FAINOR - FACULDADE INDEPENDENTE DO NORDESTE CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO
EMANOEL MESSIAS BARROS FERNANDES JÚNIOR
TÉCNICAS DE MODULAÇÃO UTILIZADA EM ACESSO À INTERNET BANDA LARGA
VITÓRIA DA CONQUISTA – BA FEVEREIRO 2007
ii
EMANOEL MESSIAS BARROS FERNANDES JÚNIOR
TÉCNICAS DE MODULAÇÃO UTILIZADA EM ACESSO À INTERNET BANDA LARGA
Monografia apresentada como requisito final para a obtenção do grau de Bacharel em Engenharia de Computação.
Orientador: Marlon Caíres Pamponet Co-Orientador: Bruno Silvério Costa
VITÓRIA DA CONQUISTA – BA FEVEREIRO 2007
iii
EMANOEL MESSIAS BARROS FERNANDES JÚNIOR
TÉCNICAS DE MODULAÇÃO UTILIZADA EM ACESSO À INTERNET BANDA LARGA
Esta monografia foi julgada e aprovada para a obtenção do grau de Bacharel em Engenharia de Computação pela Faculdade Independente do Nordeste
Vitória da Conquista, 15 de Fevereiro 2007.
____________________________________ Prof. Wilton Lacerda Silva, M. Sc. Coordenador do Curso de Engenharia de Computação
BANCA EXAMINADORA
____________________________________ Prof. Marlon Caíres Pamponet, Esp. FAINOR – Faculdade Independente do Nordeste
____________________________________ Prof. Bruno Silvério Costa, Esp. FAINOR – Faculdade Independente do Nordeste
___________________________________ Prof. Wilton Lacerda Silva, M. Sc. FAINOR – Faculdade Independente do Nordeste
iv
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a DEUS, ao meu pai Emanuel Messias, a minha mãe Ana Maria, as minhas irmãs Emanuella e Déborah, e a minha namorada Débora Natália.
v
AGRADECIMENTOS
Agradeço a DEUS que me iluminou e me deu força em toda a minha vida e jornada acadêmica. Aos meus pais, e minhas irmãs pelos incentivos, e constantes apoio pelas fases de minha vida. A minha namorada pela compreensão e apoio. Ao meu orientador Marlon Pamponet, e meu Coorientador Bruno Costa pela dedicação, incentivo, conhecimento transmitido, e confiança em minha pessoa. Aos meus colegas, professores e funcionários da faculdade, que tiveram papel fundamental para a realização deste curso. A toda minha família: avó, tios, tias, primos, primas, amigos e amigas pelo incentivo e apoio. E
a
todas
as
pessoas
diretamente e indiretamente.
que
contribuíram
vi
“A esperança é o único bem comum a todos os homens, aqueles que nada têm – ainda a possuem.”
Tales de Mileto
vii
RESUMO
FERNANDES JÚNIOR, Emanoel Messias Barros. Técnicas de Modulação Utilizada em Acesso à Internet Banda Larga. 2006. 54 pg. Vitória da conquista (BA). Monografia (Bacharel em Engenharia de Computação), FAINOR – Faculdade Independente do Nordeste.
Esta obra trata de um estudo sobre as técnicas de modulação de acesso à Internet banda larga, existente na atualidade para a transmissão e recepção de dados em alta velocidade. Objetiva-se apresentar as técnicas de modulação, capacidade de transmissão e características utilizadas na rede de telefonia fixa, tais como a QAM, CAP e DMT. Um software foi desenvolvido pra melhor demonstrar os sinais das modulações 4QAM, 16QAM e 64QAM, ilustrando as portadoras, a forma de onda e o VectorScope, onde é mostrado o símbolo da forma de onda em seu determinado quadrante.
PALAVRAS-CHAVES: Acesso Banda Larga, Capacidade de Transmissão e Técnicas Modulação.
viii
ABSTRACT FERNANDES JÚNIOR, Emanoel Messias Barros. Técnicas de Modulação Utilizada em Acesso à Internet Banda Larga. 2006. 54 pg. Vitória da conquista (BA). Monografia (Bacharel em Engenharia de Computação), FAINOR – Faculdade Independente do Nordeste.
This workmanship deals with a study about access modulation techniques to the Internet broad band, existing in the present time for the transmission and reception of data in high speed. Objective to present the modulation techniques, capacity of transmission and characteristics used in the net of fixed telephony, as QAM, CAP and DMT. A software was developed to demonstrate carrier, the signals in the modulations 4QAM, 16QAM e 64QAM, illustrating the wave form and the VectorScope, where the symbol of the form of wave in its determined quadrant is show.
KEYWORDS: Access Broad band, Capacity of Transmission and Techniques Modulation.
ix
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Estrutura de um modulador QAM.............................................................19 Figura 2 – Estrutura de um demodulador QAM.........................................................20 Figura 3 – Diagrama de codificação 16 QAM............................................................20 Figura 4 – Canal dividido em 256 sub-canais............................................................23 Figura 5 – Modos de operação DMT.........................................................................23 Figura 6 – Estrutura de um modulador DMT .............................................................24 Figura 7 – Estrutura de um demodulador DMT .........................................................25 Figura 8 – Multiplicação por Divisão na Freqüência..................................................27 Figura 9 – Cancelamento de Eco ..............................................................................28 Figura 10 – Transformador Híbrido no modo Cancelamento de Eco ........................28 Figura 11 – Esquema de transmissão com cancelamento de eco ............................29 Figura 12 – ADSL Full Rate.......................................................................................33 Figura 13 – ADSL Lite ...............................................................................................33 Figura 14 – Separação de bandas nas linhas RADSL ..............................................34 Figura 15 – Diagrama de Classes .............................................................................45 Figura 16 – Diagrama de Seqüência para cenário existente.....................................46 Figura 17 – Diagrama de Seqüência para cenário não existente..............................46
x
LISTA DE TABELA Tabela 1 – VDSL – Distância X Velocidade ..............................................................36
xi
LISTA DE ABREVIATURAS ADSL
Assymetric Digital Subscriber Line
AM
Amplitude Modulation
ANSI
American National Standards Institute
AOC
ADSL Overhead Control
ASCII
American Standard Code for Information Interchange
ASK
Amplitude Shift- Keying
ATM
Asynchronous Transfer Mode
CAP
Carrierless Amplitude and Phase
CRC
Cyclic Redundancy Check
DFT
Discrete Fourier Transform
DMT
Discrete Multi Tone
DSL
Digital Subscriber Line
DSLAM
Digital Subscriber Line Access Multiplexer
DSP
Digital Signal Processor
EOC
Embedded Operations Channel
ETSI
European Telecommunications Standards Institute
FDM
Frequency Division Multiplexing
FEC
Forward Error Correction
FEXT
far-end-crosstalk
FFT
Fast Fourier Transform
HDSL
High bit-rate Digital Subscriber Line
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
IDFT
Inverse Discrete Fourier Transform
IFFT
Inverse Fast Fourier Transform
IP
Internet Protocol
ISI
Intersymbol Interference
ISM
Instrumentation, Scientific & Medical
ISP
Internet Service Provider
ITU
International Telecommunication Union
NEXT
Near-end-crosstalk
PSK
Phase Shift Keying
POST
Plain Old Telephone Service
xii
QAM
Quadrature Amplitude Modulation
QoS
Quality of Service
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
RADSL
Rate Adaptative Digital Subscriber Line
SDSL
Symmetrical Digital Subscriber Line
TDM
Time Division Multiplex
UML
Unified Modeling Language
VDSL
Very high data rate Digital Subscriber Line
WAP
Wide Area Network
xiii
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................15 1.1 JUSTIFICATIVA...............................................................................................16 1.2 OBJETIVO GERAL ..........................................................................................16 1.3 OBJETIVO ESPECÍFICO ................................................................................16 1.4 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA....................................................................17 2 REFERENCIAL TEÓRICO.....................................................................................18 2.1 TÉCNICAS DE MODULAÇÃO DSL.................................................................18 2.1.1 Modulação QAM (Quadrature Amplitude Modulation)........................................ 19 2.1.2 Modulação CAP (Carrierless Amplitude and Phase) ............................................ 21 2.1.3 Modulação DMT (Discrete Multi-Tone) .............................................................. 22 2.2 MÉTODOS DE DIVISÃO DE ESPECTRO.......................................................26 2.2.1 FDM (Frequency Division Multiplexing)............................................................. 26 2.2.2 Cancelamento de Eco .......................................................................................... 27 2.3 FAMÍLIA XDSL (X Digital Subscriber Line) ......................................................29 2.3.1 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) ...................................................... 31 2.3.2 RADSL (Rate Adaptative Digital Subscriber Line) .............................................. 34 2.3.3 SDSL (Symmetrical Digital Subscriber Line) ...................................................... 34 2.3.4 HDSL (High bit-rate Digital Subscriber Line)...................................................... 35 2.3.5 VDSL (Very high data rate Digital Subscriber Line)............................................ 35 3 METODOLOGIA ....................................................................................................37 3.1 TIPO DE PESQUISA .......................................................................................37 3.2 ABORDAGEM DA PESQUISA ........................................................................38 3.3 TIPO DE MÉTODO..........................................................................................38 3.4 UNIVERSO DA PESQUISA .............................................................................38 4 ESTADO DO TRABALHO .....................................................................................39 5 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS ...........................................................47 REFERÊNCIAS.........................................................................................................49 APÊNDICE................................................................................................................51 Figura 1 - Tela principal, onde o usuário escolhe a modulação desejada ou escolhe a opção de ajuda...............................................................................51 Figura 2 - Tela com o campo onde o usuário vai digitar o texto ou buscar o arquivo............................................................................................................51
xiv
Figura 3 - Tela onde é apresentado o campo da seqüência binária e o gráfico das portadoras................................................................................................52 Figura 4 - Tela com o gráfico da forma de onda, da portadora escolhida pelo usuário............................................................................................................52 Figura 5 - Tela com três canais. .....................................................................53 Figura 6 - Formas de ondas da portadora clicada e das portadoras dos demais canais.................................................................................................53 Figura 7 - Tela com o gráfico da forma de onda e do VectorScope desta forma de onda...........................................................................................................54 Figura 8 - Tela de Ajuda onde se encontra um manual de utilização do software. .........................................................................................................54
15
1 INTRODUÇÃO
Quando as companhias telefônicas conseguiram atingir a taxa de transmissão de dados de 56Kbps via conexão discada, acreditou-se que a velocidade máxima havia sido alcançada. Porém, a necessidade de transferência de dados a uma maior velocidade surge à medida que novas tecnologias de multimídia vão aparecendo, pois a transmissão de dados pelo acesso discado é muito lenta e é feita utilizando mesma a largura de banda utilizada para voz que é limitada na freqüência de 0 a 4 KHz. Nos primórdios das conexões na internet, o serviço telefônico, não permitia a conexão simultaneamente de dados (internet) e voz, pelo motivo de usar a mesma freqüência (COMER, 2001). Os fabricantes de equipamentos de comunicação de dados e as operadoras de telecomunicações fizeram altos investimentos, desenvolvendo novas tecnologias para melhorar o acesso e possibilitar aplicações que necessitam da grande largura de banda. Daí surgiu à tecnologia DSL (Digital Subscriber Line), ou Linha Digital de Assinante, que oferece serviços de acesso à banda larga com um baixo custo de implementação. Esta tecnologia foi desenvolvida nos laboratórios da Telcordia Technologies, Inc., Morristown, N.J., e mais tarde passou a ser conhecida com Bellcore (FERNANDES, 1999). A tecnologia DSL notavelmente ADSL (Linha Digital de Assinante Assimétrica) utiliza largura de banda para transmissão e recepção de dados, mas para isso acontecer foi necessário empregar técnicas de codificação e modulação mais complexas. Através destas técnicas foi possível a transmissão e recepção de dados em alta velocidade, sem que voz e dados se interfiram, tendo a vantagem para o usuário que pode ficar conectado 24 horas por dia, sem ocupar a linha telefônica. A tecnologia DSL aproveita praticamente toda a largura de banda disponível pela linha telefônica.
16
A tecnologia ADSL não está associada ao meio físico, e sim ao modem que é utilizado por ela. A Infra-estrutura necessária para implantação da nova tecnologia, aproveita
as
linhas
telefônicas
de
cobre
existentes
das
operadoras
de
telecomunicações, por este motivo não foi necessário um investimento muito alto em infra-estrutura.
1.1 JUSTIFICATIVA
O acesso à banda larga (ADSL) vem obtendo mercado, em conseqüência das baixas velocidades e qualidade ruim da conexão discada. Por isso é necessário ter um estudo e uma análise da tecnologia, principalmente nas técnicas de modulação utilizadas, voltada para área acadêmica. Com o surgimento e implantação do serviço de acesso em banda larga, técnicas de modulação digital foram empregadas para que as elevadas taxas de transmissão fossem atingidas. Por essa razão, este estudo está sendo desenvolvido para contribuir como uma fonte de pesquisa e até mesmo como ponto de partida para outros trabalhos científicos, voltados para a área de modulação e codificação digital.
1.2 OBJETIVO GERAL
Apresentar um estudo sobre a tecnologia de acesso a banda larga para a telefonia fixa. Descrever as tecnologias que o acesso à banda larga pode oferecer. E demonstrar através de um software as modulações 4QAM, 16QAM e 64QAM.
1.3 OBJETIVO ESPECÍFICO
Apresentar e analisar as técnicas usadas para a modulação, transmissão e recepção de dados, usados em acesso à banda larga; Apresentar e analisar os métodos de divisão de espectro; Apresentar as características do acesso em banda larga; Implementar um software onde será simulado as modulações 4QAM, 16QAM e 64QAM .
17
1.4 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA
No capítulo 1 consta à introdução, onde é apresentado um resumo sobre o avanço do acesso a banda larga, é apresentada também uma justificativa do avanço do acesso à banda larga, objetivo geral e objetivo específico. No capítulo 2 serão apresentadas às técnicas de modulações DSL (Digital Subscriber Line), que são aplicadas na rede de telefonia fixa, para obter o acesso em banda larga. Dentre elas estão QAM (Quadrature Amplitude Modulation), CAP (Carierless Amplitude and Phase) e DMT (Discrete Multi Tone). Ainda no mesmo capítulo são apresentados os métodos de divisão de espectros, onde serão apresentados os métodos de divisão de largura de banda, utilizados pelas modulações de acesso a banda larga, onde estão os métodos: FDM (Frequency Division Multiplexing) e o Cancelamento de Eco. Também neste capítulo é apresenta a Família xDSL, onde serão analisadas as principais tecnologias de transmissão DSL (Digital Subscriber Line). Dentre elas estão ADSL (Assymmetric Digital Subscriber Line), RADSL (Rate Adaptative Digital Subscriber Line), SDSL (Symmetrical Digital Subscriber Line), HDSL (High bit-rate Digital Subscriber Line) e VDSL (Very high data rate Digital Subscriber Line). O capítulo 3 apresenta a metodologia científica utilizada pra desenvolver a monografia. Onde será descrito o tipo de pesquisa, a abordagem da pesquisa, o tipo de método, o universo da pesquisa e os tipos de fontes bibliográficas. O capítulo 4 apresenta o estado do trabalho, onde é apresentada a descrição das atividades realizadas, como a descrição do desenvolvimento do software, composta por requisitos funcionais e não funcionais, modelagem do sistema e descrição do software. No último capítulo será apresentada a conclusão do trabalho e a proposta de trabalho futuro.
18
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 TÉCNICAS DE MODULAÇÃO DSL
Modulação é o processo que consiste em variar uma ou mais características do sinal portador, através do sinal modulante. O sinal modulante é o sinal que se deseja transmitir, mas devido à característica de baixas freqüências, este deve ser superposto a uma portadora de freqüências mais altas, para adequar as freqüências ao sistema de comunicação e facilitar a transmissão do sinal através do meio físico (SOARES NETO, 2005). A transmissão de um sinal numa linha telefônica é feita usando características analógicas, sendo limitada pela largura de banda, pela interferência entre os símbolos da forma como são transmitidos e pela relação sinal ruído (MORAES, 2004). Para a transmissão de dados numa DSL ser feita sobre o meio analógico, é necessário o uso de técnicas de codificação do canal, que transforma um sinal digital em um analógico. Por esse motivo, a transformação é feita utilizando técnicas de modulação mais modernas, que tem como objetivo adequar o sinal ao meio. A modulação pode ser feita variando a amplitude, fase ou freqüência da onda portadora, separada ou em conjunto. A modulação não só permite a transmissão simultânea de diversos sinais sem interferências entre eles, mas também uma transmissão mais eficaz dos sinais (LIMA, CORDOVIL, 2001). Dentre as técnicas digitais de modulação, três delas serão apresentadas e analisadas, pois as mesmas são usadas pela tecnologia DSL. As técnicas de modulação digital para o acesso a banda larga são: QAM (Quadrature Amplitude Modulation), CAP (Carrierless Amplitude end Phase) e DMT (Discrete Multi-Tone) (WIRTH, 2003).
19
2.1.1 Modulação QAM (Quadrature Amplitude Modulation) A técnica de codificação QAM, é uma combinação da modulação PSK (Phase Shift-Keying), onde a informação é transmitida através da variação de fase, com a modulação ASK (Amplitude Shift-Keying), onde a informação é transmitida através da variação da amplitude. É implementada em modulação digital de alta velocidade com largura de faixa limitada no espectro ou em modulação analógica, apresentando um maior rendimento e grandes performances nas altas velocidades. A definição dos seus símbolos é baseada nos valores de amplitude e fase da onda portadora. Tanto a amplitude como a fase da portadora, varia de acordo com a informação a ser transmitida (MEDEIROS, 2004). A modulação é obtida por um modulador em quadratura, onde existem duas portadoras com a mesma freqüência, porém com uma diferença de fase de 90 graus, ou seja, amplitudes e fases diferentes. Na transmissão o sinal gerado, é dividido em dois sinais independentes a serem transmitidos. O primeiro sinal é o original, é misturado com o componente do cosseno da portadora, ou seja, o sinal de fase é multiplicado por um cosseno. O segundo sinal é o original defasado em 90 graus, é misturado com a componente do seno da portadora, ou seja, o sinal de quadratura é multiplicado por um seno. Logo em seguida passa por um conversor digital analógico, e por fim os sinais são somados e enviados no mesmo canal de transmissão. Conforme a figura 1 (ANSWERS, 2006).
Figura 1 – Estrutura de um modulador QAM Fonte: ANSWERS (2006)
O demodulador executa o processo inverso do transmissor. O sinal é multiplicado por um cosseno e por um seno, logo em seguida passa por um filtro passa baixa para extrair a componente de fase e de quadratura, logo depois o sinal
20
passa por um conversor analógico/digital, e no final os sinais são unidos, restando apenas um sinal que foi extraído pelo filtro. Conforme a figura 2.
Figura 2 – Estrutura de um demodulador QAM Fonte: ANSWERS (2006)
Na modulação QAM, um sinal de 16 QAM contém 16 símbolos, onde apresenta 4 símbolos em cada quadrante. Cada símbolo codifica 4 bits, sendo 2 bits modulados em fase e os outros 2 bits modulados em amplitude, produzindo uma velocidade de transmissão 4 vezes maior que a modulação normal (NASCIMENTO, 2000). Veja a figura 3.
Figura 3 – Diagrama de codificação 16 QAM Fonte: NASCIMENTO (2000)
O número antes do QAM representa a quantidade de símbolos possíveis, chamada de constelação. Na modulação QAM são possíveis constelações com sinais de 4, 16, 64, 256, 512 e 1024 QAM, porém quanto maior for o nível de sinal, maior será a quantidade de informação transferida por cada símbolo, tornando-se mais eficaz, no entanto quanto mais símbolos, mais apto a ruídos o sinal vai estar, sendo necessário uma melhor relação sinal ruído, para sobrepor as interferências e manter uma determinada taxa de erros de bits, o que pode afetar a qualidade do serviço
21
(QoS). A redução na distância entre símbolos é um indicador qualitativo do aumento na taxa de erro de bit. (MEDEIROS, 2004). Em um sistema de modulação, o tráfego dos dados é de grande importância, pois o mesmo não pode conter erro, devido o significado de cada bit, caso algum seja alterado a informação pode ter seu significado distorcido. A integridade dos dados tem prioridade em relação ao tempo que a mesma leva pra ser transmitida. Nesta modulação existem dois tipos de trafego: o trafego interleaved, implementa o método de correção de erro, e prioriza a integridade dos dados e o fast que não implementa correção de erro, e é aplicado em aplicações de tempo real, pois sofre uma latência menor, priorizando a velocidade de transmissão (LIMA; CORDOVIL, 2001). É usado o sistema FEC (Forward Error Correction), para detecção e correção de erros, pois o mesmo insere informações adicionais na transmissão, as quais são usadas na recepção para corrigir erros até certo limite, sem a necessidade de repetição. Com isso ele aumenta a confiabilidade da transmissão de dados.
2.1.2 Modulação CAP (Carrierless Amplitude and Phase) A modulação CAP consiste em uma modulação derivada da QAM, entretanto com característica de suprimir a onda portadora, pois a mesma não representa nenhuma informação. Através da supressão da portadora o rendimento da banda é de 100%, pois a portadora que ficava com a maior parte da potencia é suprimida, ficando toda a potência para o transporte da informação (ROSA, 2002). Esta modulação só funciona com o método de divisão de espectro FDM, onde a largura de banda é dividida em três canais. A taxa de transmissão é em função da taxa de baud1, que esta relacionada com o tipo de codificação empregada, onde os códigos podem variar de 2 a 9 bits em cada símbolo, os quais podem variar de 4 a 512 níveis. A modulação CAP foi usada nas primeiras linhas da tecnologia ADSL, mas devido à falta de padronização gerou um grande problema, onde as várias implementações CAP, não comunicavam uma com a outra. A modulação CAP não 1
Taxa de Baud: é uma unidade de velocidade de transmissão, é equivalente a bit/s por segundo apenas quando cada sinal representa exatamente um bit.
22
era aprovada pelo ANSI (American National Standards Institute), pelo ETSI (European Telecommunications Standards Institute) e pelo ITU (International Telecommunication Union), que são as organizações de telecomunicações reponsáveis pela padronização na área de telecomunicação. Porém esta modulação é de baixo custo de implementação, e necessita de menos potência para enviar o sinal, pois a portadora é suprimida (WIRTH, 2003). Semelhante ao QAM, a modulação CAP permite dois tipos de tráfego: o primeiro tipo de tráfego transporta dados baseados em pacotes, onde o tráfego não é sensível à latência, pois ele prioriza a integridade do dado, que para isso implementa o método FEC (Forward Error Control), que aumenta a confiabilidade da transmissão de dados e ainda serve para detecção e correção do erro. O segundo tipo de tráfego também transporta pacotes, porém é sensível a latência, não priorizando a integridade dos dados, mas sim o tempo de transferência de dados, ou seja, o tempo de ida e volta do mesmo. Além de usar o método FEC, para aumentar a confiança na transmissão dos dados, a CAP ainda transmite um canal chamado EOC (Embedded Operations Channel), que monitora e detecta problemas no canal (LIMA, CORDOVIL, 2001).
2.1.3 Modulação DMT (Discrete Multi-Tone)
A modulação DMT consiste na divisão da largura de banda em três canais, o primeiro canal é o POTS, que é reservado pra voz, o segundo canal é o de upload e o terceiro é usado para download. É uma modulação em que os dados de entrada são coletados e distribuídos sobre um grande número de pequenas portadoras individuais, ou seja, o sistema divide a largura banda em 256 sub-canais, onde cada um possui uma largura de faixa de 4 KHz, e as portadoras estão separadas por intervalos de 4,3125 KHz, onde cada sub-canal utiliza a modulação QAM com portadoras separadas, afim de diminuir estatisticamente as perdas com ruído (WIRTH, 2003). Conforme a figura 4.
23
Figura 4 – Canal dividido em 256 sub-canais
Cada sub-canal suporta enviar de 2 a 15 bits por símbolo, a variação do número de bits depende do ruído, atenuação da linha e da modulação QAM aplicada. Com isso permite a transmissão de até 60 Kbps/sub-canal (4 KHz x 15 bits), no entanto algumas execuções permitem 16 bits por sub-canal, o que aumenta a capacidade de 60 para 64 Kbps/sub-canal. Para criar múltiplos canais e dividir a banda da linha telefônica, a modulação DMT opera com dois tipos de método: FDM e Cancelamento de Eco. Conforme a figura 5.
Figura 5 – Modos de operação DMT Fonte: SANTOS (2006)
No método FDM, dos 256 sub-canais, 6 são reservados para POTS, onde um é utilizado pelo sub-canal de voz e os outros 5 são reservado para evitar interferência entre o canal de voz com o de dado. Já no canal de upload são usados
24
25 sub-canais para o envio de dados. No canal de download são usados 224 subcanais para receberem dados. Isto porque não existe sobreposição espectral, já para o método Cancelamento de Eco, são usados os mesmos 6 sub-canais para POTS e 250 sub-canais para upload e download, já que neste método existe a sobreposição espectral. Geralmente os sub-canais de 250 a 255, não são usados para transportar informações, pois sofrem muitas perdas devido à atenuação. Na transmissão os bits de entrada primeiramente passam por um conversor serial-paralelo, onde os dados são distribuídos em várias portadoras individuais. Em seguida passa por um codificador de símbolos DMT, onde a largura de banda é dividida em 256 sub-canais, onde cada um utiliza a modulação QAM em cada portadora, isto é feito com objetivo de diminuir as perdas com ruído. Logo em seguida passa pelo algoritmo IFFT (Inverse Fast Fourier Transform), que efetua a IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform), que é usado para modular o sinal. Este algoritmo também é usado para converter o sinal do domínio da freqüência para o domínio do tempo, em portadoras ortogonais. Depois de modulados, os dados passam por um conversor digital-analógico (D/A), pois a linha de transmissão só envia dados de forma analógica. Por fim segue pela linha de transmissão (MALBURG, 2004). Conforme a figura 6.
Figura 6 – Estrutura de um modulador DMT Fonte: ROSA (2002)
O receptor executa o processo inverso do moduador, onde os dados que chegam passam por um conversor analógico-digital (A/D). Para a demodulação do sinal, o mesmo passa pelo algoritmo FFT (Fast Fourier Transform), que efetua a DFT (Discrete Fourier Transform) de uma forma mais rápida e econômica, e funciona como demoduladora do sinal digital. O FFT é um algoritmo que calcula a DFT. O mesmo também é usado para converter um sinal do domínio tempo para o domínio da freqüência, o que proporciona o recebimento de dados em paralelo com
25
símbolos maiores. Logo depois passa por um decodificador de símbolo DMT, que juntará os sub-canais em um canal, e por fim passa por um conversor paralelo-serial gerando os dados de saída. Conforme a figura 7.
Figura 7 – Estrutura de um demodulador DMT Fonte: ROSA (2002)
Antes de transmitir os dados à modulação DMT testa a qualidade da linha para determinar a capacidade transmissão de cada sub-canal, este teste é feito através do procedimento chamado handshaking. Os sub-canais são monitorados constantemente, caso a qualidade do canal atual estiver baixa, o sinal é deslocado para outro sub-canal, isso tanto para a transmissão quanto para a recepção. Por essa razão nota-se uma característica desta modulação que é a flexibilidade. Existem dois tipos de tráfego na modulação DMT: o tráfego interleaved prioriza a integridade dos dados, onde os mesmos podem sofrer atrasos, mas não podem conter erros, por isso é usado o método de correção de erro via codificação Reed Solomon, que permite ao receptor detectar e corrigir erros introduzidos por interferências presentes no meio de transmissão. Este codificador acrescenta bytes de redundância, para caso haja erro o receptor conseguir corrigir. Já o tráfego fast prioriza a velocidade de transmissão, onde não deve sofrer atrasos. Este tipo de tráfego não implementa correção de erro, e é aplicado em aplicações de tempo real, pois sofre uma latência menor (LIMA; CORDOVIL, 2001). A modulação DMT é padronizada pelo ANSI e denominado de T1. 413, e em seguida pelo ETSI e ITU. O padrão ITU é usado na tecnologia ADSL, como ITU 992.1 (G.dmt) e ITU 992.2 (G.lite). A modulação DMT é a modulação padrão para a tecnologia ADSL (WIRTH, 2003). Esta modulação tem uma boa relação sinal-ruído, pois ao dividir a banda em 256 canais, a energia possível deste ruído é dividida entre os vários canais, também elimina os problemas das altas interferências.
26
2.2 MÉTODOS DE DIVISÃO DE ESPECTRO
A largura de banda de uma linha telefônica é maior do que necessário para o transporte de um único sinal de voz. Por isso, podem ser empregar métodos de divisão de largura de banda, para dividir e transportar múltiplos canais sobre o par de fios. Para criação de múltiplos canais, o modem DSL divide a largura de banda da linha telefônica em duas maneiras: FDM ou Cancelamento de Eco (CE). Estes métodos estabelecem três canais lógicos, um para POTS (canal de voz) e os outros dois: um para upload e outro para download. No método FDM, existe uma faixa de segurança entre os canais, para que um não interfira no outro, permitindo que a linha telefônica continue ativa independente do modem DSL, o que garante a qualidade do serviço voz (CARNEIRO et al., 2005).
2.2.1 FDM (Frequency Division Multiplexing)
O método FDM divide a largura de banda em 3 canais, onde um é utilizado para o canal de voz e os outros são utilizados um para upload, que é utilizado para a transmissão de dados e o outro para download, que é utilizado para a recepção de dados, em freqüências diferentes e sem sobreposição espectral. Esta divisão é feita utilizando filtros que fazem à separação dos canais. A banda reservada para receber dado (download), é dividida em um ou mais subcanais mais estreitos de alta velocidade, com tamanho de aproximadamente 4 KHz, usando a técnica TDM (Time Division Multiplexing). Esta técnica é utilizada para permitir a existência de vários canais de comunicação em um mesmo meio de transmissão, onde estes canais são separados por períodos distintos de tempo. Por essa razão, é possível transmitir mais informação com a mesma largura de banda. A separação desses subcanais é feita usando filtros passa-faixa de modo a isolar a banda desejada (LATHI, 1987). Na tecnologia ADSL a divisão da largura de banda é feita da seguinte forma. A freqüência de 0 aos 4 KHz é reservada para o canal de POTS, que é o canal de voz. As freqüências de 5 a 25 kHz são reservadas para garantir a faixa de segurança, para que um canal não interfira no outro. A largura de banda entre 26 e os 134 kHz são reservadas para o canal de upload, as freqüências de 135 a 137 kHz são reservadas
27
para garantir a faixa de segurança. As freqüências de 138 KHz até a 1,104 MHz são reservadas para o canal de download. Por esta razão, permite a conversação (voz) e transmissão e recepção de dados (Internet), sem um serviço interferir no outro. Conforme a figura 8.
Figura 8 – Multiplicação por Divisão na Freqüência Fonte: WIRTH (2005)
Já as outras tecnologias DSL os limites dos canais inferiores e superiores da largura de banda, dependem de vários fatores. O método FDM, apresenta a vantagem que cada canal tem sua freqüência reservada, provendo à não interferência de um canal no outro. A tecnologia ADSL baseado no método FDM elimina a interferência NEXT, que ocorre quando um sinal que trafega em um par de cabos interfere em um par adjacente, através do casamento indutivo e capacitivo. Portanto a interferência FEXT, pode ocorrer no canal de download, que é um canal extenso e de freqüências elevadas. A interferência FEXT resulta de um sinal transmitido na direção oposta do sinal de origem (LIMA, CORDOVIL, 2001).
2.2.2 Cancelamento de Eco
O método Cancelamento de Eco a largura de banda é dividida em 3 canais sendo um para voz, e os outros um para upload e outra para download, onde é aplicada uma sobreposição espectral da banda superior (download) sobre a banda inferior (upload). Na tecnologia ADSL a divisão da largura de banda é feita da seguinte maneira. A freqüência reservada para o canal POTS é de 0 a 4 kHz, pois
28
esta é o canal de voz. Os canais destinados para a transmissão e recepção de dados estão sobrepostos cuja freqüência varia de 26 kHz a 1,104 MHz, conforme a figura 9 (WIRTH, 2003).
Figura 9 – Cancelamento de Eco Fonte: WIRTH (2005)
Nesta técnica os dados são enviados simultaneamente em ambas as direções, pois o mesmo utiliza à mesma freqüência (sobreposição espectral). Por esta razão, é utilizado um transformador híbrido que separa o sinal transmitido do sinal recebido, sem trazer perda de informações, utilizando apenas os dados de interesse, e ainda serve para adaptar de 4 fios (2 pares) para 2 fios (1 par), pois ao passar para o canal que interliga o usuário a central, só utiliza 2 fios (1 par). Conforme mostra a figura 10 (AGOSTINI et al., 2000).
Figura 10 – Transformador Híbrido no modo Cancelamento de Eco Fonte: Watanabe (2003)
29
O equipamento híbrido funciona através do comportamento do fluxo de uma bobina, a qual combinada com algumas impedâncias anula o eco de forma, que o sinal transmitido é cancelado através de uma copia inversa do mesmo. Por esta razão, os dados transmitidos não interferem nos recebidos. Veja a figura 11, que mostra o esquema de transmissão com cancelamento de eco.
Figura 11 – Esquema de transmissão com cancelamento de eco Fonte: ROSA (2002)
A ocorrência do eco é devida ao descasamento de impedâncias entre circuitos internos da rede de comutação, ou seja, parte do sinal transmitido é absorvido no seu próprio receptor. Caso a impedância da linha de transmissão não esteja casada com a impedância de terminação, pode ocorrer reflexão do sinal, que causará interferência NEXT (WATANABE, 2003). Esta técnica é muito complexa, devido à variação do eco, que esta associada ao tipo de cabo utilizado. No entanto apresenta a vantagem de ambos os sinais serem mantidos nas freqüências mais baixas possíveis, permitindo atingir maiores distâncias. A tecnologia ADSL baseada na técnica de cancelamento de eco pode ocorrer interferências NEXT, caso as impedâncias não estejam casadas.
2.3 FAMÍLIA XDSL (X Digital Subscriber Line)
A tecnologia DSL, foi desenvolvida nos laboratórios da Telcordia Technologies, Inc., Morristown, N.J., e mais tarde passou a ser conhecida com Bellcore, utilizando técnicas digitais de sinais com freqüências de até 2,2 MHz, cujo objetivo são conexões de alta velocidade a um baixo custo, pois irá aproveitar os pares trançados
30
dos fios de cobre que são utilizados pelas empresas de telefonia, sem causar interferência na faixa de voz, e apresentando a vantagem do computador pode estar sempre conectado. Esta técnica otimiza a largura de banda com velocidades, que variam de 128 Kbps a 52 Mbps, a depender da freqüência do sinal e do comprimento do par trançado. A tecnologia DSL é praticamente a camada física, tendo funcionalidades múltiprotocolos, podendo ser utilizados diversos protocolos do nível da camada de enlace e rede como IP, Frame Relay, ATM e etc (SOARES NETO, 2005). Existem dois tipos de DSL, assimétrico e simétrico. No assimétrico as larguras de banda para a transferência de dados para download e upload são diferentes, pois a largura de banda destinada para recepção de dados é maior do que para transmissão de dados. No simétrico as larguras de banda para a transferência de dados para download e upload são iguais, portanto a largura de banda destinada para recepção e transmissão de dados é igual (FERNANDES, 1999). A família DSL possui diversas variações para atender a necessidade de cada usuário. Através das diferentes tecnologias, é empregado o acrônimo xDSL, onde o prefixo “x” substitui uma ou mais letras, que apresenta seus principais acrônimos ADSL, RADSL, SDSL, HDSL e VDSL. Portanto cada tecnologia oferece suas diversas formas de transmissão e recepção, funcionalidades e características próprias, diferenciando-se uma das outras (SILVA, 1997). Antes da conexão xDSL, a capacidade de transmissão através dos pares dos fios de cobre não era totalmente utilizada, pois a largura de banda ocupada pela voz é de 0 a 4KHz, o que não chega a 1% da largura de banda disponível para linha telefônica. As técnicas de modulação aplicada pela conexão xDSL, passaram a usar praticamente toda a largura de banda disponível, a qual ficou dividida para voz, transmissão e recepção de dados (SOARES NETO, 2005). Uma característica da conexão xDSL é a distância entre o usuário e a central que oferece o serviço, que de acordo a distância aumenta, a qualidade do sinal diminui e conseqüentemente, a velocidade de conexão também diminui. Portanto quanto maior for à distância para transmissão, maior será a atenuação, indicando que a mesma aumenta proporcional com a velocidade de transmissão, diminuindo a distância máxima que poderia ser alcançada. Devido a isso o serviço xDSL tem uma distância limitada entre o usuário e a central. Esta limitação é conseqüência de um dispositivo chamado load coil usados pelas centrais telefônicas. É um dispositivo
31
indutor, o qual ligado em série com a linha telefônica, diminui a atenuação da linha, compensando a capacitância da mesma, funcionando como um amplificador para sinais de voz, cuja freqüência é baixa. Já para as conexões DSL, cujas freqüências são muito altas, este dispositivo é incompatível (LIMA, CORDOVIL, 2001). Além do ruído de qualquer sistema eletrônico, um outro tipo de interferência nas linhas de conexões DSL é a chamada crosstalk, causado por uma determinada quantidade de energia da linha, ser irradiada e absorvida por outra linha. Existem dois tipos do efeito crosstalk, NEXT (near-end-crosstalk) e o FEXT (far-end-crosstalk). O efeito NEXT, acontece quando o cabo 1 está transmitindo um sinal próximo de outro cabo 2, que através do casamento indutivo e capacitivo, o cabo 2 recebe o sinal, que viaja em sentido oposto do sinal transmitido. O efeito FEXT, o transmissor do cabo 1 induz o ruído no receptor que esta no outro lado do cabo 2, causando o ruído entre os sinais que viajam no mesmo sentido, ou seja, o ruído se mistura com o sinal recebido, advindos de fontes distantes. Não gera grandes problemas, pois o sinal que interfere (ruído) tem pouca potência, comparando com o sinal a receber. Uma solução possível seria reduzir o poder de transmissão, com relação ao comprimento do cabo (MEDEIROS, 2004). Aos usuários domésticos e pequenos escritórios, que desejam obter um serviço de acesso à banda larga (internet), os serviços assimétricos são os melhores, pois o mesmo tem uma melhor funcionalidade para eles. Já os provedores de internet e empresas devem usar serviços simétricos, devido a grande necessidade de fazer tanto download como upload.
2.3.1 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) É uma tecnologia que permite a transmissão de voz e dados (acesso a internet) em alta velocidade utilizando a linha telefônica sem interferência no funcionamento do telefone. Para isso é utilizado modem ADSL, que faz uso de uma técnica de processamento de sinal que permite tráfego de dados utilizando freqüências acima da reservada para o tráfego de voz (WIRTH, 2003). Como o nome já diz, a transmissão de dados é feita de forma assimétrica, podendo atingir no máximo 8 Mbps para download e 1 Mbps para upload, com uma distância máxima de até 5,5 Km entre o usuário e a central telefônica, a possibilidade
32
de transmitir com velocidade da ordem de Mbps diminui significativamente devido à atenuação do sinal. A divisão da largura de banda disponível para a linha telefônica pode ser de duas maneiras, FDM ou Cancelamento de Eco. As possíveis técnicas de modulações são DMT e CAP, pois através dessas é possível o envio de vídeo com alta qualidade. A largura de banda reservada para voz (POST), é padrão para essas técnicas de modulação, já a reservada para upload e download sofre uma pequena variação. A técnica de modulação CAP foi usada nas primeiras versões do ASDL, mas atualmente é usada a técnica DMT, como padrão (FRANCISCO; SOUZA; VIEGAS, 2003). O ADSL tem seu uso geral para acesso a Internet, onde a banda reservada para download (rede/cliente) é maior do que a banda reservada para upload (cliente/rede). Isso porque o usuário recebe mais dados da rede, do que envia pra rede. Diferente do modem convencional, o ADSL permite o usuário conectar-se na internet e realizar ligação telefônica simultaneamente, sem nenhum interferir no outro. Isso acontece devido à instalação de um aparelho chamado splitter, que separa os dados transmitidos e recebidos da voz. Este aparelho funciona com filtros seletivos. No entanto para a filtragem da voz é usado um filtro passa – baixa e para a filtragem de dados é utilizado um filtro passa – alta, eliminando a possibilidade de ocorrer interferências mútuas. Existe uma faixa de segurança entre os canais, para que possa ser garantida a qualidade de serviço (QoS) da voz (CARNEIRO et al., 2005). O splitter é um aparelho de mecanismo passivo, que não consome energia pra funcionar, por esta razão, o mesmo garante o serviço telefônico, até com a falta de eletricidade. Pode ser instalado na central telefônica e/ou na residência do usuário. Na central telefônica é instalado um equipamento chamado DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer), que é um multiplexador de acesso DSL, cuja função é concentrar o tráfego de dados das várias linhas de modem DSL e conectálo com a rede de dados. Apresenta a vantagem de possuir um painel (backplane) com conexões agregadas numa única conexão WAP (Wide Area Network), com velocidade acima de 1 Gbps. Esta conexão passa a ser controlada por um ISP (Internet Service Provider), que fornece os tradicionais serviços de internet (WIRTH, 2003). Atualmente existem dois padrões ADSL. O ADSL full rate (G.dmt ou ITU G.992.1) e o ADSL lite (splitteless, G.lite ou ITU G.992.2).
33
O ADSL full rate necessita da instalação de um separador (splitter) na ponta do usuário e na central, para separar a transmissão e recepção de dados do trafego de voz. De acordo com a figura 12. Para isso é necessário o envio de um técnico na casa do usuário para instalar o splitter, portanto o custo da instalação ficará mais alto. Mas de fato vai oferecer velocidade maior para transporte de dados, onde atinge no máximo 8 Mbps para download e 1 Mbps para upload.
Figura 12 – ADSL Full Rate Fonte: Fernandes (2006)
O ADSL lite, também conhecido como ADSL universal ou splitteless, elimina a necessidade da instalação do splitter, separador do trafego de dados e de voz na ponta do usuário. De acordo com a figura 13. Portanto não será necessário o envio de um técnico para instalar o separador na casa do usuário, esta separação é feita na própria central telefônica, por isso as operadoras preferem este serviço. Com isso a instalação do sistema se torna mais simples e com um custo menor. De fato é oferecida velocidade menor: 1,5 Mbps para download e 512 Kbps para upload. Com uma menor taxa de transferência, há uma maior tolerância a ruído.
Figura 13 – ADSL Lite Fonte: Fernandes (2006)
34
2.3.2 RADSL (Rate Adaptative Digital Subscriber Line) A tecnologia RADSL, é semelhante à tecnologia ADSL, sendo que ela é adaptativa, ou seja, o modem ajusta automaticamente a velocidade de acordo com a distância em relação a central telefônica e a qualidade da linha. A transmissão de dados pode ser feita de forma assimétrica ou de forma simétrica. Devido à largura de banda reservada o limite entre as bandas upload e download é variável, conforme a figura 14. De acordo as condições da linha, o limite superior da banda de upload é deslocado, com isso o limite inferior da banda de download também é deslocado. Fazendo com que a largura de banda seja adaptativa. Portanto quanto menor a banda de upload, maior será a de download e vice-verso. A largura de banda reservada para voz é de até 4 KHz (GALLO, 2003). Pode atingir velocidade de 640Kbps a 2,2Mbps para download, e de 270Kbps a 1,1Mbps para upload, e a distancia máxima entre a central e o usuário é de 5 Km. A divisão da largura de banda é feita usando o método FDM, e a técnica de modulação utilizada é a CAP (LIMA; CORDOVIL, 2001).
Figura 14 – Separação de bandas nas linhas RADSL Fonte: Garnier (2006)
2.3.3 SDSL (Symmetrical Digital Subscriber Line)
É uma tecnologia DSL na quais as taxas de transferência para download e upload são iguais, ou seja, a transmissão é feita de forma simétrica como o próprio nome já diz. O SDSL suporta velocidade de no máximo de 2,3 Mbps, a uma distância máxima de 6,6 Km, da central telefônica, usando linhas telefônicas convencionais.
35
Apresenta uma desvantagem pelo fato de não permitir o uso do telefone na mesma linha, ou seja, não suporta o tráfego de voz e dados, dispensando o uso de separadores POST. Para o tráfego de voz é necessária uma segunda linha telefônica. Utiliza a técnica de modulação CAP, e a divisão da largura de banda é feita usando o método do Cancelamento de Eco (BASTOS; GARCIA, 2004).
2.3.4 HDSL (High bit-rate Digital Subscriber Line)
É uma tecnologia DSL de transmissão simétrica, que utiliza a mesma largura de banda para download e upload. Apresenta a vantagem de utilizar à mesma infraestrutura usada pelos telefones. Oferece taxa de transmissão de 1,6 Mbps para transmissões half-duplex e 760 Kbps para transmissões full-duplex, utilizando dois pares de fios, e atingindo uma distância máxima de 3,6 Km. Esta transmissão só é possível devido ao uso do método de divisão da largura de banda chamada Cancelamento de Eco, o qual permite a transferência de sinais simultâneos nos dois sentidos e na mesma freqüência (GALLO, 2003). Esta tecnologia apresenta uma desvantagem devido ao fato de usar duas linhas, que usam a mesma freqüência de banda, não permitindo o uso do telefone enquanto a transferência de dados. Usa a técnica de modulação CAP, e a divisão de largura de banda é feita usando o método do Cancelamento de Eco. A tecnologia HDSL apresenta algumas semelhanças com a SDSL em relação à técnica de modulação e a divisão da largura de banda. Mas diverge devido ao uso de dois pares de fio, enquanto a SDSL só utiliza um par de fios (BASTOS; GARCIA, 2004).
2.3.5 VDSL (Very high data rate Digital Subscriber Line)
É uma tecnologia DSL na qual a transferência de dados é feita de forma assimétrica, a uma taxa de transferência muito alta. Foi desenvolvida para os usuários que necessitam de velocidades altíssimas, podem chegar a 52 Mbps para
36
download e 16Mbps para upload. É a tecnologia DSL mais rápida sobre um par de fios, onde a distancia mínima entre o usuário e a central é de 300 m e a distância máxima é de 1,5 Km, o que apresenta uma desvantagem em relação as outras tecnologias DSL, que apresentam distâncias bem maiores (WIRTH, 2003). Conforme a tabela 1.
Fonte: Fernandes (2006)
Tabela 1 – VDSL – Distância X Velocidade A técnica de modulação padrão ainda não foi definida, o que apresenta dois tipos de modulação possível, que é a CAP e DMT. A escolha destes tipos depende dos fabricantes. O método de divisão de largura de banda utilizado é o FDM (SOARES NETO, 2005).
37
3 METODOLOGIA
Neste capítulo será apresentado o tipo de pesquisa, a abordagem da mesma, o método científico utilizado, o universo de pesquisa e as fontes de informações. Metodologia estuda os meios ou métodos de investigação do pensamento, visando delinear um determinado problema, analisar e desenvolver observações criticá-las e interpretá-las a partir das relações de causa e efeito. A Metodologia são regras estabelecidas para o método cientifico, por exemplo, a necessidade de observar, de formular hipótese, de elaboração de instrumentos e etc.
3.1 TIPO DE PESQUISA
Existem diversos tipos de pesquisa, no entanto a pesquisa pode ser classificada por diversas maneiras, o que depende da pesquisa que esta sendo analisada. Visando um estudo voltado para as técnicas de modulação de acesso à banda larga realizou-se uma pesquisa exploratória, que visa ao pesquisador uma maior familiaridade com o conteúdo em estudo. A pesquisa exploratória utiliza métodos flexíveis, que aplicam levantamentos de fontes de informações secundárias, pois o mesmo usufruiu de um material pronto. O principal objetivo da pesquisa exploratória é em obter dados adicionais antes que se possa desenvolver uma abordagem.
38
3.2 ABORDAGEM DA PESQUISA
Quanto à abordagem de pesquisa, este trabalho é classificado como qualitativa, pois esta abordagem não depende de um conjunto de procedimentos que depende fortemente de análise de estatística para a suas dedução. Esta abordagem permite um estudo em questão em maior profundidade, com descrição detalhada, permitindo que o pesquisador tenha um maior conhecimento da questão estudada. A abordagem qualitativa nos leva, entretanto, a uma série de leituras sobre o assunto da pesquisa, para efeito da apresentação de resenhas, ou seja, relatar minuciosamente os diferentes autores ou especialistas escrevem sobre o assunto.
3.3 TIPO DE MÉTODO
Pode-se definir método como caminho para chegar a determinado fim ou objetivo. E método científico como o conjunto de procedimentos intelectuais e técnicos adotados para se atingir os conhecimentos. Ou seja, o método busca explicar quais são os motivos que levaram a escolha de um determinado caminho e não a o outro, sendo a linha de raciocínio adotada no processo de pesquisa. O método dedutivo procura transformar enunciados complexos, universais, em particulares. A conclusão sempre resultará em uma ou várias premissas, fundamentando-se no raciocínio dedutivo. O método utilizado foi o dedutivo, que através de um conceito geral chega-se a um conceito específico.
3.4 UNIVERSO DA PESQUISA
No universo de pesquisa não existe uma fórmula mágica e única para realizar uma pesquisa ideal; talvez não exista nem existirá uma pesquisa perfeita. A investigação é um produto humano, e seus produtores são seres falíveis. O universo de pesquisa neste trabalho foi em livros da área de redes e telecomunicação e em sites de alguns artigos e tutoriais.
39
4 ESTADO DO TRABALHO
Primeiramente foi realizado um estudo sobre as técnicas de modulação de acesso à internet banda larga. Em especial sobre a tecnologia DSL, a qual está sendo muito utilizada. Com isso, surgiu a proposta de fazer um estudo, com o objetivo de apresentar e analisar as técnicas de transmissão e recepção de dados, apresentar os métodos de divisão de espectro e desenvolver um software sobre a modulação QAM, onde o usuário entra com um texto ou busca um arquivo definido a ser modulado, e tem como saída o gráfico das portadoras, o gráfico da forma de onda da portadora e o gráfico do VectorScope. Este software serve como ajuda para o entendimento da técnica de modulação, e também ajuda o usuário entender como acontece a transmissão no acesso à banda larga em modulações diferentes. Quando os principais conceitos já estavam claros e descritos na revisão da literatura, foi implementado um software sobre as modulações 4QAM, 16QAM e 64QAM em virtude delas serem usadas pela modulação DMT, e é a modulação antecessora a modulação CAP. Na execução do programa o usuário vai escolher a modulação e clicar no botão OK (Figura 1). Logo em seguida aparece um campo onde o usuário vai entrar com um texto ou escolher um arquivo definido para simular a modulação escolhida (Figura 2). Este texto será transformado numa seqüência binária de acordo com a tabela ASCII (American Standard Code for Information Interchange). O próprio software divide a seqüência binária em múltiplos de n, a depender da modulação escolhida, onde cada portadora transmite uma quantidade de informação. Ao clicar no botão Gerar Gráfico o usuário terá como saída um campo com a seqüência binária do texto e o gráfico das portadoras (Figura 3), neste gráfico cada canal
40
suporta 256 portadoras, e cada uma transmite n bits a depender da modulação escolhida. Ao passar o mouse sobre a portadora, a mesma muda de cor e mostra o seu valor binário. No gráfico das portadoras o programa gera no máximo quatro canais, dando para o usuário perceber as variações na quantidade de canais e das portadoras. Ao clicar sobre a portadora, terá como saída uma janela com o gráfico da forma de onda, da portadora clicada (Figura 4) e caso tenha outros canais (Figura 5), também irá aparecer às formas de ondas (Figura 6) das demais portadoras que esteja na mesma freqüência da portadora clicada. Ao clicar sobre uma forma de onda, terá com saída o gráfico do VectorScope mostrando o símbolo na constelação, no seu respectivo quadrante com seu valor binário (Figura 7). No programa existe o botão de Ajuda, o qual remete a uma tela onde se encontra um manual de utilização do software, que serve para esclarecer dúvidas sobre o funcionamento do programa (Figura 8). Os requisitos funcionais do programa são: RF001 - Escolha da modulação 4QAM, 16QAM, ou 64QAM; RF002 - Apresentação da tela de ajuda; RF003 - Digitação do texto relativo à modulação; RF004 - Escolha do arquivo relativo à modulação; RF005 - Geração do gráfico da forma de onda; RF006 - Geração do gráfico do VectorScope; O RF001 refere-se à escolha do tipo da modulação para o qual o usuário quer que o gráfico seja gerado. Ao abrir o programa, a tela inicial exibe uma caixa onde se pode optar, pelas modulações 4QAM, 16QAM, ou 64QAM. Após a escolha, o usuário deverá clicar no botão OK e o sistema remeterá um novo campo onde será escrito o texto ou escolhido um arquivo. Ator: Usuário Prioridade:
(X)Essencial
( )Importante
( )Desejável
Entradas e pré-condições: O usuário deve escolher a modulação. Saídas e pós-condições: O programa reconhece a modulação escolhida, e abre um novo campo. Descrição do fluxo normal 1) O usuário escolhe o tipo de modulação, e em seguida pressiona o botão (Ok);
41
2) O programa verifica a existência da modulação; 3) O programa abre um novo campo; O RF002 refere-se ao botão de ajuda, caso o usuário tenha alguma dúvida em relação à utilização do software. Este botão remete a uma tela onde se encontra um manual de utilização do software. Ator: Usuário Prioridade:
( )Essencial
(X)Importante
( )Desejável
Entradas e pré-condições: O usuário clica no botão de Ajuda. Caso ele tenha dúvida ao usar o programa. Saídas e pós-condições: Uma tela onde se encontra o manual de utilização do programa. Descrição do fluxo normal 1) O usuário pressiona o botão (Ajuda); 2) O programa abre uma nova tela, com o manual de utilização; O RF003 após escolher o tipo da modulação, o usuário deve digitar a seqüência a ser modulada, para gerar o campo com a seqüência binária e o gráfico das portadoras. Ator: Usuário Prioridade:
(X)Essencial
( )Importante
( )Desejável
Entradas e pré-condições: O usuário vai digita o conteúdo a ser modulado. Saídas e pós-condições: Um campo com a seqüência binária do conteúdo digitado, e o gráfico das portadoras. Descrição do fluxo normal 1) O usuário deve digitar o conteúdo, e em seguida pressiona o botão (Gerar Gráfico); 2) É gerado um campo com a seqüência binária; 3) O programa abre uma nova janela com o gráfico das portadoras; Fluxo excepcional (Fechar tela) 4) O programa fecha a tela do gráfico das portadoras. O RF004 após escolher o tipo da modulação, o usuário pega o conteúdo de um arquivo no formato txt, para gerar o campo com a seqüência binária e o gráfico das portadoras.
42
Ator: Usuário Prioridade:
(X)Essencial
( )Importante
( )Desejável
Entradas e pré-condições: Conteúdo que contém no arquivo escolhido. Saídas e pós-condições: Uma janela com a seqüência binária do conteúdo escolhido, e o gráfico das portadoras. Descrição do fluxo normal 1) O usuário deve escolher o arquivo, e em seguida pressiona o botão (Gerar Gráfico); 2) É gerada a janela com a seqüência binária; 3) O programa abre uma nova janela com o gráfico das portadoras; Fluxo excepcional (Fechar tela) 4) O programa fecha a tela do gráfico das portadoras. O RF005 depois de gerado o gráfico das portadoras, o usuário pode escolher uma das portadoras para gerar sua forma de onda. Ator: Usuário Prioridade:
(X)Essencial
( )Importante
( )Desejável
Entradas e pré-condições: O gráfico das portadoras permite o usuário clicar numa portadora. Saídas e pós-condições: Uma janela com o gráfico da forma de onda da portadora escolhida, e caso tenha outras portadoras na mesma freqüência, também aparecera suas formas de onda. Descrição do fluxo normal 1) O usuário deve escolher uma das portadoras, ao passar o mouse sobre a mesma ela muda de cor e aparece o seu conteúdo binário. 2) Ao clicar sobre a portadora, é gerada uma nova janela com o gráfico da forma de onda; O RF006 depois de gerado o gráfico da forma de onda, o usuário pode clicar sobre a mesma, para gerar o gráfico do VectorScope. Ator: Usuário Prioridade:
(X)Essencial
( )Importante
( )Desejável
Entradas e pré-condições: O gráfico da forma de onda permite o usuário clicar sobre ela.
43
Saídas e pós-condições: Uma janela com o gráfico do VectorScope, o qual mostra o símbolo na constelação, no seu respectivo quadrante com seu valor binário. Descrição do fluxo normal 1) O usuário deve clicar sobre a forma de onda. 2) É gerada uma nova janela com o gráfico do VectorScope;
Há também os requisitos não-funcionais que são aqueles que não dizem respeito às funções do sistema e são descritos a seguir. RNF001 - Interface com o usuário O sistema possui uma interface de fácil utilização de modo a facilitar o uso por parte dos usuários. RNF002 - Linguagem de implementação A implementação do software foi realizada utilizando a linguagem de programação Java, devido a uma maior familiaridade e maior facilidade para o desenvolvimento da interface gráfica. Foi utilizado o padrão J2EE (Java 2 Enterprise Edition), que é voltado para aplicações WWW (World Wide Web). A sua utilização foi devido a uma perspectiva futura de disponibilizar o software na Internet para eventuais estudos. RNF003 – Ferramentas O sistema foi desenvolvido com o auxílio das ferramentas NetBeans IDE 3.6 para edição do código, desenvolvimento de interface gráfica e como compilador; e Rational Rose para análise e projeto em UML (Unified Modeling Language). RNF004 - Plataforma de funcionamento O sistema funcionará em qualquer terminal com o sistema operacional Windows. O programa é composto de quatro classes: EscolheModulação, Portadoras, Grafun e Grafun1. A classe EscolheModulação é responsável pela criação da tela inicial, controlando as ações inerentes a ela, pela chamada das outras classes. Os componentes gráficos são inicializados pelo método initComponents( ). Nela contém um commom button, onde se pode escolher o tipo de modulação; um botão OK que confirmará a escolha; e o botão Ajuda, que remete a uma tela de ajuda com o
44
manual de utilização do software. A ação do botão OK está prevista no método jButton1ActionPerformed(java.awt.event.ActionEvent evt) que abrirá uma nova janela onde o usuário vai digitar o conteúdo ou buscar um arquivo para gerar o gráfico, e a chamada da tela de ajuda é feita pelo botão Ajuda está descrita no método jButton2ActionPerformed(java.awt.event.ActionEvent evt). Com o novo campo existem o método jButton3ActionPerformed(java.awt.event.ActionEvent evt) que descreve o evento associado ao botão Gerar Gráfico, de modo que, quando acionado,
cria
instâncias
das
classes
Portadoras;
o
método
jButton5ActionPerformed(java.awt.event.ActionEvent evt) que apresenta o botão Buscar arquivo, de modo que, quando acionado, busca o conteúdo que está salvo dentro
do
arquivo;
e,
por
fim,
pelo
método
jButton4ActionPerformed(java.awt.event.ActionEvent evt), onde está descrito o evento associado ao botão Fechar, o qual fecha as telas. A classe Portadoras é chamada pela ação do botão Gerar Gráfico da classe EscolheModulação. Ela é responsável pela criação do gráfico das portadoras. Tendo as funções MouseClick(), responsável em chamar a classe Grafun, através do click do mouse; e a função MouseMoved(), função responsável em mudar a cor da portadora e mostrar o seu valor binário da mesma quando mover o mouse sobre ela. A classe Grafun é responsável pela criação do gráfico em forma de onda. Onde tem a função desenhagrafico(), responsável em desenhar o gráfico da forma de onda. As modulações 4QAM, 16QAM e 64QAM, compostos por 2, 4 e 6 bits respectivamente, metade dos bits é relativa à amplitude e a outra metade refere-se à fase. Então esses valores são repassados como parâmetro para a função calculaGrafico (int a, int b, double t, double y1)
onde é aplicada a fórmula da
modulação e transformados os valores em forma de onda. A aplicação da fórmula chama a função teta(int vla, int vlb) e a função abdt(int valor) que calculam a fase e a amplitude do sinal. Tem o método eixos_pontos() que desenha os pontos dos eixos com distância de 1 entre eles. Por fim, tem as funções MouseClick(), responsável em chamar a classe Grafun1, através do click do mouse sobre a forma de onda; e a função MouseMoved(), função responsável em mostrar o valor binário da forma de onda quando mover o mouse sobre ela. A classe Grafun1 é responsável em gerar o gráfico do VectorScope. A função desenhagrafico() funciona da mesma forma que na classe Grafun. A função paint(Graphics graf) desenha os pontos do gráfico VectorScope. Esta função
45
também pinta de vermelho os pontos referentes ao sinal que está sendo representado na forma de onda. A figura 15 ilustra o diagrama de classes do software, mostrando as classes com seus respectivos métodos, seus relacionamentos e atores. A modelagem muito importante para o sistema, pois define todas as classes que o sistema necessita possuir e é a base para a construção dos diagramas de seqüência.
Usuári o (f rom Use Case View)
escolheModulacao
Portadoras
ini tComponents() jButton1ActionPerformed() jButton2ActionPerformed() JButton3Acti onPerformed() JButton4Acti onPerformed() JButton5Acti onPerformed()
Portadoras() paint() eixos_pontos() MouseCli ck() MouseMoved()
Grafun Grafun() cal cul aGrafico() paint() actionPerformed() desenhagrafi co() abdt() teta() eixos_pontos() MouseMoved() MoudeCli ck()
Grafun1 Grafun1() paint() actionPerformed() desenhagrafi co() eixos_pontos()
Figura 15 – Diagrama de Classes
46
A figura 16 ilustra o diagrama de seqüência para cenário existente, e a figura 17 ilustra o diagrama de seqüência para cenário não existente. Estas figuras são diagramas simples e lógicos, a fim de tornar óbvios a seqüência e o fluxo de controle. Também são usadas para representar o comportamento das operações.
EscolheModula ção
Gera o gráfico das Portadoras
Gera o gráfico das formas de onda
Gera o gráfico do VectorScope
: Usuário
Escolha do tipo da modulação
Gerar o gráfico das portadoras do conteúdo inserido
Busca do arquivo escolhido pelo usuário
Clicar na portadora para gerar a sua form a de onda
Fechar Tela
Clicar na form a de onda para gerar o seu VectorScope
Figura 16 – Diagrama de Seqüência para cenário existente
Ajuda : Us uário
Solicitar ajuda para operar o s is tema
Sair da tela de ajuda
Figura 17 – Diagrama de Seqüência para cenário não existente
47
5 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS
Com a realização do estudo é possível concluir que cada técnica de modulação apresenta suas vantagens e desvantagens em relação aos aspectos que são mais importantes para elas. Cada uma oferece suas formas de transmissão e recepção de dados, suas funcionalidades e características próprias. Este trabalho apresentou uma análise das técnicas de modulação usada para transmissão e recepção de dados em acesso a banda larga, onde foram descritos os tipos de modulação, as tecnologias onde elas são usadas e suas capacidades de transmissão. Também foi desenvolvido um software para ajudar no entendimento de como são implementadas as modulações. Através do software pode-se concluir que quanto maior for à constelação da modulação, maior é a velocidade de transmissão da informação. Pois ao enviar um texto através da modulação 4QAM, o gráfico terá uma grande quantidade de portadoras, pois cada uma transporta 2 bits. Já ao enviar o mesmo texto com a modulação 16QAM, a quantidade de portadoras reduz pela metade, pois cada uma transporta 4 bits, já com a modulação 64QAM, a quantidade de portadoras reduz a 1/3, pois cada uma transporta 6 bits. Também pode concluir que num canal de 256 portadoras, a modulação 4QAM transporta X caracteres, a modulação 16QAM transporta 2X caracteres e a modulação 64QAM transporta 3X caracteres. Com isso nota-se que a modulação maior transmite mais informação do que as outras, devido o seu canal de portadoras transmitir bem mais caracteres, tornando a transmissão mais eficiente e veloz. As técnicas de modulações procuram cada vez mais aumentar as taxas de transmissão de dados, porém procurando manter uma boa qualidade de serviço e uma boa relação sinal ruído. Novos estudos estão sendo feitos para a aplicação de velocidades mais elevadas.
48
Conclui-se que o trabalho alcançou os objetivos propostos uma vez que atendeu ao objetivo geral de realizar um estudo sobre as técnicas de modulação de acesso a banda larga e demonstrar através de um software a simulação da modulação QAM. Este projeto de graduação foi de grande importância para o amadurecimento pessoal. E o conhecimento adquirido ao longo do curso também foi de grande importância para a produção deste trabalho. A partir do trabalho realizado, ficam algumas sugestões para serem realizados trabalhos acadêmicos no futuro. Alguns trabalhos podem ser desenvolvidos dando continuidade e até mesmo aprimorar a idéia inicial, de forma que este software pode ser disponibilizado na web, uma vez que o mesmo foi desenvolvido utilizando o padrão J2EE (Java 2 Enterprise Edition), que é voltado para aplicações WWW (World Wide Web), onde pode ser acrescentado maior aplicabilidade ao mesmo. Também podem ser acrescentadas ao software mais técnicas de modulação, dando maior funcionalidade ao mesmo.
49
REFERÊNCIAS AGOSTINI, l., et al., Modelagem e Simulação de um Sistema de Comunicação Digital de Assinante no Ambiente SIMOO. Disponível em: <http://www.iberchip.org/VII/cdnav/pdf/0.pdf> Acesso em: 22 Fev. 2006. ANSWERS. Quadrature amplitude modulation. <http://www.answers.com/qam> Acesso em: 20 Mar. 2006.
Disponível
em:
BASTOS, M. P. C. H., GARCIA, E. F., Acesso xDSL. Disponível em: <http://www.midiacom.uff.br/~debora/redes1/pdf/trab042/XDSL.pdf> Acesso em: 20 Fev. 2006. CARNEIRO et al., Rede de Acesso ADSL / ATM – arquitetura, componentes, serviços. Disponível em: <http://gnomo.fe.up.pt/~arestivo/page/artigos/seminarios/2005/grupo12.pdf> Acesso em: 18 Fev. 2006. COMER, D. E., Redes de Computadores e Internet. Tradução: Marinho Barcellos. 2º ed. – Porto Alegre: Bookman, 2001. CUNHA, D. O., Conservação de Energia em Redes Ad Hoc. Disponível em: <http://www.gta.ufrj.br/ftp/gta/TechReports/Cunha04/Cunha04.pdf> Acesso em: 09 Jun. 2006. FRANCISCO, A., SOUZA, H., VIEGAS, J., ADSL – Asymmetric Digital Subscriber Line. Disponível em: <http://mega.ist.utl.pt/~hcso/adsl/index.php?id=intro> Acesso em: 16 Fev. 2006. FERNANDES, E. A., Estudo Comparativo: DSL x Cable Modem. Disponível em: <http://valtereugenio.ubbihp.com.br/cablemodem_dsl.pdf> Acesso em: 20 Fev. 2006. GALLO, M. A., Comunicação entre computadores e tecnologia de redes. Tradução: Flávio Soares, Marcio Rodrigo, Ana Cristina de Melo – São Paulo: Pioneira Thonson Learning, 2003. LATHI, B. P., Sistemas de Comunicação. Tradução: Junqueira, L. M., Fernandes, L. M. – Rio de Janeiro: Ed. Guanabara, 1987, 147 p. LIMA, A. C., CORDOVIL, A. N., ADSL – Asymmetric Digital Subscriber Lines (Linha Digital de Assinantes Assimétrica). Disponível em: <http://www.cci.unama.br/margalho/portaltcc/tcc2001/adsl.pdf> Acesso em: 05 Mar. 2006.
50
LIMA, A. da S., UML 2.0 do Requisito à solução. São Paulo: Érica, 2005. MALBURG, M. M., Modulação. Disponível em: <http://www.gta.ufrj.br/grad/04_2/Modulacao/index.html#Topic9> Acesso em: 01 Mar. 2006. MEDEIROS, J. C. de O., Princípios de Telecomunicações: Teoria e prática. São Paulo: Érica, 2004. MORAES, A. F. Redes de Computadores: Fundamentos. São Paulo: Érica, 2004. NASCIMENTO, J. do. Telecomunicações – 2º edição. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2000. PETERS, J. F., PEDRYCZ, W., Engenharia de Software. Tradução: Ana Patrícia Garcia – Rio de Janeiro: Campus, 2001. ROSA, I. G., ADSL – Asymmetric Digital Subscriber Line. Disponível em: <http://www.gta.ufrj.br/grad/02_1/adsl/> Acesso em: 23 Fev. 2006. SILVA, Adaiton J. S. xDSL: Mais uma Promessa? Disponível <http://www.rnp.br/newsgen/9711/xdsl.html> Acesso em: 15 Fev. 2006.
em:
SOARES NETO, V., Telecomunicações: Sistema de Modulação. São Paulo: Érica, 2005. SOUZA, L. B., Redes de Computadores: Dados, Voz e Imagem. São Paulo: Érica, 1999. TANEMBAUM, Andrew. S., Redes de Computadores. 4ª ed. Tradução: Vandenberg, D. de Souza – Rio de Janeiro, Elsevier, Ed. Campus, 2003, 314 p.. WATANABE, E. H., xDSL. Disponível em: <http://www.gta.ufrj.br/grad/02_2/xdsl/index.html> Acesso em: 18 Fev. 2006. WIRTH, A., Formação e Aperfeiçoamento profissional em TELECOMUNICAÇÕES & REDES DE COMPUTADORES. Rio de Janeiro: Axcel Books do Brasil, 2003.
51
APÊNDICE
Figura 1 - Tela principal, onde o usuário escolhe a modulação desejada ou escolhe a opção de ajuda.
Figura 2 - Tela com o campo onde o usuário vai digitar o texto ou buscar o arquivo.
52
Figura 3 - Tela onde é apresentado o campo da seqüência binária e o gráfico das portadoras.
Figura 4 - Tela com o gráfico da forma de onda, da portadora escolhida pelo usuário.
53
Figura 5 - Tela com trĂŞs canais.
Figura 6 - Formas de ondas da portadora clicada e das portadoras dos demais canais.
54
Figura 7 - Tela com o gráfico da forma de onda e do VectorScope desta forma de onda.
Figura 8 - Tela de Ajuda onde se encontra um manual de utilização do software.