Princípios de telecomunicações: Teoria e prática [5 ed.] 9788536516288

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JULIO CESAR IJE O.,MEDE,ROS

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Julio Cesar de O. Medeiros

Princípios de Telecomunicações Teoria e Prática

5ª Edição Revisada

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Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

ISBN 978-85-365-2200-5 DADOS INTERNACIONAIS DE CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO (CIP) ANGÉLICA ILACQUA CRB-8fl057

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Medeiros, Julio Cesar de O. Princípios de telecomunicações : teoria e prática / Julio Cesar de O. Medeiros. - 5. ed. rev. - São Paulo : Érica, 2016. Bibliografia ISBN 978-85-365-2200-5

1. Telecomunicações 2. Sistemas de telecomunicação Digital 3. Sistemas de telecomunicação - Analógico 1. Título

De 2ª a 6ª, das 8h30 às 19h30

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Editado também como livro impresso

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Índices para catálogo sistemático: 1. Telecomunicações

Gerente editorial Rosana Arruda da Silva Editora Beatriz M. Carneiro Assistentes editoriais Paula Hercy Cardoso Craveiro Raquel F. Abranches

Copyright © Julio Cesar de O. Medeiros 2016 Saraiva Educação Todos os direitos reservados.

Produtores editoriais Laudemir Marinho dos Santos Rosana Aparecida A. Santos

Assistentes de Produção Graziele Liborni

5! edição

Erika Amaro Rocha Livia Vilela de Lima Borali

Suporte editorial Ariane Gonçalo Barboza Produção gráfica Liliane Cristina Gomes

Preparação Revisão Avaliação Técnica Diagramação

Carla de Oliveira Morais Clara Diament Eduardo Cesar A. Cruz Flávio Eugenia de Lima

Capa Marcelo Brandão Impressão e acabamento nononon

O Autor e a Editora acreditam que todas as informações aqui apresentadas estão corretas e podem ser utilizadas para qualquer fim legal. Entretanto, não existe qualquer garantia, explícita ou implícita, de que o uso de tais informações conduzirá sempre ao resultado desejado. Os nomes de sites e empresas, porventura mencionados, foram utilizados apenas para ilustrar os exemplos, não tendo vínculo nenhum com o livro, não garantindo a sua existência nem divulgação. Eventuais erratas estarão disponíveis para download no site da Editora Saraiva. A Ilustração de capa e algumas imagens de miolo foram retiradas de , empresa com a qual se mantém contrato ativo na data de publicação do livro. Outras foram obtidas da Coleção MasterClips/MasterPhotos@da IMSI, 100 Rowland Way, 3rd floor Novato, CA 94945, USA, edo CorelDRAW X5 eX6, Corei Gallery e Corei Corporation Samples. Corei Corporation e seus licenciadores. Todos os direitos reservados. Todos os esforços foram feitos para creditar devidamente os detentores dos direitos das imagens utilizadas neste livro. Eventuais omissões de crédito e copyright não são intencionais e serão devidamente solucionadas nas próximas edições, bastando que seus proprietários contatem os editores. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida por qualquer meio ou forma sem a prévia autorização da Saraiva Educação. A violação dos direitos autorais é crime estabelecido na lei nº 9.610/98 e punido pelo artigo 184 do Código Penal. 280.323.005.001

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Agradecimentos À minha esposa e aos meus filhos, aos amigos professores e alunos da Engenharia Elétrica da Universidade Estácio de Sá pelas palavras de incentivo que muito contribuíram para a elaboração do livro; Ao engenheiro e professor Rudnei Karam pela valiosa colaboração na leitura e sugestões apresentadas nos capítulos Ondas de Rádio, Antenas e Propagação; Ao Exército Brasileiro pela minha formação de Militar, Engenheiro e Mestre em Ciências.

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Sumário Capítulo 1 - Conceitos Básicos em Telecomunicações ............................................................. 13 1.1 Resumo histórico .................................................................................................................. 13 1.2 Introdução ............................................................................................................................. 14 1.3 O engenheiro e o técnico da área elétrica ............................................................................ 14 1.4 Organismos de telecomunicações ........................................................................................ 16 1.4.1 Organismos internacionais .........................................................................................16 1.4.2 Organismos nacionais ................................................................................................ 17 1.5 Fiscalização e reconhecimento da profissão ........................................................................ 18 1.6 Conceituações ...................................................................................................................... 18 1.7 Fundamentos de sistemas de comunicações ....................................................................... 19 1.8 Exemplos de sistemas de comunicações ............................................................................. 21 1.8.1 Sistema de telefonia de rede fixa comutada ............................................................... 21 1.8.2 Sistema de comunicações por fibras ópticas ............................................................ 22 1.8.3 Sistema de telefonia móvel celular ............................................................................ 23 1.8.4 Sistema de telefonia fixa celular ................................................................................ 24 1.8.5 Sistema rádio em HF (high-frequency) ...................................................................... 25 1.8.6 Sistema rádio em visibilidade .................................................................................... 26 1.8.7 Sistema de comunicações por tropodifusão .............................................................. 27 1.8.8 Sistema de comunicações por satélite ...................................................................... 27 1.8.9 A Internet ................................................................................................................... 30 1.8.1 OSistema de ondas portadoras sobre linhas de potência .......................................... 30 1.8.11 Sistemas de radiodifusão (broadcasting) ................................................................ 31 1.9 Classificação dos sistemas ................................................................................................... 32 1.1ODesempenho do sistema .................................................................................................... 33 1.1O.1 Confiabilidade .......................................................................................................... 33 1.10.2 Qualidade ................................................................................................................ 33 1.10.3 Segurança das comunicações ................................................................................. 33 1.1O.4 Rapidez de resposta ................................................................................................ 34 1.1O.5 Fiexibilidade ............................................................................................................. 34, 1.11 Duplicação dos meios ......................................................................................................... 35 1.12 Recuperação e manutenção do sistema ............................................................................ 35 1.13 Modalidades de comunicações ........................................................................................... 35 1.14 O enlace de comunicações ................................................................................................. 36 1.15 Canal rádio e circuito rádio ................................................................................................. 38 1.16 Ilustração do emprego de múltiplos sistemas ..................................................................... 39 Capítulo 2 - Os Sinais Elétricos da Informação .......................................................................... 41 2.1 Recapitulação ....................................................................................................................... 41 2.2 Denominação dos sinais elétricos ........................................................................................ 42 2.3 O sinal periódico ................................................................................................................... 42

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2.3.1 Parâmetros e unidades de medida ............................................................................ 43 2.3.2 Onda .................................................................................................................... ...... 45 2.4 Sinais senoidal e cossenoidal ............................................................................................... 47 2.5 Série de Fourier .......................................................................................................... .......... 49 2.6 Representação vetorial do sinal ............................................................................................ 51 2.7 Sinais analógicos da informação .......................................................................................... 52 2.8 Transdutores e sensores ...................................................................................................... 53 2.9 Amplificadores e atenuadores ............................................................................................... 55 2.1 OAcopladores ........................................................................................................................ 56 2.11 Filtros de ondas elétricas .................................................................................................... 57 2.12 Sinais digitais ...................................................................................................................... 59 2.13 Geração dos bits ................................................................................................................. 63 2.14 Códigos de caracteres ........................................................................................................ 64 2.15 Conversão do sinal analógico em digital (A/D) ................................................................... 68 2.15.1 PCM (Pulse Code Modulation) ................................................................................ 68 2.15.2 DM (Delta Modulation) ............................................................................................. 71 2.16 Conversão D/A do sinal PCM ............................................................................................. 72 2.17 Outros moduladores digitais: PWM e PPM ......................................................................... 72 2.17.1 PWM (Pulse Width Modulation) ............................................................................... 72 2.17.2 PPM (Pulse Position Modulation) ............................................................................ 73 2.18 Formatos dos sinais binários .............................................................................................. 73 2.19 O olho padrão ..................................................................................................................... 74 2.20 O canal de comunicações ................................................................................................... 75 Capítulo 3 - Os Canais de Comunicações e o Ruído Elétrico .................................................... 77 3.1 Conceito de canal ................................................................................................................. 77 3.2 Tipos e características dos canais ........................................................................................ 77 3.2.1 Canal fio ............................................................................................................... ...... 77 3.2.2 Canal rádio ................................................................................................................ 78 3.2.3 Canal fibra óptica ....................................................................................................... 78 3.3 Propriedades dos canais de comunicações .......................................................................... 79 3.3.1 Atenuação da intensidade do sinal ............................................................................ 79 3.3.2 Limitação em largura de faixa ou largura de banda ................................................... 79 3.3.3 Retardo ................................................................................................................. ..... 80 3.4 Principais distúrbios nos canais de comunicações ............................................................... 80 3.4.1 O ruído elétrico ........................................................................................................ .. 81 3.4.2 Distorção do sinal ...................................................................................................... 81 3.4.3 Sinais interferentes ou espúrios ................................................................................ 81 3.5 Distúrbios específicos do canal rádio .................................................................................... 82 3.5.1 Ondas de multipercurso ............................................................................................. 82 3.5.2 Desvanecimento (fading) ........................................................................................... 83 3.5.3 Ação da chuva sobre as ondas de rádio .................................................................... 83 3.5.4 Efeito Doppler ............................................................................................................ 84

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3.5.5 Formação de dutos no percurso da onda .................................................................. 85 3.6 Recepção em diversidade .................................................................................................... 86 3.7 O ruido elétrico ..................................................................................................................... 87 3.7.1 Importância e conceito de ruído ................................................................................ 87 3.7.2 Fontes externas de ruído ........................................................................................... 88 3.7.3 Relação sinal/ruído .................................................................................................... 89 3.7.4 Fonte interna de ruído ............................................................................................... 90 3.7.5 Potência de ruído ...................................................................................................... 93 3.8 O decibel (dB) ....................................................................................................................... 94 3.8.1 Cálculos em dB .......................................................................................................... 95 3.8.2 Cálculos de potência em dBW, dBm e dBµ .............................................................. 95 Capítulo 4 - As Ondas de Rádio .................................................................................................... 99 4.1 Introdução ............................................................................................................................. 99 4.2 O transmissor e a linha de transmissão ............................................................................... 100 4.3 O receptor e a linha de recepção ......................................................................................... 100 4.4 Natureza da onda eletromagnética e o mecanismo de propagação .................................... 101 4.5 Velocidade de propagação e comprimento de onda ............................................................ 105 4.6 Unidades e medida do campo elétrico ................................................................................. 106 4.7 Polarização da onda ............................................................................................................ 106 4.8 Polarização ortogonal ou polarização cruzada ....................................................................107 4.9 Blindagem: a gaiola de Faraday .......................................................................................... 108 4.1OO espectro de frequências .................................................................................................11 O 4.11 Denominações das faixas de frequências ......................................................................... 111 4.12 Designação por letras das faixas de frequências em GHz .................................................... 112 4.13 Espectro da luz visível ....................................................................................................... 112 4.14 Atenuação da onda devido ao espaço livre ....................................................................... 11 3 Capítulo 5 - O Rad iotransm issor ................................................................................................. 115 5.1 lntrodução ............................................................................................................................ 115 5.2 Descrição dos estágios ........................................................................................................ 116 5.2.1 Circuito oscilador ...................................................................................................... 116 5.2.2 Estágio separador..................................................................................................... 11 8 5.2.3 Estágio amplificador de potência de RF ................................................................... 118 5.2.4 Fonte de alimentação ............................................................................................... 119 5.2.5 Informações complementares ..................................................................................119 5.3 Modulação analógica da onda de rádio ............................................................................... 120 5.4 Modulação em amplitude (AM/DSB) .................................................................................... 121 5.4.1 Onda AM no domínio do tempo ................................................................................121 5.4.2 Onda AM/DSB no domínio da frequência ................................................................. 124 5.5 Tipos particulares de AM: SSB, ISB e AM compatível............................................................ 125 5.5.1 SS B - single side band ou banda lateral singela ...................................................... 125 5.6 Modulação em frequência (FM) ........................................................................................... 129

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5.6.1 Onda FM no domínio do tempo .............................................................................. . 130 ''df a requenc1a ....................................................................... . 131 5.6.2 Onda FM no dom1n10 5.7 Transmissão dos sinais de televisão .................................................................................. 133 5.8 Recursos do transmissor ................................................................................................... . 136 5.9 Transmissão de dados em HF ............................................................................................ 137 5.1OUtilização de subtons e sobretons .................................................................................... 138 5.11 Amplificador de potência ................................................................................................... 139 5.12 Emprego de estações radiorrepetidoras ........................................................................... 140 5.12.1 Repetidora singela ................................................................................................. 141 5.12.2 Repetidora de transceptores acoplados ................................................................ 141 5.13 Alocação de frequências ................................................................................................... 143 5.14 Classes de emissão ....................................................................................................... ... 144 A

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Capítulo 6 - O Radiorreceptor ..................................................................................................... 147 6.1 Introdução .......................................................................................................................... 147 6.2 Descrição dos estágios ....................................................................................................... 149 6.2.1 Estágio de RF .......................................................................................................... 149 6.3 Demodulador de produto no receptor de SSB .................................................................... 153 6.4 Propriedades do receptor super-heteródino ....................................................................... 155 6.5 O receptor de FM ................................................................................................................ 156 6.6 O receptor de televisão ................................................................................................... .... 160 Capítulo 7 - Linhas de Transmissão ........................................................................................... 167 7.1 Introdução ........................................................................................................................... 167 7.2 Circuito elétrico equivalente à linha de transmissão ........................................................... 168 7.3 Características elétricas ................................................................................................. ..... 169 7.4 Potências incidente e refletida, ondas estacionárias .......................................................... 171 7.5 Estudo de E, 1 e Z em função da terminação da linha ........................................................ 175 7.6 O transformador casador de impedâncias .......................................................................... 176 7. 7 Cabos irradiantes de RF ..................................................................................................... 178 Capítulo 8 - Antenas .................................................................................................................... 181 8.1 Recapitulação ..................................................................................................................... 181 8.2 Tipos de antena .................................................................................................................. 182 8.2.1 Antena de fio ............................................................................................................ 182 8.2.2 Antena de tubos metálicos ...................................................................................... 183 8.2.3 Antena vertical ......................................................................................................... 184 8.2.4 Antena de fitas metálicas ......................................................................................... 185 8.2.5 Antena de abertura .................................................................................................. 185 8.2.6 Antena microstrip ..................................................................................................... 185 8.2.7 Arranjo ou empilhamento de antenas ...................................................................... 186 8.3 Radiador isotrópico ............................................................................................................. 186 8.4 Diagramas de radiação ..................................................................................................... .. 186

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8.5 Antena dipolo .. •• •••••••••••••••••••••••••••••• •••••••••••••••••••••••••••••• ••••••••••••••••••••••••••••••• •••••••••••••••••••••••• 187 8.6 Antena vertical • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 189 8.7 Sintonia da antena • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 192 8.8 Regiões dos campos de uma antena • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • •193 8.9 Parâmetros das antenas ...................................................................................................... 194 8.9.1 Banda passante ........................................................................................................ 195 8.9.2 Polarização ............................................................................................................... 195 8.9.3 Radiação padrão • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 195 8.9.4 Impedância ...............................................................................................................196 8.9.5 Resistência da antena e potência irradiada .............................................................. 197 8.9.6 Diretividade ............................................................................................................... 198 8.9.7 Rendimento ou eficiência de radiação ......................................................................201 8.9.8 Rendimento ou eficiência do feixe ............................................................................201 8.9.9 Ganho ..... •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • .201 8.9.1 0 Abertura efetiva da antena • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • .201 8.9.11 Relação frente-costas .............................................................................................202 8.9.1 2 EIRP da transmissão ..............................................................................................202 8.1OAntenas com refletores •••••••••• •••••••••••••••••••••••••••••• •••••••••••••••••••••••••••••• ••••••••••••••••••••••••••••••• .202 8.10.1 Elemento passivo • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • .203 8.10.2 Refletor plano • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • .203 8.10.3 Refletor de canto • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • .204 8.10.4 Refletores curvos • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • .205 8.1O.5 Refletor parabólico ..................................................................................................205 8.11 Amostras de antenas diretivas ...........................................................................................207 8.11.1 Antena helicoidal com refletor •••••••••••••••••••••• ••••••••••••••••••••••••• ••••••••••••••••••••••••• ••••••• .207 8.11.2 Antena rômbica ........ • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • .208 8.11.3 Antena log-periódica ...............................................................................................208 8.11.4 Antena com refletor parabólico ...............................................................................209 8.12 Sistema de recepção com amplificador .............................................................................21O •

Capítulo 9 - Radiopropagação .....................................................................................................211 9.1 Introdução ............................................................................................................................211 9.2 A superfície da Terra •••••••••••••••••••••••• •••••••••••••••••••••••••••• ••••••••••••••••••••••••••• ••••••••••••••••••••••••••• .212 9.3 A atmosfera da Terra ......................................................................................................... ..214 9.4 Propagação de superfície: ondas terrestres ..................................................................... .. .215 9.4.1 Utilização da carta de condutividade do solo • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • .217 9.4.2 Trabalho de campo ...................................................................................................219 9.5 Propagação ionosférica • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • .220 9.5.1 Lei de Snell-Descartes ............................................................................................ ..220 9.6 Propagação troposférica .................................................................................................... ..224 9.6.1 Atenuação da onda pelos gases • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • .224 9.6.2 Atenuação da onda pela chuva • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • .225 9.6.3 Enlace em visibilidade ............................................................................................ ..226

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9.6.4 Planejamento do radioenlace .................................................................................. 227 9.6.5 Zonas de Fresnel ..................................................................................................... 229 9.6.6 Propagação em obstáculo gume de faca ................................................................ 232 9. 7 Potência do sinal recebido ................................................................................................ .. 234 9.7.1 Cálculos em dB ........................................................................................................ 235 9.7.2 Campo elétrico ......................................................................................................... 236 9.7.3 Tensão do sinal no receptor .................................................................................... 237 Capítulo 10 - Multiplexação de Canais ....................................................................................... 239 1O.1 1ntrod ução ......................................................................................................................... 239 1O.2 O espaço disponível às comunicações ............................................................................. 240 10.3 FDM - Multiplexação por Divisão de Frequência ................................................................. 240 10.4 Demultiplexação analógica ............................................................................................... 242 10.5 TOM - Multiplexação por Divisão de Tempo ..................................................................... 243 10.5.1 Demultiplexação digital .......................................................................................... 244 10.5.2 Adequação dos canais em banda passante .......................................................... 245 10.5.3 Sistema MUX digital com dois comutadores ......................................................... 245 10.6 Implementação do MUX.................................................................................................... 246 10.7 MUX digital via rádio ......................................................................................................... 248 Capítulo 11 - Sistemas de Comunicações Digitais ................................................................... 249 11 .1 1ntrod ução ....... .......................... ............................ ............................ ................................ 249 11 .2 Modem .............................................................................................................................. 249 11.2.1 ASK ........................................................................................................................ 250 11 .2.2 FSK ........................................................................................................................ 251 11.2.3 PSK ........................................................................................................................ 252 11.2.4 QAM ....................................................................................................................... 255 11 .3 Taxa de erro nas comunicações digitais ........................................................................... 258 11 .4 Corretor de erros ............................................................................................................... 260 11 .5 Conversão de S/N em Eb/N 0............................................................................................. 262 11 .6 Capacidade máxima do canal ........................................................................................... 263 11 .7 Enlaces digitais ................................................................................................................. 265 11 .7.1 Canal rádio digital com fonte analógica ................................................................. 265 11.7.2 Comunicações digitais via fio ................................................................................ 266 11 .7.3 Comunicações de dados via fio e via rádio ........................................................... 266 11.7.4 Comunicações de dados via fibra óptica ............................................................... 267 11 .8 CD e DVD laser ................................................................................................................ 268 11 .9 Fac-símile ......................................................................................................................... 270 Capítulo 12 - Equipamentos Rádio· Especificações e Manutenção ....................................... 273 12.1 Introdução ......................................................................................................................... 273 12.2 Itens apreciados no radioenlace ....................................................................................... 275

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12.3 Classificação dos equipamentos rádio ..............................................................................276 12.4 Principais itens técnicos a considerar ................................................................................277 12.4.1 Estabilidade do circuito oscilador ...........................................................................278 12.4.2 O interior do equipamento ......................................................................................279 12.5 Transceptor analógico típico ..............................................................................................280 12.6 Itens complementares ........................................................................................................281 12.6.1 Acessórios ..............................................................................................................281 12.6.2 Manuais ..................................................................................................................281 12.7 Manutenção .......................................................................................................................282 12.7.1 Escalões de manutenção .......................................................................................283 12.8 Instrumentos de laboratório e ferramental .........................................................................283 12.9 Suprimento de peças e componentes ...............................................................................284 12.1OGarantia ...........................................................................................................................285 12.11 Formação de pessoal e treinamento técnico ...................................................................285 12.12 De olho no futuro .............................................................................................................286 Anexo A- Principais Símbolos de Materiais Elétricos e Eletrônicos .......................................287 Anexo B - Fundamentos de Semicondutores ............................................................................288 8.1 Funcionamento do transistor ...............................................................................................290 Anexo C -Argumentos das Funções de Bessel ........................................................................294 Anexo D - O Código Morse Internacional ...................................................................................295 Anexo E - Códigos Fonéticos Internacional e Nacional· Código Q......................................... 297 Anexo F - Respostas dos Exercícios ..........................................................................................300 Bibliografia .....................................................................................................................................304 Glossário de Siglas .......................................................................................................................308 ,

lndice Remissivo ...........................................................................................................................313

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Prefácio Ao escrever Princípios de Telecomunicações, a pedido de alguns amigos professores e alunos, tive a intenção de preencher um espaço na literatura técnica brasileira com um livro básico de telecomunicações. As telecomunicações consideradas são aquelas desenvolvidas com sinais elétricos e eletromagnéticos mensuráveis. Pode ser útil como livro-texto ou para consulta dos alunos dos primeiros períodos da graduação de telecomunicações, de cursos técnicos, para radioamadores e para os estudiosos da matéria em geral. O objetivo principal é apresentar uma visão geral dos sistemas de telecomunicações, analógicos e digitais, bem como das técnicas eletrônicas tradicionais e atuais, aplicadas aos equipamentos. Com um enfoque moderno e explicativo, está estruturado em doze capítulos. Aborda informações teóricas, aliando-as a exemplos práticos, com ênfase nas comunicações rádio, com o emprego dos termos técnicos mais importantes, inclusive em inglês, citados entre parênteses, para facilitar consultas posteriores a dicionários e livros específicos no referido idioma. São apresentadas também figuras auxiliares e formulações matemáticas objetivas, visando à solução dos problemas típicos de telecomunicações, dentre outros, os cálculos das potências do sinal recebido e do ruído elétrico nos enlaces rádio, da taxa de transmissão de dados e da capacidade do canal. Foram reservadas ao último capítulo a classificação dos equipamentos rádio, a apresentação das principais especificações técnicas e sugestões sobre a manutenção. O livro ainda cita o Marechal Rondon, patrono das comunicações no Brasil, bem como o Ministério das Comunicações e a Lei Geral das Telecomunicações (LGT). Menciona a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), no que se refere à normatização técnica do Sistema Brasileiro de Televisão Digital (SBTVD), além do sistema de modulação na televisão digital, no tocante ao sistema FDM, com descrição da repetidora de transceptores acoplados. Introduz uma fórmula adaptada para agilizar o cálculo de R1, raio da 1ª zona de Fresnel, e os valores típicos de sensibilidade de receptores e do nível de ruído externo. Em atenção às solicitações de alguns alunos, o Anexo F traz o código Q, utilizado em conversações via rádio, o qual consta da relação de assuntos em editais de provas de concursos para técnicos e engenheiros de comunicações. A quinta edição revisada complementa e aperfeiçoa as explicações em diversos capítulos, em particular sobre o som 30 do sistema 5.1, com subwoofer, o mais comum de todos, aplicado a televisões digitais, bem como redefine e otimiza conceitos e formulações para agilizar cálculos de propagação da onda, e, ainda, adota inúmeras novas fotos, com melhor definição, de materiais, equipamentos e dispositivos mais atuais, notadamente de alguns tipos de antenas apresentados no Capítulo 8. Espero que as modificações introduzidas sejam úteis e oportunas. O moderno recurso da Internet permitiu a consulta a inúmeros sites técnicos. Foram citados alguns que podem ser consultados enquanto durarem as exposições das matérias mencionadas ou mesmo a existência do próprio site, independentemente da vontade do autor. Sou grato aos inúmeros autores de livros editados no passado, alguns deles, hoje, de difícil obtenção, que muito contribuíram para a minha formação, cujos conceitos e informações foram extremamente valiosos, e, também, de livros de publicações mais recentes, que atualizaram com novas e importantes informações. Para minha felicidade, possuo vários desses livros no meu acervo particular, os quais constam da bibliografia. Sinceramente, espero que este seja um livro de utilidade aos leitores, estudiosos da matéria. O autor

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Sobre o Autor Nascido na cidade do Rio de Janeiro, é militar da reserva e professor universitário. Iniciou sua vida técnica aos 15 anos de idade, estudando eletrônica em curso de radiotécnico por correspondência. Oficial da Arma de Comunicações do Exército Brasileiro, da turma de 1962 da Academia Militar das Agulhas Negras (AMAN), graduou-se em Engenharia de Comunicações em 1970, no Instituto Militar de Engenharia (IME), Rio de Janeiro, onde também fez o mestrado em Engenharia Elétrica, concluído em 1982. Em 1985, fez estágio de Comunicações por Satélite. Como engenheiro militar, trabalhou por vários anos em seções do Serviço Rádio do Ministério do Exército (SSRMEx), na Fábrica de Material de Comunicações (FMCE), filial número 4 da Indústria de Material Bélico do Brasil (lmbel) e no Serviço Cinefotográfico do Exército (SCEx). Em atividade profissional de destaque, foi o oficial responsável pelo planejamento, implementação e controle dos Sistemas de Comunicações das Operações de Segurança do Comando Militar do Leste (CML), na Eco-92, na cidade do Rio de Janeiro. No magistério, iniciado em 1971 , lecionou no curso de formação de técnicos da Embratel, em Belém, PA, e, em 1972, foi professor contratado da Universidade Federal do Pará, em Belém. Em 1975, durante cinco anos, foi professor de laboratório do curso profissionalizante de eletrônica do Colégio Objetivo de Brasília. De volta ao Rio de Janeiro em 1983, por mais de vinte anos lecionou em cursos de formação de tecnólogos de telecomunicações, do Instituto Politécnico, de graduação e de pós-graduação da Engenharia Elétrica da Universidade Estácio de Sá, onde continua como professor da graduação em engenharia. Por alguns períodos letivos, foi também professor contratado da graduação em Engenharia de Telecomunicações da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (Uerj).

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Conceitos Básicos em Telecomunicações

1

1.1 Resumo histórico Em 1875, Alexander Graham Bell (1847-1922) produziu o primeiro sistema telefônico com transmissão elétrica inteligível da voz, através de fio, invenção patenteada no ano seguinte. O fato motivou inúmeros estudiosos, cientistas e inventores a buscar um outro tipo: comunicações sem fio ou comunicações rádio, wireless, em inglês. Dentre eles destacaram-se: •

Marchese Guglielmo Marconi (1874-1937): engenheiro, físico e inventor italiano, iniciou uma série de experimentos bem-sucedidos com sinais telegráficos sem fio, na Itália e na Inglaterra. Em 1897, utilizando uma bateria, uma bobina de indução e duas esferas metálicas que atuavam como centelhadoes (faiscadores), ele fez demonstrações, chegando a enviar sinais a cerca de 20 quilômetros de distância. Marconi é considerado o inventor do rádio, e, em 1909, recebeu o prêmio Nobel de Física.

•

Aleksandr Stepanovich Popov (1859-1905): físico e engenheiro elétrico nascido na Rússia, trabalhou na recepção de sinais eletromagnéticos, independentemente de Marconi. Desenvolveu um sistema de comunicações rádio para navios russos, em 1898. Na Rússia, é considerado o inventor do rádio.

•

Heinrich Rudolph Hertz (1857-1894): físico e professor, nascido na Alemanha, ficou célebre ao provocar descargas elétricas e estudar as ondas eletromagnéticas, ondas de rádio ou ondas hertzianas, assim denominadas em sua homenagem. Suas descobertas foram essenciais para o desenvolvimento das comunicações sem fio.

•

Sir Oliver Lodge, em 1894, apresentou à sociedade real britânica um transmissor e um receptor de rádio, por ocasião de uma homenagem póstuma a Hertz.

•

No Brasil, o padre Roberto Landell de Moura, nascido em 27 de janeiro de 1861, gaúcho de Porto Alegre, um estudioso de física e química, projetou um transmissor de rádio e fez a primeira transmissão da voz através de ondas eletromagnéticas, na Av. Paulista, cidade de São Paulo, em 1893. Ouvida com clareza em um receptor instalado no alto de Santana, a uma distância de 8 quilômetros, a transmissão pública pode ser considerada a primeira do mundo, por ter ocorrido bem antes dos experimentos bem-sucedidos de Marconi.

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Precursor das comunicações rádio no Brasil, o padre Moura, devido às inúmeras dificuldades, não pôde patentear o seu importante invento. Faleceu aos 67 anos de idade, em 30 de julho de 1928, na mesma cidade onde nasceu. Outros importantes nomes da ciência, do rádio e da telegrafia deram continuidade aos estudos e às pesquisas que culminaram no espetacular desenvolvimento da eletrônica e das telecomunicações dos dias de hoje. A todos eles, o nosso reconhecimento e a nossa gratidão. Antes deles as comunicações eram feitas por mensageiros ou por algum dispositivo mecânico, óptico ou acústico, de alcance limitado. O patrono das comunicações do Brasil é o Marechal Cândido Mariano da Silva Rondon, sertanista e militar do Exército Brasileiro, nascido em 1865 na cidade de Mimoso, MT, e falecido em 1958. O Marechal Rondon se notabilizou pela construção das linhas telegráficas nos sertões de Mato Grosso, em 1892, pelo cuidado e respeito ao direito dos índios. Na data de seu nascimento, 5 de maio, se comemora o Dia das Comunicações.

1.2 Introdução As telecomunicações constituem o ramo da engenharia elétrica que trata do projeto, da implantação e da manutenção dos sistemas de comunicações e têm por objetivo principal atender à necessidade do ser inteligente de se comunicar a distância. É comum omitir-se o prefixo tele e usar apenas comunicações. Através dos sistemas de comunicações os assinantes, usuários ou correspondentes trocam informações, operando equipamentos terminais, elétricos ou eletrônicos, tecnicamente compatíveis com o sistema. As informações fluem pelos canais de comunicações como fio, rádio (espaço livre) ou fibra óptica, na forma de sinais elétricos ou eletromagnéticos. Em princípio, as informações, quando recebidas pelos respectivos destinatários, são interpretadas e geram respostas ou, pelo menos, a confirmação do recebimento. Por este motivo sempre é utilizado o termo telecomunicações no plural.

1.3 O engenheiro e o técnico da área elétrica O engenheiro de telecomunicações é o profissional, de formação universitária, encarregado do projeto, implantação e manutenção dos sistemas de comunicações. Dentre outras, cabem-lhe as seguintes tarefas: •

Planejar e dimensionar o sistema.

•

Levantar o custo do sistema.

•

Escolher os locais onde serão instalados os equipamentos.

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•

Escolher os equipamentos.

•

Ensaiar em laboratório amostras dos equipamentos escolhidos.

•

Prever as fontes de energia para alimentação dos equipamentos.

•

Especificar as obras civis necessárias à implementação do sistema.

•

Proceder à montagem das redes e dos equipamentos.

•

Colocar e manter o sistema em funcionamento.

•

Efetuar as medidas elétricas e eletromagnéticas necessárias à otimização do sistema.

•

Prever a ampliação do sistema.

•

Flexibilizar o sistema, integrando-o a outros existentes.

•

Planejar e executar a manutenção do sistema.

Os sistemas de comunicações de maior envergadura e complexidade são projetados e implementados por inúmeros engenheiros, de diferentes especialidades, tais como de eletricidade, construção civil, mecânico, geógrafo etc. O grupo pode contar também com a presença de arquitetos, administradores e outros profissionais, num verdadeiro trabalho de equipe. O engenheiro de telecomunicações também pode desenvolver atividades de fabricação de equipamentos. Outros ramos da engenharia elétrica:

•

Engenharia de eletricidade: cuida da geração da energia elétrica, transporte e distribuição nos locais de consumo, das fontes de alimentação em geral, dos motores e equipamentos de refrigeração (eletrotécnica), dos aterramentos de proteção das instalações e equipamentos.

•

Engenharia eletrônica: é encarregada do projeto, desenvolvimento, fabricação e manutenção de equipamentos, dispositivos e componentes elétricos e eletrônicos.

•

Engenharia da computação: encarrega-se do projeto e implantação das redes de dados, gerência de equipamentos eletroeletrônicos, dos sistemas automatizados, dos bancos de dados e desenvolvimento de aplicativos nas áreas gráficas e de serviços.

Da integração das engenharias mecânica, eletrônica e da computação surge a mecatrônica, também conhecida como engenharia de controle e automação. É definida como "a integração sinergética da engenharia mecânica com eletrônica e controle inteligente por computador no projeto e manufatura de produtos e processos". Trata do projeto, gerenciamento e da automação dos processos de produção da indústria moderna. A robótica é um ramo da mecatrônica.

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Profissionais dos ramos da engenharia elétrica podem, na fotônica, desenvolver atividades relacionadas a fibras ópticas e transdutores e sensores ópticos. A fotônica é a ciência do controle, manipulação, transferência e armazenamento de informações mediante a utilização de fótons. Dando continuidade aos estudos científicos, além dos cursos de especialização, seguem-se à graduação os cursos de mestrado, doutorado e pós-doutorado.

O técnico da área elétrica O técnico é o braço direito do engenheiro. Quase sempre a sua formação é mais específica e voltada para uma área de interesse, sendo algumas delas: redes (fios e fibras ópticas para dados e telefonia), transmissão (antenas e equipamentos rádio), comutação (centrais telefônicas), eletrotécnica (transformadores, motores elétricos, equipamentos de refrigeração e outros) e eletrônica (circuitos eletrônicos e equipamentos). O técnico pode atuar como auxiliar em projetos, na manutenção e nas instalações de equipamentos do sistema, nos trabalhos desenvolvidos em fábricas, laboratórios ou, externamente, em trabalhos de campo.

1.4 Organismos de telecomunicações 1.4.1 Organismos internacionais União Internacional de Telecomunicações (ITU) A União Internacional de Telecomunicações, com sede em Genebra, Suíça, é uma organização internacional que congrega governos e setores privados num Sistema Unido de Nações para coordenar as comunicações globais em redes e serviços. Subdivide-se em três setores de atuação:

•

ITU • R: comunicações rádio e registro de frequências (ref. CCIR).

•

ITU • T: padronização das telecomunicações em telefonia, telegrafia e dados (ref. CCITT).

•

ITU • D: desenvolvimento das telecomunicações.

No sentido do desenvolvimento da ciência e da tecnologia, a ITU sugere as doutrinas de telecomunicações, visando racionalizar o uso dos meios, publica documentos e promove encontros com engenheiros, e representantes do governo, de organizações e de indústrias do setor.

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European Broadcasting Union (EBU) • Union Européenne de Radio-Telévision Com sede em Genebra, Suíça, é uma confederação que realiza pesquisas e desenvolve mídias, ajuda em projetos de novos rádios e sistemas de TV, como o Sistema Rádio de Dados (RDS), a radiodifusão digital em áudio e vídeo (DVB) e TV de alta definição (HDTV), além de promover padrões técnicos e fazer o trabalho de aconselhamento aos seus associados.

1.4.2 Organismos nacionais Ministério das Comunicações Órgão do poder Executivo Federal com sede em Brasília, DF, encarregado da elaboração e do cumprimento das políticas públicas do setor de comunicações. Foi criado pelo Decreto-lei nº 236-1967, de 28 de fevereiro de 1967, do presidente Humberto de Alencar Castelo Branco.

Agência Nacional de Telecomunicações (Anatei) Agência reguladora, com sede em Brasília, DF, vinculada ao Ministério das Comunica, ções, mas sem subordinação hierárquica a nenhum órgão do governo. E uma autarquia especial, administrativamente independente e financeiramente autônoma, que herdou do Ministério das Comunicações os poderes de outorga, regulamentação e fiscalização das telecomunicações no Brasil.

Associação Brasileira de Emissoras de Rádio e Televisão (Abert) Com sede em Brasília, DF, a Abert, é uma associação prestadora de serviços, informação e assessoramento ao governo, além de trabalhar em prol dos interesses de seus associados na área de radiodifusão, aos quais presta assessoria nas áreas jurídica, parlamentar e técnica.

Sociedade Brasileira de Engenharia de Televisão (SET) É uma associação técnico-científica de profissionais e empresas, sem fins lucrativos, que atua nas áreas de engenharia e afins, nos campos de televisão, telecomunicações, rádio e multimídia. Atua como órgão de difusão, expansão, estudo e aperfeiçoamento dos conhecimentos técnicos, operacionais e científicos. As telecomunicações brasileiras são regidas pela Lei nº 9.472, de 16 de julho de 1997, Lei Geral de Telecomunicações (LGT), que dispõe sobre a organização dos serviços de telecomunicações, a criação e o funcionamento de um órgão regulador (Anatei) e outros aspectos institucionais.

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1.5 Fiscalização e reconhecimento da profissão Conselho Federal de Engenharia, Arquitetura e Agronomia (Confea) Os conselhos são autarquias federais criadas, basicamente, para fiscalizar o exercício profissional. O Conselho Federal de Engenharia e Agronomia (Confea) foi instituído em 11 de dezembro de 1933, pelo Decreto Federal nº 23.569, com plena autonomia para criar conselhos regionais. O Confea é a instância máxima do sistema e reúne todos os Conselhos Regionais. Regulamenta as leis profissionais através de resoluções e define a forma de funcionamento dos Creas, órgãos regionais. Em particular, com sede na cidade do Rio de Janeiro, o Crea/RJ - Conselho Regional de Engenharia e Agronomia, 5ª Região, tem jurisdição sobre todo o Estado do Rio de Janeiro. O profissional da área, de grau superior ou médio, diplomado para o exercício legal da profissão, deve estar registrado no Crea.

1.6 Conceituações Informações são mensagens de diversos tipos produzidas pelo cérebro do homem ou por dispositivo (device) por ele inventado e construído. Como se originam do cérebro do homem, as informações são consideradas mensagens inteligentes e, em princípio, possuem um conteúdo significativo. Sistemas de telecomando, via fio, luz, rádio, som ou ultrassom, também operam com informações passadas pelo aparelho transmissor por controle remoto, e o destinatário final, no lado receptor, pode ser um dispositivo eletromecânico ou eletrônico, que comanda a ação desejada. Equipamentos e aparelhos usados nos modernos sistemas de comunicações são montados com diversos tipos de materiais, em particular componentes elétricos e eletrônicos. São componentes elétricos: o resistor (R), cuja unidade de medida é o ohm [Q], o indutor {L), medido em henry [H], e o capacitor (C), medido em farad [F]. São classificados como passivos por dissiparem parte da energia elétrica aplicada ao circuito. Valores práticos de indutância e capacitância são muito pequenos comparados à unidade, por isso utilizam prefixos de submúltiplos como mili-henrys e microfarads. Fios, cabos, tomadas, interruptores, disjuntores etc. são classificados como materiais elétricos. São notoriamente conhecidos por componentes eletrônicos dispositivos semicondutores como o diodo, o transistor, o circuito integrado (CI), a válvula termoiônica, por vezes encontrada em estágios amplificadores de potência, e, por extensão, os componentes elétricos

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dimensionados para trabalhar em circuitos eletrônicos. Um tipo remanescente de válvula é o cinescópio da televisão, vulgarmente conhecido por tubo de imagem. O CI é um microchip que integra, em larga escala (LSI - /arge-sca/e integration) ou em muito larga escala (VLSI - very /arge-sca/e integration), inúmeros componentes discretos, como diodos, transistores e resistores, para realizar uma ou mais funções eletrônicas definidas. Transistores, Cls e as válvulas são componentes ativos, recebem energia de uma fonte de tensão contínua para, basicamente, amplificar, chavear e gerar sinais elétricos. Os diodos podem ser retificadores, reguladores de tensão como os Zeners, ópticos como o Led (diodo emissor de luz) e de outros tipos. Sinais elétricos da informação são tensões elétricas variantes no tempo, obtidas da conversão da mensagem inteligente em eletricidade: SIGINT. Os sinais elétricos da informação são de dois tipos, analógicos e digitais, estudados no Capítulo 2. Sinais analógicos são tensões elétricas naturalmente variáveis obtidas de dispositivos transdutores. Por exemplo: os sinais elétricos da voz e da música são obtidos dos terminais de um microfone, enquanto os sinais da imagem são obtidos de um dispositivo fotossensível. Sinais digitais são pulsos elétricos binários ou bits, na forma de 1 e Oque têm ou não tensão, respectivamente, gerados por dispositivos da eletrônica digital, por exemplo: em geradores de caracteres alfanuméricos, computadores, conversores do sinal analógico em digital (A/D) e outros. O bit é a unidade fundamental da informação digital. O termo bit é o resultado da contração de mnary digit, dígito binário. Dados são sequências de bits (bit stream) que constituem a informação digital. Os sinais elétricos da informação podem ser convertidos de analógicos em digitais e de digitais em analógicos por dispositivos conversores A/D e D/A, respectivamente. Basicamente, as fontes de informações geram voz, música, imagem e dados.

1.7 Fundamentos de sistemas de comunicações Entende-se por sistema de comunicações o conjunto de equipamentos e materiais, elétricos e eletrônicos, necessários para compor um esquema físico, perfeitamente definido, com o objetivo de estabelecer enlaces de comunicações (links) entre pelo menos dois pontos distantes. São exemplos de equipamentos e materiais empregados: centrais telefônicas, transmissores e receptores de rádio, antenas, fios, cabos e isoladores. Para explorar o sistema, além de possuir um equipamento terminal tecnicamente compatível, o usuário precisa saber operá-lo corretamente e conhecer as regras de funcionamento, sem o que pode fracassar. Os meios de comunicações modernos são bastante sofisticados, e, devido à complexidade técnica, não são bem entendidos por muitos dos usuários.

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O estudo inicial de um sistema costuma ser feito na forma de diagrama em blocos, para exibir as partes que o constituem e facilitar a compreensão do funcionamento global. Um sistema elementar de comunicações analógicas pode ser representado em diagrama em blocos, conforme a Figura 1.1. Fon te de informação

1

.. Transd utor

Canal de

.. Transmiss or ..

.

.

Receptor

.. Transdutor

.. Destinatàrio

comunicações

3

2

5

4

6

7

Figura 1.1 - Diagrama em blocos de um sistema de comunicações analógico.

Um simples exemplo, que corresponde ao diagrama em blocos da Figura 1.1, é o de duas pessoas que se comunicam por telefone, uma no ponto A e a outra em B, conforme a Figura 1.2.

A 1

2

'B 3

4

5

6

7

Figura 1.2 - Uma conversação telefônica elementar.

As partes integrantes do sistema, com transmissão em A e recepção em B, podem ser assim descritas: a)

A fonte de informação, geradora da mensagem, é a pessoa que fala ao telefone em A.

b)

O transdutor, por definição, é todo dispositivo que transforma uma forma de energia em outra. Na transmissão da voz, o transdutor é o microfone, que converte as vibrações mecânicas da voz em sinais elétricos, na forma analógica.

c)

O transmissor é a parte do circuito interno do telefone encarregada de fornecer a potência necessária ao sinal elétrico para percorrer o canal de comunicações e chegar ao receptor.

d)

O canal de comunicações é o meio físico entre o transmissor e o receptor, por onde transitam os sinais elétricos da informação. Nesse caso, o canal de comunicações é uma linha telefônica, um par de fios condutores de eletricidade.

e)

O receptor é a parte do circuito interno do telefone que recebe os sinais elétricos da voz e os direciona ao transdutor da recepção.

f)

O transdutor da recepção é a cápsula receptora, do combinado telefônico, que converte os sinais elétricos em vibrações mecânicas, reproduzindo, assim, a voz.

g)

O destinatário é a quem a mensagem se destina. No exemplo, é a pessoa situada em B.

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1.8 Exemplos de sistemas de comunicações 1.8.1 Sistema de telefonia de rede fixa comutada Nesse sistema, os equipamentos terminais da ponta da linha são os telefones dos assinantes, e o equipamento de comutação, responsável pelos enlaces, é uma central telefônica. Os telefones são ligados à central por fios e cabos telefônicos, que constituem a rede fixa do sistema. As modernas centrais telefônicas são do tipo CPA (Central de Programa Armazenado), um equipamento de comutação da eletrônica digital, dotado de microprocessadores - µP, que comandam e controlam as operações da central. O µP é a CPU (Unidade Central de Processamento) do computador, um circuito integrado do tipo VLSI. A CPA disponibiliza inúmeros serviços, tais como conferência telefônica, siga-me, chamada em espera, chamada programada, identificação da chamada (bina), conferência telefônica etc. Uma central telefônica pode ser pública ou privada. A central pública serve determinada área ou bairro de uma cidade (central urbana) com os ramais dos assinantes. Quase sempre está ligada a outras centrais, por circuitos troncos, por meio de fio , fibra óptica ou rádio, para dar maior flexibilidade ao sistema e permitir enlaces com assinantes de centrais de outros bairros, outras cidades (ligações DDD), outros países (ligações DDI) e outros sistemas, por exemplo, da telefonia móvel celular.

Conforme a denominação, a central privada é particular, de uma empresa, escritório ou residência. Pode ser um PBX (Private Branch Exchange), uma central de operação manual com comutação por cordões com pegas (plugues) nas extremidades, praticamente em desuso; um PAX (Private Automatic Exchange), que opera apenas com ramais (linhas para telefones internos), ou um PABX (Private Automatic Branch Exchange), dotado de ramais e de circuitos troncos para conexão com a central urbana de empresa concessionária. Os ramais podem ser programados para operar como: •

Restrito: só atende as ligações de outros ramais.

•

Semirrestrito: pode receber ligações externas, chamar e receber ramais.

•

Irrestrito ou privilegiado: uso normal, sem restrições, para ligações externas e ramais.

Uma CPA costuma ser um equipamento modular e expansível, ao permitir o aumento do número de ramais e de circuitos troncos pelo acréscimo de módulos.

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Os sinais elétricos das comunicações entre os telefones convencionais e a central telefônica ainda são analógicos. Quando o sistema é digital, por exemplo, em ISDN (lntegrated Services Digital Network), o aparelho telefônico é específico. Os circuitos telefônicos da rede fixa permitem a utilização do fac-símile (fax), que, mesmo com baixa qualidade de reprodução, ainda é usado, talvez pela simplicidade no manuseio do aparelho; do videofone, um tipo de telefone dotado de uma pequena tela de vídeo e uma câmera, pouco conhecido e praticamente ausente dos sistemas; e do sistema de videoconferência. O sistema de videoconferência realiza comunicações em vídeo e áudio entre pessoas ou grupo de pessoas situadas em diferentes locais, via Internet ou em rede de computadores, mediante emprego de equipamentos terminais específicos, webcams e microfones. Uma extensão da técnica na área de vigilância é o monitoramento remoto de locais através de câmeras de vídeo. Redes públicas e privadas de empresas (redes corporativas) suportam comunicações em voz via Internet, mediante o roteamento da conversação baseado no IP, Protocolo de Internet, em sistema denominado VolP, voz sobre IP ou telefonia IP. Usuários da Internet podem usufruir da tecnologia Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL), ou Linha Digital Assimétrica para Assinante, que permite a transferência de dados, em velocidade, sobre linhas telefônicas do sistema de rede fixa, sem prejuízo das conversações telefônicas. Linha Linha ..____ _----1

Linha

Central telefônica t -__... A

Circuitos troncos

(para outras centrais)

"n" telefones (ramais de assinant,es)

Figura 1.3 - Diagrama das ligações de um sistema de telefonia de rede fixa.

1.8.2 Sistema de comunicações por fibras ópticas A fibra óptica é um elemento monofilar condutor de luz, feito de material com estrutura cristalina. Um sistema de comunicações por fibra óptica é dotado de inúmeros dispositivos ópticos, sensores e amplificadores. Cada elemento de fibra empregado encaminha a luz num sentido. Um par de fibras ópticas forma um circuito de comunicações (um canal de transmissão e um de recepção). As informações percorrem a fibra na forma de sinal luminoso. Um estreito feixe de luz gerado por um laser ou por um Led (diodo emissor de luz) é modulado por sinais elétricos e se propaga no canal através de reflexões sucessivas no interior da fibra.

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O sistema é seguro, imune a campos eletromagnéticos externos, não irradia e opera com elevada taxa de transmissão de dados, da ordem de 1OMbits/s. Hoje, as redes de fibras ópticas estão presentes nos principais sistemas de comunicações digitais que interligam bairros, cidades e estados. Cabos submarinos com fibras ópticas interligam continentes, conforme ilustração na Figura 1.4.

Figura 1.4 - Mapa-múndi com as redes em fibra óptica da Tata Communications. Fonte: http://www.tatacommunications.com.

1.8.3 Sistema de telefonia móvel celular É um sistema de comunicações sem fio, wireless, constituído de rádios móveis, terminais dos usuários, conhecidos por telefones celulares, e ERBs, estações rádio base, fixas. Através da ERB, um radiomóvel se liga com outro radiomóvel, A fala com B, conforme a Figura 1.5, ou com qualquer telefone da rede fixa por uma central telefônica à qual a ERB está ligada. O sistema permite comunicações por voz, vídeo, mensagens alfanuméricas, foto tirada de telefone dotado de câmera fotográfica e acesso à Internet. Uma ERB cobre determinada área ou célula do sistema. As ERBs não cobrem necessariamente superfícies com áreas iguais nem de mesmos formatos. Áreas urbanas e suburbanas são cobertas por diversas ERBs. O sistema pode ser estendido a outras áreas de interesse, com instalações de maior número de ERBs, por exemplo, ao longo de rodovias, áreas rurais etc. A Central de Comutação e Controle (CCC) é o cérebro do sistema, realiza a comutação das ligações e controla todas as ERBs do sistema.

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A mobilidade do usuário é garantida pelo enlace contínuo de seu aparelho com a ERB da célula em que se encontra. Saindo de uma célula e penetrando em outra, o serviço é transferido de uma ERB para a outra (handoff). A capacidade da célula é limitada e determinada pelo número de canais de rádio disponíveis na ERB. A ERB é dotada de transmissores, receptores e antenas. As antenas podem ser vistas no alto de torres ou mastros nas áreas de serviço. A Figura 1.6 apresenta a foto de uma torre de ERB com antenas. As frequências utilizadas são reusadas, num planejamento cuidadoso para não haver interferências entre ERBs. As frequências alocadas estão agrupadas em bandas, e a faixa inicial alocada ao serviço vai de 800 a 890 MHz. Um sistema analógico, o AMPS, evoluiu para o digital em diferentes tecnologias, como TOMA, GSM, COMA e W-COMA. O telefone celular do assinante, ou terminal móvel, nada mais é que um radiotransceptor portátil, com as características de baixa potência de emissão e elevada sensibilidade de recepção. Transceptor é o equipamento montado com o transmissor e o receptor juntos, ocupando o mesmo volume. Mesmo quando não está sendo usado, o telefone envia sinais à ERB para informar sua presença na célula.

•

B J2 E o ~

Telefone celular A

( rad iomóv,el)

Telefone celular B

(radíomóvel)

Figura 1.5 - Células com ERBs do sistema de telefonia móvel celular.

Figura 1.6 - Torre de ERB com antenas.

1.8.4 Sistema de telefonia fixa celular Trata-se de um sistema rádio, semelhante à telefonia móvel celular, com terminais sem fio, porém de uso restrito a uma área específica. É implantado onde não é viável uma rede fixa, com cabos e fios, ou como um sistema alternativo de telefonia local.

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Por força de regulamentação, a empresa concessionária do sistema não pode disponibilizar o acesso do usuário a outras ERBs, para que o sistema não se transforme na categoria de móvel celular.

1.8.5 Sistema rádio em HF (high-frequency) I

E um sistema rádio monocanal, usado para alcançar longas distâncias, geralmente superiores a 100 quilômetros, na faixa de HF, de 3 a 30 MHz, sem o emprego de estações repetidoras. Com estas características operam sistemas militares, navegação aérea e marítima e radioamadores, em telegrafia manual (CW), em AM/DSB ou SSB (assunto tratado no Capítulo 5), voz ou dados. O espectro mencionado também é ocupado por sistemas de radiodifusão em AM, ondas curtas, com sinais analógicos de voz e música, com o áudio limitado à frequência de 5 kHz. As larguras das bandas ocupadas na transmissão são relativamente estreitas, da ordem de 3 kHz para as transmissões em SSB e de 1OkHz para as de radiodifusão, valores compatíveis com as frequências relativamente baixas alocadas para esses tipos de serviço. O CW é pontual, se faz presente na frequência de operação e ocupa um canal estreito da ordem de 50 Hz. As potências irradiadas vão desde poucos watts e alcançam valores da ordem de quilowatts. As antenas mais usadas são a vertical (onidirecional), dipolo meia onda e as diretivas como a rômbica e a log-periódica (consultar Capítulo 8 -Antenas). A irradiação principal é direcionada para o alto, à região externa da Terra denominada ionosfera, ionizada, distante cerca de 80 quilômetros da superfície terrestre, que atua como camada refletora para a onda de rádio. Em função do ângulo de incidência, a onda retorna à Terra fazendo um salto, mostrado na Figura 1.7. A onda direcionada ao espaço que sofre reflexão na ionosfera e retorna à Terra é denominada onda ionosférica. Ao retornar à Terra, pode também refletir na superfície terrestre e voltar novamente à ionosfera. Assim, podem ocorrer diversas reflexões sucessivas ou diversos saltos. A Figura 1.7 também mostra dois saltos realizados pela onda. Ionosfera

~

Dois saltos

-··

Superfície da Terra

...

-

Antena

Antena transmissora

receptora

Figura 1.7 - Ondas ionosféricas: enlace a um salto e a dois saltos.

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A onda ionosférica, quando recebida, sempre está acompanhada de forte ruído elétrico. O ruído é reproduzido em áudio como chiado e também cliques resultantes de descargas elétricas que ocorrem permanentemente na atmosfera terrestre. As regiões da Terra em que as ondas não incidem e, portanto, não há recepção são denominadas áreas de silêncio rádio ou áreas de sombra.

1.8.6 Sistema rádio em visibilidade É um sistema rádio, na faixa de micro-ondas, que transporta a informação a longas distâncias com repetições sucessivas do sinal. Para isso são usadas estações radiorrepetidoras e antenas instaladas no alto de torres, distantes, em média, 50 quilômetros uma da outra, para vencer a curvatura da Terra. Do alto da torre, um observador posicionado no lugar da antena "vê" a outra antena à sua frente, por isso o nome enlace rádio em visibilidade ou micro-ondas em visibilidade.

50 km em média

Figura 1.8 - Enlaces rádio em visibilidade.

Quase sempre os sistemas em visibilidade transportam uma grande quantidade de informações em canais multiplexados (ver Capítulo 10) numa única onda portadora. Sistemas de baixa capacidade em canais podem operar em frequências mais baixas, por exemplo em UHF. Modernamente, enlaces entre pontos distantes em até 2 quilômetros sem obstruções no percurso podem ser feitos em visibilidade com equipamento transceptor a laser. São consideradas obstruções no percurso as elevações naturais do terreno, as edificações e as florestas que, na trajetória da onda, dificultam ou impedem a sua propagação.

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1.8.7 Sistema de comunicações por tropodifusão É um sistema rádio, na faixa de 900 MHz a 2 GHz, usado para efetuar o enlace entre dois pontos distantes de 100 até cerca de 400 quilômetros, valendo-se da reflexão das ondas no alto da troposfera. Uma única onda portadora transporta informações em canais de voz e dados multiplexados da ordem de 100 a 300 canais. Uma explicação para o fenômeno da tropodifusão ou espalhamento troposférico refere-se à parte alta da troposfera, região compreendida entre a superfície da Terra e a tropopausa, cerca de 1O quilômetros de altura, onde existem elétrons em constante agitação, formando uma região de permanente turbilhonamento, volume comum na Figura 1.9, capaz de refletir uma pequena fração da energia incidente, irradiada por uma antena transmissora terrena, em frequência da faixa mencionada. Troposfera

Volume comum

De 100, a 400 km 8

A

Figura 1.9 - Diagrama de um sistema de tropodifusão.

É um sistema pouco usado em comparação com os demais, mas é eficiente em regiões tecnicamente inviáveis ao emprego de outros tipos de sistemas terrestres, por exemplo, a Região Amazônica (densa floresta, grandes volumes de água e grandes distâncias entre as cidades). As emissões são feitas com potências que variam de 50 W a 50 kW. As antenas usadas são de grande porte e bastante pesadas, podendo chegar a pesar 2 toneladas. Ao contrário do sistema em visibilidade, uma antena não vê a outra, e por esta razão as comunicações troposféricas são conhecidas também por comunicações trans-horizontes.

1.8.8 Sistema de comunicações por satélite Lançado por foguete ou liberado de um veículo espacial, o satélite artificial de comunicações é colocado em órbita da Terra para receber as ondas de rádio emitidas de transmissores terrenos e enviá-las de volta à Terra, em outra frequência. Desta forma, o satélite de comunicações nada mais é que uma estação radiorrepetidora (radio-relay) posicionada no espaço, para iluminar, com ondas de rádio, uma calota terrestre de extensão considerável.

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O emprego do sistema satélite é recomendável em países ou regiões com vasta extensão territorial, como meio alternativo de comunicações. O acesso ao satélite é múltiplo. De qualquer ponto da área de cobertura do satélite podem ser estabelecidos enlaces via satélite entre estações terrenas. Sendo o percurso satélite-Terra livre de obstruções, as transmissões podem ser feitas, relativamente, com pouca potência. Geralmente as antenas são montadas sobre refletores parabólicos, para assegurar a diretividade e o elevado ganho da antena. Os diâmetros dos refletores costumam variar de 60 cm, para recepção de sinais digitais de televisão, por exemplo, até 30 m, aplicado em modelo encontrado nos principais centros de comunicações de sistemas satélites.

Satélite

Antenas de

estações terrenas

A

B

Figura 1.1 O- Diagrama básico de um sistema de comunicações por satélite.

O transponder é a unidade rádio do satélite, que recebe o sinal captado pela antena, converte a frequência, amplifica em potência e devolve à antena. Um satélite costuma ter vários transponders. A potência de transmissão do satélite é da ordem de 1Owatts, e das estações terrestres, bem mais. Os satélites estão posicionados, no espaço, em três tipos diferentes de órbitas: •

Órbita baixa (Leo • /ow earth orbit), distante da Terra de 150 a aproximadamente 1500 quilômetros. Satélites em Leo levam cerca de 100 minutos para dar uma volta completa em torno da Terra. Nesse espaço orbitam, por exemplo, satélites de sistemas de telefonia móvel. Um sistema de telefonia móvel opera com mais de 60 satélites distribuídos em diferentes planos de órbitas.

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•

Órbita média (Meo • medium earth orbit), distante da Terra de 20.000 a 27.000 quilômetros. Nesta situação os satélites levam de 5 a 12 horas para percorrer a órbita. Em Meo são encontrados, por exemplo, satélites do sistema GPS (sistema de posicionamento global).

•

Órbita geossíncrona {Geo) ou cinturão de Clarke (em homenagem a Arthur C. Clarke), no plano do equador terrestre, a 36.000 quilômetros de distância da Terra. Em Geo o satélite permanece parado no espaço, sobre um ponto fixo da Terra, acompanhando-a em seu movimento de rotação. Por este motivo o satélite é denominado geoestacionário ou geossíncrono.

Em Geo encontram-se os satélites domésticos de comunicações de diversos países, inclusive do Brasil. Um satélite de comunicações geoestacionário típico possui 24 transponders e mais 6 de reserva, totalizando 30 transponders. Cada transponder tem largura de banda B (BW) de 36 MHz, permitindo a operação com até 900 canais analógicos de voz ou um canal analógico de televisão. Em comunicações digitais, a taxa de transmissão depende da largura de banda do canal ocupado e da modulação usada. Em particular, no Brasilsat, existe um transponder a mais, na banda X, com B de 40 MHz, com destinação militar. As frequências de operação são de 6 GHz para transmissão terrena ao satélite e 4 GHz do satélite para a Terra. A referência usual das frequências é escrita na forma 4/6 GHz (desce na menor frequência e sobe na maior). Outras faixas de frequências disponíveis são 7/8, 10/12, 12/14, 14/18, 20/27 GHz. O tempo de vida útil de um satélite varia de 8 a 1Oanos para os antigos e cerca de 15 anos para os de tecnologia mais recente, em função de alguns fatores como a duração da bateria e o funcionamento dos transponders, entre outros. Um sistema satélite doméstico geralmente opera com o mínimo de dois satélites. A enorme quantidade de satélites lançados, em operação ou já inativos, constitui um sério problema. Desde o Sputnik, da então União Soviética, o primeiro satélite a entrar em órbita, em 1957, até os dias de hoje, já houve mais de 27.000 lançamentos de satélites e espaçonaves. O destino final desses objetos espaciais, alguns pesando toneladas, é o retorno à Terra para os de baixa altitude, que incandescem na reentrada da atmosfera, se fragmentam e caem, enquanto para os de órbitas mais elevadas é ficar à deriva e ingressar no time do "ferro-velho espacial".

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1.8.9 A Internet A famosa rede mundial de computadores www • World Wide Web, Internet, funciona como um amplo e complexo sistema internacional de comunicações digitais. Uma rede deve ser entendida como a infraestrutura do sistema de comunicações. O equipamento terminal é o computador pessoal - PC (Personal Computer) e o acesso à rede é feito através de um provedor ao qual o PC se liga por fio (linha telefônica ou cabo coaxial), fibra óptica ou rádio, de diversos sistemas, inclusive satélite. Além de mensagens de texto e fotografia, o sistema aceita sinais de áudio e vídeo, captados de microfone e câmera e digitalizados no PC. O vídeo fica restrito às cenas de pouco movimento devido à largura de banda do canal utilizado, bem menor que a necessária. A taxa de transmissão, expressa em bits/s, depende do tipo de canal em uso ou do sistema aplicado na linha telefônica (discado, inteligente ou outro).

1.8.1 OSistema de ondas portadoras sobre linhas de potência Nesse sistema as comunicações se desenvolvem com ondas de rádio moduladas por canais de voz ou dados e aplicada em cabos da rede elétrica de alta-tensão. Além de condutores de eletricidade, os cabos são usados como meio de condução das ondas de rádio, na faixa de 24 a 500 kHz. A energia de RF gerada pelo transmissor é aplicada ao cabo da rede através de um capacitar especial de alta-tensão de isolamento.

É um sistema diferente dos demais, de uso restrito e limitado. É utilizado nas comunicações entre o pessoal da usina geradora e as subestações e com sinais gerados por dispositivos de proteção e medição instalados ao longo das linhas. Em escala menor, com aplicações domésticas e em escritórios, um sistema de ondas portadoras sobre os fios da rede elétrica, de 127 ou 220 volts, serve para as comunicações com sinais de voz ou música ambiente. Em outros pontos servidos pela mesma rede, dispositivos receptores captam e reproduzem as informações. Outro modo de utilização é um sistema de intercomunicadores. O serviço da portadora modulada na rede elétrica recebe a denominação, em inglês, de powerline carrier.

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1.8.11 Sistemas de radiodifusão (broadcasting) São sistemas de transmissão de rádio em AM, FM e televisão, destinados às comunicações com o público, por voz, música e imagem. Geralmente o estúdio da emissora fica sediado em centro urbano, de onde partem os sinais da informação, por fio, rádio ou fibra óptica, com destino ao local onde se situa o radiador (transmissor e antena transmissora) ou mesmo para o sistema satélite, visando as retransmissões para outros locais e cidades.

A radiodifusão em AM ocorre na faixa de 535 a 1605 kHz, com potências a partir de 100 watts. A onda é modulada em amplitude por sinais de áudio limitados a 5 kHz, o que torna a programação propícia à voz e menos indicada à música. Nessa faixa de frequências, a antena transmissora é vertical do tipo torre e a onda irradiada propaga-se predominantemente sobre a superfície da Terra, recebendo o nome de onda terrestre. Por razões de segurança, é comum o radiador situar-se fora do perímetro urbano. Nesta situação, uma opção para o enlace da central com o radiador segue o esquema da Figura 1.11.

Radio enlace

Transmissor do, radioenlace---::.r-, Receptor do radioenlaoe Antena

Transmissor

iEstúdio Centro urbano

Terreno afastado do centro urbano

Figura 1.11 - Esquema da transmissão de radiodifusão AM.

O alcance da transmissão com antena vertical depende basicamente da potência irradiada e da condutividade do solo da região.

A radiodifusão em FM ocorre na faixa de 88 a 108 MHz, em geral, nos grandes centros urbanos, com potências da ordem de 15 kW e o alcance limitado à linha do horizonte em virtude da curvatura da Terra. Como a faixa em MHz é bem mais alta que os kHz do rádio AM, a ocupação do espectro pode ser maior e a modulação com sinais de áudio é de até 15 kHz. As transmissões podem ser feitas em "mono" ou em "estéreo" (dois canais de áudio) e são superiores em qualidade de reprodução ao sinal AM, sendo assim mais indicadas para a música. A radiodifusão de televisão PAL-M, padrão adotado pelo Brasil no passado, recebeu o prazo de oito anos para o encerramento das emissões no sistema analógico, a contar da entrada do Sistema Brasileiro de TV Digital (SBTVD), em operação desde dezembro de 2007, inicialmente na cidade de São Paulo. O SBTVD, além de ter qualidade superior em som e Conceitos Básicos em Telecomunicações Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

31

imagem em alta definição com novo formato 16:9, conta com recursos que possibilitam ao usuário navegar nas múltiplas programações multimídia disponíveis e as funções de interatividade gerenciadas pela midd/eware Ginga. Quanto às antenas transmissoras de FM e de TV, são fixadas em torres, em locais altos ou elevações naturais do terreno, para maior alcance das transmissões. Retransmissões para outras localidades costumam ser feitas via satélite.

1.9 Classificação dos sistemas 1)

2)

3)

Quanto ao fim a que se destina, um sistema de comunicações pode ser:

•

Comercial: é o sistema administrado por empresa, geralmente privada, que cobra pelos serviços prestados em telecomunicações.

•

Governamental: o sistema pertence a determinado órgão do governo, por exemplo, forças armadas (sistemas militares), polícias etc.

•

Privado: de caráter particular, que atende aos interesses da pessoa, grupo de pessoas ou empresa, por exemplo, sistema de comunicações radiotáxi.

•

Amador: sistema de comunicações rádio desenvolvido pelos radioamadores, para atividades de lazer e utilidade pública, sem fins lucrativos.

•

Experimental: um sistema montado em caráter experimental, por exemplo, um sistema de televisão digital, para fins de testes.

•

De pesquisa: um sistema especial para obtenção de informações de cunho científico. Geralmente via rádio, com enlaces terrenos ou por satélites, para estudar, por exemplo, o ruído elétrico, a formação de dutos etc.

Quanto à abrangência territorial:

•

Local: quando está restrito a uma área de interesse.

•

Regional: quando abrange uma região do país.

•

Nacional ou doméstico: quando abrange todo um país.

•

Internacional: quando ultrapassa as fronteiras de um país, como a Internet.

Quanto à utilização:

•

Militar: quando de uso exclusivo de tropas e órgãos militares, como as redes rádio militares, exclusivas das Forças Armadas (marinha, exército e aeronáutica).

•

Civil: sistemas de uso da sociedade civil, como comercial, privado e amador.

32 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Observação: Eventualmente pode ocorrer que, em sistema civil, sejam disponibilizados canais de comunicações para uso militar e, inversamente, em sistema militar podem ser franqueados canais para uso civil. Em ambos os casos, o sistema pode ser chamado dual.

1.1 ODesempenho do sistema O bom desempenho do sistema de comunicações depende, fundamentalmente, do projeto, da qualidade dos equipamentos empregados e do desempenho das equipes técnicas de instalação e de manutenção. Os requisitos essenciais de um sistema de comunicações são apresentados em seguida.

1.10.1 Confiabilidade A confiança no sistema pode ser traduzida na continuidade das comunicações e a certeza da efetivação correta do enlace. Em princípio, os enlaces de comunicações não devem sofrer interrupções. Em situações extraordinárias de colapso total ou parcial das comunicações, um sistema paralelo deve respaldar a continuidade das comunicações. O outro fator de confiabilidade reside na certeza de o enlace acontecer corretamente com o correspondente desejado, excluindo-se a possibilidade de erro de operação por parte do usuário.

1.10.2 Qualidade As comunicações devem ser desenvolvidas com sinais de informação de elevado grau de qualidade, para satisfazer as expectativas dos usuários nos diferentes tipos de serviços oferecidos. São fatores que implicam na qualidade do sinal recebido a relação sinal/ruído e a distorção, assuntos comentados no Capítulo 3.

1.10.3 Segurança das comunicações Na prática, a segurança das comunicações se traduz em aplicações de medidas de proteção dos enlaces, que visam dificultar o entendimento das mensagens porventura captadas por elemento estranho ao sistema e prevenir possíveis interferências, eventuais ou propositais, particularmente nas comunicações rádio. Um sistema puramente analógico, sem nenhuma proteção, é altamente vulnerável à escuta e a interferências e deixa expostas as informações que transitam no sistema.

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Em princípio, todo e qualquer sistema é vulnerável às ações predatórias, mas sempre se deve buscar uma medida para prover segurança às comunicações. Melhorar a segurança deve ser um objetivo permanente. A digitalização da informação é o primeiro passo necessário, mas não é suficiente. Devem ser adotadas outras medidas, como o emprego de um criptossistema, e nas comunicações via rádio, mais vulneráveis, o emprego de técnicas de dissimulação do sinal no espectro. A técnica do espalhamento espectral (spread spectrum) pode prover maior sigilo e proteção contra sinais interferentes (jamming) de outras transmissões. O salto de frequência é uma técnica aplicada ao transmissor de rádio que consiste em produzir alterações pseudoaleatórias (quase ao acaso) de alguns quilo-hertz para mais e para menos da frequência da onda portadora. A técnica também precisa assegurar um perfeito sincronismo entre receptor e transmissor para que o receptor acompanhe as alterações de frequência e permaneça todo o tempo na sintonia da onda transmitida. Nas atividades militares, medidas para interceptar e interferir nas comunicações inimigas e as contramedidas de defesa fazem parte da guerra eletrônica.

1.10.4 Rapidez de resposta A rapidez de resposta do sistema é observada no decurso de tempo entre a ação inicial do assinante, que inicia o processo de chamada, e a efetivação do enlace. Todo sistema automatizado possui uma inércia, mas o retardo deve ser o menor possível. Isso depende, fundamentalmente, do nível tecnológico dos equipamentos utilizados, terminal e central do sistema e, neste, da sua capacidade de efetuar enlaces simultâneos. No passado, o enlace telefônico era feito por uma central de comutação com relés (contato bimetal), dotada de um número limitado de circuitos de enlaces (cerca de 10o/o do número de total ramais) e com aparelho telefônico a disco. Comparado ao sistema atual, com central CPA e telefone com teclado DTMF, dispensa comentários.

1.10.5 Flexibilidade A flexibilidade de um sistema consiste em disponibilizar aos usuários enlaces com outros sistemas e sempre que possível com os diferentes tipos de sinal, como voz, vídeo e dados. Quando do projeto do sistema, devem ser previstas rotas de acesso a outros sistemas, e para isso equipamentos intermediários (interface), bem como equipamentos periféricos ou complementares, são necessários. O sistema de telefonia fixa, por exemplo, além de enlaçar assinantes do próprio sistema, permite o acesso ao sistema de telefonia móvel celular, à Internet, o uso de fac-símile (fax) etc. 34 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

1.11 Duplicação dos meios Sempre que for possível, é conveniente duplicar ou mesmo triplicar os meios de comun1caçoes. '

N

Essa medida, certamente, garantirá a continuidade das comunicações, em caso de pane em equipamento ou acidente no local onde se encontra instalado (incêndio, inundação, desabamento ou outro), que possa interromper o funcionamento do sistema. Um sistema satélite doméstico, por exemplo, prevê a utilização de, pelo menos, dois satélites, sendo um principal e o outro reserva. Para o reserva não ficar ocioso, pode realizar um tipo de serviço não prioritário, como retransmitir canais de televisão. Para não desagradar o público da antena parabólica, um terceiro satélite servirá para complementar o sistema. Em telecomunicações, vale dizer: quem tem só um pode não ter nenhum.

1.12 Recuperação e manutenção do sistema Todo sistema está sujeito a panes que podem levá-lo à interrupção das comunicações. Um sistema é considerado de pronta recuperação quando existem equipamentos de reserva na situação de espera (stand by) e dispositivos automáticos para desligamento do(s) equipamento(s) com defeito e entrada em operação, no menor tempo possível, do(s) equipamento(s) reserva(s). Geradores, baterias ou painéis solares, conforme o caso, suprirão a falha do fornecimento de energia elétrica da concessionária local. Linha danificada é, certamente, o maior problema, sem solução imediata. Dispositivos de proteção de sobrecarga, a existência de para-raios e fusíveis, como fusível a gás, nas linhas telefônicas, são imprescindíveis na proteção da vida humana, instalações e equipamentos. Quando inexistirem equipamentos de reserva, a recuperação do sistema dependerá do desempenho técnico da equipe de manutenção e da disponibilidade dos componentes neces, . sar1os ao reparo. A manutenção preventiva é primordial aos sistemas de comunicações.

1.13 Modalidades de comunicações a)

Comunicações fixas: quando os enlaces são estabelecidos entre pontos fixos através de rede fixa, composta de fios, cabos ou fibras ópticas.

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b)

Comunicações rádio móveis: quando os enlaces são estabelecidos entre rádios móveis, veiculares ou portáteis. Cabe ainda ao grupo móvel a subdivisão em móvel terrestre, móvel marítimo e móvel aeronáutico. Para atender às necessidades dos móveis terrestres, grandes áreas e estradas podem ser cobertas por estações repetidoras, distribuídas na região e instaladas em pontos elevados do terreno, além da alternativa das comunicações por satélite. Os móveis marítimo e aeronáutico podem empregar sistemas rádio nas faixas de HF, VHF, UHF e sistemas de satélites.

c)

Comunicações radiobase: quando os enlaces são estabelecidos entre estações de rádio fixas no terreno, geralmente instaladas em casas ou edifícios.

d)

Comunicações mistas: quando os enlaces são estabelecidos entre rádios e a rede fixa, numa integração rádio-fio.

Observação: Dois equipamentos rádio interligados fazem um enlace rádio. Três ou mais postos rádio interligados formam uma rede rádio.

1.14 O enlace de comunicações Conforme já foi mencionado, o enlace de comunicações é o estabelecimento das comunicações entre, pelo menos, dois pontos. Os enlaces podem ser estabelecidos diretamente entre equipamentos dos usuários do sistema ou indiretamente através de outro(s) equipamento(s) do sistema. Exemplos: a) dois operadores de rádio hand-ta/k comunicam-se diretamente em visibilidade; b) dois usuários do sistema móvel celular se comunicam através de ERBs do sistema. Os enlaces podem ser assim classificados:

1)

Quanto ao número de pontos envolvidos e o sentido do tráfego:

•

Enlace ponto a ponto: conforme o próprio nome sugere, refere-se ao enlace entre apenas dois pontos, de um ponto ao outro (Figura 1.12): , \.

~

,J

-

.

, \.

' ,

Figura 1.12 - Enlace ponto a ponto.

•

Enlaces ponto-multiponto: quando a transmissão é feita de um ponto para a recepção em diversos outros pontos (Figura 1.13). Exemplo: transmissão de uma estação de radiodifusão (AM ou FM) e os inúmeros receptores das ouvintes.

36 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

•

Enlaces multiponto-ponto: quando as transmissões são feitas de vários pontos para recepção em um único ponto (Figura 1.14). Exemplo: emissões de diversas estações terrenas para o satélite:

Rx

Tx

Figura 1.14 - Enlaces multiponto-ponto.

Figura 1.1 3 - Enlaces ponto-multiponto.

•

Enlaces multiponto-multiponto: quando os assinantes de um ou mais sistemas estabelecem entre si enlaces, por exemplo, na teleconferência. Observa-se que no esquema da Figura 1.15 pode existir um só ponto, um equipamento central (Tx/Rx), caso, por exemplo, da conferência telefônica entre assinantes de uma mesma central telefônica.

___.. ..,

+4-

Figura 1.15 - Esquema de enlaces multiponto-multiponto.

2)

Quanto à possibilidade de operação simultânea entre equipamentos:

•

Simplex: é o tipo de operação que só permite a transmissão alternadamente entre os lados; quando um lado transmite o outro recebe. Exemplo: radioenlace entre dois transceptores que operam em uma única frequência. Ao término de cada segmento da transmissão, o operador fala câmbio como aviso de que passará à recepção. O lado da recepção não tem como interromper o lado em transmissão.

•

Semiduplex: ocorre no circuito destinado à operação duplex, mas, devido ao equipamento terminal, a transmissão é feita apenas em uma direção por vez. Em alguns casos, o lado que recebe pode interromper o lado que transmite e inverter o processo. Exemplo: comunicações entre teleimpressores ligados a dois fios.

•

Duplex: é o tipo de operação que permite comunicações simultâneas em ambas as direções entre os usuários do sistema. Em uma ligação telefônica, ambos os lados podem ouvir e falar simultaneamente, se assim desejarem. Para dar ênfase à expressão, por vezes é usado full-duplex, o que não altera o conceito. O tipo de operação é definido pelo equipamento terminal utilizado no enlace.

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1.15 Canal rádio e circuito rádio Considera-se que no canal rádio a operação é simples (unilateral), do transmissor para o receptor, enquanto no circuito a operação é duplex. Assim, um circuito ocupa dois canais com frequências diferentes, sendo um canal para transmitir e outro para receber. A Figura 1.16 mostra o esquema de um circuito de comunicações rádio. ,;

'1

\l 7

f • r

Canal 1 1

TxA ·

Rxe .

.

' r

. -

H

r

'

Canal 2

~

H

'i 7

~. 7

~

f2

RXA

-,

Tx8

r

• ,

Figura 1.16 - Esquema de um circuito rádio.

No esquema da Figura 1.16, H é um circuito com bobina híbrida, interface de conversão de dois fios da linha telefônica para os quatro fios do circuito rádio (dois de entrada no transmissor e os dois de saída do receptor). O princípio de funcionamento do circuito com bobina híbrida é inspirado na ponte de Wheatstone, estudada na disciplina Circuitos Elétricos. Como os canais estão em frequências diferentes, cada lado do circuito de comunicações pode operar com uma única antena pela adoção do duplexador. O duplexador (duplexer) de RF é formado por dois conjuntos de filtros ajustáveis, um ligado ao receptor, sintonizado na frequência de recepção com uma armadilha de onda na frequência de transmissão, e o outro ligado ao transmissor, centrado na frequência de transmissão com armadilha de onda na frequência de recepção, na chamada configuração cruzada. O circuito de associação dos filtros disponibiliza uma porta comum destinada à antena única. O diagrama em blocos da Figura 1.17 mostra o esquema das ligações. O duplexador é bastante usado em estações radiorrepetidoras nas faixas de VHF e UHF. Para funcionar corretamente com duplexador, o sistema exige uma separação Llf = f2 - f1 entre as frequências de operação (off-set), em que é função no valor mínimo de 600 kHz. O circulador exerce papel semelhante ao duplexador nos circuitos de micro-ondas e funciona pelo princípio das cavidades ressonantes. Antena \

Microfone ......... v

• r

Transmissor . •

Alto-falante

r,....

• •

,V

r

Duplexador

'

Receptor

V

Figura 1.17 - Diagrama em blocos do sistema rádio com duplexador.

38 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

A Figura 1.18 apresenta a foto de um conjunto de duplexadores fabricado pela Radio Frequency Systems, destinado à faixa de VHF, de 148 a 174 MHz. As dimensões físicas e o peso do duplexador variam em função da potência e da frequência de transmissão.

Figura 1.18 - Conjunto de duplexadores para VHF.

1.16 Ilustração do emprego de múltiplos sistemas A ilustração da Figura 1.19 mostra como os sinais de uma emissora de televisão podem chegar, via satélite, aos telespectadores de uma região.

Satélite

Locais de

recepção

,,'

Sistema satélite

Enlace rádio

____

Estúdio de televisão

Figura 1.19 - Ilustração de um sistema satélite.

Conceitos Básicos em Telecomunicações Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

39

Descrição A fonte geradora de informações é um estúdio de televisão distante da estação terrena do satélite. Os sinais de imagem e som gerados no estúdio chegam ao sistema satélite através de um radioenlace em visibilidade (ponto a ponto). O satélite recebe a emissão da estação terrena (enlace ponto a ponto) e faz a retransmissão da onda. A recepção do satélite é feita em inúmeros locais (enlaces ponto-multiponto) com o auxílio de antenas com refletores parabólicos. Os destinatários são os telespectadores.

Exercícios 1. Classifique, quanto ao fim a que se destina, abrangência territorial e utilização, o sistema de comunicações por satélite de um país, explorado por uma empresa privada, com satélites dotados de transponder para uso exclusivo das forças armadas.

2. A diretoria de uma empresa privada deseja enviar breves mensagens alfanuméricas aos seus funcionários através de seus terminais receptores móveis (bipe) do sistema de paginação (paging). O sistema deve ser instalado na área da empresa onde já existem disponíveis uma rede interna de telefonia fixa, uma central CPA, um local destinado ao centro de recebimento das mensagens por telefone, com terminal de digitação e duas estações radiorrepetidoras. Pede-se: (a) esboçar um esquema viável do sistema, (b) classificar o sistema sob os diversos aspectos e (c) comentar o sistema. Observação: O sistema de paginação praticamente caiu em desuso devido à funcionalidade do telefone móvel celular, mas ainda encontra algumas aplicações.

3. Sobre um anúncio colocado em jornal, comente a impropriedade técnica apresentada no seguinte texto: Vendo um telefone celular com linha.

40

Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Os Sinais Elétricos da Informação

2

2.1 Recapitulação No Capítulo 1 foi mencionado que, para as comunicações se desenvolverem, as informações precisam estar na forma de sinais elétricos. Quando há onda eletromagnética, os sinais elétricos da informação modulam a onda portadora de rádio ou a luz. Foi mencionado também que sinais elétricos são variações de tensões elétricas ao longo do tempo e podem ser analógicos e digitais.

As fontes de informação geram voz, música, imagem e dados. A voz, a música e a imagem são convertidas em sinais elétricos analógicos por transdutores. Dados da informação digital são sequências de bits (bit stream) gerados em circuitos da eletrônica digital, por exemplo em geradores de caracteres alfanuméricos, computadores, conversores do sinal analógico em digital (A/D) etc. O bit é a unidade fundamental da informação digital. O termo bit é o resultado da contração de w.nary digif, dígito binário. Os sinais elétricos da informação podem ser convertidos de analógicos em digitais e de digitais em analógicos por dispositivos conversores. E e

o.

V.

~

,X

o

-. -.... o

~

Ul

Ql

-... --~

(.l

11: -e; Q;

J;;

a:

.i,,:

~!;

~

...:

~

e

a)

b}

e: ;:,

Figura 2.1 - a) Osciloscópio e b) analisador de espectro.

41 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

A visualização dos sinais elétricos, no domínio do tempo e no domínio da frequência, respectivamente, é feita com o auxílio do osciloscópio e o analisador de espectro, dois importantes aparelhos eletrônicos. A Figura 2.1 apresentou modelos clássicos desses instrumentos.

2.2 Denominação dos sinais elétricos Um sinal elétrico pode receber as seguintes denominações:

a)

Finito: quando ocorre num espaço de tempo finito.

b)

Periódico: quando é repetitivo a intervalos de tempo iguais.

c)

Aperiódico: quando o sinal não é repetitivo.

d)

Aleatório: é um sinal de comportamento imprevisível, gerado com variações ao acaso, na amplitude, frequência e fase. É verdade que, na maioria das vezes, os sinais analógicos obtidos dos transdutores são aleatórios, mas, se repetido o evento, é quase certeza a repetição do mesmo sinal. Em telecomunicações, quando se fala em sinal aleatório, o primeiro nome lembrado é o ruído elétrico. O ruído é gerado continuamente por diversas fontes da natureza e é extremamente nocivo às comunicações. Para não ser confundido com o sinal da informação, é tratado simplesmente por ruído. O estudo do ruído elétrico é feito no Capítulo 3 - Canais de comunicações e ruído elétrico.

e)

Pseudoaleatório: é um tipo de sinal aparentemente aleatório, mas de certa forma previsível. Uma fonte eletrônica geradora de sinais pseudoaleatórios pode ser usada, por exemplo, para efetuar mudanças de chaves em equipamentos de sigilo (criptossistemas).

f)

Determinístico: é o sinal perfeitamente previsível e determinado, desenvolvido a partir de uma expressão matemática, função do tempo, f {t) ou função da frequência, f {ro). Por exemplo, o sinal senoidal.

2.3 O sinal periódico O estudo e a geração dos sinais ficam facilitados quando se trata de sinal periódico. O intervalo de repetição denomina-se período, representado pela letra T e medido em segundo [s]. Um período (Figura 2.2) equivale a um ciclo, e a quantidade de ciclos por segundo é denominada frequência, medida em hertz [Hz]. Quando o sinal periódico é assimétrico, semelhante ao da Figura 2.2, os semiciclos positivos diferem dos semiciclos negativos, e é possível afirmar, a priori, tratar-se de um sinal complexo, composto por outros sinais tidos como fundamentais.

42

Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Amplitude +2

'

ov

; Sem iciclo positivo : E + tensão de pico -----------~-------- --------------------p , (positiva)

•' •1

O 1 1 - - - t - - - - - 1 - - ~ - + - - - - - - 1 i - - - - - - , r - - - - - - - - + Tempo t (ms) 1 2 1 _ _ = _ _ _ _ _ EF>- tensão .de pico 1 (negativa)

....

T Um ciclo do sina l

1

: Semiciclo • negativo

Valor instantâneo em t=3ms e (3); o volt

Figura 2.2 - Sinal periódico complexo com T = 1 ms.

Dentre os sinais periódicos, o senoidal é extremamente útil e talvez o mais usado. É gerado em aparelhos eletrônicos de laboratório, para ensaios e consertos de equipamentos, em circuitos de radiotransmissores e em modems, como "ondas portadoras" para transportar os sinais elétricos da informação. É um sinal simples, puro, na frequência fundamental. Os sinais precisam ser medidos e, quando necessário, analisados.

2.3.1 Parâmetros e unidades de medida São parâmetros de referência usados para medir os sinais elétricos:

a)

Tensão, E: medida em volt [V], nos valores instantâneo (em determinado instante do sinal), médio, eficaz ou RMS, máximo ou de pico ou ainda pico a pico, conforme será mostrado. A medida da tensão deve ser feita no osciloscópio, e, se o sinal for senoidal, com um voltímetro de AC, geralmente eletrônico ou seletivo (com sintonizador de frequência) de maior sensibilidade. Os multímetros comuns, analógicos (com medidor de ponteiro) e digitais (com mostrador numérico), destinam-se à medição de fontes de tensão alternada (60 Hz), tensão contínua, corrente contínua e resistência. Há modelos digitais que também medem capacitâncias e frequências com limitações de escala. Eletricamente, a tensão E, em volt [V], aplicada sobre uma carga resistiva R, em ohm [Q], desenvolve no circuito uma corrente elétrica de intensidade 1, em ampere [A]. Pela lei de Ohm:

E= R·1 b)

(2.1)

Intensidade corrente elétrica, 1: medida em ampere [A], cujo valor, nos circuitos de potência, pode ser obtido de um amperímetro ligado em série com a carga R. Em circuitos de pequenas correntes o valor de I é calculado indiretamente, pela lei de Ohm, uma vez conhecidos os valores da tensão E sobre a carga e o R da carga. Geralmente é mais cômodo medir tensão que corrente elétrica.

43 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

c)

Frequência, f: mecanicamente, é o número de vibrações por segundo da fonte geradora, e eletricamente é a quantidade de ciclos por segundo do sinal periódico gerado. A frequência é medida em hertz [Hz] ou no equivalente trigonométrico radiano por segundo [rad/s]. O instrumento usado na medição da frequência de sinais periódicos é o frequencímetro. A Figura 2.3 mostra um modelo de frequencímetro.

Figura 2.3 - Um modelo de frequencímetro. Fonte: Revista Radio Electronics, Dez/1990.

d)

Fase, cp: é a medida, em tempo ou em ângulo, obtida em relação a uma referência fixa ou comparativa entre sinais. Um sinal pode estar em fase com outro, atrasado ou avançado em relação a esse outro sinal, e a diferença de tempo entre eles é chamada de retardo (delay). O medidor de fase encontrado nos laboratórios de eletrônica é o vector scope, um aparelho que exibe na tela os vetores correspondentes aos sinais em análise e o ângulo de fase. O osciloscópio também permite a estimativa da fase entre sinais visualizados na tela.

e)

Potência elétrica, P: medida em watt [W], equivale à energia elétrica gerada por uma fonte ou dissipada por uma carga. Por meio de cálculo matemático, a potência P dissipada por uma carga resistiva R, expressa em ohm, pode ser obtida por qualquer das igualdades da expressão 2.2 que, além de R, envolvem E, em volt, e 1, em ampere. Em função do valor aplicado, se eficaz (rms) ou de pico, resulta, respectivamente, em potência eficaz ou potência de pico.

P=E·I=

E2 R

2

=R· 1

.. .

(2.2)

O instrumento utilizado para a medição da potência é o medidor de potência. Os sinais elétricos da informação quase sempre são gerados, trabalhados e recebidos com muito baixos valores de potência. Potências de maior envergadura são obtidas das saídas dos amplificadores de potência de áudio e de radiofrequências. Esse contraste torna imperioso o emprego dos prefixos de múltiplos e de submúltiplos às unidades de medida, conforme a Tabela 2.1, com os seus símbolos e fator de mui-

44

Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

tiplicação, sendo aplicáveis a todas as unidades do Sistema Internacional (SI). São exemplos: o microvolt (µV), o nanoampêre (nA), o quilo-ohm (k.n), o miliwatt (mW) e o megawatt (MW). Tabela 2.1 - Prefixos do SI Nome

Fator pelo qual a unidade é multiplicada

yotta

Símbolo y

zetta

z

exa peta

E p

1O24 = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 1O21 = 1 000 000 000 000 000 000 000 10 18 = 1 000 000 000 000 000 000 1O15 = 1 000 000 000 000 000

tera

T

10 12 = 1 000 000 000 000

giga

G

10 9 = 1 000 000 000

mega

M

10 6 = 1000000

quilo

k

hecto

h

deca

da

deci

d

centi

c

10 3 = 1 000 10 2 = 100 10 10- 1 =0 , 1 10- 2 =0 , 01

mili

m

•

•

micro

µ

nano

n

•

10- 3 = O, 001 10- 5 = O, 000 001 10- 9 = O, 000 000 001

pico

p

femto

f

10-12= O, 000 000 000 001 10- 1s = O, 000 000 000 000 001

atto

a

10-1a = O, 000 000 000 000 000 001

zepto

z

yocto

y

10-21 = O, 000 000 000 000 000 000 001 10-24 = O, 000 000 000 000 000 000 000 001

Fonte: SI - Sistema Internacional de Unidades - lnmetro - 8. ed. 2008.

2.3.2 Onda Onda é uma sequência contínua do sinal gerado por uma fonte.

Existem esquemas de circuitos eletrônicos específicos para gerar sinais periódicos com diferentes formas de ondas, por exemplo: senoidal, trem de pulsos, dente de serra, triangular etc. (Figura 2.4). Em laboratório o aparelho chamado gerador de funções fornece ondas com algumas dessas formas.

45 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

e(t)

e{t) • •

o

L

b)

•

t

a) e(t)

e{t)

o Figura 2.4 - Tipos de ondas: a) senoidal, b) trem de pulsos, e) dente de serra e d) triangular.

Onda portadora ou carrier é a denominação dada à onda senoidal gerada eletronicamente no aparelho transmissor de rádio, numa certa potência e frequência, para transportar os sinais elétricos da informação até o aparelho receptor.

Embora, teoricamente, qualquer onda, em diferentes formas e frequências, possa servir de portadora, na prática não seria conveniente em virtude da geração de sinais espúrios e das interferências causadas por ocasião da irradiação, por isso a utilização da onda senoidal. Vibrações mecânicas de poucos hertz até cerca de 20 kHz são audíveis (ondas sonoras) e quando convertidas em sinais elétricos com o auxílio do transdutor pertencem à faixa de audiofrequências (AF). São processadas, por exemplo, nos amplificadores de som. Ondas nas frequências entre 20 e 90 kHz pertencem à faixa de ultrassom e são utilizadas, por exemplo, em alarmes ultrassônicos e em alguns tipos de aparelhos da área médica. A onda portadora é obtida de um oscilador senoidal, geralmente em frequências acima dos 100 kHz para as radioemissões. A onda pode ser transmita pura, sem modulação, ou modulada. Quando pura, é usada nas comunicações radiotelegráficas em código Morse, e quando modulada, em amplitude (AM) ou frequência (FM), transporta os sinais da informação. Modulação é o processo eletrônico no qual o sinal elétrico da informação modifica pelo menos um dos parâmetros da onda portadora: amplitude, frequência ou fase. A onda portadora modulada viaja no canal de comunicações transportando os sinais da informação, daí a sua denominação de portadora ou carrier.

Na recepção, o processo inverso usado para remover os sinais da informação da onda portadora modulada denomina-se demodulação da onda. A modulação da onda pode ser feita nas formas analógica ou digital. A modulação analógica ocorre quando os sinais analógicos da informação atuam sobre uma onda portadora também analógica, usualmente senoidal, por exemplo, a modulação em amplitude (AM).

46 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

A modulação digital ocorre quando uma portadora de pulsos interage com os sinais analógicos da informação, por exemplo, na modulação PAM, por amplitude de pulso, na primeira etapa da conversão do sinal analógico em digital (PCM). Por não ser recomendável a transmissão de pulsos através de cabos e fios, devido à distorção (ver Capítulo 3) e também por não serem compatíveis com o modulador do radiotransmissor, utiliza-se um modem - modulador-demodulador (ver Capítulo 11) para compatibilizar as transmissões via fio e via rádio. O modem dá uma nova roupagem aos bits. O modem recebe os bits e efetua o chaveamento (modulação digital) da onda portadora senoidal, geralmente numa frequência de áudio, entre 300 Hz e 4 kHz. A modulação consiste em alterar a amplitude, frequência ou fase da onda senoidal e, à saída do circuito, os bits estão na forma analógica. Na recepção ocorre o inverso, a portadora é demodulada no receptor do modem e os bits são recuperados na forma original de pulsos. Assim, acontece a transmissão digital. Nas comunicações por fibras ópticas os bits modulam com facilidade e em velocidade o feixe de luz, que segue entrecortado pela fibra óptica (ver Capítulo 11 ).

2.4 Sinais senoidal e cossenoidal Os sinais elétricos analógicos tidos como fundamentais são o senoidal e o cossenoidal, desenvolvidos das funções seno e cosseno estudadas em trigonometria e obtidos, na prática, de circuitos eletrônicos osciladores. A expressão matemática genérica do sinal senoidal é: e (t) = Emáx sen (cot + cp)

(2.3)

em que: co = 2 1t f rad/s, fé a frequência em hertz [Hz] e cp é um ângulo de fase. O inverso da frequência é o período, medido em segundo: (2.4)

Exem~_lo_ 2.1 Seja o período de uma onda (um ciclo completo) T = 1 ms. Calcular a frequência da onda. Solução: 1 ms = 10- 3 s, logo f = 103 Hz = 1000 Hz, ou seja, em 1 segundo ocorrem mil ciclos do sinal.

47 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

A diferença entre o seno e o cosseno, de iguais amplitudes e período, está na defasagem cp de

1t

2

ou 90º, conforme comparação dos gráficos das funções nas Figuras 2.5a e 2.5b.

Aplicações de seno e cosseno são encontradas, matematicamente, no desenvolvimento de funções periódicas em série de Fourier e, na prática, em projetos eletrônicos que usam sinais senoidais defasados de 90º, por exemplo, no estágio demodulador de crominância de receptores analógicos de televisão. Genericamente a onda é tratada simplesmente por senoidal. Amplitude (volt)

EP

_____{\ _____{'\ ______________________ _____ l\_____ l\ _______ _

--- -1- -~ ----1- -\. ------~

-- ---1- -\----1- ~------o ---

o

1 1 1

- - - -- - ---

-

1 1

-

1

-i,----- -----1

(!) t

1

• - - t- •

1

1

-Ep

1 ., 1

1

1

------------------- -- ---L-1

-

----

------ ----·

1

T

T

•

a)

b)

Figura 2.5 - Gráficos das funções: (a) senoidal e (b) cossenoidal.

Os sinais senoidal e cossenoidal também são estudados na forma vetorial. As relações entre as tensões de valores máximo (Emáx) ou de pico (Ep), pico a pico (Epp), eficaz (Eef) ou RMS constantes da Figura 2.5 são: (2.5)

J2 ERMS =Eef = ·EP =0,707 ·EP

(2.6)

EPP =2 EP

(2.7)

2

Para melhor entender, o valor eficaz RMS (Root Mean Square) da onda senoidal equivale ao valor da tensão contínua que produz o mesmo efeito térmico quando aplicada sobre uma carga resistiva R. São chamadas de senoide e cossenoide as curvas resultantes do desenvolvimento das funções seno e cosseno, respectivamente, e genericamente de senoidal quando se trata do sinal elétrico. Os sinais também podem ser estudados na forma vetorial.

48

Princípios de Telecomunicações -Teoria ePrática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Sinais periódicos complexos podem ser decompostos em série trigonométrica de Fourier, um somatório de senos e cossenos com diferentes valores de amplitudes, frequências e fases. É de interesse decompô-los para conhecer o conteúdo do sinal.

Os sinais seno e cosseno são considerados "sinais puros", enquanto os sinais complexos são uma composição de senos e cossenos de diferentes amplitudes e frequências. A decomposição do sinal complexo pode ser comparada à decomposição da luz branca por difração, cujo resultado é o espectro de cores do arco-íris.

2.5 Série de Fourier A expressão matemática da série de Fourier é:

a f(t) =

oo

0

2

+ ,E (an cos nro 0 t + bn sen nro 0 t)

(2.8)

n=1

em que: f {t) é a função a ser desenvolvida em série de Fourier; ª

0

2

é o valor médio da função;

ª" e bn são os coeficientes da série de Fourier; ro 0 = 2 n f0 é a velocidade angular da função f (t); T é o período.

ªº = _!_ f Tf(t) dt 2 T o

2

(2.9)

T

T 0 f(t),cos n ro0 t dt

(2.1 O)

2 bn = -

T f(t),sen n ro t dt 0 0

(2.11)

ªn

=- J

T

J

A partir dos valores calculados, elabora-se o gráfico das amplitudes versus frequências de grande utilidade. O espectro do sinal, no domínio da frequência, é visto conforme mostra a Figura 2.6.

49 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Amplitude 5V

- -- -- - - - -

1

1 1 1

2,5 V

1 1

3V

1

1 1

1

1V

O, 1

0,2

1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1

1 1

1 1 1

0,3

0,4

Tempo (s)

Dominio do tempo 0,6 V

Frequência m

(rad/s)

Figura 2.6 - Trem de pulsos no domínio do tempo e da frequência.

No exemplo da Figura 2.6, um trem de pulsos de período TO = 0,2 s foi o sinal periódico escolhido. Após a decomposição pelo método de Fourier, foram tomados os quatro primeiros termos, mostrados na Figura 2.7. O valor do primeiro corresponde a uma tensão contínua de 2,5 V, e os valores de 3 V, 1 V e 0,6 V correspondem às amplitudes de pico das ondas senoidais nas frequências f0 e seus harmônicos ímpares 3f0 e Sf0 , respectivamente. Pela expressão matemática da série de Fourier, o sinal periódico é decomposto numa série infinita de termos, o que não é aplicável na prática. V

V

--- t 1 1

o

1 1

f(t)

5V

--------3 V

2,5 V 1

-

1 1

1

V

V

V 0,6V

1V

+

+

+

1

1

t

t = tensão contínua +

t 3 sen 1On t

t

+

sen 301t t

+

0,6 sen 50rc t ...

Fundamental f0 e harmônicos =>

Figura 2. 7 - Sinal periódico decomposto.

Observação: Os valores das amplitudes obtidos dos cálculos matemáticos, com duas casas decimais, são 3, 18 V, 1,06 V e 0,64 V.

Os sinais senoidal e cossenoidal também são estudados na forma vetorial.

50 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

2.6 Representação vetorial do sinal O sinal senoidal pode ser representado, em valor instantâneo, por um vetor. Tradicionalmente, ao se desenvolver a senoide, considera-se um ponto P descrevendo um círculo, conforme a Figura 2.8a. Imagine P sendo a ponta do vetor A, de módulo IA1 = OP, raio do círculo, com o pé fixo em O e girando na velocidade angular ro, no sentido anti-horário. Observa-se que P'P = A sen rot. Então, em t = t1, ou seja, em ro t1 = , o valor instantâneo do sinal senoidal é P'P, mostrado na figura. Assim, para representar vetorialmente o sinal, no instante considerado, toma-se como vetor P'P formando um ângulo com um eixo horizontal de referência (CB na figura), tendo por módulo o valor instantâneo, em volt. A representação vetorial na forma polar é P'P volt. {A)

e

o

P'

B

o

1 1 1 1 1 1 1 1 1

P' lt

1

p

2,1

(')t

e

p•

B

1 1

1 1

1

-{A)

a)

---------b)

1 1

e)

Figura 2.8 - a) O círculo trigonométrico; b) a senoide; c) a representação vetorial.

De modo semelhante, o sinal senoidal é representado vetorialmente, tomando-se o devido cuidado com sua fase, de 90º, em relação ao sinal cossenoidal. Na disciplina Circuitos Elétricos li se estuda o sinal elétrico na forma vetorial com o nome de fasor. O tratamento fasorial facilita sobremaneira as operações com sinais, reatâncias e impedâncias do circuito. A medição do sinal na forma de fasor é feita com o vetorscope, nome já mencionado anteriormente. Para efetuar a soma de dois sinais elétricos senoidais, sendo conhecidos os seus valores instantâneos, de amplitude e fase, no mesmo instante de tempo t', adota-se o procedimento vetorial mostrado na Figura 2.9. A soma vetorial de P1 com P2 é bastante simples e o sinal resultante P3 é rapidamente obtido, em módulo e fase.

51 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Figura 2.9 - Soma vetorial instantânea de dois sinais elétricos P1 e P2.

2.7 Sinais analógicos da informação Os sinais elétricos analógicos são obtidos diretamente de transdutores e, na maioria das vezes, em pequenas amplitudes, por isso necessitam de amplificação eletrônica para diversas aplicações e reprodução. Um exemplo de sinal analógico está na Figura 2.1O. e(t)

volt

t(s)

Figura 2.1 O- Exemplo de sinal analógico.

A voz, movimento vibratório das cordas vocais do homem, é captada e convertida em sinais elétricos analógicos pelo microfone. Após amplificada pode ser reproduzida pelo alto-falante ou dispositivo similar. Quando transmitida pelo rádio é, no radiotransmissor, o sinal modulante ou modulador da onda portadora. Ao estudar o espectro do sinal complexo da voz, observam-se sinais de frequências entre 300 e 3400 Hz, enquanto os harmônicos podem atingir até cerca de 6000 Hz. Por isso o timbre da voz mais grave no homem e mais agudo na mulher, resultado da composição de ondas com diferentes amplitudes e frequências. A faixa mínima de inteligibilidade da voz é B = 3400 - 300 = 3100 Hz, mas o valor de referência para o canal de voz em telefonia é B = 4 kHz e em alguns casos alcança 5 kHz.

A música, obtida das vibrações sonoras de instrumentos musicais, também pode ser captada e convertida em sinais elétricos analógicos pelo microfone e reproduzida pelo alto-falante. O espectro musical contém frequências que se estendem de poucos hertz até cerca de 19 kHz, valor considerado limite máximo da audição do ser humano.

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Em telecomunicações, por força de legislação, os sistemas de radiodifusão FM operam com o canal de áudio de 15 kHz, enquanto em AM o canal de áudio fica limitado a 5 kHz. O áudio em estereofonia enriquece muito a reprodução da música, feita por um amplificador de áudio e duas caixas acústicas. A gravação estéreo, em duas trilhas sonoras, emprega dois microfones dispostos separadamente à esquerda (L - /eft) e à direita (R - right) de um conjunto musical no estúdio. As trilhas sonoras, quando são reproduzidas em estéreo, preferencialmente em ambientes de boa acústica, provocam a sensação de presença da fonte sonora no local. E bastante interessante, por exemplo, a reprodução dos sons de um jogo de pingue-pongue: ouve-se a bolinha bater sobre a mesa, ora de um lado, ora do outro, dos sons que saem da caixa posicionada à esquerda e à direita do ouvinte. I

A imagem é captada pela câmera de vídeo dotada de um sistema óptico, composto por lentes e filtros, que convergem a informação luminosa para a superfície fotossensível de um ccd (charge-cou pled device), mostrado na Figura 2.12c, dispositivo encarregado de converter a informação luminosa em sinais elétricos analógicos de vídeo. A transmissão dos sinais de televisão compreende o vídeo e o áudio analógico e pode ser realizada em diferentes tipos de sistemas. No sistema adotado pelo Brasil, o espectro de vídeo ocupa uma banda B de cerca de 4 MHz que, acrescido do áudio, forma o canal de televisão com banda B = 6 MHz. PAL refere-se ao sistema de cor e daí surge PAL-M. Os sistemas de televisão estão mencionados no Capítulo 5 - O radiotransmissor.

2.8 Transdutores e sensores Transdutores e sensores são importantes dispositivos utilizados na eletrônica, e de alguns deles podem ser obtidos os sinais elétricos de informação. Por definição, transdutor (transducer) é todo dispositivo capaz de converter uma forma de energia em outra. A voz e a música são convertidas em sinais elétricos analógicos com o auxílio de microfones e reproduzidas por alto-falantes. O microfone e o alto-falante são os dois tipos de transdutores eletromecânicos, possivelmente, mais usados em equipamentos de comunicações. Microfone é o dispositivo responsável pela conversão das ondas sonoras (vibrações mecânicas) em sinais elétricos. O alto-falante, inversamente ao papel desempenhado pelo microfone, converte os sinais elétricos em ondas sonoras (vibrações mecânicas).

53 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Para converter sinal elétrico em luz e luz em sinal elétrico, são usados transdutores ópticos. Existem diferentes tipos de transdutores ópticos para diversas aplicações. Em estado sólido, destacam-se os seguintes: O Led (diodo emissor de luz) converte a energia elétrica em luz, e o fototransistor converte a variação da energia luminosa em sinal elétrico. Lente

\ a)

b)

Figura 2.11 - Exemplos de transdutores: a) o fototransistor, b) o Led.

Sensor é o nome dado ao dispositivo que modifica uma característica intrínseca quando no meio ambiente externo ocorre variação física à qual o dispositivo é sensível. São exemplos de sensores: •

Fotorresistor: LDR (/ight dependent resistor) é um tipo de resistor que varia de valor ôhmico em função da luminosidade do ambiente. Trabalha, por exemplo, em dispositivos de comando de acendimento de lâmpadas de iluminação de casas e ruas da cidade.

•

Termistor: um tipo de resistor que varia o seu valor ôhmico em função da temperatura ambiente. Serve de sensor térmico, por exemplo, em termômetro eletrônico.

•

Sensor de imagens: o CCD (charge-coup/ed device) é o chip encarregado de capturar imagens em câmeras de vídeo e fotográficas digitais, webcams, fotocopiadoras, e também está presente em alguns tipos de aparelhos das áreas médica, industrial e aeroespacial. Com o auxílio de um sistema óptico (lentes), a luminosidade da cena incide sobre os milhares ou milhões de pigmentos fotossensíveis, os pixeis (picture e/ements), dispostos uniformemente na superfície do eco segundo linhas e colunas. Quando os fótons da energia luminosa incidem sobre a superfície, os pixeis são sensibilizados e geram cargas elétricas. Um circuito eletrônico externo procede à varredura das linhas para formar o sinal elétrico de vídeo da imagem capturada, a partir da carga elétrica obtida de cada um dos pixeis.

•

Similar ao CCO, o sensor CMOS (complimentary metal-oxide semiconductor), ou semicondutor de metal-óxido complementar, é usado com a mesma finalidade, mas fabricado com outra tecnologia. Incorpora um amplificador de sinal em cada pixel e pode incluir um conversor A/O no próprio chip. O sensor de imagem CMOS consome bem menos energia da fonte, porém é mais suscetível a gerar ruído elétrico que o eco.

54 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

a)

b)

e)

Figura 2.12 - Sensores: a) fotorresistor; b) termistor; e) de imagem CCD (5:4, 0,85 cm).

2.9 Amplificadores e atenuadores Os sinais analógicos obtidos de transdutores, sensores e outras fontes de sinal, da ordem de milivolts, microvolts ou ainda menores, na maioria das vezes, são de pequenas amplitudes e necessitam de amplificação eletrônica para produzir o efeito final desejado.

O amplificador (amplifier), então, destina-se a elevar o nível do sinal elétrico da informação em tensão ou em corrente elétrica. No passado, o dispositivo ativo de amplificação era a válvula eletrônica e hoje usa transistores e circuitos integrados (CI). Os transistores e Cls são alimentados por uma fonte de tensão contínua (pilhas, bateria ou convertida da rede elétrica AC) através de resistores que fazem a polarização de cada componente ativo. Os circuitos amplificadores também podem empregar indutores, capacitares e outros componentes especiais. Os amplificadores de pequenos sinais, quase sempre lineares, destinam-se a reproduzir o sinal amplificado na forma original, e, quando isso não acontece, diz-se que o sinal sofreu distorção. Amplificadores de corrente costumam ser chamados de amplificadores de potência. Quanto aos tipos de sinais, os amplificadores são classificados em amplificadores de áudio, de vídeo e de RF. Noções de semicondutores e amplificadores encontram-se no Anexo B. O ganho da amplificação (quantas vezes o sinal foi amplificado) costuma ser expresso em decibel (dB). Informações sobre o decibel são encontradas no final do Capítulo 3. Os projetos de amplificadores são desenvolvidos a partir das informações contidas na folha de dados (data sheet) do fabricante do transistor ou do CI. Nas folhas de dados encontram-se as características elétricas, mecânicas e térmicas dos componentes. Eletricamente, os valores apresentados referem-se a tensão de trabalho, frequência de corte, fe (frequência máxima permitida), ruído interno e outras características. Um CI típico, usado na amplificação de pequenos sinais, é o amplificador operacional, cuja simbologia é apresentada, a título de exemplo.

55 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

CI op

Ent = 1 mV

Saída= 1 V

,.;'v = 1000 ou 20 log 1Q3 = 60 dB

1 Ganho = 1

1

O atenuador {attenuatory faz o papel oposto ao do amplificador. Nos circuitos elétricos, é constituído de uma estrutura passiva formada por resistores que dissipam parte da energia do sinal na forma de calor (efeito Joule). São exemplos os divisores de tensão de alguns instrumentos de medida e os potenciômetros de controle de áudio, de vídeo ou de RF. Os atenuadores servem também para casar as impedâncias entre estágios, realizando um acoplamento resistivo, em T ou em n. Os símbolos gráficos de atenuadores usados na convenção inglesa são mostrados a seguir.

Atenuador fixo

Atenuador ajustável

2.1 OAcopladores O acoplador (coup/ed device) é uma estrutura usada para transferir a energia de um estágio do circuito para o outro. No acoplamento, a maior transferência de potência ocorre quando as impedâncias dos estágios estão casadas. São tipos de acoplamento: •

Direto: realizado por um condutor elétrico. Exemplo: um condutor faz o acoplamento direto entre o transmissor de rádio e a antena vertical.

•

Resistivo: feito através de um resistor elétrico.

•

Indutivo: realizado por um transformador com enrolamentos primário e secundário, com núcleo a ar, de ferro ou ferrite. Os sinais passam do primário para o secundário por indução. O transformador também serve para casar as impedâncias entre os estágios acoplados.

•

Capacitivo: quando é utilizado um capacitar de acoplamento.

•

Misto: feito por um circuito elétrico composto de R, L e C.

•

Óptico: encontrado, por exemplo, em circuitos eletrônicos de porta, usado para transferir o sinal elétrico da linha para a placa do circuito eletrônico, praticamente sem ruído. O acoplador óptico, mostrado na Figura 2.13, é composto de um Led e um fototransistor, dispostos no interior do mesmo invólucro.

56 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Figura 2.13 - Um CI acoplador óptico e seu símbolo.

2.11 Filtros de ondas elétricas Em engenharia elétrica, filtros de ondas elétricas ou simplesmente filtros são estruturas elétricas ou eletrônicas projetadas para permitir, impedir ou retardar a passagem de sinais elétricos em determinadas frequências. É uma estrutura de duas portas com função matemática de transferência e representada na Figura 2.14. Entrada da onda

Sa ída

da onda

Figura 2.14 - Representação da estrutura de um filtro.

Os filtros podem ser de dois tipos, sendo passivos ou ativos. O filtro passivo é formado por componentes passivos R, L e C, que dissipam energia e por isso o sinal na saída do filtro sempre está atenuado. O filtro ativo opera, geralmente, com um ou mais CI op (circuito integrado operacional) e tem a vantagem de proporcionar ganho ao sinal, unitário ou maior. O filtro ativo filtra amplificando o sinal. Os filtros encontram inúmeras aplicações em circuitos de áudio, vídeo e RF. São exemplos: a seleção das frequências da voz no espectro de áudio (filtros de voz) e para eliminar um tom de áudio indesejável a ser efetuado por uma armadilha de onda (notch fi/ter). O equalizador de áudio, parte integrante de muitos equipamentos de som, nada mais é que um conjunto de filtros ativos, do tipo passa-faixa, cada um centrado numa frequência (entre 40 Hz e 20 kHz) e com controles de ganho/atenuação. No domínio da frequência, um filtro ideal pode ser representado, como mostra a Figura 2.15, um passa-faixa. Nela, observa-se o ganho linear igual a 2 entre m1 e m2, chamadas de frequências de corte, que limitam a faixa permitida aos sinais. Foi chamado de ideal porque seria o filtro desejável, mas o real apresenta curvaturas e inclinações nas linhas laterais, visíveis nos modelos constantes do Quadro 2.1 mais adiante. No filtro real, a frequência de corte me é assinalada nas curvas, nos pontos de atenuação de 3 dB, medidos em relação ao segmento do filtro, de amplificação máxima.

57 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Ganho , ~

2 ~------~~~-

o

.....

(•l ;

2

7(

f

Figura 2.15 - Filtro passa-faixa ideal.

O valor de atenuação de 3d8 corresponde a meia potência do sinal na saída e, em tensão, a diminuição de 1 para 0,707 volt, por exemplo. Cada filtro tem um fator de qualidade Q (adimensional): Q

=

(2.12)

Quanto à seleção das frequências, os filtros denominam-se: •

Passa-altas: HPF (high pass filter).

•

Passa-baixas: LPF (/ow pass fi/ter).

•

Passa-faixa: BPF (band pass filter).

•

Rejeita-faixa: BSF (band stop filter ou Q notch fi/ter).

•

Passa-tudo: APF (ali pass filter), esse filtro serve para retardar a onda.

Nos gráficos do Quadro 2.1, para filtro ativo, o eixo vertical indica o ganho A do filtro, que pode ser unitário ou maior que um, geralmente limitado a dez, pelo risco de o circuito oscilar, e o eixo horizontal é o das frequências. O filtro passa-altas (HPF) permite a passagem dos sinais elétricos no intervalo entre mc e o infinito (teoricamente), o passa-baixas (LPF) permite entre zero e a frequência de corte mc, enquanto o passa-faixa (BPF) permite sinais entre m1 e m2. Inversamente, o filtro rejeita-faixa (BSF) atenua os sinais entre as frequências m1 e m2. O último deles, de nome interessante, o passa-tudo (APF), não teve a curva de resposta apresentada pelo fato de produzir um efeito de retardo, geralmente especificado em ângulo, em sinais de uma certa faixa de frequências. Em muitos casos, projetos de filtros ativos tornam-se relativamente simples mediante utilização de esquemas típicos e formulações matemáticas já prontas para os cálculos de componentes do circuito. A simulação em computador dotado de programa do tipo Mu/tisim, destinado a circuitos eletrônicos em geral, facilita sobremaneira a verificação do funcionamento e ainda disponibiliza os gráficos de resposta de frequências, de formas de onda, fases de sinais etc. Modernos filtros eletrônicos são projetados com Cls, podendo ser programados para variar o ganho de amplificação, frequência de operação e banda passante. 58 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Quadro 2.1 - Curvas de resposta de filtros e símbolos na norma inglesa A

PASSA-ALTA

3 dB HPF

~

/")1

A REJEITA-FAIXA

------ ---

BSF

~

'"X..., ~

o ú>1

ro2

Eletronicamente, processar um sinal é trabalhar o sinal em circuitos amplificadores, filtros, atenuadores, conversores A/D e D/A etc. para se obter um certo resultado desejado. O processamento pode ser feito analogicamente ou digitalmente.

2.12 Sinais digitais As técnicas digitais da eletrônica moderna foram concebidas, teoricamente, há décadas, quando os projetos não podiam ser implementados em virtude da carência tecnológica da época, quando enormes válvulas termoiônicas eram usadas para gerar e amplificar sinais. Com o passar do tempo, as válvulas foram miniaturizadas e depois substituídas pelos transistores. Os primeiros transistores foram feitos a partir do germânio, mas devido a problemas de instabilidade térmica foram substituídos pelos transistores de silício, utilizados nos dias de hoje. As principais dificuldades encontradas nas antigas montagens eletrônicas eram as dimensões das válvulas, o calor dissipado e o valor da tensão contínua da fonte de alimentação, da ordem de 250 volts ou mais, e chegavam à baixa qualidade dos enormes componentes passivos (capacitares e resistores). Como a válvula opera a vácuo, feito no interior do bulbo de vidro, a denominação estado sólido refere-se ao dispositivo semicondutor, fabricado a partir de uma estrutura cristalina sólida.

59 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Os transistores, de menores dimensões, dissipam muito menos calor e operam com fontes de baixa tensão contínua, comumente de 3 a 12 volts; os de maiores dimensões são transistores de potência. A Figura 2.16 mostra uma válvula, considerada miniatura na década de 1970, tendo ao lado um transistor amplificador de pequenos sinais que efetivamente substituiu a válvula com vantagens.

\

•

Figura 2.16- Uma válvula termoiônica ao lado de um transistor.

O surpreendente avanço nas técnicas de miniaturização, a microeletrônica e a melhoria considerável na qualidade dos componentes, o surgimento do circuito integrado (CI) e do microprocessador, responsável pelo comando e controle das operações dos aparelhos eletrônicos modernos, incrementaram sensivelmente a técnica digital. Em prosseguimento, os circuitos eletrônicos tornaram-se mais sofisticados, e a montagem dos componentes passou a ser em SMD (surface mounted device), com componentes minúsculos, da era da nanoeletrônica. Em consequência, os equipamentos tornaram-se menores, mais leves e com melhor desempenho. A foto da Figura 2.17 mostra uma das faces da placa de circuito impresso de um modelo de telefone celular digital, onde se observam a montagem superficial, os componentes nanominiaturizados e a importante presença do microprocessador, assinalado com uma seta. µP

Figura 2.17 - Placa de circuito em SMD de um telefone celular. Dimensões: 12,5 x 4,0 cm.

Hoje, vencidas as dificuldades técnicas, a tecnologia digital desponta e é usada em larga escala. Muitas das comunicações com sinais analógicos migraram ou estão migrando para as comunicações digitais, e o rádio digital amplia seus domínios. Ao contrário dos sinais analógicos, que são obtidos "naturalmente" de transdutores, os sinais digitais ou bits da informação digital são "sinais artificiais", codificados, gerados em cir-

60 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

cuitos da eletrônica digital como de um computador ou de uma agenda eletrônica. Os bits podem ser armazenados em circuitos de memória e, quando desejado, removidos. A conversão dos sinais analógicos em sinais digitais ocorre no conversor A/D (de analógico em digital). A operação inversa, que recupera a informação na forma analógica, é feita no conversor D/A (de digital em analógico). Um exemplo do que está sendo comentado é o aparelho conhecido por secretária eletrônica sem fita. A secretária atende à ligação, converte em digitais os sinais analógicos da voz da mensagem e armazena os bits em circuitos de memória. Quando se quer ouvir o que foi gravado, basta acionar um botão e os bits são removidos da memória, enviados ao conversor D/A para recuperar os sinais analógicos originais, amplificá-los e a informação, no caso a voz, ser reproduzida pelo alto-falante do aparelho.

Os sinais digitais são convenientes às comunicações Comparando os dois tipos de sinais, digital e analógico, observa-se que: •

As comunicações digitais são mais seguras e bem menos vulneráveis à ação do ruído elétrico que as comunicações analógicas. Sinais digitais não são inteligíveis na sua forma original.

•

Os bits podem ser facilmente colocados em circuitos de memória, em disquetes magnéticos ou em CD-ROM. Os sinais analógicos são gravados em fitas magnéticas, tecnologia hoje considerada em obsolescência.

•

Os sinais oriundos de diversas fontes de informação, geralmente canais de voz, podem ser todos transmitidos simultaneamente, ocupando um único canal de comunicações, pelo processo da multiplexação (ver Capítulo 1O - Multiplexação de canais). A multiplexação por divisão de tempo, digital, supera com vantagens, em quantidade de canais e qualidade do sinal, a multiplexação por divisão de frequência, feita de forma analógica.

•

O sinal digital oferece facilidade eletrônica à criptografia {encryption), ou seja, a colocação da informação numa forma cifrada, na intenção de dificultar ou impedir a interpretação da mensagem por elemento estranho e indesejável ao sistema, como o caso bastante conhecido do grampo telefônico, que ocorre no sistema de telefonia fixa, com sinal analógico de voz.

Criptografia significa escrita oculta no sentido de ininteligível. Em passado remoto, no campo de batalha, um general enrolou, em diagonal, uma fita de papiro na lâmina de sua espada e sobre ela escreveu uma mensagem. Desenrolou a fita e a entregou ao mensageiro, sabendo que o destinatário, outro general, teria uma espada igual à

61 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

sua e saberia interpretá-la. Se porventura a fita chegasse às mãos do inimigo, certamente a mensagem não seria entendida. Da antiguidade, talvez tenhamos o primeiro relato de criptografia militar. Quando aplicada aos sinais de voz e de vídeo, usam-se os termos criptovox e criptovídeo, respectivamente. O scrambler é o codificador analógico, mas o nome, por vezes, é estendido ao digital. Busca o efeito cripta, porém em analógico, com pouca garantia de segurança. O aparelho decodificador é o descrambler. A criptografia é desenvolvida pela aplicação de um criptossistema. A técnica mais comum é a colocação dos bits da informação em circuitos de memória para retirá-los fora da sequência de geração, segundo uma chave preestabelecida ou comandada por um gerador pseudoaleatório. Um circuito digital se encarrega de executar a tarefa, uma espécie de embaralhamento dos bits. Na recepção, os bits são encaminhados ao banco de memórias e retirados na sequência correta, para reproduzir a informação original (decryption). Aparelhos telefônicos, de fax e transceptores, principalmente, podem ser preparados com dispositivos de criptossistemas para prover maior segurança às comunicações. Os criptossistemas aumentam significativamente o grau de segurança das mensagens. Quem cuida da criptografia é o criptoanalista. Nos sistemas de comunicações digitais a transmissão dos bits é feita no modo em série (serial). O modo serial consiste na transmissão de sequências de bits por um só canal. O outro modo é o paralelo, no qual os bits são transmitidos, um a um, em múltiplos canais, geralmente fios, e na quantidade de oito. Uma transmissão, dependendo do sistema, é formada por diversos grupos de bits, que são da informação, protocolos, sincronismo e bits redundantes do sistema de correção de erros. Para atender às necessidades da audição e da visão, é preciso, na recepção, recuperar o sinal analógico original, ou seja, fazer a conversão D/A, para reproduzi-lo em áudio e vídeo; então as comunicações digitais mostram a sua vulnerabilidade. Devido, principalmente, às ondas de multipercurso e ao ruído elétrico (Capítulo 3), podem ocorrer erros. É considerado erro quando o bit transmitido é 1 e o decisor, na recepção, decide por O, ou quando se transmite Oe o decisor decide por 1. O decisor é um estágio do demodulador do receptor do modem encarregado de reproduzir os bits 1 e Oa partir da onda portadora chaveada. Em consequência dos bits errados, o sinal recuperado (analógico) pode conter distorções, o que é muito ruim. Sequências de bits errados dificultam a compreensão das mensagens e podem até inviabilizar as comunicações, e para que isso não ocorra são usados códigos de correção de erros no sistema de comunicações.

62 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Sinais analógicos defeituosos, por algum motivo, podem ser reproduzidos mesmo com problemas, mas se digitais, o sistema rejeita e se encarrega de interromper a reprodução.

Não se deve confundir equipamento digital com comunicações digitais A eletrônica costuma ser dividida em duas, linear e digital. A tradicional eletrônica linear compreende, basicamente, circuitos amplificadores e geradores de sinais, enquanto a técnica digital compreende circuitos chaveadores, lógicos, multivibradores, microprocessadores, de memória, displays etc. Os equipamentos eletrônicos atuais, mesmo quando processam sinais puramente analógicos, podem fazê-lo usando tecnologias da eletrônica digital. Por exemplo, o rádio AM, o rádio FM, a televisão analógica e o videocassete processam sinais analógicos, mas o mostrador (display) de Leds ou de cristal líquido, a memória de canal e o controle remoto sem fio denunciam o emprego de técnicas digitais. As informações digitais são processadas, por exemplo, no reprodutor de CD e DVD, aparelho de fax, computador, agenda eletrônica, televisão digital, telefone celular de tecnologia digital e em receptor de satélites de comunicações digitais, aqueles que usam antenas com refletores parabólicos de pequenas dimensões. Após a conversão D/A, tem-se os sinais analógicos recuperados nas saídas de áudio e vídeo, para reprodução do som e da imagem, respectivamente. Além de melhorar significativamente a qualidade dos sinais (ver DSP no Capítulo 6), a aplicação da eletrônica digital nos aparelhos agiliza e facilita sobremaneira as operações, proporcionando maior comodidade aos usuários.

2.13 Geração dos bits A informação digital é constituída de pulsos gerados a partir do chaveamento eletrônico de uma fonte de tensão contínua. Os bits correspondem a duas situações: tem ou não tem tensão. Por existirem apenas dois estados possíveis, 1 ou O, respectivamente, são denominados sinais binários. Esta situação pode ser comparada à de uma lâmpada que está acesa (1) ou está apagada (O). Chaveamento

+V Fonte de .&.---~te1 ,::s~u + contínua

~

••

•• > •>

-

_ írl__ s _.. ,

::l

Tem+V 1

Não tem

::l

dos bits

o

o

' '

1

1

1 1

1

~

Sentido de saída .' • aos 011s (1 e O)

.

t(s)

{b)

{a)

Figura 2.18 - a) Esquema de fonte geradora de bits; b) bits Oe 1.

63 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

A largura do pulso ou tempo de duração do bit,

'tb,

é medido na unidade de tempo segundo (s)

e a taxa de geração, na quantidade de bits por segundo. Na geração do caractere ou na conversão A/D, o elemento de informação geralmente é representado pela combinação de 8 bits, que corresponde a 1 byte. A Figura 2.19 mostra uma combinação genérica de 8 bits: 1 1 OO1 1 O1. E(V}

o

1

o

1

1

o

1

1

=> Seq. de salda

5V 1

1

1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1

1

2

1

o

'

1

'

1 1

1 1 1 1

1

1

1

1

1

4

3

5

7

6

t(µs)

8

Figura 2.19 - Representação de um sinal digital com 8 bits.

2.14 Códigos de caracteres O primeiro código telegráfico surgiu em 1836, criado por Samuel Morse, e recebeu o seu nome. O código Morse, de uso internacional (ver Anexo D), utiliza uma combinação de traços e pontos para representar as letras, os algarismos, a pontuação e algumas advertências. A ação manual (ponta dos dedos) sobre um interruptor denominado manipulador interrompe a geração da onda portadora do transmissor e, quando pressionado, gera os pontos e os traços, com tempos distintos de duração. O bom desempenho da telegrafia manual exige do operador treinamento e prática. A transmissão em código Morse pode ser considerada a primeira forma de comunicação digital, conforme mostra a Figura 2.20. Onda portadora

"'

~

"'

"'

,,

r,

•

"'

--

~

r

t ~

•

"

1.

~

r

•

•

t

-

M

•

-

Letra R

Figura 2.20 - Letra R em código Morse e seu equivalente digital.

Embora relativamente pouco usado, existe um dispositivo eletromecânico que converte, em código Morse, automaticamente, o texto escrito da mensagem. Com o advento da telegrafia automática, o teleimpressor foi a primeira máquina de comunicações com impressão da mensagem escrita em papel. Semelhantemente à máquina

64 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

de escrever elétrica, um teleimpressor, ao ser ligado a outro de mesmas características, transmite e recebe caracteres no código de Baudot, no modo assíncrono, com cinco pulsos ou bits por caractere, precedidos de um pulso Ode partida (start), de mesma duração que o bit de informação e seguidos de um pulso 1 de parada (stop), com duração de um bit e meio, perfazendo o total de 7,5 bits/caractere. A velocidade de transmissão é expressa em bauds. Um baud corresponde a um pulso ou bit por segundo, mas é preciso tomar cuidado com a equivalência. São três as velocidades disponíveis no teleimpressor: 50, 75 e 100 bauds. Na velocidade intermediária, mais usada, um caractere completo tem 5 bits de informação acrescidos de 1 bit de partida e 1,5 (em tempo de duração) de parada (bits de sincronismo); logo, são 7,5 bits/caractere, transmitidos em 1/10 s. Na referência "word", para 100 caracteres, a transmissão telegráfica é feita em 75 bauds. Para assegurar uma transmissão mais rápida e contínua, opera-se com fita perfurada com o texto da mensagem, preparada com antecedência. O teleimpressor foi bastante empregado durante décadas como equipamento terminal de sistemas rádio (TOR - "teletype over radio") e fio (TELEX), mas devido à ocorrência considerável de erros no texto, relacionados ao ruído do canal rádio, ao tempo gasto na preparação das mensagens em fita perfurada e ao surgimento de novas técnicas, hoje o teleimpressor no código de Baudot praticamente não é mais usado. Observa-se que Teletype é a marca de um teleimpressor, que deu origem ao nome teletipo.

J

Figura 2.21 - Foto de um teleimpressor Siemens.

Para verificação da impressão e teste do teclado dos teleimpressores, costumava-se usar uma frase, em inglês, que contém todas as letras do alfabeto: the quick brown fox jumps over the lazy dog. Em novas versões, os equipamentos são computadorizados e utilizam códigos de teclado de 8 bits por caractere, comumente o ASCII. Os 7 bits saem da tabela do código e o oitavo (acrescido ao final) é o bit de paridade, um bit "extra" determinado pelo sistema, que pode ser par ou ímpar. Resulta da soma dos 7 bits da tabela do código, considerando-se a seguinte regra de adição na operação binária:

1+1=0

O+ O= O (O é par)

0+1=1

1 +O= 1 (1 é ímpar)

Exemplo: seja um sistema de paridade par, e os 7 bits do caractere são 1 O1 OO1 1.

65 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Somando os bits do caractere, obtém-se O(par). Assim, o oitavo bit para completar o byte é O. Logo, os bits correspondentes ao caractere são 1 O1 OO1 1 O.

Código ASCII Certamente, o mais usado dos códigos é o ASCI I, de 8 bits por caractere, cuja sigla representa American Standard Code for lnformation lnterchange (ou USASCII X3.4 - 1967 de USA Standards lnstitute). A Tabela 2.2 mostra a sequência dos 7 bits que constituem os caracteres do código ASCI1, de b1 a b7, sendo o oitavo bit de paridade do sistema. Tabela 2.2 - Código ASCII -

'•

o

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•

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•

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o o

1

o

1

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1

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DEL

Exemplo: para a letra A, retirando os bits de b1 a b7 da tabela, obtém-se 1 OOOOO1. Considerando-se o sistema de paridade par, o oitavo bit é O. As siglas aplicadas no quadro, em inglês, têm os seguintes significados: NUL null (todos zero) SOH start of heading STX start of text ETX end of text EOT end of transmission ENQ enquiry

BS backspace HT horizontal tabulation LF line feed VT vertical tabulation FF form feed CR carriage return

66 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

ACK acknowledge (entendido) BEL bell (campainha) DLE data link scape DC1 device control l DC2 device contrai 2 DC3 device contrai 3 DC4 device contrai 4 NAK negative acknowledge (não entendido) SVN synchronous idle ETB end of transmission block CAN cancel

SO shift out SI shift in END end of medium SUB substitute ESC escape FS file separator GS group separator RS record separator US unit separator SP space DEL delete

Há inúmeras versões padronizadas de códigos com diferentes nomes, mas basicamente quase todos eles se assemelham ao ASCII e, como o ASCII, são códigos de teclado, de agenda, de computador etc.

Código CCITT

"º 5

Outro código utilizado nas comunicações de dados é a versão CCITT nº 5, por vezes denominada Alfabeto internacional nº 5. Semelhantemente ao ASCII, possui 7 bits por caractere, con-forme a Tabela 2.3 e, da mesma forma, o oitavo bit é de paridade. Tabela 2.3 - Código CCITT nº 5

• 1,.

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Á.

b 7 bs bs b4 b3 b2 b1

+ + + .. o o o o o o o 1

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(TC,)SOH (TC 2 )STX (TC 3 )ETX (TC 4 )EOT (T C 5 )ENO (TC 6 )AC K BEL FE 0 (BS) FE, (HT) FE2 (LF) ?.

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V

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Fonte: Telecommunication Transmission Handbook, Freeman.

67 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Outros códigos Além dos códigos ASCII e CCITT nº 5, existem outros, para outras aplicações, como BCD (Binary Coded Decima~, código em seis níveis, algumas vezes implementado para 7 bits, sendo um bit de paridade, e o EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal lnterchange Code), código em oito níveis, ambos utilizados em transmissão de dados por alguns tipos de computador.

2.15 Conversão do sinal analógico em digital {A/D) 2.15.1 PCM (Pulse Code Modulation) Um dos processos de conversão do sinal analógico em digital é o PCM · modulação por código de pulso. A conversão compreende quatro estágios, a saber, na sequência: amostragem, quantização, codificação e compressão.

Primeiro estágio- amostrador ou estágio de amostragem do sinal Amostrar {samp/er) o sinal analógico consiste em entrecortar eletronicamente o sinal, a intervalos de tempo iguais, para obter estreitos pulsos nos valores de tensão do sinal, conforme a Figura 2.22. Antes de ser amostrado, o sinal precisa passar por um filtro passa-faixa para limitação de banda e é colocado sobre um patamar de tensão contínua + Ec. O objetivo final é codificar, com 8 bits, as amostras de diferentes amplitudes (valores positivos e negativos). Amplitude (V)

Figura 2.22 - Amostras de um sinal analógico.

68 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

A operação de amostragem do sinal pode ser realizada pelo circuito modulador PAM, mostrado na Figura 2.23. Praticamente, o modulador PAM realiza a operação de "fatiar" o sinal analógico. O espectro do sinal modulado PAM consta da Figura 2.24. Entrada do sinal analógico

-

fm

---llil

Modulador

Saída do sinal

PAM

amostrado

Gerador de pulsos

ru

fo

Figura 2.23- Diagrama em blocos da modulação PAM.

Pelo teorema da amostragem, de Nyquist, a frequência de amostragem fO deve ser, no mínimo, o dobro da maior frequência contida no sinal; caso contrário, não será possível a recuperação do sinal (ocorre a/iasing). Exemplo: no canal de voz, com B = fm = 4 kHz, f3 = 2 x 4 kHz = 8 kHz, cada uma das amostras será codificada com 8 bits e a taxa de transmissão referente ao canal de voz é 8 kHz x 8 bits = 64 kbits/s. Amplitude V

Figura 2.24 - Espectro do sinal modulado PAM.

Na recepção, há dois processos para recuperar o sinal analógico. No primeiro filtra-se a faixa inicial de Oaté fmcom um filtro passa-baixas. O outro processo consiste em fazer a demodulação do sinal de modo semelhante à demodulação AM/DSB, com a portadora na frequência f0 e bandas laterais (f0 - fm); e (f0 + fm). Para a perfeita demodulação, precisa haver uma separação entre as bandas, uma banda de guarda, BG, assinalada na Figura 2.24. Com a banda de guarda se evita a interferência intersímbolos, um sério problema de superposição das bandas, mostrado na Figura 2.25, que resulta na deformação do sinal analógico recuperado. Assim, em função do teorema da amostragem: (2.13) V

o

f

Figura 2.25 - Interferência intersímbolos.

69 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Segundo estágio· quantização Quantizar consiste em "medir'' eletronicamente as alturas dos pulsos recebidos do estágio amestrador em "n" níveis fixados. A intenção é obter de cada altura medida inicialmente 13 bits, sendo 1 de paridade do sistema e 12 derivados da amostra. Posteriormente os 13 bits serão submetidos a uma compressão e reduzidos a 8 bits. 12

Para a obtenção dos 12 bits por amostra, são necessários n = 2 = 4096 níveis de quantização. A base 2 é própria do sistema binário. Assim é feito para reduzir os erros de quantização, decorrentes das amostras cujos valores chegam próximo, mas não têm exatamente o valor do nível fixado e, em consequência, precisam sofrer uma aproximação para mais ou para menos. 0 ,30 V etc. 0,25 V

Arnostras do sinal com valores positivos

0.20 V O, 15 V

2048 níveis

t

- .:,

0.10 V

ov -0.1O V -0.15 V -0 ,20 V Amostra do srnal com valores negativos

...

2048 niveis

-0.25 V -0,30 V etc.

Figura 2.26 - Função degrau usada no estágio de quantização.

Um quantizador, representado no gráfico da Figura 2.26, função degrau, é o responsável pela medição das alturas das amostras do sinal analógico da informação.

Terceiro estágio - codificação O circuito codificador tem por função gerar 13 bits por amostra quantizada num certo código preestabelecido. Repetindo o que já foi comentado, posteriormente os 13 bits serão reduzidos para apenas 8 no estágio de compressão digital.

Quarto estágio· compressão digital A compressão digital consiste na redução dos 13 bits codificados em apenas 8 bits, em obediência a um certo critério, de modo a não haver distorção no sinal analógico recuperado, quando na recepção. O critério consiste na aplicação de uma de duas das leis mais usadas em compressão digital, a lei A ou lei µ.

70 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Finalizando, um certo nível do sinal amostrado é assim codificado 1 11 OO1 O1. Os pulsos correspondentes são apresentados na Figura 2.27. Amplitude

(voU)

1 1

1 1

'

'11

1

1

1 1 1

1

1

'

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1

o

o o

1

1

1

1

1

:::::. Saída ,d os bits

•1 1 1

1

1

1

1 1

1 1

31 ,2

46,8

62,4

78

t(µs)

93,6 109,2 124,8

Figura 2.27 - Exemplo de um byte obtido do codificador.

2.15.2 DM (Delta Modulation) Outra opção de digitalização do sinal analógico é a modulação delta {DM), que surgiu do estudo do DPCM - PCM diferencial. DM é a versão DPCM que utiliza um bit por amostra, em dois níveis, 1 e O. Na sua forma original, DM consiste em varrer a banda básica do sinal analógico com a função degrau se obter a diferença entre o sinal de entrada e o seu enquadramento pela fun1 ção, conforme a Figura 2.28, em que T0 = (TO período do bit e f0 a frequência do bit).

fo

A vantagem da DM sobre o PCM é a menor ocorrência de erros, conforme acontece no estágio de quantização do processo PCM. O sistema DM é bastante utilizado em MUX digital. Amp litude

{V)

Bits de saída:

O

O

1

O

1

1

1

1

O

1

O

O

O

O

O

Figura 2.28 - Gráfico representativo da modulação delta.

ADPCM (Adaptive DPCM) ou DPCM adaptado - é uma variante do DPCM destinada a converter sinais analógicos em digitais com taxas menores que 64 kbits/s do PCM padrão, por exemplo, 40, 32, 24 ou 16 kbits/s, com a finalidade de viabilizar a transmissão de dados em canais de banda estreita. O ADPCM costuma ser usado, por exemplo, em sistemas de videoconferência e volP (voz sobre IP - Internet Protocol). 71 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

2.16 Conversão D/A do sinal PCM A recuperação do sinal digital deve trazer de volta os sinais da informação na forma analógica, com a menor distorção possível, de acordo com os padrões do sistema e de aceitação pelo usuário. A conversão D/A consiste em três etapas:

•

Regeneração: é o estágio em que os pulsos recebidos são limpos e refeitos pela eliminação do ruído superposto ao sinal e a distorção do formato do pulso.

•

Decodificação: é a operação inversa à codificação, na qual cada sequência de 8 bits reproduz uma amostra na tensão correspondente ao sinal analógico original. Entretanto, antes da decodificação é feita uma operação de expansão dos bits, em oposição à de compressão, realizada por ocasião da conversão A/D.

•

Filtragem: pode ser feita por um simples circuito RC ou por um filtro passa-baixas (LPF) mais sofisticado. A partir da filtragem o sinal analógico está recuperado, pronto para ser amplificado e reproduzido pelo transdutor.

2.17 Outros moduladores digitais: PWM e PPM 2.17.1 PWM (Pulse Width Modulation) Em PWM o sinal analógico da informação modula em frequência ou em largura de pulso a portadora de trem de pulsos. Os pulsos sofrem alteração na largura, mantendo-se constantes a amplitude e o intervalo original entre os pulsos. A Figura 2.29 mostra o sinal analógico em(t) e o sinal PWM ew (t).

Entrada do sinal analógico

em(t)

~

r

Modulador

PWM ~

..

~

r

.

Saída PWM

~

r

t

Gerador de pulsos f 0

Figura 2.29 - Diagrama em blocos e saída do sinal do modulador PWM.

Um circuito modulador PWM relativamente simples é montado com um CI 556, um duplo 555. O modulador PWM pode ser usado como modulador digital para FM, cujo sinal senoidal é obtido após uma filtragem.

72 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

2.17.2 PPM (Pulse Position Modulation) Em PPM a onda modulada é obtida a partir do circuito PWM. Processado por um CI multivibrador (monoestável), o sinal PWM é convertido em PPM. Na Figura 2.30, observam-se os sinais: analógico em (t), PWM e PPM, com deslocamento -r0 do pulso, proporcional à intensidade do sinal analógico, mantendo-se constantes a amplitude e a largura dos pulsos.

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1

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1

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t

Figura 2.30 - Sinal PPM obtido de um PWM.

2.18 Formatos dos sinais binários A forma de apresentação tradicional do sinal binário, talvez a mais usada, é a polar, unipolar ou sinalização on-off, mas existem outros formatos, apresentados a seguir:

•

Bipolar sem retorno a zero {NRZ • nonreturn-to-zero), em que o bit 1 é representado por um pulso positivo (+1) e o bit O, por um pulso negativo (- 1).

•

Bipolar com retorno a zero {RZ • return-to-zero), também conhecida como sinalização pseudoternária, em que os bits 1 são representados por pulsos positivos (+1) e negativos (- 1) usados alternadamente a cada ocorrência de 1 e não há pulso (igual a zero) na ocorrência de O.

•

Manchester ou sinalização bifásica de banda básica, em que 1 é representado por um pulso positivo seguido de um pulso negativo, Osão dois pulsos reversos e todos os pulsos têm a metade do tempo de duração do pulso de referência polar. É comumente usado nos sistemas digitais com fibras ópticas.

Os pulsos são formatados na origem, nos circuitos geradores de caracteres, ou podem ser modificados por um conversor de pulsos, dispositivo eletrônico encarregado de passar de um formato para outro. Os formatos mais utilizados estão mostrados na Figura 2.31.

73 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

V

•

•

o

1

o

1

o

1

1

1

+1

o

1

1

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1 1 1

1

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1 1

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1 1 1 1 1 1

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• 1 1

1 1

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•

1

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1 1

1 1

1

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1

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1

Form a polar

1

Form a b ipolar NRZ

1

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1

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1

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1

1 1 1

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1

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1

1

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1

1

Form a bipolar RZ . • t

1

1

1

1

r

...• t

1

1 1

Figura 2.31 - Diferentes formatos dos sinais binários.

2.19 O olho padrão A qualidade dos sinais da informação digital pode ser avaliada com auxílio do analisador de sinais digitais ou de um osciloscópio digital, pela análise da imagem do diagrama de olho, referenciada ao olho padrão. A Figura 2.32 mostra uma imagem referente a sinais digitais ideais, sem interferências intersímbolos, sem agitação Uitter): o olho padrão.

Figura 2.32 - Olho padrão referente a pulsos de sinal digital.

74 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

2.20 O canal de comunicações Em relação ao canal de comunicações, a condição mais desfavorável à transmissão digital ocorre quando o sistema gera uma sequência de pulsos simétricos (sinal periódico) O1 O 1 O1 O1 O1 O1 etc. Nesta situação, a transmissão ocupa uma maior largura de faixa B. Nas comunicações radiotelegráficas, por exemplo, no código de Baudot, para testar o canal rádio, prepara-se uma fita perfurada com as letras R e Y, para reproduzir, na transmissão, os pulsos mencionados. O mesmo pode ser feito com os caracteres U e*, no código ASCII (confira). Quando o canal não comporta a transmissão porque B é menor que o necessário, e inexistindo dispositivo eficaz de correção de erros, há incidência contínua de erros dos caracteres recebidos. A compatibilidade da transmissão de dados com a largura do canal de comunicações consta no Capítulo 11 .

Exercícios 1. Utilizando os prefixos de múltiplos e submúltiplos, converta os seguintes valores: a) 50.000 watts, b) 1.000.000 ohms, c) 0,000.050 volt, d) 0,000.000.022 farad. 2. O valor da tensão de pico de um sinal senoidal é EP= 5 volts e o período T = 3 ms. Calcular o valor da tensão eficaz ou rms e a frequência do sinal. Usar como referência a figura seguinte. e(t)

-

-----------· Ep

o ,___--+--.........---..t T

3. Calcule o ganho, em dB, da amplificação de 200 vezes realizada por um amplificador de tensão.

4. No sistema ASCII, dê a sequência dos bits da saída, de 1 a 7, dos caracteres: (a) letra C, (b) algarismo zero, (c) comando DEL. 5. Para amostrar um sinal de vídeo com fmáx de 4 MHz, pelo teorema de Nyquist, (a) qual o menor valor da frequência de amostragem? (b) Sendo a quantização de 8 bits por amostra do sinal, qual será o valor da taxa de transmissão?

75 Os Sinais Elétricos da Informação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

76 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Os Canais de Comunicações e o Ruído Elétrico

3

3.1 Conceito de canal Canal ou meio de comunicações é o meio físico entre o transmissor e o receptor por onde transitam os sinais elétricos ou eletromagnéticos da informação. Em telecomunicações, o termo canal possui pelo menos três significados:

12) Usado para especificar um meio de comunicações: fio, rádio ou fibra óptica. Os materiais empregados dão nome aos meios de comunicações. 22) Caminho para o sinal, por exemplo, um amplificador de áudio estereofônico possui dois canais: esquerdo (L - /eft) e direito (R - right) . 32)

Segmento do espectro de frequências com largura de banda (bandwidth) B ou faixa ocupada por uma transmissão de rádio.

3.2 Tipos e características dos canais 3.2.1 Canal fio Consiste em pelo menos dois fios condutores elétricos usados para conduzir os sinais da informação. Uma rede telefônica fixa é feita com fios e cabos. Os cabos são constituídos internamente de múltiplos condutores isolados, podendo abrigar, em seu núcleo, cabos coaxiais e fibras ópticas. Um cabo pode ser instalado de modo aéreo (suspenso em postes), enterrado, subterrâneo (em túneis ou galerias) ou ainda submerso em rio, lago ou oceano, sendo especialmente fabricado para esta finalidade. Em casas e edifícios, quando embutidos nas paredes e pisos, passam

Os Canais de Comunicações e o Ruído Elétrico Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

77

em condutos destinados exclusivamente à rede telefônica/áudio/TV, separadamente dos condutos com os fios da rede elétrica. Dentre os diferentes tipos, fios e cabos possuem características elétricas próprias, que são especificadas em folhas de dados (data sheet) expedidas pelos respectivos fabricantes, tais como impedância, resistência, capacitância e outras, para que o material seja escolhido corretamente. E ou ~

e.:

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Figura 3.1 - Materiais utilizados em redes fixas: a) cabos e fios metálicos; b) cabos ópticos.

3.2.2 Canal rádio Deve ser entendido como um segmento do espectro de frequências ocupado pela onda eletromagnética de um equipamento emissor. A onda de rádio se propaga no espaço livre, transportando os sinais elétricos da informação. O espaço livre é o meio físico das comunicações rádio. Em situação particular, a onda de rádio pode ser aplicada sobre os fios da rede elétrica, conforme foi explicado no Capítulo 1, power fine carrier. O canal rádio é o mais fácil de ocupar. Enquanto os canais fio e fibra óptica precisam ser construídos, para o canal rádio basta ter em mãos os equipamentos transceptores para o fechamento do enlace. Contudo, no espaço livre, as ondas eletromagnéticas encontram problemas de distúrbios e interferências, que evidenciam a fragilidade do canal. Transceptor é o nome dado ao equipamento rádio dotado de transmissor e de receptor em um mesmo volume.

3.2.3 Canal fibra óptica A fibra óptica é um elemento monofilar de estrutura cristalina, condutor de luz, que transporta a informação sob a forma de energia luminosa. É também chamada de guia de luz. Possui alto índice de refração, e a luz, ao se propagar na fibra, sofre atenuação e dispersão.

78

Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

O canal fibra óptica tem algumas vantagens sobre os demais meios, dentre elas: •

Não irradia nem sofre interferências de sinais eletromagnéticos externos.

•

A atenuação da luz na fibra, embora exista, é de baixo valor.

•

Permite elevadas taxas na transmissão Figura 3.2 - Segmento de fibra óptica com conector. de dados, da ordem de 1OGbits/s.

Dois tipos diferentes de fibra recebem as denominações: monomodo (single-mode) e multimodo, sendo este mais usado em pequenas distâncias.

3.3 Propriedades dos canais de comunicações Cada tipo de canal possui características próprias e utilização específica, mas todos têm algumas propriedades em comum. Dentre elas podem ser citadas as que se apresentam em seguida.

3.3.1 Atenuação da intensidade do sinal O sinal elétrico vai perdendo energia ao se propagar no canal de comunicações e chega ao receptor com intensidade atenuada. Por exemplo, um canal telefônico representado por um par de fios, comumente chamado de linha telefônica, tem impedância característica nominal de 600 ohms. O valor preconizado para o sinal aplicado à entrada da linha é de um miliwatt (1 mW sobre 600 Q). Linhas muito longas (acima de 10 km) e em mau estado de conservação atenuam consideravelmente o sinal. A atenuação é medida com um sinal de teste na frequência de 1 kHz. Na efetivação do enlace, o valor da atenuação do sinal deve permanecer na faixa entre 13 e 18 dB. O recurso encontrado para restaurar o nível do sinal é o emprego do amplificador de linha.

3.3.2 Limitação em largura de faixa ou largura de banda Todo canal é limitado em faixa ou banda passante (bandwidth), costumeiramente designada pelas letras B ou BW e medida em hertz [Hz] ou radiano por segundo [rad/s]. Sendo a largura do canal limitada, o espectro do sinal da fonte deve ser menor ou, no máximo, igual à largura B do canal. Se essa imposição for contrariada, fatalmente ocorre distorção do sinal, com implicações na inteligibilidade da mensagem.

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79

Nos fios e cabos telefônicos, B é limitado pelas capacitâncias e indutâncias distribuídas, sendo o valor padrão B = 4 kHz. Nas comunicações rádio, o valor de B depende das características do sistema de transmissão, que devem estar de acordo com as normas internacionais sugeridas pela ITU. Por exemplo, a transmissão em SSB, na faixa de HF, monocanal, ocupa um segmento do espectro de 3 kHz; a transmissão de rádio AM comercial ocupa 1O kHz, enquanto na telefonia móvel celular com portadora entre 800 e 890 MHz, em FM, B = 30 kHz. Dentre os canais, o canal fibra óptica é o que possui maior banda passante.

3.3.3 Retardo Retardo (de/ay) é o nome dado ao tempo gasto para o sinal atravessar o canal de comunicações. O tempo de retardo L\t é calculado dividindo a distância percorrida pela onda no enlace dos dois pontos pela velocidade de propagação da onda no meio de propagação. Tem valor significativo nos enlaces entre pontos muito distantes, como nos enlaces via satélite. O retardo provoca um efeito de eco, percebido algumas vezes em ligações telefônicas via satélite geoestacionário, quando o dispositivo de cancelamento de eco não opera corretamente. Dois pontos distantes do satélite de 40 mil quilômetros cada um, viajando na velocidade de propagação da luz no vácuo, de 3 · 108 m/s, para percorrer os 80 mil quilômetros a onda sofre um significativo retardo i\t de 266 milissegundos. Numa partida de futebol televisionada e assistida simultaneamente em dois receptores, posicionados lado a lado, um sintonizado no canal local e o outro no sistema satélite, dá para notar que as imagens estão defasadas no tempo. A do canal local viaja menos e acontece de se notar primeiro. Também, cada tipo de equipamento integrante do sistema impõe ao sinal um tempo de retardo próprio do circuito eletrônico, quase sempre de pequeno valor, mas nem sempre desprezível. Em alguns casos, grupos de frequência do sinal sofrem um retardo maior que outras frequências no conhecido retardo de grupo.

3.4 Principais distúrbios nos canais de comunicações Os sinais estão sujeitos à ocorrência de distúrbios no canal, promovidos por fenômenos que prejudicam e, por vezes, até inviabilizam a recepção. Os principais distúrbios que ocorrem nos canais são apresentados em seguida.

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3.4.1 O ruído elétrico O ruído elétrico existe na forma de corrente elétrica, quando gerado internamente em dispositivos eletrônicos e na forma de onda eletromagnética, no espaço livre. É o resultado da agitação térmica dos elétrons existentes na matéria. Na realidade, a onda de rádio viaja num mar de ruídos gerados por diversas fontes. O ruído elétrico é tão importante que será estudado à parte, no item 3.6. O ruído se soma ao sinal no canal de comunicações.

3.4.2 Distorção do sinal A distorção consiste, praticamente, na alteração da forma do sinal. Os diferentes valores de atenuações impostas às diferentes frequências que formam o sinal geram distorções. Por exemplo, no canal fio, ao aplicar pulsos das comunicações digitais diretamente a um par de fios ou a um cabo, devido à capacitância e à indutância distribuídas, a partir de alguns poucos metros da fonte geradora começa a ocorrer distorção. Isso pode ser comprovado com o auxílio de um instrumento denominado analisador de distorção. Os pulsos distorcidos apresentam-se como dentes de serra, semelhantes aos mostrados na Figura 3.3. '

.

a)

b) e(t ) volt

e(t} volt

.. ~

o

1

2

3

4

t(s)

o

1

2

3

4

t(s}

Figura 3.3 - Distorção dos pulsos em comunicações de dados via fio: a) pulsos transmitidos, b) pulsos recebidos com distorção.

Nas comunicações digitais, a recuperação do sinal digital distorcido pode levar o usuário a não identificar a voz de seu correspondente (a voz é reproduzida com o timbre modificado), chegando até ao não entendimento do que é falado.

3.4.3 Sinais interferentes ou espúrios Sinais interferentes são sinais de outras comunicações que invadem o canal em uso, atrapalham e dificultam as comunicações em andamento, como, por exemplo, a conhecida linha cruzada na ligação telefônica. Também podem ocorrer nas comunicações rádio de forma ocasional ou proposital. Quando um sinal de outra conversação interfere na nossa, é considerado sinal espúrio ou indesejável.

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81

3.5 Distúrbios específicos do canal rádio 3.5.1 Ondas de multipercurso Nas comunicações rádio, em particular nas radiomóveis, uma parte do volume de energia irradiada pela antena transmissora forma uma onda direta, aquela que segue diretamente à antena receptora; o restante da energia se dispersa, subdividindo-se em ondas secundárias com reflexões no solo, em elevações do terreno (morro ou montanha), nas paredes de prédios, em áreas urbanas, em veículos e outros obstáculos, fixos ou móveis, conforme a Figura 3.4; outras se perdem e não chegam à antena receptora.

Onda refletida

110

morro

Ante1 na

Morro

receptora

Antena , Onda direta

o R.adiotransmissor

Onda refletida no, solo

A

8

III IJI II IIIIII IIII II II IIIJII II IJI IIII/ III IJII II Solo

Figura 3.4 - Ondas de múltiplos percursos.

As ondas secundárias de diferentes percursos, por isso mesmo denominadas ondas de multipercurso, chegam à antena receptora com diferentes intensidades, defasadas entre si e da onda principal. Para o receptor o sinal instantâneo resultante é a soma vetorial dos diversos sinais captados pela antena. Esse sinal varia de intensidade a cada instante, aumenta e diminui, passa por um nulo ou zero de tensão, resultado da composição vetorial instantânea, mostrada na Figura 3.5. O fenômeno da propagação é conhecido por desvanecimento ou fading, em inglês. e{t)

e, (t) --- - -- -

----- -- - ......, ,

,, ., ,,

R= E + E

,, ., ,.

E1

Figura 3.5 - Soma vetorial instantânea de dois sinais senoidais de mesma frequência, com diferentes amplitudes e defasados de cp.

82

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1

2

Na prática, o efeito do multipercurso pode ser notado durante a escuta de uma estação de radiodifusão AM, à noite, em lugar de boa recepção, quando ocorrem flutuações na intensidade do áudio. O sinal recebido é resultante de duas ondas, uma de propagação terrestre e outra refletida na ionosfera. Quando o resultante dos sinais assume zero de intensidade, diz-se ocorrer um nulo de sinal e, momentaneamente, não se escuta a estação. Nas comunicações móveis, quando ocorre um nulo prolongado, o sistema entende que o terminal móvel desligou e desfaz o enlace (telefonia móvel celular). Considerando-se apenas a onda direta e uma onda refletida no solo, as amplitudes e a defasagem entre os dois sinais que chegam à antena receptora e o efeito na fase da onda refletida estão ilustrados na Figura 3.6. Onda direta

A

B

Mudança de fase e

perda de energia

Onda refiet ida

no solo

Ponto de reflexão no solo

Figura 3.6 - Fases das ondas: direta (não muda) e refletida no solo (altera a fase).

3.5.2 Desvanecimento (fading) Foi comentado anteriormente. Ocorre devido a algum problema de propagação, geralmente pelas ondas de multipercurso e dutos. O sinal recebido flutua, varia de intensidade a cada instante, aumenta e diminui, passando por nulos ou zeros de tensão. Quando ocorre no modelo de propagação em visibilidade, o valor típico é de 40 dB, calculado pela média das variações do sinal recebido, obtidas de um aparelho registrador gráfico. Nos cálculos de enlaces, esse valor costuma ser acrescentado com perda adicional (margem de desvanecimento).

3.5.3 Ação da chuva sobre as ondas de rádio A chuva, fenômeno meteorológico, quando ocorre no percurso, enfraquece, despolariza a onda de rádio e degrada a recepção. O volume d'água da chuva apresenta-se à onda de rádio como um verdadeiro obstáculo que, embora transponível, causa problemas. O estudo desse

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83

fenômeno é baseado na gota d'água da chuva e o gráfico para obtenção do valor da atenuação consta no Capítulo 9 - Radiopropagação.

3.5.4 Efeito Doppler Ocorre com a onda de rádio o mesmo efeito Doppler conhecido da onda sonora. Quando um automóvel está em deslocamento e passa buzinando por uma pessoa parada à beira da estrada, o som emitido pela buzina do automóvel é ouvido em frequência diferente daquela que realmente é gerada. Quando o automóvel passa pela pessoa e se afasta, o som da buzina dá a impressão de ter assumido uma nova frequência. De modo semelhante, em telecomunicações, quando um radiomóvel está se deslocando na velocidade v, aproximando-se ou afastando-se de um receptor fixo no ponto P, a onda transmitida pelo móvel é recebida numa frequência diferente, alterada de ± Af [Hz], dependendo do sentido do deslocamento. Se o móvel se desloca no sentido da ERB, Af é positivo; se o móvel está se afastando da ERB, Af é negativo. Esse efeito coloca em risco a continuidade das comunicações. Assim, em telefonia móvel celular, quando o desvio Af é acentuado devido à velocidade de deslocamento do radiomóvel, o receptor da ERB perde a sintonia e o enlace é desfeito automaticamente (a ligação cai), a contragosto do usuário. A expressão matemática visando o cálculo do deslocamento da frequência é obtida a partir do esquema da Figura 3.7. P~ ... ... ....

'-

...

" " ... ...

...

',

...

',

.... ....

....

'-

'

.. " ... ...

L---------------------~(::~~

1 1 1

1

y

1

..

1

V

X

Figura 3. 7 - Ilustração do efeito Doppler.

V Af=-COS9 À

em que: Af

valor do deslocamento da frequência, em Hz;

V

velocidade do móvel, em m/s;

e

ângulo, em grau, entendido da Figura 3.7; comprimento de onda da transmissão, em m.

84

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(3.1)

3.5.5 Formação de dutos no percurso da onda Os dutos afetam principalmente os radioenlaces em visibilidade e suas formações ocorrem, com maior incidência, nos trópicos, em regiões alagadas, como arrozais, salinas, pântanos e em áreas de florestas. Os dutos são formados pelas inversões térmicas que ocorrem nas camadas de ar sobre a superfície terrestre. Durante o dia os causticantes raios solares aquecem o solo. Ao pôr do sol, o solo quente começa a liberar calor, aquece a água existente na superfície e à noite faz surgir, acima do solo, camadas de ar quente e úmido com diferentes densidades e índices de refração. Acima da camada de ar quente e úmido sopram brisas frescas, ar de temperatura mais baixa. Pela manhã, com o solo já resfriado, a camada de vapor sobe e algum tempo depois se desfaz e, naturalmente, o processo se reinicia. Nas situações mencionadas há a formação de dois tipos de duto, ilustrados na Figura 3.8. O primeiro, o duto de superfície, tem maior duração; o segundo, o duto elevado, tem duração mais curta. Dia

Manhã Sol Brisa - ----- -- -- - ·

-----------·

Vapor "" "" "' ....., "" "" Duto d' ág LI a "' -v "'v -..... " ' -v -v "' "'

Va po r "" "" "" """ ,..., .-..... ""' "' d'ág ua "' -v "" -..... "" "' "' Duto Solo

Figura 3.8 - Sequência na formação dos dutos de superfície e elevado.

O duto atua como um túnel. Ele guia a onda, provocando o seu desvio da direção principal, e, em consequência, ocorrem desvanecimentos no sinal recebido. Também algumas vezes podem ocorrer enlaces de longas distâncias, não previstos. A situação mais desfavorável ao enlace acontece quando uma das antenas, a transmissora ou a receptora, fica fora do duto. A Figura 3.9 mostra a onda de um enlace sob o efeito duto.

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85

T

R

Figura 3.9 - Concepção da onda sob o efeito duto.

3.6 Recepção em diversidade Para contornar as dificuldades causadas pelos desvanecimentos provocados pela ação dos dutos e das ondas de múltiplos percursos, busca-se a recepção em diversidade de espaço, que consiste em captar as ondas do enlace com duas ou mais antenas, separadas verticalmente de 5 a 1Ometros. A recepção compreende a mesma quantidade de receptores que o número de antenas e um equipamento de comparação dos sinais de saída dos receptores e seleção do melhor. A Figura 3.1 Omostra um modelo de recepção em diversidade de espaço. Em complemento, existem ainda duas outras modalidades de recepção, que são diversidade em frequência e diversidade angular. A primeira consiste na realização do enlace com duas ondas portadoras distintas, e a segunda, na recepção feita por antenas com diferentes ângulos de inclinação. Antena 2

Onda refratada pelo efeito duto (Sinal forte)

t

5m

.J, Antena 1

) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )i ) ) ) ) ) Onda refletida no solo

(Sinal fraco)

Rx 1

Seletor de sinais

Saída

II// III/ III/II/ II Figura 3.1 O- Esquema de recepção em diversidade de espaço.

86

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3.7 O ruído elétrico 3. 7.1 Importância e conceito de ruído O ruído elétrico ou simplesmente ruído, N - noíse, em inglês, merece tratamento especial pela importância da sua existência, pois é o inimigo número um das comunicações. Nas formas elétrica e eletromagnética tem comportamento aleatório, com amplitudes e fases variáveis, e se faz presente em todo o espectro de frequências, particularmente no canal rádio. Uma visualização do ruído elétrico no osciloscópio é mostrada na Figura 3.11.

Figura 3.11 - O ruído elétrico registrado no domínio do tempo. Fonte: adaptado de Tiberiu Stan/Shutterstock.com.

O ruído se origina da agitação térmica dos elétrons existentes na matéria. São encontradas na natureza diversas fontes de ruído, que serão citadas oportunamente. O ruído ataca e se soma ao sinal, conforme a Figura 3.12.

a)

b) Figura 3.12 - Imagens do osciloscópio: a) onda senoidal pura; b) onda senoidal contaminada pelo ruído elétrico.

Na recepção dos sinais de áudio, o ruído se faz notar pelo chiado no alto-falante e na recepção de imagens aparece na tela sob a forma de chuvisco, termos popularmente usados. Os dois modos de agressão do ruído aos sinais elétricos da informação são estes: •

O ruído externo, captado pela antena e amplificado.

•

O ruído interno do equipamento (amplificador ou receptor).

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3.7.2 Fontes externas de ruído As fontes externas de ruído atuam no canal de comunicações. Ru ído

... , ,,.,,. Transmissor

Canal de comunicações

Receptor

Figura 3.13 - O canal de comunicações: principal porta de entrada do ruído elétrico.

São tipos de ruído presentes no canal rádio com suas respectivas fontes geradoras:

a)

Ruído atmosférico: comumente chamado pelos operadores de rádio de estática. Produz cliques nos fones ou no alto-falante, superpondo-se ao sinal recebido. Resulta das descargas elétricas na atmosfera (raios), quando da ocorrência de tempestades, em diversos pontos da Terra, com maior incidência na região dos trópicos. O ruído atmosférico afeta sobremaneira as comunicações rádio em alta frequência (HF - de 3 a 30 MHz). A estática provoca nas comunicações digitais a destruição de várias sequências de bits: é o efeito rajada (burst). Quando isso ocorre, geralmente a informação é perdida. Para proteger a informação desse tipo de destruição, é imperioso o uso de um poderoso código de correção de erros, como o código Reed Solomón.

b)

Ruído cósmico: gerado por distúrbios ocorridos fora da Terra, por diversas fontes do espaço interestelar. Ocorre com maior intensidade em frequências acima de 20 MHz. Sendo o Sol a estrela da nossa galáxia, pela sua proximidade e devido à ocorrência de fortes explosões em sua superfície, é a mais poderosa fonte geradora de ruído galáctico. O Sol é a fonte dos raios ultravioleta, responsável pela maior parte das ionizações moleculares na atmosfera terrestre e que chega a afetar o campo magnético da Terra. As manchas solares de maior intensidade são observadas em ciclos de onze anos. Uma mancha pode existir por cerca de 27 dias, correspondente ao período de rotação do Sol. Eventualmente, o nível do campo eletromagnético (ruído) gerado é tão elevado que pode queimar componentes eletrônicos de receptores de satélite posicionado na trajetória da onda emitida pelo Sol. As comunicações via rádio em HF são seriamente prejudicadas e podem não ocorrer.

c)

88

Ruído provocado pelo homem: gerado por aparelho, máquina ou dispositivo fabricado pelo homem. A sigla MMN {man made noise) é usada para designar esse tipo de ruído. São exemplos o ruído gerado por motores de ignição (com velas, a gasolina ou álcool) aplicados a automóveis e motos; ruído gerado por motores elétricos com escovas, caso do liquidificador, de uso doméstico; centelhamento devido ao atrito entre partes metálicas de uma máquina ou estrutura. Por exemplo, o atrito entre as partes metálicas de um automóvel

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(mecanicamente quase não percebido) gera ruído. Nas comunicações radioveiculares, para melhor recepção, o transceptor deve ser instalado em viatura com motor diesel, que dispensa as velas para ignição e, por este motivo, não gera ruído elétrico.

3. 7.3 Relação sinal/ruído Em engenharia de telecomunicações é de suma importância a relação sinal/ruído (signal to noise ratio), representada por S/N e expressa em dB. É obtida do logaritmo da relação entre a potência do sinal e a potência do ruído, na recepção: S = lo potência do sinal 10 N g potência do ruído

(3.2)

O ruído pode ser estudado de diversas maneiras, mas é o tratamento em função da temperatura que oferece os melhores resultados. A temperatura deve ser tomada nos ambientes externo e interno, onde se localizam, respectivamente, a antena receptora e o receptor. Comparativamente ao sinal, elevado, o ruído pode tornar a informação ininteligível e até inviabilizar as comunicações. Para a obtenção da relação S/N à entrada do circuito demodulador de um radiorreceptor, são considerados nos cálculos matemáticos a abertura da antena, os ganhos dos estágios de RF do receptor e a figura de ruído do receptor. Quando considerado à saída do demodulador, leva-se em conta o demodulador (AM ou FM), o índice de modulação da onda e a técnica utilizada de antirruído, que influi significativamente no resultado final. Seja, por exemplo, o DSP instalado nos modernos receptores, conforme apresentado no Capítulo 6 - O radiorreceptor, o sinal demodulado é melhor, cerca de 1OdB, que o sinal obtido em circuito convencional, sem o emprego da técnica digital. '

A saída do demodulador convencional tem-se: em em

AM ~ S/N [saída] = 1Olog 3 m + S/N [entrada] 2

FM ~ S/N [saída]= 10 log [3 ~

2

· (~

+ 1)] + S/N [entrada]

(3.3) (3.4)

em quem e~ são, respectivamente, os índices de modulação AM e FM e S/N tem valor em dB. As expressões 3.3 e 3.4 são válidas para valores acima do limiar de funcionamento do estágio demodulador, tipicamente em torno de 1OdB. Como o ruído sempre está presente no canal, para passar despercebido é preciso ser superado em intensidade pelo sinal, e para tal são importantes no radioenlace a potência de transmissão, os ganhos das antenas (transmissora e receptora), a figura de ruído do receptor, o tipo de demodulador (AM ou FM) e o circuito antirruído do receptor.

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O estudo não considera o possível ruído elétrico gerado pelo equipamento transmissor. Os diferentes enlaces de comunicações, analógicos ou digitais, requerem um valor mínimo de S/N na recepção, para que as comunicações possam ocorrer com boa qualidade de sinal.

Valores mínimos de S/N para uma boa recepção: •

•

Nas comunicações analógicas •

com sinal de voz, S/N ~ 30 dB;

•

com sinal de vídeo, S/N ~ 45 dB;

Nas comunicações digitais: S/N ~ 15 dB.

Observação: 30 dB correspondem, em potência, à relação de 1000:1, e 15 dB correspondem a 31,6:1.

Conferindo: 1Olog 1000 = 1O· 3 = 30 dB; 10 log 31,6 = 10 · 1,5 = 15 dB.

3. 7.4 Fonte interna de ruído Nos dispositivos amplificadores, incluindo-se receptores, o ruído interno ou ruído térmico é gerado pelas colisões entre os elétrons quando da passagem da corrente elétrica nos componentes resistivos dos circuitos, tais como resistores, diodos e transistores. Os circuitos eletrônicos geram dois tipos de ruído: ruído de disparo, gerado em válvulas e semicondutores, e ruído térmico, gerado em componentes resistivos. O ruído térmico foi exaustivamente estudado por J.B. Johnson, do Bell Laboratories, em 1928. Os tipos de ruído, de disparo e térmico, na maioria das vezes podem ser tratados como ruídos brancos. Denominou-se ruído branco {white noise) aquele presente em todo o espectro de frequências com densidade espectral constante.

Densidade espectral de ruído {N 0 ) é a potência de ruído por hertz da faixa. O nome ruído branco foi dado devido às suas flutuações, semelhantes às flutuações que ocorrem na luz branca. A curva de distribuição do ruído branco, gaussiano, está na Figura 3.13. O ruído branco é um tipo bem-comportado, com distribuição gaussiana, média zero e variância a (sigma). Devido a estas características é tomado por modelo de ruído para facilitar os estudos em telecomunicações. Costuma ser designado pela sigla AWGN (Additive White Gaussian Noise). Após filtrado, recebe a denominação de ruído cor-de-rosa (pink noise).

90

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X

X(L)

Curva de Gauss e a distribuição

do ruído branco

--

-----

----- ----------- ------ --------- ------ ----------

X

a..

t

Figura 3.14 - Distribuição gaussiana do ruído branco.

Figura de ruído Anteriormente, foi mencionado que o nível do ruído elétrico depende da agitação térmica dos elétrons existentes na matéria. Assim, a maneira mais indicada para mensurar o nível de ruído é em função da temperatura ambiente na qual se encontra a antena, o receptor ou o amplificador.

O ruído interno é devido, principalmente, às permanentes colisões de elétrons quando da passagem da corrente elétrica nos componentes resistivos como os resistores, diodos e transistores. Equipamentos receptores e amplificadores são montados com estágios amplificadores em cascata. Então, o ruído gerado no primeiro estágio é amplificado pelos demais e cada um deles contribui com uma parcela de ruído. Além disso, o sistema também amplifica o ruído externo captado pela antena junto com o sinal. A potência de ruído interno gerado por um dispositivo é expressa pela figura de ruído, F. Quanto menor for o ruído melhor será o sistema; portanto, quanto menor a figura de ruído melhor. A figura de ruído é definida pela relação entre duas potências medidas: F= Potência do ruído medido na saída do dispositivo,à temperatuta ambiente Potência de saída do dispositivo, como se o dispositivo não gerasse ruído

(3.5)

A expressão 3.5 mostra que, no dispositivo ideal, sem ruído, F = 1, ou OdB aplicando a expressão 3.6. Para completar a definição, o valor da figura de ruído F deve ser especificado, segundo Friis, por conveniência de cálculo, em 290 K (17 ºC).

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91

O valor de Fé um número n adimensional que pode ser convertido em dB da seguinte forma:

F = 10 log n

(3.6)

Observação: Para melhor compreensão, o estudo do dB inicia-se no item 3. 7.

Na prática, a figura de ruído de um receptor, na temperatura ambiente T0, é obtida da montagem do esquema mostrado na Figura 3.15. Com uma carga casada ligada aos terminais de entrada e conhecida a faixa passante B, mede-se a potência do ruído gerado internamente pelo amplificador ou receptor.

,

~

1\,

'

~

Saída con1 ruído

R-1

"..

•

••

Antena

,,

Rx , '-

\..

• '

M .,

Terra

n "' ;

--

Receptor

--

Medidor Temperatura T-0

Fontes de sinal ê de ruído

Figura 3.15 - Esquema de medida da figura de ruído, em receptor.

A temperatura efetiva de ruído Te do dispositivo é dada pela expressão:

Te = (F - 1) T0 em que T0

(3.7)

temperatura ambiente em Kelvin, com valores típicos de 290 K ou 300 K (correspondentes a 17 ºC e 27 ºC, respectivamente);

F

=>

figura de ruído do dispositivo (adimensional).

À temperatura ambiente de O K (zero absoluto ou - 273 ºC) não mais circula corrente elétrica no dispositivo, e pela expressão 3.7 tem-se Te= O.

Ordem de grandeza de F: um receptor, de muito boa qualidade, com B de 27 MHz, usado em comunicações digitais a 140 Mbits/s, é oferecido comercialmente com F ~ 4,0 dB. Os componentes eletrônicos utilizados nas montagens de equipamentos com baixo valor de F são do tipo 'muito baixo ruído' (very /ow noise). Receptores destinados a aplicações especiais possuem valores de F ainda menores. A antena receptora é a porta de entrada de ruído do sistema rádio. Quanto maior for B do canal, maior será o nível do ruído recebido e amplificado. A temperatura efetiva de ruído de uma antena Te ant depende da temperatura TOe da abertura da antena, definida no Capítulo 8.

92

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3.7.5 Potência de ruído Para determinar o valor da potência de ruído sobre uma carga resistiva RL casada com a saída de um amplificador ou receptor, utiliza-se a expressão:

= k T0 B

Pn em que Pn

(3.8)

potência de ruído, em watt [W]; constante de Boltzmann, igual a 1,38. 10- 23 joules/kelvin; temperatura ambiente, em kelvin; largura de banda do canal, em Hz.

A potência Pn também pode ser expressa em dBW ou dBm. A partir do valor em watt, para se obter Pn em dBW aplica-se 1Olog Pn e para converter em dBm soma-se 30 ao valor em dBW (ver item 3.8.2). No esquema da Figura 3.15, a potência de ruído na saída do receptor será: Pn (saída)

ou

=F k

Pn (saída) = 1+

To

B

Te

(3.9)

(3.1 O)

To

Nos sistemas com estágios amplificadores em cascata (Figura 3.16), e sendo conhecidos os ganhos de amplificação dos estágios, expressos em valor numérico ou em dB, a potência de ruído na saída será: Pn (saída)

ou

pn (saída)

= Gsis

= Gsis

Fsis

1+

k To B

Te . SIS

(3.11) (3.12)

To

Sistemas em que a antena e o receptor estejam em ambientes com diferentes temperaturas e interligados por uma linha sem perda, conhecidas as temperaturas efetivas, em kelvin, o cálculo de Pn pode ser feito utilizando-se a expressão: Pn (saída)

em que

Tsis

= kGsis

Tsis B

=Tant + Trec

(3.13) (3.14)

Observação: No receptor, a mencionada saída encontra-se no último estágio amplificador e antes do demodulador (ver a Figura 6.2 no Capítulo 6).

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93

em que Gsis =>

é o ganho total de amplificação do sistema devido aos estágios em cascata, conforme a Figura 3.16, e calculado pela expressão 3.15. (3.15)

•

1ti estágio F1; G1

•

2il. estág io F2; G2

...

32 estágio

F3; G3

•

Figura 3.16 - Estágios amplificadores em cascata.

Para os cálculos de Fsis- figura de ruído total do sistema e Te sis - temperatura efetiva do sistema, para estágios em cascata, devem ser usadas as expressões 3.15 e 3.16, respectivamente, passadas a seguir: (3.16) T2 T3 Tesis = T1 + -G-1 + -G-1 -G-2 + ...

(3.17)

As expressões mostradas que envolvem operações de multiplicação com valores numéricos conduzem ao resultado de Pn em watt [W]. Um outro modo de obter diretamente o resultado em dBW ou dBm é efetuar a soma aritmética de cada um dos valores correspondentes convertidos em dB. Desta forma, tem-se: k = 1 38 · 1o- 23 J / K ' F (número)

1Olog F ... [dB]

To [K]

10 log To ... [dB]

10 log k = - 228,6 dBW/K = -198,6 dBm/K

=>

B [Hz] Desta forma:

10 log B ... [dB]

Pn [dBW] = F [dB] - 228,6 dBW/K + To [dB] + B [dB]

ou

Pn [dBm] = F [dB] - 198,6 dBm/K + To[dB] + B [dB]

3.8 O decibel {dB) O dB {decibel) é uma poderosa ferramenta utilizada nos cálculos de engenharia que permite operações com valores de diferentes origens. Guardando as devidas diferenças, assemelha-se ao m.m.c., mínimo múltiplo comum, usado nas contas de frações com diferentes 1 denominadores. O dB equivale a do bel (B) e é obtido da operação logarítmica na base 10. 10

Trabalhando em dB, são feitas adições e subtrações de valores correspondentes a tensões, potências, atenuações, ganhos de antenas etc., como será mostrado a seguir.

94

Princípios deTelecomunicações -Teoria ePrática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

3.8.1 Cálculos em dB A relação entre duas potências P1 e P2, expressa em dB, é obtida do cálculo: P [dB] = 10 log p2 P1

(3.18)

Entre tensões, o valor equivalente em dB é assim calculado: E [dB]

= 20 log

2 E

E1

(3.19)

Se o valor da potência estiver relacionado a 1 watt, o resultado será expresso em dBW, decibéis acima ou abaixo de 1 watt. Se acima de 1 watt, resulta num valor positivo e se abaixo de 1 watt, resulta num valor negativo. Se o valor da tensão estiver relacionado a 1 volt, o resultado será expresso em dBV, decibéis acima ou abaixo de 1 volt. Se acima de 1 volt, resulta num valor positivo e se abaixo de 1 volt resulta num valor negativo. Os valores de submúltiplos mili e mico das unidades de potência e de tensão dão origem ao dBm e ao dBµ. À conversão em dB de valores numéricos n como figura de ruído, ganho de antena etc. aplica-se 1Olog n.

3.8.2 Cálculos de potência em dBW, dBm e dBµ Para os cálculos de potência em watt [W], ou seja, 10 log P [W] o resultado é expresso em dBW; quando os valores forem expressos em miliwatt [mW], o resultado será em dbm e para valores em microwatt [µ W], o resultado será em dBµ. Para converter dBW em dBm, soma-se 30; para converter dBW em dBµ, soma-se 60; inversamente, de dBµ em dBW subtrai-se 60 e de dBm em dBW subtrai-se 30. Regras básicas de operação: •

Soma-se e subtrai-se dB com dBW, dBm e dBµ.

•

Não se soma nem se subtrai dBW com dBW, dbm com dBm e dBµ com dBµ.

•

A diferença entre dois valores em dBW, dois valores em dBm ou dois valores de dBµ é expressa em dB.

Uma unidade alternativa do decibel é o neper, Np, mas muito pouco usada em telecomunicações. A relação é calculada na base e, em logaritmo neperiano.

Os Canais de Comunicações e o Ruído Elétrico Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

95

Exem~los

r----

3.1 Calcular o ganho, em dB, de um amplificador que excitado com 1 W de sinal na entrada fornece 1OW na saída. 10W Solução: A = 10109 =10 log10 = 10d8 1W 3.2 Converter 13 dBW em dBm. Solução: 13 dBW + 30 = 43 dBm.

3.3 Calcular a diferença entre os níveis de potência: - 11 OdBm e - 70 dBm. Solução

- - OdBm (1 mW) -

-70dBm

t

40 dB

A diferença é: 11 O- 70 = 40 dB.

~ ~

-110dBm

3.4 Dois sinais de 20 dBW dão entrada num circuito somador. Informar o valor na saída. Solução

20 dBW => 100 W 20dBW20 dBW----+i

100 W + 100 W = 200 W

+

~x

'--------'

10 log 200 = 23 dBW Resp: X = 23 dBW

3.5 Um radiorreceptor com figura de ruído 6 dB e banda passante de 1OkHz encontra-se na temperatura ambiente de 290 K. Determinar a potência de ruído na saída do receptor em dBW, dBm e watt. Solução

Pn = F k T0 B ... [watt] ou, em dB: Pn [dBW] = F [dB] + k [dB] + 10 log T0 + 10 log B

Sabe-se que

F = 6 dB; k = - 228,6 dBW/K e que:

T = 290 K

10 log 290 = 24,62 dB · K 10 log 104 = 40 dB

96

Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Pn

=

6 - 228,6 + 24,62 + 40 = - 157,98

- 158 dBW

- 158 dBW

(- 158 + 30) = - 128 dBm

=

=>

- 158 dBW

~

1,58 .10-1s W

3.6 Uma antena em ambiente de 273 K está ligada a um receptor através de um cabo ideal (sem perdas), conforme a Figura E 3.6. O receptor, com figura de ruído igual a 9 dB, encontra-se em ambiente de 290 K, proporciona um ganho de 90 dB e tem banda passante de 4 MHz. Calcular a potência de ruído Pn em watt, dBW e dBm à saída do receptor.

T::ini = 273 J 1

1 1

1 1

1

1 1

1

1

1 1 1 1 1 1 1 1

--,-------------------r-----,........_·--r-------r-------,-------1-1

1 1

o

1 1

1

1

1

1

1

•

•

r e 1

a t '

1 \I

" o

400

500

' 600

700

Comprimento de onda i., em nanômetro {1o-9m) .

Figura 4.17 - Espectro da luz visível e curva de resposta do olho humano.

112 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

4.14 Atenuação da onda devido ao espaço livre A expressão matemática usada para calcular o valor da atenuação da onda devido ao espaço livre, no percurso entre as antenas transmissora e receptora, é: Lts =

À

4 1t d

2

(adimensional)

(4.3)

valor da atenuação do espaço livre;

em que Lts À

comprimento da onda do enlace em [ m ];

d

distância percorrida pela onda em [ m ];

em dB:

Lts = 20 log

4 1t d

dB

(4.4)

Atenção: O resultado do cálculo de Lrs, em dB, na expressão 4.4 sempre será negativo, uma vez que o valor do denominador é sempre maior que o valor do numerador. Para facilitar os cálculos, se achar conveniente, inverta a fração entre parênteses (»4 1r d). Tomando-se (4 1r d/2), mudará o sinal: - o valor da atenuação, em dB, passará a ser positivo. Porém, cuidado!

Para agilizar o cálculo de Lfs, em dB, chegou-se a uma expressão adaptada: Ltsld8]=92,45+20 log (f·d) atenuação do espaço livre em valor positivo de dB;

em que Lts f d

(4.5)

=>

frequência do enlace em GHz; distância percorrida pela onda em quilômetro.

A importância de saber o valor da atenuação é permitir o cálculo da potência recebida. Assim, conhecendo a potência transmitida P1, expressa em W, dBW ou dBm, não levando em conta outras atenuações e considerando de ganho unitário as antenas (transmissora e receptora), a potência da onda na recepção ou sinal recebido, Pr, é: 10 log Pr = 10 log P1 - Lfs [dB]

As Ondas de Rádio Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

(4.6)

113

Exercícios 1. Calcular os comprimentos de onda À nas seguintes frequências: a) 860 kHz; b) 300 MHz; c)

6 GHz.

2. Calcular a frequência da luz verde cujo comprimento de onda é 550 nanômetros. 3. Calcular a atenuação do espaço livre, em dB, no percurso de 10 quilômetros, imposta às ondas nas seguintes frequências: a) 300 MHz; b) 1 GHz; c)

20 GHz.

4. Utilizar a expressão 4.4 para calcular a atenuação do espaço livre em dB, no percurso de 1Oquilômetros, imposta à onda na frequência de 1 GHz.

114 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

O Radiotransmissor

5

5.1 Introdução O radiotransmissor é o gerador da corrente de radiofrequência (RF) a ser convertida em energia irradiante pela antena transmissora. A corrente de RF considerada é alternada senoidal e chega à antena após percorrer a linha de transmissão (LT). Um transmissor típico, sem modulador, é composto basicamente de quatro estágios, a saber: oscilador, separador, amplificador de potência e fonte de alimentação. A Figura 5.1 mostra o diagrama em blocos do transmissor sem modulador. O diagrama elétrico equivalente consta na Figura 5.2, escolhido pela simplicidade e didática que oferece. Esse transmissor com transistores bipolares, do tipo NPN, serve para operar em CW (carrier wave), em código Morse, apresentado no Anexo D.

\/ Oscilador

•'

• r

Separador

•

~

r

Antena

Amplificador rio n.r"\t& n r i~ 1-4'w ...,..,_, ... .._. , ''"' .....

•

LT

Fonte de

alimentação

Figura 5.1 - Diagrama em blocos de um transmissor de rádio sem modulador.

Os símbolos elétricos e eletrônicos estão disponíveis no Anexo A, e os fundamentos de semicondutores (diodos e transistores), no Anexo B.

O Radiotransmissor Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

115

J2 r------11-----1A~M_P·~.-------11-to >----.PA_----> fm· Conhecendo a expressão matemática da onda senoidal:

e {t) = Ecos (2 1t f0 t + ) volt

120

Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

(5.1)

conclui-se que, para modificá-la, no processo de modulação só podem ser alterados três valores, que são E (amplitude), f 0 (frequência) ou (fase). Quando ocorrem tão somente variações de amplitude na onda modulada por ação do sinal modulante, permanecendo constante a frequência da onda portadora, a modulação é dita em amplitude {AM). Quando o sinal modulante provoca desvios de frequência na onda portadora, de ± Af, permanecendo constante a sua amplitude, a modulação é dita em frequência {FM).

5.4 Modulação em amplitude {AM/DSB) Um radiotransmissor AM/DSB pode ter o diagrama em blocos conforme o exibido na Figura 5.5. Em resumo, trata-se de um gerador de portadora com potência de RF na saída, um amplificador de potência de áudio atuando como modulador. A potência de transmissão refere-se à onda portadora não modulada, medida sobre uma carga casada à saída do transmissor, que pode ser a própria antena transmissora ou uma carga resistiva conhecida por carga fantasma (dummy /oad).

\/

Antena

Amp lificador

Oscilador senoidal Sin ai modu lante em(t)

... k

~

...-

alimentação

... k

de potência

~ ~

de RF

Pré-

Filtro PB

Fonte de

Separador

... k

_

-amplificador de áudio

_.t

Amplificador

... ~

de potência de áudio

aos estágios

1

Figura 5.5 - Diagrama em blocos de um transmissor AM/DSB.

5.4.1 Onda AM no domínio do tempo O estudo matemático da modulação consiste, inicialmente, na determinação das expressões matemáticas da portadora e do sinal modulante para se chegar à expressão da onda modulada.

O Radiotransmissor Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

121

Sabendo-se que a expressão matemática da onda portadora é:

(5.2) e que a expressão do sinal modulante cossenoidal (áudio) é:

(5.3) e se o índice de modulação m = Em , então a expressão da onda modulada em amplitude é:

Eo

e(t)=E 0 cos m0 t+

mE 2

° cos (m

0

+mm) t+

mE 2

° cos

(m 0 -mm) t volt

(5.4)

Na expressão 5.4, o primeiro termo corresponde à onda portadora pura e os outros dois termos, às bandas laterais, uma superior, BLS, e outra inferior, BLI, respectivamente. As potências das duas bandas laterais somadas equivalem à potência total de áudio (sinal modulador). Sendo PO a potência eficaz da onda portadora, tem-se:

p o

=

E2 o

2

(5.5)

As potências dessas bandas laterais, BLS e BLI, são:

(5.6)

(5.7)

ou em que m

122

=>

índice de modulação AM, em que O::; m::; 1;

PO =>

potência da onda portadora, em watt;

E0

tensão de pico da onda portadora, em volt de pico;

Em

tensão de pico do sinal modulante, em volt de pico.

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A Figura 5.6 mostra as formas de onda, no domínio do tempo, da onda portadora, do sinal modulador ou modulante e da onda modulada em amplitude. A onda modulada exibe variações da amplitude, acima e abaixo do eixo do tempo, "modeladas" pelo sinal modulante. A linha imaginária que une os picos da onda é chamada de envoltória ou envelope da onda. e.,..(t)

&

-

t

l

(a}

e (t)

'

~

-

Vrnà1< '

\V

Vrn,n

(b)

-, ........

•

...... ... ~

-.. ... _

.

..

., •

... " .

.-- ----... ..

Envoltória , e

... ...

....

.. ... ... ,

- -~ - -~ ", ... .. ... ... \.;

-

.. ,,.

~

;

.,.

'

... ... - ... ...

-- - -

.. .. .,., .. ...

., ,.

' ,,

-

. t

;

{e)

Figura 5.6 - Formas de ondas no domínio do tempo: (a) em(t) sinal modulante cossenoidal; (b) eo(t) onda portadora cossenoidal; (e) e (t) onda modulada em amplitude.

Na prática, o valor do índice de modulação m em percentual é obtido das medidas feitas sobre a figura da onda modulada no osciloscópio, conforme a Figura 5.6c, calculando-se: m=

Av

·100%

(5.8)

Vmáx

Com referência ao índice de modulação: •

quando m = O, significa ausência de modulação, portanto não haverá bandas laterais, só a portadora;

•

para m = 1 as envoltórias tangenciarão o eixo tempo;

•

e para m >1, ocorre sobremodulação (cross-over), que resulta na distorção do sinal, quando na demodulação da onda, no receptor. A Figura 5.7 apresenta três ondas moduladas em amplitude com diferentes índices de modulação.

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123

e{t)

Sobremod ulação

e(t)

e(t)

t

t

t

...

b) m=1

a) m=0,3

C) m:>1

Figura 5.7 - Ondas moduladas em amplitude no domínio do tempo.

5.4.2 Onda AM/DSB no domínio da frequência As parcelas da expressão matemática 5.6 se distribuem no espectro de frequências conforme o gráfico da Figura 5.8. A onda portadora na frequência ro0 modulada em amplitude por um tom de áudio na frequência fm gera duas estreitas bandas laterais, designadas no gráfico por BLS, banda lateral superior e BLI, banda lateral inferior, dispostas no espectro tendo a portadora no centro.

BLS

BLI

('} (rad/s)

Figura 5.8 - Espectro das potências na onda AM/DSB, modulada por um tom de áudio.

Tratando-se de sinal modulante complexo, composto de diversos tons, como acontece com a voz e a música, a representação das bandas laterais é feita conforme a Figura 5.9 ou na forma de trapézios. Assim, mm = mmáx refere-se à maior frequência de áudio do sinal modulador, e a banda ocupada pela transmissão é B = 2 mm.

BLI

BLS

ro (rad/s)

Banda ocupada na transmissão

Figura 5.9 - Espectro da onda AM/DSB modulada por um sinal complexo.

124

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As bandas laterais, BLS e BLI, possuem conteúdos redundantes, ou seja, ambas transportam a mesma informação. Para a informação ser recebida e entendida, na realidade seria necessária uma única banda lateral. Quanto à onda portadora, está presente durante todo o tempo da transmissão, mas não contém informação. Conclui-se, então, que a transmissão AM/DSB é pouco eficiente, uma vez que apresenta considerável desperdício de energia (onda portadora + uma banda lateral). O rádio em AM/DSB comercial na faixa que se estende de 535 a 1605 kHz, e também em ondas curtas na faixa de HF, por força de legislação, tem a frequência máxima do sinal modulante de áudio, fmáx, igual a 5 kHz, visto que a transmissão AM/DSB se destina mais à voz do '

,

.

que a musica. Em todo esquema de modulação existe um filtro passa-baixas (PB) ou passa-faixa (PF) à entrada do modulador, para limitar o espectro do sinal modulante. Em AM/DSB, um filtro corta o sinal modulante de áudio em 5 kHz e o valor de B, banda ocupada pela transmissão, é a soma das duas bandas laterais, ou seja, 10 kHz (Figura 5.9). Embora com desvantagens técnicas, deve-se levar em conta que a transmissão em AM é a mais antiga. Foi o primeiro processo usado para fazer a informação viajar na onda de rádio, nas condições tecnológicas da época. Assim, o AM tornou-se tradicional e perdura até os dias de hoje.

5.5 Tipos particulares de AM: SSB, ISB e AM compatível 5.5.1 SSB - single side band ou banda lateral singela É um tipo particular de modulação AM bastante usada em rádio, na faixa de HF, nas comunicações por voz, militares, marítimas e de radioamadores principalmente. As transmissões se processam no estreito canal de 3, 1 kHz, após ter sido feita a supressão total ou quase total da onda portadora, além da eliminação de uma das bandas laterais. Estas duas diferenças do AM/DSB aumentam significativamente o rendimento da transmissão SSB. A supressão da portadora é realizada por um tipo especial de modulador, o modulador balanceado. Um modelo simples de modulador balanceado opera com diodos em ponte, conforme o esquema da Figura 5.10. Existem outros tipos de moduladores com outros esquemas. Também pode ser utilizado um CI modulador específico para fazer o SSB. Para eliminar uma das bandas laterais, utiliza-se um filtro de banda (passa-faixa) em RF.

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125

. ~

/

'

'

" •

Entrada

~

"'

/

'I.

•

,

'

- "'

~

t

Saída da

de áudio

~

onda

modulada BLI

BLS

Gerador de portadora

Figura 5.1 O- Esquema de um modulador balanceado a diodos.

Falar em suprimir a onda portadora é meio esquisito. Como irradiar sem onda portadora? Mas não é bem assim. Esclarecendo melhor, todas as vezes que o sinal de áudio se fizer presente na entrada do modulador de SSB haverá na saída uma onda de RF modulada, formada pelas duas bandas laterais, sem a portadora pura como no AM/DSB. Isso ocorre porque o circuito modulador faz o chaveamento da portadora comandado pelo sinal modulante e, quando não houver sinal de áudio na entrada do modulador, não haverá nenhum sinal de RF na saída. O sinal modulante de áudio pode ser da voz, oriundo de um microfone, ou de tons de áudio de um modem, na transmissão de dados. Assim, a eliminação da onda portadora é de responsabilidade do modulador de SSB, e a eliminação de uma das bandas laterais, a BLS ou a BLI, corre por conta de um filtro. O filtro pode ser do tipo mecânico, cerâmico, a cristal ou, modernamente, um filtro ativo. A Figura 5.11 mostra filtros mecânicos em dois formatos, ainda em uso em inúmeros transceptores de SSB, e a curva de resposta com B = 3, 1 kHz. A rejeição imposta pelo filtro à banda lateral costuma ser de 40 dB, no mínimo. A t

0 rr-T"TTT~----r,i'ii~~TT~--.---111 6 .......-+----+--+---+--+------++-+-+--++-+---+--+--i---+-+--+--1

e n u

2 O............_-+--+----+--+~__._.....................

"""""-4~~~-

a ç ~

40~-+---+-4--+---+-+~~~--+--+---+---4-1-~

o

e

m

60t-+-+-+-+-+-+---lP---+--+---+-+-+-+--+---+--tf---+-+--+---I

d

B

80

9 8 7 6 5 4 3 2 1 O1 2 3 4 5 6 7 8 9

Figura 5.11 - Filtros mecânicos em dois formatos e a curva de resposta, com B = 3, 1 kHz.

126

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f (kHz)

O princípio de funcionamento de um filtro mecânico é o da ressonância mecânica. Um conjunto de sete arruelas montadas sobre varetas de acoplamento tem bobinas nas extremidades, conforme a Figura 5.12. Quando uma pequena corrente de RF circula por uma das bobinas, o campo magnético formado em volta dela interage com o campo do ímã e o conjunto vibra na frequência de ressonância das arruelas. Na outra extremidade, o deslocamento axial da bobina na presença do ímã faz surgir uma corrente elétrica na frequência da ressonância mecânica.

1ndutor

Indutor

Figura 5.12 - Desenho dos componentes internos de um filtro mecânico.

Outro tipo de filtro que pode ser usado para eliminar uma banda lateral em equipamentos de SSB é o filtro a cristal. A título de exemplo, a Figura 5.13 mostra um esquema de filtro a seis cristais. Os designados por Y, de 1 a 4, fazem armadilhas de onda. Filtros passivos, mecânico, a cristal e com componentes RLC não têm dispositivo amplificador do sinal e por isso atenuam o sinal filtrado. Mais atual, o filtro ativo (eletrônico), com C 1, apresenta ganho, ocupa menor espaço e possui menor peso que os filtros mecânico e a cristal. Operando na faixa de RF, os componentes usados devem ser compatíveis com a frequência de trabalho. Y5

-

C1 Entrada

~,

1

To1

1

...2

r.? -1

-

1

'y1

1

'y2'

'y3'

'y4

I

1 T -

C3

Y6 ,..

C1;i ,,

C5

•

Sa rda

C6

C7 -

1

-

Figura 5.13 - Esquema elétrico de umfiltro a cristal.

As principais vantagens da transmissão em SSB são: •

Uma menor banda ocupada, da ordem de B = 3 100 Hz, para a voz.

•

Menor consumo de energia, devido à ausência das potências de portadora e de uma banda lateral. Para ter uma noção, um transmissor em SSB consome cerca de um

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127

quarto da energia consumida pelo seu equivalente em AM/DSB, com 1OOo/o de modulação (m = 1). O estágio final de saída do transmissor de SSB é um amplificador linear, e a potência de saída é medida em watt PEP • potência de envoltória de pico. Um modo prático de medir a potência de saída em SSB consiste em aplicar um tom de áudio senoidal à entrada do modulador, por exemplo, 1 kHz, tendo um medidor de potência ligado à saída do transmissor com carga fantasma. Observa-se que a onda gerada estará 1 kHz acima da frequência de sintonia, se em BLS, e 1 kHz abaixo, se em BLI.

ISB - bandas laterais independentes (independent side bands) É um tipo de transmissão com dois circuitos moduladores de SSB independentes, empregados com a finalidade da utilização simultânea de dois canais de voz, com sinais distintos. A Figura 5.14 mostra o espectro da transmissão em ISB. IPO (suprimida) BLI : BLS Informação A : Informação B 1 1 1 1 1

Figura 5.1 4 - Espectro da transmissão ISB/SC.

Em ambas as modalidades, SSB e ISB, duas situações podem ocorrer: a) como foram apresentadas, com a portadora totalmente suprimida - SC (supressed carrier) ou b) com portadora vestigial - VC (vestigia/ carrier), um pouco da onda portadora reinjetada no circuito, após o modulador de SSB. Isso facilita a sintonia na recepção, uma vez que a ausência da portadora faz com que o receptor perca a referência da sintonia.

AM compatível AM compatível é a denominação usada para a transmissão em AM/DSB realizada por um transmissor previsto originalmente para operar em SSB. A solução encontrada para adequar o transmissor de SSB para transmitir AM/DSB é reinserir a onda portadora no estágio modulador, excluir o filtro de banda e amplificar linearmente a onda modulada. A potência de saída em AM compatível costuma ser da ordem de um quarto da potência nominal em SSB.

Anteriormente, foi comentado que o estágio de saída, amplificador de potência de RF, no transmissor AM/DSB é da classe C, e no transmissor de SSB é um amplificador linear. Noções sobre amplificadores constam do Anexo B.

128

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5.6 Modulação em frequência {FM) A modulação em frequência é feita quando o sinal modulante altera para mais e para menos a frequência da onda portadora (f0 ± ~D, ficando inalterada a sua amplitude. É um tipo de modulação angular (variação de , ver a expressão 5.3). Em função do índice de modulação, pode haver um sinal de faixa estreita, FMFE, de pouco interesse em telecomunicações, ou de faixa larga, FMFL, mais usado e que será estudado. A Figura 5.15 apresenta um diagrama em blocos de um transmissor com modulador básico de FM, uma vez que existem alguns modos diferentes de obter uma onda FM. Antena \ Si nal modu lante

--

..

Filtro

PB

Pré-ampl.

--

de áudio

t)

Mod . 1

Fonte de

~

r

alimentação

Aos estágios

-- Mu ltiplicadores de frequência

--

/

Ampl . de

potência

~

Oscilador

Figura 5.15- Diagrama em blocos de um transmissor de FM- básico, com modulação direta.

No transmissor de FM comercial, antes de pré-amplificação, o sinal modulante de áudio é filtrado por um PB (passa-baixas) que limita a frequência em 15 kHz (fmáJ por força de legislação. Em transceptores com canais de voz, o áudio fica restrito a 4 kHz. Com o objetivo de reduzir a distorção do sinal na recepção, realiza-se o tratamento de pré-ênfase no sinal modulante, logo após o estágio pré-amplificador de áudio. O pré-ênfase é a primeira parte do processo para robustecer as componentes de frequências mais altas do sinal de áudio, para diminuir o efeito do ruído, principal causa da distorção. O circuito de pré-ênfase pode ser montado apenas com componentes passivos, conforme apresentado na Figura 5.16, que exibe também a curva de resposta do circuito. Ampl.

(V)

C3

Entrada

1 1 1 1 1 1

Saída

R1 R2

a)

1 1

1

b)

o

--

2.125

15

f {kHz)

Figura 5.16 - a) Esquema do pré-ênfase; b) curva de resposta.

O modulador analógico de FM pode realizar dois tipos: modulação direta ou modulação indireta. O primeiro tipo consiste em aplicar o sinal modulante sobre um circuito capacitivo ligado ao oscilador, gerador da portadora; o sinal faz a capacitância do circuito variar e altera a O Radiotransmissor Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

129

frequência da portadora. Esse processo pode ser realizado com um diodo varactor ou varicap, em diodo de capacitância variável. O segundo tipo, mais consistente, possui um circuito integrador (de constante k), aplicado a um modulador balanceado, seguido de um defasador de 90° e de um somador, conforme a Figura 5.17. - -- .............................. -- ................................... -- ...................... -- -- ---Entrada --.i

1

1 1

l nteg rador

k f f{t) dt: _M_o_d-ul-ad_o_r

balanceado ~

Somador,1

Defasador

t-------ei4

de 90°

1

1------9'1

+

Saída

Oscilador

_______ ____________ __ ____ _______ Modulador de fase__ __. Figura 5.17 - Diagrama em blocos do modulador de FM pelo processo indireto.

Voltando à Figura 5.15, após o modulador, a onda modulada passa por estágios multiplicadores de frequência até chegar ao valor final da frequência de transmissão. A potência de saída é de responsabilidade do estágio final. Um outro tipo de modulador de FM pode nascer de um circuito digital, um gerador de trem de pulsos modulado em PWM (ver Capítulo 2). Após uma filtragem do sinal modulado, obtém-se a onda na forma senoidal.

5.6.1 Onda FM no domínio do tempo A Figura 5.18 exibe as formas de onda em função do tempo, da onda portadora, do sinal modulante e da onda modulada em frequência. A expressão matemática da onda modulada FM por um tom de áudio cossenoidal é: e (t) = J0 (~) E0 cos m0 t - J1 (~) E0 cos (m0 - mm) t + J1 (~) E0 cos (m0 + mm) t +

+ J2 (~) E0 COS (m0 - 2 mm) t + J2 (~) E0 cos (m0 + 2 mm) t - J3 (~) E0 COS (m0 - 3 mm) t + + J3 (~) E0 cos (m0 + 3 mm) t + J4 (~) E0 cos (m0 - 4 mm) t + J4 (~) E0 cos (m0 + 4 mm) t (5.9) em que E0

=> tensão de pico da onda portadora.

Jn(~) => representa a ordem das funções de Bessel de 1ª espécie e pode ser obtido de uma tabela, encontrada no Anexo F, em função do argumento~.

130

m0

=> 2 1t f0 , em que f0 é a frequência da onda portadora.

mm

=> 2 1t fm, em que fm é a (maior) frequência do sinal modulante.

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o

t

a}

o

t b)

e(t)

o

t 1 1

e)

Figura 5.18- Formas de ondas no domínio do tempo: a) eo(t) onda portadora cossenoidal; b) em(t) sinal modulante cossenoidal (áudio); e) e (t) onda modulada FM.

A potência média da transmissão FM em faixa finita é calculada pela expressão: Pméd

em que E0 R

= 0,49·

E2 o

R

(5.1 O)

tensão de pico da onda portadora resistência de carga (antena)

5.6.2 Onda FM no domínio da frequência A Figura 5.19 mostra o espectro das amplitudes de uma onda modulada em frequência por um tom de áudio cossenoidal de 1 kHz. O espectro foi levantado a partir da expressão matemática da onda modulada e(t) (expressão 5.8).

O Radiotransmissor Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

131

V

o _______..__~_ __.,____.,____.____....__•: 'o ª

"' 1 "

~

2••) ~· m

t ')o

(·)o

+ (•)m

('.lo+ 2C'lm

('lo+ 3(·)m

(')

(rad/s)

Figura 5.19- Representação gráfica do espectro das amplitudes de uma onda portadora modulada em frequência por um tom cossenoidal de 1 kHz.

Por definição, o índice de modulação FM é expresso por:

~ = L\f

(5.11)

fm em que

é o valor do índice de modulação, em rad. fm =>

é a maior frequência do sinal modulante, em Hz.

L\f =>

é o desvio máximo da portadora, em Hz.

Para entender L\f, imagine a onda portadora de frequência f0 , ao ser modulada, excursionar para mais e para menos de f0 • A diferença entre essas frequências extremas corresponde ao valor 2 L\f. Os valores de ~ [rad], na prática, estão compreendidos entre 1 e 15, sendo mais usuais os valores de 1 até 5 rad.

A banda ocupada pela transmissão FM, em Hz, pode ser calculada de duas maneiras:

ou:

Exemplos

B = 2 (~ + 1) fm

(5.12)

B = 2 (L\f + fm)

(5.13)

-

5.1 A transmissão FM em radiodifusão comercial, fm = 15 kHz; L\f = 75 kHz. Calcular o índice de modulação~ e a banda ocupada na transmissão: 75 ~= =5 rad 15 3

3

B = 2 (5 + 1) 15 · 10 = 2 (75 + 15) · 10 = 180 kHz

132

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Um sistema de radiodifusão em FM pode operar em mono ou em estereofonia (dois canais), com sinal modulante fm, na frequência máxima de 15 kHz de acordo com a legislação em vigor. A transmissão pode dispor do espaço para um terceiro canal, opcional, o SCA (Secondary Communication Authorization), Autorização para Comunicações Secundárias. O SCA tem uma largura de 14 kHz (± 7 kHz) e pode ser utilizado para a transmissão de música, em monocanal, para recepção e reprodução em ambientes de lojas comerciais. A Figura 5.20 mostra o espectro completo da banda base do sinal de radiodifusão FM, com SCA. Os canais de áudio L(t) (L de /eft) e R(t) (R de right) são do sistema estéreo, esquerdo e direito, respectivamente, transmitidos codificados em AM/DSB-SC, tendo como referência para a sintonia do receptor um sinal piloto, uma subportadora de 19 kHz. A denominação de banda base aplica-se a todo o espectro composto de grupos de sinais de informação que irá modular uma onda portadora. No caso da FM estéreo, há todo um processamento dos sinais para a formação dos canais de áudio (L + R, L - R, SCA e sinal piloto) que constituem a banda base para, só depois, modular em frequência da onda portadora. No caso, a banda base fm = 74 kHz, usada nos cálculos em FM.

L(t)+R(t)

o

15

Sinal pi loto

19

SCA

L(t)-R(t}

38

23

70

53 60

74

f (kHz)

Figura 5.20 - O espectro da banda base do sinal estéreo FM, com SCA.

5.2 Considerando apenas os sinais L e R, do áudio codificado em estéreo, fm = 53 kHz e tomando Llfm = 75 kHz e

~=

h.f fm

=

3 75.10 53.10 3

transmissão FM estéreo: B = 2 (75 + 53) 10

3

~ 1,5,

tem-se a banda ocupada na

= 256 kHz.

5.7 Transmissão dos sinais de televisão As formas básicas de geração de imagens para televisão analógica são designadas pela sigla do sistema de cor seguida de uma letra correspondente a um grupo de características técnicas. Os principais sistemas de cor são: o NTSC - National Te/evision System Committee, norte-americano, o PAL, Phase Alternation Line, alemão, e o SECAM, francês, Sequential with Memory. Como é sabido, o Brasil adotou o sistema PAL-M; PAL, sistema da cor, enquanto a letra M especifica a frequência de repetição de 30 quadros por segundo; frequência vertical de O Radiotransmissor Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

133

60 Hz, frequência de varredura horizontal de 15 750 Hz; varredura entrelaçada com 525 linhas, banda B do canal igual a 6 MHz e outras. O canal de 6 MHz é ocupado por duas bandas laterais resultantes da modulação AM da portadora por sinais de vídeo de até 4,2 MHz, sendo uma delas vestigial, e pela banda de áudio resultante da modulação FM da portadora de som. A transmissão analógica emprega dois transmissores, sendo um de vídeo, com a onda portadora modulada em amplitude (AMNSB - uma banda lateral vestigial), e o outro de áudio, com portadora modulada em frequência (FM). Cada uma das portadoras ocupa a sua devida posição no espectro e se somam no duplexador para alimentar a antena transmissora, conforme o esquema da Figura 5.21. Antena

transmissora

Transmissor

de vídeo

Ouplexador

Transm issor de áud io

Figura 5.21 - Esquema da radiotransmissão de televisão.

O duplexador - DPX (dup/exer) consiste em dois filtros, um passa-altas e outro passa-baixas frequências, com as entradas independentes e as saídas ligadas em paralelo. Cada entrada recebe a energia de um transmissor, e a saída alimenta a antena.

São valores típicos de potência de pico da portadora de vídeo: 5, 20 ou 50 kW. A potência de áudio é cerca de um quinto da potência da portadora de vídeo ou um pouco menos. Os métodos de modulação em AM e em FM foram explicados neste capítulo, mas é preciso levar em conta duas particularidades: 1) a modulação em AM da portadora de vídeo é feita com sinal negativo (invertido); 2) opera com uma banda lateral vestigial, AMNSB, em vez da tradicional AM/DSB. Assim, a banda lateral inferior é quase totalmente filtrada, restando apenas um vestígio dela, que ocupa cerca de 1,25 MHz, no início do espectro do canal. O sistema de radiodifusão também emprega estações repetidoras para cobrir as áreas de sombra ou locais distantes da antena transmissora. A Figura 5.22 mostra o espectro do sinal de vídeo, modulado AM, com BLI vestigial, além da locação das portadoras de vídeo (P0) e de som (S0). Uma subportadora de cor, C0 , modulada em SSB, é inserida no espectro na marca de 3,575611 MHz acima de P0 , ou nominalmente 3,58 MHz.

134

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,.

0 .25 MHz

1

3,58 MHz

r-a

'

1 1 1

1

1

BLS

1

1

1

V o

1

1 1,25

3

2

1

5

4

f (MHz)

6

Figura 5.22 - Espectro do sinal de televisão, PAL-M.

O som, MTS (Multichannel Television Sound), com modulação FM, faixa de áudio de 50 Hz a 15 kHz (fm) e ~ f = ± 25 kHz, pode operar em estéreo com espaço para o SAP (separata audio channel), que permite ouvir a trilha sonora original quando modificada e um subcanal de dados, conforme o espectro da Figura 5.23. 50 Hz a 15 kHz 25 kHz

E+D

50 Hz a 10 kHz

E-D {DS6/SC)

SAP

50 Hz a 3 kHz

+ 1 o

1

11 1

1

fH

2fH

11 3fH

1

4fH

J

1

5fH

1i

1

1Dados1

6fH

1

7fH

• f

Figura 5.23 - Espectro da banda base de áudio em que fH= 15,734 kHz.

No mundo, os sistemas analógicos de televisão já foram ou estão sendo substituídos paulatinamente por sistemas digitais, razão pela qual o estudo de sistemas analógicos de transmissão de TV deverá, da mesma forma, sair de foco. Conforme já mencionado, o SBTVD, sistema de TV digital adotado pelo Brasil, foi desenvolvido à semelhança do sistema japonês ISDB -T - lntegrated Digital Broadcasting, versão terrestre. A Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) elaborou a normalização técnica do SBTVD em 13 documentos, que contemplam o sistema de transmissão, codificação de vídeo, áudio e dados, multiplexação, transmissão de dados, segurança, canal de interatividades, informação de serviços e receptores. O princípio básico de funcionamento da TV digital consiste na transmissão serial de bits codificados, a partir dos sinais de áudio e vídeo originais digitalizados. Outros comentários técnicos são encontrados no Capítulo 6, O receptor de televisão, enquanto a técnica de modulação COFDM é comentada no Capítulo 1O, MUX FDM.

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135

Cálculos das frequências das portadoras

--

Exemplo

--~

5.3 Sabendo-se que o canal 4 de televisão ocupa a faixa de 66 a 72 MHz, determinar as frequências das portadoras de vídeo e de áudio usadas na transmissão. Solução:

Frequência da portadora de vídeo: PO = 66,00 + 1,25 = 67,25 MHz; Frequência da portadora de áudio: S0 = 72,00 - 0,25 = 71,75 MHz; Frequência da subportadora de cor: C0 = 67,25 + 3,58 = 70,83 MHz.

5.8 Recursos do transmissor Modernos transmissores utilizam o ATT · Automatic Tune Control para fazer a sintonia automática da saída do transmissor utilizando a mesma antena, de comprimento fixo, nas diferentes frequências de operação (casamento de impedâncias). Sem a existência do ATI, para cada nova frequência implicaria a mudança do comprimento da antena (Capítulo 8). Com o objetivo de proteger a integridade dos transistores de saída de potência, o circuito ALC - Automatic Load Control, controle automático de carga, controla a potência de saída em função da carga, permitindo o máximo de potência com a carga casada e inibindo a geração de potência nas situações de ausência de carga (saída em aberto) e saída em curto-circuito. O controle é feito pela medição eletrônica da ROE (Capítulo 7). O início da transmissão por voz, em operação simplex, é feito pelo acionamento da tecla PTT - push to talk ou aperte para falar, existente no combinado telefônico (handset) ou no microfone. Ao término, quando a tecla é liberada, o sistema volta à recepção. Para permitir o acesso ao sistema telefônico, via equipamento intermediário (autopath), o combinado ou o microfone pode conter um teclado DTMF · dual tone multi frequency. Cada tecla, ao ser acionada, faz gerar dois tons de áudio (sinais senoidais), simultaneamente, conforme a tabela seguinte com as frequências de tons em hertz.

136

Tons

1209

1336

1477

1633

697

1

2

3

A

770

4

5

6

B

852

7

8

9

e

941

*

o

#

D

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A identificação da transmissão também é feita por um código de tons de áudio que modula a portadora quando a tecla do PTT é acionada. Na recepção, um visor reproduz o número identificador correspondente à transmissão. Esse recurso é muito importante para a segurança da rede rádio. Equipamentos transceptores de comunicações analógicas podem receber uma placa interface de conversão A/D e D/A para operar em rádio digital. Esse recurso, de custo relativamente baixo em comparação ao valor do equipamento, melhora o desempenho e eleva o grau de segurança das comunicações. Alguns fabricantes disponibilizam, no interior do equipamento, espaço e conectores para a inserção e ligação da placa opcional, mas, caso isso não ocorra, quase sempre é possível fazer uma adaptação com um dispositivo externo.

5.9 Transmissão de dados em HF A telegrafia automática via rádio, RTTY, acontece quase sempre na faixa de HF/AM/SSB, mediante o emprego do teleimpressor (Te/etype - TTY), apresentado no Capítulo 2 (Figura 2.21 ), com transmissão de 60 a 100 palavras por minuto; contudo, nada impede que aconteça em outras faixas. Atualmente as comunicações em RTTY possuem três ramos principais: Baudot, AMTOR e ASCII. Baudot, comentado no Capítulo 2, foi um código bastante utilizado no passado, mas hoje é muito pouco usado, pela vulnerabilidade ao ruído elétrico e à estática, que ocasionam erros na recepção em grande escala. No código de Baudot, sem dispositivo de correção, um bit errado em um caractere implica a troca desse caractere por outro, e diversos caracteres errados dificultam consideravelmente a interpretação da mensagem recebida. AMTOR (Amateur Te/etype Over Radio) é um RTTY, em código de Baudot, acrescido de um dispositivo detector/corretor de erros. Na versão especial para comunicações marítimas ou informações de tempo, é denominado SITOR (Ship lnternational Transmitting Over Radio). Esse sistema opera em ASCII. Os pares de frequências mais usados pelos modems estão no Quadro 5.1, onde o sinal de marca equivale a 1 e o espaço equivale a O. Quadro 5.1 - Frequências do RTTY, em Hz Par alto

Par baixo

Deslocamento emHz

Marca

Espaço

Marca

Espaço

170

2125

2295

1275

1445

425

2125

2550

1275

1700

850

2125

2975

1275

2125

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137

ASCII: é um código de teclado, a 8 bits por caractere, apresentado no Capítulo 2. PACKET: transmissão digital em pacotes de bits a 300 bauds nas comunicações via rádio, em HF, SSB e 1200 bauds quando em VHF ou UHF, em FM. Os tons de marca e espaço (1 e O) são transmitidos em FSK, deslocados de 200 Hz, geralmente nas frequências de 2025 e 2225 Hz, mas também são usados os seguintes pares de frequências: 1070/1270, 1600/1800 e 2110/231 OHz. ARQ, !utomatic BeQuest-repeat, é um sistema de comunicações de dados, ponto a ponto, em operação duplex (esquema da Figura 1.15, Capítulo 1), dotado de dispositivo de detecção de erros. Os dois lados do sistema trocam informações automaticamente. O lado A, após receber de B alguns grupos de bytes, é indagado se está correto. O lado A passa à transmissão e, em caso positivo, informa ACK (entendido); caso contrário, quando forem detectados erros que não puderam ser corrigidos, transmite NAK (não entendido). A resposta NAK corresponde ao pedido de retransmissão dos últimos grupos de bytes. Em outras palavras, um lado transmite e interroga o outro e, se for o caso, repete a transmissão automaticamente.

Modernos transceptores computadorizados, que operam na faixa de HF, buscam automaticamente e encontram a melhor frequência para o enlace após a troca de informações entre eles e algumas varreduras no espectro. Nas comunicações de dados em HF/SSB, os modems utilizados quase sempre trabalham em FSK, com pares de tons de áudio na faixa da voz, conforme apresentado no Quadro 5.1. Nas situações de difícil recepção, quando a taxa de erros aumenta, há tipos de modems que disponibilizam a técnica da diversidade de tons. Essa técnica consiste na transmissão simultânea de dois pares de tons, um na parte baixa e outro na parte alta da faixa de áudio, gerando assim informações redundantes. Na recepção, o modem compara a situação dos dois pares de sinais e seleciona o melhor par para demodular e reproduzir os bits. A taxa de transmissão de dados em bits/s depende da largura B do canal e da relação S/N na recepção (ver Capítulo 11, seção 11.6 - Capacidade máxima do canal). Em HF/SSB é da ordem de 3,4 kbits/s.

5.1 OUtilização de subtons e sobretons Tomando por base o canal de voz padrão com B = 4 kHz e a faixa da voz, de 300 a 3400 Hz, notam-se espaços ociosos nos intervalos de 30 a 300 Hz e de 3400 a 4000 Hz. Visando o aproveitamento desses "vazios", o espectro entre 30 e 300 Hz ou faixa de subtons é usado para a formação de códigos CTCSS - continuous tone coded sque/ch system. Assim, um código com subtons previamente escolhidos serve para ''acordar'' os receptores de um certo grupo-rádio, que ficam em silêncio (standby) enquanto não ocorre uma cha138

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mada destinada ao grupo. O código também serve como identificação de transmissão para acesso à estação repetidora. As frequências de subtons variam de 67,0 Hz até cerca de 250,3 Hz. A faixa alta de áudio, de 3400 a 4000 Hz, ou faixa de sobretons, é usada por portadoras de modems na transmissão de dados em baixa velocidade (devido ao pequeno B do canal). A operação simultânea, voz e dados, em canal rádio ou canal fio, é viabilizada por um equipamento chamado de fônica. A tônica processa analogicamente sinais de voz e tons de áudio do modem com filtros de ondas, sem haver interferências entre eles. A Figura 5.24 mostra o esquema de operação da tônica.

. .

T ' '

Fônica

1 1 1 •

T .X I

X I R

Fônica

R X

X

Figura 5.24 - Diagrama em blocos de um circuito rádio com fônicas.

Observações: 1) Equipamentos similares podem ter nomes diferentes, dados pelos seus respectivos fabricantes. 2) Hoje existem versões da fônica na técnica digital.

5.11 Amplificador de potência Para aumentar a potência de saída de um transmissor, usa-se um amplificador de potência (power amplifier), observando as compatibilidades técnicas quanto ao tipo de amplificação, se linear ou classe C, e os valores das impedâncias de entrada e de saída. O diagrama em blocos da Figura 5.25 ilustra e no Exemplo é feito o cálculo do ganho do estágio em dB.

Transmissor de 10 watts

..

Impedância de saída Z0 =50Çl

Impedância

Impedância

de entrada

de saída

Ze11=50il

ZL=Zant!2

~

Amplificador de 1 kW

\/

Antena

Figura 5.25 - Diagrama em blocos de uma transmissão com amplificador.

O Radiotransmissor Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

139

Exemplo

o-------

--~

5.4 Cálculo do ganho em dB, introduzido pelo amplificador de potência. Saída 1O W ------•[ Amplificador

]f-----• Saída 1 kW

Figura 5.26

1000 W Ganho em dB: G = 10 log = 10 log 100 = 10 ·2 = 20 dB. 10 W

5.12 Emprego de estações radiorrepetidoras Para ultrapassar a linha do horizonte, vencer obstáculos existentes ao longo do percurso e iluminar áreas de sombra, as radiocomunicações em VHF, UHF e SHF necessitam de estações repetidoras. Instaladas em pontos elevados do terreno, as comunicações entre terminais fixos e móveis se desenvolvem através delas. Em centros urbanos, principalmente, estações radiorrepetidoras são usadas em larga escala, em proveito das forças armadas, polícias, defesa civil, radiotáxis, radioamadores etc. Dentre os sistemas de repetidoras, dois procedimentos podem ser adotados: a) Sistema restrito ou controlado: aquele em que, para acessar a repetidora, o transceptor, além de estar sintonizado nas frequências de operação, precisa estar programado no código correto de subtons (CTCSS). A devida identificação do usuário perante o sistema o habilita a abrir a repetidora (termo comumente usado). b) Sistema de entrada livre: não há o controle de identificação do usuário. Qualquer equipamento compatível com o sistema e na frequência de operação pode abrir e utilizar a repetidora. O estudo da retransmissão do sinal é crítico no que tange às frequências dos canais, em particular no caso de sistemas com múltiplas estações repetidoras. Frequências mal escolhidas podem gerar interferências ou fazer a repetidora oscilar e ficar indisponível. Existem tipos diferentes de repetidoras para diferentes modos de operação. Os dois tipos de repetidoras mais comumente usados em operação simplex são:

140

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5.12.1 Repetidora singela Nesse sistema, o equipamento terminal é um transceptor dotado de tecla PTI, que recebe na frequência f2 e transmite em f1. A diferença ~f = f2 - f1 (off-set), em princípio, não deve ser menor que 600 kHz. Esse tipo de repetidora recebe a onda na frequência f1 e faz uma conversão na frequência f2, sem demodular a onda, amplifica em potência e entrega à antena transmissora. A Figura 5.27 mostra o diagrama em blocos de estação repetidora com esta característica. Observação: Como é sabido, quando na ausência do duplexador, a repetidora pode operar com duas antenas, uma receptora e a outra transmissora. O afastamento entre elas deve ser de 6 metros no mínimo. Embora possa ser usada qualquer antena, pela característica onidirecional, talvez a mais usada em repetidoras, em VHF e UHF, seja a antena vertical }J4, com plano de terra elevado (ver Capítulo 8).

\

/

Antena

Duplexador

-

,

Saída

f1 ~

•

Receptor

RF/FI ~

-

~

-

f2=f3-f1

Conv,ersor j

L

-

f2 ~

-

Filtro

Amplificador

de RF (Tx}

L

r

1

f3 Oscilador

Aos estágios

--

Fonte de alim.

Figura 5.27 - Diagrama em blocos da estação repetidora no sistema duplex.

5.12.2 Repetidora de transceptores acoplados Tipicamente de uso militar, é empregada quando uma elevação do terreno bloqueia o caminho das ondas de rádio, dividindo o cenário de interesse em duas regiões distintas. É composta por dois transceptores e uma unidade de comutação automática. Os transceptores são instalados no alto da elevação, no modo de operação simplex, nas faixas de VHF ou UHF nas frequências f1e f2. A unidade de comutação é ligada aos transceptores através de um par de cabos com conectores nas extremidades e faz a função automática do PTI (controle

O Radiotransmissor Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

141

trans-rec). Quando o transceptor f1 recebe um sinal de portadora, ativa a unidade de comutação que coloca o transceptor f2 na situação de transmissão, modulado pelo áudio recebido de f1 . A recíproca é verdadeira, quando o transceptor f2 recebe um sinal de portadora, a unidade de comutação coloca o transceptor f1 em transmissão. Na ausência de portadoras, ambos os transceptores permanecem em recepção (stand by). Para o bom funcionamento do sistema, o equipamento terminal do usuário também deve operar no modo simplex, sintonizado numa das frequências f1 ou f2, dependendo do lado da elevação em que o operador se posicionar. Recomenda-se que o off-set seja maior que 600 kHz e que os dois transceptores fiquem distanciados de, no mínimo, 6 metros. O diagrama em blocos da repetidora está na Figura 5.28.

\/

\/ Transceptor 1 Freq. f1

Transceptor 2 Freq. f2

Unidade de comutação

Figura 5.28 - Diagrama em blocos da estação repetidora com transceptores.

Em geral, uma estação repetidora é instalada em ponto elevado do terreno no centro da área de interesse, de onde possa receber sinais com boa relação S/N e retransmitir sem limitações; caso contrário, o sinal repetido será fraco e estará fortemente contaminado pelo ruído. A instalação de repetidoras é facilitada quando, próximo ou no local, existe uma fonte de energia elétrica disponível. O gráfico da Figura 5.29 mostra a variação dos níveis do sinal nas diferentes etapas do sistema. Niveis de potência ,

Nível de

x

---- - - - - - - - - - ------------------------ - - - -' ,- - ------------ retransmissão

y

_____ :,

Nível de transmissão

'

P

· Ganho da antena

-'~

',, '

', '·

'.

Ganho'" da antena

de retransmissão

Potência de transmissão Potência de retransmissão

o --

Atenuações no percurso da onda Transmissor (equipamento terminal}

-z

,. ' 1

1 1

1

Estação repetidora ....

' '

'

: Ganho da antena receptora --------- , ---------- · Nível de recepção ________________________________ : -------· Limiar de recepção da repetidora

Figura 5.29 - Gráfico de níveis de potência.

142

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5.13 Alocação de frequências Alocação de frequências é a designação de um grupo de frequências para tornar disponível um certo tipo de serviço.

A União Internacional de Telecomunicações (ITU-T) recomenda a ocupação de determinadas faixas de frequências para tipos específicos de serviços. Isso é feito objetivamente para facilitar as comunicações mundiais. Assim, o espectro de frequências foi dividido em faixas destinadas às emissões de rádio com diferentes finalidades. Servem de exemplos algumas faixas apresentadas em seguida: •

•

Radiodifusão - estações comerciais (Broadcasting):

•

com modulação em amplitude (AM): de 535 a 1605 kHz;

•

com modulação em frequência (FM): de 88 a 108 MHz.

Televisão

•

de 54 a 72 MHz - do canal 2 ao 4 (VHF);

•

de 76 a 88 MHz - canais 5 e 6 (VHF);

•

de 174 a 216 MHz - do canal 7 ao 13 (VHF);

•

de 70 a 806 MHz - do canal 14 ao 69 (UHF).

Observação: Os canais entre 806 e 890 MHz, formalmente alocados para a difusão de TV, estão agora alocados para os serviços de comunicações móveis.

5.13.1 Radioamadores Comunicações em telegrafia manual (CW: portadora pura), telegrafia automática e modulação por voz. em AM/DSB ou SSB

emFM

1,8 a 2,0

MHz

(160 m)

50,0 a 54,0

MHz (6 m)

3,5 a 4,0

MHz

( 80 m)

144,0 a 148,0

MHz (2 m)

7,0 a 7,3

MHz

( 40 m)

220,0 a 225,0

MHz

14,0 a 14,35

MHz

( 20 m)

420,0 a 450,0

MHz

21,0 a 21,45

MHz

( 15 m)

1,215 a 1,300

GHz

28,0a29,7

MHz

( 10 m)

2,300 a 2,450

GHz

Etc...

2182 kHz - emergência marítima

O Radiotransmissor Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

143

5.14 Classes de emissão As classes de emissão são designadas por três indicações com alfanumérico: 1ª indicação: A - amplitude modulada; (modulação)

F - frequência modulada; p - digital, código de pulsos;

2ª indicação:

O- onda portadora pura sem modulação;

(tipo de sinal) 1 - telegrafia pura (chaveamento da onda portadora); 2 - telegrafia modulada por tom de áudio; 3 - telefonia; 4 - fac-símile (fax); 5 - imagem de televisão; 6 - telegrafia, em duplex; 7 - multiplex; 8 - não usada; 9 - transmissões não previstas; 3ª indicação:

O - banda lateral dupla;

(saída do

A - banda lateral singela com portadora reduzida (SSBNC);

modulador)

H - banda lateral singela com portadora;

J - banda lateral singela com portadora suprimida (SSB/SC); B - bandas laterais independentes com portadora reduzida (ISBNC); C - uma banda lateral vestigial; D - pulsos modulados em amplitude (PAM); E - pulsos modulados em largura (PWM); F - pulsos modulados em posição (PPM); G - pulsos modulados em código (PCM). O Quadro 5.2 mostra alguns exemplos de classes e designativos de emissão. Os designativos de emissão são nomenclaturas específicas para cada tipo de modulação e banda ocupada na transmissão.

144

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Quadro 5.2

A1 A2

Classe de emissão e descrição Telegrafia em onda contínua Telegrafia com onda modulada por tom de áudio de 1 kHz

Banda ocupada B

100 Hz

Código Morse a 25 palavras por minuto

0.1A1

2, 1 kHz

Código Morse a 25 palavras por minuto

2.1A2

DSB SSB 1 S B AM/DSB

6A3 3A3A ou J 6A3B 8A3

180 kHz

~f = 75 kHz fm = 15 kHz

180F3

Telefonia comercial

36 kHz

~f = 15 kHz fm = 3 kHz

36 F3

Radiodifusão de TV

vídeo: 4,2 MHz áudio: 250 kHz B total: 6 MHz

525 linhas fH = 15 750 Hz

5750A5C 250 F3

A3

Telefonia AM, áudio de 3 kHz

6 kHz 3 kHz

A3

Radiodifusão AM

10 kHz

F3

Radiodifusão FM

F3 A5 e F3

Detalhes

Designativo da • em1ssao

Exercícios

1. Um transmissor de rádio AM/DSB opera na frequência de 1 MHz. A tensão de pico da onda portadora é de 200 volts. A maior frequência do sinal modulante de áudio é 5 kHz e o índice de modulação é de 80o/o. Calcular: a) a potência da onda portadora; b) a potência de cada uma das bandas laterais; c)

a largura do canal ocupado na transmissão.

2. Uma transmissão de rádio FM é feita em monocanal com sinal modulante de áudio fmáx = 15 kHz. Sabendo-se que a potência média da onda portadora é 1,2 kW, medida sobre uma carga de 50 n, e que o deslocamento da frequência é de ± 25 kHz, calcular: a) a tensão de pico da onda portadora sobre a carga; b) o índice de modulação í3; c)

a largura da faixa ocupada na transmissão.

3. Sabendo-se que o canal 4 de televisão ocupa a faixa de 66 a 72 MHz, calcular as frequências das portadoras de vídeo, de áudio e de cor.

4. Um amplificador de RF com 20 dB de ganho é excitado por uma onda portadora de 2 W. Qual o valor da potência de saída do amplificador?

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145

146

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O Radiorreceptor

6

6.1 Introdução O radiorreceptor é o dispositivo encarregado de sintonizar uma onda dentre as captadas pela antena receptora e reproduzir, com fidelidade, as informações que ela contém. Foi mencionado no Capítulo 4 que o campo magnético da onda de rádio, ao envolver a antena, faz surgir nela, por indução, uma corrente elétrica de fraca intensidade com as mesmas características do sinal de RF gerado na transmissão. Entende-se por fidelidade a reprodução da informação na forma idêntica à gerada pela fonte transmissora com um mínimo de distorção. Todo receptor necessita de antena. Em particular, na faixa de AM comercial, nem sempre a antena se faz presente externamente ao receptor, mas internamente uma bobina de antena com núcleo de ferrite se encarrega de fazer o mesmo papel. A título de identificação de componentes internos, a Figura 6.1 mostra a foto de um simples receptor AM/FM, do tipo popular, ainda em moda pelo baixo custo de aquisição.

Bobina de antena

Alto-falante

Capacitor

------- (AM ) com núcleo de ferrite

variável

Figura 6.1 - Receptor de rádio, do tipo popular, AM/FM. Indicações da bobina de antena AM com núcleo de ferrite e capacitar variável.

A Figura 6.2 mostra o diagrama em blocos de um receptor de rádio típico, quase padrão, o receptor super-heteródino. No passado, foram usados outros esquemas de receptores, mas o consagrado super-heteródino é o modelo com melhor desempenho em sensibilidade e em seletividade.

O Radiorreceptor Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

147

\ / Antena Sintonizador

--

--

'

de Kr-

1

-

Mi stu rador

.

1

Amplificadores

L

L

-

' -J- ·1 oe

Amplificador ,

-

Demodulador

~,..../

..

-~

' oe aua10

- 1

1

••

'

Alto-falante •

AGC

,

, ~ Aos estágios

Oscilador local

Fonte de alime nta ça o

-

Figura 6.2 - Diagrama em blocos de um receptor super-heteródino.

Basicamente o receptor pode ser dividido em três estágios mostrados no diagrama em blocos:

•

estágio de RF: composto do sintonizador de RF, oscilador local, misturador e amplificadores de FI;

•

estágio de AF: composto pelo demodulador e amplificador de áudio;

•

fonte de alimentação.

Observação: Nos receptores profissionais, de maior sensibilidade, o primeiro bloco é, na verdade, um amplificador de RF, destinado a amplificar fortemente os sinais captados pela antena. Nos receptores de lazer, mais usados nos centros urbanos, pressupõe-se que os sinais captados pela antena são fortes, devido à proximidade das antenas transmissoras e não há, portanto, necessidade de maior amplificação inicial. "Tl

"T,

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Figura 6.6 - Sinal AM/DSB inserido na curva de sintonia do circuito de FI.

O Radiorreceptor Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

151

Observe na curva da Figura 6.6 que o espaço entre os pontos de 3 dB, com largura B, está ocupado pelo sinal da transmissão AM/DSB. Recordando: pontos de 3 dB são pontos de meia potência do sinal. -

Os pontos de atenuação de 3 dB equivalem, em tensão, à queda do sinal de 1 para O, 707 volt.

-

Em AM/DSB, a banda passante B = 10 kHz corresponde ao espaço ocupado pelas duas bandas laterais, BLS e BLI.

Uma bobina de FI com Q maior que o valor correto não contém totalmente a banda B (corta as extremidades das bandas laterais) e o sinal, após a demodulação, conterá distorção. Ao contrário, quando o Q for menor, permitirá a penetração de bandas das estações de canais vizinhos ou adjacentes, o que será traduzido como perda de seletividade (mistura estações). Devido às variações na intensidade dos sinais recebidos de diferentes emissoras, umas próximas e outras distantes e com diferentes potências de emissão, o ganho de amplificação dos estágios amplificadores de RF e FI é controlado eletronicamente. Um circuito denominado controle automático de ganho {CAG) ou AGC (automatic gain control), com realimentação de uma tensão contínua obtida do próprio sinal de áudio, após a demodulação, atua nas bases dos transistores amplificadores de RF, de modo a diminuir o ganho de amplificação quando o sinal recebido é forte e aumentar a amplificação quando o sinal recebido é fraco. Com isso, os níveis sonoros reproduzidos pelos respectivos alto-falantes são aproximadamente os mesmos para as diferentes estações sintonizadas. No esquema em estudo, o controle atua apenas sobre o transistor X2, na linha de realimentação do resistor R9 e do capacitar de filtro C4. Para a recepção de sinais em código Morse, um circuito oscilador de baixa frequência, BFO, em frequência próxima da FI, digamos, 456 kHz, com ajuste externo no painel, dá um batimento no sinal de saída do último transformador de FI. A diferença entre os dois sinais, 456 kHz - 455 kHz, corresponde ao tom de áudio de trabalho, próximo de 1 kHz, com ajuste ao gosto do operador. Graças à eletrônica-digital, os receptores evoluíram para o modelo sintetizado e, em seguida, para o modelo microprocessado, com memórias. O receptor sintetizado dispõe do circuito sintetizador de frequências que gera, a partir de um oscilador mestre, todas as ondas nas frequências necessárias aos estágios do receptor, em substituição ao oscilador local, ao BFO etc. Um mostrador (display) de Leds ou de cristal líquido (LCD) tem a frequência lançada através de botões ou teclado.

152 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Ainda pode existir no painel "bargraph" para indicação de níveis de sinais (em substituição ao medidor com ponteiro) e TFT display (matriz de pontos) para exibir, por exemplo, o espectro do sinal recebido. O microprocessador {µP) aplicado ao receptor facilita a operação de sintonia, ao comandar todas as funções, como trocar de canais, fazer a busca automática das estações (scan), armazenar em memórias as frequências dos canais etc. Voltando ao esquema da Figura 6.3, o circuito demodulador é encarregado de retirar as informações contidas na onda modulada. A demodulação do sinal é feita por um diodo detector D2, de contato de ponta, de baixa capacitância, à saída do terceiro transformador de FI, conforme o esquema mostrado na Figura 6.7. e(t)

A

,, I

I

..

D2 '

I .,, .,

'

--

I

I

"'

- .,

,, I

'-

'

....

,

., ,, ,

('

\

'

~

/

r

'

Sinal de áudio

I

'

''

Sinal AM na frequência de FI

Saída de áudio

R3 -

t

-

Figura 6.7 - Esquema do demodulador típico de AM.

O diodo detecta em meia onda e não impede a passagem direta do ruído nela agregado, e, em consequência, o sinal demodulado continua fortemente contaminado pelo ruído. O valor de S/N após a detecção é obtido da expressão 3.3 (Capítulo 3). Segue-se uma filtragem feita por um conjunto RC (R3 e C1 na Figura 6. 7), e o sinal obtido na saída, do centro de R3, já é audiofrequência (AF), fraco em potência, mas depois de passar pelo amplificador de áudio pode ser reproduzido pelo alto-falante. Os recortes no topo do sinal provêm da carga do capacitar C1, com a tensão de pico da onda, seguida da descarga sobre o resistor R3. O ouvido humano não percebe essa imperfeição quando o sinal é reproduzido pelo alto-falante.

6.3 Demodulador de produto no receptor de SSB O nome demodulador de produto deve ser entendido como o estágio do qual se obtém o sinal de áudio, resultante do batimento da onda gerada pelo oscilador local (interno ao receptor) com a onda AM do estágio de FI. Isso é obtido após a mistura e uma filtragem em baixas frequências. O processo de demodulação do SSB ainda apresenta como vantagem um menor nível de ruído no sinal demodulado, pois não existe diodo detector.

O Radiorreceptor Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

153

Observando o diagrama em blocos do receptor de SSB da Figura 6.8, notam-se algumas importantes diferenças do modelo convencional de AM/DSB, apresentado na Figura 6.2. O acréscimo de um segundo conversor, com o oscilador na frequência fixa de 505 kHz, a introdução de um filtro passa-faixa (50-53 kHz), o demodulador de produto e o oscilador BFO fazem a diferença. \V

Sintonizad or e amplificad or de RF ,

1l'l Mist.

..

455 kHz 1.i FI

de 50 a 53 kHz

Amplificador + e 2.t FI + 2° Mist. fil

FIitro

PF

+

'

'

2!l

1IL Oscilador

Oscilad or

f2 505 kHz

Saída

Detector produto

de áudio

•

Oscilador ajustàvel

•BFO 53 kHz

Figura 6.8 - Diagrama em blocos de um modelo de receptor de AM/SSB.

Observação: A linha de AGC não está no diagrama.

Esse tipo de receptor é de dupla conversão. Observa-se que o segundo conversor, que recebe o sinal gerado pelo oscilador de frequência fixa, converte a 1ª FI, de 455 kHz, em outro valor menor, por exemplo, 50 kHz. Para isso a frequência do segundo oscilador deve ser de 505 kHz e tem-se na saída do conversor (505 - 455) kHz = 50 kHz. Na recepção em SSB tem-se a opção da seleção da banda, BLS (banda lateral superior) ou BLI (banda lateral inferior). Para tal, existem dois filtros distintos, antes do demodulador de produto, um de 50 a 53 kHz e outro de 47 a 50 kHz. O oscilador ajustável, o BFO - oscilador de baixa frequência, opera numa de duas frequências selecionadas, em combinação com o filtro de banda, de 53 kHz ou de 47 kHz, para a extração da BLS e da BLI, respectivamente. A saída de áudio compreende sinais de 300 a 3400 Hz. A Figura 6.9 mostra os espectros resultantes da demodulação de produto pela seleção da BLS ou da BLI.

154 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Portadora reinserida FI = 455 kHz

I

I

Batimento com f2 = 505 kHz BLS

,------,

'

=>

'

a)!I ___________' ;..___~~-----"--------.

53 f (kHz)

f ,

BLS

,

Bl l

A udio

53kHz

L

3QQ, Hz

'\

IJI,

Audio

d)

3 kHz

4!7

50 kHz

L

3 kHz

'\

IJI,

300 Hz

Figura 6.9 - Sequência de espectros da recepção: a) da 2ª conversão, b) batimento com 50 kHz, c) da extração da BLS, d) da extração da BLI.

Para completar o receptor, seguem um estágio amplificador de áudio com alto-falante e opção para fones. A recepção em ISB pode ser feita mediante a utilização de dois receptores distintos, um para a BLS e outro para a BLI, ou por um único receptor do tipo duplo canal.

6.4 Propriedades do receptor super-heteródino O receptor super-heteródino é o modelo de esquema mais utilizado por proporcionar duas importantes qualidades de um bom receptor de rádio, que são sensibilidade e seletividade. Sensibilidade é a capacidade de que o receptor é dotado para receber e reproduzir bem os sinais de fraca intensidade captados pela antena. Os estágios amplificadores de RF, ligados em cascata (ganho dos estágios), são os principais responsáveis pela sensibilidade do receptor.

A sensibilidade costuma ser especificada em dBm ou em µ V de sinal na entrada do receptor, no limiar de atuação do AGC do receptor. Receptores profissionais, em geral, são encontrados com valores de sensibilidade entre 0,5 e 2 µV. Observa-se que o circuito de entrada do receptor pode "queimar" se lhe for aplicado um sinal com tensão elevada, caso típico do contato direto da antena do receptor com a antena do transmissor ativado. Seletividade é a capacidade que o receptor possui de selecionar apenas uma única estação de rádio de cada vez, sem sofrer interferências das estações de frequências vizinhas ou canais adjacentes (interferência cocanal). Em linguagem popular, um bom receptor não pode misturar as estações.

O Radiorreceptor Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

155

A seletividade depende, primordialmente, dos circuitos sintonizados e dos filtros aplicados nas etapas de RF do receptor. A sintonia do canal principal não pode ser invadida por sinais dos canais adjacentes, mostrados na Figura 6.10. Sintonia principal

Canal adjacente superior

Canal adjacente inferior~

t,

f (Hz)

Figura 6.1O- Sintonia do receptor: canal principal e canais adjacentes.

Outro conceito importante é a reação ao desvanecimento ou fading, função do circuito de AGC do receptor. Um receptor profissional disponibiliza as posições de CAG desligado ou ligado para os tipos de desvanecimentos lento e rápido.

6.5 O receptor de FM O receptor super-heteródino de FM é bastante semelhante ao receptor de AM, mas com as importantes diferenças entre os dois: •

Em FM, as frequências de operação são mais elevadas, em geral acima de 30 MHz.

Observação: Os móveis aeronáuticos, na faixa de 118 a 122 MHz, operam em AMIDSB.

•

O valor da FI/FM é da ordem de MHz.

•

O circuito demodulador FM é um discriminador de frequências ou um circuito com CI específico.

•

Em virtude de operar em frequências mais altas, os indutores são menores e com menor número de espiras.

•

Alguns componentes ou partes do circuito de RF precisam ser blindados.

•

Em receptores mais elaborados, em substituição ao segundo e terceiro transformadores de FI, são encontrados filtros cerâmicos e também são providos de circuito de silenciamento de ruído (sque/ch), destinado a impedir o chiado no áudio que ocorre quando se busca a sintonia de uma estação, nos espaços vazios, sem sinal, ou quando a estação transmissora sai do ar. O circuito de silenciamento é ajustado para um nível de sinal superior ao do ruído manualmente através de um botão, no painel, ou automaticamente.

156 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Para broadcasting as características básicas dos receptores de FM são as seguintes: •

Faixa de sintonia FM: de 88 a 108 MHz;

•

O valor da FI/FM: 1O, 7 MHz;

•

A faixa de áudio: 15 kHz, podendo operar em estereofonia;

•

Receptores para sinais estéreos são dotados de circuito decodificador estéreo e dois amplificadores de áudio para reprodução dos dois canais de áudio.

A Figura 6.11 apresenta o diagrama em blocos típico do receptor de FM estéreo e em seguida alguns comentários. \

/ Antena Sinton izador de RF

.

r

Misturador .

Am piificad ores de FI

-

~

.

Filtro PF

AGC

. .

Limitador

. .

.

Demo dulador .

#

ltn.f;;;i1 ..A.......... .. .......antes

Oscilador local

Aos estãgios

'

l

• r

.

.

Fonte de al imentação

/1 Decodificador

Amplificador de áudio (L)

rl

'\

estéreo Amplificador de áudio (R)

/

.-

r

/

~

~

'\

Figura 6.11 - Diagrama em blocos de um receptor de FM super-heteródino.

O estágio limitador é um amplificador de alto ganho que ceifa os topos da onda senoidal em ambos os semiciclos com a finalidade de aproximar a onda senoidal do formato do pulso bipolar. Para o demodulador FM basta a variação em frequência da onda. O tradicional discriminador, demodulador FM da Figura 6.12a, com transformador de RF, foi substituído por um CI (circuito integrado) PLL (phase /ock /oop) (Figura 6.12b), composto internamente de um comparador de fase e um VCO (vo/tage-control/ed osci/lator - oscilador senoidal) que, além de melhor desempenho, reduz o espaço de montagem no circuito impresso.

Comparativamente ao AM, por ser sensível apenas às variações da onda em frequência, o demodulador FM proporciona melhor relação sinal/ruído na saída (Capítulo 3 - expressões. 3.3 e 3.4). As expressões 3.2 e 3.3 (Capítulo 3) permitem calcular a S/N após a demodulação.

O Radiorreceptor Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

157

..

Entrada

+

Entrada

• • • •

• •

Comparador de fase

Saída t-t__,.,.,,l\/v\,---11---i

(a}

_I_

_I_

-

-

~ Saída de áudio

vco

(b)

de áudio

• '

1

-

Figura 6.12 - Circuitos demoduladores de FM: a) discriminador, b) PLL.

Os estágios amplificadores de RF do receptor operam em cascata e o ganho final, especificado em dB, resulta da soma dos ganhos em dB de cada estágio. O nível de ruído à saída do demodulador, conforme apresentado no Capítulo 3, varia com o ruído interno gerado pelos componentes, somado ao ruído externo captado pela antena e amplificado pelos estágios de RF, principalmente pelo primeiro. Após a demodulação, o sinal de áudio passa por um circuito de-ênfase, em operação oposta a que foi feita no transmissor (pré-ênfase), visando minimizar a distorção. O circuito de-ênfase geralmente é feito com componentes passivos, conforme o esquema mostrado na Figura 6.13 com a respectiva curva de resposta. Am pi ificad ores {V)

C:s

-·--! 1----...-Entrada

a)

•

Saida

-

b)

o

2,125

15

f (kHz}

Figura 6.13 - a) Circuito de-ênfase, b) a curva de resposta do circuito.

Hoje, pela facilidade da produção de receptores de lazer, de razoável tecnologia e custo relativamente baixo, dotados de microprocessador, inclusive, torna-se um verdadeiro prejuízo nas vendas se não forem feitos receptores de banda dupla, AM e FM. Um receptor mais sofisticado, que efetua três conversões de frequência, além de excelente seletividade, pode ter uma sensibilidade da ordem de 0,2 µ V, valor bastante significativo. A função scan executa uma varredura na faixa de frequências, em toda a faixa ou em parte dela, e para de varrer quando alguma portadora se faz presente. São opções do retorno à varredura: um tempo de escuta, por exemplo, 15 segundos, ou scan mediante novo comando. Os modernos receptores com padrão de qualidade, sejam eles profissionais, amadores ou de lazer (de uso doméstico e automotivo), inclusive de televisão, são dotados de filtros digitais, conversores A/D e D/A e DSP- processador digital de sinal {Digital Signal Processing), cujos circuitos se encontram inseridos entre o estágio de FI e o demodulador. Têm forte atuação nas filtragens e reduzem significativamente o ruído e as interferências dos canais adjacentes. Os estágios mencionados e o DSP constam do diagrama em blocos da Figura 6.14. 158 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Com DSP o sinal demodulado é melhor cerca de 1OdB, na relação S/N, que os filtros e dispositivos convencionais usados na mesma operação. 455 kHz >-----,t,,(

36 kHz

X

,--------------- --------,1 1 1

1

,.......,..,..,-,

1

1

A/D

:

1-------..r

4---'-----+----i-o-,A~ - --

rv

1 1

I 1 1

1

1

1

1

'

AGC

!Filtros

Dem I

D/A Saída de áudio

: 1 1

DSP

Oscilador~-------------------------~ local

Figura 6.14 - Diagrama em blocos do DSP típico.

Quando o receptor super-heteródino é multibanda ou multifaixa, ou seja, opera em diversas faixas de frequências e ainda demodula AM, FM e SSB, o circuito eletrônico costuma ser esquematicamente bem mais sofisticado que os demais. Para melhorar a seletividade nas diferentes bandas de recepção, pode fazer até quatro conversões de frequências e é composto de um receptor principal e um sub-receptor, conforme o diagrama em blocos da Figura 6.15. Rx: principal

-

'•

\ ;Antena

ATI

-

Filtro . • passa-faixa

.

Amplificador

'

RF

'

Cont,ole de nível ,

Transf. híbrid o

,

Somador J

. •

Am plifi cad o r de áudio

'

-........._

~

Alto-talante

'r Sub Rx

.

/

.

.

Controle de nível

Figura 6.15- Diagrama em blocos de um moderno receptor, dual (ATT = automatic tune control, controle automático de sintonia).

A sofisticação do circuito de recepção chegou ao IDBT (lnter/ocked Digital Bandwidth Tracking System). Trata-se de um sistema anti-interferência, com o diagrama em blocos apresentado na Figura 6.16, em que a CPU, Unidade Central de Processamento (µP), comanda o DSP e as filtragens. A banda passante do DSP é fixada automaticamente no mesmo valor da banda do conjunto de filtros analógicos da FI. Com o IDBT a banda passante é estabelecida pela seleção do filtro de FI. Os valores de deslocamento (shift) e da largura da faixa (width) são escolhidos através de seus respectivos controles e reaplicados no DSP. Assim, tem-se um importante resultado, ou seja, uma curva aguda de seletividade. Esse sistema encontra-se aplicado no transceptor de radioamador MKV, da Yaesu.

O Radiorreceptor Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

159

12. Mist. 70,455 MHz 12 Ampl. 2~ Mist. 8,125 MHz 32 Mist. 455 kHz 2~ Ampl. AGC

RF/AGC

,, , I'

,,

DET

r-------.

RF

AGe

Filtro t---e,.i passa-baixas

X ,___..

Filtro

Me

X

Filtro ~

t----+(

._.....

., /

;

",, ,

/ /

1Q Oscilador local

,

Filtro

/

B = 2, 4 kHz

;

;

32 Osei lador ,,"· local ;

2°• Oscilador .,," loca 1 /

t---+1

/

DSP

11 14--1

X

/

·- - - ---- -- -- - - -- ----------------' I

/

CPU

Saída Shift

Width

42 Oscilador local

(ao demodulador)

Figura 6.16 - Diagrama em blocos do IDBT. Fonte: www.yaesu.com - Transceptor M K V.

Um TCXO, na função de oscilador mestre, provê ± 0,25 ppm de estabilidade após um minuto do equipamento ligado à temperatura de 25 ºC.

Ruído interno do receptor O nível de ruído interno gerado pelo receptor foi tratado no Capítulo 3, figura de ruído F do receptor ou do amplificador. Conforme mencionado, para um baixo valor de F, os componentes aplicados na montagem devem ser do tipo VLN (Very Low Noise).

6.6 O receptor de televisão O receptor convencional de televisão segue o modelo super-heteródino, conforme o diagrama em blocos da Figura 6.17, e nos modelos mais recentes também pode contar com estágios digitais já comentados, como o DSP, o µP e outros. O primeiro estágio, de RF, é a unidade se/etronic (sintonizador), que está marcada com a letra S no diagrama em blocos. É uma pequena caixa blindada em metal sobre a placa principal, contendo internamente um circuito impresso com os componentes. Os estágios dessa unidade são amplificador de RF, oscilador local e misturador. A entrada da unidade recebe o sinal da antena e a saída fornece o sinal de FI.

160 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

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-----------------------1

! !Amplificador • ~

1 1 1 1 1 1 1

de RF

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1 1

. 1g 2g

M·st do . I ura r 1 T Oscilador local

•

1 1 1 1'

1

Alto-falante

FI vídeo

1

1 1

•

3°-

Det. video

•

Pré-

•

.

1

---------------'1 Amplificador

AGC Fo nte de a Iimenta çã o

•

.:vídeo

Dem. Amplificador áudio

1

Cinescópio

Yoke

Saída de

• • .,

vide o

-

_,...

----

R. G, B

. Processo de . • .

• Aos estágios

f-

a resistência por unidade de comprimento;

C

=>

a capacitância por unidade de comprimento;

L

a indutância por unidade de comprimento;

G

a condutância por unidade de comprimento.

Em circuitos elétricos, a oposição feita à passagem da corrente alternada senoidal por L e por C são reatâncias, que podem ser calculadas em ohm pelas expressões:

168 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

(7.1 a)

XL: reatância indutiva: X

Xc: reatância capacitiva:

e

=

1

(7.1 b)

21tf C

em que fé a frequência da onda senoidal. Uma impedância Z, medida em ohm, é representada por um número complexo, composto de uma parte real que corresponde à parte resistiva pura e uma parte imaginária que corresponde a uma reatância indutiva ou capacitiva ou ambas. Assim: Z = R + j XL ou Z = R - jXc, em que j = i = ~ é o imaginário. O módulo de Zé: (7.2) A notação complexa pode ser desenvolvida em fasores, com os valores das impedâncias, tensões, correntes e potências, em coordenadas polares.

7.3 Características elétricas As características elétricas mais consultadas para o emprego do material como LT são: a impedância 20 , a atenuação A e a frequência de corte fc, que depende, principalmente, da capacitância distribuída no cabo, expressa em F/m. As características mecânicas, como dimensões e peso, também são importantes. Os dados são fornecidos pelos fabricantes. a)

A impedância Z0 medida em ohm [O], em geral, é determinada pela expressão:

20

=

R + j 21t f L G + j 21t f C

1/ 2

(7.3)

O cabo coaxial, dos mais utilizados como LT, é composto de um fio condutor envolvido por um dielétrico (isolante) no formato cilíndrico e sobre este uma malha de fios finos trançados (shielding), estando o conjunto envolvido por uma capa de proteção. Na Figura 7.4 podem ser vistos alguns tipos mais comuns de cabos coaxiais e outros para aplicações especiais.

169 Linhas de Transmissão Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Figura 7.4 -Alguns tipos de cabos usados como linhas de transmissão. Fonte: Catálogo da kmP do Brasil.

Tratando-se de cabo coaxial, o cálculo da impedância Z0 c é obtido da expressão: Zoe

em que

Er

138

D = e- x log-ohm '\/Er d

(7.4)

constante dielétrica ou permissividade relativa do isolante ou dielétrico usado no cabo (valor de tabela);

D

diâmetro externo do cabo;

d

diâmetro do condutor interno, conforme desenho da Figura 7.5.

A impedância de cabos coaxiais com Er= 1,0006 (ar) pode ser obtida do gráfico da Figura 7.6.

d D

Figura 7.5 - Corte transversal em cabo coaxial.

170 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

140

/

Cabos coaxiais 120

ou concêntricos t:r=1 (a r)

/

/ /

100

/

80

/

/

/

60

/

40

/

/

/

20

o 1

2

4

6

8

10

Relação O/d {em escala log)

Figura 7.6 - Gráfico de impedâncias para cabos coaxiais.

b)

A atenuação [A], em dB/m (decibel por metro), é função do diâmetro do condutor interno do cabo. Responsável pela perda de energia ao longo do cabo, é calculada mediante a comparação dos valores das amplitudes da tensão (ou da corrente) na entrada e na saída do cabo, em escala logarítmica.

(7.5)

ou

A = 1Olog

1

_1_

dB

(7.6)

11 A frequência de corte fc é o maior valor de frequência da onda a ser aplicada na LT,

acima da qual haverá corrente de fuga entre os condutores (vazamento pelo dielétrico). Dependendo do diâmetro do condutor interno e do material dielétrico, fatores que implicam diretamente a capacitância distribuída, é da ordem de MHz ou GHz.

7.4 Potências incidente e refletida, ondas estacionárias Teoricamente, se tivermos um transmissor ligado a uma LT infinita e sem perdas, toda a potência gerada produz uma onda progressiva e uniforme ao longo da linha, que é dissipada inteiramente na carga terminal (antena). Então, para que a antena converta toda a potência de RF em energia radiante, é necessário o perfeito casamento das impedâncias entre a LT e a

171 Linhas de Transmissão Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

saída do transmissor e entre a LTe a antena. Quando isso ocorre, em situação ideal, o transmissor vê a antena, através da LT, como uma resistência pura Rant· Na prática, a perfeição não existe e sempre ocorre algum descasamento. Também ocorrem dissipações térmicas na LT e na própria antena devido às suas próprias resistividades (observe R no circuito equivalente à LT (Figura 7.3). Qualquer descasamento de impedância faz parte de a corrente de RF, incidente na antena, retornar ao transmissor na condição de refletida, viajando no sentido oposto da onda direta, e provocar dissipação parcial de potência sobre os transistores do estágio de saída. O restante que não se dissipa retorna novamente à antena, deslocando-se no mesmo sentido da onda gerada. A Figura 7. 7 mostra a potência incidente na antena e a potência refletida que aparece na LT do sistema de transmissão descasado. Potência incidente

Antena

Energia irradiada

Transmissor (etapa de saída)

Potência refletida

Linha de transmissão

Figura 7.7 - Representação das potências incidente e refletida.

As ondas refletidas na antena e decorrentes dela, que transitam livremente na LT, são espúrias e conhecidas por ondas estacionárias (standing waves). As ondas estacionárias acarretam sérios problemas, como, por exemplo, provocam o superaquecimento do estágio de saída do transmissor e a diminuição do rendimento da transmissão, pois uma boa parte da potência deixa de ser irradiada. Uma transmissão pode ser avaliada com o auxílio do medidor de ROE (VSWR) ou com o medidor de potências de ondas incidente e refletida.

a)

Medidor de ROE: relação de ondas estacionárias ou VSWR (vo/tage standing wave ratio) relação de tensões das ondas estacionárias, compara as tensões da onda incidente e da refletida pela antena, indicando valores que vão de 1 a oo (infinito). Quanto maior for o valor pior é a situação quanto às ondas estacionárias.

172 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

b)

Medidor de potências ou wattímetro: mede em watt a potência da onda direta ou incidente na antena e a refletida pela antena. A Figura 7.8a mostra um medidor analógico com os conectores de entrada e saída de RF no painel traseiro, que opera como medidor de ROE e de potências direta e refletida. Possui, internamente, uma carga resistiva de 50 ohms para a leitura direta de baixas potências, até cerca de 15 watts. Na Figura 7.8b vê-se um modelo analógico tradicional, com conectores laterais, que opera com elementos sensores ou sondas embaladas em pequenos cilindros, que, pelo modo de aplicação no instrumento, são chamados vulgarmente de "rolhas". Existem sondas para diversos valores de frequências e potências. Na Figura 7.8c observa-se um medidor de potências digital que oferece maior facilidade e precisão nas leituras.

(a)

(b)

(b)

Figura 7.8 - Medidores analógicos portáteis: a) VSWR; b) de potência; c) medidor digital de potência.

Para fazer a medição, o instrumento é inserido entre a saída do transmissor e a antena, numa ou noutra extremidade da LT, conforme a Figura 7.9. Onda in cidente

...

...

Onda refletida Transrnissor -

Medidor

Antena

LT (

)

Onda incidente .,,

.. Onda refletida

Transmissor

LT

Antena Medidor

(

Figura 7.9 - Modos de inserir o medidor de ROE ou de potência no sistema de transmissão.

Considerando as duas situações mostradas nas Figuras 7.9a e 7.9b, a eventual diferença entre valores de leituras pode ser atribuída, em princípio, à perda por dissipação de potência na própria LT por utilização de material inadequado. Conectores defeituosos podem apresentar fuga de corrente de RF.

173 Linhas de Transmissão Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Em testes e nas medições em laboratório, a antena pode ser substituída por uma carga fantasma (dummy /oad), que nada mais é que uma resistência no valor ôhmico e potência de dissipação adequada ao sistema de transmissão. Para se ter noção de valores, serão consideradas a situação ideal de transmissão e duas situações de anormalidade extrema, em função da terminação da LT: •

situação ideal: a terminação da LT é RL = 20 •

•

situações de extrema anormalidade: •

a terminação da LT está em curto-circuito (RL = O);

•

a terminação da LT está em aberto (RL = oo, sem a carga).

Medindo a ROE nestas situações, obtêm-se as seguintes leituras: •

na situação ideal: ROE = 1 (um);

•

em linha aberta ou em curto: ROE = oo (infinito);

•

na prática: valores muito bons de ROE estão entre 1,06 e 1, 15 (valores típicos), no máximo 1,5.

Empregando um medidor de potências, são obtidas duas leituras: Pi, a potência incidente na antena, e Pr, a potência refletida. Utilizando r (gama - letra grega, em maiúsculo), para representar o coeficiente de reflexão das ondas, em percentagem, tem-se a "' expressao: p r = r x100o/o p.1

(7.7)

Sendo: •

na linha ideal r = O;

•

na linha aberta ou em curto r = 1.

Para a obtenção da ROE em funções dos valores de Pi e Pp, tem-se: ROE= pi +Pr p.1 - Pr

(7.8)

Quando a linha está casada e terminada com RL = 20 , situação de ROE = 1, a linha é não ressonante. A expressão da ROE em função do coeficiente de reflexão r é: 1 ROE= +r 1- r

174 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

(7.9)

7.5 Estudo de E, 1e Z em função da terminação da linha Quanto à terminação da linha, pode ocorrer que: •

a carga RL = Z0 , impedância da LT, situação desejável (não há ondas estacionárias);

•

a carga é um curto-circuito: RL = O;

•

não existe carga, a linha está aberta: RL = oo;

•

RL > Z0 ou RL < Z0 (situações intermediárias).

Nas situações de cargas RL = Z0 , RL = oo e RL = O, destacam-se os valores de tensão e corrente de RF na linha, em segmentos de comprimento ')J2 representados nos gráficos da Figura 7.1O. Deles, conclui-se: 11 )

em a, RL = Z0 , a corrente I e a tensão E estão em fase e a ROE= 1;

21)

em b, RL = oo, a corrente I está atrasada de 90º em relação à tensão E e no centro do segmento, em Ã/4, a corrente é máxima e a tensão é nula;

31 )

em c, RL = O, a corrente I está adiantada de 90º em relação à tensão E e no centro do segmento, em Ã/4, a tensão é máxima e a corrente é nula. E

J

--------------------------· -

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E

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ROE=1

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Figura 7.1 O- Gráficos de tensões e correntes em LTs com terminações: a) RL = Zo; b) RL = oo; c) RL = O.

Nas situações de RL = oo e RL = O, a Figura 7.11 exibe a curva de reatâncias equivalentes, em segmentos iguais a Ã/2 e em pontos espaçados de 3')J4 sobre a LT.

175 Linhas de Transmissão Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

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a

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-2

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J_

b

Figura 7.11 - Reatâncias equivalentes no segmento da LT igual a à / 2 com terminações: a) em linha aberta, RL = oo e b) linha em curto, RL= O. Fonte:TM 11-666.

7.6 O transformador casador de impedâncias Quando o problema consiste em casar a LT com a antena ou a saída do transmissor com a LT, a melhor solução pode ser inserir no circuito um transformador de RF casador de impedâncias. A título de exemplo, uma transmissão com antena rômbica na faixa de HF, uma antena bastante diretiva (ver Capítulo 8) que, por suas dimensões, ocupa um bom espaço do terreno onde está instalada e geralmente fica bem distante do transmissor. Para minimizar a perda na linha, utiliza-se como LT um par de condutores paralelos separados por isoladores. Nestas condições, a LT apresenta uma impedância de maior valor que um cabo coaxial de 300 ou 600 ohms. A impedância da LT construída com condutores paralelos pode ser calculada com o auxílio do gráfico da Figura 7.12. Para casar a linha de 300 ou 600 ohms com a saída do transmissor, quase sempre de 50 n, utiliza-se um transformador casador de impedâncias. O transformador casa as impedâncias e eleva a tensão da onda portadora. Assim, a corrente IRF diminui e, consequentemente,

176 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

reduz a potência dissipada na linha. O diâmetro do condutor fica por conta da corrente máxima de alimentação da antena. Z0 [12] 800

,.

700 600

-

500

-

b----t, ~

~

.... ,,.. __,,,,,.,

400 300 ,,,,_ ~

200

/

100

o

~

.--

,,.,... .

~

~

.....

/

-

~

... ....

./'" ... .,. .

~

~

/ 1

2

5

10

50

100

500

Fonte: TM 11 -666

Relação b/a

Figura 7.12 - Gráfico da impedância de uma LT com fios paralelos.

Na LT do gráfico consideram-se os condutores separados por isoladores, o dielétrico é o ar, a é o raio do fio condutor e b é a distância entre os condutores. Em outra situação, aplicado à entrada de antena do receptor de televisão, o balun é um transformador que casa a impedância da LT (fio paralelo de 300 ohms) com o seletor de canais do receptor, 75 ohms. A Figura 7.13 mostra três tipos diferentes de transformadores.

a)

b) Figura 7.13- Transformadores: a) pot-core; b) toroide; c) balun.

Comparado ao tradicional transformador de núcleo de ferro, em termos práticos, tem-se: •

O núcleo de ferrite magnético (magnetic core) é menor e mais leve.

•

Os enrolamentos possuem menor quantidade de espiras de fio em virtude da maior concentração e da melhor condução do fluxo magnético. 177 Linhas de Transmissão Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

•

Operam em frequências mais elevadas.

No toroide e no balun é comum encontrar o enrolamento bifilar, que diminui a capacitância distribuída entre as espiras. O secundário (enrolamento de saída do sinal) pode ser balanceado em relação à massa ou terra (comum), conforme o esquema da Figura 7.14. Na ilustração, em relação ao centro ligado à massa, cada lado do enrolamento conduz um semiciclo do sinal senoidal. Os ferrites têm diferentes composições e possuem diferentes valores de permeabilidade magnética (µ 0).

1

1

1 1

1 1

1

1

1

1

!Balanceado

Figura 7.14 - Esquema de ligação de um transformador com secundário balanceado.

Em outras situações de descasamento, o emprego do stub line, ou simplesmente stub, baixa consideravelmente a ROE. Um stub nada mais é que um pedaço do mesmo cabo da LT, de comprimento calculado e inserido em paralelo, num ponto certo da linha de transmissão. O stub pode ser terminado em curto ou em aberto, calculado com o auxílio da carta de Smith, estudada na disciplina Eletromagnetismo. A carta de Smith pode ser obtida de sites visitados . LT

-41

n

•

i.

ai.,

Antena

Figura 7.15 - Esquema de aplicação de um stub em curto.

7.7 Cabos irradiantes de RF São tipos especiais de cabos com fendas (Figura 7.16), que irradiam ao longo do seu comprimento. São utilizados em locais confinados, não atendidos pelas irradiações das antenas transmissoras primárias. Por exemplo, viabilizam as comunicações de algumas empresas de telefonia móvel celular no subterrâneo do metrô. Os cabos são instalados internamente, com cargas terminadas (carga casada para a extremidade do cabo não ficar em aberto), partindo de um equipamento distribuidor de potência (power splitter) que se liga à ERB externa mais próxima.

178 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Figura 7.16 - Alguns tipos de cabos irradiantes de RF.

Exercícios

1. Calcular na frequência de 1OkHz os valores das reatâncias: a) indutiva para L = 200 mH; b) capacitiva para C = 100 nF.

2. Calcular a impedância 20 de um cabo coaxial, sabendo que a relação D/d = 6 e o dielétrico é o ar. 3. Num sistema com potência de 100 watts de onda portadora, foi medida na linha de transmissão uma ROE de 1,3. Calcular o valor da potência refletida e o coeficiente de reflexão r.

4. Um sistema de transmissão de rádio na frequência de 1O MHz utiliza uma LT com 30 metros de comprimento. Retira-se a carga da extremidade, deixando a LT em aberto. Determinar: a) quantos segmentos Ã/2 estão contidos na LT; b) a distância do transmissor ao primeiro ponto em que a tensão da portadora é zero.

5. Utilizando o gráfico da Figura 7.13, determinar a impedância 20 de uma LT de fios paralelos de relação b/a = 15.

179 Linhas de Transmissão Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

180 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Antenas

8

Antena é um dispositivo geralmente metálico (como disco ou fio) para irradiação das ondas de rádio. Ou um meio para irradiar ou receber ondas de rádio. (Webster's Dictionary; IEEE Standard Definitions)

8.1 Recapitulação Conforme foi mencionado no Capítulo 4, a antena é usada na transmissão dos sistemas rádio para irradiar ondas eletromagnéticas e na recepção para captá-las. Durante a transmissão, a antena converte a corrente de RF gerada pelo transmissor em ondas eletromagnéticas. Inversamente, na recepção, converte a onda eletromagnética em corrente elétrica de RF, a ser processada pelo receptor, visando a obtenção da informação na forma como foi transmitida. A antena não deixa de ser um tipo de transdutor. As ondas de rádio extrapolam o campo das comunicações. Em determinadas frequências e potências são úteis, por exemplo, na área médica, em diatermia, nos tratamentos terapêuticos com ondas curtas para calor profundo e na cozinha no forno de micro-ondas. Além do material condutor usado como elemento irradiante, materiais isolantes também fazem parte da antena. A cerâmica da base da antena vertical instalada em veículos impede a fuga da RF para as partes aterradas; a borracha serve para isolar o elemento condutor de transceptores portáteis (HT) e proteger o operador do contato direto com a RF da antena. A instalação da antena deve ser feita em ambiente livre e, por segurança, distante de fios expostos da rede elétrica, em particular da rede de alta-tensão. Quando instalada em locais confinados, como túneis ou galerias subterrâneas, a preocupação é a mesma, considerando o espaço livre como interno do local do confinamento. Sob a terra, as comunicações com o exterior só ocorrem se a RF da transmissão for conduzida para fora do local do confinamento e, para a recepção, trazida de fora, por algum meio. Observe que no interior do elevador de um edifício quase sempre cai a ligação feita pelo telefone celular. O elevador, confinado na coluna vertical da estrutura de concreto edificada, funciona como gaiola de Faraday.

181 Antenas Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Os locais de instalação das antenas devem estar protegidos por para-raios. Pelo teorema da reciprocidade, as características de uma antena valem tanto para a transmissão quanto para a recepção. A aplicabilidade e o desempenho de uma antena dependem da definição de vários de seus parâmetros. O dimensionamento de uma antena é feito em função do comprimento de onda À, calculada da frequência de operação f0 •

8.2 Tipos de antena As antenas são construídas em vários tipos e modelos para diferentes aplicações e resultados, em função da frequência de trabalho, potência de transmissão e ganho. Alguns modelos destinados à instalação fixa podem girar no alto da torre, comandados por motor elétrico. Esse recurso proporciona maior diretividade no enlace, pela facilidade do apontamento da antena. A antena log-periódica mostrada na Figura 8.3c pode ser instalada dessa forma. Os diferentes tipos de antena de maior uso podem ser agrupados conforme apresentado em seguida.

8.2.1 Antena de fio É feita de fio condutor elétrico, geralmente cobre nu, e pode ter alma de aço (copperweld) para resistir à tração. De instalação fixa, é usada para comunicações de longas distâncias, superiores a 100 km, em frequências da faixa de HF, de 3 a 30 MHz. A antena dipolo horizontal mostrada na Figura 8.1 é um exemplo de antena de fio.

Isolador

Fio nu

Conector de centro

Isolador

Transceptor

Figura 8.1 - Esquema de montagem fixa da antena dipolo-horizontal.

182 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

O conector de centro de antena e o isolador são elementos importantes na montagem da antena dipolo horizontal de fio. Na Figura 8.2a vê-se o conector aberto com as ligações do cabo coaxial (LT), e em 8.2b e em 8.2ctipos de isoladores.

• • ••• • • b)

•

• a)

,e)

Figura 8.2 - Elementos da montagem de uma antena de fio: a) conector de centro de antena, b) isolador de fio da antena (extremidades) e c) isolador do tipo castanha (recepção).

8.2.2 Antena de tubos metálicos A antena é feita de tubos de cobre ou de alumínio. Os tubos utilizados são encontrados em pelo menos cinco diferentes tipos: a)

Tubos de cobre ou de alumínio, geralmente ocos, mais leves, aplicados em antenas externas de recepção de TV, como a Vagi e na log-periódica, bem diretiva; na forma espiralada como elemento irradiante da antena helicoidal com refletor para uso nas faixas de VHF e UHF; circular ou em loop, das antenas de polarização circular e em diversas outras aplicações.

b)

Tipo telescópio, talvez o mais usado, encontrado em receptores de rádio e TV portáteis.

e)

Articulados por molas e cabos de aço colocados no interior dos tubos que formam as seções da antena. Para ser guardada, a antena é dobrada em seções que se encaixam novamente quando são desdobradas.

d)

Com roscas nas extremidades que formam as seções (segmentos) da antena, geralmente na quantidade de quatro ou cinco. Na base de fixação pode existir uma mola em espiral para dar flexibilidade ao conjunto e permitir a inclinação da antena.

É de uso típico militar, em radiotransceptores veiculares, nas faixas de HF e VHF.

183 Antenas Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Alguns desses tipos de antena podem ser vistos na Figura 8.3.

__.

r (a)

(b)

~

(e)

Figura 8.3 - Tipos de antena de tubos metálicos: a) Yagi, b) telescópica, c) log-periódica.

8.2.3 Antena vertical As antenas verticais destinadas às radiotransmissões em HF podem ser de dois tipos: mastro ou torre. A antena mastro assemelha-se a um poste, sendo instalada fixa e isolada do solo ou do piso, onde é assentada na posição vertical. O ponto de alimentação da antena está na base do mastro. É usada, por exemplo, em embarcações de porte para o serviço móvel marítimo, na faixa de HF. Geralmente trabalha com acoplador de antena, uma caixa metálica fixada próxima à base, que serve para casar a impedância da antena com a LT nas diferentes frequências de operação. A antena do tipo torre é fabricada em seções com treliças metálicas, geralmente de ferro, para a montagem vertical. E bastante empregada em transmissoras de estações comerciais em AM (broadcasting), na faixa de 535 a 1615 kHz, para irradiar ondas terrestres. I

A torre é fixada sobre uma base de material isolante e a sustentação, na posição vertical, é proporcionada por cabos de aço, em segmentos intercalados por isoladores (bolinhas pretas da Figura 8.4) no estaiamento da torre. Quando a torre não precisa ser estaiada é denominada "autoportante". A Figura 8.4 mostra três diferentes modelos de torres, duas estaiadas e a do centro, que é autoportante.

Figura 8.4 - Três modelos diferentes de antenas do tipo torre.

184 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

8.2.4 Antena de fitas metálicas Pode ser de dois tipos: a)

Segmentos de fitas metálicas paralelas unidas por rebites, medindo cerca de 1,5 m, que por sua robustez e flexibilidade é típica de transceptores portáteis militares, na faixa de VH F.

b)

Conjunto de dupla trena, graduada em metro, formando um dipolo horizontal de meia onda, na faixa de HF. Nesse conjunto existem duas fendas para saída das fitas, nas extremidades, dispositivo de travamento das fitas e um conector para receber a linha de transmissão. Para formar o dipolo meia onda, o comprimento da fita é tomado na medida certa pelo cálculo do comprimento de onda.

8.2.5 Antena de abertura Possui diferentes formas de abertura, de acordo com a Figura 8.5, e aplicações nas faixas de micro-ondas. É comumente usada em conjunto com algum tipo de refletor, por isso o nome antena com refletor parabólico.

Figura 8.5 - Antenas de micro-ondas com diferentes formas de abertura.

8.2.6 Antena microstrip Ficou conhecida a partir dos anos de 1970, primariamente com aplicações em sistemas de comunicações de veículos espaciais, satélites e mísseis teleguiados. Hoje, também desponta em várias aplicações comerciais. Consiste em um pedaço de metal, que pode ter qualquer formato (quadrado, retangular, circular etc.), montado sobre uma placa plana de substrato, com uma das faces aterrada, conforme mostra a Figura 8.6. Apresenta como desvantagens baixa eficiência, baixa potência irradiada, elevado Q, por vezes acima de 100 (sintonia muito aguda), baixa pureza de polarização e radiação espúria. Em versão mais atual, encontra-se a antena microstrip com estrutura fractal.

185 Antenas Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Pedaço de metal (elemento radiante)

a)

Face inferior aterrada

Figura 8.6 - Antena microstrip.

8.2.7 Arranjo ou empilhamento de antenas Denomina-se arranjo (array) quando duas ou mais antenas são associadas e formam um conjunto com características próprias de radiação. O arranjo é feito para sistemas multibandas ou multifaixas ou ainda quando se deseja uma antena para operar em faixa mais larga de sintonia (BW).

8.3 Radiador isotrópico É definido como uma antena hipotética, sem perdas, que capta ou irradia campos eletromagnéticos igualmente em todas as direções. Imagine uma fonte luminosa colocada no centro de uma esfera. Se a energia luminosa emergir uniformemente distribuída da superfície da esfera, a fonte é isotrópica. Embora teórica e fisicamente inexistente, o radiador isotrópico é o padrão de referência das antenas. A denominação onidirecional também é usada pelo fato de a radiação ocorrer sem nenhum padrão de direcionalidade.

8.4 Diagramas de radiação As projeções do volume de energia radiante em planos horizontal e vertical em ângulo diedro, com o observador situado no infinito, dão origem aos diagramas de irradiação ou de radiação padrão da antena. Uma antena vertical foi escolhida para estudo dos diagramas de radiação. Nas projeções, as áreas com concentração de energia são denominadas lóbulos.

186 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

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Figura 8.9 - Campo elétrico formado pelo dipolo meia onda.

As linhas de campo se formam devido ao movimento das cargas elétricas ao longo da antena e numa sequência do tempo. Simultaneamente, o campo magnético H dá origem à linha de campo elétrico E, conforme foi explicado no Capítulo 4, que se desprende da antena, conforme mostra a Figura 8.1 O(na sequência de A a D). + +

+ +

- -

----....~ A

8,

e

D

Figura 8.10 - Geração das linhas fechadas de campos elétricos numa antena.

A sintonia do dipolo ocorre em medida bem próxima de Qant = "A/2, e quando o dipolo é simétrico a distribuição da corrente de RF e a variação da tensão ocorrem conforme indica a Figura 8.11. Na curva de distribuição da corrente Q observa-se que o máximo de intensidade ocorre no centro da antena e zero nas extremidades, enquanto a tensão E é máxima nas extremidades e zero no centro da antena. Essas condições recomendam o uso do dipolo simétrico. No dipolo assimétrico, vulgarmente chamado de "dipolo capenga", a curva de distribuição da corrente e a impedância (Figura 8.21) são diferentes. A intensidade de corrente de RF (em ampere) de alimentação da antena determina o diâmetro (calibre) mínimo do fio condutor. Na situação da antena com longos fios condutores, o material utilizado é especial, copperweld, um tipo de fio de cobre com alma de aço, bom condutor, mas resistente à tração, empregado para o fio não esticar com o peso.

188 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

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~ '"- 'A/4, tem-se 9 > 90°. O valor de G é obtido direta e proporcionalmente a À /4 = 90°, e o entendimento dessa igualdade pode ser deduzido da Figura 8.11 .

191 Antenas Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

No caso das antenas curtas, a carga de topo compensa eletricamente o encurtamento físico da antena. São usadas como carga de topo peças metálicas, na forma circular com radiais no centro ou na forma de cone, presa ao topo da antena. Nessa situação, para descobrir o comprimento elétrico da antena, busca-se conhecer, na prática, a nova frequência de ressonância f0 da antena, com o auxílio de um gerador de ondas senoidais de frequência variável e de um instrumento de medida, por exemplo, o medidor de ROE.

8.7 Sintonia da antena A antena, quando estudada pelo circuito elétrico equivalente, é representada por um circuito RLC, série ou em paralelo, ressonante na frequência de transmissão f0 • Os circuitos RLC, série e paralelo e a curva de ressonância estão mostrados na Figura 8.16, com o respectivo BW, a banda passante da antena, determinada pelos limites de aceitabilidade das ondas estacionárias. F Série

L

3dB

3dB

•

e Paralelo

R

L

........ e

f (Hz] I Zant

::::)

>iJ2

= iJ2

< i }2

=>

L1'

R

C1'

Figura 8.16 - Circuitos RLC série e paralelo e a curva de ressonância da antena.

O fator de qualidade Q (adimensional) do circuito ressonante é: (8.1) Quando uma antena é cortada corretamente, ~ = ')J2 circuito ressoa na frequência de trabalho e então a antena é vista pelo transmissor como uma resistência pura R. Na frequência de ressonância a tensão E e a corrente I estão em fase e não há ondas estacionárias na linha de transmissão.

192 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Matematicamente, a ressonância ocorre quando a reatância indutiva XL é compensada pela reatância capacitiva Xc. Assim, sendo XL = Xc, em Z = R + j XL - j Xc, resulta Z = R (resistência pura). •

Quando Q> ')J2, a antena recebe a denominação de antena longa. Nessa situação, a antena é eletricamente indutiva (predominância de L no circuito) e precisa ser compensada por uma capacitância C para se chegar à ressonância.

•

Quando Q< ')J2, a antena recebe a denominação de antena curta. Nessa situação, a antena é eletricamente capacitiva (predominância de C no circuito) e precisa ser compensada por uma indutância, para se chegar à ressonância.

As três situações estão representadas na Figura 8.16, sob o eixo das frequências da curva de ressonância com valores para Qe Zant· Quando ocorrem descasamentos de impedâncias no sistema de transmissão, principalmente, uma solução viável é a utilização do acoplador de antena. Um acoplador automático insere indutores e/ou capacitares no circuito de saída do tranmsmissor, nos valores necessários à ressonância e à eliminação das ondas estacionárias. O acoplador pode ser externo, de comando remoto ou externo ao transmissor, no estágio de saída de RF. No primeiro caso, uma caixa metálica com os respectivos conectores de alimentação (entrada de RF, saída para a antena, alimentação DC e cabo de comando) é montada próxima à base da antena. Os componentes L e C do circuito são comutados automaticamente quando se troca de canal. O circuito é microprocessado e funciona pelo princípio das medições sucessivas das ondas estacionárias. O acoplador de antena é um componente quase imprescindível do sistema de transmissão em que a frequência de trabalho é seguidamente trocada, permanecendo inalterado o comprimento da antena. Isso ocorre, comumente, com os transceptores militares e de radioamadores. Porém, há de se considerar as perdas no acoplador, de forma a comprometer, algumas vezes, o rendimento da emissão. Por exemplo, um transmissor de 100 watts, na frequência de 3 MHz, que opera com uma antena vertical de 5 metros, uma antena muito curta e que gera uma condição altamente desfavorável à ressonância, dependendo do acoplador, pode entregar à antena uma potência efetiva de apenas 20 watts.

8.8 Regiões dos campos de uma antena I

E costume dividir em três campos as regiões em torno de uma antena transmissora, os quais recebem as seguintes denominações:

193 Antenas Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

•

campo próximo reativo;

•

campo próximo à irradiação (região de Fresnel);

•

campo distante (região de Fraunhofer).

As três regiões podem ser vistas na Figura 8.17, delimitadas por dois círculos concêntricos de raios R1, do campo próximo reativo, onde nenhuma medida de intensidade de campo deve ser realizada, de raio R2, pela região de Fresnel e finalmente pelo campo distante, de Fraunhofer, onde geralmente se localiza a antena receptora do enlace. No Capítulo 9 são apresentadas algumas formulações matemáticas para a obtenção da potência do sinal recebido. Nota: Joseph von Fraunhofer (1787-1826), profissional da área óptica e físico, nasceu na Alemanha. Trabalhava com lentes na construção de telescópios e instrumentos ópticos. Inventou diversos instrumentos científicos, entre eles o espectroscópio. Estudou as linhas escuras do espectro solar que receberam o seu nome. Estudou a refração e a dispersão da luz e deixou subsídios para o estudo da propagação das ondas.

R1=D,62 (D3/Ã.)1h R2 =2 D2/t

D

em que: t =:> comprimento de onda

Campo distante

da transmissão,;

Região de Fraunhofer

D ~ maior dimensão da antena, que para ser válida: D>Ã.

Figura 8.17 - Regiões dos campos.

Observações: 1) Se a antena tem sua maior dimensão da ordem do comprimento de onda 2, a região de Fresnel pode não existir. 2) Para uma antena apontada para o infinito, a região do campo próximo reativo algumas vezes é tratada como região de Fresnel.

8.9 Parâmetros das antenas Antes da escolha e da aplicação da antena no sistema de transmissão ou de recepção, é preciso conhecer as principais características e os parâmetros mais importantes que definem a antena. Esses elementos são assim enumerados:

194 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

8.9.1 Banda passante A banda passante BW foi mostrada na Figura 8.16 e pode ser explicada como a faixa de frequências aceita pela antena sem causar prejuízos ao desempenho da transmissão ou da recepção. A banda passante de uma antena é medida nos terminais da antena sem a presença do acoplador. Pode ser de banda larga ou de banda estreita, em função das frequências nos pontos de meia potência, e a referência é feita à frequência central, de ressonância da antena, em valor percentual.

8.9.2 Polarização A forma de irradiar da antena determina a polarização da onda eletromagnética (vertical ou horizontal, circular ou elíptica), comentada no Capítulo 4. A maior transferência de energia entre as antenas transmissora e receptora ocorre na situação de igual polarização.

8.9.3 Radiação padrão É uma função matemática ou um gráfico que representa as propriedades de radiação da antena em função de um sistema de coordenadas. Cada antena tem o seu próprio modo de irradiar, e o volume de energia produzido pode assumir diferentes formas. A Figura 8.18 mostra um diagrama de radiação em coordenadas polares de uma antena dipolo de meia onda. Aumentando a separação entre a antena e o solo, em comprimento de onda, a forma do volume de energia se modifica, com o estreitamento do lóbulo principal e o surgimento de lóbulos secundários.

Eixo da antena

180°

90°

270°

o Figura 8.18 - Diagrama de radiação da antena dipolo de meia onda.

Pelos diagramas de radiação são identificados os lóbulos principais e os secundários. Conforme mostra a Figura 8.19, o lóbulo principal concentra o maior volume de energia, por isso deve ser direcionado ao local de recepção. Os lóbulos secundários ficam voltados para outras direções e, na maioria das vezes, esse fato pode ser considerado desperdício de • energia.

195 Antenas Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Sentido principa l da propagação Antena

Lóbulo principal Lóbulos secundários

Figura 8.19 - Projeção horizontal da radiação padrão de uma antena em V.

Em geral, a radiação padrão é modificada em presença de elemento condutor passivo (não alimentado) inserido no contexto como diretor ou refletor da onda e quando se altera a fase de alimentação das antenas de um arranjo (array).

8.9.4 Impedância A impedância da antena Zant, em ohm, deve ter o mesmo valor da linha de transmissão ou de recepção para o perfeito funcionamento do sistema. Na prática, as antenas estão disponíveis no mercado com valores típicos de impedâncias das linhas, sendo os mais comuns 50, 75 e 300 ohms, mas, em função das circunstâncias de instalação da antena, a impedância pode apresentar-se com o valor alterado.

Plano de t,erra formado por quatro elementos

Figura 8.20 - Modelo de antena vertical com plano de terra elevado.

Por exemplo, o valor da impedância é modificado quando se eleva o monopolo acima da superfície do solo, plano de terra natural e de referência da antena. Com o objetivo de vencer a curvatura da Terra para aumentar o alcance da transmissão, é comum instalar a antena no alto 196 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

de uma torre. Esse procedimento faz com que a imagem virtual se distancie da antena (Figura 8.12a), provocando a mudança considerável da impedância. Em consequência, a radiação fica comprometida pela perda de potência com o surgimento das "famosas" ondas estacionárias. A solução encontrada para o problema é construir um plano de terra artificial com varetas metálicas ligadas à terra sob o monopolo da antena. A antena mostrada na Figura 8.20, por isso, é denominada antena vertical com plano de terra elevado. A impedância característica da antena dipolo meia onda varia com o ponto de entrada da alimentação de RF, conforme a Figura 8.21. Observa-se que no centro a impedância é 73 ohms e nas extremidades chega a 2500 ohms. 2500 f )

2500 ~l

Z antena

73 r2 (centro)

Figura 8.21 - Impedância do dipolo meia onda em relação à entrada de alimentação.

8.9.5 Resistência da antena e potência irradiada A potência entregue à antena é transformada em duas outras formas: energia irradiada (ondas de rádio) e dissipação térmica (calor). A expressão matemática da potência é: (8.2) em que: P

a potência de saída, em watt [W];

R

resistência, em ohm [Q];

1

corrente, em ampere [A].

Po = {Ra + Rr). {IRF)2 em que: P0

(8.3)

potência dissipada pela antena, em watt;

Ra

real resistência da antena, em ohm;

Rr

resistência de radiação da antena, em ohm;

IRF

corrente de RF, em ampere, de alimentação da antena.

197 Antenas Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

2

2

Assim, Ra · IRF é a parte dissipada na forma de calor e Rr · IRF é a parte convertida em radiação (ondas de rádio).

8.9.6 Diretividade O conceito de diretividade foi algumas vezes discutido e modificado, portanto é recomendável considerar a antena pelo seu ganho. A diretividade D é a propriedade de cada tipo de antena de irradiar mais fortemente em algumas direções que em outras. Isso pode ser expresso quantitativamente, em comparação ao radiador isotrópico, em que D = 1. Quanto maior for o valor de D mais diretiva será a antena. Agora, seja novamente aplicado o mesmo raciocínio. Imagine uma esfera de raio r envolvendo uma antena isotrópica localizada no centro da esfera. O volume de energia terá a forma da esfera, e, se a potência irradiada for W, em watt, sendo 4n r2 a superfície da esfera, a componente radial Pr, em watt por metro quadrado, será:

w Pr= - 4n r

2

(8.4)

O valor de Pr retrata a potência por unidade de área ou a densidade de potência tomada sobre a superfície da esfera, que, sabidamente, será a mesma em todos os lugares da superfície, por isso assume o valor de diretividade 1. Também Pré tomado por componente radial do vetor de Poynting médio, aquele que aponta no sentido da direção de propagação da onda. Nas mesmas condições de envolvimento pela esfera, uma outra antena qualquer não apresenta o mesmo resultado. O volume de energia irradiado vai ter outra forma, e determinadas regiões da superfície da esfera vão apresentar maior densidade de potência que outras; desta forma a diretividade da antena será diferente. Multiplicando a densidade de potência Pr pelo quadrado do raio r, unitário, resulta U, intensidade de radiação, em potência por ângulo sólido unitário (watt por radiano quadrado ou esterradiano):

u = pr r2

(8.5)

Observação: Ângulo sólido que, tendo vértice no centro de uma esfera, subentende na sua superfície uma área igual ao quadrado do raio da esfera, tem por unidade de medida o esterradiano (sr) (Figura 8.22).

198 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

r r

e

1 sr

Figura 8.22 - O esterradiano (sr).

Considerando que a intensidade de radiação máxima Umáx estará sempre na direção 9 = 0°, direção principal do radioenlace, e sendo U0 a intensidade de radiação da antena isotrópica, a diretividade D de uma antena pode ser expressa pela relação entre a intensidade de radiação máxima e a intensidade de radiação média da fonte, ou seja:

(8.6)

ou

Uméd está relacionado aos pontos de 3 dB ou pontos de meia densidade de potência, que

podem ser locados sobre o lóbulo principal do diagrama, e 9 é o ângulo de abertura do feixe. 3 dB

\

''l , 1 \ 1

()

Direção principal

j

r 1

I I I I

I

Figura 8.23 - Lóbulo principal de radiação de uma antena.

O valor numérico de D pode ser transformado em dB, efetuando-se a operação 10 log D. Para o radiador isotrópico, D= 1 ou D= OdB. Na prática, quanto ao modo de irradiar, observados os lóbulos principais, as antenas são classificadas em bidirecionais e unidirecionais. Por exemplo, o diagrama de radiação da Figura 8.18 mostra ser uma antena bidirecional e o da Figura 8.19, uma antena unidirecional.

199 Antenas Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Comparativamente ao radiador isotrópico, as Figuras 8.24 e 8.25, com os diagramas horizontais de radiação de algumas antenas, dão uma noção prática de valores numéricos da diretividade D. Assim, na Figura 8.22, 1,5 corresponderia a um dipolo curto e 1,64, a um dipolo meia onda, distanciado de "A do solo. Eíxo da antena

1

1 1

1 1

1

Radiador

t4---

isotrópico

- ---.r

1 1

1 1 1

0=1

D= 1,64

D= 1,5

Figura 8.24 - Valores de diretividade de antenas bidirecionais. Eixo da ant,ena 1 1 1

1 1 1

li 1 1

1 1

1

1 1

1

14--

Radiador isotrópico

_......, 1

i

1 1 1

1 1 1

1 1

1 1 1

1 1 li 1 1

1

•

0 =1

0=4

D= 7,3

Figura 8.25 - Valores de diretividade de antenas unidirecionais.

Nota: Os valores de D apresentados em função dos lóbulos são comparativos. Na realidade, são obtidos por cálculos de integração de funções matemáticas representativas das antenas, em coordenadas esféricas, não abordadas na apresentação da matéria. Esse estudo pode ser feito, a fundo, em livros específicos sobre engenharia de antenas.

200 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

8.9. 7 Rendimento ou eficiência de radiação Rendimento ou eficiência de radiação é a relação entre a potência efetivamente irradiada e a potência de RF entregue à antena. A parte da potência não irradiada corresponde à dissipação térmica nas partes resistivas, às fugas de RF nos conectores e isoladores, aos possíveis descasamentos de impedância e à despolarização da onda. Assim, a eficiência de radiação 11 é expressa por: 11 = Prad x 1OOo/o

(8.7)

Pent

8.9.8 Rendimento ou eficiência do feixe O rendimento ou eficiência z do feixe de uma antena é a relação entre a energia contida no feixe da direção principal (lóbulo principal) e toda a energia irradiada pela antena. Assim: Z

=

P, .

,eixe

x 1OOo/o

(8.8)

prad

8.9.9 Ganho O ganho da antena isotrópica, sem perdas, é igual ao produto da diretividade pela eficiência do feixe da antena, numericamente igual a 1. Buscando a realidade de uma antena qualquer, com perda, o valor do ganho é expresso pelo produto da eficiência 11 pela diretividade D. Logo: (8.9) Tendo como referência a antena isotrópica, o valor do ganho de uma antena é expresso em dBi, ide isotrópica, em acréscimo ao dB, mas com a mesma equivalência.

8.9.1 OAbertura efetiva da antena A abertura efetiva A8 de uma antena está relacionada com o ganho e as dimensões da antena. Quando o ganho é máximo, a abertura corresponde à área efetiva da antena. É calculada pela expressão: 2 GÃ

A= e

4 7t

(8.1O)

201 Antenas Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

abertura da antena em m2;

em que Ae G

ganho da antena (adimensional); =>

o comprimento de onda.

Quanto maior o valor de A8 maior a temperatura efetiva de ruído da antena.

8.9.11 Relação frente-costas É calculada da relação entre a potência irradiada na direção principal (para a frente) e a potência irradiada na direção oposta (para trás), com valores obtidos do eixo principal de irradiação. Em geral, o valor da relação, expresso em dB, costuma ser informado pelo fabricante no caso da antena diretiva. pf Rf I c = 1O log -

Pc

(8.11)

8.9.12 EIRP da transmissão É a referência normalmente usada para expressar a potência direcionada de irradiação de um sistema na faixa de micro-ondas, por exemplo, nas comunicações por satélite. EIRP Effective lsotropic Radiation Power, é a potência da transmissão aplicada à antena isotrópica que proporciona o mesmo resultado da antena direcional em uso. Matematicamente: EIRP [dBW] = Pt [dBW] + G [dBi] - L [dB] em que Pt

=>

(8.12)

a potência de transmissão em dBW;

G

ganho da antena em uso em dBi.

L

perdas diversas no circuito, em dB.

Exemplo o-------

---

8.2 Uma estação transmissora terrena de satélite com amplificador de 2 kW (+33 dBW), antena com 64 dBi de ganho e perdas -7 dB, totaliza uma EIRP de 90 dBW.

8.1 OAntenas com refletores As antenas destinadas às faixas de frequências mais elevadas, devido às suas pequenas dimensões, função do comprimento de onda, podem ser construídas para irradiar feixes de onda mais concentrados, na direção principal, graças ao emprego de refletores. Assim, além de maior diretividade, o elemento refletor também proporciona maior ganho à antena.

202 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Os refletores são de quatro tipos, a saber: elemento passivo, plano simples, de canto e curvos. Acompanhe a descrição dos principais.

8.10.1 Elemento passivo Denomina-se elemento passivo aquele não alimentado, que forma um conjunto com o elemento principal da antena, geralmente um dipolo, para direcionar o feixe de onda. Pode existir na quantidade de um ou mais por antena, atuando como refletor e diretor do feixe. A Figura 8.26 mostra um esquema de antena dipolo, na recepção, com um refletor e um diretor. Sentido da transmissão

Diretor

Refletor

Sentido da recepção

Dipolo l in ha----'

Figura 8.26 - Refletor e diretor na antena dipolo.

O dipolo pode assumir a configuração apresentada na Figura 8.27, ou antena doublet, muito comum na recepção de TV ou rádio FM com impedância de 300 ohms.

Figura 8.27 - Antena doublet (meia onda).

8.10.2 Refletor plano Ilustrada na Figura 8.28, uma antena dipolo é posta à frente de uma folha metálica plana que atua como refletor.

Direção do feixe principal

LT

Figura 8.28 - Antena dipolo com refletor plano.

203 Antenas Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

8.10.3 Refletor de canto A antena dipolo com refletor de canto (corn reflector), ilustrada na Figura 8.29, é composta de um dipolo colocado à frente de duas folhas metálicas planas, refletores planos, que formam um ângulo a. Direção do feixe principal

LT

Figura 8.29 - Antena dipolo com refletores de canto.

Não necessariamente os planos refletores precisam ser de folhas inteiriças. Varetas paralelas e equidistantes formam planos refletores, conforme a refletora de canto (corn reflector) da Figura 8.30, bastante conhecida e usada na recepção de sinais de televisão, em UHF. O ganho de uma antena desse tipo é da ordem de 9 dBi.

~

Plano refletor

- Dipolo

-

'

- Plano refletor

1

Figura 8.30 - Antena de UHF com refletor de canto (corn reflector).

204 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

8.10.4 Refletores curvos Eles são encontrados geralmente nos formatos cilíndrico, parabólico ou tronco de paraboloide, este último bastante comum em antenas de radar, possivelmente já vistas em filmes, girando no alto de mastros de navios. Na Figura 8.31 a, encontra-se uma antena dipolo no interior de um refletor cilíndrico e, em 8.31 b, o bastante conhecido e muito utilizado refletor parabólico.

F

(a)

LT

(b)

Figura 8.31 - Refletores: a) cilíndrico; b) parabólico.

8.10.5 Refletor parabólico Mais comumente utilizado para concentrar feixes de ondas de uma antena de abertura ou uma antena helicoidal, o refletor parabólico goza da propriedade de concentrar no foco todos os feixes de ondas incidentes sobre a superfície interna do paraboloide. Inversamente, na transmissão, a energia emitida do foco sobre a superfície interna é refletida segundo feixes paralelos, conforme se observa na Figura 8.31 b. Há modos diferentes de instalar antenas de abertura (Figura 8.5), em refletores parabólicos, sendo os mais comuns: a) com a antena (iluminador) situada no foco da parábola e voltada para dentro do "prato" ou b) com a antena instalada sobre o "prato" e voltada para fora, com um sub-refletor na posição do foco. Essa antena é a Cassegrain. Os dois tipos podem ser vistos nas Figuras 8.32a e 8.32b, respectivamente.

... ....

(a)

(b )

Figura 8.32 - Antenas com refletor parabólico: a) paraboloide, b) Cassegrain.

205 Antenas Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Uma antena de micro-ondas, com refletor parabólico, ao contrário do que se imagina, apresenta um rendimento não muito elevado, da ordem de 55 o/o ou z = 0,55, decorrente da perda de energia, inclusive para trás, conforme se observa no diagrama de radiação da Figura 8.33.

Direção principal

200

Figura 8.33 - Diagrama de radiação de uma antena com refletor parabólico.

O ganho da antena de abertura aplicado ao refletor parabólico, em valor adimensional, é obtido pela expressão:

41t

G=z A ·-

(8.13)

e À2

ganho da antena (adimensional);

em que G

abertura efetiva da antena;

Ae z

=>

rendimento da antena; comprimento de onda.

Substituindo em 8.13 À por vJf, vem: (8.14) 8

Para o caso particular de z = 0,55 e tomando vc = 3 · 10 m/s, tem-se a expressão do ganho, em valor adimensional, em função da frequência f, em GHz e do diâmetro D da parábola, em metro: G = 60,7 ·

2 f ·

2 D ...

(adimensional)

206 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

(8.15)

E, em dBi: G = 10 log (60,7. f

2

2 .D )

G [dBi] = 17,8 + 20 log ( f · D )

ou,

(8.16) (8.17)

sendo: f em GHz e D em metro.

Exemplo

r------

~-~

8.3 Calcular o ganho, em dBi, de uma antena com refletor parabólico, rendimento de 55o/o, que opera na frequência de 3 GHz, tendo o refletor 2 metros de diâmetro.

Solução Utilizando a expressão 8.15, vem: G = 17,8 + 20 log (3·2) = 17,8 + 20 log 6 G = 17,8 + 15,5 = 33,3 dBi.

8.11 Amostras de antenas diretivas No imenso universo de antenas disponíveis no mercado, é oportuno destacar alguns tipos, considerados importantes pelas características e aplicações.

8.11.1 Antena helicoidal com refletor A Figura 8.34 mostra um arranjo com antenas helicoidais com refletores, utilizado para comunicações espaciais. Antenas desse tipo estão disponíveis nas frequências entre 100 MHz e 2 GHz com ganhos entre 6 e 17 dBi.

Figura 8.34 - Conjunto de quatro antenas helicoidais com refletores.

207 Antenas Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

8.11.2 Antena rômbica A antena rômbica de alta diretividade pode ser feita de fio simples ou de três fios para uso na faixa de HF, ondas curtas, em comunicações de muito longas distâncias via ionosfera. Os longos fios da antena formam um losango, no terreno onde é instalada fixa, conforme o esquema mostrado na Figura 8.35. Um sistema de contrapeso (mecânico) mantém os fios esticados. É alimentada pela extremidade de trás e possui, na extremidade dianteira, uma carga resistiva ou linha de dissipação igual à impedância Z0 da antena, entre 500 e 600 ohms, que dissipa a metade da potência fornecida pelo transmissor, mas em troca possui elevado grau de diretividade. A direção do feixe principal de radiação forma com o solo o ângulo de partida a, variável com as dimensões da antena. Energia irradiada

Entrada de

•

alimentação

•

-

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a)

Figura 8.37 - Antenas com refletor parabólico da Winegard: a) Multisat; b) Sat . Fonte: www.winegard.com.

Antenas destinadas à recepção de sinais analógicos de televisão, com maiores dimensões, da ordem de 2 a 3 metros de diâmetro, são fabricadas em fibra de vidro ou em metal, nas opções de telada ou vazada para melhor resistir à força do vento. Antenas especiais, de centros de comunicações, podem ter 30 metros de diâmetro ou mais e têm ganho da ordem de 63 dBi. Um modelo semelhante ao que está sendo comentado pode ser visto na Figura 8.38.

-

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Figura 8.38 - Antenas especiais.

209 Antenas Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

As antenas de comunicações por satélite instaladas em regiões equatorianas precisam ter furos no centro do refletor para escoamento da água da chuva. Nessas regiões as parábolas operam voltadas para cima e apontadas para um satélite localizado no plano do equador terrestre (ver Capítulo 1). Sem essa providência, a parábola armazena água e a antena pode ficar inoperante.

8.12 Sistema de recepção com amplificador Algumas vezes os sinais captados pela antena são tão fracos que chegam ao receptor sem condições de processamento, devido ao acréscimo da atenuação imposta pela linha de recepção. A solução encontrada para alguns casos é a instalação de um amplificador reforçador de sinais (booster) nos terminais de saída da antena, com o propósito de elevar o nível do sinal captado, para só após entregá-lo à linha de recepção. O reforçador pode ser encontrado, por exemplo, em antenas externas, receptoras de TV, em locais bastante distantes dos pontos de emissão. Em aplicações automotivas, uma antena de pequenas dimensões, fixada internamente ao para-brisas do veículo, seria ineficaz se não fosse a presença de um pequeno amplificador embutido no conjunto. Este é o motivo de receber o nome antena amplificada. Exercícios

1. Calcular o comprimento de uma antena dipolo meia onda (Figura 8.1 ), para operar na frequência de 7 MHz. Quando em alimentação simétrica, qual a impedância Z0 da antena? 2. Uma antena vertical é alimentada pela corrente IRF = 1O A. Sabendo-se que a resistência da antena Ra = 5 n e a resistência de radiação Rr = 45 n, calcular a potência dissipada e a potência irradiada em watt. 3. Calcular o comprimento de uma antena vertical 5 Ã/ 8 para a frequência de 30 MHz e dizer se a antena é longa ou curta.

4. Calcular o ganho de uma antena com refletor parabólico, com 0,60 m de diâmetro, rendimento de 55 o/o, que opera na frequência de 13 GHz. 5. Calcular a EIRP irradiada de um satélite com antena de ganho 30 dBi, potência de 1OdBw e 3 dB de perda no sistema de transmissão.

210 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

9

Rad iopropagação

9.1 Introdução Em princípio, as ondas de rádio podem ser geradas em qualquer frequência, mas são comumente utilizadas a partir dos 100 kHz. Em algumas situações particulares, ondas de frequências bem mais baixas, por exemplo, entre 1OkHz e 20 kHz, são usadas em sistemas de comunicações marítimas, em CW. O modo como a onda se propaga depende da faixa de frequência na qual a onda se enquadra. Basicamente são observados três modos de propagação:

•

De 10 kHz até cerca de 3 MHz: a onda se propaga sobre a superfície da Terra, por isso recebe a denominação de onda terrestre.

•

De 3 a 30 MHz: ocorre reflexão da onda numa das camadas da ionosfera, a qual recebe o nome de onda ionosférica. Em função do ângulo de partida, a onda pode atravessar as diferentes camadas que envolvem a Terra e prosseguir em direção ao espaço sideral, e, quando isso acontece, é denominada onda espacial.

•

Acima de 30 MHz: a onda se propaga na troposfera terrestre e recebe o nome de onda troposférica. Nessa faixa, de menores comprimentos de ondas, as antenas assumem menores dimensões, tornam-se mais diretivas e permitem a realização de alguns diferentes tipos de enlace, dentre eles em visada direta. Contudo, elevações no terreno, quando presentes no percurso da onda, configuram obstáculos que podem dificultar ou até mesmo inviabilizar o enlace. Feixes de micro-ondas espaciais, direcionados para o alto, podem atravessar a troposfera e a ionosfera para fazer enlaces de estações terrenas com satélites, naves espaciais e ainda comandar dispositivos por controle remoto.

Radiopropagação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

211

9.2 A superfície da Terra É sabido que o planeta Terra tem a forma aproximada de uma esfera, ligeiramente achatada nos polos, com um raio de 6370 km e uma superfície de 51 Omilhões de km 2, sendo três quartos da superfície constituídos de água e apenas um quarto de terra. Tanto a terra quanto a água conduzem as ondas de rádio. As diferentes regiões da superfície de Terra, com diferentes tipos de solo, a água salgada dos oceanos e dos mares e a água doce dos lagos e dos rios possuem diferentes valores de condutividade. Enquanto as florestas absorvem consideravelmente as ondas de rádio, a água salgada favorece significativamente a propagação de superfície. A unidade de medida da condutividade (o inverso da resistência) é o siemens [S]. Cada tipo de solo tem seu valor de constante dielétrica, mas o valor da condutividade é expresso em milissiemens por metro [mS/m]. A Tabela 9.1 apresenta valores típicos de condutividade para alguns diferentes tipos de solo e água, sendo referência a água salgada, de maior condutividade. Tabela 9.1 - Condutividade da superfície terrestre

Tipo de superfície

Condutividade em mS/m

,

Agua salgada

5000

,

Agua doce

1

Solo bom - úmido (regiões de pastagens)

20

Solo médio

10

Solo seco (arenoso e pedregoso)

1

Fonte: Cetuc, MC/RB/P-01/79.

O tipo de solo é fator preponderante na propagação da onda terrestre. Conhecer os valores de condutividade do solo é essencial para o planejamento das frequências e potências, como das inúmeras estações de radiodifusão AM do país, na faixa de 535 a 1605 kHz, para que não ocorram interferências. No Brasil, as concessões das estações são de responsabilidade do governo federal.

212 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

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3

Figura 9.1 - Distribuição da condutividade do solo no Brasil. (Fonte: ASSIS, 1989.)

Quanto mais baixa a frequência maior é a profundidade de penetração da onda no solo. Duas estações na mesma frequência, de mesma potência irradiante e antena idênticas: em princípio, aquela cuja antena está localizada sobre solo de maior condutividade terá maior alcance de transmissão. Contudo, geralmente ocorre propagação ionosférica no período do anoitecer até o amanhecer, quando as camadas ionizadas estão mais baixas e propiciam reflexões das ondas, podendo causar interferências de sinal em longas distâncias. Por este motivo, no período mencionado, é necessário reduzir a potência de transmissão das estações.

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213

9.3 A atmosfera da Terra A atmosfera é a camada gasosa que envolve um astro qualquer; em particular para o nosso planeta é a atmosfera terrestre, que, segundo a distribuição de temperatura, se divide em diversos estratos, a saber: •

Troposfera: é o ambiente onde vivemos. Contém cerca de 80% dos gases de toda a atmosfera. Sua altura média é de 1O km, mas na linha do equador terrestre atinge cerca de 15 km e nos polos, apenas 8 km. Estas diferenças devem-se às variações de forma e posição das radiações solares: da Terra em relação ao Sol, das estações , do ano e da situação meteorológica do momento. E a região das correntes aéreas verticais, de contínua agitação, como ventos, variações de temperatura e pressão, chuvas, tempestades e nevascas.

•

Estratosfera: situa-se entre 10 e 50 km da superfície da Terra. É uma camada uniforme, sem agitação, com temperatura em torno de - 60 ºC e de pressão extremamente baixa. De cerca de 20 a 50 km, é rica em ozônio, que absorve grande parte dos raios ultravioleta que penetram na atmosfera, cujo impacto direto impossibilitaria a vida na Terra.

•

Mesosfera: é um estrato mediano, entre 50 e 80 km de altitude. Contém camada de pó procedente da fragmentação de meteoritos. 120

110 100

lonosfera

90

------------------i80Km __... 70 60

Mesosfera

_..----====~====-15º-::--=~-----40 Km

--

30 20

--------r1º-=-----:--------------~ _ Troposfera

Estratosfera

Superfícre terrestre

Figura 9.2 - Estratos da atmosfera terrestre.

214 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

•

Ionosfera: entre 80 e 640 km. O ar é rarefeito. É incessantemente bombardeada pelos raios cósmicos, dando origem à formação de íons, por isso o nome ionosfera. Desempenha importante papel nas telecomunicações, pois reflete as ondas de rádio de maneira semelhante a um espelho que reflete a luz. Divide-se em quatro subcamadas funcionais: D, E, F1 e F2.

•

Exosfera: é a camada da atmosfera mais elevada, estendendo-se de 640 a 9600 km. É composta principalmente de hidrogênio.

Observação: Os satélites de comunicações em órbita geoestacionária encontram-se a 36.000 km da Terra em região de alto vácuo.

9.4 Propagação de superfície: ondas terrestres Onda terrestre é a denominação dada à onda cujo modo de propagação depende, fundamentalmente, das características do solo (condutividade e relevo). Ondas de baixas frequências penetram profundamente no solo e a propagação ocorre sobre a superfície terrestre. Nesse segmento do espectro, devido ao comprimento, antenas de fio são inviáveis na prática e, comumente, as emissões partem de uma antena vertical, do tipo mastro ou torre, assentada sobre o solo em base de material isolante. Para melhorar a condutividade na região da antena e o desempenho da transmissão, são instaladas radiais de fios de cobre, centradas sob a base da antena, com cerca de 60 cm de profundidade. A Figura 9.3 mostra um modelo com os fios dispostos na forma de raios de um círculo, previsto para ter um mínimo de 15 e um máximo de 150 radiais. O alcance da transmissão por ondas terrestres condiciona-se, basicamente, a dois fatores: condutividade do solo e potência efetiva irradiada. Antena

Radiais

Figura 9.3 - Antena vertical

~ 4

e as radiais usadas para irradiar ondas terrestres.

Radiopropagação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

215

Conforme teoria apresentada no Capítulo 8, o solo atua como um espelho para a antena vertical, fazendo o monopolo vertical se comportar como um dipolo. A Figura 9.3 também mostra essa simetria. O maior interesse nas comunicações por ondas terrestres, e no caso particular da radifusão AM, é a determinação da intensidade do campo elétrico em pontos distantes da antena transmissora. Isso é importante para se ter uma boa noção da região de cobertura da emissora. Milhas da antena

2

1

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300

500

700 1000 1500 2000

Milhas da antena

Figura 9.4 - Carta de condutividade do solo: campo elétrico versus distância para as frequências de transmissão entre 970 e 1030 kHz.

216 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Para o cálculo teórico do campo elétrico distante (valor esperado), quando se trabalha com a carta de condutividade do solo, constituem informações indispensáveis: •

a frequência da transmissão f0 ;

•

a potência da transmissão P0 ;

•

o ângulo elétrico equivalente da antena vertical;

•

o valor ou os valores de condutividade do solo no percurso da onda.

As cartas de condutividade do solo estão disponíveis em faixas de frequências e podem estar graduadas em milhas ou em quilômetros. Um modelo é apresentado na Figura 9.4, na faixa de 970 a 1030 kHz. A milha terrestre equivale a 1604 m.

9.4.1 Utilização da carta de condutividade do solo Observando a carta de condutividade do solo da Figura 9.4, notam-se dois conjuntos distintos de curvas, o primeiro à direita e no alto e o segundo no centro da carta. Os dois conjuntos estão referenciados ao eixo horizontal das distâncias em milhas e ao eixo vertical dos campos elétricos em mV/m. As curvas assumem valores de condutividade do solo entre 1 e 5000 mS (água do mar). No primeiro conjunto, observa-se que a linha do campo inverso (100 mV/m) corta o eixo das distâncias em 1 milha, mas o valor de fato atribuído ao campo a 1 milha é obtido da Tabela 9.2. O valor obtido da tabela e relacionado aos 100 mV/m da carta fornece o fator de multiplicação ou de correção da escala vertical. Esse primeiro conjunto é usado para distâncias de 1 a 10 milhas da antena. O segundo conjunto, mais expandido e que ocupa a maior parte da carta, destina-se à obtenção dos campos entre 10 e 2000 milhas da antena. O procedimento para encontrar o campo elétrico distante (valor estimado) é o mesmo. A Tabela 9.2 foi montada para facilitar a obtenção da intensidade do campo a 1 milha da antena transmissora, uma vez conhecida a potência da transmissão e do ângulo elétrico da antena (Capítulo 8). Para a utilização dos valores da tabela, são impostas duas condições: estar a antena alimentada por onda de alternada senoidal e o valor da potência ser eficaz ou RMS. I

I

E imprescindível o conhecimento do tipo de solo da região. E possível a existência de extensões com dois ou mais tipos diferentes de solo ao longo do percurso de interesse, que vão redundar no emprego de mais de um valor de condutividade. Por exemplo, a existência de lago ou de lagoa numa certa direção escolhida vai determinar um cálculo para cada segmento, sobre o solo e sobre o lago ou lagoa (de água doce ou de água salgada).

Radiopropagação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

217

Tabela 9.2 - Intensidade de campo elétrico não atenuado, em mV/m, a 1 milha da antena transmissora, de comprimento elétrico expresso em ângulo, alimentada por corrente senoidal, nas potências especificadas G Graus

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 300

Potência irradiada, em watts 10

25

18,6 18,6 18,7 18,8 18,9 19,0 19,1 19,3 19,5 19,7 20,3 20,3 20,7 21, 1 21,6 22, 1 22,8 23,6 24,5 25,5 26,5 27,3 27,6 26,8 24,4 20,5 6,0

29,4 29,4 29,6 29,7 29,9 30, 1 30,2 30,5 30,8 31,2 31,6 32, 1 32,8 33,4 34,2 35,0 36, 1 37,4 38,8 40,3 41,9 43,2 43,7 42,4 38,6 32,4 9,5

100

58,9 58,9 59,2 59,5 59,8 60,2 60,5 61, 1 61,7 62,4 63,3 64,3 65,5 66,8 68,4 70,0 72,2 74,7 77,6 80,8 84,0 86,5 87,5 84,9 77,3 65,0 19,0

250

93 93 93,5 94, 1 94,6 95, 1 95,6 96,6 97,6 98,6 100 101,6 103,7 105,6 108, 1 110,7 114 118 123 128 133 136 138 134 122 103 30

1 kW

186 186 187 188 189 190 191 193 195 197 200 203 207 211 216 221 228 236 245 255 265 273 276 268 244 205 60

5 kW

417 417 419 421 423 426 428 432 437 442 448 455 464 473 484 495 511 529 549 571 594 612 618 600 547 459 135

10 kW

50kW

100kW

589 589 592 595 598 602 605 611 617 624 633 643 655 668 684 700 722 747 776 808 840 865 875 849 773 650 190

1320 1320 1327 1333 1341 1350 1357 1369 1384 1400 1420 1442 1470 1500 1532 1568 1620 1675 1740 1810 1880 1940 1958 1900 1733 1453 427

1860 1865 1870 1880 1890 1900 1910 1930 1950 1970 2000 2030 2070 2110 2160 2210 2280 2360 2450 2550 2650 2730 2760 2680 2440 2050 600

1 MW

5890 5895 5920 5950 5980 6020 6050 6110 6170 6240 6330 6430 6550 6680 6840 7000 7 220 7 470 7760 8080 8400 8650 8750 8490 7730 6500 1900

Fonte: Antenna Radio Engineering, Laport.

Exemplo 9.1 Seja uma antena transmissora com G=90°, irradiando a potência de 5 kW na frequência de 1000 kHz. Calcular o valor do campo elétrico a 20 milhas sobre o solo de condutividade 3. 218 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Solução

Pela Tabela 9.2, para a potência de 5 kW e antena com ângulo elétrico G = 90º, o campo não atenuado a 1 milha (valor de referência) é de 437 mV/m, que, relacionado aos 100 mV/m da carta de condutividade, gera o fator 4,37 de correção ou de multiplicação da escala vertical. O valor do campo a 20 milhas da antena é obtido levantando uma linha vertical da marcação da distância, no eixo horizontal, até tocar a curva de condutividade 3. Locado esse ponto, lê-se à esquerda no eixo vertical o valor do campo, 0,5 mV/m, que multiplicado por 4,37 resulta no campo distante de 2, 18 mV/m (valor esperado).

9.4.2 Trabalho de campo O trabalho prático de campo com o medidor de intensidade de campo elétrico é essencial para a obtenção das medidas reais e comparação com os valores esperados obtidos da carta. Para esse levantamento é preciso ter em mãos, inicialmente, a carta geográfica da região para traçar três ou mais círculos concêntricos, tendo como centro o ponto de localização do radiador. Após traçam-se as radiais e locam-se na carta os pontos distantes da antena, onde serão feitas as medições. É óbvio que esse trabalho inicial deve ser feito no escritório. A Figura 9.5 serve de exemplo para o traçado das radiais. Para não saturar a figura, foram desenhados somente três círculos e os pontos de medição foram locados apenas sobre a radial A. Radial

G Radial F

Radial H

/

~

Pt

Pt

2

3 Radial E--A

~

/

Radial

Radial B

D Radial

e

Figura 9.5 - Círculos com as radiais e pontos locados apenas sobre a radial A.

Radiopropagação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

219

É importante frisar que nenhuma medida deve ser tomada em distância inferior a 1 milha (1600 m) da antena, ou seja, no interior do primeiro círculo. Os círculos seguintes podem ter os raios de 5, 10, 15, 25 e 50 km. A tomada do campo a 1 milha é importante. Sempre que possível, as radiais devem ser traçadas em direções nas quais os locais de medição fiquem acessíveis, observando a existência de estradas e eventualmente de rios. Os valores obtidos devem ser lançados em um quadro de medidas.

9.5 Propagação ionosférica A propagação ionosférica ocorre principalmente com as ondas da faixa de HF, de 3 a 30 MHz. Em função do ângulo de partida da antena, a onda pode refletir em qualquer uma das camadas da ionosfera e retornar à Terra, e recebe então o nome de onda ionosférica. Conforme a Figura 9.7, uma parte das ondas pode sofrer refração, atravessar a ionosfera e seguir em direção ao espaço sideral. A propagação ionosférica é o modo como se desenvolvem os enlaces em HF, AM/DSB ou SSB, com alcances superiores a 100 km, sem a utilização de estações repetidoras. Para entender a reflexão e a refração da onda que ocorrem na ionosfera terrestre, é preciso recordar a lei geométrica de Snell, comentada em seguida.

9.5.1 Lei de Snell-Descartes Considere uma onda plana incidindo obliquamente sobre uma superfície que separa dois meios diferentes com índices de refração 11 1 e 11 2 diferentes. A onda forma um ângulo 91 com NN', ortogonal à superfície no ponto de incidência, conforme a Figura 9.6. O ângulo de incidência 91 define se haverá reflexão ou refração da onda. N

Raio

refratado

112

Raio

incidente

Raio refletido

N'

Figura 9.6 - Raios incidente, refletido e refratado.

220 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

velocidade da luz no vácuo 11 = velocidade da luz no meio considerado

em que Na reflexão:

(9.1)

(9.2)

O ângulo limite, a partir do qual não mais ocorre reflexão no meio de incidência da onda, é chamado de ângulo de Brewster ou ângulo crítico. Na refração: (9.3) O ângulo limite, a partir do qual não mais ocorre reflexão no meio de incidência da onda, é chamado de ângulo de Brewster ou ângulo crítico. As reflexões na ionosfera ocorrem devido à presença de camadas gasosas de densidades diferentes, fortemente ionizadas pelo bombardeamento incessante de raios cósmicos. Quando a onda parte da antena transmissora, sofre reflexão na ionosfera e retorna à superfície da Terra, diz-se que a onda realizou um salto. A onda pode, ao incidir na superfície da Terra, retornar à ionosfera pela segunda vez. Nessa situação diz-se que a onda realizou dois saltos. Dependendo da potência, da frequência da emissão e das condições de propagação, a onda pode realizar diversos saltos. A Figura 9.7 dá uma boa noção de como as ondas irradiadas na faixa de HF se propagam, em função do ângulo de partida da superfície terrestre, e mostra a existência de uma zona de silêncio rádio. As camadas ionizadas da ionosfera são designadas pelas letras D, E, F1 e F2 e todas elas sofrem alterações na densidade de ionização e na distância da superfície da Terra durante as 24 horas do dia. A camada D vai de 50 a 90 km de altura e, devido à fraca densidade de ionização, depende da elevação do Sol e só existe durante algumas horas do dia; à noite desaparece. Essa camada reflete as ondas das faixas de VLF e LF, absorve mais as ondas em MF e fracamente as de HF. A camada E existe entre 100 e 140 km e nela podem aparecer volumes irregulares de alta ionização, em 50o/o do tempo, em, períodos diurnos e noturnos, por isso recebe a denominação de "camada E esporádica". E responsável pelas eventuais comunicações, em HF, de longas distâncias, em até 2000 km durante o dia e em distâncias não superiores a 200 km em ondas de MF à noite.

Radiopropagação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

221

Esses raios atravessam a ionosfera e se perd·e m

Ionosfera

Antena transmissão Zona de silêncio Dist.ância de silêncio

Ondas de retorno à Terra que fazem as

comunicações

Figura 9.7 - Vários percursos de ondas ionosféricas.

As duas camadas mais importantes para a reflexão das ondas são a F1 e a F2 e delas resulta a maioria dos enlaces rádio em HF. A camada F1 se estende cerca de 180 a 240 km e existe somente durante o dia. Eventualmente uma onda de HF pode atravessar a camada E, a camada F1 e refletir na camada F2. A camada F2 se estende de 240 até 400 km de altura e é a principal camada para reflexão a longas distâncias. A altura e a densidade de ionização variam diariamente, sazonalmente e em função do ciclo solar. À noite F2 baixa e se junta a F1 a cerca de 300 km de altura. Em decorrência dessa fusão e devido à diminuição da absorção na camada E, os campos elétricos de sinal e de ruído são bem mais fortes à noite que durante o dia. Em consequência dessas variações, os cálculos de enlaces com ondas ionosféricas entre pontos terrenos de coordenadas conhecidas, latitude e longitude, são feitos em função da hora do dia e os resultados são dois valores: de MUF - máxima frequência utilizável e de FOT - frequência ótima de trabalho. A MUF, como o próprio nome sugere, é o valor da maior frequência (frequência crítica) capaz de prover o enlace, enquanto a FOT é a frequência ótima para o estabelecimento do enlace.

222 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Reflexões na atmosfera das ondas ordinária e extraordinária, como são chamadas, constam da Figura 9.8. Cumprir um horário de contatos, via rádio, HF, SSB, requer um quadro com frequências distribuídas às horas do dia, disponível ao rádio-operador. A não observância deste requisito pode conduzir à ocorrência de enlaces ocasionais. A intensidade do sinal de HF recebido a distância depende da potência de emissão, do ganho das antenas e das atenuações no percurso da onda. .Altura máxima da. camada, ionizada

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Onda ordinária (abaixo da frequência crítica ) Onda na MUF Onda extraordinária (acima da frequência crítica)

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I I

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/1 I lt I li lh I

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Distância d Terra

B

Figura 9.8 - Reflexões na ionosfera das ondas ordinária e extraordinária.

As atenuações ficam por conta do espaço livre, dos gases da atmosfera, das reflexões da onda na ionosfera e no solo terrestre. Eventuais perdas na linha de transmissão e nos acoplamentos (conectores) também devem ser levadas em conta. As comunicações via ionosfera, em HF, são extremamente vulneráveis à ação do ruído elétrico gerado por diversas fontes, principalmente ao ruído galáctico e às descargas atmosféricas altamente danosas às comunicações rádio.

Radiopropagação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

223

9.6 Propagação troposférica A propagação troposférica da onda é aquela que ocorre no meio ambiente em que vivemos, numa altitude de até 1Okm, caindo para cerca de 6 km nos polos. Na troposfera existe cerca de 80o/o dos gases de toda a atmosfera, com destaque para o oxigênio, o hidrogênio e o vapor d'água. Quando a onda se propaga no vácuo, a trajetória é praticamente em linha reta, porém no ambiente gasoso da troposfera terrestre os feixes sofrem uma curvatura, mostrada na Figura 9.9. No ambiente ·gasoso da troposfera

No, vácuo

Figura 9.9 - Propagação das ondas no vácuo e na troposfera da Terra.

9.6.1 Atenuação da onda pelos gases Os gases não são responsáveis somente pela curvatura das ondas, também impõem perdas por absorção, que podem ser leves ou acentuadas em função da frequência da onda. O gráfico da Figura 9.10 contém curvas de atenuação devido ao oxigênio (0 2) e ao vapor d'água (H 20), com escala vertical graduada em dB/km e escala horizontal em GHz. Observe que há picos de atenuação em determinadas frequências que fazem o gráfico especialmente importante no estudo dos enlaces via satélite. Uma outra fonte de absorção de ondas é a chuva. A utilização do gráfico é simples, mas sempre é bom efetuar o trabalho com o auxílio de um lápis e de uma régua.

224 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

40

H·o 2

•

H20 ...

20 02 10 '

5 Pressão: 1 atm Temperatura: 20 ° e Vapor d'água: 7,5 g/m3

2

02

/

'

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1

I

I

Atenuação

0.5

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0.2

V

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5

10

20

50

100

200

350

Frequência, em GHz

Figura 9.1 O- Gráfico das atenuações na troposfera devido ao 02 e H20. (Fonte: Reference Data for Engineers, 9ª edição).

9.6.2 Atenuação da onda pela chuva A atenuação da onda provocada pela chuva pode ser calculada pelo gráfico da Figura 9.11. Inicialmente, seleciona-se a curva da intensidade de precipitação pluviométrica, em mm 3/h, na escala vertical à direita, e, em função da frequência, obtém-se o valor da atenuação na escala vertical à esquerda, em dB/km, percurso sob a área da chuva. Exemplo

9.2 Determinar o valor da atenuação, em dB, imposta pela chuva à onda de rádio na frequência de 20 GHz, sabendo-se que a precipitação é de 1Omm 3/h e a chuva ocorre em toda a extensão dos 4 km do enlace. Solução

No gráfico da Figura 9.11, locando no eixo horizontal f = 20 GHz e subindo em linha vertical até encontrar a curva de precipitação de 10 mm 3/h, obtém-se, à esquerda, no eixo da atenuação, o valor de 1 dB/km. Na extensão de 4 km a atenuação é de 4 dB.

Radiopropagação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

225

Na extensão de 4 km do enlace, a atenuação Ach = 4 dB. 50

150 100

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20

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5

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Atenuação em dB/k m

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1 Intensidade de

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precipitação mm3/hora

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I

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I

/

,

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~

/

;

/

/

20 50 Frequência. em GHz

100

Figura 9.11 - Gráfico de atenuação da onda devido à chuva. (Fonte: Reference Data for Engineers, 9ª edição.)

9.6.3 Enlace em visibilidade A Figura 9.12 exibe um modelo de radioenlace terreno, em visibilidade. Nele observam-se duas ondas, uma direta, considerada a principal, que parte da antena transmissora e segue diretamente para a antena receptora, e outra refletida no solo, que segue o mesmo destino. Fre ntes de ondas de igual fase

Onda direta

Onda refletida

Ponto de impacto Antena receptor> "A

em que:

"A => comprimento de onda em metro;

(9.5)

R1 => raio da 1ª zona de Fresnel em metro. Observe que para cada situação particular haverá uma geometria própria a ser considerada, em função das alturas das antenas e distâncias entre antenas e o obstáculo. Alturas a.

h1

_J_ . .

1 1

A

,..__ _ _ _ _ d1- - - - -~ - - - - - dl2- - - ---..

O

8

Figura 9.17 - Enlace rádio com obstáculo no percurso.

A folga h pode assumir três valores: 1)

Valor positivo, semelhante ao da Figura 9.17, e o ângulo a também será positivo.

2)

Valor zero, quando o topo do obstáculo é tangenciado pela linha de visada direta e a também será zero.

3)

Valor negativo, os raios das n zonas de Fresnel podem ser obtidos da expressão geral:

Rn =

Radiopropagação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

(9.6a)

231

válida para d1 , d2 >> Rn em que

Rn => raio da n zona de Fresnel em metro; n => número da zona de Fresnel;

=> comprimento de onda em metro; d1 e d2 => distâncias em metro. Para agilizar o cálculo de R1, na situação em que d1 = d2, ou seja, o obstáculo está no meio do percurso, pode ser usada a seguinte fórmula adaptada, obtida da expressão 9.6 com n = 1: D R1 = 17,32 4f 112

em que

(9.6 b)

D = d1 + d2 , distância em km;

f => frequência do enlace em GHz. O excesso de percurso eP é a diferença entre a distância percorrida pela onda difratada e a distância em visada direta. A expressão usada para o cálculo de eP é:

e

P

=

h2 2

(9.7)

Conhecido o valor de eP, pode-se determinar a n zona de Fresnel de obstrução:

2 eP

n= - -

(9.8)

À

9.6.6 Propagação em obstáculo gume de faca A expressão 9.9 permite o cálculo de v, enquanto a expressão auxiliar 9.10, destinada ao cálculo do valor da atenuação adicional, em dB, só é válida no intervalo 1 ~ v ~ 3, pelo que se recomenda a utilização do gráfico da função F(v), da Figura 9.18, após o cálculo do valor de v. Observa-se que valores elevados de atenuação podem exigir maior potência de transmissão nem sempre conveniente ao enlace.

232 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Em geral, usa-se o gráfico da função F(v), enquanto a expressão 9.1 O é um recurso válido para o intervalo 1 ~ v ~ 3, região de maior atenuação do gráfico.

em que R1 h V

h F2 V= - R1

(9.9)

- F {v) = (12,95 + 20 log v) ....[dB]

(9.1O)

raio da 1ª zona de Fresnel em metro; altura efetiva, em metro; parâmetro da função - F (v), gráfico da Figura 9.18. F(v) [dB] +Z

o r\ - ,

'

'

/

-.,

i'\.

\

-2 -4 -6

\

\

\

-8 -1O

-12

-14

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\

\

\.

\

-16

-18

\

-20 -22 -24 -3

-1

o

1

'

' 2

""

3 4--V

Figura 9.18- Gráfico da função F (v).

Exemplo 9.3 Um enlace entre os pontos A e B com obstáculo gume de faca no percurso tem as seguintes características: a)

As antenas em A e B estão nas mesmas altitudes;

b)

d1 = d2 = 2 km;

c)

f = 1 GHz.

Calcular o valor da atenuação devido ao obstáculo, sabendo-se que h = 5 m.

Radiopropagação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

233

Solução

.. .,., ... ., , .. ~..

... . . ..... ...

-~.. . -~ ~-----------------. ·-----------------~ ~

.,.

h . . . ~_

.,. ,

~

..rJ'

..... .....

- - ....

~

1 1 1

1

d,

0,3 m

À=

3

3

-1/2

R = 2- 10 ·2· 10 ·0,3 1 2 · 103 + 2 · 103 -

=(300)112 =17 32 m ,

0,6 R1 = 0,6 · 17,32 = 10,39 m; h = 5 m :.

h < 0,6 R1

:.

o enlace é viável

Utilizando a expressão 9.9, obtém-se o valor de v:

V= 5·1,4 =04 17,32

'

Utilizando o gráfico F(v) da Figura 9.18, com v = 0,4, obtém-se o valor da atenuação: AR~ 9,5 dB.

9.7 Potência do sinal recebido O cálculo da potência do sinal recebido devido à onda direta, de uso geral, é feito pela fórmula de Friis: (9.11) potência recebida em watt;

em que Pr

pt

potência de emissão em watt;

G1e Gr

ganho das antenas transmissora e receptora, respectivamente;

l-ts

atenuação do espaço livre;

L

outras atenuações consideradas no sistema.

234 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

9.7.1 Cálculos em dB Para o cálculo da potência recebida Pr é bem mais fácil trabalhar a fórmula de Friis com valores em dB. Considere os ganhos das antenas, receptora e transmissora, em dBi, como valores positivos e as diversas atenuações, em dB, como perdas com valores negativos. A potência de transmissão, convertida em dBW ou dBm, pode assumir valor positivo se for maior que a unidade de referência (1W ou 1 mW); caso contrário, assumirá valor negativo. Se for igual a 1 (W ou mW), será zero, uma vez que 1Olog 1 = O. Para efetuar os cálculos em dB, utiliza-se: Pr [dBW] = 10 log P1 [dBW] + G1 [dB] + Gr [dB] - Lts [dB ] - L [dB]

(9.12)

ObseNações

1)

Do Capítulo 4, atenuação do espaço livre: Lfs[dB] = 92,45 + 20 log (f · d)

em que f

(4.5)

frequência em GHz; distância em km.

d

2)

Consideram-se outras atenuações as perdas em obstáculos no percurso da onda, perdas por acoplamento nos conectores e nos guias de onda, absorção da onda pela chuva, atenuação devido ao vapor d'água e oxigênio da troposfera etc.

3)

Para a avaliação do enlace, após o cálculo do valor da potência recebida Pr, comparar ao valor da sensibilidade do receptor e ao nível de ruído, ambos geralmente obtidos em dBm. Exemplo

9.4 Um radioenlace em visibilidade com percurso desobstruído possui as seguintes características: a) frequência de operação: fO = 7 GHz; b) distância entre antenas: d= 45 km; c)

potência de transmissão: P1 = 2 watts;

d) ganho das antenas: G1= Gr = 30 dBi; e) perda por acoplamento em cada antena: L1= Lr = 2 dB; sensibilidade do receptor: - 80 dBm;

Radiopropagação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

235

g) potência de ruído na recepção: - 113 dBm. Calcular:

a) atenuação do percurso, Ars; b) a potência recebida Pr, em dBW, dBm e W; c) a relação S / N; d) dizer se Pr atende à imposição técnica do receptor.

Solução

a) Atenuação do espaço livre: Lfs = 92,45 + 20 log (7 · 45) = 92,45 + 49,96 = 142,4 dB b) Potência recebida: P1 = 10 log 2 = 3 dBW Pr= 3 dBW + 30 dBi + 30 dBi -142,4 dB - 4 dB = - 83,4 dBW Pr = - 83,4 + 30 = - 53,4 dBm Pr= - 83,4 dBW => 4,57. 10-9 W c)

~

4,6 nW

S / N = - 53,4 dBm - (- 113 dBm) = 59,6 dB ou aproximadamente 60 dB (excelente relação)

Sim, atende à imposição técnica do receptor: - 53,4 dBm > - 80 dBm Nota: Em caso de dúvida quanto a níveis de sinal, de ruído e a diferença entre eles, voltar à página 98 e ver o Exemplo 3.3, para relembrar a escala vertical de valores em dBm.

9. 7.2 Campo elétrico Conhecida a potência do sinal recebido Pr, a expressão do campo elétrico é:

IEI=

Pr ·1201t

1/2

GÃ2

A=e

4 7t

236 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

(9.13)

(8.1 O)

IE

em que

1

A8

=> intensidade do campo elétrico, em V/m; 2 => abertura efetiva da antena em m ;

e 120 1t = 377.

Exemplo 1,------

- - ~

9.5 Do Exemplo 9.4, considerando Pr (d)= 4 nW, calcular a intensidade do campo elétrico. Solução Sabe-se que f = 7GHz => "A = 0,042 m => "A 2= 0,00183 Gr= 30 dBi ou G = 1000 = 10

3

3

A = 10 ·0,00183 = 0145 m2 e 12,56 '

1

E1 =

4 .10-9 . 377 0,145

112 = 0,0032V /m = 3,2mV / m

9.7.3 Tensão do sinal no receptor Estando a antena casada com a entrada do receptor, a tensão rms do sinal recebido, Erec, na entrada do receptor é calculada pela expressão:

Er = (2 Pr Ra )}'2

(9.14)

tensão em Vrms·, resistência da antena ou da de entrada do receptor em ohm.

Exemplo

9.6 Ainda do Exemplo 9.4, calcular o valor da tensão na entrada do receptor, sabendo-se que a resistência de entrada é 50 ohms.

Solução Er = 2 (4 · 10-9 · 50 )}'2 = 0,00089 V

~

0,9 mV (rms).

Radiopropagação Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

237

Exercícios 1. Com auxílio da carta de condutividade, determinar o valor do campo elétrico esperado a 20 milhas da antena sobre um solo de condutividade 7 mS/m. Sabe-se que a frequência da portadora é 1000 kHz, a potência efetiva irradiada é 100 kW e o ângulo elétrico da antena G = 80. 2. Determinar, pelo gráfico da Figura 9.10, o valor da atenuação, em dB, devido ao 0 2 na troposfera terrestre para as ondas na frequência de 60 GHz.

3. Pelo gráfico da Figura 9.11, determinar a atenuação causada pela chuva de 1Omm3/h à onda de 30 GHz num percurso de 2 km.

4. Calcular a potência Pr, em dBW, dBm e watt, na antena receptora do enlace em visibilidade, sem obstrução no percurso de 40 km, sabendo-se que: a) a frequência de operação é 5 GHz; b) a potência de transmissão é Pt = 5 W; c)

o ganho da cada uma das antenas é 23 dBi;

d) a perda por acoplamento em cada antena é de 2 dB. 5. Uma antena de ganho numérico 2 capta um sinal na frequência de 800 MHz com -60 dBm. Calcular o valor do campo elétrico.

238 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Multiplexação de Canais

10

10.1 Introdução Quando se deseja transmitir por uma única onda portadora sinais analógicos oriundos de diferentes fontes, geralmente canais de voz com informações distintas, faz-se uma operação denominada multiplexação de canais. O espectro dos sinais obtidos da multiplexação constitui a banda base do sinal multiplexado que atua como sinal modulador da onda portadora a ser transmitida no canal de comunicações, na maior parte dos casos, rádio. Quando da recepção, após o processamento do sinal RF seguido da demodulação, os sinais são devidamente separados numa operação inversa à multiplexação, denominada demultiplexação, e os canais de voz seguem rumo aos terminais dos respectivos destinatários. Os equipamentos que realizam as operações de multiplexação e demultiplexação são conhecidos pelas siglas MUX e DEMUX, respectivamente. O diagrama em blocos da Figura 10.1 dá uma ideia de como o sistema funciona. Foi mencionado no Capítulo 3 que as frequências da voz ocupam o espectro de 300 a 3400 Hz, alcançando os seus harmônicos até 6 kHz, mas o canal de voz padrão na telefonia tem banda passante B = 4 kHz. Canal 1 Canal 2 1

.

-

M

- u "

X

1

1

"

-

T

Onda portadora de canais multiplexados

X

-

X

--

M

-

Canal 1

-

Canal 2

"

1

u

X

1

Canal n

-

R

D E

.

..

1 1 1

- Canal n

......... Figura 10.1 - Diagrama em blocos de um sistema multiplexado.

239 Multiplexação de Canais Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

10.2 O espaço disponível às comunicações No Capítulo 3 foi mostrado que um sinal pode ser estudado no domínio do tempo e no domínio da frequência, parâmetros que disponibilizam espaços destinados às telecomunicações. Assim, dois modos de multiplexação de canais são: •

analogicamente por divisão de frequência· FDM (frequency division multip/ex);

•

digitalmente por divisão de tempo • TOM (time division multip/ex).

A Figura 10.2 ajuda a entender o que está sendo explicado, na qual cada um dos espaços que separa os canais em FDM é denominado banda de guarda, enquanto em TOM denomina-se tempo de guarda. Canais 1

r

F r

e

e

1

q

q u e

1

n

1

F

u ê

Espaço dis pon. ível

~

as comun1caçoes .

n

e

e. 1

-

-

d

(1

1 (a)

1

Tempo

1 1

(b)

Cana16 1

1

1

l l

Canal 1 1

Tempo

4

3

2

1

F

e Q

Ca nal 4

Ca nal2

5

r

Canal5

Ca nal3

6

u ê n

e.

1

d

LJLJUULJLJ (e)

Tempo

Figura 10.2 - a) Espaço disponível às comunicações; b) divisão do espaço emfrequência; c) divisão do espaço em tempo.

10.3 FDM • Multiplexação por Divisão de Frequência Embora exista uma forte tendência atual ao emprego de sistemas digitais quase com exclusividade, é bom saber como funciona a Multiplexação por Divisão de Frequência ou FDM - Frequency Division Multiplexing, um processo analógico de multiplexação de sinais. Trata-se de uma técnica que, além de ser encontrada em equipamentos MUX de canais de voz, é importante por se fazer presente no processo de modulação OFDM - Orthogonal Frequency-division Multiplexing ou Multiplexação Ortogonal por Divisão de Frequência, empregada em transmissões digitais de radiodifusão, em que múltiplos sinais são enviados por milhares de pequenas portadoras em diferentes frequências.

240

Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Quando o canal é codificado, empregando uma técnica de correção de erro, a modulação recebe a denominação de COFDM - Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing ou Multiplexação Ortogonal Codificada por Divisão de Frequência, usada, por exemplo, no SBTVD - Sistema Brasileiro de TV Digital. Gerador de

Subportadoras •• •• • • • • • • • •< • • • • • • • • • • • • • •

Entrada s

Canal 1

Canal 2

.. .

•

Filtro PS 1 0-4 kHz

Fi ltro PB 2 0-4 kHz

•

1 1 1

60 kHz

... ~

1

1

•

1 1

1 1

1

1

1

1

1

1

1

1 1 1

1 1

--

1

Modulador 1

SSB

..

.

Filtro 60-64 kHz

64 kHz

-

.

1 1

•

-

1

1 1

Mod ulador 2

•

SSB

Saída Filtro

64-68 kHz 1 1

•

1

1

1 • ~

•

'

•

Canal 12

... MUX

108 kHz 12 "' Modulador SSB

Filtro PB 12 0-4 kHz

•

•

~

~

Filtro 104-108 kHz

Figura 10.3 - Diagrama em blocos da multiplexação analógica com 12 canais de voz.

Um pacote com 12 canais de voz é obtido à saída do bloco MUX. A banda base dos canais multiplexados ocupa 12 x 4 kHz = 48 kHz. Se modular uma onda portadora, em FM, a transmissão ocupa uma banda B bem maior no espectro de frequências. Um sinal piloto inserido em 60 kHz facilita a sintonia na recepção. Piloto

Canal 2

Canal 1

Canal 3

Canal 4

Canal 12

etc.

1

_ _____,l.__l_ ___.\.__!_ ___..,___ _ _ \ _ _ _ _ _ ______.\

60

64

68

72

76

104

108 kHz

+--------------8-------------+

Figura 10.4 - Banda base do grupo de 12 canais no MUX FDM.

Um canal de voz pode comportar até 12 canais telegráficos para uso, por exemplo, de teleimpressores com modems, em 12 diferentes frequências de áudio. Os 12 canais de voz formam um grupo. Aumentando a quantidade de canais, formam-se outros grupos. Pelo modelo CCITT, cinco grupos formam um supergrupo e 15 supergrupos formam um grupo mestre (mastergroup), mas estes números podem variar.

241 Multiplexação de Canais Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Para a formação do supergrupo com cinco grupos e saídas a, b, c, d e e, de modo semelhante ao esquema da Figura 9.3, o gerador fornece subportadoras nas frequências de 420, 468, 516, 564 e 612 kHz para serem moduladas pelos respectivos sinais das saídas. Segue-se a filtragem para obtenção da banda lateral em cada saída: 312-360, 360-408, 408-456, 456-504 e 504-552 kHz. Para a formação do grupo mestre, o primeiro supergrupo não modula nenhuma subportadora e marca o início da primeira banda lateral: de 312 a 552 kHz. Os demais modulam as subportadoras nas frequências de 1116, 1364, 1612, 1860, 2108, 2356, 2604, 2852, 3100, 3348, 3596, 3844, 4092 e 4340 kHz, que dão origem às seguintes bandas laterais: 564-804, 812-1052, 1060-1300, 1308-1548, 1556-1796, 1804-2044, 2052-2292, 2300-2540, 2548-2788, 2796-3036, 3044-3284, 3292-3532, 3540-3780 e, finalmente, 3788-4028 kHz. Um grupo mestre CCITT pode conter de 300 a 900 canais de voz. A escala de crescimento dos grupos é exibida na Figura 10.5. A banda base de um MUX FDM, com 900 canais de voz, ao modular em FM uma onda portadora do sistema satélite, ocupa todo um transponder de B = 36 MHz. 1

Canal de voz ::::;, de O a 4 kHz

D Grupo = 12 canais de voz =>

D

de 60 a 108 kHz

Supergrupo = 5 grupos = 60 canais de voz ::::, 312 a 552 kHz

1

l ] l I l I I I ] I ] l ] l I Grupo mestre 15 supergrupos =- 900 cana is de voz => 312 a 4028 kHz

o

4MHz

Figura 10.5 - Escala de crescimento dos canais em FDM.

10.4 Demultiplexação analógica O processo de demultiplexação é o inverso daquele efetuado por ocasião da multiplexação FDM e consiste em recuperar cada um dos canais de voz que chegam multiplexados. Após a recepção, a onda modulada é demodulada e entregue ao DEMUX. A demultiplexação se processa conforme o diagrama em blocos da Figura 10.6.

242

Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Recuperador ... do sinal piloto

Gerador de subportadoras

~

L

...

1

1

1 1 1 1

1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1

1

1 1

1 1 1

1 1 1

1

1 1 1

Filtro PB

...

.. Entrada

1 1 1

60-64 kHz

r

DEMUX

1

i

1 1

1 1

1 1 1 1 1 1

'

J'

1

1

Filtro PB 68-72 kHz

...

1 1 1 1

1 1 1

1

1 1

1 L

.....

-

1

r

Demodulador de produto 1

•

Filtro PB 1

Demodulador de produto 2

-

Filtro PB 2 0-4 kHz

1 1

r

r

1

r

~

... Canal 2

1

1--------

1 1 1

1

1

1

r

1

,.

104-108 kHz

0-4 kHz

Canal

1

1

Filtro PB

.....

Demodulador

de produto 12

1 1

..

Filtro PB 12

0-4 kHz

... ,canal 12 •

Figura 10.6 - Diagrama em blocos da demultiplexação analógica com 12 canais de voz.

10.5 TDM · Multiplexação por Divisão de Tempo A multiplexação TDM - Time Division Multiplexing ou Multiplexação por Divisão de Tempo tem uma concepção mais simples que a analógica FDM. O diagrama em blocos da Figura 1O.7 ajuda a entender o seu funcionamento. Inicialmente filtros passa-baixas ou passa-faixa, em cada um dos canais, limitam a banda passante. Segue-se a amostragem dos sinais, canal por canal, pela ação do comutador, representado por uma chave rotativa em contato com as saídas dos canais. Na prática, o comutador é um circuito eletrônico. Entradas

.

Canal 1

Transmíssão - MUX Filtro

PB Comutador

Canal 1...

...

etc. Canal "n"

Filtro

PB

2

•

... Filtro :p 9

•

Conversor A/D 8 bits

Canal de

comu n1caçoes .

n

Figura 10.7 - Esquema de transmissão TDM.

243 Multiplexação de Canais Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

O comutador retira sequencialmente as amostras dos sinais que são encaminhadas ao quantizador/codificador para completar a conversão A/D em PCM (oito bits por amostra). A Figura 10.8, com as formas de onda no domínio do tempo, complementa a explicação. Na entrada

No comutador

Na sa ida do conversor

Quantizador e

Codificador

Sinal analógi,co do canal

Sinal digrtal em PCM (8 bits por amostra)

Sinais amostrados pelo comutador dos "n" canais

Figura 10.8 - Sinais no domínio do tempo no processo de transmissão TOM.

10.5.1 Demultiplexação digital O diagrama em blocos da Figura 10.9 mostra o lado receptor. O processo de DEMUX é inverso ao da transmissão. O comutador da recepção precisa estar sempre em sincronismo com o comutador da transmissão para manter a correspondência entre os canais. Os 8 bits por amostra, de cada canal, são entregues sequencialmente ao conversor D/A para a restauração das amostras. O comutador entrega amostra por amostra a cada um dos filtros onde o sinal analógico é refeito e os sinais recuperados estão disponíveis nas saídas dos filtros. Saídas Recepção - DEMUX

1

Filtro

PB

Comutador

2

Canal de . comun,caçoes

Canal 1

~

•

Conversor

F

Filtro

Canal 2

PB

~

F

DIA

• •

n F

•••

etc .

Filtro

Canal "n" k

PB

Figura 10.9 - Esquema de recepção TOM.

A Figura 10.10, com as formas de onda no domínio do tempo, complementa a explicação. Na entrada

Na saída do conversor

Sinal analóg ico recuperado à saída do canal

do conversor . 1t

11 tl r r

r

r 11 r

., 1r11,r

Filtro

PB Figura 10.10- Sinais no domínio do tempo no processo de recepção TOM.

244

Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

10.5.2 Adequação dos canais em banda passante Por vezes, as condições de entrada no sistema MUX digital precisam de adequações no circuito para atender às necessidades dos canais em largura da faixa. Assim, suponha um MUX com quatro canais a 5 kHz, e um canal opera a 1OkHz. Para atender à situação, a solução mais simples encontrada está no diagrama em blocos da Figura 10.11: dobrar a frequência de amostragem do canal de 1OkHz, amostrando o canal duas vezes. Canal 1 10 kHz

-~-

Filtro PB 10 kHz

Canal 2 5 kHz

-

Filtro PB 5 kHz

Comutador

Saída dos bits Codificador

Filtro PB 10 kHz

Canal 3 5 kHz

----1

Filtro PB 5 kH2

Figura 10.11 - Adequação de canal ao sistema MUX digital.

10.5.3 Sistema MUX digital com dois comutadores Suponha um sistema mais complexo, no qual se deseja multiplexar um número n de canais de banda B simultaneamente a outro de maior banda passante B'. A operação pode ocorrer quando o valor de B' for igual ou um múltiplo inteiro do produto n B. Exemplo: seja um MUX de dez canais com B = 5 kHz e um canal exclusivo com B' = 50 kHz. A operação é compatível porque os 50 kHz de B' equivalem aos 1O x 5 kHz (canais de menor banda passante). O esquema da Figura 10.13, com dois comutadores em sincronismo, viabiliza a operação. É fácil entender como funciona o esquema da Figura 10.13 com os dois comutadores em sincronismo. O comutador 2 amostra o sinal do canal de 50 kHz e recebe do comutador 1 as amostras de cada um dos dez canais de 5 kHz. Na saída obtêm-se os bits ora do comutador 1, ora do comutador 2.

245 Multiplexação de Canais Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição

Canal de 50 kH,-------------l

Filtro PB

5 kHz

Filtro PB

Canal 1 -

5 kHz

Comutador 2

Codificador

Cana12- Filtro PB 5 l