2º Ano | Enginf & 3º ano infgest -1s 2018 Engenharia de redes I 2º Ano | Enginf & 3º ano infgest -1s 2018 Prof. MsC. Carlos Messani UGS/FENT/ERI/1S/18

Programa da Disciplina Teoria da Informação Técnicas de Transmissão Meios de Transmissão Modems Redes de Comunicação De Dados Cablagem Estruturada UGS/FENT/ERI/1S/18

1- TEORIA DA INFORMAÇÃO UGS/FENT/ERI/1S/18

Teoria da Informação UGS/FENT/ERI/1S/18 A Teoria da Informação é uma área centrada à volta de uma abordagem matemática ao estudo do armazenamento e manipulação da informação. Fornece-nos dados que ajudam a melhorar a eficiência da comunicação, dentro das passibilidades e limitações inerentes às leias físicas. Estabelece limites para a eficiência, com base neles podemos comparar diversos sistemas. UGS/FENT/ERI/1S/18

Teoria da Informação UGS/FENT/ERI/1S/18 A Teoria da Informação, Como tal, fornece bases teóricas para actividades como: Observação, Medida e Armazenamento de dados; Estimação; Apoio à tomada de decisões; Reconhecimento de padrões. UGS/FENT/ERI/1S/18

A Teoria da Informação tenta responder a perguntas do género: O que é a informação? Como a medimos? Quais são os limites fundamentais à transmissão de informação? Quais são os limites fundamentais à extracção de informação do meio ambiente? Como é que se devem projectar dispositivos ou equipamentos que se aproximem desses limites? Os dispositivos e equipamentos actuais aproximam-se, ou não, desses limites? UGS/FENT/ERI/1S/18

Teoria da Informação UGS/FENT/ERI/1S/18 Além das bases teóricas, a Teoria da Informação, trata também de 3 três conceitos básicos: A medida da Informação; A Capacidade de um canal de comunicação transferir informação; A Codificação, como meio de utilizar os canais com toda sua capacidade. UGS/FENT/ERI/1S/18

Teoria da Informação UGS/FENT/ERI/1S/18 Estes três conceitos estão ligados pelo que se pode chamar de TEOREMA FUNDAMENTAL DA TEORIA DA INFORMAÇÃO (SHANNON): Dada uma fonte de informação e um canal de comunicação, existe uma técnica de codificação tal que a informação pode ser transmitida através do canal a qualquer ritmo inferior à capacidade do canal e com frequência de erros arbitrariamente pequenas da presença do ruído. UGS/FENT/ERI/1S/18

Capacidade máxima de um canal Teoria da Informação Capacidade máxima de um canal Teorema de Nyquist Em 1928, Harry Nyquist, formulou uma equação matemática que define a taxa de transmissão máxima de um canal de banda passante limitada e imune a ruídos. Ou seja, considerou a ausência de ruído em uma transmissão. Teorema de Shannon Em 1948, Claude Shannon, a partir de uma série de estudos, como base no teorema de Nyquist, provou matematicamente que um canal possui uma capacidade de transmissão limitada. No entanto, suas pesquisas consideram a actuação de um ruído branco (ruído térmico). UGS/FENT/ERI/1S/18

Teoria da Informação 𝑩 𝑻 = 2 𝒙 𝑩 𝒙 𝑴𝒎 b/s em que UGS/FENT/ERI/1S/18 Capacidade máxima de um canal Teorema de Nyquist Nyquist definiu a seguinte equação para calcular a capacidade de um canal na ausência de ruído: 𝑩 𝑻 = 2 𝒙 𝑩 𝒙 𝑴𝒎 b/s em que BT = capacidade do canal na ausência de ruído; B = frequência do sinal (largura de banda); Mm = Modulação multinível (2 bits, 4 bits, 8 bits,16 bits...). Teorema de Shannon A equação de Shannon na presença de ruído pode ser escrita da seguinte forma: 𝑩 𝑻 =𝑩. 𝐿𝑜𝑔 2 (1+RSR) b/s em que: RSR = relação sinal/ruído, em Watts UGS/FENT/ERI/1S/18

Capacidade máxima de um canal Teoria da Informação EXEMPLO Capacidade máxima de um canal Teorema de Nyquist Dado um canal com uma largura de banda igual a 4 KHz e supondo que este canal esteja utilizando uma codificação 2 bits, qual a taxa de transmissão máxima desse canal na ausência de ruídos ? A partir do Teorema de Nyquist temos: 𝑩 𝑻 = 2 𝒙 𝑩 𝒙 𝑴𝒎 logo, 𝑩 𝑻 = 2 𝒙 𝟒 𝒙 𝟐 𝑩 𝑻 =16 𝐾𝑏/𝑠 UGS/FENT/ERI/1S/18

Capacidade máxima de um canal Teoria da Informação EXEMPLO Capacidade máxima de um canal Teorema de Shannon Dado uma linha telefónica com um canal com largura de banda de 6000 Hz e cuja razão sinal-ruído vale 30 dB. Pergunta-se: Qual a taxa de transmissão máxima desse canal na presença de ruído branco? 1º Passo: Temos a relação (razão) sinal ruído (S/N) expressa em dB, mas não em Watts. Desta forma, recorreremos a equação que mede o ruído em decibel (dB), para encontrarmos a relação sinal/ruído em Watts. UGS/FENT/ERI/1S/18

Lembre-se que: dBm dB UGS/FENT/ERI/1S/18 Refere-se a medida de potências. Refere-se a medida de perdas Indica a intensidade de potência num determinado ponto da rede Indica a diminuição de potência num determinado ponto da rede Diz respeito a intensidade da luz emitida ou recebida por um equipamento Diz respeito a perda que um componente óptico inseriu no sinal óptico tornando-o mais fraco UGS/FENT/ERI/1S/18

Potências Lineares e Logarítmicas Watts e milliwatts A potência em mW é igual a potência em Watts vezes 1000: 1W = 1000mW P(mW) = 1000 ⋅ P(W) Exemplo: Conversão de 5W para milliwatts: P(mW) = 1000 ⋅ 5W = 5000mW Conversão de milliwatts para watts A potência em watts P(W) é igual a potência em milliwatts P(mW), dividida por 1000: P(W) = P(mW) / 1000 Exemplo: Convert 5 mW to watts: P(W) = 5mW / 1000 = 0.005W UGS/FENT/ERI/1S/18

Potências Lineares e Logarítmicas dBm e Watts A Conversão de potência em dBm para Watts é dada pela fórmula: P(W) = 1W ⋅ 10(P (dBm) / 10) / 1000)= Conversão de dBm para Watts P(W) = 1W ⋅ 10(43dBm/ 10) / 1000 = 19.9526W UGS/FENT/ERI/1S/18

Potências Lineares e Logarítmicas Watts para dBm A Conversão de potência em de Watts para dBm é dada pela fórmula: P(dBm) = 10 ⋅ log10( 1000 ⋅ P(W) ) A Conversão de potência em de Watts para dBm é dada pela fórmula: Conversão de 20 watts para dBm: P(dBm) = 10 ⋅ log10(1000⋅20W) = 43.0103dBm UGS/FENT/ERI/1S/18

Capacidade máxima de um canal Teoria da Informação EXEMPLO Capacidade máxima de um canal Teorema de Shannon Teorema de Shannon, aplicando, agora, a SNR (S/N) em Watts na equação de Shannon: 𝑩 𝑻 =𝑩. 𝐿𝑜𝑔 2 (1+RSR) 𝑩 𝑻 =𝑩. 𝐿𝑜𝑔 2 (1+1000) 𝑩 𝑻 =𝑩. 𝐿𝑜𝑔 2 (1001) 𝑩 𝑻 = 3000*9,96 𝑩 𝑻 ≅ 30.000 b/s portanto A taxa de transmissão máxima em um canal com a presença de ruído é de 30 kb/s. UGS/FENT/ERI/1S/18

RELAÇÃO SINAL/RUÍDO UGS/FENT/ERI/1S/18

Teoria da Informação UGS/FENT/ERI/1S/18 Espectro dos canais EX: Calcule a capacidade de transmissão do Canal 5 no espectro. UGS/FENT/ERI/1S/18

Capacidade máxima de um canal Eficiência Espectral : é uma medida da eficiência com que um dado sistema de comunicação usa a largura de banda de um canal Exemplos: 1- Modems convencionais utilizam a largura de banda de 4 kHz dos canais telefônicos para transmitir dados a 64 kb/s. Largura de Banda= 4 kHz Taxa de Transmissão= 64 kb/s Eficiência Espectral = (64 kb/s) / (4 kHz)= 16 b/s/Hz 2- Uma técnica conhecida como CDPD utiliza um canal TDMA para transmitir dados a 19,2 kb/s Largura de Banda= 30 kHz Taxa de Transmissão= 19,2 kb/s Eficiência Espectral = (19,2 kb/s) / (30 kHz)= 0,64 b/s/Hz UGS/FENT/ERI/1S/18

Transmissão de informação Introdução A transmissão de informação através de sistemas de comunicação pressupõe a passagem de sinais através dos meios de comunicação que compõe as redes. Assim, temos de ter em conta as propriedades físicas dos meios e as características dos sinais transmitidos. UGS/FENT/ERI/1S/18

Transmissão de informação Introdução Ao transmitir informação esperamos preservar o seu significado, recuperar o seu entendimento para permitir a sua manipulação. Um processo de comunicação admite a existência de um código ou linguagem capaz de representar informações através de símbolos compreensíveis para as parte envolvidas. Os sistemas de comunicação, aqui abordados, utilizam em geral sinais ou ondas electromagnéticas que seguem através de meios físicos de comunicação. UGS/FENT/ERI/1S/18

Transmissão de informação Introdução (cont) Os sistemas de comunicação, aqui abordados, utilizam em geral sinais ou ondas electromagnéticos que seguem através de meios físicos de comunicação. UGS/FENT/ERI/1S/18

Transmissão de informação Sinais O sinais são ondas que se propagam através de alguns meios físicos, seja ele através de ar, um par de fios, etc. Os sinais podem ser uma voltagem eléctrica, um padrão de luz ou uma onda electromagnética modulada. Tudo isso pode transportar dados. UGS/FENT/ERI/1S/18

Transmissão de informação Sinais – Tipos de sinais Os sinais gerados para a transmissão são Sinais Analógicos Sinais Digitais UGS/FENT/ERI/1S/18

Transmissão de informação Tipos de sinais Sinais Analógicos - São todos aqueles que ao longo de um intervalo de tempo pré-estabelecido, poderão atingir qualquer valor dentro de um determinado limite. UGS/FENT/ERI/1S/18

Transmissão de informação Sinais – Tipos de sinais UGS/FENT/ERI/1S/18

Sinais – Tipos de Digitais O sinal Digital é construído através de uma sequência de intervalos de tamanho fixo iguais a T segundos, chamado intervalos de sinalização, durante os quais a amplitude do sinal permanece fixa, caracterizando um dos símbolos digitais transmitidos. T 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 UGS/FENT/ERI/1S/18

Sinais – Tipos de Digitais Sinais Digitais: Caracterizam-se pela presença de pulsos nos quais a amplitude é fixa. Apresenta uma variação discreta (abrupta) do sinal discreta Variação pode ocorrer somente em momentos pré- determinados Geralmente em dois níveis, representando valores lógicos “0” e “1’ (ou Verdadeiro e Falso) UGS/FENT/ERI/1S/18

Níveis de amostragem Níveis de amostragem: 1 bits 2 níveis digital 2 bits 4 níveis “dibit” 3 bits 8 níveis “tribit” n bits 2n níveis UGS/FENT/ERI/1S/18

Sinal Analógico Digital Todo sinal analógico pode ser transmitido por um sinal Digital Exemplo: Um sinal analógico pode ser amostrado (observado periodicamente), quantizado e o resultado desta quantização codificado em um sinal digital. Exemplo de sinal digital “dibit”: 00 10 11 01 T UGS/FENT/ERI/1S/18

Sinal Analógico Digital Ponto de sinalização ou ponto de amostragem Intervalo de sinalização (T) ou intervalo/período de amostragem pontos de sinalização 00 10 11 01 T UGS/FENT/ERI/1S/18

Digital Sinal Analógico Todo sinal digital pode ser transmitido/convertido por um sinal analógico Exemplo Um sinal digital pode ser transformado em um sinal analógico alterando-se a amplitude (AM - Amplitude Modulada) 1 T UGS/FENT/ERI/1S/18

Sinal Analógico x Digital Todo sinal digital pode ser transmitido por um sinal analógico Exemplo Um sinal digital pode ser transformado em um sinal analógico alterando-se a frequência (FM - Frequência Modulada) 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 UGS/FENT/ERI/1S/18

Transmissão Síncrona e Assíncrona Transmissão assíncrona é usada quando os dados a serem transmitidos vêm de uma fonte onde eles são gerados em intervalos aleatórios. Com esta forma de transmissão o receptor tem de ser capaz de re-sincronizar no início de cada novo caractere recebido. Para permitir que o equipamento de recepção determine o início e o fim de cada caractere, o código de cada caractere é precedido por um bit que indique seu início e é sucedido por um ou mais bits que indiquem seu término. Eles são chamados de bits de start e stop. UGS/FENT/ERI/1S/18

Transmissão Síncrona e Assíncrona Provavelmente a forma mais usada de código para transmissão assíncrona é o código ASCII. Este código tem 7 bits de dados, frequentemente com um bit adicional de paridade um bit de start e dois de stop. Estes bits extras são frequentemente adicionados aos dados de forma automática por um circuito chamado de UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). Como bits adicionais são inseridos para sincronismo, a taxa de bits de dados para o número total de bits é menor, e portanto, a eficiência de codificação é reduzida. UGS/FENT/ERI/1S/18

Transmissão Síncrona e Assíncrona Uma aplicação que transmite dados em uma taxa mais regular, ou em alta velocidade, pode usar um modo síncrono de transmissão. Nesta forma de transmissão, uma vez que o receptor esteja sincronizado com o relógio de dados do transmissor, ele vai permanecer em sincronismo para um período significativo de tempo UGS/FENT/ERI/1S/18

Transmissão Síncrona e Assíncrona Bits de Start e Stop não são necessários na transmissão síncrona. Obviamente, o sincronismo deve ser estabelecido antes do início da transmissão dos dados, mas uma vez que isto tenha sido estabelecido, é mantido travando o relógio no receptor à temporização dos bit de dados transmitidos. Isto é conhecido como recuperação de relógio de bits. UGS/FENT/ERI/1S/18

Transmissão Síncrona e Assíncrona Analogia Imaginemos que um emissor está a enviar uma mensagem de texto através de um tubo e que a mensagem é enviada recorrendo a bolas, cada bola com uma letra. Quando as bolas chegam ao receptor, a mensagem tem que ser remontada, ou seja, têm que se colocar as bolas pela ordem correta, para se voltar a ter a mensagem. UGS/FENT/ERI/1S/18

Transmissão Síncrona e Assíncrona Analogia (cont.) Em comunicação assíncrona, cada bola tem um número de sequência, que permite que seja colocada na sua posição. Isto permite que as bolas sejam enviadas e recebidas por qualquer ordem, uma vez que esse número de sequência identifica a posição de cada bola (letra) na mensagem. Em comunicação síncrona, as bolas têm que ser enviadas e recebidas de forma sincronizada, mantendo uma ordem bem definida: a primeira bola (letra) a ser enviada, tem que ser a primeira a ser recebida e assim sucessivamente. UGS/FENT/ERI/1S/18

Comunicação Síncrona vs. Assíncrona em transmissão de dados Transmissão Síncrona e Assíncrona Comunicação Síncrona vs. Assíncrona em transmissão de dados Numa comunicação assíncrona, cada bloco de dados inclui um bloco de informação de controle (chamado flag), para que se saiba exactamente onde começa e acaba o bloco de dados e qual a sua posição na sequência de informação transmitida. Numa comunicação síncrona, cada bloco de informação é transmitido e recebido num instante de tempo bem definido e conhecido pelo transmissor e receptor, ou seja, estes têm que estar sincronizados. Para se manter esta sincronia, é transmitido periodicamente um bloco de informação que ajuda a manter o emissor e receptor sincronizados. UGS/FENT/ERI/1S/18

Modos de Transmissão Simplex Half-Duplex ou semiduplex Full-Duplex ou duplex Comunicações Paralelas e em Serie Comunicações Síncrona, Assíncrona e Isócrona

Modos de Transmissão Simplex – quando a linha permite a transmissão em um único sentido Half-Duplex ou semiduplex – quando a linha permite a transmissão nos dois sentidos, mas somente alternativamente toda vez que inverte o sentido da comunicação existe um tempo de comutação da linha (100 a 400 ms) Full-Duplex ou duplex – permite a transmissão nos dois