GIL PINHEIRO 1

Modelo OSI - A Camada Física

Prof. Gil Pinheiro

GIL PINHEIRO 2

Detalhes da Camada Física

• Meio físico

• Sinalização Analógica x Digital

• Comunicação Paralela x Serial

• Modos de Transmissão (Simplex, Half-

Duplex, Full Duplex)

GIL PINHEIRO 3

Tipos de Meio Físico

• O meio físico provê a propagação do sinal. Alternativas: – Cabo tipo par trançado

– Cabo coaxial

– Cabo de fibra ótica

– Radio freqüência

• A escolha do tipo de meio deve ser avaliada pelo projetista baseando-se nos fatores: distância, taxa de transmissão, local de instalação, EMI

GIL PINHEIRO 4

Aspectos Importantes

• Quando um sinal se propaga num meio,

físico ocorre degradação do mesmo

– Atenuação (perda de potência do sinal)

– Distorção e arredondamento

– Reflexão de sinal

– Acoplamento cruzado

– Interferência Eletromagnética (EMI)

GIL PINHEIRO 5

Atenuação • Meio físico real

– Resistência elétrica e o efeito skin geram perda de sinal

– Meio físico está sujeito a vários tipos de ruído (térmico, EMI, acoplamento cruzado, aterramento deficiente, ...)

– Atenuação diminui a relação sinal/ruído ( S/N)

Transmissor Receptor Ruído 2 Ruído 1 Atenuação/Distorção

Meio Físico Real

Sinal de

Entrada

(Si)

Sinal de

Saída

(So)

GIL PINHEIRO 6

Acoplamento Cruzado • Sinal acoplado de outros cabos (de comunicação)

– Acoplamento mútuo, indutivo e/ou capacitivo, entre dois ou mais pares de cabos de sinal

– É um tipo de ruído

– Diminui a relação sinal/ruído ( S/N)

Acoplamento cruzado

Meio físicos próximos (acoplados)

GIL PINHEIRO 7

Distorção e Arredondamento • Distorção do sinal digital devido a

atenuação de componentes de frequências superiores

• Devido basicamente a capacitância do cabo associada a alta impedância do transmissor (constante RC)

• Quanto maior a constante RC, maior deformação do sinal (menor banda passante)

• Perda de componentes de ordem superior leva a redução da relação S/N com taxas de transmissão mais altas

• Solução: usar circuitos de baixa impedância, promover casamento de impedâncias (transmissor, cabo, receptor), reduzir taxa de transmissão

GIL PINHEIRO 8

Reflexão de Sinal • Ocorre reflexão de sinal numa Linha de Transmissão

(L.T.) se não houver casamento de impedâncias: – Impedância do Receptor: ZI ; do Transmissor: ZO

– Impedância da L.T. : ZL = [ (R+j L) / (G+j C) ]½

– Numa L.T. sem atenuação (R=0 e G=0): ZL = [ L/C ]1/2

– Para não haver reflexões: ZO = ZL = ZI

– Reflexões distorcem o sinal, diminuindo relação S/N

Transmissor Receptor

Sinal de

Entrada

(Si)

Sinal de

Saída

(So) Zo Zi

Linha de Transmissão

GIL PINHEIRO 9

Ruídos e EMI • Há diversos tipos de ruídos: impulsivo, térmico, flicker,

intermodulação, etc.

• Alguns tipos de ruído podem ser atenuados através de técnicas

de blindagem e aterramento

• O ruído é função da banda passante e impedância do canal:

– banda passante potência do ruído (N)

– impedância do canal susceptibilidade ao ruído

• Tensão eficaz de ruído térmico: EN = [ R.K.T.B ]1/2

– Onde: R= resistência de entrada do amplificador, K=constante,

T=temperatura, B=largura de banda do canal

• Recomendação: usar canais de banda estreita e baixas

impedâncias nos circuitos de redes

GIL PINHEIRO 10

Dependência S/N x BER • O ruído limita o desempenho das redes e barramentos de

campo (gerando erros, retransmissão de mensagens e atrasos

na comunicação)

• Se relação S/N diminui erros de comunicação aumentam

( BER = Bit Error Rate)

• Equação de Shannon-Hartley (Canal com Ruído):

C = W log2 [ 1 + (S/N) ]

– C: limite máximo, teórico, da taxa de transmissão do canal

(bits/s)

– W: banda passante do canal (Hz)

– S: potência do sinal (Watts)

– N: potência do ruído (Watts)

GIL PINHEIRO 11

Par Trançado • Utilizados em redes de campo, redes Ethernet

• Baixo custo

• Instalação e manutenção mais baratas

• Arranjo trançado aumenta rejeição de ruídos externos

• Pode ser dotado de blindagem para melhorar rejeição de ruído

• Pode ser dotado de malha metálica para melhorar resistência mecânica

GIL PINHEIRO 12

Cabo Coaxial • Baixo custo, porém mais caro que par trançado

• Maior banda passante que par trançado

• Maior rejeição de ruído que o par trançado

• Maior resistência mecânica que o par trançado

• Instalação e manutenção mais complexas

• Requer conectores especiais.

GIL PINHEIRO 13

Cabo Coaxial

Cabo coaxial de

50 ohms (RG-58) Conectores BNC,

de 50 ohms

Derivação de rede

utilizando conector

BNC-T

GIL PINHEIRO 14

Fibra Óptica • Filamento de material ótico (quartzo, plástico e vidros) capaz de

conduzir a luz. Opera normalmente no modo simplex

• Fibras plásticas são mais baratas, porém possuem maior atenuação

• Taxas de transmissão elevadas: > 2 Gbps

• Diâmetro de 2 a 125 m

• Composta por três partes básicas: núcleo, casca e capa protetora

• Vantagens: imunidade a ruídos, isolação entre pontos conectados

• Desvantagem: custo (interfaces e manutenção), menor resistência mecânica (tração e curvas bruscas)

GIL PINHEIRO 15

Fibra Óptica • Tipos monomodo e multimodo

• Valore Típico de Banda Passante x Distância

– Multimodo: 500 MHz.Km

– Monomodo: 100.000 MHz.Km

• Atenuação:

– Multimodo: 1 a 3,5 dB/Km

– Monomodo: 0,2 a 0,5 dB/Km

• Emissores de luz: LED ou LASER

• Detector de Luz: fotodiodo PIN ou fotodiodo de avalanche (APD)

GIL PINHEIRO 16

Fibra Óptica

Cone de

Aceitação

Casca (índice de refração n2)

Núcleo (índice de refração n1)

Fibra Ótica Monomodo (um modo predominante de propagação da luz)

Onde: n2 > n1

Luz

Cone de

Aceitação

Casca (índice de refração n2)

Núcleo (índice de refração n1)

Fibra Ótica Multimodo (vários modos de propagação da luz)

Onde: n2 > n1 Luz

GIL PINHEIRO 17

Fibra Óptica

Multimodo com

índice de refração

em degrau

Multimodo com

índice de refração

gradual (melhor

que a multimodo)

Monomodo

GIL PINHEIRO 18

Conectores de Fibra Óptica

Os conectores mais

utilizados na área de

automação são o ST e SC

GIL PINHEIRO 19

Fibra Óptica

Fibra óptica de 50 um, com

conector SC, com luz laser Fibra óptica sem luz

GIL PINHEIRO 20

Codificação do Sinal Digital • Os sistemas digitais precisam transmitir os níveis

lógicos 0 e 1

• Os cabos conduzem apenas sinais elétricos ou ópticos

• A codificação do sinal define as regras da representação elétrica/óptica dos níveis 0 e 1

• Existem dois métodos básicos de codificação

GIL PINHEIRO 21

Sinal Analógico • Um tipo de codificação analógica envolve a utilização

da modulação de uma senóide para transmitir os níveis 0 e 1

• Exemplo: protocolo HART

– nível 1: 1200 Hz

– nível 0: 2200 Hz

• Vantagens: menos suscetível a efeitos da distância e ruído. Permite múltiplos sinais no mesmo meio físico

• Desvantagem: eletrônica mais complexa

GIL PINHEIRO 22

Sinal Digital • A codificação digital muda o nível de tensão para

representar os níveis 0 e 1

• Exemplo: Padrão RS-232

– nível 1: +12 V

– nível 0: -12V

• Vantagem: eletrônica muito simples

• Desvantagem: apenas um sinal no meio físico, mais suscetível a ruídos e distâncias longas

GIL PINHEIRO 23

Sinal digital: Manchester • A codificação Manchester é um tipo de codificação

muito difundido. Utiliza transições de tensão para codificar os níveis 0 e 1

– Nível 1: transição negativa

– Nível 0: transição positiva

• Vantagens: boa imunidade a ruídos, clock embutido no sinal

• Exemplos: Ethernet, Foundation Fieldbus, Rockwell DH+, Modbus Plus

GIL PINHEIRO 24

Canais Simplex

• Canais Simplex permitem comunicação em apenas um sentido

• Exemplos: transmissões de TV e radiodifusão

• Um circuito 4 a 20 mA é um Canal Simplex

4 a 20 mA

GIL PINHEIRO 25

Canais Half-Duplex • Canais Half-Duplex permitem a comunicação

em ambos os sentidos, mas não simultaneamente

• Todas as redes locais (LANs), redes de campo e protocolos de campo são de um modo geral Half-Duplex

GIL PINHEIRO 26

Canais Full-Duplex

• Canais Full-Duplex permitem a

comunicação em ambos os sentidos de

um canal simultaneamente.

• Exemplos: telefones celulares.

GIL PINHEIRO 27

Comunicação Paralela • Consiste no envio de vários bits de sinal

simultaneamente através do canal de comunicação

• Normalmente pode enviar 8, 16, 24 ou 32 bits ao mesmo tempo

• Utilizada tipicamente em aplicações com distâncias curtas (dentro de gabinetes, interfaces SCSI, IDE, PATA)

0

1

0

1

1

1

0

0

Impressora com

Interface Paralela

(CENTRONICS)

Multicabo

GIL PINHEIRO 28

Comunicação Serial • Consiste no envio dos bits de sinal em seqüência

através do canal de comunicação

• Utilizada em aplicações de médias e longas distâncias

• Exemplo: RS-232, redes locais (LAN), redes de campo, comunicação com E/S remota de CLPs

1 0 0 1 0 1 1 0

Par trançado

GIL PINHEIRO 29

Modems • Convertem um sinal digital num sinal analógico e vice versa

(MODulador-DEModulador). Permitindo o uso de canal analógico (linha telefônica, enlace de rádio analógico)

• Existem muitos padrões de modem: CCITT (ITU) V.90, V.34, V.22, BELL-202

• Podem utilizar modulação FSK, PSK, QPSK, QAM, etc ...

Modem

Central

Telefônica

Sinal digital padrão EIA-232 Sinal analógico na linha telefônica

GIL PINHEIRO 30

A Interface Serial Assíncrona

GIL PINHEIRO 31

A Interface Serial Assíncrona

• Parâmetros

– Data bits: 7 ou 8

– Paridade: Não, Par ou Impar

– Stop Bits: 1 ou 2

– Velocidade (Baud Rate): 110, 300, 600,

1200, 4800, 9600, 19200, 38400 bits/s

GIL PINHEIRO 32

A Interface Serial Síncrona

• Sincronismo a cada bit enviado

• Dois sinais: – DATA: dados enviados

– CLOCK: sincronismo de relógio

• Sinal de relógio pode ser enviado como: – Sinal a parte

– Embutido junto com os dados

GIL PINHEIRO 33

Diferenças Assíncrona x Síncrona

• Assíncrona – Baixo custo

– Baixo rendimento (< 80%)

– Baixa taxas de transmissão (da ordem de 105 bits por segundo)

– Para seqüências pequenas de bits (até 8 bits por frame da UART)

• Síncrona – Mais cara

– Alto rendimento (> 90%)

– Altas taxas de transmissão (da ordem de 108 bits por segundo)

– Capaz de lidar com frames de milhares de bits sem erros

GIL PINHEIRO 34

Topologias de Rede

Rede em Anel Rede em Estrela

Rede em Barra

GIL PINHEIRO 35

Rede em

Árvore

Topologias de Rede

GIL PINHEIRO 36

Topologias de Rede

• Rede em Barra

– rede do tipo difusão (mensagem difundida para

todos os nós)

– geralmente mais barata e mais simples

– o cabo percorre todos os nós da rede, menor

confiabilidade da rede

– curto circuito num nó paralisa a rede

– cada nó usa derivação no meio físico

– Exemplos: EIA-485, Fieldbus Foundation

GIL PINHEIRO 37

Topologias de Rede

• Rede em Anel

– Mensagem gerada num nó da rede, circula na rede (anel) e é retirada quando retorna ao nó gerador ou pelo nó destinatário

– Cada nó é um repetidor de rede

– Ampliação requer interrupção da rede, se o anel não for redundante

– Normalmente mais confiável que a rede em barra

GIL PINHEIRO 38

Topologias de Rede

• Rede em Estrela

– não necessitam roteamento

– nó central: hub ou switch

– desempenho dependente do nó central

– confiabilidade dependente do nó central

– dificuldade de ampliação (depende do nó

central)

GIL PINHEIRO 39

Estrela Anel Barra

Requisitos de cabeamento + ++ +++

Facilidade de Configuração + ++ +++

Custo de implantação + ++ +++

Redundância +++ ++ +

Troughput +++ ++ +

Comparação das Topologias