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Comunicação de Dados

Beatriz Henriques nº5 2ºTGPSI

Índice

Introdução

A comunicação de dados é fundamental na era digital, permitindo a transmissão eficiente de informações entre dispositivos. Este trabalho explora os componentes e sistemas envolvidos, abordando modos de transmissão, técnicas de codificação, modulação, compressão e métodos de deteção e correção de erros. O objetivo é fornecer uma compreensão clara das práticas que garantem a integridade e eficácia nas comunicações digitais.

A comunicação de dados é essencial para a troca de informações em diversos contextos. Um sistema básico de comunicação de dados é composto por cinco elementos principais:

Mensagem

Emissor

Recetor

Meio ou Canal

Protocolo

Componentes de um sistema de comunicações

Principais protocolos

Na comunicação de dados, os sentidos em que a informação pode ser transmitida entre emissores e recetores dependem do tipo de canal e da configuração de transmissão. Existem três modos principais de transmissão:

Cada um possui características específicas sobre a direção e simultaneidade da transmissão de dados.

Transmissão de dados

Simplex

Full-Duplex

Half-Duplex

A transmissão simplex é unidirecional e ocorre apenas num sentido, do emissor para o recetor, ideal para comunicações simples onde não é necessária resposta. Tem a vantagem da simplicidade, mas a desvantagem de não permitir interatividade.Exemplos

• Emissão de rádio ou televisão, leitor de cartões, alarmes de fogo, etc...

Simplex

A transmissão half-duplex é bidirecional alternada, ou seja, permite que os dados sejam enviados nos dois sentidos, mas nunca ao mesmo tempo. É vantajosa para comunicações onde uma resposta é necessária, mas apresenta a limitação de alternância entre emissores e recetores, o que reduz ligeiramente a velocidade.Exemplos:

• Walkie-talkies, redes de segurança ou sistemas de alerta, comunicação entre um servidor e um cliente, etc...

Half-Duplex

No modo full-duplex, a transmissão é bidirecional simultânea, ou seja, permite que os dados sejam enviados e recebidos ao mesmo tempo. É vantajosa para comunicações rápidas e ininterruptas, embora exija um canal de comunicação mais complexo.

• Exemplos: Chamadas telefónicas, comunicações de videoconferência, ligações de internet de alta velocidade, etc...

Full-Duplex

A transmissão de sinais é um dos pilares fundamentais das comunicações modernas, permitindo a troca de informações entre dispositivos e sistemas. Esses sinais podem ser classificados em duas categorias principais:

Transmissão de sinais analógicos e digitais

Sinais analógicos

Sinais digitais

Os sinais analógicos variam continuamente, representando valores em amplitude e frequência, o que permite transmitir informações com maior precisão e resolução ao captar fenômenos físicos como som, luz e temperatura. No entanto, devido à sua continuidade, são mais vulneráveis a ruídos e interferências, o que pode distorcer a transmissão.

Sinais Analógicos

Os sinais digitais têm valores discretos, representando dados apenas como "0" e "1" (binário). Essa característica torna-os mais resistentes a ruídos e interferências e também mais eficientes no armazenamento e processamento de dados, embora percam alguma precisão em relação aos sinais analógicos.

Sinais Digitais

A modulação é uma técnica fundamental utilizada nas comunicações para transmitir informações através de ondas eletromagnéticas. Consiste em modificar uma onda portadora, que é uma onda senoidal, de forma a codificar as informações que se pretende transmitir. Existem três tipos principais de modulação:

Cada uma delas tem características únicas que a tornam adequada para diferentes aplicações e contextos.

Modulação em amplitude, frequência e fase

Modulação em amplitude (AM)

Modulação em frequência (FM)

Modulação em fase (PM)

Modulação em amplitude, frequência e fase

A conversão de sinais analógicos em digitais é um processo essencial nas comunicações e no processamento de dados modernos. Sinais analógicos, que são contínuos e variam ao longo do tempo, precisam ser transformados numa forma digital, que é discreta e pode ser facilmente manipulada por dispositivos eletrónicos, como computadores e microcontroladores. Essa conversão permite que informações, como voz, música e vídeo, sejam armazenadas, processadas e transmitidas de forma eficiente em ambientes digitais.

Técnicas de conversão analógico-digital

A amostragem é o primeiro passo na conversão de um sinal analógico em digital. Consiste em extrair amostras do sinal original a uma cadência suficientemente alta para que o sinal digital resultante possa ser reconstruído de forma precisa. A frequência com que as amostras são retiradas deve ser, pelo menos, o dobro da frequência máxima presente no sinal original, de acordo com o Teorema de Nyquist. Isto garante que a informação contida no sinal analógico não seja perdida durante o processo de digitalização.

Amostragem

Após a amostragem, o próximo passo é a quantização. Esta técnica transforma a sequência de amostras obtidas em valores discretos, conhecidos como níveis de quantização. Por exemplo, se tivermos apenas quatro níveis de quantização (0, 1, 2 e 3), cada amostra deve ser arredondada para o nível de quantização mais próximo. A precisão da quantização afeta diretamente a qualidade do sinal digital resultante; mais níveis de quantização permitem uma representação mais fiel do sinal original, mas também aumentam a complexidade e o tamanho dos dados.

Quantização

Finalmente, a codificação é o processo em que os valores quantizados são convertidos em formato binário, ou seja, transformados em bits (0s e 1s). Este passo é crucial, pois os sinais digitais precisam ser representados num formato que possa ser facilmente transmitido e processado por dispositivos electrónicos. A codificação pode utilizar diferentes esquemas, dependendo das necessidades da aplicação e do tipo de dados a serem transmitidos.

Codificação

No campo das comunicações, as grandezas e medidas desempenham um papel fundamental na quantificação da capacidade de um sistema de comunicação. A capacidade de transferir informações entre dispositivos é diretamente relacionada à quantidade de dados que podem ser transmitidos em um determinado período de tempo. Essas medições são essenciais para avaliar a eficiência e a eficácia de redes e sistemas de comunicação.Entre as grandezas e medidas mais importantes na comunicação, destacam-se:

Grandezas e Medidas

Decibel (dB)

Throughput

Largura de banda

Bit Rate

Decibel (dB)

O decibel (dB) é uma unidade logarítmica utilizada para medir a intensidade de sons e a relação entre duas quantidades, como a potência de um sinal. É amplamente aplicado em acústica, eletrónica e telecomunicações, servindo para descrever sinais transmitidos por diferentes meios, como cabos de cobre e fibras óticas. O dB pode indicar perdas (valores negativos) ou ganhos (valores positivos) de potência num sinal. A sua popularidade deve-se à facilidade de cálculos, que são simplificados a somas e subtrações.

Largura de banda

A largura de banda refere-se à faixa de frequências que um canal pode transmitir, medida em hertz (Hz). É definida pela diferença entre as frequências mais alta e mais baixa que um canal suporta. Na prática, a largura de banda é expressa em bits por segundo (bit/s) e determina a quantidade de dados que pode ser transmitida num determinado tempo. Por exemplo, uma conexão ADSL com largura de banda de 2 Mbit/s pode transferir até 2 megabits de informação a cada segundo. A largura de banda pode ser comparada ao diâmetro de um cano: quanto maior, maior a capacidade de transmissão.

Throughput

Throughput é a quantidade efetiva de dados transferidos num período específico, frequentemente expressa em Kbps, Mbps ou Gbps. Refere-se à taxa de transferência real numa rede ou disco rígido, e é influenciado por fatores como a frequência máxima de transmissão do canal e a taxa de erro na comunicação. Apesar de um serviço de Internet ser contratado com uma determinada largura de banda, o throughput representa o valor real que pode ser alcançado, levando em conta as limitações do sistema e do canal de transmissão.

Bit rate

Bit rate, ou taxa de bits, é a velocidade com que os bits são processados ou transmitidos, medida em bits por segundo (bps). Compreende o volume de dados que pode ser transferido num intervalo de tempo e é essencial na codificação de ficheiros multimédia, como MP3 e DivX. A taxa de bits é afetada pelo meio de transmissão e pela quantidade de tráfego na rede; quanto mais dispositivos estão em uso simultaneamente, mais lenta será a transferência de dados. O bit rate pode ser visto como um conta-quilómetros, representando a "velocidade" de transferência de dados num instante.

Técnicas de codificação

As técnicas de codificação têm como objetivo principal garantir a integridade e a sincronização dos dados durante a transmissão. Quando as informações são enviadas de um ponto a outro, podem ser afetadas por atrasos, ruído e erros que podem ser introduzidos pelo canal ou pelos equipamentos de rede. Para mitigar esses problemas, foram desenvolvidos códigos de linha, que ajudam a manter a integridade dos dados ao longo do seu percurso.

Non Return Zero (NRZ)

O sinal não precisa voltar a zero entre as transições de bits, apresentando um Duty Cycle de 100%. Existem três tipos:

• NRZ Unipolar: Níveis entre 0 e 1. Representa 1 como 1 e 0 como 0. Simples, mas suscetível a perdas de sincronismo.

• NRZ Polar: Níveis entre -1 e 1. Representa 1 como +1 e 0 como -1, com as mesmas desvantagens do NRZ Unipolar.

• NRZ Bipolar (AMI): Níveis entre -1, 0 e 1. O bit 0 é representado por 0, e 1 alterna entre +1 e -1. Também pode perder sincronismo.

Return Zero (RZ)

O sinal retorna a zero durante metade do bit, com um Duty Cycle de 50%, usando o dobro da largura de banda do NRZ. Os tipos incluem:

• RZ Unipolar: Níveis entre 0 e 1, permanece em 1 metade do tempo.

• RZ Polar: Níveis entre -1 e 1, com a mesma lógica do RZ Unipolar.

• RZ Bipolar (AMI): Mantém 0 para o bit 0, alternando entre +1 e -1 para o bit 1.

Manchester

Também tem um Duty Cycle de 50%, mas oferece vantagens como a eliminação da componente nula. Tipos:

• Manchester Normal: Níveis entre -1 e 1. Transições ocupam um bit, enquanto transições iguais ocupam meio bit.

• Manchester Diferencial: Similar ao normal, mas as transições são codificadas de forma diferente.

Técnicas de codificação

Ligações síncronas e assíncronas

A comunicação entre dispositivos é fundamental para a troca de informações em sistemas digitais. Essa comunicação pode ser classificada em dois tipos principais: e . Cada uma delas tem características específicas que a tornam mais adequada para diferentes aplicações e cenários. A escolha entre estes métodos depende da natureza da transmissão e das necessidades dos dispositivos envolvidos.

síncrona

assíncrona

Ligação síncrona

O emissor e o recetor devem estar sincronizados antes e durante a transmissão. Ambos compartilham um relógio comum, permitindo um fluxo contínuo de dados. A sincronização pode ser feita através de fios adicionais ou códigos específicos que marcam o início e o fim das sequências. É ideal para aplicações de alta velocidade, como chamadas de voz.

Ligação assíncrona

A comunicação ocorre sem um sinal de sincronização contínuo. A informação de sincronização está codificada dentro da sequência de dados. O emissor insere periodicamente "flags" para identificar o início e o fim de blocos de dados. O uso de bits adicionais, como start-bit e stop-bit, torna essa comunicação menos eficiente, mas é adequada para contextos em que a entrega urgente não é prioritária, como no envio de e-mails.

Técnicas de deteção e correção de erros

As técnicas de deteção de erros são fundamentais em comunicações digitais, pois garantem que os dados transmitidos cheguem ao seu destino sem erros. Estas técnicas ajudam a identificar quando a informação foi corrompida durante a transmissão e permitem que o sistema tome as medidas necessárias para corrigir esses erros.

Técnicas de deteção de erros

Erros na transmissão de dados podem ocorrer devido a fatores como diafonia, ruídos e falhas em componentes eletrônicos. Para garantir a integridade das informações, são aplicadas técnicas de detecção e correção de erros, como o , e . Essas abordagens não apenas detectam erros, mas também permitem a sua correção, garantindo uma comunicação digital confiável.

Checksum

Bit de Paridade

CRC

Técnicas de correção de erros

A correção de erros é um processo fundamental nas comunicações digitais, que assegura a integridade dos dados transmitidos. Quando ocorrem erros durante a transmissão, técnicas específicas são aplicadas para identificar e corrigir essas falhas. Métodos como o e permitem não apenas a detecção de erros, mas também a sua correção, garantindo que as informações cheguem ao destino de forma precisa e confiável. Isso é crucial em aplicações onde a precisão dos dados é essencial, como em transmissões de voz, vídeo e dados críticos.

Hamming

ARQ

Técnicas de Compressão de Dados

A compressão de dados é um processo que reduz o tamanho dos ficheiros utilizando algoritmos específicos. Este procedimento é crucial para otimizar o espaço de armazenamento e acelerar a transferência de dados, especialmente num mundo onde a eficiência e a rapidez são cada vez mais valorizadas. Contudo, é importante notar que, ao comprimir dados, pode haver uma perda de qualidade, especialmente em arquivos multimédia.Existem três métodos principais de compressão de dados:

Compressão com perda de dados

Compressão sem perda de dados

Natureza dos dados

Compressão com perda de dados

Utilizada em ficheiros multimédia como áudio (MP3), vídeo (MPEG) e imagens (JPEG), esta técnica elimina dados redundantes, resultando em ficheiros menores, mas sem possibilidade de recuperação total dos dados originais. Por exemplo, um ficheiro MP3 pode ter qualidade auditiva satisfatória ocupando apenas 10% do tamanho original. É ideal quando a economia de espaço é mais importante do que a qualidade total.

Compressão sem perda de dados

Este método mantém todas as informações intactas e é crucial para dados sensíveis, como documentos de texto. Formatos como ZIP e RAR são comumente usados. Os algoritmos identificam redundâncias, reduzindo o tamanho do ficheiro, mas permitindo a sua completa restauração durante a descompressão. A compressão sem perdas é essencial para garantir a integridade dos dados.

Natureza dos dados

A compressão de dados pode ser realizada de duas maneiras: sem considerar as características dos dados, conhecida como compressão por entropia, que geralmente resulta numa eficiência limitada, ou levando em conta a natureza dos dados, denominada compressão atendendo à fonte, que permite técnicas mais eficazes, como a compressão de ficheiros de áudio, onde formatos como WAV não apresentam ganho ao serem comprimidos em formatos genéricos como ZIP.

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Webgrafia

https://brunomigg.wordpress.com/2012/09/26/hello-world/ - Capítulo 1 (11/10/2024)https://www.significados.com.br/elementos-da-comunicacao/ - Capítulo 1 (11/10/2024)https://www.cloudflare.com/pt-br/learning/network-layer/what-is-a-protocol/ - Capítulo 1 (11/10/2024)https://edu-alves2.webnode.pt/modulo-1/sistemas-simplex-half-duplex-e-full-duplex/ - Capítulo 2 (11/10/2024)https://brunomigg.wordpress.com/2012/09/27/sistemas-simplex-half-duplex-e-full-duplex/ - Capítulo 2 (11/10/2024)https://edu-alves2.webnode.pt/modulo-1/transmiss%C3%A3o-de-sinais-analogicos-e-digitais/ - Capítulo 3 (15/10/2024)

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Webgrafia

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Conclusão

Em resumo, a comunicação de dados envolve diversas técnicas essenciais para assegurar a precisão e eficiência na transmissão de informações. Desde a escolha do modo de transmissão até a compressão de dados e a deteção de erros, cada aspecto contribui para a integridade das mensagens. Este conhecimento é crucial para profissionais e estudantes que desejam se aprofundar em telecomunicações e tecnologia da informação, preparando-os para os desafios futuros nesse campo em evolução.

A mensagem é a informação que deve ser transmitida e pode ser composta por textos, números, imagens, som ou vídeo. Ela é o objeto central do processo de comunicação e pode ser visual, auditiva ou audiovisual.

• Exemplo: Durante uma aula, o professor transmite conhecimento. O conteúdo que ele apresenta (por exemplo, a estrutura das moléculas de ADN) é a mensagem. Esta mensagem pode ser entregue através de uma apresentação de slides, gráficos, ou mesmo vídeos.

O meio ou canal é o caminho físico ou virtual pelo qual a mensagem viaja do emissor para o recetor. Este canal pode ser natural (como a nossa voz) ou tecnológico (como rádio, televisão, internet, entre outros).

• Exemplo: Numa aula de biologia, a voz do professor é um canal que garante que a mensagem chegue aos ouvidos dos alunos. Além disso, o quadro onde o professor desenha uma representação da estrutura da molécula de ADN também funciona como um canal visual.

Na modulação por fase, a fase da onda portadora é alterada em relação ao tempo, permitindo a transmissão de dados de forma eficiente. Esta técnica é frequentemente utilizada em comunicações digitais, como em sistemas de transmissão de dados e na tecnologia de comunicação por satélite.

O emissor é o dispositivo ou agente que envia a mensagem. Este pode ser um computador, smartphone, uma pessoa ou qualquer outro dispositivo que tenha a capacidade de emitir informações.

• Exemplo: Um professor que dá uma aula é um emissor. Enquanto fala ou escreve no quadro, emite mensagens aos seus alunos (recetores). Outro exemplo é uma câmara de videoconferência que transmite a imagem e o som de uma reunião.

Este método utiliza um mecanismo de repetição onde, se um erro é detetado na transmissão, o recetor solicita ao emissor o reenvio da mensagem. O receptor envia um aviso de recebimento (ACK - Acknowledgment) se não houver erros. Caso não receba o ACK num período definido, o emissor reenvia a mensagem até que a confirmação seja recebida ou um limite de tentativas seja alcançado.

Neste tipo de modulação, a amplitude da onda portadora é variada de acordo com a informação que se deseja transmitir. Quanto maior a amplitude, mais forte será o sinal. Esta técnica é comumente utilizada em transmissões de rádio AM, onde a qualidade do som pode ser afetada por interferências e ruídos.

Na modulação por frequência, a frequência da onda portadora é alterada em resposta à informação. Isso significa que a onda pode ter diferentes ciclos por segundo (hertz). Este tipo de modulação permite transmitir várias ondas no mesmo canal, utilizando diferentes frequências. A modulação FM é amplamente utilizada em transmissões de rádio FM, proporcionando uma qualidade de som superior e maior resistência a ruídos.

Esta técnica não apenas deteta erros, mas também permite a sua correção. São utilizados bits de paridade adicionais distribuídos entre os dados para identificar a posição do erro, tornando-a eficaz em sistemas onde a precisão é crítica. Por exemplo, ao enviar três mensagens, se forem detectados dois erros, o Hamming pode corrigir um deles.

O checksum é uma soma de verificação que ajuda a detetar erros. O processo inclui somar os dados, inverter a sequência resultante, e enviar os dados junto com o checksum. No receptor, os dados são somados novamente com o checksum invertido. Se o resultado for 1's, não houve erro; caso contrário, ocorreu um erro.

O recetor é o dispositivo ou agente que recebe a mensagem. É o destinatário para quem a mensagem é enviada e pode ser uma pessoa ou um dispositivo.

• Exemplo: Os alunos que estão a assistir à aula são recetores das mensagens emitidas pelo professor. Eles podem-se tornar emissores a qualquer momento, por exemplo, ao fazer perguntas ou comentários sobre o que está a ser apresentado.

O CRC é uma técnica mais avançada, que utiliza um conjunto de bits adicionais (FCS - Frame Check Sequence) para detectar erros. O FCS é calculado através da divisão polinomial da mensagem original por um polinômio gerador. O recetor realiza a mesma operação e verifica se o resto é zero. Um resto diferente de zero indica erro.

O bit de paridade indica se o número de bits "1" em um byte é par ou ímpar. Por exemplo, na sequência 1100110, o bit de paridade é 0 (par), enquanto que em 10101011, o bit de paridade indica um erro, pois o número de 1's é ímpar.

O protocolo refere-se a um conjunto de regras que orienta a comunicação de dados. Estas regras definem como a informação deve ser formatada e processada para garantir que o emissor e o recetor possam entender-se.

• Exemplo: Os protocolos de rede funcionam como uma linguagem comum para computadores. Numa aula, se o professor usa uma terminologia que os alunos compreendem, a comunicação é eficaz. Da mesma forma, se dois computadores utilizam o mesmo protocolo, como o Protocolo de Internet (IP), eles conseguem comunicar. Caso contrário, não será possível estabelecer a comunicação.