Utilização da Banda Passante do Meio. Multiplexação Redes. Utilização da Banda Passante do Meio. Bacharelado em Informática

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1 Bacharelado em Informática Disciplina: de Computadores Multiplexação, Modulação e Codificação Prof. Sérgio Colcher Utilização da Banda Passante do Meio Desperdício Configuração de um único canal por meio de transmissão Como melhorar a utilização do meio de transmissão? Copyright by TeleMídia Lab. 2 Utilização da Banda Passante do Meio Multiplexação Permite que vários sinais de diferentes fontes (canais) possam compartilhar o mesmo meio físico: Multiplexação por Divisão da Frequência C0 C C2 (Frequency Division Multiplexing - FDM) Multiplexação por Divisão do Comprimento de Onda Configuração de múltiplos canais por meio de transmissão (Wavelength Division Multiplexing - WDM) Multiplexação por Divisão do Tempo (Time Division Multiplexing - TDM) Multiplexação por Divisão de Código (Code Division Multiplexing) 3 4

2 Utilização da Banda Passante do Meio Multiplexação na Freqüência C0 C C2 Banda Passante do Sinal 0-80 Mhz 0-40 Mhz 0-40 Mhz 6 Bandas de Guarda Sinal de Voz Sinal de Voz Sinal de Voz Modulado Hz Filtro Filtro Bandas de Guarda Canal Canal 2 Multiplexação na freqüência com dois canais

3 Transmissão FDM Modulação e Demodulação S Sinal original S S Banda passante necessária Modulação Filtro Transmissão Sinal recebido S S S Filtro Demodulação S Modulação transformação aplicada a um sinal que faz com que ele seja deslocado de sua faixa de freqüências original para uma outra faixa. Demodulação transformação aplicada a um sinal previamente modulado que faz com que ele seja deslocado de volta para a sua faixa original. S 9 0 MODEMs MODEM MODEMs são equipamentos capazes de fazer a MODulação e a DEModulação de sinais. MODEM Os mais conhecidos são os que temos em nossas residências T R T2 R2 permitem que obtenhamos acesso a um provedor internet através do sistema telefônico. adaptam o sinal digital proveniente de nosso computador para que ele passe a ocupar adequadamente a banda entre 0 e 4000 hz Modulador Filtro Filtro Demodulador f f 2 Modulador Filtro Filtro Demodulador 2

4 FDM e WDM Multiplexador e Demultiplexador WDM (Wavelength Division Multiplexing) é, na realidade, uma forma de FDM na qual o espectro de freqüências utilizado fica na região das ondas de luz (não necessariamente visíveis). ao invés de medir pela freqüência, mede-se pelo comprimento de onda DWDM (Dense WDM) separação menor entre os comprimentos de onda dos diferentes canais nm x 0 nm Permite taxas de terabytes/segundo MUX DEMUX Multiplexadores de freqüência: equipamentos que centralizam as funções de modulação, filtragem e combinação dos sinais Demultiplexadores de freqüência: desempenham as funções inversas 3 4 Linhas de Assinantes de Telefonia Convencional Multiplexador x Acesso Múltiplo Multiplexação pode ser realizada de forma centralizada Linhas de assinante Analógicas (2) Filtros de 300 a 3400 Hz 2 canais FDM de 4 KHz por um equipamento específico denominado 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 5 6

5 Acesso Múltiplo por Divisão da Freqüência (FDMA) Técnicas de Modulação F F2 F3 F4 7 Técnicas de Modulação Todas as técnicas de modulação resultam no deslocamento de um sinal de sua faixa de freqüências original para uma outra faixa. Todas as componentes do sinal são, uma a uma, deslocadas de um mesmo valor f denominado de freqüência da onda portadora. o valor da contribuição de cada componente não é alterada. Processo de Comunicação Informação Codificador Sinal em Banda Básica Modulador/ Filtro Informação Decodificador Sinal em Banda Básica Demodulador/ Filtro Sinal para Transmissão Canal Sinal para Transmissão 9 20

6 Técnicas de Modulação Todas as componentes do sinal são, uma a uma, deslocadas de um mesmo valor f denominado de freqüência da onda portadora. Sinal Original Modulador Onda Portadora Sinal Modulado Tipos de Sinal Original Analógico Modulação Analógica Digital Modulação Digital Tipos de Portadora Senoidal Seqüência de pulsos Modulação 2 22 Técnicas Básicas de Modulação TECNICAS BÁSICAS PARA MODULAÇÃO COM PORTADORA SENOIDAL AM Fundamentos de Sistemas de Comunicação Modulação por Amplitude Modulação por Freqüência Modulação por Fase Modulação Analógica (sinal original analógico) AM FM PM Modulação Digital (sinal original digital) ASK FSK PSK AM: Amplitude Modulation FM: Frequency Modulation PM: Phase Modulation ASK: Amplitude Shift Keying FSK: Frequency Shift Keying PSK: Phase Shift Keying Na verdade, AM, FM e PM são nomes genéricos Se a modulação é digital, atribui-se nomes mais específicos ASK, FSK e PSK Se a modulação é analógica, os nomes são os gerais AM, FM e PM 23

7 FM PM ASK Fundamentos de Sistemas de Comunicação FSK Fundamentos de Sistemas de Comunicação

8 PSK Fundamentos de Sistemas de Comunicação Efeito da Modulação ASK g( t) = C cos f n= 0 s( t) = Acos f m( t) = g( t) s( t) n m ( t) = AC cos f cos f n n n n ACn ACn mn ( t) = cos( fn + f ) + cos( fn f ) Efeito da Modulação ASK Codificação e Transmissão Informação Digital Portadora (freqüência f ) Sinal Resultante S(f) 0 0 f Hz Hz Informação digital - Sinal Analógico Modulação de dado digital Informação Analógica - Sinal Analógico Modulação de dado analógico AM, FM,... Informação Analógica - Sinal digital Digitalização PCM, ADPCM, Informação digital - Sinal digital Codificação digital Banda básica 3 32

9 Codificação e Transmissão de Informação Digital Com Modulação modulação de onda portadora ex.: MODEM Em Banda Básica informação digital codificada diretamente sobre o par de fios como diferenças discretas de voltagem (com um valor fixo para cada símbolo digital utilizado) Exemplo de FDM para Acesso à Internet: Cable Modem 33 Cable Modem Transmissão de dados através da rede de TV a cabo Bandas geralmente designadas de forma assimétrica canais de 6 MHz (TV) Transmissões podem alcançar, na prática, taxas de 30 a 40 Mbps em um canal de 6 MHz Upstream pode ser através de outra rede (p. ex. Rede telefônica) amplificadores unidirecionais na planta de distribuição da operadora F F2 F3 F4 FDM Canal de Vídeo Canal de Voz Outros Canais 35 36

10 Rede Interna Cabo Coaxial Set-top box (0/00 BaseT) Cable Modem Cable Modem: Arquitetura Rede de Distribuição Transmissor vídeo áudio dados CMTS (Cable Modem Termination System) Head-end Provedor Internet 5 CATV: Alocação das Freqüências Up Quando a transmissão de vídeo for digital, essa organização poderá mudar Canais de Vídeo Analógico Down Freqüência (MHz) 750 Reservado Para uso Futuro Cable Modem 50 a 750 MHz 0 a 45 MHz Exemplo de FDM para Acesso à Internet: ADSL CMTS Cable modems 39

11 Rede Telefônica - Acesso xdsl xdsl: Digital Subscriber Line família de novas tecnologias de MODEM que oferecem transmissão de dados digitais em altas taxas de velocidade com aproveitamento da planta de cabos de par trançado já instalada Limitação de aproximadamente 4 khz de largura de banda é imposta pelos equipamentos internos à rede telefônica par trançado oferece banda na faixa de MHz, variando em função da distância do assinante à central ADSL - Asymmetric Digital Subscriber Line opção mais difundida Site do Usuário splitter Modem xdsl Par Trançado xdsl: Arquitetura Comutador de Circuito (Central Telefônica) splitter DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) Rede Telefônica Internet 4 42 ADSL ADSL: FDM Bandas de subida (upstream) e de descida (downstream) assimétricas POTS ADSL Proposto originalmente para aplicações de VoD Upstream Downstream adequado também para acesso à Internet Taxas variam com a distância e a qualidade do sinal na linha 6 a 640 Kbps de subida,5 a 9 Mbps de descida Freqüência (khz) 43 44

12 Informação Analógica com Transmissão Digital Transmissão digital Transmissão de Sinais Digitais possibilidade de regeneração Digitalização da informação analógica amostragem quantização Exemplos PCM, DPCM, ADPCM, etc : Teorema de Nyquist Fundamentos de Sistemas de Comunicação Sinal Transmitido Na recepção... Freqüência de Amostragem de Nyquist Se um sinal arbitrário (analógico ou digital) é filtrado de tal forma a não conter freqüências acima de W Hz, o sinal resultante pode ser completamente reconstruído a partir de amostras desse sinal, tomadas a uma freqüência igual a no mínimo 2W vezes por segundo Nyquist obteve a expressão matemática que é capaz de fornecer a interpolação do sinal a partir apenas dessas amostras e demonstrou que 2W amostras por segundo é a freqüência mínima de amostragem necessária para que essa interpolação possa ser feita sem erros. A taxa de 2W amostras por segundo ficou conhecida como taxa de amostragem de Nyquist e o intervalo entre as amostras (/2W segundos) como intervalo de Nyquist 47 48

13 Digitalização de Sinais (PCM) Digitalização de Sinais (PCM) 5 Amostra Codificando cada nível com 4 bits: Codificando cada nível com 4 bits: Freqüência de amostragem 7 6 Na recepção Freqüência de Amostragem de Nyquist: Exemplo Considerando que um sinal de voz não contém compoentes acima de 4000 Hz, ele pode ser recuperado realizando-se 8000 amostras por segundo. Uma amostra a cada /8000 seg, ou seja, uma amostra a cada 25 µseg. Se cada amostra for codificada com 8 bits, por exemplo, então Taxa do sinal gerado = 8 bits/amostra x 8000 amostras/seg = 64 Kbps Corresponde a um dos padrões internacionais de telefonia digital Digitalização das Centrais Telefônicas Com a modernização das redes telefônicas as centrais passaram a ser digitais, assim como as linhas de transmissão entre as centrais A/D Central D/A D/A Central A/D 5 52

14 Taxa de Transmissão no Acesso ao Provedor MODEM Par Trançado A/D D/A Rede Telefônica Comutadores de Circuito (Centrais Digitais) A/D D/A Capacidade máxima de 33.6 kbps em ambos os sentidos de transmissão Provedor de Serviços Internet Taxa de Transmissão no Acesso ao Provedor A taxa de transmissão depende da banda disponível mas também depende (e muito) da quantidade de ruído presente em uma linha de transmissão Por Shanon: C = W log 2 ( + S/N) bps A conversão analógico/digital gera um ruído denominado ruído de quantização Taxa de Transmissão no Acesso ao Provedor Taxa de Transmissão no Acesso ao Provedor A/D Central D/A Central Provedor MODEM Rede Telefônica Capacidade máxima de 33.6 kbps da residência para o provedor e 56 kbps no sentido inverso MODEM D/A A/D A/D D/A Internet A Conversão Analógico/Digital Gera um Ruído chamado Ruído de Quantização Não é possível obter-se mais do que 33.6 kbps!! Par Trançado Comutadores de Circuito (Centrais Digitais) Provedor de Serviços 55 56

15 Taxa de Transmissão no Acesso ao Provedor Central Central MODEM D/A A/D ~33kbps ~56kbps A/D D/A Provedor Linha Digital (T ou E, p. ex.) 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 Comprimento de Onda (Wavelength Division Multiplexing - WDM) Multiplexação por Divisão do Tempo (Time Division Multiplexing - TDM) Multiplexação por Divisão de Código (Code Division Multiplexing) Multiplexação no Tempo Multiplexação por Divisão de Tempo Ao invés de se utilizar as várias faixas de freqüências 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). 60

16 Multiplexação no Tempo Multiplexação no Tempo A A B B C Meio Físico C Meio Físico D D Dados Banda Desperdiçada Multiplexação Síncrona (TDM) (synchronous Time Division Multiplexing) A B C D A2 B2 C2 D2 Primeiro Ciclo Segundo Ciclo T 6 62 A B C D Multiplexação Síncrona (TDM) (synchronous Time Division Multiplexing) Multiplexação Assíncrona ou Estatística (STDM) (Statistical Time Division Multiplexing) Multiplexação no Tempo A Dados T A B B2 C2 Cabeçalho Banda Desperdiçada B C D A2 B2 C2 D2 Primeiro Ciclo Meio Físico Segundo Ciclo Banda Extra Disponível 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

17 Comutação de Circuitos Chaveamento por divisão espacial (Space Division Switching - SDS) cada nó fecha um circuito físico entre entrada e saída Chaveamento por divisão da freqüência (Frequency Division Switching - FDS) cada nó chaveia de um canal de freqüência de uma linha de entrada para um canal de freqüência de uma linha de saída Chaveamento por divisão do tempo (Time Division Switching - TDS) cada nó chaveia de um canal TDM (slot) de uma linha de entrada para um canal TDM de uma linha de saída Comutação de Circuitos Características Necessidade de estabelecimento de conexão (roteamento no momento da conexão) Canal dedicado durante o tempo de uma chamada Endereçamento necessário apenas na conexão Retardo de transferência dos dados constante Comutação de Circuitos Características Possibilidade de bloqueio da comunicação devido à falta de recursos Não necessita empacotamento Melhor para tráfego contínuo Pior para tráfego em rajadas Multiplexador x Acesso Múltiplo A multiplexação pode ser realizada tanto de forma centralizada, por um equipamento específico denominado 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 já é realizada no acesso do usuário à rede, sendo, por essa razão chamada de mecanismo de acesso múltiplo. MUX TDMA 67 68

18 Multiplexador x Acesso Múltiplo A cada esquema de multiplexação pode-se associar um mecanismos de acesso múltiplo FDM - FDMA TDM - TDMA CDM - CDMA Outros exemplos de esquemas de acesso múltiplo também são encontrados nos protocolos de acesso ao meio utilizados em redes locais e metropolitanas como o CSMA/CD (Ethernet) e o Token Ring Hierarquias de Transmissão Digital Em uma hierarquia de sinais digitais, os sinais de taxa mais alta são obtidos através do cascateamento de multiplexadores Nível Nível 2 Nível MUX MUX. MUX Hierarquias de Transmissão Digital Têm sido utilizadas em sistemas de telefonia digital Passaram por processos de padronização em várias entidades internacionais Hoje em dia, utilizadas também na transmissão de dados EUA, Europa e Japão definiram diferentes padrões para o sinal básico e para a forma de multiplexação na geração dos sinais de ordem mais alta Hierarquia de Sinais Digitais dos EUA Sinal Digital Número de Canais de Voz Taxa de Transmissão DS- DS-2 DS-3 DS ,544 Mbps 6,32 Mbps 44,736 Mbps 274,76 Mbps Inicialmente definido pela AT&T, tendo posteriormente se tornado o padrão utilizado para a transmissão digital de voz em sistemas telefônicos nos EUA. multiplexação síncrona no tempo, de vinte e quatro canais de voz, a 64 Kbps cada, transportados em um sinal de,544 Mbps (denominado DS- Digital Signal Level ). 24 MUX T MUX T2 7 MUX T3 7 72

19 Hierarquia Européia Diferentes Hierarquias de Transmissão Digital Sinal Digital Número de Canais de Voz Taxa de Transmissão E E2 E3 E ,048 Mbps 8,448 Mbps 34,368 Mbps 39,264 Mbps O esquema E 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. Nível EUA Europa Japão 2 3 4,544 Mbps (DS-) 2,048 Mbps (E-) 6,32 Mbps (DS-2) 8,448 Mbps (E-2) 44,736 Mbps (DS-3) 34,368 Mbps (E-3) 274,76 Mbps (DS-4) 39,264 Mbps (E-4),544 Mbps 6,32 Mbps 32,064 Mbps 97,728 Mbps Taxa de Transmissão no Acesso ao Provedor Taxa de Transmissão no Acesso ao Provedor A/D D/A Central Central Provedor Central Central Provedor MODEM D/A A/D Equipamento de modulação digital Linha Digital (E, p. ex.) RDSI-FE acesso básico 2B+D (44 kbps) acesso primário 30B + D (2 Mbps) Linha Digital Canal B = 64 kbps Canal D = 6 kbps 75 76

20 FDM x TDM FDM requer modulação, filtragem e geração de portadora senoidal. Os sinais digitais são convertidos em analógicos, fazendo com que seja comum a associação desses sistemas com sistemas analógicos. TDM os sinais são transmitidos em banda básica sendo, portanto, sinais digitais. Dessa forma associa-se TDM à transmissão digital. Transmissão digital é mais vantajosa 77 Codificação e Transmissão Dado digital - Sinal digital Codificação digital Banda básica Dado digital - Sinal Analógico Modulação de dado digital Banda larga Dado Analógico - Sinal digital Digitalização PCM, ADPCM,... Dado Analógico - Sinal Analógico Modulação de dado analógico AM, FM, Codificação e Transmissão de Sinais Digitais Codificação de Sinais Digitais Sinais codificados como diferenças discretas de voltagem, que correspondem a um ou mais bits de informação Transmissão de pulsos ou sinais ajustados às características do canal Transmissão em Banda Básica ou com auxílio de técnicas de modulação 80

21 Codificação em Banda Básica NRZ (Non-Return to Zero) NRZI (Non-Return to Zero Inverted) Pseudoternary AMI (Alternate Mark Inversion) HDB3 (High Density Bipolar Three Zeros) B8ZS (Bipolar with Eight Zeros Substitution) 4B3T (4-Binary 3-Ternary) Manchester Diferential Manchester Multi-Level Codes Codificação em Banda Básica Onda de Relógio Bits Sinal NRZ RZ Manchester Manchester Diferencial 8 82 Recuperação do Sinal NRZ Transmissão T Transmissor Intervalos de sinalização Transmissão T Receptor Instantes de amostragem Necessidade de uma referência única de tempo para transmissor e receptor O transmissor e o receptor são máquinas de estado que precisam ser sincronizadas (terem seus relógios ajustados em freqüência e fase) Como sincronizar? ) Enviar em um canal separado dos dados o relógio do transmissor 83 84

22 Transmissão Transmissão Assíncrona O transmissor e o receptor são máquinas de estado que precisam ser sincronizadas (terem seus relógios ajustados em freqüência e fase) Como sincronizar? ) Enviar em um canal separado dos dados o relógio do transmissor 2) Aceitar que pequenas diferenças nos relógios do transmissor e receptor existem e conviver com essas diferenças: Transmissão Assíncrona Transmissor CLOCK Oscilador Receptor CLOCK Oscilador Transmissão Serial Assíncrona Recuperação do Sinal NRZ Start Parity Stop Start Transmissor Transmissão Receptor T T Intervalos de sinalização Instantes de amostragem Transmissão serial Necessidade de uma referência única de tempo para transmissor e receptor 87 88

23 Transmissão Assíncrona Transmissão Start Stop Oscilador CLOCK Caracter Parity Stop Start O transmissor e o receptor são máquinas de estado que precisam ser sincronizadas (terem seus relógios ajustados em freqüência e fase) Como sincronizar? ) Enviar em um canal separado dos dados o relógio do transmissor 2) Aceitar que pequenas diferenças nos relógios do transmissor e receptor existem e conviver com essas diferenças: Transmissão Assíncrona 3) Enviar dados e relógio juntos em um mesmo canal: Transmissão Síncrona Instantes de Amostragem Transmissão Síncrona Código Manchester Onda de Relógio Codificação Manchester, Manchester Diferencial etc Bits Transmissor Receptor Sinal NRZ CLOCK CLOCK Manchester Oscilador Mecanismo de Recuperação do CLOCK Oscilador bit - transição positiva (subida) no meio do intervalo de sinalização do bit bit 0 - transição negativa (descida) no meio do intervalo de sinalização do bit 9 92

24 Código Manchester Código Manchester Diferencial Onda de Relógio Bits Sinal NRZ CLOCK Sinal ON-OFF Manchester Manchester Diferencial Tanto o bit 0 quanto o bit possuem uma transição no meio de cada intervalo de sinalização bit - sem transição no início do intervalo de sinalização do bit bit 0 - com transição no inicio do intervalo de sinalização do bit 93 94

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