Modelo de Comunicação Transmissão de Sinais

Modelo de Comunicação
Propósito principalÎ A troca de informação
entre dois agentes
Comunicação de Computadores
Comunicação de Dados
Transmissão de Sinais
Agente
Dispositivo
de entrada
Informação n
Meio de
transmissão
Transmissor
Dado g
Sinal s (t)
Codificação dos Dados
Dispositivo
de saída
Receptor
Sinal
r (t)
Dado g’
Agente
Informação n’
Decodificação dos Dados
Transmissão de Sinais
• Terminologia
– Domínio do tempo
– Domínio da freqüência
• Qualidade do Sinal
– Problemas existentes no meio físico
– Capacidade do Canal
• Principais Meios de Transmissão
– Par Trançado
– Cabo Coaxial
– Fibra Ótica
– Micro Ondas
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Transmissão de Sinais
Terminologia::
M eio de
Transmissão
É por onde ocorre a transmissão
de sinais entre o transmissor e
o receptor
Em forma de ondas
eletromagnéticas
Meio GuiadoÎ
Guiado
as ondas são
guiadas ao longo de um
caminho físico (ex. par trançado,
cabo coaxial, fibra ótica)
Meio NãoNão-Guiado
GuiadoÎ fornece o
meio para transmitir as ondas,
sem guiá-las (ex. ar, vácuo,
oceano)
TERMINOLOGIA (cont
(cont.)
.)
Ligação Direta
sinais se propagam diretamente
do transmissor para o receptor,
sem dispositivos intermediários,
exceto
amplificadores
ou
repetidores
usados
para
aumentar a força do sinal
2
TERMINOLOGIA (cont
(cont.)
.)
Ligação Direta
Ponto-a-PontoÎ somente os dois dispositivos compartilham
o meio
Tx/Rx
meio
físico
Amplificador
ou
Repetidor
meio
físico
Tx/Rx
0 (zero) ou mais conjuntos
TERMINOLOGIA (cont
(cont.)
.)
Ligação Direta
Multi-PontoÎ mais de dois dispositivos compartilham o
meio
Tx/Rx
Tx/Rx
meio
físico
Tx/Rx
Amplificador
ou
Repetidor
Tx/Rx
meio
físico
0 (zero) ou mais conjuntos
3
TERMINOLOGIA (cont
(cont.)
.)
A transmissão pode ser:
De acordo com
ANS I/US A e ITU-T/Europa
SIMPLEX Î sinais são transmitidos somente em uma
única direção; uma estação é sempre a
transmissora e outra sempre a receptora.
HALF-DUPLEX Î ambas as estações podem transmitir,
porém não simultaneamente
SIMPLEX
(uma de cada vez).
FULL-DUPLEX Î as duas estações podem transmitir
DUPLEX
simultaneamente.
TERMINOLOGIA (cont
(cont.)
.)
• Domínio do Tempo:
Tempo
– Sinal Contínuo
x
Mantém um nível constante
durante um tempo e depois
m uda para um outro nível
constante
varia de forma
suave no tempo
– Sinal Periódico
Padrão se repete
ao longo do tempo
Discreto
x
Aperiódico
Padrão não se repete
ao longo do tempo
4
Sinais Contínuos x Discretos
Sinais Periódicos
5
TERMINOLOGIA (cont
(cont.)
.)
• Domínio da Freqüência:
Freqüência
– Sinal eletromagnético é composto de
várias freqüências (ondas senoidais)
– Exemplo:
s (t ) = (4 / π ).[sin (2πft ) + (1 / 3) sin( 2π (3 f ) t )]
senóide de
freqüência f
senóide de
freqüência 3f
TERMINOLOGIA
(cont
cont.)
.)
Freqüência Fundamental
Ø
quando um sinal é
composto de componentes
de freqüências múltiplas
de uma freqüência básica.
básica
O período do sinal
composto (T) é igual ao
período da freqüência
fundamental.
6
TERMINOLOGIA (cont
(cont.)
.)
Espectro de Freqüência
s(t)
Espectro de Freqüência
1.0
-X/2
X/2
t
7
TERMINOLOGIA (cont
(cont.)
.)
Espectro de um
Sinal
É a faixa de freqüências que esse
sinal contém. (Ex.: estende de f a 3f)
Bandwidth
Absoluta
É a largura do espectro de um
sinal. (Ex.: BW = 2 f )
Bandwidth
Efetiva
É a faixa que contém “a maior parte”
da energia do sinal. Usada para o caso
de sinais de BW infinita. (Ex.: rede
telefônica => fmín = 300Hz; fmáx =
3400Hz => BW=3100Hz)
TERMINOLOGIA (cont
(cont.)
.)
Componente DC
Componente de freqüência zero
(sem componente DC o sinal tem
amplitude média zero)
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Data Rate x Bandwidth
• Qualquer meio de transmissão tem
limitações sobre a faixa de freqüência
que pode transmitir.
• Gera um limite na taxa de dados que
pode ser realizada no meio de
transmissão.
TERMINOLOGIA (cont
(cont.)
.)
Data Rate X Bandwidth
Dígito
Dígito11
Dígito
Dígito00
Sinal de bandwidth infinita
Data Rate = 2f bits/seg
∞
1
s (t ) = ∑ sen(2πkft )
k =1 k
amplitude da k-th componente de
frequência (kf) do sinal é 1/k
• Para um determinado meio
de transmissão:
> BW Î > custo
< BW Î > distorção
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Data Rate
Rate X
XBandwidth
Bandwidth
Data
s( t ) = ( 4 / π ).[ sin ( 2πft) + (1 / 3) sin ( 2π ( 3 f )t ) + (1 / 5) sin ( 2π ( 5 f ) t)]
s(t ) = (4 / π ).[sin ( 2πft ) + (1 / 3)sin ( 2π ( 3 f ) t) + (1/ 5) sin ( 2π (5 f ) t) + (1/ 7)sin ( 2π ( 7 f )t )]
Data Rate x Bandwidth
s (t ) = A(4 / π ).[
∞
∑ (1 / k)sin(2π (kf )t )]
k= 1
k= ímpar
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TERMINOLOGIA (cont
(cont.)
.)
CONCLUSÃO Î Existe uma relação direta entre data
rate e bandwidth: quanto maior a
data rate de um sinal, maior a sua
bandwidth efetiva
efetiva. Quanto maior a
bandwidth de um sistema de
transmissão, maior a data rate que
pode ser transmitida neste sistema.
TERMINOLOGIA (cont
(cont.)
.)
Bits: 0 1 0 0 0 0 1 0 0
Seqüência de bit
data rate = 2000 bps
Pulso após transmissão:
Bandwidth 500Hz
Bandwidth 900Hz
Bandwidth 1300Hz
Representação razoável
com Bandwidth de 1700
a 2500Hz
Bandwidth 1700Hz
Bandwidth 2500Hz
Representação muito boa
com Bandwidth de 4000Hz Bandwidth 4000Hz
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Transmissão de Sinais
A especificação de uma taxa adequada
depende principalmente de 2 fatores:
• Qualidade do Sinal
- Problemas existentes no meio físico
- Capacidade do Canal
• Características do Meio de Transmissão
Problemas existentes no
Meio Físico
•
ATENUAÇÃO
•
DELAY DISTORTION
•
RUÍDO
9 Ruído Térmico
9 Ruído de Intermodulação
9 Crosstalk
9 Ruído Impulsivo
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Problemas existentes no Meio Físico
ATENUAÇÃO Î perda de potência do sinal no percurso
entre transmissor e receptor.
3 considerações para o projetista:
c o sinal recebido deve ter “força” suficiente para que o
circuito eletrônico de recepção detecte o sinal;
d o sinal deve manter um nível suficientemente maior que o
ruído para a recepção sem erro;
repetidores (sinais digitais)
amplificadores (sinais analógicos)
e atenuação aumenta com a freqüência.
Equalizadores.
Problemas existentes no Meio Físico
ATENUAÇÃO PARA CANAL DE VOZ:
Sem equalização
Com equalização
Atenuação relativ a (decibéis) ÖN f = -10 log10 Pf
P1000
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Problemas existentes no
Meio Físico
“DELAY DISTORTION” Î causado pelo fato de que a
velocidade de propagação de
um sinal no meio guiado varia
com a freqüência.
Meio guiado
Mais crítico para sinais digitais.
Problemas existentes no
Meio Físico
“DELAY DISTORTION” PARA CANAL DE VOZ
Sem equalização
Com equalização
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Problemas existentes no Meio Físico
RUÍDO Î sinais elétricos indesejáveis inseridos entre o
transmissor e o receptor => fator limitador no
desempenho de sistemas de comunicação.
• Ruído Térmico Ö ruído causado pela agitação térmica
dos elétrons no condutor - Inevitável
Ö É uniformemente distribuído pelo
espectro de freqüência (ruído branco).
Ö presente em qualquer meio de
transmissão e é função da temperatura
N=kTTBB
N=k
Bandwidth (Hz)
Ruído Térmico (W)
Constante de Boltzmann Temperatura (°K)
(1.3803x10-23 J/°K)
Problemas existentes no
Meio Físico
•Intermodulação Ö ocorre quando sinais de diferentes
freqüências compartilham o meio de
transmissão
Ö produz sinais a uma freqüência que é a
soma (ou diferença) de 2 freqüências
originais.
Ö produzido quando existe alguma não
linearidade no transmissor, receptor ou
sistema de transmissão, devido a mal
funcionamento.
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Problemas existentes no
Meio Físico
•Crosstalk
Ö acoplamento elétrico que ocorre entre
fios fisicamente próximos (2 pares trançados)
Ö mesma ordem de grandeza do
ruído branco (ruído térmico).
•Impulsivo
Ö pulsos irregulares (“spikes”), não contínuos,
de curta duração e relativamente de alta
amplitude, causado por distúrbios
eletromagnéticos (raio), falhas no sistema
de comunicação.
Ö principal fonte de erro em comunicação
de dados digitais.
Ruído Impulsivo
Dado a ser
transmitido
Sinal original
Ruído Impulsivo
Sinal mais ruído
T axa de amostragem
Dado recebido
Dado original
Exemplo: “ spike” de 10ms a 4800bps => RAJADA de 48 bits
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Problemas existentes no
Meio Físico
CONCLUSÃO Î
Vários fatores distorcem e
corrompem o sinal
Como esses fatores limitam a
taxa de transmissão de sinal?
CAPACIDADE DO CANAL
taxa máxima com que pode se transmitir
dados através de um canal, sob certas condições
CAPACIDADE DO CANAL
4 Conceitos relacionados:Î
• taxa de dados (bps) que o dado pode ser transmitido;
• bandwidth (Hz) determinada pelo transmissor e o meio
de transmissão;
• nível médio de ruído na comunicação;
• taxa de erros.
erros
OBJ ETIVO:Î
Obter a maior taxa de dados, a uma taxa de erro limite,
para uma certa bandwidth Î problema = ruí
ruído
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CAPACIDADE DO CANAL
Canal sem ruído
Caso ideal, cuja limitação é
apenas a BANDWIDTH.
Fórmula de
de Nyquist
Nyquist
Fórmula
Dada uma certa
bandwidth W
Máxima taxa de
transmissão de
sinal = 2W
Ex: canal de voz = 3100Hz Î C = 2W = 6200bps
Com codificação adequada:
C= 2W log2 M Î M = número de símbolos
distintos na codificação
CAPACIDADE DO CANAL
Canal com ruído
SHANNON
SHANNON
Só leva em consideração
ruído branco
Para um certo nível de ruído,
quanto maior o data rate
Î maior a taxa de erro!
Cmáx = W log2 (1 + S/N)
(bps)
(Hz)
Relação
sinal/ruído
Ex: canal de voz = 3100 log2 (1 + 1000/1)
Î C = 30.894bps Î na prática = 9600bps.
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Principais Meios de
Transmissão
Principais Meios de Transmissão
• É o caminho físico entre o
transmissor e o receptor
M eio de Transmissão
• As características e qualidade da
transmissão
de
dados
são
determinadas tanto pela natureza do
sinal quanto pela natureza do meio.
• Meio guiado Ö o meio é mais
importante na limitação da
transmissão;
• Meio Não-Guiado Ö bandwidth
do sinal é mais importante.
Espectro de Freqüência dos Sinais
19
Principais
Meios
de
Principais
Meios de
Transmissão
Transmissão
Características de Transmissão Ponto-a-Ponto
para M eios Guiados
Principais Meios de
Principais Meios de Transmissão
Transmissão
Atenuaçãodos
dosmeios
meiosde
de
Atenuação
transmissãoguiados
guiados
transmissão
20
Principais
Meios
de
Principais
Meios de
Transmissão
Transmissão
Par Trançado
5 a 15cm
• Consiste de dois fios de cobre
arranjados em um padrão regular em
espiral.
• O fato de ser trançado minimiza a
interferência
eletromagnética
e
crosstalk
• O mais usado meio de transmissão
para sinais analógicos e digitais
(Ex.: sistema telefônico).
• Repetidores a cada 2 ou 3 kms;
Amplificadores a cada 5 ou 6 kms.
Principais Meios de Transmissão
D= 1 a 2.5cm
Cabo Coaxial
• Consiste
também
de
dois
condutores mas arranjados de forma
diferente (um condutor cilíndrico e
um condutor interno).
• Devido à construção, é menos
susceptível a interferência e crosstalk
que o par trançado
• Ex.: LANs, cable TV, redes
telefônicas de longa distância.
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Principais Meios de Transmissão
(vidro ou plástico)
Fibra Ótica
• M eio físico flexível fino (core=8 a 100 µm),
capaz de conduzir raio ótico.
•Características principais:
9 maior bandwidth (100’s Gbps-10’s km);
9 menor tamanho e peso;
9 menor atenuação;
9 isolamento eletromagnético
(imune a interferência, ruído
impulsivo e crosstalk);
9 maior espaçamento entre repetidores.
Multimode - refere-se à variedade de ângulos que irão refletir;
Singlemode - reduzindo o core à ordem de grandeza do comprimento
de onda, somente um ângulo poderá passar (melhor desempenho).
Multimode Graded index - caso intermediário, através da variação do
índice de refração do core;
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Principais
Meios
de
Principais
Meios de
Transmissão
Transmissão
Micro Ondas
• tipo mais comum de antena é a parabólica
(parabolic dish ~ 3m diâmetro).
• Sem obstáculos, a distância máxima é
dada por: d = 7.14 Kh (km)
h = altura da antena (m)
K = fator de ajuste = 4/3
• telecomunicações de longa distância.
• Sujeita a influência do tempo e construções.
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