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Prof. Sérgio [email protected]
DigitalizaçãoMultiplexaçãoDigitalizaçãoMultiplexação
Redes de Comunicação
2
DIGITALIZAÇÃOTeorema da Amostragem
3
Teorema da Amostragem
Sinal Transmitido
Na recepção...
3 4
Digitalização de Sinais
Codificando cadanível com 4 bits:
1100 1110 1110 1110 1010 0011 0001 1001 1010 ...
1514131211109876543210
Freqüência de amostragem
Amostra
5
Digitalização de Sinais
Codificando cadanível com 4 bits:
1100 1110 1110 1110 1010 0011 0001 1001 1010 ...
Na recepção...
1514131211109876543210
1514131211109876543210
6
Teorema da Amostragem
§ Se um sinal arbitrário (analógico ou digital) nãocontém freqüências acima de W Hz, ele pode sercompletamente reconstruído a partir de amostrastomadas a uma freqüência superior a, no mínimo,2W vezes por segundo.· Intervalo entre duas amostras: t
1 segundos2
tW
<
7
Teorema da Amostragem
§ Expressão matemática capaz de fornecer ainterpolação do sinal a partir apenas das amostras· 2W amostras por segundo é a frequência mínima de
amostragem acima da qual essa interpolação é feitasem erros.
§ A taxa de 2W amostras por segundo ficou conhecidacomo taxa de amostragem de Nyquist
§ O intervalo máximo t entreas amostras ficou conhecidocomo intervalo de Nyquist : 1 segundos
2t
W<
8
Frequência de Amostragem: Exemplo
§ Considerando que um sinal de voz nãocontém componentes acima de 4000 Hz,ele pode ser recuperado realizando-se8000 amostras por segundo.· Uma amostra a cada 1/8000 seg, ou seja, uma
amostra a cada 125 µseg.o Se cada amostra for codificada com 8 bits, por
exemplo, então• Taxa do sinal gerado = 8 bits/amostra x 8000 amostras/seg
= 64 Kbps– Corresponde a um dos padrões internacionais de telefonia
digital
9
Digitalização das Centrais Telefônicas
§ Com a modernização das redes telefônicas ascentrais passaram a ser digitais, assim como aslinhas de transmissão entre as centrais
A/D D/A
CentralCentral
D/A A/D
10
Taxa de Transmissão no Acesso ao Provedor
Internet
RedeTelefônica
Provedor deServiços
ParTrançado
MODEM
Comutadoresde
Circuito(Centrais Digitais)
A/DD/A
A/DD/A
Capacidademáxima de 33.6 kbpsem ambos ossentidos detransmissão
11
Taxa de Transmissão no Acesso ao Provedor
§ A taxa de transmissão depende da banda disponívelmas também depende (e muito) da quantidade deruído presente em uma linha de transmissão· Por Shanon: C = W log2(1 + S/N) bps
§ A conversão analógico/digital gera um ruídodenominado ruído de quantização
12
Taxa de Transmissão no Acesso ao Provedor
A/D D/A
CentralCentral
D/A A/D
A Conversão Analógico/Digital
Gera um Ruído chamadoRuído de Quantização
MODEM
Não é possível obter-se mais do que 33.6 kbps !!
Provedor
13
Taxa de Transmissão no Acesso ao Provedor
Internet
RedeTelefônica
Provedor deServiços
ParTrançado
MODEM
Comutadoresde
Circuito(Centrais Digitais)
A/DD/A
Capacidademáxima de 33.6 kbpsda residência para oprovedor e56 kbps no sentidoinverso
14
Taxa de Transmissão no Acesso ao Provedor
A/D D/A
CentralCentral
D/A A/DMODEM
Provedor
“Linha Digital”(T1 ou E1, p. ex.)
~33kbps
~56kbps
15
MULTIPLEXAÇÃO
16
Utilização da Banda Passante do Meio
§ Configuração de um único canal por meio detransmissão
§ Como melhorar a utilização do meio detransmissão ?
0 40 400
“Desperdício”
17
Utilização da Banda Passante do Meio
§ Configuração de múltiplos canais por meio detransmissão
C0
0 40 400
C1 C2
80 160
18
Multiplexação
§ Permite que vários sinais de diferentes fontes (canais) possamcompartilhar o mesmo meio físico:· Multiplexação por Divisão da Frequência
o (Frequency Division Multiplexing - FDM)· Multiplexação por Divisão do Comprimento de Onda
o (Wavelength Division Multiplexing - WDM)· Multiplexação por Divisão do Tempo
o (Time Division Multiplexing - TDM)· Multiplexação por Divisão de Código
o (Code Division Multiplexing)
19
Multiplexação
§ Permite que vários sinais de diferentes fontes (canais) possamcompartilhar o mesmo meio físico:· Multiplexação por Divisão da Frequência
o (Frequency Division Multiplexing - FDM)· Multiplexação por Divisão do Comprimento de Onda
o (Wavelength Division Multiplexing - WDM)· Multiplexação por Divisão do Tempo
o (Time Division Multiplexing - TDM)· Multiplexação por Divisão de Código
o (Code Division Multiplexing)
20
MULTIPLEXAÇÃO EMFREQUÊNCIA
21 22
Bandas de Guarda
Hz
Bandas de Guarda
23
Sinal original
Banda passante necessária
SModulação
SFiltro
Transmissão
S
S
SDemodulação
SFiltro
S
Sinal recebidoS
Transmissão FDM
24
Modulação e Demodulação
§ Modulação· transformação aplicada a um sinal que faz com que ele
seja deslocado de sua faixa de freqüências original parauma outra faixa.
§ Demodulação· transformação aplicada a um sinal previamente
modulado que faz com que ele seja deslocado de voltapara a sua faixa original.
25
MODEMs
§ MODEMs são equipamentos capazes de fazer aMODulação e a DEModulação de sinais.· Os mais conhecidos são os que temos em nossas
residênciaso permitem que obtenhamos acesso a um provedor internet
através do sistema telefônico.o adaptam o sinal digital proveniente de nosso computador
para que ele passe a ocupar adequadamente a bandaentre 0 e 4000 hz
26
MODEM
Filtro
Demodulador
R1R1
f1 f2
Filtro
Modulador
T1T1
MODEM
Filtro
Demodulador
R2R2
Filtro
Modulador
T2T2
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Multiplexador e Demultiplexador
MUX DEMUX
§ Multiplexadores de freqüência: equipamentos que centralizamas funções de modulação, filtragem e combinação dos sinais
§ Demultiplexadores de freqüência: desempenham as funçõesinversas
28
Filtros de 300 a 3400 Hz
12 canais FDMde 4 KHz
Linhas de assinanteAnalógicas (12)
Linhas de Assinantes de Telefonia Convencional
29
Multiplexador x Acesso Múltiplo
§ Multiplexação pode ser realizada· de forma centralizada
o por um equipamento específico denominadomultiplexador (MUX)
· de forma distribuídao onde as várias fontes de sinais encontram-se diretamente
conectadas a um meio físico compartilhadoo nesse caso, a multiplexação é comumente denominada de
mecanismo de acesso múltiplo
30
F1F2F3F4
Acesso Múltiplo por Divisão da Freqüência (FDMA)
31
EXEMPLO DE FDM:CAMADA FÍSICA PARA ACESSO À INTERNET VIA
CABLE MODEM
32
Rede de TV a cabo tradicional
Derivação (drop)Até 200 m de cabo
coaxial flexível
Milhares decasas servidas
Head End
Até 25 Km
Multiplexa osprogramas nos
canais de frequência Mais de 30 amplifi-cadores por tronco
Programas
Alimentador (feeder)Até 3 Km de cabo
coaxial rígido
Amplificador(2 ou 3 por feeder)
Splitter
33
A Herança da Rede com Cabo Coaxial
§ É utilizada para broadcasting§ Um número grande de assinantes é
atendido em cada head-end§ Um único head-end pode atender a
uma cidade inteira
34
Cable Modem
§ Transmissão de dados através da rede de TV a cabo§ Transmissões podem alcançar, na prática, taxas de 30 a 40 Mbps
em um canal de 6 MHz§ Upstream pode ser através de outra rede (p. ex. Rede telefônica)
· amplificadores unidirecionais na planta de distribuição daoperadora
35
Cable Modem: Arquitetura
CableModem
(10/100BaseT)
RedeInterna
Set-topbox
Head-end
CMTS(Cable Modem
TerminationSystem)
Transmissorvídeo
áudio
Internet
dados
Provedor
CaboCoaxial
Rede
de D
istrib
uiçã
o
36
CATV: Alocação das Freqüências
900600550405
Freqüência (MHz)
50
UpCanais
de VídeoAnalógico
DownReservadoPara usoFuturo
750
Quando a transmissãode vídeo for digital, essa
organização poderá mudar
38
EXEMPLO DE FDM:CAMADA FÍSICA DO ACESSO À INTERNET VIA XDSL
39
Rede Telefônica - Acesso xDSL
§ xDSL: Digital Subscriber Line· família de novas tecnologias de MODEM que oferecem
transmissão de dados digitais em altas taxas de velocidade comaproveitamento da planta de cabos de par trançado já instalada
§ Limitação de aproximadamente 4 kHz de largura de banda éimposta pelos equipamentos internos à rede telefônica· par trançado oferece banda na faixa de MHz, variando em função
da distância do assinante à central§ ADSL - Asymmetric Digital Subscriber Line
· opção mais difundida
40
xDSL: Arquitetura
InternetModemxDSL
splitter
ParTrançado
Site do Usuário Ambiente da Central
splitter
DSLAM(Digital Subscriber Line
Access Multiplexer)
RedeTelefônica
41
Upstream Downstream
1000250254
Freqüência (kHz)
POTSADSL
200
ADSL: FDM
42
ADSL
§ Bandas de subida (upstream) e de descida(downstream) assimétricas
§ Proposto originalmente para aplicações de VoD· adequado também para acesso à Internet
§ Taxas variam com a distância e a qualidade do sinalna linha· Exemplos
o 16 a 640 Kbps de subidao 1,5 a 9 Mbps de descida
43
Técnicas Básicas deModulação
44
Técnicas de Modulação
§ Todas as técnicas de modulação resultam nodeslocamento de um sinal de sua faixa defreqüências original para uma outra faixa.· Todas as componentes do sinal são, uma a uma,
deslocadas de um mesmo valor f denominado defreqüência da onda portadora.
o o valor da contribuição de cada componente não éalterada.
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Processo de Comunicação
Informação
Modulador/Filtro
Codificador
Sinal emBanda Básica
Sinal paraTransmissão Canal Sinal para
Transmissão
Informação
Decodificador
Sinal emBanda Básica
Demodulador/Filtro
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Técnicas de Modulação
ModuladorSinalOriginal
OndaPortadora
SinalModulado
§ Todas as componentes do sinal são, uma a uma,deslocadas de um mesmo valor f denominado defreqüência da onda portadora.
47
Modulação
§ Tipos de Sinal Original· Analógico
o Modulação Analógica· Digital
o Modulação Digital
§ Tipos de Portadora· Senoidal· Seqüência de pulsos
48
Técnicas Básicas de Modulação
§ Na verdade, AM, FM e PM são nomes genéricos· Se a modulação é digital, atribui-se nomes mais
específicoso ASK, FSK e PSK
· Se a modulação é analógica, os nomes são os geraiso AM, FM e PM
Modulação porAmplitude
Modulação porFreqüência
Modulação porFase
Modulação Analógica(sinal original analógico) AM FM PM
Modulação Digital(sinal original digital) ASK FSK PSK
TECNICAS BÁSICAS PARA MODULAÇÃO COM PORTADORA SENOIDAL
AM: Amplitude ModulationFM: Frequency ModulationPM: Phase Modulation
ASK: Amplitude Shift KeyingFSK: Frequency Shift KeyingPSK: Phase Shift Keying
49
AM
50
FM
51
PM
52
ASK
53
FSK
54
PSK (portadora = sen)
55
Efeito da Modulação ASK
0
0 0
( ) cos
( ) cos( ) ( ) ( )( ) cos cos ... cos cos( ) cos cos
( ) cos( ) cos( )2 2
Suponha que 2( ) cos( ) cos( )
n nn
n n
n n n
n nn n n
n n n n n
g t C f
a t Am t g t a tm t AC f AC fm t AC f
AC ACm t f f
Am t C f C f
a
a aa
a a
a a
¥
=
=
== ×= + +
=
= + + -
== + + -
å
56
Efeito da Modulação ASK
Hz0
Hz
Sinal Original
Modulação ASKUtilizando uma portadora
De freqüência fa
fafa-fa-fa
W
2W
57
Demodulação ASK
§ A demodulação efetuada na recepção do sinal também éuma operação simples.· A própria multiplicação pela onda portadora provoca um
deslocamento da faixa de freqüências do sinal modulador tantopara a direita quanto para a esquerda.
o Se o receptor efetuar a multiplicação do sinal recebido por umaportadora igual à utilizada na transmissão, um dos deslocamentosserá exatamente aquele que traz o espectro do sinal de volta paraa sua região original.
o Em seguida, basta o receptor submeter o sinal a um filtro passa-baixa, o sinal resultante será igual ao sinal original.
58
Multiplexação
§ Permite que vários sinais de diferentes fontes (canais) possamcompartilhar o mesmo meio físico:· Multiplexação por Divisão da Frequência
o (Frequency Division Multiplexing - FDM)· Multiplexação por Divisão do Comprimento de Onda
o (Wavelength Division Multiplexing - WDM)· Multiplexação por Divisão do Tempo
o (Time Division Multiplexing - TDM)· Multiplexação por Divisão de Código
o (Code Division Multiplexing)
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Multiplexação
§ Permite que vários sinais de diferentes fontes (canais) possamcompartilhar o mesmo meio físico:· Multiplexação por Divisão da Frequência
o (Frequency Division Multiplexing - FDM)· Multiplexação por Divisão do Comprimento de Onda
o (Wavelength Division Multiplexing - WDM)· Multiplexação por Divisão do Tempo
o (Time Division Multiplexing - TDM)· Multiplexação por Divisão de Código
o (Code Division Multiplexing)
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Multiplexação porDivisão doComprimento de Onda(WDM)
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FDM x WDM
§ WDM (Wavelength Division Multiplexing)· é, na realidade, uma forma de FDM na qual o espectro de
freqüências utilizado fica na região das ondas de luz (nãonecessariamente visíveis).
· ao invés de medir pela freqüência, mede-se pelo comprimento deonda
§ DWDM (Dense WDM)· separação menor entre os comprimentos de onda dos diferentes
canaiso 1 nm x 10 nmo Permite taxas de terabytes/segundo
62
Multiplexação
§ Permite que vários sinais de diferentes fontes (canais) possamcompartilhar o mesmo meio físico:· Multiplexação por Divisão da Frequência
o (Frequency Division Multiplexing - FDM)· Multiplexação por Divisão do Comprimento de Onda
o (Wavelength Division Multiplexing - WDM)· Multiplexação por Divisão do Tempo
o (Time Division Multiplexing - TDM)· Multiplexação por Divisão de Código
o (Code Division Multiplexing)
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Multiplexação
§ Permite que vários sinais de diferentes fontes (canais) possamcompartilhar o mesmo meio físico:· Multiplexação por Divisão da Frequência
o (Frequency Division Multiplexing - FDM)· Multiplexação por Divisão do Comprimento de Onda
o (Wavelength Division Multiplexing - WDM)· Multiplexação por Divisão do Tempo
o (Time Division Multiplexing - TDM)· Multiplexação por Divisão de Código
o (Code Division Multiplexing)
64
MULTIPLEXAÇÃONO TEMPO
65
Multiplexação por Divisão de Tempo
§ Ao invés de se utilizar as várias faixas defrequências para separar os sinais a seremtransmitidos, utiliza-se o tempo como a grandeza aser compartilhada.· obtém-se o compartilhamento do meio físico
intercalando-se porções de cada um dos sinais ao longodo tempo.
· A forma com que o tempo é subdividido dá origem aduas formas de TDM: o TDM síncrono e o TDMassíncrono (ou Estatístico).
66
4 canais TDM256 Kbps
Linhas de assinanteDigitais (ex.: 4)
64 Kbps
TDM Síncrono: Exemplo
Para a Central
67
Meio Físico
A
B
C
D
Multiplexação no Tempo
68
T
A1
Banda DesperdiçadaDados
B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2
Primeiro Ciclo Segundo Ciclo
ý Multiplexação Síncrona(TDM)(synchronous TimeDivision Multiplexing)
Meio Físico
A
B
C
D
Multiplexação no Tempo
69
ý Multiplexação Síncrona(TDM)(synchronous TimeDivision Multiplexing)
ý Multiplexação Assíncronaou Estatística (STDM)(Statistical Time DivisionMultiplexing)
TA1 B1 B2 C2
Banda Extra DisponívelCabeçalho
A1
Banda DesperdiçadaDados
B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2
Primeiro Ciclo Segundo Ciclo
Meio Físico
A
B
C
D
Multiplexação no Tempo
70
Canal
§ Representação para uma parcela da utilização do meio físicoalocada a transmissão de um sinal.
§ A implementação de um canal varia de acordo com a forma demultiplexação. Assim, tem-se um tipo de canal no FDM e umoutro tipo de canal no TDM síncrono.· No FDM, um canal corresponde a uma faixa de freqüências· No TDM síncrono, denomina-se canal o conjunto de todos os
slots, um em cada frame, identificados por uma determinadaposição fixa dentro desses frames.
o Ex.: o canal 3 é formado pelo terceiro slot dentro de cada ciclo.
71
Comutação de Circuitos
§ Chaveamento por divisão espacial (Space Division Switching -SDS)· cada nó fecha um circuito físico entre entrada e saída
§ Chaveamento por divisão da freqüência (Frequency DivisionSwitching - FDS)· cada nó chaveia de um canal de freqüência de uma linha de
entrada para um canal de freqüência de uma linha de saída§ Chaveamento por divisão do tempo (Time Division Switching -
TDS)· cada nó chaveia de um canal TDM (slot) de uma linha de entrada
para um canal TDM de uma linha de saída
72
TDMA
MUX
Multiplexador x Acesso Múltiplo
§ A multiplexação pode ser realizada tanto de forma centralizada, por umequipamento específico denominado multiplexador (MUX), como deforma distribuída, onde as várias fontes de sinais encontram-sediretamente conectadas a um meio físico compartilhado.· Nesse último caso, a multiplexação já é realizada no acesso do usuário à
rede, sendo, por essa razão chamada de mecanismo de acesso múltiplo.
73
Multiplexador x Acesso Múltiplo
§ A cada esquema de multiplexação pode-se associarum mecanismos de acesso múltiplo· FDM - FDMA· TDM - TDMA· CDM - CDMA
§ Outros exemplos de esquemas de acesso múltiplotambém são encontrados nos protocolos de acessoao meio utilizados em redes locais e metropolitanascomo o CSMA/CD (Ethernet) e o Token Ring
74
Hierarquias de Transmissão Digital
§ Em uma hierarquia de sinais digitais, os sinais detaxa mais alta são obtidos através do cascateamentode multiplexadores
MUX12 ... MUX... MUX...
Nível 1 Nível 2 Nível 3
75
Hierarquias de Transmissão Digital
§ Têm sido utilizadas em sistemas de telefonia digital§ Passaram por processos de padronização em várias
entidades internacionais§ Hoje em dia, utilizadas também na transmissão de
dados§ EUA, Europa e Japão definiram diferentes padrões
para o sinal básico e para a forma de multiplexaçãona geração dos sinais de ordem mais alta
76
Sinal Digital Número de Canais de Voz Taxa de TransmissãoDS-1DS-2DS-3DS-4
2496
6724032
1,544 Mbps6,312 Mbps
44,736 Mbps274,176 Mbps
MUXT2
MUX
1
7
T3
T1MUX
1
24
Hierarquia de Sinais Digitais dos EUA
§ Inicialmente definido pela AT&T, tendo posteriormente se tornado opadrão utilizado para a transmissão digital de voz em sistemas telefônicosnos EUA.· multiplexação síncrona no tempo, de vinte e quatro canais de voz, a 64 Kbps
cada, transportados em um sinal de 1,544 Mbps (denominado DS-1 — DigitalSignal Level 1).
77
Hierarquia Européia
§ O esquema E1 é oriundo do padrão utilizado paraa transmissão de voz em sistemas telefônicosdigitais na Europa e no Brasil· 30 canais de voz, a 64 Kbps cada, transportados em
um sinal de 2,048 Mbps.
Sinal Digital Número de Canais de Voz Taxa de Transmissão
E1E2E3E4
30120480
1920
2,048 Mbps8,448 Mbps
34,368 Mbps139,264 Mbps
78
Nível EUA Europa Japão
1234
1,544 Mbps (DS-1)6,312 Mbps (DS-2)
44,736 Mbps (DS-3)274,176 Mbps (DS-4)
2,048 Mbps (E-1)8,448 Mbps (E-2)
34,368 Mbps (E-3)139,264 Mbps (E-4)
1,544 Mbps6,312 Mbps
32,064 Mbps97,728 Mbps
Diferentes Hierarquias de Transmissão Digital
79
Perguntas ?