Nível Físico. Tipos de Sinal. Sinais. Utilização dos Meios Físicos. Sinal Analógico

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1 Graduação em Engenharia de Telecomunicações Nível Físico Utilização dos Meios Físicos Profa. Débora Christina Muchaluat aade br inal Analógico Variação Contínua Tipos de inal inais Qualquer sinal pode ser entendido como uma soma de ondas de diferentes freqüências e amplitudes. Análise de Fourier inal Digital Variação Discreta Intervalo de inalização Qualquer informação pode ser transmitida através de sinal analógico ou digital 4

2 Gráfico que mostra a contribuição de cada freqüência componente (harmônico) na construção do sinal resultante. Esta contribuição está intimamente relacionada à amplitude daquela componente. Exemplo: espectro de um sinal de voz Espectro de um inal 4 db Meio Físico Meio de propagação das ondas ou sinais transmitidos pares de condutores sinais codificados como diferenças de voltagem Característica física: atua como filtro de freqüências do sinal transmitido, que sofre uma perda em cada uma de suas componentes de maneira desigual 4 Hz 5 7 Efeito da Banda Passante Limitada do Meio.6. Distorção do sinal recebido devido ao diferente ganho aplicado às às diversas componentes do sinal. H ar inal Analógico Dependendo da largura da banda passante perda da qualidade impossibilidade de entendimento da informação no receptor inal Digital Dependendo da largura da banda passante erros na recepção da informação m ôn i c o s 8

3 H ar.6 H ar m ôn m ôn i c o s i c o s H ar m ôn i c o s H a r m ô n i co s

4 Na transmissão através de sinais digitais Recuperação do inal Digital não é necessário que se preserve o formato preciso do sinal original para que se possa receber corretamente as informações. Transmissor T Intervalos de sinalização Transmissão T Receptor Instantes de amostragem T inal recuperado 4 5 Exemplo Banda Passante Necessária inal Analógico Banda passante mínima exigida para o meio físico de forma a preservar uma determinada qualidade do sinal recebido. A banda passante necessária de um canal telefônico capaz de manter boa intelegibilidade dos interlocutores tem uma largura de aproximadamente Hz. Banda Passante Necessária inal Digital Qual será a banda passante mínima exigida para o meio físico que garanta a recuperação da informação original pelo receptor? 6 7

5 s(t) inal Digital A s(t) inal Digital A Num sinal digital, as freqüências mais significativas estão em torno das freqüências mais baixas -T/ T/ (f) AT -T/ T/ (f) AT -/T -/T /T /T -/T -/T /T /T inal Digital Taxa de Transmissão s(t) A -T/ T/ (f) AT Num sinal digital, as freqüências mais significativas estão em torno das freqüências mais baixas Quanto maior a freqüência, menor sua contribuição na composição do sinal digital Banda passante necessária aproximada Quanto Maior a Taxa de Transmissão Maior é a banda Passante Necessária Altas velocidades exigem banda larga Broadband s(t) A -T/ T/ (f) AT -/T -/T /T /T -/T -/T /T /T

6 Taxa de Transmissão Máxima Teorema de Nyquist: Na ausência de ruído, a capacidade máxima C de um canal (em bps) depende da sua largura de banda: C = W log L bps W = largura de banda L = número de níveis usados na codificação A Taxa de Transmissão Máxima é Limitada pela Presença de Ruídos Ruído A quantidade de ruído presente numa transmissão é medida em termos da razão entre a potência do sinal e a potência do ruído, denominada razão sinal-ruído. e representarmos a potência do sinal por e a potência do ruído por N, a razão sinal-ruído é dada por /N. É muito comum utilizar-se, ao invés desta razão diretamente, o valor log (/N). O resultado obtido é uma medida da razão sinal-ruído em uma unidade denominada decibel (db). Uma razão de corresponde a db; uma razão de corresponde db; uma razão de. corresponde a db e assim por diante. Taxa Máxima de Transmissão: : Lei de hannon O principal resultado de hannon (conhecido como a Lei de hannon) ) afirma que a capacidade máxima C de um canal (em bps) depende da largura de banda e da razão sinal-ruído Exemplo: Um canal de. Hz com uma razão sinal- ruído de db (parâmetros típicos de uma linha telefônica) não poderá, em hipótese alguma, transmitir a uma taxa maior do que aproximadamente. bps. C = W log ( + /N) Utilização da Banda Passante do Meio de Transmissão 4 4 Desperdício Configuração de um único canal por meio de transmissão Como melhorar a utilização do meio de transmissão? W: largura de banda; /N: razão sinal-ruído 5 6

7 Utilização da Banda Passante do Meio de Transmissão C C C Configuração de múltiplos canais por meio de transmissão 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 Tempo (Time Division Multiplexing - TDM) Multiplexação por Divisão do Comprimento de Onda (Wavelength Division Multiplexing - WDM) Multiplexação por Divisão de Código (Code Division Multiplexing) 7 8 Utilização da Banda Passante do Meio de Transmissão Multiplexação na Freqüência C C C Banda Passante do inal - 8 Mhz - 4 Mhz - 4 Mhz

8 Frequency Division Multiplexing inal de Voz inal de Voz inal de Voz Modulado Filtro Filtro 4 8 (a) The original bandwidths. (b) The bandwidths raised in frequency. (b) The multiplexed channel. Canal Canal 4 8 Multiplexação na freqüência com dois canais Transmissão FDM Transmissão FDM inal original inal original Banda passante necessária

9 Transmissão FDM Transmissão FDM inal original inal original Banda passante necessária Banda passante necessária Modulação Modulação Filtro Transmissão Transmissão FDM Transmissão FDM inal original inal original inal recebido Banda passante necessária Banda passante necessária Modulação Modulação Filtro Filtro Demodulação Filtro Demodulação Transmissão Transmissão

10 Modulação e Demodulação A modulação é uma transformação aplicada a um sinal que faz com que ele seja deslocado de sua faixa de freqüências original para uma outra faixa. A demodulação é uma transformação que é aplicada a um sinal previamente modulado e que faz com que ele seja deslocado de volta para a sua faixa de freqüências original. A modulação e demodulação permitem que sinais sejam adaptados para a transmissão em canais com características diferentes daquelas do sinal original. Por exemplo, sinais modulados em diferentes regiões do espectro podem ser simultaneamente transmitidos em um mesmo meio físico através da multiplexação por divisão de freqüência. T T Modulador Filtro R R Filtro Demodulador MODEM MODEM f f T T Modulador Filtro R R Filtro Demodulador 9 4 Técnicas de Modulação 4 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 m valor f, fazendo com que o sinal passe a ocupar uma nova região do espectro. ectro. Porém, a contribuição de cada componente não é alterada. O valor f é denominado de freqüência da onda portadora. As três técnicas básicas de modulação são denominadas de: Modulação por Amplitude (Amplitude Modulation - AM ), Modulação por Freqüência (Frequency Modulation - FM ) e Modulação por Fase (Phase Modulation - PM ). Quando o sinal original é um sinal digital, essas técnicas assumem denominações mais específicas: Modulação por Chaveamento da Amplitude (Amplitude hift Keying - AK). Modulação por Chaveamento da Freqüência (Frequency( hift Keying - FK). Modulação por Chaveamento de Fase (Phase( hift Keying - PK). (a) A binary signal (b) Amplitude modulation Modems 4 (c) Frequency modulation (d) Phase modulation

11 Wavelength Division Multiplexing Multiplexador x Acesso Múltiplo Multiplexação pode ser realizada de forma centralizada por um equipamento específico denominado de 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. Wavelength division multiplexing (WDM) Multiplexador e Demultiplexador MUX DEMUX Multiplexadores: equipamentos que centralizam as funções de modulação, filtragem e combinação dos sinais Exemplo para Comparação entre a Utilização de Multiplexadores e de Multiplexação Realizada por Meio de Acesso Múltiplo O FDMA (Frequency Division Multiple Access) é um exemplo de mecanismo de acesso múltiplo no qual o meio físico é multiplexado de forma análoga ao FDM. Porém, cada uma das fontes é diretamente responsável por requisitar, junto a um controlador do sistema, um canal a ser por ela utilizado, não existindo, portanto, a figura do multiplexador como um elemento centralizador da tarefa de multiplexação

12 FDMA Digitalização de inais 5 Digitalização de inais PCM - Pulse Code Modulation 5 4 Codificando cada nível com 4 bits: inal original Na recepção Pulsos PAM Pulsos PCM aída PCM

13 Taxa de Amostragem O teorema de Nyquist diz que, para se obter uma representação precisa de um sinal analógico,, a amplitude do mesmo deve ser amostrada à uma taxa igual ou superior a duas vezes a frequência da componente de mais alta frequência do sinal. A taxa de Nyquist é dada em Hz ou em amostras por segundo (sps) Amostragens abaixo da taxa de Nyquist introduzem componentes de frequência adicionais ao sinal, causando distorção definitiva no sinal original (alias signal). The Local Loop: Modems The use of both analog and digital transmissions for a computer to computer call. Conversion is done by the modems and codecs Acesso a Provedor Acesso a Provedor A/D D/A A/D Central Central Central Central MODEM D/A A/D MODEM D/A A/D A Conversão Analógico/Digital Gera um Ruído chamado Ruído de Quantização Linha Digital (T ou E, p. ex.) Não é possível mais do que kbps!! 58 59

14 Acesso a Provedor A/D Central Central Multiplexação no Tempo MODEM D/A A/D kbps ~56kbps 6 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). A B C D Multiplexação no Tempo Meio Físico 6 6

15 Multiplexação no Tempo Multiplexação no Tempo A A B B C Meio Físico C Meio Físico D Dados Banda Desperdiçada D Dados Banda Desperdiçada Multiplexação íncrona (TDM) (synchronous Time Division Multiplexing) A B C D A B C D Primeiro Ciclo T egundo Ciclo Multiplexação íncrona (TDM) (synchronous Time Division Multiplexing) Multiplexação Assíncrona ou Estatística (TDM) (tatistical Time Division Multiplexing) A B C D A B C D Primeiro Ciclo T A B B C egundo Ciclo Cabeçalho 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 é formado pelo terceiro slot dentro de cada ciclo. Canais de Comunicação Dedicado (ou permanente) x Chaveado Ponto-a-ponto x Multiponto 66 67

16 Multiplexador x Acesso Múltiplo A multiplexação pode ser realizada tanto de forma centralizada, por um equipamento específico denominado de 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 é comumente denominada de mecanismo de acesso múltiplo. Hierarquias de Transmissão Digital Em uma hierarquia de sinais digitais, os sinais de taxa mais alta são s o obtidos através s do cascateamento de multiplexadores, como ilustrado no exemplo da figura abaixo. MUX TDMA 68 7 Hierarquias de Transmissão Digital 7 Esquemas de hierarquias de transmissão têm sido utilizados em sistemas de telefonia digital, tendo passado por processos de padronização em várias entidades internacionais, sendo, hoje em dia, utilizados também na transmissão de dados. E.U.A e Europa definiram diferentes padrões para o sinal básico e para a forma de multiplexação na geração dos sinais de ordem mais alta. Enquanto a hierarquia americana está baseada no T,, a hierarquia européia (que é a adotada pelo padrão brasileiro) define a utilização de um sinal básico denominado E. Hierarquia de inais Digitais Norte-Americana 7 inal Digital Número de Canais de Voz Taxa de Transmissão D- D- D- D-4 4 MUX T MUX T MUX 7,544 Mbps 6, Mbps 44,76 Mbps 74,76 Mbps Inicialmente definido pela AT&T, tendo posteriormente se tornado o padrão utilizado para a transmissão digital de voz em sistemas telefônicos nos EUA. prevê a multiplexação síncrona no tempo,, de vinte e quatro canais de voz, a 64 Kbps cada, transportados em um sinal de,544 Mbps (denominado D- Digital ignal Level ). T

17 Time Division Multiplexing Time Division Multiplexing () Multiplexing T streams into higher carriers. The T carrier (.544 Mbps) Hierarquia Européia inal Digital Número de Canais de Voz Taxa de Transmissão Linhas Digitais E E E E4 48 9,48 Mbps 8,448 Mbps 4,68 Mbps 9,64 Mbps A/D Central Central O esquema E é oriundo do padrão o utilizado para a transmissão o de voz em sistemas telefônicos digitais na Europa e no Brasil canais de voz, a 64 Kbps cada, transportados em um sinal de,48 Mbps. MODEM D/A A/D Linha Digital E, p. ex

18 Linhas Digitais Diferentes Hierarquias de inais Digitais Nível EUA Europa Japão Equipamento De Modulação Digital Central Central 4,544 Mbps (D-) 6, Mbps (D-) 44,76 Mbps (D-) 74,76 Mbps (D-4),48 Mbps (E-) 8,448 Mbps (E-) 4,68 Mbps (E-) 9,64 Mbps (E-4),544 Mbps 6, Mbps,64 Mbps 97,78 Mbps RDI-FE Acesso básico (IDN-BRI) B+D Canal B = 64 kbps Canal D = 6 kbps Acesso Primário (IDN-PRI) E (B + D); T (B + D) 78 Canais B e D = 64 kbps Linha Digital 79 Unificação das Hierarquias DH Time Division Multiplexing (5) ONET and DH multiplex rates. 55,5 x N Mbps xn 55,5 Mbps x inal básico DH (TM-) x4 5,84 Mbps x7 6, Mbps x inal básico ONET (T-),544 Mbps,48 Mbps 8 8

19 Digital ubscriber Lines () Uma Visão de Outra olução para o Acesso Residencial: xdl Operation of ADL using discrete multitone modulation Digital ubscriber Lines () A typical ADL equipment configuration. Uma Visão de Outra olução para o Acesso Residencial: Cable Modem

20 Internet over Cable Cable television pectrum Allocation Frequency allocation in a typical cable TV system used for Internet access 5 Cable Modems Typical details of the upstream and downstream channels in North America. Graduação em Engenharia de Telecomunicações Multiplexação e Comutação Profa. Débora Christina Muchaluat aade deborams@telecom.uff.br br 6 7

21 Comutação Refere-se à alocação dos recursos da rede (meios de transmissão, repetidores, sistemas intermediários etc.) para a transmissão pelos diversos dispositivos conectados. Principais formas Comutação de circuitos Comutação de pacotes circuito virtual datagrama Fases Estabelecimento da Conexão (Roteamento) Transferência de Informação Desconexão Comutação de Circuitos Um Um caminho permanece dedicado entre entre origem e destino durante todo todo o tempo de de conexão 8 9 Comutação de Circuitos Chaveamento por divisão espacial (pace Division witching - D) cada nó fecha um circuito físico entre entrada e saída Chaveamento por divisão da freqüência (Frequency Division witching - FD) 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 witching - TD) 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 Endereçamento necessário apenas na conexão Retardo de transferência dos dados constante

22 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 AC Comutação de Pacotes AC AC A É necessário um cabeçalho em cada pacote para identificação de endereço de origem e de destino EB EB E B C D 4 9 Comutação de Pacotes Comutação de Pacotes B B EB EB A EB EB D AC A D Cada pacote pode ser roteado de forma independente É necessário armazenar temporariamente os pacotes em nós intermediários E AC C AC Os pacotes podem chegar fora de seqüência no destino E C AC AC AC

23 equenciação Comutação de Pacotes A E B EB EB C D Comutação de Pacotes - Características Mensagens divididas em pacotes Não há necessidade de estabelecimento de conexão Canal compartilhado Endereçamento necessário em todos os pacotes Retardo de transferência dos dados é uma variável aleatória AC AC AC Comutação de Pacotes - Características tore-and and-forward Pacotes são sempre aceitos para transmissão (possibilidade de congestionamento da rede) Melhor para tráfego em rajada Pior para tráfego contínuo Circuito Virtual x Datagrama Comutação de Pacotes - Circuito Virtual Estabelecimento de conexão Rota única determinada durante a conexão Cabeçalho necessário em cada pacote para identificação do circuito virtual eqüência de transmissão preservada

24 Comutação de Pacotes - Circuito Virtual Cabeçalho Dados T 4 Estabelecimento da Conexão Transmissão dos Pacotes Término da Conexão Comutação de Pacotes - Datagrama Cada pacote é roteado de forma independente Cabeçalho necessário em cada pacote para identificação de endereço de origem e destino Possibilidade dos pacotes chegarem fora de ordem no destino Comutação de Pacotes - Datagrama Packet witching Cabeçalho Dados Transmissão dos Pacotes 4 8 A comparison of circuit switched and packet-switched networks.