Modelo OSI - A Camada Física

Transcrição

1 Modelo OSI - A Camada Física Prof. Gil Pinheiro 1

2 Detalhes da Camada Física Meio físico Sinalização Analógica x Digital Comunicação Paralela x Serial Modos de Transmissão (Simplex, Half- Duplex, Full Duplex) 2

3 Tipos de Meio Físico O meio físico provê a propagação do sinal. Alternativas: Cabo tipo par trançado Cabo coaxial Cabo de fibra ótica Radio freqüência A escolha do tipo de meio deve ser avaliada pelo projetista baseando-se nos fatores: distância, taxa de transmissão, local de instalação, EMI 3

4 Aspectos Importantes Quando um sinal se propaga num meio, físico ocorre degradação do mesmo Atenuação (perda de potência do sinal) Distorção e arredondamento Reflexão de sinal Acoplamento cruzado Interferência Eletromagnética (EMI) 4

5 Atenuação Meio físico real Resistência elétrica e o efeito skin geram perda de sinal Meio físico está sujeito a vários tipos de ruído (térmico, EMI, acoplamento cruzado, aterramento deficiente,...) Atenuação diminui a relação sinal/ruído ( S/N) Transmissor Ruído 1 Ruído 2 Atenuação/Distorção Receptor Sinal de Entrada (Si) Meio Físico Real Sinal de Saída (So) 5

6 Acoplamento Cruzado Sinal acoplado de outros cabos (de comunicação) Acoplamento mútuo, indutivo e/ou capacitivo, entre dois ou mais pares de cabos de sinal É um tipo de ruído Diminui a relação sinal/ruído ( S/N) Acoplamento cruzado Meio físicos próximos (acoplados) 6

7 Distorção e Arredondamento Distorção do sinal digital devido a atenuação de componentes de frequências superiores Devido basicamente a capacitância do cabo associada a alta impedância do transmissor (constante RC) Quanto maior a constante RC, maior deformação do sinal (menor banda passante) Perda de componentes de ordem superior leva a redução da relação S/N com taxas de transmissão mais altas Solução: usar circuitos de baixa impedância, promover casamento de impedâncias (transmissor, cabo, receptor), reduzir taxa de transmissão 7

8 Reflexão de Sinal Ocorre reflexão de sinal numa Linha de Transmissão (L.T.) se não houver casamento de impedâncias: Impedância do Receptor: Z I ; do Transmissor: Z O Impedância da L.T. : Z L = [ (R+j L) / (G+j C) ] ½ Numa L.T. sem atenuação (R=0 e G=0): Z L = [ L/C ] 1/2 Para não haver reflexões: Z O = Z L = Z I Reflexões distorcem o sinal, diminuindo relação S/N Linha de Transmissão Transmissor Receptor Sinal de Entrada (Si) Zo Zi Sinal de Saída (So) 8

9 Ruídos e EMI Há diversos tipos de ruídos: impulsivo, térmico, flicker, intermodulação, etc. Alguns tipos de ruído podem ser atenuados através de técnicas de blindagem e aterramento O ruído é função da banda passante e impedância do canal: banda passante potência do ruído (N) impedância do canal susceptibilidade ao ruído Tensão eficaz de ruído térmico: E N = [ R.K.T.B ] 1/2 Onde: R= resistência de entrada do amplificador, K=constante, T=temperatura, B=largura de banda do canal Recomendação: usar canais de banda estreita e baixas impedâncias nos circuitos de redes 9

10 Dependência S/N x BER O ruído limita o desempenho das redes e barramentos de campo (gerando erros, retransmissão de mensagens e atrasos na comunicação) Se relação S/N diminui erros de comunicação aumentam ( BER = Bit Error Rate) Equação de Shannon-Hartley (Canal com Ruído): C = W log 2 [ 1 + (S/N) ] C: limite máximo, teórico, da taxa de transmissão do canal (bits/s) W: banda passante do canal (Hz) S: potência do sinal (Watts) N: potência do ruído (Watts) 10

11 Par Trançado Utilizados em redes de campo, redes Ethernet Baixo custo Instalação e manutenção mais baratas Arranjo trançado aumenta rejeição de ruídos externos Pode ser dotado de blindagem para melhorar rejeição de ruído Pode ser dotado de malha metálica para melhorar resistência mecânica 11

12 Cabo Coaxial Baixo custo, porém mais caro que par trançado Maior banda passante que par trançado Maior rejeição de ruído que o par trançado Maior resistência mecânica que o par trançado Instalação e manutenção mais complexas Requer conectores especiais. 12

13 Cabo Coaxial Cabo coaxial de 50 ohms (RG-58) Conectores BNC, de 50 ohms Derivação de rede utilizando conector BNC-T 13

14 Fibra Óptica Filamento de material ótico (quartzo, plástico e vidros) capaz de conduzir a luz. Opera normalmente no modo simplex Fibras plásticas são mais baratas, porém possuem maior atenuação Taxas de transmissão elevadas: > 2 Gbps Diâmetro de 2 a 125 m Composta por três partes básicas: núcleo, casca e capa protetora Vantagens: imunidade a ruídos, isolação entre pontos conectados Desvantagem: custo (interfaces e manutenção), menor resistência mecânica (tração e curvas bruscas) 14

15 Fibra Óptica Tipos monomodo e multimodo Valore Típico de Banda Passante x Distância Multimodo: 500 MHz.Km Monomodo: MHz.Km Atenuação: Multimodo: 1 a 3,5 db/km Monomodo: 0,2 a 0,5 db/km Emissores de luz: LED ou LASER Detector de Luz: fotodiodo PIN ou fotodiodo de avalanche (APD) 15

16 Fibra Óptica Fibra Ótica Multimodo (vários modos de propagação da luz) Cone de Aceitação Casca (índice de refração n 2 ) Núcleo (índice de refração n 1 ) Luz Onde: n 2 > n 1 Fibra Ótica Monomodo (um modo predominante de propagação da luz) Cone de Aceitação Luz Casca (índice de refração n 2 ) Núcleo (índice de refração n 1 ) Onde: n 2 > n 1 16

17 Fibra Óptica Multimodo com índice de refração em degrau Multimodo com índice de refração gradual (melhor que a multimodo) Monomodo 17

18 Conectores de Fibra Óptica Os conectores mais utilizados na área de automação são o ST e SC 18

19 Fibra Óptica Fibra óptica de 50 um, com conector SC, com luz laser Fibra óptica sem luz 19

20 Codificação do Sinal Digital Os sistemas digitais precisam transmitir os níveis lógicos 0 e 1 Os cabos conduzem apenas sinais elétricos ou ópticos A codificação do sinal define as regras da representação elétrica/óptica dos níveis 0 e 1 Existem dois métodos básicos de codificação 20

21 Sinal Analógico Um tipo de codificação analógica envolve a utilização da modulação de uma senóide para transmitir os níveis 0 e 1 Exemplo: protocolo HART nível 1: 1200 Hz nível 0: 2200 Hz Vantagens: menos suscetível a efeitos da distância e ruído. Permite múltiplos sinais no mesmo meio físico Desvantagem: eletrônica mais complexa 21

22 Sinal Digital A codificação digital muda o nível de tensão para representar os níveis 0 e 1 Exemplo: Padrão RS-232 nível 1: +12 V nível 0: -12V Vantagem: eletrônica muito simples Desvantagem: apenas um sinal no meio físico, mais suscetível a ruídos e distâncias longas 22

23 Sinal digital: Manchester A codificação Manchester é um tipo de codificação muito difundido. Utiliza transições de tensão para codificar os níveis 0 e 1 Nível 1: transição negativa Nível 0: transição positiva Vantagens: boa imunidade a ruídos, clock embutido no sinal Exemplos: Ethernet, Foundation Fieldbus, Rockwell DH+, Modbus Plus 23

24 Canais Simplex Canais Simplex permitem comunicação em apenas um sentido Exemplos: transmissões de TV e radiodifusão Um circuito 4 a 20 ma é um Canal Simplex 4 a 20 ma 24

25 Canais Half-Duplex Canais Half-Duplex permitem a comunicação em ambos os sentidos, mas não simultaneamente Todas as redes locais (LANs), redes de campo e protocolos de campo são de um modo geral Half-Duplex 25

26 Canais Full-Duplex Canais Full-Duplex permitem a comunicação em ambos os sentidos de um canal simultaneamente. Exemplos: telefones celulares. 26

27 Comunicação Paralela Consiste no envio de vários bits de sinal simultaneamente através do canal de comunicação Normalmente pode enviar 8, 16, 24 ou 32 bits ao mesmo tempo Utilizada tipicamente em aplicações com distâncias curtas (dentro de gabinetes, interfaces SCSI, IDE, PATA) Multicabo Impressora com Interface Paralela (CENTRONICS) 27

28 Comunicação Serial Consiste no envio dos bits de sinal em seqüência através do canal de comunicação Utilizada em aplicações de médias e longas distâncias Exemplo: RS-232, redes locais (LAN), redes de campo, comunicação com E/S remota de CLPs Par trançado 28

29 Modems Convertem um sinal digital num sinal analógico e vice versa (MODulador-DEModulador). Permitindo o uso de canal analógico (linha telefônica, enlace de rádio analógico) Existem muitos padrões de modem: CCITT (ITU) V.90, V.34, V.22, BELL-202 Podem utilizar modulação FSK, PSK, QPSK, QAM, etc... Sinal digital padrão EIA-232 Sinal analógico na linha telefônica Modem Central Telefônica 29

30 A Interface Serial Assíncrona 30

31 A Interface Serial Assíncrona Parâmetros Data bits: 7 ou 8 Paridade: Não, Par ou Impar Stop Bits: 1 ou 2 Velocidade (Baud Rate): 110, 300, 600, 1200, 4800, 9600, 19200, bits/s 31

32 A Interface Serial Síncrona Sincronismo a cada bit enviado Dois sinais: DATA: dados enviados CLOCK: sincronismo de relógio Sinal de relógio pode ser enviado como: Sinal a parte Embutido junto com os dados 32

33 Diferenças Assíncrona x Síncrona Assíncrona Baixo custo Baixo rendimento (< 80%) Baixa taxas de transmissão (da ordem de 10 5 bits por segundo) Para seqüências pequenas de bits (até 8 bits por frame da UART) Síncrona Mais cara Alto rendimento (> 90%) Altas taxas de transmissão (da ordem de 10 8 bits por segundo) Capaz de lidar com frames de milhares de bits sem erros 33

34 Topologias de Rede Rede em Barra Rede em Anel Rede em Estrela 34

35 Topologias de Rede Rede em Árvore 35

36 Topologias de Rede Rede em Barra rede do tipo difusão (mensagem difundida para todos os nós) geralmente mais barata e mais simples o cabo percorre todos os nós da rede, menor confiabilidade da rede curto circuito num nó paralisa a rede cada nó usa derivação no meio físico Exemplos: EIA-485, Fieldbus Foundation 36

37 Topologias de Rede Rede em Anel Mensagem gerada num nó da rede, circula na rede (anel) e é retirada quando retorna ao nó gerador ou pelo nó destinatário Cada nó é um repetidor de rede Ampliação requer interrupção da rede, se o anel não for redundante Normalmente mais confiável que a rede em barra 37

38 Topologias de Rede Rede em Estrela não necessitam roteamento nó central: hub ou switch desempenho dependente do nó central confiabilidade dependente do nó central dificuldade de ampliação (depende do nó central) 38

39 Comparação das Topologias Estrela Anel Barra Requisitos de cabeamento Facilidade de Configuração Custo de implantação Redundância Troughput