1575575_Kennedy

Prévia do material em texto

1 – ITRODUÇÃO AOS SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO
1.1. COMUNICAÇÕES
No sentido elétrico básico, o termo comunicações refere-se a transmissão, recepção e processamento de informações por meios elétricos. Assim, ela se inicia no com o telégrafo por fio no século 18, desenvolvendo-se com o telefone algumas décadas depois e rádio no início desse século. Comunicação via rádio foi possível devido a invenção da válvula triodo, estimulada enormemente pelos trabalhos durante o fim da Segunda Guerra Mundial. Posteriormente ela tornou-se mais largamente usada e aprimorada através da invenção e uso do transistor, circuito integrado e outros dispositivos semicondutores. Mais recentemente, o uso de satélites e fibras óticas tem feito as comunicações sempre mais difundidas, com uma grande ênfase sobre computadores e outras comunicações de dados.
Um sistema moderno de comunicação é prioritariamente preocupado com a seleção, processamento e armazenamento da informação antes da transmissão. A transmissão atual então segue, com processamento avançado e filtragem de ruído. Finalmente nós temos a recepção, que pode incluir passos de processamento assim como decodificação, armazenamento e interpretação. Nesse contexto, formas de comunicação incluem rádio-telefonia e telegrafia, radiodifusão, comunicações ponto-a-ponto e móveis (comercial e militar), comunicações de dados, radar, radiotelemetria e rádio para auxílio a navegação. Todos esses voltarão a ser tratados nos capítulos seguintes.
Com o objetivo de tornar-se familiar com estes sistemas, é necessário, primeiramente, o conhecimento de amplificadores e osciladores, os blocos de construção de todos os processos e equipamentos eletrônicos. Tendo isso como base, os conceitos comuns de comunicação tais como o de ruído, modulação e teoria da informação, assim como os próprios vários sistemas podem ser aproximados. Qualquer ordem lógica pode ser usada, mas a adotada nesse texto, isto é, a de sistemas básicos, processos e circuitos de comunicação, e sistemas mais complexos é considerada a mais adequada. Também é importante considerar os fatores humanos que influenciam um sistema particular, uma vez que tais fatores sempre afetam seu projeto, planejamento e uso.
1.2. SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO
Antes de investigarmos sistemas individuais temos que definir e discutir termos importantes, tais como informação, mensagem e sinal, canal, ruído e distorção, modulação e demodulação, e, finalmente, codificação e decodificação. Para correlacionar estes conceitos, um diagrama de blocos de um sistema de comunicação geral é mostrado na figura 1-1.
1.2.1. Informação
Os sistemas de comunicação existem para comunicar uma mensagem. Essa mensagem vem da fonte de informação que a origina de forma a selecionar uma mensagem dentre um grupo de mensagens. Embora isso se aplique mais à telegrafia do que à transmissão de entretenimento, tal sistema pode ser mostrado como aplicável em todas as formas de sistemas de comunicação. O conjunto, ou número total de mensagens, consiste de mensagens individuais que podem ser distinguidas uma das outras. Podem ser palavras, grupos de palavras, códigos de símbolos ou qualquer outro padrão combinado.
FIGURA 1-1 Diagrama de blocos de um sistema de comunicações.
A própria informação é aquela que é transmitida. A soma de informações contidas em qualquer mensagem dada é medida em bits ou em dits, os quais são tratados no cap. 13, e dependem do número de escolhas que devem ser feitas. Quanto maior o número total de seleções possíveis, maior é a quantidade de informação transmitida. Por exemplo, para indicar a posição de uma palavra nesta página, pode ser suficiente dizer que ela está acima ou abaixo, à esquerda ou à direita, duas escolhas consecutivas de uma saída de duas possibilidades. Se esta palavra deve aparecer em qualquer uma dentre duas páginas, é necessário então dizer em qual delas está a palavra e, assim, mais informação deve ser fornecida. O significado da informação não importa, deste ponto de vista; apenas a quantidade é importante. Entretanto, deve ser entendido que nenhuma informação real é transmitida por uma mensagem redundante (totalmente previsível). Todavia a redundância não é desperdiçável sob todas as condições. Ao lado de seu uso óbvio no entretenimento, ensino e qualquer apelo a emoções ela também ajuda uma mensagem a permanecer inteligível sob condições difíceis ou ruidosas.
1.2.2. Transmissor
A menos que a mensagem que vem da fonte de informação seja elétrica por natureza, ela será inadequada para envio imediato. Mesmo que um grande trabalho deva ser feito para tornar tal mensagem adequada. Isso pode ser demonstrado na modulação em banda lateral simples (SSB – single-sidedband modulation) – a ser tratada no cap. 4 – na qual é necessário converter o sinal de som de entrada em variações elétricas, para restringir a faixa de freqüências de áudio e então para comprimir sua faixa de amplitude. Tudo isso é feito antes da modulação. Na telefonia a fios pode não ser requerido nenhum processamento, mas em comunicações a longas distâncias um transmissor é necessário para processar, e possivelmente codificar, com a finalidade tornar a informação na entrada adequada para a transmissão e subseqüente recepção.
Eventualmente, em um transmissor, a informação modula a portadora, i.e., é inserida em uma onda senoidal de alta freqüência. O método atual de modulação varia de um sistema para outro. Assim a modulação pode ser em alto nível ou em baixo nível, e o próprio sistema pode empregar modulação em amplitude (AM), modulação em freqüência (FM), modulação em pulso ou em alguma variação ou combinação destes, dependendo das necessidades. A figura 1-2 mostra um transmissor de rádio nível alto, modulado em amplitude do tipo que será discutido detalhadamente no cap. 6.
Entrada de modulação
(informação)
FIGURA 1-2 Diagrama de blocos de um transmissor típico.
1.2.3. Canal – Ruído
O canal audível (isto é, berros!) não é usado em comunicações a longas distâncias, e também não era usado o canal visual até o advento do laser. “Comunicações”, neste contexto, será restrito canais de rádio, fio e fibra ótica. Bem separadamente, deve também ser notado que o termo canal é freqüentemente usado para referir-se à faixa de freqüência alocada para um serviço ou transmissão em particular, tal como um canal de televisão.
É inevitável que o sinal vá se deteriorar durante o processo de transmissão e recepção como um resultado de uma soma de distorções no sistema, ou porque a introdução de ruído, o qual é energia indesejada, usualmente de natureza aleatória, presente em um sistema de transmissão, devido a qualquer causa. Uma vez que o ruído será recebido junto com o sinal, ele obviamente implica em uma limitação ao sistema de transmissão, como uma regra. Quando o ruído é forte, ele pode afetar tanto um dado sinal que o mesmo se torna impossível de ser reconhecido e, portanto, inútil. Na figura 1-1, apenas uma fonte de ruído é mostrada, não porque existe apenas uma, mas para simplificar o diagrama de blocos. Ruídos podem interferir com um sinal em qualquer ponto dos sistemas de comunicações, mas terão seu maior efeito quando o sinal é fraco; isto significa que ruídos no canal ou na entrada do receptor são os mais perceptíveis. Isso também será detalhadamente tratado no cap. 2.
1.2.4. Receptor
Há uma grande variedade de receptores em sistemas de comunicações, uma vez que a forma de um receptor particular é influenciada por um grande número de requisitos. Entre os mais importantes requisitos estão o sistema de modulação usado, a freqüência de operação e sua faixa e o tipo de exibição requerido, o qual depende do destino da informação recebida. Entretanto, a maioria dos receptores são, de um modo geral, do tipo super-heteródino1
, como o receptor simples de radiodifusão cujo diagrama de blocos é mostrado na fig. 1-3.
Receptores cumprem toda a faixa de complexidade desde um receptor de cristal muito simples, com fones de ouvido, até uma bem mais complexo receptorde radar, no qual estão envolvidos arranjos de antena e sistemas de exibição visual. Qualquer que seja o receptor, sua função mais importante é a demodulação (e algumas vezes também a decodificação). Ambos os processos são reversos ao processo correspondente no transmissor (modulação e codificação) e serão discutidos nos capítulos seguintes.
Conforme o que foi dito anteriormente, o propósito de um receptor e a forma de sua saída influencia sua construção tanto quanto o tipo do sistema de modulação utilizado. Assim, a saída de um receptor pode alimentar de várias formas um alto-falante, uma unidade de exibição de vídeo, um teletipo, vários monitores de radar, o tubo de imagem de uma televisão, ploter ou computador; em cada exemplo, diferentes arranjos devem ser feitos, cada um afetando o projeto do receptor. Observe também que o transmissor e o receptor devem estar de acordo com os métodos de modulação e codificação usados (e também sincronizados em alguns sistemas).
FIGURA 1-3 Diagrama de blocos de um receptor super-heterodino AM.
1-3 MODULAÇÃO
1-3.1 Descrição
No processo de modulação, alguma característica de uma onda senoidal de alta freqüência (a portadora) é variada de acordo com o valor instantâneo do sinal (modulante). Assim a onda senoidal pode ser representada pela equação 
)
sen(
f
w
+
=
t
E
e
, onde e é o valor instantâneo da onda senoidal, chamada de portadora; E é a máxima amplitude, ( é a velocidade angular ou freqüência angular, enquanto ( é a relação de fase com alguma referência. Algumas dessas características ou parâmetros, da portadora podem ser variados por um sinal modulante, produzindo modulação em amplitude, freqüência ou fase, respectivamente.
1-3.2 Necessidade de Modulação
Há duas alternativas para uso de uma portadora modulada para transmissão de uma mensagem sobre longas distâncias em um canal de rádio: uma pode tentar enviar o próprio sinal (modulante), ou então usar uma portadora não modulada. A impossibilidade de transmitir o próprio sinal será demonstrada primeiramente.
Embora o tópico ainda não tenha sido tratado, várias dificuldades envolvem a propagação de ondas eletromagnéticas em freqüências correspondentes ao espectro de áudio, isto é, abaixo de 20 kilohertz (20 kHz). A maior delas é que para uma eficiente radiação ou recepção a antena transmissora e receptora deverá ter sua dimensão física múltipla de um quarto do comprimento de onda ((/4) da freqüência usada. Isto é 75 metros para 1 Megahertz, na faixa de radiodifusão, mas para 15 kHz muda para 5000 metros! Uma antena com essa dimensão é impraticável. As informações ocupam uma faixa de freqüências relativamente ampla, assim uma antena dimensionada para uma freqüência no início da faixa não teria a mesma eficiência de radiação ao longo dessa faixa. Para isso, ela teria que variar suas dimensões juntamente com a freqüência do sinal transmitido. Isso é impossível.
Há ainda um argumento mais importante contra a transmissão de sinal em sua própria freqüência: todos os sons concentram-se na faixa de 20 Hz a 20 kHz, assim todos sinais de diferentes fontes iriam se misturar de forma inseparável (interferências). Em uma cidade, uma estação de rádio ocuparia completamente o vazio no “ar”, e, no entanto, ela representa uma proporção muito pequena do número total de transmissores em uso.
Para separamos os vários sinais, é necessário transladarmos esses sinais para diferentes poções do espectro eletromagnético; cada qual seve ser canalizado. Isso também superará as dificuldades de baixa radiação para baixas freqüências. Uma vez que a freqüência do sinal foi transladada, um circuito sintonizado é implementado no primeiro estágio do receptor de rádio para selecionar uma faixa desejada do espectro e todas as outras não desejadas são rejeitadas. A sintonia desse circuito é feita normalmente variável e conectada a um controle de sintonia, para que o receptor possa selecionar uma transmissão desejada dentro de uma faixa predeterminada, assim como a Very High Frequency (VHF) banda de rádio usada por Freqüência Modulada (FM).
Embora essa separação de sinais tenha removido um número de dificuldades encontradas na ausência de modulação, o fato que ainda permanece é que portadoras não moduladas de várias freqüências não podem, por elas mesmas, serem usadas para transmitir informações. Uma portadora não modulada tem uma amplitude máxima constante, uma freqüência constante e uma fase constante relacionada como alguma referência; de fato, todos esses parâmetros são constantes. Uma mensagem, entretanto, consiste de quantidades variáveis: a fala, por exemplo, é formada de variações rápidas e imprevisíveis de amplitude (volume) e freqüência. Uma vez que é impossível representar essas duas variáveis por três parâmetros constantes, uma portadora não modulada não pode ser usada para transportar informação. Em um sistema de modulação de onda contínuo (modulação por amplitude ou freqüência, mas não modulação por pulso) um dos parâmetros da portadora é variado pela mensagem. Assim em qualquer instante seu desvio do valor não modulado é proporcional ao valor instantâneo da tensão modulante, e a taxa na qual esse desvio ocorre é igual à freqüência modulante. Dessa maneira, informação suficiente sobre a amplitude e a freqüência instantâneas é transmitida para habilitar o receptor a recriar a mensagem original.
1-4 LARGURA DE FAIXA REQUERIDA
É razoável esperar que a faixa de freqüência (bandwidth) requerida para uma dada transmissão deva depender da largura de faixa ocupada pelos próprios sinais de modulação. Por exemplo, observando que um sinal de áudio de alta fidelidade ocupa a faixa de 50 a 15.000 Hz, e uma largura de faixa de 300 a 3400 Hz é adequada para uma conversação em telefone, quando uma portadora for modulada de forma semelhante por cada, uma maior largura de faixa será requerida para a transmissão em alta fidelidade (hi-fi). Neste ponto, é válido acrescentar a idéia de que a largura de faixa transmitida não precisa ser exatamente a mesma largura de faixa do sinal original, por razões ligadas às propriedades dos diferentes sistemas de modulação.
Antes de tentar estimar a largura de faixa de uma transmissão modulada, é essencial conhecer a largura de faixa ocupada pelo próprio sinal modulante. Se ele consiste de um sinal senoidal, não há problema, e a largura de faixa ocupada será simplesmente a faixa da freqüência entre o mínimo e o máximo sinal de onda senoidal. Entretanto, se os sinais modulantes não são senoidais, ocorre uma situação muito mais complexa. Um vez que ondas não senoidais ocorrem freqüentemente como sinais modulantes em comunicações, seus requisitos serão agora investigados.
1-4.1 Espectro de freqüência de sinais não senoidais
Se alguma onda não senoidal, tal como ondas quadradas, estão para ser transmitidas por um sistema de comunicação, então é importante entender que tal onda pode ser decomposta em suas componentes de ondas senoidais. A largura de faixa requerida será então consideravelmente maior do que poderia ser esperado apenas se a taxa de repetição de tal onda tenha sido levada em conta. Segue-se um relato mais formal.
Pode ser mostrado que qualquer forma de onda não senoidal repetitiva de valor simples consiste de senoides e/ou cossenóides. A freqüência da freqüência mínima, ou fundamental, da onda senoidal é igual à taxa de repetição da forma de onda não senoidal, e todas as outras são harmônicos da fundamental. Existem um número infinito de tais harmônicos. Assim, alguma onda não senoidal repetindo-se a uma taxa de 200 vezes por segundo consistirá de uma onda senoidal fundamental de 200 Hz, e harmônicos em 400, 600 e 800 Hz, e assim em diante. Nenhuma outra freqüência estará presente, mas para algumas formas de onda apenas os harmônicos pares (ou talvez apenas os ímpares) estarão presentes. Como uma regra geral, pode-se adicionar que quanto mais alta a ordem do harmônico menor é sua amplitude relativa, de forma que em cálculos da largura de faixa os harmônicos mais altos são ignorados.O relato anterior pode ser verificado de três modos diferentes. Pode ser provado matematicamente por um processo chamado de análise de Fourrier. Síntese gráfica pode ser usada, no caso adicionando as componentes de onda senoidais apropriadas, tiradas de uma fórmula derivada pela análise de Fourrier, demonstrando a validade do relato. Uma vantagem adicional deste método é que ele nos possibilita ver o efeito da ausência de algumas componentes (harmônicos de ordem mais alta) na forma de onda total.
Finalmente, a presença das ondas senoidais componentes nas proporções corretas pode ser demonstrada com um analisador de ondas, o qual é basicamente um amplificador sintonizável de alto ganho com uma banda de passagem estreita, habilitando-o a sintonizar em cada onda componente senoidal e medir sua amplitude. Algumas fórmulas para ondas não senoidais encontradas freqüentemente são dadas abaixo, e outras mais podem ser encontradas em handbooks. Se a amplitude da onda não senoidal é A e sua taxa de repetição é (/2( por segundo, então ela pode ser representada como a seguir:
Onda quadrada:
...)
7
cos
7
1
5
cos
5
1
3
cos
3
1
(cos
4
+
-
+
-
=
t
t
t
t
A
e
w
w
w
w
p
Onda triangular:
...)
5
cos
25
1
3
cos
9
1
(cos
4
2
+
+
+
=
t
t
t
A
e
w
w
w
p
Onda dente-de-serra:
...)
4
1
3
3
1
2
2
1
(
2
+
-
+
-
=
t
sin
t
sin
t
sin
t
sin
A
e
w
w
w
w
p
Em cada caso vários harmônicos serão necessários, em adição à freqüência fundamental, se a onda for representada adequadamente (com baixa distorção aceitável). Isto, é claro, gerará um aumento na largura de faixa requerida.
Decoder /
Demodulação
(distorção)
(distorção)
Encoder /
Modulação
(distorção)
Destino
Receptor
Canal
Transmissor
Fonte de informação
Fonte de
Ruídos
Amplificador de saída de potência de RF
Amplificador de RF
Excitador de RF
Oscilador a
Cristal
Amplificador de potência
Amplificador
Processador
Amplificador de potência de áudio
Demodulador
Misturador
Oscilador local
Amplificador de Freqüência Intermediária
Estágio de RF
� Uma contração de “supersonic heterodyne”
7
_1042486588.unknown
_1042486611.unknown
_1042486844.unknown
_1042180519.unknown