Instituto Superior Politécnico de Viseu Escola Superior de Tecnologia Departamento de Informática Cu rs o d e En g e n h aria De Sist ema s e In f o rmá tica TECNOLOGIA DAS COMUNICAÇÕES An o Lectiv o d e 20 0 2/ 20 0 3
TECNOLOGIA DAS COMUNICAÇÕES 1. INTRODUÇÃO. Actualmente, as comunicações entram na nossa vida diária de variadas formas de tal modo que é difícil dissociar-se ou, sequer imaginar ser possível a nosso existência sem a sua utilização nas suas variadas funções. Os telefones fixos e telemóveis presentes em todo o lado, a rádio e a televisão, o computador no escritório e em casa, e o jornal, são tudo meios capazes de nos fornecer uma comunicação rápida de e para qualquer parte do mundo. As comunicações possibilitam a orientação de navios em alto mar, de aviões em voo, de armas de longo alcance e de satélites, o telemóvel mantém as pessoas sempre em contacto quer se desloquem de casa para o emprego ou em viagem a muitos quilómetros de distância, permite que as previsões sobre o tempo sejam mais fiáveis por se basearem em informação recolhida em múltiplos sensores que podem estar instalados remotamente. De facto, a lista de aplicações envolvendo o uso das comunicações nas suas variadas formas é quase infinita. 1.1. Objectivos. Neste contexto, este texto apresenta os princípios teóricos básicos envolvidos na comunicação eléctrica ou electromagnética e pretende servir de apoio á disciplina de Tecnologia das Comunicações do Curso de Engenharia de Sistemas e Informática da Escola Superior de Tecnologia de Viseu. Como o curso não está estritamente vocacionado para a electrónica e telecomunicações, os assuntos aqui apresentados têm uma abordagem introdutória aos métodos envolvidos na transmissão de informação e inerentes limitações dos sistemas físicos de comunicação. Pretende-se, no final do semestre, que o aluno conheça os diferentes tipos de modulação utilizados nos sistemas de comunicação analógicos ou digitais bem como os 1
meios necessários para gerar essas modulações e posteriormente recuperar a informação transmitida. Neste processo, pretende-se também que o aluno compreenda a influência do ruído nas comunicações e também os métodos usados para superar a sua influência. Além destes aspectos, outros processos estão presentes nas comunicações, nomeadamente, a eliminação de redundância (compressão de dados) e a encriptação que têm o objectivo de tornar as comunicações digitais mais rápidas e seguras. 1.2. Evolução das Telecomunicações. Attention, the Universe! By kingdoms, right wheel! Esta frase profética foi a primeira frase enviada através do telégrafo sobre uma linha de 16 km por Samuel F. B. Morse em 1838. Nesse momento nasceu uma nova era, a era da comunicação eléctrica. Durante o século e meio seguinte a evolução das comunicações chego u ao ponto de permitir que telespectadores do mundo inteiro possam ver na sua TV astronautas a trabalhar no espaço. O telefone, o rádio e a televisão tornaram-se parte integrante da nossa vida. Circuitos de longa distância estão espalhados pelo mundo inteiro transportando texto, dados, voz e imagem. Os computadores podem dialogar com outros computadores em qualquer parte do mundo através de redes intercontinentais. Uma grande evolução ocorreu desde a primeira experiência de Morse, mas certamente, as próximas décadas irão trazer inúmeras melhorias nas comunicações, fundamentalmente impulsionada pelas comunicações digitais entre sistemas e computadores. A tabela e figuras seguintes apresentam uma perspectiva cronológica da evolução da comunicação eléctrica. São apresentadas as invenções importantes, descobertas científicas, publicações importantes, e nomes associados com essas descobertas. Ano Evento 1 8 0 0-1837 Desenvolvimentos preliminares. Volta descobre a bateria; avanços teóricos na matemática através de Fourier, Cauchy e Laplace; experiências com electricidade por Oersted, Ampere, Faraday e Henry; Lei de Ohm em 1826; primeiras experiências com o telégrafo por Gauss, Weber e Wheatstone. 1 8 3 8-1866 T e l e g r a f i a. Morse aperfeiçoa o seu sistema; Steinheil descobre que a terra pode ser usada como condutor de corrente; inicio do serviço comercial de Morse (1844); estudo de técnicas de multiplexagem; William Thomson calcula a resposta impulsional de uma linha telefónica (1855); instalação de cabos transatlânticos; leis de Kirchhoff para análise de circuitos (1845); Equações de Maxwell prevendo a radiação electromagnética. 1 8 7 6-1899 Telefone. Transdutor acústico aperfeiçoado por Alexander Graham Bell, depois de tentativas feitas por Reis; primeira conversa telefónica em New Haven (1878); microfone de carvão por Edison; introdução dos circuitos por cabo; Strowger planeia a comutação automática (1887); teoria da impedância de um cabo por Heaviside, Pupin e Campbell; 2
Ano Evento 1 8 8 7-1907 Telegrafia sem fios. Henrich Hertz verifica a teoria de Maxwell; demonstrações por Marconi e Popov; patente do sistema completo de telegrafia sem fios por Marconi (1897); teoria dos circuitos de sintonização desenvolvidos por Sir Oliver Lodge; inicio do serviço comercial, incluindo a comunicação de e para navios e sistemas transatlânticos; Oliver Heaviside publica estudos sobre cálculo operacional, circuitos e electromagnetismo (1892-1 8 9 9 ). 1 9 0 4-1920 Comunicação electrónica. Lee De Forest inventa o Audion (tríodo) baseado no díodo de Fleming; estudo de filtros por G.A. Campbell e outros; experiências com transmissões de rádio em AM; linha transcontinental de telefone com repetidores electrónicos colocado por Bell (1915); introdução da multiplexagem em linhas telefónicas; E. H. Armstrong aperfeiçoa o r e c e p t o r d e r á d i o s u p e r -eterodino; primeira emissora de rádio comercial a KDKA em Pittsburgh. 1 9 2 0-1928 Teoria da Transmissão. Publicações de importantes estudos sobre a teoria de transmissão de sinal por J. R. Carson, H. Nyquist, J. B. Johnson e R. V. L. Hartley. 1 9 2 3-1938 Televisão. Demonstração de um sistema mecânico para formação de imagens por Baird e Jenkins; análise teórica dos requisitos de largura de banda; Farnsworth e Zwory-Kin propõem sistemas electrónicos; tubos de raios catódicos aperfeiç oados por DuMont e outros; primeiros testes e inicio de emissões de televisão experimental. Criada a Comissão federal das Comunicações (1927); Inicio do serviço de Teletipo (1931); H. S. Black desenvolve o amplificador com feedback negativo (1934); Armstro ng publica estudo sobre rádio em FM (1936); Alec Reeves concebe a Modulação por Codificação de Impulso ( 1 9 3 7 ). 1 9 3 8-1945 S e g u n d a G u e r r a M u n d i a l. Desenvolvimento do radar e de sistemas de micro- ondas; Utilização extensiva da modulação FM para comunicações militares; avanços na electrónica, hardware e teoria em todas as áreas. 1 9 4 4-1947 Teoria de comunicação estatística. Rice desenvolve representações matemáticas do ruído; Weiner, Kolmogoroff e Kotel nikov aplicam métodos estatísticos na detecção do sinal. 1 9 4 8-1950 T e o r i a d a i n f o r m a ç ã o e c o d i f i c a ç ã o. C. E. Shannon publica as bases da teoria da informação; Hamming e Golay desvendam os códigos correctores de erros. 1 9 4 8-1962 Invenção do transístor por Bardeen, Brattain e Shockley (1948-1951). Multiplexagem p o r divisão de tempo aplicada às linhas telefónicas (1950). Estabelecimento da norma de TV a cores nos EUA (1953). J. R. Pierce propõe os sistemas de comunicação por satélite (1955). Primeiro cabo transoceânico com 36 canais de voz (1956). Desenvolvimento da comunicação de dados a longa distância para fins militares (1958). Maiman demonstra o primeiro laser (1960). Passagem á produção comercial de circuitos integrados (1961). Inicio das comunicações por satélite com o Telstar I (1962). 3
Ano Evento 1 9 6 2-1966 C o m u n i c a ç ã o digital a alta velocidade. Serviço comercial de transmissão de dados; Prova de que a modulação por codificação de impulso é realizável para transmissão de voz e TV; grandes melhorias na teoria e implementação da comunicação digital, incluindo os métodos d e codificação para controlo de erros por Viterbi e outros, e o desenvolvimento da equalização adaptativa por Lucky e outros. Osciladores de micro-ondas de estado sólido aperfeiçoados por Gunn (1963). Sistema completo de comutação telefónica entra em serviço (1964). A sonda espacial Mariner IV transmite imagens de Marte para a Terra. 1 9 6 6-1975 S i s t e m a s d e c o m u n i c a ç ã o e m b a n d a l a r g a. Sistemas de Tv Cabo; sistemas comerciais de satélites para comunicações ficam disponíveis; ligações ópticas usando o laser e fibras ópticas; Criação da primeira rede de computadores ARPANET (1969) seguida de outras redes de computadores intercontinentais. 1 9 7 5 - O e s t a d o d a a r t e. Módulos de comunicação com circuitos integrados; dispositivos MOS de potência para altas frequências; processamento digital de sinal usando microprocessadores; circuitos de filtragem usando condensadores comutados e ondas acústicas de superfície; teoria da distorção e codificação preditiva aplicada à compressão de dados. Emissões de rádio digital (DAB) e de televisão digital (DVB H D T V ). Actualmente estamos na era das comunicações globais: a Internet, as redes de comunicação por satélites de baixa altitude, o pager e o telemóvel, o videotelefone, etc. Tabela 1.1 Cronologia da comunicação eléctrica e electromagnética. Figura 1. 1 Comparação entre as evoluções das comunicações e dos transportes. Muitos das evoluções mencionadas nesta cronologia vão ser alvo de discussão neste texto, para uma melhor compreensão e relacionamento com alguns eventos, será sempre interessante voltar a consultar a tabela e figura anteriores. 4
1.3. Componentes de um Sistema de Comunicação. 1.3.1. O Sistema de Comunicação Analógico. Os sistemas de comunicação electromagnéticos estão designados para transmitir mensagens ou informação de uma fonte que gera mensagens para um ou mais destinos. Em geral um sistema de comunicações pode ser representado por um diagrama de blocos representado na Figura 1.2 Ruído, Distorção, Interferências Fonte de Informação e transdutor Sinal a Transmitir Emissor Canal de Comunicação (Atmosfera, cabo coaxial, cabo óptico,... ) Receptor Transdutor de saída Sinal de Saída (Destinatário) Figura 1.2 Diagrama de blocos funcional de um sistema de comunicações. A informação a transmitir nos sistemas de comunicações poderá ser por exemplo a voz humana, imagen s como os sinais de televisão, sinais de controlo de sistemas de comandado à distância, texto, etc. A informação gerada por estas fontes têm como principal característica comum o facto de gerarem informação que só pode ser descrita em termos probabilístico s, ou seja, uma fonte de informação não é determinística, caso contrário, não seria necessário transmiti -la. Um transdutor é frequentemente necessário para converter uma fonte de informação num sinal eléctrico mais adequado para a transmissão electromagnética. Por exemplo, o microfone e a câmara de vídeo servem de transdutores que convertem o sinal acústico de voz ou informação luminosa que formam imagens em sinais eléctricos. No destinatário, tem que existir também um transdutor com funcionalidade complementar, ou seja, converter os sinais eléctricos recebidos para uma forma compreensível pelo utilizador (sinais acústicos, imagens, etc.). Um sistema de comunicações consiste sempre em três partes básicas, nomeadamente, o emissor, o canal de comunicação e o r eceptor. O emissor. O emissor converte os sinais eléctricos numa forma em que seja possível enviá-los através de um meio de transmissão. Por exemplo, a emissão de rádio e televisão tem definidas um conjunto de frequências em que cada um pode transmitir, en tão o emissor deve converter a informação de modo a que esta se adaptar à frequência que lhe 5
está reservada. Desta forma, podemos ter vários emissores de rádio e televisão sem que interfiram entre eles. Funções similares são aplicadas nos sistemas de comunicação telefónicos, onde os sinais eléctricos originários de vários utilizadores são transmitidos através do mesmo fio. Em geral, o emissor faz coincidir a informação na forma de sinal eléctrico com o canal de comunicação através de um processo chamado de modulação. Este processo permite acomodar a transmissão de múltiplas mensagens através do mesmo canal físico. Usualmente, a modulação envolve a utilização do sinal de entrada para sistematicamente variar a amplitude, frequência ou fase de uma portadora sinusoidal. Dentro desta categoria existem as modulações AM e FM utilizadas para difusão de rádio e televisão, e a modulação PM. A escolha do tipo de modulação a utilizar está baseada em vários factores tais como a largura de banda disponível, tipo de ruído e interferências que o sinal sofre na transmissão por um canal de comunicação, e os dispositivos electrónicos disponíveis para gerar e amplificar a modulação antes da transmissão. Além da modulação, o emissor também desempenha funções de filtragem do sinal, amplificação do sinal modulado e, no caso da transmissão sem fios, a radiação do sinal através de uma antena. O canal de comunicação. O canal de comunicação é o meio físico que é utilizado para enviar o sinal do emissor até ao receptor. Na transmissão sem fios o canal de comunicação é normalmente a atmosfera. Por outro lado, a comunicação telefónica normalmente utiliza diferentes canais de comunicação, incluindo o fio condutor, a fibra óptica e a transmissão sem fios. Qualquer que seja o canal de comunicaç ão considerado, uma das suas principais características é a corrupção do sinal transmitido de uma forma aleatória através de uma grande variedade de mecanismos. A forma mais comum de degradação do sinal aparece na forma de ruído que se vai somar ao sinal (ruído aditivo ). O ruído gerado no receptor quando o sinal é amplificado é muitas vezes chamado de ruído térmico. Nas comunicações sem fios, podem ocorrer outro tipo de perturbações aditivas com origem humana ou atmosféricas e que são captadas pela antena receptora, como por exemplo, a ignição automóvel e as descargas eléctricas durante as trovoadas. Interferências de outros utilizadores do mesmo meio físico de comunicação é também uma outra forma de ruído aditivo que frequentemente aparece nos sistemas com e sem fios. Existem também interferências consideradas não aditivas, como por exemplo a comunicação por múltiplos caminhos, esta perturbação manifesta-se na recepção do mesmo sinal que percorreu diferentes percursos e que chega ao receptor em instantes de tempo diferentes consoante o percurso que percorreu. Esta perturbação é chamada de f a d i n g. Tanto as distorções provocadas pelo ruído aditivo e não aditivo podem ser caracterizados como fenómenos aleatórios e, portanto, serem descritos em termos estatísticos. O efeito das distorções de sinal tem de ser sempre consideradas no projecto de um sistemas de comunicações. No seu desenvolvimento, trabalha-se com modelos 6
matemáticos que estatisticamente caracterizam a distorção do sinal encontrada no canal de comunicação que, muitas vezes resulta de medidas empíricas obtidas através das experiências de transmissão de sinais através desses canais. Por outro lado, as características estatísticas de um canal de comunicação podem variar significativamente ao longo do tempo, e que deve ser sempre tomado em consideração para que o sistema consiga ultrapassar uma grande variedade de distorções de sinais. O receptor. A função do receptor é a de recuperar a mensagem transmitida contida no sinal recebido. Se o sinal foi transmit ido através de uma modulação, o receptor deve realizar o processo inverso chamado de desmodulação para extrair a mensagem. Como a desmodulação é feita em presença do ruído aditivo e de outras distorções, a mensagem desmodulada é geralmente degradada relati vamente ao que tinha sido enviado. A fidelidade da mensagem recebida está dependente do tipo de modulação, das amplitudes do ruído aditivo e dos outros tipos de interferências. Além de realizar a sua função primária de desmodulação, o receptor também realiz a um conjunto de tarefas secundárias como por exemplo, a filtragem do sinal e a redução do ruído. 1.3.2. O Sistema de Comunicação Digital. No ponto anterior, descreveu -se a comunicação electromagnética de uma forma bastante genérica em termos dos seus componentes, não tendo ainda sido referido as implicações para os sistemas de comunicação relativamente à forma do sinal a transmitir. Até a este momento, quanto foi referida a mensagem a transmitir, estava mais ou menos implícito que esta tinha uma forma contínuo no tempo. A este tipo de sinais são chamados sinais analógicos e ás fontes de informação, fontes analógicas. Os sinais analógicos podem ser directamente modulados e transmitidos através de um canal de comunicação, e desmodulados de igual forma no receptor. A este tipo de sistema é chamado sistema de comunicação analógico. Em alternativa, uma fonte de informação analógica pode ser convertida para uma forma digital, a mensagem resultante pode ser transmitida através de uma modulação digital e desmodulada com o um sinal digital no receptor. Há potenciais vantagens em transmitir um sinal analógico utilizando uma modulação digital, sendo a principal razão a melhoria da qualidade do sinal no receptor devido ao facto de o sinal digital permitir a sua regeneração ao longo da transmissão, eliminando os efeitos do ruído. Uma outra razão para utilizar sinais digitais resulta do facto dos sinais analógicos poderem ser muito redundantes e que, através do seu processamento digital pode ser eliminado, resultando numa menor exigência em termos de largura de banda. Uma terceira razão está relacionada com o facto de os sistemas de comunicação digital serem frequentemente menos onerosos. Num sistema de comunicações digital, as operações funcionais realizadas no emissor e no rece ptor devem incluir a digitalização do sinal analógico no emissor e a interpolação 7
no receptor para obter novamente o sinal analógico. Funcionalidades adicionais podem incluir a remoção de redundância, codificação de canal e descodificação. A Figura 1. 3 ilustra o diagrama funcional e os elementos básicos de um sistema de comunicações digital. O sinal de entrada e de saída tanto podem ser do tipo analógico como o audio e vídeo, ou do tipo digital como texto ou dados. Fonte de Informação e transdutor Sinal a Transmitir Codificador de Fonte Ruído, Distorção, Interferências Codificador de Canal Modulador Digital Canal de Comunicação (Atmosfera, cabo coaxial, cabo óptico,... ) Desmodulador Digital Descodificador de Canal Descodificador de Fonte Transdutor de Saída Sinal de saída (Destinatário) Figura 1.3 - Diagrama de blocos de um sistema de comunicações digital. Nos sistemas de comunicação digital, as mensagens produzidas pela fonte de informação são convertidas em sequências de dígitos binários. Idealmente, a fonte de informação deve gerar um número mínimo de dígitos binários, para se obter uma eficiente representação da fonte de informação com pequena ou nenhuma redundância. Ao processo de eliminação de redundância de uma fonte de informação analógica ou digit al é chamado codificação de fonte ou compressão de dados. A sequência de dígitos binários provenientes do codificador de fonte, chamada sequência de informação, é passada ao codificador de canal, que tem como função acrescentar, de uma forma controlada, al guma redundância á sequência de informação que pode ser utilizada pelo receptor para ultrapassar os efeitos produzidos pelo ruído e interferências resultantes da transmissão do sinal por um canal de comunicação. A redundância adicionada serve para aumentar a confiança nos dados recebidos melhorando a qualidade do sinal recebido porque permite detectar e corrigir erros. A sequência de dígitos binárias fornecido pelo codificador de canal é entregue ao modulador digital que serve de interface com o canal de co municação. A função do modulador digital é semelhante ao modulador analógico, ou seja, faz coincidir a informação com o canal de comunicação através da modulação, mas trabalhando só com dois níveis de sinal à entrada. Do lado da recepção de um sistema de comunicação digital, o desmodulador digital processa o sinal corrompido pelo canal de comunicação reduzindo-o novamente a dois níveis de sinal que representam uma estimativa da informação transmitida. Através da redundância introduzida no emissor, o descodi ficador de canal detecta e tenta corrigir os erros ocorridos e, quando não é possível a sua recuperação, solicita novo envio da mesma 8
informação. Uma medida da performance do desmodulador e descodificador é a frequência com que os erros ocorrem, mais preci samente, a probabilidade média de ocorrência de um erro. De uma maneira geral, a probabilidade de erro é uma função que depende das características do código utilizado, do tipo de modulação usado na transmissão através do canal de comunicação, da potência utilizada no emissor, das características do canal (volume do ruído, natureza das interferências, etc.), e dos métodos utilizados na desmodulação e descodificação. Como ultimo passo, o descodificador de fonte interpreta as sequências provenientes do descod ificador de canal e, conhecendo o método utilizado no codificador de fonte, tenta reconstruir o sinal original. Devido a erros que possam ter ocorrido e não tenham sido detectados, o sinal à saída é sempre uma aproximação ao original. A diferença entre o s inal enviado e o recebido é uma medida de distorção introduzida pelo sistema de comunicação. Sempre que é desejado uma saída analógica, é necessário ainda proceder a uma conversão de digital para analógico. 1.3.3. O Modelo de referência OSI. Em consequência do forte desenvolvimento e generalização dos sistemas de comunicação digitais através do mundo inteiro, grande tráfego que por eles circula é essencialmente tráfico de dados gerado pelos computadores, no âmbito das redes locais e das redes globais. Para que fo sse possível que qualquer computador ligado a uma rede comunicar com qualquer outro computador, independentemente da sua localização, houve a necessidade de estabelecer normas e protocolos de comunicação que definissem exaustivamente o processo de comunicação, tendo como grande objectivo tornar compatíveis todos os computadores. Neste contexto, o modelo de referência OSI (Open Systems Interconnection) foi adoptado por muitas normas sendo, portanto, importante fazer neste texto uma breve abordagem destacando o que o relaciona com a disciplina de Tecnologia das Comunicações. O propósito do modelo OSI é proporcionar uma base comum à coordenação do desenvolvimento de normas para a interligação de sistemas, enquanto assegura igualmente a continuidade através da consideração dos sistemas actuais, enquadrando-o s no modelo de referência. Não é objectivo do normas servir de especificação para implementação ou constituir a base para avaliação da compatibilidade das implementações actuais. Igualmente, não pretende fornecer um detalhe tão fino que determine precisamente os serviços e protocolos da arquitectura de interligação. O modelo OSI está dividido em sete camadas que correspondem a demarcações de carácter físico ou lógico (cabos ou controlo de erros, encaminhamentos, etc). As camadas de aplicação, apresentação e sessão tem mais em consideração os programas de aplicação executáveis nas máquinas, enquanto as camadas de rede, ligação lógica e física lidam com a infra-estrutura de rede e de encaminhamento físico do processo de comunicação. 9
Modelo OSi Protocolo TCP/IP Aplicação Apresentação Ligação Virtual Aplicação Apresentação Aplicações Sessão Sessão Transporte Transporte TCP Rede Rede IP Lig. Lógica Físico Lig. Lógica Físico Interface à Rede Meio de Transmissão Meio de Transmissão Figura 1.4 Modelo de referência OSI e comparação com o protocolo TCP/IP A camada de aplicação: os programas de aplicação são exteriores ao modelo OSI. Esta camada tenta apenas assegurar as condições para que os programas de aplicação possam cooperar entre si. A camada de aplicação é o nível mais alto do modelo, é totalmente dedicada e dependente das aplicações a fornecer ao utilizador específico. A camada de apresentação tem em conta o problema de existirem modos diferentes de representar a informação. Efectua a conversão de dados para formatos padrão (ASCII), encriptação de dados, compressão de dados e tratamento dos terminais. A camada de sessão assegura a resolução dos problemas inerentes à gestão do diálogo entre processos de comunicação (processos dependentes dos sistemas, não tanto da rede). Trata as funções necessárias à interacção relativa à troca de dados no sistema. As primeiras três camadas encarregam -se da transmissão, direcc ionamento e transferência de dados entre máquinas. Os protocolos nestes níveis podem englobar diferentes tecnologias de transmissão (satélites, fibra óptica e cabos coaxiais), diferentes topologias (estrela, anel e bus) e diferentes métodos de acesso. A camada de transporte efectua a comutação de informação num formato que recebe da camada de sessão. Sequência as mensagens e faz o seu endereçamento até ao destino. Tem como objectivo essencial a preocupação com criar ambiente de comunicações para permitir às camadas superiores processos de comunicação, troca de informação fiável, independente da rede. Por isso estas funções são independentes da rede. Preocupa- se com a fiabilidade da transmissão. A ISO propõe cinco modelos diferentes da camada de transporte. A camada de rede tem inerentes as funções de rede, encaminham a informação ao longo da rede. Em protocolos orientados a bit a trama é protegida por bits de paridade (o que não acontece com protocolos orientados a carácter). Nestes, na sua versão básica, tramas são numeradas, o que permite distinguir por exemplo, sequências de confirmação para tramas diferentes. Funções principais: direcciona pacotes de informação; estabelece a rota mais adequada; providência os endereços; controla o tráfego de rede; reconhece prioridades; envia informação na ordem correcta. 1 0
A ligação lógica tem como preocupação oferecer sobre o nível físico uma transmissão de informação estruturada e fiável (associa bits em tramas, por exemplo). Funções principais: garante a integridade dos dados; adiciona marcas de fim e início de mensagens; fornece algoritmos de detecção e correcção de erros; é responsável pela transparência dos dados; fornece métodos de acesso à rede. O nível físico está relacionado com os problemas das ligações físicas (cabos, conectores, sinalização, etc.). Funções principais: trata de tensões e impulsos eléctricos; especifica cabos, conectores e interfaces; providência o contínuo fluxo de bits através do meio de transmissão. 1.4. Canais de Comunicação e as Suas Características. Como foi descrito no ponto 1.3, o canal de transmissão providencia a ligação entre o emissor e o receptor. Este canal físico pode ser constituído por um par de fios transportando sinais eléctricos, ou uma fibra óptica que t ransporta informação num feixe de onda modulada, ou numa comunicação submarina onde a informação é transmitida acusticamente, ou em espaço livre onde o sinal é irradiado usando uma antena. Outro tipo de meios que podem ser caracterizados como canais de comunicação são os dispositivos de armazenamento de dados, tais como: fitas magnéticas, discos magnéticos e discos ópticos. Como já foi referido, um problema muito comum na transmissão de sinais através de qualquer canal é o ruído aditivo que se sobrepõe ao s inal enviado. Outras fontes de ruído podem ser as interferências geradas por outros utilizadores do mesmo canal e a transmissão através dos canais de comunicação que provocam a atenuação do sinal, distorção na amplitude e na fase, e distorção por reflexões múltiplas. Os efeitos do ruído podem ser limitados aumentando a potência do sinal transmitido, mas os equipamentos impõem sempre limitações físicas porque existe sempre uma potência máxima. Outra limitação básica consiste na largura de banda disponibilizada pelo canal de transmissão. A restrição da largura de banda é normalmente devida a limitações físicas do meio de transmissão e dos componentes electrónicos usados para implementar o emissor e o receptor. Esta restrição resulta na limitação na quantidade de informação máxima que é possível enviar por determinado canal e por unidade de tempo. Canais através de fios condutores. A rede telefónica fixa faz uso extensivo das linhas utilizando fios condutores para transmissão do sinal de voz, vídeo e dados. O p ar entrançado e o cabo coaxial são basicamente canais electromagnéticos guiados que permitem larguras de banda modestas, o par entrançado suporta frequências até algumas centenas de KHz e os cabos coaxiais podem chegar até ao GHz. 1 1
Figura 1. 5 Á esquerda. Gama de frequências para canais utilizando fios condutores. Figura 1. 6 Estrutura de um cabo de par entrançado Bainha de Protecção Condutor central Malha exterior Dieléctrico Figura 1.7 Estrutura de um cabo coaxial Os sinais transmitidos através destes canais são distorcidos na amplitude e na fase, e são também corrompidos pelo ruído aditivo. O par entrançado está também sujeito á interferência cruzada provocada por canais adjacentes. Canais através de fibras ópticas. As fibras ópticas oferecem um canal com largura de banda de ordem de grandeza bastante superior aos fios condutores. Durante a última década, foram desenvolvidos os cabos de fibra óptica com uma atenuação muito baixa e dispositivos ópto-electrónicos fiáveis e cada vez mais rápidos utilizados para gerar e detectar sinais luminosos. Este avanço tecnológico resultou num rápido desenvolvimento dos canais de transmissão por fibra óptica quer nas telecomunicações locais e regionais como nas comunicações intercontinentais. Com uma grande largura de banda disponibilizada pelos canais de comunicação por fibra óptica foi possível às companhias 1 2
telefónicas oferecer uma maior variedade de serviços de telecomunicações, onde se inclui a voz, dados, fax e vídeo. Núcleo Revestimento primário Revestimento secundário Figura 1.8 - Constituição de uma fibra óptica Como se pode ver na Figura 1.9 e Figura 1.1 0, o transmissor ou modulador num sistema de comunicações por fibra óptica é uma fonte de luz onde a informação é transmitida variando (modulando) a sua intensidade com o sinal de informação, a esse dispositivo é chamado conversor electro -óptico. A luz propaga-se através de uma fibra com um coeficiente de reflexão muito elevado, necessitando no entanto de ser amplificado periodicamente para compensar as sofridas. No receptor, a intensidade de luz é detectada por um foto-diodo, cuja saída é um sinal eléctrico que é directamente proporcional com a intensidade de luz recebida, a esse dispositivo é chamado conversor ó p t o-eléctrico. Fonte de luz Sinal recebido Fibra óptica Figura 1. 9 - Funcionamento da fibra óptica como guia de luz Conversor Electro-óptico Fluxo de informação Conversor Ópto-eléctrico E O Fibra óptica E O Figura 1. 10 - Componente envolvidos numa ligação óptica Devido às suas grandes vantagens (grande largura de banda, imunidade ao ruído e interferências, peso e custo de fabrico baixos), é com alguma certeza que se diz que os canais de fibra óptica substituirão brevemente todos os fios nas redes telefónicas. Canais electromagnéticos sem fios. Na comunicação sem fios, a energia electromagnética está ligada ao meio de propagação através de uma antena que serve de irradiador em que as suas di mensões e configuração dependem essencialmente da frequência a que operam. Para se obter uma radiação eficiente de energia electromagnética, a antena deve ter pelo menos o tamanho de 1 /10 do comprimento de onda. Por exemplo, uma estação de rádio transmitindo na banda de frequências AM a 1 MHz (correspondendo a um comprimento de onda λ =c/f c =300 m) requer uma antena de pelo menos de 30 metros. Quanto menor for a frequência maior terá que ser a antena. 1 3
Figura 1. 11 - Utilização do Espectro Electromagnético na comunicação sem fios. A Figura 1.1 1 ilustra as várias bandas de frequência do espectro electromagnético. O modo de propagação das ondas electromagnéticas pode ser subdividido em três categorias, nomeadamente, propagação por ondas de superfície, reflexão na ionosfera e linha de vista. Na propagação por ondas de superfície, até à banda VLF cujos comprimentos de onda são superiores a 10km, a terra e a ionosfera actuam co mo condutor electromagnético, ou seja, sinais emitidos nesta banda propagam-se praticamente por todo o globo. Por esta razão, esta banda de frequências foram inicialmente utilizadas para fornecer apoio á navegação dos barcos em todo o mundo. Devido ao fact o de os canais terem pouca largura de banda, a informação transmitida é de baixa velocidade e é essencialmente digital. O tipo de ruído dominante neste tipo de comunicação é gerado pela actividade climatérica (trovoadas e raios), especialmente nas regiões tropicais, e interferências do excesso de utilizadores destas bandas. A propagação por reflexão ocorre a frequências até 30MHz e resulta da transmissão de sinais que serão reflectidos pela ionosfera, e que consiste em camadas de partículas carregadas que s e formam a altitudes entre 45 e 375 km da superfície e que reflectem as ondas electromagnéticas. Um problema frequente neste tipo de propagação são os múltiplos caminhos e reflexões que o sinal pode percorrer até ao receptor, chegando com diferentes atrasos. Este facto pode resultar na interferência entre símbolos na comunicação digital ou no fenómeno de f a d i n g na comunicação analógica. O ruído que ocorre nesta banda é uma combinação de ruído atmosférico e térmico. 1 4
Figura 1.1 2 Comunicação por radiodifusão Frequências acima dos 30MHz propagam-se através da ionosfera com pequenas atenuações e torna possível a comunicação extraterrestre e via satélite. Também a frequências na banda VHF e superiores, o modo de propagação dominante é a propagação em linha de vista. Para os sistemas de comunicação terrestres, as antenas dos transmissores e dos receptores devem estar em linha de vista com pequena ou nenhuma obstrução. Por isso, as emissoras de televisão e rádio que transmitem nessas bandas colocam sempre as suas antenas no alto de grandes torres e nos pontos mais elevados para conseguir uma maior cobertura. Em geral, a área de cobertura neste tipo de propagação está limitada pela curvatura da terra e pode andar na o rdem dos 75 km de raio, dependendo da altura a que é colocada a antena e das obstruções físicas como por exemplo, as montanhas. O ruído dominante que limita a performance neste modo de comunicação é o ruído térmico gerado no receptor e o ruído cósmico capt ado pelas antenas. Para frequências acima dos 10GHz as condições atmosféricas desempenham um papel preponderante na propagação do sinal, chegando mesmo a impossibilitar as comunicações em caso de chuva intensa. Figura 1.1 3 - Ligação hertziana ponto a ponto, propagação em linha de vista Ainda dentro do capítulo das comunicações electromagnéticas, há que salientar as comunicações via satélite. A utilização de satélites permite realizar ligações a grandes distâncias impossíveis de conseguir através de ligações terrestres em linha de vista, atendendo ao raio de curvatura da Terra, às montanhas e a outro tipo de obstáculos. As ligações por satélite comportam ainda outras vantagens, de que se destacam: a vastidão d a zona de cobertura; o nível mínimo de infra-estruturas necessárias; insensibilidade a catástrofes naturais. Os aspectos negativos das ligações via satélite traduzem-se nos seguintes pontos: atraso introduzido nas ligações ( 270ms); custo do satélite e do seu lançamento; difícil manutenção; elevadas atenuações e baixa potência do satélite devido a limitações de fornecimento de energia eléctrica. Os satélites mais utilizados em comunicações são geo- estacionários, ou seja, estão numa órbita sobre o equador movimentando-se de forma síncrona com a Terra. A altitude a que se situam estes satélites é de aproximadamente 36.000Km. 1 5
(2) - Satélite com transponders Up-link Down-link Rede terrestre (1) - Estação emissora Rede terrestre (3) - Estação receptora Figura 1.1 4 - Ligação electromagnética via satélite Canais de transmissão acústica subaquáticos. Nas últimas décadas, existiu um aumento considerável na exploração dos oceanos, em conjunto com este aumento apareceu a necessidade de transmitir a informação adquirida pelos sensores colocados debaixo de água ou á superfície da água. Neste meio, as ondas electromagnéticas não se propagam a grandes distâncias a não ser a frequências extremamente baixas, o que torna a transmissão de informação muito cara devido à necessidade de grande potência dos emissores. Por outro lado, sinais acústicos podem propagar -se por distâncias de dezenas ou mesmo centenas de quilómetros. Um canal subaquático é caracterizado como um canal de múltiplas reflexões originadas na superfície e no fundo do mar, apresentando os mesmos problemas que a propagação por reflexão de ondas electromagnéticas. Por outro lado, a atenuação é dependente da frequência na proporção directa do seu quadrado. Debaixo de água, o ruído acústico é causado pelos camarões, peixes e mamíferos. Perto da costa e dos portos, vem adicionar-se também o ruí do provocado pela actividade humana. Apesar deste ambiente hostil e inóspito, é possível implementar sistemas de comunicação através de canais acústicos subaquáticos bastante eficientes, conseguindo transmitir sinais digitais a longas distâncias. Canais de gravação. É de salientar que, embora seja dada uma ênfase às aplicações em sistemas de comunicação, as técnicas a serem estudadas têm uma aplicação bastante mais lata. Assim, por exemplo, o sinal gravado no disco compacto áudio com leitura por laser e destinado à reprodução de música de alta-fidelidade e o sinal arquivado nas memórias de muitos sistemas de computadores, utilizam códigos especiais que permitem a detecção e correcção de erros. Estes códigos são idênticos a códigos utilizados para os mesmos fins em sistemas de comunicação tradicionais. O ruído analógico gerado pelos componentes electrónicos e as interferências provenientes de pistas adjacentes, que geralmente estão presentes num sinal resultante da leitura de um disco, apresentam as mesmas características que a transmissão de sinais por telefone ou rádio. 1 6