Introdução


                                                                              Redes de Computadores          ...
Componente DC                                                                                                             ...
Nonreturn to Zero Inverted (on ones)                                                                                      ...
Manchester : vantagens e desvantagens                                                                                     ...
B8ZS                                                                                                                      ...
Dados analógicos, sinais digitais                                                                                         ...
Sinalização analógica                                                                                                     ...
Modulação em fase (n-PSK)                                                                                                 ...
Banda passante da linha telefônica                                                                                        ...
Outra visão da rede de telefonia pública                                                                                  ...
Modos de transmissão                                                                                                      ...
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  1. 1. Introdução Redes de Computadores ! Informações digitais ou analógicas podem ser codificadas tanto em Instituto de Informática - UFRGS sinais analógicos como em sinais digitais. ► Dados digitais, sinais digitais Codificação de dados ► Dados analógicos, sinais digitais ► Dados digitais, sinais analógicos ► Dados analógicos, sinais analógicos Instituto de Informática - UFRGS ► Fora do contexto da disciplina (comunicação de dados) ► É o que acontece com estações de rádio e televisão A. Carissimi -16-mars-10 Aula 04 Redes de Computadores 2 Dados digitais, sinais digitais Nível de sinal versus nível de dados ! Dados (analógicos ou digitais) são codificados em um sinal digital ! Nivel de sinal: ► Pulsos de voltagem (discretos) representando um elemento de sinalização ► Quantidade de níveis que um sinal digital pode assumir ► Dados são codificados pelos elementos de sinalização ! Nível de dados: ! Tipo de esquema de codificação depende do meio de transmissão ► Número de níveis que são utilizados para representar dados ► Otimizar o meio de transmissão (banda passante ou erro) Questões importantes: Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ! 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 ► níveis de sinal e de dados, componente DC, taxa de sinalização e sincronização A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 Dois níveis de sinal, três níveis de sinal, dois níveis de dados dois níveis de dados Redes de Computadores 3 Redes de Computadores 4
  2. 2. Componente DC Sincronização ! Nível de energia residual que corresponde a uma freqüência zero ! Relógios do emissor e do receptor devem estar sincronizados para ! Indesejável por: correta interpretação sinal ► Sinal com componente DC sofre distorção ao passar por transformadores ► Amostragem no meio do tempo de bit ► “alarga” a banda passante do sinal ! Necessário manter a sincronização ► Resincronização na presença de “bordas” do sinal Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 Relógio amostragem idêntico ao da transmissão Com componente DC Sem componente DC (em média) (em média) Relógio amostragem adiantado Em relação ao da transmissão O ou 1?? Redes de Computadores 5 Redes de Computadores 6 Métodos de codificação Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L) ! Existem vários ! Dois níveis diferentes de tensão para bits em 0 e em 1 ► Polares, diferenciais, scrambling, codificação em blocos (NRZ, NRZ-I, ! Tensão constante durante o tempo de bit, ou seja, sem retorno para Manchester, Manchester diferencial, AMI, Pseudo-ternário, B8ZS, 4B/6B etc) o nível zero ! Qual o melhor? R.: depende... ! Normalmente: ► Espectro do sinal (largura de banda) ► bit em 1: valor negativo ► Capacidade de sincronização Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► bit em 0: valor positivo ► Capacidade de detecção de erro ► Custo e complexidade A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 Redes de Computadores 7 Redes de Computadores 8
  3. 3. Nonreturn to Zero Inverted (on ones) NRZ/NRZ-I: vantagens e desvantagens ! Variação de NRZ ! Vantagens: ! Tensão constante durante o tempo de bit ► Fácil de implementar Bom uso da banda passante ! Dados são codificados em função da presença ou não de uma ► transição no início do tempo de bit ! Desvantagens ► Transição representa 1 binário ► Apresenta componente DC residual (bem menor que a unipolar) Não fornece mecanismo para sincronização de início e fim de bits Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► Sem transição representa 0 binário ► Sem detecção de erros ! Código pertencente a familia “codificação diferencial” ► A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 Redes de Computadores 9 Redes de Computadores 10 Codificação Manchester Codificação Manchester diferencial ! Transição no meio do tempo de duração de cada bit ! Sempre uma transição no meio do tempo de duração de cada bit ! Transição serve para representar dados e garantir sincronização ► Objetivo é sincronização ► Transição nível baixo → alto representa 1 binário ! Codificação: ► Transição nível alto → baixo representa 0 binário ► Transição no ínicio do tempo de bit representa zero binário ! Empregado em redes do tipo IEEE 802.3 ► Ausência de transição no início do tempo de bit representa um binário Empregado em redes do tipo IEEE 802.5 Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ! 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 Manchester 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 Manchester diferencial Redes de Computadores 11 Redes de Computadores 12
  4. 4. Manchester : vantagens e desvantagens Bipolar-AMI e Pseudo-ternário ! Vantagens ! Usam mais de dois níveis de tensão ! Pseudo-ternário ► Sincronização embutida com a transição no meio do tempo de bit ! Bipolar-AMI ► Ausência de sinal = um bit em 1 Ausência sinal = bit em zero ► Pulso negativo ou positivo = bit em zero ► Ausência de componente DC ► ► Pulso negativo ou positivo = bit em 1 ► Pulsos tem sua polaridade alternada ► Possibilita detecção de erros de transmissão ► Pulsos tem sua polaridade alternada ► Ausência da transição esperada ! Desvantagens Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► No mínimo uma transição ocorre durante o tempo de um bit ► A taxa sinalização é duas vezes a do NRZ ► Necessita de maior banda passante A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 Redes de Computadores 13 Redes de Computadores 14 AMI e pseudo-ternário: vantagens e desvantagens Técnica de scrambling ! Vantagens: ! Substituir seqüências que geram tensões constantes ► Ausência de componente DC ! Critério para criação de seqüências: ► Fácil detecção de erros ► Produzir transições para permitir sincronização ! Desvantagens: ► “Protocolo” para o receptor interpretar e traduzir para o original ► Perda de sincronismo para grandes seqüência de zeros (Bipolar) ou de 1s ► Não modificar o “tamanho” da seqüência original (pseudo-ternário) Objetivos: Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ! ► Não é tão eficiente como o NRZ ► Reduzir componente DC ► Linha assume três níveis diferentes para codificar apenas 2 valores ► Eliminar longas seqüências de zero/um na linha ► Receptor deve distinguir 3 niveis de tensão (+A, 0, -A) Não aumentar/reduzir a taxa efetiva de transmissão A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 ► ► Permitir detecção de erro Redes de Computadores 15 Redes de Computadores 16
  5. 5. B8ZS B8ZS e HDB3 ! Bipolar With 8 Zeros Substitution ! Basedo no código bipolar-AMI ! Regra para codificação: ► Se um byte possui 8 zeros consecutivos ► Pulso precedente positivo, codifica como 0 0 0+ - 0 - + Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► Pulso precedente negativo, codifica como 0 0 0- + 0 + - ! Sequências de violações no código AMI ! Receptor detecta o padrão é traduz a sequência para 8 zeros A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 Redes de Computadores 17 Redes de Computadores 18 Codificação em blocos Exemplos: 4B/5B e 8B/6T 4B/5B (Parcial) 24 (16) mapeados em 25 (32) ! Empregado para melhorar a eficiência da transmissão ► e.g.: codificação Manchester possui uma eficiência de apenas 50% ! Três etapas: ► Divisão: dados são divididos em grupos de m bits ► Substituição: grupos de m bits são substituídos por n bits ( n > m) ► Escolhe seqüências visando sincronização e detecção de erros Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► Codificação: para transmissão pode-se usar qualquer um dos métodos vistos anteriormente A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 8B/6T (exemplo de um código) -1 +1 0 +1 -1 0 00011111 28 (256) mapeados em 36 (729) Redes de Computadores 19 Redes de Computadores 20
  6. 6. Dados analógicos, sinais digitais Pulse Amplitude Modulation (PAM) e Pulse Code Modulation (PCM) ! Digitalização do sinal, i.é., conversão do sinal analógico em digital ► Dado pode ser transmitido usando um tipo qualquer de codificação digital ► Conversão sinal analógico em seu equivalente digital (uma técnica de Amostragem modulação) ! Codec (coder-decoder) Quantização ► Conversão pode utilizar duas técnicas: Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► Pulse Code Modulation (PCM) ► modulação delta Geração PCM ! Aplicação comum: rede de telefonia pública A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 ! Quantização do sinal ► Inclui erro e/ou ruído ► Aproximação do sinal original, ou seja, é impossível de recuperar exatamente o sinal original Redes de Computadores 21 Redes de Computadores 22 Teorema de amostragem de Nyquist Visão simplificada da rede de telefonia pública Digital ! Precisão de uma reprodução digital de um sinal analógico depende do número de amostras realizadas no sinal original ! Teorema de Nyquist:: ► “Um sinal amostrado em intervalos regulares a uma taxa igual a duas vezes a da sua mais alta freqüência contém toda a informação do sinal original” ► Exemplo: Sinal de voz ocupa banda de 4 KHz (0–4KHz, com suas bandas Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS de guarda), o que implica em uma freqüência de amostragem de 8 KHz Analógico Analógico ! Portanto, a taxa PAM deve ser duas vezes a freqüência mais alta presente no sinal. ! Sistema típico: A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 ► Um sinal com frequência x deve ser amostrado a cada 1/(2x) segundos. ► Amostras em 8 bits (fornece 256 níveis discretizados diferentes) ► 8000 amostras por segundo o que gera 64kbps (8000 x 8 bits/amostra) Redes de Computadores 23 Redes de Computadores 24
  7. 7. Sinalização analógica Dados digitais, sinais analógicos ! Baseada na existência de um sinal de freqüência constante ! Transmissão de dados digitais através de sinais analógicos ► Portadora (carrier signal) ! Modulação ► Freqüência da portadora depende do meio ► conversão de um sinal analógico em outro sinal analógico de modo a transmiti-lo em um meio passa-faixa ! Modulação consiste em codificar os dados com base na portadora ► Modulação em dados digitais se denomina keying ► Combinação dos parâmetros: amplitude, freqüência e fase ► Representar uma informação através de uma série de modificações em Transformação de um sinal em passa-baixa em passa-banda um sinal analógico (portadora) Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► ! Banda passante do sinal é centrada na freqüência da portadora (fc) ! Técnicas de modulação para dados digitais (keying) ► Amplitude shift keying (n-ASK) ► Frequency shift keying (n-FSK) A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 ► Phase shift keying (n-PSK) ► Quadrature Amplitude Modulation (QAM) Redes de Computadores 25 Redes de Computadores 26 Modulação em amplitude (n-ASK) Modulação em freqüência (n-FSK) ! Dados binários são representados por n niveis diferentes de ! Dados binários são representados por n portadoras de diferentes amplitudes da portadora freqüências ! Caso particular: n=2 (ASK) ! Caso particular: n=2 (FSK) ► Um dos valores pode ser zero (supressão da portadora) ► Empregado em fibras óticas (presença ou ausência de luz) Bit 1= A cos (2 π f1t ) S(t) = Banda = fc2 – fc1 + Nbaud Bit 0 =A cos (2 π f2t ) Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS Banda = Nbaud Nbaud A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 fc1 fc2 fc S(t) = Bit 1 = A cos (2 π fct ) Nbaud/2 Bit 0 = 0 Redes de Computadores 27 Redes de Computadores 28
  8. 8. Modulação em fase (n-PSK) Quadratura de fase (QPSK) ! Fase da portadora é deslocada em n valores para representar dados ! Cada elemento de sinalização é caracterizado por uma fase própria ! Caso particular: n=2 (PSK) ► Esquema genérico é denominado de n-PSK (n = número de fases) Um elemento de sinalização representa log2 n bits ! Duas técnicas de base: ► ► Limitação de hardware para detectar diferentes fases próximas ► Referência fixa (relação a portadora) ► Referência variável (em relação ao último baud) ! Caso especial: n=4 (quadratura de fase) Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS Banda = Nbaud Bit 1 = A cos (2 π f1t + π ) 10 11 S(t) = Bit 11 = A cos (2 π fct + π/4 ) Nbaud Bit 0 = A cos (2 π fct ) Bit 10 = A cos (2 π fct + 3π/4 ) S(t) = Bit 00 = A cos (2 π fct + 5π/4 ) A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 Bit 01 = A cos (2 π fct + 7π/4 ) 00 01 fc Redes de Computadores 29 Redes de Computadores 30 Quadratura de Amplitude (QAM) Estudo de caso: Modem linha discada (Modulador-demodulador) ! Combinação de ASK e PSK ! Converte dados binários em sinal analógico e vice-versa ► Variação em amplitude e em fase ► Transmissão de dados através do laço local da rede de telefonia pública Diagramas de 10 11 011 Interface analógica constelação 010 100 001 Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS 101 000 110 00 01 111 Interface digital A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 ! Possível definir várias amplitudes e fases (n-QAM) ► Exemplos: 16-QAM, 64-QAM, 128-QAM e 256-QAM DTE: Data Terminal Equipment DCE: Data Communication Equipment Redes de Computadores 31 Redes de Computadores 32
  9. 9. Banda passante da linha telefônica Padrões de Modem: série V (standard ITU-T) ! Passa-banda 300Hz a 3300 Hz (banda passante 3000 Hz) ! Modem V32 (9600 bps) ► Bordas são suscetíveis a distorções, tolerados na transmissão de voz mas ► 32-QAM, 2400 baud, código de trellis não para a transmissão de dados ! Modem V32bis (até 14400 bps) ► Solução: empregar uma faixa (banda) mais estreita ► 128-QAM, 2400 baud, inclusão de fall-back e fall-forward ! Modem V34 (até 28800 bps) Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► 12 bits dados /baud ! Modem V34bis (até 33600 bps) 3000 3300 Hz ► 14 bits dados/baud 300 600 Modem V90 e V92 (até 56000 bps para downloading) A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 2400 Hz (dados) ! 3000 Hz (voz) ► Sistemas assimétricos (duas velocidades: uploading e downloading) ► Uploading V90 é até 33.6 Kbps, uploading V92 é até 48 Kbps Redes de Computadores 33 Redes de Computadores 34 Modem: diagramas de constelação Limitação de velocidade de transmissão QPSK 16-QAM 64-QAM ! Linha telefônica apresenta uma limitação na sua capacidade máxima de transmissão (Shanon)  S C = B log 2 1 +   N 2 bits por baud 4 bits por baud 6 bits por baud C = 3000 log 2 (1 + 3162) Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS 4800 bps 9600 bps 14400 bps C = 3000 × 11.62 = 34860 bps 32-QAM 128-QAM 5 bits por baud 4 bits + 1 bit correção 7 bits por baud ! Como então existem modems de capacidade superior a este limite? (código Trellis) A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 6 bits + 1 bit correção 9600 bps 14400 bps ► Dados são compactados antes de transmitir Modem V32 Modem V32.bis ► Sistemas assimétricos (QAM+redundância) Redes de Computadores 35 Redes de Computadores 36
  10. 10. Outra visão da rede de telefonia pública Modems tradicionais versus modems 56K ! Núcleo da rede de telefonia pública é digital, laço local é analógico Digital ! Modems tradicionais: ► Após modulação (emissor) há uma conversão analógico →digital (entrada) ► O mesmo vale para a resposta enviada pelo destino ► Conversões = ruído de quantização (afeta relação S/R de Shannon) Modems 56K (V90 e V92) Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ! ► Comunicação é para a Internet com presença de um provedor de serviço Ruído ► Provedor (de qualidade) possui uma linha digital com a companhia telefônica Quantização ► Elimina a conversão na ponta do provedor (resposta) - downloading A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 PCM ► Assinante possui uma linha analógica (laço local) com a companhia telefônica Por que 56 Kbps? Analógico ► Ruído de quantização na ponta assinante (requisição) – uploading Para voz se faz 8000 amostras/sec, 8 bits cada. Desses 8 bits, em alguns momentos, 1 bit é destinado para controle ► Velocidade de dowloading pode ser maior que a de uploading e 7 são destinados a dados (7 x 8000=56000). Redes de Computadores 37 Redes de Computadores 38 Dados analógicos/digitais e suas sinalizações Leituras complementares Dados digitais Sinal digital Sinal analógico ! Stallings, W. Data and Computer Communications (6th edition), Prentice Hall 1999. ► Capítulo 5, seções 5.1 a 5.5, capítulo 14 (anexo A) ASK PSK FSK NRZ Diferenciais Scambling Manchester ! Tanenbaum, A. Redes de Computadores (4a edição),Campus 2003. ► Capítulo 2, seções 2.5.1, 2.5.3 Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► Capítulo 4, seção 4.3.2 (possui apenas o Manchester) Dados analógicos Sinal analógico Sinal digital A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 Pulse Code Modulation (PCM) Banda base Portadora (AM,FM e PM) Redes de Computadores 39 Redes de Computadores 40
  11. 11. Modos de transmissão Transmissão paralela ! Transmissão de dados pode ser de forma paralela ou serial ! Paralela → n bits enviados simultaneamente em um tempo de bit ► Necessário uma via (fio) por bit ► Relógio único (global) Transmissão ► n + 1 via (fios) necessários = n para dados + 1 para o relógio ! Apresenta limitação em distância Custo Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► Paralela Serial ► Distorções no sinal de relógio A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 Síncrona Assíncrona Redes de Computadores 41 Redes de Computadores 42 Transmissão serial Dados analógicos, sinais analógicos ! Serial → n bits enviados em seqüência, um após o outro, cada um ! Porque modular sinais analógicos? ocupando um tempo de bit ► Freqüências mais altas fornecem uma transmissão mais eficiente ! Serial assíncrona: ► Possibilita o emprego da técnica FDM (multiplexação em freqüência) ► Não há informação de sincronização entre o emissor e o receptor ► Adaptar sinal a requisitos de banda passante do meio ► Presença de marcas de início e fim ! Tipos de modulação empregada Fortemente baseado em temporização (sensível ao drift) Amplitude ( Amplitud Modulation - AM) Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► ► ► Problema: não se pode enviar mensagens muito longas senão ocorre ► Freqüência (Frequency Modulation - FM) defasagem entre emissor e receptor ► Fase (Phase Modulation - PM) ! Serial síncrona ! Exemplo: sinais de televisão analógica e rádios (AM, FM, etc) A. Carissimi -16-mars-10 A. Carissimi -16-mars-10 ► Informação de relógio é embutido junto com os dados (e.g. Manchester) ► Amortização das marcas de inicio e fim Redes de Computadores 43 Redes de Computadores 44

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