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Transmissão de dados

Transmissão por rádio Frequência

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Fundamentos de Rádio freqüênciaFundamentos de Rádio freqüência

• Toda a transmissão e recepçãode sinais no mundo wireless sebaseia em Rádio Freqüência(RF).

• Esses sinais são então irradiadosno ar livre na forma de ondas derádio e se propagam em linhareta e em todas as direções.

Radio freqüênciaRadio freqüência

• RF são correntes alternadas de alta freqüênciaque passa através de condutores de cobre e,então são irradiadas pelo ar através dasantenas.

• As antenas transferem a energia do sinal do cabo para o espaço na forma de ondas e vice-versa.

Fundamentos de Rádio freqüênciaFundamentos de Rádio freqüência

• Você pode imaginar essasondas como círculosconcêntricos que vãoaumentando seu raio amedida que se afastamda antena. Como asondas formadas por umapedra em um lago.

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Onda eletromagnética(senoidal)Onda eletromagnética(senoidal)

Entender Fases de uma onda antes do PSK.Entender Fases de uma onda antes do PSK.

Comprimento de ondaComprimento de onda

• Velocidade na luz no vácuo = 3x108 = 300.000km/s

• Comprimento = espaço percorrido em determinado período.

• E = v.t

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Comprimento de ondaComprimento de onda

• Comprimento = 300.000 km/sFreqüência

2 GHz = 300.000 Km/s = 0,00015km = 15 cm

2.000.000.000 HZ

5 GHz = 300.000 Km/s = 0,00006km = 6 cm

5.000.000.000 HZ

Transmissão da informaçãoTransmissão da informação

Fonte de Informação

TransdutorTransmissorModulador

ReceptorDemodulador

Transdutor Destino

Fonte de Ruído Externo

Distorção Atenuação

Ruído Interno

Canal de Transmissão

Mensagem Sinal de Entrada Sinal

TransmitidoSinal

Recebido

Sinal deSaída

Mensagem

Transmissão da informação – Definições

Fonte de Informações

É a origem das informações a serem transmitidas. Estas informações podem

ser de natureza não elétrica (voz humana, por exemplo), devendo ser

convertidas em sinais elétricos correspondentes.

Mensagem

É a forma pela qual a fonte de informação fornece os dados a serem transmitidos.

Transdutor

É um conversor que transforma a mensagem em um sinal elétrico adequado (sinal

de entrada) para ser manipulado no transmissor. Na recepção ocorre o processo

inverso.

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Receptor

É um Sistema que processa o sinal recebido e procura recuperar o sinal

transmitido originalmente (demodulando ou não), cancelando os efeitos

gerados pelo transmissor e pelo canal.

Canal de Transmissão

É o meio de transmissão, ou seja, é a mídia onde trafegará as informações a

serem transmitidas.

Transmissor

É um sistema que trata o sinal de entrada (sinal em banda base), tornando-o

adequado para ser transmitido no canal. O sinal transmitido pode ser em banda

básica (baseband) ou banda larga (broadband), ou seja sem ou com

modulação respectivamente;

Atenuação

É a redução de potência do sinal enviado em função das perdas por radiação e

geração de calor que ocorrem no processo de transmissão;

Transmissão da informação – Definições

Fonte de Ruído Externo

O ruído externo é um sinal gerado fora do canal de transmissão que, por algum

tipo de interferência elétrica aleatória gera alteração no sinal transmitido.

Como exemplo seriam as descargas elétricas atmosféricas, radiações solares e

linhas de transmissão de alta tensão.

Ruído Interno

Também de origem aleatória são ruídos originados pela movimentação dos

elétrons nos materiais condutores e recombinações de portadores

que ocorrem em dispositivos eletrônicos.

Distorção

São alterações sofridas pelo sinal transmitido, que são introduzidas pelo próprio

canal de transmissão. Um exemplo seria a distorção na transmissão de uma

onda quadrada ocasionada pelas diferentes atenuações em cada uma de suas

componentes em freqüência.

Transmissão da informação – Definições

Relação Sinal Ruído (S/N – Signal to noise Ratio)

É definida como a relação entre a potência do sinal recebido e a potência do ruído

incorporado na transmissão. Assim:Onde:

Ps – Potência do sinal transmitido [watts]

Pn – Potência do ruído [watts].

dB – decibel (unidade de potência

relativa)

log – logaritmo base 10.

=

N

S

P

P

NS

É muito comum em transmissão de sinais expressar a relação sinal ruído em uma

unidade chamada de decibel (dB). Assim a S/N e definida é calculada pela relação:

=

N

S

dB P

P

NS log10

Onde:

dB – decibel (unidade de potência

relativa)

log – logaritmo base 10.

Transmissão da informação – Definições

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Composição de um sinal periódico: Série de Composição de um sinal periódico: Série de FourierFourier

� Um sinal periódico qualquer pode ser decomposto em

uma somatória de sinais senoidais e cossenoidais com

freqüências múltiplas inteiras da freqüência fundamental f,

cada uma com uma determinada amplitude A e uma

determinada fase ϕ, mais uma componente continua (de

freqüência zero). Esta somatória é a chamada Série de

Fourier.

Exemplo de composição de uma onda quadrada através da

somatória de 6 harmônicas;

Composição de um sinal periódico: Série de Composição de um sinal periódico: Série de FourierFourier

Harmônicas

Sinal resultante

Simulação fourier

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Teorema de Teorema de nyquistnyquist

• Este teorema define a relação entre a largura debanda do hardware e a taxa máxima teórica em queos dados podem ser enviados.

• Largura de banda do hardware e a transmissão debits

– Também conhecido por teorema da amostragem, defineque a quantidade mínima de amostras que devem serobtidas de um sinal contínuo a ser amostrado deve serduas vezes a maior freqüência deste sinal, a fim de serpossível sua recuperação.

– Isto significa que se for usada uma freqüência deamostragem de 8000 Hz consegue-se ter toda ainformação de um sinal que tenha largura de banda 4000Hz.

Teorema de Teorema de nyquistnyquist

• Amostragem

– A conversão do sinal analógico para o digital érealizada por uma seqüência de amostras davariação de voltagem do sinal original. Cadaamostra é arredondada para o número maispróximo da escala usada e depois convertida emum número digital binário (formado por "uns" e"zeros") para ser armazenado.

Teorema de Teorema de nyquistnyquist

• Taxa de amostragem

– As amostras sãomedidas em intervalosfixos.

– O números de vezesem que se realiza aamostragem em umaunidade de tempo é ataxa de amostragem,geralmente medida emHertz.

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Teorema de Teorema de nyquistnyquist

Teorema de Teorema de nyquistnyquist

Quanto maior a amostragem taxa, melhor a Quanto maior a amostragem taxa, melhor a representação da onda analógica original e o representação da onda analógica original e o

melhor a qualidade do sinal.melhor a qualidade do sinal.

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Processo que consiste em coletar amostras de um sinal em intervalos regulares do tempo para o

que o mesmo possa ser digitalizado.

Teorema da Amostragem ou critério de Nyquist.“Para que um sinal amostrado possa ser

reconstituído, a taxa de amostragem deve ser no mínimo duas vezes a mais alta freqüência

do sinal original.”

AmostragemAmostragem

Teorema de Teorema de ShannonShannon

• Estabelece um limite na taxa em que os dados podem ser enviados na presença de ruído.

• Um canal de transmissão sempre introduzruído, distorção e atenuação no sinaltransmitido, estes efeitos dependem dascaracterísticas físicas do meio e não sãohomogêneos em todas as componentes dosinal descritas pela Série de Fourier,distorcendo assim o sinal original;

Capacidade de Transmissão: Lei de Capacidade de Transmissão: Lei de ShannonShannon

• Define-se Largura de Banda (W) de um canal, a diferença entre a maior e a

menor freqüências (em hertz) as quais não sofrem atenuação expressiva

durante a transmissão;

• A Capacidade (C) ou Taxa de Transmissão de um canal é dada pela

quantidade máxima de informações transmitidas em um determinado período

(dada em bits por segundo);

( )N

SWC += 1log 2

Onde:

C – Capacidade máxima do canal (em bits por

segundo – bps)

S/N – Relação sinal ruído

W – Largura de banda do sinal a ser transmitido

(em hertz)

log2 – logaritmo base 2.

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Importância para comunicação de dadosImportância para comunicação de dados

• Teorema Nyquist

Incentiva a exploração demaneiras de codificar bitsem um sinal permitindoque mais bits sejamtransmitidos na mesmaunidade de tempo

• Teorema Shannon

Informa que não há codificação que supere as leis da física, colocando limite fundamental ao numero de bits por segundo que podem ser transmitidos.

Transmissão de sinais a de longas distânciasTransmissão de sinais a de longas distâncias

• A corrente elétrica se torna mais fracaenquanto viaja no meio.

• Este fenômeno é nomeado “perda de sinal”

• Ocorre porque a resistência do fio faz com quepequenas quantidades de energia elétricasejam convertidas em calor.

Transmissão de sinais a de longas distânciasTransmissão de sinais a de longas distâncias

• A perda de sinal é importante para sistemasde comunicação, pois significa que mudançassimples na tensão elétrica, como as usadaspelo RS-232, não bastarão para umacomunicação de longa distância.

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• Nos sistemas de longa distância a transmissãoé realizada através de um sinal oscilatóriocontínuo, geralmente uma onda senoidal,chamada portadora.

Transmissão de sinais a de longas distânciasTransmissão de sinais a de longas distâncias

Modulação por Código de Pulso Modulação por Código de Pulso -- PCMPCM

Método de conversão de sinais analógicos emdigitais muito utilizado em sistemas telefônicos.

Etapas fundamentais na geração do sinalmodulado PCM:

1.Amostragem

2.Quantização

3.Codificação

1. AMOSTRAGEMColeta de amostras do sinal analógico em intervalos regulares do tempo.

Modulação por Código de Pulso Modulação por Código de Pulso -- PCMPCM

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2. QUANTIZAÇÃOAjuste dos valores amostrados para níveis de valores previamente definidos.

+25

-25

-75

+50 +50 +50

+25

-50

+50

+127 +127 +127

+100 +100

+75

Modulação por Código de Pulso Modulação por Código de Pulso -- PCMPCM

3. CODIFICAÇÃOAjuste dos valores amostrados para níveis de valores previamente definidos.

+25

-25

-75

+50 +50 +50

+25

-50

+50

+127 +127 +127

+100 +100

+75

a b c d e

f

g

h

i j k l m n o

Modulação por Código de Pulso Modulação por Código de Pulso -- PCMPCM

3. CODIFICAÇÃOAjuste dos valores amostrados para níveis de valores previamente

definidos.

a) +25 00011001 f) -25 10011001 k) +127 01111111

b) +50 00110010 g) -75 11001011 l) +100 01100100

c) +50 00110010 h) -50 10110010 m) +75 01001011

d) +50 00110010 i) +50 00110010 n) +75 01001011

e) +25 00011001 j) +127 01111111 o) +75 01001011

Modulação por Código de Pulso Modulação por Código de Pulso -- PCMPCM

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Capacidade de Transmissão: Lei de Shannon

� Um canal de transmissão sempre introduz ruído, distorção e atenuação no sinal

transmitido, estes efeitos dependem das características físicas do meio e não são

homogêneos em todas as componentes do sinal descritas pela Série de Fourier,

distorcendo assim o sinal original;

� Define-se Largura de Banda (W) de um canal a diferença entre a maior e a

menor freqüências (em hertz) as quais não sofrem atenuação expressiva durante a

transmissão;

�A Capacidade (C) ou Taxa de Transmissão de um canal é dada pela quantidade

máxima de informações transmitidas em um determinado período (dada em bits por

segundo);

� É possível demonstrar que um canal de transmissão tem uma capacidade

máxima de transmissão limitada, que dependerá da largura de banda do canal e do

ruído inserido pelo próprio canal durante a transmissão. Assim, Claude Shannon

(1949) elaborou uma lei que define esta capacidade:

( )N

SWC += 1log 2

Onde:

C – Capacidade máxima do canal (em bits por segundo – bps)

S/N – Relação sinal ruído

W – Largura de banda do sinal a ser transmitido (em hertz)

log2 – logaritmo base 2.

Capacidade de Transmissão: Lei de Shannon

Exemplo:

Para uma linha telefônica convencional, os valores típicos encontrados são:

� Largura de banda do canal de aproximadamente 3000 Hertz (3400 Hz – 300

Hz)

� Relação sinal ruído de 1000, ou seja, a potência do sinal é 1000 vezes maior

que a potência do ruído inserido na transmissão (10 log1000 = 30 dB);

Aplicando-se a Lei de Shannon:

( )N

SWC += 1log 2

( )10001log3000 2 +=C

103000 ×=C

bpsC 000.30= Valor teórico máximo de Capacidade ou Taxa de

transmissão

Espectro eletromagnéticoEspectro eletromagnético

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Banda ISMBanda ISM

Termos comunsTermos comuns

• Wi-Fi (Wireless Fidelity) – Faz referência às redessem fio utilizando a tecnologia IEEE 802.11.

• Banda de transmissão - É uma medida da"velocidade do sinal" ou a largura do espectro dosinal.

• Freqüência – Número de vezes em que umfenômeno ocorre por unidade de tempo.

• Modulação - Alteração sistemática de uma onda• Portadora – Onda de alta freqüência que carrega

um sinal de informação através de um meio.

Sistema de comunicaçãoSistema de comunicação

• Compõem-se de três partes:

– A informação (banda base)

– O meio: ar, espaços, fios, etc...

– A portadora: luz, sinal de microondas, sinal elétrico.

Transmissor“modulação”

Receptordemodulação”

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Aspectos que podem ser mudados na onda Aspectos que podem ser mudados na onda portadoraportadora

Tipos de modulaçãoTipos de modulação

Modulação Modulação –– ASK (Amplitude ASK (Amplitude ShiftShift KeyingKeying))modulação por deslocamento de amplitudemodulação por deslocamento de amplitude

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Modulação Modulação –– FSK ( FSK ( FrequencyFrequency shiftshift keyingkeying))modulação digital por desvio de freqüênciamodulação digital por desvio de freqüência

Modulação digital Modulação digital –– PSK(PSK(phasephase shiftshift keyingkeying))modulação digital por desvio de fasemodulação digital por desvio de fase

Radio freqüência relação sinal/ruídoRadio freqüência relação sinal/ruído

• Relação sinal-ruído descreve a potência do sinal comparada com a potência do ruído de fundo.

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FHSS FHSS –– Frequency hopping spread spectrunFrequency hopping spread spectrun

• FHSS é uma técnica que usa a agilidade de freqüência para espalhar os dados;

• Essa “agilidade” pode ser entendida como a mudança repentina da freqüência de transmissão dentro da faixa de RF utilizável.

• A portadora muda a freqüência de acordo com uma seqüência pseudo-randômica

FHSS FHSS –– Frequency hopping spread spectrunFrequency hopping spread spectrun

Canais em FHSSCanais em FHSS

• Mudança de freqüência permite mais de um Rádio • transmitindo ao mesmo tempo em hop´s diferentes.• Domínio regulador USA (FCC) • Canais permitidos: 2 a 79 (2402 a 2479 GHz)• Tamanho da sequencia de hop 26

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DSSS DSSS –– Direct sequence spread spectrumDirect sequence spread spectrum

• È a técnica mais usada hoje em dia;

• Transmite através de chipping code;

• Exemplo dos bits 1001

– Para bit 1: 00110011001

– Para bit 0: 11001100110

• Dado a ser transmitido:00110011001 11001100110 11001100110 00110011001

FontesFontes

• http://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/microwaves