Introdução

O aumento de demanda por serviços que exigem maiores taxas de transmissão de dados, somado a necessidade de se maximizar a relação entre os benefícios que a tecnologia trás e o custo associado, são requisitos que a tecnologia xDSL pretende atender.

xDSL, é uma notação que generaliza a família de protocolos para o Digital Subscriber Line, uma técnica de comunicação projetada para coexistir com os velhos serviços de telefonia, onde a infra-estrutura e os fios de cobre nos pares trançados podem ser aproveitados para a transmissão de dados em altas taxas, sem que voz e dados interfiram mutuamente. Esta é uma tecnologia que poderia ser interpretada como uma extensão para tecnologias mais avançadas como a ATM, onde a tecnologia DSL serviria como um meio de ligar o usuário final a um backbone na central telefônica.

Esta definição é muito pobre, e exige esclarecimento que no decorrer deste trabalho serão obtidas. Serão estudados: primeiramente os membros da família de protocolos de xDSL, as motivações para a sua implementação, a desvantagens ou dificuldades para tal e performance. Em seguida a camada física será apresentada, onde as técnicas de modulação ( QAM ) utilizadas e multiplexação ( DMT ) serão abordados.

Como adendo aos tópicos anteriores, métodos de migração e incorporação de DSL para diferentes redes de telecomunicações serão citadas ao final do trabalho.

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DSL

A definição de DSL ( Digital Subscriber Line ) poderia ser aplicada a qualquer transmissão digital pela linha que existe entre o assinante e o local de comutação regional, o que poderia incluir os antigos modems analógicos que utilizam a estrutura do sistema telefônico e os cable modems que utilizam linha própria ( ex. Cabo coaxial compartilhado ) para a transmissão de dados.

Entretanto apenas um número restrito de protocolos que se utilizem das ubiquas linhas de transmissão do antigo sistema de telefone, com a adição de novos métodos ( ex. Fibra ótica ), são considerados como DSL. Este sistema projetado para transmissão de voz e comutação de circuitos apresenta muitas limitações e dificuldades para a transmissão de sinais digitais.

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Por que utilizar DSL?

Entretanto o projeto desta estruturas leva em consideração não o número máximo de conexões e sim o uso médio desta. A isto chamamos de comutação de circuitos. Um exemplo que ilustrativo : caso tivessemos 10 usuários completamente conectados, necessitaríamos de 44 fios para conexão fim a fim entre os usuários. Se utilizássemos circuitos a comutação, poderiam-se utilizar 10 linhas para o atendimento destes 10 usuários. Se a média de uso indicasse que 6 usuários se comunicam ao mesmo tempo, então seriam necessárias apenas 3 linhas para conexão.

O projeto citado acima, com economia de até 41 linhas de transmissão, necessita do conhecimento do tempo médio de uso, número de usuários, entre outros. O problema é que o cenário de observação vem a sofrer uma severa mudança.

Primeiro com a introdução de novas tecnologias como o facsimile ( fax ) e o BBS ( Bulletin Board System), que não chegaram a alterar o perfil de uso do sistemas telefônico.

Em seguida, o mecanismo de multiplos, a Internet, veio a introduzir um novo cenário, onde o tempo de duração da ligação e número de usuários estariam por sobrecarregar o sistema. Modems de baixa velocidade também viriam a contribuir com extensos tempos de transmissão de dados.

Por último temos a Internet com os modems de 56K e o BRI ISDN ( Basic Rate Interface Integrated Service Digital Network). As linhas se tornam mais frequentemente ocupadas.

A questão agora é como utilizar este sistema, amplo, integrado e de cara substituição sem causar os problemas citados acima. A solução é a reutilização do que é caro para substituir ( ex. Fios de cobre no par trançado ), mudar o que for tangível e utilizar o sistema para transmitir informação da residência ou trabalho para a central de comutação, sem fazer uso ou interferir na rede de transmissão de voz.

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PSTN

Para descrever como o xDSL pretende integrar-se ao PSTN, devemos conhecer melhor alguns aspectos do sistema telefônicos. Uma observação a ser feita é que a maior parte das análises está direcionada a malha local, que utiliza os fios de cobre, enquanto que para rede de longa distância assume-se que estas são essencialmente redes digitais de alta velocidade.

1) Descrição do meio físico da malha local: Fio de Cobre – É o meio físico de transmissão extensivamente utilizado pelo sistema telefônico, da casa ou trabalho para a central de comutação ( malha local). Possui boa condutividade e maleabilidade. Utiliza sinais elétricos para a transmissão da informação. Apresenta problemas decorrentes da interferência entre os fios ( acoplamento capacitivo e indutivo geram o Cross talk ) e atenuação proporcional a distância. A fim de diminuir o Cross talk, os fios de cobre são utilizados em pares trançados, o que reduz a radiação eletromagnética. Entre os fios, poliethileno é mais. Na Europa, os pares trançados são manuseados em quads ( dois pares trançados entrelaçados ). Cada varios quads formam binders. Finalmente vários binders são agrupados em um único cabo. Nos EUA, não existe hierarquia e os pares trançados são agrupados sem formar quads. Para tratar da atenuação, o sinal analógico pode ser tratado por amplificadores, restaurando a potência do sinal ( sem reconhecimento ou correção de erros );já o sinal digital será tratado por repetidores, que regeneram a potência do sinal e detectam erros nos dados.

Muitos desses aspectos são descritos pelos padrões e recomendações. Entretanto motivos econômicos inibem o uso de técnicas que melhorariam o sistema de transmissão, como por exemplo o uso de blindagens entre os fios de pares trançados, pois isto elevaria o custo, muito embora diminua a interferência mútua.

Outra melhoria seria a utilização de fios de cobre de maior espessura, pois quanto maior a espessura menor a atenuação do sinal, o fio oferece menos resistência. A espessura dos fios de cobre são especificadas por padrões como o AWG ( American Wire Gauge ), onde por exemplo os fios de medida 18, 19, 23 e 28 tem respectivamente o diâmetro de espessura de 1.02 mm, 0.912 mm, 0.574 mm e 0.32 mm.

Outro problema, ou vantagem a ser explorada, é que embora o fio de cobre tenha uma natureza de filtro passa-baixa, ou seja a atenuação aumente para altas frequências, a rede utiliza apenas a faixa de 300 Hz a 3.3 kHz para a transmissão de voz, definindo a faixa de banda para uso geral entre 0 e 3.7 kHz. Para a utilização do FDM (Frequency Division Multiplexing), multiplexação em frequência, é definido um faixa ainda maior, de 4 kHz, para melhor separação entre os canais.

Curiosidade: esse valor de frequência, 4 kHz, é importante na dedução de outros valores normalmente mencionados como por exemplo os 64 kbits/s necessários para a transmissão digital de voz .

64 kbits/s = 4 kHz x 2 amostras x 8 bits / amostra.

Curiosidade 2: Aproximando-se para 3.5 kHz a frequência de corte, tem-se que 7 kHz é a frequência de amostragem de Nyquist. Por conta disto, os modems podem transmitir a no máximo a 56 kbps, para uma resolução de 8 bits.

Problemas da rede PSTN e da rede de acesso que podem comprometer o uso do xDSl:

2)Outros problemas na linha de transmissão:

a)Limitação em distância – este problema já citado anteriormente, pode limitar a distância da residência a central de comutação para apenas algumas centenas de metros, do contrário não há garantias sobre o serviço. Para VDSL, esta distância está restrita a 1000 pés, ou 304.8m. A tabela abaixo ilustra este problema para o ADSL.

Tabela Associando Taxa de Bits por Distância

b)Bobinas de carga – muito utilizada para linhas de transmissão de longa distância ( 6 km ), esta bobina visa a tornar a resposta em frequência mais plana, e ainda diminuir a atenuação da linha, compensando as capacitâncias parasitas. Infelizmente estas bobinas aumentam a atenuação da linha para sinais acima da banda de voz.

c)DLCs – utilizada em conjunto com os repetidores, os DLCs “esperam” converter sinais analógicos em sinais digitais próprios. Isto vem a ser um problema com xDSL que envia sinais digitais pela linha de transmissão da malha local.

d)Bridge Taps – Ocorrem quando ligações em aberto estão conectadas a pares trançados ativos. Isto pode causar reflexões de onda que alteram a resposta em frequência do fio, o que aumenta a interferência intersimbólica.

e)Transformador Híbrido – Utilizado para interconectar o caminho separado de um receptor e um transmissor até a rede, para uma transmissão bidirecional na malha. Caso a impedância da linha não esteja casada, pode ocorrer reflexão do sinal. Isto causará o NEXT, Near End Cross Talk. Este problema será revisto no item que trata da camada física.

f)Ruído Impulsional – o transiente na comutação, relâmpagos, entre outros, causam ruídos de grande amplitude, com duração de microsegundos nos fios de cobre.

g) RF – na linha de transmissão, conforme a frequência aumenta, aumenta o desbalanceamento, o que torna a linha suscetível a sinais de RF. Sinais de rádios amadores, AM de difusão, entre outros, criarão interferência para os sinais recebidos nos receptores.

h)Estudos demonstram que é mais fácil receber do que transmitir dados, se estivermos nos referindo ao assinante. Isto ocorre porque o Cross talk na Central Telefônica é muito mais significativo do que na residência do assinante. Devido a convergência de fios de par trançados para a central, a interferência mútua gera problemas de recepção. Por isso é mais interessante transmitir mais do que receber, e a transmissão ainda deve ser feita nas frequências mais baixas, para sofrer menor atenuação na linha de transmissão.

3)Problemas da rede:

a)Capacidade do Host I/O : O computador local deve ter capacidade adequada para transferir e manipular os dados, do contrário a nova tecnologia de acesso não poderá ser usufruída.

b)Capacidade da linha de acesso : As condições do canal influenciam na transmissão de dados, mudando a taxa de erro de bit.

c)Capacidade da linha de longa distância :Muitas vezes o assinante não estará conectado a um ponto final atendido

d)Linha de acesso do servidor – Similar ao problema da capacidade do Host, o Servidor deve ter equipamento adequados ao atendimento de vários assinantes num contexto de xDSL.

Curiosidade:

Parâmetros RLCG e Resposta em Frequência das linhas de Transmissão:

Para estudarmos as linhas de transmissão, os utilizam-se modelos, que descrevem as características elétricas pelos parâmetros RLCG, ou Resistência(R), Indutância(L), Capacitância(C) e Condutância(G). O parâmetro R tende a variar conforme a frequência( maior R para maior frequência ), a capacitância C depende do material utilizado, a indutância depende do espessura e material do fio.

O estudo da resposta em frequência será convenientemente adiado para a seção que trata da camada física.

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Família de Protocolos DSL

Por que padronizar?

A padronização é importante para a comunicação para que por exemplo, equipamentos de companhias diferentes funcionem em conjunto, o que proporciona um acesso mais consistente ao sistema público de redes e serviços.

Os quatro grupos de Padronização:

1.O primeiro grupo é o de nível de corporação: pode ser um padrão aberto ou proprietário, criada pela empresa por uma necessidade de mercado.

2.O segundo grupo é composto por companhias, universidades e outros interessados que se unem para criar um padrão mais flexível visando um grande mercado. Ex. ADSL Forum ( www.adsl.com )

3.O nível seguinte é o regional ou nacional. Ex. ANSI ( American National Standards Institute – Estados Unidos ) e o ETSI ( European Technical Standards Institute - Europa ).

4.O nível internacional. O ITU ( corpo de padronização assuntos de telecomunicação –pertence a Organização das Nações Unidas ).

Padronização ADSL:

Tabela da Família de Protocolos :

Descrição das tecnologias de acesso ao cobre:
1. BRI ISDN - É a primeira linha subscrita digital, idealizada para trazer até a casa ou trabalho, a rede digital de longa distância do sistema telefônico, através do par trançado. Isto seria feito através do condicionamento da linha, removendo-se bobinas de carga, DLC e outros equipamentos extensores de linha, adaptando-os ao fornecimento deste serviço. Diferente do ADSL, o BRI ISDN utiliza a estrutura do sistema telefônico, ao invés de apenas a malha local. Porém este fator torna necessário gastos em infra-estrutura no PSTN, o que é evitado pelo ADSL que se utiliza de infra-estrutura em paralelo. A taxa de transmissão é de 160 kbit/s, utilizando-se 2 canais B( dados) e um D para sinalização ou dados ( definido para o X.25). A modulação utilizado é o 2B1Q (ver a seção de camada física).
2. HDSL - É uma tecnologia de transmissão de dados a taxas de 1.554 Mbps( América do Norte e Japão - chamado de T1 ) e 2.044 Mps ( Europa - chamdado de E1), ou 24 e 32 canais B, multiplexados no tempo, respectivamente. A modulação é a 2B1Q. As altas taxas de dados são obtidas com o uso de varios pares trançados para a mesma transmissão. Cada par trançado transmite até 800 kbps. 3.HDSL2/SHDSL - O SHDSL ( Single-pair High-bit-rate Digital Subscriber Line ) ou HDSL2, visa a melhorar a transmissão de dados, para ter transmissões do tipo E1 ou T1 em um único par trançado. Como o ADSL, o SHDSL tem seu desempenho muito afetado pela distância ( aproximadamente 3 km )
4.ADSL/RADSL - Este são as linhas digitais assimétricas, ou seja, possuem uma banda de recepção ( download ) e de transmissão ( upload ) diferentes, ou assimétricas. Utilizam modulação QAM ou CAP, e multiplexação em frequência DMT ( Discrete MultiTone ), como será visto no próximo item. As frequência de transmissão e recepção não se sobrepõe, tornando inclusive alguns canais ( de 4 kHz) ociosos entre a faixa de voz, upload e download. O RADSL adapta-se dinâmicamente as condições da linha, alterando a taxa de transmissão.
5.CDSL/ADSL "lite" - A instalação do equipamento ( ex. splitter- ver o item seguinte )necessário ao ADSL nas casas dos consumidores pode trazer inconvenientes, que inibiriam o uso deste. O que o Consumer Digital Subscriber Line (ou ADSL "lite") vem a fazer é a simplificação do fornecimento deste serviço, a partir da instalação de um splitter para cada porta analógica, o que torna desnecessário a refiação e torna mais justo o preço final ( que depende de quantos aparelhos o consumidor possui ).
6.VDSL - Este é o próximo passo na evolução das linhas subscritas digitais. O VDSL ( Very High Speed Digital Subscriver Line) apresentará taxas de transmissão entre 1.5 a 2.3 Mbps e taxa de recepção entre 13 e 52 Mbps. Entretanto a distância deve ser diminuída para algo em torno de 0.3 a 0.6 km. Esta deverá ser uma tecnologia associada FTTC ( Fiber to the Curb), onde a utilização de fibra ótica para encurtar as distâncias percorridas através do fio de cobre, se farão necessárias para a distribuição deste serviço. O VDSL também utiliza a modulação QAM e multiplexação em frequência DMT.

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Camada Física - Modulação e Multiplexação

VI - Camada Física

Talvez este não seja o título mais apropriado para esta seção, visto que o enfoque estará na descrição das características do canal de comunicação, nos seus problemas e na escolha da modulação apropriada. O protocolo em foco é o ADSL. Serão introduzidos conceitos de Sistemas de Comunicação Digital, na qual estão as bases para a transmissão de alta velocidade.

1)Modos de operação entre o receptor/transmissor:

·Multiplexação com compressão no tempo ( TC – Time Compression Multiplexing ): Para o canal ser bidirecional numa mesma linha de transmissão, a transmissão e a recepção são multiplexadas no tempo, enviando ou recebendo dados em rajada em suas respectivas janelas de tempo. Ver figura 1.

Figura 1
Multiplexação com compressão no tempo

·Modo de cancelamento de eco (Echo-cancellation mode ): suporta transmissão de dados simultâneamente em ambas as direções ( FULL DUPLEX) e na mesma frequência ( banda de upload e download compartilhada). Para isto é utilizado um transformador híbrido que separa os caminhos para o receptor e transmissor, e que serve ainda para adaptar de 4 para 2 fios. Ver figura 2. O transformador híbrido exemplificado utiliza 2 transformadores, de forma que o sinal transmitido é cancelado com uma cópia invertida do mesmo. Entretanto para que se possa cancelar adequadamente o sinal transmitido, a impedância de terminação deve estar casada com a impedância "vista" na linha de transmissão, do contrário será causada interferência entre o receptor e o transmissor, o chamado Near end Cross Talk ( NEXT ).

Figura 2
Exemplo de Transformador Híbrido utilizado no modo com cancelamento de eco.

2) Cross Talk:
·NEXT - Near-End Cross Talk: citado no item anterior. Este é gerado pelos transmissores localizados no mesmo terminal de cabo.
·FEXT - Far-End Cross Talk: está interferência é criada por um transmissor distante do receptor. Ver figura 3.

Figura 3
Tipos de Cross Talk
NEXT e FEXT

3)Densidade Espectral de Potência

Tentaremos agora qualificar a interferência criada pelo NEXT e pelo FEXT, através da Densidade Espectral de Potência. Primeiro aproximaremos a resposta em frequência do par trançado para um sistema de primeira ordem H(f). O quadrado do módulo desta função é dado por:

Onde b é uma constante do cabo. O NEXT pode ser interpretado como um acoplamento capacitivo entre as linhas, ou seja, quanto maior a frequência maior a interferência.
Já o FEXT é dado pela função:

Em sistemas em modo com Cancelamento de Eco, o NEXT predomina sobre o FEXT. O FEXT é muito atenuado pela distância, enquanto que o NEXT não. Baseado nas fórmulas i, ii e iii, a densidade espectral de potência é esboçada na figura 4:

Figura 4
Esboço da Densidade Espectral de Potência para o Sinal Transmitido, Sinal Recebido, NEXT ( Near End Cross Talk), FEXT( Far End Cross Talk) e AWGN ( Additive White Gaussian Noise)

Observação: Os transformadores híbridos, do modo a Cancelamento de Eco, bloqueiam nível DC ( freq. = 0 ), isso significa que não há potência a ser transmitida em DC.

4) Multiplexação e Modulação Digital

O próximo passo agora é entender como é possível dados e voz coexistirem num mesmo meio sem interferir mutuamente, como e quais são os compromissos para a escolha da linha de codificação e o tipo de multiplexação.

a) Para voz e dados não interferirem mutuamente, uma vez que compartilham o mesmo meio físico, é necessário lembrar que o canal de voz, ou seja, a banda utilizada pelo PSTN para a transmissão de voz está limitada entre 0 e 4 kHz. Significa que as frequências superiores podem ser utilizadas para transmissão de dados, com o cuidado de se utilizar filtros passa-baixas na recepção de voz e filtros passa-alta para recepção de dados no receptor/transmissor do assinante. O aparelho que é utilizado para este fim é o SPLITTER, que pode ser representado como dois filtros em paralelo ( um para extrair voz e outro para extrair dados do DSL). A multiplexação por divisão em frequência ( FDM - frequency-division multiplexing ), utilizada pelo ADSL e é ilustrada pela figura 5. A alocação de banda assimétrica ( maior para dados recebidos e menor para transmissão), característica desse protocolo, utiliza três regiões do espectro separadas por uma banda de guarda ( apenas para melhor separação). Como veremos a seguir, cada região dessa é subdividida em canais de banda curta, de tamanho igual ao canal de voz ( aproximadamente 4 kHz), onde serão criados 256 canais .

b) Para a escolha da linha de codificação, os seguintes items devem ser levados em conta: Não pode haver potência sendo transmitida em nível DC, uma vez que os transformadores híbridos transmitem apenas tensões e correntes alternadas; a atenuação nos fios do par trançado é mais severa em altas frequências; o Crosstalk entre os fios de par trançado ( NEXT e FEXT ) aumenta muito em altas frequências ( acoplamento capacitivo ). O código que vem a satisfazer esses item é o código 2B1Q, um código do tipo PAM ( Pulse Amplitude Modulation, onde a informação está contida na amplitude do sinal ) com 4 níveis possíveis, onde cada símbolo ( baud ) pode representar um dibit ( 2 bits ), o que também é uma vantagem, pois diminui o número de símbolos a ser transmitido. Este código não possui nível DC na média ( se os ‘0’ e ‘1’ forem equiprováveis) e apresenta boa performance frente ao NEXT e interferência intersimbólica ( este item não foi citado, mas foi motivo para a falha de performance de outras linhas de codificação testadas antes do 2B1Q ). Este tipo de modulação é utilizado no BRI ISDN, HDSL, HDSL2/SHDSL. No ADSL e VDSL é utilizado outro tipo de modulação, o QAM, que será visto posteriormente.

Figura 5
Multiplexação por Divisão de frequências

c)Já sabemos que no ADSL é utilizado o FDM.Mas para entender a escolha do tipo de Multiplexação, recorreremos ao Teorema de Capacidade de Informação de um Canal, para o caso de um canal AWGN ( com ruído branco gaussiano e aditivo, sem interferência intersmbólica e probabilidade de erro arbitrariamente pequena). Neste canal, a capacidade máxima de transmissão de bits é dado pelo limitante C, onde:

Entender estas fórmulas ajuda a estender as ferramentas de análises disponíveis para qualificar uma escolha. ADSL e VDSL utilizam a multiplexação em frequência, chamada de DMT ou Discrete Multitone. A idéia é dividir um canal de banda larga, em vários canais de banda estreita, cada um com a sua modulação QAM e uma frequência portadora. Teremos agora a transmissão de vários sinais ortogonais de banda estreita, onde o complexo problema de equalizar um canal de banda larga, torna-se o problema de multiplexar e demultiplexar os dados em vários canais de transmissão. Algoritmos de otimização podem ser utilizados para maximizar a taxa total de transmissão de bit, mantendo constante a potência total distribuída entre os canais.
Outra vantagem do DMT é que este é um sistema que possui vários canais em paralelo e independentes, é discreto na frequência , e isto torna possível a representação por uma matriz linear, dos sinais transmitidos e recebidos. Para entender melhor a importância disso, é preciso lembrar que em uma transmissão com banda larga, o sinal pode apresentar múltiplos caminhos, ou seja, algumas frequências serão mais defasadas que outras, apresentando uma fonte de não-linearidade entre o que é transmitido e o que é recebido. A relação linear permite ainda o uso da DFT ( Transformada Discreta de Fourier ) na implementação dos transmissores e receptores. É importante notar que não há ganho significativo sobre a taxa de bit utilizando a DMT, o que ela proporciona ( com o uso da DFT ) é o envio de dados em paralelo com símbolos de longa duração, enquanto estes seriam enviados em série num sistema de banda larga, em símbolos de curta duração.
Outras vantagens da DMT é a possíbilidade de tornar as taxas adaptativas, de acordo com o ruído e BER (Bit Error Rate, ou taxa de erro do bit ) de cada canal. Nesse mesmo contexto é utilizado esta informação para ajustar o tamanho da constelação QAM de cada canal, afim de melhorar a sua performance ( utilizando-se a mesma potência, um número menor de símbolos facilita a detecção).
E por último, o sistema se torna mais robusto a ruídos impulsivos, visto que o tempo de duração do símbolo transmitido é mais longo e a energia deste ruído é dividido entre os vários canais, proporcionando uma melhor detecção do sinal mesmo com pertubações de grande amplitude e curta duração.

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Conclusão

	As linhas subscritas digitais apresentam-se como uma alternativa internacionalmente aceita,tanto para
a demanda de novos serviços( internet, HDTV ,etc ), assim como para a manutenção dos antigos (telefonia). Talvez
não seja a solução definitiva, mas xDSL é uma tecnologia projetada para um sistema que ainda permanecerá por muitos 
anos. 
	Inerente as dificuldades de implementação de DSL no PSTN, é possível que taxas de dados elevadas sejam 
transmitidas, através de tecnologias novas (VLSI) e de infra-estrutura paralela para o atendimento dos assinantes.

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Perguntas

O que significa DSL?

Cite 5 problemas encontrados no POTS para a implementação do DSL? Quais tecnologias (HDSL,VDSL, ADSL, ...) sofrem mais com o NEXT?

Qual a vantagem de se utilizar vários canais na DMT?

Qual relação sinal/ruído (dB) necessária para a transmissão de 64 kbps, em um canal de 4 kHz, sabendo-se que a taxa de bits é igual ao limitante C? Tomando-se como base esta informação, qual seria a taxa de bits para ADSL?

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Bibliografia

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[2] Cioffi, J., “VDSL”, IEEE Communication Magazine. Abril, 1999.
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[4] Provolt, Brandon, “xDSL Tutorial”. http://www.schottcorp.com/news/technical_papers/xDSL%20Tutorial.pdf 
[5] Haykin, Simon. “Communication Systems”. John Wiley & Sons, Inc.. New Yor, 2001.
[6] “Network Migration”.Asymmetric Digital Subscriber Line Forum. Dezembro. 1997




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