Fundamentos de Sinais e Comunicação de Dados

1. Informações e Sinais

Comunicação — é o ato de transmitir informações.
Processo de comunicação — admite a existência de um código ou linguagem capaz de representar as informações por meio de símbolos compreensíveis para as partes envolvidas.
Sinais — são ondas que se propagam através de algum meio físico, óptico ou mesmo pelo ar. Possuem amplitudes que variam ao longo do tempo, correspondendo à codificação da informação transmitida.
Informações — são as ideias ou dados manipulados pelos agentes que as criam, manipulam e processam.

2. Sinais Analógicos e Digitais

Qualificam tanto a natureza das informações quanto a característica dos sinais utilizados para a transmissão através dos meios de comunicação.
Sinais Digitais — são ondas que obedecem a dois níveis discretos de tensão/corrente, representados pelos valores lógicos 0 e 1 (binários).

No gráfico, a linha horizontal representa o Tempo e a linha vertical, a Amplitude, sendo o valor máximo o (1) e o mínimo o (-1).
Os sinais digitais são construídos através de uma sequência de intervalos de tempo de tamanho fixo, iguais a T segundos, denominados Intervalos de Sinalização, durante os quais a amplitude do sinal permanece fixa, caracterizando um dos símbolos digitais transmitidos.

Sinais Analógicos — são ondas que apresentam infinitas variações contínuas de amplitude em um período de tempo.

3. Características Fundamentais dos Sinais

Amplitude — está relacionada com a potência do sinal e é geralmente medida em volts.
Em sinais digitais, a amplitude varia abruptamente de zero a um valor máximo, permanece nesse valor por um instante de tempo igual a T, volta abruptamente ao valor mínimo, onde permanece por um instante de tempo igual a T, retornando a zero em seguida.
Em sinais analógicos, a amplitude varia continuamente de zero a um valor máximo, retorna a zero, em seguida atinge um valor mínimo e retorna a zero novamente, obedecendo a um formato senoidal.

Frequência — é o número de vezes que o ciclo se repete no intervalo de 1 segundo. Representa a variação completa da amplitude do sinal. É obtida e medida em ciclos por segundo ou, normalmente, em Hertz (Hz).

Fase — está relacionada com o conceito de período. Um período é o tempo correspondente à duração de 1 ciclo do sinal. A fase representa o deslocamento do sinal dentro do seu período de tempo e a sua medida é fornecida em graus (0 a 360°).

Comprimento de Onda — é representado pela letra grega λ (Lambda) e diz respeito à distância entre dois pontos na mesma fase do sinal, em dois ciclos consecutivos.
(Quanto mais alta a frequência, menor é o comprimento de onda.)

Técnicas de Modulação

Transformam os sinais digitais em sinais que apresentam variações contínuas de amplitude.
Sinais Analógicos — podem ser amostrados, quantizados e codificados em sinais digitais.
A codificação de sinais pode ser obtida atribuindo-se 1 bit a cada nível de amplitude.
Codificação Dibit — transmite dois bits por nível; portanto, são necessários 4 níveis para representar todas as combinações possíveis: 00, 01, 10, 11.
Para codificar N bits em um nível de amplitude, são necessários 2^N níveis diferentes. No caso do Dibit, este é representado por 2² = 4 níveis.
Bauds — é conhecida também como Velocidade de Modulação e está relacionada com o número de variações possíveis da onda portadora no intervalo de 1 segundo, onde é encaixada a informação digital. Em um intervalo de tempo T, podem ocorrer diversas mudanças de sinal.

4. Perdas e Atenuações

Nenhum meio de transmissão é capaz de transmitir sinais sem que ocorram perdas durante o processo.
A perda de energia é a causa da redução na amplitude dos sinais componentes. As perdas causadas pelos meios de transmissão se estendem a todos os sinais componentes em diferentes proporções, provocando a distorção do sinal resultante transmitido.
Frequência x Ganho — é o resultado proporcional da perda para cada frequência do espectro, descrita por um gráfico. Cada meio físico possui um ganho real que pode ser quantificado. O próprio meio de transmissão atua como um filtro sobre os sinais que ali transitam.
As distorções aumentarão conforme o aumento de perdas nas frequências mais significativas do sinal original.
Filtros Passa-Faixa — são capazes de preservar uma determinada banda (com ganho aproximado igual a 1), enquanto sinais componentes de frequências exteriores a essa banda são praticamente eliminados durante a transmissão. A banda passante do meio físico é a faixa de frequências que permanece praticamente preservada pelo meio.

5. Distorções e Suas Fontes

São fatores que causam modificações nos sinais durante a transmissão.
Ruídos — causam a modificação de um sinal original, transmitido em um determinado meio físico, por conta de sinais indesejáveis, impostos pelo ambiente ou mesmo pelos componentes eletrônicos.
O ruído é medido em termos da razão entre a potência do sinal e a potência do ruído, denominado Razão Sinal-Ruído, tendo seu resultado obtido em decibéis (dB).
Os ruídos são classificados em 4 tipos:
Ruído Térmico — provocado pela agitação dos elétrons nos condutores, uniformemente distribuído em todas as frequências do espectro. Sua quantidade é uma função da temperatura.
Ruído de Intermodulação — a intermodulação pode causar a produção de sinais em uma faixa de frequências que poderão perturbar a transmissão de outro sinal naquela mesma faixa. É normalmente causado por componentes eletrônicos defeituosos ou sinais com potência muito alta.
Ruído Crosstalk — é um efeito de ruído provocado por semicondutores que estão muito próximos e induzem sinais entre si. Ocorre com maior frequência em linhas telefônicas (conhecido como linha cruzada).
Ruído Impulsivo — não é um ruído contínuo e consiste em pulsos irregulares de grandes amplitudes, sendo de difícil prevenção. Podem ser causados por distúrbios elétricos externos ou mau funcionamento em equipamentos.
Em transmissões analógicas, o ruído causa poucos danos. Em transmissões digitais, são a maior causa dos erros de comunicação.
Atenuação — é a degradação da potência de um sinal, conforme o aumento da distância. Ocorre em qualquer meio de comunicação e é representada por decibéis por unidade de comprimento. É causada pelo calor e pela radiação e, quanto maiores forem as frequências transmitidas, maiores serão as perdas.
Entretanto, a atenuação é um problema que pode ser facilmente contornado através da instalação de repetidores que podem regenerar completamente o sinal e reenviá-lo através do meio. Deve-se observar sempre os limites máximos de distância entre pontos, impostos pelo material dos componentes, para que a atenuação não ultrapasse um determinado valor máximo, tornando o sinal irrecuperável.
Ecos — causam efeitos similares aos ruídos. A cada mudança de impedância na linha de comunicação, os sinais serão refletidos e voltarão por essa mesma linha, corrompendo os sinais que estão sendo transmitidos. O problema do eco pode ser minimizado através da colocação de canceladores de eco onde a mudança de impedância é inevitável.
Impedância — é uma grandeza elétrica que indica a resistência de um material condutor à passagem de uma corrente alternada e tem como unidade de medida o Ohm (Ω)

6. Multiplexação e Frequência

Sempre que a banda passante do meio físico for maior ou igual à banda passante necessária para a transmissão de um sinal, é possível a utilização deste meio para a transmissão do sinal.

A técnica de multiplexação permite aproveitar a banda passante do meio físico para a transmissão de mais de um sinal ao mesmo tempo, no mesmo meio físico.
Canal — é o conjunto de segmentos, um em cada frame, identificado por uma posição fixa determinada dentro desses frames. Canais podem ser alocados a estações que desejam transmitir. Podem ser:
Chaveados — podem ser alocados e desalocados dinamicamente durante o funcionamento da rede.
Dedicados — possuem alocação fixa durante todo o tempo e é pré-estabelecido antes do funcionamento da rede.
Largura de Banda — é a diferença entre a maior e a menor frequência que compõem um sinal a ser transmitido.

Multiplexação por Frequência (FDM) — o espectro de frequências é dividido em faixas consecutivas denominadas Canais, nos quais os espectros dos sinais moduladores são acomodados.
Multiplexação por Divisão de Tempo (TDM) — os sinais a serem transmitidos ocupam a mesma frequência, porém, respeitando-se uma parcela de tempo que possibilita a distribuição de seu uso dentro do tempo, no mesmo canal. Podem ser:
Síncrona — o tempo é dividido em intervalos fixos de tamanho T, denominado Frame. Cada frame é subdividido em tamanhos menores, denominados Slots ou segmentos, onde os sinais são alocados.
Assíncrona — não existe alocação de canal nem estabelecimento de conexão. Parcelas de tempo são alocadas dinamicamente, de acordo com a demanda das estações. Desta forma, não há desperdício de capacidade, pois o tempo não utilizado está sempre disponível. Cada unidade de informação transmitida deve conter cabeçalhos com os endereços de origem e destino, diferentemente do TDM síncrono, onde cada canal já identifica o transmissor.
Multiplexação por Divisão de Onda (WDM) — cada canal multiplexado por frequência ou por tempo, com vários canais associados, pode ser transmitido por uma onda com um determinado comprimento, associado a uma coloração dentro do infravermelho. Esse canal comporta-se como uma onda portadora, com comprimento de onda diferente, podendo transmitir vários canais TDM ou FDM por comprimento de onda.

7. Modems (Moduladores / Demoduladores)

São equipamentos que realizam a modulação e demodulação de sinais.
A recuperação de um sinal é feita por um receptor que conheça a faixa de frequências que está sendo utilizada para essa transmissão. Dessa forma, o sinal demodulado pode, a seguir, ser filtrado para conter somente o original.
Técnicas de Modulação — envolvem o deslocamento do sinal original, de sua faixa original de frequência, para outra faixa. O valor desse deslocamento corresponde à frequência da onda portadora.
Modulação por Amplitude — a amplitude do sinal modulado varia de acordo com a amplitude do sinal que se quer modular.

Modulação por Frequência — a amplitude da portadora é mantida, variando-se apenas a frequência, de acordo com o sinal transmitido.

Modulação por Fase — a transmissão do sinal é identificada por modificações na fase da onda transmitida. A amplitude e a frequência da onda são mantidas.

8. Sistemas de Banda Larga e Banda Básica

Banda Básica (Baseband) — o sinal é transmitido sem nenhum tipo de modulação, aparecendo diretamente na rede e não como deslocamentos de frequência, fase ou amplitude de uma portadora de alta frequência. Em outras palavras, não há modulação do sinal. Por este motivo, é bastante adotada em redes locais e garante a transmissão de sinais em altas velocidades.
Na Baseband (banda básica), todo o espectro de frequência do meio é utilizado para produzir o sinal.
Banda Larga (Analógica / Broadband) — realiza a multiplexação por frequência, que divide o espectro de frequências do meio em vários canais, podendo suportar diferentes tráfegos, inclusive de sinais digitais.
Possui características de unidirecionalidade de sinais e necessita de amplificadores de sinais em determinadas distâncias. A central repetidora se encarrega de reutilizar os sinais recebidos das estações e enviá-los ao destino.
Nas redes em banda larga, cada canal pode ser utilizado para transportar qualquer tipo de sinal, como por exemplo, sinais digitais e analógicos, como vídeo e voz.
Os canais podem ser chaveados, dedicados ou ambos, do tipo ponto a ponto.
Canais Ponto a Ponto — podem ser simplex, half duplex ou full duplex e possuir uma porção da largura de banda do cabo, reservada exclusivamente para dois terminais, cada um acoplado ao cabo através de modems sintonizados na mesma frequência.
Um Canal Ponto a Ponto é dedicado quando é alocado à comunicação entre dois dispositivos, permanecendo a eles dedicado por todo o tempo.

9. PCM - Pulse Code Modulation

Definição de CODEC.
Codec (Coder/Decoder) — são dispositivos capazes de codificar informações analógicas em sinais digitais, através da utilização de técnicas PCM.
PCM — é uma técnica baseada na teoria de Nyquist, onde uma taxa de amostragem de 2W vezes por segundo é suficiente para recuperar o sinal original com banda passante de W Hertz. Os sinais são produzidos a partir de pulsos PAM (Pulse Amplitude Modulation), por meio de processos de quantização, onde cada uma das amostras PAM é aproximada a um inteiro de N bits.

10. Desempenho da Rede

Pode ser medido utilizando-se diferentes métricas. A mais simples e utilizada é a Taxa de Transmissão, que especifica o número de bits transmitidos por segundo (bps) ou o número de bytes transmitidos por segundo (Bps) em um canal de comunicação.

Bits

1 bps — 1 bit por segundo
1 Kbps — 1.000 bps
1 Mbps — 1.000.000 bps
1 Gbps — 1.000.000.000 bps
1 Tbps — 1.000.000.000.000 bps

Bytes

1 Bps — 8 bits por segundo
1 KBps — 8.000 bps
1 MBps — 8.000.000 bps
1 GBps — 1.000.000.000 bps
1 TBps — 1.000.000.000.000 bps

É importante diferenciar:

1 KBps representa a transmissão de 1.000 bytes por segundo (ou 8.000 bps), ou 10³.
1 KB representa 1.024 bytes ou 2¹⁰.

Então:
1 KB = 2¹⁰ — 1.024
1 MB = 2²⁰ — 1.048.576
1 GB = 2³⁰ — 1.073.741.824
Exemplo: Transmitir um arquivo de 1 MB através de uma conexão de 48 Kbps:
Tempo = 1 MB / 48 Kbps
Tempo = 1.048.576 bytes / 48.000 bps
Tempo = 8.388.608 bits / 48.000 bps
Tempo = 174 segundos ou 2,9 minutos
A taxa de transmissão é constante e sempre varia em função do tempo.