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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DISCIPLINA: SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES I TELEFONIA Professor: Fred Sizenando Rossiter Pinheiro Monitora: Daiane Angélica dos Santos 2 SUMÁRIO 1. Histórico da Telefonia ....................................................................................... 05 1.1. Histórico da Telefonia no Brasil ......................................................... 07 1.2. Evolução da Telefonia Fixa em Natal RN (Telern-Telemar) .............. 11 2. As normas das concessões e a qualidade do serviço ...................................... 13 2.1. Alcance das redes de telecomunicações ........................................... 15 3. Fundamentos de Acústica ................................................................................ 21 3.1. Voz X Audição .................................................................................... 21 3.2. Inteligibilidade .................................................................................... 22 3.3. Transformação de Energia Acústica em Energia Elétrica .................. 23 3.4. Transformação de Energia Elétrica em Energia Acústica .................. 24 4. Unidades de Medidas em Telecomunicações .................................................. 25 4.1. Relação de Potências e quadripolos .................................................. 25 4.2. Decibel ............................................................................................... 26 4.3. dBm .................................................................................................... 29 4.4. dBu ..................................................................................................... 31 4.5. dBr ..................................................................................................... 33 4.6. Outras unidades logarítmicas ............................................................ 34 4.7. O desafio da Transmissão telefônica em fios de cobre ..................... 35 5. Voip e Telefonia IP ........................................................................................... 40 6. Conceitos Elementares de Comutação ............................................................ 43 6.1. Nós e Arcos ....................................................................................... 43 6.2. Modelo elementar de comunicação ................................................... 43 6.3. Introdução às centrais telefônicas ...................................................... 45 6.4. Centrais Telefônicas Manuais ............................................................ 46 6.5. Automatização das Comutações ....................................................... 47 6.5.1. Centrais Eletro-mecânicas .................................................. 48 6.5.2. Centrais Eletrônicas ............................................................ 49 6.5.3. Centrais Digitais .................................................................. 49 7. Sistemas Telefônicos Públicos ......................................................................... 51 7.1. Centrais Locais .................................................................................. 51 7.2. Centrais Tandem ................................................................................ 56 7.3. Centrais Mistas .................................................................................. 58 7.4. Centrais de Trânsito ........................................................................... 59 7.5. Hierarquias Entre Centrais ................................................................. 60 7.6. Diferentes Entroncamentos de Circuitos – Rotas .............................. 61 7.7. Sistema de Telefonia no Rio Grande do Norte .................................. 62 7.8. ELR ou URA’s .................................................................................... 64 7.9. Estação Telefônica Local e Interurbana ............................................ 66 8. Características da Rede Telefônica .................................................................. 69 8.1. Rede de Assinantes (Rede de Acesso) ............................................. 69 8.1.1. Tipos de Redes de Acesso .................................................. 71 8.1.1.1. Redes Rígidas ....................................................... 71 8.1.1.2. Redes Flexíveis ..................................................... 72 8.1.1.3. Redes Múltiplas ..................................................... 73 8.1.1.4. Linha Privada ........................................................ 74 8.2. Elementos das Redes de Acesso ...................................................... 74 8.2.1. Blocos de Terminação ......................................................... 74 8.2.2. Fio Jumper ou FDG ............................................................. 75 8.2.3. Distribuidor Geral (DG) ........................................................ 75 8.2.4. Caixa de DG ........................................................................ 78 8.2.5. Caixa de distribuição ........................................................... 78 8.2.6. Caixa Subterrânea .............................................................. 78 8.2.7. Armário de Distribuição ....................................................... 79 3 8.2.8. Cabo Primário ...................................................................... 79 8.2.9. Cabo Secundário ................................................................. 79 8.3. Cabos e Fios Telefônicos ................................................................... 80 8.4. Degenerações do Sinal de Áudio ....................................................... 80 8.4.1. Atenuação ........................................................................... 80 8.4.2. Linha Condicionada (pupinização) ...................................... 83 8.4.3. Ruído Branco ....................................................................... 85 8.5. O Aparelho Telefônico ........................................................................86 8.5.1. Circuito de áudio .................................................................. 87 8.5.2. Processador de chamadas .................................................. 88 8.5.3. Circuito de Campainha ou Ring (Tone Ring) ....................... 89 8.5.4. Principais parâmetros para avaliação dos cabos ................ 90 9. Sinalização ....................................................................................................... 90 9.1. Sinalização de Assinante ................................................................... 91 9.1.1. Tom de Discar (TD) ............................................................. 91 9.1.2. Tom de Chamada (TC) ou Tom de controle de Chamada .. 92 9.1.3. Tom de Ocupado (TO ou LO) .............................................. 92 9.1.4. Tom de Número Inacessível (TNI) ....................................... 93 9.1.5. Corrente de Toque (CT) ...................................................... 93 9.1.6. Outros tipos ......................................................................... 93 9.2. Sinalização de Linha .......................................................................... 93 9.2.1. Tipos de Sinalização de Linha ............................................. 94 9.2.2. Descrição dos Sinais ........................................................... 94 9.3. Sinalização de loop ............................................................................ 95 9.4. Sinalização E & M Pulsada ................................................................ 96 9.5. Sinalização E & M Contínua ...............................................................97 9.6. Sinalização de Registro ......................................................................979.6.1. Sinalização Decádica .......................................................... 97 9.6.2. Sinalização Multifreqüencial Compelida ou MFC ................ 98 9.6.3. Sinalização DTMF e MFP ................................................... 103 10. Centrais privadas de Comutação telefônica (CPCT) ..................................... 103 11. Sistemas Multiplex .......................................................................................... 104 11.1. Modos de operação de um meio de transmissão ............................ 104 11.2. Conceito de Canal e Circuito ............................................................ 105 11.3. Circuitos a 2 Fios e a 4 Fios ............................................................. 106 11.4. Dispositivos Híbridos ........................................................................ 107 11.5. Conceito de Multiplexação ............................................................... 108 11.6. Tipos de Multiplexação .................................................................... 110 11.6.1. Técnica digital .................................................................... 110 11.6.2. Técnica analógica .............................................................. 110 12. Multiplexação FDM – Frequency Division Multiplex …………………………... 110 12.1. Canal Multiplex ................................................................................ 110 12.1.1. Representação Convencional ............................................110 12.1.2. Tipos de Canais Multiplex .................................................. 111 12.2. Translação ou conversão de freqüências ........................................ 112 12.3. Modulação e Demodulação ............................................................. 112 12.3.1. Tipos de Modulação .......................................................... 113 12.4. Modulação em amplitude ................................................................. 114 12.4.1. Representação matemática do sinal modulado .................115 12.4.2. Percentagem de Modulação .............................................. 115 12.4.3. Faixas Laterais .................................................................. 117 12.4.4. Distribuição de Potência na Modulação em Amplitude ..... 118 12.4.5. Principais Processos de Modulação em Amplitude ........... 119 12.5. Demodulação em Amplitude ............................................................ 121 12.6. Princípio Básico do Multiplex por Divisão de Freqüência (FDM) ..... 122 4 12.7. Banda Básica ................................................................................... 124 12.7.1. Conceito .............................................................................124 12.7.2. Estágios de Translação ..................................................... 125 12.7.3. Procedimento ..................................................................... 125 12.8. Representação das Bandas Básicas ............................................... 128 12.9. Sistemas de Transmissão Multiplex via Rádio ................................. 130 12.10. Representação de transmissão Multiplex ...................................... 135 Bibliografia ......................................................................................138 5 1. HISTÓRICO DA TELEFONIA Em todas as épocas, cada vez mais o homem tem procurado aprimorar a comunicação, fator primordial para escrever a sua própria história. Nos tempos mais remotos, a linguagem na forma de sons guturais foi único meio existente de exprimir idéias e pensamentos de uma pessoa para outra. Essa forma de comunicação foi desenvolvendo-se com o tempo, algumas em uso até hoje, sendo a mais importante forma de comunicação existente. A comunicação elétrica começou com a invenção do telégrafo, por Wheatstone e Morse em 1837, o qual se expandiu por todo o mundo. A Telegrafia é uma comunicação codificada (digital) direcional e que no Brasil teve na figura do marechal indianista e pacifista Cândido Mariano Rondon o seu grande implantador, especialmente na região norte do país. Naquela época, a única maneira de ampliar a voz era colocando as mãos ao redor da boca, em forma de cone, a fim de concentrar as ondas sonoras em direção ao ouvinte. Foi daí que surgiu a idéia de construção do Megafone, em forma de um grande cone, muito usado na comunicação de curta distância. Um outro aparelho inventado, baseado nos mesmos princípios, foi a trombeta de ouvido. Esse aparelho captava as ondas sonoras de uma área relativamente extensa e as concentrava no ouvido. Os esforços do homem para vencer a dissipação das ondas sonoras levaram- no à construção de túneis sonoros entre prédios medievais. Um moderno avanço dessa idéia é o tubo falante, usado em muitas casas e prédios antigos. Com a evolução, foi necessário que a voz fosse transmitida entre cidades; o meio científico percebeu que a resposta ao problema não estava na utilização da força bruta, num esforço para ampliar o campo de ação da comunicação da voz. Muitos estudiosos, cientistas e inventores tiveram uma idéia do que seria necessário para providenciar a resposta à procura de um melhor meio de transmitir a comunicação da voz. A invenção do telefone é atribuída a Alexander Graham Bell (1847-1922), que em 1876 requereu a patente de sua invenção, denominada na época de “melhoramento da telegrafia”. 20 anos antes, o francês Charles Bourseul (1829 – 1912), já havia mostrado o princípio da telefonia elétrica: uma placa móvel, interposta num circuito cortado por suas vibrações acústicas, poderia gerar uma corrente que, agindo à distância sobre outra placa móvel, poderia reproduzir a voz que fizesse vibrar a primeira placa. Em 1861, o físico alemão Philip Reis (1834-1874) construiu uma engenhoca baseada no princípio anunciado anteriormente, mas que só transmitia tons musicais e não era capaz de reproduzir a intensidade ou timbre da voz humana. O transmissor consistia em um diafragma que vibrava com a pressão sonora, como mostra a Figura 1.1. Figura 1.1 - Fenômeno batizado de “Page Effect No centro desse diafragma havia um contato de platina que fechava ou abria de acordo com as vibrações. Em série com esse contato era colocada uma bateria e uma espécie de bobina enrolada num material previamente magnetizado, que com a variação da corrente elétrica produzia um fenômeno chamado de Page Effect. Nesse 6 fenômeno, as linhas de forças do campo magnético do material são alongadas quando o sentido da corrente na bobina é um, quando o sentindo é outro, o campo magnético é comprimido. Com o alongamento e a compressão, produzia-se sons fracos no material magnetizado, na verdade a invenção serviu apenas para produzir tons musicais. Porém, só Bell conseguiu transmitir a primeira mensagem telefônica e em 14 de fevereiro de 1876, na cidade de Washington, um procurador seu deu entrada no pedido da patente, cujo diagrama é mostrado na Figura 1.2. Figura 1.2 – Diagrama da invenção de Bell apresentado no escritório de patentes Poucas horas antes, no United States Patent Office, Elisha Gray (1835 – 1901), também requereu patente de outro invento contendo a mesma finalidade. Outros inventores e Gray entraram na Justiça contra Bell e depois de longa batalha judicial, Bell acabou por ganhar a causa e entrara para história como inventor do telefone. O invento de Bell foi o primeiro a utilizar uma corrente contínua cuja intensidade variava de acordo de acordo com as vibrações de uma membrana. Seu aparato, Figura 3, era transmissor e receptor ao mesmo tempo, sendo constituído por um ímã permanente sobre o qual se enrolava uma bobina e cuja armadura era formada por uma membrana de ferro. Ligando-se por meio de um fio as bobinas dos eletroímãs dos dois aparelhos, tinha-se um Telefone.Figura 3 – Primeiro telefone As vibrações da voz humana faziam deslocar-se a membrana conjugada com o ferro onde uma variação do fluxo magnético produzia uma corrente no circuito (Lei de Faraday). Essa corrente provocava o deslocamento da armadura do aparelho receptor, reproduzindo com as vibrações, transmitindo assim a voz humana. O deslocamento da membrana era de pequena amplitude e Bell só conseguia o alcance de mais ou menos uns 200 metros. Bell tentou vender sua patente para a Western Telegraph Company por 100.000 dólares e não conseguiu; a empresa recusou sua oferta, porém um ano depois, reconsideraram e ofereceram ao inventor a quantia de 25 milhões de dólares à 7 vista, prontamente recusada por Bell, que conseguiu empréstimos bancários e criou uma das maiores empresas do mundo, a BELL TELEPHONE CO. 1.1. Histórico da Telefonia no Brasil O Brasil ainda era uma monarquia agrícola quando D. Pedro II visitou a Exposição de Tecnologia na Filadélfia (EUA), em 1876, teve o prazer de ser o primeiro Chefe de Estado a falar num telefone e em 1877. Ao voltar da viagem aos Estados Unidos e Europa, mandou instalar os primeiros telefone no Palácio de São Cristóvão. Era uma linha telefônica entre as Forças Armadas e o Quartel dos Bombeiros. Em 15 de Novembro de 1879, D. Pedro II criou a Companhia Telephonica do Brasil, cujas ações eram controladas pela Western Telegraph Company, a primeira concessionária da telefonia no Brasil. Linha do Tempo da telefonia no Brasil: 1877 – D. Pedro II manda trazer dos Estados Unidos o primeiro telefone para ser instalado no Palácio Imperial de São Cristóvão. 1889 – É dada a primeira concessão de uma linha telefônica no Brasil, sendo instaladas também linhas telefônicas de aviso de incêndio com a central de bombeiros. 1893 – Já existiam no Rio de Janeiro 5 centrais telefônicas manuais com 1000 assinantes cada uma, e viabilizaram a primeira linha telefônica interurbana interligando o Rio com Petrópolis. 1904 – Primeiros telefones em Natal. 1922 – O Rio já dispunha de 30.000 linhas instaladas, para uma população de 1.200.000 habitantes.Natal,com população de 45.000 habitantes, tem apenas 40 telefones 1923 – É constituída a primeira companhia telefônica, a CTB (Companhia Telefônica Brasileira) 1932 – É criada a Repartição de Serviços Públicos e a Telefonia em Natal é estatizada juntamente com Energia elétrica, Bonde e Lixo. João Sizenando Pinheiro é o primeiro diretor. São 40 assinantes em Natal. Central operada por telefonistas funciona na Ribeira. 1939 – É inaugurada a primeira estação telefônica automática, tendo sido instaladas até então um total de 100.000 linhas de assinantes. 1945 – Já havia cerca de 1.000.000 de terminais no Brasil, operados por 800 empresas particulares, onde 75% dos serviços eram prestados pela CTB nos estados do Rio, São Paulo, Minas Gerais e Espírito Santo. A presença militar americana no RN provoca expansão de terminais :Natal passa a ter 400 linhas incluindo as implantadas na Base de Parnamirim. Até 1962 – O Brasil sofreu uma estagnação no crescimento da Telefonia, com pouca oferta de linhas para a população. Eram muito freqüentes os congestionamentos dos serviços telefônicos. As comunicações internacionais estavam nas mãos das operadoras estrangeiras Western Telegraph, Radional, Italcable e Radiobrás. As únicas operações de telecomunicações em mãos do Estado eram a telegrafia, operada pelos Correios, e algumas emissoras de radiodifusão de alcance nacional. A situação geral sob o domínio de seis empresas estrangeiras revelou-se um desastre de ineficácia 1962 – Cria-se o CONTEL (Conselho Nacional de Telecomunicações), órgão subordinado diretamente à Presidência da República, destinado a coordenar, supervisionar e regulamentar as telecomunicações no país. 1963 – É inaugurada a TELERN Companhia Telefônica do RGN, empresa estadual cujos objetivos principais são: ampliar a telefonia na capital e implantar a 8 comunicação interurbana envolvendo as principais cidades do interior do estado. Governo de Aluísio Alves. 1965 - Cria-se a EMBRATEL (Empresa Brasileira de Telecomunicações) com a finalidade de implantar e implementar os sistemas de longa distância no Brasil, para interligar as capitais e grandes cidades entre si. É criado também o DENTEL (Departamento Nacional de Telecomunicações), tendo como função a execução e fiscalização das normas e diretrizes editadas pelo CONTEL. Estabeleceu-se uma sobretaxa de 30% nas tarifas normais, com o propósito de se financiar a EMBRATEL através do Fundo Nacional de Telecomunicações. 1967 – O governo cria o Ministério das comunicações para fixar a política nacional das telecomunicações, assumindo a coordenação central do crescimento de toda a Rede Nacional de Telefona, dos Correios e da Radiodifusão. 1972 – O Ministério das Comunicações cria a TELEBRÁS, emprese de capital misto, reduzindo o número de empresas prestadoras de serviços para 28, praticamente uma para cada estado e território do país. Com sua criação, a TELEBRÁS começou a contribuir de forma expressiva para o crescimento do plano de expansão nacional. AS Operadoras estaduais foram quase todas absorvidas pela Telebrás, a TELERN passou a denominar-se Telecomunicações do Rio Grande do Norte S.A. empresa de economia mista onde o principal acionista era a Telebrás, Ministério das Comunicações. 1985 – O setor das telecomunicações tem uma taxa de crescimento econômico da ordem de 7,5% sendo considerada por especialistas como a maior do mundo, atingindo um índice de 96% na nacionalização dos equipamentos industrializados pr empresas do setor. 1988 – Adotado o padrão AMPS pela TELEBRÁS para a telefonia celular 1990 – Tem início o primeiro serviço móvel celular do Brasil, no Rio de Janeiro. 1992 – O Brasil chega a instalar 14 milhões de linhas telefônicas, atingindo a proporção de 10 telefones para cada 100 habitantes e a TELEBRÁS é afiliada como membro internacional da CTIA. 1994 – A TELEBRÁS consegue cobrir com a telefonia celular todas as capitais dos Estados e cerca de 250 cidades do país, Natal foi a segunda capital nordestina a ter telefonia móvel celular. 1997 – O Brasil fecha o ano com cerca de 4,3 milhões de terminais celulares em operação 1998 – A TELEBRÁS é privatizada. Empresa Consórcio Comprador Valor da aquisição(US$ bilhões) Embratel MCI 2,29 Telesp (S.Paulo) Telefónica, Iberdrola, Banco Bilbao Vizcaya, RBS (Brasil), Portugal Telecom 5,00 Tele Centro Sul (Paraná, Santa Catarina, Mato Grosso do Sul, Mato Grosso, Goiás, Distrito Federal, Tocantins, Rondônia e Acre) Telecom Italia, Banco Opportunity (Brasil) 1,80 Telemar (Rio de Janeiro, Minas Gerais, Espírito Santo, Bahia,RN e outros estados do Nordeste, Amazonas, Pará, Roraima e Andrade Gutierrez, La Fonte, Inepar, Brasil Veiculos, Macal (todas brasileiras) 3,00 9 Amapá) Telesp Celular (São Paulo) Portugal Telecom 3,10 Tele Sudeste Celular (Rio de Janeiro, Espírito Santo) Telefónica, Iberdrola, NTT Mobile, Itochu 1,20 Telemig Celular (Minas Gerais) Telesystems International, Banco Opportunity 0,66 Tele Celular Sul (Paraná, Santa Catarina, Rio Grande do Sul) Organizações Globo (Brasil), Banco Bradesco (Brasil), Telecom Itália 0,61 Tele Norte Celular (Amazonas, Pará, Roraima, Pará, Maranhão) Telesystems International, Banco Opportunity 0,16 Tele Centro Oeste Celular (Acre, Distrito Federal, Goiás, Mato Grosso, Mato Grosso do Sul, Rondônia, Tocantins) Splice do Brasil 0,38 Tele Leste Celular (Bahia, Sergipe) Telefónica, Iberdrola 0,37 Tele Nordeste Celular (seis estados do Nordeste: Alagoas, Ceará, Pernambuco, Paraíba, Piauí, Rio Grande do Norte) Organizações Globo, Banco Bradesco, Telecom Itália 0,58 Total 19,15 O processo de privatização criou ainda 10 empresas-espelho de telefonia celular para operar nabanda B, competindo com as oito originalmente existentes. Atualmente operam também duas empresas nas bandas D e E (ambas com padrão GSM). Três empresas-espelho de telefonia fixa e uma operadora-espelho de longa distância (a Intelig, espelho da Embratel) foram também autorizadas a operar. A Telebrás detinha 77% do capital das empresas do sistema, e o governo federal era dono de 19,26% dessa porção - ou seja, o leilão de julho de 1998 vendeu 14,8% do valor total das empresas do sistema Telebrás - esta porcentagem correspondia a 51,79% do total de ações com direito a voto do sistema, ou 64,4 bilhões de ações. O total da venda dos 14,8% mencionados acima foi de US$19,15 bilhões. A tabela anterior resume as aquisições. A preparação para o processo de privatização envolveu o desmembramento do sistema Telebrás em doze empresas, sendo três de telefonia fixa, oito de telefonia celular e uma de comunicação de longa distância. Assim, as operadoras de celular foram separadas das empresas de telefonia fixa, formando-se oito empresas regionais que operam telefonia celular na banda A, todas privatizadas em 1998. Evolução do número de Acessos Fixos no Brasil (Milhões) Ano Acessos Instalados Acessos em Serviço 2006 51,2 38,8 10 2005 50,5 39,8 2004 50,0 39,6 2003 49,8 39,2 2002 49,2 38,8 2001 47,8 37,4 2000 38.3 30,9 1999 27.8 25,0 1998 22.1 20,0 1997 18,8 17,0 1996 16,5 14,8 1995 14,6 13,3 1994 13,3 12,3 Observa-se estagnação no total de acessos em serviço em 2006 comparado a 2005, isso decorre principalmente da grande expansão efetuada na telefonia fixa entre 1999 e 2001 e também da concorrência com as linhas celulares, cujos preços e tarifas têm sido reduzidos de forma bem mais acentuada. A expansão ocorrida na telefonia fixa não foi uma mera demonstração de eficiência da privatização da Telebrás e suas Operadoras. É preciso salientar que o modelo de regulação imposto no governo FHC (controlado pela ANATEL) obrigava as Operadoras ao atingimento de metas rigorosas de atendimento de demanda e qualidade de serviço mesmo em pequenas localidades. O atendimento dessas metas é que permitiria a Operadora de prestar novos serviços, isso ocorreu, por exemplo, com a Telemar na região nordeste-leste-norte , proporcionando á mesma a prestação conseqüente do serviço de telefonia móvel celular através da Oi a partir de 2002. A receita bruta das operadoras de Telefonia fixa no Brasil apresentou um crescimento de apenas 2% em 2006. A receita na telefonia local cresceu -1,4% e a de longa distância -4,6%. No total o crescimento só foi positivo devido à receita de comunicação de Dados (Banda Larga) que apresentou um crescimento de 25% em 2006. 11 1.2. Evolução da Telefonia Fixa em Natal RN (Telern- Telemar) 12 Existem cerca de 85 URAs (Unidades Remotas de Assinantes) vinculadas às Centrais-Mães acima apresentados espalhadas em Natal, garantindo para mais de 70% dos assinantes uma distância em par metálico máxima de 1 Km . Nos entroncamentos ópticos predominam os sistemas SDH, STM-1 ou STM-4 com taxas de 155,2 e 622 Mbps. Evolução dos Serviços de Telecomunicações 1870 1970 1990 2006 Internet banda larga Home Shopping Reconhecimento de Voz Telecomandos Disqueamizade Telealarmes 13 Serviços Suplementares Telemetria Ligação à cobrar Serviços 0800 Serviços 0800 Radiofone Home Banking Home Banking Telex Telefone com fichas Internet Celular Telefonia Facsimilie Telex Dados Dados Telegrafia Telegrafia Telefonia Facsimilie Telefone a cartão Telefone a cartão Telegrafia Telefonia Paging Comunicações Móveis Telegrafia Satélite Voice Banking Satélite Telex Vídeo conferência Serviços Suplementares Facsimilie Satélite Telefonia Paging Telegrafia TV a Cabo TV a Cabo Facsimilie Telefonia Telegrafia Disqueamizade Fax colorido Telemedicina Evolução dos serviços de telecomunicações. Fonte: Telecommunications Switching Traffic and Networks, J.E. Flood, Prentice Hal International,2005. A Tabela anterior ilustra sinteticamente a evolução dos serviços de telecomunicações (só são citados os principais, mas existem outros). 2. AS NORMAS DAS CONCESSÕES E A QUALIDADE DO SERVIÇO Até a privatização, o poder do setor estava centrado no Ministério das Comunicações, organismo controlador da Telebrás e da empresa estatal de correios (EBCT). Desde a criação da Telebrás não se via uma mudança tão significativa na estrutura de poder do setor no Brasil quanto a aprovação da emenda constitucional de agosto de 1995, que aboliu a perpetuidade do monopólio federal das telecomunicações. A preparação legal para o processo de privatização culminou com a Lei Geral das Telecomunicações, de 1997 (Lei 9.472). Uma das mudanças significativas na estrutura de regulação e controle foi a criação da Agência Nacional de Telecomunicações, Anatel (outubro de 1997), órgão regulador federal das telecomunicações concebido nos moldes da Federal Communications Commission (FCC) dos EUA. De fato, entre as obrigações da Anatel estão: • aprovar, suspender e cancelar concessões; • regulamentar os procedimentos de licenciamento e prestação de serviços; • fiscalizar o funcionamento das concessionárias; • gerenciar os espectros de telecomunicações, incluindo equipamento em órbita; • certificação de produtos e equipamentos. 14 Nos últimos anos do monopólio Telebrás, a “holding” passaria a ser conhecida não por sua missão formal (estender os serviços públicos de telecomunicações a todos os brasileiros), mas por sua ação na prática: restringir ou mesmo reprimir a demanda. A deterioração dos serviços, particularmente de telefonia, combinada com a impossibilidade na prática de obter melhora de serviços através de ações legais dos consumidores - havia uma única empresa provedora de serviços, que também era a reguladora da concessão - favoreceu os argumentos pró-privatização em um contexto de uma imensa demanda frustrada em que só era possível obter linhas fixas ou ativação celular a curto prazo no mercado paralelo de linhas telefônicas. De certo modo reproduzia-se a mesma situação de quando a telefonia estava em mãos de operadoras estrangeiras ou de pequenas empresas privadas - só que num cenário de escala muito maior e de grandes mudanças tecnológicas no setor a nível mundial. Alguns dos argumentos que serviram para a estatização de 1962 em diante, serviam agora para a reprivatização dos serviços. A Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel) foi instalada com a missão de viabilizar um novo modelo para as telecomunicações brasileiras, principiando com a definição e a execução do processo de privatização do Sistema Telebrás. Com a privatização, o papel fundamental da Anatel passou a ser o de regulamentação, outorga e fiscalização de serviços de telecomunicações no país. As concessionárias passaram então a responder perante a Anatel pela qualidade dos serviços e pelas metas estabelecidas nos contratos de concessão. Estão entre as determinações nos contratos: prazos máximos para instalação e reparo de linhas a partir da solicitação do ciente;distribuição de orelhões em todas as áreas de localidades acima de 500 habitantes, índice de perda de chamadas por congestionamento máximo adimitido em torno de 3%,etc. Todas as localidades com pelo menos 100 habitantes morando numa mesma área devem ter um telefone público para atendimento. Não é surpresa saber que uma das tarefas da Anatel tem sido multar as concessionárias por não cumprimento das metas de qualidade e extensão dos serviços. Note-se que algumas das empresas transnacionais controladoras de serviços no Brasil são também multadas em seus países-sedes. De acordo com El País (22 de julho de 2000) a Telefónica acumulava na época, na Espanha, por exemplo,um total de aproximadamente US$20 milhões em multas entre fevereiro de 1995 e julho de 2000, por falhas como atraso na entrega de linhas, cobrança indevida, obstáculos ilegais à entrada de competidoras, quebras de contrato e outras. Lamentavelmente a quantidade de engenheiros no quadro da ANATEL é ainda muito restrita o que limita a ação do referido órgão. No Brasil, o Instituto de Defesa do Consumidor (Idec) de São Paulo já recebeu desde a privatização mais de 110 mil reclamações sobre serviços de telefonia. O Idec estima que há pelo menos uma nova reclamação chegando aos órgãos de defesa do consumidor do país contra concessionárias de telefonia a cada 15 minutos. Neste contexto, é possível que as metas da Anatel (ver abaixo) não cheguem a ser alcançadas nos prazos estipulados. E há um agravante: além da duvidosa qualidade do serviço, as curvas de crescimento de demanda estão se achatando em um país de extrema concentração de renda e, somente pelas leis do mercado, é muito provável que não haverá consumidores suficientes para pagar por 120 milhões de linhas (entre linhas fixas e móveis) em 2007. 15 2.1. Alcance das Redes de Telecomunicações no Brasil Telefonia fixa A tabela abaixo mostra a escala da telefonia brasileira em números absolutos e relativos, incluindo projeções a partir de dados da ANATEL até o ano de 2005. É importante destacar a importância da participação do governo através da ANATEL como órgão regulador. As Operadoras têm que atender diversas metas de universalização e de qualidade de serviço para poder prestar novos tipos de atendimentos. Dessa maneira, a Telemar, por exemplo, que presta serviços no norte- nordeste e leste do país, teve que antecipar o atendimento telefônico a todas as localidades com mais de 300 habitantes até dezembro de 2001 para que em 2002 pudesse iniciar a prestação do serviço SMP (celular) através da OI. Também na área de telefones públicos a Telemar foi obrigada a instalar milhares de orelhões garantindo um espaçamento máximo de 300 metros entre Telefones Públicos para qualquer cidade co mais de 700 habitantes, isso tudo sem falar obrigatoriedade de instalação de orelhões na vizinhança de todas escolas e hospitais e no tempo máximo de 24 horas para conserto das linhas defeituosas. Alcance da telefonia fixa no Brasil Ano Linhas (milhões) Linhas por 100 hab. Habitantes (milhões) 1999 27 17 160 2000 33 20 162 2001 37 22 165 2002 40 24 167 2003 43 25 169 2004 47 27 172 2005 51 29 174 Fonte: estimativas baseadas em dados da Anatel. A Anatel previa ainda que os telefones públicos passassem de 713 mil em 1999 a 981 mil no final de 2001. Todas essas projeções são baseadas nos contratos de concessão, que determinam metas a serem cumpridas pelas concessionárias de telefonia. As projeções podem ser afetadas pela extensão e intensidade de uso de telefones celulares e similares que, dependendo de custo, avanço da tecnologia e eficácia, podem funcionar como substitutos de circuitos fixos. Hoje mesmo empresas- espelhos de telefonia fixa, sem a infra-estrutura de cabeamento disponível, instalam telefones “fixos” que na verdade são telefones sem fio (wireless) usando a mesma tecnologia CDMA spread spectrum dos celulares. Detalharemos esse tema posteriormente. Telefonia celular É mais difícil prever o alcance da telefonia celular no país nos próximos anos devido à rápida mudança de tecnologia, que envolve, entre outros elementos, a mudança rápida de padrões tecnológicos para fazer convergir as comunicações de 16 dados e de voz, tornando o telefone celular em um sistema de comunicação pessoal (PCS) e possivelmente indo além, tornando-se uma estação de comunicações digitais portátil abrangendo dados, áudio e vídeo interativos. Um cenário possível, dada a concentração de renda extrema no país, é a coexistência por muitos anos do telefone celular digital básico (basicamente usado para voz e limitado a troca de dados em baixa velocidade) e de PCSs sofisticados permitindo uso interativo de multimeios com grande largura de banda. Ano Terminais móveis (milhões) Terminais móveis por 100 hab. Habitantes (milhões) 2000 23,19 14,31 162 2001 28,75 17,42 165 2002 34,88 20,89 167 2003 46,37 27,44 169 2004 (*) 49,14 28,57 172 (*) Até março. Fonte: Anatel. Em 2003, o total de terminais móveis (celulares e serviços móveis similares) em uso no país ultrapassou os 46 milhões (quase três para cada 10 habitantes), número próximo da meta prevista pela Anatel. A taxa de crescimento diminuiu bastante, já que a demanda extremamente reprimida de vários anos já foi satisfeita (não há mais fila de espera para conseguir um celular), e já ultrapassou o número de telefones fixos. Um processo de concentração empresarial resultou em apenas quatro grandes operadoras de telefonia celular (três baseadas na tecnologia européia GSM e uma baseada na tecnologia mais tradicional dos EUA, conhecida como CDMA): Claro/GSM, Oi/GSM, Tim/GSM e Vivo/CDMA, todas com cobertura nacional autorizada pela Anatel. Projeções com base nos dados da Anatel apontam para cerca de 58 milhões de terminais móveis de todos os tipos em 2005 (mais de 30 celulares para cada 100 pessoas), praticamente igualando as projeções de telefones fixos para o mesmo ano. Como já mencionado, é preciso contrastar essa previsão de oferta com a realidade do mercado em um país de extrema concentração econômica. Fibra óptica A infra-estrutura de fibra óptica brasileira começou a ser implantada em 1993, com a ligação entre Rio de Janeiro e São Paulo. Só a rede da Embratel ultrapassava os 20 mil km de circuitos interurbanos de fibra no final de 1998. Hoje há redes metropolitanas de fibra óptica nas principais cidades, operadas por várias empresas privadas, e as principais capitais estão também interligadas por fibra, com redundância entre as principais cidades (Rio de Janeiro, São Paulo, Belo Horizonte e Brasília). Todas as empresas de telefonia, além da Embratel, implantaram redes próprias de fibra, e as novas regras permitem que empresas de outros setores implantem redes de fibra aproveitando suas próprias infra-estruturas (como as empresas distribuidoras de eletricidade e outras -- um exemplo é a rede de fibra da Eletronet, sobre as linhas de transmissão de energia elétrica de alta voltagem). Além disso, grandes projetos multinacionais de fibra foram instalados em escala regional, interconectando vários países da região entre si e aos EUA. Entre os cinco maiores projetos que incluem o Brasil, destacam-se os sistemas Telefónica-Tyco 17 (23 mil km de extensão) e Global Crossing (18 mil km) circundando a América Latina - ambos já em operação, com capacidade bruta regional de mais de um Tb/s (terabits por segundo) cada. . A redução de tarifas e expansão da telefonia móvel celular, além da saturação no mercado, conduziu à diminuição do crescimento de telefones fixos, no RN, por exemplo, a Telemar tem tido redução na quantidade total de telefones em serviço desde o ano de 2002. O texto a seguir do professor A.Favaro ilustra a evolução da telefonia. 18 19 Diagrama Típico de uma Rede de Acesso para Telefonia. 20 Túnel de cabos da rede primária na Estação Centro Telemar-Oi,Natal RN. Arquitetura Básica de uma NGN 21 3. FUNDAMENTOS DE ACÚSTICA 3.1. Voz X Audição O som é sensação causada no sistema nervoso pela vibração de delicadas membranas no ouvido, como resultado da vibração de corpos rígidos ou semi-rígidos, tais como diapasão, alto-falante ou uma campainha. O som é uma energia mecânica, necessitando de um meio material para propagar, diferentemente da energia eletromagnética que se propaga no vácuo. O ar constitui um meio do qual o som pode ser transmitido. Entretanto, outros meios, quer sólidosou líquidos podem servir para sua propagação. Constata-se que um meio com maior densidade, isto é, um sólido propaga o som melhor do que o ar. A figura abaixo ilustra as principais partes do ouvido humano. Aspecto do ouvido humano As freqüências audíveis vão desde 20 Hz a 20kHz, sendo que o limite superior varia de pessoa para pessoa e decresce com a idade. Para que o som possa ser percebido pelos órgãos auditivos tem que haver uma intensidade mínima, que corresponde ao limite inferior de audibilidade, chamado umbral de audibilidade. Este limite varia com a freqüência. O ouvido humano tem uma sensibilidade maior para as freqüências de aproximadamente 3kHz. As principais características do ouvido humano são: • recepção: vibração do tímpano; • faixa de freqüência: 16 Hz a 20 kHz; • resposta: não-linear A Figura 3.2 mostra a curva de resposta em freqüência do ouvido humano: 22 Resposta em freqüência do ouvido humano A voz humana produz vibração sonora dentro de uma faixa de freqüências de 100 Hz a 10 kHz. Cada som emitido é composto, simultaneamente, de diversas freqüências. As freqüências dos sons vocais são harmônicos de uma certa freqüência fundamental das cordas vocais, razão principal da diferença entre a voz masculina (125 Hz) e a voz feminina (250 Hz). A potência média da voz de diversas pessoas pode variar dentro de amplos limites, sendo, no entanto de um valor muito baixo; uma pessoa falando baixo produz 0,001 microwatt, falando normalmente 10 microwatts, e gritando 1 a 2 miliwatts. Outra característica importante da voz que deve ser levada em conta, é que a maior parte da energia está concentrada nas baixas freqüências. As principais características da voz humana são: • emissão: vibração das cordas vocais; • faixa de freqüência: 20 Hz a 10 kHz; • faixa de maior energia: 100 Hz a 1500 Hz • faixa de maior inteligibilidade: 1500 Hz a 8000 Hz. Curva característica da potência da voz humana no domínio da freqüência. 3.2. Inteligibilidade Diversos estudos foram realizados para determinar qual a faixa de freqüências mais apropriada, sob o ponto de vista econômico e de qualidade, para as comunicações Para fonia (transmissão de voz), foram basicamente levados em conta os seguintes fatores, resultantes das características da voz e do ouvido humano: inteligibilidade e energia da voz. A inteligibilidade é definida como o percentual de palavras perfeitamente reconhecidas numa conversação. Verificou-se que na faixa de 100 a 1,5 KHz estava concentrada 90% da energia da voz humana, enquanto que na faixa acima de 1,5 KHz estava concentrada 70% da inteligibilidade das palavras. Baseado num compromisso entre estes dois valores, foi escolhida a faixa de voz entre 300 e 3,4 KHz para comunicações telefônicas, o que garante 85% de inteligibilidade e 68% de energia da voz recebida pelo ouvinte. Para transmissão de música, no entanto, é necessário uma faixa bem maior, de 50 Hz a 10 Khz. 23 Considerando esse fato, os sistemas telefônicos em geral foram projetados e construídos no mundo todo para atender bem ao espectro definido para telefonia simples, assim os aparelhos telefônicos têm boa resposta nas cápsulas transmissora e receptora para a parcela de energia da voz humana que se situa entre as freqüências de 300 e 3,4 Khz, garantindo 85% de inteligibilidade. Na concepção da rede telefônica de cobre foi estabelecido a corrente mínima de funcionamento igual a 25mA, considerando a tensão DC padronizada para a grande maioria dos Países de 48 V,tem-se a resistência total máxima de 1.920 Ohm. A Resistência do telefone é de 500 Ohm,daí a resistência máxima da linha deve ficar em torno de 1.920-500=1.420 Ohm. Para um par de fios #26 tem-se 40 Ohm / mil pés, passando para o sistema métrico chega-se a uma distância máxima de 5,4 km. A grande maioria das linhas existentes está nesse limite. Linhas instaladas acima desse limite correm o risco de não conseguirem fazer sinalização. Esse limite pode ser ampliado um pouco com utilização de fios mais grossos ou implantação de amplificação eletrônica. A chamada eletronização da rede telefônica com utilização de extensores de enlace e amplificadores de voz expostos a altas temperaturas, entretanto, se revelou como uma opção de custos elevados em termos de manutenção e só tem sido implementada em casos extremos. A implantação de linhas longas, como nos casos de atendimentos a granjas situadas na periferia das grandes cidades também é sujeita a constantes roubos em função do aproveitamento financeiro do cobre. A evolução da utilização da rede telefônica para outros serviços, especialmente a comunicação digital de dados em alta velocidade conduziu naturalmente à necessidade de utilização de bandas passantes superiores a 3,4 KHz. Na seqüência da Apostila iremos explicar melhor como essa adaptação a bandas mais largas foi efetuada na rede telefônica especialmente com a redução da extensão da rede de acesso metálica pela utilização de URAs e adoção de dispositivos XDSL. 3.3. Transformação de Energia Acústica em Energia Elétrica A energia acústica produzida pela voz é transformada em energia elétrica por intermédio de um microfone, também conhecido como transdutor. Nos aparelhos telefônicos, o microfone é, geralmente, uma cápsula de carvão, constituída basicamente de grânulos de carvão, limitados por uma membrana (figura abaixo), onde é aplicada uma diferença de potencial que faz circular uma corrente DC. Transformação de energia acústica em elétrica 24 Quando as vibrações sonoras incidem sobre a membrana, fazendo-a vibrar, este movimento comprime mais ou menos os grânulos, diminuindo ou aumentando a resistência, com uma correspondente vibração na corrente no mesmo ritmo das vibrações sonoras. Esta variação da corrente produz uma potência elétrica, que às vezes é maior que a potência acústica aplicada na vibração da membrana, fazendo com que a cápsula se comporte como um amplificador. A cápsula de carvão é o microfone mais barato, porém apresenta algumas restrições: - Produz uma distorção maior que a dos outros microfones. - Tem uma sensibilidade que varia com a freqüência, atenuando muito as baixas freqüências. 3.4. Transformação de Energia Elétrica em Energia Acústica Para transformação da energia elétrica em energia acústica, nos aparelhos telefônicos utilizam-se cápsulas magnéticas e dinâmicas. A cápsula magnética é constituída, basicamente, de um ímã permanente com duas peças polares, providas de bobinas, através das quais circula corrente DC; uma membrana metálica fecha o circuito magnético, e a força que atua sobre a mesma é proporcional ao quadrado da indução resultante: Transformação de energia elétrica em acústica (cápsula magnética) Nas cápsulas receptoras dinâmicas, a bobina pela qual circula a corrente DC está unida à membrana, movendo-se num campo magnético cilíndrico; a força que atua sobre a bobina e a membrana é proporcional à força do campo magnético permanentemente e à energia que passa pela bobina. Nos dois tipos de cápsulas receptoras conseguem-se características lineares para a faixa de freqüências de voz, bem como baixa distorção. 25 Transformação de energia elétrica em acústica (cápsula dinâmica) É interessante observar que a faixa de freqüência audível ao ser humano é cerca do dobro da faixa de freqüência gerada pelo mesmo, além disso a natureza nos proporcionou dois receptores (dois ouvidos) e só um transmissor (uma boca) ainda assim muitos escutam pouco e falam muito... 4. UNIDADES DE MEDIDAS EM TELECOMUNICAÇÕES Medir uma grandeza é compará-la com outra de mesma espécie, preestabelecida e chamada unidade. A unidade de medida deve ser escolhida de maneira que os resultados de diversas medidas sejam números fáceis de serem manuseados. Por exemplo: para a grandeza comprimento, as estradassão medidas em quilômetros, enquanto o alfaiate usa uma fita graduada em centímetros; seria matematicamente exato, mas pouco prático, dizer-se que uma estrada tem 40 000 000 centímetros, ou um pedaço de tecido tem 0,00002 quilômetros. Considerando a potência de um sinal elétrico. Essa grandeza era normalmente medida em Watt (W), ou em seus múltiplos e submúltiplos, sendo o miliwatt (mW) a unidade que mais se adapta às medidas de potência elétrica realizadas em sistemas de Telecomunicações pois, como no item 3.1, a potência sonora máxima de uma pessoa pode chegar a ser dez mil vezes maior que a potência sonora mínima dessa mesma pessoa, numa conversação normal. Isto significa que, na entrada de um equipamento de comunicação, a potência elétrica instantânea pode variar na razão de 10 000 para 1 e que, em casos extremos (uma pessoa gritando), pode atingir variações maiores ainda, da ordem de 10 000 000 para 1. Esta extensa variação torna pouco prática a medida da potência em questão, através de medidores com escalas decimais, pois teríamos uma escala de 1 até 10 milhões. Este problema é resolvido comprimindo-se as escalas com o uso de logaritmos pois, como sabemos da matemática, uma variação de 1 para 10 000 000 significa em logaritmos decimais uma variação de somente 0 para 7, resultando com que, praticamente, todas as medidas de nível de potência em Telecomunicações sejam logarítmicas. 4.1. Relação de Potências e quadripolos Quando uma informação é enviada de um ponto a outro, os sinais elétricos passam através de diversos elementos que compõe o sistema de transmissão, tal como telefone, linha física, central telefônica, multiplex, etc. Cada um desses elementos, ou mesmo parte deles, pode ser representado por um quadripolo que tem a possibilidade de atenuar o sinal (significa que a potência do sinal de entrada do 26 mesmo é maior que a de saída), ou amplificar o mesmo (significa que a potência do sinal de entrada é menor que a de saída). Se considerarmos como relação de potência M de um quadripolo a razão entre a potência de saída e de entrada do mesmo, ao ligarmos em série N elementos do sistema de transmissão, conforme a figura abaixo, poderemos calcular a relação de potência total do sistema. Quadripolos em série. Como sabemos: então: ou ainda: Onde se conclui que: para N quadripolos em série, a relação de potência total é igual ao produto das relações de potências individuais dos N quadripolos. 4.2. Decibel Como vimos, poderemos então ter a relação entre as potências de entrada e saída de um quadripolo apresentando atenuação ou amplificação. Se tomarmos o logaritmo decimal dessa relação, estaremos definindo o BELL (B). Na prática, devido a esta unidade ser muito grande, adota-se uma subunidade, o decibel (dB). Onde Gq : amplificação do quadripolo em dB; Pq : potência de saída do quadripolo; Pq - 1 : potência de entrada do quadriplo 27 IMPORTANTE: Se Pq > Pq - 1 – Gq é maior que 0 (dB), e teremos amplificação Se Pq < Pq - 1 – Gq é menor que 0 (dB), e teremos atenuação Se Pq = Pq - 1 – Gq é igual a 0 (dB) e dizemos que o quadripolo é transparente As vantagens de se expressar ganho em dB são as seguintes: - O cálculo da amplificação total de quadripolos em série passa a ser uma soma em dB, ao invés de uma multiplicação de relações de potência, pois como sabemos do Item 4.1 Se tomarmos 10*log de ambos os termos teremos: (Transformamos produto de escalas lineares em somas de escalas logarítmicas) - Relações de potências muito grandes passam a ser pequenos valores em dB, assim por exemplo: Exemplo 1: Numa linha é enviado um sinal com 400 mW de potência, obtendo-se no extremo distante 10 mW. Como a potência de saída é menor que a de entrada, calcule a atenuação da linha. Solução: A atenuação de 16 dB equivale a um “ganho” de -16 dB. Exemplo 2: Um amplificador entrega 2W na saída quando um sinal de 10mW é aplicado na sua entrada. Calcule o ganho. Solução: 28 Como já vimos, ganho e a atenuação são expressos em dB, porém com sinais opostos. A fim de evitar erros nos cálculos de amplificação de quadripolos em série, costuma-se expressar a atenuação com valor negativo e o ganho com valor positivo. Exemplo 3: Ao ligarmos em série os quadripolos dos Exemplos 1 e 2, teremos ganho ou atenuação? Solução: Isto significa que teremos um ganho de 7 dB Ábacos para conversão de relação de potências em dB e vice-versa Exemplo 4: Qual o ganho do amplificador abaixo? Solução: Da figura abaixo, temos: 29 G = 47 dB 4.3 – dBm Uma potência qualquer P pode ser expressa em termos da razão entre esta potência P e um valor de referência fixo. O valor da potência de referência é o mais variado possível, de acordo com o propósito a que se destina, como por exemplo: pura transmissão de energia elétrica adota-se 1 kW, enquanto que para acústica é usado 10-16 W; em Telecomunicações a potência de referência é 1mW. Se considerarmos na expressão: esta relação passa a ser um valor absoluto de potência, indicando o número de decibéis abaixo ou acima de 1mW. Esta unidade é chamada de dBm e a equação passa a ter a forma: onde Pq é expresso em mW. A figura acima apresenta o ábaco da relação entre potências em Watt e dBm. Este ábaco, em conjunto com os da figura anterior, servem para os cálculos de conversão de unidades. Exemplo 5: Calcule 3500 pW em dBm. Solução: Relação Watt dBm 30 Exemplo 6: Calcule –18 dBm em Watt Solução: * É importante se observar que níveis absolutos em dBm nunca podem ser somados ou subtraídos. O valor de potência em dBm só pode ser somado ou subtraído à dB Exemplo 7: Calcule as seguintes adições de potências: a) 20 dBm com 20dBm b) 20 dBm com 20 dB Solução: Deve-se ter sempre em mente que dBm é potência e dB é relação de potências. Exercícios: 1. Um amplificador com ganho nominal de 12 dB tem aplicado um sinal de -12 dBm, qual a potência do sinal de saída em dBm e em miliwatt ? 2. Um sinal de potência 2 miliwatts é aplicado em um atenuador e a potência de saída do mesmo é de 1 miliwatts, qual a atenuação em dB ? 3. Três amplificadores são instalados em cascata (série), os ganhos respectivos dos mesmos são: 12 dB, 3 dB e 8 dB, qual a potência de saída em miliwatts de um sinal cuja potência na entrada é de 1 miliwatts ? 31 4.4. dBu (ou dBv) Se na equação de definição de dB, substituirmos a potência por seu valor em função da tensão U e da impedância Z, obteremos: (1) Como já vimos anteriormente, uma potência qualquer pode ser expressa em termos da razão entre esta potência e um valor de referência fixo. Ao invés de tomarmos uma potência como referência, poderemos fixar a tensão e a impedância como valores de referência. Assim, a impedância de referência é fixada 600 Ω ( valor padronizado para a impedância característica dos circuitos de voz) e a tensão é obtida, por conveniência, aplicando-se 1mW sobre esta impedância: Substituindo estes valores na Equação (1), obteremos uma potência (dBm) relativa à uma tensão de 0,775, aplicada sobre uma impedância de 600 Ω: (2) A expressão de U é por definição a unidade dBu, que indica quantos dB uma determinada tesão está acima ou abaixo de 0,775 V. A figura abaixo apresenta os ábacos para conversão de tensão em dBu e vice- versa. 32 Ábacos para conversão de tensão em dBu e vice-versa Verifica-se agora a utilidade desta unidade dBu. Em Telecomunicações, o nível de potência em dBm, num determinado ponto de um circuito,é geralmente medido de maneira indireta da seguinte forma: termina-se o ponto em questão por uma resistência, cujo valor é igual à impedância nominal do ponto, medindo-se a tensão desenvolvida através da mesma por intermédio de um voltímetro, cuja escala é calibrada conforme a Figura ao lado. Escala de voltímetro calibrada para medir dBu Quando a impedância característica no ponto de teste for 600 Ω, a potência em dBm será a leitura em dBu [vide Equação (20]. Se a impedância não for 600 Ω, a potência em dBm será a leitura em dBu mais um fator de correção, dado por: onde Zq é a impedância característica no ponto de teste. Para a impedâncias mais usuais, os valores de K estão apresentados na tabela abaixo: 33 Exemplo 8: Um nível de –35 dBu é medido num ponto de 150 Ω de impedância. Qual é o nível em dBm? Solução: -35 dBm + 6 dB = -29 dBm Exemplo 9: Num ponto de um circuito, cuja impedância é 75 Ω, tem-se uma potência de +5 dBm. Qual é o nível medido em dBu neste ponto? Solução: +5dBm – 9 dB = -4 dBu 4.5. dBr Esta unidade é usada para referir o nível de sinal, em qualquer ponto de um sistema de transmissão, com relação a um ponto arbitrário do sistema, chamado ponto de nível relativo zero. O dBr difere da unidade dB pois, enquanto esta última é usada somente para indicar a amplificação ou atenuação de um quadripolo, dBr é utilizado para expressar a amplificação ou atenuação total que existe entre pontos arbitrários e um ponto de referência fixo, num sistema de transmissão. Deve-se notar que a unidade dBr não fornece nenhuma informação sobre o nível de potência absoluta no ponto, pois esta é função da potência absoluta no ponto de referência. A figura abaixo apresenta o diagrama de nível relativo de uma linha de transmissão imaginária, na qual B é o ponto de referência de nível relativo zero. Diagrama de nível relativo de uma linha de transmissão 34 É importante se notar que o ponto de nível relativo zero não indica obrigatoriamente um ponto físico no sistema de transmissão, podendo ser um ponto hipotético, como o da figura abaixo, onde o ponto de nível relativo zero não está fisicamente indicado, pois está no meio do amplificador de 4 dB. O dBr é menos utilizado que o dBm. Diagrama de nível relativo de uma linha de transmissão 4.6. Outras unidades logarítmicas - O VU : unidade de medida de tensão, usada em estúdios de radio : 0 (zero) VU = +4 dBm = 1,228 V em 600 ohms. - O dBµ : unidade de medida de tensão onde 0 (zero) dbµ = 1 microvolt, usada para medir tensões muito pequenas como por ex. sensibilidade de receptores. Zero dbµ em 50 ohms equivale a uma potência de -107 dBm. - O dBmp e dBp: correspondem ao dBm (potência absoluta) e dB (ganho ou atenuação) respectivamente ponderados psofometricamente (psofos= ruído), ou seja, que levam em conta o somatório das respostas em freqüência do ouvido e da cápsula receptora telefônica, é usado para medir ruído e relações sinal/ruído em telefonia. Em síntese trata-se de uma unidade de medida com ponderação assemelhada à resposta de freqüência (sensibilidade) do ouvido humano. O dBmp, por exemplo, corresponde ao dBm medido após passar por um filtro com filtro psofométrico normalmente utilizada para medição de ruído. Convém destacar que no caso de medição da potência de ruído deve-se buscar uma avaliação da potência de “sinais indesejados” que ocupam uma determinada faixa de freqüência, distinto portanto da medição usual de um sinal de teste do qual já se tem uma idéia da sua freqüência específica. - O dBi : usado para expressar o ganho de uma antena em relação a antena ISOTRÓPICA. A antena isotrópica tem um diagrama de irradiação esférico, ou seja, irradia igualmente em todas as direções. O dBi é muito usado em cálculos de enlaces de telecomunicações. A antena isotrópica é uma referencia teórica, sendo de difícil construção prática. 35 - O dBd : usado para expressar o ganho de uma antena em relação ao DIPOLO de meia onda. O dipolo de meia onda é a antena ressonante mais simples e fácil de ser construída e por isso é muito usada como referencia. Em espaço livre, o ganho do dipolo de meia onda é de 0 dBd = 2,15dBi 4.7. O desafio da Transmissão telefônica em fios de cobre Transmissão a grandes distâncias - Bobinas Após todo o trabalho de aperfeiçoamento do telefone, no final do século XIX a preocupação passou a ser quais seriam as demais possibilidades de melhoria na transmissão telefônica a grandes distâncias. Elementos a serem modificados: Transmissor Aparelho que produz o sinal telefônico. Receptor Aparelho que nos permite ouvir o sinal telefônico. Linha de transmissão Rede elétrica por onde passa o sinal telefônico. Medidas a serem tomadas: Aumentar a potência do transmissor Tornar o sinal mais forte na origem. Aumentar a sensibilidade do receptor Tornar audível um sinal mais fraco. Melhorar a transmissão Fazer com que o sinal percorra corretamente toda a linha telefônica. Objetivos das mudanças na linha telefônica: Amplificar o sinal em pontos intermediários Reforçar o sinal após ter perdido força. Reduzir a atenuação Evitar que o sinal perca força com a distância. Reduzir a distorção Manter a boa qualidade da voz. Reduzir ruídos da linha Ruídos produzidos por causas externas. Não havia grandes dificuldades em aumentar a potência do transmissor, bastava, por exemplo, usar baterias com maior voltagem. Aumentando a potência do transmissor, a corrente elétrica no fio também aumenta, perdendo assim muita energia, já que a potência perdida nos fios é igual ao quadrado da corrente elétrica. Ou seja, se a corrente elétrica é dobrada, a perda de energia é quadruplicada, por 36 isso, quando as correntes elétricas são fortes, o sinal telefônico de um fio passa a interferir mais fortemente nos vizinhos -fenômeno da “diafonia” ou “cross-talk”. Isso quer dizer que para aumentar a corrente elétrica, seria necessário afastar os fios uns dos outros nos postes, o que criaria muitos problemas. Como já havia uma rede telefônica constituída, aumentar a força das correntes elétricas nos fios significava mudar todos os postes de lugar. Assim, por motivos práticos, os técnicos, em 1890, desistiram dessa idéia descartando também o aumento de potência dos transmissores. Aumentar a sensibilidade do receptor tampouco seria uma solução, já que não resolveria problemas como sinais telefônicos fracos, distorcidos e cheios de ruídos; pelo contrário, só tornaria sua transmissão mais potente agravando ainda mais a situação. Concluiu-se então que a solução deveria estar na mudança da própria linha de transmissão. A partir de 1892, com a idéia de amplificar o sinal em pontos intermediários, foram instalados os “repetidores” (repeaters) – sistema utilizado com sucesso nos telégrafos. Repetidor era uma estrutura formada por um receptor e um transmissor que, encostados um ao outro, recebiam os sinais telefônicos que eram transmitidos com mais força. No entanto, este sistema ainda não resolvia os problemas de ruídos e distorção; pelo contrário: cada vez que o sinal telefônico passava pelo repetidor, mesmo ganhando força, perdia qualidade. Em meados de 1890, William Thomson, mais conhecido como Lord Kelvin, desenvolveu uma teoria sobre a atenuação dos sinais telegráficos com a distância, levando em conta duas propriedades dos fios: resistência e capacitância. Analisando estas duas propriedades elétricas das linhas, ele concluiu que havia um limite na distância que os sinais telefônicos poderiam alcançar e que isso dependia, principalmente, da resistência dos fios. Uma solução possível e eficiente seria a substituição da fiação por fios de cobre, o que constituía, porém, uma alternativa um pouco cara. Primeiro porque,quanto mais distantes as linhas, mais grossos deveriam ser os fios, e depois porque seria preciso trocar os postes existentes por outros que suportassem o peso desta nova fiação. Com isso, sob o ponto de vista prático, parecia ser inviável construir linhas que ultrapassassem 800 milhas, ou 1.300 km. Bobinas de carga (loading coils) A solução encontrada no início do século XX para a melhoria das linhas de grande distância, foi o uso das “bobinas de carga” (em inglês, loading coils). Com este tipo de dispositivo, foi possível atingir distâncias de centenas de milhas ou quilômetros, sem perder a qualidade da transmissão. Quando uma corrente elétrica percorre um fio, ela o aquece e perde energia. Para reduzir a quantidade de energia perdida, é possível diminuir a resistência elétrica do fio usando fios mais grossos, como já vimos, ou aplicando um outro método, cujo princípio físico pode ser entendido por meio a seguinte analogia: Saiba mais... De acordo com a teoria de Heaviside, a atenuação A de um sinal depende principalmente da resistência R, da capacitância C e da indutância L da linha (por unidade de comprimento), de acordo com a fórmula (simplificada): 37 Podendo, portanto, diminuir a atenuação A reduzindo a resistência R e a capacitância C, ou aumentando a indutância L da linha. Esta fórmula foi pensada, considerando linhas homogêneas, ou seja, com as mesmas características em todos os pontos. Ao introduzir bobinas, espaçadas entre si na linha, a equação de Heaviside poderia não funcionar mais – e até então, não havia uma fórmula para o caso de bobinas intercaladas no fio. Durante os três últimos anos do século XIX, Stone, Campbell e Hayes trabalharam para melhorar a qualidade dos cabos telefônicos. Stone percebeu um problema que ainda não havia sido notado: ao conectar cabos e fios de diferentes tipos, ou seja, com diferentes propriedades elétricas, os sinais telefônicos podiam encontrar dificuldades em passar totalmente pelo ponto de união entre eles, pois uma parte do sinal telefônico é refletido, reduzindo muito a eficiência da linha. Saiba mais... Duas comparações podem ajudar a esclarecer o problema. Quando a luz passa do ar para a água ou por um vidro, uma parte dela é refletida na superfície de separação. A luz só não é refletida ao passar de uma substância transparente para outra, quando ambas têm o mesmo índice de refração. Algo semelhante ocorre com as ondas produzidas em cordas e molas. Se amarrarmos uma corda fina em uma corda grossa e produzirmos nela uma onda, uma parte dela será refletida ao chegar na emenda entre as cordas. Para que o impulso não seja refletido, é preciso que a densidade das duas cordas - massa por comprimento - seja igual. No caso dos sinais telefônicos, a condição básica para que o sinal passe de um cabo ao outro sem reflexão é, igualmente, que ambos os lados tenham a mesma impedância – característica elétrica que depende da resistência, capacitância e indutância dos dois sistemas. Quando há uma corrente contínua em um fio, temos a seguinte relação: I = V / R Quando a corrente é alternada, vale uma relação bastante semelhante, mas no lugar da resistência R é utilizada a impedância Z. Então temos: I = V / Z A impedância é dada por uma fórmula complicada e depende da freqüência f da corrente alternada. Quando a capacitância é baixa, a fórmula é esta: Essas fórmulas são válidas quando a indutância está distribuída uniformemente pela linha. No caso de bobinas espaçadas regularmente pela linha, a fórmula é totalmente diferente. Em meados de 1899, Campbell conseguiu calcular o comportamento da linha com bobinas distribuídas, estabelecendo que: se as bobinas estiverem distribuídas a distâncias bastante inferiores ao menor comprimento de onda dos sinais telefônicos, o resultado será satisfatório. Ou seja, quatro ou cinco bobinas por comprimento de onda era uma solução razoável, com dez, o resultado era praticamente o mesmo da distribuição contínua de indutância. Uma parte do estudo de Campbell foi teórica e, apenas em 1899, tiveram início seus testes e experimentações introduzindo 5 bobinas por milha em uma linha de 20 milhas ou seja, 100 bobinas em uma linha de 32 km. Comparando a linha experimental com as bobinas a uma linha de mesma resistência sem elas, os pesquisadores puderam observar que a transmissão havia melhorado muito e que os resultados eram bem próximos das previsões teóricas. Isso lhes deu grande confiança no sistema e na 38 teoria de Heaviside que passava a ser adaptada aos problemas práticos da telefonia, de maneira independente pelos pesquisadores: Michael I. Pupin e George A. Campbell, pesquisador da American Telephone & Telegraph (AT&T) – empresa sucessora da Bell. A idéia de colocar bobinas em intervalos regulares, aumentando a indutância da linha, foi patenteada pelo físico inglês Sylvanus Thompson em 1891, o que fez um especialista em patentes da própria AT&T acreditar, em 1899, que não seria possível patentear o sistema de Campbell. Thompson que pensou na colocação de bobinas conectando pares de fios telefônicos, ao invés de intercalá-las em série, não determinou as propriedades e o espaçamento necessário às bobinas. Campbell estudou detalhadamente a teoria das linhas de transmissão, obtendo seu título de doutor na Universidade de Harvard em 1901 com um trabalho sobre o tema. Porém, antes que chegasse a resultados práticos definitivos, Pupin obteve uma patente para o método. Esquema de uma linha telefônica com bobinas de carga (loading coils) Idvorsky Pupin, professor da Universidade da Columbia estudou, independentemente de Campbell, as bobinas de carga e, em maio de 1900, submeteu um pedido de patente desse sistema que lhe foi concedida no mês seguinte. Michael I. Pupin Em junho de 1900, a AT&T, tomando conhecimento da patente de Pupin, tentou anulá-la, alegando que Campbell já havia desenvolvido um sistema semelhante. Percebendo que isso não seria possível, a AT&T fez um acordo e comprou a patente de Pupin por 185 mil dólares iniciais, mais 15.000 dólares anuais, durante os 17 anos de sua validade. A empresa chegou a pagar quase meio milhão de dólares pela patente, o que foi rapidamente recuperado: a AT&T lucrou um milhão de dólares com a instalação do sistema apenas em Nova Iorque. A pupinização de linhas provoca uma atenuação maior nas componentes espectrais mais altas, mas isso praticamente não é percebido pelo ouvido humano. 39 A expressão abaixo indica com detalhes a atenuação que ocorre em um sinal com freqüência ω que á transmitido numa linha telefônica com resistência equivalente r,Indutância L, capacitância C e condutância G ( )[ [ ] } 2/122222 )()( 2 1 ++−+−= rCLGLCrGLCrG ωωωα Pupin deduziu que fazendo com a inserção de indutores adicionais na linha de tal forma que : L/C=r/G implica em um linha com menor atenuação para uma faixa do canal telefônico especialmente entre 0,3 e 3,0 KHz. Com a adoção dos “potes de pupinização” (Bobinas de indutância inseridas adequadamente em série na linha telefônica de tal forma que a se aproximar da relação anterior) então o alcance das linhas poderia aumentar de 7 para até 15 km, valor variável de acordo com abitola do fio utilizado. A pupinização foi amplamente utilizada principalmente nos entroncamentos interligando duas centrais telefônicas localizadas numa mesma cidade. Entre 1975 e 1977 a TELERN utilizou em Natal essa técnica para ligar a central localizada na Rua Jundiaí (centro) com a de Lagoa Nova (vizinho ao SEBRAE e Machadão) com distância de 10 km. Mesma solução adotada para interligar a Central centro com Alecrim (9 km). A pupinização proporciona menor perda até 3 KHz,mas provoca acentuada atenuação nas freqüências acima desse valor. Enquanto a Rede era utilizada exclusivamente para telefonia essa era uma solução extremamente prática e a perda nas altas freqüênciasnão era perceptível. A partir do uso da rede metálica também para transmissão de dados e cada vez em maiores velocidades (que requerem maior banda), a pupinização passou a ser um entrave, as operadoras tinham que retirar as bobinas de cada par de fios que ia ser usado para dados. A figura seguinte ilustra as curvas de atenuação em dB por milha em função da freqüência para linhas pupinizadas e não pupinizadas. Outro fator que sofre com a pupinização é o retardo (delay), a figura seguinte ilustra esse aspecto, que consagra a pupinização como inviável para transmissão de dados em altas velocidades. 40 A partir do final dos anos 90 a fibra óptica caiu de preço e se consolidou como o meio de transmissão mais eficiente para interligação entre centrais. Dessa forma todas as centrais em Natal e nas principais capitais do Brasil são hoje 100% interligadas (dentro de cada capital) por fibra óptica com transmissão digital de sinais. A fibra tem atenuação baixíssima e pode interligar centrais a distâncias de até cerca 100 km sem regeneração. 5. VOIP E TELEFONIA IP VoIP é a comunicação de Voz sobre redes IP. Essas redes podem ser de 2 tipos: • Públicas: a Internet representa a rede IP pública usada para comunicações VoIP. O usuário deve ter preferencialmente um acesso de banda larga (ADSL, cabo, rádio, Wimax, etc.) instalado para poder fazer uso do serviço VoIP. • Privadas: as redes corporativas das empresas representam as redes privadas usadas para comunicações VoIP. Podem ser desde pequenas redes locais (LAN) até grandes redes corporativas (WAN) de empresas com presença global. O uso mais simples de VoIP é a comunicação Computador a Computador usando a Internet, sendo o skype o programa mais utilizado para este fim. 41 Telefonia IP Telefonia IP é a aplicação de VoIP para estabelecer chamadas telefônicas com a rede de telefonia pública (fixa e celular). Os serviços de Telefonia IP existentes são de 2 tipos: • Para fazer chamadas para rede pública: neste caso o usuário disca o número convencional do telefone de destino para completar a chamada. • Para fazer e receber chamadas da rede pública: neste caso o usuário recebe um número convencional de telefone, para receber as chamadas da rede pública, e disca o número convencional do telefone de destino para fazer a chamada para a rede pública. Em ambos os casos, o usuário pode fazer e receber chamadas de outro usuário do mesmo prestador de serviços VoIP, geralmente sem custo, porém não consegue chamar usuários de outros provedores VoIP. Telefonia Convencional x VoIP Característica Telefonia Convencional Telefonia VoIP Conexão na casa do usuário Cabo de cobre (par trançado) Banda larga de Internet Falta de Energia Elétrica Continua funcional Pára de funcionar 42 Mobilidade Limitada a casa do usuário Acesso em qualquer lugar do mundo, desde que conectado a Internet Número Telefônico Associado ao domicílio do usuário Associado à área local do número contratado Chamadas locais Área local do domicílio do usuário Área local do número contratado Da mesma forma que na Internet, os serviços VoIP são Nômades, ou seja, não importa qual a localização física do prestador do serviço VoIP ou do usuário para que o serviço seja utilizado. O número telefônico, no entanto, não é nômade e está associado à área local do número contratado. Telefones para VoIP Os serviços VoIP utilizam telefones apropriados para as redes IP, e que são muito diferentes, em complexidade, dos telefones analógicos convencionais, por serem digitais e possuírem recursos semelhantes àqueles encontrados nos computadores. Normalmente utilizam-se os seguintes tipos de telefones IP: • Computador: o próprio computador pode ser usado como telefone IP, desde que tenha uma placa de som, um microfone, alto falantes ou fones de ouvidos, e um programa do tipo softphone, que possui todos os recursos para funcionar como um telefone IP. • Adaptador para Telefone Analógico (ATA): é um dispositivo que funciona como um conversor de telefone IP para um telefone analógico convencional. O ATA é conectado a um acesso de banda larga (rede IP) e a um telefone analógico convencional, que pode ser usado normalmente para fazer e receber ligações do serviço VoIP contratado. • Telefone IP: é um telefone que possui todos os recursos necessários para um serviço VoIP. Para ser usado é necessário apenas conectá-lo a um acesso de banda larga (rede IP) para fazer e receber ligações do serviço VoIP. Regulamentação A Anatel, assim como a maioria dos órgãos regulatórios no mundo, procura regular os serviços de telecomunicações e não as tecnologias usadas para implementá-los. As tecnologias VoIP servem como meio e não como fim para os serviços de telefonia. Não existe ainda uma regulamentação específica para VoIP no Brasil. Entretanto, devido ao novo paradigma os serviços VoIP têm sido oferecidos no mercado de telecomunicações distribuídos em 4 classes: • Classe 1: oferta de um Programa de Computador que possibilite a comunicação de VoIP entre 2 (dois) ou mais computadores (PC a PC), sem necessidade de licença para prestação do serviço. • Classe 2: uso de comunicação VoIP em rede interna corporativa ou mesmo dentro da rede de um prestador de serviços de telecomunicações, desde que de forma transparente ao usuário. Neste caso, o prestador do serviço de VoIP deve ter pelo menos a licença SCM. 43 • Classe 3: uso de comunicação VoIP irrestrita, com numeração fornecida pelo Órgão Regulador e interconexão com a Rede Pública de Telefonia (Fixa e Móvel). Neste caso o prestador do serviço de VoIP deve ter pelo menos a licença STFC. • Classe 4: uso de VoIP somente para fazer chamadas, nacionais ou internacionais. Neste caso a necessidade de licença depende da forma como o serviço é caracterizado, e de onde (Brasil ou exterior) e por qual operadora é feita a interconexão com a rede de telefonia pública. 6. CONCEITOS ELEMENTARES DE COMUTAÇÃO 6.1. Nós e Arcos Uma comutação é um processo que pode ser realizado por um evento mecânico, eletro-mecânico ou eletrônico, seja ele manual ou automático. Diz respeito a troca de caminho que um determinado sinal sofrerá, um circuito poderá definir a rota (caminho) que um determinado sinal tomará, comutando para tal direção. Veremos agora duas definições básicas para telecomunicação: Nós e Arcos. Nós são pontos de uma comunicação onde acontece uma comutação de sinais. Arcos são todos os pontos intermediários de interligação entre os Nós que normalmente são construídos com meios de transmissão físicos ou pelo espaço livre, tais como: pares de fios, cabos coaxiais, fibras ópticas, ou mesmo transmissão de ondas de rádio pelo espaço livre. O conjunto desses elementos formará uma rede de telecomunicações. Nós e Arcos 6.2. Modelo elementar de comunicação Uma comunicação, qualquer que seja, poderá ser representada por um modelo básico, não importando se for uma conversação telefônica, via Internet, sinais de fumaça ou a antiga brincadeira de criança com duas latinhas presas por um barbante. Vê-se, portanto, claramente que poderá ser uma comunicação eletrônica, verbal, por símbolos ou qualquer outro tipo de sinal. Os elementos básicos de qualquer comunicação são: • Mensagem: conjunto de informações coerentes, previamente conhecidas e organizadas de tal forma que possam originar uma mensagem que poderá ser entendida por um destinatário; • Fonte: elemento responsável pela geração da mensagem; • Destinatário: elemento na comunicação para quem a informação é destinada. Será o usuário da informação recebida; 44 • Codificador: elemento nem sempre presente em uma comunicação. Tem como função, a partir do sinal recebido da fonte, produzir um embaralhamento da mensagem usando um código
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