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Introdução1-1 Sistemas de Comunicação (IF740) Módulo I Prof. Paulo Gonçalves CIn/UFPE.

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1 Introdução1-1 Sistemas de Comunicação (IF740) Módulo I Prof. Paulo Gonçalves CIn/UFPE

2 Introdução1-2 Introdução Nosso 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

3 Introdução1-3 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

4 Introdução1-4 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

5 Introdução1-5 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?

6 Introdução1-6 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

7 Introdução1-7 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

8 Introdução1-8 Propagação de Ondas Eletromagnéticas no Vácuo Animação do campo elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Fonte:

9 Introdução1-9 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...

10 Introdução1-10 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 eletromagnético Cores representam a força (strength) Fonte:

11 Introdução1-11 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 elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Fonte: Onda incidente + onda refletida | Somente onda refletida

12 Introdução1-12 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 elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Fonte: Onda incidente + onda espalhada | Somente onda espalhada Exemplo quando tamanho de partícula se aproxima do comprimento da onda

13 Introdução1-13 Multipath, Fading Multipath (Múltiplos Caminhos) Fading Desvio da atenuação sinais devido a variações das condições de propagação Frequentemente definido como um processo estocástico

14 Introdução1-14 Prop. de Ondas Eletromagnéticas: Interferência construtiva/destrutiva Duas ondas em fase Duas ondas defasadas de 180° onda 1 onda 2 ondas combinadas

15 Introdução1-15 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

16 Introdução1-16 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)

17 Introdução1-17 O Espectro Eletromagnético Classificado pelo comprimento de onda Ondas de rádio, microondas, infravermelho, luz visível, raios ultra violetas, raios X e Raios Gamma (γ)

18 Introdução1-18 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

19 Introdução1-19 O Esp. Eletromagnético:Algumas Aplicações NomeAbr ev. Freq.λAplicações (exemplos) Extremely Low Freq. ELF3-30 Hz a Km Comunicação entre submarinos submersos Super Low Freq. SLF30 – 300 Hz1.000 a Km Corrente alternada Ultra Low Freq. ULF300 – 3000 Hz100 – Km Comunicação em minas Very Low Freq. VLF3 – 30 KHz10 – 100 Km Com. entre submarinos próx. Superfície Low Freq. LF30 – 300 KHz1 – 10 Km Rádio AM Medium Freq. MF300 – 3000 KHz m Rádio AM, comunicação marítima e de aviação High Freq. HF3 – 30 MHz10 – 100 m Rádio amador Very High Freq. VHF30 – 300 MHz1 – 10 m Rádio FM, rádio amador, TV, aviação Ultra High Freq. UHF300 – 3000 MHz10 – 100 cm TV, rádio amador, celular, tel. sem fio, redes wireless, microondas Super High Freq. SHF3 – 30 GHz1 – 10 cm Redes wireless, links de satélite, links microondas, TV via satélite Extremely High Freq. EHF30 – 300 GHz1 – 10 mm links microondas, astronomia, armamentos militares

20 Introdução1-20 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) Transmissor Receptor Informação a ser transmitida (dados, voz) Informação recuperada (dados, voz) Onda de Rádio Onda portadora

21 Introdução1-21 Transmissão de Sinais de Rádio Antenas Como representar informações? Como fazer a onda de rádio carregar informações? Alocação de Frequências Transmissor Receptor Informação a ser transmitida (dados, voz) Informação recuperada (dados, voz) Ondas de Rádio 1

22 Introdução1-22 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 UHF/VHF Antena Dipolo Wi-Fi Antena Wi-Fi direcional Antena parabólica Antena de radar Antena de tel. celular

23 Introdução1-23 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)

24 Introdução1-24 Antenas: Exemplo de antena dipolo Omni-direcional Padrão de radiação de uma antena dipolo Corrente AC aplicada Distribuição de energia radiada por uma antena dipolo de 1,5*λ

25 Introdução1-25 Antenas: Receptor de Satélite Exemplo: receptor de TV via satélite Animação do campo elétrico Fluxo médio de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Fonte:

26 Introdução1-26 Antenas: Parabólica Exemplo: transmissão de sinais O metal curvado possui alto índice de refração, atuando como um refletor quase perfeito Animação do campo elétrico Fluxo médio de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Fonte:

27 Introdução1-27 Transmissão de Sinais de Rádio Antenas Como representar informações? Como fazer a onda de rádio carregar informações? Alocação de Frequências Transmissor Receptor Informação a ser transmitida (dados, voz) Informação recuperada (dados, voz) Ondas de Rádio 2

28 Introdução1-28 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

29 Introdução1-29 Como representar informações Sinais analógicos podem ser digitalizados Resolução= 1 parte em 2 n sinal representado por 16 níveis Sequência de bits gerada

30 Introdução1-30 Transmissão de Sinais de Rádio Exemplos de antenas Como representar informações? Como fazer a onda de rádio carregar informações? Alocação de Frequências Transmissor Receptor Informação a ser transmitida (dados, voz) Informação recuperada (dados, voz) Ondas de Rádio 3

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

32 Introdução1-32 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 idêntico à onda é produzido pelo microfone Sinal modulado em AM Transmissão

33 Introdução1-33 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

34 Introdução1-34 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

35 Introdução1-35 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.

36 Introdução1-36 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)

37 Introdução1-37 Exemplos: Modulação Analógica Modulação AM Modulação FM Modulação PM

38 Introdução1-38 Mais Exemplos …

39 Introdução1-39 Exemplos: Modulação Digital

40 Introdução1-40 Transmissão de Sinais de Rádio Antenas Como representar informações? Como fazer a onda de rádio carregar informações? Alocação de Frequências Transmissor Receptor Informação a ser transmitida (dados, voz) Informação recuperada (dados, voz) Ondas de Rádio

41 Introdução1-41 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

42 1-42 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


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