Camada Física
A camada física é o alicerce sobre o qual são construídas as redes de computadores, sendo responsável pela transmissão de bits por um canal de comunicação. Suas características determinam o desempenho da rede e é dela que se origina a definição de interfaces para o meio físico (como a elétrica e a de sincronização).
Sumário
Transmissão
A transmissão de informações pode ser feita partir da variação de propriedades físicas, tais como a corrente e a tensão. Sendo a análise de Fourier vital para a compreensão dos sinais trasmitidos, dado que frequências distintas são afetadas de modo diferente por um mesmo sinal.
Conceitos
- Banda Base: Intervalo entre zero e uma frequência máxima em que os sinais estão localizados.
- Banda Passante: Intervalo de frequência para o qual o sinal é deslocado para ser, de fato, transmitido.
- Largura de Banda: Faixa de frequência que é transmitida sem forte atenuação (redução de amplitude) em um meio. Essa propriedade do meio de transmissão é definida a partir de suas características físicas, tais como tamanho e espessura do fio.
- Filtros: Utilizados para reduzir a largura de banda, aumentando a eficiência e garantindo padrões para a transmissão.
Modos de Transmissão
- Paralela: Transmissão simultânea de vários bits através de várias linhas de comunicação.
- Serial: Transmissão bit a bit através de uma única linha de comunicação. Utilizada em redes de computadores.
Ritmos de Transmissão
- Síncrona: Possui cadência fixa para transmissão sequenciada dos bits, necessitando de sincronização entre o transmissor e o receptor.
- Assíncrona: O tempo de transmissão entre dois grupos de bits pode variar e não há necessidade de fixação prévia de padrão de tempo. São utilizados start bits e stop bits para delimitar as transmissões.
Modos de Operação
- Simplex: A comunicação se dá em uma única direção.
- Half-Duplex: A comunicação se dá em ambas as direções, mas não simultaneamente.
- Full-Duplex: A comunicação se dá em ambas as direções simultaneamente.
Taxa Máxima de Transmissão
A taxa máxima de transmissão em canais sem ruído e com largura de banda finita pode ser calculada através da equação de Nyquist. Essa equação define a taxa máxima como 2 H log2(L), onde H é a largura da banda e L é o número de níveis discretos do sinal.
De maneira análoga, a equação de Shannon descreve a taxa máxima de transmissão em canais com largura de banda finita e ruído aleatório. Essa equação define a taxa máxima como H log2(1 + (S/N)), onde H é a largura da banda e S/N é a proporção sinal/ruído. Para o cálculo dessa proporção, iguala-se o valor de decibéis a 10 log10(S/N) e, através de manipulações matemáticas, encontra-se a razão desejada.
Em ambos os casos, o valor resultante das equações encontra-se em bps (bits por segundo).
Meios de Transmissão
Pares Trançados
Os pares trançados são um tipo de meio guiado formado por fios de cobre de pequena espessura, encapados e enrolados de maneira helicoidal para minimizar a interferência entre si. São leves, de fácil manuseio, de fácil instalação e tem baixo custo. Além disso, não precisam ser aterrados, porém, tem limitações referentes à distância e à interferência eletromagnética. Os pares trançados são geralmente utilizados no sistema telefônico.
Cabos Coaxiais
Os cabos coaxiais são um tipo de meio guiado formado quatro camadas: núcleo de cobre, material isolante, condutor externo em malha e capa plástica protetora. Apesar do custo mais elevado que os pares trançados, da necessidade de aterramento e da difícil instalação, esse tipo de meio apresenta uma resistência considerável à interferência eletromagnética e alcança maiores distâncias. Os cabos coaxiais são geralmente utilizados para televisão a cabo.
Fibra Ótica
A fibra ótica é a tecnologia mais recente dos meios guiados, podendo ser de modo único ou multimodo. Com elevado custo e dificuldades de manuseio e instalação, esse tipo de meio guiado apresenta longo alcance, baixa perda, banda passante quase infinita e imunidade a ruídos e interferência eletromagnética.
Sem Fio
As transmissões sem fio são feitas através de meios não-guiados e se popularizaram bastante na última década. A fácil instalação dos meios não-guiados é a principal vantagem desse tipo de transmissão. Entretanto, a constante presença de interferência tornou necessária a criação de uma política para divisão do espectro eletromagnético. Existem várias formas de transmissão sem fio (como rádio e infravermelho), cada uma com tecnologias e alcances distintos.
Codificação
No contexto das redes de computadores, a codificação é o processo de conversão de corrente elétrica para informação digital e vice-versa. Existem diversas estratégias utilizadas para essa tarefa, porém, é comum que os esquemas de conversão bit-sinal mais complexos garantam mais vantagens.
- Codificação Polar: Tensão negativa representa o bit 0 e tensão positiva representa o bit 1.
- Codificação Unipolar: Tensão neutra representa o bit 0 e tensão positiva representa o bit 1.
- Codificação Bipolar: Tensão neutra representa o bit 0 e tensões positivas ou negativas representam o bit 1.
- Codificação Manchester: Mudança de tensão "positiva para negativa" representa o bit 0 e mudança de tensão "negativa para positiva" representa o bit 1.
Multiplexação
O processo de compartilhamento de um mesmo canal por vários sinais é chamado de multiplexação. Em geral, a banda passante necessária para transmitir um sinal é menor do que a banda passante dos meios físicos. Mesmo quando isso não ocorre, o compartilhamento do canal permite aproveitar a banda passante não utilizada para trasmissão de outros sinais.
Divisão por Frequência
A multiplexação por divisão de frequência (Frequency Division Multiplexing ou FDM) divide o espectro de frequência em várias faixas que serão ocupadas por sinais distintos. Entre essas faixas, adiciona-se faixas "vazias" (chamadas de bandas de proteção) que visam impedir a sobreposição de sinais mesmo em um meio com ruído.
No transmissor, os sinais são filtrados para preservar a faixa relativa à banda passante de cada um e, em seguida, deslocados para que ocupem faixas disjuntas. Consequentemente, o receptor precisará conhecer a faixa de frequência do sinal e o deslocamento dele em relação à faixa original, assim será possível realizar a filtragem para reconstituir o sinal original.
Divisão por Tempo
A multiplexação por divisão de tempo (Time Division Multiplexing ou TDM) cria um sistema de rodízio entre os sinais. Desse modo, cada usuário utiliza toda a largura de banda disponível por um curto período de tempo de cada rodada.
Seu uso ocorre principalmente quando não se tem capacidade de transmissão que supra a capacidade de geração de sinais dos equipamentos conectados. Além disso, esse tipo de multiplexação pode ser síncrona, criando intervalos que são preenchidos pelos sinais, ou assíncrona, cuja implementação é mais complexa, mas elimina desperdícios.
Modulação
O processo de alteração das características de um sinal a ser transmitido é chamado de modulação. Esse termo geralmente se refere ao deslocamento do sinal original para uma nova faixa de frequência. Pode ser por amplitude (AM), por frequência (FM) ou por fase (PM).
Na modulação, o sinal original (chamado de sinal modulador) é alterado por uma onda básica gerada pelo modem com esse propósito específico (chamada de onda portadora). O sinal resultante (chamado de onda modular) será transmitido e precisará ser "descontruído" pelo receptor para que se alcance o sinal modulador novamente.
A modulação digital traz diversas vantagens sobre a analógica, especialmente na recuperação do sinal original, visto que evita o acúmulo de ruídos e distorções. Porém, necessita de mais largura de banda que os métodos analógicos correspondentes.