04/03/2013. Transmissão de dados. Transmissão por rádio Frequência
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- Diego Canário das Neves
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1 Transmissão de dados Transmissão por rádio Frequência 1
2 Fundamentos de Rádio freqüência Toda a transmissão e recepção de sinais no mundo wireless se baseia em Rádio Freqüência (RF). Esses sinais são então irradiados no ar livre na forma de ondas de rádio e se propagam em linha retaeemtodasasdireções. Radio freqüência RF são correntes alternadas de alta freqüência que passa através de condutores de cobre e, então são irradiadas pelo ar através das antenas. As antenas transferem a energia do sinal do cabo para o espaço na forma de ondas e viceversa. Fundamentos de Rádio freqüência Você pode imaginar essas ondas como círculos concêntricos que vão aumentando seu raio a medida que se afastam da antena. Como as ondas formadas por uma pedraemumlago. 2
3 Onda eletromagnética(senoidal) Entender Fases de uma onda antes do PSK. Comprimento de onda Velocidade na luz no vácuo = 3x10 8 = km/s Comprimento = espaço percorrido em determinado período. E = v.t 3
4 Comprimento de onda Comprimento = km/s Freqüência 2 GHz = Km/s = 0,00015km = 15 cm HZ 5 GHz = Km/s = 0,00006km = 6 cm HZ Transmissão da informação Fonte de Ruído Externo Fonte de Informação Transdutor Transmissor Modulador Distorção Atenuação Ruído Interno Receptor Demodulador Transdutor Destino Canal de Transmissão Mensagem Sinal de Entrada Sinal Transmitido Sinal Recebido Sinal de Saída Mensagem Transmissão da informação Definições Fonte de Informações É a origem das informações a serem transmitidas. Estas informações podem ser de natureza não elétrica (voz humana, por exemplo), devendo ser convertidas em sinais elétricos correspondentes. Mensagem É a forma pela qual a fonte de informação fornece os dados a serem transmitidos. Transdutor É um conversor que transforma a mensagem em um sinal elétrico adequado (sinal de entrada) para ser manipulado no transmissor. Na recepção ocorre o processo inverso. 4
5 Transmissão da informação Definições Transmissor É um sistema que trata o sinal de entrada (sinal em banda base), tornando-o adequado para ser transmitido no canal. O sinal transmitido pode ser em banda básica (baseband) ou banda larga (broadband), ou seja sem ou com modulação respectivamente; Receptor É um Sistema que processa o sinal recebido e procura recuperar o sinal transmitido originalmente (demodulando ou não), cancelando os efeitos gerados pelo transmissor e pelo canal. Canal de Transmissão É o meio de transmissão, ou seja, é a mídia onde trafegará as informações a serem transmitidas. Atenuação É a redução de potência do sinal enviado em função das perdas por radiação e geração de calor que ocorrem no processo de transmissão; Transmissão da informação Definições Distorção São alterações sofridas pelo sinal transmitido, que são introduzidas pelo próprio canal de transmissão. Um exemplo seria a distorção na transmissão de uma onda quadrada ocasionada pelas diferentes atenuações em cada uma de suas componentes em freqüência. Fonte de Ruído Externo O ruído externo é um sinal gerado fora do canal de transmissão que, por algum tipo de interferência elétrica aleatória gera alteração no sinal transmitido. Como exemplo seriam as descargas elétricas atmosféricas, radiações solares e linhas de transmissão de alta tensão. Ruído Interno Também de origem aleatória são ruídos originados pela movimentação dos elétrons nos materiais condutores e recombinações de portadores que ocorrem em dispositivos eletrônicos. Transmissão da informação Definições Relação Sinal Ruído (S/N Signal to noise Ratio) É definida como a relação entre a potência do sinal recebido e a potência do ruído incorporado na transmissão. Assim: S PS = N PN Onde: Ps Potência do sinal transmitido [watts] Pn Potência do ruído [watts]. db decibel (unidade de potência relativa) log logaritmo base 10. É muito comum em transmissão de sinais expressar a relação sinal ruído em uma unidade chamada de decibel (db). Assim a S/N e definida é calculada pela relação: S N db P = 10 log P S N Onde: db decibel (unidade de potência relativa) log logaritmo base 10. 5
6 Composição de um sinal periódico: Série de Fourier Um sinal periódico qualquer pode ser decomposto em uma somatória de sinais senoidais e cossenoidais com freqüências múltiplas inteiras da freqüência fundamental f, cada uma com uma determinada amplitude A e uma determinada fase ϕ, mais uma componente continua (de freqüência zero). Esta somatória é a chamada Série de Fourier. Composição de um sinal periódico: Série de Fourier Exemplo de composição de uma onda quadrada através da somatória de 6 harmônicas; Harmônicas Sinal resultante Simulação fourier 6
7 Teorema de nyquist Este teorema define a relação entre a largura de banda do hardware e a taxa máxima teórica em que os dados podem ser enviados. Largura de banda do hardware e a transmissão de bits Também conhecido por teorema da amostragem, define que a quantidade mínima de amostras que devem ser obtidas de um sinal contínuo a ser amostrado deve ser duas vezes a maior freqüência deste sinal, a fim de ser possível sua recuperação. Isto significa que se for usada uma freqüência de amostragem de 8000 Hz consegue-se ter toda a informação de um sinal que tenha largura de banda 4000 Hz. Teorema de nyquist Amostragem A conversão do sinal analógico para o digital é realizada por uma seqüência de amostras da variação de voltagem do sinal original. Cada amostra é arredondada para o número mais próximo da escala usada e depois convertida em um número digital binário (formado por "uns" e "zeros") para ser armazenado. Teorema de nyquist Taxa de amostragem As amostras são medidas em intervalos fixos. O números de vezes em que se realiza a amostragem em uma unidade de tempo é a taxa de amostragem, geralmente medida em Hertz. 7
8 Teorema de nyquist Teorema de nyquist Quanto maior a amostragem taxa, melhor a representação da onda analógica original e o melhor a qualidade do sinal. 8
9 Amostragem Processo que consiste em coletar amostras de um sinal em intervalos regulares do tempo para o que o mesmo possa ser digitalizado. Teorema da Amostragem ou critério de Nyquist. Para que um sinal amostrado possa ser reconstituído, a taxa de amostragem deve ser no mínimo duas vezes a mais alta freqüência do sinal original. Teorema de Shannon Estabelece um limite na taxa em que os dados podem ser enviados na presença de ruído. Um canal de transmissão sempre introduz ruído, distorção e atenuação no sinal transmitido, estes efeitos dependem das características físicas do meio e não são homogêneos em todas as componentes do sinal descritas pela Série de Fourier, distorcendo assim o sinal original; Capacidade de Transmissão: Lei de Shannon Define-se Largura de Banda (W) de um canal, a diferença entre a maior e a menor freqüências (em hertz) as quais não sofrem atenuação expressiva durante a transmissão; A Capacidade (C) ou Taxa de Transmissão de um canal é dada pela quantidade máxima de informações transmitidas em um determinado período (dada em bits por segundo); C = W log ( S ) N Onde: C Capacidade máxima do canal (em bits por segundo bps) S/N Relação sinal ruído W Largura de banda do sinal a ser transmitido (em hertz) log 2 logaritmo base 2. 9
10 Importância para comunicação de dados Teorema Nyquist Incentiva a exploração de maneiras de codificar bits em um sinal permitindo que mais bits sejam transmitidos na mesma unidade de tempo Teorema Shannon Informa que não há codificação que supere as leis da física, colocando limite fundamental ao numero de bits por segundo que podem ser transmitidos. Transmissão de sinais a de longas distâncias A corrente elétrica se torna mais fraca enquanto viaja no meio. Estefenômenoénomeado perdadesinal Ocorreporquearesistênciadofiofazcomque pequenas quantidades de energia elétrica sejam convertidas em calor. Transmissão de sinais a de longas distâncias A perda de sinal é importante para sistemas de comunicação, pois significa que mudanças simples na tensão elétrica, como as usadas pelo RS-232, não bastarão para uma comunicação de longa distância. 10
11 Transmissão de sinais a de longas distâncias Nos sistemas de longa distância a transmissão é realizada através de um sinal oscilatório contínuo, geralmente uma onda senoidal, chamada portadora. Modulação por Código de Pulso - PCM Método de conversão de sinais analógicos em digitais muito utilizado em sistemas telefônicos. Etapas fundamentais na geração do sinal modulado PCM: 1.Amostragem 2.Quantização 3.Codificação Modulação por Código de Pulso - PCM 1. AMOSTRAGEM Coleta de amostras do sinal analógico em intervalos regulares do tempo. 11
12 Modulação por Código de Pulso - PCM 2. QUANTIZAÇÃO Ajuste dos valores amostrados para níveis de valores previamente definidos Modulação por Código de Pulso - PCM 3. CODIFICAÇÃO Ajuste dos valores amostrados para níveis de valores previamente definidos a b c d e -25 f -75 g -50 h i j k l m n o Modulação por Código de Pulso - PCM 3. CODIFICAÇÃO Ajuste dos valores amostrados para níveis de valores previamente definidos. a) f) k) b) g) l) c) h) m) d) i) n) e) j) o)
13 Capacidade de Transmissão: Lei de Shannon Um canal de transmissão sempre introduz ruído, distorção e atenuação no sinal transmitido, estes efeitos dependem das características físicas do meio e não são homogêneos em todas as componentes do sinal descritas pela Série de Fourier, distorcendo assim o sinal original; Define-se Largura de Banda (W) de um canal a diferença entre a maior e a menor freqüências (em hertz) as quais não sofrem atenuação expressiva durante a transmissão; A Capacidade (C) ou Taxa de Transmissão de um canal é dada pela quantidade máxima de informações transmitidas em um determinado período (dada em bits por segundo); É possível demonstrar que um canal de transmissão tem uma capacidade máxima de transmissão limitada, que dependerá da largura de banda do canal e do ruído inserido pelo próprio canal durante a transmissão. Assim, Claude Shannon (1949) elaborou uma lei que define esta capacidade: Onde: C Capacidade máxima do canal (em bits por segundo bps) C = W log ( S ) N S/N Relação sinal ruído W Largura de banda do sinal a ser transmitido (em hertz) log 2 logaritmo base 2. Capacidade de Transmissão: Lei de Shannon Exemplo: Para uma linha telefônica convencional, os valores típicos encontrados são: Largura de banda do canal de aproximadamente 3000 Hertz (3400 Hz 300 Hz) Relação sinal ruído de 1000, ou seja, a potência do sinal é 1000 vezes maior que a potência do ruído inserido na transmissão (10 log1000 = 30 db); Aplicando-se a Lei de Shannon: C = W log ( S ) N C = 3000 log 2 + C = C bps ( ) = Valor teórico máximo de Capacidade ou Taxa de transmissão Espectro eletromagnético 13
14 Banda ISM Termos comuns Wi-Fi (Wireless Fidelity) Faz referência às redes sem fio utilizando a tecnologia IEEE Banda de transmissão - É uma medida da "velocidade do sinal" ou a largura do espectro do sinal. Freqüência Número de vezes em que um fenômeno ocorre por unidade de tempo. Modulação - Alteração sistemática de uma onda Portadora Onda de alta freqüência que carrega um sinal de informação através de um meio. Sistema de comunicação Compõem-se de três partes: A informação (banda base) O meio: ar, espaços, fios, etc... A portadora: luz, sinal de microondas, sinal elétrico. Transmissor modulação Receptor demodulação 14
15 Aspectos que podem ser mudados na onda portadora Tipos de modulação Modulação ASK (Amplitude Shift Keying) modulação por deslocamento de amplitude 15
16 Modulação FSK ( Frequency shift keying) modulação digital por desvio de freqüência Modulação digital PSK(phase shift keying) modulação digital por desvio de fase Radio freqüência relação sinal/ruído Relação sinal-ruído descreve a potência do sinal comparada com a potência do ruído de fundo. 16
17 FHSS Frequency hopping spread spectrun FHSS é uma técnica que usa a agilidade de freqüência para espalhar os dados; Essa agilidade pode ser entendida como a mudança repentina da freqüência de transmissão dentro da faixa de RF utilizável. A portadora muda a freqüência de acordo com uma seqüência pseudo-randômica FHSS Frequency hopping spread spectrun Canais em FHSS Mudança de freqüência permite mais de um Rádio transmitindo ao mesmo tempo em hop s diferentes. Domínio regulador USA (FCC) Canais permitidos: 2 a 79 (2402 a 2479 GHz) Tamanho da sequencia de hop 26 17
18 DSSS Direct sequence spread spectrum È a técnica mais usada hoje em dia; Transmite através de chipping code; Exemplo dos bits 1001 Para bit 1: Para bit 0: Dado a ser transmitido: Fontes icrowaves 18
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