Aula 3 - Camada física

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MG
Redes de computadores
Fevereiro de 2014
Felipe Atourassap (faspmg@gmail.com)
Unidade - 2
Camada física 
Sinais 
Modulação
Transmissão digital
Transmissão analógica
Multiplexação
Meios de transmissão
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Curso:Sistemas de informação -Disciplina:Redes de computadores -Professor:FelipeAtourassap
 CAMADA FÍSICA
Assegura a conectividade entre os componentes da rede
É responsável por definir as interfaces mecânicas, elétricas e de sincronização para a rede
Objetivo da camada física:
Prover serviços a camada de enlace
Conversão de sinais elétricos ou ópticos
Transportar uma sequência de bits de uma máquina para outra
Problema a ser resolvido:
Codificação de bits
Converter as cadeias de 0s e 1s em sinais eletromagnéticos
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 CAMADA FÍSICA
Nível físico define:
Características mecânicas
Tamanho e a forma dos conectores, pinos, cabos, etc...
Características elétricas
Valor dos sinais (voltagem) , intervalo de sinalização
Taxa de transmissão e distância que podem alcançar
Características funcionais
Significado do sinal
Características procedurais
Combinações e sequência de sinais que devem ocorrer
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Sinais Analógicos e Digitais
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Sinais Analógicos e Digitais
Sinais podem existir na forma analógica e digital
Sinal analógico
É aquele que possui infinitos níveis de tensão em um certo período de tempo
Exemplos: 
Temperatura
Umidade
Velocidade
Pressão
Som (voz e ruído)
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Sinais Analógicos e Digitais
Sinal digital
É caracterizador por assumir valores limitados (somente dois valores) no decorrer do tempo (0 - desligado e 1 - ligado)
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Sinais Periódicos e não periódicos
Periódicos
Completa um padrão dentro de um intervalo de tempo mensurável (Período)
Frequentemente usa-se Sinais Analógicos 
Não periódicos
Evolui no tempo sem repetir padrão
Frequentemente usa-se Sinais Digitais
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Analógico ou Digital?
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Analógico ou Digital?
Preço
No mesmo emissor onde antes se emitia um só programa de TV analógico, podem agora transmitir-se até 10 programas de TV digital
Qualidade
Sinal fiável
Reconstituir o sinal original
O sinal digital não se degrada por cópias sucessivas
Funcionalidades
Interatividade, pay-per-view, etc
Modularidades
Grandes sistemas por meio de módulos independentes, com fácil comunicação entre eles, e com possibilidade de serem controlados e configurados à distância
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Sinais Analógicos e Digitais
Período (s)
É o intervalo de tempo que uma onda leva para completar um ciclo
Frequência (Hz)
É o número de períodos ou ciclos num intervalo de tempo
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Baixa frequência
Alta frequência
Sinais Analógicos e Digitais
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Sinal composto
Onde senoidal é a forma fundamental de um sinal analógico periódico de maior importância para a comunicação de dados
Única onda não é útil para transporte de dado
Linha telefônica
Som de cigarra
Onda única trabalha no regime de tudo
Tudo 1 ou tudo 0
Mudanças necessárias:
Amplitude, frequência ou fase
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Quando mudamos qualquer uma das características de um sinal simples associamos ao novo sinal outras componentes de frequência e, assim, o transformamos em sinal composto (Forouzan, 2009)
Análise de Fourier
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Qualquer sinal composto pode ser representado por uma combinação de senóides simples e de diferentes frequências, amplitudes ou fase
Sinal composto e meio de transmissão
Integridade do sinal
Passagem de qualquer frequência 
Preservar amplitude e fase do sinal
Sinal trafega por um meio (ar ou cabo)
O meio possui características própria
Frequência que ele pode transmitir
Facilitar algumas ou bloquear outras
Sinal recebido pode não ser igual ao sinal enviado
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Portanto nenhum meio é perfeito
Banda base, banda larga e largura de banda
Banda base
O sinal original que pretendemos transmitir
Largura de banda
Propriedade de um meio
É a diferença entre a maior e a menor frequência que um meio pode transmitir
Banda larga
Divisão de múltiplos canais
Sinais modulados
Requer MODEM (modulador / demodulador)
Alcança distâncias muito maiores
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Banda base, banda larga e largura de banda
Largura de banda
Ex.: 
Qual é a largura de banda de um sinal periódico decomposto em cinco componentes senoidais de frequências 100, 300, 500, 700 e 900 Hz? Desenho o espectro de frequência levando em conta que todos os componentes têm a mesma amplitude de pico em 10v.
BW (bandwidth) = 900 – 100 = 800 Hz
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O que é modulação
Modulação (converter) 
É o processo na qual a informação é adicionada a ondas eletromagnéticas.
?¿ Demodulação ?¿
Modulação digital
É o processo que possibilita alteração de característica(s) de um sinal analógico
Modulação analógica
Consiste em combinar sinais de forma a permitir que a transmissão no meio físico seja mais eficiente
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O que é modulação
Portadora é o sinal de entrada do sistema responsável pelo transporte de informação no meio de transmissão
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Sinais Analógicos e Digitais
Sinais digitais
Intervalo de sinalização (período)
É o tempo necessário para enviar um único bit
Número de bits por segundo (frequência)
É a quantidade de intervalos de sinalização por segundos
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Taxa de transmissão de dados
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Taxa de transmissão de dados
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Taxa de transmissão de dados
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Transmissão com perda
Tipos de perda
Atenuação – perda de energia
Distorção – é alteração da forma de um sinal ao propagar-se em um meio
Ruído
Ruído térmico – agitação térmica
Ruído induzido – acionamento de cargas indutivas (motores)
Crosstalk – efeito de uma corrente em um condutor
Ruído impulsivo - intensidade aumenta acentuadamente durante um pulso eletromagnético
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Parâmetros de medidas
Throughput (Taxa de transferência) 
É a quantidade de dados transferidos de um lugar a outro 
Velocidade de propagação
É uma medida de distância que um sinal/bit pode viajar através de um meio
Tempo de propagação
Tempo necessário para que um sinal/bit viaje de um ponto a outro
Comprimento de onda
É a distância entre valores repetidos sucessivos num padrão de onda
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Transmissão digital
Codificação de linha
É o processo de conversão da sequência de bits em sinais digitais
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01011101
Codificação de linha
Transmissão digital
Nível de sinal VS Nível de codificação
A quantidade de níveis possíveis chamamos de níveis de Sinal e o número de valores que podemos representar dados, chamamos de níveis de Codificação de dados
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Esquema de codificação
Pode ser dividido em três grandes grupos
Unipolar
Polar
Bipolar
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Esquema de codificação
Unipolar
Todos os níveis de sinal encontram em um dos lados do eixo de tempo (abaixo ou acima)
NRZ (non-return-to-zero) no qual a voltagem “+” representa o bit 1 e a voltagem zero representa 0
Problema de componente DC
Problema de sincronismo para cadeias longas
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Esquema de codificação
Polar
Faz uso de 2 níves de tensão
Resolve o problema de DC
O sinal é sempre positivo ou negativo
NRZ-L “+” 1 e “-” 0
NRZ-I Qualquer transição entre o nível de tensão representa 1
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Esquema de codificação
Bipolar
Faz uso de 3 níves de tensão (+, 0, -)
Bit 0 – representado pelo zero
Bit 1 – representado pelos valores positivos e negativos
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Codificação de blocos
Desenvolvida para melhorar a codificação de linha
Substituir a sequência original por uma outra 
Evita sequências longas de zeros ou uns
Permita sincronização 
Reduza DC 
Permita detecção de erro
Composta em 3 etapas
Divisão
Substituição 
Codificação
4B/5B
8B/10B
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Amostragem
Esquema de conversão de dados analógico para binário
Surgiu com as companhias telefônicas
PAM (Pulse Amplitude Modulation)
Método de conversão do analógico para o digital
Não é um sinal digital
PCM (Pulse Code Modulation)
Técnica para usada para converter a amostragem de pulsos em sinal digital
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Amostragem
PCM (Pulse Code Modulation)
Quantização – método que atribui valores a amostragem PAM
Valor traduzido para código de 1 byte (7 bits equivalente ao valor e 1 bit indica conversão de sinal) 
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Taxa da amostragem
Quantas amostragem do sinal analógico original são necessárias?
Pelo menos 2 vezes a maior frequência do sinal
Qual é a taxa de amostragem de sinal cuja largura de banda vale 13kHz (1kHz a 14kHz)? 
Taxa de amostragem = 2 × (14.000) 
Taxa de amostragem = 28.000 amostras/segundo 
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Transmissão digital
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Modo de transmissão
Paralela
Mais rápida e mais cara do que a transmissão serial
Dados podem ser agrupados em conjunto de N bits
Transferir dados entre dispositivos no mesmo sítio
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Receber
Enviar
Modo de transmissão
Serial
Dados são enviados bit pelo bit em uma linha única
Custo do hardware é considerável reduzido
Bom para longas distâncias
Podendo ser classificada como:
Transmissão Síncrona 
Transmissão Assíncrona 
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Receber
Enviar
0
1
1
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
0
0 1 1 0 0 0 1 0
Modo de transmissão
Serial
Transmissão Síncrona 
Não existem bits de controle
Os bits são enviados imediatamente após o anterior 
Sem intervalo
Há necessidade de sincronização entre o receptor e o transmissor
Comunicação Síncrona é mais cara que a Assíncrona
Transmissão assíncrona
Uso do bit start (0) / stop (1) 
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Transmissão analógica
Modulação de digital 
É o processo que permiti modificar uma ou mais características de um sinal analógico baseado na informação contida num sinal digital
Amplitude, frequência ou fase
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Modulação digital/analógico
ASK
FSK
PSK
QAM
Transmissão analógica
Taxa de transmissão (transporte de pessoas)
Representa o numero de bits transmitido no intervalo de tempo igual a 1s
Medida em bps (bits por segundo)
Taxa de modulação (transporte de carro)
Quantidade de modulações realizadas durante 1s
Medida em baud
Taxa de transmissão > taxa de modulação
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Transmissão analógica
Um sinal analógico transporta 4 bits por símbolo. Se a linha é sinalizada (modulada) 1000 vezes por segundo, determine a taxa de transmissão. 
Taxa Transmissão = Taxa Modulação X quant bits por símbolo
TT = 1000 * 4
TT = 400 bps
A taxa de transmissão de um determinado sinal é 3000 bps. Se cada símbolo corresponde a 6 bits, qual é a taxa de modulação desse sinal?
3000 = TM * 6
TM = 3000/6
TM = 500 baud/s
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Amplitude Shift Keying (ASK)
Variação da intensidade da amplitude
Frequência e fase permanecem constante
Susceptível à interferências provocadas por ruído
Largura de banda  
N = taxa de modulação
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BW=(1+d) x Nbaud
Frequency Shift Keying (FSK)
Variação da frequência 
Amplitude e fase permanecer constante
Muitos problemas com ruídos são eliminados
Largura de banda
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BW = fc1 – fc0 + Nbaud
Phase Shift Keying (PSK)
Variação da fase
Amplitude e frequência permanecer constante
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Phase Shift Keying (PSK)
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Quadrature Amplitude Modulation (QAM)
Limitada pelo equipamento
Duas características alteradas simultaneamente
Combinação das técnicas ASK e PSK
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Transmissão analógica
Tabela de comparação entre taxa de transmissão e modulação
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Modulação
Unidades
Bits/baud
Taxa modulação
Taxatransmissão
ASK,FSK, 2-PSK
Bit
1
N
N
4-PSK, 4-QAM
Dibit
2
N
2N
8-PSK, 8-QAM
Tribit
3
N
3N
16-QAM
Tetrabit
4
N
4N
32-QAM
Pentabit
5
N
5N
64-QAM
Hexabit
6
N
6N
128-QAM
Septabit
7
N
7N
256-QAM
octabit
8
N
8N
Modulação de sinais analógicos
Porque modular um sinal analógico?
Amplitude modulation (AM)
Variação da amplitude
Voz 5 Hz – Rádio separadas por 10 Hz
Frequency modulation (FM)
Variação da frequência
Audio estereofônicos 15 Hz 
Rádio 200 KHz ou 0,2 MHz
Phase Modulation (PM)
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BW = 2 x Sinal modulante
BW = 10 x Sinal modulante
Modens analógicos
Modem = Modulador / Demodulador
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Usado para voz
Usado para dados
600Hz
3000Hz
300Hz
3300Hz
2400 Hz para dados 
3000 Hz para voz 
Atividades
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