Seção: Tutoriais Banda Larga

 

Câmeras IP I: Comunicações

 

Para entender o funcionamento pleno das redes de comunicação é necessário compreender o papel que cada componente de um sistema de comunicação exerce.

 

O objetivo de um sistema de comunicação é transmitir a informação da fonte (ou origem) até o usuário (ou destino, destinatário). A forma de onda no receptor é desconhecida até que ela seja recebida por ele, ou seja, a transmissão de uma informação é na verdade o envio de mensagens que, a princípio, são desconhecidas pelo receptor.

 

O modelo genérico de uma rede de comunicação é representado de acordo com a figura 01, ilustrada abaixo. Vê-se, como já foi previamente citado, que há a fonte, que têm a informação que será enviada, o transmissor, que transmite a informação no sistema, o canal de comunicação, por onde a informação trafega, o receptor dessa informação, e o destinatário, ponto final da informação neste trecho de comunicação. (DANTAS, 2002)

 

Figura 1: Modelo Genérico de Comunicação

Fonte: o autor

 

O transmissor é o responsável pela adequação do sinal às características do canal escolhido, visando a recuperação do mesmo no destino. Já o receptor deve detectar o sinal recebido e adequá-lo a um formato reconhecido pelo destino. O canal representa o meio físico que é usado no transporte da informação, e pode ser, por exemplo, um cabo de par trançado (blindado ou não), cabo coaxial, cabos ópticos, guias de onda, a própria atmosfera, o vácuo, entre outros. Cada canal possui características de transmissão e suscetibilidade a interferências que necessitam ser adequadas para que a informação possa ser transportada. Como resultado dos efeitos do canal, a informação recebida sempre será diferente da informação transmitida.

 

Interferências

 

Os canais de transmissão estão sujeitos a diversos fenômenos que podem degradar o sinal transmitido como a distorção de retardo, de atenuação, distorção harmônica, distorção característica, ruídos, diafonia, eco, phase jitter e drop-out (MF101 Furukawa). Esses fenômenos são brevemente descritos a seguir:

  • Distorção de Retardo: ocorre quando, num canal, a fase do sinal não varia de forma linear com a frequência, fazendo com que várias componentes de frequência sejam transmitidas em tempos diferentes. Quando o pulso for recebido e interpretado, estará comprometido.
  • Distorção de Atenuação: ocorre quando há atenuação seletiva das componentes de frequência de um sinal. Quando num sinal ocorre a atenuação demasiada de frequências baixas ou altas, o sinal torna-se deformado.
  • Distorção Harmônica: acontece devido ao sinal ser amplificado e, por falha de projeto, a intensidade de entrada for excessiva. Há uma excursão pelas regiões não-lineares da curva de transferência e filtragem.
  • Distorção Característica: causada pelos limites de largura de banda do canal, alonga os pulsos, causando um espalhamento no tempo que interfere nos símbolos adjacentes do sinal.
  • Ruído: perturbação elétrica aleatória. Pode ser térmico ou impulsivo: o primeiro ocorre devido ao movimento térmico dos elétrons, proporcional à temperatura e à banda passante; o segundo representa perturbações repentinas e esporádicas que podem ter causas diversas, como descargas atmosféricas, explosões, ignições e proximidade à reatores ou motores elétricos.
  • Diafonia: ocorre quando dois sinais (ou mais) distintos interferem entre si por estarem em canais de transmissão fisicamente próximos.
  • Eco: reflexão de parte do sinal geralmente devido a variações de impedância.
  • Jitter de Fase: variação instantânea da fase que ocorre quando a curva do sinal transmitido passa por “zero”.
  • Drop-Out: perda momentânea da portadora de um sinal.

 

Estas interferências que podem atingir a transmissão do sinal são problemáticas, pois limitam o desempenho do sistema de comunicação alterando as características do sinal transmitido a ponto até de que o mesmo não seja mais reconhecido ao chegar em seu receptor. Visando diminuir a interferência pode-se utilizar, por exemplo, cabeamento blindado, onde a cobertura metálica (em folha ou malha) é sobreposta ao cabo e aterrada, drenando o ruído que atingiria os cabos internos, seguindo o princípio da gaiola de Faraday.

 

Descrição: Figura2 - Representação com Ruído.jpg

Figura 2: Transmissão com Ruído

Fonte: o autor

 

Da mesma forma que a interferência pode atingir cabos par-metálicos, pode causar perda e/ou distorção de sinal em sistemas sem fio. Nos sistemas wireless, a interferência pode ser causada por outros sinais de mesma frequência vindos de uma enorme quantidade de equipamentos “concorrentes”, incluindo até mesmo os aparelhos de micro-ondas domésticos. Estas interferências eletromagnéticas são ainda mais críticas quando em ambientes industriais, onde geralmente estão concentradas enormes quantidades de motores e equipamentos que geram interferências fortes e funcionam usualmente 24 horas por dia.

 

Quando as interferências eletromagnéticas são críticas e não podem ser eliminadas, utiliza-se a fibra óptica como canal de transmissão que, por transmitir luz e não sinal elétrico é imune a quaisquer interferências como as citadas acima.

 

Neste trabalho, será focado principalmente o papel do Canal de Comunicação num link de câmeras IP, onde serão comparadas as características técnicas nominais de cada um dos sistemas propostos e as características medidas in loco com os sistemas implantados. Contudo, para que a informação do canal de comunicação possa ser entendida satisfatoriamente, torna-se necessário comentar-se à respeito das informações pertinentes à transmissão dessa informação, como os tipos de sinais, largura de banda, taxa de transmissão, capacidade de canal, entre outros.

 

Tipos de Sinais

 

A forma mais comum para a transmissão de informação é o próprio som que, irradiado pelo ar, atinge seu receptor. Na comunicação em redes de computadores, o meio de transmissão mais utilizado é o cabo metálico, por onde um sinal elétrico (em pulsos) que transporta a informação se propaga. Os sinais eletromagnéticos também podem transmitir informação, utilizando como canal de transmissão o próprio ar através de rádio, micro-ondas, satélite, e outros. Este sinal que carrega a informação pode ser de duas formas: analógico e digital. (SOUSA, 2004)

 

O sinal analógico é o que varia continuamente ao longo do tempo. Dados como áudio e vídeo, que originalmente são provenientes de sensores analógicos e convertidos em digital posteriormente, são analógicos, pois variam ao longo do tempo com formas e amplitudes características. A forma de onda dos sinais analógicos é uma função do tempo que tem uma escala contínua de valores, por exemplo: a voz humana captada por um microfone, como exemplo da figura abaixo (figura 03). Ou seja: num determinado instante de tempo há uma infinidade de valores possíveis para aquele ponto da onda.

 

Figura 3: Representação de um Sinal de Voz

Fonte: o autor

 

Com um pequeno sinal, mesmo sem compactação, ou modulação, é possível transmitir uma gama enorme de informações. Entretanto, como o foco deste estudo é o canal de comunicação, há mais contras do que prós quando tratamos de sinais analógicos.

 

Ao transmitir um sinal analógico, seja por qualquer meio de transmissão, o mesmo sofre atenuações e interferências durante seu percurso do emissor ao receptor. Neste trecho o sinal todo pode ser atenuado ou apenas algumas partes podem ser danificadas. O problema está na reconstituição deste sinal pelo receptor, pois, em vista dos inúmeros níveis possíveis da curva da onda naquele instante de tempo onde houve a variação do sinal, o receptor pode reconstruir a curva utilizando vários métodos, mas não há garantias de que o sinal reconstituído seja igual ao que foi transmitido originalmente.

 

Um sistema de fácil identificação que demonstra isso é o sistema em broadcasting de televisão analógica: durante o percurso do emissor até a antena conectada ao aparelho que reconstrói a imagem a partir do sinal captado há geralmente uma distância grande e repleta de interferências e obstáculos. O que ocorre então são os conhecidos “chuviscos” e as perceptíveis diferenças de qualidade de imagem entre canais diferentes, televisores distintos, clima, dependendo da qualidade de recepção do sinal.

 

Já um sinal digital é uma função do tempo com um conjunto discreto de valores, ou seja, se o sinal digital é do tipo binário, apenas dois valores são possíveis. Os sinais digitais são produzidos por equipamentos de processamento de dados ou por conversores que digitalizam informações analógicas. Se os dados consistirem de texto alfanumérico, serão caracteres codificados com um dos vários formatos-padrão existentes, como exemplo o ASCII, o EBCDIC, o Baudot e o Hollerith. O material textual é então transformado em um formato digital para que possa ser processado por um sistema digital. Um exemplo simples de informação digital é um trem de pulsos quadrados de amplitudes 0 e 1 (em Volts); conforme ilustra a figura 04, abaixo:

 

Figura 4: Representação de um Sinal Digital

Fonte: o autor

 

Este tipo de sinal, embora originalmente carregue uma quantidade inferior de informação, já que cada nível representa apenas um bit, pode ser conciliado com modulações variadas que aumentam muito a capacidade de informação no trem de bits, e com uma enorme vantagem: a reconstituição do sinal é fácil. Utilizando o mesmo exemplo citado para o sinal analógico pode-se notar facilmente os ganhos trazidos pelo sinal digital quando comparamos um sistema broadcasting de televisão digital e analógico. No sistema digital de televisão broadcasting não há “chuviscos” ou diferenças de imagem, independente do clima, dos obstáculos, da interferência, ou do nível de sinal que chega ao receptor. Obviamente há uma amplitude mínima de sinal que deve ser obedecida para que o sinal original possa ser reconstruído, mas há uma facilidade imensa em fazê-lo já que num determinado instante há níveis discretos e conhecidos pelo receptor que o sinal deveria obter.

 

Supondo que num sistema binário o sinal foi emitido com os bits 0 e 1, porém, após passar por interferências, o sinal recebido foi 0,24 e 0,9. Facilmente nota-se que o primeiro bit foi 0 (zero) e o segundo foi um bit 1, pois foram os valores pré-determinados para cada bit de informação mas foram recebidos após sofrerem atenuações.

 

Seja utilizando o sinal analógico ou o sinal digital o sistema de comunicação deve manter a forma de onda original ou garantir que esta possa ser recuperada pelo receptor. Assim, as técnicas de transmissão e codificação, aliadas à escolha do canal apropriado, são fatores de sucesso da transmissão.

 

Largura de Banda e Taxa de Transmissão

 

É necessário o bom entendimento de cada uma destas expressões devido à limitação existente no canal de comunicação (ou meio físico) envolvido na transmissão, ponto principal deste trabalho.

 

Num sinal analógico fundamental, descrito por uma onda senoidal, representa-se a variação de amplitude com uma determinada frequência ao longo do tempo. No caso da senoide, há 3 parâmetros principais: a amplitude, que está relacionada ao valor absoluto que o sinal atinge ao longo de sua onda, a fase, que representa a posição da onda deste sinal no instante t=0s (zero segundos), e a frequência que, segundo o IEEE, é definida como número completo de variações dos ciclos de uma senoide por unidade de tempo, medida em Hertz, de acordo com o SI. (DANTAS, 2002)

 

Descrição: Representação de onda senoidal.jpg

 

Figura 5: Modelo de Onda Senoidal

Fonte: o autor

 

Como exemplo de sinal analógico descrito por um conjunto de senoides, podemos citar o som, formado por senoides com frequências diferentes. Admite-se que o ouvido humano percebe frequências entre 20Hz e 20.000Hz, sendo que as mais perceptíveis são as frequências baixas (sons graves). No entanto, é raro para que um ser humano emita ou perceba sons que atinjam estes extremos de frequência. Então, para uma comunicação de voz, o range de frequências de 300Hz a 3400Hz permite que uma conversação transmitida seja satisfatoriamente compreendida por seu ouvinte destinatário. Esta é a faixa de frequência utilizada na telefonia.

 

Descrição: Representação de onda senoidal com frequências diferentes.jpg

Figura 6: Modelo de Onda Senoidal com Frequências Diferentes

Fonte: o autor

 

Foi o matemático francês Joseph Fourier que desenvolveu a ideia de que um conjunto de frequências pode representar uma informação. Ele desenvolveu uma teoria que permitia representar um sinal qualquer como uma soma de sinais com frequências, fases e amplitudes diferentes. Este conjunto de senoides, chamado de espectro de sinal, teve então sua representação conhecida como Teorema de Fourier. Com ela, pode-se analisar a transmissão de um sinal por meio da transmissão de cada um de seus componentes senoidais, ou seja, para que o sinal recebido seja igual ao transmitido, nenhum dos componentes emitidos poderão ser alterados até a recepção. Desta forma, a frequência tornou-se o principal parâmetro que determina a característica de interação entre o meio de transmissão (ou canal) e o sinal transmitido.

 

Matematicamente, o sinal original é igual a uma soma de infinitas componentes, o que, em termos de implementação, seria praticamente impossível devido à quantidade de informação. Por isso, para cada aplicação é verificado o número mínimo de frequências que a representação satisfatória do sinal exige, de tal forma que a transmissão da informação seja completa. Assim é definido o valor conhecido como banda-passante ou largura de banda. (MF101 Furukawa)

 

A tabela a seguir apresenta alguns valores de largura de banda padronizados para as aplicações mais comuns:

 

Tabela 1: Largura de Banda de Alguns Sinais

TIPO DE SINAL LARGURA DE BANDA (HZ)
Voz em Telefonia
3.100
Música Clássica 20.000
Sinal de Vídeo (Banda Base) 4.200.000
Sinal de Vídeo (Videolaser) 5.000.000

 

Fonte: MF101 Furukawa

 

O sistema de transmissão a ser usado deverá possibilitar que todas estas frequências possam ser transportadas entre a fonte e o destino, sendo então possível a recuperação da forma de onda do sinal que representa a informação. Portanto a banda passante do canal de transmissão deverá ser igual ou superior que a do próprio sinal que trafegará no canal, pois, caso isto não seja verdade, a deformação do sinal pode causar uma recepção falha de tal forma que o sinal recebido seja irrecuperável.

 

A tabela a seguir apresenta os valores de banda passante para alguns meios de transmissão mais conhecidos em comunicações, como a telefonia, a radiodifusão AM e FM, os cabos metálicos de par-trançado de várias categorias e os cabos metálicos coaxiais:

 

Tabela 2: Meios de Transmissão e respectivos valores de banda passante

MEIO DE TRANSMISSÃO BANDA PASSANTE (HZ)
Rede Telefônica (antiga) 4.000
Áudio em Radiodifusão AM 5.000
Áudio em Radiodifusão FM 15.000
Cabo Par-Trançado Categoria 3 16.000.000
Cabo Par-Trançado Categoria 5 100.000.000
Cabo Par-Trançado Categoria 6 250.000.000
Cabo Par-Trançado Categoria 6A 500.000.000
Cabo Coaxial 1.000.000.000

 

Fonte: MF101 Furukawa

 

Sinais digitais têm uma forma de onda conhecida como “trem de pulso”, que também pode ser analisado pelo Teorema de Fourier, citado anteriormente. Neste caso, há uma largura de banda mínima que deverá ser respeitada pelo sistema de transmissão para representar determinado sinal digital, como podemos ver na tabela a seguir:

 

Tabela 3: Banda Passante dos sinais digitais

SINAL DIGITAL BANDA PASSANTE (HZ)
Ethernet (10 Mbit/s) 7.500.000
Fast-Ethernet (100 Mbit/s) 31.250.000
Gigabit-Ethernet (1000Mbit/s) 62.500.000
10-Gigabit-Ethernet (10Gbit/s) 450.000.000

 

Fonte: MF101 Furukawa

 

No caso de sistemas de comunicação digital são transmitidos sinais originalmente digitais ou sinais que foram digitalizados, mas sempre sinais discretos. O problema, neste caso, da banda passante, estará relacionado à técnica de codificação associada e às taxas de bits de cada sinal digital. Diversas técnicas de codificação podem ser utilizadas para garantir a taxa de transmissão necessária, porém, todas elas escolhem um ou mais símbolos discretos com 2 ou mais níveis.

 

Descrição: Sinal Digital Binário, ternário e quaternário.jpg

Figura 7: Sinal digital binário, ternário e quaternário

Fonte: SOUSA, 2004

 

Potência do Sinal

 

A “força” com a qual o chega ao receptor é muito importante no projeto de redes de transmissão de dados, pois, caso a potência recebida seja pequena, a correção do sinal pode tornar-se impossível ou errônea. Os termos “atenuação” e “ganho” de um sistema de comunicação referem-se à diminuição e aumento, respectivamente, da potência do sistema que, por sua vez, se relaciona com a amplitude do sinal transmitido.

 

Os estudos ligados à transmissão de sinais elétricos tiveram início no século XIX, quando o logaritmo era a ferramenta matemática mais utilizada. Na ocasião, foi definida uma unidade de medida (Bel) que relacionava duas grandezas por meio de logaritmos. Hoje a padronização internacional adota a utilização de seu submúltiplo, o conhecido decibel (em sua abreviação: dB). (MF101 Furukawa)

 

O decibel, como o conhecemos, é definido pela fórmula:

 

 

Onde:

  • dB = decibel (relação de potências);
  • POTsaída = potência de saída do circuito;
  • POTentrada = potência de entrada (ou de referência) do circuito.

 

Atribuindo valores à fórmula, tem-se uma relação dos valores de dB com a relação de potências (saída e entrada), conforme a tabela abaixo:

 

Tabela 4: Relação de Valores em dB com Potência

SINAL DIGITAL BANDA PASSANTE (HZ)
30 1000
20 100
10 10
6 4
3 2
-3 0,5
-6 0,25
-10 0,1
-20 0,01
-30 0,001

 

Fonte: MF101 Furukawa

 

Ou seja, quando se diz que um sinal teve atenuação de -3dB, significa matematicamente que apenas 50% da potência do sinal emitido chegou ao receptor. Para uma atenuação de -6dB, 75% da potência do sinal é perdida.

 

A perda de sinal durante o percurso é iminente, já que haverá atenuação em qualquer meio de transmissão utilizado. O ruído que incide no sinal durante o trecho de transmissão é adicionado ao sinal, provocando variação em sua forma. A relação entre a intensidade do sinal original e o ruído absorvido constitui um parâmetro chamado Relação Sinal/Ruído (ou, do inglês, Signal Noise Ratio – SNR). Esta grandeza é adimensional, calculada a partir das potências em decibéis do sinal e do ruído do sistema.

 

Quanto maior for o valor da Relação Sinal/Ruído, melhor será o desempenho da transmissão, pois sabe-se que a quantidade de ruído recebida deve ser menor do que a quantidade de sinal.