Sistemas de Comunicação (IF740)

Apresentação em tema: "Sistemas de Comunicação (IF740)"— Transcrição da apresentação:

1 Sistemas de Comunicação (IF740)
Módulo I Prof. Paulo Gonçalves CIn/UFPE Introdução

2 Introdução Agenda: Nosso Objetivo: Terminologia Conceitos básicos
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 Nosso Objetivo: Terminologia Conceitos básicos Detalhamentos durante o curso Introdução

3 Agenda 1.1 O que é Comunicação Sem Fio ou Wireless?
1.2 Ondas Eletromagnéticas 1.3 Propagação de Ondas Eletromagnéticas 1.4 O Espectro Eletromagnético 1.5 Transmissão de Sinais de Rádio 1.6 Diversidade de uso do Wireless Introdução

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

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

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

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 (≈ Km/s) e na superfície terrestre com velocidade muito próxima a essa v: velocidade da onda f: frequência da onda λ: comprimento da onda Introdução

8 Propagação de Ondas Eletromagnéticas no Vácuo
Animação do campo elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Introdução Fonte:

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

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 This animation illustrates the propagation of electromagnetic waves in the presence of a gradient in refractive index. The bending of the wave is what happens in mirages, shimmering of the light over a hot surface and anomalous propagation of radar beams. In this case the beam also gets slightly focused, as shown by the time-averaged Poynting vector. Wikipedia link: Refraction Animação do campo elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Introdução Fonte:

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 Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Animação do campo elétrico A sharp change in refractive index results in specular reflection from the surface and refraction into the medium according to Snell's law, with a reduction of the wave speed. The animation shows two panels: the left shows the complete wave field, while the right shows just the component that is scattered (calculated simply by subtracting the equivalent field in a vacuum). The bending of the light explains why the bottom of a pool of water appears is nearer than it really is. This kind of reflection is occasionally seen by clear-air radars as Fresnel scattering from sharp horizontal gradients in atmospheric refractive index. Wikipedia link: Snell's law Onda incidente + onda refletida | Somente onda refletida Onda incidente + onda refletida | Somente onda refletida Introdução Fonte:

12 Prop. de Ondas Eletromagnéticas: Rayleigh Scattering
Difusão da radiação eletromagnética causada por partículas muito menores que o comprimento da onda eletromagnética Onda incidente + onda espalhada | Somente onda espalhada When the particle size approaches the wavelength of the radiation then the front and back of the particle do not experience the same incident electric field and so there is interference of the scattered wave from the different parts of the particle. The result is that forward scattered waves constructively interfere and backscattered waves destructively interfere, i.e. there is a preference for forward scattering. The scattered amplitude in the animation is shown at five times its true amplitude. Atmospheric examples are a reduced backscatter for high-frequency cloud radars when looking at larger particles such as raindrops and large snowflakes and the corona around the sun when it passes through aerosol and haze particles. Onda incidente + onda espalhada | Somente onda espalhada Animação do campo elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Exemplo quando tamanho de partícula se aproxima do comprimento da onda Introdução Fonte:

13 Multipath, Fading Multipath (Múltiplos Caminhos) Fading
Desvio da atenuação sinais devido a variações das condições de propagação Frequentemente definido como um processo estocástico When the particle size approaches the wavelength of the radiation then the front and back of the particle do not experience the same incident electric field and so there is interference of the scattered wave from the different parts of the particle. The result is that forward scattered waves constructively interfere and backscattered waves destructively interfere, i.e. there is a preference for forward scattering. The scattered amplitude in the animation is shown at five times its true amplitude. Atmospheric examples are a reduced backscatter for high-frequency cloud radars when looking at larger particles such as raindrops and large snowflakes and the corona around the sun when it passes through aerosol and haze particles. Introdução

14 Prop. de Ondas Eletromagnéticas: Interferência construtiva/destrutiva
ondas combinadas onda 1 onda 2 Duas ondas em fase Duas ondas defasadas de 180° Introdução

15 Modelos de Propagação Tenta predizer a força do sinal a uma distância do transmissor Exemplo: Modelo de propagação Path Loss (PL) Gama: expoente de atenuação (2 a 4) PL: atenuação sofrida pelo sinal até o receptor PL (d0): atenuação a uma distância de referência (1m em ambientes internos) Lambda: comprimento de onda FAF: Atenuação por piso WAF: atenuação por paredes Introdução

16 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

17 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

18 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

19 O Esp. Eletromagnético:Algumas Aplicações
Nome Abrev. Freq. λ Aplicações (exemplos) Extremely Low Freq. ELF 3-30 Hz a Km Comunicação entre submarinos submersos Super Low Freq. SLF 30 – 300 Hz 1.000 a Km Corrente alternada Ultra Low Freq. ULF 300 – 3000 Hz 100 – 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 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

20 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) Onda portadora Onda de Rádio Informação a ser transmitida (dados, voz) Informação recuperada (dados, voz) Transmissor Receptor Introdução

21 Transmissão de Sinais de Rádio
Antenas Como representar informações? Como fazer a onda de rádio carregar informações? Alocação de Frequências 1 Ondas de Rádio Informação a ser transmitida (dados, voz) Informação recuperada (dados, voz) Transmissor Receptor Introdução

22 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 Antena de tel. celular Antena UHF/VHF Antena de radar Antena Dipolo Wi-Fi Antena Wi-Fi direcional Antena parabólica Introdução

23 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

24 Antenas: Exemplo de antena dipolo
Omni-direcional Padrão de radiação de uma antena dipolo Distribuição de energia radiada por uma antena dipolo de 1,5*λ Corrente AC aplicada Introdução

25 Antenas: Receptor de Satélite
Exemplo: receptor de TV via satélite This animation illustrates an offset dish antenna in the configuration of a domestic satellite receiver. An incoming plane wave from the satellite is focussed into a feed horn antenna, while radiation coming from other directions will be reflected in other directions and not picked up. The shape is exactly the same as an offset dish antenna used for transmission. Wikipedia link: Satellite dish Fluxo médio de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Animação do campo elétrico Introdução Fonte:

26 Antenas: Parabólica Exemplo: transmissão de sinais
O metal curvado possui alto índice de refração, atuando como um refletor quase perfeito This animation illustrates a parabolic dish antenna, which converts the spherical wave from a simple feed horn into a plane wave. The very high refractive index of the curved metal surface acts as a near-perfect reflector. Weather radars use this kind of antenna. There is some inteference of the outgoing plane wave with the feedhorn, a problem that is overcome with an Offset dish antenna. Wikipedia link: Parabolic antenna Fluxo médio de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Animação do campo elétrico Introdução Fonte:

27 Transmissão de Sinais de Rádio
Antenas Como representar informações? Como fazer a onda de rádio carregar informações? Alocação de Frequências Ondas de Rádio 2 Informação a ser transmitida (dados, voz) Informação recuperada (dados, voz) Transmissor Receptor Introdução

28 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

29 Como representar informações
Sinais analógicos podem ser digitalizados 0000 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 Resolução= 1 parte em 2n sinal representado por 16 níveis Sequência de bits gerada 0000 0110 0111 0011 1100 1001 1011 Introdução

30 Transmissão de Sinais de Rádio
Exemplos de antenas Como representar informações? Como fazer a onda de rádio carregar informações? Alocação de Frequências Ondas de Rádio 3 Informação a ser transmitida (dados, voz) Informação recuperada (dados, voz) Transmissor Receptor Introdução

31 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: entrada amostragem Digitilização Código, modulação Transmissão Cabo/fibra Interface aérea Filtragem conversão Analógico-digital Demodulação, Decodificação saída Introdução 1-31

32 Transmissão de Sinais de Rádio: Exemplo com sinal analógico
Portadora de alta frequência Transmissão onda sonora produzida (freq. Entre 5 Hz e 20 KHz) Sinal elétrico idêntico à onda é produzido pelo microfone Sinal modulado em AM Introdução

33 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

34 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

35 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

36 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

37 Exemplos: Modulação Analógica
Modulação AM Modulação FM Modulação PM Introdução

38 Mais Exemplos … Introdução

39 Exemplos: Modulação Digital
Introdução

40 Transmissão de Sinais de Rádio
Antenas Como representar informações? Como fazer a onda de rádio carregar informações? Alocação de Frequências Ondas de Rádio Informação a ser transmitida (dados, voz) Informação recuperada (dados, voz) Transmissor Receptor Introdução

41 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 Introdução

42 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