Capítulo 4 Meios Transmissão

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Capítulo 4 - Meios de Transmissão
O primeiro elemento necessário para o estabelecimento de uma comunicação entre dois pontos é o meio de transmissão, que é parte integrante do canal de comunicação descrito no Capítulo 2. As características do meio definem, em boa parte, as características do canal.
Os meios de transmissão usualmente utilizados nas redes de telecomunicações são: o par metálico, o cabo coaxial, a fibra óptica e a atmosfera como meio de transmissão nas redes sem fio. A seguir, apresentamos as principais características de cada um, suas limitações e aplicabilidade.
Uma análise profunda de cada tipo de meio de transmissão foge do escopo desse texto, pois envolve o estudo do eletromagnetismo e suas aplicações, com análises matemáticas complexas. O leitor interessado pode consultar, dentre outras, as referências [1] e [2] para um estudo completo sobre linhas de transmissão metálicas (par trançado e cabo coaxial), a referência [3] para uma análise detalhada das fibras ópticas e a referência [4] para o estudo da propagação das ondas eletromagnéticas. 
4.1. Par Trançado
O par trançado é constituído de um par de fios de cobre trançados, que pode ser blindado por uma capa metálica, denominado de STP (Shielded Twisted Pair), ou não blindado, denominado de UTP (Unshielded Twisted Pair). O par blindado oferece como vantagem maior imunidade a interferências e como desvantagens: custo mais elevado e maior dificuldade de manuseio. A Figura 4.1 ilustra a aparência de dois cabos com quatro pares, um cabo STP na parte (a) e um cabo UTP na parte (b). 
O par trançado é um meio de transmissão comum para conexões de curtas distâncias. Ele está presente na rede de acesso, interconectando o ambiente do usuário à central local, nas redes telefônicas privativas das empresas (redes PABX – Private Automatic Branch Exchange) e nas redes locais Ethernet. O par trançado também foi bastante utilizado para interconexão de centrais telefônicas (cabos de pares), mas esta aplicação está em desuso.
Figura 4.1. – Aparência de um Par trançado blindado (a) e não blindado (b).
Os cabos de pares metálicos são classificados em categorias, de Categoria 1 a Categoria 7. A largura de faixa e, consequentemente, a taxa de transmissão cresce do cabo Categoria 1 para o Categoria 7. A Tabela 4.1 ilustra a largura de faixa para os cabos de Categoria 3 a Categoria 7 [5]. 
Tabela 4.1. – Largura de faixa para cabos de categoria 3 a categoria 7.
	Cabo
	Largura de Faixa
	Categoria 3
	16 MHz
	Categoria 4
	20 MHz
	Categorias 5
	100 MHz
	Categoria 6
	200 MHz
	Categoria 7
	600 MHz
Para um dado cabo, a atenuação introduzida no sinal varia com a frequência, com maiores atenuações em frequências mais altas. Por exemplo, as equações (4.1) e (4.2) fornecem aproximações para o cálculo da atenuação (em dB) nos cabos Categoria 3 e Categoria 5, respectivamente, em função da frequência e do comprimento do cabo: [6]
 (4.1)
 (4.2)
onde f é a frequência, em MHz, e l é o comprimento do cabo, em metros. 
A Figura 4.2 ilustra a atenuação dos cabos Categoria 3 e Categoria 5 em função da frequência, considerando em ambos os casos um comprimento de 100 metros.
Figura 4.2. – Atenuação nos cabos Categoria 3 e Categoria 5, em função da frequência.
A taxa de transmissão máxima possível em um par metálico varia inversamente com a distância, ou seja, quanto maior o comprimento do cabo, menor a taxa máxima possível. A Figura 4.3 ilustra um comportamento típico, obtido a partir de limites de taxa definidos para a tecnologia ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) [7].
Figura 4.3. – Taxa máxima de transmissão versus distância em par metálico – comportamento típico.
Comparativamente ao cabo coaxial e à fibra óptica, o par trançado oferece, como vantagens, um custo de implantação menor e maior facilidade de manuseio. As desvantagens são: uma taxa de transmissão menor e distâncias mais curtas entre repetidores, além de maior susceptibilidade a interferências.
4.2. Cabo Coaxial
O cabo coaxial é composto de um condutor central metálico e uma malha externa metálica, estando ambos separados por um meio isolante, como ilustra a Figura 4.4.
Figura 4.4. - Aparência de um cabo coaxial
O cabo coaxial foi largamente empregado nas redes locais Ethernet, mas acabou sendo substituído nestas redes pelo par trançado. Atualmente, o maior uso dos cabos coaxiais em redes de telecomunicações se dá nas redes de distribuição de TV a cabo (CATV – Cable Television). 
Comparado ao par trançado, o cabo coaxial oferece como vantagens: maior imunidade a interferência, menor interferência e maior capacidade de transmissão. Por exemplo, a atenuação de um cabo coaxial RG-6, comumente utilizado em redes de CATV, pode ser aproximada por: [6]
 (4.3)
Onde, novamente, f é a frequência em MHz e l é o comprimento do cabo em metros. A Figura 4.5 ilustra a diferença de atenuação de um cabo coaxial RG-6 e de um par metálico Categoria 5, ambos com comprimento de 100 metros. Podemos claramente observar a menor atenuação obtida no cabo coaxial.
Figura 4.5. – Atenuação no par metálico Categoria 5 e no cabo coaxial RG-6, em função da frequência.
As desvantagens do cabo coaxial frente ao par trançado são: o maior custo e a maior dificuldade de manuseio.
4.3. Fibra Óptica
A fibra óptica é um meio de transmissão de grande importância nos dias atuais, pois é utilizada em vários padrões de redes locais e está presente no backbone de praticamente todas as redes de telecomunicações. 
A fibra óptica é composta de um núcleo dielétrico (isolante) envolto por uma casca também isolante. Ou seja, a fibra óptica não é um meio metálico e, portanto, não transporta sinais elétricos, mas ópticos. O índice de refração do núcleo� é diferente do índice de refração da casca, e a luz se propaga no interior da fibra por múltiplas reflexões na interface entre o núcleo e a casca. A Figura 4.6 ilustra a composição da fibra e o mecanismo de propagação da luz. 
Sabe-se do eletromagnetismo que, quando uma onda eletromagnética incide na superfície de separação entre dois meios, parte da onda se reflete de volta ao primeiro meio, com ângulo de reflexão igual ao ângulo de incidência, e parte da onda penetra no segundo meio. Dependendo das características dos meios, há um ângulo de incidência, denominado ângulo crítico, a partir do qual a onda eletromagnética é totalmente refletida de volta para o primeiro meio. A fibra óptica se baseia nesse princípio. Logo, para que a luz se propague no interior da fibra, o ângulo de incidência do feixe de luz na interface entre o núcleo e a casca da fibra deve ser superior ao ângulo crítico.
Figura 4.6. - Fibra ótica, aparência e princípio do mecanismo de propagação da luz.
A Figura 4.7 ilustra este fenômeno. Enquanto o ângulo de incidência (( e () é menor do que o ângulo crítico, há energia vazando para a casca da fibra. Quando o ângulo de incidência ultrapassa o ângulo crítico ((), toda energia é refletida de volta para o núcleo da fibra. 
Figura 4.7. - Fenômeno da reflexão total.
Como o ângulo de reflexão é igual ao de incidência, a luz refletida incide novamente na interface entre o núcleo e a casca com o mesmo ângulo e, novamente, há reflexão total. Esse fenômeno se repete, e a luz se propaga no interior da fibra por múltiplas reflexões. A Figura 4.8 ilustra essa ideia.
Figura 4.8. - Propagação no interior da fibra por múltiplas reflexões.
O ângulo crítico pode ser calculado por: [3]
 (4.4)
em que N1 e N2 representam os índices de refração dos meios 1 e 2, respectivamente.
As fibras ópticas podem ser classificadas em fibras monomodo e multimodo, sendo estas últimas divididas em fibras multimodo com índice degrau e fibras multimodo com índice gradual. Asfibras multimodo com índice degrau são aquelas que apresentam, comparativamente, maior atenuação e maior dispersão do pulso com a distância, exigindo repetidores mais frequentes. As fibras monomodo são as que apresentam menor atenuação e menor dispersão do pulso com a distância, permitindo que se alcancem distâncias maiores. A Figura 4.9 ilustra os fenômenos de atenuação e dispersão nos três tipos de fibra (de forma apenas qualitativa). Quanto maiores forem a atenuação e a dispersão menor terá de ser a distância entre repetidores nos sistemas de comunicações. 
(adaptar figura do Stallings)
Figura 4.9. - Efeitos de atenuação e dispersão dos pulsos nas fibras monomodo, multimodo gradual e multimodo degrau.
Além da classificação apresentada no parágrafo anterior, as fibras são especificadas pelo diâmetro do seu núcleo e da sua casca, normalmente apresentados na forma X/Y, onde X é o diâmetro do núcleo e Y é o diâmetro da casca. Fibras comumente utilizadas em sistemas de telecomunicações são 50/125, 62.5/125 e 100/125 µm, para fibras multimodo, e 7/125 e 9/125 µm para fibras monomodo.[6][8] 
Em geral, a atenuação na fibra diminui à medida que o comprimento de onda aumenta (ou seja, à medida que a freqüência diminui), mas diferente do par trançado e do cabo coaxial, o comportamento não é monotônico, havendo janelas de baixa atenuação que definem, normalmente, os comprimentos de onda utilizados para transmissão. A Figura 4.10 ilustra o comportamento típico da atenuação com o comprimento de onda em uma fibra óptica. Podem-se identificar na figura as janelas de baixa atenuação nos comprimentos de onda de 820 nm, 1300 nm e 1550 nm. A maior parte dos sistemas de comunicações ópticas modernos opera na janela de 1300 nm, que apresenta atenuação reduzida e também pequena dispersão. A janela de 1550 nm oferece atenuação ainda menor, mas apresenta limitações no que refere a dispersão [3]. 
Figura 4.10. – Característica típica de atenuação em função do comprimento de onda em uma fibra óptica
Valores de atenuação especificados pela EIA/TIA, como um guia para os fabricantes, são de 3.5 dB/km para fibras multimodo operando a 850 nm, 1.5 dB/km para fibras multimodo operando a 1300 nm, 0.4 dB/km para fibras monomodo operando a 1310 nm e 0.3 dB/km para fibras monomodo operando a 0.4 dB/km. [6]
Exemplo 4.1: Um sistema de comunicações ópticas opera com uma fibra monomodo, na janela de 1310 nm, com atenuação de 0.3 dB/km. O laser utilizado para transmissão tem uma potência de transmissão de – 5 dBm. Para que o sistema opere adequadamente, a potência no receptor deve ser, no mínimo, – 20 dBm (denominada sensibilidade do receptor), resultando em um optical budget� de –5 dbm –(–20 dBm) = – 15 dB . Os conectores utilizados nas extremidades da fibra possuem atenuação de 0.75 dB/km. Deseja-se que este sistema opere com uma margem de 3 dB, ou seja, a potência no receptor deve ser, no mínimo, – 17 dBm. Qual o máximo comprimento permitido para a fibra óptica? 
Solução:
Com a margem de 3 dB a diferença entre a potência de transmissão e a potência mínima no receptor deve ser de 23 dB. Esta é a máxima atenuação permitida no sistema. 
Descontando a atenuação dos conectores, 2 x 0.75 = 1.5 dB, tem-se uma atenuação máxima de 21.5 dB para a fibra utilizada.
Como a fibra tem atenuação de 0.3 dB/km, o comprimento máximo da fibra é 21.5/0.3 = 71.67 km.
***
Além da pequena atenuação, se comparado aos meios metálicos, por ser constituída de meios isolantes, a fibra óptica é completamente imune a interferências. 
Comparativamente aos outros meios, a fibra óptica oferece maior taxa de transmissão e menor atenuação, permitindo maiores distâncias entre elementos repetidores. Com a utilização de WDM (Wavelenght Division Multiplex), podem-se alcançar taxas de transmissão de 1.600 Gbps nos sistemas ópticos atualmente em uso. [8]
Para maiores detalhes sobre os tipos de fibra e suas características, recomendamos ao leitor interessado a leitura da referência [3]. 
4.4. Comunicações sem fio
As comunicações sem fio têm grande aplicação em telecomunicações. Elas são utilizadas, por exemplo, nos sistemas de radiodifusão de sinais de televisão e rádio, nas redes telefônicas, interconectando centrais por meio de rádio digitais ou de sistemas de comunicações por satélite, nos sistemas de comunicações móveis celulares (telefonia celular), interligando roteadores em redes WAN, nas redes locais sem fio (Wi-Fi) e nas redes de acesso sem fio (WiMax).
Nas transmissões sem fio a atmosfera é utilizada como meio de transmissão. O sinal gerado pelo transmissor é enviado por meio de uma onda eletromagnética irradiada por uma antena. As antenas podem ser omnidirecionais, que irradiam igualmente em todas as direções (segundo um plano), como a usualmente utilizada nos telefones móveis celulares, ou direcionais, que concentram a irradiação em uma determinada direção, como as antenas parabólicas ou antenas externas receptoras de televisão. A Figura 4.11 ilustra o diagrama de irradiação de uma antena omnidirecional, parte (a), e de uma antena direcional, parte (b). 
O estudo profundo de antenas demanda conhecimentos avançados de eletromagnetismo e está fora do escopo deste texto. Ao leitor interessado, recomendamos a referência [9]. 
Figura 4.11. - Diagrama de irradiação de uma antena omnidirecional (a) e direcional (b).
A capacidade da antena de concentrar a energia irradiada em uma determinada direção (capacidade de ser diretiva) é representada por um parâmetro denominado ganho da antena. O ganho da antena é definido como a relação da potência, na direção de máxima irradiação, irradiada pela antena e a potência irradiada por uma antena de referência. Usualmente, toma-se como referência uma antena hipotética, denominada isotrópica, que seria capaz de irradiar o sinal igualmente em todas as direções. Por exemplo, para uma antena parabólica, largamente utilizada em sistemas de telecomunicações, o ganho em relação à antena isotrópica pode ser calculado por:
	
	(4.5)
em que ( é a eficiência da antena, d é o seu diâmetro e ( é o comprimento de onda do sinal, que é a relação entre a velocidade de propagação da luz no vácuo, c, e a frequência do sinal (( = c/f ) . Logo, o ganho da parábola aumenta com seu diâmetro e com a frequência do sinal.
Exemplo 4.2: Uma antena parabólica utilizada em um sistema de recepção de TV por satélite possui diâmetro de 60 cm e eficiência de 0.55. O sistema opera na freqüência de 12 GHz. Calcular o ganho desta antena.
Solução
Para a freqüência de 12 GHz o comprimento de onda é ( = 3 x 108 / 12 x 109 = 0.025 m. Diretamente da expressão 4.5 temos:
***
Os mecanismos de propagação do sinal dependem da sua frequência. As formas de propagação mais comumente presentes nos sistemas de telecomunicações são: propagação por ondas terrestres, propagação ionosférica e linha de visada. 
Na propagação por ondas terrestres, a onda eletromagnética se propaga seguindo a curvatura da terra. Este tipo de propagação ocorre para sinais com frequência abaixo de 3 MHz [4]. Neste tipo de propagação, as ondas podem alcançar distâncias muito grandes, mas a largura de faixa é pequena e, consequentemente, a capacidade de transmissão também é pequena. Um exemplo comum de comunicação por propagação terrestre são as emissoras de rádio AM (Amplitude Modulation). A Figura 4.12 ilustra este tipo de propagação. [4][5]
Figura 4.12. - Propagação de onda terrestre.
Na propagação ionosférica, o sinal emitido pela antena é refletido por uma camada da atmosfera denominada ionosfera. Ondas com frequências de 2 MHz a 50 MHz se propagam por meio desse mecanismo [4]. As distâncias alcançadas também podem ser muito elevadas. A Figura 4.13 ilustra este tipo de propagação. [4][5]
Figura 4.13 - Propagação ionosférica.
Finalmente, a propagação com linha de visada ocorre para frequências acima de 30 MHz [4][5]. Este é o mecanismo de propagação mais importante para as telecomunicações,pois engloba os principais sistemas de comunicação sem fio. À medida que a frequência aumenta, a largura de faixa (e a capacidade de transmissão) do sistema também aumenta. Por outro lado, a atenuação sofrida pelo sinal, à medida que se propaga, também aumenta com a frequência. Os sistemas de comunicação que operam com frequência de 1 GHz a 300 GHz são, usualmente, denominados de sistemas de microondas e são particularmente importantes para as telecomunicações.
A Figura 4.13 ilustra a propagação com linha de visada, na qual se percebe que há uma visada direta entre as antenas transmissora e a receptora. [5]
Figura 4.13. - Propagação com linha de visada.
Um dos principais tipos de atenuação sofrido pelo sinal na propagação com linha de visada é denominada de atenuação no espaço livre e pode ser calculada por:
	
	(4.6)
sendo r a distância entre a antena transmissora e a antena receptora e ( o comprimento de onda do sinal. Logo, a atenuação no espaço livre aumenta com a distância e com a frequência. 
A Equação 4.6 pode ser expressa em decibéis, como:
 (4.7)
em que f é a freqüência em MHz e r é a distância em km.
A potência entregue ao receptor pode ser calculada por:
	
	(4.8)
em que Pt é a potência do transmissor, Gt é o ganho da antena transmissora e Gr é o ganho da antena receptora. Logo, verifica-se que a potência recebida diminui com a distância.
O produto entre a potência do transmissor e o ganho da antena transmissora é denominado de potência E.I.R.P (Effective Isotropic Radiated Power), pois um sistema que tenha uma potência de transmissão Pt e opere com uma antena transmissora com ganho Gt é equivalente, em termos da potência recebida, a um sistema hipotético operando com uma antena isotrópica e com um transmissor de potência Pt Gt, ambos utilizando a mesma antena de recepção.
A Equação 4.8 pode ser expressa, em dB, como:
 (4.9)
Exemplo 4.3: Um satélite transmite uma potência E.I.R.P de 41 dBW. O satélite está localizado no espaço, a uma distância de 36.000 km da antena receptora, que está localizada na Terra. A antena receptora é uma antena parabólica com diâmetro de 60 cm e eficiência de 0.55. O sistema de comunicações opera à freqüência de 12 GHz. Calcule a potência recebida no receptor.
Solução:
Do exemplo 4.2 temos que o ganho da antena receptora é de 34.95 dB.
Da Equação (4.7) temos que a atenuação no espaço livre é igual a:
Utilizando agora a Equação 4.9 temos:
Ou Pr = 10(-129.2/10) = 0.12 x 10-12 W = 0.12 pW.
***
Exemplo 4.4: Uma rede sem fio opera à freqüência de 2.4 GHz. A potência do transmissor é de 20 dBm e a sensibilidade do receptor é de – 80 dbm, ou seja, a potência recebida deve ser, no mínimo, – 80 dBm. As antenas transmissora e receptora possuem, respectivamente, ganhos de 3 dB e 1 dB. O sistema opera em visada direta. Calcule a máxima distância permitida entre as antenas.
Solução 
Da Equação 4.9 temos que:
, logo L = 104 dB. Ou seja, a máxima atenuação que o sinal pode sofrer é igual a 104 dB. Entrando com este valor na Equação (4.7), temos:
***
Outros tipos de atenuação podem surgir com o aumento da freqüência. Uma atenuação importante, que se torna significativa a partir de 10 GHz, é a atenuação por chuva.
Outro mecanismo de propagação para as comunicações sem fio é o multipercurso, que ocorre quando a antena receptora recebe a mesma onda eletromagnética por múltiplos caminhos (percursos). Como cada onda seguiu um caminho diferente, há uma defasagem relativa entre elas, e a soma dos sinais na antena receptora pode ser destrutiva, gerando o fenômeno denominado de desvanecimento por multipercurso. A Figura 4.14 ilustra o multipercurso em um enlace com linha de visada, parte a, e em um sistema de comunicações móveis, parte b. [5]
Figura 4.12. - Ideia do multipercurso.
Os modelos de propagação descritos acima consideram que as antenas transmissora e receptora estão em ambientes externos às construções (outdoor). Particularmente para as redes locais sem fio, comumente as antenas estão em ambientes internos às construções (indoor), podendo haver obstáculos entre as mesmas, como paredes, divisórias, etc. Para determinar a atenuação sofrida pelo sinal neste caso, em geral, utiliza-se modelos empíricos obtidos a partir de medidas em campo [6][10].
No modelo de propagação em visada direta, a atenuação, dada pela Equação (4.6), varia com o quadrado da distância. Em geral, para os modelos de propagação em outros cenários, a atenuação pode ser expressa como:
 (4.7)
onde ( é um parâmetro que varia com o ambiente (modelo de propagação). Por exemplo, valores comuns de ( são [10]: 2, para propagação em visada direta; 2.7 a 5, para propagação em ambientes urbanos; 2 a 6, para propagação dentro de construções com obstrução. 
Obviamente que, quanto maior o valor de ( maior a atenuação sofrida pelo sinal e menor a potência recebida (mantendo os demais parâmetros constantes).
Uma análise mais detalhada dos fenômenos de propagação nas redes sem fio demanda conhecimentos de eletromagnetismo, bem como de modelos empíricos estabelecidos a partir de medições exaustivas realizadas em campo. Para o leitor interessado, recomendamos a leitura das referências [4] e [10].
Referências
[1] - MAGNUSSON, Philip C. et al. Transmission Lines and Wave Propagation. New York: Crc Press, 2001. 536 p. 
[2] – RIBEIRO, José A. Justino. Engenharia de Microondas: Fundamentos e Aplicações. São Paulo: Érica, 2008. 608 p.
[3] - RIBEIRO, José Antônio Justino. Comunicações Ópticas. 3. ed. São Paulo: Érica, 2007.
[4] - RIBEIRO, José Antônio Justino. Propagação de Ondas Eletromagnéticas: Princípios e Aplicações. 2. ed. São Paulo: Érica, 2008. 392 p.
[5] – STALLINGS, William. Data and Computer Communications. 7th edition. Prentice Hall, 2004.
[6] – PAHLAVAN, Kaveh and KRISHNAMURTHY, Prashant. Networking Fundamentals – Wide, Local and Personal Area Communications. John Wiley & Sons, 2009.
[7] – CORNING. Broadband Technology Overview – White Paper WP6321. June, 2005. 
[8] – FOROUZAN, Behourz A.. Comunicação de Dados e Redes de Computadores. 4ª edição. McGraw Hill, 2008.
[9] – BALANIS, Constantine A.. Antenna Theory: Analysis and Design. 3rd edition. John Wiley & Sons, 2005.
[10] – RAPPAPORT , Theodore S.. Wireless Communications – Principles and Practice. 2nd edition. Prentice Hall, 2002.
� Índice de refração de um meio é a relação entre a velocidade da luz no meio e a velocidade da luz no vácuo.
� A diferença entre a potência de transmissão e a potência mínima necessária no receptor é denominada de optical budget do sistema de transmissão.
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