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GIL PINHEIRO 1
Modelo OSI - A Camada Física
Prof. Gil Pinheiro
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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)
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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
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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)
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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)
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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)
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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
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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
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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
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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)
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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
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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.
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GIL PINHEIRO 13
Cabo Coaxial
Cabo coaxial de
50 ohms (RG-58) Conectores BNC,
de 50 ohms
Derivação de rede
utilizando conector
BNC-T
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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)
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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)
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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
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GIL PINHEIRO 17
Fibra Óptica
Multimodo com
índice de refração
em degrau
Multimodo com
índice de refração
gradual (melhor
que a multimodo)
Monomodo
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GIL PINHEIRO 18
Conectores de Fibra Óptica
Os conectores mais
utilizados na área de
automação são o ST e SC
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GIL PINHEIRO 19
Fibra Óptica
Fibra óptica de 50 um, com
conector SC, com luz laser Fibra óptica sem luz
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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GIL PINHEIRO 26
Canais Full-Duplex
• Canais Full-Duplex permitem a
comunicação em ambos os sentidos de
um canal simultaneamente.
• Exemplos: telefones celulares.
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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
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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
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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
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GIL PINHEIRO 30
A Interface Serial Assíncrona
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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
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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
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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
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GIL PINHEIRO 34
Topologias de Rede
Rede em Anel Rede em Estrela
Rede em Barra
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GIL PINHEIRO 35
Rede em
Árvore
Topologias de Rede
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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
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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
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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)
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GIL PINHEIRO 39
Estrela Anel Barra
Requisitos de cabeamento + ++ +++
Facilidade de Configuração + ++ +++
Custo de implantação + ++ +++
Redundância +++ ++ +
Troughput +++ ++ +
Comparação das Topologias