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SISTEMAS DE MICROONDAS, GUIAS DE ONDAS E FIBRAS ÓPTICAS Telecomunicações 12º Ano.

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1 SISTEMAS DE MICROONDAS, GUIAS DE ONDAS E FIBRAS ÓPTICAS Telecomunicações 12º Ano

2 RADIO ENLACES DE MICROONDAS Rádio enlace de serviço fixo pode ser definido como sendo sistemas de comunicações entre pontos fixos situados sobre a superfície terrestre, que proporcionam uma capacidade de informação, com características de qualidade e disponibilidade determinadas. Os rádio enlaces estabelecem um conceito de comunicação do tipo duplex, onde se devem transmitir e receber duas portadoras moduladas: uma para transmissão e outra para recepção. Ao par de frequências determinados para a transmissão e recepção de sinais denomina-se canal de rádio. Os enlaces são realizados basicamente entre pontos visíveis, ou seja pontos altos da topografia. Portanto qualquer que seja a magnitude do sistema de micro-ondas, para um correcto funcionamento é necessário que os pontos entre o enlace tenham uma altura livre adequada para a propagação durante toda época do ano, tendo em conta as variações das condições atmosféricas da região. Para poder calcular as alturas livres deve-se conhecer a topografia do terreno assim como a altura e localização dos obstáculos.

3 INTRODUÇÃO As microondas são ondas Electromagnéticas cujas frequências estão no intervalo de 0.3GHz a 300GHz. As microondas são ondas Electromagnéticas cujas frequências estão no intervalo de 0.3GHz a 300GHz. Porém de acordo com alguns padrões internacionais ( IEC60050 e IEEE100) os sinais de microondas começam em 1GHz. Porém de acordo com alguns padrões internacionais ( IEC60050 e IEEE100) os sinais de microondas começam em 1GHz.

4 Usa-se o espaço livre como meio físico de transmissão. A informação se transmite através de ondas muito curtas. É possível direccionar-se múltiplos canais a múltiplas estações dentro de um dado enlace, ou podem ser estabelecidos enlaces ponto-a-ponto.

5 MICROONDAS TERRESTRES (RADIO RELAY SYSTEM) Um radio enlace de microondas terrestre, provê conectividade entre duas estações terrenas em linha de vista, com frequência da portadora acima de 1GHz. A forma de onda emitida pode ser analógica (FM) ou digital. As principais aplicações dos sistemas de microondas terrestres são: Telefonia básica, dados, telegrafo, telex, fax, canais de televisão, video, telefonia cellular…

6 MICROONDAS DE SATÉLITES Um satélite funciona como uma estação repetidora. Um transponder recebe o sinal de um transmissor, amplifica-o, e retransmite para terra com uma frequência diferente.Note-se que a estação terrena transmissora transmite para um único satélite porém o satélite transmite para qualquer das estações terrenas receptoras localizadas dentro de sua área de cobertura.

7 GUIAS DE ONDAS O guia de onda é outro meio de comunicação bastante usado e consiste numa estrutura física que guia uma onda electromagnetica. Dependendo da frequência a ser utilizada podem ser construidas com materiais dielectricos ou condutores. Eles podem ser do tipo rectangular, circular ou elíptico. Operando comummente na faixa de microondas. Apesar de serem construidas a partir de materiais metálicos não se pode dizer que seja um cabo. A sua largura de banda é extremamente grande sendo usada principalmente quando se requer perdas baixas em um sinal com potência muito alta, como por exemplo no caso de uma antena de microondas ao receptor/transmissor de rádiofrequência. Guias de onda são aplicados típicamente, nas centrais telefónicas para baixar/aumentar sinais provenientes de antenas de satelites ou estações terrenas de microondas. Modos de propagação: TE, TM e híbridos (EH e HE)

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9 VANTAGENS DOS LINKS DE RÁDIO MICROONDAS EM RELAÇÃO AOS LINKS CABEADOS: · Baixo volume de investimento em geral. · Instalação rápida e fácil. · Manutenção geralmente mais econômica e de acção rápida. · Pode-se superar as irregularidades do terreno. · Regulamento deve ser aplicável apenas ao equipamento, uma vez que as características do meio de transmissão são essencialmente constante na largura de banda de funcionamento. · É possível aumentar a separação entre repetidores, aumentando a altura da torres.

10 DESVANTAGENS DE LINKS DE RÁDIO MICROONDAS EM RELAÇÃO AOS LINKS CABEADOS ·Exploração restringida a secções com visibilidade directa entre os enlaces. · Necessidade de acesso adequado para as estações retransmissoras que devem dispor de fornecimento equipamentos e serviços de energia e manutenção. Foram feitas tentativas de usar geradores independentes e baterias de célula solar. · A Segregação, embora seja possível e é feito, não é tão flexível como no sistemas de cabos · As condições meteorológicas podem causar profundos desvanecimentos e desvios do feixe, o que implica a utilização de sistemas de diversidade e equipamento auxiliar necessário, consiste num importante problema de design.

11 Repetidores microoondas A distância percorrida por ligações por microondas pode ser aumentada através da utilização de repetidores, que amplificam e redirecionam o sinal, é importante destacar que os obstáculos ao sinal pode ser evitados através de refletores passivos. As figuras a seguir mostram como funciona um repetidor e como de observam os refletores passivos Ativos: nestes o sinal é recebido na freqüência da portadora e é reduzido a frequência intermédia (IF) para amplificar e retransmiti-lo na frequência de saída. Não ha demodulação e são transceptores. Um transceptor é um dispositivo que possui um transmissor e um receptor que compartilham parte do circuito estão dentro da mesma caixa. Quando o transmissor e o receptor não têm em partes comuns do circuito eletrônico é conhecido como transmisorreceptor.

12 Passivos: Eles comportam-se como espelhos que reflectem o sinal e podem ser divididos em passiva padrão, que é uma tela reflectora, e os passivos e o back-back, eles são consistindo de duas antenas voltadas de costas( para trás). Eles são utilizados em alguns casos para contornar obstáculos isolados e de curta distância.

13 PLANOS DE FREQUÊNCIAS - LARGURA DE BANDA EM UM RÁDIOENLACE DE MICROONDAS Numa estação terminal duas freqüências para canal de rádio são necessárias: Freqüência de emissão e Freqüência de Recepção Consideremos uma estação estação repetidora que tem pelo menos uma antena para cada direcção, é absolutamente necessário que as frequencias de transmissão e recepção estejam suficientemente separada devido a: 1º A grande diferença entre os níveis dos sinais emitidos e recebidos, os quais podem ser 60 a 90 dB. 2º A necessidade de evitar o acoplamento entre os dois sentidos de transmissão. 3.ºAntenas diretividade insuficientes sobre tudo VHF. Portanto VHF (30-300 MHz) e UHF (300 MHz - 3 GHz) deve usar um plano de 4 frequências. Em SHF, a diretividade é maior e plano de 2 pode ser usado um plano de 2 frequências.

14 PLANO DE 4 FREQUÊNCIAS São necessários quatro freqüências para cada canal de rádio. Freqüentemente usado em baixas freqüências quando a diretividade é baixa. PLANO DE 2 FREQUÊNCIAS Para cada canal de rádio são necessários 2 frequências. As freqüências e receber são a mesma em cada estação. problemas: Interferência de co-canal: a) Radiação inversa de B para A b) Radiação direta de C e absorção pelo lobo posterior da B

15 TÉCNICAS DE DIVERSIDADE: espaço, frequência e polarização. Elas são usadas ​​para reduzir os efeitos de desvanecimento de trajectória múltipla. O objetivo das técnicas de diversidade é para aumentar a confiabilidade do sistema e também aumentar a sua disponibilidade. Os tipos são: Espaço, frequência e polarização. Diversidade de espaço Denomina-se diversidade de espaco a radiorecepção mediante duas ou mais antenas que geralmente se colocam numa mesma torre em ambos extremos do trajecto com uma separação equivalente a vários comprimentos de onda. As informações são enviadas numa única frequência mas se recebe por dois ou mais caminhos diferentes. Os sinais recebidos alimentam receptores individuais, que fornecem um sinal de saída combinado essencialmente constante, apesar do desvanecimento que pode ocorrer durante propagação.

16 Normalmente em sistemas de diversidade de espaço o mesmo sinal é transmitido para duas antenas receptoras instaladas com uma certa separação vertical. As duas saídas dos receptores são combinados na estação. O sistema de diversidade no espaço funciona de acordo ao principio que dois componentes de um mesmo sinal que correm cominhos distintos não deverão ter os mesmos pontos de interferência. O mesmo comprimento de onda sofre diferentes graus de interferência. Mesmo comprimento de onda passa por diferentes graus de interferência em dois pontos separados verticalmente pelo que a onda chega as antenas por caminhos diferentes.

17 Diversidade de frequência Na diversidade de freqüência apenas consiste em modular a duas portadoras de RF distintas coma mesma informação de FI (Freqüência Intermediária), e transmitir em seguida, ambos sinais RF para um determinado destino. No destino, ambos portadores são demodulado e a que produzir o melhor sinal de FI (Freqüência Intermediária) de melhor qualidade, é o que sera usado. Quando diversidade de frequência é usada, a informação é transmitida em mais do que uma portadora, de modo que os sinais com uma separação de frequência maior que determinado valor não experimentam o mesmo desvanecimento, sendo a separação de frequência necessária para que os canais estejem parcialmente ou totalmente correlacionados como uma função da largura de banda de coerência do canal. Este valor pode corresponder a uma fracção significativa da largura de banda total utilizada e, portanto, esta técnica tem a desvantagem geralmente necessitam de uma largura de banda significativamente maior, com um igual número de receptores de canais de diversidade. No entanto, a diversidade de frequência é geralmente empregado na linha de vista usando FDM (Frequency Division Multiplexing) e caminhos críticos.

18 Diversidade de polarização Neste método dois sinais provenientes do transmissor de rádio são enviados simultaneamente por duas antenas separadas, com um polarização vertical e a outra horizontal. A diversidade de polarização é útil para transmissão sem linha de vista na parte inferior do espectro de frequências. No entanto, este método não funciona na transmissão de microondas por onda espaçial porque geralmente ambos os sinais polarizados se desvanecem ao mesmo tempo.

19 Estações De Microondas FM. Existem essencialmente dois tipos de estações FM microondas: Terminais e repetidoras. As estações terminais são pontos do sistema onde os sinais de base têm origem ou destino. As estações repetidoras são pontos de um sistema onde é possível reconfigurar o sinal de banda base, ou que simplesmente se repetem ou amplificam as portadoras de RF. Estação terminal A estação terminal é composta por quatro partes principais: o link baseband (banda base), o enlace de entrada (cabeado), e as seções de FM-IF e RF. Enlace de entrada por cabo: as distâncias e os equipamentos de geração de banda base e a seção FM-IF normalmente várias centenas de metros de distância e em alguns casos vários quilômetros. Por esta razão, é necessária uma interface que consiste de um amplificador e um equalizador, que, juntos, compensam as perdas no cabo. Seção FI: equipamento terminal de FM gera uma portadora de IF modulada em frequência. Isto é conseguido através da mistura dos dois oscilador cuja frequência de saída difere pela no valor desejado na portadora de IF.

20 O modulador IF: Converte entrada sinais de banda base de entrada em uma frequência intermediária modulada e FM, em PSK ou QAM. O conversor (misturador e filtro passa banda) converte a IF em uma frequência de portadora de RF apropriada. Baseband/Banda base: Refere-se a banda de frequência produzida por um transdutor, tal como um microfone, uma chave de telégrafo ou outro dispositivo gerador de sinais que não necessita de adaptar-se ao meio pelo qual será transmitido. Banda Base é um sinal de transmissão única num canal. Banda larga significa que o canal leva mais do que um sinal de cada um deles é transmitido em diferentes canais até atingir o numero máximo de canais. O termo Banda base é frequentemente utilizada para a transmissão digital de dados, um único canal utiliza a largura de banda total disponível. 1. Termo que especifica a faixa de frequências de um determinado sinal antes que ele sofra qualquer tipo de modulação. modulação 2. Área de frequência original de um sinal antes de sua conversão em outra mais alta e eficiente. Estação repetidora Quando a distância entre o Tx e Rx é tão grande que não permite que o sinal de RF tenha os níveis adequados para ser demodulado de forma eficiente e não é possível aumentar níveis de potência, faz-se o uso de repetidores, etapas de transito de sinais entre Tx e Rx Um repetidor de microondas é um receptor e transmissor colocado ao contrario/ de costas para trás. Existem dois tipos de repetidores de microondas: a) Repetidores de banda b) IF repetidores

21 FIBRA ÓPTICA

22 A Fibra óptica (F.O) corresponde à um meio onde a potência luminosa, injetada pelo emissor de luz, é guiada e transmitida ao fotodetector. Desta forma os dados são convertidos através de codificadores e guiados por transmissores ópticos pela fibra óptica observando-se um fenômeno denominado reflexão total interna. Constituição e funcionamento da fibra óptica A luz viaja pela fibra refletindo-se sucessivamente na superfície de separação entre núcleo e casca. Os índices de refração do núcleo n1(mais denso) e da casca n2(menos denso) são determinados para que ocorra reflexão total e a luz fique confinada no interior da fibra.

23 A fibra óptica é composta basicamente de material dielétrico também conhecido como isolante(em geral, sílica ou plástico), segundo uma longa estrutura cilíndrica, transparente e flexível, de dimensões microscópicas comparáveis às de um fio de cabelo. A estrutura cilíndrica básica da fibra óptica é formada por uma região central, chamada de núcleo, envolta por uma camada, também de material dielétrico, chamada casca. A seção em corte transversal mais usual do núcleo é a circular, porém fibras ópticas especiais podem ter um outro tipo de seção (por exemplo, elíptica). Tipos de fibras ópticas (F.O)

24 Fibra Multimodo É a fibra óptica onde centenas de modos são propagados. A fibra multimodo pode ainda ser classificada de acordo com o perfil de índice de refração. Existem dois tipos de fibra multimodo: Fibra multimodo índice degrau; Fibra mulltimodo índice gradual. Fibra Multimodo índice Degrau Possui perfil de índice de refração degrau. O núcleo desta fibra pode ter um diâmetro de 50 μm até aproximadamente 600 μm. Isto representa um núcleo grande em relação as outras fibras, o que facilita o acoplamento óptico, ou seja, é mais fácil injetar luz em seu interior. Pelas dimensões envolvidas, a conexão também se torna mais fácil. Algumas das desvantagens são: atenuação elevada, pequena largura de banda e dispersão modal mais intensa que as outras fibras. Pelas desvantagens citadas, este tipo de fibra não é viável para utilização em telecomunicações, porém possui aplicações em outras áreas, como por exemplo, na área médica e na comunicação de dados a curta distância.

25 Fibra Multimodo índice Gradual Caracteriza-se por ter um perfil de índice que decresce gradualmente de forma quase parabólica. Pode-se dizer que a fibra consiste de um núcleo composto de várias camadas, cada uma com índice de refração um pouco menor à medida em que se afastam do eixo da fibra. Nesta fibra, os raios serão propagados em curvas suaves, de forma a compensar percursos maiores com maior velocidade e os pulsos de luz alcançarão o receptor com menor alargamento. Dessa forma, consegue-se uma dispersão menor e maior largura de banda. Como a fibra tem um diâmetro razoavelmente grande, acoplamentos e emendas são relativamente fáceis de serem realizados sem perdas significativas. Normalmente o núcleo é fabricado em sílica dopada e a casca em sílica pura.

26 Fibra Óptica Monomodo É a fibra óptica onde, idealmente, apenas um modo se propaga. Na prática apenas alguns modos se propagam. Sendo assim, as fibras monomodo são fibras ópticas com perfil de índice de refração degrau, cujo diâmetro do núcleo está entre 4 μm a 10 μm. A casca tem um diâmetro pelo menos 10 a 12 vezes maior, em torno de 100 μm a 200 μm. Esta fibra apresenta uma grande largura de banda, pois não há dispersão modal, e apresenta uma baixa atenuação em relação à multimodo. Por isso, este tipo de fibra é largamente utilizada em comunicações à longa distância com alta capacidade de transmissão.

27 Atenuação nas fibras ópticas É a diminuição da intensidade da energia do sinal óptico ao propagar-se através da F.O. Pode ocorrer por: Absorção Espalhamento Microcurvaturas e macrocurvaturas A atenuação da F.O. é medida em decibel cuja abreviatura é dB. Os fabricantes de F.O. fornecem a atenuação por quilometro de fibra (dB/km), assim, fica fácil calcular a atenuação de um trecho de fibra, por exemplo a atenuação de um trecho de 100 km de uma F.O. cuja atenuação é 0,22 dB/km será: atenuação = 0,22 dB/km x 100 km = 22 dB

28 Dispersão nas fibras ópticas A dispersão é um fenômeno resultante dos atrasos relativos na propagação dos modos e componentes espectrais que transportam a energia luminosa. A dispersão produz uma distorção nos sinais transmitidos impondo limitação na capacidade de transmissão. A distorção é percebida como o alargamento do pulso que se propaga na fibra e pode provocar alarme nos equipamentos terminais devido ao aumento da taxa de erro de bit. A dispersão pode ser modal, cromática ou material e do guia de onda. Dispersão Modal: Causada pelos diferentes caminhos que a luz pode seguir em uma fibra com vários modos de propagação. Dominante nas fibras multimodo. Dispersão cromática ou material: Causada pelas diferentes velocidades da luz nos diferentes comprimentos de onda. Dominante nas fibras monomodo. Dispersão do guia de onda: Este tipo de dispersão é mais significativo em fibras monomodo e ocorre em função da variação dos índices de refração do núcleo e da casca ao longo da fibra.

29 Espectro de transmissão da fibra óptica A atenuação varia em função do comprimento de onda da luz, ou seja, dentro de uma mesma fibra óptica a atenuação não é a mesma para diferentes comprimentos de onda da luz. Disto resulta a definição de janelas de transmissão. Janelas de transmissão são faixas dentro do espectro eletromagnético onde a atenuação em uma determinada fibra é menor. Atualmente estão definidas 3 janelas: 850 nm, 1.300 nm e 1.550 nm.

30 Vantagens das F.O As características especiais das fibras ópticas implicam vantagens consideráveis com relação aos meios de transmissão convencionais, tais como fios metálicos, fios coaxiais e microondas. a) Banda passante potencialmente enorme A transmissão em fibra óptica é realizada em freqüências ópticas portadoras na faixa espectral de 1014 a 1015 Hz (100 a 1000 T Hz). Isto significa uma capacidade de transmissão potencial, no mínimo, 10.000 vezes superior, por exemplo, à capacidade dos atuais sistemas de microondas que operam com uma banda passante útil de 700MHz. b) Perdas de transmissão muito baixas As fibras ópticas apresentam perdas de transmissão muito baixas, desde atenuações típicas na ordem de 3 a 5 dB/Km na região em torno de 0,85um (3,5314 Hz) até perdas inferiores a 0.2 dB/Km na região de 1,55um (1,9314 Hz). Pesquisas com novos materiais, em comprimentos de ondas superiores, prometem fibras ópticas com atenuações ainda menores, da ordem de centésimo e, até mesmo, milésimos de dB/km. Desse modo, com fibras ópticas, é possível implantar sistemas de transmissão de longa distância com um espaçamento muito grande em repetidores, o que reduz significativamente, a complexidade e custos do sistema. Enquanto, por exemplo, um sistema de micro-ondas convencional exige repetidores à distâncias da ordem de 50 Km, sistemas com fibras ópticas permitem alcançar distâncias de 200 Km.

31 c) Imunidade a interferências a ao ruído Enquanto os fios de cobre transportam elétrons, os cabos de fibra óptica transportam a luz. Portanto por serem compostas de materiais dielétricos, ao contrário dos suportes de transmissão metálicos, não sofrem interferências eletromagnéticas. As interferências causadas por descargas elétricas atmosféricas, pela ignição de motores, pelo chaveamento de relés, e por diversas outras fontes de ruídos elétricos, esbarram na blindagem natural provida pelas fibras ópticas (material dielétrico). As fibras ópticas agrupadas em cabos ópticos não interferem opticamente umas nas outras, devido ao sinal luminoso propagado estar bem confinado a cada fibra, resultando num nível de ruído e de diafonia (crosstalk) desprezível. A fibra óptica também tem imunidade a pulsos pulsos eletromagnéticos. d) Isolação Elétrica O material dielétrico (vidro ou plástico) que compõe a fibra óptica oferecem um excelente isolação elétrica entre os transceptores ou estações interligadas. Ao contrário dos suportes metálicos, as fibras ópticas não tem problemas com aterramento e interfaces dos transceptores. Além disso quando o cabo de fibra óptica é danificado não existem faíscas de curto circuito, o que permites a sua utilização em ambientes com perigo de explosões ou ser implementada entre prédios com diferentes aterramentos. e) Pequeno tamanho e peso As fibras ópticas tem dimensões comparáveis com as de um fio de cabelo humano. Mesmo considerando-se os encapsulamentos de proteção, o diâmetro e o peso dos cabos ópticos são bastante inferiores aos cabos metálicos. O efeito combinado do tamanho e peso reduzidos faz das fibras ópticas um meio ideal de transmissão em aviões, navios e satélites.

32 f) Segurança da informação e do sistema As fibras ópticas não irradiam significativamente a luz propagada, implicando em alto grau de segurança da informação transportada. Qualquer tentativa de captação de informações ao longo de fibra óptica é facilmente detectada, pois existe um desvio de uma porção considerável de potência luminosa transmitida. Desta forma a fibra óptica é importante em sistemas de comunicação exigentes quanto à privacidade tais como aplicações bancárias e militares. g) Flexibilidade na expansão da capacidade dos sistemas Os sistemas de transmissão por fibra óptica podem ter sua capacidade de transmissão aumentada gradualmente, em função, por exemplo, do tráfego, sem que seja necessária a instalação de um novo cabo óptico. Basta para isto melhorar o desempenho dos transceptores, seja, por exemplo, substituindo-se LED’s por díodos laser ou utilizando-se técnicas de modulação superiores. h) Custos potencialmente baixos O vidro com que as fibras ópticas são fabricadas é feito a partir do quartzo, um material que, ao contrário do cobre, é abundante na crosta terrestre. Embora a obtenção do vidro ultra puro envolva um processo sofisticado, ainda relativamente caro, a produção de fibras ópticas em larga escala tende gradualmente a superar este inconveniente. Em sistemas de transmissão a longas distâncias as fibras ópticas têm sido bastante competitivas devido à grande capacidade de transmissão e ao maior espaçamento de repetidores, o que repercutem nos custos. i) Alta resistência a agentes químicos e a variações de temperatura As fibras ópticas, por serem compostas por basicamente vidro ou plástico, têm uma boa tolerância a temperaturas, favorecendo a sua utilização em diversas aplicações. Além disso, as fibras ópticas são menos vulneráveis a ações de líquidos e gases corrosivos, contribuindo assim para uma maior vida útil.

33 Desvantagens das F.O a) Fragilidade das fibras ópticas sem encapsulamentos O manuseio de uma fibra óptica “nua” é bem mais delicado que no caso dos suportes metálicos. b) Dificuldade de conexão das fibras ópticas As pequenas dimensões das fibras ópticas exigem procedimentos e dispositivos de alta precisão na realização das conexões e junções. c) Acopladores tipo T com perdas muito altas É muito difícil se obter acopladores de derivação tipo T para fibras ópticas com baixo nível de perdas. Isto repercute desfavoravelmente, por exemplo, na utilização de fibras ópticas em sistemas multiponto. d) Impossibilidade de alimentação remota de repetidores Os sistemas com fibras ópticas requerem alimentação elétrica independente para cada repetidor, não sendo possível a alimentação remota através do próprio sistema. e) Falta de padronização dos componentes ópticos A relativa imaturidade e contínuo avanço tecnológico não tem facilitado o estabelecimento de padrões para os componentes detransmissão por fibras ópticas.

34 SISTEMA DE COMUNICAÇÃO POR FIBRAS ÓPTICAS

35 APLICAÇÕES DAS F.O Sistemas de Comunicações - Rede Telefônica (Interligação entre centrais telefônicas) - Rede Digital de Serviços Integrados - Cabos Submarinos - Televisão por Cabo (CATV) - Sistemas de Energia e Transporte - Redes Locais de Computadores Sistemas Sensores - Aplicações Industriais (temperatura, pressão, nível de líquidos, vasão de líquidos, posição e rotação, aceleração ou vibração, poluição, giroscópio, fadiga) - Aplicações Médicas (temperatura, pressão, magnéticos, vasão, micro câmeras) - Automóveis (Controle do funcionamento de motores e da transmissão) Aplicações Militares - Comunicações - Aplicações específicas (Mísseis teleguiados por cabos de fibras ópticas, Giroscópios ópticos). Transmissão de dados

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