Camada Física. Professor Ivan Pires. Introdução. Licenciatura Plena em Computação

Transcrição

1 Licenciatura Plena em Computação Professor Ivan Pires Introdução Dígitos binários (bits) para representar dados. Fisicamente utilizam: Corrente elétrica, ondas de rádio ou luz 1

2 Comunicação Assíncrona Assíncrona se um remetente e receptor não necessitar de coordenação antes que os dados possam ser transmitidos. O receptor deve estar pronto para aceitar dados sempre que eles chegam. O hardware de comunicação é classificado como assíncrono se o sinal elétrico que o transmissor enviar não contiver informações que o receptor pode usar para determinar onde os bits individuais começam e terminam. O hardware receptor deve ser construído para aceitar e para interpretar o sinal que o hardware remetente gera. 2

3 Usando Corrente Elétrica para Enviar Bits Tensão negativa para representar um 1 e tensão positiva para representar um 0 Para transmitir um bit 0, o dispositivo remetente coloca uma tensão positiva no fio por um curto período e então retorna o fio a zero volts. O dispositivo receptor detecta a tensão prositiva e grava que um zero chegou. Dúvidas: Por quanto tempo o remetente deve manter uma tensão no fio para um único bit? Esperar mais tempo do que o necessário desperdiça tempo Qual a taxa máxima em que o hardware pode mudar a tensão? Como um cliente pode saber se o hardware transmissor comprado de um vendedor trabalhará corretamente com o hardware receptor comprado de outro vendedor? Há uma forma de enviar mais dados na mesma quantidade de tempo? 3

4 As especificações para sistemas de comunicação são padronizadas. ITU International Telecommunication Union EIA Electronic Industries Association IEEE Institute for Electrical and Eletronic Engineers Estas instituições publicam especificações para equipamentos de comunicação em documentos conhecidos como padrões. As normas respondem a perguntas sobre uma tecnologia particular de comunicação. Um padrão especifica o sincronismo dos sinais e os detalhes elétricos da tensão e da corrente. 4

5 Padrão RS-232-C da EIA Especifica os detalhes da conexão física A conexão deve ter menos de 50 pés de comprimento As duas tensões usadas para transmitir dados devem variar de -15 volts a +15 volts. Projetado para o uso com dispositivos como modems e terminais, ele especifica a transmissão de caracteres Embora possa ser usado para enviar caracteres de oito bits, cada caractere consiste em sete bits de dados. Padrão RS-232-C da EIA RS-232 define comunicação assíncrona serial Serial porque os bits viajam no fio um após outro. O remetente e o receptor não se coordenam antes da transmissão. Nunca deixa zero volts no fio (quando o transmissor não tem nada para enviar, ele deixa o fio com uma tensão negativa que corresponda ao bit valor 1 Não pode usar a falta de tensão para marcar o fim de um bit e o começo do seguinte. 5

6 Padrão RS-232-C da EIA O remetente e o receptor devem concordar com o comprimento de tempo exato em que a tensão será mantida para cada bit. Quando o primeiro bit de um caractere chega, o receptor inicia um temporizadore usa o temporizadorpara saber quando medir a tensão para cada um dos bits sucessivos Como um receptor não pode distinguir entre uma linha inativa e um bit inicial 1, o padrão RS-232 requer que um remetente transmita um bit extra de valor 0 antes de transmitir os bits de um caractere. Conhecido como start bit Padrão RS-232-C da EIA O remetente e o receptor devem concordar com o comprimento de tempo exato em que a tensão será mantida para cada bit. Quando o primeiro bit de um caractere chega, o receptor inicia um temporizadore usa o temporizadorpara saber quando medir a tensão para cada um dos bits sucessivos Como um receptor não pode distinguir entre uma linha inativa e um bit inicial 1, o padrão RS-232 requer que um remetente transmita um bit extra de valor 0 antes de transmitir os bits de um caractere. Conhecido como start bit 6

7 Padrão RS-232-C da EIA O remetente deve deixar a linha ociosa por um tempo mínimo Tempo necessário para enviar um bit Bit fantasma 1 adicionado a cada caractere Este bit é denominado stop bit A transmissão completa requer nove bits. Taxa de Baud, Enquadramento e Erros O hardware remetente e receptor devem concordar no comprimento de tempo em que a tensão será mantida para cada bit. Em vez de especificar o tempo por bit, que é uma pequena fração de segundo, os sistemas de comunicação especificam o número de bits que podem ser transferidos em um segundo Ex.: bits por segundo 7

8 Taxa de Baud, Enquadramento e Erros Um hardware de transmissão é avaliado em bauds, que é o número de mudanças de sinal por segundo que o hardware gera. No exemplo RS-232 a taxa em baudsé exatamente igual ao número de bits por segundo (33600 bauds= bits por segundo) O número de bis por segundo pode ser maior que a taxa em bauds Taxa de Baud, Enquadramento e Erros Se o hardware remetente e o hardware receptor não forem configurados para usar a mesma taxa em bauds, ocorrerão erros porque o temporizadordo receptor não esperará um comprimento de tempo apropriado para cada bit. Para detectar erros, um receptor mede a tensão por múltiplos tempos para cada bit e compara as medidas. Se todas as tensões não concordarem ou se o bit de parada não ocorrer exatamente quando esperado, o receptor relata um erro. 8

9 Comunicação Assíncrona Full Duplex Todos os circuitos elétricos requerem um mínimo de dois fios A correte flui em um fio e volta em outro O segundo fio é chamado de terra. Quando RS-232 utiliza par trançado, um dos fios carrega o sinal e o outro é um terra que fornece o caminho de retorno. Quando um sinal é enviado utilizando um cabo coaxial, o sinal viaja pelo centro do condutor e o protetor fornece o trajeto de retorno. Comunicação Assíncrona Full Duplex A transferência simultânea nas duas direções é conhecida como transmissão fullduplex A transferência em uma única direção é conhecida como transmissão half duplex ou simplex RS-232 requer um fio para dados viajando em uma direção, um fio para dados viajando na direção reversa e um único fio terra usado para completar o caminho elétrico em ambas as direções (comum para o retorno). 9

10 Limitações do Hardware Real O quanto rápido pode transmitir bit através de um fio? Na prática, nenhum dispositivo eletrônico pode produzir uma tensão exata ou mudá-la de uma tensão para a outra Nenhum fio conduz eletricidade perfeitamente Quando flui corrente elétrica através do fio, o sinal perde energia Como resultado, leva um pequeno tempo para a tensão subir ou descer, e o sinal recebido não é perfeito. Limitações do Hardware Real 10

11 Largura de Banda do Hardware e a Transmissão de Bits O hardware real não pode mudar tensões instantaneamente Qual velocidade em que os bits podem ser enviados? Cada sistema de transmissão de um largura de banda (bandwidth) Limitada, que é a taxa máxima em que o hardware pode realizar mudanças de sinal. Largura de Banda do Hardware e a Transmissão de Bits A largura de banda é medida em ciclos por segundos ou hertz (Hz). Mais fácil pensar na largura de banda como o sinal de oscilação contínuo mais rápido que pode ser enviado através do hardware Se um sistema de transmissão tiver uma largura de banda de 4000 Hz, então o hardware pode transmitir em uma taxa igual ou menor a 4000 ciclos por segundo. Cada sistema física de transmissão tem uma largura de banda finita Qualquer sistema de transmissão que usar ondas de rádio, som, luz ou corrente elétrica terão uma largura de anda limitada. 11

12 Largura de Banda do Hardware e a Transmissão de Bits Teorema de Amostragem de Nyquist Na década de 20, um pesquisador descobriu a relação entre a largura de banda de um sistema de transmissão e do número máximo de bits por segundo, que podem ser transferidos neste sistema A relação fornece um valor teórico na velocidade máxima em que os dados possam ser enviados Para um esquema de transmissão de dados que usa dois valores de tensão para codificar os dados A taxa de dados máxima em bps que pode ser atingida sobre um sistema de transmissão da largura de banda B é 2B. Largura de Banda do Hardware e a Transmissão de Bits Teorema de Amostragem de Nyquist De maneira geral, se o sistema da transmissão usa k valores de tensão possíveis em vez, o Teorema de Nyquist indica que a taxa (D) de dados máxima em bps é: D = 2B * log 2 K Esta é a fórmula de Nyquist para a capacidade máxima de um canal dada a sua largura de banda, na ausência de ruído 1 baud 12

13 Largura de Banda do Hardware e a Transmissão de Bits Em outras palavras, através de um canal de largura de banda igual a B Hz pode-se transmitir um sinal digital de, no máximo 2B bauds. K = m Largura de Banda do Hardware e a Transmissão de Bits Portanto, para uma dada BW, a taxa de dados poderá ser aumentada através do aumento do nº de níveis utilizados para transportar o sinal. No entanto, quanto maior k, maior a dificuldade encontrada pelo receptor para distinguir entre os k possíveis sinais transmitidos. A formulação de Nyquist define a taxa de transmissão máxima para um canal de banda passante limitada e imune a ruídos. 13

14 O Efeito do Ruído na Comunicação Teorema de Nyquist fornece um máximo absoluto que não pode ser conseguido na prática. Na prática um sistema real de comunicação é sujeito a quantidades pequenas de interferência chamados de ruídos Tal ruído torna impossível atingir a taxa máxima teórica de transmissão. O Efeito do Ruído na Comunicação Claude Shannonestendeu o trabalho de Nyquist para especificar a taxa de dados máxima de transmissão de dados incluso ruído. A pesquisa resultou no Teorema de Shannon, expresso como: C = Blog 2 (1 + S/N) C = limite efetivo da capaicdade do canal em bps B = largura de banda do hardware S = potência média do Sinal N = potência média do Ruído 14

15 O Efeito do Ruído na Comunicação Geralmente S/N é conhecido como a relação taxa sinalpara-ruído(signal-to-noise rate), não é representada diretamente. Em vez disso, os engenheiros citam a quantidade 10log 10 S/N que é a medida em decibéis (db) Ex.: uma relação de S/N igual a 100 é 20 db, 1000 é 30 db. O Efeito do Ruído na Comunicação O sistema telefônico de voz tem uma relação sinal-pararuido de aproxidamente 30 db e uma largura de banda, de aproximadamente 3000 Hz. C = 3000 Log 2 (1+1000); 15