ELE-31 Principios de Telecomunicações
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1 ELE-31 Principios de Telecomunicações Prof. Manish Sharma August 3, Introdução 1.1 Elementos de um sistema de comunicação Os objetivos de um sistema de comunicações são: Transferir informação de um tempo/espaço para outro Fazer isso de forma eficiente e correta Superficialmente, definimos informação como o que não sabemos sobre a realização de uma variável aleatória Não nos importamos com o conteúdo da informação: somente com o seu formato Isto quer dizer que não é relevante o resultado de um jogo de futebol, mas somente a forma de descrever e transmitir as possibilidades de resultado de forma eficiente. Informação é representada por mensagens que possuem alguma grandeza física: som, temperatura, tensão ou carga elétrica, etc.. A transferência é feita através de um canal de comunicação A mensagem deve ser convertida para algo que possa ser eficientemente transmitido através do canal e posteriormente recuperada para utilização Dadas estas necessidades, um sistema de comunicação ponto a ponto simples teria o seguinte diagrama de blocos genérico: Fonte Transdutor de entrada Processamento Transmissor Canal Ruido Distorção Interferência Destino Transdutor de saída Processamento 1
2 Neste diagrama de blocos temos: Uma fonte da mensagem Um transdutor de entrada, que converte a mensagem no seu estado natural em algo que pode ser processado pelo sistema Uma etapa de processamento para converter a mensagem traduzida em algo que possa ser eficientemente transmitido pelo canal Um transmissor propriamente dito, que transfere os sinais para um canal Um canal de comunicação que leva o sinal transmitido do transmissor para o receptor. Os canais podem adicionar ruído, distorcer o sinal ou causar interferência. 1 Um receptor que capta os sinais do canal Uma etapa que processa os sinais do canal e os prepara para o transdutor de saída Um transtudor de saída, que converte os sinais do sistema em algo que pode ser utilizado pelo destino Um destino para a mensagem Outras topologias são possíveis: duplex, broadcast, multiponto Exemplos: Wi-fi, bluetooth, rádio AM, FM, TV digital, ANT+ Reuters utilizou pombos para transmitir informação de Bruxelas para Aachen Hierogligos egípcios Armazenamento eletrônico, celular Atualmente a melhor forma de realizar o processamento necessário para transmitir informação é a forma elétrica/eletrônica, analógica ou digital As vantages são a facilidade de uso, o custo e a velocidade de processamento. Canais muito utilizados: Eletromagnéticos: Rádio (a faixa de frequências utilizadas é a variável) Laser Infravermelho Sonoros Elétricos Canais de rádio são preciosos: Frequências baixas são desejáveis pois tem alcance maiores Frequências altas tem antenas menores Circuitos para frequências altas devem ser projetados cuidadosamente O espectro eletromagnético é único e compartilhado. Existe regulamentação para o uso do espectro eletromagnetico (vide figura no final do capítulo). Utilizamos moduladores e demoduladores para poder utilizar uma faixa específica de frequências. Vantagens em potencial de modulação: 1 A interferência difere do ruído pois há uma inteligência na primeira, enquanto que o segundo é puramente aleatório. 2
3 Escolha da banda de transmissão Escolha da frequência de transmissão. Transmitir o sinal em frequência/banda diferente da mensagem. Melhora de desempenho (relação sinal/ruído) Permite que vários usuários utilizem o mesmo canal ao mesmo tempo Permite a transmissão de muita informação em uma pequena faixa de frequência, dentro de alguns limites teóricos 1.2 Tipos de Modulação Uma senoide não modulada é o sinal que ocupa a menor banda. Uma senoide modulada ocupará banda necessariamente maior. Genericamente, um sinal senoidal modulado pode ser descrito através da seguinte equação: s(t) = A(t) cos [2πf(t) t + φ(t)] (1) O tipo de modulação depende de qual grandeza da senoide depende da informação: Modulação em amplitude (AM) se a informação está em A(t) Modulação em frequência (FM) se a informação está em f(t) Modulação em fase (PM) se a informação está em φ(t) Alternativamente, podemos transmitir informação em uma sequência de pulsos, descrita pela equação a seguir: s(t) = k + ( ) t τn A[n]p (2) T n n onde k é uma constante qualquer e p(t) é um pulso qualquer, não necessariamente retangular. A escolha apropriada de τ n e T n permite deslocar o pulso no tempo e escalona-lo. Analogamente, teríamos as seguintes modulações: Modulação em amplitude de pulso (PAM) se a informação está em A[n] Modulação em largura de pulso (PWM) se a informação está em T n Modulação em posição do pulso (PPM) se a informação está em τ n 1.3 Requisitos para processamento digital Para processarmos de forma fácil, utilizamos computadores Os sinais a serem transmitidos devem ser digitalizados para podermos processa-los A digitalização envolve dois parâmetros: Taxa de amostragem depende do sinal a ser representado Número de bits por amostra limita a precisão da representação de cada amostra O produto (Taxa de amostrage Número de bits por amostra) resulta na taxa de bits. Se muito alta, exigirá mais do nosso processador. Se muito baixa, distorcerá a mensagem ao ponto de torna-la inútil 3
4 1.4 Limites teóricos de comunicação Para transmitir informação, gastamos uma certa quantidade de energia. Entretanto, o canal normalmente adiciona ruído. Nestas condições, há um limite de quanta informação podemos transmitir de forma confiável através de um canal ruidoso. Este limite foi dado por Claude Shannon: onde: [ C = B log 1 + S ] N C é a capacidade do canal, em bits por segundo B é a banda de transmissão utilizada S é a potência do sinal que transmitimos N é a potência do ruído presente na recepção Qualquer taxa de transmissão de bits deve ser menor do que C para que a transmissão seja confiável, isto é, com quase nenhum erro. As consequências desta equação são: Devemos representar a informação de forma mais eficiente possível para transmitir o menor quantidade de bits: codificar a fonte Devemos transmitir a informação através do canal de forma que seja possível recupera-la corretamente na recepção, mesmo na presença de ruído: código de canal Finalmente, chegamos em um diagrama de blocos mais detalhado para um sistema de comunicação simples: (3) Fonte Transdutor Amostrador Conversor A/D Codificador de fonte Codificador de canal Transmissor Modulador Canal Destino Transdutor Filtro Convesor D/A Decodificador de fonte Mapeamento Demapeamento Decodificador de canal 2 Curso O curso vai apresentar em detalhes as modulações analógicas AM, FM e PM e brevemente as modulações de pulsos. Para permitir os tratamentos matemáticos necessários, desenvolvemos primeiramente algumas ferramentas para análise em frequência. 4
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Modulação por Pulsos
Modulação por Pulsos Propriedades Amostragem de sinais Modulação por amplitude de pulso (PAM) Modulação por pulso codificado (PCM) Modulação por largura de pulso (PWM) Modulação por posição de pulso (PPM)
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