Redes industriais - parte1, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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REDESREDES

INDUSTRIAIS INDUSTRIAIS

Parte 1

Unidades 1 e 2

PROF: Clidenor Filho

O presente material é constituído por seções elaboradas e organizadas a partir de livros, apostilas, catálogos de fabricantes e demais referências de comprovada relevância para o estudo de redes de comunicações industrias, os quais estão referenciados ao final de cada unidade, selecionados pelo Professor Clidenor Ferreira de Araújo Filho.

Redes Industriais

Parte 1

• Redes de comunicação

o Unidade 1 – Redes de Comunicação o Unidade 2 – Arquiteturas de Redes de Comunicação

Setembro 2005

gerenciamento bancário, reservas de passagens aéreas, processamento de texto, correio eletrônico etc. Nesse contexto, destacam-se os pontos chaves, elencados a seguir, para o desenvolvimento das redes de comunicação, que em um primeiro momento atingiram o ambiente de escritórios e hoje apresentam um vertiginoso crescimento também no ambiente industrial, permitindo a interligação dos diversos setores de uma empresa, independentemente de suas características. Um grande número de empresas possui atualmente uma quantidade relativamente grande de dispositivos operando nos seus diversos setores. Um exemplo deste fato é aquele de uma empresa que possui diversas fábricas contendo cada uma um dispositivo responsável pelas atividades de base da fábrica (controle de estoques, controle da produção e, o que também é importante, a produção da folha de pagamentos). Neste exemplo, apesar da possibilidade de operação destes dispositivos (computadores, processadores industriais etc) de maneira isolada, é evidente que sua operação seria mais eficiente se eles fossem conectados para, por exemplo, permitir o tratamento das informações de todas as fábricas da empresa. O objetivo da conexão dos diferentes dispositivos da empresa é permitir o que poderíamos chamar de compartilhamento de recursos , ou seja, tornar acessíveis a cada dispositivo os dados necessários à realização de suas respectivas tarefas, gerados nas diversas fábricas da empresa. Um outro ponto importante da existência das redes de comunicação é relacionado a um aumento na confiabilidade do sistema como um todo. Pode-se, por exemplo, ter multiplicados os arquivos em duas ou mais máquinas para que, em caso de defeito de uma máquina, cópias dos arquivos continuarão acessíveis em outras máquinas. Além disso, o sistema pode operar em regime degradado no caso de pane de um dispositivo, sendo que outra máquina pode assumir a sua tarefa. A continuidade de funcionamento de um sistema é ponto importante para um grande número de aplicações, como por exemplo: aplicações militares, bancárias, o controle de tráfego aéreo etc. Por fim, redução de custos é uma outra questão importante da utilização das redes de comunicação, uma vez que computadores de pequeno porte apresentam uma menor relação custo/beneficio que os grandes. Assim, sistemas que utilizariam apenas uma máquina de grande porte e de custo muito elevado podem ser concebidos à base da utilização de um grande número de microprocessadores (ou estações de trabalho) manipulando dados presentes num ou mais servidores de arquivos.

1.2 TÉCNICAS DE TRANSMISSÃO

Muitos são os conceitos de transmissão que devem ser entendidos para a completa visualização de uma rede de comunicação. Dentre eles merecem destaque as técnicas de transmissão, as quais estão intimamente ligadas a conceitos como:

• Largura de banda (analógica e digital);
• Multiplexação e modulação;
• Sinalização em banda básica e larga;
• Fontes de distorção de sinais
• Amplificação e regeneração;
• Codificação de linha;
• Suportes de transmissão;

1.2.1 LARGURA DE BANDA

A faixa de freqüências utilizável em uma conexão é chamada de largura de banda. Por exemplo, para a telefonia, é recomendável o emprego de conexões que possam tratar as freqüências entre 300 e 3.400 Hz, isto é, uma largura de banda de 3,1 kHz. Normalmente, o ouvido humano detecta sons com as freqüências no intervalo de 15 até (aproximadamente) 15.000 Hz, mas medições mostram que a faixa de freqüências de 300 - 3.400 Hz é perfeitamente adequada para que a fala seja ouvida claramente e para que possamos reconhecer a voz da pessoa que está falando.

1.2.2 MULTIPLEXAÇÃO

A implementação e manutenção de enlaces de transmissão, em redes de comunicações, constitui na maioria das vezes um empreendimento dispendioso. Muito pode ser ganho, transmitindo diferentes sinais na mesma conexão física (tal como num par de fios). A técnica usada para os sistemas de canais múltiplos, tanto em redes analógicas quanto em redes digitais, é chamada de multiplexação, a qual geralmente é dividida em três grupos:

• multiplexação por divisão de freqüência (FDM);
• multiplexação por divisão de tempo (TDM);
• multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM).

1.2.2.1 Multiplexação por Divisão de Freqüência (FDM)

A multiplexação por divisão de freqüência (FDM) é usada para transmitir informações analógicas. A multiplexação é comparável à técnica que torna possível sintonizar uma estação de rádio desejada, em um rádio. A cada transmissor é atribuída uma freqüência específica, à qual a informação é superposta e enviada ao ouvinte. Ao girar o seletor de freqüências, podemos facilmente mudar para outro transmissor. A Figura 1.1 mostra o princípio da multiplexação por divisão de freqüência, em um enlace analógico de transmissão. Três diferentes freqüências portadoras, uma para cada canal de voz, usam o mesmo par de fios. A freqüência portadora é modulada pela fala, e a demodulação correspondente acontece então no receptor.

Figura 1.1. FDM

• Modulação por Freqüência (FM)
• Modulação por Fase (PM)

Para um sinal modulante digital:

• Modulação por Chaveamento de Amplitude (ASK)
• Modulação por Chaveamento de Freqüência (FSK)
• Modulação por Chaveamento de Fase (PSK)

Vale ressaltar que, estas são as modulações básicas e que a partir delas são derivadas diversas outras modulações as quais foram desenvolvidas buscando uma maior eficiência nas transmissões.

1.2.4 TÉCNICAS DE SINALIZAÇÃO

As técnicas de sinalização estão diretamente relacionadas com as técnicas de multiplexação. Duas técnicas de sinalização são as mais empregadas: a sinalização em banda base (baseband) e a sinalização em banda larga (broadband). Na sinalização em banda base o sinal é simplesmente colocado na rede sem se usar qualquer tipo de modulação, aparecendo diretamente na rede e não como deslocamentos de frequência, fase ou amplitude de uma portadora de alta frequência. Ao contrário da banda base, a sinalização em banda larga realiza a modulação, ou seja, o deslocamento de sinais, para a sua transmissão. Para transmissão de informação em banda base utilizamos sinais denominados códigos de linha Os dados de informação discreta (bits ou símbolos) são associados com formas de onda (sinais) em banda base (sem portadora).

1.2.5 CÓDIGOS DE LINHA

Os códigos de linha devem apresentar algumas características que facilitem a transmissão de sinais:

• Ocupar pouca largura de banda

Baixo nível de tensão DC (Componentes DC provocam longas cadeias e neste caso, a saída é uma tensão constante sobre um longo período de tempo e nestas circunstâncias, qualquer variação de tempo entre o transmissor e o receptor resultará em perda de sincronismo entre os dois). Muitas alterações de tensão para permitir sincronização entre transmissor e receptor sem a necessidade de informação adicional para sincronismo Sinais sem polarização para utilização em linhas com acoplamento AC

1.2.5.1 Códigos Unipolares

Em sinalização lógica unipolar positiva, o bit 1 é representado por um nível alto de tensão (+A volts) e o bit 0 pelo nível zero. Este tipo de sinalização é denominada de on- off keying e apresenta a vantagem de utilizar circuitos que necessitam apenas uma fonte de tensão (por exemplo, +5V para circuitos TTL).

NRZ (Non Return to Zero)

A forma mais comum e fácil de transmitir dados digitais é utilizar dois diferentes níveis de tensão para dois dígitos binários. Códigos, como o NRZ, que seguem esta estratégia compartilham a propriedade de que o nível de tensão permanece constante durante um intervalo de bit, ou seja, não há transições.

Figura 1.3. Codificação NRZ.

Por serem polarizados, os sinais NRZ apresentam alto nível de tensão DC. Vale ressaltar que a ausência de alterações de tensão podem provocar longas sequências de 1 ou 0, podendo levar à perda de sincronismo. Outra desvantagem apresentada pelos sinais NRZ é a necessidade de uma grande largura de faixa para a transmissão.

RZ (Return to Zero)

Os sinais RZ apresentam menor nível DC que os sinais RZ, bem como, mudanças de tensão para longas sequências de bits 1. A Figura 1.4 apresenta um sinal RZ.

Figura 1.4. Codificação RZ.

1.2.5.2 Códigos Polares

Nos códigos polares um dígito binário é representado por um nível de tensão positivo e o outro dígito por um nível de tensão negativo. Os sinais assim codificados apresentam nível médio DC nulo e necessidade de uma fonte de alimentação com tensão positiva e outra negativa. São comumente utilizados em gravação magnética digital e suas limitações são a presença de componente DC e a ausência da capacidade de sincronização. A seguir veremos os dois principais códigos polares: NRZ-L e NRZI.

Figura 1.7. Codificação AMI.

Devido os pulsos binários 1, alternarem em tensão de positivo para negativo, ou vice- versa, não há componente DC. Neste caso, a largura de faixa do sinal resultante é consideravelmente menor que das codificações NRZ.

HDB-3 (High Density Bipolar 3 Zeros)

A finalidade do código HDB-3 é limitar o número de zeros em uma seqüência, uma vez que, uma longa seqüência de zeros pode reduzir a componente espectral na freqüência do oscilador (temporizador) a um valor muito pequeno, tornado difícil ou mesmo impossível a sua recuperação nos repetidores de linha. O código HDB-3 opera da mesma forma que o código AMI, exceto pela limitação do número de zeros em uma seqüência, que será, no máximo, igual a três zeros consecutivos. Para a perfeita compreensão das regras que compõem a codificação HDB-3, é importante definir alguns conceitos, tais como:

Violação da regra AMI

As violações da regra AMI são pulsos que tem a mesma polaridade do pulso anterior, podendo ser positivos, chamados violações positivas (V+), ou negativas, chamados violações negativas (V-).

Figura 1.8. Violações da Regra AMI.

Regras de Codificação HDB-

1. o sinal HDB-3 é bipolar e os três estados denominados 1, -1 e 0 ou B+, B- e 0.
2. os espaços do sinal binário são codificados como espaço no sinal HDB-3. Para seqüências de quatro espaços consecutivos aplica-se a regra 4.
3. as marcas no sinal binário, são codificadas alternadamente como no código AMI. Violações da regra AMI só serão introduzidas quando uma seqüência de quatro espaços sucessivos aparecer, conforme a regra 4.
4. na ocorrência de quatro espaços consecutivos, que serão numerados de 1º, 2º, 3º e 4º espaços, deve-se proceder do seguinte modo:

(a) o primeiro espaço da sequência é codificado como espaço, se a marca precedente do sinal HDB-3 tiver polaridade oposta à violação precedente. É codificado como marca sem violação (B+ ou B-), se a marca e a violação precedente tiverem a mesma polaridade. (b) o segundo e o terceiro espaços da sequência são codificados como espaço. (c) o último ou 4o^ espaço da sequência é codificado como marca e a polaridade deve ser tal que a regra AMI seja violada. Tais violações podem ser positivas ou negativas.

Figura 1.9. Codificação HDB-3.

Regras de decodificação HDB-

1. os espaços em sinais HDB-3 sempre são decodificados como espaços.
2. as marcas bipolares em sinais HDB-3 sempre são decodificadas como marcas, exceto quando seguidas de uma combinação 00V+ ou 00V- e precedidas de uma marca (B+, B-, V+ ou V-) quando serão decodificadas como espaços.
3. V+ ou V- são decodificadas como espaços, se forem precedidas de uma combinação MB00 ou M000, onde M é uma marca (B+, B-, V+ ou V-)

Figura 1.10. Decodificação HDB-3.

1.2.5.4 Codificações Bifásicas

As codificações bifásicas correspondem a mais uma alternativa para a supressão dos problemas ocasionados pelas codificações NRZ. Tais codificações requerem no mínimo uma transição a cada período de bit e no máximo duas. Desta forma, a taxa máxima de modulação é duas vezes maior que para o NRZ, o que significa que a banda passante requerida para as codificações bifásicas é maior. Por outro lado, tais técnicas possuem diversas vantagens:

Figura 1.13. Comparação entre técnicas de codificação.

1.2.6 FONTES DE DISTORÇÃO DE SINAIS

Além dos efeitos de distorção dos sinais transmitidos oriundos da banda passante limitada do meio físico, outros fatores causarão distorções nos sinais durante a transmissão. Entre eles encontramos: os ruídos presentes durante a transmissão, a atenuação e os ecos. Passemos a analisar cada um desses fatores, seus principais efeitos e a forma de contorná-los.

1.2.6.1 Ruídos

Nos dias de hoje, uma das certezas com a tecnologia disponível é a existência de ruído no canal de comunicação, que pode ocasionar eventualmente um ou mais erros na transmissão do sinal. O ruído pode ser definido como sinais eletrônicos aleatórios que, adicionados ao sinal de informação, podem alterar seu conteúdo. A quantidade de ruído presente numa transmissão é medida em termos da razão entre a potência do sinal e a potência do ruído, denominada relação sinal-ruído. Se representarmos a potência do sinal por S e a potência do ruído por N, a razão sinal-ruído é dada por S/N. Existem basicamente quatro tipos de ruídos: o ruído branco, o ruído de intermodulação, o crosstalk e o ruído impulsivo. O ruído branco é um sinal cuja amplitude varia em torno de um certo nível, aleatoriamente no tempo, seguindo uma distribuição gaussiana. Em outras palavras, é um sinal que possui componentes em todo o espectro de freqüências de forma igualitária, somando-se ao sinal de dados.

Esse tipo de ruído acontece devido à agitação térmica das moléculas em um dado meio físico, sendo inevitável, pois as moléculas estão em constante movimento. Por este motivo é conhecido também como ruído térmico, sendo diretamente proporcional à temperatura do meio físico. Quando sinais de diferentes frequências compartilham um mesmo meio físico (através de multiplexação na frequência) pode-se obter um ruído denominado de ruído de intermodulação. A intermodulação pode causar a produção de sinais em uma faixa de frequências, que poderão perturbar a transmissão de outro sinal naquela mesma faixa. Crosstalk é um ruído bastante comum em sistemas telefônicos. Quem de nós ainda não teve a experiência de ser perturbado, durante uma conversação telefônica, por uma conversação travada por terceiros? É o fenômeno que comumente chamamos de "linha cruzada". Este efeito é provocado por uma interferência indesejável entre condutores próximos que induzem sinais entre si. Os tipos de ruído descritos até aqui têm magnitudes e características previsíveis de forma que é possível projetar sistemas de comunicação que se ajustem a essas características. O ruído impulsivo , porém, é não contínuo e consiste em pulsos irregulares e com grandes amplitudes, sendo de prevenção difícil. Tais ruídos podem ser provocados por diversas fontes, incluindo distúrbios elétricos externos, falhas nos equipamentos etc. O ruído impulsivo é, em geral, pouco danoso em uma transmissão analógica. Em transmissão de voz, por exemplo, pequenos intervalos onde o sinal é corrompido não chegam a prejudicar a inteligibilidade dos interlocutores. Na transmissão digital, o ruído impulsivo é a maior causa de erros de comunicação.

1.2.6.2 Atenuação

A potência de um sinal cai com a distância, em qualquer meio físico. Essa queda, ou atenuação, é, em geral, logarítmica e por isso é geralmente expressa em um número constante de decibéis por unidade de comprimento. A atenuação se dá devido a perdas de energia por calor e por radiação. Em ambos os casos, quanto maiores as frequências transmitidas maiores, as perdas. A distorção por atenuação é um problema facilmente contornado em transmissão digital através da colocação de repetidores que podem regenerar totalmente o sinal original, desde que a atenuação não ultrapasse um determinado valor máximo. Para tanto, o espaçamento dos repetidores não deve exceder um determinado limite, que varia de acordo com a característica de atenuação do meio físico utilizado.

1.2.6.3 Teorema de Nyquist

No final da década de 20 Nyquist formulou uma equação que define a taxa de transmissão máxima para um canal de banda passante limitada e imune a ruídos. Ele provou que para sinais digitais, o número de transições de um nível de amplitude para outro no sinal original não pode ser maior do que 2W vezes por segundo, onde W é a largura de banda em Hz. Em outras palavras, através de um canal de largura de banda igual a W Hz, pode-se transmitir um sinal digital de no máximo 2W bauds. Como

(onde L é o número de níveis utilizados na codificação), então a capacidade C do canal na ausência de ruído é dada por:

1 baud=log 2 Lbps

C = 2 w log 2 Lbps

Figura 1.15. Regeneração.

1.2.8 SUPORTES DE TRANSMISSÃO

Os suportes de transmissão são caracterizados pela existência ou não de um meio físico para o envio do sinal. Na primeira classe estão os cabos metálicos (geralmente elétricos) e as fibras óticas, e na segunda classe, os enlaces de rádiofrequência. Muitas redes de comunicações consistem em uma mistura de diferentes meios de transmissão. Em princípio todos podem ser usados para transmitir tanto informações analógicas, quanto informações digitais. Entretanto, as operadoras não selecionam o meio de transmissão somente com base em considerações técnicas - os aspectos econômicos também têm bastante peso. Independente do tipo de transmissão, a opção pelo suporte ideal para uma determinada instalação está diretamente associada a alguns fatores que cercam cada implantação, tais como:

• Conhecer a área na qual o suporte de transmissão será instalado;
• Conhecer as distâncias limites, as quais o suporte de transmissão deverá atender;
• Determinar a infra-estrutura que o suporte de transmissão irá percorrer (se será instalado em dutos próprios ou irá compartilhar dutos em que se encontram cabos que levam eletricidade);
• Conhecer o desempenho que se deseja obter da rede, bem como os serviços que pretendem utilizar o suporte de transmissão como meio de passagem;
• Contabilizar em quais pontos da instalação existem fontes que geram ruído EMI (Interferência Eletromagnética) ou RFI (Interferência por Radiofrequência)

1.2.8.1 Pares Trançados

Em todas as instalações construídas com base no cabeamento estruturado, os cabos trançados são utilizados como principal meio para interligar os pontos por toda a organização. A linha do assinante, composta por pares trançados, é atualmente o meio mais fácil e simples que o usuário dispõem para estabelecer uma conexão com o ambiente da concessionária na busca por serviços de comunicação digital de alta velocidade. As modernas técnicas de processamento digital de sinais foram adaptadas especialmente para este desafio e resultaram no que hoje é conhecido como xDSL ( Digital Subscriber Line ) que consiste de uma família de tecnologias, que permitem taxas da ordem de dezenas de mega bits por segundo. No ambiente de redes locais, a tendência atual também é no sentido de privilegiar cada vez mais o par trançado, tornando-se atualmente o suporte mais importante na comunicação dos dados neste ambiente, devido principalmente ao seu baixo custo e simplicidade de instalação. Consegue-se atualmente, através de avançadas técnicas de DSP ( Digital Signal Processing ), taxas que já atingem 1 Gps em distâncias até 100m. Os cabos trançados são conhecidos basicamente por:

• UTP ( Unshielded Twisted Pair ) - Cabo de par trançado não blindado;
• STP ( Shielded Twisted Pair ) - Cabo de par trançado blindado;

Características do Par Trançado do tipo UTP

Geralmente são cabos com dois ou quatro pares trançados em capa plástica e impedância característica de 100 ohms. Os pares de fios trançados foram padronizados pela EIA ( Electronics Industries Association ), e a TIA ( Telecommunications Industry Association ), que determinaram uma divisão em categorias. De acordo com esse padrão, quanto mais elevado o número da categoria, menor a atenuação do cabo e mais tranças ele tem por metro, melhorando sua característica de interferência entre pares próximos. Nos cabos categorias 3, 4 e 5, o número mínimo é de 9 tranças por metro, e estas nunca podem repetir o mesmo padrão de trança no cabo (entre pares), reduzindo o fenômeno de linha cruzada. A tabela a seguir apresenta a largura de banda e as taxas de transmissão típicas para as diversas categorias de pares trançados não blindados (UTP). As taxas de transmissão mencionadas na tabela são para distâncias de no máximo 100 m.

Categoria Largura de Banda / Capacidade de Transmissão 3 Freqüência de até 16MHz. Certificado para até 10Mbps. 4 Freqüência de até 20MHz. Suporta até 16Mbps. 5 Freqüência de 100 MHz por par. Suporta bem 100Mbps do Ethernet ou 155Mbps do ATM. 5e Igual a categoria 5, foram adicionados os parâmetros PS NEXT, Balanço, PS ELFEXT, Return Loss. Suporte a Gigabit Ethernet 6 Freqüência até 250 MHz. (ANSI/TIA/EIA-568-B.2-1) 7 (Draft)

Freqüência até 600 MHz. Necessita de conectores novos (diferente do RJ-45).

Características do Par Trançado do tipo STP

Cabo com dois ou quatro pares trançados blindados através de uma malha que deverá ser aterrada. Este tipo de cabo é confeccionado industrialmente com impedância característica de 150 ohms, podendo alcançar freqüências de 300 MHz em 100m de cabo.

Figura 1.17. Cancelamento das Forças.

Outro fato muito interessante sobre esse cabo se traduz numa pergunta que é sempre geradora de muitas dúvidas. Qual a função determinada a cada par desse cabo? Na maioria dos protocolos de transmissão de dados em rede local, como: Ethernet, ATM, Fast-Ethenet, Token-Ring, são utilizados apenas dois pares que, conforme a definição especificada em norma, utiliza os pares verde/branco do verde e laranja/branco do laranja. Outros protocolos como, por exemplo, o Gibabit Ethenet já têm necessidade de utilizar os quatro pares. Outras aplicações, como transmissão de som, imagem, voz, etc., utilizam apenas um par, possibilitando assim a integração dos sinais num mesmo cabo.

Figura 1.18. Possíveis Funções Par a Par.

Conforme falamos anteriormente, cada par já possui, a prióri, uma definição para uso determinado, bastando, para que isto se confirme, realizar a correta conectorização do cabo. O conector macho utilizado para esse fim é o RJ-45 (conector de oito vias). Ele possui contatos frontais que perfuram a capa do condutor, possibilitando o contato. É importante salientar que o fio condutor não deve ser descamisado, pois poderia possibilitar futuramente a ocorrência de oxidação prejudicando a performance do link como um todo. O ato de inserção do contato com fio recebe o nome de auto desnudamento, pois ele rompe a capa apenas na área de contato.

Para fazer a conectorização desse cabo, também deve ser utilizada uma ferramenta própria denominada: alicate de crimp. É importante deixarmos bem claro, neste momento, que a conectorização do cabo, geralmente considerada pelos profissionais como atividade banal, é de grande importância, pois, se mal executada, pode comprometer toda uma implantação ou levar à degradação futura de performance da rede. Outro fato que não podemos deixar de falar é sobre o padrão de conectorização. A norma EIA/TIA 568 padronizou duas configurações de conectorização:

• T568-A;
• T568-B.

O que é realmente importante e deve ser firmado é a obrigação do projetista ou do próprio instalador de optar pelo padrão de conectorização A ou B, e jamais inventar o seu próprio padrão. E necessário saber que todo o material de cabeamento estruturado disponível no mercado é fornecido para o padrão A ou B, ou então se adapta aos dois.

Figura 1.19. Conector RJ-45 (Padrão de Cores).

1.2.8.2 Cabo Coaxial

O cabo coaxial é constituído de um condutor interno circundado por uma malha condutora externa, tendo entre ambos um dielétrico que os separa. O cabo coaxial, ao contrário do par trançado, mantém uma capacitância constante e baixa, teoricamente independente do comprimento do cabo. Esse fator faz com que os cabos coaxiais possam suportar velocidades mais elevadas que o par trançado.