radio mobile

ANJOS, A. A.; SILVA JUNIOR, R. A.; GOGLIATTI, R. Dimensionamento de um sistema micro-ondas para distribuio de TV digital usando o software Radio Mobile

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ForSci.: r. cient. IFMG campus Formiga, Formiga, v. 2, n. 1, p. 68-78 jan./jun. 2014.

DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA MICRO-ONDAS PARA DISTRIBUIO DE SINAIS DE TV DIGITAL USANDO O SOFTWARE

RADIO MOBILE

Andr Antnio dos Anjos1 Ricardo Augusto da Silva Junior2

Rodrigo Cogliatti3

RESUMO

Neste artigo demonstrado um exemplo de dimensionamento de um sistema de micro-ondas com o objetivo de ligar as cidades sul-mineiras de Varginha, Santa Rita do Sapuca e Pouso Alegre, fazendo uso do Software Radio Mobile. Os parmetros usados nas simulaes so baseados nas especificaes de equipamentos reais utilizados na distribuio de sinais de Televiso Digital no Brasil. Palavras-chave: Link budget. Point-to-point. TV Digital. Radio Mobile.

DIMENSIONING A MICROWAVE SIGNAL DISTRIBUTION SYSTEM

FOR DIGITAL TV USING RADIO MOBILE SOFTWARE

ABSTRACT

This paper presents a designing example of a microwave system with the objective to connect three towns located in the south of Minas Gerais State namely, Varginha, Santa Rita do Sapucai and Pouso Alegre, making use of Radio Mobile Software. The parameters used in the simulations are based on real equipment specifications for signal distribution Digital TV in Brazil.

Keywords: Link budget. Point-to-point. Digital TV. Radio Mobile.

1 INTRODUO

O uso de recursos computacionais est cada vez mais difundido em todos os ramos da

engenharia, trazendo maior confiabilidade e preciso para os projetos por intermdio de

1 Doutorando pela Unicamp, mestre em Telecomunicaes pelo Instituto Nacional de Telecomunicaes (Inatel). Atua como Engenheiro Especialista em Sistemas no Inatel Competence Center E-mail: [email protected] 2 Mestre em Telecomunicaes pelo Instituto Nacional de Telecomunicaes (Inatel). Professor do Ncleo de Ensino distncia em TV digital do Inatel. E-mail: [email protected]. 3 Mestre em Telecomunicaes pelo Instituto Nacional de Telecomunicaes (Inatel). E-mail: [email protected].


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simulaes cada vez mais realistas. Como resultado, a abordagem de projetos baseada em

simulaes apresenta vantagens como a reduo de custos dos prottipos e preveno contra

erros que surgem no ambiente de operao. Em telecomunicaes, comum o uso de

softwares que possibilitam a simulao de sistemas complexos, facilitando sua organizao e

implementao. Para simulao de enlaces ponto-a-ponto, o software Radio Mobile (RADIO

MOBILE, 2014) muito utilizado para fins acadmicos e at mesmo profissionais, possuindo

uma ampla gama de recursos e funcionalidades. Em Trandafir (2010), demonstra-se o uso do

software para a anlise de uma rede pblica de internet Wi-fi. importante acrescentar que o

software Radio Mobile leva em conta a topografia da regio, incluindo alguns aspectos

morfolgicos, fator importante para projetos mais realistas (RIBEIRO, 2004). A Figura 1

mostra uma tela inicial do software Radio Mobile com os recursos de anlise de viabilidade

de enlaces em redes de telecomunicaes. Com o Radio Mobile possvel projetar sistemas

de telecomunicaes e verificar o desempenho de sistemas de rdios incluindo informaes

sobre a topografia do terreno, tipo de relevo, condies de propagao, entre diversas

funcionalidades.

Figura 1 - Tela inicial do Radio Mobile com a demonstrao da ferramenta de anlise de enlace rdios Fonte: Software Radio Mobile


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O objetivo deste artigo evidenciar a utilizao do Radio Mbile no projeto de um

sistema micro-ondas (POZAR, 2011), cuja finalidade distribuir o sinal de TV Digital no

padro ISDB-TB (TAKADA; SAITO, 2006) para as cidades sul-mineiras de Varginha, Pouso

Alegre e Santa Rita do Sapuca. Um dos maiores desafios da implantao do sistema de TV

Digital no Brasil justamente o processo de interiorizao (AMOEDO, 2011), uma vez que o

plano de implantao ocorre em escala nacional. O primeiro passo consiste em caracterizar

corretamente o sistema de distribuio, coletando informaes sobre os pontos de transmisso

e recepo em termos de operao, para uma posterior simulao do enlace no software. Um

bom tutorial para uso do Radio Mobile pode ser encontrado em Salamanca (2011).

2 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA

O dimensionamento ser feito com base na distribuio de sinais de TV digital. O

objetivo ser transmitir o sinal Broadcast Transport Stream (BTS) para outras cidades por

meio da utilizao de um link de micro-ondas, para sua posterior radiodifuso. O sinal de alta

velocidade gerado internamente na emissora ser codificado e encaminhado ao multiplexador

ISDB-TB (FERREIRA, 2009). Em seguida, o fluxo de dados BTS, gerado pelo Mux-ISDB-

TB, ser encaminhado ao link de micro-ondas digital para transmisso.

Toda a parte de codificao para formao do fluxo BTS est localizada na cidade de

Varginha. O n de distribuio instalado na Serra do Paredo responsvel por receber o fluxo

BTS de Varginha via micro-ondas e distribu-lo para as cidades de Santa Rita do Sapuca e

Pouso Alegre, conforme pode ser observado na Figura 2. Os sistemas micro-ondas so: Link

I, II e III, retratando os enlaces entre o n Serra do Paredo e os terminais Varginha, Pouso

Alegre e Santa Rita do Sapuca, respectivamente.


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Figura 2 - Descrio do n e dos terminais envolvidos no projeto, alm das circunstncias envolvidas Fonte: Software Radio Mobile

2.1 Equipamentos utilizados

Foram escolhidas duas solues de micro-ondas do fabricante-empresa Hitachi

Kokusai Linear: O equipamento IST7G50P5 para o sistema de transmisso e o ISR7G5000

para a recepo. Estas solues foram desenvolvidas para aplicaes de TV Digital do sistema

ISDB-TB. As especificaes dos equipamentos podem ser encontradas no catlogo de

produtos da empresa (HITACHI, 2010), e as mais relevantes para a simulao so mostradas

na Figura 3. O sistema irradiante retratado pelas etapas de conectorizao, cabos, guias,

divisores e outros componentes que sero contabilizados no link budget do projeto.

No projeto de transmisso via micro-ondas da rede de distribuio, ser utilizado o

mesmo setup de transmisso e recepo nos pontos (terminais) da rede, a fim de facilitar o

dimensionamento e aquisio dos equipamentos junto aos fabricantes. Ser utilizada a antena

RFS DA8-W71AC, com 44dBi de ganho, cujas especificaes e diagrama de irradiao

podem ser encontradas no catlogo de produtos do fabricante-empresa Radio Frequency

Systems (RFS, 2012).


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Figura 3 - Especificaes dos equipamentos escolhidos para dimensionamento do sistema micro-ondas

O principal objetivo do projeto desenvolver seu dimensionamento de tal forma a

assegurar um nvel de recepo maior que a sensibilidade dos sistemas micro-ondas de

recepo. Assim, o projeto do sistema visa atender esse parmetro (Sensibilidade de recepo

Srx=78dBm), que tambm pode ser verificado na Figura 3. Isso significa que se o sistema

micro-ondas operar com nvel de recepo acima de 78dBm, tem-se o sucesso na

demodulao dos sinais de TV Digital que foram transmitidos. Junto ao parmetro de

sensibilidade de recepo, a taxa de erro de bit alvo (TEB ou BER target) tambm um

indicador do desempenho do sistema micro-ondas.

3 SIMULAES DOS ENLACES

Em um primeiro momento, tem-se a anlise das simulaes para frequncias entre

7.425GHz e 7.725GHz com antenas de ganho 44dBi operando com potncia de transmisso

de 400mW, o qual um nvel relativamente baixo para operao e dentro dos limites impostos

pela regulamentao vigente. Os lugares escolhidos para a instalao das antenas j so


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comumente empregados para este fim, sendo as alturas escolhidas para as torres de 35m para

os terminais (ns) e 45m para o n localizado na Serra do Paredo. O diagrama de irradiao

das antenas utilizadas na simulao foi editado conforme as especificaes do diagrama da

antena escolhida para o projeto.

3.1 Link I Varginha Serra do Paredo

A Figura 4 mostra a simulao para o Link I, o qual interliga a cidade de Varginha

Serra do Paredo. Trata-se da maior distncia envolvida no projeto, retratada por um link cuja

distncia de 83 km. A simulao foi configurada com uma potncia de transmisso de

26dBm (400mW) e uma perda devido a atenuaes nos cabos, conectores e guias de 7dB. A

figura de rudo do receptor foi configurada em 4dB. O nvel de sinal de recepo estimado

de aproximadamente 54dBm, viabilizando o link de comunicao com uma atenuao total

de 154dB. A simulao mostra uma margem de operao maior que 20dB (Rx Relativo de

24dB) frente sensibilidade do receptor (78dBm). Essa folga de operao importante para

problemas inesperados, como atenuao por chuvas, por exemplo. Vale ressaltar que o Link I

est sem obstculos interferindo na primeira zona de Fresnel (RIBEIRO, 2004). A ttulo de

complementao, possvel investigar no simulador em quais condies de configurao tm-

se uma operao prxima do limiar de sensibilidade de recepo. Assim, considerando a

mesma potncia de transmisso e alterando-se os ganhos das antenas envolvidas para 29dBi,

por exemplo, o nvel de sinal recebido se reduz para aproximadamente 84dBm,

inviabilizando a transmisso, uma vez que no se satisfaz a condio de sensibilidade mnima

de recepo do sistema micro-ondas em questo.

Figura 4 - Simulao e anlise de enlace do Link I no Radio Mobile Fonte - Software Radio Mobile


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3.2 Link II Serra do Paredo a Pouso Alegre

A distncia do Link II de quase 25 km. A atenuao de 7dB foi mantida no ponto de

Pouso Alegre, porm, o n de transmisso da Serra do Paredo possui um maior nmero de

fatores que aumentam sua atenuao. Em Hitachi (2010), pode-se coletar informaes sobre

a atenuao do guia de ondas, gerando uma perda aproximada de 2.5dB, que somada a perda

de 3dB do divisor e do sistema de recepo micro-ondas. Como resultando, estima-se uma

atenuao total de 12dB no n de distribuio. A Figura 5 mostra a simulao para o Link II,

com uma potncia de recepo de aproximadamente 50dBm, em conformidade com a

sensibilidade do receptor, gerando um Rx relativo de 27,7 dB. Essa margem de operao frente

sensibilidade garante a viabilidade do enlace e pode ser explorada no lado da recepo por

intermdio de planos de otimizao para reduo de custos no sistema. Seria possvel, por

exemplo, o uso de uma antena de ganho 33dBi e, ainda assim, poder-se-ia garantir a operao

no limiar de recepo.

Figura 5 - Simulao e anlise de enlace do Link II no Radio Mobile Fonte: Software Radio Mobile

3.3 Link III Serra do Paredo a Santa Rita do Sapuca

As mesmas consideraes de perda feitas para o Link II so repetidas para o Link III.

Nota-se que a distncia deste link bem menor que os demais (7 km) e uma antena de menor

ganho tambm pode ser utilizada a fim de reduzir custos. A Figura 6 mostra a simulao do

enlace para um sistema de antenas com ganho de 29dBi (cada). O nvel de recepo de

aproximadamente 69dBm, retratando quase 10dB de folga para eventuais problemas e perdas

no prprio sistema micro-ondas. O uso de antenas com ganho de 44dBi resulta em nveis de


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recepo da ordem de 39dBm, gerando uma margem de mais de 30dB em relao

sensibilidade de recepo. Em casos nos quais existe o objetivo de aumentar a robustez do

enlace e as margens de segurana do Link, pode ser interessante trabalhar com a configurao

caracterizada por antenas de maiores ganhos.

Figura 6 - Simulao e anlise de enlace do Link III no Radio Mobile Fonte: Software Radio Mobile

4 RESULTADOS E DISCUSSO

A anlise dos Links I, II e III para distribuio do sinal BTS via de rede de micro-

ondas permite encontrar os pontos crticos de operao que podem comprometer a

retransmisso dos sinais de TV Digital. A preocupao principal em um projeto de distribuio

de sinais de TV consiste no correto dimensionamento dos enlaces quanto ao requisito de

sensibilidade de recepo, uma vez que, em alguns casos, podem ser necessrios mais estgios

de micro-ondas para as retransmisses, elevando a complexidade da rede e, ao mesmo tempo,

aumentando-se as perdas. A correta recepo do sinal BTS nos pontos de distribuio

essencial para que os sinais de TV Digital possam ser retransmitidos para a populao via

radiodifuso. Neste sentido, foi constatado que com as distncias envolvidas e os

equipamentos utilizados possvel dimensionar os Links de distribuio com margens de

segurana, que podem ser utilizadas para otimizar os custos do projeto. Um dos principais

pontos de anlise para reduo dos custos a composio de todo o sistema irradiante,

contemplando as linhas de transmisso e antenas. Ainda assim, seria interessante comparar as

anlises do sistema que opera em 7 GHz com a aplicao do projeto em frequncias mais

baixas que resultam em menor atenuao na propagao dos sinais.


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A Figura 7 mostra um quadro comparativo que relaciona os Links de distribuio I, II

e III para as frequncias de 7GHz e 2.5GHz. O ganho das antenas tambm informado, bem

como os resultados de simulao do nvel de recepo atingido por cada Link, o qual leva

comprovao de viabilidade ou no dos enlaces.

Figura 7 - Anlise do sistema de micro-ondas tabela comparativa entre Links

A atenuao do espao livre para a frequncia de 2.5GHz menor (RIBEIRO, 2004),

resultando em um nvel de recepo maior nos sistema micro-ondas de recepo. O aumento

de margem de segurana, oriundo da operao em frequncia mais baixa, abre espao para

planos ainda mais eficientes para a reduo de custos de todo o sistema irradiante, com antenas

e guias de onda mais baratos. possvel fazer uma anlise comparativa com a simulao de

um Link hipottico que ligaria o ponto de transmisso de Varginha direto ao terminal de Pouso

Alegre. Para o mesmo sistema de antenas, potncia de transmisso e operando em frequncias

mais baixas, tm-se um nvel de sinal recebido (97dBm) fora do alcance de sensibilidade do

sistema micro-ondas de recepo (78dBm). Esta a principal razo da elaborao de uma

estratgia de rede de distribuio que contempla o planejamento do n de distribuio na Serra

do Paredo, pois este est mais perto de Varginha e, ao mesmo tempo, possui uma altura

razovel com vista para as cidades-alvo do projeto de distribuio.


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5 CONCLUSO

O Brasil est passando por um processo de implantao do sistema de TV Digital em

escala nacional e um dos maiores desafios justamente a interiorizao dos sinais digitais. De

acordo com o cronograma de implantao apresentado, est programado o switch-off

analgico (desligamento dos transmissores de TV analgico) para o ano de 2018, aumentando

ainda mais o desafio para as emissoras. Neste sentido, a regionalizao e distribuio dos

sinais de TV Digital para as pequenas cidades devem estar dentro do escopo de estratgia de

cobertura por partes das emissoras. A busca e pesquisa por solues eficientes de transmisso

e distribuio de sinais de telecomunicaes se fazem necessria. Cenrios de transmisso

empregando redes de telecomunicaes, enlaces de satlite e links de micro-ondas se

apresentam como algumas solues utilizadas no contexto brasileiro, e cada caso de

distribuio nico, exigindo diferentes anlises que culminam na relao custobenefcio

para as operadoras/emissoras de TV Digital. Dentro dessa anlise, o correto dimensionamento

dos sistemas de radio-enlace ponto-a-ponto e simulao destes sistemas podem revelar

informaes interessantes, que viabilizam projetos de baixo custo para as emissoras,

satisfazendo os requisitos de transmisso e distribuio de sinais de TV Digital. De forma

comparativa, os oramentos e anlises derivados destes projetos de simulao de sistemas de

micro-ondas podem ser comparados com os custos de outras solues, como satlite, por

exemplo, dando mais confiana na melhor escolha da soluo para a interiorizao do sinal

ISDB-TB.

REFERNCIAS

AMOEDO, M. Os desafios da interiorizao e regionalizao da TV Digital no Brasil. Revista da SET, n. 120, 2011. Disponvel em: . Acesso em: abr. 2014.

FERREIRA, J. S. Uma proposta de implementao do multiplexador do sistema ISDB-TB. 2009. 121f. Dissertao (Mestrado em Telecomunicaes) Instituto Nacional de Telecomunicaes (Inatel), Santa Rita do Sapuca-MG, 2009.

HITACHI KOKUSAI LINEAR. Catlogo de produtos da empresa Hitachi Kokusai Linear. 2010. Disponvel em: . Acesso em: abr. 2014.


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POZAR, D. Microwave Engineering. 4. ed. [S.l.]: Wiley, 2011.

RADIO MOBILE WEB SITE. Tutorial de utilizao e download do software Radio Mobile. Disponvel em: . Acesso em: abr. 2014.

RFS (RADIO FREQUENCY SYSTEMS). AWS Microwave antenna system relocation kit: catlogo: key products for 7 GHz point-to-point applications, 2012. Disponvel em: . Acesso em: abr. 2014.

RIBEIRO, J. A. J. Propagao das ondas eletromagnticas: princpios e aplicaes. 1. ed. So Paulo: rica, 2004.

SALAMANCA, L.; FUENTES, J. J. M.; OLMOS, P. M. Review of the Radio Mobile Software as a teaching tool for Radio planning. IEEE Multidisciplinary Engineering Education Magazine, v. 6, n. 2, June 2011.

TAKADA, M.; SAITO, M.Transmission System for ISDB-T. Proceedings of the IEEE, v. 94, n. 1, January 2006.

TRANDAFIR, B.; FRATU, O.; HALUNGA, S. Simulation and analysis of a Wi-Fi public network using the Radio Mobile Software. In: INTERNATIONAL SYMPOSIUM IEEE ELETRONICS AND TELECOMMUNICATIONS (ISETC), 9., 2010, Timisoara. Proceedings Timisoara: [s.n.], p. 281-284.

Recebido em: 06/04/2014

Aprovado em: 25/05/2014

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