Tema 4 Tipos de sinais e suas características

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CURSO CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
DISCIPLINA: FUNDAMENTOS DE REDES DE COMPUTADORES
TEMA: Tipos de sinais e suas características
TEXTO PARA APOIO AO ESTUDO
1. Processo de transmissão
O processo de transmissão envolve o tratamento de dados e sinais. Um dado é uma informação armazenada no dispositivo de origem que se deseja transmitir para o dispositivo de destino. Para ser transmitido, o dado precisa ser codificado em um sinal que percorrerá o canal de comunicação até chegar ao destino, onde será decodificado (Figura 1). Por exemplo, quando alguém fala ao telefone, a voz (dado) é codificada em pulsos elétricos (sinal) e transmitida utilizando o par telefônico (canal de comunicação). No destino, os pulsos elétricos são decodificados para o formato original. A codificação e a decodificação do sinal são implementadas pela interface de comunicação, que no exemplo é o próprio telefone. (Maia, 2013)
Figura 1- Processo de Transmissão (Maia, 2013)
Tanto dados quanto sinais podem ser classificados como analógicos ou digitais. O termo analógico está associado à ideia de valores que variam continuamente no tempo dentro de um conjunto infinito de valores (Figura 2a). Por exemplo, a visão e a audição humanas envolvem o tratamento de dados e sinais analógicos. O termo digital está associado à ideia de valores que variam de forma discreta em função do tempo dentro de um conjunto finito de valores (Figura 2b). Computadores são considerados digitais porque representam dados e sinais apenas com dois valores: 0 ou 1. (Maia, 2013)
Figura 2-Sinal analógico e sinal digital (Maia, 2013)
Em redes de computadores, os dados estão sempre no formato digital, porém esses dados, para serem transmitidos, devem ser codificados em sinais analógicos ou digitais. A camada física tem como principal função a transmissão efetiva dos dados, representados por uma sequência de bits que formam o PDU da camada física (PDU-F). A sequência de bits deve ser codificada em sinais na origem e transmitida pelo canal de comunicação. Os sinais recebidos no destino são decodificados, formando novamente a sequência de bits transmitida. No exemplo da Figura 3, os dados estão sendo transmitidos utilizando sinais digitais. (Maia, 2013)
Figura 3-Camada Física(Maia, 2013)
A escolha do tipo de sinal que será utilizado na codificação depende de alguns fatores, como, por exemplo, o meio de transmissão utilizado. Alguns meios aceitam apenas sinalização analógica como a fibra ótica e as transmissões sem fio. Mesmo nos meios que aceitam sinalização digital, como o par trançado e o cabo coaxial, o sinal digital impõe certas restrições à transmissão. (Maia, 2013)
2. Sinais Periódicos e Não Periódicos
Tanto os sinais analógicos como os digitais podem assumir uma de duas formas: Periódicos ou Não Periódicos (algumas vezes chamados aperiódicos, pois o prefixo a em grego, significa “Não”). (Forouzan, 2008)
Um sinal periódico completa um padrão dentro de um período mensurável, denominado período, e esse padrão se repete, de forma idêntica, ao longo dos períodos seguintes. O término de um padrão completo é chamado ciclo. Um sinal não periódico muda sem exibir um padrão ou ciclo que se repita ao longo do tempo.
Tanto os sinais analógicos como os digitais podem ser Periódicos ou Não Periódicos. Em comunicação de dados, usamos comumente sinais analógicos Periódicos e sinais digitais Não Periódicos. (Forouzan, 2008)
3. Sinais analógicos
A onda senoidal é a forma mais fundamental de um sinal analógico periódico. Quando a visualizamos como uma curva oscilante simples, sua mudança ao longo do curso de um ciclo é suave e consistente, um fluxo oscilante e contínuo. A Figura 4 mostra uma onda senoidal. Cada ciclo consiste em um arco único acima do eixo de tempo seguido por um arco único abaixo dele. (Forouzan, 2008)
Figura 4-Onda Senoidal (Forouzan, 2008)
Uma onda senoidal pode ser representada por três parâmetros: amplitude máxima, frequência e fase. Esses três parâmetros descrevem totalmente uma onda senoidal. (Forouzan, 2008)
Amplitude Máxima
A amplitude máxima de um sinal é o valor absoluto da máxima intensidade, proporcional à energia que ela transporta. Para sinais elétricos, a amplitude máxima é normalmente medida em volts. A Figura 5mostra dois sinais e suas amplitudes máximas. (Forouzan, 2008)
Figura 5-Dois sinais com a mesma fase e frequência, mas com amplitudes diferentes (Forouzan, 2008)
Período e Frequência
Período se refere à quantidade de tempo, em segundos, que um sinal precisa para completar 1 ciclo. Frequência corresponde ao número de períodos em 1s. Note que período e frequência são apenas uma característica definida de duas formas diferentes. Período é o inverso da frequência e vice-versa, como mostram as fórmulas a seguir: (Forouzan, 2008)
Frequência e período são inversos entre si. A Figura 6 mostra dois sinais e suas frequências. (Forouzan, 2008)
Figura 6-Dois sinais com a mesma amplitude e fase, mas frequências diferentes (Forouzan, 2008)
O período é expresso formalmente em segundos. A frequência é expressa geralmente em Hertz (Hz), que são ciclos por segundo. Unidades de período e frequência são indicadas na Tabela 1-Unidades de período e frequência. (Forouzan, 2008)
Tabela 1-Unidades de período e frequência (Forouzan, 2008)
Fase 
O termo fase descreve a posição da forma de onda relativa ao instante 0. Se imaginarmos a onda como algo que pode ser deslocado para a frente e para trás ao longo do eixo de tempo, essa fase quantifica esse deslocamento, ou seja, indica o estado do primeiro ciclo. A fase descreve a posição da forma de onda relativa ao instante 0. (Forouzan, 2008)
A fase é medida em graus ou radianos (360º equivale a 2π/360 rad e 1 rad equivale a 360/2 π). Um deslocamento de fase de 360º refere-se a um deslocamento de um período completo; um deslocamento de fase de 180º corresponde a um deslocamento de metade de um período e um desloca- mento de fase de 90o corresponde a um deslocamento de um quarto de período (ver Figura 7-Três ondas senoidais com a mesma amplitude e frequência, mas com fases diferentes). (Forouzan, 2008)
Figura 7-Três ondas senoidais com a mesma amplitude e frequência, mas com fases diferentes (Forouzan, 2008)
Comprimento de Onda 
Comprimento de onda é outra característica de um sinal que trafega por um meio de transmissão. O comprimento de onda associa o período ou frequência de uma onda senoidal simples à velocidade de propagação do meio (ver Figura 8). (Forouzan, 2008)
Figura 8-Comprimento de onda e período (Forouzan, 2008)
Enquanto a frequência de um sinal é independente do meio, o comprimento de onda depende tanto da frequência quanto do meio. Comprimento de onda é uma propriedade de qualquer tipo de sinal. Em comunicação de dados, muitas vezes, usamos o comprimento de onda para descrever a transmissão de luz em uma fibra óptica. (Forouzan, 2008)
O comprimento de onda é a distância que um sinal simples pode percorrer em um período. O comprimento de onda pode ser calculado caso seja dada a velocidade de propagação (a velocidade da luz) e o período do sinal. Entretanto, já que período e frequência se relacionam entre si, se representarmos o comprimento de onda por λ, a velocidade de propagação por c (velocidade da luz) e a frequência por f, obtemos (Forouzan, 2008)
 
A velocidade de propagação de sinais eletromagnéticos depende do meio e da frequência do sinal. Por exemplo, no vácuo, a luz se propaga com velocidade de 3 × 108 m/s. Essa velocidade é menor no ar e menor ainda em um cabo. (Forouzan, 2008)
3.1 Sinais compostos
Até o momento, nos concentramos em ondas senoidais simples. Elas têm diversas aplicações no cotidiano. Podemos enviar uma onda senoidal simples para transportar energia elétrica de um lugar a outro. Por exemplo, a companhia distribuidora de energia envia uma onda senoidal simples com frequência de 60 Hz para distribuir energia elétrica para as residências e empresas. Outro exemplo seria utilizá-la para enviar um sinal de alarme a uma central de segurança quando um ladrãoabrisse uma porta ou janela em uma casa. No primeiro caso, a onda senoidal está transportando energia; no segundo é um sinal de perigo. (Forouzan, 2008)
Se tivéssemos apenas uma única onda senoidal simples para transmitir uma conversação pelo telefone, ela não teria nenhum sentido e não transportaria nenhuma informação. Simplesmente ouviríamos um ruído, precisamos enviar um sinal composto para estabelecer uma comunicação de dados. Um sinal composto é formado de várias ondas senoidais simples. (Forouzan, 2008)
Há dois tipos de sinal composto: periódico ou não periódico. Um sinal composto periódico pode ser decomposto em uma série de ondas senoidais simples com frequências discretas  frequências que possuem valores inteiros (1, 2, 3 e assim por diante). Um sinal composto não periódico pode ser decomposto em uma combinação de um número infinito de ondas senoidais simples com frequências contínuas, frequências que possuem valores reais. (Forouzan, 2008)
A Figura 9 mostra um sinal composto periódico com frequência f. Esse tipo de sinal não é o tipicamente encontrado em comunicação de dados. Podemos considerá-lo para três sistemas de alarme, cada um dos quais com uma frequência diferente. A análise desse sinal pode nos dar uma boa ideia de como decompor sinais. (Forouzan, 2008)
Figura 9-Um sinal composto periódico (Forouzan, 2008)
A amplitude da onda senoidal com frequência f é praticamente a mesma que a amplitude máxima do sinal composto. A amplitude da onda senoidal com frequência 3f é um terço da primeira e a amplitude da onda senoidal com frequência 9f é um nove avos da primeira. A frequência da onda senoidal com frequência f é a mesma que a frequência do sinal composto; ela é chamada frequência funda- mental ou primeira harmônica. A onda senoidal com frequência 3f tem uma frequência três vezes da frequência fundamental; ela é denominada terceira harmônica. A terceira onda senoidal com frequência 9f tem uma frequência nove vezes da frequência fundamental; ela é dita nona harmônica. Para que os sinais sejam harmônicos, é necessário que de todos os sinais (fundamental e os N harmônicos) estejam compreendidos no período T. (Forouzan, 2008)
Banda Passante e Largura de Faixa
O intervalo de frequências contido em um sinal composto é sua largura de banda. A largura de banda é, normalmente, a diferença entre dois números. Por exemplo, se um sinal composto con- tiver frequências entre 1.000 e 5.000, sua largura de banda será 5.000 – 1.000, ou seja, 4.000. A largura de banda de um sinal composto é a diferença entre a maior e a menor frequências contidas nesse sinal. (Forouzan, 2008)
Largura de Banda também pode se referir ao número de bits por segundo do canal, um enlace ou até mesmo uma rede é capaz de transmitir, ou seja, se refere à velocidade de transmissão de bits em um canal ou enlace, em bits por segundo. O aumento na largura de banda em Hertz implica no aumento da largura de banda em bits por segundo
4. Sinais digitais
Além de representadas por um sinal analógico, as informações também podem ser representadas por um sinal digital. Por exemplo, o nível lógico 1 pode ser codificado como uma voltagem positiva e o nível lógico zero (0) como uma voltagem zero. Um sinal digital pode ter mais de dois níveis. (Forouzan, 2008)
Nesse caso, podemos enviar mais de 1 bit por nível. A Figura 10 mostra dois sinais, um com dois níveis e outro com quatro. (Forouzan, 2008)
Figura 10-Dois sinais digitais: um com dois níveis e outro com quatro níveis de sinal
Enviamos 1 bit por nível no item (a) da figura e 2 bits por nível no item (b) da figura. Em geral, se um sinal tiver L níveis, cada nível precisa log2L bits. (Forouzan, 2008)
A maioria dos sinais digitais é não periódica, consequentemente, frequência e período não são características adequadas. Em vez de frequência, temos a taxa de transferência, que indica o número de bits enviados em 1seg, expresso em bits por segundo (bps). Em vez de período, temos o conceito de intervalo de sinalização. Em vez de comprimento de onda, temos o conceito de comprimento de bits
Amplitude (A)
É a intensidade do sinal durante um período fixo de tempo, que usualmente serve para identificar seu valor (bit zero ou bit um). A intensidade do valor do bit é determinada eletricamente por um valor de voltagem, no caso de transmissões de dados
Duração (T) ou Intervalo de Sinalização
O período de tempo em que o sinal referente a um único bit permanece no valor de intensidade determinado, também chamado de Intervalo de Sinalização. 
Se um determinado sistema opera gerando 10 intervalos de sinalização por seg, então, este é chamado de TAXA DE SINAL, sendo medido em BAUDs, ou símbolos por segundo ou pulsos por segundo.
1 BAUD = 1 intervalo por seg
Se cada intervalo representa 1 bit, então BAUDS = BPS ou seja, 10 bauds = 10 bps.
Taxa de Transferência 
Outro termo denominado taxa de transferência (em vez de frequência) é usado para descrever sinais digitais. A taxa de transferência é o número de bits enviados em 1s, expresso em bits por segundo (bps). A Figura 9 indica a taxa de transferência para dois sinais. (Forouzan, 2008)
Tempo de Resposta
Tempo de Resposta é o intervalo de tempo decorrido entre o início de uma transmissão, por exemplo, uma consulta a um Banco de Dados e a chegada da resposta, referindo-se basicamente a sistemas interativos (consultas). Em transmissões, também pode ser considerado o tempo em que um arquivo é transferido de uma origem a seu destino (em um download, por exemplo).
O tempo de resposta é um somatório de diversos tempos intermediários, dentre eles podemos citar:
· Tempo de processamento, no transmissor
· Tempo de transmissão, no transmissor
· Tempo de propagação, no meio
· Tempo de reação, no receptor
· Tempo de processamento, no receptor
· Repetição dos tempos para retorno
Tempo de Transmissão
Tempo de transmissão é o tempo decorrido entre a saída do primeiro bit do bloco (do dispositivo de transmissão, como um Modem) e a saída do último bit deste mesmo bloco
Tempo de propagação
O tempo de propagação é dependente basicamente da velocidade de propagação e da distância entre as estações.
Transmissão Banda-Base
A transmissão em banda base utiliza toda a capacidade do canal para uma única comunicação, o sinal é transmitido em sua forma original.
A transmissão banda-base requer que tenhamos um canal passa-baixa, um canal com largura de banda que começa em zero. Este é o caso se tivermos um meio de transmissão dedicado com toda largura de banda alocada em apenas um canal. Por exemplo, toda a largura de banda de um cabo conectando dois computadores é um canal único. Outro exemplo poderia ser a conexão de vários computadores a um barramento, mas não permitir que mais de duas estações se comuniquem por vez. Enfatizando, temos um canal passa-baixa e podemos usá-lo para comunicação banda-base. (Forouzan, 2008)
4.1 Sinal digital - Transmissão multinível
Nem sempre o intervalo de sinalização é igual ao valor de um bit. É possível enviar mais de um bit em cada intervalo de sinalização, por exemplo, se cada intervalo representar 2 bits é necessário haver 4 estados(níveis) de intensidade diferentes, um para cada par de bits (chama-se DIBIT)
Se o sistema opera com taxa de sinalização de 10 bauds (gerando 10 intervalos/seg, então, neste caso, serão transmitidos efetivamente 20 bps (10 * 2)
5. Limites na taxa de dados
Uma consideração muito importante nas comunicações de dados é a rapidez com que podemos enviar os dados, em bits por segundo, através de um canal. A taxa de dados depende de três fatores: (Forouzan, 2008)
1. A largura de banda disponível. 
2. O nível dos sinais usados. 
3. A qualidade do canal (o nível de ruído). 
Foram desenvolvidas duas fórmulas teóricas para calcular a taxa de dados: uma delas por Nyquist, para um canal sem ruído, e outra por Shannon, para um canal com ruído. (Forouzan, 2008)
Canal sem Ruído: Taxa de Transferência de Nyquist 
Para um canal sem ruído, a fórmula para taxa de transferência de Nyquist define a taxa de transferênciateórica máxima. (Forouzan, 2008)
TaxaTransferência = 2 × largura de banda × log2 L
Nessa fórmula, a largura de banda refere-se à largura de banda do canal, L corresponde ao número de níveis do sinal usados para representar dados, e TaxaTransferência é a taxa de transferência em bits por segundo. (Forouzan, 2008)
De acordo com a fórmula, poderíamos imaginar que, dada uma largura de banda específica, podemos ter qualquer taxa de transferência que queiramos, aumentando o número de níveis do sinal. Embora a ideia seja teoricamente correta, na prática, existe um limite. Quando aumentamos o número de níveis de sinal, imporemos uma carga sobre o receptor. Se o número de níveis em um sinal for apenas 2, o receptor pode distinguir facilmente entre 0 e 1. Se o nível de um sinal for 64, o receptor tem de ser muito sofisticado para distinguir entre 64 níveis diferentes. Em outras palavras, aumentar os níveis de um sinal reduz a confiabilidade do sistema. (Forouzan, 2008)
Canal com Ruído: Capacidade de Shannon 
Na realidade, é impossível termos um canal sem ruído; o canal sempre apresenta algum nível de ruído. Em 1944, Claude Shannon introduziu uma fórmula, chamada capacidade de Shannon, para determinar a taxa de dados teórica máxima para um canal com ruído. (Forouzan, 2008)
Capacidade = largura de banda × log2 (1 + SNR)
Nessa fórmula, a largura de banda é a largura de banda do canal, SNR refere-se à relação sinal/ruído e capacidade é a capacidade do canal em bits por segundo. Note que, na fórmula de Shannon, Não existe nenhuma indicação do nível de sinal, o que significa que, independente- mente de quantos níveis tivermos, Não podemos atingir uma taxa de dados maior que a capa- cidade do canal. Em outras palavras, a fórmula define uma característica do canal, Não o métodos de transmissão. (Forouzan, 2008)
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.