Licenciatura Plena em Computação Camada Física Professor Ivan Pires

Universidade do Estado de Mato Grosso

Licenciatura Plena em Computação

Camada Física

Professor Ivan Pires

Camada Física

Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

• Introdução– Dígitos binários (bits) para representar dados.– Fisicamente utilizam:• Corrente elétrica, ondas de rádio ou luz

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• Comunicação Assíncrona– Assíncrona• se um remetente e receptor não necessitar de

coordenação antes que os dados possam ser transmitidos.• O receptor deve estar pronto para aceitar dados

sempre que eles chegam.

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• O hardware de comunicação é classificado como assíncrono se o sinal elétrico que o transmissor enviar não contiver informações que o receptor pode usar para determinar onde os bits individuais começam e terminam.

• O hardware receptor deve ser construído para aceitar e para interpretar o sinal que o hardware remetente gera.

Usando Corrente Elétrica para Enviar Bits

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• Tensão negativa para representar um 1 e tensão positiva para representar um 0

• Para transmitir um bit 0, o dispositivo remetente coloca uma tensão positiva no fio por um curto período e então retorna o fio a zero volts.

• O dispositivo receptor detecta a tensão prositiva e grava que um zero chegou.

Padrões de Comunicação

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• Dúvidas:

– Por quanto tempo o remetente deve manter uma tensão no fio para um único bit ?

• Esperar mais tempo do que o necessário desperdiça tempo

– Qual a taxa máxima em que o hardware pode mudar a tensão?

– Como um cliente pode saber se o hardware transmissor comprado de um vendedor trabalhará corretamente com o hardware receptor comprado de outro vendedor?

– Há uma forma de enviar mais dados na mesma quantidade de tempo?


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• As especificações para sistemas de comunicação são padronizadas.

• ITU – International Telecommunication Union

• EIA – Electronic Industries Association

• IEEE – Institute for Electrical and Eletronic Engineers


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• Estas instituições publicam especificações para equipamentos de comunicação em documentos conhecidos como padrões.

• As normas respondem a perguntas sobre uma tecnologia particular de comunicação.

• Um padrão especifica o sincronismo dos sinais e os detalhes elétricos da tensão e da corrente.


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• Padrão RS-232-C da EIA

– Especifica os detalhes da conexão física

• A conexão deve ter menos de 50 pés de comprimento

• As duas tensões usadas para transmitir dados devem variar de -15 volts a +15 volts.

• Projetado para o uso com dispositivos como modems e terminais, ele especifica a transmissão de caracteres

• Embora possa ser usado para enviar caracteres de oito bits, cada caractere consiste em sete bits de dados.


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– RS-232 define comunicação assíncrona serial

• Serial porque os bits viajam no fio um após outro.

• O remetente e o receptor não se coordenam antes da transmissão.

• Nunca deixa zero volts no fio (quando o transmissor não tem nada para enviar, ele deixa o fio com uma tensão negativa que corresponda ao bit valor 1

– Não pode usar a falta de tensão para marcar o fim de um bit e o começo do seguinte.


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– O remetente e o receptor devem concordar com o comprimento de tempo exato em que a tensão será mantida para cada bit.

• Quando o primeiro bit de um caractere chega, o receptor inicia um temporizador e usa o temporizador para saber quando medir a tensão para cada um dos bits sucessivos

– Como um receptor não pode distinguir entre uma linha inativa e um bit inicial 1, o padrão RS-232 requer que um remetente transmita um bit extra de valor 0 antes de transmitir os bits de um caractere.

• Conhecido como start bit


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– O remetente e o receptor devem concordar com o comprimento de tempo exato em que a tensão será mantida para cada bit.

• Quando o primeiro bit de um caractere chega, o receptor inicia um temporizador e usa o temporizador para saber quando medir a tensão para cada um dos bits sucessivos

– Como um receptor não pode distinguir entre uma linha inativa e um bit inicial 1, o padrão RS-232 requer que um remetente transmita um bit extra de valor 0 antes de transmitir os bits de um caractere.

• Conhecido como start bit


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– O remetente deve deixar a linha ociosa por um tempo mínimo

• Tempo necessário para enviar um bit

– Bit fantasma 1 adicionado a cada caractere

• Este bit é denominado stop bit

– A transmissão completa requer nove bits.

Taxa de Baud, Enquadramento e Erros

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• O hardware remetente e receptor devem concordar no comprimento de tempo em que a tensão será mantida para cada bit.

• Em vez de especificar o tempo por bit, que é uma pequena fração de segundo, os sistemas de comunicação especificam o número de bits que podem ser transferidos em um segundo

– Ex.: 33600 bits por segundo


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• Um hardware de transmissão é avaliado em bauds,

– que é o número de mudanças de sinal por segundo que o hardware gera.

• No exemplo RS-232 a taxa em bauds é exatamente igual ao número de bits por segundo (33600 bauds = 33600 bits por segundo)

– O número de bis por segundo pode ser maior que a taxa em bauds


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• Se o hardware remetente e o hardware receptor não forem configurados para usar a mesma taxa em bauds, ocorrerão erros porque o temporizador do receptor não esperará um comprimento de tempo apropriado para cada bit.

• Para detectar erros, um receptor mede a tensão por múltiplos tempos para cada bit e compara as medidas. Se todas as tensões não concordarem ou se o bit de parada não ocorrer exatamente quando esperado, o receptor relata um erro.

Comunicação Assíncrona Full Duplex

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• Todos os circuitos elétricos requerem um mínimo de dois fios

– A correte flui em um fio e volta em outro

– O segundo fio é chamado de terra.

• Quando RS-232 utiliza par trançado, um dos fios carrega o sinal e o outro é um terra que fornece o caminho de retorno.

• Quando um sinal é enviado utilizando um cabo coaxial, o sinal viaja pelo centro do condutor e o protetor fornece o trajeto de retorno.

Comunicação Assíncrona Full Duplex

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• A transferência simultânea nas duas direções é conhecida como transmissão full duplex

• A transferência em uma única direção é conhecida como transmissão half duplex ou simplex

• RS-232 requer um fio para dados viajando em uma direção, um fio para dados viajando na direção reversa e um único fio terra usado para completar o caminho elétrico em ambas as direções (comum para o retorno).

Limitações do Hardware Real

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• O quanto rápido pode transmitir bit através de um fio?

• Na prática, nenhum dispositivo eletrônico pode produzir uma tensão exata ou mudá-la de uma tensão para a outra

• Nenhum fio conduz eletricidade perfeitamente

– Quando flui corrente elétrica através do fio, o sinal perde energia

• Como resultado, leva um pequeno tempo para a tensão subir ou descer, e o sinal recebido não é perfeito.

Limitações do Hardware Real

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Largura de Banda do Hardware e a Transmissão de Bits

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• “O hardware real não pode mudar tensões instantaneamente”

• Qual velocidade em que os bits podem ser enviados?

• Cada sistema de transmissão de um largura de banda (bandwidth) Limitada, que é a taxa máxima em que o hardware pode realizar mudanças de sinal.


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• A largura de banda é medida em ciclos por segundos ou hertz (Hz).

– Mais fácil pensar na largura de banda como o sinal de oscilação contínuo mais rápido que pode ser enviado através do hardware

• Se um sistema de transmissão tiver uma largura de banda de 4000 Hz, então o hardware pode transmitir em uma taxa igual ou menor a 4000 ciclos por segundo.

• Cada sistema física de transmissão tem uma largura de banda finita

– Qualquer sistema de transmissão que usar ondas de rádio, som, luz ou corrente elétrica terão uma largura de anda limitada.


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• Teorema de Amostragem de Nyquist

– Na década de 20, um pesquisador descobriu a relação entre a largura de banda de um sistema de transmissão e do número máximo de bits por segundo, que podem ser transferidos neste sistema

– A relação fornece um valor teórico na velocidade máxima em que os dados possam ser enviados

– Para um esquema de transmissão de dados que usa dois valores de tensão para codificar os dados

• A taxa de dados máxima em bps que pode ser atingida sobre um sistema de transmissão da largura de banda B é 2B.


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• Teorema de Amostragem de Nyquist

– De maneira geral, se o sistema da transmissão usa k valores de tensão possíveis em vez, o Teorema de Nyquist indica que a taxa (D) de dados máxima em bps é:

D = 2B * log2K

1 baud

Esta é a fórmula de Nyquist para a capacidade máxima de um canal dada a sua largura de banda, na ausência de ruído


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• Em outras palavras, através de um canal de largura de banda igual a B Hz pode-se transmitir um sinal digital de, no máximo 2B bauds.

K = m


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• Portanto, para uma dada BW, a taxa de dados poderá ser aumentada através do aumento do nº de níveis utilizados para transportar o sinal.

• No entanto, quanto maior k, maior a dificuldade encontrada pelo receptor para distinguir entre os k possíveis sinais transmitidos.

• A formulação de Nyquist define a taxa de transmissão máxima para um canal de banda passante limitada e imune a ruídos.

O Efeito do Ruído na Comunicação

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• Teorema de Nyquist fornece um máximo absoluto que não pode ser conseguido na prática.

• Na prática um sistema real de comunicação é sujeito a quantidades pequenas de interferência chamados de ruídos

– Tal ruído torna impossível atingir a taxa máxima teórica de transmissão.


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• Claude Shannon estendeu o trabalho de Nyquist para especificar a taxa de dados máxima de transmissão de dados incluso ruído.

• A pesquisa resultou no Teorema de Shannon, expresso como:

C = Blog2(1 + S/N)

C = limite efetivo da capaicdade do canal em bpsB = largura de banda do hardwareS = potência média do SinalN = potência média do Ruído


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• Geralmente S/N é conhecido como a relação taxa sinal-para-ruído (signal-to-noise rate), não é representada diretamente.

• Em vez disso, os engenheiros citam a quantidade 10log10S/N que é a medida em decibéis (dB)

• Ex.: uma relação de S/N igual a 100 é 20 dB, 1000 é 30 dB.


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• O sistema telefônico de voz tem uma relação sinal-para-ruido de aproxidamente 30 dB e uma largura de banda, de aproximadamente 3000 Hz.

C = 3000 Log2(1+1000);

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