Computação Móvel: Teoria da Informação e Modulação

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1 Computação Móvel: Teoria da Informação e Modulação Mauro Nacif Rocha DPI/UFV 1 Teoria da Informação Conceitos Básicos Transmissão: Informação + Sinais + Meios Físicos 2 1

2 Sinais Analógico Digital Variação contínua Variação discreta Fontes naturais e artificiais (sonoras e eletromagnéticas) Fontes artificiais (computadores) Informação digital ou analógica Sinal digital ou analógico 3 Sinal Analógico 4 2

3 Ondas Geradas a partir da movimentação de carga elétrica. 5 Ondas Transmissão Recepção 6 3

4 Antenas 7 Antenas Fonte: Wikipedia 8 4

5 Antenas 9 Ondas - Espectro 10 5

6 Ondas - Espectro Nome da frequência Frequências Comprimento de onda low frequency (LF) khz 30-1 km medium frequency (MF) kHz m high frequency (HF) 3-30 MHz m very high frequency (VHF) MHz 10-1m ultra high frequency (UHF) MHz cm super high frequency (SHF) 3-30GHz 10-1cm extremely high frequency (EHF) GHz 10-1mm Acima disso encontramos infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios-x, raios gamma e cósmicos 11 Sinal Analógico Comprimento de onda distância de propagação de 1 ciclo. = c/f, onde c = velocidade da onda Período T - tempo de um ciclo completo T = 1/f ou f = 1/T = c/f ou = ct c = 346m/s (som) c m/s ou km/s (luz) 12 6

7 Ondas Algumas bandas são nocivas Ouvido humano banda de 20 Hz a 20 khz Voz humana banda 200 a 5000 Hz Sinal de voz banda de 300 a 3400 Hz Transmissões de rádio: 30 khz a 300 GHz 13 Sinais Analógicos Sinal de rádio é uma onda de energia No vácuo, velocidade de km/s Tipos de ondas: Terrestres ou de superfície Ondas espaciais trafegam em linha reta Ondas celestiais usam ionosfera Ondas de satélite Sistemas de microondas 14 7

8 Ondas Ondas espaciais: transmissões de TV, faixa de VHF a SHF Ondas celestiais: faixa HF, e usadas para transmissões de rádio e telefonia de longa distância Microondas exploram o espectro de UHF e SHF provendo uma ampla banda, pequenos comprimentos de onda e antenas menores 15 Ondas celestiais 16 8

9 Ondas meio de propagação 17 Ondas propagação O sinal de rádio pode chegar muito distorcido ao receptor Reflexão (objetos maiores que ) Difração (bending, shadow fading) Espalhamento (scattering objetos menores que ) Refração (mudança no sentido e velocidade da onda) Dispersão (e.g. luz no prisma) Interferência 18 9

10 Ondas propagação Reflexão (objetos maiores que ) Difração (bending, shadow fading) Espalhamento (scattering objetos menores que ) 19 Ondas propagação Refração (mudança no sentido e velocidade da onda) 20 10

11 Ondas propagação Dispersão 21 Ondas propagação Interferência (difração, reflexão etc.) 22 11

12 Ondas propagação 23 Distorção de Sinais Ruídos 24 12

13 Ondas - Propagação A densidade de potência incidente num ponto remoto pode ser calculado como: Pt Pr 2 4r onde Pr é a potência recebida em watts/m², Pt é a potência transmitida em watts e r a distância em metros Por causa das grandes diferenças em densidade de potência sobre longas distâncias de propagação, particularmente nas bandas de microondas, é usual medir a densidade de potência em decibéis (db) relativos a 1 watt i.e., dbw ou 1 miliwatt i.e., 1 dbm Em freqüências abaixo da faixa de microondas, a intensidade do campo em volts/m é a unidade mais usual do que densidade de potência, em parte porque V/m tem sido usado historicamente para medir a intensidade do sinal e também porque o efeito de aquecimento térmico da absorção de potência é mais fácil de ser usado no caso das microondas 25 Desvanecimento (Multipath Fading) 26 13

14 Desvanecimento (Multipath Fading) O sinal recebido s(t) é o produto do desvanecimento de grande escala m(t) e de pequena escala r(t), portanto s(t) = m(t)r(t) 27 Decibel Ganho (db) = gdb = 10 log 10 g = 10 log 10 (P out /P in ) P out = P in g = 1 gdb = 0 db p = 0 db P out = 10 P in g = 10 gdb = 10 db p = 10 db 28 14

15 Banda Banda - intervalo entre duas freqüências Largura de Banda Diferença entre a maior e a menor freqüência Qualidade de voz Hz a 3400 Hz» Banda = = 3100 Hz 29 Banda 30 15

16 Banda Passante Banda Passante do Meio (BPM): faixa de freqüências praticamente preservada pelo meio Banda Passante Necessária de um Sinal: Largura mínima necessária na BPM para garantir uma qualidade mínima no recebimento do sinal (analógico ou digital) Qualidade de voz Hz» Maior Banda - Melhor recepção do sinal 31 Lei de Shannon Capacidade Máxima de um Canal com Ruído Térmico Capacidade máxima = B log 2 (1 + S/R) B banda em Hz S/R Sinal/Ruído Ex.: B = 3000 Hz; S/R = 1000 (30dB) Capacidade 30 kbps B = 20 MHz; S/R = 4 (6dB) Capacidade 46 Mbps 37 16

17 Equação de Friis (H. T. Friis) Relação entre potência transmitida e recebida Espaço livre, sem obstruções, com as duas antenas alinhadas e polarizadas, e impedâncias casadas Pr P t GtGr 4 R 2 P r potência recebida P t potência transmitida G r ganho da antena de recepção G t ganho da antena de transmissão comprimento de onda R distância entre Tx e Rx 38 Efeito Doppler Variação do sinal pelo deslocamento da unidade móvel. f t = freqüência transmitida (= c/). v r = velocidade relativa do transmissor em relação ao receptor. f = aumento da freqüência observada. f f v c v λ t r r 39 17

18 Modulação Modulação Digital dados transformados em sinal analógico ASK, FSK, PSK diferenças em eficiência espectral, de consumo de potência e robustez Modulação Analógica deslocar freqüência do sinal para uma portadora Motivação antenas menores (e.g., /4) Multiplexação por Divisão de Freqüência características do meio (e.g. tx rate, interferências, propagação) regulamentação Esquemas básicos Amplitude Modulation (AM) Frequency Modulation (FM) Phase Modulation (PM) 40 Modulação AM, FM e PM 41 18

19 Modulação Digital Amplitude Shift Keying (ASK): muito simples ocupa pouca banda muito susceptível a interferências t Frequency Shift Keying (FSK): requer mais banda t Phase Shift Keying (PSK): mais complexo robustez contra interferências t 42 PSK Advançado Q BPSK (Binary Phase Shift Keying): bit 0: senóide bit 1: senóide invertida baixa eficiência espectral muito robusta QPSK (Quadrature Phase Shift Keying): 2 bits codificados em cada símbolo símbolo determina deslocamento da senóide necessita menos banda comparado ao BPSK mais complexo DQPSK - Differential QPSK (IS- 136, PHS) A I Q 11 I t

20 Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Amplitude Modulation (QAM): combina modulação por amplitude e fase codificar n bits por símbolo 2 n níveis discretos, n=2 idêntico ao QPSK bit error cresce com n, mas relativamente menos erros comparado aos outros esquemas PSK Q a φ 0000 I 1000 Exemplo: 16-QAM (4 bits = 1 símbolo) used in standard 9600 bit/s modems 44 Modulação Hierárquica BPSK QPSK 8 QAM 16 QAM 32 QAM 64 QAM Q 10 I