RADIO DIGITAL DIAGRAMA GERAL

RADIO DIGITAL DIAGRAMA GERAL
A função básica de um sistema de rádio de microondas em visibilidade é transmitir um sinal telefônico (voz / dados) e/ou um sinal de vídeo desde a localidade A até uma localidade B distante, de acordo com o esquema acima. Na localidade A, vários canais de voz são convenientemente agrupados por um equipamento multiplex telefônico, passando a ocupar uma faixa de freqüência bem definida, formando o que se chama de banda básica de telefonia. Este sinal de banda básica é levado através de um cabo até uma estação rádio, onde um transmissor entrega à antena um sinal de microondas que carrega a informação de banda básica. O sinal de microondas é então irradiado, com destino à localidade B. Em B ele é recebido e a banda básica de telefonia separada em canais de voz por um outro equipamento multiplex.

RADIO DIGITAL ESTAÇÕES REPETIDORAS
Normalmente as localidades de origem e destino são muito distantes, de forma que se torna necessária a existência de estações rádio intermediárias, devido aos seguintes fatores. - Nos sistemas em visibilidade, há necessidade de que as antenas transmissora e receptora sejam visíveis uma da outra. Devido a curvatura da Terra, e também à existência de elevações no terreno, não se pode conseguir a condição de visada direta entre origem e destino para distâncias muito grandes. - O sinal de microondas, sofre uma certa atenuação entre a antena transmissora e a receptora. Assim sendo, para grandes distâncias, é necessário que esse sinal seja reativado (amplificado) várias vezes entre a origem e o destino, a fim de evitar que ele chegue ao receptor tão fraco que não seja mais aproveitável. As estações intermediárias existentes entre as localidades A e B são chamadas de repetidoras. As estações de rádio das localidades A e B, que estão associadas a um equipamento multiplex, são chamadas de estações terminais.

 Não depende de rede primária;
RADIO DIGITAL VANTAGENS DO RADIO DIGITAL  Não depende de rede primária; Pode ser utilizado em regiões de relevo acidentado ou de difícil acesso ;  Baixo Custo;  Disponibiliza aos assinantes, serviços integrados de voz / dados equivalentes aos existentes no acesso por fibra;  Gerência e monitoração do sistema;

 Capacidade de transmissão muito inferior ao do sistema óptico;
RADIO DIGITAL DESVANTAGENS DO RADIO DIGITAL  Capacidade de transmissão muito inferior ao do sistema óptico;  O meio de comunicação influencia fortemente o sinal transmitido, tornando-o susceptível a interferências eletromagnéticas, atmosféricas ;  Alcance limitado em torno de 50 km entre antenas;

PROPAGAÇÃO EM ATMOSFÉRA REAL
EFEITOS DO MEIO SOBRE O FEIXE DE MICROONDAS OS PRINCIPAIS EFEITOS LIMITANTES DO RADIOENLACE EM MICROONDAS SÃO: REFRAÇÃO. REFLEXÃO. DIFRAÇÃO. DESVANECIMENTO ("FADING"). DUTOS TROPOSFÉRICOS.

REFRAÇÃO DO FEIXE DE MICROONDAS Se um feixe de luz incidir sobre uma superfície d’água em repouso, parte desta luz será refletida e parte penetrará na água. Esse fenômeno de penetração do feixe, segundo um outro ângulo, chama-se refração, e pode ser facilmente verificado pelo exame de um copo no qual se tenha mergulhado uma colher. Vista de determinado ângulo a colher parece ter quebrado a partir do ponto em que penetra na água.

REFRAÇÃO DO FEIXE DE MICROONDAS Pode-se entender bem o fenômeno da refração considerando-se a variação da velocidade de propagação da onda ao passar do ar à água. A frente de onda A1A2 atinge a superfície da água. Sendo a velocidade da luz menor na água do que no ar, o ponto A1 percorre uma distância d1 no mesmo tempo que A2 percorre uma distância maior d2. Como resultado há uma variação na direção de propagação. Essa mudança de direção ou desvio ocorre sempre que a onda incide de forma oblíqua na superfície de separação de dois meios distintos e, depende de uma característica desses meios chamada de índice de refração. Esse índice é expresso pela relação entre a velocidade de propagação da onda eletromagnética no vácuo e no meio em questão. Dessa forma, será tanto maior para os meios mais densos (menor velocidade de propagação).

REFRAÇÃO DO FEIXE DE MICROONDAS Na propagação através da atmosfera real observa-se uma curvatura do feixe de microondas no plano vertical, devido a sucessivas refrações que o mesmo sofre. Essas refrações se traduzem por uma tendência a se entortar o feixe quando o mesmo atravessa camadas de densidades diferentes da atmosfera.

REFRAÇÃO DO FEIXE DE MICROONDAS A figura mostra camadas estratificadas com densidades diferentes, implicando em refrações descontínuas. Na realidade a densidade varia continuamente e a trajetória do feixe é uma curva. Os principais efeitos dessas refrações sucessivas (encurvamento do feixe) vêm a ser a tendência de aproximação de obstáculos (por exemplo morros), inicialmente fora da linha de visada direta, bem como desvio de parte da energia irradiada na direção da antena receptora.

REFRAÇÃO DO FEIXE DE MICROONDAS
CONCEITO DE RAIO TERRESTRE EQUIVALENTE Na análise da propagação da onda na atmosfera, usa-se o artifício de considerar o feixe em curvatura, aumentando-se entretanto o raio da Terra. Dessa forma tem-se o feixe representado em linha reta, e a curvatura da Terra diminuída (raio aumentado). O novo raio da Terra considerado (R’) é chamado de raio equivalente. Para as condições atmosféricas usuais, em regiões temperadas, supõe-se uma curvatura do feixe tal que esse raio equivalente seja 4/3 vezes o raio da Terra (R’ = R.4/3) e todos os estudos da ligação são então feitos com a configuração apresentada na figura acima.

ELIPSÓIDE DE FRESNEL A parte da energia irradiada pela antena transmissora que atinge a receptora é resultante da composição de ondas que seguem vários percursos. A diferença de trajetos se deve ao fato da energia ser irradiada dentro de um feixe que, por mais estreito, não consegue concentrar toda a energia exatamente na direção da antena receptora, existindo irradiação em outras direções. Assim, após múltiplas refrações na atmosfera, vários sinais atingem a antena receptora, seguindo percursos diferentes. Pode-se mostrar que as linhas tracejadas da figura acima formam uma elipse, cujos focos correspondem às antenas transmissora e receptora, chamada elipse de Fresnel. Na realidade a figura apresentada não deve ser imaginada somente no plano vertical, e sim no espaço tridimensional, resultando num elipsóide (conseqüência da rotação da elipse em torno da linha de visada).

ELIPSÓIDE DE FRESNEL

ELIPSÓIDE DE FRESNEL CE = b =

CARTA GRÁFICA: R’ = R.4/3

(PLENA) (MÍNIMA) REFRAÇÃO DO FEIXE DE MICROONDAS
CONDIÇÕES MÍNIMA E PLENA DE ESPAÇO LIVRE (PLENA) (MÍNIMA)

EXEMPLO DE APLICAÇÃO Seja um radioenlace entre as cidades A e B, distantes 50 km entre si, operando na freqüência de 7,5 GHz. Na cidade A a torre de sustentação da antena, com 100m de altura, está instalada no topo de uma elevação com 200m de altitude (em relação ao nível do mar). Na cidade B a torre de sustentação da antena, com 150m de altura, está instalada no topo de uma elevação com 150m de altitude. Existe no percurso entre as cidades, uma única elevação com 275m de altitude, distante 30 km da cidade A. Verifique se o enlace pode ser considerado em espaço livre.

SOLUÇÃO

REFLEXÃO DO FEIXE DE MICROONDAS
REFLEXÃO EM TERRENO IRREGULAR O feixe de microondas pode ser refletido em superfícies relativamente planas tais como o solo regular, mares e lagos, da mesma forma que um feixe de luz é refletido num espelho. O feixe refletido tem sua intensidade definida pelo grau de regularidade da superfície refletora, bem como pelo ângulo de incidência sobre a mesma. A figura acima ilustra a reflexão do feixe de microondas em uma superfície irregular, que no caso é difusa, ou seja, há espalhamento da onda refletida em todas as direções.

REFLEXÃO NA ÁGUA (LAGO) Neste caso, o feixe se reflete segundo um ângulo bem definido, igual ao de incidência sobre a água ( i = r).

COEFICIENTE DE REFLEXÃO A relação entre as intensidades (amplitudes) das ondas refletida e incidente é avaliada através de um parâmetro chamado coeficiente de reflexão, cujo valor depende do tipo de terreno, e varia desde 0 (efeito nulo da reflexão) até 1 (condição de reflexão total).

INVERSÃO DE FASE NA REFLEXÃO Analisando-se agora a reflexão da onda, observa-se que a frente de onda incidente tem sua fase invertida quando se reflete. Isto se verifica, devido ao fato que o campo elétrico horizontal e o campo magnético vertical devem se anular na superfície refletora, sendo necessário para tal que os campos refletidos tenham fase inversa aos incidentes.

INVERSÃO DE FASE NA REFLEXÃO A reflexão do feixe de microondas pode vir a causar problemas na recepção do sinal. As frentes de onda direta e refletida são defasadas, sendo que esta defasagem varia com o percurso da onda refletida. No caso da componente refletida atingir o solo com um pequeno ângulo de incidência a diferença de percursos será pequena, podendo haver uma atenuação muito forte ou cancelamento do sinal recebido, como resultado da composição das duas ondas.

BLOQUEIO DO FEIXE REFLETIDO Usualmente se procura diminuir os efeitos da reflexão, ou pelo aumento das alturas das antenas ou através do bloqueio do feixe refletido em obstáculos naturais do percurso.

DIFRAÇÃO DO FEIXE DE MICROONDAS
DIFRAÇÃO EM OBSTÁCULOS Quando um feixe de luz incide sobre um anteparo opaco, localizado em um compartimento escuro, verifica-se que as bordas do anteparo não projetam uma sombra perfeita. O contorno da sombra não é nítido, uma vez que os raios de luz contornam as bordas do objeto opaco, diminuindo a área de sombra. A difração, ou desvio da onda de luz em torno das bordas do objeto opaco é relativamente pequena, mas esse efeito nas ondas de rádio é mais sensível, desde que estas apresentam maior comprimento de onda (mais baixa freqüência). A figura acima ilustra o fenômeno da difração, considerando duas ondas de rádio de freqüências diferentes, sem f2>f1.

DIFRAÇÃO NA SUPERFÍCIE DA TERRA Assim, a presença de obstáculos próximos à linha de visada entre as antenas, como morros, árvores ou prédios, acarretam numa diminuição da energia recebida, sendo que parte da onda é bloqueada e parte contorna o obstáculo. Ainda, quanto menor a freqüência, mais pronunciado é o envolvimento do obstáculo. A própria Terra pode se constituir num obstáculo a ser contornado, devido à curvatura. Esse fenômeno é muito importante na propagação de ondas terrestres, que são de freqüência bem mais baixa que a de microondas.

LIGAÇÃO ALÉM DO HORIZONTE COM DIFRAÇÃO EM MONTANHA O fenômeno da difração é utilizado para ligações de microondas além do horizonte, onde se escolhem freqüências tais que seja acentuado o efeito de contorno do obstáculo, resultando no encaminhamento da onda à antena receptora.

DESVANECIMENTO -“FADING”
DESVIO DA ENERGIA DA ANTENA RECEPTORA Desvanecimento (“fading”) é o nome dado para caracterizar o fenômeno da existência de variações aleatórias ao longo do tempo da intensidade do sinal recebido. As causas do desvanecimento no meio de propagação, e tal fenômeno não estaria presente nas ligações caso não existisse entre as antenas um meio sujeito a mudanças nas suas características. Desvanecimento Rápido: Também chamado de desvanecimento por interferência, resulta do fato do sinal recebido ser constituído de vários componentes, que seguem trajetos diferentes entre o transmissor e o receptor, e consequentemente possuem fases diversas. Desvanecimento Lento: Também chamado de desvanecimento por atenuação, é devido a variações lentas do meio onde se propaga o sinal. Este desvanecimento causa uma redução da potência do sinal na antena receptora, cuja duração pode variar de alguns minutos até horas, ou mesmo persistir durante vários dias. O fenômeno do desvanecimento lento apresenta características mais ou menos cíclicas, assim como as variações das estações do ano. Existem duas causas principais responsáveis pelo desvanecimento lento, a saber:

MEDIDAS CONTRA O DESVANECIMENTO -“FADING”
TÉCNICA DE DIVERSIDADE DE ESPAÇO - Desvio da antena receptora de uma grande parte da energia irradiada. - Absorção atmosférica. Medidas contra desvanecimento - Técnicas de Diversidade São técnicas que procuram reduzir os efeitos dos desvanecimentos, usando mais de um receptor em caso de regiões com desvanecimento profundo combinando-os ou selecionando-os mutuamente para obter a melhor recepção possível. Estes receptores devem ter pouca correlação entre sí em termos de qualidade de recepção, ou seja, os mesmos não podem sofrer deterioração de qualidade ao mesmo tempo. Para implementar esta técnica de mais de uma recepção, muitos são os recursos possíveis. Por exemplo: recepção por diferentes antenas (em diferentes posições); diferentes freqüências de RF, sempre com as mesmas informações de banda básica; e também diferentes polarizações, ângulos de incidência ou rotas. Estas técnicas são conhecidas respectivamente como, diversidade de espaço (posições diferentes de antenas) e diversidade de freqüência (diferentes freqüências; mesma banda básica).

DUTOS TROPOSFÉRICOS DUTO SUPERFICIAL
Os dutos troposféricos (ou simplesmente dutos) são consequências de um fenômeno denominado inversão de temperatura que frequentemente se verifica em certas regiões da Terra, como por exemplo mo litoral e nos desertos. Isto ocorre quando massas de ar frio entram em contato com massas de ar mais aquecidas, determinando a inversão da temperatura e, como os índices de refração são diferentes em cada massa de ar, em virtude de suas características de umidade, pressão e temperatura, forma-se uma superfície de separação entre os meios. Dependendo de certas condições é possível que na freqüência de operação as ondas sejam refratadas na superfície separadora, voltando ao meio original. Dois casos podem ocorrer: Duto Superficial: Neste caso o duto é formado pela Terra e pela superfície separadora entre as massas de ar de índices de refração diferentes. As ondas se refratam na superfície de separação das camadas de ar, retornando ao solo, onde são refletidas, confinando-se assim no interior do duto, e alcançando às vezes grandes distâncias, pois a energia é concentrada na direção correspondente, acompanhando inclusive a curvatura da Terra. Somente haverá recepção se a antena receptora se encontrar no interior do duto, pois nenhuma energia, ou muito pouca, é encontrada fora das superfícies. Tratando-se de um fenômeno pouco estável, os dutos não são aproveitados para as comunicações, pois degradam a recepção.

DUTOS TROPOSFÉRICOS DUTO ELEVADO
Ainda, esse efeito pode vir a provocar interferência em enlaces operando em freqüências próximas, já que se observa um aumento do alcance das ondas. Duto Elevado: Neste caso o fenômeno é basicamente o mesmo, mas ocorre entre as superfícies separadoras acima da superfície terrestre.

DIMENSIONAMENTO – SISTEMA DE RÁDIOVISIBILIDADE.

Exercício – 1 Numa ligação com radiovisibilidade, supondo-se a utilização de torres de mesma altura e a existência de um obstáculo a meio caminho, com 45m de altura e que a distância entre transmissora e receptora é de 50 km e ainda que a freqüência de operação do sistema é de 6 GHz, determine: a) A altura mínima das torres a fim de que se possa considerar a ligação em visada direta (não considerar os efeitos da reflexão). b) A potência mínima do transmissor, em Watts, sabendo-se que as antenas disponíveis para a transmissão e recepção são parabólicas e apresentam ganhos com relação a antena isotrópica de 40,4 dBi e 25 dBi respectivamente. Sabe-se também que a margem de desvanecimento é de 35 dB e que os guias de onda utilizados para interligar os transceptores com as antenas, têm atenuação de 0,08 dB/m na freqüência especificada. Considerar a atenuação total dos circuitos de derivação do transmissor e do receptor de 10 dB e a sensibilidade do receptor de -80 dBm. c) Se as antenas estiverem na altura correspondente a condição mínima de espaço livre e se mantivermos as demais características do sistema inalteradas, determine a margem real do rádioenlace.

Exercício – 2 Numa ligação com radiovisibilidade, supondo-se a utilização de torres de mesma altura e a existência de um obstáculo a meio caminho, com 45m de altura e que a distância entre transmissora e receptora é de 7 km e ainda que a freqüência de operação do sistema é de 11 GHz, determine: a) A altura mínima das torres a fim de que se possa considerar a ligação em visada direta (não considerar os efeitos da reflexão). b) A sensibilidade mínima do receptor, em dBm, sabendo-se que as antenas disponíveis para a transmissão e recepção são parabólicas e apresentam ganhos com relação a antena isotrópica de 42,9 dBi e 20 dBi respectivamente. Sabe-se também que a margem de desvanecimento é de 40 dB e que os guias de onda utilizados para interligar os transceptores com as antenas, têm atenuação de 0,056 dB/m na freqüência especificada. Considerar a atenuação total dos circuitos de derivação do transmissor e do receptor de 4,5 dB e a potência máxima do transmissor de 40W. c) Se as antenas estiverem na altura correspondente a condição mínima de espaço livre e se mantivermos as demais características do sistema inalteradas, determine a margem real do rádioenlace.

Exercício – 3 Numa ligação com radiovisibilidade, supondo-se a utilização de torres de mesma altura e a existência de um obstáculo a meio caminho. Sabe-se também que o sinal transmitido apresenta uma freqüência de 3GHz. Sabe-se ainda que na condição plena de espaço livre, a altura mínima das antenas é de 90m e que na condição mínima de espaço livre, a altura mínima das antenas deve ser de 80m. a) Determinar a distância máxima entre as antenas. (não considerar os efeitos da reflexão). b) Escolha as antenas para a transmissão e a recepção (condição plena de espaço livre), sabendo-se que as antenas disponíveis são parabólicas e apresentam ganhos com relação a antena isotrópica de 15 dBi, 20 dBi, 25 dBi, 40,4 dBi, 42,9 dBi, 44,8 dBi, 46,1 dBi, 47,7 dBi e 48,1 dBi. dados: A sensibilidade mínima do receptor é de -50dBm. A margem de desvanecimento é de 39 dB e que os guias de onda utilizados para interligar os transceptores com as antenas, têm atenuação de 0,047 dB/m na freqüência especificada. Considerar a atenuação total dos circuitos de derivação do transmissor e do receptor de 8,4 dB e a potência máxima do transmissor de 20W. c) Em função das antenas escolhidas, determine a margem real do rádioenlace. d) Se as antenas estiverem na altura correspondente a condição mínima de espaço livre e se mantivermos as demais características do sistema inalteradas, determine a margem real do rádioenlace.

Exercício – 4 O ganho, em dB, da antena transmissora do satélite, em relação a antena isotrópica. b) A potência na entrada do receptor da estação terrena.

Exercício – 5

Exercício - 6

Exercício – 7

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