Tema 5 Tipos e modos de transmissão

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CURSO CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
DISCIPLINA: FUNDAMENTOS DE REDES DE COMPUTADORES
TEMA: Tipos e modos de transmissão
TEXTO PARA APOIO AO ESTUDO
1. Formas de transmissão
Assim como há sinais cuja natureza própria pode ser do tipo analógico ou digital, é possível efetuar sua transmissão também na forma analógica ou digital
1.1 Sinalização analógica
A sinalização analógica é a técnica que utiliza sinais analógicos para a transmissão de dados digitais ou analógicos. A sinalização analógica é largamente utilizada por dispositivos conectados a linhas telefônicas, como um computador conectado à Internet utilizando uma linha telefônica. Nesse esquema de sinalização, os dispositivos são conectados ao meio através de um modem (modulador-demodulador), que tem a função de realizar a modulação do sinal na origem e a demodulação do sinal no destino. (Maia, 2013)
A modulação consiste na combinação de um sinal com frequência mais elevada, apropriada para transmissão a longa distância e sem grandes atenuações, chamado portador (em inglês, carrier) ou onda portadora e do sinal representativo da informação (em banda base), gerado pela fonte.
A tecnologia de modulação permitiu que se pudesse realizar transmissão na forma analógica de sinais analógicos (rádio e tv), assim como de sinais digitais (dados). Na década de 1960 utilizou-se a tecnologia de Modulação para implementar sistemas de Comunicação de Dados (teleprocessamento): Surgiram os Modems. O termo MODEM é um acrônimo de MOdulador e DEModulador.
A modulação permite que se efetive a transmissão analógica de sinais analógicos (sistema de rádio e TV analógicos) e de sinais digitais (entre computadores), ou seja, teremos a modulação analógica e modulação digital, respectivamente.
1.1.1. Modulação analógica
A modulação analógica, ou modulação analógica, é a representação de informações analógicas por um sinal analógico. Poder-se-ia questionar: por que precisamos modular um sinal analógico; afinal, ele já é analógico. A modulação é necessária quando o meio físico for passa-faixa por natureza ou se houver disponibilidade de apenas um canal passa-faixa. Um exemplo é o rádio. O governo atribui uma largura de banda estreita para cada estação. O sinal analógico produzido pelas estações em separado é um sinal passa-baixa, todos no mesmo intervalo. Para podermos ouvir diferentes estações, cada um dos sinais passa-baixa precisa ser deslocado para um intervalo de frequências diferente. (Forouzan, 2008)
A modulação analógica pode ser realizada por três processos: AM (amplitude modulation, ou seja, modulação em amplitude), FM (frequency modulation, ou seja, modulação em frequência) e PM (phase modulation, ou seja, modulação em fase). As modulações FM e PM normalmente são classificadas em uma mesma categoria (ver Figura 1). (Forouzan, 2008)
Figura 1-Tipos de modulação analógica (Forouzan, 2008)
Modulação em Amplitude 
Na transmissão AM, o sinal da portadora é modulado de forma que sua amplitude varie com as variações de amplitude do sinal modulador. A frequência e a fase da portadora permanecem inalteradas; somente a amplitude muda para acompanhar as variações nas informações. A Figura 2 mostra como funciona esse conceito. O sinal modulador é o envelope da portadora. (Forouzan, 2008)
Figura 2-Modulação em amplitude
Modulação em Frequência (Frequency Modulation) 
Em transmissões FM, a frequência do sinal da portadora é modulada para acompanhar as mudanças no nível de tensão (amplitude) do sinal modulador. A amplitude máxima e a fase do sinal da portadora permanecem inalterados, mas à medida que a amplitude do sinal modulador muda, a frequência da portadora muda de forma correspondente. A Figura 3 mostra as relações entre o sinal modulador, o sinal da portadora e o sinal FM resultante. (Forouzan, 2008)
Figura 3-Modulação em frequência (Forouzan, 2008)
Modulação em Fase (Phase Modulation) 
Na transmissão PM, a fase do sinal da portadora é modulada para acompanhar as mudanças no nível de tensão (amplitude) do sinal modulador. A amplitude e a frequência máxima do sinal da portadora permanecem inalterados, mas à medida que a amplitude do sinal modulador muda, também muda a fase da portadora. A Figura 4 mostra as relações do sinal modulador, o sinal da portadora e o sinal PM resultante. (Forouzan, 2008)
Figura 4-Modulação em fase
1.1.2. Modulação digital
Na Figura 5 o modem converte os dados digitais vindos do dispositivo em sinais analógicos para serem transmitidos pelo canal de comunicação. No destino, os sinais analógicos devem ser convertidos novamente para dados digitais. É importante ressaltar que a linha telefônica permite a sinalização digital, porém esse meio foi concebido para transmissão de voz e não oferece as condições ideais para esse tipo de transmissão. (Maia, 2013)
Figura 5-Modulação e demodulação. (Maia, 2013)
O processo de modulação, base da sinalização analógica, utiliza o conceito de onda portadora. A onda portadora é um sinal de frequência constante e contínuo que funciona como um meio de transporte para o dado a ser enviado. A modulação é o processo que envolve alterar uma ou mais características da onda portadora, como a amplitude, a frequência ou a fase, de forma a que o dado possa ser transmitido. O processo inverso, que permite obter os dados a partir da onda portadora, é chamado demodulação. (Maia, 2013)
Existem, basicamente, três técnicas de modulação digital: chaveamento por deslocamento de amplitude, chaveamento por deslocamento de frequência e chaveamento por deslocamento de fase. No chaveamento por deslocamento de amplitude, ou ASK (Amplitude Shift Keying), a amplitude da onda portadora é modulada de forma a representar os bits 0 e 1. Por exemplo, na Figura 6 o bit 0 é representado pela ausência de amplitude, enquanto o bit 1 é representado pela própria amplitude da onda portadora. A grande vantagem dessa técnica é a sua simplicidade de implementação, porém tem a desvantagem de ser mais suscetível a ruídos e interferências, se comparada com a técnica de FSK. (Maia, 2013)
Figura 6-Chaveamento por deslocamento de amplitude. (Maia, 2013)
No chaveamento por deslocamento de frequência, ou FSK (Frequency Shift Keying), a frequência da onda portadora é modulada de forma a representar os bits 0 e 1. Por exemplo, na Figura 7, os bits 0 e 1 são representados por duas frequências distintas. O esquema FSK é muito utilizado em transmissões sem fio. (Maia, 2013)
Figura 7-Chaveamento por deslocamento de frequência. (Maia, 2013)
No chaveamento por deslocamento de fase, ou PSK (Phase Shift Keying), a fase da onda portadora é modulada de forma a representar os bits 0 e 1, ou pode-se utilizar a mudança de fase para representá-los. Por exemplo, na Figura 8, o bit 0 é representado por uma fase contínua, enquanto o bit 1 é representado por uma inversão de fase em relação à fase anterior. Esse segundo tipo de PSK é chamado de chaveamento por deslocamento de fase diferencial. O esquema PSK é utilizado na maioria dos modems, em conjunto com o esquema ASK. (Maia, 2013)
Figura 8-Chaveamento por deslocamento de fase. (Maia, 2013)
1.2. Sinalização Digital
A sinalização digital é a técnica que utiliza sinais digitais para a transmissão de dados digitais ou analógicos. No caso de dados digitais, as informações estão prontas para ser transmitidas, bastando serem codificadas para um sinal digital. No caso de dados analógicos, as informações devem ser, primeiramente, convertidas para o formato digital, através do processo de digitalização. Uma vez no formato digital, as informações podem ser codificadas em um sinal digital (Figura 9). (Maia, 2013)
Figura 9-Sinalização digital. (Maia, 2013)
A sinalização digital é suportada apenas em meios de transmissão do tipo par trançado e cabo coaxial. Devido ao efeito da atenuação em sinais digitais, essa técnica é utilizada apenas em pequenas distâncias. A implementação da sinalização digital em distâncias maiores exige a utilização de regeneradores. A sinalização digital é, geralmente, utilizada nacomunicação entre dispositivos próximos, como computadores e periféricos, em redes locais Ethernet e alguns tipos de conexões utilizando linhas telefônicas, como em conexões ISDN. 
A forma mais simples de sinalização digital, conhecida como codificação NRZ-L (Non Return to Zero-Level), estabelece um valor de voltagem para representar o bit 1 e um outro valor para o bit 0 (Figura 10). Essa codificação é implementada no padrão EIA-232-F, e, nesse caso, o bit 1 tem o valor de -3 volts, enquanto o bit 0 tem o valor de +3 volts. (Maia, 2013)
Figura 10-Codificação NRZ-L. (Maia, 2013)
Uma variação da técnica NRZ-L é conhecida como NRZ-I (Non Return to Zero Invert). Nesse esquema de sinalização, também chamado de codificação diferencial, o dado é representado em termos de mudanças de sinais. O bit 0 é representado quando não há variação do sinal, e o bit 1, quando ocorre uma transição do sinal em relação ao sinal anterior. Na Figura 11 o primeiro bit 1 é representado pela transição do sinal de um valor mais baixo para um mais alto. Os dois bits 0 que se seguem são representados pela manutenção do sinal anterior. O segundo bit 1 é representado pela transição do sinal de um valor mais alto para um mais baixo. (Maia, 2013)
Figura 11-Codificação NRZ-I.
As técnicas NRZ possuem diversas limitações, como o problema de sincronização, que será abordado no final deste capítulo. Na codificação Manchester existe uma transição no meio do período de cada bit, que serve para representar tanto um dado quanto um sinal de sincronismo. Uma transição positiva (valor mais baixo para um mais alto) representa o bit 1, enquanto uma transição negativa (valor mais alto para um mais baixo) representa o bit 0 (Figura 12). A codificação Manchester permite que o sinal digital, além do dado, transporte também uma informação de sincronismo, permitindo ao receptor identificar o bit recebido. Esse tipo de codificação é utilizado em redes locais Ethernet de 10 Mbps. (Maia, 2013)
Figura 12-Codificação Manchester.
Existem diversas técnicas de sinalização digital, algumas técnicas de codificação permitem, além da sincronização da transmissão, a detecção de erros a partir do próprio sinal transmitido, a melhora do desempenho da transmissão e a redução do impacto de eventuais problemas na transmissão, como ruídos. (Maia, 2013)
1.3. Digitalização
Os dados transmitidos em redes de computadores estão sempre no formato digital e podem ser transmitidos utilizando-se sinais analógicos ou digitais. Para que dados analógicos, como áudio e vídeo, possam ser transmitidos pela rede, é necessária a conversão dos dados analógicos para o formato digital. O processo que permite converter dados analógicos para dados digitais é chamado digitalização. Processo semelhante é utilizado em outras aplicações, como na criação de CD de música, DVD e fotografia digital. (Maia, 2013)
O processo de digitalização utiliza um dispositivo chamado CODEC (COdificador-DECodificador), que realiza a conversão analógico-digital-analógico. Na origem, o dado analógico é recebido pelo CODEC, que o converte para o formato digital. O dado digital, então, pode ser transmitido pela interface de comunicação utilizando sinais analógicos ou digitais (Figura 13). No destino, o processo inverso se repete e o dado analógico é recuperado. (Maia, 2013)
Figura 13-Processo de digitalização. (Maia, 2013)
A digitalização vem sendo aplicada largamente no sistema de telefonia. No sistema telefônico tradicional, a voz do usuário (dado analógico) é transmitida utilizando sinalização analógica. Com a digitalização do sistema, as centrais telefônicas passaram a converter a voz para o formato digital, que é então codificada para um sinal analógico e transmitida até a central destino. A central destino recebe o sinal analógico e o converte para a voz digitalizada, que pode ser decodificada para o formato analógico e ser ouvida pelo outro usuário. Processo semelhante ocorre nos telefones celulares que utilizam tecnologia digital. Nesse caso, o telefone possui um CODEC que converte a voz para o formato digital, que é transmitida, utilizando sinais analógicos, para a antena mais próxima. No celular destino, ocorre o processo inverso. (Maia, 2013)
A técnica mais utilizada para a digitalização de áudio é conhecida como PCM (Pulse Code Modulation). Nessa técnica, o sinal analógico é amostrado periodicamente, formando um sinal no formato de pulsos estreitos, chamados pulsos modulados por amplitude ou PAM (Pulse Amplitude Modulated). Cada pulso representa um intervalo de valores que o sinal pode atingir, e cada intervalo representa um nível de quantização. Para cada nível de quantização é associado um conjunto de bits, permitindo criar a codificação PCM. No exemplo da Figura 14, são utilizados três bits para representar os níveis de quantização, o que permite representar oito pulsos (0 a 7), e são realizadas onze amostragens (0 a 10). O resultado é uma sequência de 33 bits que forma o código PCM. (Maia, 2013)
No caso do sistema telefônico, que utiliza o esquema PCM, a central digitaliza a voz do usuário e a transmite no formato analógico. Na central de destino, a voz no formato digital é recuperada, e, a partir dos códigos de bits, é recriada a onda de pulsos PAM. Como o sistema utiliza 8 bits para a codificação dos pulsos PAM, é possível representar 256 níveis. (Maia, 2013)
Para que o processo de digitalização funcione corretamente, o número de pulsos PAM amostrados deve ser suficiente para que o código de bits gerado permita a reconstrução do sinal analógico. Pelo teorema de Nyquist, um meio com largura de banda W precisa de no máximo 2W amostras para ser recuperado corretamente. Por exemplo, a voz humana necessita de uma largura de banda de algo em torno de 4000 Hz para ser transmitida de forma inteligível. Aplicando o teorema de Nyquist, são necessárias no máximo 8000 amostras por segundo para recuperar a voz transmitida. Utilizando uma codificação de 8 bits, padrão no sistema telefônico, e 8000 amostras por segundo, é necessário um meio que ofereça, pelo menos, 64 Kbps para a transmissão digital de uma conversa telefônica. (Maia, 2013)
Figura 14-Codificação PCM. (Maia, 2013)
AS INFORMAÇÕES CONTIDAS NESTE MATERIAL DE APOIO AO ESTUDO FORAM EXTRAÍDAS DAS SEGUINTES PUBLICAÇÕES:
MAIA, Luiz P. Arquitetura de Redes de Computadores – 2. ed. – Rio de Janeiro: LTC, 2013
KUROSE, James F. e ROSS, Keith W. Redes de Computadores e a Internet: uma abordagem top-down. 6. ed. São Paulo: Pearson, 2013. 
FOROUZAN, Behrouz A. Comunicação de Dados e Redes de Computadores. 4. ed. São Paulo: McGraw-Hill, 2008.