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REDES SEM FIO
Aula 2 Fundamentos de transmissão de sinais digitais
Interconexão de redes locais
REDES SEM FIO
Fundamentos de transmissão de sinais digitais – AULA 02 - *
Conteúdo Programático da Disciplina
Aula 1 - Histórico e Contextualização das Redes Sem Fio
Aula 2 - Fundamentos de transmissão de sinais digitais
Aula 3 - Fundamentos de rádio comunicação - Parte I
Aula 4 - Fundamento de radio comunicação – Parte II
Aula 5 - Arquiteturas em redes sem fio e redes lan sem fio (WLAN)
Aula 6 - Redes WLAN padrão IEEE 802.11 (wi-Fi)
Aula 7 - Projeto de uma rede 802.11
Aula 8 - Segurança em redes 802.11
Aula 9 - Instalação e configuração
Aula 10 - Outras Redes sem Fios Utilizadas em Transmissão de Dados
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Conteúdo Programático desta aula
Ao final desta aula, você será capaz de:
Conceituar sinais analógicos, digitais, periódicos.
Analisar Fourier (série de Fourier).
Entender ruído e relação Sinal Ruído.
Entender capacidade do canal e fórmula de Shannon.
Conceituar e identificar meios confinados e não confinados.
Identificar componentes de um sistema de comunicação digital.
Conhecer codificação de dados (NRZI, Manchester, etc).
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Introdução
Nesta aula vamos entender os sinais digitais.
Nosso foco de estudo são as redes de dados sem fio, com ênfase nas transmissões –Tx – e recepção – Rx - de radiofrequência.
Vamos destacar que a escolha das frequências de trabalho vai influenciar diretamente do projeto, seja pelo tamanho das antenas, seja pela performance ou pela sensibilidade a ruídos.
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Introdução
Para a compreensão desta aula é necessário rever alguns conceitos como modulação e demodulação.
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O Espectro Eletromagnético
Uso nas Comunicações
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Canais passa-baixa e passa-faixa
Quando se faz necessário o uso da modulação é o envio de dados de um computador através da linha telefônica temos um canal passa-faixa, onde a largura de banda é dividida em diversos canais passa-faixa
Os canais passa-baixa permitem a passagem de frequências de 0 (zero) até f1
Sua largura de banda é infinita, ou seja, o limite inferior é fixo (0 Hz) e o superior pode ir até o limite aceito pelo meio (chamada largura de banda efetiva).
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Canal 
Passa Baixa
Canal 
Passa Faixa
Amplitude
Amplitude
Frequência
Frequência
f1
f1
f2
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Conceito de sinais analógicos, digitais e periódicos
Sinais Analógicos
Os sinais analógicos apresentam variação contínua no tempo ou espaço e diversos níveis de estado. 
Podem ter um conjunto infinito de valores num intervalo de tempo qualquer.
Sinal analógico (senoidal): 
no domínio do tempo; 
no domínio da freqüência.
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Conceito de sinais analógicos, digitais e periódicos
Sinais Digitais
Os sinais digitais apresentam variação abrupta (discreto no tempo) e com no mínimo de dois níveis de estado. 
Possuem apenas um conjunto limitado de valores:
 Sinal digital binário no domínio do tempo.
 Sinal digital binário no domínio da freqüência.
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Conceito de sinais analógicos, digitais e periódicos
Sinais Periódicos e Não periódicos
Sinal periódico completa um padrão dentro de um período de tempo.
Tanto os sinais analógicos, quanto os digitais podem ser periódicos.
Em comunicação de dados utilizamos geralmente sinais analógicos periódicos e sinais digitais não periódicos.
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Analise de Fourier (série de Fourier)
O matemático Francês Fourier provou que qualquer sinal periódico expresso por uma função do tempo g(t) e com período T, pode ser considerado como uma soma de senos e co-senos de diversas freqüências, chamada de Série de Fourier.
Onde f é a freqüência fundamental do sinal, os demais sinais em outra freqüências múltiplas da fundamental são chamadas de componentes do sinal. Assim um sinal de período T terá suas componentes centradas em 0, f, 2f, 3f, sendo f a freqüência fundamental do sinal.
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Analise de Fourier (série de Fourier)
O resultado é que um sinal pode ser representado de 2 formas:
1. No domínio do tempo. 
2. No domínio da freqüência a partir de suas harmônicas.
Apesar de nem sempre viável, para a recuperação exata de um sinal deve ser transmitidos vários múltiplos de freqüência através do canal utilizado. 
Por sua vez o receptor deve ser capaz de recuperar todos os harmônicos.
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Ruído e relação Sinal Ruído
RUÍDO: um sinal aleatório, produzido por fontes naturais. 
Ruído de intermodulação
Crosstalk
Ruído impulsivo 
ATENUAÇÕES: São as quedas de potência de um sinal devido à distância na sua transmissão.
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Ruído e relação Sinal Ruído
Interferência é um sinal indesejável, gerado por processos criados pelo homem. 
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Ruído e relação Sinal Ruído
Distorção é uma mudança na forma de onda devido à resposta imperfeita do sistema em relação ao sinal.
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Ruído e relação Sinal Ruído
Esses fatores podem ocorrer em qualquer ponto do sistema de comunicação e a ocorrência dos mesmos é estudada no canal de comunicação, raciocinando como se o transmissor e receptor fossem ideais.
Apesar de também ocorrerem no transmissor e receptor, são dimensionados nesses dispositivos nos limites da qualidade aceitável ou possível e, portanto, pode-se ignorá-los no estudo do sistema de comunicação em questão.
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Relação sinal-ruído ou razão sinal-ruído
S/N ou SNR (signal-to-noise ratio).
Definido como a razão da potência de um sinal e a potência do ruído sobreposto ao sinal. 
Um sinal de entrada ou de saída pode ser definido em termos de dBm. Da mesma forma, o ruído de fundo de um receptor pode ser fornecido em dBm.
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Relação sinal-ruído ou razão sinal-ruído
Tecnicamente a relação sinal-ruído é um termo para a razão entre as potências de um sinal contendo algum tipo de informação e o ruído de fundo:
SNR = P sinal / P ruído = (A sinal / A ruído )2 e 
SNR = S dBm / NdBm
P é a potência média e
A é o valor quadrático médio (RMS) da amplitude.
SNRdB relação sinal ruído em dB
SbBm potência do sinal em dBm
NdBm potência do ruído em dBm
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Relação sinal-ruído ou razão sinal-ruído
Exemplo:
Equipamento com potência de sinal de 100 W. Agora pense nesse mesmo equipamento com as seguintes potências de ruído 2W e 50W. 
Não esquecer que o resultado dessa relaçãoé adimensional pois cortamos Watts com Watts.
SNR = 100W/2W = 50
SNR = 100W/20W = 5
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Relação sinal-ruído ou razão sinal-ruído
Conclusão: 
Quanto SNR MELHOR a qualidade do sinal recebido e MENOR a taxa de erros.
Quanto SNR PIOR a qualidade do sinal recebido e MAIOR a taxa de erros.
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Relação sinal-ruído ou razão sinal-ruído
Exemplo 1: 
Em um determinado sistema de recepção a potência do sinal é de – 68 dBm e a potência do ruído é de -113dBm. 
Determine a relação sinal ruído?
SNRdB = SdBm - NdBm
SNRdB = -68dBm – (-113)dBm
SNRdB = 45dB
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Relação sinal-ruído ou razão sinal-ruído
Exemplo 2: 
Em um determinado sistema de recepção a potência do sinal é de – 80dBm e a relação sinal ruído mínima requerida é de 50dB. 
Determine a potência máxima do ruído para manter a qualidade especificada (50dB)?
SNRdB = SdBm - NdBm
NdBm = SdBm - SNRdB
NdBm = -80dBm - 50dB
NdBm = -130dBm
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Capacidade do canal e fórmula de Shannon
Em 1924, Nyquist percebe que até mesmo um canal perfeito tem uma capacidade finita de transmissão.
Se um sinal é transmitido através de um canal de largura de banda B Hz, o sinal resultante da filtragem pode ser completamente reconstruído pelo receptor através da amostragem do sinal transmitido, a uma freqüência igual a no mínimo 2B vezes por segundo.  
Em 1948, Shannon realizou estudos baseado em um canal sujeito a ruído aleatório (termodinâmico). O teorema de Shannon estabelece um limite teórico máximo para a taxa de dados em um canal de telecomunicações limitado em largura de banda com ruído.
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Capacidade do canal e fórmula de Shannon
Quanto maior a relação sinal ruído, melhor a qualidade do sinal e melhorando a qualidade podemos atingir MAIOR taxa de transferência de dados e MENOR taxa de erros.
A relação sinal ruído pode diminuir quando aumentamos a distância do enlace de comunicação. 
Existem outros fatores que também podem diminuir a relação sinal ruído, equipamentos elétricos, outros equipamentos de telecomunicações e a própria radiação solar, que aumentam o ruído e aumentando o divisor os valores da relação diminuem. 
A própria atenuação acarreta diminuição da relação sinal ruído, pois reduz o sinal.
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Interferência na largura de banda
Quanto maior a largura de banda, melhor a qualidade de sinal e maior deve ser a taxa de dados.
A largura de banda é diminuída ao aumentarmos a distância do enlace. 
Da mesma forma que em uma corrente, se o elo mais fraco define a fora dessa corrente, a menor banda é quem define a banda disponível pelo sistema. 
Além de tudo pode ser complicado definir a largura de banda de uma sistema ou dos equipamentos.
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Interferência na largura de banda
Se com o aumento da relação sinal ruído a qualidade melhora, então ao aumentar a potência do sinal ou diminuir a potência do ruído será aumentada a relação sinal ruído melhorando a qualidade.
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Interferência na largura de banda
Largura de Banda em comunicação analógica - é a quantidade de sinais que podem ser transportados por um canal. Utilizando a seguinte fórmula:
Largura de Banda (Hz) = Freqüência_Mais_Alta (Hz) - Freqüência_mais_Baixa (Hz)
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Interferência na largura de banda
Exemplificando:
Transmissão de voz em telefones convencionais ou celulares 1G.
Freqüência de 300Hz a 3.300Hz (mínimo requerido para Tx de voz)
Largura de Banda (Hz) = 3.000Hz ou 3KHz ou 0,003MHz
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Interferência na largura de banda
Conclusão: quanto maior a faixa de frequências, mais intervalos de frequência podem ser alocados para representar dados.
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Interferência na largura de banda
Comunicação analógica - Largura de Banda (MHz)
Celulares 1G - 0,03
Celulares 2G - 0,03 a 0,2
Celulares 3G - 1,25 a 5
Celulares 4G - 20
Conexões WiFi - 20
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Interferência na largura de banda
Comunicação digital - Largura de Banda (Kb/s)
Modem 56K - 7
USB 1.0 - 192
Canal T1 - 1.544
Canal E1 - 2.048
USB 2.0 - 61.440
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Meios confinados e não confinados
Meios confinados
 Cabo Coaxial.
 Par trançado sem blindagem (UTP - Unshield Twisted Pair).
 Par trançado blindado (STP - Shield Twisted Pair).
 Cabo de fibra óptica.
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Meios confinados e não confinados
Meios não confinados (Analógicos ou Digitais)
Nos sistemas não confinados, o espaço livre é o meio utilizado para a transmissão de sinais. 
O que caracteriza tais sistemas é um equipamento de rádio transmissor e um equipamento rádio receptor nos extremos.
Inicialmente utilização de HF, a faixa que dram início às comunicações a grandes distâncias.
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Componentes de um sistema de comunicação digital
A finalidade dos sistemas de telecomunicações é a de transformar em um ou mais pontos as informação provenientes de uma ou mais fontes. Numa configuração típica temos: 
Transmissor - Tx 
Meio de transmissão ou canal meio no qual o sinal é transportado. 
Receptor - Rx
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Componentes de um sistema de comunicação digital
Alguns autores definem um sistema básico de comunicação de dados como sendo composto por cinco elementos:
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Codificação de dados
A codificação de dados é a colocação de dados num sinal digital, os dados podem ser analógicos ou digitais. 
No primeiro caso procede-se a uma conversão prévia analógico/digital logo na prática, em termos de codificação ficamos reduzidos à codificação de dados digitais.
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Codificação Unipolar
A codificação unipolar utiliza somente um nível de tensão. Assim, mantém constante a voltagem do pulso durante o intervalo de um bit
A desvantagem do sinal unipolar é a possibilidade de ocorrerem grandes sequências de 0s ou de 1s tornando difícil a extração do sinal do clock.
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Codificação Unipolar
Tensão com nível constante
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Codificação Polar
A codificação polar utiliza dois níveis de tensão (positivo e negativo).
Existem vários métodos dentro dessa categoria: 
 NRZ, 
 RZ, 
 bifásico (Manchester e Manchester Diferencial).Interconexão de redes locais
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Se o próximo bit for 0: 
não há transição
Codificação Polar RZ
Na Codificação polar RZ as transições no intervalo do bit podem ser usadas para sincronização. 
A vantagem desse esquema de codificação do sinal digital é incorporar uma forma de sincronismo para o receptor.
Se o próximo bit for 1 e o atual não for 0: 
o nível seguinte é 0
Se o próximo bit for 1 e o atual for 0: o nível seguinte será o oposto do último não zero
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Codificação Polar NRZ
Esta codificação resolve o problema de componentes DC (Direct Current) que em frequências muito baixas podem ser criadas pelo espectro de um sinal digital com nível de voltagem constante por um certo período e que podem provocar distorções do sinal e erros de saída
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Codificação Polar Bifásica Manchester e Manchester Diferencial
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Codificação de dados
MANCHESTER
Na codificação Manchester, cada período de bits é dividido em dois intervalos iguais. 
Um bit 1 binário e enviado quando a voltagem e definida como alta durante o primeiro intervalo, e como baixa no segundo intervalo. 
Um bit 0 binário é exatamente o oposto: primeiro baixo, e depois alto. 
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Modulação e demodulação
Fases para transmissão de uma informação:
Uma portadora é gerada no transmissor;
A Portadora é MODULADA (modificada) com a informação a ser transmitida;
A onda portadora é transmitida no meio;
No receptor, mudanças confiáveis detectadas no sinal são DEMODULADAS (recuperam o sinal original).
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Modulação e demodulação
Modulação
Variação de um parâmetro de uma onda portadora senoidal, de forma linear proporcional ao valor instantâneo do sinal modulante ou informação, com o objetivo de facilitar a transferência de informação através do meio.
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Modulação e demodulação
Modulação - Exemplo:
Uma estação de rádio imprime (codifica) o som de uma musica em uma onda de rádio (processo de modulação). 
A estação de radio transmite essa onda de rádio com o dado codificado (musica) em certa frequência através de uma antena. 
A antena de seu carro capta as ondas transmitidas conforme a frequência que você sintonizou no seu carro. 
O rádio por usa vez, decodifica os dados impressos naquela onda e toca aquela informação através dos alto-falantes.
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Transmissão de Sinais e Modulação
Portadora
Dado
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Modulação e demodulação
Portadora
Onda senoidal que, pela modulação de um dos seus parâmetros, permite a transposição espectral da informação (ou sinal modulante). Como a portadora senoidal tem três parâmetros: Amplitude, Freqüência e Fase, existem três formas básicas de modulação: 
Modulação em Amplitude AM,
Modulação em Freqüência FM e 
Modulação em fase PM.
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Modulação Analógica
 AM – Amplitude Modulada
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Modulação Analógica
 FM – Frequência Modulada
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Modulação Analógica
 PM – Fase Modulada (Phase Modulation)
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Modulação Digital ASK
ASK - No chaveamento por amplitude, a amplitude do sinal da portadora é modificada para criar representações de informações (elementos de sinais). 
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Modulação FSK
O sinal é representado com espectros de frequência 1,25 Mhz e 3MHz. 
A amplitude e a fase do sinal permanecem inalteradas.
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Modulação PSK
 A fase é medida em graus – 360º. representa um ciclo completo
 O deslocamento indica o início de um elemento de sinal
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Amplitude
Freq
0o
Amplitude
Freq
90o
Amplitude
Freq
180o
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Resumo da Aula
Nessa aula, você:
Conceituou sinais analógicos, digitais, periódicos.
Analisou Fourier (série de Fourier).
Entendeu ruído e relação Sinal Ruído.
Entendeu capacidade do canal e fórmula de Shannon.
Conceituou e identificar meios confinados e não confinados.
Identificou componentes de um sistema de comunicação digital.
Conheceu codificação de dados (NRZI, Manchester, etc).
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