Fundamentos de Rádio Comunicação - Parte I

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Aula 3: Fundamentos de rádio comunicação - Parte I
Interconexão de redes locais
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Fundamentos de rádio comunicação - Parte I – AULA 03 - *
Conteúdo Programático da Disciplina
Aula 1 - Histórico e Contextualização das Redes Sem Fio
Aula 2 - Fundamentos de transmissão de sinais digitais
Aula 3 - Fundamentos de rádio comunicação - Parte I
Aula 4 - Fundamento de radio comunicação – Parte II
Aula 5 - Arquiteturas em redes sem fio e redes lan sem fio (WLAN)
Aula 6 - Redes WLAN padrão IEEE 802.11 (wi-Fi)
Aula 7 - Projeto de uma rede 802.11
Aula 8 - Segurança em redes 802.11
Aula 9 - Instalação e configuração
Aula 10 - Outras Redes sem Fios Utilizadas em Transmissão de Dados
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Conteúdo Programático da disciplina
Ao final desta aula, você será capaz de:
Conceituar transmissão eletromagnética e propagação e o espectro de frequência para radio comunicação.
Rever conceitos matemáticos e unidades de medidas utilizadas em radiofrequência.
Caracterizar os tipos de propagação, atenuação, ganho e atenuação no espaço livre.
Conhecer visada livre e Zonas de Fresnel.
Conceituar basicamente uma antena, a antena isotrópica, diagrama de radiação, Linha de visada, Curvatura da terra.
Analisar a legislação da ANATEL quanto a estações de radiocomunicação e seus limites de potência.
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Introdução
Para melhor entendimento da propagação de sinais de rádio frequência, é necessário conhecer os conceitos de propagação, atenuação, ganho, perda de sinal e técnicas de modulação e codificação de sinais. 
É necessário ainda conhecer as características das antenas e sua aplicabilidade, seu diagrama de irradiação e seus principais parâmetros técnicos.
Esse estudo requer alguns conhecimentos matemáticos e os limites de operações de equipamentos de radiofrequência no território nacional.
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Conceitos de transmissão eletromagnética e propagação
Efeito Térmico
Efeito Luminoso
Efeito Químico
Efeito Magnético
Campo Magnético
A corrente elétrica ao passar por um meio condutor gera alguns efeitos:
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Conceitos de transmissão eletromagnética e propagação
Efeito Térmico
Efeito Luminoso
Efeito Químico
Efeito Magnético
Campo Magnético
Aquecimento do condutor
 Alteração na densidade do ar, causando refração nas ondas
A corrente elétrica ao passar por um meio condutor gera alguns efeitos:
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Conceitos de transmissão eletromagnética e propagação
Efeito Térmico
Efeito Luminoso
Efeito Químico
Efeito Magnético
Campo Magnético
Por exemplo lâmpadas incandescentes
A corrente elétrica ao passar por um meio condutor gera alguns efeitos:
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Conceitos de transmissão eletromagnética e propagação
Efeito Térmico
Efeito Luminoso
Efeito Químico
Efeito Magnético
Campo Magnético
A cromagem por exemplo.
A corrente elétrica ao passar por um meio condutor gera alguns efeitos:
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Conceitos de transmissão eletromagnética e propagação
Efeito Térmico
Efeito Luminoso
Efeito Químico
Efeito Magnético
Campo Magnético
O condutor percorrido por uma corrente elétrica cria, na região próxima a ele, um campo magnético.
A corrente elétrica ao passar por um meio condutor gera alguns efeitos:
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Conceitos de transmissão eletromagnética e propagação
Efeito Térmico
Efeito Luminoso
Efeito Químico
Efeito Magnético
Campo Magnético
É toda região ao redor de um imã ou de um condutor percorrido por corrente elétrica.
A corrente elétrica ao passar por um meio condutor gera alguns efeitos:
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Espectro de frequência para radio comunicação
Espectro Eletromagnético
 O uso do espectro de frequência é controlado pelas autoridades governamentais através de processos de licenciamento.
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Espectro de frequência para radio comunicação
Espectro Eletromagnético
Autoridades internacionais
 FCC: Federal Communications Commision.
 ERO: European Radiocommunications Office.
 IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers.
 ITU: International Telecommunication Union.
Autoridade nacional
 ANATEL: Agência Nacional de Telecomunicações (administrativamente independente).
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Espectro de frequência para radio comunicação
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Espectro de frequência para radio comunicação
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Espectro de frequência para radio comunicação
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Frequências livres (ISM) e licenciadas 
Banda ISM
Ondas Magnéticas podem se propagar em todas as direções e por longas distancias (de acordo com a freqüência ) e são capazes de atravessar barreiras. Um problema então é o compartilhamento de freqüências ou bandas do espectro eletromagnético. Assim se torna necessário o controle centralizado.
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Frequências livres (ISM) e licenciadas 
Banda ISM
A Anatel concede licenças de utilização em determinado território de acordo com a tecnologia escolhida. 
No caso de redes sem fio, existem três bandas de freqüências que podem ser utilizadas sem licenciamento: 
900MHz, 
2,4 Ghz e
5 GHz. 
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Frequências livres (ISM) e licenciadas 
Banda ISM - Aplicações:    
sistema de travamento de porta de veículos;  
dispositivos médicos e outros. 
O requisito obrigatório para utilização compartilhada destas bandas é que a potencia máxima dos sinais não pode exceder a 1 W. 
Isto limita a faixa de utilização do equipamento e evitam interferências entre dispositivos que compartilhem esta frequência em outras regiões 
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Conceitos de matemática usada em radiofrequência 
Logaritmo
O logaritmo de a na base b.
Log a b=c, por exemplo Log2 8
O valor é o expoente a que b deve ser elevado para que o resultado seja a 
a  = b, no exemplo 2³=8
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Conceitos de matemática usada em radiofrequência 
Simplificando:
A que número 2 deve ser elevado para que o resultado seja 8? 
A resposta é 3, então Log2 8 = 3 (lê-se log de 8 na base 2 é igual a 3)
Exemplo: Se 10³ = 1000 então Log 1000 = 3
Quando a base não estiver explícita ela é = 10.
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Conceitos de matemática usada em radiofrequência 
Decibel
O dB é uma expressão usada para representar a relação entre dois sinais. 
Os parâmetros podem ser: 
 tensão(volts-V), 
 corrente(amper-A) ouníveis de potência(watts-W).
         
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Conceitos de matemática usada em radiofrequência 
Decibel
A medida de decibéis é expressa em:
         dB= 10 log ( P medido / P referência )
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Conceitos de matemática usada em radiofrequência 
Decibel
Exemplo 1: 
Um sinal de potência de 10 watts é aplicado a uma longa linha de transmissão. 
A potência medida no fim da carga é de 7 watts. 
Qual é a perda em decibéis ?
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Conceitos de matemática usada em radiofrequência 
Decibel
Solução: 
dB = 10 LOG ( P final / P inicial )
dB = 10 LOG ( 7 / 10 )
dB = 10 LOG ( 0.7 ) = (10)(-0.155) = -1.55 dB
Note que o sinal da resposta, -1.55 dB, é negativo.
Negativo indica que a relação representa uma perda.
Se a taxa representasse um ganho o número seria positivo. 
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Conceitos de matemática usada em radiofrequência 
Decibel
Exemplo 2: 
Um sinal de potência de 15 watts é aplicado a uma longa linha de transmissão. 
A potência medida no fim da carga é de 10 watts. 
Qual é a perda em decibéis ?
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Conceitos de matemática usada em radiofrequência 
Decibel
Exemplo 2
Solução:
dB = 10 LOG ( P final / P inicial ) 
dB = 10 LOG ( 10 / 15 ) 
dB = 10 LOG ( 0.666 ) = (10)(-0.176) = -1.76 dB
Note que o sinal da resposta, -1.76 dB, é negativo.
Negativo indica que a relação representa uma perda.
Se a taxa representasse um ganho o número seria positivo. 
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Características gerais dos vários tipos de propagação 
A escolha da frequência portadora é suma importante, definindo diversas características de propagação do sinal 
O próprio alcance do sinal está relacionado com sua potência associada às características da freqüência escolhida.
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Características gerais dos vários tipos de propagação 
Independente da baixa ou alta frequência não ficam imunes às fontes de ruídos como equipamentos elétricos e motores.
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Características gerais dos vários tipos de propagação 
Transmissão de Rádio
Fáceis de serem geradas e podem percorrer longas distâncias, além de penetrarem facilmente nos prédios. Mesmo assim estão atreladas à característica frequência.
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Características gerais dos vários tipos de propagação 
Transmissão de Rádio
Baixas freqüências, como o comprimento de onda é grande, atravessam obstáculos com maior facilidade, mas a potência diminui drasticamente à medida que a distância aumenta. 
Altas frequências comprimento de onda muito pequeno, quase se transformando em um “sólido”, tende a ter dificuldades em atravessar obstáculos, geralmente viajando em linha reta.
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Características gerais dos vários tipos de propagação 
Transmissão de Microondas
Trafegam praticamente em linha reta. 
Para obtenção de maiores distâncias, deve ser utilizada torres mais altas, e as antenas devem estar perfeitamente alinhadas.
Como sua faixa de frequência são maiores que as ondas de rádio, menor será sua imunidade a obstáculos. 
Outra característica é a absorção pelas águas das chuvas. 
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Características gerais dos vários tipos de propagação 
Transmissão de Ondas de Infravermelho 
Utilizadas em curto alcance, não atravessam superfícies sólidas.
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Propagação no espaço livre: atenuação, difrações
Propagação em Espaço Livre 
Em linhas gerais a propagação em espaço livre é dita propagação na atmosfera, que o mais frequentemente utilizado. 
Faz-se uso de antenas para a transformação de energia guiada em energia irradiada, que pode ser concentrada em uma direção ou em diversas direções.
Podemos concluir que o canal fisico dessa propagação é o espaço livre entre as antenas transmissora e receptora, sendo considerado um canal aberto.
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Propagação no espaço livre: atenuação, difrações
Atenuação 
É a diminuição da intensidade do sinal ao atravessar um obstáculo, como resultado da absorção da energia, da reflexão, e da divergência do feixe. 
É diretamente proporcional à freqüência do emissor, ou seja, quanto maior a freqüência do emissor maior será a atenuação do feixe. 
Para compensar a atenuação os equipamentos possuem recursos de ampliação, denominados controles de ganho.
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Propagação no espaço livre: atenuação, difrações
Difração
Esse efeito que pode ocorrer em decorrência da interação da onda eletromagnética com partículas que se comportam como ondas. 
É a dispersão da onda em torno de um obstáculo.
Nesta situação a reflexão gerada não se dá preferencialmente numa única direção, mas ocorre em ondas esféricas (espalhamento).
Por trás do obstáculo se formará uma zona de interferência (onde as ondas se sobrepõem, podendo tanto se reforçarem como se cancelarem), enquanto que a parte desobstruída do bordo anterior da onda prossegue em sua direção original. 
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Propagação no espaço livre: atenuação, difrações
Difração
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Propagação no espaço livre: atenuação, difrações
Difração
Assim, difração é a mudança da direção da onda quando a mesma passa junto a um obstáculo. Seu efeito prático é uma diminuição na potência do sinal na área de sombra, e um padrão perturbado numa curta distância fora dessa área sombreada.
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Zonas de Fresnel 
Fresnel estabeleceu que a quantidade de energia transmitida no espaço livre esta contida no volume de um elipsóide, cujo tamanho depende do comprimento de onda e da distância entre as antenas. 
Em geral os enlaces ponto a ponto utilizam altas frequências requerendo cada vez mais uma visada livre.  
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Zonas de Fresnel 
Visada livre não significa podermos de uma antena enxergar a outra, é necessário uma área maior desobstruída, e quanto maior a distância do enlace maior será essa área. 
Importa para efeito prático que uma visada é considerada direta quando a primeira zona de Fresnel está desobstruída, pois dentro dessa encontra-se 97% da potência transmitida. 
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Zonas de Fresnel 
Caso algum obstáculo natural (montanha) ou artificial (edifícios) esteja dentro da primeira zona, haverá atenuação severa no sinal recebido, provocando perda de informação podendo chegar a interrupção total do mesmo. 
Existem fórmulas matemáticas para o cálculo das elipsóides de Fresnel bem comoatenuação imposta por obstáculos que invadam estas Zonas. 
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Zonas de Fresnel 
A solução em alguns casos é elevar a altura das torres. 
Os cálculos existentes no conteúdo da webaula não foram incluidos na constituição de provas, mas apenas estes conceitos e sua aplicação.
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Conceitos básicos de uma antena, a antena isotrópica e diagrama de radiação
Antena isotrópica é aquela que irradia igualmente em todas as direções. 
Os diagramas de irradiação vertical e horizontal são em forma de circunferência, pois o diagrama no espaço seria equivalente a uma esfera.
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Conceitos básicos de uma antena, a antena isotrópica e diagrama de radiação
Essa antena é um modelo teórico não existe antena ideal e sua finalidade é servir como padrão de referência na medição de outras antenas.
Alguns fabricantes considerem a antena dipolo um elemento bem melhor como padrão de referência, porque ela é uma antena real e não imaginária. 
Os valores expressos em dBi (de isotrópica) ou dBd (de dipolo). 
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Conceitos básicos de uma antena, a antena isotrópica e diagrama de radiação
O diagrama de irradiação nada mais é do que o mapeamento da distribuição de energia irradiada, levando em conta o campo tridimensional. 
Pode ser confeccionado através em campo ou através de simulação computacional.
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Conceitos básicos de uma antena, a antena isotrópica e diagrama de radiação
Geralmente a radiação de uma antena é mensurada através da unidade dBi, quando a referência é a isotrópica. 
Esse diagrama representa graficamente o comportamento da antena quanto a sua irradiação. 
Apesar de ser tridimensional, o diagrama é comumente encontrado nos planos horizontal e vertical. 
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Conceitos básicos de uma antena, a antena isotrópica e diagrama de radiação
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Linha de visada, Curvatura da terra
Atmosfera é o meio gasoso que se estende desde a superfície da Terra até milhares de quilômetros de altitude. 
Esta é dividida em basicamente três regiões com características bem diferentes:
 Ionosfera – entre 60 e 10.000 Km
 Estratosfera – entre 11 e 50 Km
 Troposfera – entre 9 e 17 Km
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Limites de potência para transmissão em 
2,4/5,0 GHz (Res. 506 – ANATEL)
Limites de potência para sistemas de salto de radiofrequência:
902-907,5 MHz e 915-928 MHz:
• Mínimo 35 radiofreqüências de salto (não coincidentes).
• Limite 35 radiofreqüências de salto:     
 Se menor - potência máxima de pico 250mw.    
 Se maior ou igual - potência máxima de pico 1W.  
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Limites de potência para transmissão em 
2,4/5,0 GHz (Res. 506 – ANATEL)
Limites de potência para sistemas de salto de radiofrequência:
2.400 MHz a -2.483,5 MHz:
• Mínimo 15 radiofreqüências de salto (não coincidentes).
• Limite 75 radiofreqüências de salto:    
 Se menor - potência máxima de pico 125mw.     
 Se maior ou igual - potência máxima de pico 1W.  
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Limites de potência para transmissão em 
2,4/5,0 GHz (Res. 506 – ANATEL)
Limites de potência para sistemas de salto de radiofrequência:
5,150-5,250MHz:
• Valor médio de potência e.I.R.P. 200mw.
• E.I.R.P. Máximo 50mw/mhz.
• Sem Transmit Power Control (TPC) 100mW.
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Resumo da Aula
Nessa aula, você:
Conceituou transmissão eletromagnética e propagação e o espectro de frequência para radio comunicação.
Reviu conceitos matemáticos e unidades de medidas utilizadas em radiofrequência.
Caracterizou os tipos de propagação, atenuação, ganho e atenuação no espaço livre.
Conheceu visada livre e Zonas de Fresnel.
Conceituou basicamente uma antena, a antena isotrópica, diagrama de radiação, Linha de visada, Curvatura da terra.
Analisou a legislação da ANATEL quanto a estações de radiocomunicação e seus limites de potência.
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