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Camada FísicaCamada Física
Carlos E. Pereira - UFRGS/DELET GCAR
Camada FísicaCamada Física
➩ lida com a transmissão pura de bits
➩ definição do meio físico, níveis de tensão,duração de um bit, taxa detransmissão,comprimento máximo,construção dos conectores
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Camada Física Camada Física FieldbusFieldbus Meios Físicos mais usadosMeios Físicos mais usados
● Par trançado– padrão RS-485
– IEC 1158-2
● Cabo coaxial
● Fibra ótica
● Rádio
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Par Par TrançadoTrançado
● Dois fios são enrolados em espiral de formaa reduzir o ruído e manter constante aspropriedades elétricas do meio através detodo o seu comprimento.
● Permite transmissão analógica ou digital
● Desvantagem: susceptibilidade àinterferência e ruído (crosstalk) = pode sermelhorado com blindagem
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Par Par TrançadoTrançado
● Classificados em cinco categorias de acordocom capacidades de utilização e aplicação:freqüência máxima, taxas de transmissão– categoria 3: 16MHz, 10 Mbps
– categoria 4: 20 MHz, 16 Mbps
– categoria 5: 100 MHz, 100Mbps● cabos de 100 ohms, 24 AWG, distâncias de no
máximo 100 metros
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Par Par TrançadoTrançado
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Cabo Cabo CoaxialCoaxial
● Condutor interno circundado por condutorexterno, tendo um diétrico separandocondutores. Condutor externo é aindacircundado por outra camada isolante
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Cabo Cabo CoaxialCoaxial
● Grande variedade: uns melhores para altrafreqüência, outros mais imune a ruídos, etc.
● Cabos de mais alta qualidade tendem a nãoser maleáveis e são dífíceis de instalar
● Cabo coaxial mantém uma capacitânciaconstante e baixa, permitindo trabalhar ataxas mais altas
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Fibra ÓticaFibra Ótica
● Transmissão realizada pelo envio de umsinal de luz codificado, dentro do domíniode freqüência do infravermelho (10**12 a10** 14 Hz)
● são imunes a interferência eletromagnéticase a ruídos, permitem isolamento elétricoentre transmissor e receptor
● Problemas: junção de fibras, custo
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Camada FísicaCamada FísicaTaxas Taxas de de TransmissãoTransmissão
● IEC 1158-2: 31.25Kbps
● Profibus: 9600 a 12 Mbps
● Interbus-S 500Kbps
● FastEthernet: 100Mbps
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Camada FísicaCamada FísicaComprimento MáximoComprimento Máximo
● Depende da freqüência de transmissão
● Profibus– RS485
● 12 MBit/s = 100 m; 1.5 M Bit/s = 400m; < 187.5 kBit/s = 1000 m(com repetidores até 10km)
– IEC1158-2● 31.25K Bits/s = 1900 m por segmento (com repetidores até 10 km)
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Camada FísicaCamada Física:: Número NúmeroMáximo Máximo de de Elementos na RedeElementos na Rede
● RS485: (Profibus DP/FMS): 32 porsegmento (máximo 127) => devido aoendereçamento
● IEC-1158-2 (Profibus-PA, FoundationFieldbus): 10 a 32 por segmento (máximo127) => depende do consumo de energia
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Transmissão Transmissão de de InformaçãoInformaçãolivro Soareslivro Soares,,LemosLemos,,ColcherColcher
● Codificação de sinais
● Banda Passante
● Taxa de Transmissão Máxima de um Canal– Nyquist
– Relação Sinal/Ruído
● Multiplexação e Modulação
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Codificação Codificação de de SinaisSinais
● Sinal Digital– dois níveis
– multi-nível
T
T = intervalo de sinal ização
T
T = in te rva lo de s ina l i zação
0 0
01
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Codificação Codificação de de sinaissinais
● 1 baud = número de intervalos desinalização por segundo
● 1 baud = log2 L bps (L = número de níveis)
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BandaBanda PassantePassante
● Série de Four ier : representação de umsinal como uma soma de senóides ecosenóides (de freqüências múltiplasinteiras da fundamental)
● g(t) = 0.5 a0 + ΣΣ an sen(2ππnft) + ΣΣ bn cos(2ππnft)
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Espectro Onda QuadradaEspectro Onda Quadrada
t-T /2 T /2 f-1 /T 1 /T
A A T
Largura de banda infinitaBanda ‘dominante’depende de T
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Curva Característica Curva Característica de de umaumaLinha Linha de de TransmissãoTransmissão
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Linha Linha de de TransmissãoTransmissãocomo Filtrocomo Filtro
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Taxa Taxa de de TransmissãoTransmissãoMáximaMáxima de um Canal de um Canal
● Qual a banda passante necessária paratransmitir-se um sinal digital de 1/T bps ?
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Teorema Teorema de de NyquistNyquist
● Se um sinal arbitrário é transmitido atravésde um canal de largura de banda W Hz, osinal resultante da filtragem pode sercompletamente reconstruído pelaamostragem a no mínimo 2W
● No caso, amostragens maiores que 2Wseriam inúteis, pois freqüências que seriamrecuperadas não mais existem no sinaltransmitido devido à filtragem do canal
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Teorema Teorema de de NyquistNyquist
● Para sinais de digitais, isto correspondedizer que o número de transições de umnível de ampli tude para outro não pode sermaior do que 2W por segundo, ou seja,através de um canal de largura de banda WHz, pode-se transmitir no máximo 2Wbauds
● ou ainda,C = 2W bauds = 2W log2 L bps
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Fontes Fontes de de distorção distorção de de sinaissinaisna transmissãona transmissão
● Ruído: interferência de sinais indesejáveis– Lei de Shanon
C = W log2 (1 + S/N) onde S/N relaçãosinal/ruído
se ruído = 0, C -> infinito (infinitas freqüênciasde 0 a W, para representar infinitos símbolos)
ex: canal de 3kHz, S/N=30db
capacidade máxima teórica C=30000 bps
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Fontes Fontes de de distorção distorção de de sinaissinaisna transmissãona transmissão
● Atenuação: potência de um sinal diminuicom a distância percorrida (perdas deenergia por calor e radiação)– geralmente, quanto maior a freqüência maiores
as perdas
● Ecos: toda vez que há mudança deimpedância, sinais são refletidos e podemretornar pela linha, corrompendo os sinaissendo transmitidos
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Multiplexação Multiplexação e e ModulaçãoModulação
● Multiplexação em freqüência– quando a banda passante do meio é maior que a
banda do sinal
– deslocamento na freqüência através demodulação
– exemplo típico: transmissões de rádio e TV
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Técnicas Técnicas de de ModulaçãoModulação
● Modulação em Amplitude (AM)
● Modulação em Freqüência (FM)
● Modulação por Fase (PM)
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Técnicas Técnicas de de Modulação Modulação dedesinais digitaissinais digitais
● Modulação por chaveamento de amplitude(ASK - amplitude shit keying)
● Modulação por chaveamento de freqüência(FSK)
● Modulação por chaveamento de fase (PSK)
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Técnicas Técnicas de de Modulação Modulação dedesinais digitaissinais digitais
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Sistemas Sistemas em em banda larga banda larga eebanda básicabanda básica
● Sinalização em Banda básica (‘baseband’):nenhuma modulação, sinal é colocadodiretamente na rede
● Sinalização em Banda Larga (‘broadband’ ):usa multiplexação em freqüência
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Pulse Code Modulation (PCM)Pulse Code Modulation (PCM)
● Técnica baseada no teorema da amostragem
● Sinal original é amostrado e a cada amostraé associado um valor proporcional àamplitude do sinal (PAM)
● a partir dos pulsos PAM são gerados osPCMs através da quantização (cada amostraé aproximada a um inteiro de n bits)
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Pulse Code ModulationPulse Code Modulation
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Pulse Code Modulation (PCM)Pulse Code Modulation (PCM)
● Ex: canal de voz– banda passante necessária: 4kHz
– logo taxa de amostragem de Nyquist = 8kamostras por segundo
– usando codificação com 8 bits: 64Kbps
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Multiplexação Multiplexação no Tempo -no Tempo -TDM TDM síncronosíncrono
● Divide o domínio do tempo em intervalosde tamanho fixo T chamado frames
● Cada frame é subdividido em sub-intervalos, determinados slots ou segmentos
● Canal: conjunto de todos os segmentos deuma dada posição em todos os frames
● Canais podem ser alocados estática oudinamicamente
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MultiplexaçãoMultiplexação no Tempo - no Tempo -TDMTDM síncrono síncrono
● Segmentos de tempo dentro de um framenão precisam ter o mesmo tamanho
● geralmente são definidos em função da taxade transmissão necessária para o canal emquestão
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MultiplexaçãoMultiplexação no Tempo - no Tempo -TDM TDM assíncronoassíncrono
● Visa eliminar o desperdício no TDMsíncrono quando uma estação usa menosque a banda do canal a ela alocado
● neste caso, parcelas de tempo são alocadasdinamicamente conforme a demanda
● cada unidade de informação transmitidadeve conter cabeçalho com identificação daorigem e destino
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Codificação Codificação e e Transmissão Transmissão dedeSinais Digitais Sinais Digitais em em Banda BásicaBanda Básica
● Codificação NRZ (non return to zero)
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Codificação Codificação NRZNRZ
● Para uma amostragem correta, transmissor ereceptor precisam ter relógios ajustados emfreqüência e fase
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Transmissão assíncronaTransmissão assíncrona
● Neste caso admite-se que a referência detempo entre transmissor e receptor não éúnica, apenas próxima
● uso de um relógio no receptor comfreqüência múltipla da freqüência dooscilador do transmissor
● detectado o início da recepção aamostragem se dá a n/2 pulsos do relógio doreceptor (quanto maior n, maior a precisão)
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Transmissão assíncronaTransmissão assíncrona
● Exige um mecanismo que permita adetecção de um início da recepção (bit destart)
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Transmissão síncronaTransmissão síncrona
● Neste caso procura-se garantir umareferência única de tempo
● 2 modos:1) transmitindo o relógio em separado, tomando o
cuidado que o retardo sofrido pelo relógio sejao mesmo sofrido pelos dados: relógio recebidoé usado como base para amostragem
2) envio de dados junto com informação desincronismo que permitam recuperar o relógio
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Técnicas para Técnicas para a a TransmissãoTransmissãoconjunta conjunta de de dados dados e e relógiorelógio
● Deve-se garantir a existência de transiçõesem qualquer que seja o padrão dos bitstransmitidos
● Manchester– transição positiva representa o bit 1
– transição negativa representa o bit 0
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Codificação ManchesteCodificação Mancheste
● toda transmissão de bits implica em transiçãp,porém nem toda transição caracteriza um bit=> dificulta separação de dados e sincronismo
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Codificação Codificação Manchester -Manchester -Recuperação Recuperação do do RelógioRelógio
● Uso de um preâmbulo com Os e 1salternados permite obter seqüência detransições representativas de transmissões
● A partir de uma transição válida, esperar 3/4do período de sinalização e amostrar o sinalrecebido na descida do relógio recuperado(os bits amostrados serão o inverso do valordo sinal amostrado)
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CodificaçãoCodificação Manchester - Manchester -RecuperaçãoRecuperação do do Relógio Relógio
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Codificação Codificação ManchesterManchesterDiferencialDiferencial
● Cada bit é representado por duas metades,tendo a segunda metade polaridade inversaà da primeira
● bit 0: troca de polaridade no começo datransmissão do bit
● bit 1: não há troca de polaridade
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CodificaçãoCodificação Manchester ManchesterDiferencialDiferencial
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Vantagens da CodificaçãoVantagens da CodificaçãoManchesterManchester
● Redução do nível DC: diminui o custo doprojeto dos transmissores, pois permiteacoplamento AC ou por transformador entretransceptor e cabo
● esquema intrínseco de detecção de erro:ruído tende a eliminar a transição no meioda célula de dados
● ausência de transmissão pode ser detectadapela ausência de transições no meio
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ExemplosExemplos
● 232 e 485
● Ethernet– Ethernet1
– Ethernet2
● CAN-BUS
● Fieldbus
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