Fund. De Redes. Meios de Transmissão

Transcrição

1 Fund. De Redes Meios de Transmissão

2 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

3 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)

4 Espectro Eletromagnético

5 Espectro Eletromagnético

6 Meios Direcionados

7 Par Trançado 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

8 Par Trançado - Aplicações 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: conector RJ-45

9 Par Trançado - Prós e Contras 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

10 Par trançado - Tipos Unshielded 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.

11 Par trançado - Categorias UTP Categoria Impedância Tipo de Cabo EIA/TIA Ohms UTP EIA/TIA 2 (até 1MHz) EIA/TIA 3 (até 16MHz) EIA/TIA 4 (até 20Mhz) EIA/TIA 5 (até 100MHz) Nível 6 Nível Ohms UTP 100 Ohms UTP, STP 100 Ohms UTP, STP 100 Ohms UTP, STP UTP, STP UTP, STP Aplicação (telefonia e dados) Telefonia analógica 4KHz Telefone digital 64KHz ISDN Dados IBM 3270, AS400 IEEE 10BaseT Token Ring 4Mbits/s IEEE 10BaseT Token Ring 4 e 16Mbits/s IEEE 10BaseT e IEEE 100BaseT Dados 155Mbps Dados 1000Mbps

12 Par trançado cabo direto e cruzado

13 Par trançado cabo direto e cruzado Figura 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).

14 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)

15 Cabo coaxial (coax)

16 Cabo coaxial - Aplicações Utilização 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

17 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

18 Fibra ótica

19 Fibra ótica - Atenuação

20 Fibra ótica - Modos de transmissão

21 Fibra ótica - frequências Wavelength (in vacuum) range (nm) Frequency range (THz) Band label Fiber type Application 820 to to 333 Multimode LAN 1280 to to 222 S Single mode Various 1528 to to 192 C Single mode WDM 1561 to to 192 L Single mode WDM

22 Tamanhos da F.O.

23 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

24 Fibra ótica

25 Meios não-guiados (wireless)

26 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

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28 Rádio Omnidirecional Fácil de gerar Trafegam em longas distâncias Penetram facilmente em obstáculos em freqüências baixas Refletem em obstáculos em freqüências altas Ex: AM,FM

29 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

30 Microondas - Topologia

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32 Microondas (Terrestre) Distância máxima entre antenas: d = 7.14 Kh d = distância em quilômetros h = 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

33 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) Km da terra LEO (Low Earth Orbit) MEO (Medium Earth Orbit) Empregos: Televisão, telefonia de longa distância, redes privadas

34 Satélite - Ponto-a-Ponto

35 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: 36000Km A 36000Km B

36 Satélite - Broadcast

37 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

38 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

39 Digital e Analógico Dado Entidade que possui significado Sinal Representação eletromagnética do dado Transmissão Comunicação do dado pela propagação e processamento de sinais

40 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

41 Sinais Analógicos transportando dados analógicos e digitais

42 Sinais Digitais transportando dados analógicos e digitais

43 Conversão da Voz em Sinal Analógico

44 Conversão PC em Sinal Digital

45 Teorema de Nyquist 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

46 Capacidade do Canal - 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) C = 2W log2(m)

47 Níveis de Sinalização 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) bits/m = log2 M Um canal com 8 níveis de sinalização é capaz de representar log2(8) = 3bits codificados por nível

48 Capacidade do canal de voz (Nyquist) Canal telefônico (W) = 3100Hz C = 2W log2 (M) M Capacidade (bps)

49 Taxa de sinalização e transmissão 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

50 Capacidade do canal (Shannon) 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)

51 Capacidade do canal de voz (Shannon) Exemplo: linha telefônica Canal de 3100Hz S/N = 30dB (razão 1000) x = 10 log 10 (S/N) C = B log2 (1 + S/N) C = 3100 log2 ( ) C = 30898,40 bps 30 = 10 log 10 (S/N) 3 = log 10 (S/N) S/N = 10^3 = 1000

52 Exercícios 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 bps

53 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 P1 P2 Meio

54 db e potência do sinal Unidade relativa de medida utilizada usualmente em sistemas elétricos e eletrônicos para descrever ganho ou perda (atenuação) de potência NdB = 10log10(P2/P1) NdB = número de decibels P1 = nível de potência de entrada P2 = nível de potência de saída log10 = 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

55 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? 2) Calcule o ganho de um sinal cuja potência de entrada é de 100W e de saída é de 10000W. 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) 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?

56 Conceitos Básicos Informação representado por Sinais eletromagnéticos (voz, dados, imagem, vídeo) Analógicos Discretos (Digitais)

57 Terminologia Transmissão Simplex Unidirecional televisão Half-duplex Bidirecional alternadas no tempo rádio policial Full-duplex Ambas as direções ao mesmo tempo telefone

58 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 mais importante para o entendimento da transmissão de dados do sua representação no domínio tempo

59 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

60 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

61 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

62 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

63 Sinais Eletromagnéticos (DT) Periódicos Padrão se repete no tempo Ex: onde senóide Aperiódicos Padrão que não se repete no tempo Ex: conversação telefônica

64 Sinais Analógicos e Discretos

65 Sinais Periódicos contínuo discreto

66 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

67 Seno - Sinal Periódico Fundamental S(t) = A sin (2πft +φ) Amplitude Freqüência Fase

68 Alguns exemplos de Senóide

69 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

70 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.

71 Representação DF Representação de um sinal contínuo Representação de um sinal discreto

72 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) A Espectro sinal f A Largura de banda canal f A Transmissão f

73 Adição de Harmônicas

74 Adição de Harmônicas

75 Espectro da Voz

76 Espectro Acústico

77 Largura de Banda do Canal Telefônico 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)

78 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?