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Capítulo 1 – Introdução1.1 Elementos e Limitações dos Sistemas de Comunicações
Um sistema de comunicação transporta informação de sua fonte para algum destino distante.
Informação, mensagens e sinais
Informação: ponto central das telecomunicações, mas que implica em discussão semântica e filosófica que desafia uma definição precisa.
Pode se referir: ao conteúdo de um discurso, conversa, notícia,a sensação agradável de uma música, a imagem que traz à memória uma fato marcante .
Mensagem: manifestação física da informação ...
[voz/ pressão acústica,áudio/ pressão acústica,cena (conjunto de pixels)/ variação de intensidade óptica]
... tal qual produzida por sua fonte:
uma pessoa falando, radiodifusão,uma sinfônica, um CD player reproduzindo uma música, uma TV informando uma notícia, projetor exibindo um filme.
Independentemente da forma da mensagem, o objetivo de um sistema de comunicação é reproduzir no destino uma réplica aceitável da mensagem da fonte.
Mensagem analógica: é uma quantidade física que varia no tempo de forma suave e contínua.
Exemplo: pressão acústica gerada pela voz, intensidade luminosa de um ponto numa imagem de TV, etc.
Como a mensagem reside numa forma de onda variável no tempo, um sistema de comunicação analógica deveria transmitir esta forma de onda com um certo grau de fidelidade.
Mensagem digital: é uma sequência ordenada de símbolos selecionados de um conjunto discreto de elementos.
Exemplo: letras impressas numa página, os símbolos das teclas de um computador, do código Morse, bits 0 e 1, etc.
Como a informação reside em símbolos discretos, um sistema de comunicação digital deveria transmitir esses símbolos com um certo grau de exatidão num dado intervalo de tempo.
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Quer sejam analógicas ou digitais, poucas são as fontes de mensagens inerentemente elétricas.
Consequentemente, a maioria dos sistemas de comunicação possuem transdutores de entrada e saída:
O transdutor de entrada converte a mensagem para um sinal elétrico (tensão/ corrente), e, o transdutor no destino converte o sinal elétrico de saída para a forma de mensagem desejada.
Exemplo: sistema de comunicação de voz
transdutor de entrada = microfonetransdutor de saída = alto-falante.
Elementos de um Sistema de Comunicação
Transmissor: processa o sinal de entrada para produzir um sinal transmitido adequado às características do canal de transmissão.
Este processamento de sinal em geral envolve modulação e pode incluir codificação.
Canal de transmissão: é o meio elétrico que preenche a distância entre a fonte e o destino.
Exemplo: par de fios, cabo coaxial, guia de ondas, ar suportando ondas de rádio, fibra óptica, etc.
Todo canal de transmissão introduz alguma perda de transmissão ou atenuação: a potência do sinal decai progressivamente com o aumento da distância.
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Receptor: opera o sinal de saída do canal, preparando-o para o transdutor no destino.
Essas operações incluem: amplificação (para compensar as perdas de transmissão), demodulação ou decodificação (para reverter o processamento de sinal realizado no transmissor) e filtragem.
Vários efeitos indesejáveis surgem no trajeto da transmissão do sinal:
atenuação (reduz a magnitude do sinal), distorção (alteração na forma de onda ou espectro do sinal),interferência e ruído (sinais de perturbação, espúrios e indesejáveis).
1.2 Modulação e Codificação
A modulação e a codificação são operações realizadas no transmissor para se atingir uma transmissão de informação eficiente e confiável.
Métodos de Modulação
Modulação: envolve duas formas de ondas,quais sejam, um sinal de modulação que representa a mensagem e uma onda portadora.
Um modulador altera a onda portadora em correspondência com as variações do sinal de modulação.
A onda modulada carrega a informação da mensagem.
Espera-se que a modulação seja um processo reversível através do processo complementar de demodulação.
Sinal
AM: portadora senoidal
PAM: portadora com pulsos
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Benefícios da Modulação e Aplicações
Modulação para transmissão eficiente
A transmissão de sinal ao longo de distâncias apreciáveis sempre envolve uma onda eletromagnética propagante, com ou sem meio de guiamento.
A eficiência de qualquer método de transmissão depende da frequência f do sinal sendo transmitido.
Sabe-se que a rádio-propagação requer antenas cujas dimensões físicas sejam de pelo menos 1/10 do comprimento de onda λ do sinal:
sendo c a velocidade da luz no vácuo (= 3×108 m/s).
A transmissão não modulada de sinais de áudio contêm componentes de frequência baixas como100 Hz, tal que λ ≈ 3×108 m/s/100 Hz = 3.000 km, exigindo-se antenas 300 km de comprimento!!
Porém, a transmissão de sinal modulado em 100 MHz é tal que λ ≈ 3×108 m/s/100 MHz = 3 m, permitindo-se usar antenas de apenas 30 cm de comprimento.
fc=λ
PCS - Personal Communications Service(1850 – 1990 MHz wireless: cell phone, text messaging, and Internet)
Microwave relay: combination of receiving, amplifying, and transmitting equipment that is used to pick up, amplify, and retransmit a microwave signal
CB radio: Citizens' band
Frequências (comprimentosde onda) de portadoras:
Subdivisão do espectro eletromagnético
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Para leitura*:
Benefícios da Modulação e Aplicações:
Modulação para superar as limitações do hardware
Modulação para reduzir o ruído e interferência
Modulação para designação de frequência
Modulação para multiplexação.
Métodos de Codificação e Benefícios:
_________________________________________________•Carlson, A.B., Communication Systems – An Introduction to Signals and Noise in Electrical
Communication, 5th Edition, McGraw- Hill, 2010, 686p.
1.3 Propagação de Ondas Eletromagnéticas em Canais Sem Fio (Wireless Channels)
Assim como as ondas luminosas, as ondas de rádio, por natureza, viajam apenas em linha reta e, portanto, a propagação para além do alcance da visada direta (LOS - Line-Of-Sight) exige maneiras de se defletir as ondas.
Dado que a terra é esférica, a distância prática para comunicação LOS é de aproximadamente 48 km (ou 30 milhas), dependendo do terreno e altura das antenas.
A fim de maximizar a cobertura, antenas de TV e celular são posicionadas em colinas, torres elevadas e/ou montanhas.
Contudo, existem diversos efeitos que possibilitam que a luz, bem como as ondas eletromagnéticas, se propaguem em torno de obstruções ou além da linha do horizonte: refração,
difração, reflexão, espalhamento.
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Antes da tecnologia de satélites, as comunicações internacionais de rádio-difusão (broadcasting) e militares se beneficiavam da reflexão de sinais de ondas curtas na camada F da ionosfera: um sinal de Los Angeles viajaria 3900 km até New York.
Contudo, a capacidade de se atingir um destino específico usando a reflexão ionosférica depende da frequência, tipo de antena, atividade solar, e demais fenômenos naturais que afetam a ionosfera.
Além disso, o sinal que viaja de LA para NY possivelmente passaria por cima (skip over) de Salt Lake City e Chicago, e assim, o uso de diversidade de frequências (enviar o mesmo sinal em diferentes frequências) poderia aumentar a probabilidade de um deles atingir o destino desejado.
higher frequency
lower frequency
Por outro lado, a reflexão de sinais de rádio pode causar a interferência multi-percurso (multipath), onde o sinal e suas versões atrasadas interferem entre si no destino.
Esta adição destrutiva de sinais causa desvanecimento (fading) de sinal: dependendo dos valores de αe β, pode haver interferência construtiva ou destrutiva e, portanto, a amplitude de y(t) poderá ser sensivelmente reduzida ou aumentada.
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Deflexão de Ondas de RF
Uma onda pode sofrer curvatura de seu trajeto devido à refração.
Se um meio contém partículas, ondas de rádio ou luz podem ser defletidas por espalhamento.
Destination
SPORADIC
Deflexão de Ondas de RF (continução)
A difração ocorre quando a frente de onda encontra uma borda aguda, e então, é defletida para outro lado, redirecionando ou curvando os raios.
sem difração (sombra) com difração
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Difração: Princípio de Huygens (wavelets primárias e secundárias)
Este fenômeno é dependente da frequência, sendo mais pronunciado em ondas longas, médias ou curtas.
Em frequências mais altas ocorre a formação de sombra (como no caso de raios de luz).
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Skywave Propagation:Skywave propagation ocorre quando ondas de rádio são defletidas na troposfera ou ionosfera, a fim de superar as pequenas distâncias conseguidas com LOS.
Troposfera e ionosfera (camadas D, E, F).
Troposfera: está no nível das nuvens (10 km) e contém 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e 1% de outros gases.
Ionosfera: inicia-se em 70 km e contém principalmente hidrogênio e hélio; a luz ultravioleta do sol ioniza esses gases (camadas D, E, F).
A camada D (70 – 80 km) está presente durante o dia e, dependendo do ângulo de transmissão, absorve fortemente sinais de rádio abaixo de 5 – 10 MHz e, por isso, somente as emissoras AM (< 2 MHz) locais são captadas durante o dia.
A camada E (100 km) também só existe durante o dia.
As camadas F1 e F2 existem durante o dia, mas de noite se combinam numa única camada F.
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Frequências de operação nas camadas E e F, para um circuito de Singapura a Ho Chi Minh, durantealgum dia do ciclo solar.
Obs: Universal Time (UT) is a time standard based on Earth's rotation ⎯ solar time on the Prime Meridian at Greenwich.
Dia Noite
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Embora o mecanismo de curvatura das ondas de rádio nas camadas E e F pareça ser a reflexão, na verdade é a refração.
O índice de refração diminui com a altitude, fazendo com que o raio incidente seja refratado para baixo.
A espessura da camada e o gradiente na densidade de elétrons são suficientes para refratar a onda de volta à terra.
Frequência mais baixa – Menor distânciaFrequência mais alta – Maior distância
Diferentes frequências (diversidade de frequências):
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A geometria e a altitude das camadas E e F são tais que as distâncias máximas para trajetos one hop entre fonte e destino é de 2500 e 4000 km, respectivamente.
A distância entre LA e NY é 3900 km, porém, a distância entre Salt Lake City e Chicago é 2000 km.
A maior frequência (maximum usable frequency -MUF) que permite a propagação ionosférica de um sinal perpendicular é de aproximadamente 14 MHz (entretanto, este valor é fortemente dependente da atividade solar, inversões de temperatura, umidade e outras condições climáticas).
Se a frequência for muito elevada (microondas) a onda não sofre reversão de volta à terra, e perfura a ionosfera.
f4 > f3 > f2 > f1
Diferentes frequências:
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Limitação na distânciadevido à absorção.
Mesma frequência
Mesma frequência
Quantidade de “hops” nas camadas E e F:
Mesma frequência
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Trajetória multi-hop pode ocorrer entre a terra e as camada E e F.
Múltiplos hops tornam possível propagar sinais de um lado a outro da terra.
Mesma frequência Maior
ângulo Camadamais bx.
Menor ângulo
Camadamais alta
Para leitura:
1.4 Desenvolvimentos Emergentes
1.5 Impacto Social e Perspectiva Histórica
1.6 Prospecto
________________________________Referência: Carlson, A.B., Communication Systems – An Introduction to Signals and Noise in
Electrical Communication, 5th. Edition, McGraw- Hill, 2010, 686p.