sistemas de comunicação (if740)

Introdução 1-1

Sistemas de Comunicação(IF740)

Módulo I

Prof. Paulo Gonç[email protected]

www.cin.ufpe.br/~pasgCIn/UFPE

mailto:[email protected]

Introdução 1-2

IntroduçãoNosso 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 1-3

Agenda

1.1 O que é Comunicação Sem Fio ou Wireless?

1.2 Ondas Eletromagnéticas1.3 Propagação de Ondas

Eletromagnéticas1.4 O Espectro Eletromagnético1.5 Transmissão de Sinais de Rádio1.6 Diversidade de uso do Wireless

Introdução 1-4

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

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 1-5

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 1-6

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 cria uma onda eletromagnética

Introdução 1-7

Ondas Eletromagnéticas

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

fv v: velocidade da ondaf: frequência da ondaλ: comprimento da onda

Introdução 1-8

Propagação de Ondas Eletromagnéticas no Vácuo

Animação do campo elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnéticoCores representam a força (strength)

Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation

http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/


Introdução 1-9

Propagação de Ondas Eletromagnéticas: Fenômenos

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

Refração Reflexão Difração (Rayleigh scattering) Multipath Atenuação (Fading/Desvanecimento) Interferências construtivas e destrutivas

Vejamos alguns deles ... Mais durante o curso ...

Introdução 1-10

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 eletromagnéticoCores representam a força (strength)




Introdução 1-11

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 elétricoFluxo de energia do campo eletromagnético

Cores representam a força (strength)


Onda incidente + onda refletida | Somente onda refletidaOnda incidente + onda refletida | Somente onda refletida



Introdução 1-12

Prop. de Ondas Eletromagnéticas: Rayleigh Scattering

Rayleigh scattering: Difusão da radiação eletromagnética causada por partículas muito

menores que o comprimento da onda eletromagnética

Animação do campo elétricoFluxo de energia do campo eletromagnético

Cores representam a força (strength)


Onda incidente + onda espalhada | Somente onda espalhada

Onda incidente + onda espalhada | Somente onda espalhada

Exemplo quando tamanho de partícula se aproxima do comprimento da onda



Introdução 1-13

Multipath, Fading Multipath (Múltiplos Caminhos)

Fading Desvio da atenuação sinais devido a variações das condições de

propagação• Frequentemente definido como um processo estocástico (causado por multipath,

obstáculos etc)

Introdução 1-14

Prop. de Ondas Eletromagnéticas: Interferência construtiva/destrutiva

Duas ondas em fase Duas ondas defasadas de 180°

onda 1

onda 2

ondas combinadas

Uma Aplicação da Força de Sinal: Localização RSS (Received Signal Strength) ou RSSI (Received Signal

Strength Indicator)

Introdução 1-15Fonte: www.cisco.com%2Fc%2Fen%2Fus%2Ftd%2Fdocs%2Fsolutions%2FEnterprise%2FMobility%2FWiFiLBS-DG%2Fwifich3.html&psig=AFQjCNEGS2e9B0415agDrqajgyxIpfaQTw&ust=1457796776258780

Introdução 1-16

Modelos de Propagação de Sinal

Tenta predizer a força do sinal a uma dada distância do transmissor

Exemplo: Modelo de propagação Path Loss (PL)

Gama: expoente de atenuação (2 a 4)PL: atenuação sofrida pelo sinal até o receptorPL (d0): atenuação a uma distância de referência (1m em ambientes internos)Lambda: comprimento de ondaFAF: Atenuação por pisoWAF: atenuação por paredes

Modelo x Realidade

Introdução 1-17Fonte: http://www.cisco.com/c/en/us/td/docs/solutions/Enterprise/Mobility/WiFiLBS-DG/wifich3.html

http%3A%2F%2Fsss-mag.com%2Findoor.html&psig=AFQjCNF9vwo1-988M9bKOVMBlZZ0US-inA&ust=1457797820157981

http://www.cisco.com/c/en/us/td/docs/solutions/Enterprise/Mobility/WiFiLBS-DG/wifich3.html



Por isso erros de localização ocorrem ...

Introdução 1-18

Introdução 1-19

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 1-20

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 1-21

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 1-22

O Esp. Eletromagnético:Algumas AplicaçõesNome Abr

ev.Freq. λ Aplicações

(exemplos)

Extremely Low Freq.

ELF 3-30 Hz 10.000 a 100.000 Km

Comunicação entre submarinos submersos

Super Low Freq. SLF 30 – 300 Hz 1.000 a 10.000 Km Corrente alternada

Ultra Low Freq. ULF 300 – 3000 Hz 100 – 1.000 Km Comunicação em minas

Very Low Freq. VLF 3 – 30 KHz 10 – 100 Km Com. entre submarinos próx. Superfície

Low Freq. LF 30 – 300 KHz 1 – 10 Km Rádio AM

Medium Freq. MF 300 – 3000 KHz 100 -1000 m Rádio AM, comunicação marítima e de aviação

High Freq. HF 3 – 30 MHz 10 – 100 m Rádio amador

Very High Freq. VHF

30 – 300 MHz 1 – 10 m Rádio FM, rádio amador, TV, aviação

Ultra High Freq. UHF

300 – 3000 MHz 10 – 100 cm TV, rádio amador, celular, tel. sem fio, redes wireless, microondas

Super High Freq. SHF 3 – 30 GHz 1 – 10 cm Redes wireless, links de satélite, links microondas, TV via satélite

Extremely High Freq.

EHF 30 – 300 GHz 1 – 10 mm links microondas, astronomia, armamentos militares

Introdução 1-23

Transmissão de Sinais de Rádio A trasmissão e recepção de ondas de rádio requer o uso

de um transmissor e de um receptor

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

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)

Transmissor ReceptorInformação

a ser transmitida (dados, voz)

Informação recuperada(dados, voz)

Onda de Rádio Onda portadora

Introdução 1-24

Transmissão de Sinais de Rádio

Antenas Como representar informações? Como fazer a onda de rádio carregar informações? Alocação de Frequências




Ondas de Rádio

1

Introdução 1-25

Antenas

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

Converte sinais elétricos em ondas eletromagéticas e vice-versa

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

Existem diversos tipos de antenas com aplicações distintas

AntenaUHF/VHF Antena Dipolo

Wi-FiAntena Wi-Fi

direcionalAntena

parabólica

Antenade radar

Antena de tel. celular

Introdução 1-26

Antenas

Há dois tipos fundamentais de acordo com o padrão de radiação eletromagnética

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

específica)

Introdução 1-27

Antenas: Exemplo de antena dipolo

Omni-direcionalPadrão de radiação

de uma antena dipoloCorrente AC aplicadaDistribuição de

energia radiada por uma antena dipolo de 1,5*λ

Introdução 1-28

Antenas: Receptor de Satélite Exemplo: receptor de TV via satélite

Animação do campo elétricoFluxo médio de energia

do campo eletromagnéticoCores representam a força (strength)




Introdução 1-29

Antenas: Parabólica Exemplo: transmissão de sinais

O metal curvado possui alto índice de refração, atuando como um refletor quase perfeito

Animação do campo elétricoFluxo médio de energia

do campo eletromagnéticoCores representam a força (strength)




Introdução 1-30






Ondas de Rádio

2

Introdução 1-31

Como representar informações Sinais podem ser analógicos ou digitais

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

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 de voz

sinal digital de dois níveis

Introdução 1-32

Como representar informações Sinais analógicos podem ser digitalizados

0000

1111

1110

1101

1100

1011

1010

1001

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

0000 0110 0111 0011 1100 1001 1011

Resolução=1 parte em 2n

sinal representado por16 níveis

Sequência de bits gerada

Introdução 1-33


Exemplos de antenas Como representar informações? Como fazer a onda de rádio carregar informações? Alocação de Frequências




Ondas de Rádio

3

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:

amostragem Digitilização Código, modulação

Transmissão• Cabo/fibra• Interface aérea

entrada

Filtragemconversão

Analógico-digitalDemodulação,

Decodificação

saída

Introdução 1-34

Introdução 1-35

Transmissão de Sinais de Rádio:Exemplo com sinal analógico

Exemplo:

onda sonora produzida(freq. Entre 5 Hz e 20 KHz)

Portadora de alta frequência

Sinal elétrico idênticoà onda é produzido pelo

microfone

Sinal modulado em AM

Transmissão

Introdução 1-36

Como fazer a onda carregar informações

Normalmente, uma onda senoidal de alta frequência é usada como portadora que terá algum parâmetro alterado

Os 3 parâmetros principais de uma onda senoidal são Amplitude Fase Frequência

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

Introdução 1-37

Como fazer a onda carregar informações

… e o que é modulação e o porquê dela ?

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

Introdução 1-38

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 1-39

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 1-40

Exemplos: Modulação Analógica

Modulação AM Modulação FM

Modulação PM

Introdução 1-41

Mais Exemplos …

Introdução 1-42

Exemplos: Modulação Digital

Introdução 1-43






Ondas de Rádio

Introdução 1-44

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

1-45

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

sistemas de comunicação (if740)

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