BLOQUEADOR DE MÚLTIPLAS FREQÜÊNCIAS: CONCEPÇÃO DO SISTEMA E ESTUDO DE CASO PARA TERMINAIS IS-95

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1 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA RICARDO DE SOUZA TOSCANO BLOQUEADOR DE MÚLTIPLAS FREQÜÊNCIAS: CONCEPÇÃO DO SISTEMA E ESTUDO DE CASO PARA TERMINAIS IS-95 Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia Elétrica do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica. Orientador: José Carlos Araújo dos Santos, Ph.D. Co-orientador: Maurício Henrique Costa Dias, Dr. Rio de Janeiro 2006

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3 c2006 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA Praça General Tibúrcio, 80-Praia Vermelha Rio de Janeiro-RJ CEP Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microlmar ou adotar qualquer forma de arquivamento. É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas deste trabalho, sem modicação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser xado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem nalidade comercial e que seja feita a referência bibliográca completa. Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e do(s) orientador(es). T713b Toscano, Ricardo de Souza Bloqueador de múltiplas freqüências: Concepção do sistema e estudo de caso para terminais IS-95 / Ricardo de Souza Toscano. - Rio de Janeiro : Instituto Militar de Engenharia, p.: il, graf., tab. Dissertação (mestrado) - Instituto Militar de Engenharia- Rio de Janeiro, Eletromagnetismo. 2. Bloqueador de múltiplas freqüências 3. Terminais IS-95 II. Instituto Militar de Engenharia. CDD 537 2

4 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA RICARDO DE SOUZA TOSCANO BLOQUEADOR DE MÚLTIPLAS FREQÜÊNCIAS: CONCEPÇÃO DO SISTEMA E ESTUDO DE CASO PARA TERMINAIS IS-95 Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia Elétrica do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica. Orientador: José Carlos Araújo dos Santos, Ph.D. Co-orientador: Maurício Henrique Costa Dias, Dr. Aprovada em 17 de Agosto de 2006 pela seguinte Banca Examinadora: José Carlos Araújo dos Santos, Ph.D. do IME - Presidente Maurício Henrique Costa Dias, Dr. do IME Fernando da Rocha Pantoja, Ph.D. do CIAW Jorge Luís Rodrigues Pedreira de Cerqueira, Dr. do IME Rio de Janeiro

5 4 À Nossa Senhora de Fátima

6 AGRADECIMENTOS À Deus, ao Mestre Jesus e a todos os que compõem a sua Cúpula Divina, pela proteção que recebi durante toda a minha vida. Aos meus pais Attílio e Alady, aos meus irmãos Armando e Alexandre, e à minha esposa Maria Luiza, por terem me dado muito carinho durante essa árdua caminhada. Aos meus demais familiares e amigos, por entenderem a minha ausência durante a realização do curso. Ao Professor José Carlos Araújo dos Santos, pelos conhecimentos transmitidos, competência e dedicação como orientador. Ao Major Maurício e ao Tenente Danilo, pelo apoio que me ofereceram quando eu mais precisei. Aos meus amigos João Dias, Marcio Roberto Alves Lobato, Leonardo Cavalcanti de Sá Neto e Paulo André Botelho de Moraes, pela ajuda e incentivo durante o desenvolvimento desse trabalho. Ao Instituto Militar de Engenharia e em especial à Seção de Engenharia Elétrica, por terem me proporcionado a chance de estudar num centro de excelência. 5

7 SUMÁRIO LISTA DE ILUSTRAÇÕES LISTA DE TABELAS LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS INTRODUÇÃO Objeto do estudo Composição do trabalho INTERFERÊNCIA EM SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES Conceito CME do tipo bloqueio Bloqueio com ruído Bloqueio com ruído em banda larga - BBN Bloqueio com ruído em parte da banda - PBN Bloqueio com ruído em banda estreita - NBN Bloqueio por tom Bloqueio por tom simples Bloqueio por tons múltiplos Bloqueio com varredura Bloqueio por pulso Bloqueio seguidor Bloqueio inteligente Modelo genérico da recepção de um sinal em sistemas de telecomunicações Relação entre as potências dos sinais de bloqueio e do sistema Considerações importantes para melhoria da efetivação do bloqueio Aplicação ao sistema de telefonia móvel CDMA (IS-95) Aplicação em outros sistemas DISPOSITIVOS BLOQUEADORES Composição básica de um dispositivo bloqueador em banda larga Composição básica de um dispositivo bloqueador em banda estreita Composição básica de um dispositivo bloqueador com varredura

8 3.4 Operação em múltiplas bandas de freqüências Dispositivos bloqueadores disponíveis no mercado ANÁLISE COMPUTACIONAL DA EFETIVAÇÃO DO BLO- QUEIO Simulação computacional Simulação computacional de um bloqueador com varredura Simulação computacional do sistema de telefonia móvel CDMA (IS-95) Avaliação computacional do efeito do bloqueador no sistema de telefonia móvel CDMA (IS-95) Resultados obtidos IMPLEMENTAÇÃO E TESTES PRÁTICOS Implementação de um dispositivo bloqueador com varredura Composição e topologia Projeto dos módulos do bloqueador Implementação do bloqueador Testes do bloqueador implementado Validação da efetividade do bloqueador sobre o sistema de telefonia móvel CDMA (IS-95) Ambiente de realização Resultados obtidos CONCLUSÕES E SUGESTÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICES Informações adicionais sobre alguns módulos do dispositivo bloqueador implementado Módulo Gerador de Sinal de Varredura Módulo Somador VCO - Oscilador Controlado à Tensão

9 LISTA DE ILUSTRAÇÕES FIG.2.1 Perturbações sofridas pelos sinais em sistemas de telecomunicações FIG.2.2 Representação gráca do ruído branco FIG.2.3 Espectro do bloqueio BBN FIG.2.4 Espectros do bloqueio PBN para (a) canais contínuos e (b) canais alternados FIG.2.5 Espectro do bloqueio NBN FIG.2.6 Espectro do bloqueio por tom simples FIG.2.7 Espectro do bloqueio por tons múltiplos FIG.2.8 Sugestão de um dispositivo bloqueador para o modo bloqueio repetidor em sistemas PCS FIG.2.9 Representação dos sinais presentes em um sistema receptor de telecomunicações FIG.2.10 Processo de aquisição do terminal móvel no sistema CDMA FIG.3.1 Diagrama em blocos de um exemplo de bloqueador BBN FIG.3.2 Diagrama em blocos de um exemplo de bloqueador NBN FIG.3.3 Diagrama em blocos de um exemplo de bloqueador NBN com translação em freqüência FIG.3.4 Diagrama em blocos de um exemplo de bloqueador com varredura FIG.3.5 Diagrama em blocos de um dispositivo bloqueador em múltiplas bandas de freqüências com multiplicação dos módulos FIG.3.6 Diagrama em blocos de um dispositivo bloqueador em múltiplas bandas de freqüências com três derivações dos módulos FIG.3.7 Diagrama em blocos de um dispositivo bloqueador em múltiplas bandas de freqüências com amplicador em banda larga e antena banda larga FIG.3.8 Antena fractal do tipo Sierpinski FIG.3.9 Bloqueador para telefonia móvel celular (SPYMODEX, 2006) FIG.3.10 Bloqueador para sistemas Wi-Fi e câmera wireless (GLOBAL_GADGET, 2006) FIG.3.11 Bloqueador para telefonia móvel celular (SPYMODEX, 2006) FIG.4.1 Diagrama em blocos do dispositivo bloqueador, em Simulink

10 FIG.4.2 Ruído branco gerado [Amplitude (V) Tempo (s)] no Simulink FIG.4.3 Onda quadrada gerada [Amplitude (V) Tempo (s)] no Simulink FIG.4.4 Onda triangular gerada [Amplitude (V) Tempo (s)] no Simulink FIG.4.5 Operação de soma do ruído branco e a onda triangular [Amplitude (V) Tempo (s)] no Simulink FIG.4.6 Sinal na saída do VCO FIG.4.7 Canal direto de tráfego, modelo ponto-a-ponto, IS-95A, CDMA FIG.4.8 Diagrama em blocos da simulação FIG.4.9 BER em função de J/S FIG.5.1 Diagrama em blocos do dispositivo bloqueador implementado FIG.5.2 Freqüência Tensão em um VCO FIG.5.3 Esquemático do Gerador de Ruído implementado e estágios de amplicação FIG.5.4 Ruído branco gerado observado em um osciloscópio FIG.5.5 Gerador de Onda Quadrada implementado FIG.5.6 Forma de onda quadrada gerada observada em um osciloscópio FIG.5.7 Integrador implementado FIG.5.8 Forma de onda triangular gerada observada em um osciloscópio FIG.5.9 Controlador do Nível DC implementado FIG.5.10 Somador implementado FIG.5.11 Forma de onda na saída do Somador FIG.5.12 Placa implementada com os circuitos do bloqueador (até o somador, inclusive) FIG.5.13 Placa do VCO implementada FIG.5.14 Banda de freqüências gerada observada no osciloscópio FIG.5.15 Arranjo para realização dos testes FIG.5.16 Mapeamento das potências do sinal da ERB CDMA mais próxima (valores em dbm) FIG.8.1 Esquemático de um multivibrador astável (JÚNIOR, 1988) FIG.8.2 Esquemático de um Integrador FIG.8.3 Esquemático de um circuito Somador Inversor FIG.8.4 Somador Não Inversor

11 FIG.8.5 FIG.8.6 Exemplo de arranjo de um oscilador Hartley (BOYLESTAD e NASHELSKY, 1998) Exemplo de arranjo de um oscilador Colpitts (BOYLESTAD e NASHELSKY, 1998)

12 LISTA DE TABELAS TAB.2.1 TAB.2.2 Portadoras primária e secundária do sistema de telefonia móvel CDMA Freqüências utilizadas pelos rádios TalkAbout (MOTOROLA, 2006) TAB.3.1 Especicações técnicas (SPYMODEX, 2006) TAB.3.2 Especicações técnicas (GLOBAL_GADGET, 2006) TAB.3.3 Especicações técnicas (SPYMODEX, 2006) TAB.4.1 Resultados obtidos na simulação TAB.5.1 Especicações técnicas do VCO JTOS-1025 (MINI-CIRCUITS, 2001) TAB.5.2 Resultados práticos do bloqueador implementado TAB.5.3 Resultados dos testes

13 LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS ABREVIATURAS AMPS AWGN BER CDMA CME DS ERB FDMA FER FH GLO GPS GSM IS-95 PCS RF RSR TDMA TH VCO Wi-Fi - Advanced Mobile Phone System (Sistema de Telefonia Móvel Avançado) - Additive White Gaussian Noise (Ruído Branco Gaussiano Aditivo) - Bit Error Rate (Taxa de Erro de Bit) - Code Division Multiple Access (Acesso Múltiplo por Divisão de Código) - Contra-Medida Eletrônica - Direct Sequence (Seqüência Direta) - Estação Rádio-Base - Frequency Division Multiple Access (Acesso Múltiplo por Divisão de Freqüência) - Frame Error Rate (Taxa de Erro de Quadro) - Frequency Hopping (Salto em Freqüência) - Garantia da Lei e da Ordem - Global Positioning System (Sistema de Posicionamento Global) - Global System for Mobile (Sistema Global para Comunicações Móveis) - Interim Standard-95 (Padrão Interino-95) - Personal Communication Systems (Sistemas de Comunicação Pessoal) - Radio Frequency (Freqüência de Rádio) - Relação Sinal-Ruído - Time Division Multiple Access (Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo) - Time Hopping (Salto no Tempo) - Voltage Controlled Oscillator (Oscilador Controlado à Tensão) - Wireless Fidelity (Fidelidade Sem Fio) 12

14 RESUMO Este trabalho descreve o conceito de geração de interferência intencional, também denominada de "Contra-Medida Eletrônica (CME)", através da utilização de um dispositivo bloqueador em sistemas que operam com propagação no espaço livre. É realizada uma abordagem sobre a CME do tipo "bloqueio", destacando algumas formas possíveis de implementação desta técnica e seus respectivos conceitos. Tomando como base um modelo genérico da recepção de um sinal em sistemas de telecomunicações, são apresentadas algumas considerações sobre a relação entre a potência do sinal de bloqueio e a potência do sinal do sistema a ser interferido. É realizado o projeto de um dispositivo bloqueador com varredura para a faixa de 590 a 973,4 MHz, assim como sua respectiva implementação. São sugeridas algumas topologias para operação desse dispositivo em múltiplas bandas de freqüências. É apresentado um estudo de caso para a condição de bloqueio sobre o sistema de telefonia móvel CDMA (IS-95). É elaborada uma simulação, através do programa Mat- Lab 7.0 (Simulink), envolvendo um modelo do canal de tráfego do CDMA (IS-95) e uma réplica de um dispositivo bloqueador. Os resultados obtidos durante os eventos de simulação são apresentados e comentados. Em virtude da implementação do dispositivo bloqueador, são realizados testes práticos de geração de interferência sobre o sistema CDMA e os resultados obtidos são também apresentados e comentados. 13

15 ABSTRACT This work describes the concept of generating intentional interference, also referred to as Electronic Countermeasure (ECM), by the use of a jammer device in systems operating with free space propagation. The approach is focused on a "jamming" type ECM, highlighting some of the possible ways of implementing this technique and its respective concepts. Based on a generic model of signal reception in telecommunications systems, this work sets forth some considerations on the relationship between the jamming signal power and the signal power of the interfered system. The work further encompasses the design of a sweep jammer device for the 590 to MHz frequency range, as well as it s respective implementation. Some topologies for multiple-frequency bands operation are suggested. A case study is presented for the CDMA (IS-95) mobile telephony system. This work comprises a simulation using MatLab 7.0 (Simulink) program, involving a CDMA (IS-95) trac channel model and a jammer device replica. The results obtained during the simulation events are presented and commented. By implementing the jammer device, practical tests of interference generation on the CDMA system are carried out and the results obtained are also summarized and commented. 14

16 1 INTRODUÇÃO 1.1 OBJETO DO ESTUDO A comunicação é uma das maiores necessidades da sociedade humana desde os primórdios da sua existência. Conforme as civilizações se espalhavam, ocupando áreas cada vez mais dispersas geogracamente, a comunicação a longa distância se tornava uma necessidade e um desao. Formas de comunicação através de sinais de fumaça ou pombos-correio foram as maneiras encontradas por nossos ancestrais para tentar aproximar as comunidades distantes. Com o advento da tecnologia, principalmente no século XX, diversas novas formas de comunicação foram implementadas, possibilitando praticamente a conexão de todo o mundo em tempo real. Dentre as tecnologias que utilizam o espaço livre como meio de transmissão para as suas comunicações, uma das que mais se desenvolveu nos últimos anos foi a das redes de comunicações móveis, que permitem a facilidade da comunicação entre pontos distintos com mobilidade e qualidade. No panorama atual, existem diversas empresas que prestam este tipo de serviço e, consequentemente, uma quantidade considerável de sistemas de comunicação são disponibilizados à população através desta tecnologia. Entretanto, existem algumas situações em que esta facilidade de se comunicar com mobilidade é mal utilizada. Exemplos freqüentes ocorrem em presídios, locais de realização de concursos, entre outros. Nessas situações é necessário justamente inviabilizar o estabelecimento de enlaces de comunicação. Para esta nalidade, pode-se utilizar o conceito de um dispositivo denominado bloqueador, o qual, genericamente, tem como função inserir um sinal interferente no espectro para degradação da qualidade do sinal no receptor do sistema. Os dispositivos bloqueadores são amplamente utilizados em aplicações de Guerra Eletrônica, principalmente em situações onde é necessária a efetivação da Garantia da Lei e da Ordem (GLO). O desenvolvimento desses dispositivos é uma das ações de interesse do Exército Brasileiro contido em seu Plano Básico de Ciência e Tecnologia. Alguns estudos relacionados à dispositivos bloqueadores já foram desenvolvidos no Instituto Militar de Engenharia em nível de Graduação, como por exemplo, (FILHO et al., 2003) e (AGUIAR e DA SILVA, 2004). 15

17 O presente trabalho tem como objetivo apresentar algumas contribuições no que diz respeito a teoria, projeto, simulação, implementação e teste de um dispositivo bloqueador que opere em redes de comunicações móveis. Com o intuito de realizar um estudo sincronizado com as necessidades atuais, é feita uma abordagem sobre algumas possibilidades de funcionamento de um dispositivo bloqueador em múltiplas bandas de freqüências simultaneamente, a m de proporcionar a operação de forma abrangente do dispositivo. O sistema de telefonia móvel CDMA (IS-95) é de particular interesse neste trabalho. 1.2 COMPOSIÇÃO DO TRABALHO O Capítulo 2 apresenta uma classicação das perturbações sofridas pelos sinais em sistemas de telecomunicações. Dentre essas, é dada uma maior ênfase às interferências produzidas pelo homem de forma intencional, que são denominadas genericamente de "Contra-Medidas-Eletrônicas - CME". São citados os tipos de CME e, após, é feita uma abordagem sobre a CME do tipo "bloqueio", com a apresentação de algumas formas possíveis de implementação deste tipo de CME e os seus respectivos conceitos. É apresentado um modelo genérico da recepção de um sinal em sistemas de telecomunicações e, ainda, as considerações sobre os sistemas que operam com a condição de espalhamento espectral e, conseqüentemente, com o ganho de processamento. É apresentado também, um desenvolvimento teórico sobre a relação entre as potências dos sinais de bloqueio e do sistema em um receptor. Para melhor eciência na efetivação do bloqueio, são descritas algumas considerações importantes para a inserção do sinal interferente. A título de exemplicação, são apresentadas as condições de aplicação do bloqueio sobre os principais padrões de telefonia móvel, com especial destaque para o sistema CDMA (IS-95), visto a imunidade (teórica) que o mesmo possui a ruídos externos, em comparação a outros sistemas. O Capítulo 3 apresenta algumas composições básicas de dispositivos bloqueadores. Tomando como base um dispositivo bloqueador que opera seguindo o conceito de bloqueio com varredura, são citadas algumas sugestões para operação desse dispositivo em múltiplas bandas de freqüências. Finalizando esse capítulo, são listados alguns modelos de dispositivos bloqueadores disponíveis no mercado e suas respectivas especicações técnicas. O Capítulo 4 apresenta o desenvolvimento de uma simulação computacional no programa MatLab 7.0 (Simulink), envolvendo réplicas de um dispositivo bloqueador e do 16

18 canal de tráfego do sistema de telefonia móvel CDMA (IS-95). São apresentados os resultados obtidos através da simulação. O Capítulo 5 apresenta o projeto e a implementação de um dispositivo bloqueador que opera na faixa de 590 a 973,4 MHz. Ainda neste capítulo, são descritos os testes de geração de interferência sobre o sistema de telefonia móvel CDMA com o dispositivo bloqueador implementado. Os resultados práticos obtidos são analisados. Finalizando, o Capítulo 6 apresenta a conclusão do trabalho, destacando as principais contribuições que o mesmo proporcionou e algumas sugestões para trabalhos futuros. 17

19 2 INTERFERÊNCIA EM SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES 2.1 CONCEITO Um sinal transmitido através de um sistema de telecomunicações sofre perturbações de diversas naturezas, as quais podem ser classicadas de várias formas. A FIG. 2.1, por exemplo, apresenta a classicação utilizada por SILVA e BARRADAS (1978). FIG. 2.1: Perturbações sofridas pelos sinais em sistemas de telecomunicações. As perturbações dependentes do sinal são distorções produzidas por efeitos lineares e não lineares. Um exemplo de distorção linear seria a gerada na amplitude do sinal de saída em função da variação da freqüência do sinal de entrada. A resposta de um sistema não é constante por toda a faixa de freqüências de operação e, com isso, as componentes espectrais de saída não estão com as mesmas proporções entre si observadas na entrada. Um outro exemplo seria a distorção de fase. Neste caso, as várias componentes espectrais 18

20 sofrem diferentes atrasos quando passam por um sistema, não guardando a mesma relação de fase da sua entrada. Com relação às distorções não lineares, um exemplo seria a intermodulação, caracterizada pelo surgimento de novas componentes espectrais na saída de um sistema, que não fazem parte do espectro do sinal observado na entrada, e que não podem ser ltradas por técnicas convencionais. Ainda segundo SILVA e BARRADAS (1978), as perturbações independentes do sinal (ruídos) podem ser desmembradas em interferências e ruídos naturais. As interferências podem ocorrer dentro do próprio sistema como, por exemplo, quando um estágio capta o sinal de outro estágio do próprio sistema. Outra forma de interferência seria a causada por outros sistemas que utilizam o mesmo espectro de freqüências em suas comunicações ou que produzam sinais no espectro de operação do sistema em análise. Neste caso, pode-se citar, por exemplo, a interferência causada por uma estação de rádio em outra. Existem ainda os ruídos produzidos pelo homem que inserem energia eletromagnética espúria no espectro, como, por exemplo, instalações industriais com motores elétricos ou fornos elétricos, instalações de radiotermia, iluminação uorescente, linhas de alta tensão e sistemas interferidores intencionais. O outro tipo de perturbação independente do sinal são os ruídos naturais, que podem ser classicados como externos e internos ao sistema. Como exemplos de ruídos externos tem-se o ruído galáctico, causado pela emissão eletromagnética de estrelas da Via Láctea e o ruído atmosférico, proveniente de descargas elétricas na atmosfera. Os ruídos internos são inerentes aos materias e se dividem em térmico, causado pela agitação de elétrons livres em condutores e pelo ruído próprio de componentes ativos (válvulas e semicondutores), como o ruído de disparo (shot noise), devido à natureza eletrônica da corrente, ruído de partição, gerado pela oscilação da captura de cargas pelos eletrodos internos e, ainda, o ruído de recombinação de portadores. A proposta deste trabalho é gerar um sinal interferente em determinadas freqüências do espectro utilizadas em comunicações. Sendo assim, o foco será dado à perturbação do tipo interferências, das que constam na FIG As demais fontes perturbadoras não serão consideradas diretamente, mas sempre estarão presentes na realidade. Portanto, após a obtenção dos resultados nais deste trabalho, na prática, o sinal a ser interferido sofrerá também da ação das demais fontes perturbadoras e, com isso, o efeito desejado, a inviabilização do estabelecimento de enlaces de comunicação, será ainda mais efetivo. Na mesma linha de raciocínio, dentro da perturbação do tipo interferências, não serão consideradas neste trabalho as interferências do próprio sistema e de outros sistemas, ape- 19

21 sar de também estarem presentes em quase a totalidade dos sistemas de telecomunicações. As interferências ou ruídos produzidos pelo homem se caracterizam como uma considerável fonte prejudicial ao estabelecimento de enlaces em sistemas de telecomunicações, podendo ser gerados de maneira intencional e não intencional. As interferências não intencionais podem ser caracterizadas como aquelas causadas por erros sistêmicos, falha na construção de um determinado equipamento como, por exemplo, contatos de solda defeituosos ou, ainda, por outros tipos de serviços que inserem no espectro algum tipo de energia eletromagnética espúria. As interferências intencionais são aquelas geradas de forma proposital, a m de inviabilizar o estabelecimento de enlaces de comunicação em determinadas freqüências. Genericamente, essas interferências intencionais são denominadas de "Contra-Medidas Eletrônicas (CME)". Segundo SCHLEHER (1986), CME são "ações tomadas para impedir ou reduzir o uso efetivo do espectro eletromagnético de determinados sistemas de comunicação". Elas são amplamente utilizadas no cenário das Forças Armadas, em operações de Guerra Eletrônica. Em algumas bibliograas mais recentes, o termo CME é apresentado como "Ataque Eletrônico (AE)". Conforme POISEL (2004), geralmente (embora não exclusivamente) as CME consistem de três tipos principais: Bloqueio (Jamming) Despistamento (Deception) Energia Direcionada (Directed Energy) No presente trabalho é adotada uma abordagem com CME do tipo "bloqueio", seguindo o objetivo de proporcionar a implementação de um dispositivo bloqueador que impeça o estabelecimento das comunicações em uma determinada faixa de freqüências através desta técnica. As CME dos tipos "despistamento" e "energia direcionada", que têm, respectivamente, como seus objetivos gerais, fornecer sinais falsicados ao receptor e inserir altos níveis de potência no sistema a ser interferido, são mais indicados para aplicações especícas de interesse das Forças Armadas e, portanto, fogem ao escopo principal do trabalho que se refere à geração de interferência em sistemas de comunicações móveis. 20

22 2.2 CME DO TIPO BLOQUEIO De forma genérica, a CME do tipo bloqueio caracteriza-se pela irradiação ou reexão intencional de energia eletromagnética com o objetivo de degradar a qualidade do sinal a ser recebido pelo receptor de um sistema de comunicação. Segundo POISEL (2004), as estratégias mais comuns para aplicação do conceito de bloqueio sobre um sistema são: Bloqueio com ruído (Noise Jamming) Bloqueio por tom (Tone Jamming) Bloqueio com varredura (Swept Jamming) Bloqueio por pulso (Pulse Jamming) Bloqueio seguidor (Follower Jamming) Bloqueio inteligente (Smart Jamming) BLOQUEIO COM RUÍDO No bloqueio com ruído, a portadora do sinal de bloqueio é modulada com um sinal de ruído aleatório. A intenção é perturbar a comunicação através da inserção desse ruído aleatório dentro do receptor do sistema a ser interferido. Normalmente, esse ruído aleatório que é inserido no espectro para causar a interferência é um ruído branco. O ruído branco é um processo estocástico cuja função de densidade de probabilidade segue uma distribuição gaussiana, a qual é dada por f(x) = 1 2πσ e (x µ)2 2σ 2 (2.1) onde o parâmetro µ corresponde à "média" do sinal e o parâmetro σ representa o "desvio padrão da distribuição de probabilidade". O quadrado do desvio padrão, σ 2, é a "variância" da distribuição. Para um ruído branco com µ = 0, a sua densidade espectral de potência é constante em todo o espectro, com amplitude dada por σ 2 /2. A FIG. 2.2 apresenta o aspecto do ruído branco e sua distribuição gaussiana, considerando µ = 0 e σ 2 = 1. 21

23 FIG. 2.2: Representação gráca do ruído branco. O bloqueio com ruído pode ser realizado de três formas, no que diz respeito à ocupação do espectro (POISEL, 2004): Bloqueio com ruído em banda larga (Broadband Noise Jamming - BBN ) Bloqueio com ruído em parte da banda (Partial-Band Noise Jamming - PBN ) Bloqueio com ruído em banda estreita (Narrowband Noise Jamming - NBN ) BLOQUEIO COM RUÍDO EM BANDA LARGA - BBN No bloqueio BBN, que também recebe as denominações de bloqueio com ruído em banda completa e bloqueio com ruído em barreira, o sinal de bloqueio é irradiado em todo o espectro de comunicação de interesse, cobrindo assim, várias freqüências simultaneamente, podendo inclusive atingir canais de comunicação intermediários de outros sistemas que não se deseje interferir na ocasião. Segundo SCHLEHER (1986), o bloqueio BBN deve ser usado quando os parâmetros de freqüência do sistema (freqüência central e largura de banda) não são conhecidos ou conhecidos de forma imprecisa. Este tipo de bloqueio pode também ser utilizado em sistemas que trabalham com altas taxas de chaveamento em freqüência. A FIG. 2.3 apresenta o espectro do bloqueio BBN. 22

24 FIG. 2.3: Espectro do bloqueio BBN. A principal limitação do bloqueio BBN é que em virtude do espalhamento do sinal de bloqueio por uma larga banda de freqüências, o valor da densidade espectral de potência é baixo, quando comparado, por exemplo, à um sinal com largura de banda menor BLOQUEIO COM RUÍDO EM PARTE DA BANDA - PBN No bloqueio PBN, o sinal de bloqueio é inserido em múltiplos (mas, não todos) canais do espectro utilizados pelo sistema a ser interferido. Esses canais podem ou não ser contínuos (POISEL, 2004). A FIG. 2.4 apresenta os espectros do bloqueio PBN. FIG. 2.4: Espectros do bloqueio PBN para (a) canais contínuos e (b) canais alternados. 23

25 BLOQUEIO COM RUÍDO EM BANDA ESTREITA - NBN No bloqueio NBN, o sinal de bloqueio é inserido em um único canal do sistema. O espectro deste tipo de bloqueio é apresentado na FIG FIG. 2.5: Espectro do bloqueio NBN. Uma característica deste tipo de bloqueio é o maior valor de densidade espectral de potência, em virtude da largura de banda estreita do sinal de bloqueio, quando comparado, por exemplo, ao bloqueio BBN. Essa característica pode ser importante quando o objetivo é atuar somente sobre um canal especíco de um determinado sistema BLOQUEIO POR TOM No bloqueio por tom, um ou mais sinais de tom são estrategicamente inseridos no espectro para provocar a condição de bloqueio. Em qual local do espectro do sistema a ser interferido e em que quantidade eles são inseridos inuenciam o desempenho do bloqueio (POISEL, 2004). Esse tipo de bloqueio pode ser implementado em tom simples e tons múltiplos BLOQUEIO POR TOM SIMPLES Neste tipo de bloqueio, um sinal de tom é inserido de forma contínua em uma única freqüência do espectro utilizado pelo sistema a ser interferido, sendo classicado como um tom simples de "onda contínua" (continuous wave - cw). O espectro do bloqueio por tom simples está ilustrado na FIG

26 FIG. 2.6: Espectro do bloqueio por tom simples. O bloqueio por tom simples também recebe a denominação de bloqueio pontual (spot jamming) (POISEL, 2004) BLOQUEIO POR TONS MÚLTIPLOS Neste tipo de bloqueio, múltiplos tons de onda contínua são inseridos no espectro de interesse de forma aleatória ou em freqüências especícas. Quando os tons são inseridos em canais consecutivos, ele é chamado de bloqueio em pente (comb jamming) (POISEL, 2004). O espectro do bloqueio por tons múltiplos é apresentado na FIG FIG. 2.7: Espectro do bloqueio por tons múltiplos BLOQUEIO COM VARREDURA No bloqueio com varredura, um sinal relativamente de banda estreita é varrido no tempo ao longo da banda de freqüências de interesse. A cada instante de tempo, somente uma freqüência central especíca e uma região estreita em torno dessa freqüência estão ocupadas com o sinal de bloqueio. Em função da presença do sinal de varredura, esse processo se repete ao longo da banda de freqüências, cujo valor de sua largura, vai depender do ajuste da amplitude do sinal. Esse método permite uma alta densidade espectral de potência do sinal de bloqueio na forma de banda estreita por um curto 25

27 intervalo de tempo. Segundo POISEL (2004), o conceito do bloqueio com varredura pode ser comparado aos conceitos de bloqueio BBN e bloqueio PBN BLOQUEIO POR PULSO No bloqueio por pulso, o sinal de bloqueio é inserido no espectro de interesse em forma de pulsos intermitentes, cuja duração é denida pelo ciclo de atividade do dispositivo bloqueador implementado com esta técnica BLOQUEIO SEGUIDOR No bloqueio seguidor, o dispositivo bloqueador implementado possui a funcionalidade de tentar atuar sobre a banda de freqüências que está sendo utilizada pelo sistema a ser interferido, considerando, por exemplo, um sistema que utiliza várias bandas de freqüências de operação de forma alternada. Conforme POISEL (2004), este tipo de bloqueio também pode ser referido como "bloqueio responsivo" (responsive jamming) e "bloqueio repetidor" (repeater jamming). Um exemplo de implementação do modo bloqueio repetidor é apresentado na FIG. 2.8, através do dispositivo sugerido de forma experimental por GBPPR (2003). FIG. 2.8: Sugestão de um dispositivo bloqueador para o modo bloqueio repetidor em sistemas PCS. 26

28 No dispositivo da FIG. 2.8, o sinal gerado pelo terminal móvel no canal reverso é transladado para a faixa de freqüência do canal direto e retransmitido. Como conseqüência, o terminal móvel recebe o sinal gerado por ele próprio, além do sinal transmitido pela ERB, causando diculdade na decodicação do sinal no receptor BLOQUEIO INTELIGENTE No bloqueio inteligente, o sinal de bloqueio é inserido em partes especícas do espectro utilizado pelo sistema a ser interferido, sendo essas, fundamentais para o funcionamento correto do mesmo. Entretanto, para implementação desta técnica, é necessário um conhecimento das caractarísticas de operação do sistema em questão. A título de exemplicação, pode-se citar os sistemas que necessitam de sincronismo para operar corretamente. Neste caso, pode-se buscar a invalidação dos mesmos através da inserção do sinal de bloqueio somente sobre os canais de sincronismo. 2.3 MODELO GENÉRICO DA RECEPÇÃO DE UM SINAL EM SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES Considerando genericamente o quadripolo da FIG. 2.9 como um modelo de recepção de um sinal em um sistema de telecomunicações, S i e N i representam, respectivamente, as potências do sinal e do ruído na entrada do sistema. Da mesma forma, os sinais S o e N o representam as potências de sinal e de ruído em sua saída. G representa o ganho do sistema (ou, de forma mais genérica, sua função de transferência) e N a o ruído produzido internamente pelo sistema referenciado à sua saída. FIG. 2.9: Representação dos sinais presentes em um sistema receptor de telecomunicações. 27

29 por A relação sinal-ruído (RSR) na entrada do quadripolo da FIG. 2.9 pode ser expressa RSR i (db) = S i N i (2.2) O ruído presente na entrada do quadripolo pode ser aproximado por um ruído branco, como acontece na maioria das aplicações. A sua potência, associada a um fenômeno térmico, é representada por N i e dada por N i = kt 0 B (2.3) onde k é a constante de Boltzman, cujo valor é de 1,38 x Joule/graus Kelvin, T 0 é a temperatura de referência do ruído térmico em Kelvin (T 0 = 290K), e B é a largura de banda do quadripolo. Considerando-se o ganho do quadripolo G, a potência do sinal de saída é dada por e a potência do ruído de saída é dada por S o = G S i (2.4) N o = G N i + N a (2.5) A potência de ruído gerada pelo quadripolo N a, vericada na sua saída, pode ser escrita por N a = GkT e B (2.6) onde T e é a temperatura de ruído, dada por T e = (F-1)T 0. O ruído gerado pelo quadripolo também é assumido como um ruído térmico, sendo considerado como um ruído branco. A relação sinal-ruído na saída do quadripolo pode ser escrita por podendo ser reescrita como RSR o = S o N o (2.7) 28

30 RSR o = G S i G N i + N a = S i (N i + Na G ) (2.8) A Figura de Ruído (F) é uma gura de mérito do quadripolo, a qual expressa a razão entre a relação sinal-ruído na entrada (RSR i ) pela relação sinal-ruído na saída (RSR o ): F = RSR i RSR o (2.9) A abordagem acima, se refere de forma generalizada ao modelo de recepção de um sistema de comunicação. Entretanto, parte dos sistemas que são utilizados atualmente opera com a tecnologia de "espalhamento espectral", que foi inicialmente desenvolvida para ns militares e acabou sendo estendida aos sistemas de comunicações comerciais. Um dos principais objetivos do espalhamento espectral é tornar os sistemas mais robustos às interferências geradas de forma intencional, uma vez que, proporciona um ganho intrínseco denominado de "ganho de processamento", aplicado somente ao sinal do sistema. Portanto, a EQ. 2.4, que se refere à potência do sinal do sistema na saída do quadripolo S o, passa a ser expressa por S o = (G S i ) G P (2.10) Vale lembrar que o ganho de processamento só é pertinente ao sinal do sistema S i e não se aplica ao ruído presente na entrada do quadripolo N i. As principais técnicas utilizadas no conceito de espalhamento espectral são: Seqüência Direta (Direct Sequence - DS) Salto em Freqüência (Frequency Hopping - FH ) Para os sistemas que empregam a técnica de espalhamento espectral do tipo seqüência direta, o ganho de processamento está diretamente relacionado à taxa na qual o código de espalhamento é gerado. Neste tipo de espalhamento espectral, o ganho de processamento é dado por (GOODMAN, 1997) G P = W (ch/b) (2.11) R 29

31 onde W é a taxa de chaveamento da portadora digital em chips por segundo (ch/s) e R é a taxa de informação da fonte em bits por segundo (b/s). Para efeito de informação, chip é a nomeclatura utilizada para representar um elemento de sinal binário em uma portadora digital de espalhamento espectral. Para sistemas que operam com o espalhamento espectral do tipo salto em freqüência, o ganho de processamento é dado por (LEE, 1995) G P = BN R b (2.12) onde B é a largura de banda utilizada para o envio dos bits de informação da fonte através de um único canal, R b é a taxa de informação da fonte, e N é o número de canais de freqüências disponíveis para o salto. Assumindo que B é igual a R b, o G P é uma função direta do número de canais de salto N nos quais a informação é transmitida. Cada canal tem a mesma largura B. O espalhamento espectral pode trabalhar também com a técnica "Salto no Tempo" (Time Hopping - TH ), onde a escolha do intervalo de tempo utilizado para a transmissão é denida de forma aleatória e, ainda, com a técnica denominada de "Híbrida" (Hybrid), que trata-se da combinação das técnicas citadas anteriormente. A forma mais comum de se implementar a técnica híbrida é a combinação da seqüência direta com o salto em freqüência. Nessa combinação, a natureza furtiva da seqüência direta pode ser explorada em conjunto com a diversidade em freqüência do salto em freqüência (POISEL, 2004). 2.4 RELAÇÃO ENTRE AS POTÊNCIAS DOS SINAIS DE BLOQUEIO E DO SIS- TEMA Mesmo sem a presença de uma fonte de bloqueio atuante sobre um determinado sistema de comunicação, todo sinal transmitido pelo mesmo sofre diversos tipos de perturbações, caracterizando assim uma relação sinal-ruído RSR i na entrada do receptor do sistema, conforme discutido anteriormente. Entretanto, quando existe um elemento interferidor presente no sistema, fazendo-se a distinção entre o sinal interferente e as demais fontes de ruído, a relação sinal-ruído na entrada do receptor do sistema (RSR i ) passa a ser expressa por (GIT, 2001): RSR i = S i N i + J onde J é a potência de sinal interferente na entrada do receptor do sistema. (2.13) 30

32 Conforme a EQ. 2.13, o valor de N i aparece somado ao valor de J. Como o presente trabalho se refere à geração de interferência intencional, o valor de N i pode ser eximido da relação sinal-ruído na entrada do receptor (RSR i ). Quanto maior for o valor de N i, melhor será o resultado da interferência sobre o sistema. Portanto, a RSR i de interesse para CME passa a ser expressa por S i /J. Podendo ser reescrita como J/S i, visto o interesse em vericar a relação da potência do sinal interferente J sobre a potência do sinal do sistema S i na entrada do receptor. Para ns de compatibilização com a bibliograa utilizada, a relação J/S i será expressa simplesmente por J /S. Considerando que os sinais que compõem a relação J/S são inseridos no espectro por fontes distintas, cada um possui os seus respectivos parâmetros de irradiação de energia eletromagnética. Geralmente, as variáveis de um sistema utilizadas para o cálculo da potência recebida por um receptor em função da distância são a potência de transmissão, o ganho da antena transmissora, o ganho da antena receptora, a freqüência de transmissão, a distância do enlace e o fator relacionado a perdas de implementação do próprio sistema. Através da freqüência de transmissão e da distância do enlace é possível calcular a atenuação do sinal no espaço livre, com a utilização de uma equação especíca. O cálculo da relação J/S segue o mesmo princípio do cálculo de um enlace de rádio. Entretanto, duas observações devem ser feitas. A primeira se refere à freqüência de operação, pois ela é a mesma utilizada pelo sistema a ser interferido e pelo dispositivo bloqueador. Consequentemente, não é necessária a inclusão deste parâmetro nos cálculos. Como citado acima, a freqüência deve ser usada caso seja necessária a determinação do valor da atenuação no espaço livre para os sinais. A outra observação se refere à inclusão da largura de banda dos sinais (interferente e do sistema a ser interferido), pois na maioria dos casos este parâmetro terá importância na eciência de atuação do dispositivo bloqueador, conforme demonstrado a seguir. Assumindo-se propagação no espaço livre, a relação J/S pode ser calculada por (STAHLBERG, 2000) onde J S = P JG JR G RJ R 2 T R L RB R P T G T R G RT R 2 JR L JB J (2.14) P J = Potência de transmissão do sinal de bloqueio (bloqueador) P T = Potência de transmissão do sinal principal (transmissor do sistema) G JR = Ganho da antena transmissora do bloqueador 31

33 G T R = Ganho da antena transmissora do sinal principal (transmissor do sistema) G RJ = Ganho da antena receptora para o sinal de bloqueio (receptor do sistema) G RT = Ganho da antena receptora para o sinal principal (receptor do sistema) R T R = Distância entre o transmissor e o receptor do sistema R JR = Distância entre o bloqueador e o receptor do sistema L R = Perdas no sinal principal L J = Perdas no sinal de bloqueio (incluindo o descasamento da polarização) B R = Largura de banda do sinal principal B J = Largura de banda do sinal de bloqueio Os parâmetros relacionados a perdas no sistema, L J e L R, se referem a perdas de implementação do mesmo. Analisando a EQ. 2.14, no caso geral, pode-se dizer que J e S representam respectivamente, a densidade espectral de potência do sinal do bloqueador e do sistema na entrada do receptor, pois e J = P JG JR B J 1 L P ropag. (R JR ) 1 L J G RJ (2.15) S = P T G T R 1 B R L P ropag. (R T R ) 1 G RT (2.16) L R onde os primeiros termos das equações acima, representam a potência e o ganho dos sinais transmitidos divididos pelas respectivas larguras de banda, caracterizando assim a densidade espectral de potência de cada sinal. Dando sequência à análise da EQ. 2.14, no espaço livre, tem-se que então L P ropag. (R) = ( 4πR λ )2 (2.17) L P ropag. (R T R ) L P ropag. (R JR ) = R2 T R RJR 2 esclarecendo assim, o que foi proposto por STAHLBERG (2000). (2.18) Para utilização da EQ. 2.14, é desejável a obtenção de alguns parâmetros de transmissão (RF) do sinal a ser interferido, além dos mesmos parâmetros do dispositivo bloqueador. 32

34 Basicamente, para sistemas que operam sem a condição do ganho de processamento, a relação J /S necessária para se efetuar o bloqueio vai ser diretamente denida pela RSR i mínima de operação do sistema. Portanto, uma vez denida a relação J/S e esses parâmetros de RF, a partir da EQ. 2.14, pode-se calcular a potência de transmissão do dispositivo bloqueador P J necessária para efetuação do bloqueio. No espaço livre, tem-se: P J = J S P T G T RG RT R 2 JR L JB J G JR G RJ R 2 T R L RB R (2.19) Quando alguns parâmetros da EQ não são conhecidos, recomenda-se trabalhar com valores estimados. Uma outra opção seria medir no local de realização do bloqueio, o valor da potência recebida do sinal do sistema S, através de medidores de intensidade de campo, para o ajuste do valor da potência P J necessária para proporcionar a condição de bloqueio. Para os sistemas que utilizam o espalhamento espectral, a relação J /S necessária para efetuação do bloqueio não pode ser denida diretamente pela RSR i mínima de operação do sistema, devido ao ganho de processamento do sistema. Sendo assim, outras considerações devem ser feitas, as quais são apresentadas a seguir. Conforme citado anteriormente, o ganho de processamento só é pertinente para o sinal do sistema (não para o sinal de bloqueio). Então: J = J S S 1 (2.20) G P Quando existir a condição de ganho de processamento, a relação mínima entre os sinais de bloqueio e do sistema vai ser denida pelo parâmetro "margem de bloqueio - M J ", dada por (STURZA, 2005) M J = G P [(E b /N 0 ) (REQ) L] (2.21) onde G P é o ganho de processamento, (E b /N 0 ) (REQ) é a relação requerida pelo demodulador para um determinado valor de BER típico do sistema, e L é a perda de implementação do próprio sistema. 33

35 2.5 CONSIDERAÇÕES IMPORTANTES PARA MELHORIA DA EFETIVAÇÃO DO BLOQUEIO De forma geral, o sinal interferente deve ocupar toda a banda de freqüências utilizada pelo sistema, com potência suciente para ser efetivo no bloqueio do sinal. Entretanto, existem três considerações importantes que podem ser adotadas para melhorar a efetivação do bloqueio. A primeira consideração se refere em que faixa do espectro de freqüências utilizada pelo sistema a ser interferido será inserido o sinal interferente. Como já citado neste trabalho, mais especicamente na parte que se refere à "bloqueio inteligente", existem sistemas que possuem canais especícos dentro do espectro utilizado que podem ser considerados como vitais ao seu funcionamento, pois servem para a aquisição e manutenção de um determinado enlace. Para atuação sobre esses canais especícos, é necessário o conhecimento das especicações técnicas e da lógica de funcionamento de tais sistemas. Com essas informações pode-se buscar a invalidação do enlace de comunicação através da inserção do sinal interferente somente sobre esses canais especícos e não pelo preenchimento de toda a banda de freqüências utilizada pelo sistema. Vale lembrar que a Densidade Espectral de Potência é inversamente proporcional à largura de banda do sinal. A segunda consideração seria avaliar a potência do sinal de bloqueio na entrada do receptor do sistema J necessária para proporcionar a inviabilização de um determinado enlace. Novamente, a condição de conhecimento das especicações técnicas do sistema vai ser importante para a melhoria da efetivação do bloqueio. Conforme citado anteriormente, para os sistemas que operam sem o ganho de processamento, a relação J /S vai ser diretamente denida pela RSR i mínima necessária para a operação correta do sistema. Já para os sistemas que possuem a condição do ganho de processamento, a relação J/S vai ser obtida pelo parâmetro margem de bloqueio - M J. A terceira consideração sugere o direcionamento do lóbulo principal de irradiação da antena do dispositivo bloqueador na direção em que se encontra a antena do sistema a ser interferido, para proporcionar o maior valor de J possível na entrada do receptor. Para se colocar em prática as duas primeiras considerações citadas neste item do trabalho, é necessário um bom conhecimento do sistema a ser interferido. Um exemplo do exposto é apresentado no subitem a seguir, para o caso particular do sistema de telefonia móvel CDMA. Quando esse conhecimento não é possível, deve ser utilizado o bloqueio BBN por toda a banda de freqüências utilizada pelo serviço, com o máximo de 34

36 potência fornecida pelo dispositivo bloqueador APLICAÇÃO AO SISTEMA DE TELEFONIA MÓVEL CDMA (IS-95) Com o intuito de exemplicar o que foi proposto no item anterior e exercitar a aplicação do bloqueio sobre um determinado serviço, seguem abaixo algumas características e a lógica do funcionamento do sistema de telefonia móvel celular que utiliza a tecnologia CDMA (IS-95). Atualmente, no Rio de Janeiro, o sistema CDMA utiliza a banda A em sua operação. As faixas de freqüência são de 824 a 835 MHz e de 845 a 846,5 MHz no canal reverso e de 869 a 880 MHz e de 890 a 891,5 MHz no canal direto. Um conceito importante dentro da tecnologia CDMA, denido na norma IS-95, é a designação de duas portadoras chamadas de "primária" e "secundária". Essas portadoras são utilizadas pelo terminal móvel para acesso inicial ao sistema. Depois do acesso inicial, caso exista alguma outra portadora disponível na célula, o móvel pode receber a sinalização para trocar de portadora. Por designação da IS-95, as portadoras primária e secundária da banda A são denidas conforme a TAB. 2.1 (NEC, 1998). TAB. 2.1: Portadoras primária e secundária do sistema de telefonia móvel CDMA. Portadora Banda A Primária 283 Secundária 691 Através de uma equação que consta na norma IS é possível encontrar os valores das freqüências dos canais 283 e 691, que são respectivamente, 878,49 MHz e 890,73 MHz. Essas portadoras são vitais no processo de aquisição do sistema por parte de um terminal móvel. A FIG apresenta o processo de aquisição do sistema realizado pelo terminal móvel. 35

37 FIG. 2.10: Processo de aquisição do terminal móvel no sistema CDMA. Quando o terminal móvel dual mode (modo dual) é ligado, ele seleciona inicialmente o sistema a ser utilizado (CDMA ou AMPS). Uma vez escolhido o CDMA, ele sintoniza a portadora primária ou a secundária da banda escolhida e efetua a procura do canal piloto nessas portadoras. Após a obtenção do canal piloto, o terminal móvel adquire as demais informações de aquisição do sistema e, assim, é indicado a operar em uma das portadoras disponíveis na rede (podendo esta ser a própria portadora primária ou secundária do sistema). Toda vez que é terminada uma chamada, o canal de tráfego é liberado e o terminal volta ao estado de seleção do sistema, ou seja, à lógica informada na FIG 2.10 (NEC, 1998). A grande estratégia a ser seguida no CDMA é tentar fazer com que o móvel não consiga efetuar a aquisição do sistema, tornando o mesmo fora de operação da rede. A 36

38 proposta é gerar interferência no canal direto recebido pelo terminal móvel, mais precisamente sobre a portadora primária (canal 283 = 878,49 MHz). A portadora primária é denida como padrão, sendo a secundária utilizada somente em casos extremos. Assim, ca denido onde deverá ocorrer a geração da interferência, somente sobre o canal 283. A largura de banda do sinal de bloqueio deverá ser a mesma de um canal do CDMA (1,23 MHz). Uma outra questão se refere ao valor de J necessário para efetivação do bloqueio. Em sistemas CDMA, a qualidade do sinal é medida através da relação entre a energia de bit e a densidade espectral de potência dos sinais de ruído inerentes ao meio de transmissão somados ao ruído térmico (E b /N o ). Para os receptores dos terminais móveis tipicamente utilizados em sistemas CDMA comerciais, a faixa de (E b /N o ) suciente para garantir a qualidade do sistema varia de 3 a 9 db (CDG, 2005). Estes valores são indicados para a manutenção da BER em 0,001 (igual a 10 3 ). O sistema CDMA utiliza o espalhamento espectral do tipo sequência direta e, sendo assim, existe a condição do ganho de processamento. Utilizando a EQ. 2.11, o valor de G P é de 21 db, considerando W =1,228,800 ch/s e R=9,600 b/s. Através da EQ. 2.21, a margem de bloqueio M J é de 18 db, considerando o sistema sem perdas de implementação. Assim, o valor mínimo da relação J /S é de 18 db (ou 63,09 de relação entre as potências). Espera-se que com o valor de J/S acima de 18 db seja possível efetuar o bloqueio no sistema CDMA. Resultados práticos são apresentados no CAP APLICAÇÃO EM OUTROS SISTEMAS Neste subitem algumas abordagens prévias sobre o conceito de bloqueio são aplicadas em outros sistemas de comunicação. No sistema de telefonia móvel GSM, o espectro disponível é particionado em canais de 200 khz (FDMA) e cada canal é dividido em 8 intervalos de tempo (TDMA) que compõem um quadro. Cada quadro tem uma duração máxima de 4,6 ms, o que signica que o tempo de duração de cada intervalo de tempo é de 577 µs. Sob normais condições, cada rajada de dados pertencente a um canal físico é transmitido usando sempre a mesma portadora (RAPPAPORT, 1996). Para redução do desvanecimento rápido causado pelo movimento dos assinantes, o sistema pode utilizar o salto em freqüência no seu funcionamento, conforme critério adotado pelo operador da 37

39 rede. A sequência de saltos pode usar até 64 freqüências diferentes, que é um número pequeno comparado aos sistemas de salto em freqüência militares, otimizados para evitar escutas escondidas e o bloqueio (STAHLBERG, 2000). A velocidade de saltos no GSM é de 217 saltos por segundo (LEE, 1995). Dependendo do tipo de bloqueador utilizado na ação, o salto em freqüência no sistema GSM não oferece real proteção contra o bloqueio. Somente quando o bloqueador é do tipo NBN (que opera xo sobre um canal), a condição de proteção ocorre, pois todos os demais canais estão operando sem a ação do bloqueador, caracterizando assim a condição quase que normal de funcionamento do sistema. Este raciocínio também pode ser estendido ao ganho de processamento (G P ), quando comparada a relação J/S do canal interferido com a dos demais canais. Portanto, para invalidar a proteção fornecida pelo salto em freqüência, a primeira abordagem sugere o preenchimento de toda a banda de freqüências do canal direto com o sinal proveniente de um dispositivo bloqueador BBN, para a prática do bloqueio sobre o sistema GSM. Uma outra sugestão seria a utilização de um dispositivo bloqueador com varredura. Se a freqüência de varredura do dispositivo for alta (muito maior que 217 bloqueios em banda estreita por segundo), os quadros deverão ser ocupados com o sinal interferente várias vezes por segundo, o que pode vir a causar degradação da qualidade do enlace no sistema GSM. Um maior detalhamento desta proposta pode ser obtido em FILHO et al. (2003). Outra consideração é qual o nível de potência necessário do sinal de bloqueio. Com o avanço dos decodicadores de Viterbi, o valor mínimo da RSR i no sistema GSM varia de 4 a 8 db (STAHLBERG, 2000). Não considerando nenhum tipo de ganho de processamento nesta abordagem e, portanto, utilizando-se do valor mínimo da RSR i, a relação J/S deve ser de -4 db. Uma outra análise preliminar a ser apresentada neste subitem se refere aos rádios transceptores TalkAbout, fabricados pela Motorola. Esses rádios não precisam ser licenciados, pois trabalham com apenas 0,5 Watt de potência. Somente rádios que operam com 1 ou mais Watts de potência nos canais indicados na TAB. 2.2, precisam ser licenciados pela Anatel (MOTOROLA, 2006). Em função disso, são bastante utilizados em comunicações de curtas distâncias. O alcance desses rádios pode chegar a até 3 km de distância em campo aberto (MOTOROLA, 2006). As freqüências de operação dos rádios TalkAbout são apresentadas na TAB

40 TAB. 2.2: Freqüências utilizadas pelos rádios TalkAbout (MOTOROLA, 2006). Canal Freqüência (MHz) 1 462, , , , , , , , , , , , , ,7125 Não foi encontrada nos manuais dos rádios TalkAbout, através de uma pesquisa no website do fabricante, a informação referente à RSR i mínima de operação dos mesmos. Os rádios transceptores de outros fabricantes costumam operar com uma RSR i mínima de 10 db e, portanto, este valor pode ser utilizado como referência inicial para a geração de interferência sobre o serviço. Não foi considerando também nesta abordagem nenhum tipo de ganho de processamento e, portanto, utilizando-se da RSR i mínima de 10 db, ca caracterizada a relação J/S de -10 db. Para efeito de sugestão bibliograca, no que diz respeito à condição de geração de interferência em outros sistemas, segue o trabalho elaborado por SOUZA (2005), que faz uma abordagem sobre a condição de bloqueio em sistemas GPS. 39

41 3 DISPOSITIVOS BLOQUEADORES Genericamente, um dispositivo bloqueador tem a função de dicultar a comunicação entre pontos distintos, através da inserção de um sinal no espectro eletromagnético de interesse. O raio de atuação de um dispositivo bloqueador vai depender das suas especicações de projeto e dos valores ajustados na ocasião de sua utilização. A sua composição será denida pelo tipo de CME que o mesmo vai operar. Como citado no capítulo anterior, a CME do tipo bloqueio pode ser realizada da forma bloqueio com ruído, bloqueio por tom, bloqueio com varredura, bloqueio por pulso, bloqueio seguidor e bloqueio inteligente. Portanto, generalizando, a escolha de uma dessas formas de bloqueio vai denir a composição e a topologia do dispositivo bloqueador. A seguir, são apresentadas sugestões de composição e topologia de algumas formas de implementação do bloqueio. 3.1 COMPOSIÇÃO BÁSICA DE UM DISPOSITIVO BLOQUEADOR EM BANDA LARGA Para a operação seguindo o conceito de bloqueio com ruído em banda larga - BBN, o dispositivo bloqueador pode ser composto por: um Gerador de Ruído em banda larga, que tem por nalidade gerar o ruído aleatório em uma larga faixa do espectro; um Amplicador em banda larga, para a amplicação de toda a faixa de ruído gerada; um Filtro Passa-Faixa Sintonizável, que deve fornecer a possibilidade de ajustar a largura de banda de saída do ruído; e uma Antena, que tem como nalidade irradiar a energia eletromagnética gerada pelo dispositivo bloqueador no espaço. Um exemplo de topologia com esses módulos pode ser a apresentada na FIG

42 FIG. 3.1: Diagrama em blocos de um exemplo de bloqueador BBN. Existem dispositivos que geram ruídos em banda larga, facilitando o processo de implementação (e.g.:noisecom, 2006). A composição e a topologia sugeridas na FIG. 3.1 podem também ser utilizadas para o bloqueio PBN (canais contínuos), desde que o ltro passa-faixa sintonizável seja ajustado somente para uma parte da banda de freqüências utilizada pelo sistema a ser interferido. 3.2 COMPOSIÇÃO BÁSICA DE UM DISPOSITIVO BLOQUEADOR EM BANDA ESTREITA Um dispositivo bloqueador que opera seguindo o conceito de bloqueio com ruído em banda estreita - NBN, pode ser composto, por exemplo: por um Gerador de Ruído, que tem por nalidade gerar o ruído aleatório que será inserido no espectro para causar a interferência requerida; por um Modulador de RF, para a geração de uma portadora RF modulada com o ruído; por um Amplicador, que tem como função amplicar o sinal do bloqueador para um nível de potência que seja suciente para efetuar o bloqueio; por um Filtro Passa-Faixa, para ltragem do sinal de saída do bloqueador na faixa de freqüências de interesse; e por uma Antena, cuja funcionalidade já foi citada anteriormente. Um exemplo de topologia utilizando esses módulos é apresentada na FIG

43 FIG. 3.2: Diagrama em blocos de um exemplo de bloqueador NBN. Caso seja necessária uma eventual translação em freqüência, a composição do dispositivo bloqueador pode ser a apresentada na FIG. 3.2 com a adição de um Oscilador Ajustável, um Misturador e, ainda, a substituição do Filtro Passa-Faixa xo, por um sintonizável. O objetivo desses módulos é, respectivamente, possibilitar a mudança da freqüência de operação do dispositivo bloqueador, fazer a combinação dos sinais e sintonizar a faixa de freqüências de interesse. Os demais módulos têm a mesma função explicada anteriormente. A topologia a ser adotada pode ser a apresentada na FIG FIG. 3.3: Diagrama em blocos de um exemplo de bloqueador NBN com translação em freqüência. 3.3 COMPOSIÇÃO BÁSICA DE UM DISPOSITIVO BLOQUEADOR COM VARREDURA Uma das formas básicas de se gerar bloqueio com varredura é ilustrada na FIG Esta conguração é composta por um Gerador de Ruído, cuja funcionalidade já foi citada; 42

44 por um Gerador de Sinal de Varredura, que tem por nalidade gerar um sinal variante no tempo do tipo onda triangular ou da forma dente de serra, para que seja observado o efeito da varredura em freqüência; por um Somador, cuja função é adicionar o sinal de ruído ao sinal de varredura; por um Oscilador Controlado à Tensão - VCO, que tem por nalidade gerar um sinal de RF a partir de um sinal DC (ou de baixa freqüência) em sua entrada; e, ainda, por um Amplicador e uma Antena, cujas funcionalidades também já foram citadas. FIG. 3.4: Diagrama em blocos de um exemplo de bloqueador com varredura. Esta última implementação é a adotada neste trabalho, para ns de implementação de um dispositivo bloqueador, com a adição de alguns módulos, que serão descritos posteriormente. 3.4 OPERAÇÃO EM MÚLTIPLAS BANDAS DE FREQÜÊNCIAS Para a condição de operação em múltiplas bandas de freqüências, tomando como referência qualquer uma das topologias citadas anteriormente, uma sugestão seria a replicação dos módulos que compõem o dispositivo bloqueador, para cada uma das bandas de freqüências de operação de interesse. A FIG. 3.5 apresenta, como sugestão, o diagrama em blocos de um dispositivo bloqueador que utiliza o conceito de bloqueio com varredura e opera em múltiplas bandas de freqüências através da condição de replicação dos módulos. Nota-se que cada bloqueador opera independentemente dos outros. 43

45 FIG. 3.5: Diagrama em blocos de um dispositivo bloqueador em múltiplas bandas de freqüências com multiplicação dos módulos. A topologia de cada bloqueador da FIG. 3.5, quando comparada à apresentada na FIG. 3.4, aparece acrescida por um Controlador do Nível DC, que tem por nalidade gerar um nível DC para o estabelecimento de um nível quiescente sobre o qual será adicionado o ruído e outros sinais; e por um módulo Sistema de Controle, que tem como função a derivação e o gerenciamento (amplitude e presença) dos sinais gerados pelos módulos Gerador de Ruído, Controlador do Nível DC e Gerador de Sinal de Varredura. A proposta para operação em múltiplas bandas de freqüências apresentada na FIG. 3.5, apesar de viável e comercialmente disponível no mercado (vide item Dispositivos bloqueadores disponíveis no mercado), torna o dispositivo a ser implementado bastante volumoso e com um custo de implantação alto. Um consumo mais elevado é outro fator a ser considerado. Com o intuito de diminuir o número de componentes e tornar o dispositivo o mais compacto possível, outras propostas de topologias podem ser usadas. Para a implementação de bloqueadores sem a utilização individual para cada uma das bandas de freqüências de operação, uma possível solução seria a derivação dos sinais gerados pelos módulos Gerador de Ruído, Controlador do Nível DC e Gerador de Sinal de Varredura. Essa condição resultará em diversas amostras dos sinais gerados por esses 44

46 módulos. A FIG. 3.6 apresenta essa condição. FIG. 3.6: Diagrama em blocos de um dispositivo bloqueador em múltiplas bandas de freqüências com três derivações dos módulos. Na FIG. 3.6, os sinais gerados pelos módulos Gerador de Ruído, Controlador do Nível DC e Gerador de Sinal de Varredura são inseridos no módulo Sistema de Controle. Este módulo, além de gerenciar as características desses sinais, permite a derivação dos mesmos conforme o número N de canais de saída do dispositivo bloqueador. Na FIG. 3.6, são consideradas três derivações. Essas derivações são somadas através módulo Somador, gerando assim, três canais distintos. Cada canal contém uma combinação de três sinais, sendo cada sinal gerado por um módulo. O sinal de cada canal é entregue ao VCO respectivo para a geração do sinal de bloqueio. Seguindo ainda a topologia citada na FIG. 3.6, existe para cada canal um amplicador e uma antena. Uma outra opção seria a utilização de um único amplicador e de uma única antena, ambos em banda larga, como mostrado na FIG Essa segunda opção tende a ser vantajosa com relação à primeira, visto o propósito de implementar um dispositivo com um número menor de componentes. Entretanto, o circuito torna-se mais complexo e a relação custo-benefício deve ser bem avaliada. 45

47 FIG. 3.7: Diagrama em blocos de um dispositivo bloqueador em múltiplas bandas de freqüências com amplicador em banda larga e antena banda larga. Nesta topologia, as diversas bandas de freqüências distintas deverão ser inseridas no amplicador em banda larga. Essa condição de junção das bandas pode ser feita através de um Combinador (ou Somador). No tocante à antena, o dispositivo pode também ter em sua composição uma antena multibanda, visando tornar o dispositivo bloqueador o mais discreto possível. Uma sugestão é a utilização de uma antena do tipo fractal, cujo conceito é derivado da geometria fractal, ramo da matemática que estuda as propriedades e o comportamento de fractais. O fractal vem a ser um objeto geométrico que pode ser dividido em partes, cada uma das quais semelhantes ao objeto original. A aplicação da técnica fractal à tecnologia de antenas produz a redução das dimensões físicas das estruturas irradiantes e pode fazê-las funcionar em diferentes freqüências (NOGUEIRA, 2004). Cada freqüência excita uma parte diferente da estrutura, proporcionando assim, a operação em múltiplas bandas. Um exemplo de uma antena do tipo fractal é apresentado na FIG

48 FIG. 3.8: Antena fractal do tipo Sierpinski. O sistema bloqueador pode evoluir com o uso de antenas fractais em conjunto com antenas inteligentes. As antenas inteligentes combinam múltiplos elementos de antenas (arrays) com Processamento Digital de Sinais (DSP) para otimizar os diagramas de radiação (transmissão e recepção), possibilitando direcionar o feixe em resposta a um sinal de interesse. O principal objetivo das antenas inteligentes é evitar o desperdício do sinal irradiado, apontando o lóbulo principal de irradiação na direção desejada. Um maior detalhamento sobre antenas inteligentes pode ser encontrado em GODARA (2004). Vale ressaltar que as arquiteturas citadas anteriormente são sugestões para a conguração de um bloqueador de múltiplas bandas de freqüências, não tendo sido testadas e nem implementadas neste trabalho. Uma outra condição que deve ser testada é o acoplamento entre os sinais e antenas (no caso da utilização de uma antena especíca para cada bloqueador) na operação em múltiplas bandas de freqüências. 3.5 DISPOSITIVOS BLOQUEADORES DISPONÍVEIS NO MERCADO Atualmente no mercado existe uma quantidade considerável de dispositivos bloqueadores para comercialização, que na maioria das vezes não oferecem a possibilidade de cobrir uma larga faixa do espectro de freqüências, sendo especícos para um determinado tipo de serviço. A maior parte deles opera com uma antena especíca para cada faixa de freqüências do espectro, tornando o dispositivo mais volumoso e complexo, dada a necessidade de compensação do acoplamento mútuo entre as antenas. A FIG. 3.9 apresenta um dispositivo bloqueador fabricado pela SPYMODEX (2006), para atuação em sistemas de telefonia celular. A condição de utilização de uma antena 47

49 especíca para cada faixa pode ser observada. As especicações técnicas fornecidas pelo fabricante estão informadas na TAB FIG. 3.9: Bloqueador para telefonia móvel celular (SPYMODEX, 2006). TAB. 3.1: Especicações técnicas (SPYMODEX, 2006). Fabricante Spymodex Modelos XT5000 e XT6000 Bandas de operação (MHz) , e Raio de cobertura XT m e XT m Alimentação Bateria interna NI MH Potência de saída XT5000: 900 mw, XT6000: 1400 mw Fonte de sinal sintetizado Temperatura de operação (C) -10 o a +50 o Umidade (percentual) 5 a 80 Dimensões (mm) Peso (g) 250 Preço (US$) XT ,00 e XT ,00 A FIG apresenta um dispositivo bloqueador fabricado pela GLOBAL_GADGET (2006), para bloqueio de sistemas Wi-Fi e câmeras wireless. 48

50 A freqüência de operação é em torno de 2,4 GHz. As informações técnicas obtidas no website do fabricante estão na TAB FIG. 3.10: Bloqueador para sistemas Wi-Fi e câmera wireless (GLOBAL_GADGET, 2006). TAB. 3.2: Especicações técnicas (GLOBAL_GADGET, 2006). Fabricante Global Gadget Modelo 2.4GHz WiFi e Wireless Camera Jammer Freqüência de operação 2,4 GHz Raio de cobertura 10 m Alimentação AC/DC - bateria Ni-MH 7,2 V Potência de saída 100 mw Preço (US$) 350,00 Para um raio de cobertura maior, o fabricante Spymodex oferece o dispositivo bloqueador apresentado na FIG Este dispositivo foi projetado para atuação em sistemas celulares. Além do seu alto valor de potência de saída (32 W ), este dispositivo opera com antenas diretivas do tipo painel para concentração do feixe irradiado. As especicações técnicas fornecidas pelo fabricante são apresentadas na TAB

51 FIG. 3.11: Bloqueador para telefonia móvel celular (SPYMODEX, 2006). TAB. 3.3: Especicações técnicas (SPYMODEX, 2006). Fabricante Spymodex Modelo High powered 32 W Bandas de operação (MHz) , , , Raio de cobertura 120 m Alimentação 24 V DC Potência de saída 32 W Fonte de sinal sintetizado Temperatura de operação (C) -10 o a +60 o Umidade (percentual) 5 a 80 Dimensões (mm) Preço (US$) 1.850,00 Por questões estratégicas, os fabricantes não mostram a conguração interna dos seus dispositivos bloqueadores. Por uma análise da composição externa desses dispositivos, pode-se intuir que o funcionamento para cada faixa de freqüências de operação é independente, ou seja, que existe um dispositivo bloqueador implementado para cada faixa de operação. 50

52 4 ANÁLISE COMPUTACIONAL DA EFETIVAÇÃO DO BLOQUEIO Com o propósito de vericar a condição de geração de interferência sobre o sistema de telefonia móvel CDMA através de uma ferramenta computacional, foi elaborada em Mat- Lab 7.0 uma simulação envolvendo a composição aproximada do dispositivo bloqueador implementado neste trabalho e um modelo do canal de tráfego desse sistema (CDMA IS-95). O sistema CDMA foi escolhido por ser um dos mais complexos em relação à geração e recepção do sinal e por possuir (teoricamente) mais imunidade ao ruído que outros sistemas. A ferramenta do MatLab utilizada para elaboração da simulação foi o Simulink. Esta ferramenta de simulação opera com diagramas em blocos que simulam circuitos e possui uma vasta biblioteca de sistemas de engenharia. É possível alterar as características desses blocos conforme a necessidade da simulação em questão. 4.1 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DE UM BLOQUEADOR COM VARREDURA Inicialmente, foi elaborada a montagem do diagrama em blocos de um dispositivo bloqueador com varredura. A FIG. 4.1 apresenta a composição do dispositivo bloqueador, que tem estrutura semelhante à mostrada na FIG

53 FIG. 4.1: Diagrama em blocos do dispositivo bloqueador, em Simulink. O diagrama em blocos do dispositivo bloqueador possui quatro osciloscópios e um analisador de espectro que permitem a vericação do sinal na saída de cada um dos módulos. Estes recursos são disponibilizados pelo Simulink no Matlab. A FIG. 4.2 apresenta o ruído branco gerado pelo Bloco Gerador de Ruído, visto através do Osciloscópio 1. FIG. 4.2: Ruído branco gerado [Amplitude (V) Tempo (s)] no Simulink. 52

54 A FIG. 4.3 apresenta a onda quadrada gerada pelo Bloco Gerador de Onda Quadrada vista através do Osciloscópio 2. FIG. 4.3: Onda quadrada gerada [Amplitude (V) Tempo (s)] no Simulink. A FIG. 4.4 apresenta a onda triangular vista através do Osciloscópio 3, que foi obtida pela integração da onda quadrada feita pelo Bloco Integrador. FIG. 4.4: Onda triangular gerada [Amplitude (V) Tempo (s)] no Simulink. 53

55 A FIG. 4.5 apresenta o sinal de ruído branco somado à onda triangular. Este somatório é feito pelo Bloco Somador. A represenção gráca dessa operação é vista no Osciloscópio 4. FIG. 4.5: Operação de soma do ruído branco e a onda triangular [Amplitude (V) Tempo (s)] no Simulink. O saída do Somador é conectada ao VCO para geração da banda de freqüências com o ruído branco inserido. A FIG. 4.6 apresenta a saída do VCO correspondente, no domínio espectral. 54

56 FIG. 4.6: Sinal na saída do VCO SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DO SISTEMA DE TELEFONIA MÓVEL CDMA (IS-95) Após a realização de uma pesquisa na biblioteca do Simulink, foi encontrado um diagrama em blocos do canal direto de tráfego do CDMA, modelo ponto-a-ponto, de acordo com a norma IS-95A. A FIG. 4.7 apresenta o diagrama encontrado. 55

57 FIG. 4.7: Canal direto de tráfego, modelo ponto-a-ponto, IS-95A, CDMA. O modelo acima é classicado como ponto-a-ponto, pois possui, de forma abrangente, os circuitos que compõem a geração do sinal, o meio de transmissão e os circuitos que compõem a recepção do sinal. A geração do sinal é composta pelos blocos: Data Source (Fonte de Dados); IS-95A CRC Generator (Gerador do Código de Redundância Cíclica); IS-95A Fwd Ch Convolutional Encoder (Codicador Convolucional do Canal Direto); IS-95A Fwc Ch Repeater (Repetidor do Canal Direto); IS-95A Fwd Ch Interleaver (Entrelaçador do Canal Direto); IS-95A Fwd Ch Scrambler (Embaralhador do Canal Direto); Combine with Sync e Paging, SS Modulate (Combinação com o Sincronismo e Paging - Modulação Seqüência Direta); e Transmit Filter (Filtro de Transmissão). Na geração do sinal são incluídos dois Analisadores de Espectro: Signal before spreading (Sinal antes do espalhamento); e Spread spectrum signal (Sinal com espalhamento espectral). O meio de transmissão é composto pelo bloco Rayleigh Multipath and AWGN Channel (Canal AWGN - ruído branco gaussiano aditivo, e sujeito a multipercursos, com distribuição Rayleigh); e por um Analisador de Espectro Filtered spread spectrum signal (Sinal com espalhamento espectral ltrado). 56

58 A recepção do sinal é composta por: Receive Filter (Filtro de Recepção); IS-95A Fwd Ch Detector (Detector do Canal Direto) e os seus circuitos de apoio para recuperação do sinal; IS-95A Fwd Ch Deinterleaver (Desentrelaçador do Canal Direto); IS-95A Fwd Ch Derepeater, (Módulo que retira a repetição do Canal Direto); IS-95A Fwd Ch Viterbi Decoder (Decodicador de Viterbi do Canal Direto); IS-95A Fwd Ch Frame Quality Detector (Detector de Qualidade do Quadro do Canal Direto) e os módulos de medição da taxa de erro de bit e de quadro com seus respectivos mostradores. 4.2 AVALIAÇÃO COMPUTACIONAL DO EFEITO DO BLOQUEADOR NO SIS- TEMA DE TELEFONIA MÓVEL CDMA (IS-95) O objetivo da simulação é inserir o sinal gerado pelo dispositivo bloqueador dentro do meio de transmissão do canal CDMA e vericar o resultado da interferência nos módulos de medição de taxa de erro de bit e de quadro. Com o intuito de vericar a eciência do bloqueio sobre o sistema CDMA, sem a presença de nenhuma fonte de perturbação a não ser a gerada pelo dispositivo bloqueador, o bloco Canal AWGN - ruído branco gaussiano aditivo, e sujeito a multipercursos, com distribuição Rayleigh foi retirado da simulação. Foi inserido no canal um Somador para a junção do sinal interferente ao sinal do sistema CDMA. A FIG. 4.8 apresenta o diagrama em blocos da simulação. 57

59 FIG. 4.8: Diagrama em blocos da simulação. Durante a realização da simulação dos blocos que compõem a geração do sinal, somente o bloco Combinação com o Sincronismo e Paging - Modulação Seqüência Direta sofreu alteração, pois através dele é possível determinar o valor da magnitude do sinal de transmissão (S) no canal. Com relação ao dispositivo bloqueador, somente o bloco VCO foi alterado, pois nele é possível denir o valor da magnitude do sinal interferente (J) RESULTADOS OBTIDOS Como citado anteriormente, é possível alterar J e S na simulação e, portanto, denir diversos valores para a relação J/S. O propósito desta simulação é vericar a partir de que ponto da relação J /S vai haver a ocorrência de bits e quadros com erro nos módulos de medição. A TAB. 4.1 apresenta os resultados da simulação para diversos valores de J, mantendo-se S constante. 58

60 TAB. 4.1: Resultados obtidos na simulação. Teste J (dbm) S (dbm) J/S (db) BER FER , , , , , , , , , ,85 0, , , ,39 0, , , ,80 0, , , ,37 0, , , ,26 0, , , ,07 0,1136 0, , ,80 0,2245 0, , ,48 0,2747 0, , ,11 0,3167 0, , ,70 0,3617 0, , ,25 0,4007 0, , ,77 0,4286 0, , ,25 0,4387 0, , ,72 0,4458 0, , ,16 0,4523 0,9643 Para valores de J /S menores que 17,85 db, o sistema não indicou a ocorrência de bits e quadros com erro. Entretanto, a partir desse valor (17,85 db), começaram a surgir valores de BER e FER nos medidores, caracterizando assim uma degradação na qualidade do sinal imposta pela presença do bloqueador. O aumento da quantidade de bits e quadros errados acompanhou diretamente o aumento da relação J/S. Uma observação interessante é que para valores muito maiores de J /S (por exemplo, J /S = 32 db), o valor da BER se aproximou de 0,5, em virtude de que os bits 0 e 1 são igualmente prováveis para a ocorrência de erros de leitura no demodulador do sistema (probabilidade de 0,5). Vale lembrar que os resultados obtidos durante as simulações não podem ser considerados como absolutos, pois a ferramenta Simulink apresenta um comportamento estatístico durante a realização das simulações e, com isso, uma pequena diferença pode ser observada nos resultados em função da variação da duração das simulações (contador do próprio Simulink, que não apresentou analogia com o tempo (s) durante as simulações). Para possibilitar uma maior linearidade nos resultados apresentados, a duração de cada evento de simulação foi a mesma (T = 0,620), indicada pelo contador do Simulink. Uma 59

61 outra consideração se refere à totalização de bits e quadros transmitidos em cada simulação, pois também foi o mesma em todos os eventos realizados (o total de bits em cada simulação foi de 4816 e o total de quadros em cada simulação foi de 28). A FIG. 4.9 apresenta o gráco da variação da BER em função da relação J/S, conforme os dados da TAB FIG. 4.9: BER em função de J /S. 60

62 5 IMPLEMENTAÇÃO E TESTES PRÁTICOS Este trabalho teve como uma de suas propostas a implementação de um dispositivo bloqueador que opera seguindo o conceito de CME do tipo bloqueio com varredura. Essa implementação possibilitou a condição de se avaliar os resultados da geração de interferência na faixa de 900 MHz, especicamente sobre o sistema de telefonia móvel CDMA. 5.1 IMPLEMENTAÇÃO DE UM DISPOSITIVO BLOQUEADOR COM VARREDURA COMPOSIÇÃO E TOPOLOGIA A FIG. 5.1 apresenta a topologia do dispositivo bloqueador implementado, para inserção de ruído em uma única banda de freqüências. FIG. 5.1: Diagrama em blocos do dispositivo bloqueador implementado. A função dos módulos que compõem o dispositivo implementado é a seguinte: Gerador de Ruído Tem como nalidade gerar o ruído aleatório que é inserido no espectro para causar a interferência requerida. Controlador do nível DC Tem como nalidade gerar um nível DC, para que seja possível o estabelecimento de um nível quiescente sobre o qual será adicionado o ruído e outros sinais. 61

63 Gerador de Sinal de Varredura Tem como função gerar um sinal com a forma de onda triangular, para que seja produzido o efeito da varredura em freqüência. Somador Tem como função somar os sinais de ruído, varredura e o nível DC. VCO O módulo Oscilador Controlado à Tensão é responsável por gerar um sinal de RF a partir de um sinal DC (ou de baixa freqüência) em sua entrada. A FIG. 5.2 representa gracamente a freqüência de saída de um VCO em função de sua tensão de entrada. FIG. 5.2: Freqüência Tensão em um VCO. Amplicador Tem como função amplicar o sinal do bloqueador para um nível de potência que seja suciente para efetuar o bloqueio. Antena Sua nalidade é irradiar para o espaço livre a energia eletromagnética gerada pelo dispositivo bloqueador. Os módulos Gerador de Ruído, Controlador do Nível DC, Gerador de Sinal de Varredura e Somador são circuitos de baixa freqüência. Os módulos VCO, Amplicador e Antena são circuitos de alta freqüência. O Sistema de Controle não faz parte da classicação acima, pois apenas fornece a possibilidade de gerenciar as características de operação do dispositivo bloqueador. Essa possibilidade de adequar cada um dos sinais gerados pelos módulos Gerador de Ruído, Controlador do Nível DC e Gerador de Sinal de Varredura, pode ser feita simplesmente com um potenciômetro em série na saída de cada um desses módulos. 62

64 No Gerador de Ruído, o potenciômetro variável tem como função variar a amplitude do sinal de ruído aleatório, conforme a necessidade em questão. No Controlador do Nível DC, o potenciômetro tem a função de controlar a excursão do sinal interferente. Cada valor DC de saída desse circuito, corresponde a uma freqüência central do sinal gerado pelo dispositivo bloqueador. Qualquer alteração desse valor de saída, a faixa de freqüências do sinal interferente se desloca pela banda de operação possível do VCO. No Gerador de Sinal de Varredura, o potenciômetro tem como nalidade possibilitar a variação da amplitude da onda triangular. Quanto maior for esse valor, maior será a banda de operação do dispositivo bloqueador. A largura de banda do sinal gerado pelo dispositivo é importante, pois torna o mesmo bastante seletivo ou abrangente na ação. Uma abordagem mais especíca sobre os módulos Gerador de Sinal de Varredura e Somador é apresentada no Apêndice, nos subitens e 8.1.2, respectivamente. Com relação aos circuitos de alta freqüência é feita uma abordagem sucinta sobre VCO no subitem do Apêndice. Os demais módulos que compuseram os circuitos de alta freqüência (Amplicador e Antena) neste trabalho foram obtidos no laboratório de Microondas do IME PROJETO DOS MÓDULOS DO BLOQUEADOR Inicialmente, para produzir o sinal de ruído, foi utilizado um diodo Zener (1N5235), inversamente polarizado, como um estabilizador de tensão. O diodo Zener é um diodo semicondutor projetado para trabalhar na região de polarização reversa máxima, chamada de região Zener. Para que o efeito Zener ocorra, deve-se ter uma junção P-N abrupta com concentrações de dopantes elevadas em cada lado da junção. Com a tensão reversa muito alta, os portadores minoritários de cada lado da junção podem ser acelerados e adquirir energia suciente para gerar pares extras através de colisões com a rede cristalina. Os novos pares podem gerar outros pares, numa reação em cadeia, chamada de Efeito de Avalanche, a partir de um determinado valor de tensão (Tensão de Zener - V Z ). Com essa geração de portadores minoritários pela junção, surge um ruído de natureza quântica, que possui características de um ruído branco. Após a geração do ruído através do diodo Zener, foi necessário fazer a amplicação desse ruído e essa amplicação foi realizada em dois estágios. O primeiro estágio de amplicação foi implementado com um transistor (2N Phillips). No segundo estágio de amplicação, foi utilizado um amplicador operacional (LM386 - ON Semicinductor), 63

65 que possibilitou uma amplitude máxima de 1 Vpp de ruído, valor considerado suciente para realização do projeto. A FIG. 5.3 apresenta o esquemático do Gerador de Ruído. FIG. 5.3: Esquemático do Gerador de Ruído implementado e estágios de amplicação. O aspecto do ruído gerado por esse módulo é apresentado na FIG FIG. 5.4: Ruído branco gerado observado em um osciloscópio. Depois da geração do ruído, foi implementado o Gerador de Sinal de Varredura. O circuito foi construído com o uso do CI LM324, que possui um banco de quatro amplicadores operacionais. O Gerador de Sinal de Varredura é constituído por dois estágios: 64

66 um Gerador de Onda Quadrada e um Integrador. A FIG. 5.5 apresenta o esquemático do Gerador de Onda Quadrada. FIG. 5.5: Gerador de Onda Quadrada implementado. Inserindo os valores dos componentes do Gerador de Onda Quadrada na EQ. 8.1 do Apêndice, o valor do período da onda quadrada é de 1, s e, consequentemente, a sua freqüência está em torno 5,6 khz. Esses valores coincidem com os encontrados nas medições feitas no Gerador de Onda Quadrada implementado. Foi realizada também a medição do valor de amplitude da onda quadrada, cujo valor encontrado foi de aproximadamente 9,8 Vpp. A FIG. 5.6 apresenta a onda quadrada gerada. 65

67 FIG. 5.6: Forma de onda quadrada gerada observada em um osciloscópio. O outro estágio é o Integrador, que fornece em sua saída uma onda triangular. O esquemático do Integrador utilizado no projeto é apresentado na FIG FIG. 5.7: Integrador implementado. Utilizando a EQ. 8.2 do Apêndice, o valor da amplitude da onda triangular é de aproximadamente 9,0 V pp, valor este que também foi encontrado na leitura no Integrador implementado. O valor da freqüência da onda triangular é o mesmo da onda quadrada, em torno de 5,6 khz. A gura 5.8 apresenta a onda triangular gerada. 66

68 FIG. 5.8: Forma de onda triangular gerada observada em um osciloscópio. Antes de somar o sinal de ruído e de onda triangular, foi implementado o Controlador do Nível DC. O circuito implementado é apresentado na FIG FIG. 5.9: Controlador do Nível DC implementado. Depois da obtenção do sinal de ruído (V1 ), do nível DC (V2) e da onda triangular (V3 ), esses sinais foram somados através de um Somador Não Inversor, cujo esquemático é apresentado na FIG

69 FIG. 5.10: Somador implementado. O sinal na saída desse circuito é apresentado na FIG FIG. 5.11: Forma de onda na saída do Somador. Conforme a EQ. 8.8 do Apêndice, o valor de saída é de aproximadamente de 8,6 VDC. Esse valor foi também encontrado nas medições na saída do Somador. 68

70 5.1.3 IMPLEMENTAÇÃO DO BLOQUEADOR Os circuitos citados na Seção 5.1 foram montados em uma única placa, de forma a possibilitar a interligação dos mesmos nas menores dimensões possíveis. A FIG apresenta a placa implementada, de dimensões nais (não otimizadas) de 8 x 7.4 cm 2. FIG. 5.12: Placa implementada com os circuitos do bloqueador (até o somador, inclusive). O sinal gerado por essa placa é composto de uma onda triangular com o ruído e o nível DC inserido à mesma. Esse sinal é entregue a um VCO, para possibilitar a geração de um sinal de RF em sua saída. O VCO utilizado na implementação foi o JTOS-1025, fabricado pela Mini-Circuits. A TAB. 5.1 apresenta algumas especicações técnicas desse dispositivo. TAB. 5.1: Especicações técnicas do VCO JTOS-1025 (MINI-CIRCUITS, 2001). Faixa de operação Potência de saída Voltagem de sintonia Sensibilidade à variação de voltagem de sintonia Tensão de alimentação Corrente máxima (MHz) 8,6 (dbm) 1-16 (V) (MHz/V) 12 (V DC) 22 (ma) 69

71 Para funcionamento do VCO, foi necessária a elaboração de uma placa, seguindo as orientações contidas em MINI-CIRCUITS (2001). A placa implementada é apresentada na FIG. 5.13, de dimensões nais (não otimizadas) de 5 x 4,3 cm 2. FIG. 5.13: Placa do VCO implementada. O custo de implementação dessas duas placas (Figuras 5.12 e 5.13) foi de aproximadamente R$ 70, TESTES DO BLOQUEADOR IMPLEMENTADO Após a implementação e interligação das duas placas, foi possível vericar no espectro de saída do VCO a geração de uma banda de freqüências com o sinal de ruído inserido. Esta condição é apresentada na FIG

72 FIG. 5.14: Banda de freqüências gerada observada no osciloscópio Os resultados práticos do dispositivo bloqueador implementado estão citados na TAB TAB. 5.2: Resultados práticos do bloqueador implementado. Especicação Faixa máxima de operação Tipo de fonte interferente Potência de saída Tensão de alimentação Valor 590 a 973,4 MHz Ruído aleatório 8,6 dbm 12 VDC 5.3 VALIDAÇÃO DA EFETIVIDADE DO BLOQUEADOR SOBRE O SISTEMA DE TELEFONIA MÓVEL CDMA (IS-95) Com o dispositivo bloqueador implementado, foi possível realizar testes práticos, tendo como objetivo a inserção de ruído no espectro para vericação do conceito de bloqueio sobre o sistema de telefonia móvel CDMA (IS-95). 71

73 5.3.1 AMBIENTE DE REALIZAÇÃO Os testes foram realizados no laboratório de Microondas do IME e com os recursos disponíveis na ocasião. Os equipamentos e dispositivos utilizados foram os seguintes: Fonte DC (Tektronix - PS281 DC) Dispositivo bloqueador implementado VCO (Mini-Circuits - JTOS-1025) Analisador de Espectro (HP 8566 B Hz a 2,5 GHz e 2 a 22 GHz) Atenuador (HP 8491 A - 10 db) Amplicador (HP 8447 D - 25 db - 0,1 a 1300 MHz) Antena omni-direcional Cabos e conectores O arranjo desses dispositivos, para realização dos testes de interferência está ilustrado na FIG FIG. 5.15: Arranjo para realização dos testes. Cumpre acrescentar as seguintes considerações técnicas sobre o amplicador e a antena que foram utilizados nos testes: 72