Modúlo v comunicação e satélite

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Modúlo v comunicação e satélite

  1. 1. Gestão de TelecomunicaçõesCOMUNICAÇÃO RÁDIO E SATÉLITEProfessor(a): Mauro Geraldo Pereira Silvério
  2. 2. CITAÇÃO DE MARCAS NOTÓRIAS Várias marcas registradas são citadas no conteúdodeste módulo. Mais do que simplesmente listar esses nomese informar quem possui seus direitos de exploração ouainda imprimir logotipos, o autor declara estar utilizandotais nomes apenas para fins editoriais acadêmicos. Declara ainda, que sua utilização têm comoobjetivo, exclusivamente na aplicação didática, beneficiandoe divulgando a marca do detentor, sem a intenção deinfringir as regras básicas de autenticidade de sua utilizaçãoe direitos autorais. E por fim, declara estar utilizando parte de algunscircuitos eletrônicos, os quais foram analisados empesquisas de laboratório e de literaturas já editadas, que seencontram expostas ao comércio livre editorial. 1
  3. 3. SumarioEscopo do programa--------------------------------------------pág 3Capítulo I --------------------------------------------------------pág 41 - Propagação de Ondas de Rádio ----------------------------pág 4Capítulo II -------------------------------------------------------pág 142 Antenas -------------------------------------------------------pág 142.1 Características fundamentais das antenas----------------pág 152.2 Diretividade-------------------------------------------------pág 172.3 Ganho-------------------------------------------------------pág 172.4 Diagrama de Radiação-------------------------------------pág 182.5 Polarização----------------------------------------------- --pág 182.6 Largura de feixe a meia potência---------------- ---------pág 182.7 Largura de banda-------------------------------------------pág 192.8 Lobos das antenas-----------------------------------------pág 192.9 Tipos de Antenas----------------------------------- --------pág 192.9.1 Antenas Isotrópicas------------------------------------ --pág 192.9.2 Antenas Omnidirecionais----------------- ---------------pág 202.9.3 Antenas Diretivas------------------------- ---------------pág 212.9.4 Antenas de Abertura----------------------------------- --pág 21Capítulo III --------------------------------------------------- --pág 223 Modulação-----------------------------------------------------pág 223.1 Portadora Analógica-------------------------------------- --pág 233.1.1 Informações Analógicas------------------ ---------------pág 233.1.1.1 Modulação por Amplitude (AM)- -------------------- -pág 233.1.1.2 Modulação FM e PM------------------------------------pág 28 3.1.2 Informações Digitais------------------------ pág 30 3.1.2.1 Modulação FSK--------------------- pág 31 3.1.2.2 Modulação ASK--------------------- pág 32 3.1.2.3 Modulação PSK----------------------pág 33 3.1.2.4 Modulação QAM---------------------pág 38 3.2 Portadora Digital--------------------------------------pág 39 3.2.1 Informações Analógicas---------------------pág 39 3.2.1.1 Modulação PAM----------------------pág 39 3.2.1.2 Modulação PWM------------------- --pág 41 3.2.1.3 Modulação PPM-----------------------pág 42 3.2.2 Informações Digitais---------------------- ---pág 43 3.2.2.1 Modulação PCM-------------------- --pág 43 3.2.2.2 Modulação DPCM------------------ --pág 45 3.2.2.3 Modulação ADPCM----------------- --pág 48Capítulo IV--------------------------------------------------------pág 721 Multiplexação --------------------------------------------------pág 72Multiplexação FDM -----------------------------------------------pág 73Multiplexação TDM-----------------------------------------------pág 79Capítulo V --------------------------------------------------------pág 935 Enlace Rádio Digital ------------------------------------------ pág 93 5.1 Dimensionamento e Análise de Enlace---------------pág 94 5.2 Equacionamento do Enlace Rádio Digital------------pág 95 5.2.1 Relação entre Eb/No e C/N------------------pág 99 5.2.2 Objetivos de Desempenho para 2
  4. 4. Radioenlaces Digitais -------------------------------------------pág 101 5.2.3 Objetivos de Performance de Erropara Rádioenlaces Digitais--------------------------------------pág 102 5.3 Desvanecimento--------------------------------------pág 103 5.3.1 Desvanecimento Plano e Margem-----------pág 104 5.4 Interferência Intersimbólica, Curva de Assinatura e Equalização-----------------------------------pág 111 5.4.1 Desvanecimentos Seletivos-----------------pág 112 5.5 Técnicas de Melhoria de Desempenho---------------pág 117 5.5.1 Equalização Adaptativa----------------------pág 117 5.5.2 Diversidade em Espaço--------------------- pág 119 5.5.3 Diversidade em Freqüência----------------- pág 121 5.5.4 Atenuação Devida á Chuva------------------pág 122Capítulo VI ------------------------------------------------------pág 1246 Comunicação Via Satélite-------------------------------------pág 124 6.1 Introdução--------------------------------------------pág 124 6.2 Histórico-----------------------------------------------pág 125 6.3 Lançamento do Satélite------------------------------pág 126 6.4 Tipos de Satélites-------------------------------------pág 129 6.5 Características das Bandas C e Ku------------------ pág 135 6.6 Configuração de uma Estação Terrena-------------- pág 135 6.7 Cálculo de Elevação em Estruturas de Transmissão Via Satélite------------------------------------pág 136 6.8 Equacionamento do Sistema Via Satélite------------pág 139 6.8.1 Back-Off (BO) da Comunicação Via Satélite-------pág 140 6.9 Potências das Portadoras em um Enlace Via Satélite---------------------------------------------------pág 143BIBLIOGRAFIA ---------------------------------------------------pág 146ANEXO I ----------------------------------------------------------pág 147Projeto Rádio Digital Terrestre---------------------------------- pág 147ANEXO II -------------------------------------------------------- pág 154Projeto Rádio Enlace Digital Via Satélite----------------------- pág 154 3
  5. 5. Escopo do CursoEste módulo aborda conceitos relacionados às comunicações móveis,bem como os fundamentos relacionados à transmissão de informaçãonos canais de rádio móveis terrestre e via satélite. Várias técnicas deacesso em sistemas de comunicação móvel são apresentadas.Vivemos uma época na qual é percebido um avanço tecnológico nastelecomunicações. São inúmeros os diferentes sistemas existentes e acada dia nos são apresentado um novo. É importante conhecer atecnologia para não correr o risco de mal utilizá-la, ou deixar queoutros ditem o que deve ser utilizado. Conhecendo-a e tomando asações em função do mercado, as organizações deixam desimplesmente "empurrar" essa ou aquela tecnologia para o cliente. Oprofissional deve se aperfeiçoar sempre para acompanhar os avançostecnológicos para que nas horas de decisões saiba opinar pelatecnologia que melhor se adeque a suas necessidades. Para atender aesses requisitos é preciso acesso à informação e a capacitaçãoprofissional para utilizá-la. De um lado as organizações precisam seantecipar às necessidades dos clientes, estar próximo deles. De outroé preciso velocidade na tomada das decisões internas. E é nessecenário que surgem as comunicações móveis. A cada dia há maiornecessidade dos profissionais se deslocarem para fora de seusescritórios, para perto do cliente e da tecnologia e apresentarem umdesempenho no mínimo igual àquele que seria alcançado seestivessem dentro da organização. A variedade de serviços oferecidosa cada dia pelos sistemas de comunicação móvel é o reflexo de todaessa necessidade de acesso e utilização da informação como fatordeterminante do sucesso das organizações.Em 1947 a AT&T Bell Laboratories introduziu o conceito de telefoniacelular com um sistema de comunicação móvel que utilizavamodulação AM. O baixo desempenho desse sistema levou a AT&T BellLaboratories, em 1962, a implementar um sistema com modulaçãoem FM na faixa de VHF e com canais de 30KHz. Esse sistema teve suaprimeira utilização comercial em 1979, tendo o nome de sistemaAMPS (Advanced Mobile Phone System).Constantemente vem-se buscando a interoperabilidade dos sistemasde comunicação móvel e a possibilidade de comunicação global quepermita a transmissão de voz, dados e aplicações multimídia. Devidoà possibilidade de implementação de novos serviços e também pelasegurança na comunicação, os sistemas digitais têm se mostrado,cada vez mais satisfatórios. Esse módulo apresenta-se organizada em6 capítulos, onde iremos abordar estruturas de comunicações móveis,direcionadas a comunicação via rádio em enlaces terrestres e enlacesvia satélites. 4
  6. 6. Capítulo I1.1 – Introdução1 - Propagação de Ondas de RádioA propagação de ondas eletromagnéticas em torno da terra éinfluenciada pelas propriedades do solo e da atmosfera.A Propagação é baseada em preceitos puramente científicos. Osprincípios básicos tiveram suas articulações no inicio do século XX.Descobertas relativamente recentes em física quântica tornaram maisdifícil ainda descrever exatamente de que consiste a onda de radio.As ondas de rádio são ondas eletromagnéticas (invisíveis) e queviajam a velocidade da luz (C≈300.000 km/s).A compreensão dos fenômenos básicos da propagação se da peloconhecimento de nosso planeta, em especial das características daatmosfera e da importância do Sol nos fenômenos da propagação dasondas de rádio.A propagação de ondas de rádio depende da estação do ano, do ciclosolar, do horário desejado e de mais alguns outros fatores a seremdiscutidos com mais detalhes. Conforme as definições das ondaseletromagnéticas e em especial das ondas curtas, o espectro das AltasFreqüências (HF), está organizado em bandas, que são padronizadasinternacionalmente, girando em torno da freqüência centralcorrespondente ao seu comprimento de onda. A padronização dasfaixas e suas utilizações são efetuadas pelo ITU - InternationalTelecomunications Union.Propriedades naturais que influenciam a propagação de ondas derádio:SOLA radiação solar provoca ações interessantes nas regiões mais altasda atmosfera da Terra, conhecidas como Ionosfera. As regiõesescuras da superfície solar, ou simplesmente "manchas solares", sãoresponsáveis pelo aumento da radiação proveniente do Sol. Estaradiação é o que fornece a Ionosfera os seus "íons" (partículascarregadas), as quais refratam certas ondas de rádio. As manchassolares podem variar dia a dia, mas são conhecidas como seguindoum ciclo de 11 anos de atividade solar. O ciclo solar de 11 anosapresenta picos de atividade conhecidos como Maximo solar, onde atéas estações de baixa potencia podem ser captadas ao redor domundo. Os números das manchas solares podem também variar nos27 dias do ciclo correspondente a rotação do Sol. A oscilação da Terraem relação ao seu eixo de rotação (a causa das nossas quatroestações do ano) afeta também a propagação, assim como a hora dodia. Como uma regra geral, freqüências acima de 10 MHz são úteisdurante o dia e abaixo deste são boas durante a noite. A predição daMáxima Freqüência Utilizável (conhecida pela sigla MUF) depende de 5
  7. 7. diversos fatores, onde as grandes estações de radio difusão realizamo seu planejamento de freqüências, dependendo da época do ano edas regiões do globo que desejam atingir. A figura abaixo mostra ociclo solar de 11 anos:IonosferaA ionosfera comporta-se como um meio altamente condutor numagrande faixa de freqüência nas quais as ondas que as atingem sãorefletidas, retornando a superfície da terra. Suas propriedades sãoinfluenciadas pelo sol sofrendo variações diurnas conforme asestações do ano, como foi descrito no item acima. Existem quatroregiões distintas de gás ionizado no espaço compreendido entre 50km até aproximadamente 500 km. Juntas, estas regiões formam oque se denomina IONOSFERA. A ionosfera refrata as ondas de radiode freqüências especificas, primariamente a faixa de HF (conhecidacomo Ondas Curtas de 3 MHz a 30 MHz). É esta refração da energiade radio que torna as comunicações de radio possíveis ao longo domundo. Quatro regiões distintas da ionosfera são denominadas naordem da região mais baixa para a região mais alta:A região mais baixa da Ionosfera - Responsável por absorver asfreqüências de radio, e não refratar. As freqüências acima de 10 MHznão são prontamente absorvidas por esta camada, mas as bandasmais baixas são geralmente sem uso para a comunicação de longadistancia durante o dia, devido a este fenômeno.A segunda camada dissipa seus íons rapidamente quando o Sol nãoesta brilhando sobre esta e assim é apenas um fator de maiorrelevância durante o dia. Porem esta camada pode refratar sinais deradio e causar seu batimento de volta para a Terra. De noite, quandoesta camada é muito fraca, os sinais de radio tendem a passardiretamente através dela. Algumas vezes, até sinais de VHF sãorefratados pela camada, causando interessantes efeitos napropagação desta faixa.As outras duas camadas são agrupadas e se combinam em uma únicacamada durante a noite. A Região da quarta camada é a maisimportante para as comunicações de longa distancia em OndasCurtas. Esta camada retém sua ionização por mais tempo que asoutras camadas e permanece ionizada durante a noite, mesmo nãosendo de forma tão densa. Sua intensa ionização durante as horas do 6
  8. 8. dia refratam as altas freqüências, mas á noite ela irá normalmentepermitir que passem através dela. As baixas freqüências, abaixo de10 Mhz serão refratadas de volta a Terra durante a noite. A atmosferaterrestre é classificada em três grandes grupos: a troposfera, aestratosfera e a ionosfera. Propagação de HF à noite Propagação durante o diaSoloA terra é um corpo não homogêneo onde suas propriedadeseletromagnéticas variam de um ponto para outro.Água do MarA água do Mar é altamente condutiva, influenciando diretamente nasondas eletromagnéticas.Areias dos desertosAs areias dos desertos são dielétricos apresentando condutividadequase nula e dissipando energia devido às perdas por polarização.Espectro de FreqüênciasA propagação envolve diretamente referências ao comprimento deonda (λ) que classifica o espectro de freqüência adotada pelo C.C.I.R.(Comissão Consultiva Internacional de Radiocomunicação), na reuniãoem Varsóvia em 1956. Enquanto ao comprimento de onda no espaçolivre ou no ar é dado pela fórmula abaixo: λ0=3 x 108 (m/s) [m] F (Hz) 7
  9. 9. Classificação Internacional das Freqüências de Emissão no Sistema Rádio: Alocação de Freqüências de Rádio Faixa de Designação Designação Leiga Exemplos de Utilização Freqüência Técnica 300Hz a 3000Hz E.L.F Ondas Extremamente Comunicação para Longas Submarinos, Escavações 3KHz a 30KHz V.L.F Ondas Muito Longas de Minas, Etc. 30KHz a 300KHz L.F Ondas Longas Auxílio a Navegação300KHz a 3000KHz M.F Ondas Médias Aérea, Serviços Marítimos (Estações Costeiras). 3MHz a 30MHz H.F Ondas Tropicais, Ondas Radiodifusão Local e Curtas Distante, Serviços Marítimos (Estações Costeiras).30MHz a 300MHz VHF Transm. De TV, Sistemas de comunicação, comunicação particular e Serviço de Segurança 300MHz a 3GHz UHF Pública como Bombeiro, Etc. 3GHz a 30GHz SHF Comunicação Pública a Longa Distância. Microondas Ex. Sistemas Interurbanos30GHz a 300GHz EHF e Internacionais em Radiovisibilidade, Tropodifusão, Satélite, Etc. E.L.F – Extremely Low Frequency U.H.F – Ultra High Frequency V.L.F – Very Low Frequency S.H.F – Super High Frequency L.F - Low Frequency E.H.F – Extremely High Frequency M.F - Medium Frequency H.F - High Frequency V.H.F – Very High Frequency CARACTERÍSTICAS DE PROPAGAÇÃO DAS ONDAS ELETROMAGNÉTICAS A faixa de VLF se propaga com um mecanismo denominado "Reflexão Atmosférica" pois para esta faixa de freqüências a ionosfera se comporta aproximadamente como condutor perfeito. Esta faixa é usada para sistema de navegação Omega e pesquisa científica. Na faixa de LF até 100 kHz usa-se ainda a propagação por reflexão ionosféricas, mas com uma maior atenuação em relação à faixa de VLF. Acima de 100 kHz e também na faixa de MF (300 a 3000 MHz) o mecanismo de propagação dominante é o de "Ondas de Superfície" sendo que a Terra funciona como um condutor. A onda superficial tende a acompanhar a curvatura da Terra, mas perde sua energia conforme a distância, pois parte desta energia é absorvida, mas pode chegar a longas distâncias se houver uma superfície de água ou solo úmido entre o transmissor e o receptor. Na faixa de HF (3 a 30 MHz) as ondas de rádio se propagam “esféricamente no espaço” em todas as direções. O mecanismo predominante é o de "Refração 8
  10. 10. Atmosférica", sendo que ainda permanecem ondas de superfície emlocais próximos ao transmissor. Neste caso as diversas camadas deíons desviam um pouco a trajetória das ondas e as fazem retornar aTerra. A onda que sai do transmissor e se dirige à ionosfera échamada de "Onda Espacial" e quando retorna a Terra é chamada de"Onda Celeste". Existirá no meio uma zona chamada "Zona deSilêncio" pois não será atingida por qualquer tipo de onda. Nomecanismo de refração três fatores são levados em consideração: oângulo de irradiação, a freqüência utilizada e a camada ionosféricaprincipal responsável pelo retorno das ondas à superfície da Terra.Nas faixas de VHF, UHF a ionosfera é transparente a essasfreqüências não as refletindo de volta a terra. Este tipo detransmissão é utilizado em televisão, rádio em freqüência modulada(FM) ou em serviços que exigem alta confiabilidade a distância menor.Pelas características de propagação destas freqüências se deduz que: Radiodifusão AM – em ondas médias e curtas (MF e HF), podem ter alcance mundial, dependendo da potência transmitida. Radiodifusão FM – em VHF, tem alcance limitado, aproximadamente 80 – 100 Km, pois não há reflexão ionosférica. Televisão VHF e UHF – tem alcance limitado, aproximadamente 80 – 100 Km, pois não há reflexão ionosférica.Convém ressaltar que na faixa de VHF e UHF temos os rádiosmonocanais, isto é, sem Multiplexadores. Na faixa SHF Nestafreqüência as ondas de rádio se comportam praticamente como ondasde luz, e se propagam em linha reta, sendo necessário visada diretaentre as antenas que envolvem este enlace. Estas freqüências estãoclassificadas na faixa de Microondas e estão distanciadas até omáximo de 50 a 60 Km. As potências dos transmissores, utilizandoestas freqüências, são relativamente baixas, em torno de 06 a 10Watts. 9
  11. 11. Tipos de polarização das ondas eletromagnéticasVertical - o campo elétrico está perpendicular à superfície depropagação.Horizontal - o campo elétrico está paralelo à superfície depropagação.Circular - o campo elétrico gira continuamente em relação àsuperfície de propagação.Elíptica - o campo elétrico gira continuamente de forma a uma sacarolha em relação à superfície de propagação. Sistema de Transmissão e RecepçãoParte da energia de uma corrente de rádio freqüência que circula emum condutor será transformada em onda eletromagnética. Quandoum condutor for colocado no campo de uma onda eletromagnética,uma corrente induzida resultará neste condutor.O processo de recepção é o inverso do processo de transmissão, logoà parte da potência manipulada das antenas transmissora e receptorasão intercambiáveis, donde se tem o princípio da Reciprocidade.A absorção das ondas eletromagnéticas no espaço livre não ocorreporque nada existe para absorvê-las.Na atmosfera parte da energia das ondas eletromagnéticas serátransferida aos átomos e moléculas, provocando vibrações e aatmosfera será aquecida de um valor infinitesimal, mas significante. • Propagação em Altas FreqüênciasAs ocorrências da maioria dos fenômenos de propagação são naTroposfera, localizada a uma distância aproximada da superfícieterrestre de 13 Km ± 5Km.RadiovisibilidadeVisada direta das ondas eletromagnéticas entre a transmissora e areceptora. Existe também uma camada Troposférica para reflexão dasOndas Diretas e das Ondas Refletidas que interferem no enlace.DifraçãoÉ quando existe um corpo obstruindo a passagem entre transmissor ereceptor, onde cada ponto numa frente de onda se comporta comouma fonte isolada, haverá a formação de ondas secundárias atrás doobstáculo, mesmo que não haja linha de visada entre o transmissor e 10
  12. 12. o receptor. Isso pode explicar como em ambientes fechados mesmoque um usuário não veja o outro eles mesmo assim podem secomunicar. a) Relevo b) Curvatura da TerraTX RXRefração AtmosféricaOcorre quando a onda eletromagnética passa de um meio depropagação para outro meio, apresentando uma diferença dedensidade.Índice de Refração Atmosférica (N): (N-1)x106 = 79 . P - 11 . V + 3,8 . 105 . V T T T2P – Pressão em Milibares (1 mm Hg = 1,333 mb)T – Temperatura em Kelvin (273K + 00)V – Pressão do vapor d`água em MilibaresNa superfície da Terra, temos:(N – 1) = 300 . 10-6O encurvamento da onda é provocado pela variação de N com a alturae obtemos um novo valor do Índice de Refração Atmosférica (K),donde:Geralmente K>1. Para climas temperados K = 4/3;Para a atmosfera padrão, o índice de refração varia linearmente coma altura conforme figura abaixo: K = 2/3 K=1 K = 4/3 K<0 K=∞K = ∞ - Raio da onda segue a curvatura da Terra; 11
  13. 13. K = 1 – Raio segue trajetória retilínea.São generalizados dois casos em torno de k = 4/3 :K < 4/3 – Sub-Padrão os raios se curvam para o alto;K > 4/3 – Super Padrão Os raios se curvam para baixo, podendohaver grande alcance na comunicação. Ondas DiretasNão existem influências do solo, absorção por gases, desvios detrajetória, etc. Ou seja, Espaço Livre. GT GR PT PRO físico inglês James Clearck Maxwell em 1857 propôs a teoria dairradiação eletromagnética e concluiu em 1873, sendo umaexplanação de fundo matemático do comportamento das ondaseletromagnéticas.O canal no sistema de radio comunicações é o espaço físico existenteentre as antenas transmissora e receptora no enlace.Espaço livre é o espaço que não interfere com a irradiação normal ecom a propagação das ondas de rádio.À frente de ondas é o plano de união de todos os pontos de mesmafase e de mesma intensidade.A uma distância “d” do transmissor será dada pela expressão abaixo: P= ___ PT_____[W/m2] 4π d2Onde, a potência transmitida está distribuída pela superfície de umaesfera de raio d.Para uma área efetiva (AER (m2)) a potência de recepção é dada por: PR = PT x GT . AER [W] 4πd2Logo a Atenuação no espaço livre em relação à antena isotrópica édada por:AE [dB] = 32,44 + 20 Log d (Km) + 20 log f (MHz) 12
  14. 14. Propagação em Freqüências Superiores a 10 GHz, é necessárioconsiderar também a atenuação por: - Gases presentes na atmosfera; - Vapor d`água (Nevoeiro e nuvens); - Chuvas (que apresentam valores significativos de atenuação).a) Atenuação por gases – É provocada pela absorção de energia daonda que se propaga.As moléculas dos gases comportam-se como dipolos.Entende-se por gases: Oxigênio e Vapor d`água;b) Atenuação por Nevoeiros e Nuvens – Obstáculo que interferena propagação de ondas cujas freqüências ultrapassam 10 GHz.c) Atenuação por chuvas – Atenuação por fenômenos comonevoeiros e chuvas em freqüências superiores a 10 GHz, devem seranalisados cuidadosamente, pois as atenuações não são desprezíveis.As atenuações nos hidrometeoros ocorrem por efeitos da Absorção eEspalhamento da onda que se propaga pelas partículas de água nomeio de propagação.Considerações:Precipitação ou quantidade de chuva (mm / h);Freqüência da onda de propagação;À distância de percurso da onda dentro da célula de chuva;Temperatura, inclinação da onda dentro da célula de chuva, formatoda gota da chuva, etc.γR = K . Rα [dB / Km]γR – Atenuação causada por chuva;R – Precipitação [mm / h]K e α - Dois parâmetros dependentes da freqüência (f) e dapolarização, dados por:K = 5,1 . 10-5 . [f(GHz)]2,45 – 10-3α = 1,47 – 0,09 . √ f (GHz)d) Atenuação por chuvas em enlaces por Satélite (CCIR) – Aatenuação utilizada como base é excedida em 0,01% do tempo (A0,01)provocada pela chuva na mesma porcentagem de tempo (R0,01).A0,01 = ϒ . (R0,01) x Leff . (R0,01) [dB]; 13
  15. 15. ϒ(0,01) = K . Rα0,01 [dB / Km);Onde:α e K – Função da freqüência f (GHz);Leff – Valor médio do percurso “L” no interior da célula de chuvaequivalente. Está também em função da altura efetiva da chuva “hr “,da altura da antena em relação ao nível do mar “hs”, da dimensãohorizontal da chuva l0 e do ângulo de elevação da antena “θ”.Leff(R0,01) = Ls . r(R0,01) [Km];Onde: hr - hs Ls = Sen θR(R0,01) = 1 1 + Ls . Cos θ L0 . (R0,01) (-0,015 . R )Lo (R0,01) = 35 . e 0,01 [Km] 14
  16. 16. Capítulo II2 - AntenasAntena é um dispositivo metálico que emite e ou recebe ondaseletromagnéticas, fazendo a transição entre a propagação da ondaguiada e a propagação da onda no espaço livre. Os fenômenoseletromagnéticos se dão pelas equações de Maxwell e pela equaçãoda continuidade. Onde não existe campo elétrico sem campomagnético.Em regime harmônico senoidal 1) Não existe campo Elétrico (E) sem campo Magnético (H) e viceversa. 2) Ambos dependem da distribuição de cargas e correntes que lhes deu origem e das características do meio (µ1,ε1).Relação entre campo E e campo HNa zona distante de radiação: 15
  17. 17. Vetor de PoyntingÉ uma densidade de potência (W/m2). Também designado porDensidade deFluxo Potência – pdf – pela ITU.Potência radiada – Total de potência enviada pela antena para oespaçoIntensidade de RadiaçãoEste parâmetro, ao contrário de Sr, é independente da distância. Éuma potência por unidade de ângulo sólido. 2.1 Características fundamentais das antenas: • Largura de feixe em meia potência ou a –3dB:O ângulo entre duas direções é onde a potência radiada cai pelametade do seu valor máximo num plano de máxima radiação. Écontabilizada, também, a abertura do diagrama da antena. • Largura de banda:A largura de banda está relacionada com a variação da freqüênciaatravés da impedância de entrada. • Rendimento da antena: 16
  18. 18. A obtenção do rendimento total é o produto dos vários rendimentosparciais. • Ruído:Ruído interno é criado pela própria antena. Ruído externo é o ruídocaptado pela antena e que depende do ganho da antena na direção doruído. • Área efetiva:A capacidade da antena em captar energia eletromagnética estáassociada à área elétrica desta antena. • Atenuação no Espaço Livre:Considere duas antenas isotrópicas separadas por uma distancia d. Aesta distancia, o módulo do vetor de Poynting vale:A potência captada pela antena de recepção será então de: onde Aef é a área efetiva da antena da antena isotrópicaChama-se a atenuação de espaço livre à parcela:Uma antena diretiva radia diferentes valores de densidade de potênciaconforme a direção (θ, ϕ) Quando comparada com a antena isotrópica, as antenas diretivas têm um ganho em determinas direções. Este ganho é compensado pela diminuição de radiação em outras direções.Assim temos que a equação anterior vem: 17
  19. 19. O produto PEGE é chamado de E.I.R.P - “Equivalent IsotropicallyRadiated Power”Em telecomunicações é usual usar-se as grandezas expressas em dB,pelo que as expressões anteriores são dadas por:Substituindo c por 3x108 m/s e exprimindo d em km e f em MHz: 2.2. DiretividadeÉ a relação entre a intensidade de radiação numa dada direção e ovalor médio da intensidade de radiação. 2.3. GanhoÉ idêntico a diretividade, exceto no fato de entrar em conta com orendimento de radiação da antena. 18
  20. 20. 2.4. Diagrama de RadiaçãoAs ondas eletromagnéticas propagam-se em ondas esféricas. Apotência por ângulo sólido é constante num meio sem perdas.A representação gráfica do diagrama de radiação se da através docomportamento da antena quanto a sua irradiação. O diagrama éencontrado nos planos horizontal e vertical. É representado tambématravés das cartas cartesianas onde representam a variação dapotência em dB irradiada pela antena de acordo com a variação doângulo. Onde a carta é normalizada. Portanto a potência de 0dBrepresenta a direção onde há a maior irradiação de potência. 2.5. Polarização Por definição, a polarização é uma propriedade que descreve a evolução da direção e da amplitude do vetor campo elétrico ao longo do espaço-tempo. É definida para uma determinada direção (θ,φ). Uma representação gráfica é obtida fixando um ponto no espaço na direção de propagação e desenhando a evolução do campo elétrico. Tipos de polarização: - Linear - Circular (esquerda ou direita) - Elíptica (esquerda ou direita)Um desalinhamento entre antenas provoca perdas adicionais, pelofato das antenas terem deixado de trabalhar na mesma polarização. ψ é o ângulo entre os vetores campo elétrico das antenas de emissão e recepção. 2.6. Largura de feixe a meia potência ou a -3dB Definição: Num plano que contém o máximo de radiação, é o ângulo feito pelas duas direções segundo as quais a potência radiada caí para metade do seu valor máximo. Permite contabilizar a abertura do diagrama da antena. 19
  21. 21. 2.7. Largura de bandaBanda de frequência na qual uma determinada característica daantena permanece dentro de uma gama desejada. A impedância deentrada, que varia com a frequência, é o parâmetro que énormalmente usado para definir a largura de banda. 2.8. Lobos das AntenasAntena de emissão: O lobo principal radia grande parte da potência. Potência residual é emitida pelos lobos secundários.Na antena de recepção o processo vai ser idêntico: O diagrama de radiação é idêntico ao da antena emissora. Na recepção vai-se receber sinais indesejados pelos lobos secundários, podendo aumentar a interferência.Em agregados, existem técnicas para controlar ou minimizar os lobossecundários. 2.9. Tipos de Antenas2.9.1. Antenas IsotrópicasUma antena isotrópica radia uniformemente para todo o espaço. Seudiagrama de radiação é uma esfera com centro na fonte.Esta é uma antena ideal que não existe na prática, sendo usada comoreferência a nível de cálculos. 20
  22. 22. Seus diagramas horizontal e vertical seriam iguais a um círculo comona figura abaixo.Seus diagramas horizontal e vertical seriam iguais a um círculo comona figura abaixo.2.9.2. Antenas OmnidirecionaisAs antenas Omnidirecional possuem diagrama horizontal como asantenas isotrópicas, porém não se tem irradiação uniforme em todasas direções segundo plano vertical.Possuem facilidades de instalação, pois não precisam serdirecionadas. Porém não funcionam bem para enlaces longos. Essetipo de antena é principalmente utilizado para broadcast, por isso é amais utilizada em ambientes de redes sem fio.Diagrama vertical:Diagrama horizontalQuanto menor são os seus comprimentos mais aproximados são osseus diagramas de radiação dos diagramas de radiação das antenasisotrópicas. 21
  23. 23. 2.9.3. Antenas DiretivasAs antenas diretivas concentram a energia de irradiação numa dadadireção. Possuem alcances bem maiores do que as omnidirecionaiscom configuração de alto ganho. É utilizada principalmente emenlaces ponto a ponto.2.9.4. Antenas de aberturaSão antenas bastante diretivas e eficientes, são usadasprincipalmente em microondas. Fonte primária Usado em equipamento de medida Alimentador (fonte primária) de parabólicas Usado em equipamento de medida 22
  24. 24. Capítulo III 3 ModulaçãoIntroduçãoÉ a superposição das características elétricas das freqüências audíveisou outros sinais de informação à portadora. Portanto o processo demodulação consiste em modificar o formato da informação elétricavisando transmití-la com maior viabilidade. O efeito mais importantedo processo de modulação em um sistema de ondas portadoras é odeslocamento ou mudança da posição da original faixa de freqüênciaaudível. A faixa de freqüência audível pelo ser humano estácompreendida entre 300Hz a 3400Hz.Tipos de Modulação3.1 Portadora Analógica:3.1.1 Informações analógicas 3.1.1.1 Modulação por Amplitude (AM) 3.1.1.2 Modulação por Freqüência (FM) 3.1.1.3 Modulação por Pulsos (PM)3.1.2 Informações Digitais: 3.1.2.1 Modulação por Chaveamento de Freqüência (FSK) 3.1.2.2 Modulação por Chaveamento de Amplitude (ASK) 3.1.2.3 Modulação por Chaveamento de Fase (PSK) Modulação por Chaveamento de Bifásico (BPSK) Modulação por Chaveamento de Fase em Quadratura (QPSK) 3.1.2.4 Modulação de Amplitude em Quadratura (QAM)3.2 Portadora Digital:3.2.1 Informações analógicas: 3.2.1.1 Modulação por Amplitude de Pulso (PAM) 3.2.1.2 Modulação por Largura de Pulso (PWM) 3.2.1.3 Modulação da Posição de Pulsos (PPM)3.2.2 Informações Digitais: 3.2.2.1 Modulação por Código de Pulsos (PCM) 3.2.2.2 Modulação por Código de Pulsos Diferencial (DPCM) 3.2.2.3 Modulação por Código de Pulsos Diferencial Adaptativa(ADPCM) 23
  25. 25. 3.1 Portadora Analógica 3.1.1 Informações Analógicas3.1.1.1 Modulação por Amplitude (AM) - Amplitude ModulationEste processo consiste em sobrepor a informação da portadora,variando a amplitude desta portadora conforme a informação a sertransmitida.O processo de modulação em amplitude resulta no deslocamento doespectro do sinal que contém a informação para uma frequência maiselevada de forma a viabilizar a transmissão do sinal resultante viaondas eletromagnéticas, pois frequências mais elevadas permitem aconstrução de antenas eficientes com dimensões reduzidas. • Tipos de Modulação em Amplitude (AM) - AM-DSB amplitude modulation with double side-band (faixa lateral dupla). - AM-VSB amplitude modulation with vestigial side-band (faixa lateral vestigial). - AM-DSB-SC AM-DSB with suppressed carrier (faixa lateral dupla e portadora suprimida). - AM-VSB-SC AM-VSB with suppressed carrier (faixa lateral vestigial e portadora suprimida). - AM-SSB amplitude modulation with single side-band (faixa lateral simples). (a) – Portadora (b) – Sinal Modulador (c) – Sinal Modulado em Amplitude - O sinal senoidal, utilizado como portadora, definido por: - Ac é a amplitude da portadora e fc é a sua freqüência. - Seja m(t) o sinal em banda base que carrega a informação. O sinal AM pode ser descrito de forma geral por: 24
  26. 26. Ka - constante chamada de sensibilidade de amplitude do moduladorresponsável pela geração do sinal modulado.kam(t) deve ser menorque 1 para evitar a sobremodulação.ka.m(t)*100 - é chamado de percentagem de modulação.Condiçãonecessária para que não haja distorções:W – Largura de faixaEspectro do sinal em banda basePara as freqüências positivas, a máxima freqüência é fc+w e a menoré fc-w, assim a largura de faixa de transmissão BT para um sinal AM éigual ao dobro da largura de faixa do sinal em banda base.Espectro do sinal modulado em amplitude: BT=2WVantagens: Simplicidade de implementação.Desvantagens: Desperdício de potência, devido à portadora ser completamenteindependente do sinal modulador, assim, gasta-se potência paratransmitir a portadora. Desperdício em largura de faixa por não haver a necessidade detransmitir ambas as bandas para obtermos o sinal.Para se melhorar o desempenho da modulação em amplitude, épossível: Suprimir a portadora; Modificação da banda lateral da onda AM;Essas modificações aumentam a complexidade do sistema em trocade melhor uso dos recursos de comunicação. 25
  27. 27. • Modulador e Demodulador AM-DSBO diagrama em blocos do circuito elétrico que produz a modulação emamplitude com faixa lateral dupla (AM-DSB - amplitude modulationwith double side-band) são composto por um duplexador paraadicionar um sinal constante Ac ao sinal modulador SA(t) com largurade faixa W, um oscilador a cristal para gerar a onda portadoracossenoidal de alta frequência F, um misturador que realiza o produtom(t) da onda cossenoidal pelo sinal modulador adicionado do sinalconstante, um filtro passa-faixa que elimina sinais indesejáveisgerados pelo misturador, e um amplificador de potência que permite atransmissão do sinal modulado S(t) por longas distâncias, seja viacabo ou via rádio.O processo de modulação pode ser facilmente analisado tanto nodomínio do tempo como no domínio da frequência.Diagrama em blocos do Modulador AM-DSBO processo de Demodulação AM-DSB também pode ser analisado nodomínio do tempo e no domínio da frequência. O diagrama em bloco aseguir mostra o sinal demodulado AM-DSB.Diagrama em blocos do Demodulador AM-DSB • Modulador e Demodulador AM-VSBA modulação em amplitude com faixa lateral vestigial (AM-VSB -amplitude modulation with vestigial side-band) têm o intuito deviabilizar a transmissão de sinais de televisão, reduzindo largura defaixa ocupada pelo sinal modulado, já que o sinal de vídeo por si sóocupa uma largura de faixa de 4,2 MHz. Os circuitos, modulador edemodulador, apresentam a mesma topologia daqueles utilizados em 26
  28. 28. AM-DSB. A diferença encontra-se no dimensionamento do filtro passa-faixa do circuito modulador. • Modulador e Demodulador AM-DSB-SCO diagrama em blocos do circuito elétrico que produz a modulação emamplitude com faixa lateral dupla e portadora suprimida (AM-DSB-SC- amplitude modulation with double side-band and suppressed carrier)são composto por um oscilador a cristal para gerar a onda portadoracossenoidal de alta frequência F, um misturador que realiza o produtom(t) da onda cossenoidal pelo sinal modulador, um filtro passa-faixaque elimina sinais indesejáveis gerados pelo misturador, e umamplificador de potência que permite a transmissão do sinalmodulado S(t) por longas distâncias, seja via cabo ou via rádio.O diagrama em blocos do circuito elétrico que restaura o sinalmodulado a partir do sinal AM-DSB-SC é formado por um amplificadorde baixo ruído que amplifica o sinal modulado recebido S`(t) semadicionar ruído em excesso ao estágio seguinte, um oscilador a cristalpara gerar localmente a onda portadora cossenoidal, um misturadorque realiza o produto da onda cossenoidal pelo sinal modulado deforma a produzir um sinal m(t) que possui componentes de baixafrequência, e um filtro passa-baixas que elimina os sinais indesejáveisde alta frequência gerados pelo misturador:Como a onda portadora não é transmitida no sinal modulado, ooscilador no circuito do demodulador faz o papel da onda portadora afim de viabilizar a demodulação. Deve ser notado que tanto afrequência como a fase deste oscilador pode não corresponder aosrespectivos valores no circuito modulador, gerando distorções defrequência e fase no sinal demodulado. 27
  29. 29. • AM-VSB-SC e AM-SSBModulação em amplitude com faixa lateral vestigial e portadorasuprimida (AM-VSB-SC amplitude modulation with vestigial side-bandand suppressed carrier) e modulação em amplitude com faixa lateralsimples (AM-SSB amplitude modulation with single side-band) sãomodulações semelhantes. Em ambos a onda portadora não étransmitida e no caso do AM-SSB uma das faixas laterais é totalmenteanulada, pois na prática quando o sinal modulador não possuircomponente de frequências extremamente baixas como é o caso dosinal de voz. Os circuitos, modulador e demodulador, apresentam amesma topologia dos circuitos para AM-DSB-SC, com a diferença dofiltro passa-faixa do modulador, o qual deve ser um filtro VSB.- Vantagens: • 100% de eficiência de modulação; • Reduz em até 50% a largura de faixa ocupada no espectro de freqüências- Desvantagens: • Possui o dobro da figura de ruído em relação a AM-DSB; • Distorções de fase e frequência devido à dificuldade em sincronizar os osciladores. 28
  30. 30. 3.1.1.2 Modulação FM e PM3.1.1.2 Modulação em freqüência (FM) - Frequency Modulation: possuifreqüência instantânea linearmente proporcional ao valor instantâneodo sinal modulante.O desvio de pico de freqüência da onda FM é proporcional ao valor depico (ou amplitude) do sinal modulante. Podem ser divididas em duascategorias: • FM Faixa estreita; • FM Faixa larga;- FM Faixa Estreita com relação ao seu desempenho em termos deocupação espectral e relação sinal ruído não apresenta diferençassignificativas quando comparado com AM-DSB e AM-DSB/SC.- FM Faixa Larga com relação ao seu desempenho em termos derelação sinal ruído apresenta uma melhor performance quandocomparado com qualquer tipo de modulação AM. No entantoapresenta uma ocupação espectral maior.3.1.1.3 Modulação em fase (PM) - Phase Modulation: possui faseinstantânea linearmente proporcional ao valor instantâneo do sinalmodulante.O desvio de pico de fase é proporcional ao valor de pico (ouamplitude) do sinal modulante. A amplitude da onda FM ou PM éconstante.A figura abaixo mostra o sinal modulante FM:Observação: quando o valor instantâneo do sinal modulante émáximo positivo, a freqüência da onda FM também é máxima.Quando o valor instantâneo do sinal modulante é máximo negativo, afreqüência da onda FM é mínima. 29
  31. 31. A figura abaixo mostra o sinal modulante PM:Observação: O sinal modulante é máximo positivo na passagem porzero, indo de negativo para positivo, e é nesse instante que afreqüência da onda PM também é máxima. Quando o sinal modulantepassa por zero, indo de (+) para (-), a sua derivada é máximanegativa e a onda PM tem freqüência mínima.Obs: não é possível saber se uma onda é FM ou PM apenas pela formade onda ou espectro, é preciso ter como referencia o sinal modulante. 30
  32. 32. 3.1.2 Informações Digitais3.1.2.1 Modulação por chaveamento de amplitude (ASK)3.1.2.2 Modulação por chaveamento da freqüência (FSK)3.1.2.3 Modulação por chaveamento de fase (PSK)3.1.2.4 Modulação de Amplitude em Quadratura (QAM) 31
  33. 33. 3.1.2.1 Modulação por Chaveamento de Freqüência (FSK)A modulação FSK (Frequency shift-keying), Consiste em modificar afase da portadora senoidal conforme as variações de estado lógico dosinal digital modulante. A frequência da portadora não é alterada, ainformação digital é “transportada”na fase desta portadora. Aamplitude da onda portadora modulada é mantida constante durantetodo o processo da modulação; quando ocorrer a presença de umnível lógico "1" no sinal digital, a frequência da portadora émodificada para poder ser depois compreendida no processo dedemodulação. A frequência resultante (fr) transmitida será afrequência da onda portadora “fp” subtraída de uma frequência dedesvio “fd” . Matematicamente a onda resultante modulada será: fr =fp - fd. Se registrada a ocorrência de um nível lógico "0" no sinaldigital, a frequência resultante aplicada será a frequência da ondaportadora acrescida da frequência de desvio: fr = fp + fd. Também éconhecida por modulação por salto de fase. Para otimizar o espectrode freqüência em sistemas digitais é adotada a modulação multi-nível,onde cada símbolo ou estado é representado por um número N de bitsque será igual a log2M. Sendo assim: M=2N; M:número de estados ou índice de modulação e N: Número de bitsO Sinal modulante FSK segue a seguinte equação:Onde: i= 1, 2, 3, ...,M. para 0 < t < T M=2 S2 S1 Ψ1(t)M Índice de Modulação 32
  34. 34. 3.1.2.2 Modulação por Chaveamento de Amplitude (ASK)A modulação ASK (Amplitud Shift Keying) é a técnica mais simplespara modular sinais discretos com uma portadora de alta freqüência,convertendo o espectro de freqüências baixo do sinal binário para afreqüência elevada da onda portadora (compatível com a transmissãoRF), consistindo na alteração da onda portadora em função do sinal aser transmitido. A técnica ASK é o parente digital da modulação deamplitude (AM). Num sinal ASK é a amplitude de uma portadora quevaria no tempo de acordo com os bits a transmitir. Dessa forma, aamplitude da portadora é então comutada entre dois valores (ligado edesligado) e a onda resultante é formada por pulsos de rádiofrequência (RF), que representam o sinal binário “1” e espaçosrepresentando o dígito binário “0” (supressão da portadora) como sepode observar na Figura abaixo. Sinal modulante informação digital portadora analógica portadora modulada; modulação digital Representação dos sinais numa modulação ASKA modulação ASK é muito utilizada na transmissão de dados via fibraóptica, na qual o oscilador é um laser, o misturador é substituído porum circuito que produz o chaveamento do laser pelo sinal modulador,e o retificador é um foto-diodo ou foto-transistor. Nos sistemas detransmissão de dados modulados por uma única frequência é comumfazer referência ao diagrama de constelação, no qual as amplitudesdas componentes em fase e em quadratura são plotadas nos eixoshorizontal e vertical do gráfico, respectivamente. 33
  35. 35. 3.1.2.3 Modulação por Chaveamento de fase (PSK)A modulação PSK (Phase Shift Keying) consiste em variar a fase daportadora de acordo com os dados a serem transmitidos. Porexemplo, ao bit "0" corresponde a fase 0º e ao bit "1" corresponde afase 180º da portadora, conforme figura abaixo:CONSTELAÇÃO PSKA constelação é uma forma de representar por vetores um sinal commodulação digital. O vetor I (In-Phase) indica que não houvealteração na fase da portadora. O vetor Q indica que houve umadefasagem de 900 na fase da portadora. As técnicas de modulaçãoPSK mais utilizadas são: BPSK e QPSK. 34
  36. 36. Modulação por Chaveamento de fase Binária (BPSK)2-PSK - Two Level Phase Shift Keying – Neste tipo de modulação adiferença entre fases para representar os bits 1 e 0 é um valor Ødqualquer, deslocado de 180 o. A figura abaixo mostra o diagrama defase e a forma-de-onda de um sinal modulado em 2-PSK.Quando o sinal modulante é um sinal digital binário, o sinal modulado“chaveará” entre duas fases acompanhando o sinal de entrada.A forma mais usual de implementação da modulação BPSK é termos amudança de fase de 00 para 1800 (inversão de fase de um estado parao outro).Também é conhecida por PRK –Phase Reversal Keying .O índice de modulação para BPSK é: M= 2N ; N=1; M= 21; M=2Modulação por Desvio de Fase (DPSK) - A modulação DPSK(Modulação por Desvio de Fase Diferencial) é uma variante da PSK,utilizada para se implementar a demodulação não coerente de sinaisPSK. As modulações DPSK são fáceis de implementar e de baixocusto, onde a cada bit não se associa uma fase da portadora, mas,sim, uma mudança ou não desta mesma fase, ou seja, para cada bit"0", efetua-se uma inversão de 180º na fase da portadora e, no bit"1", não se altera a fase, conforme figura abaixo: Figura - Modulação DPSK 35
  37. 37. Modulação por Chaveamento de Fase Quaternária (QPSK ou4PSK)4-PSK - Four Levels Phase Shift Keying – Neste tipo demodulação, um sinal modulado em 4-PSK é apresentado no diagramade fase e na forma-de-onda, mostradas abaixo. 36
  38. 38. A taxa de sinalização de 4-PSK é igual à metade da taxa desinalização de 2-PSK, de modo que as taxas de dados são iguais.A base ortonormada é constituída por duas portadoras emquadratura:Segue abaixo o Diagrama de Constelação QPSK para Si1 37
  39. 39. M-PSK - A medida que se aumenta o número de símbolos (M) melhoraa eficiência, mas, maior é a probabilidade de erro de símbolo. Paracompensar este último é necessário aumentar a relação Eb/N0.A figura acima mostra a energia espectral do MPSK para M = 2, 4, 8; 38
  40. 40. 3.1.2.4 Modulação de Amplitude em Quadratura (QAM)A modulação QAM (quadrature amplitude modulation) é caracterizadapela superposição de duas portadoras em quadratura moduladas emamplitude. Processo que permite multiplexar dois sinais diferentes,utilizando a mesma largura de faixa e recuperá-los depois utilizando ademodulação síncrona. Este processo também é chamado de QAM(Quadrature Amplitude Modulation) (a) Transmissor. (b) Receptor.Uma diversificação é a modulação por variação de fase e amplitudegeralmente identificada por QAM: o Número de pontos da constelação M =2 n o Número de bits por símbolo n o Para n = 2 a modulação QAM é equivalente a modulação QPSK;Diagrama de constelação para um sistema do tipo QAM 39
  41. 41. 3.2 Portadora Digital3.2.1 Informações Analógicas3.2.1.1 Modulação por Amplitude de Pulso (PAM)É um trem de pulsos de tal modo que o sinal a modular é “cortado”em pulsos, cada um com uma duração T. É um sinal discreto notempo, mas com amplitude contínua. Não é usado para transmissãopor ser muito vulnerável ao ruído, sendo usado como o primeiroestágio da modulação por pulsos. A figura a baixo mostra um sinalPAM (resultado da multiplicação do sinal a modular com um trem depulsos). Este sinal é bipolar, pois pode ter valores negativos epositivos. Se somarmos uma componente DC obtém-se um sinal PAMunipolar (apenas valores positivos). Outra forma de se obter um sinalPAM, PAM2, é usando um “sample-and-hold”, em que os pulsos emvez de terem a forma da curva, como no PAM1, são retangulares,mantendo o valor do instante inicial de amostragem (está mostradona parte de baixo da figura. Repare nas diferenças entre as duas).Na modulação PAM esta taxa é de 8 Khz, codificada em 8 Bits.A taxa total de amostras é de 64 Kbits:QuantizaçãoÉ o processo de tornar o sinal modulado em PAM, dentro de níveispré-estabelecidos de tensão chamados de Valores de Decisão. 40
  42. 42. Quando um pulso está acima de um nível de decisão, ele éaproximado para o nível superior de decisão, ele é aproximado para onível superior imediato.Quando o pulso está abaixo da linha de decisão, ele é aproximadopara o nível inferior imediato.Níveis de Decisão Durante o processo de Quantização do Sinal podemocorrer erros. Uma técnica de diminuir os erros é de Compreensãodos sinais, evitando-se distorções.Na análise de freqüência, o processo de uma freqüência deamostragem, fs, é igual ao inverso do período de amostragem (fs =1/Ts) dos pulsos da função c(t). Entretanto, o espectro amostradoneste caso será ligeiramente diferente do espectro do caso ideal. Naprática, o espectro de um sinal amostrado por um circuito amostradorserá igual ao espectro amostrado de forma ideal a menos de umaenvoltória tipo sinc. A função sinc da envoltória representa a função{sen( p.x )/ p.x}. A envoltória tipo sinc surge como conseqüência daduração finita dos pulsos na amostragem prática. Dependendo dasituação, esta envoltória poderá distorcer o espectro original presenteno espectro amostrado. Na figura abaixo, vê-se representado oespectro triangular de um dado sinal analógico. O sinal amostradoproduzido a partir de um sinal analógico de espectro triangular irápossuir um espectro periódico composto de várias formas triangulares(semelhantes ao espectro do sinal original, mas, distorcidas pelaenvoltória tipo sinc) reproduzidos nas freqüências múltiplas dafreqüência de amostragem. 41
  43. 43. 3.2.1.2 Modulação em Largura de Pulso – PWMO sistema PWM consiste em variar a largura do pulso da portadora,proporcionalmente ao sinal modulante, mantendo constantes aamplitude e o intervalo de tempo a que os pulsos se repetem.Podemos classifica o PWM como:- PWM simétrico, quando temos variações em ambos os bordos dopulso.- PWM assimétrico, quando temos variações em apenas um bordo decada vez.A figura abaixo mostra as formas de onda do PWM.A largura instantânea do pulso é uma função do sinal modulante dadapor:Figura do espectro de amplitudes do sinal modulado PWM 42
  44. 44. 3.2.1.3 modulação da posição de pulsos (PPM) - Pulse Position ModulationA modulação da posição de pulsos consiste em posicionar um pulsoretangular de amplitude e duração fixas dentro do intervalo deamostragem, de forma que a posição relativa seja proporcional aosinal analógico. A vantagem desta modulação sobre as anterioresreside no fato de que o formato de pulso é sempre o mesmo,facilitando a regeneração do sinal. O sinal PPM é gerado a partir doPWM, bastando utilizar um circuito mono estável gatilhado natransição de descida dos pulsos do sinal PWM.Nota-se no gráfico acima que deveria haver um pulso inicinando emt=0. O pulso não foi gerado porque a duração do pulso do sinal PWMocupou todo o intervalo de amostragem. Isto não causa problemas nademodulação do sinal PWM, mas a falta de um pulso compromete ademodulação PPM.Na demodulação do sinal PPM é realizado o processo inverso. O sinalPPM é convertido em PWM que por sua vez é transmitido através deum filtro passa-baixas para recuperar o sinal analógico. 43
  45. 45. 3.2.2 Informações Digitais3.2.2.1 Modulação por Código de Pulsos (PCM)A modulação por código de pulso, ou PCM (“Pulse Code Modulation”),consiste, basicamente, em transformar um sinal analógico em umasucessão de pulsos que, por possuir somente dois níveis distintos,permite sua codificação em um padrão binário. Este código bináriodeve ser capaz de representar os valores amostrados do sinalmodulante analógico. A grande vantagem do PCM é justamente o fatode só haver dois níveis distintos para o sinal modulado, reduzindo deforma substancial o ruído que interfere sobre o sinal modulado, poiseste pode ser constantemente regenerado, reassumindo sua formaoriginal. Os sistemas PCM multicanais, adicionam uma etapa demultiplexação por divisão de tempo ao sistema monocanal. O sinalanalógico que vai ser modulado em PCM terá associado a si, umconjunto de bits que forma um código binário. Esse código representauma quantidade discreta (que pode assumir valores determinados),em contraposição ao sinal modulante que varia de forma contínua,por ser de natureza analógica. Esse impasse pode ser resolvido com autilização da amostragem, que retém o valor instantâneo do sinalanalógico por um espaço de tempo suficiente para sua codificação esua quantização, que aproxima os valores dos sinais amostrados aníveis determinados pela codificação binária. A etapa de codificaçãoencarrega-se de gerar o código binário correspondente ao sinalquantizado e transmiti-lo através de um meio que normalmentecorresponde às linhas de transmissão por pares de cabos. O receptorPCM conta, na sua entrada, com um dispositivo regenerador que sepresta a restabelecer a forma ideal ao pulso recebido, quenormalmente chega ao receptor bastante atenuado e distorcido. Éjustamente neste ponto que se localiza a enorme vantagem damodulação PCM sobre as demais. Pois a ação do ruído sobre o pulso étotalmente eliminada, aumentando-se sensivelmente a relaçãosinal/ruído deste sistema. A etapa de decodificação é responsável pelaconversão do código binário em nível de tensão correspondente e osinal amostrado assim obtido passa por uma etapa de filtragem, querecupera o sinal modulante original. Para que haja uma inteligibilidadesuperior a 98%, basta que a relação sinal ruído (S/N) seja maior que26 dBs. Para que isto seja conseguido necessita-se de, no mínimo, 32níveis de quantização. Os atuais sistemas PCM utilizam 256 níveis dequantização (8 bits por unidade de informação). Com umaquantização linear, isto é, níveis discretos igualmente espaçados, oruído de quantização é igual para cada nível. A relação sinal ruído émenor, portanto, para pulsos de pequena amplitude do que parapulsos de grande amplitude. Isto significa que os sinais de pequenaamplitude sofrem maior interferência do ruído de quantização do queos sinais de grande amplitude. Para evitar esta interferência do ruído,mantendo 256 níveis de quantização com intervalos entre os níveisiguais, é necessário que a amplitude dos pequenos pulsos seja 44
  46. 46. expandida, e os pulsos de maior amplitude comprimidos. Esteprocedimento para melhorar a relação sinal ruído é denominadocompressão. No PCM, a questão do formato da lei de compressão éum dos aspectos mais importantes a se considerar. De fato, ainterligação de sistemas PCM é uma das maiores preocupações noestado atual de desenvolvimento de tecnologia. Para aplicaçõespráticas em telefonia, chega-se a conclusão de que se deve empregaruma lei de compressão que apresente simetria em relação à origem etenha variação de natureza logarítmica.Pulse Code Modulation (PCM), é a técnica de digitalização maisutilizada.O processo de digitalização usando PCM segue três etapas:1- Amostragem do sinal analógico.2- Quantização dos valores.3- Codificação dos valores em binário.Gráficos de geração do sinal modulado PCM Gráficos de geração do sinal modulado PCM 45
  47. 47. 3.2.2.2 Modulação por Código de Pulsos Diferencial (DPCM)O sinal de voz tem uma correlação entre amostras sucessivas umavez que a amplitude do sinal não muda muito de uma amostra paraoutra.Em outras palavras, o sinal de voz é bastante redundante. Atécnica diferencial(DPCM) reduz a redundância do sinal de voz. Isto éobtido quantizando as diferenças de amplitude entre amostrassucessivas. Como as amostras são semelhantes, então se empregamenos bits para representar o sinal.Em DPCM, uma predição do valor da próxima amostra é obtida dosvalores passados. Obtenção das diferenças entre amostras: • Armazenar a amostra anterior em circuito de amostragem- retenção; • Subtrator analógico obtém a diferença entre amostras; • A amostra é quantizada e codificada para transmissão;Diagrama de Bloco para DPCMO sinal de realimentação é uma estimativa do sinal de entrada obtidopela integração das diferenças codificadas entre amostras. Existemtrês alternativas de implementar o codificador DPCM, conformemostrado na figura abaixo: integração analógica, integração digital ediferenciação digital. 46
  48. 48. O processamento digital conforme mostra o diagrama (c) acima é àmaneira de menor custo de implementar o algoritmo DPCM.PCM Diferencial Adaptativo(ADPCM - Adaptive Differential Pulse CodeModulation);ADPCM - usa quantização e/ou predição adaptativa. PrediçãoAdaptativa: consiste no ajuste dinâmico do preditor, de acordo comas variações no sinal de voz. Diagramas de blocos para o codificador edecodificador ADPCM são mostrados na figura abaixo.A entrada docodificador e a saída do decodificador são PCM logarítmico. O fluxode dados transmitidos é necessariamente composto de blocoscontendo três tipos de informação:(1)o sinal diferencialcodificado(residual), (b)o fator de ganho, e (c)os coeficientes dopreditor.ADPCM fornece maior economia de bits que DPCM.Várias formas deADPCM tem sido usadas em várias aplicações.Duas aplicações mais 47
  49. 49. importantes são mensagens de voz e equipamentos para aumentar onúmero de canais de voz em agregados de 2Mb/s. Com relação àúltima aplicação a ITU-T estabeleceu um padrão para ADPCM de32kbps, a Recomendação G.721. Este algoritmo é extensamenteusado e não apresenta degradação significativa na qualidade doscircuitos de voz quando inseridos nos sub-sistemas internos de umarede.A taxa de 32kbps implica em uma economia de 2:1 na largura debanda do canal com relação ao PCM padrão.A única desvantagemintroduzida por ADPCM padrão é a degradação de sinais de dados demodem com taxas maior que 4800bps. Dados na faixa de voz emtaxas de 4800bps e abaixo são adequadas e não apresentamproblemas.O algoritmo ADPCM usa um preditor de oitava ordem, quantizaçãoadaptativa, e predição adaptativa. Além disso, o algoritmo é projetadopara reconhecer a diferença entre sinais de voz e dados e usar omodo rápido ou lento de adaptação do quantizador.Modulação Delta (DPCM ou 1-bit modulation):• Em vez de codificar a amplitude, codifica a diferença;• Usa 1 bit: indica, a cada amostra, se o valor subiu ou desceu emrelação à amostra anterior;• Provoca distorção nos transitórios mas é muito econômico; 48
  50. 50. Adaptative DPCM:• Conta só a diferença, como o Delta, mas usa passos irregulares• Quando transitórios aparecem ajusta o tamanho do passo;3.2.2.3 Modulação por Código de Pulsos Diferencial Adaptativa (ADPCM)ADPCM fornece maior economia de bits que DPCM. Várias formas deADPCM tem sido usadas em várias aplicações. Duas aplicações maisimportantes são mensagens de voz e equipamentos para aumentar onúmero de canais de voz em agregados de 2Mb/s A recomendaçãoG.727 do ITU-T(International Telecommunication Union –Telecomunication) contém a especificação de um algoritmo demodulação diferencial adaptativo (ADPCM) com 5, 4, 3, e 2 bits poramostra, gerando taxas de 40, 32, 24 e 16 Kbps.Este algoritmo é extensamente usado e não apresenta degradaçãosignificativa na qualidade dos circuitos de voz quando inseridos nossubsistemas internos de uma rede.A taxa de 32kbps implica em uma economia de 2:1 na largura debanda do canal com relação ao PCM padrão. A única desvantagemintroduzida por ADPCM padrão é a degradação de sinais de dados demodem com taxas maior que 4800bps. Dados na faixa de voz emtaxas de 4800bps e abaixo são adequadas e não apresentamproblemas.A recomendação G.727 define os procedimentos para um coder, que apartir de um canal PCM de 64 Kbps, oriundos da digitalização de umsinal analógico de voz, gera um canal ADPCM de taxa variável. Osalgoritmos ADPCM são recomendados para uso na operação desistemas de empacotamento de voz, de acordo com o PacketizedVoice Protocol (PVP) especificado na Draft Recommendation G.764. OPVP é capaz de atenuar a congestão modificando o tamanho dopacote de voz quando necessário. Utilizando propriedades destealgoritmo, os bits menos significativos de cada codeword podem serdescartados em pontos de empacotamento e/ou nós intermediáriospara atenuar a congestão. Isto permite um desempenho muito melhorque simplesmente descartar pacotes inteiros durante a congestão. 49
  51. 51. Portanto, o ADPCM tem a capacidade de descartar bits para fora doprocesso de codificação e decodificação. Isto permite a redução dataxa de codificação de bits em qualquer ponto da rede sem anecessidade de coordenação entre o transmissor e o receptor.Entretanto, o receptor deve ser informado pelo transmissor da taxa edo método de codificação. Esses algoritmos são capazes de lidar comtráfego de características imprevisíveis como os de rajada, querequerem tratamento de congestão. Isto é o caso de redes baseadasno protocolo IP, como a Internet, onde podem correr descarte depacotes, em razão da congestão. As Figuras abaixo apresentam osdiagramas de blocos de coders e decoders ADPCM.CodificadorDecodificador 50
  52. 52. DetecçãoProcesso de decisão de símbolo (informação) que ocorre após ademodulação;Tipos de DetecçãoDetecção coerenteProcessa o sinal recebido com uma portadora local de mesmafreqüência e fase.Utiliza a fase da portadora para detectar o sinal;Autocorrelação com réplicas do sinal no receptor;Compara com um limiar para tomar decisões;Maior Complexidade;Menor probabilidade de erro;Detecção não coerenteNão utiliza informação de referência de fase;Receptores menos complexos (menor custo);Desempenho inferior à detecção coerente;Não necessita de um sinal de portadora local;Menor Complexidade;Maior probabilidade de erro;A Figura a seguir apresenta a probabilidade de erro em função do tipode detecção para alguns esquemas de modulação: 51
  53. 53. A figura acima mostra a performance do DPSK com PSK e FSK quantoà detecção coerente e não coerente. 52
  54. 54. Eficiência de Largura de FaixaExistem várias definições para largura de banda. Dependendo dasituação ou aplicação, uma definição pode ser mais útil do que outras.Contudo, ao se comparar larguras de bandas de vários sinais e/ousistema deve se ter o cuidado de usar a mesma definição para todos.De um modo geral, o que se denomina largura de banda é a largurade uma faixa de freqüências positivas: B = f2 – f1,Onde f2 > f1 ≥0sendo que os valores de f1 e f2 dependem da definição de largura de banda escolhida.A largura espectral dos sinais e/ou ruídos nos sistemas decomunicação é um conceito muito importante, por duas razões: o Mais e mais usuários estão utilizando a banda de radiofreqüências (RFs), que já se encontra incrivelmente cheia, de modo que a faixa espectral requerida por cada um necessita ser considerada cuidadosamente. o A faixa espectral dos sinais e/ou ruídos é importante do ponto de vista do projeto dos equipamentos uma vez que os circuitos necessitam ter largura de banda suficiente para acomodar o sinal, mas devem rejeitar o ruído (e interferências) nas freqüências que estão fora da banda do sinal. oSinais e Sistemas de Banda Básica e Passa-FaixaPara sinais ou sistemas de banda básica, f1 é muito pequeno, f1 << f2,muitas vezes f1 = 0.Sinais ou sistemas passa-faixas de banda estreita: B = f2 – f1 << f1 B . f1 << 1No caso de sinais modulados, a faixa f1 < f < f2 contém a freqüência fc da portadora dosinal. 53
  55. 55. Largura de banda absolutaDef.: Largura de banda absoluta de um sinal é f2 – f1, sendo que oespectro é igual a zero fora da faixa f1 < f < f2, para f ≥ 0.Largura de banda de 3 dBDef.: Largura de banda de 3 dB (ou largura de banda de meiapotência) é f2 - f1, onde para freqüências dentro da banda f1 < f < f2, oespectro de magnitude tem valor no máximo 3 dB menor do que ovalor máximo, que ocorre em uma freqüência dentro da banda.P[dB] = 10log P[W] / 10-3 54
  56. 56. Largura de banda de nulo-para-nuloLargura de faixa ocupadaA largura de faixa ocupada é a largura da faixa de freqüência tal que,abaixo da freqüência limite inferior e acima da freqüência limitesuperior, as potências médias radiadas são iguais a uma percentagemespecificada β/2 da potência média total radiada por uma dadaemissão.O valor de β/2 deve ser 0,5%, a menos que uma Recomendação ITU-R para a classe apropriada da emissão. 55
  57. 57. Largura de faixa correspondente ao nível de x dBA largura de faixa correspondente ao nível de x dB é a largura dafaixa de freqüência tal que, abaixo da sua freqüência limite inferior eacima da sua freqüência limite superior, qualquer componenteespectral discreto ou densidade espectral de potência contínua é pelomenos x dB menor que um predeterminado nível de referência de0dB.Largura de faixa necessáriaPara uma dada classe de emissão, a largura da faixa de freqüênciaque é suficiente para assegurar a transmissão da informação com avelocidade e com a qualidade requeridas sob condições especificadas.Emissão “ótima” do ponto de vista da eficiência espectralUma emissão deveria ser considerada ótima do ponto de vista daeficiência espectral quando sua largura de faixa ocupada coincide coma largura de faixa necessária para a classe de emissão em questão.Avaliação dos espectros pela comparação da potência fora da faixa eos limites da faixa necessária 56
  58. 58. Avaliação dos espectros através da largura de faixa em x dB.Bn = faixa necessáriaEmissão mais larga que a “ótima”Emissão mais estreita que a “ótima” 57
  59. 59. Eficiência de Largura de Faixa para Modulações DigitaisExemplos:EF. BW = 1 para cada 1 Hz de BW 1 BPSEF. BW = 3 para cada 1 Hz de BW 3 BPSE b = Energia de bitN o = Densidade de potência de ruídoT = duração de 1 bit (s)R = 1/T = taxa de bit (bits/s)B = Largura de faixa do sinal (Hz) 58
  60. 60. Projeto de SistemasObjetivo do projeto de sistemas: 1- Maximizar a taxa de transmissão. 2- Minimizar a probabilidade de erro de bit. 3- Minimizar a potência requerida (ou minimizar Eb / No). 4- Minimizar a largura de faixa requerida, 5- Maximizar a utilização do sistema. 6- Minimizar a complexidade de custo do sistema.Notamos que (1) e (2) são conflitantes com (3) e (4). Em geral ou seotimiza a banda (BW) requerida ou a Eb / No necessária.Sistemas Limitados em Potência:Potência: limitadaBW: disponívelAs soluções de compromisso podem ser: 1- Melhorar a PB gastando-se BW para um dado Eb / No. 2- A Eb / No requerida pode ser reduzida gastando-se BW para uma da PB. 59
  61. 61. Sistemas Limitados em Banda ( BW) Potência: disponível BW: limitadaObjetivo: Maximizar a taxa de informação transmitida pelo canallimitado em BW, ao custo de Eb / No.Probabilidades de erro das Modulações 1) Disposição da Constelação PSK 1.1- Modulação BPSK Constelação do BPSKEF.BW = 1 BPS/HzProbabilidade de erro de bitDesempenho no canal pela função Erro Tabulada Para x>3 -4Exemplo: para Eb/No = 8,4 dB, Pb=1.10 60
  62. 62. Diagramas de constelação: M-PSKQPSK - Taxa de símbolo=1/2 taxa de bit 8-PSK – Taxa de sinal = 1/3 taxa de bitProbabilidade de erro de símbolo (PE(M)) Para M>2PE(M) ≡ Probabilidade de erro de símboloEs ≡ Energia por símbolo: Es = Eb log 2 MRelação entre a Probabilidade de erro de bit e a Probabilidade de errode símbolo (Pb x Pe) depende do mapeamento da seqüência binária noconjunto de “M” símbolos transmitidos. Um resultado genérico simplesnão é possível, mas podemos traçar os limites desta relação. 61
  63. 63. Exemplo: 1.2- Modulação QPSKQPSK com mapeamento Gray Mínimo: 1 bit errado1 Símbolo errado Máximo: 2 bits errados1 erro de símbolo em 10.000 PE = 1*10-4Mínimo: 1 erro de bit em 20.000 Pb = 0,5*10-4Máximo: 2 erros de bit em 20.000 Pb = 1*10-4½*10-4 ≤ Pb ≥ 1*10-4Generalizando:Para Eb/No alto e com utilização de código Gray, temos: 62
  64. 64. Fig- Probabilidade de erro (PE) x Eb/No para o esquema M-PSK 63
  65. 65. - A tabela a seguir apresenta uma comparação do sistema PSK para alguns valores de M.No de estados No de bits por C/N(dB) Eb/No (dB) -4por símbolos hertz Pb = 10 Pb = 10-4 BW = ideal 2 1 8,4 8,4 4 2 11,4 8,4 8 3 16,8 11,8 16 4 22,0 16,3 32 5 28,0 21,0 - Para valores grandes de M, o sistema M-PSK torna-se ineficiente, pois para ganhar 1 bit por Hz pagamos um preço de 6 dB na relação sinal ruído (C/N). - Entre os sistemas do tipo PSK, existe ainda o PSK diferencial ou DPSK. O DPSK é um tipo de modulação que elimina a necessidade de um sinal referência com coerência de fase no receptor para o processo de detecção. - Suas principais características são: Maior simplicidade Pior performance (conforme tabela abaixo) - A tabela a seguir do sistema DPSK apresenta uma comparação para alguns valores de M. M C/N 2 9,4 1,0dB >que 2-PSK 4 13,5 2,1dB > que 4-PSK 8 19,3 2,5dB > que 8-PSK 16 25,0 3,0dB > que 16-PSK 32 31,0 3,0dB > que 32-PSK 1.3- Modulação 8PSK 64
  66. 66. Para modulação 8PSK, teremos o diagrama de constelação alterado com relação ao 4PSK, no que diz respeito ao no de símbolos associados à portadora. Diagrama de constelação 8PSK Contagem (codificação Gray) Número de bits por símbolo (3): 2 Sistema binário 8 Ordem da modulação 3 2 =8 S1(t) = A cos wct S2(t) = A sem wct S(t) = S1(t)*S2(t) Tabela do codificador N1(t) N2(t) S1(t) S2(t) S(t)000 A 0 A Cos wct 0 A Coswct001 A/√2 A/√2 A/√2 A Cos wct A/√2 A Sen wct A Cós(wct+π/4)011 - A/√2 A/√2 - A/√2 A Cos wct A/√2 A Sen wct A Cós(wct+3π/4)…... …..... …..... ………………...... ....................... .............................. ........ ........ ........................ ....................... .........................100 A/√2 - A/√2 A/√2 A Cos wct -A/√2 A Sen wct A Cós(wct+7π/4) Com o codificador devidamente programado, podemos com a estrutura anterior gerar teoricamente qualquer modulação M-PSK, basta para isto, ajustarmos devidamente os sinais n1(t) e n2(t) para podermos formar a constelação desejada. Para a modulação PSK, normalmente limitamos a ordem M ao valor 8, pois com 16, 32 e 64-PSk oferecem uma performance muito inferior as modulações 16, 32 e 64-QAM. Através dos diagramas de constelação apresentados anteriormente é possível notar que à medida que aumentamos a ordem da modulação 65
  67. 67. PSK será necessário aumentar de forma considerável a ordem dagrandeza da relação sinal ruído (C/N) para continuarmos com amesma performance. Enquanto ao compararmos 2, 4 e 8-PSK com 2,4 e 8-QAM, temos resultados idênticos ou muito próximos em termosde performance. No entanto a partir das modulações de ordem16QAM oferece resultados muito superiores. A modulação PSK ouQAM pode ser gerada através de uma mesma estrutura demodulação, a diferenciação entre uma e outra será feita através docodificador. 2) Disposição da constelação QAM Para grandes valores de M este sistema é mais eficiente que o sistema M-PSK, mas para tal, os pontos da constelação devem estar adequadamente distribuídos. Os exemplos a seguir ilustram a afirmação acima, onde será determinada a energia média necessária do sinal para manter a distância entre os pontos da constelação igual a 2 e, portanto obter praticamente a mesma probabilidade de erro.Exemplos: 1- Comparação da energia média 4-QAM x QPSK √ ε1 = 1 4= ε+ε √ ε2 = √ 3 4 = 2ε ε=2 ≡ média ε=2 66
  68. 68. 2- Comparação da energia média 8-QAM x 8-PSK √ ε1 = √ 2 2 = √0,586 ε √ ε2 = 2 + √ 2 ε = 6,83 ε = 6,833- 2o Exemplo da comparação da energia média 8-QAM x 8-PSK √ ε1 = 2 ε = 6,83 ε =ε +4 2 1 √ε = 2 * √2 2 ε=6 L ≈ 6dB<8-PSK 67
  69. 69. 4- 3o Exemplo da comparação da energia média 8-QAM x 8-PSK ε ε4= 2+ 1ε1 = 2 ε = 6,83√ε1 = √2√ε2 = 2x + yx = √2 sen 45o = 1z = √2 sen 45o = 1y = √3√ε1 = 1+√3ε = 4,73L ≈ 1,6dB<8-PSKA figura a seguir apresenta a disposição da constelação QAMquanto à probabilidade de erro em função de Eb / No 68
  70. 70. O desempenho do sistema depende do tipo de constelação. Em QAM o tipo de constelação mais utilizado é o retangular, apesar do esforço de pesquisa nos mais diversos tipos de geometria, cujo objetivo é sempre o da otimização da energia média da constelação (empacotamento de energia).A figura a seguir apresenta constelações retangulares:A tabela a seguir apresenta as energias médias das constelaçõesnecessárias para a transmissão considerando-se que a distânciamínima entre dois pontos da constelação é igual a 2.A figura abaixo mostra a energia média necessária paraconstelações QAM retangulares – distância mínima igual a 2. M Bits/símbolo (log2M) ε 10 log10ε 4 2 2 3,0 8 3 4,73 6,78 16 4 10 10,0 32 5 20 13,0 64 6 42 16,2 128 7 82 19,1 256 8 170 22,3 69
  71. 71. 3) Disposição da constelação FSK M-FSKO sistema M-FSK apresenta pontos no espaço de sinais que sãoortogonais entre si. No caso, por exemplo, de um 3-FSK, a figura aseguir mostra onde estariam as regiões de decisão para detecção decada um de seus três símbolos.A figura abaixo mostra a disposição do sistema 3-FSK e suas regiões dedecisão: Para sistemas FSK com detecção coerente a probabilidade de erro é dada pela seguinte expressão: A figura a seguir apresenta as curvas de desempenho, probabilidade de erro em função de Eb/No, para vários valores de M. 70
  72. 72. Comparação de desempenho PSKxQAM: 71
  73. 73. A figura abaixo mostra a comparação entre os sistemas de modulaçãodigital em termos de eficiência de largura de faixa em função do tipode modulação e Eb/No para uma taxa de erro constante de 10-5.Apresenta ainda as regiões limitadas em potência e em largura defaixa. Observa-se que o sistema de modulação M-FSK é o único em que para uma dada probabilidade de erro o valor necessário de Eb/No diminui com o aumento de “M”. Entretanto o preço a ser pago por isso é uma expansão da largura de faixa necessária para a transmissão, que acaba diminuindo a eficiência de largura de faixa, na medida em que “M” aumenta. 72
  74. 74. Capítulo IV Sistemas Multiplex 1. MultiplexaçãoÉ um sistema que permite a transmissão de 2 ou mais canaissimultâneos por um mesmo meio de transmissão. Os sistemas maisconhecidos de multiplexação são os das estações FM (freqüênciamodulada) e das estações de TV, onde os sinais de vídeo sãotransmitidos em AM (amplitude modulada) e os sinais de áudio emFM.Tipos de multiplexação:Multiplexação AnalógicoMultiplexação Digital Os sistemas de multiplexação analógicos são padronizados pelo CCITT, segundo três hierarquias, é um sistema FDM (Frequency Domain Multiplex – Multiplexação no Domínio da Freqüência) e ele se baseia na translação ou conversão de freqüências. Os sistemas de multiplexação digitais são padronizados pelo CCITT, segundo três hierarquias, são sistemas TDM (Time Domain Multiplex – Multiplexação no Domínio do Tempo), conhecidos como PCM (Pulse Code Modulation). 73
  75. 75. 1.1. Multiplexação FDMOs sinais (canais) são transladados na freqüência para que passem aocupar a banda passante do sistema, sem que haja superposiçãoentre eles.Aplicação da Modulação: Multiplexação por divisão de freqüência – FDMSe somarmos dois sinais senoidais na entrada de um dispositivo nãolinear, que chamamos de Mixer, produz em sua saída produtos de 74
  76. 76. intermodulação de segunda ordem que consistem dos componentessoma e diferença das freqüências de entrada.FB = F OL ±F A1FB Freqüência intermediária determinada pela soma algébrica doscomponentes de entrada do Mixer.F OL Componente de entrada do Mixer gerado pelo Oscilador Local.F A1 Componente de entrada do Mixer, que se deseja transladar.- O exemplo a seguir explicita a entrada e saída do MIXER, supondo osinal de entrada (canal de voz) de banda de 0 a 4KHz e uma FOL de100KHz:- Considerando que o objetivo é apenas transladar o canal, a soluçãoseria de utilizar um mixer de rejeição de oscilador e acrescentarmosum filtro passa-faixa, conforme figura de conversão de canal abaixo:Neste caso optou-se por selecionar o batimento inferior, ou seja, ocanal de voz de entrada foi transladado para a faixa de 96 a 100 KHzcom inversão de espectro conforme a figura abaixo: 75
  77. 77. - O processo de multiplexação por divisão de freqüência consiste emse transladar diversos canais de voz da faixa de 0 a 4 KHz paradiferentes faixas de freqüências, enfileirando-os no espectro.- Ao agrupamento dos canais dá-se o nome de banda básica ou bandabase, que será o sinal modulante de um equipamento de transmissão.- A figura a seguir apresenta a formação do grupo básico segundo oprocedimento “1” do CCITT (hierarquia européia), que é oprocedimento adotado no Brasil.As figuras abaixo representam a formação do Grupo Básico 76
  78. 78. As figuras abaixo representam a formação do Super Grupo Básico:As figuras abaixo representam a formação do Grupo Mestre: 77
  79. 79. As figuras abaixo representam a formação do Super Grupo Mestre:As figuras abaixo representam a formação da Banda Base de 2700 Canais:O diagrama em blocos de um MUX FDM está representado na figura aseguir, através de seus vários estágios de translação:Onde:ETC É o Estágio de Translação de CanalETGB É o Estágio de Translação de Grupo Básico 78
  80. 80. ETSGB É o Estágio de Translação de Super Grupo BásicoETGM É o Estagio de Translação de Grupo MestreETBB É o Estagio de Translação de Banda BásicaA banda básica ou banda multiplexada modula uma portadora emuma freqüência intermediária cujo valor depende da capacidade decanalização do rádio. Esta portadora em FI, é modulada emfreqüência (FM).A largura de faixa do canal de rádio (BW de FI), depende basicamenteda capacidade de canalização – Largura de faixa da banda base – e dodesvio de freqüência aplicado durante o processo de modulação, indodesde aproximadamente 1 MHz até 33 MHz.A seguir segue uma tabela com alguns valores padrões para sistemasrádio analógico em microondas para telefonia: No de Freqüência FI [MHz] BW do Faixas deCanais de Máxima da canal de freqüências Voz BB [KHz] rádio [GHz] [MHz] 60 300 70 1,2 a 3,2 2e7 120 552 70 1,8 a 4,1 2e7 300 1300 70 6,5 2; 4; 7 e 13 600 2660 70 10,9 2; 4 e 6 900 4188 70 15,2 2; 4 e 11 960 4028 70 15,1 2; 4; 6; 7; 8; 11 e 13 1200 5564 70 16,6 e 19 2; 4; 6 e 11 1260 5636 70 16,9 e 19,3 2; 4; 6 e 11 1800 8204 70 23,1 2; 4; 6; 8 e 11 2700 12383 140 33,1 6 e 11No caso de transmissão de sinais de TV em rádio-enlaces demicroondas, a banda base é constituída pelo sinal de vídeo em seuespectro original e de uma a quatro subportadoras alocadasespectralmente acima da faixa de vídeo como mostra a figura aseguir, para o caso de apenas uma subportadora de áudio: 79
  81. 81. A figura abaixo mostra o diagrama em blocos do MUX FDM para sinaisde TV.Observado que todo o processamento da informação primária até atransmissão é feita analogicamente seja para canais telefônicos oupara TV. 80

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