Fundamentos de radio freqüência

Curso de redes sem fio

Definição de Rádio Freqüência• As ondas de rádio são conhecidas por ondas de radiofreqüências ou,

simplesmente, radiofreqüência. Essas ondas são campos eletromagnéticos utilizados nas comunicações sem fio. Como essas ondas levam energia de um ponto ao outro, isso permite a comunicação sem a necessidade de fios, como nas transmissões de televisão, rádio e celulares.

• Radiofreqüência são sinais que se propagam por um condutor cabeado, normalmente cobre, e são irradiados no ar através de uma antena. Uma antena converte um sinal do meio cabeado em um sinal wireless (sem fio) e vice-versa. Os sinais irradiados no ar livre, em forma de ondas eletromagnéticas, propagam-se em linha reta e em todas as direções.

Anatomia da Forma da Onda• Uma onda é uma perturbação ou variação que transfere

energia progressivamente de ponto para ponto num meio e que pode tomar a forma de uma deformação elástica ou uma variação de pressão, intensidade elétrica ou magnética, potencial elétrico, ou temperatura.

Tipos de ondas• Mecânicas - Requerem um meio material para se propagar

seja ele sólido, líquido ou gás. Não se propagam no vácuo. Uma energia ou perturbação introduzida no sistema faz com que ela se propague através do material pela movimentação ou choque de partícula a partícula, tentando manter a “informação” ou o tipo de perturbação.

• Eletromagnéticas - Não requerem meio material. Podem se propagar no vácuo, ar, água e alguns sólidos. Propagam-se pela sucessão alternada de campos elétricos e magnéticos mutuamente perpendiculares.

Forma de onda mais comuns

• Onda senoidal Obedece a uma função seno ou cosseno e é a forma de onda mais simples. Todas as outras formas de onda, mesmo as mais complexas, podem ser decompostas em conjuntos de ondas senoidais através da aplicação das séries de fourier.

• Onda quadradaTambém chamada de trem de pulsos Forma de onda caracterizada pela alternância entre um estado de amplitude nula e outro estado de amplitude máxima, sendo que cada um destes estados tem duração igual.

Fourier

Freqüência• A forma da onda é a representação gráfica da onda ao longo

do tempo e o ciclo de várias ondas em um determinado tempo é chamado de freqüência.

• A freqüência(f) de uma onda é a quantidade de vezes que a onda oscila em um segundo, conhecido por Hertz (hz), esta a unidade de freqüência.

• Assim, se uma onda oscila dez vezes em um segundo, podemos dizer que a freqüência é 10 Hz.

Comprimento de onda• É a distância entre valores repetidos da mesma onda e é representado

pela letra grega lambda (λ). As maneiras mais comuns de se medir o comprimento da onda estão mostradas na figura abaixo:

Onde c é a velocidade da luz no ar (343 m/s) ou no vácuo (300.000 km/s).Onde f é a freqüência da onda.Então, o comprimento de onda é inversamente proporcional à freqüência, de forma que quanto maior a freqüência menor o comprimento de onda.

Espectro eletromagnético• É o conjunto de todas as ondas eletromagnéticas, sendo organizadas pela

sua freqüência.• As freqüências de rádio não podem ser usadas aleatoriamente, elas são

regulamentadas pela ANATEL (Agencia Nacional de Telecomunicações), órgão responsável pela administração, regulamentação e fiscalização do uso dessas freqüências.

Banda ISM• Em 1985, o FCC liberou a banda de freqüência ISM (Industrial,

Scientific and Medical), impondo certas restrições técnicas na potência dos transmissores e na modulação. Essa desregulamentação do espectro de freqüência eliminou a necessidade de usuários e organizações terem de pagar pelo uso dessas faixas de freqüência, bem como perder muito tempo planejando o uso de freqüências para evitar interferência com sistemas de rádio existentes.

ISM• 900 MHz (902 MHz a 928 MHz): Possui uma largura de banda de apenas

26 Mhz.• 2.4GHz (2.4000 GHz a 2.4835 GHZ): Essa faixa de freqüência apresenta

uma largura de banda de 83.5MHz e é usada pelos dispositivos 802.11a, 802.11b e 802.11g.

• 5 GHz: Outra banda livre de licenciamento pelo FCC é a banda de 5.8 GHz. O FCC especifica três bandas Unlicensed National Information Infraestructure – UNII. A UNII opera na faixa de 5 GHz e é formada por três bandas com largura de 100 MHz cada, conhecidas como baixa, média e alta. Os dispositivos compatíveis com 802.11a utilizam estas bandas: – Banda Baixa (5,15 GHz a 5,25 GHz)– Banda Média (5,25 GHz a 5,35 GHz)– Banda Alta (5.725 GHz a 5.825 GHz)

Sistema de comunicação • A informação pode ser definida como digital ou analógica. • O meio é onde o sinal viaja. Pode ser o ar, o espaço, a água, fios ou

qualquer outra forma que permita a passagem do sinal com maior ou menor intensidade. Cada meio apresenta suas próprias vantagens e distorções.

• Se o meio é uma estrada, a portadora é o veículo que transporta a informação. Dependendo do meio, a portadora pode ser a luz, como em uma comunicação óptica, ou um sinal de microondas, como em uma comunicação móvel.

Fundamentos de radio freqüência - Modulação

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Modulação de sinal • Modulação é o processo o qual voz, música, e outro sinal "inteligível" é

adicionado às ondas de rádio produzidas por um transmissor. • Um sinal de rádio não modulado é conhecido como portadora. Quando se

escuta uma lacuna entre músicas ou anúncios em uma estação de rádio, na realidade, o que se "escuta" é a portadora. Enquanto a portadora não contém nenhuma mensagem, pode-se dizer que está sendo transmitida porque anula o ruído de fundo no seu rádio.

• A portadora é um sinal analógico em forma de onda, tipicamente senoidal, que será modulado, ou seja, é alterado para representar a informação a ser transmitida. A portadora é, geralmente, de freqüência inferiot à do sinal que contém a informação (modulador).

O Porquê da Modulação

Podemos resumir: a modulação é necessária para "casar" o sinal com o meio de transmissão. Este "casamento" envolve algumas considerações importantes, detalhadas nos itens que seguem.

– Modulação para facilidade de irradiação• Redução dos tamanhos das antenas

– Modulação para redução de ruído e interferência• Reduzir o ruído de transmissão usando mais banda

– Modulação para designação de freqüência• Separação da transmissão pela freqüência usada

– Modulação para multiplexação• Uso de um único canal para transmitir várias informações

Tipos De Modulação• Analógica

– Na Modulação Analógica, também classificada como modulação de onda contínua (CW), a portadora é uma onda cosenoidal e o sinal modulante é um sinal analógico ou contínuo.

– Normalmente, a onda portadora possui uma freqüência muito maior do que qualquer um dos componentes de freqüência contidos no sinal modulante. O processo de modulação é, então, caracterizado por uma translação em freqüência em que o espectro de freqüências da mensagem é deslocado para uma nova e maior banda de freqüências.

Sinal Modulado

Analógica x Digital• A diferença fundamental entre os sistemas de comunicação

de dados digitais e analógicos (dados contínuos) é bastante óbvia. No caso dos dados digitais, envolve a transmissão e detecção de uma dentre um número finito de formas de onda conhecidas (no presente caso a presença ou ausência de um pulso), enquanto nos sistemas contínuos há um número infinitamente grande de mensagens cujas formas de onda correspondentes não são todas conhecidas.

Modulação Analógica• Devido à portadora senoidal possuir três parâmetros, Amplitude,

Freqüência e Fase, existem três formas básicas de modulação: – Modulação em Amplitude (AM)– Modulação em Freqüência (FM)– Modulação em Fase (PM Phase Modulation).

Tipos De Modulação

• Digital– A Modulação Digital, também denominada modulação

discreta ou codificada, é utilizada em casos em que há interesse em transmitir uma forma de onda ou mensagem, que faz parte de um conjunto finito de valores discretos, representando um código.

Modulação DigitalAs técnicas de modulação para sinais digitais mais utilizadas atualmente são:• Modulação em amplitude por chaveamento – ASK • Modulação em freqüência por chaveamento – FSK • Modulação em fase por chaveamento – PSK

Modulação ASK• Basicamente, a ASK - Modulação por Chaveamento ou Desvio

de Amplitude, como o próprio nome já diz, consiste em alterar a amplitude da portadora de acordo com a informação a ser transmitida (a freqüência é mantida).

Modulação FSK• A modulação FSK (Modulação por Chaveamento ou Desvio de

Freqüência) consiste em alterar a freqüência da portadora de acordo com a informação a ser transmitida.

Modulação PSK - Phase-shift keying • A modulação PSK (Modulação por Chaveamento ou Desvio de Fase)

consiste em variar a fase da portadora de acordo com os dados a serem transmitidos. Por exemplo, ao bit "0" corresponde a fase 0º (zero graus) e ao bit "1" corresponde a fase 180º (cento e oitenta graus) da portadora, conforme figura abaixo:

BPSK - Binary Phase-Shift Keying• Na modulação BPSK, a fase da

portadora sofre uma inversão de 180º mediante a mudança do fluxo binário. Qualquer mudança do estado binário dos bits acarretará mudança de fase na modulação.

QPSK - Quadrature phase-shift keying • O termo “quadratura” significa que a portadora pode ter quatro fases em

um dado instante separadas de 90 graus. Cada fase pode carregar dois bits.QPSK usa duas funções básicas, uma seno e uma cosseno, enquanto o BPSK usa apenas uma. Variando a fase de cada uma dessas portadoras. Por isso, o QPSK tem maior eficiência na largura de banda do que o BPSK. Isso significa dizer que a modulação QPSK requer menos largura de banda para transmitir do que a modulação BPSK.

QPSK - Quadrature phase-shift keying

QAM• Quadratura Amplitude Modulation

– QAM. É simplesmente a combinação de modulação por amplitude e modulação por desvio de fase (Phase Shift Keying).

• Em QAM, podemos ter 16 estados possíveis para a portadora. Quatro bits por símbolo são enviados. Logo, produz um formato de modulação com maior eficiência espectral do que o QPSK ou o BPSK.

Comparativo

Comportamento da radio freqüência

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Relação sinal ruído (S/N – Signal/Noise)

• Em comunicações analógicas e digitais, a relação sinal ruído é uma medida relativa do sinal recebido ao ruído, e normalmente está escrita em decibéis (dB). Com esse parâmetro, é possível dimensionar a qualidade do sinal: quanto maior a relação entre sinal e ruído melhor. Isso mostra que a intensidade do sinal é maior que o ruído, permitindo a comunicação entre dois pontos

Ganho

• É uma particularidade apresentada por um dispositivo amplificador, que consiste em modificar a amplitude de um sinal aplicado à sua entrada. O objetivo desses equipamentos é que o sinal de saída seja maior que o sinal de entrada, podendo cobrir distâncias maiores e permitindo a comunicação cada vez mais distante.

Atenuação• Atenuação ou perda de transmissão ocorre com qualquer tipo

de sinal, seja digital ou analógico, transmitido com ou sem fios. Isso ocorre quando há diminuição do sinal à medida que a distância é percorrida, quanto maior for a distância, maior é a atenuação, até o ponto que o sinal torna-se fraco e não pode mais ser entendido pelo destinatário. De uma forma geral, os sinais analógicos podem ser transmitidos a distâncias maiores que os digitais, enquanto os sinais digitais trabalham apenas com dois sinais distintos (os bits 1 e 0, representados por diferentes e pequenas tensões elétricas).

Reflexão• Quando uma onda eletromagnética encontra uma superfície (obstáculo),

se as condições forem favoráveis ela será refletida como fosse um espelho, da mesma maneira que ocorre com uma onda luminosa, que também é uma onda eletromagnética.

• Essa reflexão acontece quando o obstáculo é maior que o comprimento da onda.

Distorção por múltiplos trajetos• Quando o sinal RF é refletido em um objeto, múltiplas frentes de onda são criadas, na

verdade, uma para cada ponto de reflexão. Essas múltiplas frentes de onda mover-se-ão em várias direções, podendo, ainda, chegar ao receptor. Esse comportamento é conhecido como multipath. Logo, multipath pode ser definido como o sinal original mais as frentes de onda duplicadas causadas pelas reflexões. Em objetos situados entre o transmissor e o receptor, a onda original e as frentes de onda duplicadas podem não chegar ao mesmo instante no receptor, pois normalmente existe um atraso entre elas.

Múltiplos caminhos• Redução da amplitude do sinal original• Corrupção• Cancelamento• Aumento da amplitude do sinal

Múltiplos caminhos• Redução da amplitude do sinal original

Quando o sinal RF chega ao receptor, muitas ondas refletidas devem chegar ao mesmo tempo ao receptor, de forma que há uma soma ao sinal original. Porém, se essas mesmas ondas estão fora de fase com o sinal original, pode ocorrer redução da amplitude do sinal original no receptor, ocorrência essa conhecida como downfade.

Múltiplos caminhos• Aumento da amplitude do sinal

Ocorre quando o sinal refletido chega ao receptor com a mesma fase do sinal original. Como eles estão em fase, há um acréscimo na amplitude do sinal original. Esse fenômeno é conhecido como upfade.

Múltiplos caminhos• Corrupção

Sinais corrompidos devido ao multipath podem ocorrer pelo mesmo fenômeno descrito anteriormente. Quando o sinal refletido fora de fase é combinado com o sinal original, em vez de ocorrer uma leve redução, ocorre uma drástica redução na amplitude do sinal, fazendo com que ele fique muito próximo da faixa de ruído. Portanto, o receptor não consegue distinguir o sinal do ruído nessas condições, recebendo somente parte dos dados transmitidos. O transmissor terá que reenviar os dados, aumentando o overhead e reduzindo o throughput em uma WLAN.

Múltiplos caminhos• Cancelamento

Ocorre quando uma ou várias ondas refletidas chegam fora de fase com o sinal original no receptor com a mesma amplitude que o original, anulando ou cancelando todo o set de ondas RF, incluindo o original.

Espalhamento do sinal• O espalhamento ocorre quando o sinal atravessa um meio que consiste em objetos com

dimensões pequenas se comparadas ao comprimento de onda do sinal e o número de obstáculos por unidade de volume é grande. Telhados, pequenos objetos e outras pequenas irregularidades no caminho do sinal podem causar espalhamento do mesmo.

• O espalhamento pode causar sérios prejuízos em uma área de transmissão. Dependendo da superfície atingida, o sinal é refletido em muitas direções simultaneamente, com amplitudes menores interferindo significativamente no sinal original, podendo causar degradação substancial ou mesmo perda completa deste.

Refração• É o fenômeno de reflexão parcial, isto é, uma parte da onda é refletida e a

outra atravessa a superfície do obstáculo. Um obstáculo que permite ser atravessado por uma onda eletromagnética é dito transparente; no caso de impedi-la (levando à reflexão) é opaco; e parcialmente transparente, quando acontece a refração.

Difração• É o fenômeno que ocorre quando uma onda incide em um obstáculo e

consegue ultrapassá-lo, contornando-o ou penetrando em sua abertura. É a difração que permite a recepção dos sinais de televisão e rádio nas grandes cidades, apesar de obstáculos como construções e prédios.

Absorção• Uma onda eletromagnética pode interagir com a matéria no qual ela se

propaga, ocasionando diminuição da intensidade da onda. Quando uma onda propaga no ar e encontra um obstáculo, como uma árvore, por exemplo, tal obstáculo absorve boa parte da energia da onda, diminuindo a amplitude da onda.

Matemática usada na rádio freqüência

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Matemática usada na rádio freqüênciaExistem quatro áreas importantes para o cálculo de potência em wireless LAN:

• Potência de saída do transmissor; • Perda e ganho dos dispositivos de conexão entre o dispositivo transmissor

e a antena; • Potência do último conector antes do sinal entrar na antena; • Potência de saída da antena.

Potência• Potência é algo relacionado à energia. Potência é uma razão e

não uma quantidade, significando que é alguma coisa que muda com o tempo. A fórmula para potência é:

P = ΔE/Δt

Onde:ΔE é a quantidade de energia transferida (ou a taxa de trabalho executado) em algum processo;Δt é o intervalo de tempo no qual a energia é transferida. Se transferirmos 1 Joule de energia em 1 segundo, teremos 1 Watt (W) de potência. Potência é definida como um ampére multiplicado por um volt.

Logarítimo• Quando lidamos com valores de potência, geralmente

estamos tratando de números com muitas casas decimais. Para simplificar os cálculos, usamos uma relação entre as potências que são dadas como uma função logaritmo, o que simplifica os cálculos.

Decibel

Ganho e perda• O uso comum do decibel é para expressar ganhos ou perdas

de potência em um circuito. O ganho representa um aumento de nível de potência.