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Princípios das Telecomunicações Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Prof. Me. Alexandre Leite Nunes Revisão Textual: Prof. Esp. Claudio Pereira do Nascimento Introdução aos Sistemas Digitais e Princípios de Modulação • Conceitos Básicos em Telecomunicações; • Sistemas de Telecomunicação; • Sinais Elétricos Utilizados nas Transmissões; • Modulação; • Classificação de Sinais e Operações Básicas com Sinais; • Convolução e Resposta de Sistemas ao Impulso. • Estudar os princípios das telecomunicações. OBJETIVO DE APRENDIZADO Introdução aos Sistemas Digitais e Princípios de Modulação Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional, siga algumas recomendações básicas: Assim: Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina. Por exemplo, você poderá determinar um dia e horário fixos como seu “momento do estudo”; Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo; No material de cada Unidade, há leituras indicadas e, entre elas, artigos científicos, livros, vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade. Além disso, você tam- bém encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar, que ampliarão sua interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados; Após o contato com o conteúdo proposto, participe dos debates mediados em fóruns de discus- são, pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento, além de propiciar o contato com seus colegas e tutores, o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e de aprendizagem. Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Determine um horário fixo para estudar. Aproveite as indicações de Material Complementar. Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma Não se esqueça de se alimentar e de se manter hidratado. Aproveite as Conserve seu material e local de estudos sempre organizados. Procure manter contato com seus colegas e tutores para trocar ideias! Isso amplia a aprendizagem. Seja original! Nunca plagie trabalhos. UNIDADE Introdução aos Sistemas Digitais e Princípios de Modulação Conceitos Básicos em Telecomunicações Para iniciarmos nossos estudos sobre Telecomunicações, é muito importante conhecermos um pouco da história desta que foi uma das maiores transformações que a humanidade pode presenciar, vamos enumerar de forma cronológica as des- cobertas e invenções ligadas às telecomunicações: • 1837: Samuel Morse inventa o Telegrafo; • 1875: Alexander Graham Bell produziu o primeiro sistema telefônico por voz, através de cabos elétricos; • 1887: Heinrich Hertz, descoberta das ondas eletromagnéticas; • 1906: Reginald Fessenden, invenção do AM( amplitude modulada); • 1920: KDKA, primeira transmissão de rádio; • 1923: Vladimir Zworykin, invenção e demonstração da televisão; • 1933-1939: Edwin Armstrong, Invenção do receptor super-heteródino e do FM; • 1940/1945: Estados unidos, invenção e aperfeiçoamento do radar. • 1958/1962: Estados Unidos, primeiro teste do satélite de comunicação; • 1977: Estados Unidos, primeira utilização do cabo de fibra óptica; • 1983: Estados Unidos, uso das redes de telefonia móvel. O Padre Roberto Landell de Moura, de Porto Alegre, projetou um transmissor de rá- dio e fez a primeira transmissão da voz através de ondas eletromagnéticas. A trans- missão foi feita a partir da Av. Paulista e ouvida em um receptor instalado no alto de Santana, esta pode ser considerada a primeira do mundo, por ter acontecido antes das transmissões de Marconi. Em termos gerais, comunicação é basicamente a troca de informações utilizan- do-se vários meios. Os maiores impeditivos para que a comunicação ocorra são a linguagem e a distância. Com as descobertas já relatadas, tudo ficou mais fácil, pois agora além das prá- ticas utilizadas como cartas e outros, temos uma forma mais rápida e eficiente de nos comunicar, claro que nada seria possível se não fosse a invenção dos sistemas de geração de energia elétrica no fim do século XIX, base para o funcionamento dos sistemas de telecomunicação. Saiba mais sobre comunicação no vídeo disponível em: https://youtu.be/BsWAn5u5gFI Ex pl or 8 9 Sistemas de Telecomunicação O sistema de telecomunicações é formado basicamente por um transmissor; um canal de transmissão (pode ser por cabos elétricos, ar etc.), neste momen- to são adicionados ruídos a informação transmitida devido a vários fatores como por exemplo descargas elétricas; e um receptor que recebe os dados transmitidos. Os componentes básicos estão demonstrados na Figura 1. Transmissor ReceptorCanal de comunicação Ar, �o, cabo de �bra óptica, etc Informação recuperada áudio, vídeo, dados Informação ou sinal áudio, vídeo, dados Figura 1 – Sistema básico de telecomunicação • O transmissor: Podemos definir transmissor como um equipamento eletrô- nico capaz de converter o sinal elétrico injetado em sua entrada em um sinal adequado para transmissão. O sinal injetado é “misturado” a uma portadora senoidal de alta frequência gerada pelo oscilador do transmissor, o sinal re- sultante é amplificado e transmitido, compatibilizando com o tipo de canal de comunicação a ser utilizado; • O canal de comunicação: O canal de comunicação é o condutor do sinal ele- trônico por onde o sinal gerado no transmissor é levado ao receptor. Este ca- nal pode ser de fios condutores onde um simples par de fios pode transportar um sinal de telefonia fixa, por exemplo, um cabo coaxial, como os cabos das operadoras de Tv a cabo ou par trançado com 4 pares de fio (conhecido como cabo de rede, normalmente azul) das redes LAN de computadores, ou, ainda, cabos de fibra ótica que utilizam um “tubo de espelhos” por onde a mensagem é transmitida em forma de ondas luminosas. Neste modo de transporte da in- formação, o sinal elétrico que saiu do transmissor é transformado em luz por um conversor, então esta luz é transmitida pelo interior do cabo de fibra ótica até o outro lado do circuito onde é reconvertida em sinal elétrico e injetada no receptor. Devido ao fato de se utilizar a luz como forma de transmissão do si- nal, as perdas com ruídos induzidos no cabo ou má qualidade do condutor não 9 UNIDADE Introdução aos Sistemas Digitais e Princípios de Modulação existem. Podemos por último citar o modo de transmissão pelo ar ou espaço livre, este tipo de canal utiliza as ondas eletromagnéticas irradiadas por uma antena em direção ao espaço vazio, conhecido também como transmissão via rádio, o termo rádio é aplicado quando temos uma comunicação sem fio entre o transmissor e receptor. O rádio faz uso do espectro eletromagnético; • O receptor: O receptor é um equipamento eletrônico que recebe a mensagem transmitida pelo transmissor e a converte em uma informação legível, devemos lembrar que ao ser enviado para o canal de transmissão, a informação que en- trou no transmissor é transformada em um sinal elétrico por vezes pulsante e ilegível aos sistema de interpretação. Por exemplo, devemos imaginar que em um estúdio de TV a câmera capta a imagem e a transforma em sinais elétricos compreensível apenas aos equipamentos eletrônicos, em seguida este sinal, após os devidos retoques etc., é misturado eletronicamente junto a portadora no transmissor e enviado pelo devido canal de transmissão (cabo, ar etc.). Se interceptarmos este sinal neste momento sem o uso do receptor, teremos apenas um sinal elétrico sem sentido aos nossos olhos, os receptores possuem um conjunto de circuitos eletrônicos e um demodulador que recupera o sinal de informação original a partir da portadoramodulada, na sua saída teremos o sinal original; • O ruído: O ruído é uma interferência que ocorre nos sistemas de telecomu- nicações, seus efeitos aparecem somente no receptor, pois normalmente os ruídos são adicionados ao sinal transmitido ainda no canal de transmissão, é claro que existem vários circuitos dentro do receptor que trabalham para eliminar estes ruídos ou, ainda, maneiras de blindar os canais de transmissão contra este problema que afeta os sistemas de telecomunicações. Estes ruídos podem vir até mesmo do sol, pois as explosões que ocorrem em sua superfície geram sinais eletromagnéticos de alta intensidade que afetam as transmissões, o ruído expressa uma relação entre sinal/ruído (SNR – signal to noise ratio), ou a potência do sinal dividida pela potência do ruído, sua unidade de medida é o decibéis (dB); • A atenuação: A degradação do sinal é conhecida como atenuação, esta di- minuição do sinal transmitido durante este processo ocorre em todos os ti- pos de canais de transmissão. Existe também uma seletividade dos canais de transmissão com respeito a frequência do sinal transmitido, assim o meio de transmissão empregado pode se comportar como um filtro passa-baixas, por exemplo (filtro passa-baixa permite a passagem apenas de sinais abaixo da frequência de corte, por exemplo: um filtro passa-baixa com frequência de corte de 10kHZ só permite a passagem de um sinal entre 0 e 10KHZ, quanto mais próximo ao valor de corte, a atenuação vai aumentando, dessa forma é necessário uma amplificação do sinal no transmissor e no receptor); • O Transceptor: Transceptores são equipamentos de comunicação bidirecio- nal, como, por exemplo: telefones, aparelhos de fax, rádios transmissores, celulares e modems de computadores. 10 11 Como vimos anteriormente, a todo momento tratamos de sinais transmitidos etc., mas como estes sinais são transmitidos e como são estes sinais? Iremos tratá- -los a seguir. Os sinais eletromagnéticos que são transmitidos e levam as informações no sis- tema de telecomunicações trafegam por canais que tratamos anteriormente. Estes sinais elétricos podem trafegar de diversas formas, quanto ao sentido de direção que se encaminham, vamos ver algumas modalidades de transmissão de dados a seguir: • Comunicação Simplex: Esta é a forma mais simples de comunicação, por ser unidirecional, ou seja, só envia dados em um sentido, como, por exemplo, no sistema de transmissão de TV convencional, onde o usuário apenas recebe o sinal, sem possibilidade de interação. TX RX Transmissão Simplex Figura 2 – Sistema de transmissão Simplex • Comunicação Full duplex: Neste tipo de comunicação a transmissão ocorre nos dois sentidos simultaneamente, um grande exemplo é o sistema de telefo- nia onde podemos falar e ouvir ao mesmo tempo. TX/RX TX/RX Transmissão Full Duplex Figura 3 - Sistema de transmissão Full Duplex • Half duplex: Na comunicação Half Duplex, a comunicação ocorre de forma bidirecional, sendo que cada lado transmite / recebe de uma vez, como nos sistema de rádio da polícia ou mesmo nos rádios PX . TX/RX TX/RX Half Duplex Figura 4 - Sistema de transmissão Duplex 11 UNIDADE Introdução aos Sistemas Digitais e Princípios de Modulação Sinais Elétricos Utilizados nas Transmissões Sinal analógico O sinal analógico é um sinal elétrico de tensão ou corrente que varia em função do tempo, tanto no valor de frequência quanto no valor da amplitude, podendo ser positivo ou negativo ao passar do tempo, possuem a vantagem de uma maior densidade de sinais e fácil processamento e a desvantagem de sofrer alterações no sinal em forma de distorções e interferências, perda de amplitude no transporte. Tempo Amplitude Figura 5 – Sinal analógico Sinais digitais Os sinais digitais, ao contrário dos analógicos, não variam em função do tempo, ele varia em degraus com valores de amplitude fixo, se alternando entre 0 e 1, seguindo a lógica binária. Tem a vantagem de possuir uma maior qualidade nos da- dos transmitidos, podem ser transmitidos por trechos mais longos e sofrem menor influência das interferências, a desvantagem do sinal analógico fica por conta de erros na digitalização para a transmissão. Sinal Digital 0 0 0 11 Figura 6 – Sinal digital, 0 = 0V e 1 = 5V O sinal analógico também pode ser transmitido de forma digital, desde que seja digitalizado para ser transmitido. 12 13 Tempo Amplitude Sinal Analógico Sinal Digital Figura 7 – Comparação entre sinal analógico e sinal digital Modulação Quando falamos em transmissão de sinais, devemos lembrar do percurso que a informação faz até ser enviada, seja por cabo, antena etc. Analisando a figura 8, podemos ter uma ideia do caminho da informação desde o microfone até a an- tena de transmissão. O sinal, da forma como sai do microfone (transdutor), não pode ser enviado diretamente para a antena e a partir deste ponto para os canais de transmissão. Consequentemente, a informação (voz) captada pelo microfone é transformada em sinal elétrico, em seguida amplificada (Amplificador AF) e injeta- da no modulador onde é misturada a uma forma de onda portadora, gerada pelo oscilador, dando a informação propriedades que são ainda mais convenientes aos meios de transmissão escolhido. Antena Microfone Modulador Oscilador Ampli�cador AF Ampli�cador RF Figura 8 – Sistema básico de um transmissor de rádio A modulação é a alteração sistemática de uma onda portadora de acordo com a mensagem, conhecida como sinal modulante, que devido a sua baixa frequência 13 UNIDADE Introdução aos Sistemas Digitais e Princípios de Modulação deve ser superposta a uma onda portadora de frequência mais alta de tal forma que possa se propagar através dos meios físicos de transmissão. Entrada de áudio 22K 10K 330r 8pF 100pF Antena L1CV1 10nF BF494 220μF +3a9V OV 1 μF Figura 9 – Circuito eletrônico de um transmissor básico de rádio Comprimento de onda representa, em unidades de comprimento, o tamanho de um ciclo completo da onda, é dada pela letra grega lambada Λ, sendo igual a velocidade de propa- gação das ondas no espaço livre dividido pela frequência da onda eletromagnética. Ex pl or A modulação do sinal é importante para facilitar a irradiação, pois para que a irradiação eletromagnética seja eficiente, a antena deve ter no mínimo 1/10 do com- primento de onda . No nosso exemplo, o sinal de áudio que sai do microfone possui baixa frequências e necessitaria assim de uma antena de 300 Km de comprimento. Utilizando-se a técnica da translação de frequência da modulação, este sinal vindo do autofalante pode ser sobreposto em uma onda portadora de alta frequência, permi- tindo uma redução no tamanho da antena. A modulação também é importante para redução de ruído e interferência, designação de frequência, multiplexação (quando se necessita enviar vários sinais simultaneamente) e superar limitações de equipamento. Para que um sistema de comunicação funcione adequadamente, a escolha cor- reta do tipo de modulação é essencial, existem diferentes técnicas de modulação que buscam atender a cada tipo de projeto, devemos sempre levar em conta que do outro lado de um transmissor de rádio vai existir o receptor que opera de forma parecida com o transmissor, assim a modulação escolhida para o transmissor deve ser aplicada ao receptor para que a demodulação ocorra de forma satisfatória. De- modulação é o processo que permite reverter o processo da modulação, é também chamada de detecção, esta parte do circuito eletrônico do receptor detecta a onda portadora modulada e extrair dela a mensagem (sinal modulante). A princípio, temos dois tipos básicos de modulação, modulação digital e mo- dulação analógica, a escolha do tipo correto vai depender do tipo de sinal que se quer transmitir. 14 15 Modulação analógica A modulação analógica também é conhecida como modulação de onda contínua (CW), do inglês Continuos Wave, é uma onda eletromagnética cossenoidal que car- rega umsinal modulante (mensagem) analógico ou contínuo, que varia no tempo sem cortes ou interrupções ao longo do tempo. Existem várias técnicas de modulação para sinais analógico, das quais se destacam: • Modulação em Amplitude AM: Modulação AM é o resultado da variação da amplitude do sinal senoidal, chamado de portadora, e varia em função do sinal a ser transmitido, os métodos de modulação em AM mais conhecidos são: AM DSB-FC, AM DSB-SC, AM SSB, AM VSB Figura 10 – Modulação em AM Fonte: Getty Images • Modulação em Frequência FM: Quando a modulação ocorre alterando ape- nas a frequência do sinal e mantendo a amplitude, damos o nome de mo- dulação em frequência (FM), a modulação em FM é bastante utilizada para transmitir música, voz, rádio bidirecional, devido a qualidade da transmissão. Figura 11 – Modulação em frequência Fonte: Getty Images Modulação digital A modulação digital é também conhecida por modulação discreta ou codificada, utiliza-se apenas o sistema binário para transmissão, ou 0 e1, a diferença entre os sistemas de comunicação digital e analógico são: • no sistema digital existe a transmissão e detecção de um número finito de for- mas de ondas conhecidas (presença (1) ou ausência (0) de um pulso); • no sistemas analógico há um número infinitamente grande de mensagens cujas formas de onda correspondentes não são conhecidas. 15 UNIDADE Introdução aos Sistemas Digitais e Princípios de Modulação Para modulação digital temos as técnicas mais utilizadas atualmente que são: • Modulação em amplitude por chaveamento – ASK: É a técnica de modula- ção mais simples, esta técnica altera a amplitude da onda portadora em função do sinal digital a ser transmitido, mudando o espectro de frequência baixa do sinal binário para uma frequência alta como o da portadora. • Modulação em frequência por chaveamento – FSK: Esta técnica varia a fre- quência da portadora em função do sinal modulante (mensagem), este tipo de modulação é equivalente a modulação em FM quando utilizado sinais analógicos. • Modulação em fase por chaveamento – PSK: A modulação PSK (Phase Shift - Keying) altera a fase da onda portadora em função do sinal digital a ser transmitido ( modulante). Classificação de Sinais e Operações Básicas com Sinais Dentro desta disciplina de Telecomunicações, a palavra sinais aparece com uma frequência muito grande, mas cabe aqui falarmos um pouco mais sobre estes SI- NAIS. Em nosso dia a dia estamos cercados por sinais, sejam eles sinais eletromag- néticos como os que estão espalhados pelo ar a nossa volta, trazendo informações de telefonia móvel, de rádio, comunicação da polícia etc., como o sinal elétrico que chegou até seu receptor de FM e foi transformado em movimento mecânico pelo autofalante, ou, ainda, um sinal de telemetria enviado de um sensor instalado em uma estação meteorológica para o equipamento de controle. Os sinais elétricos são também responsáveis por todo funcionamento de nosso corpo, eles são enviados do cérebro para os nossos dedos, por exemplo, fazendo com que eles se movam conforme nossa orientação, estes sinais também controlam nosso coração e podem ser observados em um exame de eletrocardiograma, por exemplo, como visto na figura 11. Figura 12 – Imagem de parte de um eletrocardiograma em repouso Fonte: Getty Images 16 17 Sinais Unidimensionais e Multidimensionais Os sinais podem ser classificados em: • Unidimensionais: Sinais que tratamos anteriormente como o do eletro são considerados um sinal unidimensional, por ter apenas uma informação incor- porada a ele; • Multidimensionais: Um sinal de televisão (link a seguir) traz várias informa- ções como croma, vertical, horizontal etc., a estes tipos de sinais chamamos de multidimensionais. Imagem de um osciloscópio com sinal elétrico de TV, disponível em: https://bit.ly/2HCYeRj Ex pl or Sinais de tempo contínuo e de tempo discreto Sinais de tempo continuo são sinais que estão definidos em todos os pontos de um intervalo real (figura 13). Sinal analógico e contínuo Processo de amostragem Sinal discretizado Figura 13 – Sinal de tempo continuo Sinais de tempo discreto são sinais que estão definidos apenas em instantes iso- lados de tempo, normalmente, estes sinais só têm valores definidos para instantes de tempo inteiros. Sinais determinísticos e aleatórios Sinais determinísticos são aqueles que podem ser descritos sem nenhuma in- certeza e repetibilidade, um exemplo deste sinal é a forma de onda senoidal pura. Já um sinal é considerado aleatório quando não pode ser descrito com certeza antes de ocorrer, como um sinal de um exame de eletrocardiograma, pois não pode ser previsto com certeza, dado que depende de fatores particulares a cada paciente. Sinais limitados no tempo Sinais limitados no tempo são sinais sem periodicidade definida e concentrados em intervalos de tempo com duração definida. 17 UNIDADE Introdução aos Sistemas Digitais e Princípios de Modulação Sinais elementares Sinais elementares aparecem frequentemente no estudo dos sistemas lineares e de sinais de alta complexidade. Sinais Senoidais eternos Um sinal senoidal é representado por: X(t) = A cos (ω0 t + Φ) • Onde: » A → amplitude; » ω0 → frequência angular, medida em radianos por segundo; » F0 = 2π/ω0 → frequência medida em ciclos por segundo ou Hertz; » Φ → fase medida em radianos. » x(t) → periódico com período: T f0 0 0 2 1 � � � � Exponencial Real A função exponencial real é definida por: X(t) = Aeat Com a = 0, tem-se x(t) = A, que é uma função constante. Para valores de “a” positivos, a função x(t) é crescente com o tempo; e se “a” for negativo, x(t) é uma função decrescente com t. Para saber mais sobre os sinais eletricos, dentro das telecomunicações viiste este material muito completo disponivel em: https://bit.ly/2Wm8lUCEx pl or 18 19 Convolução e Resposta de Sistemas ao Impulso Para sistemas Lineares e Invariantes no Tempo - LTI, pode-se determinar a res- posta temporal a uma entrada arbitrária através da superposição de respostas ao impulso deslocadas no tempo. O sinal de entrada é amostrado de forma impulsiva, ponderando o impulso com o valor instantâneo do sinal de entrada. Para sistemas LTI, cada impulso ponderado pode ser considerado como um sinal de entrada independente no sistema (superposição). Esta superposição das respostas ao impulso ponderadas pelo sinal de entrada é chamada de Soma de Convolução para sistemas de tempo discreto e de Integral de Convolução para sistemas de tempo contínuo. Representação em Domínio de Tempo para Sistemas Lineares Invariantes no Tempo, dispo- nível em: https://bit.ly/2KnVFW9Ex pl or 19 UNIDADE Introdução aos Sistemas Digitais e Princípios de Modulação Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Livros Laboratório de Eletricidade e Eletrônica CAPUANO, F. G.; MARINO, M. A. M. Laboratório de Eletricidade e Eletrônica. 24. Ed. São Paulo: Erica, 2007. Vídeos Transmissor AM rudimentar com 555 | Vídeo Aula #81 https://youtu.be/Wn1AQYUcoQY Modulação FM | Fast Lesson #130 https://youtu.be/NoR0rpsw62I Classificação dos sinais https://youtu.be/2WouZaQ3PUY Me Salva! DTE02 - Convolução no Tempo Discreto (Soma de Convolução) - Sinais e Sistemas https://youtu.be/Sf6MIC8CgdU 20 21 Referências ALENCAR, M. S. Sistemas de Comunicacoes. Sao Paulo: Erica, 2001. CAPUANO, F. G.; MARINO, M. A. M. Laboratório de Eletricidade e Eletrônica. 24. Ed. São Paulo: Erica, 2007. CARLSON, A. B. Communication Systems: An Introduction To Signals And Noise In Electrical Commun. 4. ed. Boston: Mcgraw-Hill do Brasil, 2002. DUARTE, M. A. Eletrônica analógica básica / Marcelo de Almeida Duarte; coor- denação Nival Nunes de Almeida. 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2017. OPPENHEIM, A. V. Signal & Systems. 2. ed. New Jersey: Prentice Hall, 1996. 21
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