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Sistemas de Telecomunicações SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES Paula Queluz Fernando Pereira Feixes Hertzianos

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Sistemas de Telecomunicações

SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES

Paula Queluz Fernando Pereira

Feixes Hertzianos

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2

Livro Recomendado

Feixes Hertzianos Carlos Salema

IST PRESS

FORMATO: 225 X 169 mm

556 Págs.

ISBN: 978-8978-972-8469-21-4

ANO: 2011 3ª Edição

PVP: € 26,50 (IVA incluído)

Colecção Ensino da Ciência e da Tecnologia

Sistemas de Telecomunicações

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Feixes Hertzianos: características

• Portadoras com frequência elevada ( 1 a 20 GHz), possibilitando a utilização de

antenas bastante directivas (parabólicas), confinando a maior parte da energia

transmitida a um feixe.

• A propagação faz-se “em linha de vista” com saltos máximos de, aproximadamente,

50 km. Para ligações longas ou obstruídas pela orografia do percurso, é necessário

usar estações intermédias que funcionam como repetidores.

Designações inglesas:

– Radio relay links – Ligações rádio com repetidores

– Microwave radio – Rádio em micro-ondas

– Microwave radio relay links

Sistemas de Telecomunicações

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Sistemas de Telecomunicações 4

Aplicações

• Rede de transporte de televisão (entre os centros de produção

e os principais emissores; ligação aos estúdios móveis)

• Rede telefónica interurbana (embora a perder peso para a fibra óptica)

• Ligações entre estações de base e centros de controlo, nas redes telefónicas móveis

Capacidade (feixes digitais):

– 2 Mbit/s (E1 – 30 canais de voz)

– 8 Mbit/s (E2 – 120 canais de voz)

– 34 Mbit/s (E3 – 480 canais de voz)

– 140 Mbit/s (E4 – 1920 canais de voz ou 4 canais de TV a 34 Mbits/s cada)

– 155 Mbit/s (STM-1 – 1920 canais de voz ou 4 canais de TV a 34 Mbits/s cada)

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Rede de transporte de Televisão (há uns anos atrás…)

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Feixes Hertzianos em Comunicações Móveis

Sistemas de Telecomunicações

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Antenas

• As antenas utilizadas são do tipo reflector alimentado no foco por um guia de ondas

encurvado e truncado. O reflector é um parabolóide de revolução, com diâmetro

habitualmente compreendido entre 1 e 4 m. Em alguns casos, poderá recorrer-se a

cornetas reflectoras.

Sistemas de Telecomunicações

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Antenas (cont.)

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Diâmetro (típico): 1 a 4 m

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Antenas – diagrama de radiação

Sistemas de Telecomunicações 9

Diagrama de radiação

Largura de feixe

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Antenas - orientação

Sistemas de Telecomunicações 10

Ângulo de fogo (ou de elevação)

Ângulo de azimute

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Estruturas de suporte das antenas

• Torres de Emissão/Recepção – consoante a importância da estação, a frequência da

ligação e a altura das antenas acima do solo, as torres podem ser:

a) estruturas metálicas, muito simples, autosuportadas, para alturas até 6 m

b) estruturas metálicas, simples, espiadas, para alturas até 100 m

c) estruturas metálicas, mais complexas, autosuportadas, para alturas até 100 m

d) estruturas complexas (metálicas ou de betão) para alturas entre 30 e 300 m

Sistemas de Telecomunicações

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Emissores/Receptores

• Os emissores e os receptores podem estar localizados em edifício próprio, na base da

torre, quando esta é uma simples estrutura de suporte, ou junto da antena (no alto da

torre) nas instalações de maiores dimensões.

• A ligação dos emissores e receptores à antena é feita por cabo coaxial ou, quando a

frequência é igual ou superior a cerca de 2 GHz, por guia de ondas.

Central

telefónica ... E/R

Fibra óptica

Guia de ondas

... E/R

Fibra óptica

Guia de ondas

Central

telefónica

Sistemas de Telecomunicações

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Secção radioeléctrica

• Cada par emissor-receptor de uma ligação unidireccional, em conjunto com as

respectivas antenas, guias de ondas e o próprio meio de propagação entre antenas, é

designado por secção radioeléctrica.

E( f1 )

R( f1’ )

f1 f1´

f1 f1´

E( f1 )

R( f1’ )

R( f1 )

E( f1’ )

E( f1’ )

R( f1)

Secção

radioeléctrica

Sistemas de Telecomunicações

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Planos de frequência

• Em cada secção radioeléctrica, a portadora, modulada pelo sinal a transmitir, ocupa

um canal radioeléctrico (ou simplesmente canal).

• Os canais rádioeléctricos susceptíveis de serem utilizados numa ligação em feixes

hertzianos dependem da capacidade do feixe (i.e., débito binário do sinal que está a ser

transmitido) e do tipo de serviço/aplicação, e são regulados a nível internacional pela

ITU-R e a nível nacional pela ANACOM. ( http://www.anacom.pt/render.jsp?categoryId=336153#1 )

– A largura espectral disponível para cada banda de frequências (definida por f0) é dividida em

duas metades. Em cada estação, os canais de emissão situam-se todos numa mesma

semibanda e os canais de recepção na outra semibanda.

canais de emissão canais de recepção

f0

... ... LB disponível

f

Exemplo:

1 1’ 2 2’ n n‘

f1 f2 fn f1´ f2´ fn´

Sistemas de Telecomunicações

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Planos de frequência (cont.)

• As secções radioeléctricas correspondentes aos sinais de ida e de retorno de uma

ligação bidireccional devem utilizar canais diferentes.

• As secções radioeléctricas adjacentes, da mesma ligação, não podem usar os mesmos

canais de ida, devido ao risco de retroalimentação entre o emissor e o receptor na

estação repetidora.

• As secções radioeléctricas adjacentes podem utilizar os mesmos canais, desde que os

de ida de uma secção, sejam os de retorno nas secções adjacentes, e vice-versa.

E( f1 )

R( f1’ )

f1 f1´

f1 f1´

E( f1 )

R( f1’ )

R( f1 )

E( f1’ )

E( f1’ )

R( f1)

Secção

radioeléctrica

Sistemas de Telecomunicações

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Projecto de uma ligação digital em

Feixes Hertzianos

Dados do Problema

• Localização dos pontos terminais da ligação

• Número de canais telefónicos/vídeo a disponibilizar

• Banda de frequências e largura de banda disponíveis para os canais/serviço

pretendidos

Objectivos do Projecto

• Respeito das normas de qualidade – taxas de erro – reconhecidas internacionalmente

(ITU-R), minimizando o custo do projecto.

• Respeito das normas de fiabilidade – % de tempo em que a ligação está disponível –

reconhecidas internacionalmente (ITU-R), minimizando o custo do projecto.

Sistemas de Telecomunicações

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Projecto de uma ligação digital em

Feixes Hertzianos (cont.)

Elementos a Especificar

• Canais radioeléctricos a usar (dentro dos disponíveis)

• Diâmetro, localização e orientação das antenas

• Altura e tipo de mastros

• Potência dos emissores

• Tipo de modulação (usualmente, M-QAM)

• Localização e tipo de repetidores

• Tipo e comprimento de guias

• Uso e tipo de diversidade e/ou igualação

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Sistemas de Telecomunicações 18

Escolha do percurso

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Cartas Militares

Curvas de nível espaçadas de 10 m (em altitude)

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Escolha do percurso – método alternativo

Script:

Link data from Google maps.html

20 Sistemas de Telecomunicações

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Escolha do percurso - critérios

• Estações terminais em pontos altos de modo a obter, se possível, linha de vista

• Estações repetidoras (passivas ou activas) em linha de vista, com saltos tão longos

quanto possível, de modo a minimizar o número de estações repetidoras

• Estações terminais localizadas de modo a evitar a influência das reflexões

• Estações terminais tão próximas quanto possível das origens e destinos do tráfego

(ligação por cabo coaxial ou fibra óptica)

• Estações terminais com fácil acesso e fornecimento fiável de energia

• Estações terminais e repetidores com baixo impacto ambiental

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Perfil da ligação

• Percurso directo

• Percurso alternativo

Nota: escalas vertical e horizontal

muito diferentes

ou

Sistemas de Telecomunicações

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23

Como relacionar pR com pE ?

E( f )

f

R( f )

pE pR

Assume-se propagação em espaço livre

(ausência da atmosfera e da superfície da Terra)

d

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Densidade de potência (S) criada por uma

antena

prad = pE gE : potência radiada pela antena

pE : potência de alimentação da antena

gE : ganho da antena (depende da direcção)

S : densidade de potência criada pela

antena a uma distância d

prad d

S = prad / (4d2) W/m2

Antena

emissora

Sistemas de Telecomunicações

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Potência captada por uma antena

prad d

S = prad / (4d2) W/m2

Antena

emissora

Antena

receptora

pR = S.aeff (W)

pR : potência captada pela antena receptora

aeff : área eficaz da antena receptora (m2)

gR : ganho da antena receptora (depende da

direcção)

effR ag2

4

Sistemas de Telecomunicações

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26

Propagação em espaço livre

Considere-se um modelo simples duma ligação, formada por 2 antenas, em espaço

livre, no vazio. Sejam:

o d – a distância entre antenas

o f – a frequência da ligação

o gE – o ganho da antena emissora na direcção da antena receptora

o pE – a potência do emissor

• Se as 2 antenas estiverem suficientemente afastadas, a densidade de potência (fluxo do

vector de Poynting) colocada na antena receptora é:

• A potência disponível à entrada do receptor virá:

onde aeff é a área efectiva da antena receptora na direcção da antena emissora e gr é o

seu ganho na mesma direcção

)24/( dgpS EE

))4/((. 222 dggpaSp REEeffR

Reff ga )4/( 2

Sistemas de Telecomunicações

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Propagação em espaço livre (cont.)

• A potência disponível aos terminais de entrada do receptor é normalmente expressa

em unidade logarítmicas, vindo:

Fórmula de Friis

com

sendo Lfs a atenuação em espaço livre

• Para as antenas parabólicas tem-se:

sendo D o diâmetro da antena e o seu rendimento de abertura ( 0.5)

)dB(log10)/(log20 DG

)dB,dB( WmfsREER LGGPP

ou )))4/((log(10 222 dL fs

)(log10

1Wou mW 1 ),/(log10

,,

00,,

RERE

RERE

gG

pppP

)dB()MHz(log20)km(log204.32 fdL fs

Sistemas de Telecomunicações

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Factores que condicionam a potência recebida

em condições reais de propagação

• Atenuação provocada pelos guias de emissão e recepção

• Atenuação provocada pelos obstáculos

• Reflexões no terreno

• Efeito da curvatura da Terra

• Atenuação devida aos gases atmosféricos

• Efeitos refractivos da atmosfera

• Atenuação devida à chuva

• Desvanecimento (fading) multipercurso

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Factores que condicionam a potência recebida

em condições reais de propagação

• Atenuação provocada pelos guias de emissão e recepção

• Atenuação provocada pelos obstáculos

• Reflexões no terreno

• Efeito da curvatura da Terra

• Atenuação devida aos gases atmosféricos

• Atenuação devida à chuva

• Efeitos refractivos da atmosfera

• Desvanecimento (fading) multipercurso

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Atenuação dos guias

E( f )

f

R( f )

pE pR

guia de ondas guia de ondas

)dB,dB( WmfsREREER LAAGGPP

aE , aR – atenuações dos guias de emissão e recepção

AE,R = 10 log10 (aE,R) dB

Sistemas de Telecomunicações

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Atenuação dos guias (cont.)

Sistemas de Telecomunicações

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Factores que condicionam a potência recebida

em condições reais de propagação

• Atenuação provocada pelos guias de emissão e recepção

• Atenuação provocada pelos obstáculos

• Reflexões no terreno

• Efeito da curvatura da Terra

• Atenuação devida aos gases atmosféricos

• Atenuação devida à chuva

• Efeitos refractivos da atmosfera

• Desvanecimento (fading) multipercurso

Sistemas de Telecomunicações

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Sistemas de Telecomunicações 33

Relembrar ... Influência da diferença de percursos

)(2

02 )(

rrj

err

ErE

rj

er

ErE

2

01 )(

)1()11

(

)()(

22

0

22

0

)(2

0)(

2

021

rjrjrjrj

rrjrj

t

eer

Ee

rrreE

err

Ee

r

ErErEE

Et=0 para ∆=(2n+1)π ou ∆r =(2n+1)λ/2

(campos em oposição de fase)

Campo eléctrico associado ao raio directo (percurso r):

Campo eléctrico resultante:

Campo eléctrico associado a um raio refractado (percurso r + r):

Supõe-se campo eléctrico com polarização horizontal

r

r + r

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Elipsóides de Fresnel

• Considere-se uma ligação via rádio, na frequência f (comprimento de onda ), com

antenas pontuais, uma em E e outra em R, à distância d tal que d >> :

• O ponto P pertence ao enésimo elipsóide de Fresnel se:

E R d

P

Z

2

ndPREP

Sistemas de Telecomunicações

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Sistemas de Telecomunicações 35

Raio do Elipsóide de Fresnel

E R

r

d

P

Z z

2)

11(

2|||,|

2)(

2

2

2222

nzdz

rzdzrse

ndrzdrz

ndPREP

d

zdznr

)(

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36

Elipsóides de Fresnel – Atenuação dos obstáculos

• se n =1 1o elipsóide de Fresnel

• Pode-se demonstrar que a atenuação entre duas antenas, mesmo na presença de obstáculos,

é praticamente igual à atenuação em espaço livre desde que os obstáculos não entrem no 1o

elipsóide de Fresnel. Se isso não se verificar, é necessário calcular a atenuação introduzida

pelos obstáculos (existem vários métodos de cálculo).

• Uma vez que muitos dos raios que viajam dentro do 1º elipsóide de Fresnel correspondem a

variações pequenas de fase, esses raios vão interferir construtivamente no receptor; outros

raios, (p. ex., os do 2º elipsóide) interferem destrutivamente.

d

zdzr

)(1

z

r r

: raio do 1o elipsóide de Fresnel

Sistemas de Telecomunicações

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Sistemas de Telecomunicações 37

Factores que condicionam a potência recebida em

condições reais de propagação

• Atenuação provocada pelos obstáculos

• Reflexões no terreno

• Efeito da curvatura da Terra

• Atenuação devida aos gases atmosféricos

• Atenuação devida à chuva

• Efeitos refractivos da atmosfera

• Desvanecimento (fading) multipercurso

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Relembrar ... Influência da diferença de percursos

)(2

02 )(

rrj

err

ErE

rj

er

ErE

2

01 )(

)1()11

(

)()(

22

0

2)(

2

0

)(2

0)(

2

021

rjrjrjrj

rrjrj

t

eer

Ee

rrreE

err

Ee

r

ErErEE

Et=0 para ∆=(2n+1)π ou ∆r =(2n+1)λ/2

(campos em oposição de fase)

Campo eléctrico associado ao raio directo (percurso r):

Campo eléctrico resultante:

Campo eléctrico associado a um raio refractado (percurso r + r):

Supõe-se campo eléctrico com polarização horizontal

r

r + r

Sistemas de Telecomunicações

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39

Influência da presença da Terra

1- Terra plana e reflectora perfeita

• Para o raio directo, demonstrou-se que

• Para o raio reflectido

geE,R: ganho das antenas emissora e receptora, na direcção do ponto especular

Ponto especular

(coeficiente de reflexão: R exp(j) )

raio directo (tensão ud à entrada do receptor)

raio reflectido (tensão ur à entrada do receptor)

hr he

E R

))4/((. 222 dggpaSp REEeffR

dggZppZu REERd

4

)exp()exp(4

jjRd

ggpZur

eR

eEEr

Coeficiente de reflexão

Variação na fase devido à

diferença de percursos

Sistemas de Telecomunicações

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40

Influência da presença da Terra

1- Terra plana e reflectora perfeita (cont.)

• Se d >> he,hr

• geE,R: ganho das antenas emissora e receptora, na direcção do ponto especular

Ponto especular

(coeficiente de reflexão: R exp(j) )

raio directo (tensão ud) raio reflectido (tensão ur)

d

rh

eh

jjR

Rg

Eg

eR

geE

g

du

ru

4 que em

)exp()exp(

Ângulo de atraso devido à

diferença de percursos

he hr

E R

Sistemas de Telecomunicações

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Sistemas de Telecomunicações 41

Influência da presença da Terra

1- Terra plana e reflectora perfeita (cont.)

• Se para o coeficiente de reflexão R1 e = (típico para polarização horizontal c/ incidências rasantes):

• Devido à presença da atmosfera, varia ao longo do tempo (!)

2sin2

10log20

|| 2

RP

Z

uu

RtP rd : potência total recebida

d

hh re

4

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42

Influência da presença da Terra

2- Terra plana e difusora

• A Terra não é um reflector perfeito, apresentando alguma rugosidade. Em

consequência, existe uma área em torno do ponto especular (e cuja dimensão depende

das características do terreno, como a rugosidade) a contribuir com potência dispersa

na direcção da antena receptora.

Área activa de dispersão

• Em termos de projecto, é usual exigir que:

dB10 DS PP

potência dispersa potência directa

Sistemas de Telecomunicações

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43

Influência da presença da Terra

3- “Remédios” contra as reflexões

• Evitar que as ligações atravessem zonas planas muito extensas (mar, lagos ou

pântanos)

• Utilizar antenas suficientemente directivas (aumenta a discriminação raio

directo/raio reflectido)

• Inclinar as antenas para cima (idem)

• Colocar uma antena muito mais elevada que a outra (aproxima a zona das

reflexões da antena mais baixa)

• Escolher a altura/localização das antenas, de modo a que o próprio terreno

obstrua o raio reflectido

• Utilização de diversidade espacial (duas antenas receptoras)

Sistemas de Telecomunicações

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Sistemas de Telecomunicações 44

Utilização de diversidade espacial

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Sistemas de Telecomunicações 45

Factores que condicionam a potência recebida em

condições reais de propagação

• Atenuação provocada pelos obstáculos

• Reflexões no terreno

• Efeito da curvatura da Terra

• Atenuação devida aos gases atmosféricos

• Atenuação devida à chuva

• Efeitos refractivos da atmosfera

• Desvanecimento (fading) multipercurso

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46

Radiorizonte da antena

re

re h h

dmax

re: raio equivalente da Terra

drh

e

eerh

rhe

e

hrd

hrhrd

drhr

22

) pois(2

)(

max

222

Para h=50 m e re=r0=6370 km dmax=50 km (Nota: r0 é o raio físico da Terra )

Sistemas de Telecomunicações

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47

Influência da presença da Terra

4- Terra esférica

• Designa-se por radiorizonte (drh) de uma antena colocada à altura h sobre a Terra de

raio re , a distância, medida à superfície da Terra, entre a base da antena e o ponto no

qual o raio emitido pela antena é tangente à superfície da Terra.

• A presença da Terra esférica, além de introduzir reflexões com consequências

análogas às atrás referidas, vai limitar a distância máxima de propagação em espaço

livre entre duas antenas.

dmáx 2× drh 50 km

h

Radiorizonte – (drh) – da antena

hrd erh 2

Sistemas de Telecomunicações

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48

Influência da atmosfera nas ligações em FH

A presença da atmosfera manifesta-se através de três efeitos principais:

• Atenuação suplementar devido aos gases constituintes da atmosfera (principalmente

O2 e H2O) e aos hidrometeoritos (chuva, nevoeiro, granizo, neve)

• Alteração dos raios de onda que deixam de ser rectilíneos (função do índice de

refracção da atmosfera)

• Desvanecimento multipercurso

Sistemas de Telecomunicações

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49

Factores que condicionam a potência recebida em

condições reais de propagação

• Atenuação provocada pelos obstáculos

• Reflexões no terreno

• Efeito da curvatura da Terra

• Atenuação devida aos gases atmosféricos

• Efeitos refractivos da atmosfera

• Atenuação devida à chuva

• Desvanecimento (fading) multipercurso

Sistemas de Telecomunicações

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50

Atenuação devida ao O2 e ao H2O

• Teoricamente:

onde

– x: comprimento medido ao longo do raio directo (km)

– O : coeficiente de atenuação devido ao O2 (dB/km)

– w: coeficiente de atenuação devido ao H2O (dB/km)

(O e w dependem da frequência, temperatura, pressão e humidade)

• Para percursos na baixa troposfera:

• Esta forma de atenuação é normalmente desprezável para frequências inferiores a 10 GHz.

dxxxAd

woa 0

)]()([)dB(

dA woa )()dB( 00

Sistemas de Telecomunicações

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51

Atenuação específica do O2 e do H2O

Sistemas de Telecomunicações

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52

Factores que condicionam a potência recebida em

condições reais de propagação

• Atenuação provocada pelos obstáculos

• Reflexões no terreno

• Efeito da curvatura da Terra

• Atenuação devida aos gases atmosféricos

• Efeitos refractivos da atmosfera

• Atenuação devida à chuva

• Desvanecimento (fading) multipercurso

Sistemas de Telecomunicações

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53

Efeitos refractivos da atmosfera

ni=c0 /ci

n1 n2

n3

n4

n5

• Índice de refracção do meio i

onde

– c0: velocidade da luz no vácuo

– ci: velocidade da luz no meio i

• Lei da refracção: n1sin1= n2sin2 se n1> n2 2> 1

• Como n1> n2 > n3 > n4 > n5, a trajectória dos raios não é rectilínea mas torna-se convexa.

1

2

h

Sistemas de Telecomunicações

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54

Efeitos refractivos da atmosfera (cont.)

• O índice de refracção da atmosfera – n – é uma função da pressão atmosférica (pa), da pressão de vapor de água (e) e da temperatura (T)

• Para as frequências habituais, o índice de refracção é dado por:

em que N, a refractividade, é dada por:

• Para condições médias – pa =1017 mb, e=10 mb (50% de humidade relativa), T=291.3 K (18o C) => N=315 e n=1.000315.

• A variação do índice de refracção com a altitude (h, em km) pode ser expressa por:

onde a e b são constantes determinadas estatisticamente para cada clima. Para a atmosfera padrão a=0.000315; b=0.136 km-1

6101 Nn

)4810

(6.77

T

ep

TN a

)exp(1)( bhahn

Sistemas de Telecomunicações

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55

Efeitos refractivos da atmosfera (cont.)

• Se a variação de n com h for aproximada por uma expressão linear do tipo

válida sobretudo na baixa atmosfera, é possível demonstrar que o efeito da curvatura dos raios é equivalente à consideração de raios rectilíneos sobre uma Terra esférica e com um raio equivalente dado por:

com

• Em Portugal: n0=1.000315; n=4010-6 km-1 ke=1.34

hnnhn .)( 0

Terra)da físico (raio km3706

1

1

0

0

0

r

nn

rke

re= ke r0

Sistemas de Telecomunicações

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56

Efeito do valor de ke no percurso dos raios de onda

• Modelo físico: raio da Terra fixo e percurso variável

• Modelo prático: percurso fixo (rectilíneo) e raio da Terra variável

nn

rke

0

01

1

Sistemas de Telecomunicações

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57

Factores que condicionam a potência recebida em

condições reais de propagação

• Atenuação dos guias

• Atenuação provocada pelos obstáculos

• Reflexões no terreno

• Efeito da curvatura da Terra

• Atenuação devida aos gases atmosféricos

• Efeitos refractivos da atmosfera

• Atenuação devida à chuva

• Desvanecimento (fading) multipercurso

Sistemas de Telecomunicações

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Sistemas de Telecomunicações 58

Cálculo de CCIP em Feixes Hertzianos

)dB,dB( Wm

00

adicionalfsREE ALGGPPCR

obstáculoatmosferaRguiaEguiaadicional AAAAA __

Potência recebida em condições ideais de propagação (CIP)

(Nota: em condições CIP não se considera nem a chuva nem o desvanecimento)

CCIP= PRCIP =

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59

Feixes Hertzianos - Cálculo de (C/N)CIP

• Seja CCIP PR

CIP, a potência recebida em condições ideais de propagação (sem

desvanecimento, sem chuva)

• A potência de ruído (de origem térmica) à entrada do receptor, é:

onde k=1.3810-23 J/K é a constante de Boltzman, T é a temperatura em Kelvin e BW é

a largura de banda equivalente de ruído do receptor, em Hz.

• Para a maioria dos sistemas de feixes, a antena receptora ‘vê’ a Terra como uma fonte

de ruído à temperatura ambiente ( 290 K), vindo

• O ruído à saída do receptor (mas referido à sua entrada), obtém-se adicionando o

factor de ruído do receptor, F, vindo

Win kTBn

)(log10204 WWin dBBN

)( Winout dBFNN e (C/N)CIP= CCIP - Nout

Sistemas de Telecomunicações

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60

Relação entre eb/n0 e c/n em sistemas com

modulações digitais

• Para ruído de origem térmica tem-se:

com n0=kT (W/Hz).

• Tem-se também:

onde

• Deste modo:

ou, em unidades logarítmicas (dB)

)(0 WBnn W

bb cTe

bit de período:

portadora da média potência:

bit de (média) energia:

b

b

T

sc

e

b

wb

f

B

n

c

n

e

0

)log(100 b

wb

f

B

N

C

N

E

Sistemas de Telecomunicações

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61

Factores que condicionam a potência recebida em

condições reais de propagação

• Atenuação provocada pelos obstáculos

• Reflexões no terreno

• Efeito da curvatura da Terra

• Atenuação devida aos gases atmosféricos

• Efeitos refractivos da atmosfera

• Atenuação devida à chuva

• Desvanecimento (fading) multipercurso

Sistemas de Telecomunicações

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62

Atenuação devida à chuva

• A atenuação sofrida pelo feixe na presença de chuva deve-se a dois mecanismos: perdas nas gotas de água (que são aquecidas) e dispersão.

• A ITU-R propõe o seguinte método de cálculo da atenuação devida à chuva, não excedida em mais de p por cento do tempo, anualmente, numa ligação em FH com o comprimento d (em km), à frequência f (em GHz) :

1. Obter a intensidade de precipitação Ri0.01 ultrapassada apenas durante 0.01 % do tempo

(em Portugal entre 32 e 42 mm/h);

2. Calcular o coeficiente de atenuação (dB/km) para Ri0.01

onde k e dependem de f e da polarização (valores usuais encontram-se tabelados).

01.0Rikr

Sistemas de Telecomunicações

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63

Atenuação devida à chuva (cont.)

3. Calcular o comprimento eficaz do percurso – def – a partir do comprimento real d da ligação (Ri não é uniforme ao longo de toda a zona de chuva)

4. Calcular a atenuação devida à chuva não excedida em mais de 0.01% do tempo

5. Calcular a atenuação não excedida mais de p% do tempo

• A atenuação devida à chuva aumenta com a frequência, podendo ser o factor mais limitativo para ligações em FH acima de f=10 GHz.

• Não são normalmente considerados no projecto de FH:

– A atenuação devida ao nevoeiro (inferior à atenuação da chuva fraca)

– A atenuação devida ao granizo (baixa probabilidade de ocorrência)

efrr dA )01.0(

)log043.0546.0()01.0()(1012.0

pr

pr pAA

)015.0exp(351

01.0Ri

d

ddef

Sistemas de Telecomunicações

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64

Atenuação devida à chuva: Exemplo de cálculo

Considere uma ligação em feixes hertzianos com 50 km de comprimento, à frequência de 4

GHz. Determinar o valor da atenuação devida à chuva não excedido em mais de 310-3 %

do tempo (considere que a polarização é horizontal).

– admite-se Ri0.01= 42 mm/h

– de [1] tira-se, para f=4 GHz e polarização horizontal: k=0.00065 e =1.121, o que conduz a

um coeficiente de atenuação de r = 4.29 10-2 dB/km

km58.13

)42015.0exp(35

501

50

efd

dB58.058.131029.4 2)01.0( rA

dB88.0003.012.058.0)003.0log043.0546.0()003.0(

10

rA

Sistemas de Telecomunicações

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65

Factores que condicionam a potência recebida em

condições reais de propagação

• Atenuação provocada pelos obstáculos

• Reflexões no terreno

• Efeito da curvatura da Terra

• Atenuação devida aos gases atmosféricos

• Efeitos refractivos da atmosfera

• Atenuação devida à chuva

• Desvanecimento (fading) multipercurso

Sistemas de Telecomunicações

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66

Desvanecimento (Fading)

• Numa ligação entre 2 pontos, através de um meio com características

variáveis no tempo, verifica-se que a potência do sinal recebido varia

no tempo, mesmo que a potência do sinal emitido se mantenha

constante. Este fenómeno é designado por desvanecimento (ou fading).

• A observação da potência do sinal recebido permite detectar variações de 2 tipos:

– variações lentas, com períodos de algumas horas (power fading);

– variações rápidas, com períodos entre a fracção de segundo e alguns minutos, dependendo

da frequência e da localização das antenas (multipath fading).

• Uma vez que o desvanecimento afecta significativamente o nível da potência

recebida, há que prever a sua distribuição de amplitude de forma a contabilizar o seu

efeito, já que a diminuição da relação portadora/ruído vai aumentar a probabilidade de

erro.

Sistemas de Telecomunicações

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67

Desvanecimento

Profundidade do

fading (dB)

p=pn

• Se

– pn potência recebida em condições ideais de propagação (sem fading)

– p0 potência recebida em condições reais de propagação (com fading), no instante t

a profundidade do fading no instante t em que se recebe a potência p0 é

F(dB) = 10 log10 (pn / p0)

Sistemas de Telecomunicações

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68

• Se

– Raio directo: amplitude unitária e atraso nulo

– Raio refractado 1: amplitude a1 e atraso 1

– Raio refractado 2: amplitude a2 e atraso 2, 2 >> 1

H(w)=1+a1exp[-jw1]+ a2exp[-jw2] (função de transferência do canal)

• Se 2 >> 1 então:

H(w) a { 1+b exp[-jw] }, = 2 e ab=a2 e a=1+a1

E R

Raio refractado 2

Raio directo

Raio refractado 1

Desvanecimento multi-percurso: modelo dos 3 raios

dependente de f

(desvanecimento selectivo)

independente de f

(desvanecimento uniforme)

Sistemas de Telecomunicações

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69

Desvanecimento uniforme

O desvanecimento uniforme (constante na banda do sinal) pode ser visto como mais

uma forma de atenuação que contribui para baixar o valor da potência recebida.

Profundidade do

fading (dB) p=pn

p=p1

p=p2

Sistemas de Telecomunicações

A profundidade do fading no instante t em que se recebe a potência p0 é

F(dB) = 10 log10 (pn / p0)

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70

Desvanecimento uniforme

O desvanecimento uniforme (constante na banda do sinal) pode ser visto como mais

uma forma de atenuação que contribui para baixar o valor da potência recebida.

Profundidade do

fading (dB) p=pn

p=p1

p=p2

)(Prob)(Prob1

1 pp

fadingpp nfracção do tempo em que a potência recebida é inferior ou igual a p1

fracção do tempo em que o desvanecimento uniforme é superior a pn/p1

np

pkpp 0

0 )(Prob

nn p

p

p

p

pppp

pp 12

12

12

)(Prob)(Prob

se

Sistemas de Telecomunicações

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Sistemas de Telecomunicações 71

Desvanecimento uniforme: exemplos

• Exemplo 1: Para garantir, em condições reais de propagação (i.e., com fading), que

p pobj em 99,9% do tempo

• Exemplo 2: Para garantir, em condições reais de propagação, que p pobj em 99,99% do

tempo

001.0

ou

001.0999.01)(Prob

obj

n

n

obj

obj

pkp

p

pkpp

0001.0

ou

0001.09999.01)(Prob

obj

n

n

obj

obj

pkp

p

pkpp

: potência a garantir em condições ideais (i.e., sem fading) de

propagação (PRCIP )

: potência a garantir em condições ideais de propagação (PRCIP )

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72

Desvanecimento uniforme – modelo teórico

• Admite-se número elevado de percursos, em que um é preponderante (em termos de

amplitude do sinal recebido) em relação aos demais.

mrp

pkppP 0

0 )(

pmr: mediana da potência recebida

pa: potência correspondente à

componente dominante

pm: mediana da potência correspondente

às componentes aleatórias

Sistemas de Telecomunicações

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73

Desvanecimento uniforme – modelo empírico

A ITU-R consagrou o seguinte modelo empírico para a caracterização do

desvanecimento uniforme:

• Probabilidade da potência recebida, p, ser igual ou inferior a p0, no mês mais

desfavorável (Europa Ocidental):

(também: fracção do tempo em que a potência recebida é inferior ou igual a p0 ou,

doutro modo, fracção do tempo em que o desvanecimento é superior a pn/p0)

• O desvanecimento não excedido em mais de Prob100 % é dado por:

GHz][ km;][ 104.1)(Prob 05.38

0 fdp

pdfpp

n

GHz][ km;][ )/Prob(104.1/ 0

5.38

0 fdppdfppn

k

Sistemas de Telecomunicações

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74

• Se

– Raio directo: amplitude unitária e atraso nulo

– Raio refractado 1: amplitude a1 e atraso 1

– Raio refractado 2: amplitude a2 e atraso 2, 2 >> 1

H(w)=1+a1exp[-jw1]+ a2exp[-jw2] (função de transferência do canal)

• Se 2 >> 1 então:

H(w) a { 1+b exp[-jw] }, = 2 e ab=a2 e a=1+a1

E R

Raio refractado 2

Raio directo

Raio refractado 1

Desvanecimento multi-percurso: modelo dos 3 raios

dependente de f

(desvanecimento selectivo)

independente de f

(desvanecimento uniforme)

Sistemas de Telecomunicações

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75

• As características distorcivas do canal (atenuação e atraso variáveis com f), vão originar

interferência intersimbólica (i.i.s.) nas ligações digitais.

• Sendo da ordem de 6 ns (1/ = 167 MHz), os efeitos do desvanecimento selectivo são

desprezáveis nos sistemas a 2 Mbit/s (1a hierarquia PDH - Plesiochronous Digital

Hierarchy), têm pouca importância nos sistemas a 8 Mbit/s (2a hierarquia PDH), são já

importantes nos sistemas a 34 Mbit/s (3a hierarquia PDH) e são decisivos nos sistemas

de maior capacidade (3a hierarquia PDH e hierarquias SDH).

Desvanecimento selectivo

Variação, com f, do módulo da função de transferência do canal

|H(w)| |1+b exp[-jw]|

Sistemas de Telecomunicações

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76

Margem para desvanecimento

• Viu-se atrás que a probabilidade, P, de a potência recebida, p, ser igual ou inferior a

p0, pode ser estimada por uma expressão do tipo:

• Designando por m=pn/p0, a margem da ligação, a expressão anterior virá:

• Identificando p0 como a potência na recepção correspondente a uma dada taxa de

erros binários (BER), a probabilidade de a potência recebida ser inferior a p0 é equivalente à probabilidade daquela taxa de erros ser excedida, Pc.

)( 00

np

pkppP

)( 0m

kppP

Sistemas de Telecomunicações

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77

Margem para desvanecimento (cont.)

• Segundo a ITU-R, a probabilidade da taxa de erros (ou BER) ser excedida pode ser decomposta em duas parcelas, Pc = Pu+Ps , em que:

– Pu: causada pelo desvanecimento uniforme (i.e., devida à atenuação)

– Ps: causada pelo desvanecimento selectivo (i.e., devida à i.i.s.)

correspondendo-lhe uma decomposição equivalente da margem

com

– mu: margem para desvanecimento uniforme

– ms: margem para desvanecimento selectivo (característica do equipamento receptor)

– m: margem da ligação (ou margem real)

• De notar que, para os feixes de baixa capacidade (caso em que se pode desprezar o

efeito do desvanecimento selectivo), tem-se: m=mu; normalmente tem-se m<mu.

su mmm

111

Sistemas de Telecomunicações

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Sistemas de Telecomunicações 78

Exemplo de cálculo

Considere-se uma ligação em feixes digitais a 140 Mbit/s (sinal PDH-E3), com 50 km de

comprimento, à frequência de 4 GHz. A modulação utilizada é 16-QAM. A relação (C/N)CIP à

entrada do receptor, em condições ideais de propagação (sem desvanecimento) é de 65 dB. A

margem para desvanecimento selectivo é de 30 dB. Verificar se, em condições reais de

propagação (i.e., com desvanecimento multi-percurso), é possível garantir, em 99.9 % do

tempo, uma taxa de erros binários (BER) não superior a 10-5.

– Para 16-QAM e um BER de 10-5, deve-se ter Eb/N0= 13.5 dB ou, atendendo a que C/N=

=Eb/N0+10log(fb/Bw) e Bw= fb /log2M = 35 MHz (supondo filtros de Nyquist), C/N=19.5 dB

– A margem uniforme da ligação é: Mu= (C/N)CIP - C/N = 65-19.5 = 45.5 dB

– A margem real da ligação é: m=(1/mu+1/ms)-1= (10-4.55+10-3)-1103

– Com esta margem real, o BER de 10-5 é excedido em :

= 4.95 10-3 %

É possível garantir a qualidade desejada !

k

GHz][ km;][ 1

104.1)( 5.380 fd

mdfppP

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Sistemas de Telecomunicações 79

BER do M-QAM

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80

Redução dos efeitos do desvanecimento

• Para diminuir os efeitos do desvanecimento, nem sempre é económico, possível ou

eficaz aumentar o valor da potência recebida, por aumento da potência emitida e/ou

dos ganhos das antenas.

• Para reduzir os efeitos do desvanecimento selectivo, particularmente graves para os

sistemas de maior capacidade, têm sido aplicadas as seguintes técnicas:

– igualação adaptativa no domínio da frequência e/ou no domínio do tempo

– diversidade de espaço

– diversidade de frequência

– associação da diversidade com igualadores adaptativos

Nota: a igualação deverá ser adaptativa já que o canal de transmissão (atmosfera) varia ao

longo do tempo

• A diversidade (espaço ou frequência) é igualmente eficaz no combate ao

desvanecimento uniforme.

Sistemas de Telecomunicações

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81

Igualação adaptativa

Factor de aumento da margem para desvanecimento selectivo, para diferentes tipos de

igualadores, num sistema a 140 Mbit/s com modulação 16-QAM:

Factor de aumento da margem selectiva Dispositivos

Fase mínima (b<1)

imp

Fase não mínima (b>1)

inmp

Igualador adaptativo no

domínio da frequência

4.5

4.5

Igualador adaptativo no

domínio do tempo

490 22

Associação de igualadores

no domínio da frequência e

do tempo

490 35

• Margem selectiva com igualação: ms’= msis

km 20 km 40 para)(

km 20 para)(

km 40 para)(

1

12.08.0

15.05.0

21 d

d

d

i

nmpmp

nmpmp

nmpmp

i

k

i

k

ii

ii

s

20

403.05.0;

20

403.05.0 21

dk

dk

i.i.s. provocada por raios que

chegam atrasados relativamente ao

raio directo

i.i.s. provocada por raios que

chegam em avanço relativamente ao

raio directo

Sistemas de Telecomunicações

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82

Diversidade

• Mostra a experiência que o desvanecimento rápido por multi-percurso é pouco

correlacionado

– em receptores cujas antenas estejam suficientemente afastadas (algumas dezenas de

metros);

– em receptores que utilizem frequências diferentes (separadas de alguns MHz).

Escolhendo o melhor dos sinais ou combinando-se adequadamente os sinais recebidos,

consegue-se um sinal onde o desvanecimento é muito menos intenso.

• Quando num percurso o sinal recebido é

obtido a partir da combinação de N sinais

distintos, diz-se que se utiliza diversidade

de ordem N.

Sistemas de Telecomunicações

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83

Diversidade dupla de espaço

• Factor de melhoria (combinação por escolha do sinal mais intenso)

onde

– dc: distância entre os centros das antenas

– gp, gs : ganhos das antenas principal e secundária

– m: margem real ou selectiva, sem diversidade

• Margem selectiva, com diversidade: ms’= msie

• Margem real, com diversidade: mr’= mrie

d

m

g

gfdi

p

sce ).(.1021.1 23

E

R

R

Combinador dc

Condições de validade:

•1 gs/ gp 0.25

•11 f (GHz)2

•65 d (km)22.5

•25 dc(m) 5

•10-3 m 10-5

•200 ie 10

Sistemas de Telecomunicações

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84

Diversidade dupla de frequência

• Factor de melhoria (combinação por escolha do sinal mais intenso)

onde

– f: separação entre frequências (GHz)

– gp, gs : ganhos das antenas principal e secundária

– m: margem real ou selectiva, sem diversidade

• Margem selectiva, com diversidade: ms’= msif

• Margem real, com diversidade: mr’= mrif

mgp

g

f

f

dfi s

f .5.80

Condições de validade:

•1 gs/ gp 0.25

•11 f (GHz)2

•f /f 0.05

•25 dc(m) 5

•10-3 m 10-5

• if 5

E (f1)

E (f2) R (f2)

R (f1)

Combinador

Sistemas de Telecomunicações

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85

Relembrar ... Projecto de uma ligação digital em

Feixes Hertzianos

Dados do Problema

• Localização dos pontos terminais da ligação

• Número de canais telefónicos/vídeo a disponibilizar

• Banda de frequências e largura de banda disponíveis para os canais/serviço

pretendidos

Objectivos do Projecto

• Respeito das normas de qualidade – taxas de erro – reconhecidas internacionalmente

(ITU-R), minimizando o custo do projecto.

• Respeito das normas de fiabilidade – % de tempo em que a ligação está disponível –

reconhecidas internacionalmente (ITU-R), minimizando o custo do projecto.

Sistemas de Telecomunicações

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Sistemas de Telecomunicações

De volta ao SDH ...

(porque são as hierarquias TDM usadas nos

feixes digitais modernos)

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87

Relembrar … Estrutura da trama no SDH

B3 (POH – Cabeçalho de caminho)

B1, B2 e B3 : usados para detecção de erros,

ao nível de “blocos” de bits

Sistemas de Telecomunicações

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88

Eventos e parâmetros de desempenho no SDH

Eventos

Bloco errado (EB, Errored Block): Bloco em que um ou

mais bits estão errados.

Segundo com erros (ES, Errored Second): Período de

tempo de um segundo com um ou mais blocos errados.

Segundo gravemente errado (SES, Severely Errored

Second): Período de tempo de um segundo com 30% de

blocos errados.

Erro de bloco de fundo (BBE, Background Block Error):

Um bloco errado que não faz parte de um SES.

Parâmetros

Razão de segundos errados (ESR, Errored Second

Ratio): Razão entre os ES e o número total de segundos

correspondentes a um determinado intervalo de medida.

Razão de segundos gravemente errado (SESR, SES

Ratio): Razão entre os SES e o número total de segundos

correspondentes a um determinado intervalo de medida.

Razão de erro de bloco de fundo (BBER, BBE Ratio):

Razão entre os BBE e o número total de blocos num

intervalo de medida, excluindo os blocos durante SES. Todos os parâmetros só se aplicam

quando a ligação está disponível.

fading normal

fading intenso

Sistemas de Telecomunicações

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89

Normas de Qualidade para FH Digitais (ITU-R)

Os objectivos de qualidade estabelecidos pela ITU-R, considerando não só o desvanecimento

mas também todas as outras causas de degradação de qualidade, são:

• Rec. ITU-R F.1189-1

Tipicamente utiliza-se X =0.08

• Rec. ITU-R P.530-8

Conversão de erros severos em ber

fb [Mbit/s] SESR BBER ESR

1.5-5 0.002 X 210-4 X 0.04 X

5-15 0.002 X 210-4 X 0.05 X

15-55 0.002 X 210-4 X 0.075 X

55-160 0.002 X 210-4 X 0.16 X

fb [Mbit/s] berSESR n (blocos/s) nb (bits/bloco)

1.5 5.410-4 2000 832

2 4.010-4 2000 1120

6 1.310-4 2000 3424

34 6.510-5 8000 6120

140 2.110-5 8000 18792

155 2.310-5 8000 19440

Sistemas de Telecomunicações

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Sistemas de Telecomunicações 90

Verificação da cláusula SESR

• Para a modulação utilizada e para o valor de berSESR da Rec. ITU-R P.530-8 obtém-se, a partir de gráfico ou expressão analítica

• Calcula-se e

• Admitindo para a margem real a expressão:

calcula-se o sesr da ligação com

• A cláusula SESR é verificada se

sesr ≤ SESR

)( 0m

kppP

SESR

N

C

min

SESR

CIP

SESR

uN

C

N

CM

min

s

SESR

u

sesr

rmm

m11

1

sesr

rm

ksesr

sesr da ligação sesr objectivo = 0.002 X

GHz][ km;][ 104.1 5.38 fddfk

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Sistemas de Telecomunicações 91

Considere-se uma ligação em feixes digitais a 140 Mbit/s (sinal PDH-E4), com 50 km de comprimento, à frequência

de 4 GHz. A modulação utilizada é 16-QAM. A relação (C/N)CIP à entrada do receptor, em condições ideais de

propagação (sem desvanecimento) é de 65 dB. A margem para desvanecimento selectivo é de 30 dB. Verificar se,

em condições reais de propagação (i.e., com desvanecimento multi-percurso), é possível garantir a cláusula SESR

da ITU-R para ligações em FH digitais.

–Cláusula SESR para 140 Mbit/s:

berSESR =2.110-5 não pode ser excedido em mais de PSESR=0.2 0.08 %= 16 10-3 % do tempo.

–Para 16-QAM e um BER de 2.110-5 , deve-se ter Eb/N0= 13 dB ou, atendendo a que C/N= Eb/N0+10log(fb/Bw) e

Bw= fb /log2M = 35 MHz (supondo filtros de Nyquist), C/N=19 dB

–A margem uniforme da ligação é: Mu= (C/N)CIP - C/N = 65-19 = 45 dB

–A margem real da ligação é: m=(1/mu+1/ms)-1= (10-4.5+10-3)-1103

–Com esta margem real, o BER de 2.1 10-5 é excedido em :

= 4.95 10-3 % ( < 16 10-3 % )

É possível garantir a qualidade desejada !

GHz][ km;][ 1

104.1)( 5.380 fd

mdfppP

Verificação da cláusula SESR – exemplo de cálculo

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Sistemas de Telecomunicações 92

Verificação da Cláusula BBER

• Obtém-se rber (residual ber); é um dado do fabricante e toma valores entre 10-10 e 10-13 (na falta

de dados usa-se tipicamente 10-12)

• Para a modulação utilizada e para o valor de rber obtém-se, a partir de gráfico ou expressão

analítica

• Obtém-se e

• Calcula-se sucessivamente 1) 2)

3) 4)

sesr

rm

ksesr

32

1

)1(8.2

rbern

msesrbber b

rber

N

C

min

rber

CIP

rberu

N

C

N

CM

min

s

rber

u

rber

rmm

m11

1

|)(log

log|

10

10

sesrrberP

berrberm SESR

rber

rm

krberP )(

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93

Verificação da Cláusula BBER (cont.)

• Nas expressões anteriores:

– rber é o valor de BER na ausência de fading;

– P(rber) é a fracção de tempo em que se tem rber;

– m é o valor absoluto da inclinação da distribuição de ber numa escala log-log para berses>ber>rber;

– Os valores de 1, 2 e 3 podem variar em função da estatística dos erros para a ligação em causa

(dependem da modulação, do código corrector de erros usado, etc.). O pior caso corresponde a 1=30,

2=1 e 3=1;

– nb é o número de bits por bloco;

– SESR, BBER (c/ letras maiúsculas): valores objectivo (retiram-se da tabela Rec. ITU-R F.1189-1);

– sesr, bber ( c/ letras minúsculas): o que se tem de facto na ligação.

• A cláusula BBER é verificada se

bber ≤ BBER

Sistemas de Telecomunicações

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Sistemas de Telecomunicações 94

Verificação da Cláusula ESR

• A partir dos valores calculados anteriormente, determina-se

onde n é o número de blocos por segundo.

• A cláusula é verificada se

esr ≤ ESR

onde ESR é o valor objectivo (retira-se da tabela da Rec. ITU-R F.1189-1)

3

rbernnnsesresr bm

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Sistemas de Telecomunicações 95

Verificação da cláusula SESR

(método alternativo, usado no projecto de FH)

• Para a modulação utilizada e para o valor de berSESR da Rec. ITU-R P.530-8 obtém-se, a partir de gráfico ou

expressão analítica

• Admitindo para o desvanecimento a expressão

calcula-se a margem real objectivo, relativa ao SESR

• Calcula-se e

)( 0m

kppP

SESR

N

C

min

CIP) - propagação de ideais condições emgarantir a (objectivo

min)(

sesr

u

SESR

SESRsesr

MN

C

N

C

s

SESR

r

SESR

umm

m11

1

SESR

kmSESR

r

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Sistemas de Telecomunicações 96

Margens (de segurança) da ligação

• As margens de segurança da ligação relativamente às cláusulas SESR, BBER e ESR são

calculadas por:

• A margem crítica é dada por

• A frequência óptima é aquela para a qual se tem a maior margem crítica (que deve ser de 3 dB).

)(

22

com,BBERbberobjobjCIP

seg

N

C

N

C

N

C

N

CM

BBER

)(

11

com,SESRsesrobjobjCIP

seg

N

C

N

C

N

C

N

CM

SESR

3,2,1,max i

N

C

N

CM

i

objCIP

seg

critica

)(

33

com,ESResrobjobjCIP

seg

ESR N

C

N

C

N

C

N

CM

o que se tem em CIP o que se devia ter em CIP

Nota: CIP = condições ideais

de propagação

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97

Exemplo 1

fopt= 8 GHz (mas não cumpre cláusulas ! )

Sistemas de Telecomunicações

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98

Exemplo 2

fopt= 2 GHz (cumpre cláusulas)

dB3segcríticaM

Sistemas de Telecomunicações

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Sistemas de Telecomunicações 99

Relembrar ... Projecto de uma ligação digital em

Feixes Hertzianos

Dados do Problema

• Localização dos pontos terminais da ligação

• Número de canais telefónicos/vídeo a disponibilizar

• Banda de frequências e largura de banda disponíveis para os canais/serviço

pretendidos

Objectivos do Projecto

• Respeito das normas de qualidade – taxas de erro – reconhecidas internacionalmente

(ITU-R), minimizando o custo do projecto.

• Respeito das normas de fiabilidade – % de tempo em que a ligação está disponível –

reconhecidas internacionalmente (ITU-R), minimizando o custo do projecto.

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100

Normas de fiabilidade para feixes digitais (ITU-R)

• A ITU-R considera um sistema de feixes digitais indisponível quando se verifica uma

ou ambas das seguintes condições durante pelo menos 10 segundos consecutivos:

– sinal digital interrompido, com perda de sincronismo ou de alinhamento

– taxa de erros binários (BER) superior a 10-3

• A indisponibilidade das ligações em feixes hertzianos é, principalmente, devida a:

– equipamento – sobretudo avarias ou degradação

– fenómenos atmosféricos – sobretudo chuva

– Interferências com outros serviços

– instalações e torres das antenas – e.g., desabamentos, sabotagens,etc.

– actividade humana – erros de exploração ou manutenção

Sistemas de Telecomunicações

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101

Normas de fiabilidade para feixes digitais (ITU-R)

• Segundo a ITU-R, a indisponibilidade máxima numa ligação deverá ser

0.3280/2500 % do tempo. Compete ao projectista da ligação distribuir a

indisponibilidade total pelas diferentes causas relevantes; na ausência de outros critérios, é

usual considerar para orçamento da indisponibilidade:

– propagação (chuva) – 10 a 20%

– equipamento – 30 a 40%

– restantes causas – 50%

• A indisponibilidade devida ao equipamento, Ie ,depende da sua fiabilidade, da

configuração adoptada (série/paralelo, existência de sistemas de reserva) e do desempenho

das equipas de manutenção, já que:

Ie=MTTR/MTBF

onde MTTR (mean time to repair) é o tempo necessário para detectar e reparar uma

avaria e MTBF (mean time between failures) é o tempo médio entre avarias.

Sistemas de Telecomunicações

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102

Indisponibilidade devida à chuva

(exemplo de cálculo)

Determinar a margem para a chuva (ou margem para a indisponibilidade) na ligação

descrita no exemplo da pág. 74. Admita que se reservou, para indisponibilidade devida à

chuva, 10 % da indisponibilidade total.

– De acordo com as normas da ITU-R, a indisponibilidade máxima para uma ligação com

50 km de comprimento é

0.3280/2500 % 3.36 10-4

– A indisponibilidade máxima devida à chuva é 10 % de 3.36 10-4 3 10-5 = 310-3 %

– No exemplo de cálculo da atenuação devida à chuva obteve-se, para o valor de atenuação

não excedido em mais de 310-3 % do tempo: Ar=0.88 dB

– Em condições ideais de propagação, tem-se (C/N)CIP = 65 dB. Na presença de chuva tem-

se, em (100-3 10-3) % do tempo:(C/N)r [(C/N)CIP – Ar] = 64.12 dB

– Para um BER de 10-3 (ligação indisponível), é necessário um (C/N)mín de 25 dB

– A margem de segurança para a chuva é (C/N)r- (C/N)mín = 64.12 – 25 = 39.12 dB

Sistemas de Telecomunicações

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103

Exemplo

“Cláusula da chuva”

Sistemas de Telecomunicações

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104

Estações repetidoras

• A solução para ligações entre terminais sem ‘linha de vista’ passa pela introdução de estações repetidoras que podem ser de dois tipos:

– Estações repetidoras activas – A ligação inicial é ‘partida’ em mais do que 1 salto em ‘linha de vista’, existindo nas estações repetidoras introduzidas equipamento de recepção e emissão (e normalmente amplificação e/ou regeneração);

• Para efeito da verificação das normas de qualidade, cada salto é considerado individualmente.

– Estações repetidoras passivas – A ligação inicial é ‘partida’ em mais do que 1 salto em ‘linha de vista’, introduzindo-se um repetidor, dito passivo, (raramente mais do que 1 por salto) por se limitar a ‘reflectir’ o sinal já que não possui qualquer equipamento de recepção, emissão ou amplificação.

Sistemas de Telecomunicações

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105

Repetidores passivos

• Existem 3 tipos de repetidores passivos:

a) Espelho plano com ganho

onde aesp é a área física do espelho, é o ângulo de incidência no espelho e é o rendimento (1)

b) Periscópio – conjunto de 2 espelhos planos com ganho correspondente ao menor ganho dos

dois espelhos

c) Costas-com-costas - 2 antenas parabólicas ligadas através de um pequeno troço de guia ou

cabo coaxial com ganho igual à soma dos ganhos das antenas

)dB(log10cos4

log102 10210

espesp aG

a) b)

Sistemas de Telecomunicações

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106

Repetidores passivos (cont.)

Seja um percurso obstruído por um obstáculo. Pretende-se comparar as duas soluções:

1. Consideração da atenuação de obstáculo

2. Instalação de um repetidor passivo

• Com atenuação do obstáculo:

• Com um repetidor passivo:

)log(20)log(204.32

:que em

MHzfkmdfsL

ALGGPobsRP obsfsREE

)log(20)log(204.32

)log(20)log(204.32

:que em

22

11

21

21

MHzkmfs

MHzkmfs

fsfsRrepEEpas

R

fdL

fdL

ddd

LLGGGPP

Sistemas de Telecomunicações

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107

Repetidores passivos (cont.)

• O repetidor passivo é preferível se:

• Se o repetidor passivo fôr constituído por antenas parabólicas de diâmetro D (m), com rendimento de abertura de 0.5:

• O repetidor passivo é tanto mais atraente quanto:

– mais elevada fôr f;

– mais próximo de um dos terminais estiver o obstáculo;

– mais elevada fôr a atenuação do obstáculo.

obsMHzrep

obsR

pasR

Afd

ddG

PP

)(log20)(log204.32

anteriores expressões duas as comparando ou,

1021

10

obsMHz Afd

ddD )(log20)(log206.117)(log40 10

211010

Sistemas de Telecomunicações

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Exemplo de cálculo (exercício 7.3)

Suponha uma ligação digital por feixes hertzianos, com um salto de 30 km, 480 canais

telefónicos (34 Mbit/s), em 8 GHz, com um repetidor passivo do tipo espelho plano situado a 5

km de um dos terminais. Admita que:

– a propagação se faz em espaço livre, desprezando a atenuação da atmosfera e da chuva;

– se utilizam antenas parabólicas com 3 m de diâmetro e rendimento de 55%, nos 2 terminais;

– a potência do emissor é de 1 W;

– factor de ruído do receptor vale 4 dB;

– a modulação utilizada é 8-PSK;

– a área do espelho é de 50 m2 e o ângulo de incidência é de 30o;

– factor de excesso de banda dos filtros, supostos de Nyquist, é de 0.15;

Calcule a taxa de erros binária (BER) na recepção, em condições ideais de propagação.

108 Sistemas de Telecomunicações

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109

Custo de uma ligação

Projecto da ligação

Aluguer do espectro

Terrenos para emissor/receptores e repetidores

Acessos e infra-estruturas (e.g., energia e comunicações)

Torres de emissão/recepção

Antenas

Emissores

Receptores

Guias, cabos coaxiais e fibra óptica

Acessórios vários e sobressalentes

Torres para repetidores

Antenas/reflectores para repetidores

Energia

Manutenção e reparação

Sistemas de Telecomunicações

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110

Bibliografia

FeiFeixes Hertzianos, Carlos Salema, IST Press, 3ª. Edição, 2011

Sistemas de Telecomunicações