Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão

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1 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Nas interligações há problemas de: Ruído que é crítico nas ligações compridas: exterior (de motores, de outros equipamentos, da rede eléctrica, de lâmpadas fluorescentes e de trovoadas) que pode corromper os sinais de dados e de controlo transportados nos cabos, e interior ao circuito nos PCBs por acoplamento indutivo, por acoplamento capacitivo e devido a múltiplas ligações à terra. Reflexão nas linhas que nos cabos curtos podem ser desprezados, mas são críticos nos cabos compridos. 1

2 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Acoplamento indutivo ou electromagnético: transferência de energia de um circuito para outro devido às indutâncias mútuas (nas frequências mais baixas). Influência da corrente do circuito de alimentação no circuito do sinal: tensão em série com a tensão da fonte de sinal. di V = M dt O acoplamento depende da geometria da interligação: comprimento e separação. 2

3 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Acoplamento capacitivo ou electroestático: transferência de energia de um circuito para outro devido às capacidades existentes entre eles (nas frequências mais elevadas). O acoplamento depende da geometria da interligação: comprimento e separação Afastamento diferente do cabo de alimentação e do plano de terra 3

4 4 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão C C C V V + = Influência da tensão de alimentação no sinal: tensão em série com E Th e uma tensão de modo comum C C C V V + = Em série com a fonte de sinal E th C C C V C C C V V V + + = = = = V V C C C C Modo comum C C C V V + = cabo de alimentação cabo de terra V 1 V 2 V

5 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Múltiplas ligações à terra Existem diferenças de tensão entre as terras, que podem ser de vários volts (principalmente se houver circuitos diferentes). O sinal recebido tem ruído. Existe um caminho entre as duas terras (loop) com uma impedância baixa: terra-chassis A - chassis B terra, que pode gerar correntes elevadas, mesmo para tensões baixas. 5

6 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Múltiplas ligações à terra Em caso de trovoadas, podem existir grandes diferenças de potencial. Tensões variáveis podem induzir diferenças de tensão nas malhas (loops) de massa. Ligações compridas ficam mais sujeitas aos efeitos de tensões variáveis, havendo maiores tensões de ruído. Mesmo em ligações curtas (PCB) as tensões podem não ser desprezáveis. 6

7 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Múltiplas ligações à terra Se o circuito for completamente isolado do plano de massa Z SE = Z RE = e R >> R + R L th C tem-se VR L E th 7

8 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Múltiplas ligações à terra Se o circuito tiver fugas para o plano de massa Z ; SE Z RE e R >> R + R L th C i E = Z E + Z SE VE RC Z RE Modo série R R 2 C = Eth ie Modo comum i E Z RE V L + 8

9 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Exemplo Numa instalação, para medir temperaturas com um termopar, o termopar está ligado à bainha do encapsulamento, para ter resposta rápida. O encapsulamento está ligado à massa por um condutor com uma resistência de 10 Ω e o sistema de medida está isolado da terra ( Z RE =10 6 Ω). Admita que o cabo de ligação tem uma resistência de 20 Ω e que a ligação entre as massas no local do termopar e do sistema de medida é caracterizada por V E = 1V e Z E = 1Ω. 9

10 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Exemplo R C =20 Ω Z RE =10 6 Ω Z SE =10 Ω V E = 1V e Z E = 1Ω. 10

11 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão 1 - Determine o erro de leitura. V R 2 R 2 1 R + 2 C C série = ie = VE = 10µ 6 C Z E Z SE Z = + + RE 10 V 2 - Se o sistema de medida tiver a massa ligada à terra qual o valor do erro? 10 V c = = 0, 48V Termopar Ferro Chumbo: a =16,7 µv/ºc 11

12 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Redução do ruído: pares entrançados Cabos com pares entrançados reduzem o ruído electromagnético: a mudança de orientação dos cabos A e B gera tensões com sentidos diferentes V XY = V ZY 12

13 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Redução do ruído: pares entrançados Cabos com pares entrançados para manter a mesma distância dos cabos de sinal às linhas da alimentação e plano de massa tensão série: V V C 1A C1 A + C 2 A V C 1B C1B + C 2B C1 A C1B C2 A = C2B = tensão série anula-se 13

14 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Redução do ruído: blindagem Ruído exterior não altera as tensões relativas dos condutores dentro da blindagem, se não houver ligação directa entre o circuito e a blindagem. A melhor forma de isolar o efeito capacitivo é blindar, ligando a blindagem à terra. Z Th Z L E Th A blindagem electrostática não tem efeito na redução do ruído electromagnético. Teriam de ser utilizados materiais magnéticos com alta permeabilidade que têm custos elevados 14

15 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Redução do ruído: blindagem alimentação i C S i C S Neste arranjo simétrico: tensão série anula-se. C SM i blingadem Z Th C E Z L A blindagem serve como caminho de baixa impedância para as correntes i de modo que E Th as correntes em C SM e C E são C E C SM pequenas: tensão de de modo comum reduz-se. terra 2i 15

16 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão O isolamento entre a blindagem e o circuito pode trazer problemas Ex: realimentação que reduz o ganho C 3 C 1 C 1 C 3 C 2 C 2 liga-se a tensão de referência do circuito à blindagem C 3 C 1 16

17 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão A blindagem deve ser ligada no ponto de tensão zero do sinal de entrada. i E V E C i E V E C V E gera tensões série e de modo comum 17

18 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Vários tipos de cabos entrançados/blindados 18

19 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Cabos com blindagem/entrançados Pares entrançados sem blindagem: são utilizados tipicamente com cabo telefónico. Adequados ou satisfatórios para sinais analógicos de entrada ou saída ou sinais digitais dependendo do débito e da distância (300kHz-60m; 10kHz-1000m; 3kHz-superior a 1000m Pares entrançados com blindagem: são utilizados tipicamente nas mesmas aplicações dos sem blindagem, sendo preferíveis em algumas aplicações analógicas. Coaxiais são preferíveis aos anteriores para aplicações digitais de entrada ou saída (10kHz-1000m; 3kHz-superior a 1000m) 19

20 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Redução do efeito das múltiplas ligações à terra Fibra óptica (transmissão de luz modulada) Acopladores ópticos com LED e fototransístor num ou nos dois lados (transmissão de sinal eléctrico) Interligações balanceadas (par entrançado) 20

21 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Interligações balanceadas (par entrançado) Emissor: duas saídas uma a 1 outra a 0 com transições que ocorrem simultaneamente Receptor: comparador em que as duas entradas têm alta impedância para a massa. s( t) n( t) s( t) n ( t) s(t) s(t) 21

22 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão s(t) s(t) s(t) s sinal n ruído n(t) s( t) n( t) s( t) n ( t) Receptor com CMRR elevado Modo diferencial ( s( t) n( t) ) 2s( ) s ( t) n( t) = t 1 2 Modo comum [ s( t) n( t) + ( s( t) n( t) )] = n( t) 22

23 23 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Linhas de transmissão: a propagação não é instantânea C L Z = 0 ( ) R O L R O I I Z V V = Z Z Z Z V V L L O R + = Z V I = Z 0 V I R R =

24 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Z = 0 L C V V R O = Z Z L L Z + Z 0 0 Z L = Z 0 V R = 0 não há reflexão Z L = V V R O =1 Onda refletida = onda incidente Z L = 0 V V R O = 1 Onda refletida simétrica da onda incidente 24

25 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Reflexão numa linha não terminada Z L = Z S < Z 0 V = V s Z S Z0 + Z 0 V s V ρ R = Z Z L L + Z Z 0 = 0 1 2V ρ S = Z Z S S + Z Z 0 < 0 0 V final = V s 25

26 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Reflexão numa linha terminada na carga com Z z L = z O 0 ZO V = Vs ZO + ZVS V s Z O V Aplicação numa interligação 26

27 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Reflexão numa linha terminada na fonte com z S = z 0 V V / 2 V V Aplicação numa interligação 27

28 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Revisões Ruído: electromagnético por acoplamento indutivo, electrostática por acoplamento capacitivo e múltiplas terras Reflexão nas linhas Problemas maiores nos cabos compridos Redução de ruído: pares entrançados (electrostático e electromagnético) e blindagem (electrostático) Cuidados a ter com a blindagem na ligação à massa e à terra Tipos de cabos com pares entrançados e blindagem (distância e frequência) Redução do efeito das múltiplas terras: fibra óptica, acoplamento óptico e interligações balanceadas. Cabos compridos: linhas de transmissão com reflexões Terminação na carga ou na fonte 28

29 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Revisões Z S ρ R V = V R O = Z Z L L Z + Z 0 0 Z = 0 L C Z L V ρs = V S O = Z Z S S Z + Z 0 0 Z L = Z 0 não há reflexão Z L = Onda refletida = onda incidente Z L = 0 Onda refletida simétrica da onda incidente 29

30 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Revisões V = V s Z O ZO + Z S V z L = z 0 V s Z L = Z O V Aplicação numa interligação 30

31 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Revisões z S = z 0 V V / 2 V V Aplicação numa interligação 31

32 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Exemplo: desenhar as formas de onda na entrada e na saída Z S 1V 1V ZO Z L Z S = 60Ω Z L = 270Ω ZO = 90Ω ρ R = = 1 2 ρ S = = ,82V = t = S 0 V L =? V =? t = 0 VL = 0 VS = 0, 6V t = V L =? VS =? t = VL = 0,82V Vs = 0, 82V 32

33 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Z S Z S = 60Ω Z L = 270Ω ZO = 90Ω 1V 1V ZO Z L ρ S 1 = 5 1 ρ R = 2 t Emissor Receptor = 0,6 V V 0,60 0,84 t ,6 V = 0,6 0,60 + = 0,9 V 2 0,90 2 t1 0,6 0,6 0,6 0,60 + = 0,84V 0,60 + = 0,9 V ,81 3 t1 0,6 0,6 0,60 + = 0,84V ,6 0,6 0,9 = 0,81V

34 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Z S Z S = 60Ω Z L = 270Ω ZO = 90Ω 1V 1V ZO Z L ρ S 1 = 5 1 ρ R = 2 0,60 0,84 0,816 t 3 t1 Emissor Receptor 0,6 0,6 0,6 0,6 0,60 + = 0,84V 0,9 = 0,81V ,90 0,81 0,819 4 t1 0,6 0,6 0,84 + = 0,816 V ,6 0,6 0,9 = 0,81V t1 0,6 0,6 0,84 + = 0,816 V ,6 0,6 0,81+ + = ,819V 34

35 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Método de interligações ponto a ponto: esperar que as reflexões acabem (pode utilizar-se em sistemas lentos) terminar a linha no fim com um valor idêntico à impedância característica da linha (origina dissipação na carga). Se o factor de ciclo for pequeno não é critíco. z L = z 0 driver open-collector: consumo no nível 0 consumo no nível 1 35

36 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Método de interligações ponto a ponto: terminar na fonte com um valor idêntico à impedância característica da linha (problemas num barramento com múltiplos receptores) z L = receptor de linha com impedância infinita (TTL não é adequada) z S = z 0 36

37 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Nos dois tipos de terminação z L = z 0 z S = z0 a tensão de saída é uma réplica da tensão de entrada e o tempo para a tensão na saída atingir o valor final é o mesmo Tem desvantagens a terminação na fonte se houver múltiplas derivações. As tensões nessas derivações só atingem o valor final quando recebem a onda reflectida, pois a onda directa só tem metade do valor final. 37

38 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Múltiplos receptores numa linha de transmissão: não há mecanismos simples para eliminar as refexões Linha e stubs com impedância Z 0 : há refexões nos receptores do fim dos stubs e nas derivações Análise complicada: múltiplas reflexões podem-se reforçar ou cancelar, dependendo da localização das derivações 38

39 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Múltiplos receptores numa linha de transmissão (exemplo): linha derivação stub tensões finais 39

40 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Múltiplos receptores numa linha de transmissão (exemplo): estado estacionário quando a onda reflectida na derivação e as ondas directas atingirem o destino V 0 2 V 0 6 V 0 3 Factor de reflexão na derivação Z ρ = Z 0 2 Z 2 + Z 0 0 = V 0 3 Onda directa V 0 2 Onda refletida na derivação V 0 6 Onda propagada nas derivações V 2 V0 6 = 0 V0 3 40

41 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão O exemplo de terminação de cada stub com valores idênticos à impedância característica origina um consumo elevado e não evita as reflexões nas derivações. Forma de efectuar as interligações Impedância da derivação elevada Z >> Z 0 : reduz a energia para stub Stub pequenos: reduzem atrasos no retorno à linha. Receptor com impedância elevada: ondas nos stubs regressam à linha 41

42 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Alternativas para efectuar interligações: Linha encaminhada até à entrada de cada receptor, para reduzir o comprimento do stub e impedância da derivação alta. Eliminar derivações nos barramentos, usando pares emissor/receptor em interligações ponto a ponto. Cada receptor reencaminha o sinal para o ponto seguinte do barramento. Cada interligação ponto ponto pode ser correctamente terminada. Há um atraso do sinal porque passa em vários conjuntos emisor/receptor. 42

43 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Interligação com múltiplos receptores e emissores Ligação dos bus em GPIB (IEEE 488) Não pode haver terminação nem na fonte nem no fim por problemas de consumo (todas as impedâncias em paralelo) Sem emissores a linha a 1 (3,3V) há algum consumo (2kΩ) 43

44 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Terminação activa Há reflexão nas derivações, mas são absorvidas no fim da linha V TRESH fornece ou recebe corrente quando há desemparelhamento no número de linhas a 0 e a 1. Menor atraso (pré-carregado) V TRESH com nível entre 0 e 1 Menor dissipação (barramento de N linhas com metade em cada nível lógico) 2 N( V 2) ( N 2)( V ) P = Z 0 P = Z

45 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Ligações balanceadas (emissor e receptor diferenciais): a de tensão de ruído deve ser a mesma nos dois condutores e portanto mantém-se o circuito simétrico V CC Z 0 2 Z 0 2 Z Z 0 45

46 Interfaces: blindagem, ligação à terra e linhas de transmissão Ligações com flat cable flat cable mais sensível ao ruído que os pares entrançados A utilização de uma terra geral ou a alternância de um condutor de massa alternado com o de sinal permite blindagem (reduz acoplamentos) e reduz efeitos da diferença no nível de referência da massa. 46

47 A interface série RS-232 RS-232 (RS Recommended Standard) ou EIA232 (Electronic Industries Association) é uma norma EIA para comunicação de dados, utilizada na maioria das comunicações série. A primeira especificação da norma RS-232 é de Desde o seu início, sofreu alterações, sendo a versão RS-232C (1969) a mais utilizada e a RS-232E a mais recente (1991). A versão RS-232D data de Versão RS-232E: compatibilidade com CCITT v.24 e V.28 e ISO 2110 A maior parte dos PCs ainda está equipada com portos RS-232 (COM1 e COM2), apesar da sua progressiva substituição por USB. 47

48 A interface série RS-232 Foi inicialmente especificada para interligar um computador (DTE) e um modem (DCE), de modo a permitir a comunicação entre um computador central e um terminal remoto através da linha telefónica. Data Terminal Equipment Data Communication Equipment Data Circuit-Terminating Equipment (RS 232E) O DTE é a fonte da comunicação (computador, terminal, impressora) e o DCE fornece o canal de comunicação (modem) entre dois dispositivos do tipo DTE. 48

49 A interface série RS-232 Ligações entre um DTE (computador ) e um DCE (modem) TX RX GND (Common) DTE DCE 49

50 A interface série RS-232 A norma RS-232 especifica: as características mecânicas as características eléctricas os níveis eléctricos das tensões a função dos sinais utilizados na transmissão a temporização dos sinais utilizados na transmissão a taxa máxima de transmissão. 50

51 A interface série RS-232 Características mecânicas Fichas macho e fêmea Fichas DB-25 de 25 pinos na versão RS-232D Fichas ALT A (mais pequenas ) de 26 pinos na versão RS-232E Ficha DB9 - norma EIA/TIA

52 A interface série RS-232 Ficha DB25 (ficha macho) 52

53 A interface série RS-232 Ficha ALT A (ficha macho) 53

54 A interface série RS-232 Como em muitas aplicações não são necessários tantos sinais também se utilizam outros conectores de menores dimensões (a IBM juntou porta série e porta paralela na mesma placa ISA). Sinais na ficha DB9 - norma EIA/TIA 574(Electronic Industries association/telecommunication Industries association): (ficha macho) 2 (Rx), 3 (Tx) e 5 (Gnd- Common) 54

55 A interface série RS-232 Ficha RJ-45 na norma EIA/TIA 561 : Pino Nome Sinal 1 DSR /RI Data set ready/ring indicator 2 DCD Data carrier signal 3 DTR Data terminal ready 4 SG Signal ground 5 RD Received data RJ TD CTS Transmitted data Clear to send (macho) 8 RTS Request to send 55

56 A interface série RS-232 Características eléctricas +25 V +3 V transição -3 V -25 V Space 0 Mark 1 Lógica bipolar negativa: a tensão negativa [-25;-3] representa o nível lógico 1 e a tensão positiva [3;25]] representa o nível lógico 0 Nas aplicações actuais as tensões são, em geral, -8 a -14 V para nível lógico 1 e +8 a +14 volts para nível lógico 0 (em vazio). 56

57 A interface série RS-232 Ligação não balanceadas: tensão do sinal referida à massa R o Signal (Rx /Tx) R L Data In V o C o cabo C L E L Data OUT Signal Ground Pino 7 Pino 7 Signal Ground Emissor Receptor RO 50 Ω C L 2500 pf Comprimento do cabo 3kΩ RL 7kΩ E L 2 V 57

58 A interface série RS-232 Parâmetros Condições Min Max Tensão de saída (emissor) R L = -25V +25 V Tensão de saída (emissor) 3kΩ RL 7kΩ -5/-15 V 5/15 V Resistência de saída (emissor) 2V V 0 2V 300 Ω Corrente de saída (emissor) R L = 0 500mA Taxa de inflexão (slew rate) 3V Vin 25V 30 V/µs Resistência de entrada (receptor) 3 kω 7 kω Tensão de limiar (receptor) mark space -3 V 3 V 58

59 A interface série RS-232 Níveis eléctricos 59

60 A interface série RS-232 Função dos sinais utilizados na transmissão Sinais agrupados em cinco categorias: Linhas de dados Linhas de controlo Linhas de terra Linhas de temporização Funções secundárias especiais 60

61 A interface série RS-232 Linhas de dados Transmit Data (dados enviados em série pelo DTE) Received Data (dados recebidos em série pelo DTE) Linhas de controlo Request to Send (half duplex: pedido do DTE para enviar dados) Clear to Send (half duplex: DTE pode enviar dados ) Data Set Ready (DCE (modem) pronto) Data Terminal Ready (DTE pronto) Ring Indicator Signal Rate Selector 61

62 A interface série RS-232 Linhas de terra Signal Ground: sinal de referência da tensão dos sinais de dados, controlo e temporização. Protective Ground (Shield): é, em geral, ligado à caixa da ficha do lado do DCE ou do DTE e à blindagem do cabo. Permite pôr os chassis do emissor e do receptor ao mesmo potencial. 62

63 A interface série RS-232 Linhas de temporização (modo síncrono) Transmitter Signal Element Timing (pelo DCE) Receiver Signal Element Timing (pelo DCE) Transmission Signal Element Timing (pelo DTE) Funções secundárias especiais Secondary Request to Send Secondary Clear to Send Secondary Transmitted Data Secondary Received Data Sinais equivalentes aos do canal primário, mas normalmente com um ritmo binário muito mais baixo 63

64 A interface série RS-232 Temporização dos sinais utilizados na transmissão Especificações das transições de 1 para 0 e 0 para 1 : O sinal não pode reentrar na zona de transição nem mudar de direcção O limite inferior do tempo da transição está especificado: 1ms para os sinais de controlo: para os sinais de dados e temporização, depende do ritmo de transmissão. 64

65 A interface série RS-232 O tempo de subida e descida deve ser idêntico nunca variando mais de um factor de três. A variação máxima da tensão na subida e descida para evitar crosstalk está especificada (30V/µS) 65

66 A interface série RS-232 Taxa máxima de transmissão: 20 kbps Valores habituais: Baud rate (testes) k Cabo (m)

67 A interface série RS-232 Comunicação assíncrona 67

68 A interface série RS-232 Os fabricantes concretizam, muitas vezes a comunicação de formas diferentes (por exemplo, configuram equipamentos DCE como DTE), originando: Problemas na comunicação por inexistência ou má ligação dos sinais de controlo de fluxo. Problemas na transmissão que resultam da inversão dos sinais DTE e DCE bem como de outros sinais de handshaking. Problemas de mau emparelhamento do sinal por utilização incorrecta do tipo do conector (macho/fêmea) ou má configuração dos pins Os circuitos utilizados na realização da norma RS-232 são, no entanto, tolerantes aos erros nas ligações, não funcionando a comunicação, mas não deteriorando os circuitos. 68

69 EIA-449, EIA-423, EIA-422 e EIA-485 EIA 449 Supporte (interface mecânica) às normas EIA-422 e EIA-485 Fichas com 9 e 37 sinais Ligações com 60 m que podem ser excedidos com isolamentos especiais dos sinais Signal Ground e Shield Ground. Substituída por EIA/TIA 530-A 69

70 RS-422, RS-423, RS-449 e RS sinais obrigatórios Test Mode obrigatório, para permitir criar loopback entre Send e Receive Data 70

71 EIA-449, EIA-423, EIA-422 e EIA-485 EIA 423 RS 423 é uma interface não balanceada com um fio, compatível com RS-232, nas com alguns melhoramentos: Distâncias até 1200 m Débitos até 100 kbps Permite para cada driver 10 receptores Melhoramentos conseguidos diminuindo os níveis de tensão [-1,6 V;-6 V] [1,6 V;6 V ] 71

72 EIA-449, EIA-423, EIA-422 e EIA-485 EIA 422 Melhoramento da EIA 423, interface balanceada utilizando dois fios para cada sinal Distâncias até 1200 m Débitos até 10 Mbps Permite para cada driver 10 receptores Níveis de tensão [-2 V;-6 V] [2 V;6 V ] 72

73 RS-422, RS-423, RS-449 e RS-485 RS 423 é uma interface com um fio compatível com RS-232 e RS 422. Utiliza o mesmo tipo de receptores diferenciais de RS 422. RS 423 SEND COMMON isolado da massa do receptor Na ligação a RS-232 o sinal SEND COMMON é ligado ao SIGNAL GROUND A norma RS-485 corresponde a uma evolução sobre a norma RS-422, permitindo a ligação de 32 receptores/emissores. 73

74 RS-422, RS-423, RS-449 e RS-485 Ligação dos pinos RS 449 na norma RS 423 As resistências de 100 Ω não são obrigatórias 74

75 RS-422, RS-423, RS-449 e RS-485 Evoluções sobre a norma RS 232 EIA-232 EIA-422 EIA-423 EIA-485 Modo de operação Não balanceado Não balanceado balanceado balanceado Nº maximo drivers Nº maximo receptores Maximo comp. cabo 20 m 1200 m 1200 m 1200 m Máximo débito 20 kbps 100 kbps 10 Mbps 10 Mbps Máximo Vo (driver) ±25 V ±6 V ±6 V ±6 V Mínimo Vo (driver) ±5 V ±3,6 V ± 2,6 V ±1,5 V Sensibilidade do receptor ±3 V ±200 mv ±200 mv ±200 mv 75

76 RS-422, RS-423, RS-449 e RS-485 Circuito HIN232 (laboratório) Circuitos de interface de transmissão/recepção (transceivers ) Para aplicações wm que ±12V não esyão disponíveis Alimentados a +5V, geram +10Vand -10V com conversões de tensão com charge pump Entrada compatível com TTL/CMOS Slew rate limitado na saída Entrada de ±30V Impedância de entrada de 3 kω to 7kΩ 76

77 RS-422, RS-423, RS-449 e RS-485 Transmissores: recebem níveis TTL/CMOS e enviam níveis RS232 Receptores: recebem níveis até ±25 V e geram níveis 0 a V CC 77

78 RS-422, RS-423, RS-449 e RS-485 V CC V CC V CC Clock interno (125 MHz) Fase 1: C 1 carrega a V CC 78

79 RS-422, RS-423, RS-449 e RS-485 V CC 2V CC Clock interno (125 MHz) Fase 1: C 1 carrega a V CC Fase 2: C 3 fica V CC ev + = 2V CC C 2 fica com 2 V CC 79

80 RS-422, RS-423, RS-449 e RS-485 V CC -2V CC Clock interno (125 MHz) Fase 1: C 1 carrega a V CC Fase 2: C 3 fica V CC ev + = 2V CC C 2 fica com 2 V CC Fase 1: C 4 carrega a 2V CC ev - = -2V CC 80

81 RS-422, RS-423, RS-449 e RS-485 Exemplo 35 k 5 V R C =? vin 43k R C vout vin = " 1" vin = 5V vout = 5V vin = " 0" vin = 0V vout 5V -5 V 81

82 RS-422, RS-423, RS-449 e RS-485 Exemplo 5 V 35 k v in = 0V T on vin 43k R C vout v in = 0V T saturado ic < β F ib -5 V 82

83 RS-422, RS-423, RS-449 e RS-485 Exemplo 5 V i C < β F i B 35 k vin 43k R C vout -5 V 5 4,8 0,7 0 4,3 < R C 35k 43k 9,8 < R C ( 0,02m 0, m) R C > 9,8 k 100 0, Ω 83

84 Revisões RS232 Evoluções sobre a norma RS 232 EIA-232 EIA-422 EIA-423 EIA-485 Modo de operação Não balanceado Não balanceado balanceado balanceado Nº maximo drivers Nº maximo receptores Maximo comp. cabo 20 m 1200 m 1200 m 1200 m Máximo débito 20 kbps 100 kbps 10 Mbps 10 Mbps Máximo Vo (driver) ±25 V ±6 V ±6 V ±6 V Mínimo Vo (driver) ±5 V ±3,6 V ± 2,6 V ±1,5 V Sensibilidade do receptor ±3 V ±200 mv ±200 mv ±200 mv 84

85 GPIB - General Purpose Interface Bus Desenvolvido pela HP em Foi inicialmente designado por HP-IB (Hewlett-Packard Interface Bus) Normalizado pelo IEEE em 1975 Norma IEC 625 (International Electrotechnical Commission) a partir de 1978 Destina-se a teste e medida automáticos, interligando instrumentos e controlador (PC) 85

86 GPIB - General Purpose Interface Bus Define os aspectos: Mecânicos: fichas, montagem, construção dos cabos, etc. Eléctricos: níveis lógicos, temporizações, terminações, etc. Funcionais: funções permitidas e respectiva descrição lógica Operacionais: funções permitidas pelos aparelhos e respectivas descrições 86

87 GPIB - Aspectos mecânicos Configuração das ligações Um controlador (geralmente um PC) e vários outros dispositivos. O controlador é idêntico, do ponto de vista físico e eléctrico, a qualquer instrumento. Máximo número de dispositivos ligados ao controlador: 15. Pelo menos 2/3 têm de estar alimentados Máximo comprimento 20 m entre o controlador e um dispositivo 2 m entre dois dispositivo Configuração em estrela, em linha (cadeia) ou mista Barramento de 8 bits 87

88 GPIB - Aspectos mecânicos Configuração em estrela Istrumento 2 Istrumento 1 Istrumento 3 Controlador Um cabo para cada ligação e todos os cabos ligados ao mesmo porto do controlador Os equipamentos têm de estar todos perto do controlador 88

89 GPIB - Aspectos mecânicos em linha (em cadeia) Instrumento 1 Instrumento 2 Instrumento 3 Instrumento 4 O controlador pode estar em qualquer ponto da cadeia. O controlador coordena os acontecimentos no barramento 89

90 GPIB - Aspectos mecânicos A norma IEEE 488 utiliza fichas Ribbon de 24 terminais Contacto Sinal Contacto Sinal 1 DIO1 13 DIO5 2 3 DIO2 DIO DIO6 DIO DIO4 16 DIO8 5 EOI (24) 17 REN 6 DAV 18 GND 7 NRFD 19 GND 8 NDAC 20 GND IFC 21 GND 10 SRQ 22 GND 11 ATN 23 GND 12 SHIELD 24 GND Especifica os parafusos 90

91 GPIB - Aspectos mecânicos A norma IEEE 488 utiliza fichas DB25 Contacto Sinal DIO1 DIO2 DIO3 DIO4 REN EOI DAV NRFD NDAC Contacto Sinal DIO5 DIO6 DIO7 DIO8 GND GND GND GND GND 10 IFC 23 GND 11 SRQ 24 GND a ligação de um circuito RS ATN 25 GND a um instrumento IEC 625 danifica o circuito) 13 SHIELD 91

92 GPIB - Aspectos eléctricos Níveis das tensões: níveis TTL mas em lógica negativa Valor lógico 0 1 Tensão +2,0 V +0,8 V nível alto (H) nível baixo (L) 92

93 GPIB - Aspectos eléctricos Emissores (drivers): open-collector ou tri-state sinais SRQ, NRFD, NDAC: open-collector: DAV, IFC, ATN, REN, EIO: open-collector ou tri-state DIO1-8: open-collector: (aplicações com polling) tri-state : (aplicações sem polling) V OL < + 0,5 V para I = 48 ma (open-collector ou tri-state) V OH 2,4 V para I = - 5,2 ma (tri-state) 93

94 GPIB - Aspectos eléctricos Receptores V IL < + 0,8 V V IH + 2 V } histerese imunidade ao ruído: Schmitt-trigger recomendado para todos os sinais, obrigatório em SHE ou AHE V t+ - V t- 0,4 V 94

95 GPIB - Aspectos eléctricos Ligação de vários dispositivo Cada linha deve garantir um nível de tensão quando todos os emissores estão em alta impedância (terminada dentro do dispositivo) Cada linha a que está ligada um receptor deve ter uma protecção para evitar tensões negativas (díodo em cada receptor) A capacidade de cada linha deve inferior a 100 pf por dispositivo 95

96 GPIB - Aspectos eléctricos Especificações das características de carga de cada linha I V 96

97 GPIB - Aspectos eléctricos Terra Para minimizar a influência do ruído exterior, a blindagem do cabo de ligação deve ser ligada por um contacto da ficha à terra Configuração típica (1 emissor- 1 receptor) R L1 = 3,1 kω ±5% V CC emissor R L2 = 6,2 kω ±5% V CC = 5 V ± 5% Barramento R L1 R L2 receptor 97

98 GPIB - Aspectos funcionais Barramento 98

99 GPIB - Aspectos funcionais Linhas de dados Canal bidireccional de 8 bits. Normalmente código ASCII de 7 bit (ou ISO de 7bit). Podem ser utilizados outros códigos. Linhas de handshaking DAV (Data Valid) Indica que os dados estão estáveis e válidos NRFD (Not Ready For Data) Indica se o dispositivo está pronto para receber dados. NDAC (Not Data Accepted) Sinaliza a aceitação de dos dados pelo(s) dispositivo( s). 99

100 GPIB - Aspectos funcionais Linhas de gestão da interface geral ATN (Attention) Activada pelo controlador para indicar que a informação na barramento corresponde a comandos do controlador (endereços ou mensagens de interface). IFC (Interface Clear) Activada pelo controlador para colocar o barramento sem actividade (idle state) EOI (End or Identify) Indica o último byte de uma mensagem ou indica polling SQR (Service Request) Activada por um dispositivo para indicar que pretende um serviço REN (remote Enable) Activada pelo controlador para seleccionar o controlo local ou remoto de um dispositivo 100

101 GPIB - Aspectos funcionais Dados transmitidos de forma assíncrona, um byte de cada vez A transferência é coordenada pelos sinais DAV, NDAC e NRFD Um talker põe os dados no barramento quando os listeners estão prontos (NRFD H) e indica dados válidos (DAV). Os dados são mantidos no barramento até serem lidos pelo último dispositivo. A linha NDAC a H quando todos tiverem lido. Dados dados válidos DAV NRFD NDAC 101

102 GPIB - Aspectos funcionais Cada dispositivo GPIB: Listener (receptor) Dispositivo capaz de receber dados da interface quando é endereçado (ex: impressoras, fontes e geradores de sinal programávéis, etc.). Pode haver 14 activos. Talker (emissor) Dispositivo capaz de transmitir dados para a interface quando é endereçado ex: voltímetros e contadores que enviam o valor lido, etc.). Só um activo. Controlador Dispositivo capaz de especificar o emissor e os receptores para uma transferência de informação (ex: computador). Só um activo. 102

103 GPIB - Aspectos funcionais Dispositivo GPIB: Funções do dispositivo: mensagens contendo informação de programação do dispositivo, resultados de medidas, estado, ficheiros, etc. Funções de Interface: mensagens para gerir o barramento 103

104 GPIB - Aspectos funcionais As funções de interface que podem ser implementadas, conforme a aplicação planeada para o instrumento são: Função Talker/ Extended Talker Listener/ Extended Listener Source Handshake Acceptor Handshake Remote/ Local Service Request T, TE L, LE SH AH RL SR Comentário Necessária para um talker Necessária para um listener Necessária para transferir mensagens multlinha Necessária para receber mensagens multlinha Necessária para selecção de entrada do páinel de controlo ou do barramento Necessária para requisição assíncrona de serviço do controlador 104

105 GPIB - Aspectos funcionais Função Parallel Port Device Clear Device Trigger Controller Drivers PP DC DT C E Comentário Necessária para um dispositivo se identificar se pede um serviço quando o controlador está à espera de resposta Necessária para um dispositivo ser inicializado Necessária para um dispositivo ser inicializado por um talker no barramento Necessária para um dispositivo enviar endereços e comandos e para fazer polling Necessária para descrever o tipo de driver eléctrico utilizado 105

106 GPIB - Aspectos operacionais Aspectos operacionais definidos nas normas IEEE (1987) e SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments) (1990) IEEE : codificação e formatação dos dados, indicação do estado (status), tratamento de erros e definição de comandos comuns. SCPI: conjunto de funções de programação para evitar que cada fabricante implemente o seu próprio conjunto 106

107 Interface JTAG O grupo JTAG (Join Test Action Group) desenvolveu na década de 1980 uma especificação para testar ligações entre circuitos integrados em placas de circuito impresso (para não utilizar pontas de prova). Em 1990 a especificação foi normalizada com a designação IEEE 1149 Na norma IEEE 1149 estão especificados o Test Access Port e a arquitectura de Boundary-Scan Actualmente, esta especificação não é só utilizada em teste. É utilizada em sistemas de desenvovimento com circuitos integrados (com JTAG) para descarregar software nas memórias. 107

108 Interface JTAG Interface série: TDI (Test Data In), TDO (Test Data Out), TMS (Test Mode Select), TCK (Test Clock) e opcionalmente TRST (Test Reset) TDO (entrada) TCK TMS TDI (saída) 108

109 Interface JTAG Os elementos de boundary scan não contribuem para a funcionalidade do circuito TDO (entrada) TCK TMS TDI (saída) 109

110 Interface JTAG Arquitectura de Boundary Scan: A cada sinal de entrada/saída do circuito integrado está associada uma célula de memória (boundary scan) Terminais de entrada Elementos de memória boundary scan Parallel In Scan In Scan Out Terminais de saída Parallel Out 110

111 Interface JTAG Parallel In Scan In Scan Out Parallel Out Modo normal: o sinal de entrada em cada célula passa para a saída Parallel Out = Parallel In 111

112 Interface JTAG Scan In Parallel In Parallel Out Scan Out Modo capture: Os valores dos sinais de entrada são guardados nas células de memória Os valores da saída do Core Logic são guardadas nas células de memória Não interfere com o funcionamento do integrado 112

113 Interface JTAG Parallel In Scan In Scan Out Parallel Out Modo update: Os valores armazenados nas células dos sinais de entrada são transferidos para o Core Logic Os valores armazenados nas células dos sinais de saída são transferidos para a saída do circuito 113

114 Interface JTAG TDI Parallel In TCK TMS TDO Scan In Parallel Out Scan Out Modo de scan Os dados são transferidos em série de uma célula para a célula seguinte Não interfere com o funcionamento do integrado 114

115 Interface JTAG Célula de Boundary Scan: possível realização Scan Out Parallel In Scan In 0 1 Capture D Q Update D Q 0 1 Parallel Out CLK CLK Mode Shift DR ClockDR UpdateDR 115

116 Interface JTAG Test Access Port: Test Mode Select Test Clock Test Reset* Controlador TAP ClockDR ShiftDR UpdateDR Reset* Select ClockIR ShiftIR UpdateIR Enable IR Identification register 116

117 Interface JTAG Exemplo de teste de interligações V CC IC1 IC2 TDI R net1 net2 net3 net4 IC1 (out) IC2 (in) BS IC BS IC erro net net net4 117

118 Porto paralelo Interface que surgiu para obter uma ligação mais rápida que a ligação série. Foi inicialment utilizada para ligar impressoras. Actualmente, permite ligar vários tipos de periféricos (impressoras, scanners, discos rígidos, CDROMs,, etc) O porto paralelo inicial SPP (Standard Parallel Port) é unidirecional. Tem débito máximo de 150 kbytes/s e o comprimento máximo dos cabos é de 2m. O SPP utiliza uma ficha DB25 e as impressoras uma ficha de 36 pinos (ficha Centronics). 118

119 Porto paralelo Apareceram posteriormente definições bidireccionais: PS/2 (IBM), EPP-Enhanced Parallel Port (Intel, Zentith e Xircom) e ECP-Extended Parallel Port (HP e Microsoft). 119

120 Porto paralelo 120

121 Porto paralelo A norma IEEE 1284, aprovada em 1994, que permite comunicação bidireccional, define: A interface eléctrica A interface mecânica A interface operacional: transferência de dados em modo de compatibilidade, nibble, byte, EPP e ECP. 121

122 Porto paralelo A norma define a comunicação no nível físico norma IEEE

123 Revisões GPIB JTAG Porto paralelo (norma IEEE 1284) A interface mecânica: fichas 1284-A (DB25), 1284-B (centronics), 1284-C (36 pinos) Modos Unidireccional: SPP (compatibilidade) Bidireccionais: PS/2 (IBM) EPP-Enhanced Parallel Port ECP-Extended Parallel Port 123

124 Porto paralelo Interface mecânica Sinais: especificação dos sinais nas fichas para os vários modos de funcionamento Ligações: especificação das ligações dos cabos de host para periférico DB25 DB25 DB25 centronics DB C 1284-C centronics 1284-C 1284-C 124

125 Porto paralelo Interface eléctrica Especificação de: tensões (TTL (5V), valores máximos +5,5V; 0,5V) correntes capacidades resistências de pull up nos emissores (drivers) e receptores cabo (18 pares entrançados) 125

126 Porto paralelo 126

127 Porto paralelo Interface eléctrica Nível 1: compatibilidade com equipamentos anteriores à norma Interface assimétrica Linhas de dados (74LS374 - totem pole) fornece 2,6mA e absorve 24mA Linhas de controlo (7405- open collector) com 4,5 kω de pull-up) Nível 2 Interface simétrica (14 ma) 127

128 Porto paralelo Totem pole open colector 2,6 ma 4,5 kω 24 ma 128

129 Porto paralelo Nível 2: Interface simétrica (14 ma) Parâmetro V OH V OL V OH V OL R O Slew rate Condição valor circuito aberto < 5,5 V circuito aberto > -0,5 V I O =14mA > 2,4 V I O =14mA < 0,4 V emissor V O =(V OH V OL )/2 50±5 Ω 0,05 0,4 V/ns Parâmetro Condição valor V Ilimiar 0,8 V 2 V histerese I L =14mA 0,2-1,2 V I IH V O = 2 V < 20 µa receptor I IL V O = 0,8 V < 20 µa C i < 50 pf Deve duportar picos de tensão entre 2V e 7 V 129

130 Porto paralelo - saída do emissor adaptada à impedância característica do cabo - entrada do receptor com impedância infinita ρ S = Z Z S S Z + Z 0 0 R D R O 1,2 k R S Z o 5V R S para adaptar impedâncias cabo R S + R D < R o 5V 5V 1,2 k 1,2 k R D R S2 R D R S1 Z O cabo R O R O transceiver transceiver 130

131 Porto paralelo Interface operacional Iniciada em modo de compatibilidade (unidireccional) Depois, por negociação com o periférico: Transmite em mode de compatibilidade Transita para outro modo (bidireccional) Ao ligar a alimentação (fichas recomendadas): Host Logic High e Peripheral Logic High activados para indicar que podem comunicar A interface pode ser re-iniciada: Volta ao modo de compatibilidade ninit (L) e nselection (L) no host 131

132 Porto paralelo Modo de compatibilidade (compatível com o SPP) Define o protocolo utilizado pela maioria dos PCs para transferirem dados para uma impressora. Corresponde ao funcionamento do SPP e é muitas vezes designado por modo Centronics (devido à ficha Centronics da impressora). Neste modo: as linhas de controlo e de status definem o handshaking com o PC as linhas de dados transportam a informação do PC para o periférico. Neste modo: 150 kbytes/s, cabo de 2 m 132

133 Porto paralelo Modo de compatibilidade Dados Status Control 133

134 Porto paralelo Sinais no modo de compatibilidade Tipo Controlo Controlo Controlo Controlo Status Status Status Status Status Dados Sinal STROBE AUTOFEED SELECTIN INIT ACK BUSY PE SELECT ERROR D0 a D7 In/Out Out Out Out Out In In In In In Out Descrição Activo a 0. Indica dados válidos em D0-D7 Activo a 0. Indica à impressora para incluir um LF depois de cada CR Activo a 0. Indica á impressora que foi seleccionada Activo a 0. Activo a 0. Activo a 1.Indica que a impressora está ocupada a receber dados Ausência de papel (Paper Empty) Activo a 1. Indica impressora ligada Activo a 0.Indica condição de erro 8 linhas de saída 134

135 Porto paralelo Registos Offset = Nome R/W Descrição 0 Dados R/W Porto para ler ou escrever dados 1 Status R Contém bits de status 2 Controlo W Usado para definir sinais de controlo * Offset face ao endereço base do porto 135

136 Porto paralelo Ciclo de transferência de dados O programa escreve os dados no registo de dados O programa lê o registo de status para verificar se o periférico não está ocupado (BUSY = 0) Se BUSY = 0 o programa põe no registo de controlo STROBE = 0 O periférico activa a linha BUSY, lê os dados e indica que pde receber novo byte gerando um impulso a L de ACK e depois BUSY = 0 136

137 Porto paralelo Modo nibble Este modo permite criar um canal bidireccional com transferência de dados do periférico para o PC Utiliza 4 das 5 linhas de Status (do periférico para o PC) para os dados e a quinta para gerar uma interrupção ao PC (nibble válido). Nibble 137

138 Porto paralelo Com dois ciclos de transferência obtém-se um byte. Os bits do registo de status têm de ser manipulados por software para obter o nibble. Neste modo, a comunicação do periférico para o PC envolve dois ciclos e execução de software, ficando o ritmo de transmissão limitado a 50 kbytes/s. As limitações não são críticas se os requisitos de transferência do periférico para o PC forem reduzidos. Sinais envolvidos na transferência de dados do periférico para o PC 138

139 Porto paralelo Sinais no modo nibble Sinal SPP STROBE AUTOFEED SELECTIN INIT ACK BUSY PE SELECT ERROR D0 a D7 Sinal STROBE HostBusy 1284Active INIT PtrClk PtrBusy AchDataRe q Xflag ndataavail D0 a D7 In/Out Out Out Out Out In In In In In Out Descrição Não é utilizado na transferência inversa HostBusy = 0, indica que o PC está pronto para receber o nibble. HostBusy = 1 indica que o nibble foi recebido. A 1, indica que o PC está no num modo de transferência 1284 Não é utilizado na transferência inversa PtrClk = 0, indica nibble válido. PtrClk = 1, como resposta a HostBusy = 1 D3, depois D7 D2, depois D6 D1, depois D5 D0, depois D4 Não são utilizados na transferência inversa 139

140 Porto paralelo Ciclo de transferência de dados 1. O PC assinala que pode receber dados (HostBusy = 0) 2. O periférico responde pondo os dados (nibble) nas linhas de Status 3. O periférico assinala que o nibble é válido (PtrClk = 0) 4. O PC indica que recebeu um nibble e ainda não pode receber o seguinte 5. O periférico responde que tomou conhecimento. 6. Repetem-se os cinco passos anteriores 140

141 Porto paralelo Modo byte Este modo permite criar um canal bidireccional. Modo em que as linhas de dados podem ser utilizadas também para leitura de dados do perférico. Modo utilizado pela IBM no porto PS/2. Necessita de apenas um ciclo e não dois como o modo nibble, permitindo ritmos semelhantes ao modo de compatibilidade. 141

142 Porto paralelo Modo byte Sinal SPP Sinal STROBE HostClk AUTOFEED HostBusy SELECTIN 1284Active INIT INIT ACK PtrClk BUSY PtrBusy PE AchDataRe q SELECT Xflag ERROR DataAvail D0 a D7 D0 a D7 In/Out Out Out Out Out In In In In In In/Out Descrição Levado a 0 no fim da transferência de um byte (indica que o byte foi recebido) HostBusy = 0, indica que o PC está pronto para receber o byte. HostBusy = 1 indica que o byte foi recebido. A 1, indica modo de transferência 1284 Não é utilizado na transferência inversa PtrClk = 0, indica nivbble válido. PtrClk = 1, como resposta a HostBusy = 1 Indica canal directo ocupado Segue o sinal DataAvail Não é utilizado Dados estão disponíveis no canal inverso Dados do perférico para o host e em sentido contrário 142

143 Porto paralelo Modo byte 1. PC indica que está pronto para receber dados (HostBusy =0) 2. O periférico coloca o byte nas linhas de dados 3. O periférico indica que os dados são válidos com PtrClk = 0 4. O PC lê os dados e indica que os leu com (HostBusy =1) 5. O periférico responde com PtrClk = 1 e o PC gera em resposta um impulso em HostClk Os passos repetem-se para ler novos bytes. 143

144 Porto paralelo Modo ECP (Extented Capability Port) Modo bidireccional com alto desempenho, inicialmente desenvolvido pela HP e Microsoft (a norma não inclui todas as características). Permite dois tipos de ciclos nas direcções directa e inversa: Ciclo de dados (HostAck = 1) Ciclo de comandos (HostAck = 0) Permite transferências com compressão: RLE Run-Lenght (cadeias de caracteres com bytes seguidos repetidos ) O bit 7 num ciclo de comandos indica se há compressão Permite acesso a múltiplos (até 128) dispositivos lógicos num dispositivo físico (ex: fax/impressora/modem).a impressora pode estar a imprimir e simultaneamente aceder-se ao modem. 144

145 Porto paralelo Sinais no modo de ECP Sinal SPP STROBE AUTOFEED SELECTIN INIT ACK BUSY Sinal HostClk HostAck 1284Active ReverseReque st PeriphClk PeriphAck In/Out Out Out Out Out In In Descrição Utilizado com PeriphAck para transferir dados ou comandos do PC para o periférico. PC indica se são dados ( 1 ) ou comandos ( 0 ) a transferir para o periférico. Utilizado com PeriphClk para transferir informação do periférico para o PC. A 1, indica modo de transferência indica transferência do periférico para o PC Utilizado com HostAck para transferir dados ou comandos do periférico para o PC. O periférico indica se são dados ( 1 ) ou comandos ( 0 ) a transferir para PC. Utilizado com HostClk para transferir informação do PC para o periférico. 145

146 Porto paralelo Sinais no modo de ECP (cont) PE SELECT ERROR D0 a D7 AckReverse Xflag PeriphRequest D0 a D7 In In In In/Out O periférico indica recepção de ReverseRequest Flag de extensibilidade O periférico indica que tem dados para transferir Dados para transferência bidireccional 146

147 Porto paralelo Transferência de informação do PC para o periférico 1. O PC põe os dados em D0-D7 e indica que é ciclo de dados (HostAck = 1 ) 2. O PC põe HostClk = 0 para indicar dados válidos 3. O periférico acusa a recepção (PeriphAck = 1 ) 4. O PC muda HostClk (HostClk = 1 ) para enviar os dados para o periférico 5. O periférico indica que está pronto para novo byte (PeriphAck = 0 ) 6. O ciclo repete-se com HostAck = 0 para indicar ciclo de transferência de comandos 147

148 Porto paralelo Transferência de informação do periférico para o PC 1. O PC pede uma transferência do periférico para o PC (ReverseRequest = 0) 2. O periférico acusa a recepção do pedido (AckReverse = 0 ) 3. O periférico põe os dados em D0-D7 e indica que são dados com PheriphAck = O periférico indica que são dados válidos (PheriphClk = 0 ). 5. O PC acusa a recepção com HostAck = 1 6. O periférico põe PheriphClk = 1 para transferir comandos 7. O PC põe HostAck = 0 para indicar que está pronto para receber novo byte 148

149 Porto paralelo Registos no modo ECP: Offset Nome Data ecpafifo dsr dcr cfifo ecpdfifo Tfifo cnfga cnfgb ecr R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R R/W R/W Modo SPP, byte ECP todos todos EPP Fast Centr. ECP Test Conf. Conf. Descrição Porto de dados FIFO de endereços no modo ECP registo de status registo de controlo FIFO de dados do porto paralelo FIFO de dados do ECP FIFO de test Registo de configuração Registo de configuração Registo de controlo estendido 149

150 Porto paralelo Modo EPP (Enhanced Parallel Port) Modo bidireccional com alto desempenho, inicialmente desenvolvido pela Intel (cicuito integrado 82360), Xircom e Zenith. Permite transferência de dados e de endereços (multiplexados nas linhas D0-D7). A sinalização do tipo de um microprocessador. A identificação de um dispositivo deste tipo passa por uma negociação inicial num dos outros modos bidireccionais 150

151 Porto paralelo Modo EPP (Enhanced Parallel Port) Define 4 tipos de ciclos de transferência iniciados pelo PC: 1. Leitura de dados 2. Escrita de dados 3. Leitura de endereços 4. Escrita de endereços Nos ciclos de leitura e escrita de endereços são passados endereços, informação de controlo e comandos. A taxa de transmissão pode ir de 500k a 2M bytes por segundo (aproxima-se do desempenho do barramento ISA ). 151

152 Porto paralelo Sinais no modo de EPP Sinal SPP STROBE AUTOFEED SELECTIN INIT ACK BUSY PE SELECT ERROR D0 a D7 Sinal WRITE DATASTB ADDRSTB RESET INTR WAIT D0 a D7 In/Out Out Out Out Out In In In In In In/Out Descrição A 0, indica escrita e a 1 leitura A 0, indica que uma operação de leitura ou escrita de dados está a decorrer A 0, indica que uma operação de leitura ou escrita de endereços está a decorrer A 0, faz reset do periférico Usado para o perférico gerar uma interrupção no PC A 0,indica que pode ser iniciado um ciclo de transferência de dados e a 1 que pode ser terminado Pode ser utilizado de diferentes formas Pode ser utilizado de diferentes formas Pode ser utilizado de diferentes formas Dados/endereços bidireccionais 152

153 Porto paralelo Registos no modo EPP Offset Nome R/W Modo Descrição 0 Dados (SPP) W SPP/EPP Porto de dados do SPP 1 Status (SPP) R SPP/EPP Contém bits de status 2 Controlo (SPP) W SPP/EPP Usado para definir sinais de controlo 3 Endereços EPP R/W EPP Para gerar ciclos de leitura e escrita de endereços 4 Dados EPP R/W EPP Para gerar ciclos de leitura e escrita de dados 5-7 EPP Pode ser utilizado ou não. Pode servir, por exemplo, para operações de I/O de 16 ou 32 bits 153

154 Porto paralelo Ciclo de escrita de dados (EPP) 1. O PC escreve no registo de dados EPP (IOW = 0) 2. A linha de WRITE é actuada e os dados são disponibilizados em D0-D7 3. DataStrobe é activado pois o periférico tem WAIT = 0 4. O porto espera a indicação de dados lidos pelo periférico ( WAIT = 1) 5. DataStrobe é desactivado e o ciclo termina 6. O ciclo de I/O termina (IOW = 1) 7. Pode começar novo ciclo 154

155 USB Universal Serial Bus Tem como objectivo substituir as ligações através de RS 232 e de porto paralelo É uma especificação que funciona de facto como uma norma (de facto standard). Versão actual 2.0 ( Foi desenvolvida por um conjunto de fabricantes (Intel, HP, Microsoft, NEC, Agere Systems, Philips) que se associaram em 1995 para promover a utilização de periféricos com esta interface Os computadores actuais têm todos portas USB Existem muitos periféricos com esta interface: impressoras, digitalizadores (scanners), ratos, joysticks, máquinas fotográficas digitais, webcams, microfones, telefones, dispositivos de armazenamento (zips), modems, adaptadores de rede (ethernet, WI-FI, bluetooth), etc 155

156 USB Universal Serial Bus Barramento controlado pelo processador (host) Topologia em estrela com 7 camadas possíveis Até 127 periféricos ligados no barramento 156

157 USB Universal Serial Bus Para além do nível físico define funcionalidade das camadas e nível mais alto do modelo OSI: mensagens e transacções Tem mecanismos de plug and pay: o host detecta que um dispositivo foi ligado e instala o respectivo driver As transferências de dados podem ser síncronas (high speed) ou assíncronas (low e full speed) 157

158 USB Universal Serial Bus Interface mecânica Débitos binários de: High Speed 480 Mbps (Versão 2.0) Full Speeed 12 Mbps (Versão 1.1) Low Speed 1,5 Mbps (Versão 1.1) Para 480 Mb/s e 12 Mb/s é obrigatório utilizar cabo blindado com um par entrançado e dois condutores para a alimentação Para 1,5 Mb/s é recomendada, mas não obrigatória, a utilização de par entrançado Host e hubs (versão 2.0) têm de permitir os 480 Mb/s, mas os dispositivos não. 158

159 USB Universal Serial Bus Fichas Terminal Função V BUS (5V) D- D+ GND Foram também definidas fichas mais pequenas mini-b e mini-a (telemóveis, PDAs, etc) 159

160 USB Universal Serial Bus Cabos (12 Mbps e 480 Mbps) Drain wire: shield das fichas e ligação ao chassis Impedância: 90 ±15% Ω 160

161 Revisões Porto paralelo A interface mecânica: fichas 1284-A (DB25), 1284-B (centronics), 1284-C (36 pinos) Interface eléctrica: cabo nível 1 (interface assimétrica com linhas de dados totem pole e linhas de controlo open collector) e nível 2 (interface simétrica) Interface operacional: Modo SPP (unidireccional) Modo de compatibilidade Modos nibble, byte, PS/2, ECP e EPP (bidireccionais) 161

162 Revisões USB: Ligação em estrela: um host e até 127 hubs e perféricos num máximo de 7 camadas Transferências: síncronas 480Mbps (High Speed na versão 2.0) assíncronas 1,2 Mbps e 15 Mbps (Low e Full Speed na versão 1.1) Host e hubs (versão 2.0) têm de permitir os 480 Mb/s, mas os dispositivos não. Interface série: duas lnhas de dados (D+ e D-) e duas linhas de alimentação (V BUS e ground=) Cabo com par entrançado, blindagem e dois condutores de alimentação obrigatório para 15 Mbps, 480Mbps Fichas tipo A e B (e mini-a e mini-b) 162

163 USB Universal Serial Bus HS driver LS/FS driver HS receptor LS/FS receptor LS/FS Transceiver: 1,5 Mbps, 12 Mbps e 480 Mbps 163

164 USB Universal Serial Bus Rpu nos dispositivos upstream Rpd nos dispositivos downstream Rpu indica o ritmo de transmissão 1,5 Mbps: Rpu ligada a Data + 12 Mbps: Rpu ligada Data 480 Mbps: Rpu desligada O hub e o host implementam os três ritmos e detectam o ritmo dos dispositivos upstream. 480 Mbps: inicialmente comunicação a 12 Mbps (pull-up em Data -), depois Rpu desligada 164

165 USB Universal Serial Bus Receptor diferencial com indicação de dados inválidos (< 100 mv) Receptor para indicação de ficha desligada ( 625 mv) 165

166 USB Universal Serial Bus Transferência de 480 Mbps 166

167 USB Universal Serial Bus Cabo terminado em cada ponta com 45 Ω para a massa. Terminação diferencial de 90 Ω que é a impedância do cabo. Transmissão com activação da corrente do emissor (17,78 ma ) Corrente em D+ ou D- gera ± 400 mv Recepção diferencial (± 400 mv) 167

168 USB Universal Serial Bus Transferência de 1,5 Mbps e12 Mbps 168

169 USB Universal Serial Bus Transmissão Z + R = 45 ± 10% Ω 0 s Recepção 169

170 USB Universal Serial Bus Receptores single-ended: sinalização 170

171 USB Universal Serial Bus 171

172 USB Universal Serial Bus Distribuição de potência Unidade de carga 100mA Dispositivos de baixa potência consomem uma unidade de carga (por omissão) Dispositivos de alta potência consomem até cinco unidades de carga (controlo por SW que é responsável por garantir que há potência adequada para o dispositivo consumir Classes de dispositivos: Root port hubs Bus-powered hubs Self-powered hubs Low-power bus-powered functions High-power bus-powered functions Self-powered functions 172

173 USB Universal Serial Bus Root port hubs: directamente ligados ao host, sendo alimentados pela mesma fonte (AC ou DC) que o controlador do host. Fornecem pelo menos 5 unidades de carga Controller. Such ports are called highpower ports. Sistemas com bateria devem fornecer 1 ou 5 unidades de carga. Bus-powered hubs: Alimentação obtida do Vbus. Só podem consumir 1 unidade de carga quando são ligados e 5 depois da configuração. Só podem fornecer em cada porto 1 unidade de carga. Self-powered hubs: Alimentação exterior. Contudo, podem consumir 1 unidade de carga do dispositivo do hub a que estão ligados para a interface quando as outras funções não estão activas. Podem fornecer em cada porto 1 ou 5 unidades de carga. 173

174 USB Universal Serial Bus Low-power bus-powered functions: Alimentação do VBUS. Só podem consumir 1 unidade de carga. High-power bus-powered functions: Alimentação do VBUS. Só podem consumir até 5 unidades de carga. Só podem fornecer uma unidade de carga. Self-powered functions: Alimentação exterior. Podem consumir 1 unidade de carga para a interface USB quando as outras funções não estão activas. 174

175 USB Universal Serial Bus No nível acima da camada física, o protocolo define Transacções constituídas por pacotes de vários tipos Token packet (cabeçalho) Optional packet (informação) Status packet ( para ack e erros) que são constituídos por vários campos: Sync: sincronismo PID: tipo de pacote ADDR: endereço ENDP: end point CRC: código de correcção de erros EOP: Fim do pacote 175

176 Firewire Interface série, desenvolvida pela Apple. A primeira especificação data de Norma IEEE1394 (1995) Débitos de 100, 200, 400 (1394a) e 800 (1394b) Mbps Utilizada por: Apple, Sony, Adaptec, Creative, etc USB é uma tecnologia mais básica (foi iniciada em 95) e mais limitada, mas apareceu como alternativa e está muito mais divulgada 176

177 Firewire Dois tipos de ambiente: backplane e cabo Topologia em árvore. 177

178 Firewire Cada equipamento pode ter: uma porta é (terminal) duas portas (repetidor: ligação em cadeia) várias portas ( ramificação) Até 63 dispositivos num barramento Transferências de dados síncronas e assíncronas 178

179 Firewire 179

180 Firewire Interface mecânica Cabo: par entrançado, blindado Z o = 110 ± 6 Ω 180

181 Firewire Interface mecânica Fichas: 6 terminais (1394b: 9 terminais) Terminal Shield Sinal Power Ground TPB- TPB+ TPA- TPA+ -- Descrição 24 V sem carga GND e blindagem interior Strobe na recepção, dados na emissão Dados na recepção, strobe na emissão Blindagem exterior 181

182 Firewire 182

183 Firewire 183

184 Ethernet A Ethernet é uma tecnologia de rede local (LAN Local area Network) em que o acesso ao barramento partilhado, utiliza CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Carrier Detection). Os computadores da rede estão ligados ao longo de um cabo, podendo cada computador enviar um sinal para o cabo, sinal esse que todos recebem. Em cada instante, apenas um computador acede ao meio. O paradigma utilizado é do tipo sem conexão (connectionless): não é necessário estabelecer uma ligação antes de enviar um pacote de informação. Versão original da Ethernet com débito binário de 10 Mbps, posteriormente a Fast Ethernet a 100 Mbps e mais recentemente a Gigabit Ethernet a 1, 10 Gbps. 184

185 Ethernet Historial A Xerox Corporation Palo Alto Research Center iniciou o desenvolvimento da topologia de um LAN A Xerox construiu um sistema CSMA/CD para ligar 100 estações de trabalho (workstations) num cabo de 1 km com um ritmo de transmissão de 2.94 Mbps A DEC, a Intel Corporation e a Xerox disponibilizaram uma norma (de facto) para ligação a 10 Mbps. Esta norma serviu base da norma IEEE IEEE Base5; Base2; BaseT; BaseF; 1995 Ethernet a 100 Mbps; 1998 Gigabit Ethernet a 1 Gbps; e em 2002 Gigabit a 10 Gbps. Previsões: 100 Gbps em 2006, 1Terabit em 2008 e 10 Terabits em

186 Ethernet Norma IEEE (802.2 e 802.3) e modelo OSI (DLC) Endereçamento dos nós (DSAP e SSAP) Preâmbulo FCS (Frame Check Sequence) (DLC) Controlo de fluxo e de erros Sequenciamento dos dados 186

187 Ethernet Norma IEEE MAC (Medium Access Control): Trata colisões, enviando sinal (jam); realiza backoff. Evita colisões Recebe tramas Envia tramas PLS (Physical Signalling): Define ritmos de transmissão, tipos de codificação e métodos de sinalização PMA (Physical Media Attachement): Define meio de transmissão (cabo coaxial, par entrançado, fibra óptica) MAC PLS PMA Meio AUI MDI MAU MDI -Medium Dependent Interface AUI - Attachment Unit Inteface MAU Medium Attachment Unit (transceiver) 187

188 Ethernet Hardware NIC Network Interface Card Inclui em firmware o camada MAC Transceivers Recebem o sinal digital do nó (NIC) e envia-o para o cabo (meio ether) em banda de base Recebem o sinal em banda de base do cabo e envia o sinal digital para o NIC Transceiver externo ao NIC (10BASE5) Transceiver e NIC na mesma placa(10base2, 10BASET) 188

189 Ethernet 10BASE5 - Standard or thick-wire Ethernet (803.3) Utilizada no início (1980) e ainda às vezes como backbone porque o cabo coaxial é barato e a boa blindagem permite distâncias grandes. MAU Medium Attachment Unit (transceiver) NIC Network Interface Card 189

190 Ethernet Ficha DB15 para ligação do nó (NIC) ao transceiver Comprimento máximo do cabo AUI 50m Mínima distância entre MAUs: 2,5m Terminador do cabo coaxial: tipo N Comprimento máximo do segmento: 500 m Número máximo de nós ligados ao segmento: 100; Número máximo de nós na rede: 1024 Número máximo repetidores entre nós: 2 Terminação dos dois lados: 50 Ω Terminação de um lado ligada à terra AUI Attachment Unit Inteface 190

191 Ethernet Cabo coaxial grosso: Ligação do transceiver (MAU) ao segmento: 191

192 Ethernet Ficha de ligação tipo N 192

193 Ethernet Ficha DB15 (cabo AUI) 193

194 Ethernet 10BASE2 (Thinnet ou thin-wire Ethernet) Cabo coaxial (50 Ω ) com apenas uma camada de blindagem Conectores BNC de ligação do cabo ao NIC Transceiver e NIC na mesma placa Ligação directa ao segmento da Ethernet 194

195 Ethernet Comprimento máximo do segmento: 185 m Número máximo de nós ligados ao segmento: 30 Mínima distância entre nós: 0,5m Terminador do cabo coaxial: tipo N Número máximo de nós na rede: 1024 Número máximo repetidores: 4 Terminação de 50 Ω num lado ligada à terra 195

196 Ethernet 10BASET (Twisted-pair Ethernet) Topologia em estrela Ligação habitual através de hub 196

197 Ethernet 10BASE T (Twisted-pair Ethernet) Hub com transceiver: detecção da colisão no hub (o hub detecta que está a receber dados enquanto está a transmitir) Cabo: par entrançado (Cat-5 UTP ) e ficha RJ TD+ RD- TD- RD+ NC NC NC NC Par entrançado com terminação de 100 Ω Comprimento máximo 100 m Máximo número de repetidores: 4 Máximo numero de nós num segmento: 2 197

198 Ethernet Topologia em que múltiplos computadores partilham um meio (Ether) único. propagação do sinal segmento emissor receptor Não existe um controlador do barramento, sendo os computadores que lhe estão ligados que coordenam o acesso ao barramento, através de CSMA (Carrier Sense on Multiple-Access networks). Enquanto um computador transmite uma trama, tem o controlo do barramento e todos os outros computadores têm de esperar. Quando acaba a transmissão, o barramento fica acessível a todos os computadores. 198

199 Ethernet Quando nenhum computador está a aceder, não há sinal (carrier) no barramento, podendo um computador enviar dados. não há sinal (carrier) (0,7 V) Durante uma transmissão de uma trama há sinal (carrier) e os outros computadores não podem enviar dados. há sinal (carrier) (variação entre -0,7 e 0,7 V) emissor receptor 199

200 Ethernet Quando dois nós, ao verificarem que o barramento está livre, lhe acedem há uma colisão. não há sinal (carrier) (0,7 V) emissor emissor Um nó, ao iniciar a transmissão, continua a monitorar o barramento e ao detectar a colisão envia um sinal (jam) a indicar este problema. O outro nó recebe a indicação, pára a transmissão e envia sinal (jam). jam jam jam: sinal de 48 bits emissor emissor 200

201 Ethernet CSMA/CD (CSMA/Collision Detection) Algoritmo de binary backoff: Quando há um computador detecta uma colisão, pára de emitir e espera um tempo aleatório para voltar a tentar aceder ao barramento. Se ao aceder, detectar nova colisão, vai duplicando o tempo de forma a diminuir a probabilidade de colisão. 201

202 Ethernet Dispositivos numa rede: NIC (Network Interface Card ) com transceiver Adaptador instalado num computador que permite uma ligação ponto a ponto à rede Repetidor Dispositivo para regenerar ou replicar um sinal, resolvendo problemas de atenuação na linha. Hub (Concentrador) É um repetidor com múltiplos portos (10BaseT) 202

203 Ethernet Dispositivos numa rede: Bridge Divide a rede em segmentos com diferentes domínios de colisão. Actua a nível da camada de ligação de dados (diferente domínio de colisão) Switch (Comutador) É uma bridge com múltiplos portos (mais de duas interfaces) Router (Encaminhador) Nível 3 do modelo OSI (diferente domínio de broadcast) 203

204 204 cabo coaxial transceiver isolamento codificador/ descodificador Manchester buffer, acesso ao PC e MAC PC NIC Network Interface Card (incluindo MAU) Ethernet

205 Revisões USB Firewire Ethernet 10Base5 (thick ethernet) 10Base2 (thin ethernet) 10BaseT (twisted pair ethernet): topologia em estrela com ligação com hub, sendo a detecção de colisão no hub NIC (Network Interface Card), Hub, bridge, switch e router CSMA/CD (Carrier Sense on Multiple-Access networks/collision detection) 205

206 Ethernet NIC transceiver isolamento Descodificador Buffer e interface com o computador alimentação 206 cabo coaxial transceiver isolamento codificador/ descodificador Manchester buffer, acesso ao PC e MAC PC

207 Ethernet Transceiver Receptor do sinal do cabo e geração do sinal digital para o descodificador. BNC RJ45 NE83C92 78QE8392L receptor O receptor detecta tensões 207

208 Ethernet Data buffer: redução dos efeitos de carga na linha e das reflexões (alta impedância e baixa capacidade) 208

209 Ethernet Igualador: para compensar a resposta em frequência do cabo regenerando a forma rectangular do sinal 209

210 Ethernet Filtro passa-baixo (Bessel de 4ª ordem) para obter valor DC da tensão no cabo (detecção de colisões) 210

211 Ethernet Squelch: diferencia estado activo de estado de repouso 211

212 Ethernet Line driver: gera os sinais digitais para o descodificador 212

213 Ethernet Transceiver Emissor do sinal para o cabo e recepção do sinal digital do descodificador. Injecta corrente na linha. NE83C92 78QE8392L 213

214 Ethernet Entradas diferenciais. O emissor gera uma onda quadrada 214

215 Ethernet O díodo reduz o efeito de carga da capacidade do cabo (necessário em 10base5) 215

216 Ethernet O squelch desactiva a transmissão quando o sinal tem duração ou níveis reduzidos. 216

217 Ethernet O temporizador inibe o emissor se este estiver activo mais de um certo intervalo de tempo (falta). 217

218 Ethernet Transceiver Colisões NE83C92 78QE8392L 218

219 Ethernet Se o nível DC da tensão dos dados está mais negativo que o nível da blindagem do cabo de pelo menos Vth o oscilador gera o sinal de colisão. 219

220 Ethernet Heartbeat: indica que o circuito está a funcionar actuando em CD no fim de uma transmissão (sinal de 10MHz) 220

221 Ethernet DP8392C Características eléctricas Symb Parameter Min Typ Max Units I EE1 Supply current out of V EE pin--non transmitting ma I EE2 Supply current out of V EE pin--transmitting ma I RXI Receive input bias current (RXI) µa V CD Collision threshold (Receive mode) -1,45-1,53-1,58 V V OD Differential output voltage (RX g, CD g ) ±550 ±1200 mv V OB Diff. output voltage imbalance (RX ±, CD ± ) ±40 mv V TS Transmitter squelch threshold (TX ± ) mv C X Input capacitance (RXI) 1,2 Max pf 221

222 Ethernet Isolamento entre o transceiver e o codificador/descodificador de manchester 222

223 Ethernet Descodificador do código Manchester O padrão de cada byte dos 7 bytes da trama é

224 Ethernet Descodificador do código Manchester 224

225 Ethernet Interface com a rede (cont) Buffer e interface com o computador 225

226 Ethernet 10baseT transceiver DS

227 7x 8x 9x 10x 11x 12x 7x 8x 9x 10 x 11x 12x C A x 2x 3x 4x 5x 6x 1x 2x 3x 4x 5x 6x A B imac imac imac im ac imac Ethernet Hub (Concentrador) Ethernet hub Todos os nós recebem a trama enviada Recebe o sinal e transmite-no para todos os portos ligados ao hub (é um repetidor). Não filtra ou redirecciona dados entre redes. Permite ligar todos os nós de uma rede, se os hubs estiverem ligados a um backbone Os nós competem no acesso ao meio de transmissão (domínio de colisão). 227

228 Ethernet Bridge Interligação de segmentos numa LAN Opera no nível 2 (OSI) Analisa os endereços de origem e destino e se os dois endereços pertencem ao mesmo segmento a trama é descartada. Bridge transparente: aprende quais os computadores que estão ligados à LAN A e à LAN B, analisando o endereço MAC de origem da trama recebida num dado porto. 228

229 imac imac imac im ac imac Ethernet Switch (comutador) Só o nó de destino recebe a trama enviada Bridge multiporto 229

230 Ethernet Ethernet a 100 Mbps (Fast Ethernet u) compatível com 10BaseT (half-duplex: só um nó a transmitir dados de cada vez ) Característica 100BaseTX 100BaseT4 100BaseFX Segmentos 100 m 100 m 100 m Distância 200 m 200 m 200 m Cabo 2 pares Cat5 UTP 4 pares Cat3, Cat4 e Cat5 UTP Fibra óptica multimodo duplex Half, full Half Half, full 230

231 Ethernet Gigabit Ethernet Mantém-se a compatibilidade com Ethernet e Fast Ethernet GMII Vários tipos de meio para o mesmo controlador MAC 231

232 Ethernet Ethernet a 1 Gbps (Gigabit Ethernet z) Característica 1000BasesSX 1000BaseLX 1000BaseCX Segmentos 220 m (9µm) 550 (62,5 µm) 550 m (multimodo) 5 km (monomodo) 25 m Distância 220 m (9µm) 550 (62,5 µm) 550 m (multimodo) 5 km (monomodo) 50 m Cabo Fibra multimodo (laser 850 nm) Fibra monomodo e multimodo (laser 1300 nm) STP (shielded twisted pair) duplex Half, full Half, full Half, full Utilização Backbone curto Backbone campus Interligação de clusters 232

233 Ethernet Ethernet a 1 Gbps (Gigabit Ethernet ae) Característica Segmentos Distância Cabo duplex 1000BaseT 100 m 200 m Cat 5 UTP 4 pares Half 233

234 Modems Comunicação entre computadores distantes, utilizando a rede telefónica (analógica). Computador Computador RS-232 RS-232 modem modem linha telefónica Para utilizar a linha analógica, é necessário converter o formato de digital para analógico, modulando a informação do lado do emissor, e de formato de analógico para digital, desmodulando a informação do lado do receptor. O modem liga o equipamento digital a uma linha analógica para transmissão de voz com largura de banda de 0,4 a 3,4 khz. 234

235 Modems Os ritmos de transmissão dos modems têm aumentado ao longo dos últimos 30 anos, variando desde 300 bps (V.21) até 56 kbps (V.92) Função dos modems: Marcação automática da chamada, utilizando tons ou impulsos Resposta automática e estabelecimento da chamada Fecho da ligação no fim da transferência ou em caso de erro Negogiação automática do ritmo de transmissão Conversão dos bits em formato adequado à transmissão (modulação) e conversão do formato recebido em bits (desmodulação) Transferência fiável através de handshaking 235

236 Modems Caracterização dos modems Linhas dedicadas e linhas PSTN Síncronos ou assíncronos Tipo de modulação: FSK, DPSK, QAM, TCM, PCM Half Duplex ou full duplex full duplex 236

237 Modems Nomalização ITU- International Telecommunications Union (CCITT) norma Fax/dados data ritmo max. modulação linha V.21 dados FSK PSTN V.22 dados DPSK PSTN V.22 bis dados QAM PSTN V.26 dados DPSK PSTN V.26 bis dados DPSK privada V.26 ter dados DPSK PSTN V.27 fax DPSK privada V.27 bis fax DPSK privada V.27 ter fax DPSK PSTN V.29 fax QAM privada V.32 dados QAM PSTN V.32 bis dados TCM PSTN V.34 dados TCM PSTN V.34bis dados TCM PSTN 237

238 Modems V.90 dados TCM/PCM PSTN V.92 dados PCM PSTN V.90 PCM TCM lacete local (linha analógica) central digital 64 kbps 64 kbps digital PSTN ISP digital 64 kbps WEB 238

239 Modems A norma V.92 tem sobre a norma V.90 as seguintes características, que têm de estar realizadas no operador : Pode receber-se uma chamada, mantendo a ligação à Internet ( Modem On Hold ). A linha telefónica tem de ter a característica Call waiting. Pode realizar-se uma chamada, mantendo a ligação à Internet. A linha telefónica tem de ter a característica 3 way Call. O Modem mantém informação sobre as condições da linha telefónica e do handshaking entre o computados e o ISP, sendo as ligações à Internet, após a primeira, mais rápidas ( Quick Connect ). Utiliza um algortimo de compressão melhorado (V.44) Tem uma ligação upstream de 48 kbps vesus 33kbps da V.90 (PCM upstream) 239

240 Modems Comandos AT (ATtention): programação dos modems Os comando AT são terminados com o caracter CR (carriage return). Os comandos sem CR são, passado algum tempo, ignorados. Os comando AT podem utilizar letras maiúsculas ou minúsculas. O modem tem dois estados: o estado normal em que transmite e recebe caracteres do computador e o estado de comando em que intrepreta os caracteres que recebe como comandos. O modem, depois de estabelecer a comunicação, volta ao modo de comando quando lhe são enviados +++. O modem tem vários registos de estado (registos S0, S1, etc.) que armazenam por exemplo o número de toques antes do modem atender, o número de toques que emite, etc. 240

241 Modems Exemplos de comandos AT ATD nnnnn marca o número nnnnn com tons ATPT nnnnn marca o número nnnnn com impulsos AT S0=n responde automaticamente à chamada depois de n toques AT S0=0 não responde à chamada ATH termina a ligação telefónica +++ volta ao modo de comando AT A atendimento manual AT En ecoa ou não os comandos (n = 0 não,1 sim ) 241

242 Modems Exemplos de comandos AT ATD nnnnn marca o número nnnnn com tons ATPT nnnnn marca o número nnnnn com impulsos AT S0=n responde automaticamente à chamada depois de n toques AT S0=0 não responde à chamada ATH termina a ligação telefónica +++ volta ao modo de comando AT A atendimento manual AT En ecoa ou não os comandos (n = 0 não,1 sim ) AT Ln define o volume do microfone (n = 0 baixo,1 médio, 2 alto) 242

243 Modems AT Q0 indica ao modem para enviar respostas AT Q1 indica ao modem para não enviar respostas AT V0 indica ao modem para enviar respostas numéricas AT V1 indica ao modem para enviar respostas textuais Exemplos de respostas Resposta textual OK CONNECT RING ERROR BUSY CONNECT Resposta numérica Função Comando executado sem erros Foi efectuada uma ligação Foi detectada a chegada de uma chamada Comando inválido A linha remota está ocupada Ligado a um modem de bps 243

244 Modems Exemplo de alguns registos: Reg Função S0 Número de toques antes do modem atender a chamada S1 Contador do número de toques S2 Armazenamento do caracter Escape S3 Armazenamento do caracter Carriage return S6 Tempo de espera pelo sinal de chamada S7 Tempo de espera pela portadora S8 Tempo de pausa para marcação automática Gama Tip

245 Modems Exemplo: estabelecimento e terminação de ligação PC pede uma ligação para o número com tons ATD OK No início o modem está em modo de comando O modem responde e efectua a ligação ao modem remoto PC pede ao modem Para voltar ao modo de comando PC Connect Modem Indica que conseguiu esta- -belecer uma ligação a 9600 kbps O PC manda terminar a ligação ATH OK O modem fica à espera de comando A ligação é terminada OK 245

246 Modems ATQ0V1E0: pede respostas textuais,não tem eco AT+GMM: pede identificação do modelo AT+FCLASS: identifica capacidades do modem (comandos F) AT#CLS=? 246

247 Modem ATI1: calcula checksum da ROM ATI2: testa a ROM com base no checksum ATI3: pede a versão do firmware do modem ATI4: pede identificador OEM ATI5: pede código do país

248 Modems Transmissão de telecópia (fax) Transmissão de imagems sobre uma linha telefónica. O equipamente inclui, um digitalizador (scanner), uma impressora e um modem. A imagem, em tamanho A4, é digitalizada em 1142 linhas (3,85linhas /mm) com 1728 pixeis por linha. 248

249 Modems Transmissão de telecópia (fax) Transmissão de imagems sobre uma linha telefónica. O equipamente inclui, um digitalizador (scanner), uma impressora e um modem. A imagem, em tamanho A4, é digitalizada em 1142 linhas (3,85linhas /mm) com 1728 pixeis por linha. As normas ITU de comunicação para fax definem os grupo I, II, II e IV. 249

250 Modems Transmissão de telecópia (fax) Transmissão de imagems sobre uma linha telefónica. O equipamente inclui, um digitalizador (scanner), uma impressora e um modem. A imagem, em tamanho A4, é digitalizada em 1142 linhas (3,85linhas /mm) com 1728 pixeis por linha. As normas ITU de comunicação para fax definem os grupo I, II, II e IV. O grupo III define a transmissão de pixeis a preto e branco. 250

251 Modems Transmissão de telecópia (fax) Transmissão de imagems sobre uma linha telefónica. O equipamente inclui, um digitalizador (scanner), uma impressora e um modem. A imagem, em tamanho A4, é digitalizada em 1142 linhas (3,85linhas /mm) com 1728 pixeis por linha. As normas ITU de comunicação para fax definem os grupo I, II, II e IV. O grupo III define a transmissão de pixeis a preto e branco. O grupo IV permite a transmissão de níveis de cinzento e cores pixeis a preto e branco a 9600 bps leva 205 s e sendo utilizada compressão (RLE run length encoding) conseguem-se reduções sgnificativas no tempo de transmissão. 251

252 Modems Transmissão de telecópia (fax) Transmissão de imagems sobre uma linha telefónica. O equipamente inclui, um digitalizador (scanner), uma impressora e um modem. A imagem, em tamanho A4, é digitalizada em 1142 linhas (3,85linhas /mm) com 1728 pixeis por linha. As normas ITU de comunicação para fax definem os grupo I, II, II e IV. O grupo III define a transmissão de pixeis a preto e branco. O grupo IV permite a transmissão de níveis de cinzento e cores pixeis a preto e branco a 9600 bps leva 205 s e sendo utilizada compressão (RLE run length encoding) conseguem-se reduções sgnificativas no tempo de transmissão. O grupo III usa compressão com o código modificado de Huffman com taxas de compressão maiores que 10:1 252

253 Modems Código modificado de Huffman Brancos Pretos 16 b, 4 p, 16 b, 2 p, 63 b, 10 p, 63 b bits face a 174 bits ( ) 253

254 CAN Controller Area Network Interface série para controlo distribuído 254

255 CAN Controller Area Network Interface série para controlo distribuído Barramento especificado (1983) pela empresa europeia Robert Bosh, para comunicação dentro de um veículo. 255

256 CAN Controller Area Network Interface série para controlo distribuído Barramento especificado (1983) pela empresa europeia Robert Bosh, para comunicação dentro de um veículo. É actualmente uma norma: ISO Define apenas as camadas física e de ligação de dados 256

257 CAN Controller Area Network Interface série para controlo distribuído Barramento especificado (1983) pela empresa europeia Robert Bosh, para comunicação dentro de um veículo. Permite a comunicação entre os vários sistemas electrónicos, dentro de um veículo (airbag, transmissão, luzes, ar condicionado, etc.), evitando inúmeras ligações ponto a ponto É principalmente utilizado na indústria automóvel e em automação industrial Outras aplicações: comboios, equipamento médico, automação em edifícios, casas e escritórios. É actualmente uma norma: ISO Define apenas as camadas física e de ligação de dados Existem protocolos de nível superior para funcionarem sobre CAN: CAN open, Device Net, Smart Distributed Systems e J

258 CAN Controller Area Network A norma não especifica fichas, utiliza: CiA DSUB (ficha industrial) de 9 pinos DB9 Não especifica cabos, apenas Z 0 = 120 Ω: UTP STP Pode ser utilizada fibra óptica Reservado CAN LOW CAN_GND Reservado CAN_shield (opcional) CAN_GND CAN HIGH Reservado Alimentação 258

259 CAN Controller Area Network Interfaces balanceada com 2 fios high speed CAN low speed CAN (fault tolerant) Terminação dos dois lados com 120 Ω TX CAN_HIGH CAN_LOW UTP ou STP RX GND 120 Ω Nalguns casos pode ser utilizar apenas um fio (SAE j2411 ) 259

260 CAN Controller Area Network Tensões diferenciais dos 2 estados, recessivo e dominante (bits): AN228 Microchip Com fibra óptica: estado recessivo (light off) e estado dominante (light on) 260

261 CAN Controller Area Network Hardware de um nó aplicação Nó microcontrolador controlador CAN transceiver 120 Ω 120 Ω Barramento CAN 261

262 CAN Controller Area Network O barramento tem dois estados lógicos: recessivo e dominante. O estado é definido pela função wiredand de todos os nós. Os bits recessivos são alterados pelos bits dominantes. O barramento só fica em estado dominante se algum dos nós enviar um bit dominante. R T Nó 1 CAN R T Nó 2 + 5V 262

263 CAN Controller Area Network AN228 Microchip Tx = 1 transístores off: CANL e CANH com 2,5 V devido a resistências Tx = 0 transístores on: CANL V CE +V D acima de V SS e CANH V CE +V D abaixo de V DD 263

264 CAN Controller Area Network 264

265 CAN Controller Area Network 265

266 CAN Controller Area Network Camada de ligação de dados (DLL) CSMA (Carrier Sense Multiple Access)/ CD (Colision Detection) com ND (Non Destructive Arbitration). Quando um nó quer transmitir, verifica se o barramento está no estado de idle (Carrier Sense), ou seja que mais nenhum nó está a transmitir (estado recessivo). Nesse caso toma controlo do barramento (master), quando é transmitido a primeiro bit (Start Of Frame) que é dminante. Todos os outros nós passam para o estado de recepção Cada nó receptor, depois de receber correctamente a mensagem, envia a confirmação de recepção (acknowledge) no respectivo slot e verifica pelo identificador se a mensagem é para si, guardando-a ou descartando-a. 266

267 CAN Controller Area Network Se mais de um nó, ao verificarem que o barramento está idle, tentarem aceder ao barramento (Multiple Access) há uma colisão. A detecção da colisão (Colision Detection) é feita por cada nó que envia o seu identificador e monitoriza os níveis do barramento. Se os bits forem idênticos, continua a transmissão. Se outro nó impuser um bit dominante, este passa a modo de recepção. Quando o barramento estiver idle volta a transmitir. 267

268 Interligações sem fios Com fios: RS232 (e 422,423 e 485), GPIB, JTAG, porto paralelo, USB, Firewire, ethernet e CAN Sem fios (short range): Infravermelhos: IrDA RF (Radio Frequency) RFID NFC ZigBee Bluetooth UWB 268

269 IrDA Infrared Data Association Infravermelhos (IR): Distâncias mais curtas, médios e baixos débitos, ligação direccional e em linha de vista (sem interferências com outros equipamentos electrónicos). Tipos: TVR (TV Remote) - unidireccional e mais barato Protocolo IrDA (Infrared Data Association) bidireccional Actualmente instalado em impressoras, PCs, PDAs, telemóveis, máquinas fotográficas, equipameto médico, relógios, etc 269

270 IrDA Infrared Data Association IrDA Interface série para substituição de cabos (1993) Ligações ponto a ponto Débitos até 9600 bps a 16 Mbps (futuro: 100 to 500 Mbps) Distâncias de 0 a 1 metro num ângulo de 30º, Consumo muito baixo Ligações half-duplex (luz apenas num sentido em cada instante) 270

271 IrDA Infrared Data Association Pilha de protocolos Obrigatórios: Camada física, IrLAP, IrLMP e IAS (Information Access Service) Não obrigatórios: IrLAN (acesso à LAN), OBEX (transferência de ficheiros), IrCOMM (emulação de portos série e paralelo) Controlo de fluxo Multiplexagem de serviços e aplicações sobre IrLAP Estabelecimento da ligação fiável (OSI nível 2) Características ópticas, codificação de dados, tramas para vários débitos 271

272 IrDA Infrared Data Association 272

273 IrDA Infrared Data Association Exemplo de comunicação com o protocolo IrDA (ADN0006.pdf da Microchip) Sistema embebido Camada Física MCP2150 (controlador da pilha de protocolos IrDA) codifica/descodifica a sequência de bits 273

274 IrDA Infrared Data Association Transceivers ópticos: 274

275 IrDA Infrared Data Association Transceivers ópticos: 275

276 IrDA Infrared Data Association Transceivers ópticos: Emissores: LEDs Receptores: fotodíodos Polarização inversa Exemplo Os fototransístores, que são mais lentos (ton-toff), utilizam-se em 9600 bps ou em TVR 276

277 Interligações via rádio (RF) Bluetooth WI-FI ZigBee e recentemente UWB e ainda RFID NFC HomeRF (fim 2003) DECT (principalmente para voz) 277

278 Interligações via rádio (RF) Glade Diviney, A Summary of Short-Range Wireless in 2003, 278

279 Interligações via rádio (RF) ZigBee Alliance: LMDS -Local Multipoint Distribution Services (e Wimax) 279

280 Interligações via rádio (RF) Randy Frank, New wireless standard could be lower-cost alternative for wireless sensing and control, Design News, 15 de Março de

281 ZigBee Tecnologia desenvolvida pela ZigBee Alliance: Motorola, AMI, Atmel, Microchip, Philips, Renesas, etc. Adequada para ligações sem fios de baixo débito, baixa latência e baixo consumo: aplicações com sensores e de controlo Norma IEEE ( WPAN): The IEEE TG4 is chartered to investigate a low data rate solution with multi-month to multi-year battery life and very low complexity. It is intended to operate in an unlicensed, international frequency band. Potential applications are sensors, interactive toys, smart badges, remote controls, and home automation. 281

282 ZigBee low-power Sensores sem fios Zigbee Alliance: 282

283 ZigBee Norma IEEE ( WPAN) ZigBee Alliance: 283

284 ZigBee Características: Muito baixo consumo (baterias pequenas a durarem muitos meses até vários anos). Factor de ciclo de 1%. 20 kbps a 250 kbps em duas bandas de frequência 2,4 GHz Global 250 kbps 16 canais O-QPSK 868 MHz Europa 20 kbps 1 canal BPSK 915MHz América 40 kbps 10 canais BPSK Alcance típico de 30 m (10 a 100m) 284

285 ZigBee DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) sequência de espalhamento 285

286 ZigBee DSSS Sinal a enviar r bps +1-1 Sequência de espalhamento (chip sequence) 3r bps Sinal enviado 3r bps

287 ZigBee Sinal recebido a 3r bps Sequência de espalhamento 3r bps Sinal a ser recebido r bps

288 ZigBee CSMA/CA A estação que pretende transmitir verifica o estado do canal. Se o canal está livre (durante um certo intervalo de tempo) transmite. Se o canal está ocupado, a transmissão é diferida e é iniciado um processo de backoff. Não há detecção de colisão porque não pode haver emissão e recepção ao mesmo tempo (antena). 288

289 ZigBee CSMA/CA É através de um ACK que o emissor sabe que não houve colisão Nó A ACK Nó B t 289

290 ZigBee Topologias: Estrela cv cv FFD coordenador RFD Malha cv cv cv cv Ponto a ponto cv cv cv cv 290

291 ZigBee Dois tipos de dispositivos: FFD (Full Function Device) Pode ser utilizado em qualquer topologia Pode ser o nó coordenador da rede Pode ser coordenador Pode falar com qualquer outro nó RFD (Reduced Function Device) Topologia em estrela Não pode ser o nó coordenador da rede Só pode falar com o nó coordenador da rede 291

292 Revisões Rede CAN (Controller Area Network) Interligações sem fios Infravermelhos (TVR e IrDA) RF ZigBee 292

293 Revisões ZigBee baixo débito, baixa latência e baixo consumo: aplicações com sensores e de controlo Frequências (bandas ISM) e débitos 2,4 GHz 868 MHz 915MHz Global Europa América 250 kbps 20 kbps 40 kbps Alcance típico de 30 m (10 a 100m) Espalhamento espectral: DSSS CSMA/CA Topologias em malha, estrela e ponto a ponto Nós FFD e RFD 293

294 Zigbee Sensor sem fios ZigBee Alliance: _zigbee.ppt 294

295 Zigbee Sensor sem fios ZigBee Alliance: 295

296 ZigBee Esquema de um circuito integrado RF Jennic Ltd, "Chip Level IP for Low Power IEEE Single Chip Transceivers, White paper, February,

297 ZigBee Modulação QPSK

298 ZigBee Desmodulação QPSK 298

299 ZigBee Sinal QPSK não tem amplitude constante no tempo: problema para o amplificador (não linearidades) Offset QPSK 299

300 ZigBee Com offset de meio bit a amplitude tem menores variações 300

301 ZigBee Bloco de processamento de banda de base (modem) Jennic Ltd, "Chip Level IP for Low Power IEEE Single Chip Transceivers, White paper, February,

302 ZigBee Controlador de banda de base (MAC - nível inferior) 302

303 IEEE IR, FHSS e DSSS Max: 2 Mbps 2,4 GHz 303

304 IEEE FHSS (Frequêncy Hopping Spread Spectrum) Os dados modulam uma portadora A frequência da portadora varia de acordo com um código de espalhamento (lista das frequências por onde salta a portadora) Em existem 29 frequências e 26 canais 304

305 IEEE f (MHz) ,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 0,800 0,900 tempo 305

306 IEEE b (comercial: WI-FI) DSSS CCK (complementary Code Keying) Max: 11 Mbps 2,4 GHz 306

307 IEEE Em b: sequência de espalhamento chip de Baker com 11 bits M chips/s 1 Mbps 307

308 IEEE g (compatível com b) 2,4 GHz Débito máximo (Mbps) Transmissão Modulação 54 OFDM 64 QAM 48 OFDM 64 QAM 36 OFDM 16 QAM 24 OFDM 16 QAM 18 OFDM QPSK1 12 OFDM QPSK 11 DSSS CCK2 9 OFDM BPSK3 6 OFDM BPSK 5.5 DSSS CCK 2 DSSS QPSK 1 DSSS 64 QAM 308

309 IEEE a 5 GHz Data Rate (Mbps) Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier Coded bits per OFDM symbol Data bits per OFDM symbol 6 BPSK 1/ BPSK 3/ QPSK 1/ QPSK 3/ QAM 1/ QAM 3/ QAM 2/ QAM 3/

310 IEEE

311 IEEE Data Rate (Mbps) Approximate Throughput (Mbps) Throughput as a Percentage of b Throughput b % g (802.11b clients in cell) % g (no b clients in cell) % a % Capacity, Coverage, and Deployment Considerations for IEEE g, 311

312 IEEE n Em normalização pelo grupo IEEE task N ainda não há acordo 2 propostas TgnSync: Atheros, Intel, Sony, Matsushita, Toshiba Wwise: Airgo Networks, Broadcom, Conexant, Motorola, Nokia, and Texas Instruments Compatível com a e g Banda 5 GHz BW: 20 (TgnSync) ou 40 Mhz (WwIse) Wwise: 135 Mbps obrigatório e 270 Mbps e 540 Mbps opcional 312

313 IEEE OFDM QAM (constelações de 16 e 24 pontos) MIMO (Multiple Input Multiple Output) : informação enviada em múltiplas antenas James M. Wilson, Quadrupling Wi-Fi speeds with n, 313

314 IEEE CSMA/CA 314

315 IEEE Redes AD-HOC Estação 3 PDA Estação 4 Desktop Laptop Estação 2 IBSS1 Laptop Estação 1 Laptop Estação 2 IBSS2 Estação Laptop

316 IEEE Redes com infra-estrutura Estação 3 PDA ESS Estação 4 Desktop BSS1 Ponto de acesso Ponto de acesso Laptop Estação 1 BSS2 Laptop Estação 2 Laptop Estação 1 316

317 IEEE Redes com infra-estrutura 317

318 IEEE The 2.4GHz IEEE802.11b DSSS WLAN 318

319 IEEE Pengfei Zhang, et al,. A CMOS Direct-Conversion Transceiver for IEEE 02.11a/b/g WLANs 319

320 IEEE STMicroelectronics 320

321 Bluetooth Tecnologia desenvolvida pela Ericsson em 1994 Bluetooth Special Interest Group (SIG) com 5 empresas (Ericsson, Intel, Nokia, Toshiba e IBM) em ª versão da especificação em 1999 Versão actual 2.0 IEEE em 2002 Voz e e dados Perfis (profiles) 321

322 Bluetooth FHSS: 79 portadoras afastadas de 1 MHz (em frança 23 hops) Alcance m 3 classes de funcionamento Classe mw 100m Classe 2 1-2,5 mw 10m Classe 3 1 mw 0,1 a 10m 2.4 GHz ISM band Max: kb/s Voz: codecs PCM e CVSD (ambos 64 kbps) GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) em que 1 é represenatdo por um desvio positivo na frequência e 0 por um desvio positivo 322

323 Bluetooth vcard/vcal WAE Browser OBEX WAP UDP TCP AT Commands TCS Bin HTTP UDP TCP SDP IP IP PPP BNEP RFCOMM L2CAP Audio HCI (Host Controler Interface) LMP (LM) Baseband (LC) Radio - Bluetooth (BT) Core protocols - BT Network Encapsulation protocol - BT Adopted protocols - Applications - BT Cable Replacement protocol - BT Telephony Control protocols - Other adapted protocols 323

324 Bluetooth 324

325 UWB UWB signal, according to FCC (Federal Communication Comission): FBW BW = BW f c > 0.2 or BW > 500 MHz f H + fc = = f H f L 2 f L f H and f L upper and lower frequency of the 10dB emission point. 325

326 UWB Frequency Bands and Operational Requirements for UWB using unlicensed bands sharing frequencies with existing and planned radio services, particularly safety services, without harmful interference with particular concern of the impact of any potential interference to the GPS band ( MHz) Operating restrictions for three types of devices: Imaging Systems Vehicular Radar Systems Communications and Measurement Systems 326

327 UWB Support for several type of UWB applications: Imaging Systems GPRs (Ground Penetrating Radar) (< 960 MHz or GHz) wall imaging systems (< 960 MHz or GHz) through-wall imaging systems (<960 MHz or GHz) surveillance systems ( GHz) medical systems ( GHz) Vehicular Radar Systems (22-29 GHz.) Communications and Measurement Systems ( GHz) Unlicensed based. Operation indoors or employing hand held devices 327

328 UWB UWB Emission Limits for Communications Systems Indoor Systems Outdoor Systems: hand-held devices GPS band GPS band GHz dbm 328

329 Brief history : initial work on time domain electromagnetics : development of radar and remote sensing applications : use of short pulses. Referred as baseband, carrier-free or impulse, more recently UWB : work by FCC to permit the marketing and operation of products incorporating UWB ultra-wideband (UWB) radio systems. Emission measurements procedures defined. 329

330 Brief history : two IEEE a (WPAN) PHY proposals (merged) Multiband OFDM from WiMedia Alliance using multi-band OFDM DS-UWB from UWB Forum using Impulse Radio 2005, March: FCC waiver of its emission measurement procedures 330

331 Regulation & Standardisation USA: Regulation: FCC supported by the NTIA (National Telecommunications and Information Administration). Standardisation: IEEE a Europe Regulation: ETSI (European Telecommunications Standard Institute )ERM TG31A following a mandate from the European Commission (2004) and by CEPT SE24 Standardisation: ETSI TG 31a is also in the process of producing standards for the UWB technology, following the compatibility studies by CEPT (Comité European des Postese Telecommunications) The International Telecommunications Union (ITU-R) is also addressing UWB compatibility with radio-communications systems. 331

332 Regulation & Standardisation IEEE has two proposals for voting: from Wimedia alliance MBOA (Multi-band OFDM Alliance) joined Wimedia Uses Multi-band OFDM from UWB forum Uses Impulse radio 332

333 Impulse Radio No carrier modulation: burst of RF energy pulses directly to the antenna The transmitted signal consists of a train of impulses at baseband, normally in the order of a nanosecond Impulse shapes, referred as monocycles, are obtained from the Gaussian pulse: 1.0 Gaussian Pulse (ns) p g () t = 1 exp 2πσ 1 2 t 2 µ σ 333

334 Impulse Radio First derivative Rayleigh monocycle Second derivative Gaussian monocycle (ns) (ns) Two reversed gaussian pulses with a time gap Doublet monocycle (ns) 334

335 Impulse Radio Bit modulation: PPM (pulse position modulation), M-ary PPM, PAM (pulse amplitude modulation), M-ary PAM, BPM (biphase modulation), OOK (on-off keying), TSK (time-shift-keying), etc Multi-access: TDMA (TH-UWB), CDMA (DS-UWB) 335

336 Multi-band Bandwith divided into several bands. OFDM can be used Several bands are used to transmitted data simultaneously over multiple carriers. Can also be used for multiple access a P (dbm) dbm f (MHz) 336

337 UWB systems Transmitter architecture Pulse generation Pulse shaping Modulation Power Amp. Data Impulse Radio 337

338 UWB systems Transmitter architecture baseband processing IFFT DAC Power Amp. Data e j2 π f c t Multi-band OFDM 338

339 Conclusions UWB is a new promising technology for short-range and highthroughput connectivity of any number of devices in the home (PC peripherals, digital video recorders, set-top boxes, televisions, etc). UWB benefits: low power, low cost, high bit rate, unlicensed band, large spectrum bandwith associated. UWB drawbacks: small distances (20m), problems with interferences yet to be detected. There is a lot of ongoing research world-wide regarding UWB technology There are IC manufacturers addressing this technology. Several chipsets announced for 2005 Some chipsets already exist although only for special clients 339

340 Conclusions Good perspectives for UWB, according to forecasts: 340