Fundamentos da Informática e comunicação de dados

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1 Fundamentos da informática e comunicação de dados Cursos de Tecnologias Aula 5 Transmissão de Dados Digitais Prof. Oswaldo Flório Filho Profª. Alice Flora Madeira Ribeiro Conteúdo 1. Transmissão de Dados Digitais Codificação do sinal digital... 4 Codificação AMI (Alternate Mark Inversion)... 5 Codificação HDB Codificação Miller MODOS DE TRANSMISSÃO DE DADOS... 7 Transmissão assíncrona... 7 Transmissão Síncrona Simplex... 9 Half duplex... 9 Full duplex... 9 Transmissão paralela Transmissão Serial Bibliografia Copyright fevereiro 2007 Todos os direitos reservados para Oswaldo Flório Filho Página 2

2 1. Transmissão de Dados Digitais Os sinais digitais são interpretados como uma onda quadrada com dois níveis de tensão. Sendo este sinal uma onda periódica pode ser decomposto, por meio da Série de Fourier, em um conjunto infinito de senóides com a onda fundamental e os seus respectivos harmônicos de ordem impar formam a onda quadrada. A figura abaixo apresenta um sinal quadrado e as senoides que o compõe até o 5º harmônico atenuadas podendo ser interpretado equivocadamente pelo receptor. Maior será a distorção quanto menor for a largura de banda. Para resolver este problema deve se adaptar o sinal digital aos tipos de degradação que os meios de transmissão oferecem. Neste sentido foram desenvolvidos equipamentos que transformam o sinal oriundo de um ETD (Equipamento de Transmissão de Dados) em uma forma possível de ser transmitida sem que ocorram danos graves ao sinal. Estes equipamentos são chamados de Modem. O modem é um equipamento bidirecional que, uma vez instalado nas duas extremidades de um canal de comunicação de dados, tem a função de adequar o sinal binário de um EDT às características da linha de transmissão. Esta adequação pode ser feita por modulação (modem analógico) ou por codificação (modem digital). O processo de modulação utilizados em comunicação de dados são FSK, PSK, DPSK e QAM e este é efetuado pelos chamados modems analógicos. Por sua vez o processo de codificação é efetuado pelos modems digitais também chamados de Modem Banda Base ou Data Set. Considerando-se que a faixa de freqüência disponível é limitada e que o sinal digital codificado sofre bastante distorção na propagação pelo meio, o uso dos modems digitais é adequado para pequenas distâncias (alguns quilômetros) e com linhas de boa qualidade. 2. Codificação do sinal digital As diversas técnicas de codificação do sinal digital buscam gerar um sinal codificado com muitas transições de forma a facilitar a recuperação do sincronismo do modem receptor. Além disto, procura-se concentrar o espectro de transmissão do sinal dentro de uma faixa de freqüência com poucas componentes DC. (BRIJENDRA, 2006) Desta forma, para que o sinal digital fosse recebido sem distorção seria necessário o uso de um meio de transmissão com largura de banda infinita. No processo de transmissão digital deveríamos ter um meio de transmissão cuja largura de banda fosse infinita. As técnicas mais comuns de codificação do sinal digital são: Codificação AMI Codificação HDB-3 Codificação Miller Uma vez que os meios de comunicação utilizados (linhas telefônicas, sistemas de rádio e microondas) foram projetados para trabalhar na faixa de 15Hz a 15kHz a introdução direta do sinal digital neste meio resultaria na distorção do mesmo no qual as transições estariam Copyright fevereiro 2007 Todos os direitos reservados para Oswaldo Flório Filho Página 3 Copyright fevereiro 2007 Todos os direitos reservados para Oswaldo Flório Filho Página 4

3 Codificação AMI (Alternate Mark Inversion) A codificação AMI utiliza o método bipolar onde o sinal de nível 1 muda de valor a cada aparição. Ele apresenta três níveis de sinal (+, 0, ) para a codificação da informação binária. O bit 0 é representado pelo nível 0 (nulo) e o bit 1 corresponde a pulsos retangulares com metade da duração do digito e com polaridade alternada. A figura abaixo apresenta este tipo de codificação. (BRIJENDRA, 2006) polarização oposta à polaridade da violação anterior, será transmitida a seqüência 000V. Para o caso em que o último seja uma violação ou tenha polaridade idêntica à polaridade a violação anterior, será transmitido a seqüência V00V. A escolha entre 000V e V00V estabelece que violações sucessivas sejam de polaridades opostas garantindo, desta forma, a inexistência de um sinal na linha. A figura abaixo apresenta um conjunto de dados com a codificação HDB 3 Esta alternância de valores garante a ausência de um nível DC no sinal codificado. Por outro lado, uma seqüência longa de bits 0 faz com que ocorra um tempo prolongado de ausência de transições na linha o que dificulta a obtenção de sincronismo. Codificação HDB 3 Para garantir que ocorra um número mínimo de transições no sinal codificado é necessário limitar as longas seqüências de níveis 0 no sinal. Isto pode ser obtido violando se a regra bipolar (polaridade alternada para os bits 1 ) por meio da codificação HDB 3 (High Density Bipolar With 3 zero maximum tolerance prior to zero substitution código com alta densidade de pulsos). (BRIJENDRA, 2006) Este tipo de codificação analisa o sinal a ser transmitido e a cada ocorrência de uma seqüência de 0 de quatro zeros a ser transmitidos é substituída por uma seqüência padronizada. A identificação desta seqüência é executada por meio da violação da regra de polaridade uma vez que um pulso com a mesma polaridade do pulso anterior é enviado. No HDB 3, os quatro zeros consecutivos são substituídos pela seqüência 000V ou V00V onde V é a violação,. Caso o último pulso transmitido não seja uma violação e tenha No instante da recepção o decodificador deve verificar a violação AMI e posteriormente o número de zeros que precede esta violação para poder determinar se o último pulso transmitido é também uma violação. Isto é executado da seguinte forma: se na recepção for identificado dois pulsos com mesma polaridade separados por três zeros o segundo pulso é violação e deve ser eliminado; se na recepção houver dois pulsos com mesma polaridade separados por dois zeros, ambos são violações e devem ser eliminados. Codificação Miller Esta codificação, também conhecida como modulação por retardo de fase ou FM modificada, ocorre da seguinte forma: para o bit '1', realiza se uma transição no meio do intervalo significativo do bit, para o bit '0' realiza se a uma transição no fim do intervalo significativo do bit, se o próximo bit for '0'; caso o próximo bit seja '1', nenhuma transição é realizada no final do seu intervalo significativo. Copyright fevereiro 2007 Todos os direitos reservados para Oswaldo Flório Filho Página 5 Copyright fevereiro 2007 Todos os direitos reservados para Oswaldo Flório Filho Página 6

4 estabelecida a chegada do star bit são contados os número de bits do frame e identifica se o bit de finalização do frame (stop bit) que deve vir no nível 1. Um elemento importante para o controle da comunicação assíncrona é o conhecimento do tamanho do frame. Analisando a figura acima nota se que sempre ocorre a transição no cento do bit quando o sinal for 1 ou quando existir dois bits zeros consecutivos. O código Miller apresenta boa imunidade a ruídos. (BRIJENDRA, 2006) 3. MODOS DE TRANSMISSÃO DE DADOS Após o processo de codificação os sistemas de transmissão e recepção dos dados devem possuir mecanismos que garantam que o dado recebido está correto. Assim o modo como os dados são enviados torna se um elemento importante de estudo. Os modos de transmissão podem ser classificados, quanto ao processo de temporização, em síncronos e assíncronos. Já, quanto ao sentido em que a mensagem é transmitida ele pode ser classificado em simplex, half duplex e full duplex. Quanto a quantidade de bits enviados simultaneamente pode se classificar a transmissão de dados em serial e paralelo. Transmissão assíncrona Na transmissão assíncrona um frame de bits (seqüencia de bits) é enviado um a um sem haja um controle de tempo entre um frame e outro. No início do frame um bit (start bit) indica o início do frame e no final do frame um bit (stop bit) indica o fim do frame. Este modo de transmissão é indicado quando se trata de baixos volumes de dados e quando a velocidade de transmissão pode ser baixa. É uma solução barata uma vez que se elimina um circuito controlador de tempo e não é necessária a inclusão de uma linha a mais no cabo para manter o sincronismo. (GOLENIEWSKI, 2002) Neste sistema quando a linha está desocupada o nível 1 é mantido continuamente. O aviso do início do frame ocorre com a chegada do start bit que possui nível zero. Uma vez Para garantir a integridade dos dados enviados são introduzidos bits de controle tais como bit de paridade ou checksun. A comunicação assíncrona possui como desvantagem a baixa eficiência na transmissão uma vez que a relação entre bits de informação e bits de controle são baixas (nº bits de informação/nº de bits de controle). Transmissão Síncrona. Na transmissão síncrona os bits são enviados em blocos e transmitidos em intervalos de tempo definidos. No início da transmissão alguns bits são enviados para ajustar o sincronismo entre emissor e receptor. (GOLENIEWSKI, 2002) A transmissão síncrona é utilizada em altas velocidades e os equipamentos para operarem com ela, necessitam de placas que gerem o sincronismo necessário para o envio dos blocos de caracteres, o que faz com que seja uma forma de transmissão de custo mais elevado. Altas velocidades permitem o trafego de aplicações como a voz digitalizada e transmitida por meio de redes de dados e teleconferência (videoconferência) em que pessoas em cidades ou países distantes podem se reunir, vendo e ouvindo uns aos outros. Numa transmissão síncrona, os dados trafegam na rede com velocidade e throughput (capacidade de transferência de dados) constantes. O sinal que mantém o sincronismo é chamado de Clock e opera como um relógio entre o transmissor e o receptor, existindo um tempo físico de transmissão para Copyright fevereiro 2007 Todos os direitos reservados para Oswaldo Flório Filho Página 7 Copyright fevereiro 2007 Todos os direitos reservados para Oswaldo Flório Filho Página 8

5 cada caractere, mesmo não havendo dados a ser transmitido, o transmissor envia caracteres de sincronismo. Simplex É a forma mais básica de transmissão. Nela a transmissão ocorre apenas em uma direção. O transmissor envia os dados, mas não tem certeza se o receptor os recebeu. Não há meios de verificar a recepção dos dados. Problemas encontrados durante a transmissão não são detectados e corrigidos. Um bom exemplo de transmissão simplex é a transmissão de TV e rádio. (GOLENIEWSKI, 2002) (DIAMANTINO, 2007) Transmissor Half duplex Fluxo dos dados Receptor É a forma de transmissão onde a informação trafega nos dois sentidos do canal de comunicação, mas somente alternativamente, ou seja, em períodos de tempo diferentes (T1 e T2). Nesse tipo de transmissão, toda vez que se inverte o sentido da comunicação, existe um tempo de comutação da linha (turnaround). Para que ocorra a comunicação neste modo, cada terminal de dados (DTE) deve possuir um transmissor e um receptor. Um exemplo de utilização deste tipo de comunicação são os equipamentos de walk talkies e os equipamentos de comunicação militar. (GOLENIEWSKI, 2002) DTE 1 Fluxo dos dados DTE 2 Este sistema é o mais utilizado quando se trata de transmissão de dados digitais. DTE 1 Fluxo dos dados DTE 2 Transmissão paralela A transmissão de dados paralela é obtida por meio de cabos com múltiplas vias onde cada bit é colocado em uma via e enviado simultaneamente ao receptor. Uma vez que todos os bits de uma palavra 1 a serem enviados estão disponíveis para o receptor o processo de transferência trona se mais rápido. Esta rapidez tem seu custo elevado tendo em vista o controle do processo e os custos dos conectores e cabos. A distância é outro fator que reduz o uso da comunicação paralela. A propagação dos bits ao longo do cabo faz com que estes percam intensidade e velocidade de acordo com o tipo de condutor utilizado. Quanto mais longo o cabo maior é a diferença encontrada. Como, na composição do cabo, temos o uso de diversos condutores, pode ocorrer que um determinado condutor conduza o sinal com velocidade maior que outro fazendo com que um bit chegue primeiro a seu destino. Este fenômeno é chamado de skew e tem conseqüências desastrosas uma vez que os bits chegariam fora de ordem e as informações ficariam irrecuperáveis. (SAKELLARIOU, August 28 31, 200) Devido aos problemas levantados, a comunicação paralela tem seu uso restrito a dispositivos que necessitam altas taxas de transferências e próximos entre si. Os cabos paralelos têm seu comprimento limitado a 1,5 metros de maneira a reduzir os efeitos citados. Full duplex Também conhecido como duplex, esse tipo de ligação permite a transmissão nos dois sentidos simultaneamente. Normalmente empregam se quatro fios, mas é possível realizá la com dois fios, através de subdivisão de freqüências. A maioria dos modems são full duplex e conseguem transferir dados em ambas as direções simultaneamente. É importante salientar que nenhum DTE necessita esperar para realizar a transmissão dos dados tornando, desta forma uma boa opção para os casos em que a comunicação exige tráfego contínuo. Copyright fevereiro 2007 Todos os direitos reservados para Oswaldo Flório Filho Página 9 1 Palavra, neste caso, representa, em geral, um caractere a ser transferido. Copyright fevereiro 2007 Todos os direitos reservados para Oswaldo Flório Filho Página 10

6 Transmissão Serial Na comunicação serial os bits são transferidos um a um por meio de um par de condutores. Esta forma de comunicação é mais lenta que a paralela uma vez que a transferência dos bits é feita de forma individual. A vantagem do uso desta forma de comunicação está na redução do número de condutores utilizados e na inexistência do efeito skew uma vez que todos os bits trafegam pelo mesmo meio. Com o intuito de melhorar a velocidade de transferência nas comunicações seriais novos protocolos, interface e meios de transmissão têm sido desenvolvidos. Como meio de transmissão temos o desenvolvimento e uso da fibra ótica. Já nas interfaces temos o uso da USB (universal Serial Bus) que permite ligar até 127 dispositivos com taxas de transmissão variando entre 1,5 Mbits/s até 12 Mbits/s. Bibliografia BRIJENDRA, S. (2006). Data Communications And Computer Networks. New Delhi, India: PRENTICE HALL OF INDIA PRIVATE LIMITED. DIAMANTINO, N. A. (2007). Apostila. Telemática Aplicada. São Paulo, SP. GOLENIEWSKI, L. (2002). Telecommunications essentials: the complete global source for communications fundamentals, data networking and the Internet, and next generation networks. Boston: Addison Wesley. SAKELLARIOU, R. ( August 28 31, 200). Euro Par 2001 parallel processing: 7th International Euro Par Conference, Manchester, UK,1 : proceedings. Lecture notes in computer science, th INTERNATIONAL EURO PAR CONFERENCE. Berlin, : Springer. A transmissão serial possibilita o uso de sistemas síncronos e assíncronos. Se for transmissão serial síncrona, as máquinas (transmissora e receptora) são sincronizadas por osciladores antes do início de transmissão de cada bloco, e a velocidade de transmissão é bem superior. Se o bloco é muito longo, algumas máquinas costumam resincronizar os osciladores, enviando, no interior do bloco, elementos de sincronização. Este processo de transmissão traz como desvantagens o custo mais elevado e a perda do bloco de informações caso ocorra problemas com o sincronismo. (GOLENIEWSKI, 2002) (DIAMANTINO, 2007) A transmissão serial assíncrona é mais barata, porém menos eficiente. Antes e após cada bloco de transmissão, há um sinal de start e um de stop. Este processo apresenta todas as desvantagens apresentadas na transmissão assíncrona, mas é muito utilizado em situações onde os dados são enviados em intervalos aleatórios. (GOLENIEWSKI, 2002) (DIAMANTINO, 2007) Copyright fevereiro 2007 Todos os direitos reservados para Oswaldo Flório Filho Página 11 Copyright fevereiro 2007 Todos os direitos reservados para Oswaldo Flório Filho Página 12