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.

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.

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

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

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.

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.

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

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).

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.

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

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):

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:

Limitação na distânciadevido à absorção.

Mesma frequência

Mesma frequência

Quantidade de “hops” nas camadas E e F:

Mesma frequência

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.