em 30/07/2006. [5] ROESLER, V. Ruído, distorção e códigos e detecção de erros. Apostila da Disciplina Comunicação de Dados. UNISINOS, 2006. [6] http://www.dei.isep.ipp.pt/~andre/documentos/transmissao-dados.html, acessado em 29/07/2006. [7] http://www.policom.com.br/, acessado em 01/08/2006. [8] gallo [9] stallings [10] universidade redes [11] MORAES, A., Redes de Computadores: fundamentos. Editora Érica [12] Universidade Redes [13] MEDEIROS, J. C. O. Princípios De Telecomunicações: Teoria E Prática. 1ª Edição. São Paulo: Érica, 2004.



FAZ - FACULDADE DE TECNOLOGIA DA AMAZÔNIA CURSO: TECNÓLOGO DE REDES DE COMPUTADORES DISCIPLINA: SISTEMA DE COMUNICAÇÃO DE DADOS TURMA: ____________ PROF.: F. SEGUINS ALUNO: ___________________________________ MATRÍCULA: _______________

LISTA DE EXERCÍCIO - CAPÍTULO 03 (03.01) 1. Quais dos dois canais abaixo possui maior largura de banda? a) canal que suporta freqüências de 1 a 1,12MHz b) canal que suporta freqüências de 127 a 250kHz 2. Assinale a alternativa correta: a) Largura de banda é um dos fatores que determinam a capacidade de um canal de comunicação b) Largura de banda não tem nada a ver com a velocidade de uma transmissão a) A capacidade de um canal está associada ao número de níveis do sinal utilizados para transmissão b) A capacidade de um canal está relacionada com o número de estados que podem ser transmitidos e distinguidos separadamente em um canal. a) A capacidade de transmissão de um canal é infinita. b) A capacidade de transmissão de um canal é finita. a) O nível de ruído está diretamente ligado à capacidade de um canal b) O nível de ruído de um canal não influencia na sua capacidade a) A atenuação do sinal acontece em qualquer meio físico de transmissão. b) Existem meios físicos de transmissão onde o sinal transmitido não sofre atenuação. a) Baud corresponde à velocidade de sinalização de um canal. a) Baud é uma medida da taxa de transferência de informação, e é igual ao número de bits transmitidos por segundo. a) O telefone é exemplo de uma comunicação duplex. b) Os rádio-taxis são exemplo de uma comunicação duplex. a) A função do bit start é sincronizar a fonte com o destino b) A função do bit start não é sincronizar a fonte com o destino a) Na transmissão síncrona utiliza-se pelo menos um caracter de sincronismo para indicar o início do bloco de dados b) A transmissão síncrona não utiliza caracteres ou bytes de sincronismo a) A transmissão isócrona não engloba as transmissões síncronas e assíncronas b) A transmissão isócrona engloba as transmissões síncronas e assíncronas 3. Um modem converte um sinal de 9.600 bit/s num sinal quadribit. Quantos bauds tem a saída do modem? Qual a freqüência da fundamental desta saída? Este sinal é apropriado para transmissão em canal telefônico? 4. Em uma linha de transmissão é injetado um sinal de 100mW e é medido na outra ponta 25mW. Qual a atenuação da linha? 5. Em um circuito amplificador, o sinal de entrada é de 30mW e o de saída é de 4W. Qual o ganho deste amplificador? 6. Faça as seguintes transformações? a) 10mW em dBm. b) 10μW em dBm. 7. Calcular, em mW, 44dBm – 6dBm. 8. Calcular -32dBm + 9dB. 9. Relacione as colunas: a) Perda de intensidade do sinal de acordo com a distância. (__) Ruído b) Alteração do sinal devido a problemas na transmissão. (__) Distorção c) Fenômeno mais difícil de combater. (__) Atenuação 10. Quais são as diferenças entre distorção e ruído? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 11. Assinale a alternativa correta (podem existir mais de uma alternativa correta) Todo sinal elétrico ao propagar-se em um meio de comunicação sofre degradações do tipo… a) ruídos b) distorções c) perda de velocidade d) dissincronísmo e) duplicação de dados

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Apostila Scda Capitulo-03 v01-2007