Nível Físico. Sinais. Tipos de Sinal. Banda Passante. Espectro de um Sinal. Sinal Analógico

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1 Departamento de Ciência da Computação - UFF Nível Físico Nível Físico Função principal transmitir sinais, que representam informações, através de um canal de comunicação em um meio físico de transmissão Profa. Débora Christina Muchaluat aade debora@midiacom.uff.br 2 inal Analógico Variação Contínua Tipos de inal inal analógico inais Qualquer sinal pode ser entendido como uma soma de ondas de diferentes frequências e amplitudes. Análise de Fourier inal Digital Variação Discreta Intervalo de inalização inal digital Qualquer informação pode ser transmitida através de sinal analógico ou digital 3 4 Gráfico que mostra a contribuição de cada frequência 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 4 Hz Banda passante Banda Passante intervalo de frequências componentes de um sinal [f min, f max ] Largura de banda f max f min Exemplo: inal de Voz Banda passante: [5Hz, KHz] Largura de banda: ~KHz 5 6

2 Banda Passante Necessária Meio Físico Exemplo inal Analógico Banda passante mínima exigida para o canal de comunicação 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 3 Hz. Meio de propagação das ondas ou sinais transmitidos pares de condutores sinais codificados como diferenças de voltagem Característica física: oferecem banda passante limitada para transmissão de um sinal atua como filtro de frequências do sinal transmitido, que sofre uma perda em cada uma de suas componentes de maneira desigual 7 8 Efeito da Banda Passante Limitada do Meio Distorção do sinal recebido devido ao diferente ganho aplicado 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 9 H ar H ar m ôn m ôn i c o s i c o s 2

3 H ar H ar m ôn i c o s m ô n i c o s 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. T Transmissor Intervalos de sinalização Transmissão T Receptor Instantes de amostragem T inal recuperado 5 6 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? 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 = 2 W log 2 L bps W = largura de banda L = número de níveis usados na codificação A Taxa de Transmissão Máxima é Limitada pela Presença de Ruídos 7 8 3

4 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 2 db; uma razão de. corresponde a 3 db e assim por diante. Alguns Tipos de Ruído Ruído térmico Ruído de intermodulação Crosstalk Ruído impulsivo Ruído de Quantização 9 2 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 3. Hz com uma razão sinalruído de 3 db (parâmetros típicos de uma linha telefônica) não poderá, em hipótese alguma, transmitir a uma taxa maior do que aproximadamente 3. bps. C = W log 2 ( + /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 2 22 Utilização da Banda Passante do Meio de Transmissão C C C2 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)

5 Utilização da Banda Passante do Meio de Transmissão Multiplexação na Frequência C C C2 Banda Passante do inal - 8 Mhz - 4 Mhz - 4 Mhz 26 inal de Voz inal de Voz inal de Voz Modulado Transmissão FDM inal original Filtro Filtro 4 8 Canal Canal Multiplexação na freqüência com dois canais Transmissão FDM Transmissão FDM inal original inal original Banda passante necessária Banda passante necessária Modulação 5

6 Transmissão FDM Transmissão FDM inal original inal original Banda passante necessária Banda passante necessária Modulação Modulação Filtro Filtro Demodulação Transmissão Transmissão Transmissão FDM inal original inal recebido Banda passante necessária Modulação Filtro Transmissão Filtro Demodulação Modulação e Demodulação A modulação é uma transformação aplicada a um sinal que faz com que ele seja deslocado de sua faixa de frequências 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 frequências 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. 34 MODEM MODEM T R T2 R2 Modulador Filtro Modulador Filtro Filtro Demodulador Filtro Demodulador f f 2 Técnicas de Modulação Todas as técnicas de modulação resultam no deslocamento de um sinal de sua faixa de frequências original para uma outra faixa. Todas as componentes do sinal são, uma a uma, deslocadas de um mesmo valor f, fazendo com que o sinal passe a ocupar uma nova região do espectro. Porém, a contribuição de cada componente não é alterada. O valor f é denominado de frequência da onda portadora. As três técnicas básicas de modulação são denominadas de: Modulação por Amplitude (Amplitude Modulation - AM ), Modulação por Frequência (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 Frequência (Frequency hift Keying - FK). Modulação por Chaveamento de Fase (Phase hift Keying - PK)

7 Modems Frequency Division Multiplexing (a) A binary signal (b) Amplitude modulation 37 (c) Frequency modulation (d) Phase modulation (a) The original bandwidths. (b) The bandwidths raised in frequency. (b) The multiplexed 38 channel. 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) 39 4 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

8 FDMA Digitalização de inais Na recepção... Digitalização de inais Codificando cada nível com 4 bits: 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 a uma taxa igual ou superior a duas vezes a frequência da componente de mais alta frequência do sinal. Taxa de amostragem >= 2f max 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) PCM - Pulse Code Modulation Quantização inal original 7. Pulsos PAM Pulsos PCM aída PCM

9 Ruído de Quantização A diferença entre o valor real de uma amostra e seu representante binário é chamado erro de quantização. Como este erro varia de amostra para amostra, a distorção causada por tal erro é chamada ruído de quantização. 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. 5 5 Acesso a Provedor Acesso a Provedor D/A MODEM D/A MODEM D/A A Conversão Analógico/Digital Gera um Ruído chamado Ruído de Quantização Linha Digital (T ou E, p. ex.) Não é possível mais do que 3 kbps!! Acesso a Provedor Multiplexação no Tempo MODEM D/A 3kbps ~56kbps 54 9

10 Multiplexação por Divisão de Tempo Ao invés de se utilizar as várias faixas de frequências 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 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 A2 B2 C2 D2 Primeiro Ciclo egundo Ciclo T Multiplexação íncrona (TDM) (synchronous Time Division Multiplexing) Multiplexação Assíncrona ou Estatística (TDM) (tatistical Time Division Multiplexing) A B C D A2 B2 C2 D2 Primeiro Ciclo egundo Ciclo T A B B2 C2 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 3 é formado pelo terceiro slot dentro de cada ciclo. Canais de Comunicação Dedicado (ou permanente) x Chaveado Ponto-a-ponto x Multiponto 6 6

11 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 obtidos através do cascateamento de multiplexadores, como ilustrado no exemplo da figura abaixo. MUX TDMA Hierarquias de Transmissão Digital 64 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 65 inal Digital Número de Canais de Voz Taxa de Transmissão D- D-2 D-3 D-4 MUX 24 T MUX T2 MUX 7,544 Mbps 6,32 Mbps 44,736 Mbps 274,76 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 ). T3 Taxa dos inais em Hierarquias Digitais A definição da taxa dos sinais básicos das hierarquias digitais foi influenciada diretamente pela utilização dessas hierarquias em telefonia digital vinte e quatro canais, onde cada slot tem duração suficiente para a transmissão dos 8 bits de uma amostra PCM. A cada frame ainda adiciona-se um bit denominado bit de framing, para a marcação. Assim, cada frame tem a duração para a transmissão de 24 x 8 + = 93 bits. A banda passante necessária para um sinal de voz em um serviço telefônico é igual a 4. Hz, A taxa de amostragem para construirmos a saída PCM é de 8. amostras por segundo. Logo, para que se mantenha uma taxa assegurada para cada canal, é necessário que os frames se repitam 8. vezes por segundo Em outras palavras, um frame tem duração total de /8. = 25 µseg, e por isso a taxa total do sinal D- é de 8. x 93 =,544 Mbps. Time Division Multiplexing The T carrier (.544 Mbps)

12 Time Division Multiplexing (3) Multiplexing T streams into higher carriers. Hierarquia Européia inal Digital Número de Canais de Voz Taxa de Transmissão E E2 E3 E ,48 Mbps 8,448 Mbps 34,368 Mbps 39,264 Mbps O esquema E é oriundo do padrão utilizado para a transmissão de voz em sistemas telefônicos digitais na Europa e no Brasil 3 canais de voz, a 64 Kbps cada, transportados em um sinal de 2,48 Mbps Linhas Digitais Linhas Digitais MODEM D/A Equipamento De Modulação Digital 7 Linha Digital E, p. ex. RDI-FE Acesso básico (IDN-BRI) 2 B+D Canal B = 64 kbps Canal D = 6 kbps Acesso Primário (IDN-PRI) E (3B + 2D); T (23B + D) 7 Canais B e D = 64 kbps Linha Digital Diferentes Hierarquias de inais Digitais Unificação das Hierarquias DH Nível EUA Europa Japão 55,52 x N Mbps xn 2 3 4,544 Mbps (D-) 6,32 Mbps (D-2) 44,736 Mbps (D-3) 274,76 Mbps (D-4) 2,48 Mbps (E-) 8,448 Mbps (E-2) 34,368 Mbps (E-3) 39,264 Mbps (E-4),544 Mbps 6,32 Mbps 32,64 Mbps 97,728 Mbps x4 55,52 Mbps x3 5,84 Mbps x7 6,32 Mbps x3 inal básico DH (TM-) inal básico ONET (T-),544 Mbps 2,48 Mbps

13 Time Division Multiplexing (5) ONET and DH multiplex rates. Uma Visão de Outra olução para o Acesso Residencial: xdl Digital ubscriber Lines (2) Operation of ADL using discrete multitone modulation. Digital ubscriber Lines (3) A typical ADL equipment configuration Uma Visão de Outra olução para o Acesso Residencial: Cable Modem Internet over Cable Cable television

14 pectrum Allocation Frequency allocation in a typical cable TV system used for Internet access Cable Modems Typical details of the upstream and downstream channels in North America