Apostila

Apostila Básica sobre transmissão de TV Digital – Padrão Brasileiro

Capitulo 1:

Para começarmos a falar sobre TV Digital devemos conhecer os tipos de modulação digital que existem e entender, ao menos, o básico de cada uma. É importante lembrar que, quando falamos de modulação digital, podemos esquecer variações lineares do sinal modulador e nos concentramos em níveis lógicos de zero (0) e um (1).

Nos podemos modular uma portadora, digitalmente das seguintes formas:

Em amplitude.

Em fase.

Em frequência

Em fase e amplitude

Cada uma destas modulações receberá um nome diferente e tem suas próprias características.

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A modulação em amplitude recebe o nome de ASK e isto quer dizer que a amplitude da portadora é mudada de acordo com os bits de entrada. Para nível um teremos uma amplitude e para nível zero teremos outra amplitude.

ASK significa – Amplitude Shift Key. Veja na figura abaixo uma representação deste tipo de modulação:

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A modulação em fase recebe o nome de PSK e isto quer dizer que a fase da portadora é mudada de acordo com os bits do sinal modulante ou do sinal de entrada. Para zero teremos uma fase e para um teremos outra fase.

PSK significa – Phase Shift Key. Veja na figura abaixo uma representação deste tipo de modulação:

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A modulação em freqüência recebe o nome de FSK e isto quer dizer que a freqüência da portadora estará sendo alterada de acordo com os bits, que são sempre 0 ou 1, do sinal

modulante. Para zero teremos uma freqüência e para um teremos outra freqüência.

FSK significa – Frequency Shift Key. Veja na figura abaixo uma representação deste tipo de modulação:

Podemos representar esta modulação em um gráfico indicando as fases da portadora e chamamos este gráfico de diagrama de constelação. Eis um exemplo abaixo:

Este tipo de modulação que varia a portadora em fase pode ter mais posições dentro da portadora dentro do Gráfico acima mostrado e recebe novos nomes:

QPSK: neste tipo modularemos a portadora com dois bits diferentes e com isto conseguimos quatro possibilidades, sempre lembrando que só estamos trabalhando com 0 e 1. Veja a tabela abaixo:

E o diagrama de constelação fica assim:

Podemos chamar estes bits de símbolos, de forma a termos uma nomenclatura mais simples para explicarmos sistemas mais complexos.

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A modulação em amplitude e fase recebe o nome de QAM e isto quer dizer que a amplitude e a fase da portadora irão mudar de acordo com os bits do sinal modulante, que é composto de zeros e uns. Este tipo de modulação pode “carregar” mais informação que as modulações citadas anteriormente.

QAM significa – Quadrature Amplitude Modulation. E o diagrama deste tipo de modulação realmente parece uma constelação. Podemos ter diferentes tipos de QAM, 16QAM, 64QAM e o número que vem antes do QAM define o número de posições que a portadora pode assumir no diagrama de constelação e, conseqüentemente, o número de bits que podem ser transmitidos. Quanto mais bits mais informação pode ser transmitida e maior a banda ou“espaço” ocupado pela transmissão.

Veja o diagrama para 16QAM:

Veja o diagrama de constelação para o 64 QAM:

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Como estamos falando de bits que tem uma variação abruta, ou é zero ou é 1 e isto em eletrônica significa dois níveis de tensão que podemos chamar de zero volt para zero e 5 volts para um, podemos perceber e devemos ter claro que as variações nas portadoras serão abruptas também. Veja a figura abaixo para ter uma noção melhor disto. Em azul e na parte de cima do gráfico temos os bits e na parte de baixo e em vermelho temos a portadora.

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Voltando a falar sobre o 64QAM, que é uns dos tipos de modulação que usamos no sistema brasileiro de TV Digital, vamos ver algumas características do mesmo:

O diagrama de constelação é muito útil para termos uma noção rápida de como está nossa modulação. Os pontos devem estar dentro de certos parâmetros para que tenhamos uma pequena quantidade de erros. Para usar o português claro os pontos devem estar fixos e em uma posição definida, exatamente como no diagrama do 64QAM visto anteriormente. Falamos que um sinal com baixo ruído deve apresentar os pontos dentro das fronteiras de decisão.

Existe uma unidade para medir este ruído e é chamada de MER.

Acima temos uma tela de um equipamento que mostra o diagrama de constelação. Este sinal tem baixo ruído.

Abaixo temos o mesmo sinal com mais ruído:

Podemos perceber que os pontos não estão nítidos e que começam a invadir o espaço uns dos outros, ou seja, estão saindo das fronteiras de decisão. Isto quer dizer que na hora de demodulador este sinal o receptor não saberá qual valor numérico, em binário, deve dar para cada ponto.

O nome deste tipo de erro é MER, e seu valor é dado em dB. Quanto maior o valor, em dB, do MER, melhor será o nosso sinal.

MER significa: Modulation Error Ratio ou Relação de Erro da Modulação.

O MER mostra a relação entre a potencia do sinal da portadora e a potencia ou nível do ruído, através de um diagrama de constelação. Existe uma grande relação entre o MER e a C/N (relação sinal/ruído ou mais especificamente, relação portadora /ruído).

Podemos dizer que estas modulações são usados para convertermos uma informação em binário em um sinal que possa trafegar por mais longas distancias.

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No caso do sistema brasileiro de transmissão de TV Digital, depois de se modular uma parte do sinal em QPSK e outra em 64QAM este sinal, para ser transmitido sofrerá outro tipo de modulação que é a modulação OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex). O OFDM é um tipo de transmissão onde ao invés de apenas uma portadora levar toda a informação são criadas diversas sub-portadoras, que podem ser moduladas por sinais QPSK ou QAM, individualmente e independentemente uma da outra. Cada uma destas milhares de subportadoras carregam parte do sinal ou uma parte da informação que permitira se assistir um canal digital.

VLAN – Virtual Local Area Network

Uma VLAN (Virtual Local Area Network ou Virtual LAN, em português Rede Local Virtual) é uma rede local que agrupa um conjunto de máquinas de maneira lógica e não física.

Motivação

Imagine uma empresa, cujo crescimento acelerado impossibilitou um projeto ordenado de expansão, que possua uma dezena de departamentos conectados a uma rede local interna.

Ao contrário do que se pensa, os funcionários de cada departamento estão espalhados pelos andares da sede. Como organizar um domínio para cada setor da empresa?

Uma solução possível seria a segmentação da rede interna em redes virtuais, uma para cada departamento.

Outro exemplo é a formação de grupos temporários de trabalho. Hoje em dia é comum o desenvolvimeto de projetos envolvendo diversos setores de uma empresa, como marketing, vendas, contabilidade e pesquisa. Durante o período do projeto, a comunicação entre seus membros tende a ser alta. Para conter o trafégo broadcast, pode-se implementar uma VLAN para este grupo de trabalho.

Os exemplos anteriores mostram que as VLAN proporcionam uma alta flexibilidade a uma rede local. Isto é ideal para ambientes corporativos, onde a todo momento ocorrem mudanças de empregados, reestruturações internas, aumento do número de usuários, entre outras situações.

Entendendo a VLAN

Com o crescimento e aumento da complexidade das redes, muitas empresas adotaram as VLANs (redes locais virtuais) para tentar estruturar esse crescimento de maneira lógica. Uma VLAN é, basicamente, uma coleção de nós que são agrupados em um único domínio broadcast, baseado em outra coisa que não a localização física.

Na maioria dos switches, você pode criar uma VLAN, simplesmentepor uma conexão através da Telnet (em inglês). Depois, basta configurar os parâmetros da VLAN (nome, domínio e configuração das portas). Depois que você criar a VLAN, qualquer segmento de rede conectado às portas designadas vai se tornar parte desta VLAN.

Você pode criar mais de uma VLAN em um switch, mas estas redes não podem se comunicar diretamente por ele. Se elas pudessem, não faria sentido ter uma VLAN. Afinal, o objetivo da VLAN é isolar uma parte da rede. A comunicação entre as VLANs requer o uso de um roteador.

As VLANs podem se expandir por múltiplos switches e você pode configurar mais de uma VLAN em cada switch. Para que múltiplas VLANs em múltiplos switches possam se comunicar através de um link entre os switches, você deve usar um processo chamado trunking. Trunking é a tecnologia que permite que as informações de múltiplas VLANs trafeguem em um único link.

Tipologia

Foram definidos vários tipos de VLAN, de acordo com o critério de comutação e o nível em que se efetua:

· Uma VLAN de nível 1 (também chamada VLAN por porta, em inglês Port-Based VLAN) define uma rede virtual em função das portas de conexão no comutador;

· Uma VLAN de nível 2 (igualmente chamada VLAN MAC, em inglês MAC Address-Based VLAN) consiste em definir uma rede virtual em função dos endereços MAC das estações. Este tipo de VLAN é muito mais flexível que a VLAN por porta, porque a rede é independente da localização da estação;

· Uma VLAN de nível 3: distinguem-se vários tipos de VLAN de nível 3

o A VLAN por subrede (em inglês Network Address-Based VLAN) associa subredes de acordo com o endereço IP fonte dos datagramas. Este tipo de solução confere uma grande flexibilidade, na medida em que a configuração dos comutadores se altera automaticamente no caso de deslocação de uma estação. Por outro lado, uma ligeira degradação de desempenhos pode fazer-se sentir, dado que as informações contidas nos pacotes devem ser analisadas mais finamente.

o O VLAN por protocolo (em inglês Protocol-Based VLAN) permite criar uma rede virtual por tipo deprotocolo (por exemplo TCP/IP, IPX, AppleTalk, etc.), agrupando assim todas as máquinas que utilizam o mesmo protocolo numa mesma rede.

Vantagens

A VLAN permite definir uma nova rede acima da rede física e a esse respeito oferece as seguintes vantagens:

· Mais flexibilidade para a administração e as modificações da rede porque qualquer arquitetura pode ser alterada por simples parametrização dos comutadores;

· Ganho em segurança, porque as informações são encapsuladas num nível suplementar e são eventualmente analisadas;

· Redução da divulgação do tráfego sobre a rede;

· Segurança. Separar os sistemas que contêm dados sigilosos do resto da rede reduz a possibilidade de acesso não autorizado.

· Projetos/aplicativos especiais. As tarefas de gerenciar um projeto ou trabalhar com um aplicativo podem ser simplificadas pelo uso de uma VLAN que congrega todos os nós necessários.

· Desempenho/Largura de banda. Um monitoramento cuidadoso da utilização da rede permite que o administrador crie VLANs que reduzam o número de saltos entre os roteadores e aumentem a largura de banda aparente para os usuário da rede.

· Broadcasts/Fluxo de tráfego. A característica principal de uma VLAN é que ela não permite que o tráfego broadcast chegue aos nós que não fazem parte da VLAN. Isso ajuda a reduzir o tráfego de broadcasts. As listas de acesso permitem que o administrador da rede controle quem vê o tráfego da rede. Uma lista de acesso é uma tabela criada pelo administrador nomeando os endereços que têm acesso àquela rede.

· Departamentos/Tipos específicos de cargos. As empresas podem configurar VLANs para os departamentos que utilizam muito a Internet (como os departamentos de multimídia e engenharia) ou VLANs que conectam categorias específicas de empregados de departamentos diferentes (gerentes ou pessoal de vendas).

Padrões

As VLAN são definidas pelos padrões IEEE 802.1D, 802.1p, 802.1Q e 802.10. Para mais informações, é aconselhável consultar os documentos seguintes :

· IEEE 802.1D

· IEEE 802.1Q

· IEEE 802.10

Tratamento de Quadros

Quando um dispositivo de rede (ponte, comutador), com suporte ao padrão IEEE 802.1Q, recebe quadros vindos de uma estação de trabalho, ele os rotula, marca. Este rótulo (tag), chamado de identificador VLAN (VID), indica a rede virtual de onde vem o quadro. Este processo é chamado de marcação explícita (explicit tagging).

Também é possível determinar a qual VLAN o quadro recebido pertence utilizando a marcação implícita (implicit tagging). Neste procedimento o quadro não é rotulado, mas VLAN de origem do quadro é identificada por outro tipo de informação, como por exemplo a porta onde o quadro chegou.

A marcação pode ser baseada na porta de onde veio o quadro, no campo do endereço MAC (Media Access Control) da fonte, no endereço de rede de origem ou algum outro campo ou combinação destes. As VLANs podem ser classificadas de acordo com o método utilizado.

Para ser capaz de rotular um quadro, utilizando qualquer um dos métodos citados anteriormente, o dispositivo de rede deve manter atualizado uma base de dados contendo um mapeamento entre VLANs e de onde e qual o campo é utilizado na marcação. Este banco de informações é chamado filtering database e deve ser o mesmo em todos os equipamentos.

O comutador, ou ponte, determina para onde deve ir o quadro como numa LAN. Uma vez indicado o destino do quadro, também é necessário determinar se o identificador VLAN deve ser adicionado ao quadro e enviado.

Caso o destino do quadro seja um dispositvo com suporte a VLANs (VLAN-aware) o identificador VID é adicionado. Entretanto, se o destinatário não suporta o padrão IEEE 802.1Q (VLAN-unaware), o dispositvo envia o quadro sem VID.

Para entender como funciona uma rede local virtual é necessário conhecer os seus tipos, as formas de conexão entre seus dispositvos, a base da dados utilizada para enviar corretamente os quadros a VLAN de destino (filtering database) e o processo de marcação, utilizado para identificar a VLAN originária do quadro.

O encaminhamento de pacotes para o padrão IEEE 802.1Q

As decisões sobre o encaminhamento dos quadros são baseadas nas três regras seguintes, considerando uma implementação baseada em portas (mais detalhes em “Classificação”):

· Regras de Entrada (Ingress Rules), utilizadas para determinar a quais VLANs pertencem os quadros recebidos.

· Regras de Encaminhamento entre Portas, decidem se o quadro deve ser filtrado ou encaminhado.

· Regras de Saída (Egress Rules), determinam se o quadro deve ser enviado com ou sem rótulo.

Classificação de Quadros

As redes locais virtuais lidam com três tipos básicos de quadros:

· Quadros sem rótulo (Untagged frames)

· Quadros com rótulo de prioridade (Priority-tagged frames)

· Quadros com rótulo VLAN (VLAN-tagged frames)

Um quadro sem rótulo ou com rótulo de prioridade não carrega nenhuma identificação de qual VLAN veio. Tais quadros são classificados como vindos de uma VLAN particular baseado em parâmetros associados a porta receptora, ou, em soluções proprietárias, baseado no conteúdo do quadro (endereço MAC, identidficador de protocolo da camada 3, etc.).

É importante observar que para o propósito de indentifição de uma VLAN, os quadros com rótulo de prioridade são tratados igualmente aos sem rótulo. A prioridade é tratada por outro padrão, o IEEE 802.1p, assunto de um outro trabalho desta mesma disciplina.

Um quadro com rótulo VLAN carrega um identificação explícita da sua VLAN de origem (VID), ou seja, ele possui em seu cabeçalho um rótulo contendo um campo VID não-nulo. Tal quadro é classificado como originário de uma VLAN particular baseado no valor deste identificador. A presença de um VID não-nulo no cabeçalho do quadro significa que algum outro dispositivo, ou o gerador do quadro ou uma ponte (ou comutador) com suporte a VLAN, mapeou este quadro em uma VLAN e inseriu o identificador apropriado.

Para uma dada VLAN, todos os quadros transmitidos devem ser rotulados obrigatoriamente da mesma forma neste segmento. Eles tem de ser ou todos sem rótulo, ou todos com rótulo VLAN, possuindo o mesmo VID.

Em outras palavras, um dispositivo pode transmitir quadros sem rótulo para algumas VLANs e quadros rotulados (VID) para outras em um dado enlace, mas não pode transmitir os dois formatos para mesma VLAN.

Marcação de Quadros (Tagging)

É necessário que os quadros, ao serem enviados através da rede, possuam um meio de indicar a qual VLAN pertencem, de modo que a ponte encaminhe-os somente para as portas que também pertencem a esta rede virtual. Do contrário, os quadros são encaminhados para todas as portas. Isto é o que normalmente ocorre.

Esta informação é adicionada ao quadro na forma de um rótulo ou marcação (tag) em seu cabeçalho. Este rótulo permite especificar informações sobre a prioridade de um usuário, assim como indica o formato do endereço MAC (Media Access Control).

Como visto anteriormente, quadros que possuem rótulo são enviados através de enlaces híbridos e “troncos”.

Existem dois formatos de rótulos:

· Rótulo para o cabeçalho do quadro Ethernet (Ethernet Frame Tag Header) – O rótulo para o quadro Ethernet consiste em uma identificação do protocolo (TPID – Tag Protocol Identifier) e uma informação de controlo (TCI – Tag Control Information). Sendo 2 octetos TPID e 2 octetos TCI;

· Rótulo para o cabeçalho Token Ring e FDDI (Fiber Distributed Data Interface) – O rótulo para o cabeçalho token ring e para o FDDI consiste de um campo TPID SNAP-codificado (SNAP-enconded TPID) e do campo TCI. Sendo 8 octetos TPID (SNAP codificado) e 2 octetos TCI.

O rótulo de identificação de protocolo indica que um rótulo de cabeçalho (tag header) vem a seguir. Já o TCI, figura 8, contém as informações sobre a prioridade do usuário, o formato canônico de indicação (CFI – Canonical Format Indicator), e o identificador VLAN (VID).

O campo de prioridade possui 3 bits. Ele carrega informações de prioridade para serem codificadas no quadro. Existem oito níveis de prioridade. O nível zero é o de menor prioridade e o sete de maior prioridade. Maiores informações sobre prioridade podem ser obtidas no suplemento IEEE 802.1p, tema de outro trabalho desta disciplina.

O bit CFI é usado para indicar que todos os endereços MAC presentes no campo de dados MAC (MAC data field) estão na forma canônica. Este campo é interpretado de forma diferente de acordo com a tecnologia utilizada (Ethernet, token ring, FDDI).

O campo VID é utilizado para identificar, de forma única, a qual VLAN pertence o quadro. Podem existir um máximo de 4095 VLANs (212 -1). O número zero é usado para indicar que não há um identificador VLAN, mas a informação sobre a prioridade está presente. Isto permite que a prioridade seja codificada em redes locais sem prioridade.

A inserção do rótulo no cabeçalho do quadro aumenta em quatro octetos o seu tamanho, no caso do Ethernet, e dez, no caso do token ring. Toda a informação contida no quadro original é retida.

O campo EtherType e o identificador VLAN são inseridos depois do endereço MAC da fonte, mas antes do campo EtherType/Tamanho ou Controle Lógico de Enlace (Logical Link Control).Como os quadros são agora mais longos, o CRC (Cyclic Redundancy Check) tem de ser recalculado.

Tipos de Conexões

Dispositivos em uma rede local virtual podem ser conectados de três maneiras diferentes, levando-se em consideração se estem suportam ou não o padrão IEEE 802.1Q (VLAN-awareou VLAN-unaware). São elas:

· Enlace tronco (Trunk Link) – Todos os dispositivos conectados a um enlace deste tipo, incluindo estações de trabalho, devem, obrigatoriamente, ter suporte à VLANs, isto é, serem dipositivos VLAN-aware. Todos os quadros em um trunk link tem de possuir um rótulo VLAN.

· Enlace de Acesso (Access Link) – Um enlace de acesso conecta um dispositivo sem suporte a VLAN a uma porta de uma ponte/comutador VLAN-aware. Todos os quadros neste tipo de enlace, obrigatoriamente, não devem possuir rótulo (mais detalhes em “classificação de quadros”). O dispositivo sem suporte pode ser um ou vários segmentos de uma rede local convencional contendo outros dispositivos também sem suporte ao IEEE 802.1Q.

· Enlace Híbrido (Hybrid Link) – Este é uma combinação dos dois enlaces anteriores. Em um enlace híbrido são conectados tanto dispositvos com suporte a VLANs, quanto os sem. Num enlace desta natureza pode haver quadros com (tagged frames) e sem rótulo (untagged frame), mas todos os quadros para uma VLAN específica tem de ser com rótulo VLAN ou sem rótulo. Vale lembrar que para situações de identificação os quadros com rótulo de prioridade são tratados como “sem rótulo”.

Uma rede pode possuir uma combinação dos três tipos de enlace anteriormente referidos.

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