Sistemas de Comunicação (IF740)

Módulo I Prof. Paulo Gonçalves [email protected]

www.cin.ufpe.br/~pasg CIn/UFPE Introdução 1-1

Introdução

Nosso Objetivo:

   Terminologia Conceitos básicos Detalhamentos durante o curso

Agenda:

      O que é Comunicação Sem Fio ou Wireless?

Ondas Eletromagnéticas Propagação de Ondas Eletromagnéticas O Espectro Eletromagnético Transmissão de Sinais de Rádio     Antenas Como representar informações?

Como fazer uma onda de rádio carregar informações?

Alocação de Frequências Diversidade de uso do Wireless Introdução 1-2

Agenda

1.1 O que é Comunicação Sem Fio ou Wireless?

1.2

Ondas Eletromagnéticas

1.3

Propagação de Ondas Eletromagnéticas

1.4

O Espectro Eletromagnético

1.5

1.6

Transmissão de Sinais de Rádio Diversidade de uso do Wireless Introdução 1-3

O que é Comunicação Sem Fio ou Wireless ?

 Termo utilizado para a transmissão de informações entre dispositivos ou interfaces sem a utilização de fios  O range de comunicação pode ser curto (centímetros a alguns metros) ou longo (muitos quilômetros)  A comunicação pode ser

unidirecional bidirecional (e.g. celular) (e.g. rádio e televisão) ou



Wireless e Mobilidade

 

são coisas distintas !

Wireless = comunicação usando enlaces sem fio Mobilidade = trata da possibilidade do usuário se mover e migrar do ponto no qual ele se associa à rede Introdução 1-4

O que é Comunicação Sem Fio ou Wireless ?

 Wireless se tornou um termo genérico para descrever todo o tipo de comunicação usando ondas ou radiações eletromagnéticas  … mas o que são ondas eletromagnéticas ?

Introdução 1-5

Ondas Eletromagnéticas

 Maxwell, a partir de suas equações, previu a existência das ondas eletromagnéticas  Combinação de um campo elétrico e de um campo magnético que se propagam simultaneamente através do espaço transportando energia  Podem vistas como duas ondas viajando em uma mesma direção , perpendiculares entre si , oscilando em seus planos  Um carga elétrica oscilante eletromagnética cria uma onda Introdução 1-6

Ondas Eletromagnéticas

 A frequência de oscilação de uma onda é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda

v

 

f

v:

velocidade da onda

f:

frequência da onda

λ:

comprimento da onda  A frequência é expressa em Hertz (Hz), significando oscilações por segundo  Alguns múltiplos que usaremos: KHz, MHz, GHz  Toda onda eletromagnética se propaga no vácuo à velocidade da luz (≈ 300.000 Km/s) e na superfície terrestre com velocidade muito próxima a essa Introdução 1-7

Propagação de Ondas Eletromagnéticas no Vácuo

Animação do campo elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força ( strength ) Introdução 1-8 Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation

Propagação de Ondas Eletromagnéticas: Fenômenos



As ondas eletromagnéticas estão sujeitas à vários de propagação, e.g.

     

Refração Reflexão

Difração (Rayleigh scattering)

Multipath Atenuação (Fading/Desvanecimento) Interferências construtivas e destrutivas fenômenos

Vejamos alguns deles ...

Mais durante o curso ...

Introdução 1-9

Prop. de Ondas Eletromagnéticas:

Mudanças no Gradiente do Índice de Refração 

Refração : Mudança de direção da onda devido mudança de sua velocidade



Ocorre comumente quando a onda passa de um meio para outro

Animação do campo elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força ( strength ) Introdução 1-10 Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation

Prop. de Ondas Eletromagnéticas: Reflexão e Refração



Reflexão: Mudança de direção da onda na fronteira entre dois meios distintos de tal forma que a frente da onda retorna ao meio no qual se propagava antes

Animação do campo elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força ( strength ) Onda incidente + onda refletida | Somente onda refletida Onda incidente + onda refletida

|

Somente onda refletida Introdução 1-11 Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation

Prop. de Ondas Eletromagnéticas: Rayleigh Scattering



Rayleigh scattering :



Difusão da radiação eletromagnética causada por partículas muito menores que o comprimento da onda eletromagnética

Onda incidente + onda espalhada | Somente onda espalhada Animação do campo elétrico Onda incidente + onda espalhada

|

Somente onda espalhada Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força ( strength ) Exemplo quando tamanho de partícula se aproxima do comprimento da onda Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation Introdução 1-12

Multipath, Fading



Multipath (Múltiplos Caminhos)



Fading

 Desvio da atenuação sinais devido a variações das condições de propagação • Frequentemente definido como um processo estocástico Introdução 1-13

Prop. de Ondas Eletromagnéticas:

Interferência construtiva/destrutiva ondas combinadas onda 1 onda 2 Duas ondas em fase Duas ondas defasadas de 180° Introdução 1-14

Modelos de Propagação

  Tenta predizer a força do sinal a uma distância do transmissor Exemplo:  Modelo de propagação Path Loss (PL)

Gama:

expoente de atenuação (2 a 4)

PL:

atenuação sofrida pelo sinal até o receptor

PL (d0):

atenuação a uma distância de referência (1m em ambientes internos)

Lambda:

comprimento de onda

FAF:

Atenuação por piso

WAF:

atenuação por paredes Introdução 1-15

O Espectro Eletromagnético

 É o intervalo de frequência total de todas as radiações eletromagnéticas conhecidas  Radiações: ondas de rádio, microondas, infravermelho, luz visível, raios ultra violetas, raios X e Raios Gamma (γ) Introdução 1-16

O Espectro Eletromagnético

 Classificado pelo comprimento de onda  Ondas de rádio, microondas, infravermelho, luz visível, raios ultra violetas, raios X e Raios Gamma (γ) Introdução 1-17

O Espectro Eletromagnético: Algumas Aplicações

 Rádio  Televisão/Controle Remoto  Radar  Sistemas de Comunicação Sem Fio  Celular, Wi-Fi, Bluetooth, WiMAX, entre outros  Sistemas de Comunicação baseados em Fibra Óptica  Forno de Microondas Introdução 1-18

O Esp. Eletromagnético:Algumas Aplicações

Nome

Extremely Low Freq.

Super Low Freq.

Ultra Low Freq.

Very Low Freq.

Low Freq.

Medium Freq.

Abr ev.

ELF SLF ULF VLF LF MF Freq.

3-30 Hz 30 – 300 Hz 300 – 3000 Hz 3 – 30 KHz 30 – 300 KHz 300 – 3000 KHz

λ

10.000 a 100.000 Km 1.000 a 10.000 Km 100 – 1.000 Km 10 – 100 Km 1 – 10 Km 100 -1000 m

Aplicações (exemplos)

Comunicação entre submarinos submersos Corrente alternada Comunicação em minas Com. entre submarinos próx. Superfície Rádio AM High Freq.

Very High Freq.

Ultra High Freq.

Super High Freq.

Extremely High Freq.

HF VHF UHF SHF EHF

3 – 30 MHz 30 – 300 MHz 300 – 3000 MHz 3 – 30 GHz 30 – 300 GHz 10 – 100 m 1 – 10 m 10 – 100 cm 1 – 10 cm 1 – 10 mm Rádio AM, comunicação marítima e de aviação Rádio amador Rádio FM, rádio amador, TV, aviação TV, rádio amador, celular, tel. sem fio, redes wireless, microondas Redes wireless, links de satélite, links microondas, TV via satélite links microondas, Introdução 1-19

Transmissão de Sinais de Rádio

 A trasmissão e recepção de ondas de rádio requer o uso de um transmissor e de um receptor Onda de Rádio

Onda portadora

Informação a ser transmitida (dados, voz) Transmissor Receptor Informação recuperada (dados, voz) 

A onda de rádio atua como uma transmitida portadora da informação a ser



A informação pode ser codificada diretamente na onda interrompendo sua transmissão periodicamente (como uma chave liga-desliga) ou impressa nela através de um processo chamado de modulação (… mais detalhes em breve)

Introdução 1-20

Transmissão de Sinais de Rádio

   

Antenas Como representar informações?

Como fazer a onda de rádio carregar informações?

Alocação de Frequências

Ondas de Rádio Informação a ser transmitida (dados, voz) Transmissor Receptor

1

Informação recuperada (dados, voz) Introdução 1-21

Antenas



Uma antena receber é um transdutor projetado para ondas eletromagnéticas transmitir ou



Converte sinais elétricos em ondas eletromagéticas e vice versa



É formada por condutores que eletromagnética geram um campo de radiação em resposta a uma voltagem e corrente alternadas aplicadas (ou vice-versa)



Existem diversos tipos de antenas com aplicações distintas

Antena UHF/VHF Antena Dipolo Wi-Fi Antena Wi-Fi direcional Antena parabólica Antena de radar Antena de tel. celular Introdução 1-22

Antenas



Há dois tipos fundamentais de acordo com o padrão eletromagnética

 

de radiação Omni-direcional (radiação em todas as direções) Direcional (maior parte da radiação concentrada em uma direção específica)

Introdução 1-23

Antenas: Exemplo de antena dipolo



Omni-direcional

Distribuição de energia radiada por uma antena dipolo de 1,5*λ Padrão de radiação de uma antena dipolo Corrente AC aplicada Introdução 1-24

Antenas: Receptor de Satélite



Exemplo: receptor de TV via satélite

Animação do campo elétrico Fluxo médio de energia do campo eletromagnético Cores representam a força ( strength ) Introdução Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation 1-25

Antenas: Parabólica



Exemplo: transmissão de sinais

 O metal curvado possui alto índice de refração, atuando como um refletor quase perfeito Animação do campo elétrico Fluxo médio de energia do campo eletromagnético Cores representam a força ( strength ) Introdução Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation 1-26

Transmissão de Sinais de Rádio

   

Antenas Como representar informações?

Como fazer a onda de rádio carregar informações?

Alocação de Frequências

Ondas de Rádio Informação a ser transmitida (dados, voz)

2

Transmissor Receptor Informação recuperada (dados, voz) Introdução 1-27

Como representar informações



Sinais podem ser analógicos ou digitais



O sinal analógico é um sinal contínuo que varia ao longo do tempo

 sinal de voz

O sinal digital é um sinal com valores discretos no tempo e na amplitude



A forma de onda é composta por pulsos com variações descontínuas

sinal digital de dois níveis Introdução 1-28

0111 0110 0100 0101 0011 0010 0001 0000 1111 1110 1100 1010 1101 1011 1001

Como representar informações



Sinais analógicos podem ser digitalizados

0000 0110 0111 0011 1100 1001 1011

Resolução= 1 parte em 2 n

sinal representado por 16 níveis Sequência de bits gerada Introdução 1-29

Transmissão de Sinais de Rádio

   

Exemplos de antenas Como representar informações?

Como fazer a onda de rádio carregar informações?

Alocação de Frequências

Ondas de Rádio Informação a ser transmitida (dados, voz) Transmissor

3

Receptor Informação recuperada (dados, voz) Introdução 1-30

Exemplo de Transmissor/Receptor

 Sinal de entrada é amostrado e quantificado antes de ser digitalizado . Uma aproximação da entrada é reconstruída pelo conversor digital analógico:

entrada

amostragem Digitilização Código, modulação Filtragem

saída

conversão Analógico-digital Demodulação, Decodificação

Transmissão

•Cabo/fibra •Interface aérea Introdução 1-31

Transmissão de Sinais de Rádio: Exemplo com sinal analógico

 Exemplo: Portadora de alta frequência Transmissão onda sonora produzida (freq. Entre 5 Hz e 20 KHz) Sinal elétrico idêntico à onda é produzido pelo microfone Sinal modulado em AM Introdução 1-32

Como fazer a onda carregar informações

Vimos que ...

A onda de rádio atua como uma portadora da informação a ser transmitida

 Normalmente, uma como portadora onda senoidal de alta frequência é usada que terá algum parâmetro alterado  Os 3 parâmetros principais de uma onda senoidal são    Amplitude Fase Frequência Introdução 1-33

Como fazer a onda carregar informações

Vimos que ...

A informação pode ser codificada diretamente na onda interrompendo sua transmissão periodicamente (como uma chave liga-desliga) ou impressa nela através de um processo chamado de modulação

 … e o que é modulação e o porquê dela ?

Introdução 1-34

Modulação



Por que modular?



Para permitir transmissões simultâneas de dois ou mais sinais banda-base, traduzindo-os para diferentes frequências



Todas as técnicas de modulação envolvem o deslocamento do sinal original (sinal modulador) de sua faixa de frequências original para uma outra faixa.

Introdução 1-35

Modulação



Existem três técnicas básicas de modulação

  

Modulação por Amplitude (Amplitude Modulation – AM) Modulação por Frequência (Frequency Modulation – FM) Modulação por Fase (Phase Modulation)



Se sinal modulador for digital, usamos as seguintes técnicas

  

Modulação por chaveamento da Amplitude (Amplitude Shift Keying – ASK) Modulação por Chaveamento da Frequência (Frequency Shift Keying – FSK) Modulação por chaveamento de Fase (Phase Shift Keying - PSK)

Introdução 1-36

Exemplos: Modulação Analógica

Modulação AM Modulação FM Modulação PM Introdução 1-37

Mais Exemplos …

Introdução 1-38

Exemplos: Modulação Digital

Introdução 1-39

Transmissão de Sinais de Rádio

   

Antenas Como representar informações?

Como fazer a onda de rádio carregar informações?

Alocação de Frequências

Ondas de Rádio Informação a ser transmitida (dados, voz) Transmissor Receptor Informação recuperada (dados, voz) Introdução 1-40

Alocação de Frequências

 comunicações wireless utilizam o espectro eletromagnético  O espectro eletromagnético ou de frequência é algo físico que existe em todo lugar, sendo um bem escasso que precisa ser utilizado racionalmente  Em comunicações wireless, o espectro de frequência não pode ser usado como se bem entende e existe a necessidade de se definir a faixa de frequência de operação dos dispositivos  O uso do espectro de frequência é regulamentado na maioria dos países   Organismos de padronização: International Telecommunication Union (ITU), European Telecommunications Standard Institute (ETSI) , etc Governos também podem leiloar faixas de frequência ou licenciá las em seus países Introdução 1-41

Diversidade de uso do Wireless

 Difere em          Mobilidade Tipo de aplicação Tipo de ambiente Características do meio “ Pervasividade ” de hosts Grau de infra-estrutura Visibilidade da infra estrutura Cobertura Custo  Exemplos         Telefonia Celular Satélite WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks) WLANs (Wireless Local Area Networks) WPANs (Wireless Personal Area Networks) Ambientes de Computação Ubíqua MANETs (Mobile Ad hoc Networks) Redes de Sensores Introdução 1-42