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Telecomunicaes

EletrnicaVolume 5

EletrnicaTelecomunicaes

lvaro Gomes de Carvalho

Luiz Fernando da Costa Badinhan(autores)

Edson Horta(coautor)

2011

Dados Internacionais de Catalogao na Publicao (CIP)(Bibliotecria Silvia Marques CRB 8/7377)

C331

Carvalho, lvaro Gomes deEletrnica: telecomunicaes / lvaro Gomes de Carvalho, Luiz

Fernando da Costa Badinhan (autores); Edson Horta (coautor); Rafael Rezende Savi (revisor); Jun Suzuki (coordenador). -- So Paulo: Fundao Padre Anchieta, 2011 (Coleo Tcnica Interativa. Srie Eletrnica, v. 5)

Manual tcnico Centro Paula Souza

ISBN 978-85-8028-049-4

1. Eletrnica 2. Telecomunicaes I. Badinhan, Luiz Fernando da Costa II. Horta, Edson III. Savi, Rafael Rezende IV. Suzuki, Jun V. Ttulo

CDD 607

DIRETORIA DE PROJETOS EDUCACIONAISDireo: Fernando Jos de AlmeidaGerncia: Monica Gardelli Franco, Jlio MorenoCoordenao Tcnica: Maria Luiza GuedesEquipe de autoria Centro Paula SouzaCoordenao geral: Ivone Marchi Lainetti RamosCoordenao da srie Eletrnica: Jun SuzukiAutores: lvaro Gomes de Carvalho, Luiz Fernando da Costa BadinhanCoautor: Edson HortaReviso tcnica: Rafael Rezende SaviEquipe de EdioCoordenao geral: Carlos Tabosa Seabra,

Rogrio Eduardo Alves

Coordenao editorial: Luiz MarinEdio de texto: Roberto MatajsSecretrio editorial: Antonio MelloReviso: Conexo EditorialDireo de arte: Bbox DesignDiagramao: LCT TecnologiaIlustraes: Nilson CardosoPesquisa iconogrfica: Completo IconografiaCapaFotografia: Eduardo Pozella, Carlos PiratiningaTratamento de imagens: Sidnei TestaAbertura captulos: Lize Streeter/Dorling Kindersley/Getty Images

Presidncia Joo Sayad

Vice-presidncia Ronaldo Bianchi, Fernando Vieira de Mello

O Projeto Manual Tcnico Centro Paula Souza Coleo Tcnica Interativa oferece aos alunos da instituio contedo relevante formao tcnica, educao e cultura nacional, sendo tambm sua finalidade a preservao e a divulgao desse contedo, respeitados os direitos de terceiros.O material apresentado de autoria de professores do Centro Paula Souza e resulta de experincia na docncia e da pesquisa em fontes como livros, artigos, jornais, internet, bancos de dados, entre outras, com a devida autorizao dos detentores dos direitos desses materiais ou contando com a per-missibilidade legal, apresentando, sempre que possvel, a indicao da autoria/crdito e/ou reserva de direitos de cada um deles.Todas as obras e imagens expostas nesse trabalho so protegidas pela legislao brasileira e no podem ser reproduzidas ou utilizadas por terceiros, por qualquer meio ou processo, sem expressa autorizao de seus titulares. Agradecemos as pessoas retratadas ou que tiveram trechos de obras reproduzidas neste trabalho, bem como a seus herdeiros e representantes legais, pela colaborao e compreenso da finalidade desse projeto, contribuindo para que essa iniciativa se tornasse realidade. Adicionalmente, colocamo-nos disposio e solicitamos a comunicao, para a devida correo, de quaisquer equvocos nessa rea porventura cometidos em livros desse projeto.

GOVERNADORGeraldo Alckmin

VICE-GOVERNADORGuilherme Afif Domingos

SECRETRIO DE DESENVOlVIMENTO ECONMICO, CINCIA E TECNOlOGIA

Paulo Alexandre Barbosa

Presidente do Conselho Deliberativo Yolanda Silvestre

Diretora Superintendente Laura Lagan

Vice-Diretor Superintendente Csar Silva

Chefe de Gabinete da Superintendncia Elenice Belmonte R. de Castro

Coordenadora da Ps-Graduao, Extenso e Pesquisa Helena Gemignani Peterossi

Coordenador do Ensino Superior de Graduao Angelo Luiz Cortelazzo

Coordenador de Ensino Mdio e Tcnico Almrio Melquades de Arajo

Coordenadora de Formao Inicial e Educao Continuada Clara Maria de Souza Magalhes

Coordenador de Desenvolvimento e Planejamento Joo Carlos Paschoal Freitas

Coordenador de Infraestrutura Rubens Goldman

Coordenador de Gesto Administrativa e Financeira Armando Natal Maurcio

Coordenador de Recursos Humanos Elio Loureno Bolzani

Assessora de Comunicao Gleise Santa Clara

Procurador Jurdico Chefe Benedito Librio Bergamo

O Projeto Manual Tcnico Centro Paula Souza Coleo Tcnica Interativa, uma iniciativa do Governo do Estado de So Paulo, resulta de um esforo colaborativo que envolve diversas frentes de trabalho coordenadas pelo Centro Paula Souza e editado pela Fundao Padre Anchieta.A responsabilidade pelos contedos de cada um dos trabalhos/textos inseridos nesse projeto exclusiva do autor. Respeitam-se assim os diferen-tes enfoques, pontos de vista e ideologias, bem como o conhecimento tcnico de cada colaborador, de forma que o contedo exposto pode no refletir as posies do Centro Paula Souza e da Fundao Padre Anchieta.

Sumrio19 Captulo 1

Conceitos bsicos em sistemas de comunicao1.1 Histrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.2 Sistema de comunicao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.3 Enlace de comunicao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.4 Sinais eltricos em telecomunicaes . . . . . . . . . 24

1.5 Unidades de medida em telecomunicaes . . . . . 26

1.5.1 Decibel (dB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.5.2 Nper (Np) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.5.3 Nvel de potncia (dBm) . . . . . . . . . . . . . . 28

1.5.4 Nvel de tenso (dBu) . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.5.5 Relao entre dBm e dBu . . . . . . . . . . . . . 31

1.5.6 O dBV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

1.5.7 Nvel relativo (dBr) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

1.5.8 O dBm0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

35 Captulo 2Canais de comunicao2.1 Definio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.2 Tipos de canais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.2.1 Canal fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.2.2 Canal rdio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.2.3 Canal fibra ptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.3 Propriedades dos canais de comunicao . . . . . . 38

2.3.1 Atenuao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.3.2 Limitao por largura de faixa . . . . . . . . . . 39

2.3.3 Retardo ou delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

2.4 Distrbios nos canais de comunicao . . . . . . . . 40

2.4.1 Rudo eltrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.4.2 Distoro do sinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.4.3 Sinais interferentes ou esprios . . . . . . . . . 42

43 Captulo 3Ondas de rdio3.1 Definio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.2 Natureza da onda de rdio . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.2.1 Comprimento de onda () . . . . . . . . . . . . 453.2.2 Frequncia (f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

3.2.3 Relao entre e f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.2.4 Polarizao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.3 Distrbios especficos de radiocomunicaes . . . 47

3.3.1 Ondas de multipercurso . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.3.2 Desvanecimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.3.3 Ao da chuva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.3.4 Efeito Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.3.5 Dutos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

49 Captulo 4Modulao do sinal da informao4.1 Modulao em amplitude (AM amplitude

modulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.1.1 AM-DSB (amplitude modulation double

side band) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.1.2 AM-DSB/SC (amplitude modulation

double side band/supressed carrier) . . . . . . . 56

Capa: Guilherme Gustavo Marangoni Porto, aluno do Centro Paula Souza Foto: Eduardo Pozella e Carlos Piratininga

YurY Kosourov/shutterstocK

YurY Kosourov/shutterstocK

Solo

H

E

Sumrio4.1.3 AM-SSB (amplitude modulation single

side band) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.1.4 AM-VSB (amplitude modulation vestigial

side band) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.2 Modulao angular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.3 FM faixa estreita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.4 Modulao digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.4.1 Modulao ASK

(amplitude shift keying) . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.4.2 Modulao FSK

(frequency shift keying) . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.4.3 Modulao PSK

(phase shift keying) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.4.4 Modulao QAM

(quadrature amplitude modulation) . . . . . . . 68

4.4.5 Clculo da largura de banda . . . . . . . . . . . . 74

4.4.6 Deteco de sinais binrios . . . . . . . . . . . . 75

4.4.7 Tcnicas de recuperao da portadora . . . 79

4.4.8 Codificao/decodificao diferencial . . . . 80

4.4.9 Desempenho quanto a erro (TEB) . . . . . . 82

4.4.10 Erro na codificao Gray . . . . . . . . . . . . . 84

4.4.11 Dados para comparao entre

sistemas de modulao . . . . . . . . . . . . . . . 85

87 Captulo 5Radiopropagao5.1 Espectro de frequncias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

5.2 Modos de propagao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

5.3 Caractersticas da atmosfera e superfcie

terrestres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

5.4 A superfcie terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5.5 Tipos de ondas transmitidas . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5.5.1 Onda terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5.5.2 Onda celeste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

5.5.3 Fatores de degradao de sinais em

radiopropagao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.6 Enlace em visibilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

5.6.1 Zonas de Fresnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.6.2 Reflexo do feixe de micro-ondas . . . . . . 106

5.7 Potncia do sinal recebido . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

109 Captulo 6Antenas6.1 Definio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110

6.2 Diagrama de irradiao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

6.3 Antena isotrpica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112

6.4 Polarizao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113

6.5 Largura de feixe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113

6.6 Eficincia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1136.7 Diretividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114

6.8 Ganho da antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115

6.9 Relao frente-costas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115

6.10 EIRP (effective isotropic radiation power) . . . . . . .115

GeorGios AlexAndris/shutterstocK

ZwolA FAsolA /shutterstocK

Antena

Ar

Informao

Cabo coaxial

Transceptor

Antena

Cabo coaxial

Transceptor

Sumrio6.11 Tipos de antenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115

6.11.1 Antena dipolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115

6.11.2 Antena dipolo de meia onda . . . . . . . . . .116

6.11.3 Antena dipolo dobrado . . . . . . . . . . . . . .116

6.11.4 Antena dipolo de quarto de onda . . . . .117

6.11.5 Antena Yagi-Uda . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117

6.11.6 Antena parablica . . . . . . . . . . . . . . . . . .121

125 Captulo 7linhas de transmisso7.1 Definio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

7.2 Caractersticas de uma linha de transmisso . . 128

7.3 Casamento de impedncias . . . . . . . . . . . . . . . . 129

7.3.1 Taxa de onda estacionria

(SWR standing wave ratio) . . . . . . . . . . . 130

7.3.2 Coeficiente de reflexo . . . . . . . . . . . . . . 130

7.3.3 Mtodos de casamento de impedncias . .131

133 Captulo 8Redes telefnicas8.1 Sinal de voz em telefonia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

8.2 Aparelho telefnico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

8.2.1 Transdutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

8.2.2 Campainha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

8.2.3 Hbrida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

8.2.4 Teclado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

8.3 Central e rede telefnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

8.4 Estrutura da rede telefnica . . . . . . . . . . . . . . . . 143

8.5 Tarifao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

8.5.1 Tarifao por multimedio . . . . . . . . . . . 145

8.5.2 Tarifao por bilhetagem automtica . . . . 146

8.6 Plano de numerao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

8.7 Sinalizao telefnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151

8.7.1 Sinalizao acstica . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151

8.7.2 Sinalizao de linha . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

8.7.3 Tipos de sinais de linha . . . . . . . . . . . . . . . 152

8.7.4 Protocolos de sinalizao de linha . . . . . . 153

8.7.5 Sinalizao de registro . . . . . . . . . . . . . . . 155

8.7.6 Sinalizao associada a canal . . . . . . . . . . . 156

8.7.7 Sinalizao por canal comum . . . . . . . . . . 156

161 Captulo 9Multiplexao de canais9.1 Multiplexao por diviso em frequncia . . . . . . 163

9.2 Multiplexao por diviso no tempo . . . . . . . . . 164

9.2.1 Modulao por amplitude de

pulso (PAM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

9.2.2 Modulao por cdigo de

pulso (PCM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

9.3 Amostragem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

9.4 Compresso e expanso . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

9.5 Quantizao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171

9.6 Codificao/decodificao . . . . . . . . . . . . . . . . . .171

9.7 Estrutura do sinal na linha . . . . . . . . . . . . . . . . . .174

rA3rn/shutterstocK

Multipercurso (Reflexes)

Sumrio179 Captulo 10

Redes de transporte de dados10.1 Rede PDH (hierarquia digital plesicrona) . . . 180

10.2 Rede SDH (hierarquia digital sncrona) . . . . . . 181

10.2.1 Capacidade de transporte da SDH . . . . 183

10.2.2 Mdulo de transporte sncrono (STM) 183

10.2.3 Estrutura de quadro do STM-1 . . . . . . . 184

10.2.4 Princpios de transporte e

multiplexao na rede SDH . . . . . . . . . . 185

10.2.5 Mapeamento de sinais na SDH . . . . . . . 187

10.3 Modelo da rede de transporte . . . . . . . . . . . . . 188

10.4 Arquiteturas SDH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

10.4.1 Rede ponto a ponto . . . . . . . . . . . . . . . . 189

10.4.2 Rede em anel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

193 Captulo 11Comunicaes pticas11.1 Vantagens das fibras pticas . . . . . . . . . . . . . . . 194

11.2 Composio do sistema ptico . . . . . . . . . . . . 195

11.3 Fibras pticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

11.4 Disperso nas fibras pticas . . . . . . . . . . . . . . . 201

11.5 Atenuao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

11.6 Tipos de fibra ptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

11.7 Fibras de ltima gerao . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

11.8 Cabos pticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

11.9 Isolador ptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

11.10 Redes fotnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

11.11 Multiplexao em comprimento de

onda (WDM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211

11.12 Anexos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .214

215 Captulo 12Telefonia mvel celular12.1 Estrutura celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217

12.1.1 Estao rdio base (ERB) . . . . . . . . . . . .219

12.1.2 Estao mvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

12.1.3 Central de comutao mvel (MSC) . . 221

12.2 Arquiteturas do sistema celular . . . . . . . . . . . . 222

12.3 Caractersticas do sistema celular . . . . . . . . . . 222

12.4 Tcnicas de mltiplo acesso . . . . . . . . . . . . . . . 224

12.4.1 Tecnologia FDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

12.4.2 Tecnologia TDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

12.4.3 Tecnologia CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

12.5 Padro IS-95 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

12.6 Sistema GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

12.6.1 Canais do GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

12.7 Transmisso de informaes no sistema GSM 231

12.7.1 Transmisso descontinuada . . . . . . . . . . 232

12.7.2 Recepo descontinuada . . . . . . . . . . . . 232

12.7.3 Criptografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

12.7.4 Timing varivel e controle de potncia . 232

12.8 Modulao do sistema GSM . . . . . . . . . . . . . . . 232

12.9 Frequncias utilizadas no sistema GSM . . . . . . 233

smArt7/shutterstocK

djGis /shutterstocK

den

iro

Foto

/sh

utt

erst

oc

K

Sumrio12.10 Arquitetura da rede GSM . . . . . . . . . . . . . . . . 233

12.10.1 Estao mvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

12.10.2 Subsistema da estao base (BSS) . . 234

12.10.3 Sistema de comutao de rede (NSS) 234

12.11 Handover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

12.12 Transmisso de dados na rede GSM . . . . . . . 236

12.13 Terceira gerao celular (3G) . . . . . . . . . . . . 237

12.13.1 Migrao para a rede 3G . . . . . . . . . . 239

12.13.2 WCDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

12.13.3 CDMA 2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

12.13.4 UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

12.14 Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243

245 Captulo 13Redes de computadores13.1 Comunicao entre computadores . . . . . . . . . 247

13.2 Meios de transmisso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

13.2.1 Transmisso via cabos . . . . . . . . . . . . . . 250

13.2.2 Transmisso via espao livre . . . . . . . . . 250

13.3 Solues abertas e fechadas de redes de

comunicao de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

13.4 Conexo fsica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

13.5 Codificao dos dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

13.6 Protocolos de comunicao . . . . . . . . . . . . . . . 254

13.7 Mtodos de deteco de erros . . . . . . . . . . . . 255

13.8 Modelo OSI de arquitetura . . . . . . . . . . . . . . . 256

13.9 Topologias de redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

13.10 Anlises de velocidade e topologia . . . . . . . . . 261

13.11 Acessrios de hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . .262

13.12 Arquiteturas de rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

13.13 Implementao da internet . . . . . . . . . . . . . . . 264

13.13.1 Arquitetura TCP/IP . . . . . . . . . . . . . . . 265

13.14 Traduo de nomes em endereos IP . . . . . . 269

13.15 Cabeamento estruturado . . . . . . . . . . . . . . . . 269

13.15.1 Limites de distncia . . . . . . . . . . . . . . . 270

13.15.2 Preparao do cabo . . . . . . . . . . . . . . 272

13.15.3 Instalao do cabo . . . . . . . . . . . . . . . 273

13.15.4 Patch panels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .273

275 Referncias bibliogrficas

wiKimediA.orG

Captulo 1

Conceitos bsicos em sistemas de comunicao

CAPTULO 1ELETRNICA 5

20 21

1.1 HistricoTelecomunicaes pode ser definida como a transmisso de informaes entre pontos distantes, por meio de sistemas eletrnicos e meios fsicos. Seu desenvol-vimento ocorreu de maneira gradativa, impulsionado por invenes como:

O telgrafo, em 1844, por Samuel Morse (1791-1872), utilizado pela pri-meira vez para transmitir mensagens por cdigo Morse entre as cidades de Washington e Baltimore, nos Estados Unidos.

O telefone, em 1876, por Alexander Graham Bell (1847-1922), capaz de transmitir a voz de modo inteligvel usando sinais eltricos por fios condutores.

O rdio, em 1895, por Marchese Guglielmo Marconi (1874-1937), aparelho que transmite sinais telegrficos sem fios condutores.

O telefone celular, em 1956, por tcnicos da empresa Ericsson, modelo que ficou conhecido como MTA (Mobile Telephony A).

O satlite artificial Sputnik, lanado em 1957.O satlite de comunicaes Telstar, em 1962, que permitiu a transmisso de

conversaes telefnicas, telefoto e sinais de televiso em cores.A rede Arpanet, depois chamada de internet, em 1969, pelo governo

dos Estados Unidos, para a comunicao entre instituies de pesquisa norte-americanas.

At meados dos anos 1990, a telefonia fixa foi o meio de comunicao mais uti-lizado para troca de informaes entre usurios distantes. Nessa mesma dcada, com o popularizao da internet e da telefonia celular, ocorreu uma revoluo no apenas tecnolgica, mas tambm cultural, na forma como as pessoas passa-ram a trocar informaes.

Hoje, se for conveniente, no precisamos mais sair de casa para fazer compras, pagar uma conta ou ler um jornal. Graas ao desenvolvimento das telecomu-nicaes, temos a notcia em tempo real, podemos conhecer lugares distantes, aprender outras culturas, fazer novos amigos, tudo isso sem sair da frente da tela do computador. Quem imaginaria ser possvel escrever uma carta que em pou-cos segundos chega ao destinatrio? O e-mail capaz disso.

A telefonia tambm ampliou a forma de comunicao, ou seja, ela acontece sem fio e sem fronteiras. O telefone deixou de ser um simples aparelho para falarmos e passou a ser um computador em tamanho reduzido. Alm de uti-lizarmos o telefone para falar a longas distncias, podemos usar a internet associada tecnologia VoIP. As novas tecnologias esto mudando o modo de nos comunicarmos.

1.2 Sistema de comunicaoPara que haja comunicao entre pelo menos dois pontos, so necessrios basicamente:

Informao: voz, imagem e dados.Algum ou algo que transmita a informao: terminal fonte.Algum ou algo capaz de receber a informao: terminal destino.Um meio fsico para transmitir a informao: canal de comunicao.

Esse conjunto de elementos para estabelecer uma comunicao denominado sistema de comunicao. A rede de telefonia e a internet permitem a troca de informaes diversas entre usurios, utilizando terminais tecnicamente compa-tveis com cada sistema. O diagrama da figura 1.1 representa um sistema de co-municao analgico elementar.

Cada um desses estgios tem funes especficas no sistema de comunicao:

Fonte de informao Gera a informao. Ex.: um locutor narrando um jogo de futebol ou uma pessoa falando ao telefone.

Sigla de Voice over Internet Protocol (voz sobre IP)

Fonte de Informao Transdutor Transmissor

Receptor Transdutor Destinatrio

Canal de comunicao

Figura 1.1diagrama de sistema de comunicao analgico elementar.


22 23

Transdutor da transmisso Converte um tipo de energia em outra. Ex.: microfone, que converte as ondas sonoras da voz em sinais eltricos, e cme-ra de vdeo, que converte a imagem em sinais eltricos.

Transmissor (Tx) Fornece a potncia necessria para amplificar o sinal eltrico, a fim de que ele percorra longas distncias, uma vez que sua ener-gia vai se perdendo ao longo da transmisso pelo canal de comunicao (fios eltricos ou espao livre) at ao receptor. Tambm responsvel pelos processos de modulao e codificao, que sero detalhados nos prximos captulos.

Canal de comunicao o meio fsico entre o transmissor e o receptor, pelo qual transitam os sinais eltricos ou eletromagnticos da informao. Ex.: par tranado, fibra ptica, cabo coaxial, espao livre.

Receptor (Rx) Recebe os sinais da informao, faz sua demodulao e de-codificao e o direciona ao transdutor da recepo.

Transdutor da recepo Converte os sinais da informao em imagem, som, texto etc. Ex.: alto-falante e tela de TV.

Destinatrio aquele a quem a mensagem se destina. Ex.: o ouvinte de uma rdio ou o telespectador de uma emissora de TV.

Exemplos de sistemas de comunicao:

Telefonia mvel celular.Sistema de comunicao via satlite.Sistema de rdio ponto a ponto em micro-ondas.Sistemas UHF e VHF de televiso.Redes pticas de comunicao.

1.3 Enlace de comunicaoEnlace ou link de comunicao o estabelecimento de comunicao entre pelo menos dois pontos. Sua classificao obedece a trs caractersticas principais:

Nmero de pontos envolvidos.Sentido de transmisso.Mobilidade.

Quanto ao nmero de pontos envolvidos:

a) Enlace ponto a ponto (figura 1.2).

Tx Rx

Figura 1.2enlace ponto a ponto.

b) Enlace ponto-multiponto (figura 1.3).

c) Enlace multiponto-ponto (figura 1.4).

Tx Rx2

Rx1

Rx3

Figura 1.3enlace ponto-multiponto.

Tx1

Tx2 RX

Tx3

Figura 1.4enlace multiponto-ponto.


24 25

d) Enlace multiponto-multiponto (figura 1.5).

Quanto ao sentido de transmisso:

a) Simplex A transmisso acontece em apenas um sentido. Ex.: radiodifuso comercial.b) Half-duplex A transmisso acontece nos dois sentidos, mas de forma alter-nada. Ex.: radioamador.c) Full-duplex A transmisso acontece nos dois sentidos, de forma simultnea. Ex.: telefonia fixa e mvel.

Quanto mobilidade:

a) Enlace fixo Os elementos da rede esto em pontos definidos, sem mobili-dade, geralmente interligados por uma rede de fios e cabos. Ex.: rede telefnica cabeada.b) Enlace mvel Enlace estabelecido entre transmissores ou receptores mveis, por meio de radiofrequncia, veiculares ou portteis.c) Radiobase Enlace estabelecido entre estaes de rdio fixas no terreno.d) Enlace misto Enlace que utiliza rdios e rede fixa de comunicao.

1.4 Sinais eltricos em telecomunicaesPara que as informaes sejam transmitidas em um sistema de comunicao, necessrio transform-las em sinais eltricos. Esses sinais so variaes de ten-ses eltricas no decorrer do tempo e podem ser de dois tipos:

TX1/RX1

TX2/RX2

TXa/RXa TXb/RXb

TX4/RX4

TX5/RX5

TX6/RX6TX3/RX3

Figura 1.5enlace multiponto-

-multiponto.

a) Sinal analgico O sinal pode assumir infinitos valores de amplitude no de-correr do tempo (figura 1.6).

b) Sinal digital O sinal pode assumir valores de amplitude predeterminados no decorrer do tempo (figura 1.7).

O sinal digital mais comum em transmisso de dados o trem de pulsos. Trata-se de um conjunto de bits transmitido sequencialmente no tempo, em determinada velocidade, expresso em bits por segundo (figura 1.8).

4

3

2

1

4321

-1-2-3-4

Tempo Tempo

Amplitude

Figura 1.6sinal analgico.

Tempo Tempo

Amplitude Amplitude

Figura 1.7sinal digital.

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 011 11 11

Figura 1.8trem de pulsos.


26 27

Um sinal eltrico pode ser denominado:

a) Peridico Quando repetitivo em intervalos de tempo iguais. O intervalo de repetio chamado de perodo (T), dado em segundos. O perodo equivale ao tempo de realizao de um ciclo. J o nmero de ciclos realizados por segun-do denominado frequncia, medida em hertz (Hz).b) Aperidico Quando no repetitivo.c) Finito Quando ocorre em um espao de tempo finito.d) Aleatrio Quando tem comportamento imprevisvel. Ex.: o rudo eltrico.e) Pseudoaleatrio Aparentemente aleatrio, mas de certa maneira previsvel. Ex.: criptografia.

1.5 Unidades de medida em telecomunicaesQuando o ouvido humano detecta um sinal emitido no ambiente, a intensidade desse sinal varia em funo de sua frequncia. Cada pessoa, no entanto, tem de-terminada percepo da intensidade sonora, de acordo com a faixa de frequncia que capaz de ouvir. Em mdia, a condio a mostrada na figura 1.9.

Analisando a curva de resposta do ouvido humano, podemos observar que:

1.A banda mxima de frequncias audveis est compreendida entre 16 Hz e 20 kHz.

2.A maior parcela de potncia audvel est na faixa de 300 Hz a 3 400 Hz, sendo mxima na frequncia de 1 kHz, em que a inteligibilidade cai apenas em torno de 8%.

3.A elevao da intensidade sonora percebida pela orelha humana obedece escala logartmica. Assim, quando a intensidade do som dobra, a potncia foi elevada ao quadrado; para termos a percepo de aumento de trs vezes a am-plitude, a potncia foi elevada ao cubo, e assim por diante. por essa razo que adotamos as medidas sonoras em decibis (dB).

Sero descritas, a partir de agora, algumas unidades de medida utilizadas em te-lecomunicaes, para mensurar ganho ou atenuao.

P

F16 Hz 1 kHz 20 kHz

Figura 1.9curva de resposta do

ouvido humano.

1.5.1 Decibel (dB)

Em um dispositivo qualquer, aplica-se a potncia de entrada P1 e se obtm na sada a potncia P2 (figura 1.10).

Para determinar se houve atenuao ou ganho de potncia, podemos utilizar as relaes:

Atenuao: A PP

= 10 12

log (1.1)

Ganho: G PP

= 10 21

log (1.2)

Nesses casos, emprega-se a unidade de medida decibel (dB), que um subml-tiplo do bel; 1 dB corresponde menor variao sonora perceptvel pela orelha humana.

Conforme tais relaes, percebemos que, se a potncia de entrada (P1) for maior que a potncia de sada (P2), ocorreu atenuao positiva, ou seja, ganho nega-tivo; se P2 for maior que P1, ocorreu ganho positivo. Para maior convenincia, trabalharemos apenas com relaes de ganho.

O ganho total de um sistema ser calculado da seguinte maneira:

GT = G1 + G2 + ... + Gn (1.3)

em que:

GT o ganho total do sistema.G1, G2, ..., Gn so os ganhos dos diversos estgios independentes.

1.5.2 Nper (Np)

a unidade de medida adotada por alguns pases, em que a relao de ganho dada pela expresso:

G np PP

( ) = 0 5 21

. ln (1.4)

Dispositivo

P1 P2

Figura 1.10representao das potncias de entrada e sada de um dispositivo.


28 29

Para realizarmos a converso entre as escalas de ganho dB e Np, podemos con-siderar que:

G dB G Np( ) = 8 686 ( )G Np G dB( ) = 0 115 ( ).

1.5.3 Nvel de potncia (dBm) Comumente, em telecomunicaes, torna-se necessria a representao das grandezas em unidades de potncia na ordem de miliwatts por exemplo, em nveis de transmisso de aparelhos celulares. Nesses casos, a potncia de um si-nal pode ser comparada a um sinal de referncia de 1 mW e, para expressarmos as unidades logartmicas, utilizamos o seguinte recurso:

LP dB PmWm

( ) = 101

log (1.5)

A potncia P deve ser expressa em mW (1103 W), observando que os nveis absolutos em dBm nunca devem ser somados, subtrados, multiplicados ou divi-didos. O valor de potncia em dBm s pode ser somado a dB.

O dB um nmero relativo e permite representar relaes entre duas grandezas de mesmo tipo, como relaes de potncias, tenses, correntes ou qualquer ou-tra relao adimensional. Portanto, permite definir ganhos e atenuaes, relao sinal/rudo, dinmica etc.

Por definio, uma quantidade Q em dB igual a 10 vezes o logaritmo deci-mal da relao de duas potncias, ou seja:

Q(dB)=10log (P1/P2).

Como a potncia proporcional ao quadrado da tenso dividida pela resistncia do circuito, temos, aplicando as propriedades dos logaritmos (o log. do quadrado de n duas vezes o log. de n):

Q(dB)=20log(V1/V2)+10log(R2/R1)

O dBm uma unidade de medida de potncia: 0dBm=1mW (Noimportaemqualresistncia!)

P(dBm)=10logP(mW)

Portanto : 3dBm=2mW, 30dBm=1W, -30dBm=1microW

Para a soma de dBm com dBm ou dB com dBm levamos em considerao duas situaes:

a) Soma de sinais no coerentes (rudo branco ou sinais de frequncias dife-rentes): Por exemplo, qual a potncia total de um sinal com 10 dBm somado a um rudo de 6 dBm?

Soluo: a diferena entre as parcelas 10 dBm - 6 dBm = 4 dB (Obs.: subtrair potncias em unidades logartmicas equivale a fazer um quociente em unidades lineares, portanto, o resultado um numero adimensional, o dB). No grfico da figura seguinte, obtemos para uma diferena de 4 dB o valor de 1,45 dB. A soma dos dois sinais tem uma potncia de 10 dBm + 1,45 dB = 11,45 dBm.

diferena (em dB) entre os sinais a serem somados

valor a ser somado ao maior sinal (em dB)

0

3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,1 0,05

5 10 15 20

ParasomadedBmcomdBmoudBcomdBmlevamosemconsideraoduassituaes:

b) Sinais no coerentes se somam em potncia: Sinais coerentes (mesma fre-quncia) se somam (vetorialmente) em tenso. preciso calcular esta soma ve-torial de tenso e depois pass-la para potncia. No caso de 2 sinais no coeren-tes, temos:

P1 = potncia maior, P2 = potncia menor,

diferena em dB:dP(dB)=P1(dBm)P2(dBm)=10log(P1/P2): escala superior do grfico acima.

valor a ser somado (em dB) maior potncia (em dBm):

10log[(P1+P2)/P1]=10log[1+(P2/P1)]; como P2/P1 =antilog(-dP/10),

temos: 10log(1+antilog(-dP/10)) : escala inferior do grfico acima.

Somar x dB a uma potncia em dBm equivale a multiplicar esta potncia em unidades lineares (W, por exemplo) por um nmero adimensional igual ao antilog(x/10), portanto resulta em uma nova potncia, e que pode ser expres-sa por exemplo em dBm. Portanto, a soma de dBm com dB resulta em dBm! Da mesma forma, subtrair dB de uma potncia em dBm equivale a dividir esta potncia por um numero adimensional, resultando em uma nova potncia. Portanto, subtrair dB de dBm resulta em dBm!


30 31

Obs.: Somar diretamente os valores em dBm no faz sentido, pois equivale a multiplicar essas potncias em unidades lineares. Por exemplo, as seguintes so-mas de sinais no coerentes:

0dBm+0dBm=3dBm (e no 0dBm!)

0dBm+3dBm=4,76dBm (e no 3dBm!)

-2dBm+2dBm=3,45dBm (e no 0dBm!)

O sinal + se refere s unidades lineares de potncia, ou seja, indica que estamos somando as potncias em unidades lineares (W, mW, etc...) correspondentes aos valores em dBm.

Mas:

0dBm+0db=0dBm

0dBm+3dB=3dBm

-2dBm+2dB=0dBm

Outras unidades de potncia:

dBW = potncia de referncia = 1 W;dBk = potncia de referncia = 1 kW;dBRAP (reference acoustical power) = potncia de referncia = 1016 W.

1.5.4 Nvel de tenso (dBu)

Vamos considerar um circuito eltrico em que aplicamos uma tenso eltrica de 775 mV rms (eficazes) sobre um resistor de 600 . Fazendo os clculos de acordo com a Lei de Ohm, sobre esse resistor dissipar uma potncia de 1 mW:

P VR

=

2

(1.6)

Substituindo os valores, temos:

P mV mW= =( )775600

12

Com base nesse raciocnio, podemos definir como nvel de tenso:

LV dBu VmV

( ) log= 20775

Essa expresso indica quantos decibis determinada tenso est acima ou abaixo de 775 mV.

Algumas bibliografias definem dBu em funo de uma tenso de 1 000 mV.

1.5.5 Relao entre dBm e dBu

Vimos que:

LP PP

VZ

VZ

= = 10 21

102

21

1

2

2log log

LP VV

ZZ

=

+

10

21

10 12

2

log log

Ento, temos:

LP VV

ZZ

=

+

20

21

10 12

log log

Considerando Z1 =600, ento, V1=775mV.

e assim:

nvel de potncia (dBm) = nvel de tenso (dBu) + K

em que:

k dBZ

( ) log= 10

600

Para cada valor de impedncia (Z) h um valor de K equivalente, conforme in-dica a tabela 1.1.

Impedncia (Z), em K equivalente

600 0

300 3

150 6

75 9

60 10

Tabela 1.1impedncia (Z) e K equivalente.


32 33

1.5.6 O dBV

a unidade utilizada em transmisso, que indica a relao entre dois nveis de tenso pico a pico, sendo o de referncia equivalente a 1Vpp.

Assim:

dBm=10log(P2/1mW) para qualquer Z

dBV=20log(V2pp/1Vpp)=20logV2pp

Vef =V2pp/(22)

dBm=10log[P2(qualquer)/10mW]

dBm=10logP2=10log[(Vef2/75)1000mW], somente para Z=75

dBm=20log[V2pp/(22)]10log75+10log1000

dBm=20logV2pp +22

dBm=dBV+22,paraZ=75

1.5.7 Nvel relativo (dBr)

Essa unidade indica a atenuao ou o ganho em pontos distintos do circuito em comparao com outro ponto do mesmo circuito, chamado de ponto de refern-cia ou ponto de nvel relativo zero (0 dBr). Em geral, esse ponto virtual.

Como antigamente se utilizava em testes de circuitos o tom de 1 mW referente ao nvel de voz humana, considera-se ainda 0 dBr um ponto de 0 dBm.

importante notar que a unidade dBr no oferece nenhuma informao sobre o nvel de potncia absoluta no ponto. Para relacionarmos os diversos pontos de um sistema com a referncia adotada, construmos diagramas de nveis, com os quais podemos visualizar todo o comportamento de um sistema referente a seus ganhos ou atenuaes.

A figura 1.11 representa um diagrama de nvel relativo de uma linha de trans-misso, em que B o ponto de referncia de nvel relativo zero, o qual indica obrigatoriamente um ponto fsico no sistema.

1.5.8 O dBm0

Em sistemas de transmisso, alm dos sinais de informao, so transmitidos sinais de sinalizao, entre outros, cuja intensidade em relao aos nveis da in-formao tambm precisamos conhecer. Para isso, utilizamos a unidade dBm0, a qual indica o nvel de potncia absoluta de tais sinais no ponto de nvel rela-tivo zero.

Portanto: XdBm0=YdBmZdBr

Exemplo

Para um nvel de sinalizao de 5dBm0, a potncia de 5dBm em um ponto de 0dBr. Se em um ponto de 7dBr um sinal tem um nvel de 27dBm, qual ser seu nvel em dBm0?

Soluo:27dBm(7dBr)=20dBm0

+1dBr 0dBr +3dBr

3dB7dB3dB1dB

A B C D E

+3

+2

+1

0

-1

-2

-3

-4

-5

-6-7

-8

-4dBr -7dBr

Figura 1.11diagrama de nvel relativo de uma linha de transmisso.

Captulo 2

Canais de comunicao


36 37

2.1 DefinioCanal um meio fsico entre os sistemas de transmisso e recepo, por onde trafegam os sinais eltricos ou eletromagnticos da informao. O termo utili-zado para especificar um meio de comunicao:

Canal fio.Canal rdio.Canal fibra ptica.

Tambm pode ser usado para especificar um segmento do espectro de fre-quncias com largura de banda (bandwidth) ou uma faixa ocupada por uma transmisso de rdio. Ex.: a faixa de transmisso de radiodifuso FM, que vai de 88 MHz a 108 MHz, e um canal de rdio operando na faixa de 89,9 MHz.

2.2 Tipos de canais

2.2.1 Canal fio

formado por pelo menos dois fios condutores eltricos, pelos quais trafegam os sinais da informao. O sistema de telefonia fixa utiliza esse tipo de canal; sua rede fsica constituda por fios e cabos, interligando os assinantes central te-lefnica (figura 2.1).

Outro sistema que usa canal fio a TV a cabo por assinatura. No entanto, dife-rentemente da rede de telefonia, que emprega o par tranado de fios, o sinal de TV chega casa do assinante por um cabo coaxial, com aspecto fsico e caracte-

Figura 2.1canal fio:

(a) em par tranado e (b) em cabo telefnico.

rsticas eltricas prprias. Alm do servio de TV, o cabo coaxial permite que as operadoras ofeream conexo internet com taxas de transmisso superiores s do par tranado e de melhor qualidade (figura 2.2).

2.2.2 Canal rdio

um segmento do espectro de frequncias, com largura de banda BW, ocupado pela onda eletromagntica que transporta a informao. O espao livre o meio fsico das comunicaes via rdio (figura 2.3).

O canal rdio o sistema que apresenta o menor custo, porm as ondas eletro-magnticas, por se propagarem no espao livre, encontram problemas de distr-bios e interferncias, o que evidencia sua fragilidade.

Um enlace de radiocomunicao formado por equipamentos chamados de transceptores, capazes de captar e retransmitir os sinais, interligando todo o sis-tema. Dentre os vrios sistemas de rdio esto as transmisses de TV nas faixas de VHF e UHF, as rdios comerciais FM e AM e as comunicaes via satlite.

2.2.3 Canal fibra ptica

A fibra ptica um elemento monofilar de estrutura cristalina, condutor de luz, que transporta a informao na forma de energia luminosa. Apesar de possuir

Figura 2.2cabo coaxial.

Antena

Cabo coaxial

Transceptor

Antena

Cabo coaxial

Transceptor

Informao

Ar

Figura 2.3representao esquemtica do canal rdio.

(a) (b)

Yu

rY K

oso

uro

v/s

hu

tter

sto

cK

Yu

rY K

oso

uro

v/s

hu

tter

sto

cK

Zw

olA

FA

solA

/sh

utt

erst

oc

K


38 39

alto ndice de refrao e a luz ao se propagar na fibra, o sinal sofre atenuao e disperso (figura 2.4).

O canal ptico apresenta as seguintes vantagens:

Maior capacidade de transmisso de dados, com largura de faixa de aproxi-madamente 40 THz e taxas de transmisso da ordem de 40 Gb/s.

Baixa atenuao. Isolao eletromagntica.

Sua principal desvantagem o elevado custo de implantao e manuteno.

As redes pticas so utilizadas em sistemas de alta taxa de transmisso de dados, como as redes digitais SDH de telefonia.

2.3 Propriedades dos canais de comunicao

2.3.1 Atenuao

Ao atravessar um meio de comunicao, o sinal eltrico vai perdendo energia e chega ao receptor com menor intensidade. Essa perda de energia ou potncia, chamada de atenuao, pode ser causada por diversos fatores, dependendo do tipo de meio de comunicao utilizado (fibra, cabo ou espao livre).

Casca

Casca (Slica Pura)

Slica pura(Vidro)

Slica com impurezas

Fibra ptica

Sinal ptico

Ncleo(Slica impura)

Revestimento (Plstico)

Multimodo Monomodo

Tipos de Fibras

Casca

c d

Ncleo

Casca

Ncleo

Figura 2.4detalhes tcnicos

da fibra ptica.

2.3.2 Limitao por largura de faixa

O espectro do sinal da informao deve ser menor ou no mximo igual largura de faixa do canal. Vamos tomar como exemplo tpico o canal telefnico (figura 2.5).

Apesar de a voz humana estar compreendida entre 15 Hz e 20 kHz, no in-tervalo entre 300 Hz e 3 400 Hz que h maior concentrao de energia da voz e maior inteligibilidade. Portanto, a largura de faixa do canal telefnico com-preende apenas 4 kHz, com bandas de guarda laterais para evitar distores na informao. Podemos, ento, considerar a largura de faixa o tamanho do canal necessrio para transmitir uma informao.

2.3.3 Retardo ou delay

o tempo gasto pelo sinal para atravessar o canal de comunicao. Para calcul-lo, divide-se a distncia percorrida entre os pontos de transmisso e recepo pela velocidade de propagao da onda. Em sistemas via satlite, em que a distncia percorrida relativamente grande (cerca de 40 000 km), o tempo de retardo tem valor significativo. Um efeito muito comum em liga-es telefnicas via satlite um eco durante a conversao, proveniente do tempo de retardo.

Voz Humana

Detalhe do Canal de Voz

Bg - Banda de Guarda

15 300

4,03,4

300

Bg Bg

F1

3,4t

Hz Khz

KhzKhz

HzHz

20 Khz

Figura 2.5espectro do sinal da informao.


40 41

2.4 Distrbios nos canais de comunicao

2.4.1 Rudo eltrico

o resultado da agitao trmica dos eltrons existentes na matria. Pode ser percebido nas formas de corrente eltrica, quando gerado internamente em dis-positivos eletrnicos, e de onda eletromagntica, no espao livre.

O rudo eltrico tem comportamento aleatrio e est presente em todo o espec-tro de frequncias, prejudicando sobretudo as comunicaes via rdio. Ele ataca e soma-se ao sinal da informao no canal de comunicao.

Na recepo de sinais de udio, o rudo causa um efeito de chiado no alto-falante e, na recepo de sinais de TV, aparece na tela na forma de chuvisco (figura 2.6).

Basicamente, dois tipos de rudos agridem o sinal da informao:

Rudos externos.Rudos internos.

As fontes de rudo externo so captadas pelas antenas de recepo e amplifica-das (figura 2.7).

0 0

Tenso (volts) Tenso (volts)

(a) Sinal sem Rudo (b) Sinal com Rudo

Figura 2.6(a) sinal sem rudo e

(b) sinal com rudo.

Rudo

TX RXCanal de comunicao

Figura 2.7representao esquemtica

do rudo externo.

Alguns tipos de rudos externos:

Rudo atmosfrico ou esttica Resulta de descargas eltricas na atmosfe-ra provocadas pelos raios, sobrepondo-se ao sinal recebido. Um efeito muito comum que se ouve so cliques nos fones e nos alto-falantes. Em comunica-es digitais, os rudos atmosfricos causam perda da informao, que pode ser corrigida com a insero de cdigos de correo no sistema.

Rudo csmico Originado de exploses solares, gera um forte campo magntico capaz de danificar os transceptores dos satlites de comunicao.

Rudo provocado pelo ser humano Produzido por mquinas e equipa-mentos, como motores eltricos de eletrodomsticos e motores a gasolina.

Relao sinal/rudo

a relao entre a potncia do sinal da informao e a potncia do rudo na recepo, podendo ser determinado por:

SN P

em dBPSn

=

10 log (2.1)

em que:

S/N a relao sinal/rudo (signal/noise, em ingls), em dB;Ps, a potncia do sinal na recepo, em W;Pn, a potncia do rudo na recepo, em W.

Valores mnimos de S/N para uma boa recepo

Comunicaes analgicas com voz: S/N>30dB.Comunicaes analgicas com sinal de vdeo: S/N>45dB.Comunicaes digitais: S/N>15dB.

O rudo interno gerado pelas permanentes colises de eltrons ao se estabe-lecer corrente eltrica nos dispositivos resistivos e semicondutores, presentes nos equipamentos de transmisso e recepo.

A potncia de rudo interno produzido por um dispositivo expressa pela figura de rudo (F), expressa, em dB, como:

F=10logn (2.2)

em que n a potncia de rudo na sada do dispositivo/potncia de sada sem rudo.

A potncia de rudo sobre uma carga resistiva R casada com a sada do amplifi-cador definida por:

Pn=KToB (2.3)

Captulo 3

Ondas de rdio

ELETRNICA 5

42

em que:

Pn a potncia de rudo, em W;K, a constante de Boltzmann, igual a 1,381023 joule/kelvin;To, a temperatura ambiente, em kelvin;B, a banda do canal, em Hz.

Se houver estgios amplificadores no sistema, o ganho dever ser considerado:

Pn(sada) = GsisFsisKTosisB (2.4)

em que:

Gsis o ganho total = G1G2G3...Gn;Fsis, a figura de rudo total = F1 + (F2 1) /G1 + (F2 1) /G2 + ...;ToSIS, a temperatura efetiva do sistema = T1 + (T2/G1) + T3/(G1G2) + ...

2.4.2 Distoro do sinal

Consiste, praticamente, na alterao da forma de onda do sinal, provocada por diferentes atenuaes impostas s diversas frequncias que compem o sinal da informao. Um exemplo observado nas comunicaes analgicas de voz por telefonia fixa, com alterao do timbre na reproduo da voz ao telefone.

2.4.3 Sinais interferentes ou esprios

So sinais de outras comunicaes que invadem o canal, como a linha cruzada na ligao telefnica ou as rdios piratas que interferem na comunicao das aeronaves com a torre de controle dos aeroportos.


44 45

3.1 DefinioOnda a perturbao fsica de um meio, provocada por uma fonte. Por exemplo, quando jogamos uma pedra em um lago, no momento em que a pedra bate na superfcie da gua, uma perturbao gerada, fazendo surgir um movimento circular em torno do ponto de coliso.

As ondas de rdio ou hertzianas so perturbaes fsicas causadas pela interao de dois campos: o eltrico (E) e o magntico (H), variveis no tempo e perpen-diculares entre si. Essas ondas so capazes de se propagar no espao, irradiadas por uma antena. Podem ser geradas em qualquer frequncia, mas, em teleco-municaes, so utilizadas ondas de frequncia superior a 100 kHz, passando por um processo denominado modulao, que ser estudado com detalhes no captulo 4.

3.2 Natureza da onda de rdioA onda eletromagntica provocada pela interao de um campo eltrico (E) e de um campo magntico (H), de intensidades variveis com o tempo e per-pendiculares entre si e entre a direo de propagao da onda. representada graficamente por duas senoides, uma para cada campo, indicando os parmetros de amplitude, fase, frequncia e comprimento de onda (figura 3.2).

Na representao de um enlace de rdio ponto a ponto da figura 3.1, podemos notar que a funo da antena de transmisso converter a corrente eltrica senoidal de radiofrequncia

(RF), produzida pelo transmissor, em energia irradiante (onda eletromagntica), que se propagar pelo meio fsico de

radiocomunicao, o espao livre. Inversamente, na recepo, a antena capta a onda de rdio e a converte em corrente eltrica.

Na recepo, feito um processo de demodulao do sinal, recuperando a informao transmitida pela onda de rdio.

Antena

Ar

Informao

Cabo coaxial

Transceptor

Antena

Cabo coaxial

Transceptor

Figura 3.1enlace de rdio ponto a ponto.

3.2.1 Comprimento de onda ()

a distncia percorrida pela onda durante a realizao de um ciclo. Para uma onda senoidal, o comprimento de onda a distncia (em metros) entre os picos consecutivos (figura 3.3).

3.2.2 Frequncia (f)

a velocidade de repetio de qualquer fenmeno peridico, ou seja, o nmero de ciclos realizados por segundo, em hertz.

3.2.3 Relao entre e f

O comprimento de onda igual velocidade da onda dividida pela frequncia da onda. Quando se lida com radiao eletromagntica no vcuo, essa velocida-de igual velocidade da luz para sinais se propagando no ar.

= cf

(3.1)

E

H DIREO DEPROPAGAO

Figura 3.2representao grfica da onda eletromagntica.

A

I

Comprimento de onda

Distncia

OndaFigura 3.3representao do comprimento de onda.


46 47

em que:

o comprimento de onda, em metros;c, a velocidade da luz no vcuo, igual a 3108m/s; f, a frequncia, em hertz.

Os campos E e H so grandezas vetoriais, com intensidade, direo e sentido. Suas unidades de medida so:

Campo eltrico E=V/m.Campo magntico H=A/m.

O instrumento utilizado para medir a intensidade de campo eltrico do ponto de emisso chama-se medidor de intensidade de campo.

A potncia de emisso, em watts, calculada pelo produto do quadrado da cor-rente de radiofrequncia que alimenta a antena transmissora pela resistncia desta:

P=I2RFRant (3.2)

A impedncia intrnseca do espao livre obtida pela relao E/H, determinada por:

Z0=E/H=120=377 (3.3)

O modo como a onda se propaga no espao vai depender principalmente da faixa em que se enquadra a frequncia de transmisso.

3.2.4 Polarizao

a maneira como os campos se orientam no espao, tomada em funo da po-sio do campo eltrico (E) em relao ao solo.

a) Antena com polarizao vertical (figura 3.4).

Solo

H

EFigura 3.4Antena com

polarizao vertical.

b) Antena com polarizao horizontal (figura 3.5).

As polarizaes horizontal e vertical so chamadas de polarizaes lineares.

Existem ainda polarizaes:

Circular.Elptica.Ortogonal.Cruzada.

3.3 Distrbios especficos de radiocomunicaes

3.3.1 Ondas de multipercurso

So ondas secundrias provenientes de distintos percursos (reflexes no solo ou em obstculos), que resultam da disperso de energia eletromagntica irradiada na transmisso e que chegam recepo com diferentes intensidades e defasa-gens em relao onda principal ou direta.

O sinal resultante na recepo a soma vetorial dos sinais secundrios com o sinal principal. Um exemplo prtico o efeito fantasma que aparece nas trans-misses de TV (figura 3.6).

3.3.2 Desvanecimento

So flutuaes do sinal recebido, decorrentes de problemas na transmisso, como as ondas de multipercurso. A intensidade do sinal recebido varia a cada instante, prejudicando a recepo por exemplo, na recepo de radiodifuso AM durante a noite.

Solo

H

E

Figura 3.5Antena com polarizao horizontal.

Captulo 4

Modulao do sinal da informao

ELETRNICA 5

48

3.3.3 Ao da chuva

A chuva causa degradao na recepo, enfraquece e despolariza a onda de rdio, apresentando-se como obstculo.

3.3.4 Efeito Doppler

O efeito Doppler, descrito pela primeira vez em 1842 pelo fsico Christian Johann Andreas Doppler (1803-1853), a alterao da frequncia de uma onda sonora ou luminosa percebida por um observador em razo de um movimento de aproximao ou afastamento de uma fonte geradora de onda em relao a ele.

No caso de aproximao, a frequncia aparente da onda recebida pelo observa-dor fica maior que a frequncia original e, no caso de afastamento, a frequncia aparente diminui. Um exemplo do efeito Doppler a sirene de uma ambulncia em uma rua passando por um observador. Ao se aproximar, o som mais agudo e, ao se afastar, mais grave. Nas comunicaes sem fio, como a telefonia celular, esse fenmeno pode causar a perda da comunicao, pois o sinal chega ao recep-tor em uma frequncia diferente, caso o efeito seja acentuado.

3.3.5 Dutos

So formados por inverses trmicas que ocorrem nas camadas de ar sobre a superfcie terrestre, afetando sobretudo os enlaces de rdio em visibilidade ou ponto a ponto. Provocam o desvio da onda de sua direo principal.

Multipercurso (Reflexes)

Figura 3.6ilustrao esquemtica

do efeito "fantasma".


50 51

Q uando transmitimos um sinal de informao por um meio fsico, como o ar, utilizamos uma antena, cujo comprimento est asso-ciado ao comprimento de onda. Para transmitirmos um sinal de frequncia 20 kHz, deveramos ter uma antena de aproximadamente 3,5 km de comprimento, procedimento que invivel. Partindo desse princpio, a soluo encontrada foi associar o sinal que se deseja transmitir a um sinal de frequncia alta (portadora). Dessa maneira, o comprimento final da antena ter dimenses possveis de serem implementadas.

Modular um sinal fazer a translao de frequncia do sinal de informao para uma frequncia de portadora. Para isso, alteramos uma das caractersticas do sinal da portadora, que pode ser a amplitude, a frequncia ou a fase. Para modu-laes analgicas, utilizamos como portadora um sinal senoidal.

4.1 Modulao em amplitude (AM amplitude modulation)

Nesse tipo de modulao, o sinal a ser transmitido (sinal modulante) ser soma-do ao sinal de frequncia alta (portadora), modificando sua amplitude.

Dentre os tipos de modulao em amplitude encontram-se as tecnologias:

AM-DSB.AM-DSB/SC.AM-SSB.AM-VSB.

4.1.1 AM-DSB (amplitude modulation double side band)

Nesta seo, sero apresentados os conceitos gerais da modulao AM-DSB (si-gla em ingls de amplitude modulada com duas bandas laterais). As figuras 4.1 e 4.2 apresentam, respectivamente, o diagrama de blocos de um modulador desse tipo e as formas de onda.

O espectro do sinal modulado AM-DSB (figura 4.3) pode ser obtido pela equa-o:

eAM =[E0 + Emcosmt]cos0t (4.1)

Lembrando que

cos cos [cos( ) cos( )]A B A B A B = + + 12

, ento:

e E tE t E t

AMm m m m

= ++

+

0 00 0

2 2cos

cos( ) cos( )

em = Emcosmt

Informao

t t

t

em

DC Cos(ot)

e

eAM = [E0 + Emcosmt]cos0t

e0 = E0cos0t

Portadora

Sinal ModuladoeAM

Figura 4.1diagrama de blocos de um modulador Am-dsB.

Informaoem e0 eAM

Portadora

ttt

Sinal Modulado

em = Emcosmt eAM = [E0 + Emcosmt]cos0te0 = E0cos0t

Figura 4.2Formas de ondas do Am-dsB.


52 53

Ondicedemodulao(m) o valor obtido pela razo m=Em / E0 (figura 4.4). Esse valor no deve ser superior a 1 para que no haja distoro na recuperao do sinal modulado (informao).

eAM

Em2

(0 - m) 0 (0 + m)

Em

E0

2

Figura 4.3espectro de amplitudes

do Am-dsB.

m < 1 m = 1 m > 1

Figura 4.4representao dos

ndices de modulao.

em

eAM-DSBe0

0

D1 Vo

R L C

Figura 4.5circuito modulador

Am-dsB.

Em um circuito modulador AM-DSB (figura 4.5), o sinal modulante (infor-mao) somado ao sinal da portadora (frequncia alta capaz de ser transmitida no ar) e ligado ao circuito tanque (LC), o qual gera uma segunda banda de sinal modulante a ser transmitido. Esse sinal, ento, adequado e transmitido via antena, por meio de um casamento de impedncias.

Em um circuito demodulador AM-DSB, o sinal transmitido captado pela antena do circuito receptor e recuperado por meio do circuito detector de envol-tria, eliminando uma das bandas que foram transmitidas, e sobre a envoltria do sinal de portadora encontra-se o sinal de informao.

Para calcularmos a potncia do sinal AM-DSB, devemos considerar como im-pedncia da antena o valor normalizado R=1, igual ao valor da impedncia de sada do circuito, para que ocorra a mxima transferncia de potncia.

Levando em conta que a potncia dada pela expresso P=V2/R e o sinal transmitido na envoltria da onda portadora, sendo esse sinal composto por duas bandas laterais, trs potncias estaro envolvidas: potncia da portadora, potncia da banda lateral inferior (BLI) e potncia da banda lateral superior (BLS).

PERP

=02

2

Portanto,

PE

P =02

2(4.2)

em que:

PP a potncia da portadora;E0 a tenso da portadora.

emem

C R

DDetetor de Envoltria

Figura 4.6circuito demodulador Am-dsB.


54 55

PR

EBLS

m= =

( )Em22 8

22

(4.3)

em que:

PBLS a potncia da banda lateral superior;Em, a tenso da informao.

PR

EBLI

m= =

( )Em22 8

22

(4.4)

em que:

PBLI a potncia da banda lateral inferior;Em, a tenso da informao.

A potncia total de transmisso AM ser dada, ento, pela soma das potncias da portadora, da banda lateral superior e da banda lateral inferior.

PotnciaTotal = Pt = PP + PBLS + PBLI

PE E E E Em m m

T = + + = +02 2 2

02 2

2 8 8 2 4

A figura 4.7 mostra o espectro de potncias do AM-DSB.

Em 2 / 8

E0 2 / 2

Em 2 / 8

fp

PT

fp fm fp + fm

Figura 4.7espectro de potncias

do Am-dsB.

Receptor super-heterdino

Trata-se de um sistema que possibilita misturar diferentes frequncias, com base em uma referncia que est acima do sinal de entrada, valor chamado de inter-medirio. Esse sistema possui um oscilador local sintonizado com frequncia de 455 kHz acima da frequncia da portadora. Utiliza-se 455 kHz por causa da faixa recebida (535 a 1 605 kHz), para reduzir a interferncia por imagem e a interferncia por apito.

A figura 4.8 mostra o diagrama de blocos de um receptor super-heterdino.

As funes dos blocos so as seguintes:

Antena Para a faixa de AM comercial, comum utilizar antena com a etapa de RF, usando uma bobina de ferrite; tambm pode ser empregada antena telescpica de /2 a /4.

Etapa de RF Circuito tanque (LC), responsvel pela sintonia.Misturador Circuito multiplicador, que normalmente aproveita a no li-

nearidade de um transistor.Oscilador local Oscilador senoidal ajustvel por um capacitor varivel.Amplificadores de FI Amplificadores com transistor sintonizados em 455

kHz (frequncia intermediria), com o uso de transformadores de FI, a fim de aumentar a seletividade do sinal, dar-lhe ganho e possibilitar o emprego do CAG.

Detector de envoltria Detector de envoltria com polaridade adequada (geralmente negativa) ao CAG.

CAG (controle automtico de ganho) Filtro passa-baixa que recupera o valor mdio do sinal demodulado e o aplica na entrada do amplificador de FI. Sua principal funo manter o volume constante, independentemente da intensidade dos sinais das diversas estaes e do movimento do receptor.

Amplificador de udio Sua funo proporcionar uma amplitude de sinal adequada, possibilitando que a orelha humana escute a informao proveniente da emissora selecionada.

Antena

Etapa deRF

1o Estgio

Misturador

2o EstgioVolume

OsciladorLocal

Amplicadores de FI

CAG

Detector deEnvoltria

Amplicadorde udio

Figura 4.8diagrama de blocos de um receptor super-heterdino.

O comprimento de onda de um sinal dado por = c / f0, em que c a velocidade da luz no vcuo e f0, a frequncia da portadora.


56 57

importante observar que o circuito misturador multiplica a frequncia da por-tadora da emissora sintonizada pela frequncia do oscilador local, gerando, assim, uma frequncia soma (fOL + f0) e uma frequncia diferena (fOL f0). Ou a soma ou a diferena de frequncias resultar em 455 kHz, que a frequncia de sintonia do receptor AM. Esse processo conhecido como batimento de frequncias.

4.1.2 AM-DSB/SC (amplitude modulation double side band/supressed carrier)

Como vimos, o AM-DSB transmite um sinal modulado em amplitude e, na etapa de transmisso, o circuito modulador envia para o espao livre uma onda portadora mais duas bandas laterais, as quais contm a informao.

De acordo com o espectro do sinal AM-DSB, a energia interessante se encontra nas bandas laterais (informao) e a energia transmitida pela portadora no con-tm informao alguma, que no precisaria ser transmitida. por esse motivo que foi implementado o sistema AM-DSB/SC, que a modulao em amplitude com duas bandas laterais e portadora suprimida, conforme mostra a figura 4.9.

O princpio de funcionamento do AM-DSB/SC consiste na multiplicao de sinais cossenoidais.

Dados os sinais de informao e portadora, respectivamente:

em = Emcosmt (4.5)

e0 = E0cos0t

Multiplicando e0em= E0 cos0tEm cosmt

A B

= E0 Emcos0tcosmt

A B

e0= E0cos0t

em= Emcosmt

t

t

e0

em

u(t)

t

Portadora

Informao

Sinal AM - DSB / SC

Figura 4.9modulao em amplitude com duas bandas laterais

e portadora suprimida.

Aplicando a relao

cos cos [cos( ) cos( )]A B A B A B = + + 12

, obtemos:

e eE E

tE E

tmm

mm

m00

00

02 2 = + + cos( ) cos( )

Portanto: eE E

tE E

tAM DSB SCm

mm

m = + + / cos( ) cos( )0

00

02 2

O espectro de amplitudes do AM-DSB/SC pode ser visto na figura 4.10.

No caso do AM-DSB/SC, h dois tipos de moduladores: em ponte e balanceado. No modulador em ponte, a portadora que determina se os diodos conduzem ou no. Se e0 maior que zero, os diodos permanecem reversamente polarizados (corte) e, assim, na sada se obtm a informao (figura 4.11). Se e0 menor que zero, os diodos permanecem diretamente polarizados (conduo) e, portanto, na sada se obtm sinal zero.

E0 . Em E0 . Em

A

2 2

(0 - m) 0

(0 + m)

Figura 4.10espectro de amplitudes do Am-dsB/sc.

R1

R2

um(t)

uc(t)

D

B L C

u(t)

A

C

Figura 4.11circuito modulador em ponte.


58 59

O modulador balanceado consiste na contraposio de dois moduladores qua-drticos, o primeiro com a soma dos sinais da informao e da portadora e o segundo com a diferena desses sinais. Os transistores, por no serem compo-nentes lineares, geram harmnicas de vrias frequncias (fm + f0, f0 fm, f0, fm, 2f0, 2f0 fm). Por causa da contraposio dos transistores, os sinais em torno de f0 se anulam, cancelando a portadora. O filtro LC, ento, retira as demais harmnicas e deixa passar somente as bandas laterais (f0 + fm e f0 fm), resultan-do no sistema AM-DSB/SC (figura 4.12).

Para garantir que a portadora seja cancelada, necessrio que os dois tran-sistores sejam iguais, o que se obtm mais facilmente utilizando circuitos integrados.

A figura 4.13 apresenta como exemplo o circuito demodulador em ponte.

R1

R3

R4

R2

um(t)um(t)

um(t)

uc(t)

Vcc

L

C u(t)

Figura 4.12circuito modulador

balanceado.

R1

R2

um(t)

uc(t)

D

B

Nota: R.C = 1 / 2.

C

CR

u(t)

At

em

Figura 4.13circuito demodulador

em ponte.

4.1.3 AM-SSB (amplitude modulation single side band)

De maneira anloga ao AM-DSB, o AM-DSB/SC transmite duas bandas la-terais, porm apenas uma das bandas contm a informao. Portanto, ele no precisa transmitir as duas bandas, ocasionando economia de energia, j que in-teressa apenas a potncia de uma das bandas laterais. Foi, ento, implementado o AM-SSB, que contm uma nica banda lateral. Uma vez obtido o sinal AM--DSB/SC, ele passa por um filtro mecnico que separa somente uma banda a ser transmitida (figura 4.14). Um exemplo de aplicao do AM-SSB o radioama-dorismo.

4.1.4 AM-VSB (amplitude modulation vestigial side band)

No modulador de amplitude com vestgio de banda lateral, tambm obtido da modulao AM-DSB/SC, so transmitidos uma banda lateral completa e um vestgio da outra banda lateral. Um exemplo de aplicao do AM-VSB a trans-misso de sinais de televiso (figura 4.15).

4.2 Modulao angularOs mtodos de modulao angular consistem em sistemas de modulao em fase (PM phase modulation) e de modulao em frequncia (FM frequency modulation). De forma resumida, temos a figura 4.16.

em

e0

Modulador Filtro

Mecnico

BLI BLSFG

KHz

AM - DSB / SC

AM - SSB

Figura 4.14representao esquemtica do modulador e filtro mecnico.

BLI BLSf0

Figura 4.15representao esquemtica do sinal Bli e Bls.


60 61

Expresses matemticas:

a) Modulao em frequncia:

eFM = E0cos[(0 + Kem)t] Constante de modulao [rad/s/V]

b) Modulao em fase:

ePM = E0cos(0t+KPem) Constante de modulao [rad/s/V]

4.3 FM faixa estreita

Os principais causadores da degradao de um sinal modulado so os que alte-ram sua amplitude de forma indesejvel, como o rudo e a distoro no linear. Como a modulao em amplitude est diretamente relacionada com a amplitu-de do sinal modulado, tanto o rudo como a distoro no linear so fatores que influenciam negativamente a qualidade do sinal demodulado.

Em razo desses fatores, iniciou-se o estudo da implementao de sistemas de transmisso em frequncia, os quais se tornaram imunes aos rudos indesejados.

Supondo em = Emcos(mt)

eFM = E0cos{[0 + KEmcos(mt)]t} em

eFM = E0cos{[0t+ sen(mt)]}

Volume

Amplicadorde udio

e0 = E0cos(0t + )

Fase

Frequncia

AmplitudeFM

AM Modulaoangular

PM

Figura 4.16Partes que compem

o sistema de modulao em fase.

em que:

= funes de Bessel = d / m = KEm / m = ndice de modulao

Lembrando que cos(A + B) = cosAcosB senAsenB, temos:

eFM = E0cos(0t)cos[sen(mt)]E0sen(0t)sen[sen(mt)]

Caso particular: 0,2 (FM faixa estreita)

eFM = E0cos(0t)E0sen(0t)sen(mt)

Lembrando da relao do produto entre os senos de dois ngulos:

senA senB A B A B = +12[cos( ) cos( )] ,

a expresso do FM faixa estreita :

eFM-FE = E0cos(0t)[E0cos[(0m)t]+1/2[E0cos[(0+m)t]

Da expresso geral, obtm-se o espectro de amplitudes do FM faixa estreita (fi-gura 4.17).

A princpio, o modulador FM um circuito muito simples, formado por um oscilador controlado por tenso (VCO voltage controlled oscillator) e um ampli-ficador de alta potncia para a transmisso do sinal modulado.

E0

E0. /2

E0. /2

EFM - FE

(0 m)

(0 + m)0

Figura 4.17espectro de amplitudes do Fm faixa estreita (uma das bandas possui fase invertida).


62 63

A base de um circuito VCO o componente conhecido como diodo varicap, que um diodo de grandes dimenses cuja principal caracterstica a variao de sua capacitncia de juno em funo da tenso reversa nele aplicada, conforme mostra o grfico da figura 4.18.

Uma possibilidade de implementao do modulador FM o circuito da figura 4.19.

Para realizar a demodulao de um sinal FM, so necessrios circuitos conheci-dos como detectores de FM, descritos a seguir.

O discriminador de frequncias um circuito que converte linearmente va-riaes de frequncia em variaes de amplitude. Desse modo, um sinal FM convertido em um pseudossinal AM, sendo possvel utilizar um detector de en-voltria para a demodulao. No detector de inclinao, o objetivo transfor-mar o sinal modulado FM em um sinal AM e recuperar a informao utilizando um detector de envoltria (figura 4.20).

Vrev(V)

Cv(F)Figura 4.18

Grfico de capacitncia versus tenso.

em

f0

CE

A

CvL

Figura 4.19circuito modulador de Fm.

O circuito sintonizado LC tem a resposta em frequncia ilustrada na figura 4.21.

Esse tipo de circuito apresenta as seguintes desvantagens:

Os desvios de frequncias a serem detectados devem ser suficientemente pe-quenos.

A regio considerada linear no o por completo e produz razovel distoro na sada.

A fim de expandir a regio linear e proporcionar melhor qualidade de deteco de sinal, foi implementado o circuito detector de inclinao balanceado (fi-gura 4.22).

e(t) C CeReL em(t)

Fm(t)

t0 0 t

AM, FM(t)

Figura 4.20detector de envoltria e respectivos sinais Fm e Am.

0Hz0V

0.2Ghz- v(L4=2)

0.5V

1.0V

0.4Ghz 0.6Ghz 0.8Ghz 1.0Ghz 1.2Ghz

Figura 4.21Aparncia do sinal lc.


64 65

Nesse circuito, o conjunto L-C est sintonizado na frequncia da portadora f0; L1-C1, em uma frequncia acima de f0; e L2-C2, em uma frequncia abaixo de f0 (figura 4.23).

A desvantagem do circuito detector de inclinao balanceado possuir trs cir-cuitos sintonizados, o que torna a calibrao difcil e trabalhosa.

Devemos sempre lembrar que, para a transmisso FM comercial, a distncia em frequncia entre as emissoras de 75 kHz; portanto, fd = 75 kHz e:

= funes de Bessel =d / m = 2fd /2fm (4.6)

em que:

fd a frequncia de desvio; fm, a frequncia de informao.

e1(t)

e2(t)

C

C1

C2

D1

D2

Rd1

Rd2

LCd1

Cd2

++

+

+

-

--

-

L1

L2

Fm(t)

t t00

AM, FM(t)

Figura 4.22circuito detector de

inclinao balanceado e os sinais de entrada e sada.

A

0,5

0

-0,5

-1

f0

f1f2

f2 1

c

Figura 4.23resposta em frequncia

dos circuitos l1-c1 e l2-c2.

Outro fator importante que, de maneira anloga ao AM, o FM tambm utiliza o processo de batimento de frequncias para possibilitar a sintonia da emissora desejada, porm a frequncia do oscilador local de 10,7 MHz.

Como vimos, o circuito demodulador um pseudo-AM e, por esse motivo, sua distribuio de potncia no uniforme, sendo mais intensa nas frequncias mais altas. Uma forma de equalizar a distribuio da potncia de rudo demo-dulado consiste em passar o sinal por um filtro passa-baixa RC com F3dB


66 67

Como consequncia, ocorre o fenmeno denominado interferncia intersim-blica, pela prpria decomposio dos bits em infinitas cossenoides, conforme a srie de Fourier, em que os pulsos so associados aos bits 0 e 1.

Por esse motivo, foram desenvolvidos os mtodos de modulao de trens de bits, apresentados a seguir.

4.4.1 Modulao ASK (amplitude shift keying)

Tomemos como exemplo o trem de bits 0 0 1 1 0 1 0 0. Vimos que a transmisso de bits por meios fsicos difcil, pois tais meios no possuem banda passante infinita, o que gera distoro no sinal recuperado.

Para solucionar essa deficincia, o trem de bits deve ser introduzido em um mo-dulador, o qual modificar o sinal a ser transmitido; onde o nvel lgico for 1, ser transmitida a frequncia cossenoidal da portadora e, onde o nvel lgico for 0, ser transmitido sinal de amplitude zero.

Desse modo, para o trem de bits do exemplo, na sada do circuito demodula-dor, o sinal a ser transmitido pelo meio fsico ser obtido conforme mostra a figura 4.25.

Sinal ASKModuladorASK

Portadora

Trem de Bits

F

0 0 1 1 0 1 0 0

0 0 1 1 0 1 00

Figura 4.25sinal a ser transmitido

pelo meio fsico.

4.4.2 Modulao FSK (frequency shift keying)

De maneira similar modulao ASK, a modulao FSK tambm tem por fina-lidade inserir no meio de transmisso um sinal cossenoidal de frequncia finita e conhecida a fim de garantir uma banda passante finita. Entretanto, em vez de variarmos a amplitude da portadora em funo dos bits a serem transmitidos, variamos a frequncia do sinal da portadora.

A figura 4.26 ilustra o trem de bits 0 0 1 1 0 1 0 0.

4.4.3 Modulao PSK (phase shift keying)

A modulao PSK tambm transmite um sinal cossenoidal da portadora em funo do trem de pulsos da informao. No entanto, a alterao sofrida pela portadora em relao fase do sinal de alta frequncia em funo da variao do nvel lgico do trem de bits. A figura 4.27 apresenta o mesmo trem de bits anterior: 0 0 1 1 0 1 0 0.

Portadora

Modulador

Trem de Bits

0 0 1

ModuladoFSK

1 10 0 0

0 0 1 1 10 0 0

Sinal FSK

Figura 4.26sinal a ser transmitido pelo meio fsico.


68 69

4.4.4 Modulao QAM (quadrature amplitude modulation)

Um dos problemas do rdio digital a necessidade de utilizar uma faixa de transmisso bem mais larga que a de um sistema analgico de mesma capaci-dade. Uma soluo consiste em aumentar o nmero de estados possveis do si-nal modulado. Entretanto, para manter determinada qualidade de transmisso, expressa em termos da probabilidade de erro de bit, necessrio aumentar a potncia de entrada do receptor.

A modulao em amplitude e fase uma alternativa que permite uma relao satis-fatria entre a qualidade e o nvel do sinal de recepo. Em relao ao nmero de estados possveis, destacam-se o 16 QAM, o 64 QAM, o 128 QAM e o 256 QAM.

Para melhor utilizao do espectro, quanto maior a quantidade de estados, maior a eficincia espectral. Contudo, o emprego de sistemas com nmero de estados elevados limitado, pois ocorrem problemas como: disperso do sinal na faixa de transmisso, em decorrncia do desvanecimento multipercurso; maior sensi-bilidade interferncia; e dificuldades de fabricao de moduladores e demodu-ladores.

A figura 4.28 ilustra o diagrama fasorial (constelao) da modulao 16 QAM.

O sistema de modulao QAM apresenta a mesma banda e a mesma eficincia de banda do sistema PSK, para um mesmo nmero de estados do sinal mo-dulado. Entretanto, supera o PSK no desempenho de erro. A comparao das constelaes para 16 QAM e 16 PSK, como mostrado na figura 4.29, revela que

Sinal PSKModuladorPSK

Portadora

Trem de Bits

0 0 1 1 0 1 0 0

Figura 4.27sinal a ser transmitido

pelo meio fsico.

a razo para essa diferena no desempenho de erro est na distncia entre pontos do sinal na constelao, pois para o PSK a distncia menor do que a distncia entre pontos na constelao QAM.

Modulao 16 QAM

A modulao 16 QAM um mtodo combinado de modulao em amplitude e fase que proporciona 4 bits de informao para cada smbolo transmitido e possui 16 estados possveis. A figura 4.30 apresenta o diagrama em blocos do modulador/demodulador 16 QAM.

16 QAM

Q

I

Figura 4.28constelao para a modulao 16 QAm.

16-PSK16-QAM

Q Q

16-PSK16-QAM

Q Q

Figura 4.29comparao entre as constelaes dos sinais 16 QAm e 16 PsK com o mesmo pico de potncia.


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Quatro (dois pares) sinais binrios a1, a2, b1 e b2 so aplicados nos converso-res 2 4 e convertidos em dois sinais de quatro nveis cada um (converso digital-analgico). Esses sinais so limitados em banda por um filtro de Nyquist (cosseno levantado), fazendo com que a interferncia intersimblica no instante de amostragem seja zero (ideal). As portadoras em fase (I) e em quadratura (Q) so moduladas em amplitude pelos sinais a4 e b4. Combinando esses dois sinais modulados em amplitude A e B , obtm-se, ento, o sinal 16 QAM C. A obteno do sinal modulado em 16 QAM a partir de dois sinais em quadratura modulados em amplitude apresentada na figura 4.31, que tambm mostra que o sinal 16 QAM possui trs nveis discretos de amplitude.

a1

a2

2/4 a3 a4

CONVERSOR

2/4CONVERSOR

OSCILADOR

SINALAM A

MODULADORAM

/2

A + B = C

I

SINALAM B

FILTRO ROLL-OFF

(a) modulador (b) demodulador

FILTRO ROLL-OFF

b4

Q

RECUPERAODE PORTADORA

/2

DECISOR DE4 NVEIS

DECISOR DE4 NVEIS

b2

b1b4

a4a1

a2

DETETORDE FASE

+

b3

b1b2

SINAL16QAM C

Figura 4.30diagrama em blocos

para 16 QAm:(a) modulador e

(b) demodulador.

SINAL DEMAIOR NVEL

+ =

QQ

SINAL 16QAM CSINAL AM BSINAL AM A

I I

Q

Figura 4.31Formao da constelao

para 16 QAm.

A demodulao 16 QAM efetuada recuperando a portadora de referncia a partir do prprio sinal recebido e injetando-a em quadratura nos detectores I e Q. Desse modo, obtm-se os sinais a4

1 e b41 , que podem possuir quatro nveis

distintos, cada um deles correspondendo a um valor binrio. Os sinais so ento limitados em banda e encaminhados a circuitos decisores, que produzem pares de bits em funo do nvel dos sinais a4

1 e b41 , presentes em suas entradas. Os

pares de bits produzidos pelos decisores so a informao demodulada.

Convm salientar que, para o circuito de recuperao da portadora, a simples multiplicao por 4 do sinal modulado no funciona com segurana para 16 QAM. Isso ocorre porque a composio vetorial de sinais em quadratura s produz fases de +45 ou +135, quando as amplitudes dos sinais I e Q so iguais. Na figura 4.31, podemos verificar a variedade de fases do sinal modulado em 16 QAM. Dessa maneira, normalmente utilizam-se tcnicas mais avanadas para os circuitos de recuperao da referncia de fase para a portadora local. Para os sistemas m-PSK (m 4) e QAM, comum usar como circuito gerador da refe-rncia de fase local o Costas loop.

No entanto, todos esses processos de transmisso criam ambiguidades de fase na portadora recuperada. Por isso, costuma-se codificar diferencialmente os da-dos na transmisso antes da modulao e decodific-los diferencialmente aps a demodulao.

Para a modulao 16 QAM, existem formas de combinar os bits ao longo da constelao, gerando dois arranjos (figura 4.32).

Para demonstrar a importncia da fase da portadora, da forma do pulso e do instante de amostragem na deteco, apresentam-se alguns diagramas de olho com as respectivas constelaes na figura 4.33. Cada diagrama ilustra a sada de um dos filtros passa-baixa, em que os traos superpostos representam as sadas de diferentes valores de dados.

0111o

0111o

0110o

0110o

0010o

0011o

0000o

0001o

0010o

0011o

0000o

0001o

1001o

1001o

1011o

1011o

1010o

1010o

1000o

1000o

1100o

1110o

1101o

1111o

1100o

1110o

1101o

1111o

ARRANJO 16A ARRANJO 16B

0101o

0101o

0100o

0100o

Figura 4.32Arranjos-padro para modulao 16 QAm.


72 73

Os olhos so os espaos brancos em forma de diamante que ocorreram a cada T segundos. Os extremos verticais de cada olho indicam os nveis ide-ais (sem distoro) da portadora modulada, e os pontos mdios verticais, os limiares de deciso entre nveis da portadora modulada. O instante timo de amostragem em cada perodo de dados est localizado no ponto mdio hori-zontal dos olhos.

8-PSK4-PSK2-PSK 16 QAMQQ QQ

0 TT

T T0 00

III

8-PSK4-PSK2-PSK 16 QAMQQ QQ

0 TT

T T0 00

III

Figura 4.33constelaes e diagramas de olho para modulaes

PsK e 16 QAm.

Modulao 64 QAM

A modulao 64 QAM uma modulao em amplitude por quadratura de 64 nveis com 6 bits de informao para cada smbolo transmitido (figura 4.34).

O demodulador 64 QAM realiza deteco coerente. Assim, o sinal de FI na entrada tem nvel constante devido ao CAG e passa por um filtro passa-faixa para limitar a faixa. A hbrida divide o sinal em dois e faz o batimento para a recuperao dos dados (figura 4.35).

/2

OSCILADOR

FPF

FPF

FPF

D / ACONV

D / ACONV

P 0P 1P 2

Q 0Q 1Q 2

H

Figura 4.34diagrama em blocos do modulador 64 QAm.


74 75

4.4.5 Clculo da largura de banda

Outra caracterstica importante das modulaes digitais a faixa necessria para a transmisso. A faixa mnima para transmitir bits de durao Tb igual a:

BTb

=

12

(critrio de Nyquist) (4.7)

em que 1/T a taxa de bits ou velocidade de transmisso (VT).

Para a transmisso por rdio, a banda mnima (BR) necessria aps a modulao corresponde a:

BR BTb

VT= = =2 1 (4.8)

2/

FPF

FPB

FPB

CON16/6

A / DCONV

A / DCONV

FI

P1

P2

P0

P7

Q0

Q7

P0

P0

P7

Q0 Q0

Q1

Q2Q7

REC PORT.VCO

CAG

H

(A)

(B)

Figura 4.35demodulador 64 QAm: (a) circuito interno e (b)

identificao dos pinos.

Para a transmisso multinvel, cada estado do sinal modulado (smbolo) carrega a informao de m bits; portanto:

m=log2MTS=Tblog2M (4.9)

em que M o nmero de estados do sinal modulado.

Ento:

BRTS Tb M

VTM

= =

=

1 1

2 2log log

Os filtros descritos por Nyquist no tm aplicao prtica e, por isso, utilizam-se filtros que acarretam aumento na banda de transmisso de um fator chamado de fator de roll-off. Assim, as relaes anteriores passam a ser:

para o sinal binrio:

BTs

=

+12

BR

Ts=

+1 (4.10)

para o caso geral:

BRTb M

=

+

1

2

log=

+VtM

( )log1

2

(4.11)

Como podemos observar, a codificao em maior nmero de nveis, corres-pondendo modulao em maior nmero de estados, reduz a faixa necessria para a transmisso a uma mesma velocidade de sinal (mesma taxa em bits/s). Entretanto, o efeito do rudo se torna mais crtico quando se aumenta o nmero de estados que mantm constante a amplitude da portadora, ou seja, a potncia transmitida.

4.4.6 Deteco de sinais binrios

O processo de modulao tem por objetivo deslocar o sinal modulante para uma faixa de frequncias adequadas transmisso pelo meio escolhido. No receptor, preciso inverter esse processo ou demodular o sinal para recuperar a informao original (trem de pulsos) transmitida. Em geral, esse processo de demodulao chamado de deteco.

Existem essencialmente dois mtodos usuais de demodulao. Um deles a deteco coerente ou sncrona, que consiste na multiplicao do sinal de entrada pela frequncia da portadora, gerada localmente no receptor, e na filtragem em passa-baixa do sinal resultante da multiplicao. O outro m-todo a deteco de envoltria, em que se aplica o sinal modulado em um


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dispositivo no linear seguido por um filtro passa-baixa. Essa tcnica tem a finalidade de recuperar a envoltria do sinal, na qual h informao impressa na amplitude e na fase. Assim, os sistemas PSK e QAM necessitam de detec-o coerente ou sncrona.

Para demonstrar o mtodo sncrono, vamos admitir que um sinal binrio (PSK) de alta frequncia tem a forma representada na figura 4.36.

fc t f t tc( ) ( ) cos=

Considera-se f(t) = +1.

Multiplicando esse sinal por Kcoswct (K uma constante arbitrria do multi-plicador), obtemos:

Kf(t)cos2wct=(K/2)(1+cos2wct)f(t) (4.12)

Contudo, o tempo f(t)cos2wct representa f(t) deslocada para a frequncia 2fc, a segunda harmnica da frequncia da portadora fc. Esse componente rejei-tado pelo filtro passa-baixa e a sada resultante (K/2) f(t), que exatamente a sequncia de pulsos de banda bsica que se desejava obter. O fator constante (K/2) no tem significado algum, pois o sinal sempre pode ser amplificado ou atenuado de qualquer valor especificado. Assim, o detector sncrono executa a tarefa de reproduzir o sinal f(t).

Observe que nessa discusso admitiu-se que a portadora gerada localmente, coswct, tinha exatamente a mesma frequncia e a mesma fase que a portadora do sinal de entrada. Se a onda senoidal gerada localmente tivesse frequncia cos (wc + w), a multiplicao produziria:

Kf(t)cos(wc + w)tcoswct=(K/2)[cos(2wc+w)t+coswt]f(t) (4.13)

A sada do filtro passa-baixa seria, ento:

[Kf(t)/2]coswt (4.14)

FILTROPASSA-BAIXA SADA BINRIA: Kf( t )

2

fc(t)=f(t) COS Ct

K COS C t

Figura 4.36esquema geral de deteco sncrona.

Se w estivesse dentro da banda do filtro, no representaria o sinal desejado. Alternativamente, se o sinal local tivesse a frequncia correta wc, mas esti-vesse q radianos fora de fase, ou seja, cos(wc t + q), a sada do filtro passa--baixa seria:

[Kf(t)/2]cosq (4.15)

Essa a sada desejada em banda bsica, porm atenuada, pois, medida que q aumenta, cosq diminui. Dessa maneira, para q prximo de /2, a sada ser muito prxima de zero.

Se q ultrapassar /2, haver inverso de sinal na sada. Se o sinal em banda bsi-ca for uma sequncia bipolar, a polaridade de todo o sinal se inverter, os pulsos 1 se transformaro em 0 e vice-versa.

Com base nessa anlise, podemos concluir que a portadora gerada localmente deve ser sincronizada em frequncia e em fase. Essa a razo da denominao deteco coerente.

Frequentemente, na literatura tcnica, faz-se confuso entre os termos sn-crono e coerente, referindo-se demodulao sncrona e demodulao coerente como sinnimos. A distino entre elas que na demodulao sn-crona a portadora local tem a mesma frequncia que a portadora da mo-dulao, enquanto na demodulao coerente, alm de essa caracterstica ser necessria, a fase tambm deve ser igual. Assim, a demodulao coerente obrigatoriamente uma demodulao sncrona, mas a demodulao sncrona no precisa ser coerente.

Como vimos, importante garantir a coerncia entre a portadora gerada local-mente e a portadora gerada na transmisso. Por isso, a melhor soluo aquela em que a portadora local seja perfeitamente sincronizada em frequncia e coe-rente com referncia de fase do sinal modulado recebido.

A figura 4.37 apresenta uma forma de evitar o aparecimento da defasagem (q) citada anteriormente, utilizando a tcnica de amarrao em fase. Essa tcnica exige que se disponha localmente de um sinal de referncia de fase da portadora, obtido pela transmisso da informao da portadora por uma via independente ou por um processamento do prprio sinal entrante. A partir da referncia

eletronic a 5

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