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Introduo1-1 Sistemas de Comunicao (IF740) Mdulo I Prof. Paulo Gonalves pasg@cin.ufpe.br www.cin.ufpe.br/~pasg CIn/UFPE

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Introduo1-2 Introduo Nosso Objetivo: Terminologia Conceitos bsicos Detalhamentos durante o curso Agenda: O que Comunicao Sem Fio ou Wireless? Ondas Eletromagnticas Propagao de Ondas Eletromagnticas O Espectro Eletromagntico Transmisso de Sinais de Rdio Antenas Como representar informaes? Como fazer uma onda de rdio carregar informaes? Alocao de Frequncias Diversidade de uso do Wireless

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Introduo1-3 Agenda 1.1 O que Comunicao Sem Fio ou Wireless? 1.2 Ondas Eletromagnticas 1.3 Propagao de Ondas Eletromagnticas 1.4 O Espectro Eletromagntico 1.5 Transmisso de Sinais de Rdio 1.6 Diversidade de uso do Wireless

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Introduo1-4 O que Comunicao Sem Fio ou Wireless ? Termo utilizado para a transmisso de informaes entre dispositivos ou interfaces sem a utilizao de fios O range de comunicao pode ser curto (centmetros a alguns metros) ou longo (muitos quilmetros) A comunicao pode ser unidirecional (e.g. rdio e televiso) ou bidirecional (e.g. celular) Wireless e Mobilidade so coisas distintas ! Wireless = comunicao usando enlaces sem fio Mobilidade = trata da possibilidade do usurio se mover e migrar do ponto no qual ele se associa rede

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Introduo1-5 O que Comunicao Sem Fio ou Wireless ? Wireless se tornou um termo genrico para descrever todo o tipo de comunicao usando ondas ou radiaes eletromagnticas mas o que so ondas eletromagnticas?

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Introduo1-6 Ondas Eletromagnticas Maxwell, a partir de suas equaes, previu a existncia das ondas eletromagnticas Combinao de um campo eltrico e de um campo magntico que se propagam simultaneamente atravs do espao transportando energia Podem vistas como duas ondas viajando em uma mesma direo, perpendiculares entre si, oscilando em seus planos Um carga eltrica oscilante cria uma onda eletromagntica

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Introduo1-7 Ondas Eletromagnticas A frequncia de oscilao de uma onda inversamente proporcional ao seu comprimento de onda A frequncia expressa em Hertz (Hz), significando oscilaes por segundo Alguns mltiplos que usaremos: KHz, MHz, GHz Toda onda eletromagntica se propaga no vcuo velocidade da luz ( 300.000 Km/s) e na superfcie terrestre com velocidade muito prxima a essa v: velocidade da onda f: frequncia da onda : comprimento da onda

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Introduo1-8 Propagao de Ondas Eletromagnticas no Vcuo Animao do campo eltrico Fluxo de energia do campo eletromagntico Cores representam a fora (strength) Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation

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Introduo1-9 Propagao de Ondas Eletromagnticas: Fenmenos As ondas eletromagnticas esto sujeitas vrios fenmenos de propagao, e.g. Refrao Reflexo Difrao (Rayleigh scattering) Multipath Atenuao (Fading/Desvanecimento) Interferncias construtivas e destrutivas Vejamos alguns deles... Mais durante o curso...

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Introduo1-10 Prop. de Ondas Eletromagnticas: Mudanas no Gradiente do ndice de Refrao Refrao: Mudana de direo da onda devido mudana de sua velocidade Ocorre comumente quando a onda passa de um meio para outro Animao do campo eltrico Fluxo de energia do campo eletromagntico Cores representam a fora (strength) Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation

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Introduo1-11 Prop. de Ondas Eletromagnticas: Reflexo e Refrao Reflexo: Mudana de direo da onda na fronteira entre dois meios distintos de tal forma que a frente da onda retorna ao meio no qual se propagava antes Animao do campo eltrico Fluxo de energia do campo eletromagntico Cores representam a fora (strength) Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation Onda incidente + onda refletida | Somente onda refletida

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Introduo1-12 Prop. de Ondas Eletromagnticas: Rayleigh Scattering Rayleigh scattering: Difuso da radiao eletromagntica causada por partculas muito menores que o comprimento da onda eletromagntica Animao do campo eltrico Fluxo de energia do campo eletromagntico Cores representam a fora (strength) Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation Onda incidente + onda espalhada | Somente onda espalhada Exemplo quando tamanho de partcula se aproxima do comprimento da onda

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Introduo1-13 Multipath, Fading Multipath (Mltiplos Caminhos) Fading Desvio da atenuao sinais devido a variaes das condies de propagao Frequentemente definido como um processo estocstico

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Introduo1-14 Prop. de Ondas Eletromagnticas: Interferncia construtiva/destrutiva Duas ondas em fase Duas ondas defasadas de 180 onda 1 onda 2 ondas combinadas

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Introduo1-15 Modelos de Propagao Tenta predizer a fora do sinal a uma distncia do transmissor Exemplo: Modelo de propagao Path Loss (PL) Gama: expoente de atenuao (2 a 4) PL: atenuao sofrida pelo sinal at o receptor PL (d0): atenuao a uma distncia de referncia (1m em ambientes internos) Lambda: comprimento de onda FAF: Atenuao por piso WAF: atenuao por paredes

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Introduo1-16 O Espectro Eletromagntico o intervalo de frequncia total de todas as radiaes eletromagnticas conhecidas Radiaes: ondas de rdio, microondas, infravermelho, luz visvel, raios ultra violetas, raios X e Raios Gamma ()

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Introduo1-17 O Espectro Eletromagntico Classificado pelo comprimento de onda Ondas de rdio, microondas, infravermelho, luz visvel, raios ultra violetas, raios X e Raios Gamma ()

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Introduo1-18 O Espectro Eletromagntico: Algumas Aplicaes Rdio Televiso/Controle Remoto Radar Sistemas de Comunicao Sem Fio Celular, Wi-Fi, Bluetooth, WiMAX, entre outros Sistemas de Comunicao baseados em Fibra ptica Forno de Microondas

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Introduo1-19 O Esp. Eletromagntico:Algumas Aplicaes NomeAbr ev. Freq.Aplicaes (exemplos) Extremely Low Freq. ELF3-30 Hz10.000 a 100.000 Km Comunicao entre submarinos submersos Super Low Freq. SLF30 300 Hz1.000 a 10.000 Km Corrente alternada Ultra Low Freq. ULF300 3000 Hz100 1.000 Km Comunicao em minas Very Low Freq. VLF3 30 KHz10 100 Km Com. entre submarinos prx. Superfcie Low Freq. LF30 300 KHz1 10 Km Rdio AM Medium Freq. MF300 3000 KHz100 -1000 m Rdio AM, comunicao martima e de aviao High Freq. HF3 30 MHz10 100 m Rdio amador Very High Freq. VHF30 300 MHz1 10 m Rdio FM, rdio amador, TV, aviao Ultra High Freq. UHF300 3000 MHz10 100 cm TV, rdio amador, celular, tel. sem fio, redes wireless, microondas Super High Freq. SHF3 30 GHz1 10 cm Redes wireless, links de satlite, links microondas, TV via satlite Extremely High Freq. EHF30 300 GHz1 10 mm links microondas, astronomia, armamentos militares

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Introduo1-20 Transmisso de Sinais de Rdio A trasmisso e recepo de ondas de rdio requer o uso de um transmissor e de um receptor A onda de rdio atua como uma portadora da informao a ser transmitida A informao pode ser codificada diretamente na onda interrompendo sua transmisso periodicamente (como uma chave liga-desliga) ou impressa nela atravs de um processo chamado de modulao ( mais detalhes em breve) Transmissor Receptor Informao a ser transmitida (dados, voz) Informao recuperada (dados, voz) Onda de Rdio Onda portadora

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Introduo1-21 Transmisso de Sinais de Rdio Antenas Como representar informaes? Como fazer a onda de rdio carregar informaes? Alocao de Frequncias Transmissor Receptor Informao a ser transmitida (dados, voz) Informao recuperada (dados, voz) Ondas de Rdio 1

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Introduo1-22 Antenas Uma antena um transdutor projetado para transmitir ou receber ondas eletromagnticas Converte sinais eltricos em ondas eletromagticas e vice- versa formada por condutores que geram um campo de radiao eletromagntica em resposta a uma voltagem e corrente alternadas aplicadas (ou vice-versa) Existem diversos tipos de antenas com aplicaes distintas Antena UHF/VHF Antena Dipolo Wi-Fi Antena Wi-Fi direcional Antena parablica Antena de radar Antena de tel. celular

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Introduo1-23 Antenas H dois tipos fundamentais de acordo com o padro de radiao eletromagntica Omni-direcional (radiao em todas as direes) Direcional (maior parte da radiao concentrada em uma direo especfica)

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Introduo1-24 Antenas: Exemplo de antena dipolo Omni-direcional Padro de radiao de uma antena dipolo Corrente AC aplicada Distribuio de energia radiada por uma antena dipolo de 1,5*

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Introduo1-25 Antenas: Receptor de Satlite Exemplo: receptor de TV via satlite Animao do campo eltrico Fluxo mdio de energia do campo eletromagntico Cores representam a fora (strength) Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation

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Introduo1-26 Antenas: Parablica Exemplo: transmisso de sinais O metal curvado possui alto ndice de refrao, atuando como um refletor quase perfeito Animao do campo eltrico Fluxo mdio de energia do campo eletromagntico Cores representam a fora (strength) Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation

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Introduo1-27 Transmisso de Sinais de Rdio Antenas Como representar informaes? Como fazer a onda de rdio carregar informaes? Alocao de Frequncias Transmissor Receptor Informao a ser transmitida (dados, voz) Informao recuperada (dados, voz) Ondas de Rdio 2

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Introduo1-28 Como representar informaes Sinais podem ser analgicos ou digitais O sinal analgico um sinal contnuo que varia ao longo do tempo O sinal digital um sinal com valores discretos no tempo e na amplitude A forma de onda composta por pulsos com variaes descontnuas sinal de voz sinal digital de dois nveis

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Introduo1-29 Como representar informaes Sinais analgicos podem ser digitalizados 0000 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 0000011001110011110010011011 Resoluo= 1 parte em 2 n sinal representado por 16 nveis Sequncia de bits gerada

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Introduo1-30 Transmisso de Sinais de Rdio Exemplos de antenas Como representar informaes? Como fazer a onda de rdio carregar informaes? Alocao de Frequncias Transmissor Receptor Informao a ser transmitida (dados, voz) Informao recuperada (dados, voz) Ondas de Rdio 3

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Exemplo de Transmissor/Receptor Sinal de entrada amostrado e quantificado antes de ser digitalizado. Uma aproximao da entrada reconstruda pelo conversor digital- analgico: amostragem Digitilizao Cdigo, modulao Transmisso Cabo/fibra Interface area entrada Filtragem converso Analgico-digital Demodulao, Decodificao sada Introduo 1-31

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Introduo1-32 Transmisso de Sinais de Rdio: Exemplo com sinal analgico Exemplo: onda sonora produzida (freq. Entre 5 Hz e 20 KHz) Portadora de alta frequncia Sinal eltrico idntico onda produzido pelo microfone Sinal modulado em AM Transmisso

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Introduo1-33 Como fazer a onda carregar informaes Normalmente, uma onda senoidal de alta frequncia usada como portadora que ter algum parmetro alterado Os 3 parmetros principais de uma onda senoidal so Amplitude Fase Frequncia Vimos que... A onda de rdio atua como uma portadora da informao a ser transmitida

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Introduo1-34 Como fazer a onda carregar informaes e o que modulao e o porqu dela ? Vimos que... A informao pode ser codificada diretamente na onda interrompendo sua transmisso periodicamente (como uma chave liga-desliga) ou impressa nela atravs de um processo chamado de modulao

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Introduo1-35 Modulao Por que modular? Para permitir transmisses simultneas de dois ou mais sinais banda-base, traduzindo-os para diferentes frequncias Todas as tcnicas de modulao envolvem o deslocamento do sinal original (sinal modulador) de sua faixa de frequncias original para uma outra faixa.

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Introduo1-36 Modulao Existem trs tcnicas bsicas de modulao Modulao por Amplitude (Amplitude Modulation AM) Modulao por Frequncia (Frequency Modulation FM) Modulao por Fase (Phase Modulation) Se sinal modulador for digital, usamos as seguintes tcnicas Modulao por chaveamento da Amplitude (Amplitude Shift Keying ASK) Modulao por Chaveamento da Frequncia (Frequency Shift Keying FSK) Modulao por chaveamento de Fase (Phase Shift Keying - PSK)

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Introduo1-37 Exemplos: Modulao Analgica Modulao AM Modulao FM Modulao PM

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Introduo1-38 Mais Exemplos

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Introduo1-39 Exemplos: Modulao Digital

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Introduo1-40 Transmisso de Sinais de Rdio Antenas Como representar informaes? Como fazer a onda de rdio carregar informaes? Alocao de Frequncias Transmissor Receptor Informao a ser transmitida (dados, voz) Informao recuperada (dados, voz) Ondas de Rdio

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Introduo1-41 Alocao de Frequncias comunicaes wireless utilizam o espectro eletromagntico O espectro eletromagntico ou de frequncia algo fsico que existe em todo lugar, sendo um bem escasso que precisa ser utilizado racionalmente Em comunicaes wireless, o espectro de frequncia no pode ser usado como se bem entende e existe a necessidade de se definir a faixa de frequncia de operao dos dispositivos O uso do espectro de frequncia regulamentado na maioria dos pases Organismos de padronizao: International Telecommunication Union (ITU), European Telecommunications Standard Institute (ETSI), etc Governos tambm podem leiloar faixas de frequncia ou licenci- las em seus pases

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1-42 Diversidade de uso do Wireless Difere em Mobilidade Tipo de aplicao Tipo de ambiente Caractersticas do meio Pervasividade de hosts Grau de infra-estrutura Visibilidade da infra- estrutura Cobertura Custo Exemplos Telefonia Celular Satlite WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks) WLANs (Wireless Local Area Networks) WPANs (Wireless Personal Area Networks) Ambientes de Computao Ubqua MANETs (Mobile Ad hoc Networks) Redes de Sensores Introduo