Comunicação de Dados em Ambientes Industriais

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CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Comunicação de Dados – Aula 01
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Comunicação de Dados em Ambientes Industriais
Objetivo:
Viabilizar o intercâmbio de 
informações entre os diversos 
componentes de um sistema de 
automação.
Participantes:
Sensores e Atuadores
Controladores 
Supervisão
Information
Discrete Device
Automation and Control
Process Device
1. Os sistemas de automação são compostos por vários tipos de 
dispositivos, entre eles, elementos sensores, elementos atuadores, 
controladores, interfaces homem máquina (IHM) e estações de 
supervisão e controle.
2. Estes dispositivos precisam transferir dados entre si para que o sistema 
funcione. A interligação entre estes dispositivos de diferentes tipos é 
responsabilidade das redes industriais.
3. De acordo com o tipo de componente interligado, temos diferentes
demandas de comunicação de dados, sendo encontradas soluções 
diferentes para cada tipo. É comum a divisão em níveis.
4. Os elementos sensores e atuadores, instalados próximos ao processo 
formam o nível mais baixo, também conhecido como rede de chão de
fábrica ou barramento de campo ou ainda Fieldbus.
5. Os controladores e IHM formam um nível intermediário conhecida como 
rede de controle.
6. As estações de supervisão e controladores formam o nível superior 
denominada de rede de supervisão, onde são efetuadas a análise e
otimização do processo.
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Evolução da Comunicação em Processos Industriais
1940 1960 1980 2000
Tecnologia
Dominante
Time
Pneumático DigitalAnalógico
1. Antes da era eletrônica a comunicação de dados entre sensores, 
atuadores, controladores e registradores era efetuada por manipulação 
de pressões em sistemas de ar comprimido.
2. A comunicação de dados em processos industriais foi afetada pelo
evolução da eletrônica analógica e digital ao longo do último século, 
com um retardo devido a resistência natural da indústria em adotar 
novas tecnologias em sistemas críticos de produção.
3. A adoção de novas tecnologias era possível quando claros benefíc ios e 
aumento de produtividade eram alcançados.
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FT
Transmissão Pneumática
Controlador e
Registrador
Válvula de
Controle
Transmissor
de Vazão
Bomba
Placa de
Orifício
A.S.
20 psi
A.S.
20 psi
A.S.
20 psi
3-15 psi
3-15 psi
Vazão:
0-10 m³/h
3-15 psi
Abertura:
0-100%
3-15 psi
Vazão Controlada
1. A figura mostra um controle pneumático de vazão de um fluido em uma 
tubulação. 
2. O atuador é uma válvula de controle, com atuador pneumático, com
abertura controlada de 0 a 100% a partir de um sinal de pressão 
recebido entre 3 e 15 psi.
3. O elemento sensor é uma placa de orifício, que quando submetida a 
passagem do fluido, provoca uma queda de pressão, medida a 
montante e jusante. Esta queda de pressão é quadraticamente 
proporcional ao valor da vazão. 
4. O transmissor de vazão gera uma pressão entre 3 e 15 psi proporcional 
ao valor de vazão estimado pelo sensor.
5. O controlador recebe o sinal pneumático do transmissor, registra em 
uma carta gráfica, compara com o setpoint de vazão especificado pelo 
operador e define qual deve ser a abertura da válvula de controle.
6. Os instrumentos precisam de alimentação de ar comprimido, livre de 
impurezas, inclusive óleo, sem umidade, e com pressão regulada.
7. Estes sistemas de controle são intrinsecamente seguros, pois não o 
manuseio de eletricidade que poderiam vir a produzir faíscas, mas tem 
manutenção freqüente devido aos componentes mecânicos delicados 
utilizados em sua construção.
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FT
+
-
+
- +
-
+
-
+
-
+
-
Transmissão Eletrônica Analógica
Controlador
Válvula de
Controle
Transmissor
de Vazão
Bomba
Placa de
Orifício
Supervisão
Vazão:
0-10 m³/h
4-20mA
Abertura:
0-100%
4-20mA
Vazão Controlada
A.S.
20 psi
RS-232/485
4-20mA
4-20mA
Fonte
24V
1. A figura mostra um controle de vazão de um fluido em uma tubulação, 
agora com transmissão eletrônica analógica.
2. O atuador continua sendo uma válvula de controle, ainda com atuador 
pneumático, com abertura controlada de 0 a 100% a partir de um sinal 
de corrente recebida entre 4 e 20 mA.
3. O elemento sensor é uma placa de orifício, que quando submetida a 
passagem do fluido, provoca uma queda de pressão, medida a 
montante e jusante. Esta queda de pressão é quadraticamente 
proporcional ao valor da vazão. 
4. O transmissor de vazão, agora microprocessado, gera uma corrente 
entre 4 e 20mA proporcional ao valor de vazão estimado pelo sensor.
5. O controlador eletrônico recebe o sinal de corrente do transmissor, 
compara com o setpoint de vazão especificado pelo operador e define 
qual deve ser a abertura da válvula de controle, gerando um sinal 4-
20mA proporcional.
6. O controlador microprocessado pode vir a ter uma porta de 
comunicação serial, RS-232 ou RS-485, para comunicação com uma 
estação de supervisão, onde seriam efetuados os registros da vazão e 
abertura da válvula e definição do setpoint pelo operador.
7. Neste tipo de abordagem temos a necessidade de um par de fios para 
cada instrumento. Este par de fios alimenta eletricamente o instrumento 
e transmite a sua informação.
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Transmissão Eletrônica Digital
FT +- +
-
+
-
Fonte
Gateway
Válvula de
Controle
Transmissor
de Vazão
Bomba
Placa de
Orifício
Supervisão
Vazão Controlada
A.S.
20 psi
RS-232
RS-485
Ethernet
24V + ...101010...
1. A figura mostra o mesmo controle de vazão de um fluido em uma 
tubulação, agora com transmissão eletrônica digital.
2. Neste tipo de abordagem temos um barramento (par de fios) onde 
estão ligados o transmissor e válvula de controle. Este par de fios 
alimenta eletricamente o instrumento e transmite a sua informação.
3. O atuador continua sendo uma válvula de controle, ainda com atuador 
pneumático, com abertura controlada de 0 a 100% a partir de um sinal 
digital enviado pelo controlador, sendo necessário um conversor digital 
pneumático microprocessado.
4. O transmissor de vazão, envia o valor de vazão estimado pelo sensor 
de forma digital, com a possibilidade de envio e recebimento de outras 
informações do transmissor, tais como temperatura, alarmes do 
processo ou alarmes de mau funcionamento do próprio transmissor.
5. O controlador não está mais presente fisicamente, com possibilidade de 
ser implementado em software usando o microprocessador do 
transmissor ou da válvula de controle.
6. Um equipamento chamado de Gateway permite que uma estação de 
supervisão, via protocolo de comunicação serial, tenha acesso ao
tráfego da rede, onde poderiam ser efetuados os registros das variáveis 
de processo, definição de parâmetros e diagnósticos de funcionamento.
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Processo de Comunicação de Dados
Componentes
Transmissor
Mensagem (Conjunto de Bits)
Canal de Transmissão
Protocolo de Comunicação
Receptor
Estação
de Origem
Estação
de Origem
Estação
de Destino
Estação
de Destino
1. O processo de transmissão de dados pode ser dividido em 5 
componentes:
2. Transmissor: Elemento que está originando a mensagem.
3. Mensagem: Dado a ser enviado.
4. Na codificação da informação em um formato digital é comum 
precisarmos devários bits. Por exemplo, usando o código ASCII, 
precisamos de 8 bits para transferir uma única letra. 
5. Canal de Transmissão: Meio físico por onde trafegará a mensagem.
6. A transmissão de dados digitais podem ser efetuadas em dois formatos:
Serial: apenas um canal para transmissão da informação.
Paralela: vários canais para transmissão da informação.
7. Protocolo de comunicação: Regras para que a comunicação seja 
estabelecida.
8. Receptor: Elemento que está recebendo a mensagem.
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Formatos de Transmissão
Transmissão Paralela
1. Na comunicação em paralelo, grupos de bits são transferidos simultaneamente 
(em geral, byte a byte) através de diversas linhas condutoras dos sinais. Desta 
forma, como vários bits são transmitidos simultaneamente a cada ciclo, a taxa 
de transferência de dados é alta. 
2. No entanto, o processo de transferência em paralelo envolve um controle 
sofisticado e é razoavelmente complexo, o que o torna mais caro. Um dos 
problemas importantes diz respeito à propagação dos sinais no meio físico, isto 
é, no cabo de conexão entre o dispositivo e a interface. Essa propagação deve 
se fazer de modo que os sinais (os bits) correspondentes a cada byte cheguem 
simultaneamente à extremidade oposta do cabo, onde então serão re-
agrupados em bytes. Como os condutores que compõem o cabo usualmente 
terão pequenas diferenças físicas, a velocidade de propagação dos sinais 
digitais nos condutores poderá ser ligeiramente diferente nos diversos fios. 
Dependendo do comprimento do cabo, pode ocorrer que um determinado fio 
conduza sinais mais rápido (ou mais lento) que os demais fios e que desta 
forma um determinado bit x em cada byte se propague mais rápido e chegue à 
extremidade do cabo antes que os outros n-1 bits do byte. Este fenômeno é 
chamado skew, e as conseqüências são catastróficas: os bits x chegariam fora
de ordem (os bytes chegariam embaralhados) e a informação ficaria 
irrecuperável. 
3. Em decorrência desse problema, há limites para o comprimento do cabo que 
interliga um dispositivo ao computador, quando se usa o modo paralelo. 
4. As restrições citadas contribuem para que a utilização da comunicação em 
paralelo se limite a aplicações que demandem altas taxas de transferência, 
normalmente associadas a dispositivos mais velozes tais como unidades de 
disco, ou que demandem altas taxas de transferência, como CD-ROM, DVD, ou 
mesmo impressoras, e que se situem muito próximo do núcleo do computador. 
Em geral, o comprimento dos cabos paralelos é limitado a até um máximo de 
1,5 metro.
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Formatos de Transmissão
Transmissão Serial
1. Na comunicação serial, os bits são transferidos um a um, através de um 
único par condutor.
2. Os bytes a serem transmitidos são serializados, isto é, são 
"desmontados" bit a bit, e são individualmente transmitidos, um a um. 
Na outra extremidade do condutor, os bits são contados e quando 
formam 8 bits, são remontados, reconstituindo os bytes originais . 
3. Nesse modo, o controle é comparativamente muito mais simples que no 
modo paralelo e é de implementação mais barata. Como todos os bits 
são transferidos pelo mesmo meio físico (mesmo par de fios), as 
eventuais irregularidades afetam todos os bits igualmente. Portanto, a 
transmissão serial não é afetada por irregularidades do meio de 
transmissão e não há skew. No entanto, a transmissão serial é 
intrinsecamente mais lenta (de vez que apenas um bit é transmitido de 
cada vez).
4. Como os bits são transmitidos seqüencialmente um a um, sua utilização 
é normalmente indicada apenas para periféricos mais lentos, como por 
exemplo teclado, mouse, etc. ou quando o problema da distância for 
mandatório, como nas comunicações a distâncias médias (tal como em 
redes locais) ou longas (comunicações via linha telefônica usando 
modems).
5. Comparativamente, a transmissão serial tem recebido aperfeiçoamentos 
importantes (seja de protocolo, de interface e de meio de transmissão) 
que vem permitindo o aumento da velocidade de transmissão por um
único par de fios, cabo coaxial ou de fibra ótica. Como o aumento da 
velocidade de transmissão em interfaces paralelas ocasiona mais skew, 
a tendência tem sido no sentido do aperfeiçoamento das interfaces 
seriais que hoje permitem taxas de transferência muito altas com
relativamente poucas restrições de distância. Em microcomputadores, a 
interface USB - Universal Serial Bus permite hoje ligar até 128 
dispositivos a taxas muito altas (centenas de kbps).
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Modos de Operação do Canal de Comunicação
Simplex
Fluxo único da estação de 
origem para o destino
Half Duplex
Fluxo duplo entre as 
estações, mas não 
simultâneo
Full Duplex
Fluxo simultâneo de 
informações
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Verificação de Erros de Transmissão
Alteração dos valores dos Bits
Origem dos Erros de Transmissão
Ruído:
Branco / Térmico
Impulsivo
Distorções:
Atenuação em Amplitude
Retardo de Fase
Deslocamento de Freqüência
Técnicas de Detecção de Erro
Eco
Paridade, Checksum e CRC
1. Toda transmissão de dados é sujeita a erros. Por isso são necessários métodos 
de verificação de integridade da informação entre o transmissor e receptor.
2. Existem dois formatos básicos de ruído que afetam as redes de comunicação: o 
ruído branco e o ruído impulsivo. O ruído branco, também conhecido como 
ruído térmico, é provocado pela agitação dos elétrons nos condutores 
metálicos. Seu nível é função da temperatura, sendo uniformemente distribuído 
em todas as freqüências do espectro. Na prática, é mais danoso à comunicação 
de dados do que à de voz.
3. Já o ruído impulsivo é do tipo não contínuo, consistindo em pulsos irregulares 
de grandes amplitudes, sendo de difícil prevenção. A duração destes pulsos 
pode variar de alguns até centenas de milisegundos. É provocado por 
distúrbios elétricos externos ou por falhas em equipamentos (indução nos 
circuitos eletrônicos). O ruído impulsivo é o causador da maior parte dos erros 
de transmissão em sistemas de comunicação.
4. O objetivo de uma técnica de detecção de erro é habilitar o receptor de uma 
mensagem a determinar se a mensagem foi corrompida durante a transmissão 
com presença de ruído no canal de comunicação.
5. O eco é um método simples de verificação de erro, mas gera dobra o tráfego 
de dados e não permite a identificação do momento da ocorrência do erro.
6. Nas técnicas mais usadas o transmissor adiciona uma informação adicional, 
calculada a partir do conteúdo da mensagem. 
7. O Receptor efetua o mesmo cálculo a partir do conteúdo da mensagem e 
compara o seu resultado com o valor calculado e enviado pelo transmissor. Se 
os resultados forem iguais a mensagem não foi corrompida na transmissão.
8. Estes esquemas não proporcionam um meio para corrigir o dado com erro 
recebido. Normalmente o receptor informa ao transmissor que houve um erro 
durante a transmissão e solicita o reenvio da mensagem.
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Técnica da Paridade
O transmissor adiciona um bit a cada byte de dados 
transmitidos
Paridade Par
O número total de 1’s na palavra considerando-se o bit de
paridade é par.
Paridade Ímpar
O número total de 1’s na palavra considerando-se o bit de
paridade é ímpar.
1 0 1 0 1 0 1 0 0
1 0 1 0 1 0 1 0 1
Bit de Paridade
Bit de Paridade
1. Na técnica da paridade, o transmissor adiciona um bit a cada byte de 
dadostransmitidos.
2. Este bit é calculado conforme o tipo de paridade convencionado, PAR 
ou ÍMPAR.
3. O receptor efetua o mesmo cálculo e compara o seu bit de paridade 
com o recebido na transmissão como forma de validação do byte 
recebido.
4. A paridade tem sido usada em sistemas com lentas taxas de 
transmissões de dados, pois é fácil e barata de implementar 
eletronicamente, no entanto esta técnica não consegue detectar 
variações de bits em quantidade par.
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Técnica do Checksum
O transmissor adiciona um bloco de bits referente a 
soma dos bytes a serem transmitidos.
7B 4A F8 D4 91 Checksum
0 1 1 1 1 0 1 1
0 1 0 0 1 0 1 0
1 1 1 1 1 0 0 0
1 1 0 1 0 1 0 0
1 0 0 1 0 0 0 1
+
7B
4A
F8
D4
911 0
1. Na técnica do checksum, o transmissor adiciona um ou mais bytes a 
partir da soma do bloco de byte de dados a serem transmitidos.
2. Se o resultado da soma excede o número de bits reservados para o
checksum, os bits excedentes são descartados.
3. O receptor efetua o mesmo cálculo e compara o seu resultado com o 
recebido na transmissão como forma de validação do bloco de dados 
recebido.
4. A vulnerabilidade aos erros em dois ou mais bits existente na técnica da 
paridade não existe na técnica do checksum, no entanto esta técnica 
está sujeita a não detectar determinados erros que provoquem 
alterações nos dados que mantenham o resultado da soma inalterada.
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Técnica do CRC – Cyclic Redundancy Checking
O transmissor divide a mensagem por um valor 
binário de 16 bits predeterminado e adiciona o resto 
da divisão a mensagem a ser transmitida
Mecanismo com maior eficiência na detecção de erros 
(maior que 99,9984%)
Algoritmos diferem no polinômio base:
CRC-16, CRC-CCITT, CRC-32
Dados Resto CRC
1. A idéia básica dos algoritmos CRC é simplesmente tratar a mensagem 
como um enorme número binário, dividi-lo por um outro número 
binário fixo, fazendo o resto da divisão o “checksum”.
2. No recebimento da mensagem, o receptor efetua a mesma divisão e 
compara o resto com o “checksum” calculado pelo transmissor.
3. O quociente da divisão é fixo e conhecido pelo transmissor e receptor 
podendo ser de 8, 16 e até 32 bits sendo conhecido como polinômio 
base.
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Características dos Meios de Transmissão
Ruídos Eletromagnéticos
O meio de transmissão a base de cobre é fonte e vítima de EMI.
Interferência eletromagnética (EMI) é causada por campos 
eletromagnéticos gerados por tensões e correntes de equipamentos
eletro-eletrônicos ou emissores de radio frequência.
Lâmpadas fluorescentes, aquecedores, rádios, dispositivos 
eletrônicos, radares, motores, máquinas de solda, inversores de 
freqüência, fontes chaveadas.
Formas de Acoplamento de Ruídos
Acoplamento por Impedância
Acoplamento capacitivo ou eletrostático
Acoplamento indutivo ou magnético
Radiação eletromagnética
Diafonia (Crosstalk) é o acoplamento de energia entre 
condutores de um mesmo cabo ou entre cabos.
1. Em comunicação de dados são utilizados diversos tipos de meios de 
transmissão. Eles devem procurar proteger os dados que por eles 
trafegam.
2. Os meios baseados em condutores metálicos, principalmente em um 
ambiente industrial, são submetidos a indução de tensões que podem 
levar a perda da informação transmitida.
3. Os campos eletromagnéticos em torno de um meio de transmissão são 
a fonte de geração destas tensões espúrias.
4. O uso compartilhado de condutores de retorno podem levar a 
acoplamento de ruído entre dois circuitos.
5. A magnitude do ruído acoplado capacitivamente é proporcional a 
capacitância entre a fonte de ruído e o meio de transmissão e ainda à 
taxa de variação da tensão.
6. A magnitude do ruído acoplado indutivamente é proporcional a 
indutância mútua entre a fonte de ruído e o meio de transmissão e 
ainda à taxa de variação da corrente.
7. Quando a indução ocorre entre condutores de um mesmo cabo ou em 
cabos próximos, chamamos este fenômeno de diafonia ou crosstalk. 
Antigamente este fenômeno era comum a percepção deste problema 
em ligações telefônicas quando ouvíamos outras conversações.
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Características dos Meios de Transmissão
Atenuação
Perda da potência do sinal ao longo do meio de transmissão
Limita o comprimento do meio de transmissão
Especificada em decibel(db)
P1 = Pot. Transmitida
P2 = Pot. Recebida
db
P
Plog.10Atenuação
2
1
10=
1. Todo sinal perde potência ao trafegar por um meio de transmissão. 
Uma atenuação severa deve ser evitada para que o receptor não receba 
mais ruído do que o sinal transmitido.
2. A unidade de medida de atenuação e ganho é o decibel (db).
3. Não devemos confundir esta unidade usada para comparar duas 
potências com a unidade dbm, que é uma unidade de potência, 
significando decibéis em relação a 1mW.
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Impedância Característica
Propriedade intrínseca de cada 
linha de transmissão, função de 
sua geometria, isto é, 
indutâncias e capacitâncias.
Outras definições
Impedância de entrada se o linha 
tivesse um comprimento infinito
Valor da carga, que colocada no 
final da linha não provoque 
nenhuma reflexão.
÷
ø
öç
è
æ
e
=
d
Dlog138Z0
÷
ø
öç
è
æ=
r
Dlog9,275Z0
1. Todo condutor de cobre usado para transmitir potência entre uma fonte 
e uma carga é considerado uma linha de transmissão. 
2. Uma linha de dois condutores pode ser modelada pela resistência de 
seus condutores, a indutância própria, a capacitância dos condutores 
separados por um isolante e a condutância da isolação entre os 
condutores.
3. Em altas freqüências podemos considerar que a resistência é 
desprezível frente a indutância e capacitância.
4. Desta forma podemos afirmar que a impedância da linha depende da
sua geometria, isto é, espaçamento e diâmetro dos condutores e tipo 
de material isolante utilizado, pois estes parâmetros é que definem a 
sua indutância e capacitância independentemente do seu comprimento.
5. Em um cabo coaxial a impedância depende do diâmetro do condutor 
interno e externo e da constante dielétrica do material usado como 
isolante.
6. Em um cabo paralelo separado pelo ar a impedância depende do 
espaçamento entre os condutores e o raio de sua isolação.
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Reflexão de Sinais
Definição
Dado um sistema elétrico composto por
fonte de sinal + cabo + carga, caso as 
impedâncias entre os elementos não 
estejam corretamente casadas, ocorre um 
retorno de parte do sinal emitido pela
fonte de volta para a própria fonte, após ter atingido a carga. Esse 
retorno é chamado de Reflexão.
Efeito de ruído na transmissão distorcendo formas de 
onda, mas...
Irrelevante quando a linha de transmissão é muito menor que o 
comprimento de onda transmitida.
Implicações
Alterações na geometria do cabo provocam reflexões.
Necessidade de terminações nos cabos.
1. A importância do conhecimento da impedância característica é para 
evitar o aparecimento de reflexões no sinal transmitido.
2. A melhor eficiência em um sistema de transmissão ocorre quando a
impedância de saída da fonte, a impedância da linha e a impedância da 
carga são iguais não provocando reflexões.
3. Se a linha de transmissão é muito menor (dez vezes) do que o 
comprimentode onda do sinal transmitido, não teremos reflexões.
4. Por exemplo, um sinal de 10 MHz tem um comprimento de onda de 30
metros, portanto somente linhas acima de 3 metros serão perturbadas 
pelas reflexões.
5. No entanto um sinal de 100MHz tem um comprimento de onda de 3 
metros, portanto linhas acima de 30 cm já serão perturbadas pelas 
reflexões.
6. Alterações na geometria do cabo (tais como emendas, conexões mal
feitas, conectores inadequados, dobras acentuadas) alteram localmente 
a sua impedância e provocam conseqüentemente reflexões adicionais 
no sinal. Dessa forma é importante que sejam utilizados cabos sem 
emendas e conectores com impedância característica igual à do próprio 
cabo.
7. Em uma rede temos vários consumidores do sinal em uma mesma 
linha, mas como as interfaces tem alta impedância é necessário o uso 
de terminadores na linha para evitar as reflexões.
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Largura de Banda (Banda Passante)
Diferença, em Hertz, entre a máxima e mínima freqüência
de um sinal senoidal transmitido sem
atenuação
Capacidade de transmissão de dados
de um canal de comunicação em bps
Meio de Transmissão se comporta
como filtro passa-baixa
Nos meios a base de cobre há atenuação 
das componentes de alta freqüência do
sinal transmitido
Largura
De Banda
1. Todo meio de transmissão tem uma largura de banda, também 
chamada de banda passante.
2. O conceito de largura de banda varia dependendo da aplicação em 
referência.
3. Nos casos de meios de transmissão ela especifica a diferença entre a 
máxima é a mínima freqüência de um sinal senoidal que pode ser 
transmitido com atenuação aceitável, isto é, menor que 3 decibéis.
4. Em redes de computadores, largura de banda também é utilizada para 
especificar a capacidade de um canal de comunicação em bits por 
segundo.
5. Em meios de transmissão de cobre, os fatores limitantes da máxima 
freqüência são os capacitores e indutores presentes intrinsecamente no 
meio.
6. Podemos comparar um meio de transmissão com um filtro passa-baixa
que atenua os sinais de alta freqüência do sinal a ser transmitido.
7. O gráfico, chamado de diagrama de bode, mostra a freqüência de corte 
f0 de um determinado meio de transmissão. Sinais com freqüência 
superiores são atenuados em valores superiores a 3db.
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Largura de Banda (Banda Passante)
Análise de Fourier
Decomposição de um sinal periódico em um somatório de sinais 
senoidais de freqüências múltiplas.
Representação de Sinais no Domínio da Freqüência
( ) ( )t.nsen.bt.ncos.aa)t(v 0
1n
n0
1n
n0 w+w+= åå
¥
=
¥
=
ò
ò
ò
w=
w=
=
T
0 0n
T
0
0n
T
00
dt).t..n(sen).t(v
T
2
b
dt).t..ncos().t(v
T
2
a
dt).t(v
T
1
a
)t.).1n.2((sen.
)1n.2(
1
)t(v
0n
å
¥
=
w+
+
=
Exemplo de série de Fourier para
a onda quadrada
1. O conceito de largura de banda é aplicado em ondas quadradas, 
considerando que uma onda quadrada pode ser decomposta em um 
somatório de sinais senoidais.
2. O matemático Fourier mostrou que qualquer sinal periódico pode ser 
construído por uma série infinita de senóides com múltiplas freqüências.
3. Há uma freqüência fundamental (período do sinal) e outras freqüências 
múltiplas conhecidas como harmônicas.
4. Análise de Fourier:
5. Onde: w0: freqüência fundamental
an e bn: coeficientes de Fourier
a0: componente continua do sinal
( ) ( )t.nsen.bt.ncos.aa)t(v 0
1n
n0
1n
n0 w+w+= åå
¥
=
¥
=
ò
ò
ò
w=
w=
=
T
0 0n
T
0 0n
T
00
dt).t..n(sen).t(v
T
2b
dt).t..ncos().t(v
T
2
a
dt).t(v
T
1
a
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CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Comunicação de Dados – Aula 01
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Largura de Banda (Banda Passante)
Exemplo de decomposição de uma onda quadrada em 
ondas senoidais de freqüências múltiplas.
Freq. Fundamental
2 harmônicas
4 harmônicas
8 harmônicas
Coeficientes das harmônicas
1. A figura mostra a decomposição de um sinal quadrado resultante da 
transmissão do byte “01100010”.
2. São mostradas graficamente os valores dos coeficientes, ou seja das 
amplitudes dos sinais senoidais da freqüência fundamental até a sua 
15ª harmônica.
3. Na seqüência são mostradas:
- Somente a freqüência fundamental.
- A primeira e a segunda harmônica.
- As quatro primeiras harmônicas.
- As oito primeiras harmônicas.
4. Nas figuras podemos observar que a cada harmônico adicionado o sinal 
vai se aproximando da forma quadrada original. e que as componentes 
de mais alta freqüência dão a forma final da onda quadrada.
5. Como as linhas de transmissão podem ser modelados como filtros 
passa-baixa, as componentes de alta freqüência serão atenuadas mais 
fortemente distorcendo a forma de onda transmitida pela linha, 
deixando-a mais distante da forma original.
6. Portanto, quando menor a largura de banda de um meio, mais 
distorcida será a forma de onda de saída. Desta forma, para evitarmos 
a distorção teremos que reduzir a freqüência do sinal original, ou seja, 
reduzir a taxa de transmissão.
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CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Comunicação de Dados – Aula 01
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Meios de Transmissão – Cabo Coaxial
Usados para transmissão de áudio, vídeo e dados 
Técnica da Blindagem
Condutor interno circundado por um condutor externo, 
separados por um dielétrico.
1. O cabo coaxial é largamente usado em comunicação de dados 
analógicos, como transmissão de vídeo e áudio, instrumentação 
eletrônica e até mesmo em eletroeletrônicos portáteis.
2. Em comunicação de dados digitais, chegou a ser utilizado no inic io das 
redes Ethernet e é encontrado em alguns tipos de redes industria is 
como ControlNet.
3. O sinal é transmitido pelo condutor interno, cujo diâmetro tem 
importância na definição da resistência do cabo e conseqüente 
atenuação do sinal e na definição da sua impedância característica.
4. O condutor externo, que deve ser aterrado, age como uma blindagem 
confinando o campo eletromagnético gerado pelo condutor interno 
dentro do cabo.
5. O condutor externo também age como uma barreira impedindo que 
ruído eletromagnético externo atinja o condutor interno, induzindo 
tensões e correntes espúrias.
6. A blindagem não é perfeita, ou pela incapacidade de uma malha ter 
uma cobertura de 100%, ou pela espessura insuficiente das camadas 
metálicas utilizadas.
7. O dielétrico é responsável pela isolação elétrica entre a blindagem e o 
sinal transmitido. Além de participar da definição da impedância
característica do cabo, ele também influi no nível de perda do sinal.
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CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Comunicação de Dados – Aula 01
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Meios de Transmissão – Cabo Coaxial
Tipos de cabo coaxial
Caracterizados pela impedância 
característica e atenuação.
Identificados pelo código RG-#.
Transmissão via Rádio, Dados: 50 ohms
RG-8, RG-58
Áudio, vídeo e TV: 75 ohms
RG-6, RG-11 e RG-59
Conectores
Tipo F
Tipo BNC
Tipo PAL
Conector F
Conector BNC
Conector PAL
1. O cabo coaxial de 50 ohms é largamente utilizado para transmissões via 
rádio, pois coincide com a impedância características das antenas mais 
comuns. Também foi utilizado pela Ethernet e para conexões de 
equipamentos de laboratório como osciloscópios. Construções comuns 
incluem o RG-8 e RG-58, tendo o RG-8 maior diâmetro que o RG-58.
2. A impedância característica de 75 ohms é um padrão internacional
otimizada para o design de cabos coaxiais com longas distâncias. É 
usada largamente em aplicações de vídeo, áudio e telecomunicações, 
inclusive para sistemasde TV a cabo. Construções comuns incluem o 
RG-6, RG-11 e RG-59, sendo o RG-59 o mais fino, RG-6 o intermediário 
e o RG-11 o de maior diâmetro.
3. O conector BNC é adequado para cabos RG-59 e RG-6, tendo três 
peças, incluindo um pino que permite o uso com cabos coaxiais com 
condutor interno sólido ou flexível.
4. O conector tipo F é bastante usado em sistemas de TV digital, por 
satélite e CFTV que usam o cabo RG-6 com condutor interno sólido.
5. O conector de alto desempenho PAL (Belling Lee) tem um pino central 
banhado a ouro sendo usado na Europa para sistemas de TV e Rádio
com cabos RG-6 ou RG59.
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Usado para transmissão telefônica e dados
Técnica do Cancelamento do Ruído
Pares de condutores isolados e trançados
Meios de Transmissão - Cabo de Par Trançado 
1. Inicialmente utilizado em sistemas telefônicos, o cabo de par trançado é 
utilizado como meio físico pela maioria das redes industriais e 
corporativas pela sua facilidade de instalação e relação custo-benefício.
2. O objetivo do entrançamento é eliminar a diafonia (crosstalk), ou seja, 
a transferência de energia do sinal de um par para outro no mesmo 
cabo.
3. Geralmente os dois fios levam sinais elétricos iguais e contrários. Os 
campos eletromagnéticos dos fios de um par tendem a se cancelar 
devido aos seus valores opostos.
4. Quanto maior o número de voltas por unidade de comprimento, melhor 
o cancelamento, reduzindo a possibilidade de diafonia. No entanto 
aumenta a atenuação, o atraso na propagação e o custo do cabo.
5. Os transmissores e receptores devem usar transmissão de dados 
balanceadas, na qual o receptor efetua a diferença da tensão elé trica 
presente nos dois fios para decodificar a informação.
6. O entrançamento, mantendo uma distância similar dos dois fios a uma 
eventual fonte de ruído externo, tende a fazer com que sejam induzidas 
tensões iguais em ambos os condutores. Como o receptor irá calcular a 
diferença de tensão entre eles, o ruído tende a ser cancelado.
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Comum ou não revestido (Unshield Twisted Pair - UTP)
Baixo Custo
Baixa Imunidade ao Ruído
Largura de Banda inversamente proporcional ao comprimento
Revestido ou blindado (STP)
Melhor Imunidade ao Ruído e conseqüente aumento da Largura 
de Banda
Padronizado em categorias pela EIA (Electrical
Industrial Association)
Categorias x Largura de Banda
Conectores RJ (Registered Jack)
Meios de Transmissão - Cabo de Par Trançado 
1. Cabos blindados (STP) são mais caros e menos flexíveis que os cabos 
sem blindagem (UTP).
2. As categorias definem principalmente a largura de banda do cabo.
Categoria 3: 16MHz Categoria 4: 20MHz
Categoria 5: 100MHz Categoria 5e: 100MHz
Categoria 6: 250MHz
3. Quanto maior a largura de banda, maior a susceptibilidade a ruídos. 
4. Usa conectores RJ-11, RJ-13, RJ-45 selados ou não, ou M-12 em 
ambientes industriais.
5. Tem desempenho inferior aos cabos coaxiais, mas possibilitou o uso do 
cabeamento de voz existente nos prédios e facilitou a implantação da 
topologia de rede em estrela.
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Meios de Transmissão – Fibra Ótica
Guia de ondas luminosas
Propagação de pulso de luz 
através do principio da 
reflexão
Construção da Fibra
Núcleo (Core)
Casca (Cladding)
Revestimento (Coating)
1. A transmissão de dados digitais utiliza em larga escala os cabos de fibra 
ótica.
2. A fibra ótica em si é mais barata que o cabo coaxial, principalmente 
quando comparado a capacidade de transmissão de dados por unidade 
monetária.
3. No entanto, os equipamentos de transmissão e recepção necessários a 
conversão elétrica / óptica / elétrica, junto com mais complicados 
métodos de conectorização e emendas de cabeamento, tornam o cabo 
ótico o mais caro meio de transmissão.
4. A luz na fibra ótica viaja através do núcleo de vidro refletindo
constantemente na casca, também de vidro, usando o principio 
chamado de reflexão interna total.
5. Devido a casca não absorver qualquer luz do núcleo, a luz pode 
alcançar grandes distâncias. No entanto, alguma parte do sinal de luz 
degrada dentro do núcleo da fibra, principalmente devido as impurezas 
do vidro, necessitando de amplificação para continuar a transmissão.
6. Sobre o revestimento da fibra há um reforço estrutural para possibilitar 
o lançamento mecânico da fibra dentro de tubulações e protegê-la de 
agentes agressores físicos e químicos.
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Meios de Transmissão – Fibra Ótica
Teoria da Operação
1. A fibra ótica é fabricada com um núcleo de vidro ótico envolvido por 
uma casca de vidro tratada com impurezas de forma que tenham 
índices de refração diferentes.
2. Índice de refração é a relação entre a velocidade de propagação da luz 
no vácuo e de propagação da luz no meio em análise.
3. O índice de refração do núcleo tem que ser maior que o índice de
refração da casca para que ocorra a reflexão total.
4. Devido a esta diferença dos índices de refração, a luz que entra em 
determinados ângulos viaja através do núcleo, refletindo 
constantemente na casca.
5. Existe um ângulo crítico que, quando ultrapassado, não proporciona a 
reflexão do sinal de luz, impossibilitando a sua propagação pelo núcleo.
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Meios de Transmissão – Fibra Ótica
Tipos de Fibras Óticas
Núcleo e casca de Plástico
Núcleo de vidro com casca de plástico (HCS)
Núcleo e casca de vidro
Classificação das Fibras Óticas
Multimodo
Aplicações em redes locais
Monomodo
Aplicações em redes de longa distancia
Núcleo
Casca
1. As fibras óticas de plástico (POF) constituem uma solução de baixo 
custo para efetuar conexões óticas somente em distâncias curtas 
(70m), pois apresentam perdas elevadas de 0,15-0,2 db/m quando 
transmitindo luz com 650nm de comprimento de onda. Tem largura de 
banda reduzida, mas são mais flexíveis, leves e robustas com manejo e 
instalação mais fácil que as demais.
2. As fibras HCS tem atenuação menor que as fibras de plástico 
permitindo enlaces de até 400m, embora apresente um pouco mais de 
dificuldade na instalação que as fibras de plástico.
3. A classificação das fibras quanto ao modo de propagação é definida 
pelo número de caminhos que o sinal de luz segue dentro do núcleo da 
fibra.
4. Nas fibras óticas multimodo, que apresentam diâmetros de até 50 vezes 
o comprimento de onda do sinal de luz propagado, encontramos vários 
caminhos que podem ser percorridos pelo sinal.
5. Estes diferentes caminhos fazem com que o sinal recebido apresente 
distorções devido as pequenas diferenças de fase e tempo de 
propagação. Isto obriga a uma redução na largura de banda 
(<300Mbps) e limitação na distancia empregada (<3km).
6. As fibras óticas Monomodo, são de vidro, com reduzido diâmetro do 
núcleo, não sofrem com a dispersão do sinal de luz, com reflexões 
mínimas permitindo o alcance de maiores taxas de transmissão e 
distâncias de enlace.
7. A fonte de luz deve ser poderosa e alinhada precisamente dentro da 
fibra, requerendo o uso de lasers e técnicas sofisticadas de alinhamento 
nas interfaces da fibra, tornando a sua instalação e manutenção mais 
cara.
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Características dos Sistemas com Fibra Ótica
Positivas
Enorme Largura de Banda 
Baixa Atenuação
Segurança intrínseca
Baixas taxas de erro
Imunidade aEMI
Sem diafonia
Boa logística de instalação
Isolação galvânica entre os nós
Adequada para áreas 
classificadas
Negativas
Alto custo de equipamentos
Adequada para enlaces ponto-a-
ponto
Manutenção complexa
Uso somente em sistemas 
digitais
1. Quando temos que interligar dispositivos a grandes distâncias ou estamos em 
ambientes altamente ruidosos, ou ainda com grandes quantidades de dados a 
serem transmitidos, a solução para o meio físico recai sobre a fibra ótica.
2. Dentre as características positivas deste meio destacamos:
3. Taxas de transmissão na faixa dos 10 Gbps com perspectiva de aumento em 
um futuro próximo.
4. Menores perdas que os cabos coaxiais, permitindo enlaces de dezenas de 
kilômetros.
5. Menos susceptível a escutas clandestinas da informação e ao roubo que os 
cabos metálicos.
6. A utilização da luz torna o meio imune aos campos eletromagnéticos, já que 
não há metal para indução de tensões e correntes espúrias. Da mesma forma 
não há possíbilidade de uma fibra transferir parte do seu sinal para uma fibra 
vizinha (diafonia).
7. Fibras óticas são encontradas em cabos mais leves e finos que os cabos 
metálicos, com melhor aproveitamento do espaço físico.
8. O material dielétrico que compõe a fibra proporciona um isolamento elétrico 
entre os transceptores, evitando problemas de circulação de correntes elétricas 
devido a problemas de aterramento.
9. Não há a produção de faíscas em caso de ruptura e curto-circuitos nos cabos, 
possibilitando o uso em áreas com presença de substâncias inflamáveis.
10. Dentre as características negativas deste meio destacamos:
11. Apesar do custo relativamente baixo da fibra, o custo dos transceptores é alto.
12. Não é simples a derivação e o chaveamento de fibras óticas, dificultando o uso 
em redes com topologia em barramento e estrela.
13. Técnicas de identificação de defeitos, emendas e terminação de fibras são 
difíceis e necessitam de equipamento e treinamento especializado.
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Meios de Transmissão - Sem fio 
Uso da irradiação de ondas 
eletromagnéticas
Rádio
Infra-vermelho
Comprimento de Onda l em cm
frequencia
Luz.Vel=l
1. Sistemas sem fio diferem de sistemas cabeados pelo uso da atmosfera 
como meio de transmissão de ondas eletromagnéticas. 
2. Trata-se de uma tecnologia centenária no uso de transmissão de sinais 
analógicos de áudio e vídeo, mas relativamente recente para 
transmissão de dados digitais.
3. As ondas eletromagnéticas são caracterizadas por sua freqüência e 
comprimento de onda, sendo grandezas inversamente proporcionais.
4. A figura mostra o espectro eletromagnético, onde relaciona os 
comprimentos de onda da radiação eletromagnética com as suas 
respectivas designações como rádio/microondas, infra-vermelho, luz 
visível, ultra-violeta, raios X e raios gama.
5. Para a transmissão de dados digitais sem fio encontramos aplicações 
com ondas nas freqüências de rádio, microondas e infra-vermelho.
6. As ondas eletromagnéticas nas freqüências de rádio e microondas 
podem ser geradas por sinais de tensão e correntes alternadas 
aplicadas em antenas.
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Meios de Transmissão - Sem fio 
Divisão do espectro de radio freqüência
Uso licenciado
Necessário registro junto a ANATEL
Uso público
Existência de faixas de freqüências de uso livre com potência limitada.
RESOLUÇÃO ANATEL Nº 365, DE 10 DE MAIO DE 2004
902-907,5 MHz e 915-928 MHz
2400-2483,5 MHz e 5725-5850 MHz
1. Devido ao grande uso da radiofreqüência, o seu espectro é dividido em 
faixas com sua utilização regulamentada por órgãos governamentais, 
no caso do Brasil, a ANATEL.
2. As faixas do espectro mais conhecidas são:
MF (Medium Frequency): Radiodifusão em AM
VHF(Very High Frequency): Radiodifusão em FM e TV
UHF(Ultra High Frequency): Telefone Celular, TV, Redes
3. A utilização de uma determinada freqüência deve ser licenciada junto a 
ANATEL que desta forma terá como controlar e impedir que outro 
usuário utilize esta mesma freqüência.
4. No entanto, em cada faixa do espectro, existem determinados 
intervalos de freqüências, chamados de ISM (Industrial, Science e 
Medical), para uso sem licenciamento, desde que sejam respeitados 
determinados limites de potência de transmissão.
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Sistema de Comunicação sem Fio
Componentes
Radio Modem
Antena
Cabeamento
1. A figura mostra um sistema de aquisição de dados, comumente 
chamada de SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), onde 
uma estação central coleta e envia dados a unidades remotas, 
chamadas de UTRs via enlaces de rádio.
2. Em cada unidade remota os dados são concentrados em controladores 
lógicos programáveis ou dispositivos microprocessados dedicados ao 
tipo de sistema supervisionado.
3. A transmissão dos dados digitais é efetuada por enlaces sem fio usando 
rádio modem e um sistema irradiante composto de antena, cabeamento 
e conexões.
4. A propagação dos sinais é efetuada com sinais de tensão senoidais, 
sendo a função do radio modem efetuar modificações nestes sinais , 
usando técnicas específicas, para codificar os dados digitais a serem 
transmitidos. 
5. No momento da recepção, cabe ao radio-modem decodificar o dado 
digital a partir do sinal senoidal recebido pela antena.
6. Além de suas funções básicas, os rádios modem atuais permitem a 
configuração e diagnóstico local e remoto através de softwares 
dedicados.
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Antenas Isotrópicas
1. O inicio e o fim de um circuito de comunicação sem fio é a antena.
2. Fisicamente, uma antena é um arranjo de condutores que geram uma
radiação eletromagnética em resposta a uma tensão e corrente 
alternada aplicada em seus terminais. 
3. Quando imersa em um campo eletromagnético a antena sofrerá uma 
indução de tensão alternada disponibilizada em seus terminais.
4. As antenas podem ser de vários tipos dependendo da freqüência 
utilizada e do modo de transmissão dos sinais.
5. A figura mostra o padrão de radiação de uma antena isotrópica. Trata-
se de uma antena teórica que irradia igualmente em todas as direções. 
É considerado um ponto no espaço sem dimensões e sem massa.
6. Esta antena não pode existir fisicamente, mas é útil como um modelo 
teórico para comparações com outras antenas.
7. No slide observamos o padrão de radiação em 3D. Trata-se de uma 
representação gráfica do valor relativo da radiação transmitida ou 
recebida de uma antena em uma determinada direção.
8. O padrão de radiação também pode ser definida como as posições 
onde a potência emitida por unidade de superfície é a mesma. 
9. A principal informação que podemos retirar destes gráficos é o melhor 
ângulo de emissão e recepção.
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Antena Omnidirecional
1. Uma antena omnidirecionalé projetada para transmitir dados em todas 
as direções, exceto para cima e para baixo, conforme representado em 
seus diagramas de padrão de radiação.
2. Precisamos deste tipo de antenas em sistemas de transmissão 
simultânea a várias estações de recepção dispersas geograficamente, 
ou ainda em estações de recepção móveis.
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Antena Direcional
1. Uma antena unidirecional é projetada para concentrar a irradiação em 
uma única direção conforme podemos observar no padrão de radiação 
em 3D.
2. No slidetemos três exemplos de antenas unidirecionais para diferentes 
freqüências. 
3. A antena YAGI, exemplo de antena unidirecional, é bastante usada na 
faixa de freqüência de VHF e UHF. Ela é composta de elementos com 
tamanhos proporcionais ao comprimento de onda irradiado ou captado.
4. A antena parabólica também é um exemplo de antena unidirecional 
para sinais de menores comprimentos de onda (GHZ), os quais são 
focados por um refletor (parábola) e direcionados a antena 
propriamente dita.
5. Também podemos enquadrar as antenas planares como antenas 
direcionais. As antenas planares são construídas com uma fina camada 
metálica separada por um dielétrico de uma superfície plana aterrada, 
sendo usadas em sistemas móveis, como celulares e redes locais sem 
fio, diferenciando-se pelo pequeno tamanho e peso e possibilidade de 
design mais modernos.
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Ganho de Antenas
1. O ganho de uma antena é medido em dbi (decibel isotrópico).
2. Ele relaciona a potência do sinal irradiado pela antena com a potência 
de uma antena isotrópica, que irradia o sinal igualmente em todas as 
direções.
3. O uso de uma antena direcional de alto ganho em um sistema de 
enlace sem fio pode ter o mesmo efeito do aumento de potência do
radio modem.
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Tecnologias sem fio
Nome Comercial ZigBee GPRS/GSM Wi-fi Bluetooth
Padrão IEEE 802.15.4 1xRTT/CDMA IEEE 802.11b IEEE 802.15.1
Aplicação Controle e 
Monitoração
Voz e Dados WEB, email e 
Video
Subsituição de 
cabeamento
Recursos Sistema 4kB-32kB +16MB +1MB +250kB
Duração da Bateria 
(dias)
100-1000 1-7 0,5-5 1-7
Tamanho da Rede Ilimitado 1 32 7
Largura de Banda 
(kb/s) 20-250 64-128 +11.000 720
Distância (m) 1-100 +1000 1-100 1-10
Pontos Fortes
Confiabilidade, 
Custo e 
Consumo
Alcance, 
Qualidade
Velocidade, 
Flexibilidade
Custo, 
Conveniência
1. As tecnologias de comunicação sem fio estão invadindo todos os 
espaços e não será diferente no ambiente de automação de processo. 
2. Os sistemas sem-fio tem vantagens como mobilidade, sendo uma 
alternativa a locais com restrições de lançamento e distância de
cabeamento, no entanto questões como segurança, confiabilidade e
alimentação elétrica das unidades remotas devem ser consideradas.
3. A tabela mostra algumas das várias soluções padronizadas para 
comunicações sem fio atualmente disponíveis no mercado que 
naturalmente serão utilizadas para controle de processos.