Modulação e Codificação. Modulação. Modulação. Modulação. Codificação. Dados analógicos Sinais analógicos Dados digitais Sinais analógicos

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1 Modulação e Codificação Modulação Dados analógicos Sinais analógicos Dados digitais Sinais analógicos Codificação Dados analógicos Sinais digitais Dados digitais Sinais digitais Modulação Processo pelo qual o sinal de dados (dito sinal modulante) modifica um ou mais parâmetros (amplitude, freqüência ou fase) de uma onda senoidal, dita portadora. A informação impõe o modo como vai ser modificada a portadora. Ao se analisar, na recepção, as modificações sofridas pela portadora, pode-se recuperar a informação digital (demodulação). Por isso, se diz que a portadora transporta a informação. Modulação 1

2 Modulação Uso mais comum: transmissão de dados digitais em rede telefônica. Rede telefônica: sinais de voz a 3400 Hz. Há basicamente quatro técnicas modulação em amplitude modulação em frequência modulação em fase modulação QAM Através destas técnicas de modulação pode-se transformar um dado digital em um sinal analógico. Técnicas de Modulação Modulação em Amplitude Também chamada de ASK (Amplitude Shift Keying chaveamento de amplitude). A amplitude da onda portadora é modificada de acordo com o sinal a ser transmitido. Exemplo: Acos( 2πf binário 1 ct) 0 binário 0 Existem duas variações desta técnica: modulação de amplitude e suspensão de portadora. Sensível a ruídos e a interferências. Trabalha até 1200 bps em linhas de voz Pode ser usada para transmitir dados digitais sobre fibra ótica. LED - Binário 1 - presença de luz Binário 0 - ausência de luz Laser - nível de luz baixo ou alto 2

3 Técnicas de Modulação Modulação em Frequência Também chamada de FSK (Frequency Shift Keying chaveamento de freqüência). A mais comum é a FSK binária (BFSK). A freqüência da onda portadora é modificada de acordo com o sinal a ser transmitido. Exemplo A cos( 2 π f t 1 ) binário 1 A cos( 2 πf ) binário 0 2 t Técnicas de Modulação Especificação dos modems série 108 da Bell System Técnicas de Modulação BFSK é menos suscetível a erros do que a ASK. Trabalha acima de 1200 bps em linhas de voz. Pode ser usada para transmissão de rádio de alta frequência (de 3 a 30 MHz). 3

4 Técnicas de Modulação Modulação em Fase Também chamada de chamada de PSK (Phase Shift Keying chaveamento de fase). A fase da onda portadora é modificada de acordo com o sinal a ser transmitido. Varia-se a fase da portadora, mantendo-se suas amplitudes e freqüências constantes. Possui um alto rendimento e baixa interferência a ruídos. Técnicas de Modulação PSK Binária (BPSK) Duas fases para os dois dígitos binários (180 o ) PSK Diferencial (DPSK) Mudança de fase faz referência a transmissão do bit anterior. Técnicas de Modulação Quadature PSK (QPSK) Cada elemento de sinal pode representar mais do que um bit. Ex.: Usa mudanças de fase de 90 o. Cada elemento pode representar dois bits. Pode usar 8 ângulos de fase e ter mais do que uma amplitude. Modems de 9600bps usam 12 ângulos, quatro dos quais tem duas amplitudes. 4

5 Técnicas de Modulação Modulação QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Usada na ADSL e em alguns padrões de redes wireless. Combina ASK e PSK, mantendo sua frequência constante. Pode ser considerada uma extensão da QPSK. Tem-se uma constelação de pontos de modulação possíveis. Dados Analógicos Sinais Digitais Em uma operação semelhante ao que é feito pelo modem, dados analógicos podem ser representados por sinais digitais. O dispositivo que faz essa função é um codec (codificador/decodificador). pega um sinal analógico, que representa dados de voz, e transforma esse sinal em um fluxo de bits. No receptor, o fluxo de bits é usado para reconstruir os dados analógicos Digitalização de Dados Analógicos 5

6 PCM PCM (Pulse Code Modulation) É baseada no teorema de Nyquist assegura que uma taxa de amostragem de 2W vezes por segundo é suficiente para recuperar o sinal com banda passante W Hz. Utilizando uma taxa de amostragem maior ou igual a 2W, o sinal original deve ser amostrado e, a cada amostra, deve-se associar um valor proporcional à amplitude do sinal naquele ponto. PCM Esse processo é conhecido como PAM (Pulse Amplitude Modulation). A partir dos pulsos PAM, pode-se produzir os pulsos PCM através de um processo conhecido como quantização, onde cada amostra PAM é aproximada a um inteiro de n bits. A saída PCM corresponde ao resultado dessa quantização. PCM 6

7 PCM Conversão Digital Digital Três tipos mais simples são: unipolar polar bipolar Unipolar É o mais simples e mais primitivo. Já está quase obsoleto. Usa somente uma polaridade. Essa polaridade é assumida para um dos estados binários, geralmente o 1. O outro estado, geralmente o 0, é representado pela voltagem 0. Amplitude tempo 7

8 Polar Usa dois níveis de voltagens: um positivo e outro negativo. Polar NRZ RZ Bifase NRZ-L NRZ-I Manchester Manchester Diferencial Polar NRZ (NonReturn to Zero): o nível do sinal é sempre positivo ou negativo. NRZ-L: o nível do sinal depende do tipo de bit que ele representa. Uma voltagem positiva geralmente significa que o bit é 0 e uma negativa significa o bit 1 (ou vice-versa). NRZ-I: Uma inversão no nível de voltagem representa um bit 1. Ele é a transição entre uma voltagem positiva e uma negativa. Um bit 0 é representado sem mudança. Polar O NRZ-I é superior ao NRZ-L devido a sincronização fornecida pela troca de sinal cada vez que um bit 1 é encontrado. Uma string de 0s ainda pode causar problemas. 8

9 Polar RZ (Return to Zero): usa três valores: positivo, negativo e zero. O sinal não troca entre bits, mas durante cada bit. Como NRZ-L, uma voltagem positiva significa 1 e uma voltagem negativa significa 0. Mas, na metade do caminho, o sinal retorna para o zero. Um bit 1 é representado por positivo-para-zero e o 0 por negativo-para-zero. Polar Desvantagem: requer duas trocas de sinal Amplitude Polar Bifase: melhor solução para o problema de sincronização. Neste método, o sinal troca no meio do intervalo do bit, mas não retorna para zero. Manchester: uma transição negativa-para-positiva representa o 1 binário e uma transição positiva-para-negativa representa o 0. Alcança o mesmo nível de sincronização que a RZ, mas com somente dois níveis de amplitude. Manchester Diferencial: a inversão no meio do bit é usada para sincronização, mas a presença ou ausência de uma transição adicional no início do intervalo é usada para identificar o bit. Uma transição significa o 0 e sem transição significa o 1. Requer duas trocas de sinal para representar o 0 e somente uma para representar o 1. 9

10 Polar Manchester t Manchester Diferencial Bipolar É como a RZ, usa três níveis de voltagens: positivo, negativo e zero. Diferente da RZ, o nível 0 é usado para representar o binário 0. O 1 é representado pelas voltagens positivas e negativas. Se o primeiro bit 1 é representado pela amplitude positiva, o segundo será representado pela negativa, o terceiro pela positiva e assim por diante. Isso ocorre mesmo quando os bits 1s não são consecutivos. Bipolar AMI (Alternate Mark Inversion): é o tipo mais simples de codificação bipolar. Mark vem do telégrafo e significa 1, isto é, inversão de 1 alternado. Um neutro, voltagem zero, significa o 0. O 1 binário é representado pelas voltagens positiva e negativa. Uma variação é chamada de Pseudo-ternário, na qual o 0 alterna entre voltagens negativas e positivas. 10

11 Bipolar Meios físicos Alguns fatores que podem ser levados em consideração na escolha do meio físico: taxas de transmissão facilidade de instalação imunidade a ruídos confiabilidade custo total Pares Metálicos Cabo coaxial Par Trançado Condutores Óticos Fibra Rádio Microondas Satélites Infravermelho Meios Físicos 11

12 Cabo Coaxial Meios físicos Consiste em um condutor de cobre central, uma camada de isolamento flexível (dielétrico), uma blindagem com uma malha ou trança metálica e uma cobertura externa Capa Plástica Protetora 2 Camada Condutora 3 Camada Isolante 4 Fio de Cobre Meios físicos Meios físicos 12

13 Meios físicos Par Trançado Consiste de pares fios de cobre enrolados de forma helicoidal reduz a interferência elétrica entre dois pares de fios. Meios físicos Existem dois tipos de par trançado: STP (Shielded Twisted Pair) - cabo com blindagem Meios físicos UTP (Unshielded Twisted Pair) - cabo sem blindagem 13

14 Meios físicos Cabos UTP são divididos em 5 categorias de acordo com a capacidades de utilização, calibre do fio, cobertura. Referência (banda passante) Impedância Aplicações (Telefonia e Dados) EIA/TIA Cat Ohms Telefonia analógica 4KHz Telefonia digital 64KHz EIA/TIA Cat. 2 (até 1 MHz) 100 Ohms ISDN Dados IBM 3270, AS 400 EIA/TIA Cat. 3 (até 16 MHz) EIA/TIA Cat. 4 (até 20 MHz) EIA/TIA Cat. 5 (até 100 MHz) 100 Ohms IEEE 10BaseT Token Ring 4 Mbit/s 100 Ohms IEEE 10BaseT Token Ring 4 e 16 Mbit/s 100 Ohms IEEE 10BaseT e 100BaseT Token Ring 4 e 16 Mbit/s Meios físicos Meios físicos Fibra Ótica Composta basicamente de material dielétrico, seguindo uma longa estrutura cilíndrica, transparente e flexível, de dimensões microscópicas. 14

15 Meios físicos Existem três tipos de fibras: multimodo com índice degrau multimodo com índice gradual monomodo Meios físicos Multimodo com índice degrau Diferentes índices de refração Meios físicos Multimodo com índice gradual 15

16 Meios físicos Monomodo evita vários caminhos de propagação da luz dentro do núcleo Vantagens: Meios físicos baixas perdas de transmissão e grande banda passante; pequeno tamanho e peso; imunidade a interferências; isolação elétrica; segurança do sinal; matéria-prima abundante. Desvantagens: fragilidade das fibras sem encapsulamento; dificuldade de conexão; configuração básica ponto a ponto. Nomenclatura 10Base2 10Base5 10BaseT 10Base FL sinalização em banda BASE 10 Mbps 10BASE5 500 m 16

17 Nomenclatura Nome Cabo Max. seg Nodos/seg Vantagens 10BASE5 Coaxial grosso 500 m 100 Bom para backbones 10BASE2 Coaxial fino 200 m 30 Sistema mais barato 10BASE-T Par trançado 100 m 1024 Fácil manutenção 10BASE-F Fibra ótica 2000 m 1024 Melhor entre prédios 10BASE5 Nomenclatura conexões através de vampire taps 10BASE2 conectores BNC formando junções T 10BASE-T utilização de hub conectores RJ-45 10BASE2 10BASE-T Espectro Eletromagnético 17

18 Espectro Eletromagnético Frequências 30MHz to 1GHz Omnidirectional Rádio em Broadcast 2GHz to 40GHz Microondas Altamente direcional Ponto a Ponto Satélite 3 x to 2 x Infravermelho Aplicação local Meio não guiado Transmissão e recepção via antena Direcional Visada direta Omnidirectional Sinal espalha-se em todas as direções Pode ser recebido por muitas antenas Rádio Produz ondas onidirecionais A propagação usual é para todas as direções O uso de antenas permite o direcionamento das ondas Pode usar ondas de freqüência baixa Ondas de freqüência baixa atravessam objetos e perdem muita potência com a distância Pode usar ondas de freqüência alta Ondas de freqüência alta tendem a ricochetear em objetos sólidos ao longo do caminho Uso em redes locais sem fio (Wireless LAN) 18

19 Microondas Terrestre Altas freqüências Direcional Problemas Períodos de precipitação intensa Desalinhamento das antenas Instalação 19

20 Tipos de Links Aplicações Telefonia celular Comunicações entre dois prédios 20

21 Satélite O Satélite é uma estação de relay O satélite recebe em uma freqüência amplifica ou repete o sinal e transmite em outra freqüência Para enviar informação sobre o planeta, giram em torno de seu próprio eixo (o que mantém seu equilíbrio), ao mesmo tempo que "varrem" a superfície da Terra. Usado para Televisão Telefonia de longa distância Redes Privadas Satélites geoestacionários São satélites colocados em órbita sobre o equador de tal forma que o satélite tenha um período de rotação igual ao do planeta Terra. As estações terrestres utilizam antenas fixas, que apresentam um pequeno custo de operação e manutenção em relação às móveis. A uma altitude de km, o período de deslocamento com vel. de km/h é igual a 24 horas e está girando com a mesma velocidade angular que a Terra. A União Internacional de Telecomunicações (UIT) dividiu o espaço geoestacionário em 180 posições orbitais, cada uma separada da outra de um ângulo de 2. 21

22 Satélites não geoestacionários São satélites colocados em órbita circular com a terra, onde: velocidade de rotação do satélite velocidade de rotação da terra As estações terrestres utilizam antenas móveis, com custos de operação e manutenção maiores em relação às fixas Um satélite a 800 km de altitude se desloca com uma velocidade de km/h, completando uma órbita em 100 minutos. Frequências BANDA C Espectro de freqüência segundo o IEEE GHz até 6.2 GHz. Espectro de freqüência comercial utilizado - 3.7GHz até 6.425GHz. É utilizado um sinal de freqüência 6GHz para comunicação no sentido terra -> satélite e 4GHz no sentido satélite -> terra. BANDA KU Espectro de freqüência segundo o IEEE GHz até GHz. Espectro de freqüência comercial utilizado GHz até 18GHz. É utilizado um sinal de freqüência 14GHz para comunicação no sentido terra -> satélite e 12GHz no sentido satélite -> terra Banda KU X Banda C Por operar em uma freqüência mais alta, a Banda KU não sofre interferência dos enlaces terrestres de microondas nas áreas metropolitanas. A banda C, por atuar em uma freqüência mais baixa, está sujeita a enfrentar problemas de interferências tanto climáticas quanto do excesso de tráfego. Internacionalmente, a banda mais popular é a banda Ku, pois permite cursar tráfego com antenas menores que as de banda C, devido ao fato das suas freqüências serem mais altas. Devido ao mesmo fato, a transmissão em banda Ku é mais suscetível a interrupções causadas pela chuva. Dessa forma a banda C é mais popular em países tropicais. 22

23 Vantagens do uso de satélites Grande largura de banda disponível Cobertura de grandes áreas Todos os usuários têm as mesmas possibilidades de acesso Facilidade de utilização em comunicações móveis Superação de obstáculos naturais Desvantagens do uso de satélites Alto investimento inicial Pequena vida útil Aspectos institucionais, legais e regulamentais Dificuldades e alto custo de manuntenção Infravermelho Uso facilitado por projeto fácil e custo baixo Apresentam curto alcance São razoavelmente unidirecionais, com pouca abertura Problemas Espectro compartilhado com a luz do Sol Interferência de luz fluorescente Não atravessa objetos opacos Vantagens Segurança Não interferência entre redes em salas diferentes 23