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Princípios das Telecomunicações Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Prof. Me. Alexandre Leite Nunes Revisão Textual: Prof. Me. Claudio Brites Princípios de Propagação e Modulação • Introdução à Modulação; • Circuitos Moduladores e Demoduladores AM-DSB; • Modulação Angular; • Mecanismos de Propagação; • Degradações do Sinal; • Noções de Survey. • Estudar os princípios de modulação e propagação. OBJETIVO DE APRENDIZADO Princípios de Propagação e 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 Princípios de Propagação e Modulação Introdução à Modulação Modulação em Amplitude Praticamente todos os sistemas analógicos de comunicação utilizam a modula- ção em Amplitude (AM). O grande exemplo é o da radiodifusão comercial AM e da transmissão de sinais de imagem de televisão (salvo as atuais mudanças para o sistema digital de transmissão), o sistema AM é utilizado desde os anos 1920. A modulação é a transmissão de um sinal de informação através da variação de amplitude, fase ou frequência de uma onda portadora irradiada, a operação de modulação adaptará a mensagem ao meio de transmissão – espaço livre ou suporte físico, conforme visto na Unidade 1 desta disciplina. g(t) g(w) w 0 2 � ��-2 � �� t Figura 1 – O sinal no domínio do tempo (a) e da frequência (b) em e0 fm fm– + fm f0 f f f e Em E0 E0 f0 f0 f0 Espectro Mensagem Espectro Portadora Espectro sinal AM-DSB mE0 2 mE0 2 Figura 2 – Espectros de frequências de uma modulação AM-DSB Modulações de amplitude consistem em variar a tensão (amplitude) de uma por- tadora em função da tensão (amplitude) do sinal modulante (informação). Temos quatro tipos de modulação em amplitude a se destacar: 8 9 • AM-DSB: Dupla banda lateral (double side band); • AM-DSB-SC: Dupla banda lateral com portadora suprimida (double side band suppressed carrier); • AM-SSB: Banda lateral única (single side band); • AM-VSB: Banda lateral vestigial (vestigial side band). A Tabela 1 traz de forma resumida as principais características de cada tipo de modulação AM: Tabela 1 Restrições ao Sinal Modulante Portadora Bandas Laterais Largura Espectral Aplicações DSB Sem restrições Sim 2 2.W Rádio AM DSB/SC Sem restrições Não 2 2.W Não há (fase intermediária) SSB Não deve possuir BAIXAS frequências Não 1 W Rádios em geral (polícia, táxi etc.) Neste material, falaremos apenas da AM-DSB, mas existem vários materiais muito bons sobre os outros tipos, como os livros indicados na referência. A modulação AM-DSB é expressa matematicamente pela seguinte equação: s(t) = [1 + ka.m(t)].c(t) Onde: s(t) = Sinal modulado AM-DSB m(t) = Sinal modulante c(t) = Portadora = Ac.cos(2.p.fc.t) ka = Sensibilidade à amplitude do modulador. Análise Tonal Para que seja possível analisar o comportamento da modulação AM-DSB, con- sideraremos o sinal modulante (mensagem a ser transmitida), sendo único o com- ponente de frequência. Dessa forma, podemos expressá-la por: m(t) = Am.cos(2.π.fm.t), quando fc >> fm. Senso assim, o sinal modulado AM-DSB pode ser expresso da seguinte forma: s(t) = {1 + ka.[Am.cos(2.π.fm.t)]}.Ac.cos(2.π.fc.t) s(t) = Ac.cos(2.π.fc.t) + ka.Am.cos(2.π.fm.t).Ac.cos(2.π.fc.t) s(t) = Ac.cos(2.π.fc.t) + ½.ka.Am.Ac.{cos[2.π.(fc-fm).t]+cos[2.π.(fc+fm).t]} (portadora) (banda lateral inferior) (banda lateral superior) 9 UNIDADE Princípios de Propagação e Modulação Amplitude Banda lateral inferior Portadora Banda lateral superior Figura 3 – Representação das frequências envolvidas Índice de Modulação (µ) Este índice indica o grau de transferência da informação do sinal modulado, de 0% a 100% (0 < m £ 1). Caso o índice de modulação seja maior do que 100% (m > 1), ocorrerá um fenômeno conhecido como sobremodulação. Para se conseguir o índice de modulação AM-DSB, precisamos de um osciloscópio e utilizamos o méto- do do trapézio para se obter uma figura trapezoidal na tela desse, onde poderemos verificar a menor e a maior amplitude do sinal AM-DSB – no menor lado (A), estará representada a menor amplitude do sinal, e o maior lado (B) apresentará a maior amplitude do sinal (Figura 4). +1 –1 0 s(t) t Figura 4 – Imagem do trapézio no osciloscópio Para determinar o índice de modulação matematicamente, devemos usar a fórmula: m 100%B A B A - = ´ + Onde: m = índice de modulação (%); A = amplitude máxima do sinal; B = amplitude mínima do sinal. 10 11 Circuitos Moduladores e Demoduladores AM-DSB Circuitos Moduladores O circuito elétrico da Figura 5 é projetado para realizar a modulação AM-DSB. Pode-se ver claramente os dois sinais de entrada – sinal modulante, em(t), e portado- ra, eo(t) – que se somam no circuito formado por R1, R2 e R3, na sequência. O sinal resultante da soma de eo e em passa por um diodo de sinais (D1) e, em seguida, é injetado no filtro passa-faixa formado por L1 e C1, até sair do circuito como sinal modulado AM-DSB. Devido ao fato de se usar um diodo semicondutor, esse circuito é dito síncrono, pois o diodo conduz/corta em função do sinal de portadora, já que esse sinal possui frequência maior do que o sinal modulante. R1 D1 R5 L1C1 R4R3 R2 + – + – ep em Figura 5 – Modulador síncrono a diodo Circuitos Demoduladores Os circuitos demoduladores têm por função recuperar o sinal modulante (in- formação) contido na portadora modulada, isso, claro, no receptor da informação – como exemplo podemos tomar o sistema de transmissão de rádio AM que es- cutamos em nossos lares, a transmissora de rádio vai ter o transmissor que possui entre seus circuitos eletrônicos o modulador que mistura a voz (sinal modulante) do locutor com a portadora; já em nossa casa, teremos o receptor que chamamos de rádio (receptor) e, dentro dele, como parte dos circuitos eletrônicos, teremos um demodulador, que separa a voz do locutor da portadora. O sinal modulante deve ser obtido com a máxima fidelidade, desse modo, há várias técnicas de demodulação. O circuito elétrico da Figura 6 foi projetado para fazer a demodulação de sinais AM-DSB. O sinal de entrada eAM(t) passa pelo filtro passa-faixa para eliminar os ruídos e as interferências que por ventura possam ter se somado à portadora. Na sequência,o sinal passa por D1, que detectará a envoltória do sinal AM-DSB e, por fim, o sinal passará por um filtro passa-baixa onde será recuperado o sinal original. 11 UNIDADE Princípios de Propagação e Modulação eAM(t) es(t) C1 L1 C2 C3 C4 D1 R2 R1 C5 1n 470H 1n 1n 15n 4,7k 3,9n 1N60 2,2k Figura 6 – Circuito demodulador Modulação Angular Como vimos anteriormente, podemos modular um sinal em amplitude, mas também é possível modular os sinais em frequência, ou FM, contudo, quando al- teramos a frequência de um sinal, por consequência, alteramos também sua fase e, por esse motivo, chamamos a modulação em frequência também de Modulação Angular. Uma das grandes vantagens do uso do FM em relação à AM está na imu- nidade a interferências e aos ruídos. Modular um sinal em frequência consiste em variar a frequência de uma porta- dora com um sinal de baixa frequência (modulante), assim o valor da portadora será diretamente proporcional à intensidade do sinal modulante (informação), ou seja, a intensidade do sinal modulante fará a frequência da portadora variar. Mecanismos de Propagação Para que um sinal de rádio possa alcançar seu objetivo, o receptor, esse precisa percorrer grandes distâncias e passar por diversos obstáculos. Dessa forma, o pro- blema da propagação das ondas eletromagnéticas está basicamente em determinar com quanto de potência o sinal está chegando na entrada de um receptor em um determinado ponto. Para isso, precisamos conhecer de onde esse sinal parte e ba- sicamente até onde queremos que ele vá. Para chegar e se propagar, esse sinal terá que enfrentar diferentes situações, como descrito a seguir. Na Terra, a propagação depende da geometria do terreno, das construções, da vegetação e das características elétricas do solo, a ionosfera dependerá da ioniza- ção do ar provocada pela da radiação solar e do índice de refração, além de outros fatores não abordados neste material. Dentro desses fatores e ambientes tratados, estão basicamente três fenômenos de propagação, são eles: 12 13 Re�exão Especular Refração Difusão ou Re�exão Difusa Absorção Figura 7 – Fenômenos de propagação • Reflexão: É o fenômeno que opera quando a onda eletromagnética incide na superfície de separação de dois meios. Uma parte da energia é refletida e a outra é transmitida, pois consegue penetrar o segundo meio. O quanto de energia cada parte possui é calculada através dos coeficientes de reflexão e transmissão. Esse coeficiente depende das propriedades elétricas dos meios em que a transmissão ocorre, da frequência, da polarização da onda e do ân- gulo com que o sinal atingiu o meio de separação; • Difração: Esse fenômeno é responsável pela existência de energia na região de não visibilidade de um obstáculo. A intensidade do campo difratado apre- senta um valor sempre inferior ao que seria obtido em espaço livre; • Espalhamento: Esse fenômeno ocorre quando o sinal transmitido encontra obstáculos no meio onde se propaga com dimensões iguais ou inferior ao com- primento de onda. Esses obstáculos podem ser, por exemplo, a chuva, sinais de trânsito, fios da rede elétrica. Degradações do Sinal Todo sinal transmitido perde intensidade no percurso que segue devido a vários fatores, além de ser influenciado por diversos ruídos. Mas, para ocorrer a comuni- cação, é necessário que a informação transmitida seja compreendida no destino da mesma forma que na fonte. Os fatores que mais podem prejudicar a comunicação estão listados a seguir. Terra r = Raio aparente do Sol 0,25º A = Largura de feixe da antena terrestre x = Ângulo de interferência Interferência do Sol Satélite Sol × r Movimento aparente do Sol Início Fim Interf. máxima Apontamento da antena Figura 8 – Interferência dos raios solares nas telecomunicações Fonte: Adaptado de Getty Images 13 UNIDADE Princípios de Propagação e Modulação • Atenuação: Uma das degradações que o sinal sofre é sua atenuação ou di- minuição de potência, que ocorre devido a perdas no meio em que o sinal se propaga, por exemplo, por influência dos raios solares. • Distorção: Normalmente ocorre no transmissor, receptor ou canal, causada pelas variações no nível do sinal, da frequência ou da fase do sinal. • Interferência: Quando o canal de comunicações sofre a incidência de sinais estranhos gerados por outros canais de comunicação ou sistemas, como linhas de transmissão de energia elétrica ou máquinas com motores de alta potência ou chateadores a tiristorisados. • Ruído: O ruído normalmente é aleatório e gerado por sinais elétricos naturais como ruído atmosférico e ruído térmico. Outro fator que influencia na propa- gação dos sinais são as condições climáticas, esses fatores determinam prin- cipalmente as distâncias dos percursos e níveis de atenuação, por exemplo, a chuva, provoca atenuação por absorção de energia, na forma de aquecimento ou espalhamento. Noções de Survey Uma das principais atividades que um profissional de telecomunicações possui é o Projeto de RF, onde alterações físicas na rede serão executadas. Dentro dos projetos executados por esse profissional, talvez o mais importante é o levantamen- to de locais para instalação de novos sites (locais onde serão implantadas novas antenas). Logo de início é necessário se definir a região dos novos sites e fazer o levantamento dos Pontos Candidatos, que são pontos próximos aos locais definidos anteriormente, onde seja possível instalar novos sites. Nessa parte do projeto, cha- mada de Site Survey ou “pesquisa de site”, entre outras variações de nomes, uma má escolha dos pontos pode terminar em uma baixa performance do sistema, ou em grandes gastos com equipamentos para atender a uma mesma região. Conceitos do Survey Os conceitos básicos do Site Survey são bastante básicos, com destaque para a busca pelo melhor local para se instalar o novo site ou possíveis candidatos, que devem estar localizados dentro de uma região conhecida como Search Ring. Com os dados levantados, deve-se criar um relatório onde se deve indicar a prioridade de cada um dos pontos. Em outras palavras, o Site Survey é uma ferramenta de pesquisas utilizado na área de Telecom para organizar e sistematizar os processos que envolvem o projeto e as modificações necessárias nos sistemas de comunicação. O Surveys é uma fer- ramenta de pesquisas bastante utilizada em outra áreas do conhecimento. 14 15 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 Fenômeno da Difração – Brasil Escola https://youtu.be/ANdYomBQL8U Modulação FM https://youtu.be/NoR0rpsw62I Modulação em Amplitude https://youtu.be/8KyVb8gWmps Monte um Circuito Modulador AM https://youtu.be/fD8VIfTwcvo Simulação de propagação de Onda Eletromagnética https://youtu.be/azyM79yoqn8 Ondas e Fenômenos Ondulatórios https://youtu.be/2EqhCpXals8 Leitura Como fazer um Site Survey de RF? (Dicas e Melhores Práticas) https://tinyurl.com/yxjg48bf 15 UNIDADE Princípios de Propagação e Modulação Referências ALENCAR, M. S. Sistemas de Comunicações. São 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, Marcelo de Almeida. Eletrônica analógica básica. 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2017. OPPENHEIM, A. V. Signal & Systems. 2. ed. New Jersey: Prentice Hall, 1996. 16
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