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Comunicação de dados Comunicação de dados –– Aula 04Aula 04 Prof. Stéfany Mendes Esp. Em Segurança em Redes de Computadores Conceitos, Sinal Analógico e Digital Introdução - Classificação • Tantos os dados como os sinais que os representam podem ser analálogicos ou então digitais . • Dados analógicos refere-se a informações que são contínuas. Ex. ponteiros dos relógio analógicos. • Dados digitais correspondem a informações que possuem estados discretos. Ex. relógio digital. Introdução - Classificação – Sinais Analógicos – Tem infinitamente muitos níveis de intensidade ao longo de um período de tempo. O sinal analógico corresponde a uma onda eletromagnética gerada que pode assumir infinitos valores ao longo de seu caminho; Introdução - Classificação – Sinais Digitais – pode ter apenas um numero limitado de valores definidos. Embora cada valor possa ser um número qualquer, geralmente ele é representado com um nível lógico 1 ou 0. Introdução Sinais Periódicos e Não Periódicos • Os Dados Analógicos ou Digital, podem ser traduzidos e convertidos para efeito de transmissão elétrica em Sinais Analógicos ou em Sinais Digitais. • Tanto os sinais analógicos quanto os sinais digitais podem assumir uma das duas formas: periódicos e não periódicos. 5 Introdução • Sinais Periódico: Completa um padrão dentro de um período e esse padrão se repete, de forma idêntica, ao logo dos outros períodos. Ao término de um padrão completo é chamado de ciclo. • Sinal não periódico: Muda sem exibir um padrão ou ciclo que se repita ao longo do tempo. 6 Na comunicação de dados, usamos comumente sinais analógicos periódicos e sinais digitais não periódicos SINAL ANALÓGICO PERIÓDICO Sinal Analógico Exemplo de sinal Analógico Sinal Analógico Sinais Analógico Periódicos • Apresenta uma variação contínua ao longo do tempo, sendo as informações geradas por variações contínuas de amplitude, podendo ter características de amplitude e frequência bastante variáveis. Podem ser classificados como: – Simples: formado por um único sinal (ex. senóide); – Compostos: formado por vários sinais simples (ex. senóides). Sinais Analógico Periódicos • Ondas senoidal é um fluxo oscilante simples, sua mudança ao longo do curso de um ciclo é suave e consistente, um fluxo oscilante e contínuo. É a forma mais fundamental de um sinal analógico periódico. Sinal Analógico Periódicos • Um sinal analógico simples pode ser representado por uma onda senoidal (curva oscilante simples) que possui as seguintes características: – Amplitude (A) - Valor absoluto de maior intensidade (energia que carrega). É medida em Volts; – Período (T) - Tempo necessário para completar um ciclo, expresso em segundos; – Freqüência (f) – definimos freqüência como a quantidade de ciclos num intervalo de tempo de um segundo. O período (T) é a razão inversa da freqüência, ou seja: f = 1/ T. o período é formalmente expresso em segundos, já a freqüência utiliza hertz (Hz); – Fase (φ) – descreve a posição da forma de onda em relação ao tempo zero. A fase é medida em graus ou radianos. Sinal Analógico Periódicos – Fase • A fase descreve a posição da forma de onda relativa ao instante 0. • É medida em: – graus; – radianos; Sinal Analógico Periódicos – Amplitude • Nas figuras ao lado podemos observar dois sinais com a mesma fase e freqüência, mas com amplitudes máximas diferentes. Sinal Analógico Periódicos • Período = Quantidade de tempo que um sinal demora para completar um ciclo; • Frequência = é o número de períodos em 1 s; • Frequência e período são inversamente proporcionais Sinal Analógico Periódicos Unidades de períodos e freqüências Unidade de Período Equivalência Unidade de Frequência Equivalência Segundos (s) 1 s hertz (Hz) 1 Hz Millisegundos (ms) 10 3 s kilohertz (KHz) 103 Hz Microsegundos (µs) 10 6 s megahertz (MHz) 106 Hz Nanosegundos (ns) 10 9 s gigahertz (GHz) 109 Hz Picosegundos (ps) 10 12 s terahertz (THz) 1012 Hz Sinal Analógico Periódicos Só para exercitar... • Atividade 1 - Determine o período para o sinal elétrico cuja a frequência seja de 60 Hz. Sinal Analógico Periódicos Domínios de tempo e da freqüência. - Domínio do tempo = mostra mudanças na amplitude do sinal em relação ao tempo, a fase não é revelada explicitamente em um gráfico de domínio do tempo. - Domínio da freqüência = o domínio da freqüência se preocupa apenas com o valor máximo e a freqüência. Mudanças de amplitude durante um período não são apresentadas. Sinal Analógico Periódicos Domínios de tempo e da freqüência. Sinal Analógico - Periódicos • Sinais Compostos – Segundo Fourier (matemático Francês) um sinal composto é, na verdade, uma combinação de ondas senoidais simples com diferentes Freqüências, Amplitudes e Fases. Para que seja estabelecido uma comunicação de dados é necessário enviar um sinal composto ou seja várias ondas senoidais simples. Sinal Analógico - Periódicos Há dois tipos de sinal composto: periódico ou não periódico. • Sinal composto periódico pode ser decomposto em uma série de ondas senoidais simples com freqüências discretas. • Sinal composto não periódico pode ser decomposto em uma combinações de um número infinito de ondas senoidais simples com freqüências contínuas, freqüências que possuem valores reais. Sinal Analógico - Periódicos Sinal Analógico - Periódicos • Sinal composto pode ser o sinal criado por um microfone ou por um telefone. Nesse caso, o sinal composto não pode ser periódico, porque isso implica repetir a mesma palavra com exatamente o mesmo tom. Um ser humano é capaz de criar um intervalo contínuo de freqüência entre 0 a 4khz. Figura mostra um sinal composto não periódico. Este sinal pode ser gerado por um microfone ou um por um telefone quando uma palavra é pronunciada. Sinal Analógico - Periódicos – Largura de banda de um sinal composto é a diferença entre a maior e a menor freqüência contida no sinal. Por exemplo, se um sinal composto contiver freqüência entre 1.000 e 5.000, sua largura de banda será 5.000 – 1.000, ou seja, 4.000. SINAL DIGITAL Sinal Digital Exemplo de sinal digital Sinal Digital •Relógio digital: •Fibra Óptica: Sinal Digital • É uma seqüência de dois níveis discretos de impulsos de tensão ou de corrente, com amplitude definida (altura do sinal), utilizando a linguagem binária (dois níveis) “0” e “1” e sucedendo-se a intervalos de tempo regulares. • A comunicação entre a fonte e o destino através de pulsos de diferentes voltagens. Sinal Digital Amplitude Tempo Sinal Digital • Dados binários (bits) podem ser representados por sinais digitais: – Codificação. • Um sinal digital é um sinal composto de largura de banda infinita: – Perda de freqüências no meio; – Relação direta entre a banda passante do meio e a quantidade máxima de bits que o meio deixa passar → “banda passante” digital. Sinal Digital • Um sinal digital pode ter mais de dois níveis. Neste caso é possível enviar mais de 1 bit por nível como mostrado na figura. Se um sinal tiver L níveis, cada nível precisa log2 L bits. Formula: Nº de bits por segundo = Nº de pulso por segundo X logFormula: Nº de bits por segundo = Nº de pulso por segundo X log22 L.L. Numero de bits por nível = logNumero de bits por nível = log22 LL Sinal Digital Atividades: 1. Um sinal digital tem oito níveis. Quantos bits são necessários por nível? 2. Um sinal possui 2 níveis de codificação de dados, com 1ms de duração de pulso. Determine: a) O numero de pulso. b) O numero de bits por segundo. Número de bits por nível = log2 8 = 3 Número de pulso por segundo = 1 = 1 pulsos/s 1 x 10³ s Número de bits por segundo = Número de pulso por segundo x log2 L = 1 x log2 2 = 1 bps Sinal Digital • Taxa de Transferência – A maioria de sinais digitais é não periódicas com isto a freqüência e período não são características adequadas. Em sinais digitais a freqüência é representada por taxa de transferência que é o numerode bits enviados em 1s, expresso em bit por segundo (bps). • Comprimento de Bits – o comprimento de bits é a distância que um bit ocupa no meio de transmissão. • Transmissão de Sinal Digital – É possível transmiti um sinal digital através das seguintes formas: – Transmissão banda-base – Transmissão banda larga (usando modulação). Sinal Digital • Transmissão Banda–Base: Significa enviar um sinal digital por um canal sem mudá-la em um sinal analógico. • Esta transmissão requer um canal passa – baixa, ou seja, um canal com largura de barda que começa com 0. Sinal Digital Largura de banda • Largura de Banda – A largura de banda é a medida da quantidade de informação que pode ser transferida de um lugar para o outro em um determinado período de tempo. • Há dois usos comuns da expressão largura de banda: – um se refere a sinais analógicos – o outro, a sinais digitais. • Trabalharemos com largura de banda digital, chamada simplesmente de largura de banda. Sinal Digital Largura de banda • Unidade de informação mais básica: bit. • Unidade básica de tempo: segundo. • Então, se estivermos tentando descrever a QUANTIDADE de fluxo de informações em um intervalo de tempo ESPECÍFICO, poderíamos usar as unidades "bits por segundo" para descrever esse fluxo. • Bits por segundo - é uma unidade de largura de banda. Sinal Digital Largura de banda • É claro, se a comunicação se desse a essa taxa, 1 bit por 1 segundo, ela seria muito lenta. Imagine tentar enviar o código ASCII do seu nome e endereço - levaria minutos! Dessa forma, utilizamos as unidades a seguir : Sinal Digital Largura de banda Sinal Digital Largura de banda • Imagine que você tenha muita sorte e tenha um cable modem (utilizado em redes de transmissão de TV por cabo convencionais para transmitir dados em velocidades que variam de 70 Kbps a 150 Mbps); • Ou que a loja local tenha acabado de instalar uma linha ISDN (redes de telefonia convencionais para transmitir dados em alta velocidade que variam de 64 a 128 Kbps); • Ou que sua escola tenha acabado de receber uma LAN Ethernet de 10 Megabits. Sinal Digital Largura de banda • Imagine que aquele filme que você quer ver, ou a página da Web que deseja carregar, ou o software do qual deseja fazer download leve um tempo enorme para ser recebido. • Você acreditou que estava usando toda a largura de banda anunciada? • Há outro conceito importante que você devia ter levado em conta, ele se chama throughput. Sinal Digital Largura de banda Throughput – é a medida da rapidez pela qual podemos realmente enviar dados pela rede. Para calcular o throuphput temos: - Infelizmente, por muitas razões, o throughput é muito menor que a largura de banda digital máxima possível do meio que está sendo usado. Sinal Digital Largura de banda • Uma rede com largura de banda de 10Mbps é capaz de transmitir 12.000 pacotes em média por minuto e cada pacote possui, em média, 10.000 bits. Qual é o throughput desta rede? Sinal Digital Largura de banda • Alguns dos fatores que determinam o throughput e a largura de banda estão listados abaixo: – Dispositivos de internetworking; – Tipos de dados sendo transferidos; – Topologia; – Número de usuários; – Computador do usuário; – Computador servidor; – Falhas de energia ou induzidas pelo tempo. Sinal Digital • Um sinal digital é um sinal analógico composto por largura de banda infinita. Sinal Digital canal passa-baixa com largura de banda ampla • A transmissão banda-base de um sinal que preserve a forma do sinal digital é possível apenas se tivermos um canal passa-baixa com largura de banda infinita ou muito ampla. Sinal Digital – Canal passa-baixa com largura de banda limitada • Para fazermos uma aproximação do sinal digital por meio de um sinal analógico. O nível de aproximação depende da largura de banda disponível. - Aproximação Grosseira, - Melhor aproximação, Sinal Digital – Canal passa-baixa com largura de banda limitada • Na aproximação grosseira, vamos pegar um sinal digital com padrão de 3bits. Os caso ( 000 para 111) são simulados com um sinal analógico de freqüência f = N/2 e fases 180° para 000 e uma fase 0°. Os outros quatro casos podem ser simulados apenas por meio de um sinal analógico com f = N/4 e fases 180°, 270°, 90° e 0°. Em outras palavras, precisamos de um canal capaz de tratar freqüências 0, N/4 e N/2. Essa aproximação grosseira é conhecida como usando a freqüência da primeira harmonia (N/2). Sinal Digital – Canal passa-baixa com largura de banda limitada Sinal Digital – Canal passa-baixa com largura de banda limitada • Na melhor aproximação tem que fazer com que o sinal analógico se pareça mais com a de um sinal digital, assim, precisamos acrescentar mais harmônica das freqüências. Na transmissão banda-base, a largura de banda necessária é proporcional à taxa de transferência; se precisarmos enviar bits de forma mais rápida, necessitaremos de mais largura de banda. Sinal Digital – Canal passa-baixa com largura de banda limitada Sinal Digital – Canal passa-baixa com largura de banda limitada Sinal Digital – transmissão Banda larga • Transmissão Banda–Larga (usando modulação): Significa transformar o sinal digital em sinal analógico para transmissão. A modulação permite usa um canal passa-faixa um canal com largura de banda que não se inicie em 0. Sinal Digital – transmissão Banda larga Se o canal disponível for um canal passa-faixa, não se pode enviar diretamente o sinal para o canal; é necessário converter o sinal digital em sinal analógico antes da transmissão. Sinal Digital – transmissão Banda larga Sinal Digital • Perca na transmissão – As imperfeição provoca perda de sinal, ou seja, o que é enviado não é aquilo que é recebido. Sinal Digital- Atenuação • Atenuação – significa perda de energia. Parte da energia elétrica no sinal é convertida em calor . Para compensar essa perda, são usados amplificadores para o sinal. Sinal Digital- Atenuação • A energia é perdida em qualquer meio. No cabo metálico é dissipada em forma de energia térmica, justificando o aquecimento do fio ao transmitir informação. • Para compensar essa perda, são usados amplificadores. • Unidade de medida de intensidade do sinal: decibel (dB) Sinal Digital - Decibel • Decibel – mostra se um sinal está fraco ou forte. Ele mede a intensidade relativas de dois sinais ou um sinal em dois pontos diferentes, caso seja negativo ele está atenuado, caso seja positivo ele está amplificado. As variáveis P1 e P2 são, respectivamente, as potências de um sinal nos pontos 1 e 2. Sinal Digital - Decibel • A principal razão dos engenheiros utilizarem decibéis para medir mudanças de intensidade é o fato desses valores poderem ser somados ou subtraídos. Exemplo: Resultado final: Sinal Digital - Distorção • Distorção – Significa que o sinal muda sua forma ou formato. A distorção pode ocorrer em um sinal composto formado por diversas frequências. Cada componente do sinal tem sua própria velociadade de propagação por um meio e, portanto, seu próprio retardo em atingir o destino final. Sinal Digital - Distorção • A potência do sinal recebido diminui com a distância (atenuação) • Em meios guiados, a atenuação varia exponencialmente com a distância (medida em escala logarítmica; unidade: dB / km); • A transmissão analógica requer amplificadores; • A atenuação depende das características do meio; • A atenuação aumenta com a frequência (distorção de amplitude); • Potência do sinal recebido (detecção); – Deve ser suficiente para ser detectado (sensibilidade do receptor); – A taxa de ocorrência de erros depende da relação sinal ruído; • O sinal digital é regenerado com recurso a repetidores Sinal Digital • Ruído – nada mais é do que perda de sinal, onde, temos vários tipos de ruído. São eles: - Ruídos térmicos, - Ruídos linha cruzadas, - Ruídos induzidos, - Ruídos de impulso, Sinal Digital • Ruídos térmicos – é a movimentação aleatóriade elétrons em um fio que cria um sinal extra que não foi originalmente enviado pelo transmissor. • Ruídos induzidos – provém de fontes como motores e aparelhos elétricos. • Ruídos linha cruzadas – é o efeito de um fio sobre o outro, onde, um atua com uma antena receptora e outro como transmissora. • Ruídos de impulso – é um pico de energia, proveniente de cabos de força, relâmpagos e outros. Sinal Digital - Ruído • Características; – É constituído por sinais eletrônicos aleatórios; – Por serem aleatórios, não podem ser completamente compensados; – Adição adulterada ao sinal de informação que tende a alterar seu conteúdo; – É um sinal indesejável; – É muito difícil de compensar, pois não pode ser prognosticado, a não ser em termos de probabilidade. Sinal Digital • Relação Sinal/Ruído (SNR)– é a razão daquilo que é desejado (sinal) por aquilo que não é desejado (ruído). Um SNR alto significa que o sinal é menos afetado pelo ruído e um SNR baixo significa que o sinal é mais prejudicado pelo ruído. Sinal Digital • Limites na taxa de dados – é a rapidez com que podemos enviar os dados, em bits por segundo, através de um canal. Isso depende de três fatores: – A largura de banda disponível, – O nível dos sinais usados, – A qualidade do canal (o nível de ruído). Sinal Digital – Taxa de dados segundo Nyquist • Canal sem ruído: Taxa de transferência de Nyquist – define a taxa de transferência teórica máxima. onde: L = número de níveis do sinal usados para representar dados Desta forma segundo Nyquist, aumentar os níveis de um sinal reduz a confiabilidade do sistema. Sinal Digital – Capacidade segundo Shannon • Canal com ruído: Capacidade de Shannon – define a taxa de dados teórica máxima para um canal com ruído. Nesta fórmula não existe nenhuma indicação do nível de sinal, o que significa que, independentemente de quantos níveis tivermos, não podemos atingir uma taxa de dados maior que a capacidade do canal. Sinal Digital • Canal com ruído: Capacidade de Shannon – define a taxa de dados teórica máxima para um canal com ruído. Nesta fórmula não existe nenhuma indicação do nível de sinal, o que significa que, independentemente de quantos níveis tivermos, não podemos atingir uma taxa de dados maior que a capacidade do canal. Sinal Digital • Desempenho – depende de vários fatores tal como: Throughput – é a medida da rapidez pela qual já vimos anteriormente. Latência (Retardo) - é quanto tempo leva para uma mensagem inteira chegar de forma completa no seu destino, desde o momento em que o primeiro bit é enviado da origem. Latência = tempo de propagação + tempo de transmissão + tempo de fila + retardo de processamento Sinal Digital Tempo de propagação – mede o tempo necessário para um bit trafegar da origem ao seu destino. Tempo de transmissão – é a forma como o primeiro bit pode levar um período igual o tempo de propagação para chegar ao seu destino. Sinal Digital - Calculo tempo p/ transferência de arquivo Sinal Digital - Calculo tempo p/ transferência de arquivo T = 1,5 x 10243 x 8 = 122,88 s 100 x 10242 Supondo que um arquivo tenha 1,5GB de tamanho e seja transferido em uma rede, onde a taxa de transmissão seja 100Mbps. Em quanto tempo este arquivo será transferido? Sinal Digital Tempo de fila – é o tempo necessário para cada dispositivo intermediário ou terminal manter a mensagem antes de esta ser processada. Produto largura de banda-retardo – é o numero de bits capaz de preencher o enlace. Jitter – é um problema, caso pacotes de dados diferentes encontrem retardos diferentes e a aplicação que estiver usando os dados no receptor for sensível ao tempo. Sinal Digital • Fatores importantes: – É finita; – Pode economizar dinheiro; – Avaliar o desempenho e o projeto da rede; – Analisar e compreender a real necessidade da – Internet; – Demanda cresce constantemente. Sinal Digital - Vantagens • Facilidade de regeneração, em comparação com sistemas analógicos; • Maior imunidade à distorção e à interferência (o sinal digital só tem 2 estados); • Com circuitos analógicos até uma pequena perturbação pode tornar o sinal distorcido de forma inaceitável; • Os circuitos são mais confiáveis; • As técnicas digitais são mais apropriadas ao tipo de processamento de sinal que protege contra interferências; • Tipos diferentes de sinais digitais – dados, telegrafia, telefone, televisão – podem ser tratados como sinais idênticos na transmissão e na comutação. Sinal Digital - Desvantagens • A comutação digital requer maior largura de banda; • Geralmente necessita de sincronização. VÍDEO Comunicação de Dados. Prof. Stéfany Mendes Esp. Em Segurança em Redes de Computadores Contato: smsstefany@gmail.com smsstefany@hotmail.com (62) 9665-5473 (62) 3269-1210
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