Sistema de Transmissão. 1º. Semestre 2017

Transcrição

1 Sistema de Transmissão 1º. Semestre 2017

2 1. CONCEITOS INTRODUTÓRIOS

3 1.1. História das Telecomunicações

4 1685 Experiências de AMPÈRE e de OERSTED 1744 Telégrafo de LHOMOND 1800 Telégrafos de GAUSS e de Lord KELVIN 1844 Telégrafo de MORSE 1868 MAXWELL escreve o tratado de eletromagnetismo 1875 Telefone de GRAHAM BELL 1905 HERTZ comprova a existência dos fenômenos eletromagnéticos 1915 Inaugurada a rádio-difusão 1920 surge a eletrônica 1927 É sugerido o conceito de televisão 1930 surge a técnica de multiplexação 1930 a telefonia alcança dimensões intercontinentais

5 1945 CLARKE sugere a comunicação via satélite 1947 Os sistemas de micro-ondas permitem comunicação interurbana de alta capacidade 1947 É inaugurada a televisão preto-e-branco 1947 É sugerido o conceito de telefonia celular 1958 É lançado o primeiro satélite artificial 1962 Inaugurada a TV a cores 1962 surgem os satélites de comunicação 1963 aparece o satélite geo-estacionário 1969 É criada a ARPANET 1970 Aparece a fibra óptica

6 1975 a INTERNET é desmembrada da ARPANET 1980 A tecnologia de comunicação por fibra óptica se torna realidade 1980 A tecnologia de telefonia celular é concretizada 1990 A web faz deslanchar a INTERNET 1990 Surge a 2ª geração de telefonia celular 2000 Os serviços de comunicação multimídia se popularizam 2017 fim das Transmissões de TV Analógica (BRASIL)

7 1.2. Importância das Telecomunicações

8 O homem gasta hoje cerca de 90% de seu tempo de vigília se comunicando A comunicação é feita com outros seres humanos, ou com máquinas (ex: PC, TV) ou com matéria escrita (ex: jornais, livros) Aproximadamente um décimo das informações recebidas vem de pontos distantes A sociedade humana deve todo o seu desenvolvimento à capacidade de comunicação Há uma grande necessidade de rapidez e transporte de informações em grandes volumes, numa sociedade dinâmica e competitiva como a a nossa

9 1.3. Mercado para Telecomunicações

10 2. CONCEITOS BÁSICOS

11 2.1. Comunicações e Telecomunicações

12 CONCEITO DE COMUNICAÇÃO A sociedade humana se desenvolveu graças à comunicação entre os homens. (a) ANTES FONTE DESTINATÁRIO Tem informação (b) DEPOIS Tem informação ) -)- ) Canal Voz A informação passou a ser um bem comum Não tem informação Precisa receber a informação Tem informação

13 FONTE E DESTINATÁRIO Fonte é a boca que fala ou o cérebro que pensa? Destinatário é o ouvido que escuta ou o cérebro que pensa? Não importa. Fonte e destinatário são fronteiras lógicas O que está antes da fonte não importa O que está depois do destinatário não interessa

14 MODELO DE SISTEMA DE COMUNICAÇÕES MODELAGEM BÁSICA PARA COMUNICAÇÃO INFORMAÇÃO SINAL FONTE CANAL DESTINATÁRIO O objetivo do sistema de comunicação é levar a informação da fonte até o destinatário. A informação é uma entidade abstrata. O sinal é o suporte físico que carrega a informação. A informação está associada com o padrão de variação do sinal.

15 OS BLOCOS DO MODELO A fonte é considerada como uma caixa preta. O destinatário é considerado como uma caixa preta. Quanto ao canal interessa estudar com detalhes o que há dentro da caixa e tudo o que nela se passa.

16 TELECOMUNICAÇÕES Problema: a comunicação por voz usa sinais acústicos, que se atenuam rapidamente. A 50m de distância uma pessoa não consegue falar com outra. Solução: converter o sinal acústico para elétrico. O sinal elétrico tem pouca atenuação e consegue ser amplificado. Sinal Acústico CONCEITO DE TELECOMUNICAÇÃO Sinal elétrico Sinal elétrico Sinal Acústico Aparelho Telefônico Sistema Telefônico Aparelho Telefônico TELECOMUNICAÇÕES: é a tecnologia que permite comunicação a distância.

17 Tipos de Informação a Serem Transmitidas

18 COMUNICAÇÃO HUMANA COMUNICAÇÃO HUMANA O homem pode receber informação pelos cinco sentidos, mas a tecnologia de telecomunicações só usa os sentidos de visão e audição a comunicação humana é áudio-visual O homem é um receptor inteligente e consegue extrair a informação mesmo de sinais contaminados A lógica humana é difusa A inteligência humana corrige erros no sinal recebido O homem exige respostas rápidas na comunicação O ser humano deseja comunicação em tempo quase-real

19 COMUNICAÇÃO ENTRE MÁQUINAS As máquinas foram construídas para trabalhar com sinais digitais e com códigos A lógica das máquinas é binária As máquinas se comunicam com dados O receptor da máquina é burro : exige a recepção de sinais bem formatados e tem dificuldade no trabalho quando erros contaminam o sinal recebido As máquinas toleram retardos mas não toleram erros

20 COMUNICAÇÃO HOMEM-MÁQUINA E MÁQUINA-HOMEM Quando o homem quer se comunicar com máquinas tem de enviar dados Quando a máquina precisa se comunicar com o homem tem de enviar sinais audíveis ou sinais visuais

21 Conceitos de Sistema

22 SISTEMA SISTEMA DE TELECOMUNICAÇÕES SISTEMA DE PROCESSAMENTO DE DADOS SISTEMA DE COMUNICAÇÃO DE DADOS SISTEMA DE TELEPROCESSAMENTO SISTEMA - É um conjunto de elementos, cada um com uma função bem definida, interligados entre si por um conjunto de relações de modo a formar um todo organizado, com a finalidade de atingir um certo objetivo, que nenhum componente por si só seria capaz de atingir.

23 TELECOMUNICAÇÕES X PROCESSAMENTO SISTEMA DE COMUNICAÇÃO INFORMAÇÃO SISTEMA DE PROCESSAMENTO INFORMAÇÃO Fonte Canal Destinatário Fonte Processador Usuário SISTEMA DE TELEPROCESSAMENTO INFORMAÇÃO Fonte Canal + Processamento Usuário

24 MODELO DE SISTEMA DE COMUNICAÇÕES COMUNICAÇÃO UNIDIRECIONAL INFORMAÇÃO SINAL FONTE CANAL DESTINATÁRIO O modelo clássico de sistema de comunicação é essencialmente unidirecional: da fonte para o destinatário.

25 COMUNICAÇÕES BIDIRECIONAIS: Canal X Circuito COMUNICAÇÃO BIDIRECIONAL Fonte Canal Destinatário Destinatário Terminal Canal Circuito Fonte Terminal T Circuito T É preciso montar dois canais, um para cada sentido

26 ANÁLISE DOS SINAIS DE COMUNICAÇÃO Domínio do Tempo A Domínio de Freqüência A Tempo Freqüência Variações do Tempo Conteúdo de Freqüências A análise de FOURIER permite passar de um domínio a outro

27 RELAÇÃO ENTRE O SINAL E O MEIO O sinal tem de atravessar o meio para chegar no destinatário FONTE CANAL DESTINATÁRIO Sinal Meio ESPECTRO DE UM SINAL faixa onde se encontra o conteúdo de frequência de um sinal. ESPECTRO DE UM MEIO faixa das frequências que atravessam o meio. Nem sempre o espectro do meio é compatível com o espectro do sinal, mas existem recursos para fazer as adaptações

28 SISTEMA DE COMUNICAÇÃO (2) COMUNICAÇÃO procedimento pelo qual se transfere a informação de uma fonte para um destinatário, de modo que esta informação passe a ser um bem comum. FONTE entidade que dispõe de uma informação e está preparada para enviá-la. DESTINATÁRIO entidade que precisa de uma informação e está preparada para recebê-la.

29 SISTEMA DE COMUNICAÇÃO (3) INFORMAÇÃO entidade abstrata: é o que se deseja comunicar. SINAL suporte físico que carrega a informação. A informação está associada com o padrão de variação do sinal. CANAL meio que separa a fonte do destinatário e pelo qual segue o sinal portador de informação.

30 SISTEMA DE TELECOMUNICAÇÃO (1) Terminologia TELECOMUNICAÇÃO tecnologia que permite comunicação a distância. TRANSDUTOR componente que faz a conversão da forma de energia original para energia elétrica (ou vice-versa). Sinal Original Sinal Tx Sinal Rx Sinal Original FONTE EMISSOR MEIO RECEPTO R DESTINO RUÍDO Canal de Telecomunicações

31 SISTEMA DE TELECOMUNICAÇÃO (2) TRANSMISSOR - componente que faz as adaptações do sinal entrante no canal para introdução no meio. MEIO elemento físico que cobre a distância entre o transmissor e o receptor. RECEPTOR componente que faz as adaptações do sinal extraído do meio para uma saída conveniente ao destinatário. RUIDO fonte de energia espúria, que se introduz no meio e afeta a qualidade da comunicação. DISTORÇÃO - imperfeições do meio, que prejudicam o formato do sinal que se comunica pelo meio.

32 CLASSIFICAÇÃO D.1) LARGURA DE BANDA BW - BandWidth Hz, KHz, MHz, GHz Largura de faixa Banda Espaço em Hz 3,1KH z Canal de voz - BW = 3,1 KHz 20KH z Canal de áudio - BW = 20 KHz 4,2MH z Canal de vídeo - BW = 4,2MHz

33 A VOZ HUMANA E OUVIDO HUMANO INFORMAÇÃO SINAL (VOZ HUMANA) FONTE DESTINATÁRIO Faixa de Frequência 20 Hz Hz MEIO FÍSICO Faixa de Maior Energia 100 Hz Hz Faixa de maior Inteligibilidade 1500Hz Hz Faixa de Frequência 16 Hz Hz

34 FAIXA DE FREQUÊNCIAS 20 Hz 100 Hz LIMITES DA VOZ HUMANA 300 Hz Hz FAIXA DE FREQ. USADA PARA TELEFONIA Hz Hz

35 Comunicação de Dados Quando nos comunicamos, estamos compartilhando informações. Esse compartilhamento pode ser local ou remoto. Entre indivíduos, a comunicação local se dá normalmente frente a frente, ao passo que a comunicação remota ocorre a distância. O termo Telecomunicações significa comunicações a distância. A palavra dados se refere a informações apresentadas em qualquer forma que seja acordada entre as partes que criam e usam os dados.

36 Comunicação de Dados São trocas de dados entre dois dispositivos por intermédio de algum tipo de meio de tx. Para que as comunicações de dados ocorram, os dispositivos de comunicação devem fazer parte de um sistema de comunicações, composto por uma combinação de hardware e software.

37 Eficácia A eficácia de um sistema de comunicações depende de quatro características fundamentais: entrega, precisão, sincronização e jitter.

38 Entrega O sistema deve entregar dados no destino correto. Os dados tem de ser recebidos pelo dispositivo ou usuário pretendido e apenas por esse dispositivo ou usuário.

39 Precisão O sistema deve entregar os dados de forma precisa. Dados que foram alterados na transmissão e deixados sem correção são inúteis.

40 Sincronização O sistema deve entregar dados no momento certo. Dados entregues com atrasos são inúteis. No caso de áudio e vídeo, a entrega em tempo significa fornecer os dados à medida que eles são produzidos e sem atrasos consideráveis. Esse tipo de entrega é denominada Transmissão em tempo real.

41 Jitter Refere-se à variação no tempo de chegada dos pacotes. É o atraso desigual na entrega de pacotes de áudio e vídeo. Suponhamos, por exemplo, que pacotes de vídeo sejam enviados a cada 30 min. Se alguns desses pacotes chegarem com atraso de 30 min. e outros com atraso de 40 min., o resultado será uma qualidade de vídeo irregular.

42 Componentes Um sistema de comunicação de dados é formado por cinco componente:

43 Os Cinco componentes da Comunicação de dados

44 1 - Mensagem As mensagens são as informações (dados) a serem transmitidas. Entre as formas populares de informação, temos: texto, números, figuras, áudio e vídeo.

45 2 - Emissor O Emissor (sender) é o dispositivo que envia a mensagem de dados. Pode ser um computador, estação de trabalho, aparelho telefônico, televisão e assim por diante.

46 3 - Receptor O Receptor (receiver) é o dispositivo que recebe a mensagem. Pode ser um computador, estação de trabalho, aparelho telefônico, televisão e assim por diante.

47 4 Meio de Transmissão (Canal) O meio de transmissão é o caminho físico pelo qual uma mensagem trafega do emissor ao receptor. Alguns exemplos de meio de tx são: cabo par trançado, cabo coaxial, fibra óptica e ondas de rádio.

48 5 Protocolo O protocolo é um conjunto de regras que controla a comunicação de dados. Representa um acordo entre os dispositivos de comunicação. Sem um protocolo, dois dispositivos podem estar conectados, mas sem se comunicar.

49 Conceito de protocolo Conjunto de regras e formatos que determinam o comportamento de comunicação das entidades É a definição das funções que a Rede e seus componentes devem realizar As funções são divididas em Níveis ou Camadas Cada Nível é responsável por conjunto de funções a serem realizadas A divisão em Níveis permite o entendimento, a síntese e a implementação das Redes de Computadores Cada Camada fornece à Camada superior serviços específicos e o suporte necessário para a transferência das informações Camadas de mesmo Nível se comunicam através de Protocolos

50 Principais Funções de um Protocolo Endereçamento Estabelecimento de Conexão Confirmação de Recebimento Retransmissão Conversão de Código Numeração e Seqüência Controle de Fluxo Controle de Erro

51 Representação de Dados As informações de hoje são transmitidas por diversas formas, tais como por texto, números, imagens, áudio e vídeo.

52 Texto Em comunicação de dados, o texto é representado como um padrão de bits, uma sequência de bits (0s ou 1s). Os diferentes padrões de bits foram elaborados para representar símbolos de texto. Cada conjunto é chamado de código e o processo de representação de símbolos é denominado codificação.

53 Códigos Eu Falo Você Escuta Você Entende Por que? Nós estamos usando a mesma linguagem Eu Transmito a Informação Você recebe a Informação As máquinas por sua vez, também necessitam de uma Linguagem comum para se comunicar Linguagem: Um grupo definido de caracteres ou símbolos representativos combinados segundo regras específicas para que possa existir uma única interpretação

54 Caracter / Byte A informação a ser transmitida é montada através de um agrupamento de Bits denominado de caracter, o conjunto de regras que define esse agrupamento é chamado de código. Para transmitir o Caracter A Código BAUDOT Código ASCII Código EBCDIC

55 CARACTERES Quanto aos caracteres, podemos dividi-los em três grupos: Alfabético : A, B, C, D,... Numérico : 0, 1, 2, 3,... Símbolos Especiais :?! / \... A regra específica para interpretação caracteriza um código. Por exemplo: Código de 5 Bits: Letra A Código de 8 Bits: Letra A

56 Quantidade de Bits usados Quantidade de combinações Quantidade de caracteres que o código admite Código N o de bits Caracteres CCITT n o 2 (Baudot) 5 32 BCD 6 64 EBCDIC ASCII 7/8 128/256 CCITT n o

57 Números Os números também são representados por padrões de bits. Entretanto, um código como ASCII não é usado para representar números; o número é convertido diretamente em binário para simplificar as operações matemáticas.

58 Imagens As Imagens também são representados por padrões de bits. Em sua forma mais simples, uma imagem é composta por uma matriz de pixels, em que cada pixel é um pequeno ponto.

59 Áudio Áudio se refere ao registro ou transmissão (difusão) de som ou música. O áudio é, por natureza diferente de texto, números ou imagens. Ele é contínuo, não discreto.

60 Vídeo Vídeo se refere ao registro ou transmissão (difusão) de uma imagem ou filme. O vídeo pode ser uma combinação de imagens, cada uma delas uma entidade discreta, dispostas para transmitir a idéia de movimento.

61 Fluxo de Transmissão A Comunicação entre dois dispositivos pode ser simplex, half-duplex ou fullduplex, conforme mostrada na figura seguinte.

62 Fluxo de dados

63 CLASSIFICAÇÃO I) POR DIRECIONALIDADE SIMPLEX A B HALF DUPLEX A B FULL DUPLEX A B MULTI-CAMINHOS A B C D

64 Simplex No modo simplex, a comunicação é unidirecional. Apenas um dos dois dispositivos de um link pode transmitir; o outro pode apenas receber.

65 Half duplex No modo half duplex, cada estação pode transmitir, assim como receber, mas não ao mesmo tempo. Quando um dispositivo está transmitindo, o outro pode apenas receber e vice-versa.

66 Full duplex No modo full duplex, é como uma via de mão dupla com tráfego fluindo em ambas as direções ao mesmo tempo.

67 QUANTO AO TIPO DE SINAL ANALÓGICO - Sinais contínuos no tempo DIGITAL - Sinais discretos discreto em níveis 0 discreto no tempo

68 QUANTO AO MECANISMO DE TRANSPORTE DOS SINAIS Propagação guiada (confinada em meios físicos) Pares metálicos Cabos de pares Cabo coaxial Fibra óptica Propagação irradiada (pelo espaço) Rádio terrestre Rádio via satélite

69 1.7 Taxa de Transmissão

70 CONCEITO DE TAXA DE TRANSMISSÃO Na comunicação digital, a característica essencial do sinal que se comunica é a quantidade de elementos binários portadores de informação transmitidos por unidade de tempo, ou seja, a taxa de transmissão em bit/s. tempo R b - Taxa de Bit (Bit Rate) bit/ s, Kbit/s, Mbit/s, Gbit/s Velocidade de transmissão Quantidade de bits / unidade de tempo Kilobitagem Ex.: Modem de linha 28,8Kbps / 33,6Kbps / 56Kbps.

71 Conversão Analógica Digital A técnica mais comum para converter sinais analógicos em dados digitais (digitalização) é denominada de PCM ( modulação por código de pulso, do inglês Pulse Code Modulation). Um codificador PCM possui três processos conforme figura seguinte:

72 Componentes de um codificador PCM

73 Passos: 1. O sinal analógico é amostrado. 2. O sinal amostrado é quantizado 3. Os valores quantizados são codificados.

74 Amostragem A primeira etapa no PCM é a Amostragem. O sinal analógico é amostrado a T S segundos, em que T S é o intervalo ou período de amostragem. O inverso do intervalo de amostragem é denominado taxa ou freqüência de amostragem e é representado por f S, em que f S =1/T S. Existem três métodos de amostragem: Ideal, Natural e Amostragem e Retenção.

75 Na amostragem ideal, os pulsos do sinal analógico são amostrados em intervalos de T S segundos. Trata-se de um método ideal que não é de fácil implementação. Na amostragem natural, uma chave de alta velocidade é ativada somente no pequeno período de amostragem. O resultado é uma sequência de amostras que retenha o formato do sinal analógico.

76 Entretanto, o método de amostragem mais comum é chamado amostragem e retenção (sample & Hold). O processo de amostragem é, algumas vezes, conhecido como PAM (modulação por amplitude de pulso). Precisamos, porém, nos lembrar que o resultado da amostragem ainda é um sinal analógico com valores não inteiros.

77 Taxa de amostragem De acordo com o teorema de Nyquist, para reproduzir um sinal analógico original, uma condição necessária é que a taxa de amostragem seja pelo menos o dobro da freqüência mais elevada contida no sinal original.

78 Quantização O resultado da amostragem é uma série de pulsos com valores de amplitude que se encontram entre as amplitudes máxima e mínima do sinal. O conjunto de amplitudes pode ser infinito, com valores não inteiros entre os dois limites. Esses valores não podem ser usados no processo de codificação. A seguir listamos os passos do processo de quantização:

79 1. Supondo que o sinal analógico original tenha amplitude instantâneas entre V e V 2. Dividimos o Intervalo em L zonas, cada uma delas com altura. Vmax Vmin L 3. Atribuímos valores quantizados de 0 a (L-1) ao ponto médio de cada zona. 4. Aproximamos o valor da amplitude amostrada com os valores quantizados. min max

80

81 O erro de quantização muda a relação SNR do sinal, que por sua vez, reduz a capacidade limite superior de acordo com Shannon. Pode ser provado que a contribuição do erro de quantização para a SNR db do sinal depende do número de níveis de quantização L ou o número de bits por amostra n b. SNR db 6,02n 1,76 [ db] b

82 Quantização linear versus não linear Para muitas aplicações, a distribuição das amplitudes instantâneas no sinal analógico não é uniforme. Mudança na amplitude normalmente ocorrem mais frequentemente nas amplitudes mais baixas que naquelas mais altas. Para esses tipos de aplicações é melhor usar zonas não uniformes.

83 A quantização não uniforme também pode ser obtida usando-se um processo chamado compressão-expansão e expansão. O sinal comprimido-expandido no emissor antes da conversão; ele é expandido no receptor após a conversão. Compressão-expansão significa reduzir a amplitude da voltagem instantânea para valores maiores; expansão é o processo oposto. Esse processo da maior peso a sinais fortes e menos peso aos sinais fracos.

84 Codificação A última etapa é a codificação. Após cada amostra ter sido quantizada e o número de bits por amostra ser decidido, cada amostra pode ser modificada para uma palavra de código de n b bits. Taxa de bits = freq. Amostragem x n b n b = log 2 L

85 e m (t) 0 T s 2T s 3T s t

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87 Pulso Code Modulation PCM A modulação por codificação de pulso é um Sinal Analógico Sample & Hold Quantizador 111 Codificador & Modulador e m (t) e m (t) e m (t) e m (t) T s 2T s 3T s t 0 T s 2T s 3T s t 0 T s 2T s 3T s t 0 T s 2T s 3T s t Sinal Analógico Filtro Passa-Baixa Quantizador Decod. & Demod.

88 Pulso Code Modulation PCM A modulação por codificação de pulso consiste basicamente em transformar um sinal analógico em digital (conversão A/D), permitindo representar a informação contida no sinal analógico por uma sequência de bits Para obtenção do sinal digital, a técnica PCM pode ser dividida nas seguintes etapas: Amostragem Amostragem do sinal analógico a uma taxa maior que a de Nyquist Quantização Quantização das amostras ( round-off arredondamento) Codificação Representação das amostras quantizadas em seqüências de símbolos binários

89 PCM Vantagens Pode ser empregado para diversos tipos diferentes de fontes analógicas (áudio, vídeo, etc) Pode-se combinar fontes analógicas com digitais e transmití-las em redes de altas velocidades PCM pode utilizar repetidores para melhorar a SNR em transmissões de longa distância (Regeneração) Desempenho superior dos sistemas digitais em relação ao ruído (codificação da fonte e canal, etc) Armazenamento digital da informação Aplicação em sistemas de hierarquia (SDH, PDH, etc) Relativamente barato

90 Note De Acordo com o Teorema de Nyquist, a taxa de amostragem deve ser pelo menos o dobro da frequência mais elevada contida no sinal. fa 2 fs Fa frequência de amostragem Fs máxima frequência do sinal

91 Exemplo intuitivo do teorema de Nyquist.