Nível Físico - midiacom.uff.br · de um canal de comunicação em um meio físico de transmissão 3 ... 1100 1110 1110 1110 1010 0011 0001 1001 1010 ... Na recepção... 15 14 13

1

1

Redes de Computadores

Nível Físico

Profa. Débora Christina Muchaluat Saade

[email protected]

Departamento de Ciência da Computação - UFF

2


Nível Físico

➽ Função principal •  transmitir sinais, que representam informações, através

de um canal de comunicação em um meio físico de transmissão

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Tipos de Sinal

➽ Sinal Analógico • Variação Contínua

➽ Sinal Digital • Variação Discreta •  Intervalo de Sinalização

Qualquer informação pode ser transmitida através de sinal analógico ou digital

Sinal digital

Sinal analógico

4


Sinais

➽ Qualquer sinal pode ser entendido como uma soma de ondas de diferentes frequências e amplitudes. • Análise de Fourier

+ + .... +

5


Gráfico que mostra a “contribuição” de cada frequência componente (harmônico) na construção do sinal resultante. Esta contribuição está intimamente relacionada à amplitude daquela componente.

Exemplo: espectro de um sinal de voz

dB

40

4000 Hz

Espectro de um Sinal

6


Banda Passante

➽ Banda passante •  intervalo de frequências componentes de um sinal

[fmin, fmax] ➽ Largura de banda

•  fmax – fmin

➽ Exemplo: • Sinal de Voz

– Banda passante: [50Hz, 10KHz] – Largura de banda: ~10KHz

2

7


Banda Passante Necessária

➽ Exemplo • A banda passante necessária de um canal

telefônico capaz de manter boa intelegibilidade dos interlocutores tem uma largura de aproximadamente 3000 Hz.

Sinal Analógico Banda passante mínima exigida para o canal de comunicação de forma a preservar uma determinada qualidade do sinal recebido.

8


Meio Físico

➽ Meio de propagação das ondas ou sinais transmitidos •  pares de condutores •  sinais codificados como diferenças de voltagem

➽ Característica física: •  oferecem banda passante limitada para

transmissão de um sinal •  atua como filtro de frequências do sinal

transmitido, que sofre uma perda em cada uma de suas componentes de maneira desigual

9


Efeito da Banda Passante Limitada do Meio

➽ Sinal Analógico •  Dependendo da largura da banda passante

–  perda da “qualidade” –  impossibilidade de entendimento da informação no receptor

➽ Sinal Digital •  Dependendo da largura da banda passante

–  erros na recepção da informação

Distorção do sinal recebido devido ao diferente ganho aplicado às diversas componentes do sinal.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.3

0.6

Harmônicos

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.3

0.6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.3

0.6

Harmônicos

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.3

0.6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.3

0.6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.3

0.6

Harmônicos

3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.3

0.6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.3

0.6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.3

0.6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.3

0.6

Harmônicos

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.3

0.6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.3

0.6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.3

0.6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.3

0.6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.3

0.6

Harmônicos

15


não é necessário que se preserve o formato preciso do

sinal original para que se possa receber corretamente

as informações.

Na transmissão através de sinais digitais

16


Recuperação do Sinal Digital

Receptor Transmissor

Transmissão

T

Intervalos de sinalização

T

Instantes de amostragem

T

Sinal recuperado

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Banda Passante Necessária

Sinal Digital Qual será a banda passante mínima exigida para o meio físico que garanta a recuperação da informação original pelo receptor ?

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Taxa de Transmissão Máxima

➽ Teorema de Nyquist: • Na ausência de ruído, a capacidade máxima C de

um canal (em bps) depende da sua largura de banda:

• W = largura de banda • L = número de níveis usados na codificação

➽ A Taxa de Transmissão Máxima é Limitada pela Presença de Ruídos

C = 2 W log2L bps

4

19


Ruído

➽ A quantidade de ruído presente numa transmissão é medida em termos da razão entre a potência do sinal e a potência do ruído, denominada razão sinal-ruído.

➽ Se representarmos a potência do sinal por S e a potência do ruído por N, a razão sinal-ruído é dada por S/N.

➽ É muito comum utilizar-se, ao invés desta razão diretamente, o valor 10 log10(S/N). O resultado obtido é uma medida da razão sinal-ruído em uma unidade denominada decibel (dB). •  Uma razão de 10 corresponde a 10 dB; uma razão de 100

corresponde 20 dB; uma razão de 1.000 corresponde a 30 dB e assim por diante.

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Alguns Tipos de Ruído

➽ Ruído térmico➽ Ruído de intermodulação➽ Crosstalk➽ Ruído impulsivo➽ Ruído de Quantização

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Taxa Máxima de Transmissão: Lei de Shannon

➽ O principal resultado de Shannon (conhecido como a Lei de Shannon) afirma que a capacidade máxima C de um canal (em bps) depende da largura de banda e da razão sinal-ruído

•  Exemplo: Um canal de 3.000 Hz com uma razão sinal-ruído de 30 dB (parâmetros típicos de uma linha telefônica) não poderá, em hipótese alguma, transmitir a uma taxa maior do que aproximadamente 30.000 bps.

C = W log2 (1 + S/N)

W: largura de banda; S/N: razão sinal-ruído

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Utilização da Banda Passante do Meio de Transmissão

➽ Configuração de um único canal por meio de transmissão

➽ Como melhorar a utilização do meio de transmissão ?

0 40 400

“Desperdício”

23



➽ Configuração de múltiplos canais por meio de transmissão

C0

0 40 400

C1 C2

80 160

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Multiplexação

➽ Permite que vários sinais de diferentes fontes (canais) possam compartilhar o mesmo meio físico •  Multiplexação por Divisão da Frequência

–  (Frequency Division Multiplexing - FDM)

•  Multiplexação por Divisão do Tempo –  (Time Division Multiplexing - TDM)

•  Multiplexação por Divisão do Comprimento de Onda –  (Wavelength Division Multiplexing - WDM)

•  Multiplexação por Divisão de Código –  (Code Division Multiplexing)

5

Multiplexação na Frequência

26



C0

0 40 400

C1 C2

80 160

Banda Passante do Sinal

0 - 40 Mhz

0 - 40 Mhz

0 - 80 Mhz

Sinal de Voz Sinal de Voz Sinal de Voz Modulado

4000

8000

Filtro Filtro

4000

8000

Multiplexação na freqüência com dois canaisCanal 1 Canal 2

Sinal original

Transmissão FDM

Banda passante necessária

Sinal original

S

Transmissão FDM

Modulação


Sinal original

S

S

Transmissão FDM

6

Modulação

Filtro


Transmissão

Sinal original

S

S

S

S

S

Transmissão FDM

Modulação

Filtro Demodulação


Transmissão

Sinal original

S

S

S

S

S

S

Transmissão FDM

Modulação

Filtro Demodulação

Filtro


Transmissão

Sinal original Sinal recebido

S

S

S

S

S

S

S

S

Transmissão FDM

34


Modulação e Demodulação

➽ A modulação é uma transformação aplicada a um sinal que faz com que ele seja deslocado de sua faixa de frequências original para uma outra faixa.

➽ A demodulação é uma transformação que é aplicada a um sinal previamente modulado e que faz com que ele seja deslocado de volta para a sua faixa de frequências original.

➽ A modulação e demodulação permitem que sinais sejam adaptados para a transmissão em canais com características diferentes daquelas do sinal original. •  Por exemplo, sinais modulados em diferentes regiões do

espectro podem ser simultaneamente transmitidos em um mesmo meio físico através da multiplexação por divisão de freqüência.

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MODEM

Filtro

Demodulador

R1

f 1 f 2

Filtro

Modulador

T1

MODEM

Filtro

Demodulador

R2

Filtro

Modulador

T2

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Técnicas de Modulação

➽  Todas as técnicas de modulação resultam no deslocamento de um sinal de sua faixa de frequências original para uma outra faixa. •  Todas as componentes do sinal são, uma a uma, deslocadas de um mesmo valor

f, fazendo com que o sinal passe a ocupar uma nova região do espectro. Porém, a contribuição de cada componente não é alterada. O valor f é denominado de frequência da onda portadora.

➽  As três técnicas básicas de modulação são denominadas de: •  Modulação por Amplitude (Amplitude Modulation - AM ), •  Modulação por Frequência (Frequency Modulation - FM ) e •  Modulação por Fase (Phase Modulation - PM ).

➽  Quando o sinal original é um sinal digital, essas técnicas assumem denominações mais específicas: •  Modulação por Chaveamento da Amplitude (Amplitude Shift Keying - ASK). •  Modulação por Chaveamento da Frequência (Frequency Shift Keying - FSK). •  Modulação por Chaveamento de Fase (Phase Shift Keying - PSK).

7

37


Modems

(a) A binary signal (b) Amplitude modulation

(c) Frequency modulation (d) Phase modulation

38


Frequency Division Multiplexing

(a) The original bandwidths. (b) The bandwidths raised in frequency. (b) The multiplexed channel.

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Wavelength Division Multiplexing

Wavelength division multiplexing (WDM)

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Multiplexador x Acesso Múltiplo

➽ Multiplexação pode ser realizada •  de forma centralizada

–  por um equipamento específico denominado de multiplexador (MUX),

•  de forma distribuída –  onde as várias fontes de sinais encontram-se diretamente

conectadas a um meio físico compartilhado. – nesse caso, a multiplexação é comumente denominada de

mecanismo de acesso múltiplo.

42


Multiplexador e Demultiplexador

MUX DEMUX

Multiplexadores: equipamentos que centralizam as funções de modulação, filtragem e combinação dos sinais

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Exemplo para Comparação entre a Utilização de Multiplexadores e de Multiplexação Realizada por Meio de Acesso Múltiplo

➽ O FDMA (Frequency Division Multiple Access) é um exemplo de mecanismo de acesso múltiplo no qual o meio físico é multiplexado de forma análoga ao FDM. • Porém, cada uma das fontes é diretamente

responsável por requisitar, junto a um controlador do sistema, um canal a ser por ela utilizado, não existindo, portanto, a figura do multiplexador como um elemento centralizador da tarefa de multiplexação.

8

44


FDMA

Digitalização de Sinais

46


Digitalização de Sinais

Codificando cada nível com 4 bits:

1100 1110 1110 1110 1010 0011 0001 1001 1010 ...

Na recepção...

15 14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

15 14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

47


Taxa de Amostragem

➽  O teorema de Nyquist diz que, para se obter uma representação precisa de um sinal analógico, a amplitude do mesmo deve ser amostrada a uma taxa igual ou superior a duas vezes a frequência da componente de mais alta frequência do sinal. •  Taxa de amostragem >= 2fmax

➽  A taxa de Nyquist é dada em Hz ou em amostras por segundo (sps) ➽  Amostragens abaixo da taxa de Nyquist introduzem componentes de

frequência adicionais ao sinal, causando distorção definitiva no sinal original (alias signal).

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Sinal original

Pulsos PAM

Pulsos PCM

Saída PCM 100110011010101010100001101111101

7.0

6.0

4.1 4.5 2.5

5.0

2.2 3.0 1.1

5.0 5.0

100 110 011 010 101 010 100 001 101 111 101 0 1 2 3 4 5 6 7

PCM - Pulse Code Modulation

49


Quantização

9

50


Ruído de Quantização

➽ A diferença entre o valor real de uma amostra e seu representante binário é chamado erro de quantização. Como este erro varia de amostra para amostra, a distorção causada por tal erro é chamada ruído de quantização.

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The Local Loop: Modems

The use of both analog and digital transmissions for a computer to computer call. Conversion is

done by the modems and codecs.

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Acesso a Provedor

A/D D/A

Central Central

D/A A/D

A Conversão Analógico/Digital

Gera um Ruído chamado Ruído de Quantização

MODEM

Não é possível mais do que 30 kbps !!

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Acesso a Provedor

A/D

Central Central

D/A A/D MODEM

Linha Digital (T1 ou E1, p. ex.)

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Acesso a Provedor

A/D

Central Central

D/A A/D MODEM

30kbps

~56kbps

Multiplexação no Tempo

10

56


Multiplexação por Divisão de Tempo

➽ Ao invés de se utilizar as várias faixas de frequências para separar os sinais a serem transmitidos, utiliza-se o tempo como a grandeza a ser compartilhada. • obtém-se o compartilhamento do meio físico

intercalando-se porções de cada um dos sinais ao longo do tempo.

• A forma com que o tempo é subdividido dá origem a duas formas de TDM: o TDM síncrono e o TDM assíncrono (ou Estatístico).

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Meio Físico

A

B

C

D


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T

A1

Banda Desperdiçada Dados

B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2

Primeiro Ciclo Segundo Ciclo

➽  Multiplexação Síncrona (TDM) (synchronous Time Division Multiplexing)

Meio Físico

A

B

C

D


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➽  Multiplexação Síncrona (TDM) (synchronous Time Division Multiplexing)

➽  Multiplexação Assíncrona ou Estatística (STDM) (Statistical Time Division Multiplexing)

T

A1 B1 B2 C2

Banda Extra Disponível Cabeçalho

A1

Banda Desperdiçada Dados

B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2

Primeiro Ciclo Segundo Ciclo

Meio Físico

A

B

C

D


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Canal

➽ Representação para uma parcela da utilização do meio físico alocada a transmissão de um sinal.

➽ A implementação de um canal varia de acordo com a forma de multiplexação. Assim, tem-se um tipo de canal no FDM e um outro tipo de canal no TDM síncrono. •  No FDM, um canal corresponde a uma faixa de freqüências •  No TDM síncrono, denomina-se canal o conjunto de todos

os slots, um em cada frame, identificados por uma determinada posição fixa dentro desses frames.

– Ex.: o canal 3 é formado pelo terceiro slot dentro de cada ciclo.

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Canais de Comunicação

➽ Dedicado (ou permanente) x Chaveado ➽ Ponto-a-ponto x Multiponto

11

62


Multiplexador x Acesso Múltiplo

➽  A multiplexação pode ser realizada tanto de forma centralizada, por um equipamento específico denominado de multiplexador (MUX), como de forma distribuída, onde as várias fontes de sinais encontram-se diretamente conectadas a um meio físico compartilhado. •  Nesse último caso, a multiplexação é comumente denominada de

mecanismo de acesso múltiplo.

TDMA

MUX

63


Hierarquias de Transmissão Digital

➽ Em uma hierarquia de sinais digitais, os sinais de taxa mais alta são obtidos através do cascateamento de multiplexadores, como ilustrado no exemplo da figura abaixo.

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Hierarquias de Transmissão Digital

➽ Esquemas de hierarquias de transmissão têm sido utilizados em sistemas de telefonia digital, tendo passado por processos de padronização em várias entidades internacionais, sendo, hoje em dia, utilizados também na transmissão de dados.

➽ E.U.A e Europa definiram diferentes padrões para o sinal básico e para a forma de multiplexação na geração dos sinais de ordem mais alta. • Enquanto a hierarquia americana está baseada no

T1, a hierarquia européia (que é a adotada pelo padrão brasileiro) define a utilização de um sinal básico denominado E1.

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Sinal Digital Número de Canais de Voz Taxa de Transmissão DS-1 DS-2 DS-3 DS-4

24 96

672 4032

1,544 Mbps 6,312 Mbps

44,736 Mbps 274,176 Mbps

MUX T2

MUX

1

7

T3

T1 MUX

1

24

Hierarquia de Sinais Digitais Norte-Americana

➽  Inicialmente definido pela AT&T, tendo posteriormente se tornado o padrão utilizado para a transmissão digital de voz em sistemas telefônicos nos EUA. •  prevê a multiplexação síncrona no tempo, de vinte e quatro canais de

voz, a 64 Kbps cada, transportados em um sinal de 1,544 Mbps (denominado DS-1 — Digital Signal Level 1).

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Taxa dos Sinais em Hierarquias Digitais

➽  A definição da taxa dos sinais básicos das hierarquias digitais foi influenciada diretamente pela utilização dessas hierarquias em telefonia digital •  vinte e quatro canais, onde cada slot tem duração suficiente para a

transmissão dos 8 bits de uma amostra PCM. •  A cada frame ainda adiciona-se um bit denominado bit de framing, para a

marcação. –  Assim, cada frame tem a duração para a transmissão de

24 x 8 + 1 = 193 bits. •  A banda passante necessária para um sinal de voz em um serviço telefônico é

igual a 4.000 Hz, –  A taxa de amostragem para construirmos a saída PCM é de 8.000 amostras

por segundo. Logo, para que se mantenha uma taxa assegurada para cada canal, é necessário que os frames se repitam 8.000 vezes por segundo

–  Em outras palavras, um frame tem duração total de 1/8.000 = 125 µseg, e por isso a taxa total do sinal DS-1 é de 8.000 x 193 = 1,544 Mbps.

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Time Division Multiplexing

The T1 carrier (1.544 Mbps).

12

68


Time Division Multiplexing (3)

Multiplexing T1 streams into higher carriers.

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Hierarquia Européia

Sinal Digital Número de Canais de Voz Taxa de Transmissão

E1 E2 E3 E4

30 120 480

1920

2,048 Mbps 8,448 Mbps

34,368 Mbps 139,264 Mbps

➽ O esquema E1 é oriundo do padrão utilizado para a transmissão de voz em sistemas telefônicos digitais na Europa e no Brasil • 30 canais de voz, a 64 Kbps cada, transportados em

um sinal de 2,048 Mbps.

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Linhas Digitais

A/D

Central Central

D/A A/D MODEM

Linha Digital

E1, p. ex.

71


Linhas Digitais

➽ RDSI-FE •  Acesso básico (ISDN-BRI)

– 2 B+D •  Acesso Primário (ISDN-PRI)

– E1 (30B + 2D); T1 (23B + D)

Central Central

Equipamento De Modulação Digital

Linha Digital Canal B = 64 kbps Canal D = 16 kbps

Canais B e D = 64 kbps

72


Diferentes Hierarquias de Sinais Digitais

Nível EUA Europa Japão

1234

1,544 Mbps (DS-1)6,312 Mbps (DS-2)

44,736 Mbps (DS-3)274,176 Mbps (DS-4)

2,048 Mbps (E-1)8,448 Mbps (E-2)

34,368 Mbps (E-3)139,264 Mbps (E-4)

1,544 Mbps 6,312 Mbps

32,064 Mbps 97,728 Mbps

73


Unificação das Hierarquias

155,52 x N Mbps

155,52 Mbps

51,84 Mbps

6,312 Mbps

1,544 Mbps 2,048 Mbps

x4 x3

x7

x3

xN

Sinal básico SONET (STS-1)

Sinal básico SDH (STM-1)

SDH

13

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Time Division Multiplexing (5)

SONET and SDH multiplex rates.

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Uma Visão de Outra Solução para o Acesso Residencial: xDSL

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Digital Subscriber Lines (2)

Operation of ADSL using discrete multitone modulation.

77


Digital Subscriber Lines (3)

A typical ADSL equipment configuration.

78


Uma Visão de Outra Solução para o Acesso Residencial: Cable Modem

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Internet over Cable

Cable television

14

80


Spectrum Allocation

Frequency allocation in a typical cable TV system used for Internet

access

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Cable Modems

Typical details of the upstream and downstream channels in North

America.

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