Fund. De Redes - professor.unisinos.brprofessor.unisinos.br/jcgluz/fund-redes/Aula3.pdf · Fatores de projeto Largura de banda •maior largura de banda -> maior taxa de transmissão

Fund. De RedesMeios de Transmissão

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

•laser

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•receptores introduzem atenuação (ex: Ethernet LAN)

Espectro Eletromagnético

Espectro Eletromagnético

Meios Direcionados

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

Par Trançado

•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

conector RJ-45

Par Trançado - Aplicações

•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 - Prós e Contras

Par trançado - TiposUnshielded 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 4KHzTelefone digital 64KHz

EIA/TIA 2(até 1MHz)

100 Ohms UTP ISDN DadosIBM 3270, AS400

EIA/TIA 3(até 16MHz)

100 Ohms UTP, STP IEEE 10BaseTToken Ring 4Mbits/s

EIA/TIA 4(até 20Mhz)

100 Ohms UTP, STP IEEE 10BaseTToken Ring 4 e 16Mbits/s

EIA/TIA 5(até 100MHz)

100 Ohms UTP, STP IEEE 10BaseT eIEEE 100BaseT

Nível 6 UTP, STP Dados – 155MbpsNível 7 UTP, STP Dados – 1000Mbps

Par trançado – cabo direto e cruzado

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

Figura 2 abaixo –cabo cruzado/crossover (pode que deve ser usado entre o micro e outro micro).

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)•transmissão analógica (televisão a cabo)

Cabo coaxial (coax)

Cabo coaxial - AplicaçõesUtilização versátil

Televisão•TV a cabo (CATV) (75 ohms)

Centrais telefônicas•sendo substituído por fibras óticas

Comunicação entre computadores (LAN)•sinalização digital (50 ohms)

conector BNC

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•Laser ou LED

Teleprocessamento

Fibra ótica

Teleprocessamento

Fibra ótica - Atenuação

Teleprocessamento

Fibra ótica - Modos de transmissão

Teleprocessamento

Fibra ótica - frequências

Wavelength (in vacuum) range (nm)

Frequency range (THz)

Band label

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

Tamanhos da F.O.

Teleprocessamento

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•Dezenas de quilômetros de distância

Fibra ótica

Teleprocessamento

Meios não-guiados (wireless)

Teleprocessamento

Transmissão Wireless

• 2GHz to 40GHz– Microondas/Satélite– Altamente direcional– Ponto-a-ponto

• 30MHz to 1GHz– Omnidirectional– Radio

• 3 x 1011 to 2 x 1014Hz– Infravermelho– Uso local

Teleprocessamento

Rádio

•Omnidirecional

•Fácil de gerar

•Trafegam em longas distâncias

•Penetram facilmente em obstáculos em freqüências baixas

•Refletem em obstáculos em freqüências altasEx: AM,FM

Teleprocessamento

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

Microondas - Topologia

Teleprocessamento

Microondas (Terrestre)

Distância máxima entre antenas:

d = 7.14 √Kh

d = distância em quilômetrosh = altura da antena (m)K = 4/3

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

a 7.14 x √ 133 = 82Km

Teleprocessamento

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

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:

A B

36000Km 36000Km

Teleprocessamento

Satélite - Broadcast

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:ex: controle remoto, TV, portas de garagem

Teleprocessamento

Luz visível (laser)

•Unidirecional

•Grande largura de banda e baixo custo

•Fácil de instalar

•Sem precisar de licença

•Problemas em dias chuvosos ou com nevoeiro

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 – Compact Disc audio

Sinais Analógicos transportando dados analógicos e digitais

Sinais Digitais transportando dados analógicos e digitais

Conversão da Voz em Sinal Analógico

Conversão PC em Sinal Digital

“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

Teorema de Nyquist

• 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

C = 2W log2(M)

• 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 = log2 M

• Um canal com 8 níveis de sinalização é capaz de representar log2(8) = 3bits codificados por nível

Capacidade do canal de voz (Nyquist)

C = 2W log2 (M)

Canal telefônico (W) = 3100Hz

M Capacidade (bps)2 62004 124008 2480016 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

Taxa de sinalização e transmissão

• 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 log2(1 + S/N) C: Capacidade do canal

W: Largura de banda do canal

S/N : razão sinal/ruído (dB)

Capacidade do canal (Shannon)

• Exemplo: linha telefônica– Canal de 3100Hz

– S/N = 30dB (razão 1000)

C = B log2 (1 + S/N)

C = 3100 log2 (1 + 1000)

C = 30898,40 bps

x = 10 log 10 (S/N)

30 = 10 log 10 (S/N)

3 = log 10 (S/N)

S/N = 10^3 = 1000

Capacidade do canal de voz (Shannon)

• 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

Exercícios

Teleprocessamento

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

P1 P2

Teleprocessamento

dB e potência do sinal

NdB = 10log10(P2/P1)NdB = número de decibelsP1 = nível de potência de entradaP2 = nível de potência de saídalog10 = 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:

NdB = 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

Teleprocessamento

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

5) Qual o ganho de um circuito se P2 = 4xP1? E P2 = 8P1?

Teleprocessamento

Conceitos Básicos

Informação Sinais eletromagnéticos

Analógicos Discretos(Digitais)

representado por

(voz, dados, imagem, vídeo)

Teleprocessamento

Terminologia Transmissão

• Simplex– Unidirecional

• televisão

• Half-duplex– Bidirecional alternadas no tempo

• rádio policial

• Full-duplex– Ambas as direções ao mesmo tempo

• telefone

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 maisimportante para o entendimento da transmissão de dados do

sua representação no domínio tempo”

Teleprocessamento

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

Teleprocessamento

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.

• Futuro será ótico -> meio de transmissão essencialmente digital

Teleprocessamento

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 Analógicos e Discretos

Teleprocessamento

Sinais Periódicos

contínuo

discreto

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

Teleprocessamento

Seno - Sinal Periódico Fundamental

S(t) = A sin (2πft +φ)

Amplitude Freqüência Fase

Teleprocessamento

Alguns exemplos de Senóide

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 freqüência fundamental

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

ak e bk: 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.

Teleprocessamento

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

AEspectro sinal

A Largura de bandacanal

1 2 3 4 f

A Transmissão

1 2 3 4 f

Teleprocessamento

Adição de Harmônicas

Teleprocessamento

Adição de Harmônicas

Teleprocessamento

Espectro da Voz

Teleprocessamento

Espectro Acústico

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)

Largura de Banda do Canal Telefônico

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?