Transmissão de dados

Representação dos dados

O objectivo de uma rede é transmitir informações de um computador para outro. Para isto, é necessário inicialmente decidir o tipo de codificação do dado a enviar, ou seja, a sua representação informática. Esta será diferente de acordo com o tipo de dado, porque pode tratar-se de:

Dados sonoros
Dados textuais
Dados gráficos
Dados vídeo

A representação destes dados pode dividir-se em duas categorias:

Uma representação numérica: ou seja a codificação da informação num conjunto de valores binários, ou seja uma sequência de 0 e 1
Uma representação analógica : ou seja que o dado será representado pela variação de uma grandeza física contínua

Suporte de transmissão dos dados

De modo a que transmissão de dados possa estabelecer-se, deve existir uma linha de transmissão, chamada também via de transmissão ou canal, entre as duas máquinas.

Estas vias de transmissão são constituídas por vários troços que permitem fazer circular os dados sob a forma de ondas electromagnéticas, eléctricas, luminosas ou mesmas acústicas. Temos então um fenómeno vibratório que se propaga no suporte físico.

Codificação dos sinais de transmissão

De modo a haver uma troca de dados, uma codificação dos sinais de transmissão deve ser escolhida, esta depende essencialmente do suporte físico utilizado para transferir os dados, bem como a garantia da integridade dos dados e a velocidade de transmissão.

Transmissão simultânea de dados

A transmissão de dados é “simples” quando só duas máquinas estão em comunicação, ou quando se envia um só dado. No caso contrário, é necessário instalar várias linhas de transmissão ou partilhar a linha entre os diferentes actores da comunicação. Esta partilha chama-se multiplexagem…

Protocolos de comunicação

Um protocolo é uma linguagem comum utilizada pelo conjunto dos actores da comunicação para trocar dados. Contudo, o seu papel não acaba aqui. Um protocolo permite também :

A iniciação da comunicação
A troca de dados
O controlo de erro
Um fim de comunicação “cortês”

Transmissão de dados - A ligação física

Transmissão de dados

O que é uma linha de transmissão ?

Uma linha de transmissão é uma ligação entre duas máquinas. Designa-se geralmente pelo termo emissor a máquina que envia os dados e por receptor a que os recebe. As máquinas podem às vezes ser cada uma por sua vez receptora ou emissora (é geralmente o caso dos computadores ligados em rede).

A linha de transmissão, chamada também, às vezes, canal de transmissão ou via de transmissão, não é necessariamente constituída por um só suporte físico de transmissão, é por isso que as máquinas de extremidades (por oposição às máquinas intermédias), chamadas ETTD (equipamento terminal de tratamento de dados, ou em inglês DTE, Data Terminal Equipment) possuem cada uma um equipamento relativo ao suporte físico ao qual estão ligadas, chamado ETCD (equipamento terminal de circuito de dados, ou em inglês DCE, Data Communication Equipment).

Noções sobre as ondas electromagnéticas

A transmissão de dados num suporte físico faz-se por propagação de um fenómeno vibratório. Resulta daí um sinal ondulatório dependente da grandeza física que fazemos variar :

no caso da luz, trata-se de uma onda luminosa
no caso do som, trata-se de uma onda acústica
no caso da tensão ou da intensidade de uma corrente eléctrica, trata-se de uma onda eléctrica

As ondas electromagnéticas são caracterizadas pela sua frequência, a sua amplitude e a sua fase.

Tipos de suportes físicos

Os suportes físicos de transmissões são os elementos que permitem fazer circular as informações entre os equipamentos de transmissão. Classifica-se geralmente estes apoios em três categorias, de acordo com o tipo de grandeza física que permitem fazer circular, ou seja, com a sua constituição física:

Os suportes telegráficos permitem fazer circular uma grandeza eléctrica num cabo geralmente metálico
Os suportes aéreos designam o ar ou o vazio, permitem a circulação de ondas electromagnéticas ou radioeléctricas diversas
Os suportes ópticos permitem encaminhar informações sob forma luminosa

De acordo com o tipo de suportes físico, a grandeza física tem uma velocidade de propagação mais ou menos rápida (por exemplo, o som propaga-se no ar a uma velocidade de aproximadamente 300 m/s enquanto que a luz tem uma velocidade próxima dos 300.000 km/s).

Perturbações

A transmissão de dados numa linha não se faz sem perdas. Em primeiro lugar, o tempo de transmissão não é imediato, o que impõe uma certa “sincronização” dos dados durante a recepção.
Por outro lado, podem aparecer parasitas ou degradações do sinal.

Os parasitas (frequentemente chamados barulho) são o conjunto das perturbações que alteram localmente a forma do sinal. Distinguem-se geralmente três tipos de barulho :

O barulho branco é uma perturbação uniforme do sinal, ou seja, acrescenta ao sinal uma pequena amplitude cuja média no sinal é nula. O barulho branco caracteriza-se geralmente por um rácio chamado relatório sinal/barulho, que traduz a percentagem de amplitude do sinal em relação ao barulho (a sua unidade é o decibel). Este deve ser o mais elevado possível.
Os barulhos impulsivos são pequenos surtos de intensidade que provocam erros de transmissão.

O enfraquecimento do sinal representa a perda de sinal em energia dissipada na linha. O enfraquecimento traduz-se por um sinal de saída mais fraco que o sinal de entrada e carateriza-se pelo valor :

A = 20 log  (Nível do sinal em saída/Nível do sinal em entrada)

O enfraquecimento é proporcional ao comprimento da via de transmissão e à frequência do sinal.

A distorção do sinal caracteriza o desfasamento entre o sinal em entrada e o sinal em saída.

Banda concorrida e capacidade

A banda concorrida (em inglês bandwidth) de uma via de transmissão é o intervalo de frequência no qual o sinal não sofre um enfraquecimento superior a um certo valor (geralmente 3 dB, porque 3 decibéis correspondem a um enfraquecimento do sinal de 50%).

Uma linha de telefone tem, por exemplo, uma banda concorrida compreendida entre 300 e 3400 Hertz para uma taxa de enfraquecimento igual a 3 dB.

A capacidade de uma via é a quantidade de informações (em bits) que pode ser transmitida na via em 1 segundo.
A capacidade caracteriza-se da maneira seguinte :

C = W log2 (1 + S/N)

C capacidade (em bps)
W a largura de banda (em Hz)
S/N representa o relatório sinal sobre barulho da via.

Upload et download

Chama-se download ao telecarregamento em modo descendente (do servidor para o seu computador) e chama-se upload ao telecarregamento em modo ascendente (do seu computador para o servidor). É interessante saber que o upload e o download se fazem em canais de transmissões separados (quer seja num modem ou numa linha especializada). Assim, quando envia um documento (upload) não perde banda concorrida em download!

Transmissão de dados - Os modos de transmissão

Os modos de transmissão

Para uma transmissão dada numa via de comunicação entre duas máquinas, a comunicação pode efectuar-se de diferentes maneiras. A transmissão define-se por:

sentido das trocas
modo de transmissão: trata-se do número de bits enviadas simultaneamente
sincronização: trata-se da sincronização entre emissor e receptor

Ligações simplex, half-duplex e full-duplex

De acordo com o sentido das trocas, distinguem-se 3 modos de transmissão :

A ligação simplex caracteriza uma ligação na qual os dados circulam num só um sentido, ou seja do emissor para o receptor. Este tipo de ligação é útil quando os dados não têm necessidade de circular nos dois sentidos (por exemplo, do seu computador para a impressora ou do rato para o computador…).
A ligação half-duplex (às vezes chamada ligação de alternância ou semi-duplex) caracteriza uma ligação na qual os dados circulam num sentido ou no outro, mas não os dois simultaneamente. Assim, com este tipo de ligação, cada extremidade da ligação emite por sua vez. Este tipo de ligação permite ter uma ligação bidirectiva que utiliza a capacidade total da linha

A ligação full-duplex (chamada também duplex integral) caracteriza uma ligação na qual os dados circulam de maneira bidirectiva e simultaneamente. Assim, cada extremidade da linha pode emitir e receber ao mesmo tempo, o que significa que a banda concorrida está dividida por dois para cada sentido de emissão dos dados, se um mesmo suporte de transmissão for utilizado para as duas transmissões.

Transmissão série e paralela

O modo de transmissão designa o número de unidades elementares de informações (bits) que podem ser transmitidas simultaneamente pelo canal de comunicação. Com efeito, um processador (por conseguinte, o computador em geral) nunca trata (no caso dos processadores recentes) só uma bit de cada vez, permite geralmente tratar vários (na maior parte do tempo 8, ou seja um byte), é a razão pela qual a ligação básica num computador é uma ligação paralela.

Ligação paralela

Designa-se por ligação paralela a transmissão simultânea de N bits. Estas bits são enviadas simultaneamente para N vias diferentes (uma via é, por exemplo, um fio, um cabo ou qualquer outro suporte físico). A ligação paralela dos computadores de tipo PC necessita geralmente 10 fios.

Estas vias podem ser :

N linhas físicas: neste caso, cada bit é enviada para uma linha física (é a razão pela qual os cabos paralelos são compostos de vários fios em cobertura)
uma linha física dividida em vários sub-canais por partilha da banda concorrida. Assim, cada bit é transmitida numa frequência diferente…

Dado que os fios condutores estão próximos numa cobertura, existem perturbações (nomeadamente a elevado débito) que degradam a qualidade do sinal…

Ligação em série

Numa ligação em série, os dados são enviados bit a bit na via de transmissão. Contudo, já que a maior parte dos processadores trata as informações de maneira paralela, trata-se de transformar dados que chegam de maneira paralela em dados em série a nível do emissor, e contrariamente a nível do receptor.

Estas operações são realizadas graças a um controlador de comunicação (na maior parte do tempo
, um chip UART, Universal Asynchronous Receiver Transmitter). O controlador de comunicação funciona da maneira seguinte:

A transformação paralelo-série faz-se graças a um registo de desfasamento. O registo de desfasamento permite, graças a um relógio, deslocar o registo (o conjunto dos dados presentes em paralelo) para uma posição à esquerda, e seguidamente emitir a bit de peso forte (a mais à esquerda) e assim sucessivamente.

A transformação série-paralelo faz-se quase da mesma maneira graças ao registo de desfasamento. O registo de desfasamento permite deslocar o registo de uma posição para a esquerda a cada recepção de uma bit, e seguidamente emitir a totalidade do registo em paralelo quando este está cheio e assim sucessivamente.

Transmissão síncrona e assíncrona

Dados os problemas que coloca a ligação de tipo paralela, é a ligação série que é mais utilizada. Contudo, dado que só um fio transporta a informação, existe um problema de sincronização entre o emissor e o receptor, ou seja, o receptor não pode a priori distinguir os caracteres (ou mesmo, de maneira mais geral, as sequências de bits) porque as bits são enviadas sucessivamente. Existem então dois tipos de transmissão que permitem remediar este problema :

A ligação assíncrona, na qual cada carácter é emitido de maneira irregular no tempo (por exemplo, um utilizador que envia em tempo real caracteres introduzidos no teclado). Assim, imaginemos que só uma bit é transmitida durante um longo período de silêncio… o receptor não poderia saber se se trata de 00010000, ou 10000000 begin_of_the_skype_highlighting 10000000 end_of_the_skype_highlighting ou ainda 00000100…

Para remediar este problema, cada carácter é precedido de uma informação que indica o início da transmissão do carácter (a informação de início de emissão chama-se bit START) e termina com o envio de uma informação de fim de transmissão (chamada bit STOP, pode eventualmente haver várias bits STOPS).

A ligação sincrónica, na qual emissor e receptor são sincronizados pelo mesmo relógio. O receptor recebe continuamente (mesmo quando nenhuma bit é transmitida) as informações ao ritmo em que o emissor as envia. É por isso é necessário que emissor e receptor estejam sincrfonizados à mesma velocidade. Além disso, informações suplementares são inseridas para garantir a ausência de erros aquando da transmissão.

Aquando de uma transmissão sincrónica, as bits são enviadas de maneira sucessiva sem separação entre cada carácter, é por conseguinte necessário inserir elementos de sincronização, fala-se então de sincronização ao nível carácter.

O principal inconveniente da transmissão sincrónica é o reconhecimento das informações a nível do receptor, porque podem existir diferenças entre os relógios do emissor e o receptor. É por isso que cada envio de dados deve fazer-se num período bastante longo de modo a que o receptor o distinga. Assim, a velocidade de transmissão não pode ser muito elevada numa ligação sincrónica.

O princípio da transmissão analógica

A transmissão analógica de dados consiste em fazer circular informações num suporte físico de transmissão sob a forma de onda. A transmissão dos dados faz-se através de uma onda portadora, uma onda simples cujo único objectivo é transportar os dados por modificação de uma destas características (amplitude, frequência ou fase), é a razão pela qual a transmissão analógica é geralmente chamada transmissão por modulação de onda portadora. De acordo com o parâmetro da onda portadora que fazemos variar, distinguir-se-á três tipos de transmissões analógicas:

A transmissão por modulação de amplitude do portador
A transmissão por modulação de frequência do portador
A transmissão por modulação de fase do portador

A transmissão analógica de dados analógicos

Este tipo de transmissão designa um esquema no qual os dados a transmitir são directamente na forma analógica. Assim, para transmitir este sinal, o ETCD deve efectuar uma convolução contínua de sinal a transmitir e da onda portadora, ou seja, a onda que vai transmitir vai ser uma associação da onda portadora com o sinal a transmitir.

A transmissão analógica de dados numéricos

Quando os dados numéricos apareceram, os sistemas de transmissão eram ainda analógicos, por conseguinte foi necessário encontrar um meio para transmitir dados numéricos de maneira analógica.

A solução para este problema foi o modem. O seu papel é:

durante a emissão: converter dados numéricos (um conjunto de 0 e 1) em sinais analógicos (a variação contínua de um fenómeno físico). Chama-se a este método "modulação".
durante a recepção: converter o sinal analógico em dados numéricos. Este método chama-se "desmodulação".

É por isso que modem é, na realidade, o acrónimo de Modulador/Desmodulador…

Introdução à transmissão numérica

A transmissão numérica consiste em fazer transitar as informações no suporte físico de comunicação sob a forma de sinais numéricos. Assim, os dados analógicos deverão de antemão ser digitalizados antes de serem transmitidos.

Contudo, as informações numéricas não podem circular sob a forma de 0 e de 1 directamente, por isso temos de codificá-los sob a forma de um sinal que possui dois estados, por exemplo :

dois níveis de tensão em relação à massa
a diferença de tensão entre dois fios
a presença/ausência de corrente num fio
a presença/ausência de luz

Esta transformação da informação binária sob a forma de um sinal de dois estados é realizada pelo ETCD, chamado também codificador banda de base, daí a denominação de transmissão em banda básica para designar a transmissão numérica.

Codificação dos sinais

De modo a que a transmissão seja óptima, é necessário que o sinal seja codificado de forma a facilitar a sua transmissão no suporte físico. Existem para isso diferentes sistemas de codificação que podem classificar-se em duas categorias:

A codificação a dois níveis: o sinal pode tomar unicamente um valor estritamente negativo ou estritamente positivo (- X ou +X, representando X um valor da grandeza física que permite transportar o sinal)
A codificação a três níveis: o sinal pode tomar um valor estritamente negativo, nulo ou estritamente positivo (- X, 0 ou +X)

Codificação NRZ

A codificação NRZ (que significa No Return to Zero, ou seja, não Regresso a Zero) é o primeiro sistema de codificação, pois é mais simples. Consiste muito simplesmente em transformar o 0 em - X e o 1 em +X, desta maneira tem-se uma codificação bipolar na qual o sinal nunca é nulo. Por conseguinte, o receptor pode determinar a presença ou não de um sinal.

Codificação NRZI

A codificação NRZI é sensivelmente diferente da codificação NRZ. Com esta codificação, quando a bit é de 1, o sinal muda de estado após o toque do relógio. Quando a bit é de 0, o sinal não sofre nenhuma mudança de estado.

A codificação NRZI possui numerosas vantagens, entre as quais:

A detecção da presença ou não do sinal
A necessidade de uma fraca corrente de transmissão do sinal

Em contrapartida, possui um defeito: a presença de uma corrente contínua aquando de uma sequência de zero, obstruindo a sincronização entre emissor e receptor.

Codificação Manchester

A codificação Manchester, igualmente chamada codificação bifásica ou PE (Phase Encode), introduz uma transição no meio de cada intervalo. Consiste com efeito em fazer um OU exclusivo (XOR) entre o sinal e o sinal de relógio, o que se traduz numa frente ascendente quando a bit está a zero, uma frente descendente no caso contrário.

A codificação Manchester possui numerosas vantagens, entre as quais:

a não passagem por zero, tornando possível a detecção de um sinal pelo receptor
um espectro que ocupa uma banda larga

Codificação Delay Mode (de Miller)

A codificação Delay Mode, também chamada código de Miller, é parecida com a codificação de Manchester, com a diferença de que uma transição aparece no meio do intervalo unicamente quando a bit é de 1, o que permite maiores débitos.

Codificação bipolar simples

A codificação bipolar simples é uma codificação em três níveis. Propõe por conseguinte três estados da grandeza transportada no suporte físico:

O valor 0 quando a bit é de 0
Alternativamente X e - X quando a bit é de 1

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terça-feira, 2 de novembro de 2010