Camada Física (1 de 2)

1. Camada Física e Tecnologias de Transmissão Prof. Mauro Tapajós

3. Transmite bits

4. Preocupações físicas

5. Adapta o sinal ao meio de transmissão

6. Define o formato e a pinagem dos conectores

8. O transporte dos sinais que representam os bits da comunicação de dados é feito através de algum tipo de meio físico

9. Cada meio apresentam características próprias de largura de banda, custo, atraso de transmissão e facilidade de instalação e manutenção

11. Limitações físicas: determinam a distância máxima que pode ser percorrida pelos sinais elétromagnéticos

12. Interferência: vários sinais competindo numa mesma faixa de frequências podem se sobrepor distorcendo oe mesmo eliminando o sinal resultante

13. Número de receptores: cada unidade ligada numa rede insere atenuações e distorções para que possa receber o sinal com a informação, limitando a distância e taxa de dados (bps) possível

14. Modelo de Comunicação de Dados

16. Descrição do padrão com certo grau de precisão por um conjunto de símbolos (bits)

17. Codificação destes símbolos numa forma adequada ao meio de transmissão de interesse

18. Transmissão destes símbolos codificados

19. Decodificação dos símbolos

20. Recriação do padrão original com base nos símbolos recebidos e sujeito à degradação do meio de transmissão

22. Descrevem algum tipo de informação a ser transmitida – (sinal = informação)

23. Servem como meio de transporte da informação que se deseja transmitir

24. Sofre com as condições físicas do sistema de comunicações

25. Existe todo um embasamento matemático para a sua descrição

26. Sistemas Contínuos e Discretos

27. Sinais Analógicos e Digitais Sinais analógicos – representado continuamente como função de uma variável independente Sinais periódicos - variam de forma periódica segundo g(t)=g(t+T) Sinais discretos – representados somente em tempos determinados (discretos) Sinais digitais - são sinais discretos no tempo e amplitude

29. Sinais analógicos podem assumir infinitos valores distintos de amplitude. Tempo Amplitude

30. Sinais Digitais São sinais cuja intensidade assume um número finito de valores, mudando abruptamente entre cada um destes valores ao longo do tempo.

32. A capacidade de um canal digital é medida em bps – bits por segundo

33. Os dados digitais são binários: usam 1’s ou 0’s para representar qualquer informação

34. Os dígitos binários podem ser representados por alterações em sinais eletromagnéticos

35. Alguns Tipos de Sinais Sinal senoidal Sinal de onda quadrada Sinal DC

37. Componentes em Frequência de um Sinal Segundo a análise de Fourier, um sinal pode ser decomposto num somatório de sinais componentes senoidais + =

38. Exemplo: Componentes do Sinal Onda Quadrada

40. Representação de um Sinal Periódico na Freqüência Tela de um osciloscópio mostrando uma onda senoidal

41. Representação de um Sinal Periódico na Freqüência Tela de um osciloscópio mostrando uma onda quadrada e seu correspondente espectro

43. Quanto maior a largura de banda – mais bits enviados por segundo (dependendo de outros fatores como a codificação e modulação usadas) e com custos maiores

44. Largura de bandas muito limitadas geram distorções e menor taxa de bits

47. Largura de Banda É a diferença entre a maior freqüência e a menor freqüência de um sinal Pode-se utilizar como critério de determinação da largura de banda a faixa em que a maior parte do sinal está contido (largura de banda efetiva)

49. Largura de Banda da Voz

51. Deve-se entender bem sinais analógicos e suas características para se poder converter para formato digital

52. Sistemas telefônicos eram primariamente analógicos

53. Ao final, os meios de transmissão físicos que irão encaminhar a informação serão inerentemente sistemas analógicos

55. Sofrem também com a distorção causada pelo atraso diferenciado entre as varias componentes do sinal

56. Efeitos de ruído são indesejáveis

58. Atenuação nos Sinais

60. Uso de amplificadores para garantir que os sinais alcancem distâncias maiores

62. Uso de repetidores para garantir maior alcance

63. Equipamentos de comutação podem regenerar os sinais sendo transmitidos

65. Independência da fonte da informação - toda a informação digital pode seguir no mesmo canal independente do que represente Vantagens no Uso de Sinais Digitais

67. A informação digital pode ter vários significados dependendo da codificação em uso para ela (texto, imagens, voz, vídeo, dados, correio, etc)

68. Facilidade no projeto e criação dos circuitos e processadores usados no processamento digital

69. Porém exige maior banda de transmissão Vantagens no Uso de Sinais Digitais

70. Erros no Sinal Digital – Pode Acontecer! 0 1 0 0 1 0 Sinal Original Atenuação Banda Limitada Ruído Sinal Recebido 0 1 0 1 1 0 Ruído Impulsivo Erro

71. Os diferentes efeitos do meio de transmissão podem deformar até o sinal digital original podendo também gerar erros Atenuação e Distorção num Sinal Digital

72. Amplificação & Ruído Efeitos Indesejados

73. CODEC – Codificador / Decodificador Trabalham efetuando a conversão analógica-digital e vice-versa Codificam qualquer tipo de sinal analógico (música, vídeo, etc) gerando seu correspondente em formato digital

75. Quantização das amostras - para cada amostra se “arredonda” seu valor em amplitude para um dos possíveis valores definidos

76. Codificação de cada amostra quantizada na forma de uma palavra digital

77. 1) Amostragem do Sinal Digital por Pulsos PAM Pulse Amplitude Modulation

79. Para termos a amplitude discreta, “arredondamos” cada amostra para um dentre um conjunto discreto de valores definido

80. 3) Pulse Coded Modulation - PCM Com PCM cada amostra quantizada terá uma palavra digital representando aquele valor

82. Codifica o sinal de voz (restritos na faixa de 4 kHz) em bits para a transmissão

83. Isto é feito amostrando-se o sinal de voz periodicamente

84. Se utilizarmos uma taxa de amostragem de 8000 amostras/seg, podemos recuperar o sinal na recepção (teorema de Nyquist)

85. Se para cada amostra usarmos 8 bits, esta taxa de amostragem implica numa transmissão de 64 kbps (canal de voz PCM)

86. Digitalização de Sinais de Voz PCM (Processo)

87. Codificação PCM - Codificação No exemplo, a amplitude da amostra é codificada em 4 bits

88. Codificação PCM de Voz Amostras geradas a cada 125 us (ou 8000 vezes por segundo) Cada uma resulta em bits a serem encadeados no fluxo (neste exemplo são usados 8 bits para cada amostra)

90. A-law - 13 bits para 8 bits - usado nos Brasil

91. µ -law - 14 bits para 8 bits - usado nos EUA e Japão

93. No caso do áudio ele explora propriedades psicoacústicas dos sinais de áudio e a forma como ele é compreendido pela percepção humana

94. A percepção do som é função da frequência e força do sinal. Naturalmente mascaramos a percepção de determinadas bandas de frequência presentes no sinal de áudio

95. Ao suprimir a informação referente a estas bandas, se reduz a informação necessária para a correta reprodução do som

96. Existem 3 níveis de codificação ( Layers I, II e III).

99. O olho humano percebe as cores como composições de 3 cores básicas: vermelho (435 nm), verde (546 nm) e azul (700 nm)

100. Células “cones” são especializadas na percepção de cores (em sinais mais fortes), enquanto que as células “ rods ” são especializadas em mobilidade e tons de cinza (em sinais mais fracos)

101. A percepção de cores não tem espectro largo

102. Mais de um padrão espectral pode gerar a mesma sensação de cor

103. Sinais de Vídeo Analógico Varredura da tela para composição das imagens Montagem de imagem entrelaçada

104. Montagem do Sinal de TV Analógica Colorida

105. Geração e Transmissão de Sinais de Vídeo Analógico

107. Assim, precisamos de menos bits para representar um vídeo colorido implicando numa menor taxa de transmissão

108. Em determinados momentos do vídeo, existe pouca informação nova a ser apresentada, exigindo menor taxa de quadros a ser enviada

109. Os níveis de detalhes da imagem podem ser codificados em separado, sendo que, os níveis mais baixos contém maiores detalhes

111. PAL ( Phase Alternation by Line ) - possui 625 linhas que formam 50 campos ( fields ) entrelaçados por segundo resultando em 25 quadros ( frames ) por segundo. A variante PAL-M é usado somente no Brasil e é apresentado a 30 quadros por segundo

112. SECAM (Systeme Electronique Couleur Avec Memoire) - Semelhante ao PAL com 525 linhas e 25 quadros por segundo. Usado na França, Rússia e alguns outros países

116. MPEG II - adequado para transmissão, armazenamento, taxas diferentes que múltiplos de 64 kbps, além de taxas mais altas (4 a 15 Mbps) – (Exemplo: DVD’s)

117. MPEG III – trabalho absorvido pelo MPEG II

118. MPEG IV - adequado para VideoIP e multimídia em plataformas móveis (taxas médias)

120. Permite vários tipos de manipulações do sinal para melhorar a eficiência da transmissão

123. Permite que dados digitais sejam enviados por redes analógicas

125. Mais confiável por que não há conversão a ser feita

127. Usado na transmissão e no armazenamento (HD’s, CD’s, fitas, etc)

128. Seu princípio básico é eliminar a redundância na informação

129. O código é substituído por porções comprimidas dos dados

131. Compressão lossy (com perda): reconstitui os dados de forma que fiquem perceptualmente os mesmos (.JPEG, .MPEG)

133. Cada meio apresentam características próprias de largura de banda, custo, atraso de transmissão e facilidade de instalação e manutenção Tx Rx Meio de Transmissão

136. Utilização de links sem fio através de uma cidade, etc

137. Meios Guiados Mais Usados Atualmente em Redes

139. Os condutores trançados visam evitar o efeito de indução do sinal no condutor adjacente ( crosstalk )

141. STP ( Shielded Twisted Pair ) - par trançado blindado - utilizado em meios de alta incidência de ruídos eletromagnéticos como fábricas, linhas de montagem, transmissores, etc. Devem ser aterrados em ambos os lados (efeito irradiador da blindagem).

143. Cabo categoria 5 : 4 pares de fios mais entrelaçados que o 3 e cobertura de teflon

144. Cabos categoria 5 são melhores em altas taxas de bits

147. Possui uma malha blindada global que confere uma maior imunidade às interferências eletromagnéticas externas e possui uma blindagem interna envolvendo cada par trançado

148. Desta forma, o STP é utilizado em meios de alta incidência de ruídos eletromagné-ticos, tais como: fábricas, centrais de comutação, transmissores de alta potência, etc

149. Conectores e cabos mais caros STP com blindagem individual para cada par Par Trançado STP

151. Categorias de Cabos de Par Trançado São categorizados de acordo com a norma EIA/TIA 568

153. O dado é transmitido no condutor mais interno. A proteção de metal protege contra campos eletromagnéticos externos e evita que a radiação da energia eletromagnética do fio interno interfira em outros fios

154. Com um único cabo coaxial a transmissão é half-duplex, ou seja, unidirecional para cada período.

155. Adequado para frequências maiores que as usadas em par trançado

158. Thick Ethernet. RG-8, RG-9 e RG-11 (50 ohms)

159. Thin Ethernet: RG-58 (50 ohms)

160. TV: RG-59 (75 ohms) Conectores BNC ( bayonet network connectors ) Conexões Terminadores

161. Exemplo: Cabos Coaxiais em Redes Locais

162. Fibra Ótica

164. A atenuação da luz na fibra depende do comprimento de onda da luz usada

165. Sistema de transmissão é composto de: fonte de luz, meio de transmissão e detector de luz

166. Transmissores possíveis são LED’s ( Light Emitting Diodes ) e lasers

168. Permite taxas muito elevadas de frequência (faixa da luz visível)

170. Fibras monomodo (diâmetro 5-10 um) : permite um único modo de propagação, atingindo distâncias maiores que as multimodo. Baixas perdas (0,2 dB/km) e largura de banda (>10 GHz)

171. Atenuação de Sinais na Fibra Ótica

172. Comportamento da Luz dentro da Fibra

174. Sistema de transmissão é composto de: fonte de luz, meio de transmissão e detector de luz

175. Transmissores possíveis são LED’s ( Light Emitting Diodes ) e lasers

177. FTTH - Fiber to the Home

178. Cabos submarinos

179. Distribuição de TV a cabo

180. Aplicações Médicas, Educacionais, Industriais e Militares

182. Permite comunicação Full-duplex

183. Grande imunidade à interferência eletromagnética e escutas ( sniffing )

184. Ocupa pouco espaço e é leve

185. Apresenta dificuldade maior nas emendas de cabos

186. Ainda representa custo maior comparada com outros tipos de cabos

187. Limitada pela tecnologia eletrônica nos dispositivos intermediários na rede (pesquisas para chegar a uma comutação totalmente ótica )

188. Exemplos de Cabos de Fibra Ótica Cabo submarino

189. Fibra Ótica – Tipos de Conectores SC Simplex ST (normalmente multimodo) SC Duplex FC/PC

190. Fibra Ótica

192. Altas taxas

193. Imune a descargas elétricas e interferência eletromagnética

194. Mais compactas e leves, custo de suporte mais baratos que os cabos tradicionais

195. Mais seguras por não vazarem luz e não permitirem “escuta”

196. Tecnologia mais cara

198. Facilitam a futuras mudanças em equipamentos (maior custo inicial mas evita problemas de cabeamento futuros

199. Normas usadas: EIA/TIA 568C e ISO/IEC 11801

201. Fibra ótica multimodo 62,5/125

202. Fibra ótica monomodo

203. Cabeamento Estruturado!!!

205. Um só cabeamento atende diferentes tipos de redes de sinal em baixa tensão, como por exemplo telefonia, redes locais de computação, sistema de alarme, transmissão de sinal de vídeo, sistemas de inteligência predial, automação predial e industrial.

207. Cabeamento Backbone (vertical) – se compõe da ligação da sala de equipamentos com todos os demais pontos de distribuição de cabeamento

208. Work Area (WA) – área de trabalho

209. Telecommunications closet (TC) – armário de telecomunicações (normalmente um por andar)

210. Equipment Room (ER) – sala de equipamentos. Ponto central de cabeamento da instalação.

211. Cabeamento Estruturado

212. Exemplo: Distâncias para Cabeamento

213. Níveis de Interconexão Físico Enlance de Dados Rede Transporte Sessão Apresentação Aplicação Repetidores Pontes ( Bridges ) Roteadores Gateways

215. Simplesmente regeneram o sinal e o repetem o sinal para todas as redes nas quais ele está conectado

216. Podem conectar diferentes cabeamentos, mas não diferentes protocolos de nível superior

217. Dispositivo que trabalha no nível físico no modelo OSI – baixo custo

218. Estações não percebem a existência de repetidores

219. Concentradores - Hubs Repeater cards slide into chassis. Cards interconnect through a common backplane. Wiring concentrator chassis

220. HUBs

222. Resultado: o sinal digital “puro” não é bom para a transmissão

223. Assim, sinais em banda base (digital “puro”) só funcionam em distâncias curtas (LAN´s)

224. Solução: Uma “portadora” (sinal senoidal) é enviado e suas características alteradas de forma a transmitirem bits

226. A portadora é um sinal senoidal com frequência compatível com o meio de transmissão

227. Solução: Uma portadora é enviada e suas características alteradas de forma a transmitirem o sinal original

228. Modulação é o processo de combinar um sinal de entrada com uma portadora gerando um sinal adequado de transmissão

229. Portadoras de alta frequência apresentam menor atenuação e distorção , atravessa ndo distâncias mais longas com menos perda

231. Neste caso, deve-se transformar a informação digital num sinal que seja adequado para transmissão pelo canal de voz.

233. A freqüência da portadora geralmente é bem maior que a maior freqûencia do sinal transmitido .

234. A modulação permite a multiplexação (junção de vários) sinais no domínio da frequência f 0 Bla, bla bla

235. Modulação ASK ( Amplitude Shift Keying )

236. Modulação FSK ( Frequency Shift Keying )

238. BPSK ( Binary Phase Shift Keying ) - duas fases possíveis (muito usado em rádio e satélite)

239. Modulação de sinais Sinal digital original Modulado por amplitude Modulado por frequência Modulado por fase

241. Porém, ao definir mais símbolos, o esquema se torna mais susceptível à ruído

242. Os modems modernos usam alguma variante de ASK + PSK como QAM ( Quadrature Amplitude Modulation )

244. São combinações de ASK e PSK com 16, 64 e 256 símbolos diferentes

245. Aplicações em microondas

246. Modulações Comuns

248. Melhor aproveitamento da banda disponível

249. Multiplexação

251. Muito usado em telefonia e rádio (TV, AM e FM)

252. Exige circuitos analógicos

254. No final, somente é transmitido um único sinal multiplexado

255. FDM

257. Divide o tempo para os vários canais sendo transmitidos ( timeslots )

258. Mais adequado à transmissão de sinais digitais

259. Mais adaptado ao processamento de dados em formato digital

260. Exige sincronização entre os multiplexadores

261. TDM Cada canal (cor diferente) possui um determinado tempo para mandar seus bits, depois é a vez de outro canal

263. A taxa de dados ( data rate ) é fixa, podem ocorrer slots vazios (como nas redes telefônicas)

265. Pode manter várias filas diferenciadas por serviço onde um esquema de prioridades pode estar em vigor – cada fila é atendida de modo round-robin

266. Apresenta menor atraso médio (mas de forma inconstante – alta variância) e aproveita melhor o canal de comunicação – TDM e FDM alocam canais exclusivos que estão em uso mesmo que não haja nada a transmitir !

267. Deve identificar a informação sendo enviada (canais) para correta entrega na recepção

268. Multiplexação TDM Estatística Multiplexação TDM Síncrona

270. A estação receptora extrai apenas a sua mensagem, permitindo que um conjunto de estações compartilhem o meio

272. Direct Sequence – cada bit a ser transmitido é “cortado” em vários bits menores usando um padrão definido de bits. Isto tem o efeito de “espalhar” o sinal numa largura de banda muito maior que a original dele. A recepção deve usar o mesmo padrão de bits para recuperar o sinal original

274. O sinal é modulado com uma sequência binária pseudo aleatória de forma a “alargar” o seu espectro

275. Este fato dificulta o envio de sinais de jamming (sinais para impedir a transmissão)

276. Somente receptores que tenham a pseudo sequência poderão recuperar o sinal – segurança Frequency hopping Direct sequence

277. Direct Sequence

279. Já estão chegando na área metropolitana (MAN's) e nas redes de acesso

280. Tendência natural a ser a única infra-estrutura de transmissão para várias tecnologias de rede (banda larga, pequena e flexível, imune a ruídos)

281. Hierarquias Digitais TDM de Multiplexação em Sistemas de Transmissão PDH – Plesiochronous Digital Hierarchy (em desuso) SDH – Synchronous Digital Hierarchy

283. O sinal multiplexado é ligeiramente maior que a soma das componentes

284. Com isso não se sabe exatamente onde se começa um canal

285. Necessidade de demultiplexação de todo o feixe para se retirar canais determinados

287. E1 - ITU-T (Brasil)

291. velocidade de 2048 Mbps (32 canais PCM, sendo 30 para dados e 2 para sinalização/sincronização

293. 30 canais PCM de 64 kbps + 2 canais de sincronização (canal 0) e sinalização (canal 16)

295. 1 bit de sincronização inicial

296. O oitavo bit dos canais 6 e 12 é usado para sinalização

297. Hierarquia do Sistema de Transmissão Digital Europeu/Brasileiro

298. Hierarquia do Sistema de Transmissão Digital Americano

299. Organização dos Feixes

301. Define uma interface ótica de transmissão (Recomendação ITU-T G.707)

302. Provê uma organização adequada para links com altas taxas de transmissão

303. Possui um único clock que mantém a rede toda sincronizada

304. Permite equipamentos mais simples (sem tantos bancos de multiplexadores e demultiplexadores) e controle total da rede via software

305. É a tecnologia mais usada para transporte dos novos serviços de banda larga em longa distância

306. SDH STM - Synchronous Transport Module STS – Synchronous Transport Signal OC – Optical Carrier

308. Permite melhor utilização das capacidades das fibras

309. A diferença básica sobre FDM é que o processo de multiplexação é totalmente passivo

312. Uma opção seria se passar mais fibras. Nem sempre é possível por razões de custo (Por exemplo: cabos marítimos)

314. aumentar o número de canais que podem passar por uma única fibra (multiplexação) - DWDM !

316. DWDM por outro lado utiliza várias faixas de forma independente e sem restrições sobre os tipos de veículos que trafegariam nestas faixas. Pode-se cobrar de um cliente somente o comprimento de onda que ele utilizar (uma faixa) e não toda uma fibra (uma avenida)

317. É essencialmente uma tecnologia de meio físico, independente de protocolos e formatos

319. Utilizando técnicas de modulação e multiplexação pode-se compor mais canais num mesmo meio físico aproveitando melhor sua capacidade

320. Estas técnicas são adequados para comunicação sem fio, pois diferentes faixas de rádio podem ser usadas e serem melhor aproveitadas