REDES DE COMPUTADORES
REDES DE COMPUTADORES I
Camada física
Professor: M.Sc. Carlos Oberdan Rolim
EMBASAMENTO TEÓRICO PARA COMUNICAÇÃO DE
DADOS
• transmissão de sinal: propagação de ondas através de um
meio físico (ar, fios metálicos, fibra de vidro) que podem ter
suas características (amplitude, freqüência, fase) alteradas no
tempo para refletir a codificação da informação transmitida.
• A informação está associada, em geral, às idéias ou dados
manipulados pelos agentes que as criam, manipulam e
processam. Sinais correspondem à materialização específica
dessas informações, utilizada no momento da transmissão.
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sinal analógico: sinal que varia continuamente no tempo.
Sinal analógico
Modulação por amplitude, freqüência e fase
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Sinais Periódicos e Não Periódicos
• 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
termino de um padrão é chamado ciclo
• Sinal não periódico: muda sem exibir um
padrão ou ciclo que se repita ao longo do
tempo
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Onda senoidal
É a forma fundamental de um sinal
analógico, varia de forma contínua ao
longo do ciclo
 Cada ciclo da senoide consiste de dois
arcos da função seno e segue a seguinte
fórmula:


S(t)=A sem (2πft + θ), onde S é o valor
instantâneo da senoide, A é a amplitude, f a
freqüência e θ a fase
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Onda senoidal
• Amplitude máxima
• Freqüência
• Fase
Descrevem completamente uma onda senoidal
fim de ciclo
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• Período é o tempo necessário para um fenômeno se repetir
• Freqüência é a taxa de mudança em relação ao tempo
(quantidade de períodos)
• Mudança em um curto espaço de tempo significa alta
freqüência
• Mudanças ao longo de espaço de tempo prolongado significa
baixa freqüência
Período se refere a quantidade de tempo, em segundos, que um sinal precisa para
completar um ciclo (mudar de fase).
Freqüência corresponde ao numero de períodos em 1 segundo . (Hz)
Freqüência e períodos são inversos entre si
T=1/f e f=1/T
Unidades de período e freqüência
Unidade
Equivalência
Unidade
Unidades
de período
e freqüência
Equivalência
Segundo (s)
1s
Hertz (Hz)
1 Hz
Milissegundo (ms)
10 -3 s
Quilohertz (kHz)
103Hz
Microssegundo(µs)
10 -6 s
Megahertz (MHz)
106Hz
Nanossegundos (ns)
10 -9 s
Gigahertz (GHz)
109Hz
Picossegundos (ps)
10 -12 s
Terahertz (THz)
1012Hz
Campo Eletromagnético
• As ondulações de uma onda são geradas pelas perturbações
nas propriedades eletromagnéticas da onda. Ou seja, nas
propriedades elétricas e propriedades magnéticas
O campo eletromagnético*
O campo eletromagnético*
* Fonte: http://www.if.ufrgs.br/oei/stars/espectro.htm
Campo Eletromagnético
• Tanto a luz como o infravermelho ou ondas de rádios, são
iguais, o que diferencia uma onda eletromagnética da outra é
a sua frequência.
• Quanto mais alta for essa frequência mais energética é a
onda.
• Quanto mais energético for o fóton, menor o seu poder de
transposição de obstáculos, por causa disso a luz que possui
uma alta freqüência não consegue atravessar uma parede.
* Fonte: http://www.if.ufrgs.br/oei/stars/espectro.htm
Comprimento da onda
• É a distância entre valores repetidos da
mesma onda
Fórmula:
λ (Lambda) = Comprimento de Onda
C = Velocidade da Luz =
f = Frequencia em Hertz
Então, num exemplo de 27Mhz o comprimento da onda será:
A velocidade da luz no vácuo é de 299.792.458 m/s ≡ 300.000 Km/seg ≡ (3 x 10e8 m/s)
A frequência é de 27.000.000 oscilações/s (hertz)
A 2.4 GHz, o comprimento
Comprimento de onda = 299792458 m/s / 27000000 osc/s
da onda será APENAS 12,5
Comprimento de onda = 11,10 m/osc
centímetros!!
Em 5.8Ghz = 5,1 cm
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Exercício Resolvido
Expressar um
microsegundos.
período
de
100
ms
em
Solução
Da tabela anterior nós achamos o equivalente de 1 ms (1 ms é 10−3 s) e 1 s
(1 s é 106 μs). Nós fazemos as substituições:.
Fase
• O termo fase descreve a posição da forma de
onda com relação ao marco zero do tempo
– é o ângulo de Inflexão em um ponto especifico no
tempo
• A fase é medida em graus ou radianos
• 360º = 2πrad
Domínio do Tempo x Frequência
• Uma onda senoidal para ser bem definida precisa
dos parâmetros de amplitude, fase e frequência
• Na maioria dos gráficos a amplitude é apresentada
em função do tempo, mas também pode ser
apresentada em função do frequência
No domínio do tempo é mostrada as mudanças de amplitude em
relação ao tempo
No domínio da freqüência é mostrado apenas o valor máximo e a
freqüência
Sinais Compostos
• Série de Fourier
– Para compreender a informação contida
em um sinal é preciso discretizar o sinal,
dividi-lo em sinais simples e identificar as
excitações correspondentes
– No século XIX o matemático francês
chamado Jean Baptiste Fourrier mostrou
que qualquer sinal composto é a soma de
um conjunto de senoidais de diferentes
freqüências, fases e amplitudes
– Qualquer sinal pode ser descrito por
• Transformada de Fourier – FFT (Fast Fourier
Transformer)
• Sinal no domínio do tempo, sua discretização e em
seguida o sinal no domínio da frequência
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• Transformada de Fourier – FFT (Fast Fourier
Transformer)
• Sinal complexo e seu espectro FFT
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Sinal composto e meio de transmissão
Uma onda senoidal simples não é útil em comunicações de
dados.
É preciso enviar um sinal composto formado por várias ondas
senoidais simples
• Fisicamente quando um sinal viajar por um
meio de comunicação sofre com fenômenos
que limitam ou impedem a passagem de
determinadas freqüências, com isso um sinal
composto que entra, nunca será igual ao sinal
de saída
Banda passante de um sinal
• Intervalo de frequências que compõe o sinal.
Exemplo:
banda passante do ouvido humano: 20 Hz a 20 kHz
Largura de banda
• Tamanho da banda passante (diferença entre
a maior e a menor freqüência).
• A largura de banda normalmente se refere à
diferença entre duas freqüências, das quais as
superiores e inferiores são filtradas pelo meio
Exemplo:
largura de banda do ouvido humano: 20.000 - 20 = 19.980 Hz
Sinais digitais
• Além de representadas por um sinal analógico as informações
podem ser transmitidas por um sinal digital

sinal digital: seqüência de pulsos com amplitude fixa (em valores discretos),
onde o sinal é construído através de uma seqüência de intervalos de
tamanho igual a τ (tau) segundos, chamados intervalos de sinalização.


Possui estágios bem definidos
Não são periódicos
• Um sinal analógico tem infinitamente muitos
níveis de intensidade ao longo de um período
de tempo
• Um sinal digital tem um número limitado de
valores definidos.
– Geralmente representado por valores 0´s e 1´s
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Taxa de modulação e taxa de transmissão
• Por não serem periódicos, os termos freqüência e
período não são adequados para mensurar um sinal
digital
• Para isso foram criadas duas novas unidades que se
adequam as necessidades dos sinais digitais, são
elas:
– Taxa de modulação: representa a quantidade de
modulações (sinalizações) realizadas (geralmente em 1
segundo)
– Taxa de transmissão: quantidade de bits enviada em um
segundo
Velocidade ou taxa de Modulação


A velocidade de modulação ou velocidade de sinalização é definida
como sendo a quantidade de pulsos (sinalizações) que ocorre
durante certo intervalo de tempo. É representada por Vm.
 Usa a unidade chamada de baud
Um sinal digital binário é um caso particular de sinal digital multi-nivel e
assim pode ser expresso em baud
Sinal Multinível – Cada pulso possui um tempo de duração de
τ segundos. Assim, em 1 segundo tem-se 1/τ pulsos (lê-se 1
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sobre “tau” pulsos)

O tempo geralmente é definido como 1 segundo. Assim:
Vm = Quantidade de pulsos / largura do pulso (1 segundo)
Vm = 1 / τ [bauds]

Exemplo I : Num sinal digital cada pulso possui uma largura de
2,5 ms. Calcule a velocidade de modulação desse sinal.
Solução:
Vm = 1 / τ = 1 / 2,5 x 10-3 s  Vm = 400 bauds

Exemplo II : Um sinal digital possui uma velocidade de
modulação de 5000 bauds. Calcule a largura de cada
pulso desse sinal. Solução:
Sabemos que τ = 1/ Vm = 1 / 5000  τ = 0,2 ms
Em ambos exemplos não é dito se o sinal é digital ou não. Isso não
importa, pois a definição de velocidade de modulação vale para
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qualquer tipo de sinal
Velocidade ou taxa de transmissão
• Também chamado de bit rate
• Corresponde a quantidade de bits transmitidos por
segundo.
• Medida em bits por segundo (bps)
– 1.024 bps = 1 kbps (1 kilobit ou mil bits por segundo)
– 1.048.576 bps = 1 Mbps (1 megabit ou 1 milhão de bits por
segundo)
– 1.073.741.824 bps = 1 Gbps (1 gigabit ou um bilhão de bits
por segundo)
O bit rate útil de uma comunicação refere-se à capacidade
de transferência de um canal excluindo os dados de
controle transmitidos (para correção de erros,URIetc).
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(a) 1 bit por nível
(b) 2 bit por nível
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Lembrando que em um intervalo de sinalização τ um
ou mais bits podem ser transmitidos
Sinal digital (dibit)
Nos leva a seguinte pergunta:
Qual a relação de quantidade de bits de sinalização com a taxa de
transmissão???
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• Lembrando que baud representa o número de intervalos de sinalização em
um segundo.
Se:
1 bit em 1 τ ⇒ 21 níveis de sinalização
2 bits em 1 τ ⇒ 22 níveis de sinalização (dibit)
3 bits em 1 τ ⇒ 23 níveis de sinalização (tribit)
...
n bits em 1 τ ⇒ 2n níveis de sinalização
então:
L níveis de sinalização ⇒ log2 (L) bits/nível de sinalização
Logo:
1 baud = log2 (L) bits por segundo
Exemplo: em uma transmissão de 10 bauds temos:
se 1 bit transmitido em 1 τ ⇒ 10 * log2 (2) bps = 10 bps
se 2 bits transmitidos em 1 τ ⇒ 10 * log2 (4) bps = 20 bps
se 3 bits transmitidos em 1 τ ⇒ 10 * log2 (8) bps = 30 bps
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Taxa de transmissão x taxa de modulação
• Em resumo
– Taxa de modulação (baud rate): representa a
quantidade de modulações (sinalizações)
realizadas.Unidade de medida baud
– Taxa de transmissão (bit rate): corresponde a
quantidade de bits transmitidos. Medida em bits
por segundo (bps)
A taxa de transmissão é sempre maior ou igual a taxa de modulação
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Largura de banda em bits por segundo
• O termo largura de banda pode se referir ao número
de bits por segundo de um canal, enlace ou até
mesmo uma rede pode transmitir.
• Existe uma relação entre largura de banda em Hertz
e largura de banda em bits por segundo.
Basicamente aumentando um acaba aumentando o
outro
Em redes usados o termo largura de banda em dois contextos:
Largura de banda em Hertz: se refere ao intervalo de
freqüências de um sinal composto ou o intervalo de freqüências
que um canal deixa passar
 Largura de banda em bits por segundo: se refere à taxa de
transmissão de bits em um canal ou enlace
Throughput
• Mede a velocidade pela qual podemos enviar dados
pela rede
• Largura de banda e throughput são coisas diferentes.
– Um enlace pode ter a largura de banda de B bps, porém
pode enviar somente T bps, em que T < B
Largura de banda é a medida possível de um enlace
Throughput é a medida real da rapidez pela qual os dados podem
ser enviados
Ex: Uma rede com largura de banda de 10 Mbps é capaz de
deixar passar apenas uma média de 12.000 pacotes por
minuto, em que cada pacote transporte em média 10.000 bits.
Qual é o throughput dessa rede ?
T=
12.000 * 10.000 = 2 Mbps
60
Ou seja um quinto da
largura de banda
Limites na taxa de transferência
• A taxa de transferência depende de três
fatores:
– Largura de banda disponível
– O nível dos sinais usados
– A qualidade do canal (o nível de ruído)
• Foram desenvolvidas duas formulas para
calcular a taxa de transferência:
– Nyquist  para um canal sem ruídos
– Shannon  para um canal com ruídos
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• Taxa de transmissão máxima de um canal
sem ruído (Teorema de Nyquist)
– Em 1924 H. Nyquist provou que se um sinal
arbitrário é transmitido por um canal de largura
de banda de W Hz, o sinal resultante da
transmissão pode ser totalmente reconstituído no
receptor através da amostragem do sinal
transmitido a uma freqüência mínima de 2 W Hz
(que também é a máxima recomendada).
– Em outras palavras: A freqüência de amostragem
de um sinal analógico, para que possa
posteriormente ser reconstituído com o mínimo
de perda de informação, deve ser igual ou maior
a duas vezes a maior freqüência do espectro
desse sinal.
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– Para transmissão digital isso implica que o nível de
sinalização (mudanças de amplitude do sinal) não
pode ser maior que 2 vezes a largura de banda (2
W Hz). Ou seja, em um canal digital de W Hz de
banda, transmite-se no máximo 2 W bauds.
Como
1 baud = log2 (L) bps
então a capacidade máxima de um canal digital (na ausência de
ruído) é
C = 2 * largura de banda * log2 (L) bps
Exemplo:
Em um canal de 3.000 Hz de banda (típico em telefonia) com 2
níveis de sinalização, pode-se transmitir (digitalmente) no máximo:
C = 2 * 3.000 * log2 (2) = 6.000 bps
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Importante
Quando o sinal tem apenas 2 níveis é simples
distinguir entre 0 e 1.
Quando aumenta para 64 níveis o receptor deve ser
mais sofisticado.
Aumentar os níveis de um sinal reduz a confiabilidade do sistema
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Ruído
– Em qualquer transmissão, o sinal recebido é sempre igual
ao sinal transmitido modificado por distorções impostas
por meios físicos e por distorções inseridas através de
interferências indesejáveis ou ruídos (maior limitação no
desempenho dos sistemas de comunicação).
– O ruído é medido pela razão entre a potência do sinal (S) e
a potência do ruído (N), chamada de razão (ou relação)
sinal-ruído (S/N).
Em termos menos técnicos, a relação sinal-ruído compara o nível de um sinal desejado
(música, por exemplo) com o nível do ruído de fundo. Quanto mais alto for a relação
sinal-ruído, menor é o efeito do ruído de fundo sobre a detecção ou medição do
sinal.
– Em geral se usa o valor 10 log10 (S/N) que se denomina
decibel (dB).
Para fins de comparação o SN um ADSL normalmente é:
- 5dB = ruim, impossível sincronizar
- 23dB-28dB = excelente
- 29dB-35dB = raro
• Ruído
– térmico: causado pela agitação dos elétrons nos
condutores, presente em todos os dispositivos
eletrônicos e meios de transmissão, sendo
uniformemente distribuído em todas as
freqüências do espectro (ruído branco) com
quantidade definida em função da temperatura.
– intermodular: causado pelo compartilhamento de
um mesmo meio físico (através de multiplexação
de freqüência) por sinais de diferentes
freqüências. Ocorre em geral devido a defeitos de
equipamento ou na presença de sinais de
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potência muito alta.
• Ruído
– crosstalk: causado pela interferência indesejável
entre condutores muito próximos que induzem
sinais entre si (linhas telefônicas cruzadas, cabos
de pares trançados em redes Ethernet, por
exemplo).
– impulsivo: pulsos irregulares de grande amplitude,
não contínuos e de difícil prevenção. Tem origem
em várias fontes: distúrbios elétricos externos,
falha de equipamento, etc. Na transmissão
analógica, sendo de curta duração, não causam
danos. Na transmissão digital são a maior causa
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de erros.
• Taxa de transmissão máxima de um canal com ruído térmico
(Lei de Shannon)
Em 1948, Claude Shannon provou que a taxa de transmissão máxima de um
canal, na presença de ruído térmico é:
C = W * log2 (1 + S/N) bps
onde W é a largura de banda e S/N a relação sinal ruído.
•
Exemplo: Calcular a transferência máxima teórica de uma linha telefônica
Canal de 3 kHz , com S/N = 3.162 (30 dB)
C = W log2 (1 + S/N) = 3.000 log2 (1+ 3.162) = 3.000 log2 3.163
= 3.000 * 11.62 ≈ 34.860 bps
 Para aumentar essa velocidade aumenta banda disponível ou reduz S/N
• Atenuação: queda de potência de um sinal em função da distância de
transmissão e do meio físico.
Atenuação em um ADSL:
• Eco: reflexão de sinal quando há mudança
0 - 19dB = excelente
da impedância (resistência à passagem de
20-30dB = Muito bom
um sinal alternado) do meio de transmissão.
30-40dB = bom
65dB ou superior terão
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problemas
Portadora
• Numa transmissão analógica o transmissor produz
um sinal de alta freqüência que funciona como
suporte para o sinal de informação. Esse final de
suporte é chamado de portadora ou freqüência
portadora
• O dispositivo receptor é sintonizado na freqüência da
portadora que ele espera receber do transmissor
• A informação digital modula então o sinal da
portadora modificando uma ou mais de suas
características (amplitude, freqüência, fase)
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Modulação de sinais digitais
• Exemplo: Necessidade de transmitir dados do computador via
linha telefônica
Modulação binário para analógico
• Tipos:
–
–
–
–
ASK – Amplitude Shift Key
FSK – Frequency Shift Key
PSK – Phase Shift Key
QAM – Quadrature Amplitude Modulation
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ASK (Amplitude Shift Key)
• A intensidade do sinal da portadora varia de modo a representar a
informação binária 0 ou 1.
• A frequencia e a fase permanecem constante enquanto a amplitude sofre
variações
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FSK (Frequency Shift Key)
• A frequencia do sinal da portadora varia para representar a informação
binaria 0 ou 1
• A frequencia do sinal é mantida constante durante cada intervalo de bit,
mas o valor da frequencia em cada intervalo depende do bit
representado
• Amplitude e fase permanecem inalterados em cada intervalo de bit
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PSK (Phase Shift Key)
• A fase da portadora varia para representar 0 ou 1
• Amplitude e frequencia permanecem constantes
• Não é susceptivel as degradações provocadas por ruídos que afetam a
ASK ou as limitações de banda da FSK
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QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
• Modifica simultaneamente duas características da onda da portadora:
amplitude e fase
• Utilizada em TV digital e outros sistemas que necessitam de alta taxa de
transferência de informação
• Este fator reduz as taxas de transmissão potenciais da técnica PSK
• É uma combinação da ASK e PSK elaborada para aumentar o número de
bits para uma dada taxa de modulação
• A modulação QAM pode ser: 4 QAM, 8 QM, 16 QAM, 32 QAM, 64 QAM,
128 QAM, 256 QAM, 512 QAM, 1024 QAM e 2048
Exemplo de Sinal 8-QAM
(8 refere-se a taxa de modulação
em 1 segundo)
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Modulação de sinais analogicos
Modulação analógico para analógico
• Tipos:
– AM
– FM
– PM
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Modulação AM
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• Modulação FM
URI - DECC - Santo Ângelo
MEIOS FÍSICOS DE TRANSMISSÃO DE SINAIS
• Os meios físicos de transmissão de sinais diferem com
relação à:
–
–
–
–
–
–
–
banda passante;
potencial para conexão ponto a ponto ou multiponto;
limitação geográfica devido à atenuação do meio;
imunidade a ruído;
custo;
disponibilidade de componentes; e
confiabilidade.
URI - DECC - Santo Ângelo
• Os meios mais comumente usados são:
– cabo de pares trançados;
– cabo coaxial; e
– fibra ótica.
• Sob circunstâncias especiais, podem também serem
usados:
–
–
–
–
radiodifusão;
infravermelho;
enlaces de satélites; e
enlaces de microondas.
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Cabo coaxial
• O cabo coaxial é constituído de um condutor interno (mina)
circundado por um condutor externo (malha), tendo, entre os
condutores, um dielétrico plástico que os separa, terminando
com uma cobertura externa de proteção.
• Velocidade máxima teórica 20Mbps
Cabo Coaxial
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Cabo coaxial
Conector
BNC-T
A: revestimento de plástico
B: tela de cobre
C: isolador dialétrico interno
D: núcleo de cobre.
Conexão
Terminador
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Cabo de pares trançados
• No cabo de pares trançados, um, dois ou quatro pares de fios
são enrolados em espiral dois a dois de forma a reduzir o ruído
e manter constante as propriedades elétricas do meio ao longo
de todo o seu comprimento. Suporta transmissão analógica e
digital, tem largura de banda relativamente alta (10 (Ethernet)
/ 100 (Fast Ethernet) / 1.000 (Gigabit Ethernet) / 10.000
(10Gigabit Ethernet) Mbps, dependendo da distância, técnica
de transmissão e qualidade do cabo).
URI - DECC
- Santo Ângelo
Cabo de pares
trançados
O cabo de pares trançados pode ser:
– não blindado: (Unshielded Twisted Pair - UTP): quando seus pares
são envolvidos unicamente por uma cobertura plástica (são mais
baratos, mas mais sujeitos à interferências). Permite taxas de
transmissão de até 100 Mbps com a utilização do cabo CAT 5e; é o
mais barato para distâncias de até 100 metros;
– blindado: (Shielded Twisted Pair - STP): quando seus pares são
envolvidos por uma capa metálica (blindagem) e uma cobertura
plástica. A malha metálica confere uma imunidade bastante boa em
relação ao ruído, particularmente ao efeito crosstalk de fiações
adjacentes.
– Screened Twisted Pair (ScTP) e Screened Foil Twisted Pair
(S/FTP): são cabos com dupla blindagem, onde cada par individual
recebe uma blindagem do tipo "folha metálica" (foil) e todos
recebem uma blindagem geral tipo malha de blindagem (screened).
O ScTP é blindado por uma malha metálica parecida com as dos
cabos coaxiais, enquanto os S/FTP são blindados com uma fina
folha de aço ou de alumínio
URI - DECC - Santo Ângelo
Características do cabeamento em par metálico segundo as
normas ISO e EIA/TIA
ISO
Classe C
Classe B
Classe D
Classe E
EIA/TIA
Cat 1
Utilização
Serviços telefônicos e dados de baixa velocidade
Cat 2
RDSI e circuitos T1/E1 - 1,536 Mbps/2,048 Mbps
Cat 3
Taxas até 16 MHz, incluindo 10Base-T e 100Base-T
Taxas até 20 MHz, incluindo Token-Ring e 100B-T
(extinto)
Taxas até 100 MHz, incluindo 100Base-T4 e 100Base-TX
Cat 5
(extinto)
Cat 5e
Taxas até 125 MHz, incluindo 1000Base-T e 1000Base(enhanced) TX
Taxas até 200/250 MHz, incluindo 1000Base-T e
1000Base-TX
Cat 6
Pode-se usar para 10GBase-T com alcance reduzido a
55m
Cat 6a
Taxas até 500 MHz em redes 10GBase-T
(augmented)
Cat 4
Classe F
Cat 7
Taxas até 500/600 MHz, incluindo 10GBase- T
Classe Fa
Cat 7a
AindaURI
não
reconhecida.
- DECC
- Santo Ângelo Taxas de 100Gbps – 15 metros
Cabo de pares trançados
Conector RJ45
Cabo não blindado
Cabos cat 5 e 5E, certificados para o padrão EIA-568-B
Cabo blindado
URI - DECC - Santo Ângelo
Cabo cat 6a, com o espaçador interno e
comparação entre a espessura do
mesmo volume de cabos cat 5e e cat 6a
Cabo S/FTP
Conector IEC 61076-3-104
Chamado de TERA deverá
ser usado em redes de
100Gbps
URI - DECC - Santo Ângelo
568A e 568B


São padrões de cabeamento
Se um cabo for fabricado com ambas as pontas em T568A, ou
mesmo, ambas as pontas em T568B, ele será um cabo direto. Se for
fabricado com uma ponta em T568A e outra ponta em T568B, será
chamado de cabo crossover.
Qual o padrão em uso
nesse cabo ?
URI - DECC - Santo Ângelo
FIBRA ÓPTICA
• A transmissão em fibra óptica é realizada pelo envio
de um sinal de luz codificado, dentro de um domínio
de freqüência do infravermelho, 1012 a 1014 Hz, através
de um cabo ótico que consiste de um filamento de
sílica ou plástico. Pode ter diâmetros ínfimos, da
ordem de micrômetros (mais finos que um fio de
cabelo) até vários milímetros.
Cabo de fibra óptica
• Toda vez que um feixe de luz atravessa um material e passa
para outro material com índice de refração diferente, ocorre
um fenômeno chamado refração.
• Velocidade da luz 300.000 km/segundo
• Tecnologia atual permite ultrapassar os 50.000 Gbps (50Tbps).
Entretanto limite prático é de 100Gps devido a conversão de
sinal óptico/elétrico
• O cabo óptico funciona baseado nesse princípio. Possui um
filamento condutor de luz, ao redor do qual se colocam
substâncias de menor índice de refração, que fazem com que
os raios de luz sejam refletidos internamente, minimizando as
perdas de transmissão.
Refração total
Meio 2 Meio 1 +
Ângulo limite (refração paralela à
superfície dos dois meios)
Ângulo de Refração
incidência da luz
Meio 1 é mais refringente que meio 2  maior índice de refração
URI - DECC - Santo Ângelo
Como as fibras são fabricadas
URI - DECC - Santo Ângelo
Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=EK9bblRKayA
• Existem três tipos de fibras óticas:
– multimodo degrau
– multimodo gradual
– monomodo
Fibra ótica multimodo degrau
• É a mais simples e foi a primeira a ser produzida. Seu
funcionamento é baseado no fenômeno da reflexão
total interna na casca de índice de refração mais
baixo.
Fibra multimodo degrau
• A qualificação multimodo refere-se à possibilidade de
que o sinal se divida em vários feixes com diferentes
ângulos de incidência se propaguem através de
diferentes caminhos pela fibra.
• O termo degrau vem da existência de uma
descontinuidade na mudança de índice de refração
na fronteira entre oURInúcleo
e Ângelo
a casca da fibra.
- DECC - Santo
• As fibras multimodo degrau mais comuns têm diâmetro de
núcleo e casca de 100 um e 140 um, respectivamente
(normalmente indicados separados por uma barra: 100/140).
• O padrão ISSO 9314/ANSI X3T9.5 (FDDI) define a possibilidade
da utilização de cabos de fibra multimodo degrau 50/125,
100/140 e 85/125.
• Em fibras multimodo degrau, o fenômeno de dispersão modal
é um dos maiores limitantes da taxa de transmissão.
• A dispersão modal caracteriza-se pelo fato de que os
diferentes raios de um pulso de luz se propagam por
diferentes caminhos ao longo da fibra fazendo com que os
momentos de chegada desses raios no destino ocorram em
tempos diferentes, fazendo com que pulsos consecutivos
possam gerar interferência uns nos outros.
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Fibra óptica multimodo gradual
• Na fibra óptica multimodo gradual, ao invés de
ocorrer uma mudança brusca do índice de
refração do núcleo para a casca, ocorre uma
diminuição gradual de forma contínua, como
mostra a figura abaixo.
URI - DECC
- Santo Ângelo gradual
Fibra óptica
multimodo
Fibra óptica monomodo
• Em fibras monomodo, a ideia é produzir núcleos de
diâmetro tão pequeno, que apenas um modo (feixe)
seja transmitido
Fibra monomodo
• Dessa forma é eliminado naturalmente o problema da
dispersão modal, atingindo-se, consequentemente,
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maiores taxas de transmissão
e maiores distâncias.
Multimodo
Monomodo
três tipos de fibra ótica: multimodo índices degrau e gradual e
monomodo
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Monomodo e multimodo com dispersão modal
• Fibras multimodo são mais baratas e o núcleo mais espesso
requer uma precisão menor nas conexões, o que torna a
instalação mais simples, mas, em compensação, a atenuação
do sinal luminoso é muito maior
• Para efeito de comparação, as fibras multimodo permitem um
alcance de até 550 metros no Gigabit Ethernet e 300 metros
no 10 Gigabit. As fibras monomodo podem atingir até 80 km
no padrão 10 Gigabit.
• Esta brutal diferença faz com que as fibras multimodo sejam
utilizadas apenas em conexões de curta distância, já que sairia
muito mais caro usar cabos multimodo e repetidores do que
URI - DECC - Santo
Ângelo
usar um único cabo monomodo
de
um ponto ao outro.
• Fibras ópticas têm uma série de vantagens
sobre cabos metálicos (par trançado e
coaxial):
– São imunes a interferências eletromagnéticas e a
ruídos e, como não irradiam luz para fora do cabo,
não se verifica “crosstalk”.
– Permitem um isolamento completo entre o
emissor e o receptor, eliminando o perigo de
curtos elétricos entre ambos
– São mais finas e mais leves que cabos coaxiais e
permitem taxas de transmissão de até 1000 Gbps
operacional ( experimentalmente já se trabalha
com taxas de Terabits por segundo).
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• Existem desvantagens também:
– Ainda são caras
– Exigem procedimentos especiais para a emenda e
aplicação de conectores (junção ou solda)
– O lançamento (aéreo ou subterrâneo) da fibra exige
certoscuidados de manuseio e disposição (não se poder
fazer uma curva muito acentuada com o cabo sob pena de
tornar o ângulo de incidência dos feixes em relação à
normal muito pequeno, provocando o escape desses feixes
que não serão mais refratados).
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OUTROS MEIOS DE TRANSMISSÃO
• Além dos três meios descritos anteriormente, existem outros meios de
transmissão (pouco usados em redes locais).
• A radiodifusão (wireless networks) é adequada para ligações ponto a
ponto e para ligações multiponto, e são uma alternativa viável onde é
difícil, ou mesmo impossível, instalar cabos metálicos ou de fibra ótica
(ligação de redes entre dois prédios separados por ruas de uma cidade),
ou então quando a confiabilidade do meio físico é extremamente
importante, como por exemplo em aplicações bélicas, onde o rompimento
de cabos poderia paralisar todo um sistema de defesa.
• Radiação infravermelha, microondas e satélites também podem ser
usados como meios de transmissão em redes de computadores (na
verdade, muita da comunicação entre redes distantes intermunicipais/interestaduais - são feitas através de enlaces de rádio com
microondas e redes intercontinentais são feitas através de enlaces de
satélites).
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TRANSMISSÃO SEM FIO
• Necessária para:
– Pessoas que precisam ficar on-line o tempo todo;
– Estabelecimento de conexões de longa distância (intermunicipal,
interestadual, intercontinental; interplanetária).
• Base: Quando os elétrons se movem, criam ondas eletromagnéticas que
podem se propagar no espaço (inclusive no vácuo). Foram descritas pelo
físico inglês James C. Maxwell em 1865, e produzidas e observadas pelo
físico alemão Heinrich Hertz em 1887.
• Características:
– O número de oscilações por segundo de uma onda eletromagnética é
chamado freqüência (f) e é medido em Hz (em homenagem a Hertz);
– A distância entre dois pontos máximos (ou mínimos) da onda é chamada de
comprimento de onda (λ).
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• Conectando-se uma antena de tamanho apropriado a um
circuito elétrico, as ondas eletromagnéticas podem ser
propagadas eficientemente e recebidas por um receptor
distante. Toda comunicação sem fio é baseada nesse
princípio.
• Relação básica:
λ . f = c ≡ velocidade da luz no vácuo = 300.000 Km/seg1
• O espectro de freqüências normalmente utilizado é mostrado
a seguir.
1 No cobre e na fibra ótica a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas
URI - DECC
- Santo
é aprox.
2/3 Ângelo
disso.
Espectro eletromagnético
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Espectro eletromagnético e seu uso nas comunicações
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Legenda
• O gerenciamento do espectro eletromagnético é
normalmente realizado por organismos internacionais
(ITU-R) e nacionais (ANATEL – Agência nacional de
Telecomunicações).
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Transmissão de Rádio
• Espectro vai de VLF a VHF;
• Instalação Fácil;
• Barato;
• Viaja a longa distância e é multidirecional;
• VLF, LF e MF atravessa obstáculos (p. ex. prédios), perde
potência muito rapidamente (aprox. 1/raio3) e tende a seguir
a curvatura da Terra;
• HF, UHF e VHF viaja em linha reta, reflete em obstáculos, pode
ser absorvida pela chuva, é sujeita a interferências de
motores, é absorvida pela Terra, é refletida pela ionosfera;
• Governo controla o uso através da ANATEL;
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Propagação de ondas: (a) VLF, LF e MF, (b) HF e VHF
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Transmissão em Microondas
• Acima de 100 MHz, as ondas viajam em linha reta, sendo necessário um
alinhamento perfeito entre o emissor e o receptor;
• Fornecem relação sinal/ruído muito superior;
• Até o surgimento da fibra ótica, por décadas formaram o coração do
sistema de transmissão das operadoras de telecomunicação;
• Com propagação em linha reta o alcance é curto (devido à curvatura da
Terra). Com torres de 100 metros de altura, são necessários repetidores a
cada 80 Km aproximadamente.
• É muito usada na comunicação de longa distância (telefonia fixa, telefonia
móvel, distribuidoras de TV);
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Ondas em Infravermelho e Ondas Milimétricas
• Usadas para comunicação de curta distância (controles
remotos de TC, videocassete, aparelhos de som, redes locais);
• Parcialmente direcionais;
• Barato e fácil de construir;
• Não atravessa objetos sólidos (não transparentes);
• Bom para redes locais onde não se quer (ou pode) colocar
cabeamento.
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O SISTEMA TELEFÔNICO
• O sistema telefônico brasileiro (e da maioria dos países) é
composto basicamente de 3 elementos:
– Centrais telefônicas locais, às quais estão conectados os aparelhos
telefônicos de uma pequena região (na distância máxima típica de 10
Km);
– Centrais telefônicas de comutação, as quais se ligam várias centrais
locais de diversas pequenas regiões;
– Centrais telefônicas de interconexão, que interligam centrais de
comutação de regiões mais abrangentes.
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• Normalmente, obedece-se ao padrão mostrado na
figura a seguir, onde se identificam:
– Enlaces de loop local, normalmente em fio de cobre com
sinalização analógica;
– Enlaces de tronco de conexão, normalmente feitos em fio
de cobre especial ou fibra ótica (mais comum hoje em dia);
– Enlaces de tronco de interconexão, normalmente feitos em
microondas ou fibra ótica (mais comum hoje em dia).
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Sistema telefônico
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Enlace de Loop Local
• Disponibiliza enlace analógico com banda de 4 KHz entre o
usuário final e a central telefônica local.
• A comunicação digital se faz com o uso de modems
(moduladores / demoduladores) que convertem sinal digital
em sinal analógico e vice-versa.
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Enlace digital através de transmissão analógica
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Enlace de Tronco de Conexão - Multiplexação
• A partir de centrais telefônicas locais, obviamente não se
disponibiliza tantos enlaces quantos os existentes no loop
local.
• A tecnologia avança e a economia de escala exige o
compartilhamento de meios entre vários usuários via
multiplexação de canais de melhor qualidade. Como? Com
técnicas de multiplexação de canais.
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Multiplexação por Divisão de Freqüência (Frequency Division Multiplexing FDM)
• Com a divisão da banda passante em várias sub-bandas. Por exemplo, a
faixa de 500 a 1500 KHz reservada para rádios AM, é dividida em subfaixas que são destinadas às rádios que transmitem em uma mesma
região.
Multiplexação por Divisão de Freqüência nas rádios AM
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Multiplexação por Divisão de Freqüência no sistema telefônico (analógico)
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Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda (Wavelenght Division
Multiplexing - WDM)
• Usada para fibras óticas, fazendo-se com que dois ou mais sinais óticos
com comprimento de onda diferentes viajem por caminhos distintos
dentro de uma mesma fibra ótica.
Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda
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Multiplexação por Divisão de Tempo (Time Division Multiplexing - TDM)
•
Nos enlaces entre centrais de comutação e centrais de interconexão, tem-se cada
vez mais o uso de tecnologias digitais.
•
Atualmente, a comunicação de voz e/ou dados tende a ser digitalizada o mais
rapidamente possível, senão no cliente final, pelo menos na central local.
Como? Cada enlace analógico é digitalizado na central local por um
•
•
CODEC (Codificador-Decodificador), na freqüência de 8 Khz.
8000 Hz => 1 / 8000 Seg por amostra => 125 u Seg por amostra1
•
Essa técnica de digitalização é chamada de Modulação por Codificação de Pulso
(Pulse Code Modulation - PCM) e é a base de todo o sistema telefônico do país (de
vários países).
•
No Brasil, 30 canais analógicos digitalizados, mais 2 canais de sincronização e
controle, formam um tronco de 32 canais de 8 bits.
32 canais x 8 bits/canal x 8000 amostras/segundo = 2048 Kbps ≡ tronco E1
1
Que é a unidade básica de tempo do sistema telefônico.
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Rede telefônica do ponto de vista de multiplexadores
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Padrão de multiplexação a partir de tronco E1
Padrão de multiplexação a partir de tronco T1 (mais comum nos EUA)
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ADSL
ADSL – Espectro de frequência
sistema telefônico utiliza a banda de 0 até 4 kHz, enquanto que o sistema ADSL
trabalha na faixa de 25 kHz a 1,1 MHz
Filtros para bloquear
qualquer sinal acima
de 4 kHz
ADSL - Arquitetura
DSLAM - Multiplexador de Acesso a Linha Digital do Assinante
(do inglês Digital Subscriber Line Access Multiplexer
BRAS (Broadband Remote Access Server)
• Responsável por agregar ou terminar conexões vindas de um ou mais
DSLAMs instalados na planta. Estes equipamentos são os responsáveis
também por terminar a sessão PPP (Point to Point Protocol) do assinante e
designar um endereço IP válido ao mesmo para utilização do serviço.
• Uma vez que o usuário é autenticado através de servidores RADIUS (Remote
Authentication Dial In User Service), a negociação do IPCP toma lugar e o
endereço IP (sempre válido) é designado para o modem ou para o
microcomputador ou ainda ao roteador ADSL (dependendo da origem da
sessão PPP)
• Serviços de AAA (Authentication, Authorization, Accounting);
BRAS (Broadband Remote Access Server)
Juniper Networks ERX 1440 - até
48.000 acessos simultâneos
Cisco 10008 - até 61.500 conexões
RADIUS (Remote Authentication Dial In User Service)