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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


§ 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


§ 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


§ 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


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


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


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






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

27

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

46

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






59

Multiplexação






60

Multiplexação porDivisão doComprimento de Onda(WDM)

61

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






63

Multiplexação






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


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


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


§ 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


§ 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


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)


32,064 Mbps97,728 Mbps

Diferentes Hierarquias de Transmissão Digital

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