Transmissão de Dados Por Meio da Rede Elétrica: Uma Abordagem Experimental

UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO - UFOP ESCOLA DE MINAS EM COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO CECAU Transmissão de Dados Por Meio da Rede Elétrica: Uma Abordagem Experimental MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO MÁRCIO FELICIANO BRAGA Orientador: Prof. Dr. Paulo Marcos de Barros Monteiro

MÁRCIO FELICIANO BRAGA Transmissão de Dados Por Meio da Rede Elétrica: Uma Abordagem Experimental Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção do Grau de Engenheiro de Controle e Automação Orientador: Prof. Dr. Paulo Marcos de Paulo Monteiro Ouro Preto Escola de Minas UFOP Julho/2008

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iii SUMÁRIO SUMÁRIO... iii LISTA DE FIGURAS... iv LISTA DE TABELAS... v RESUMO... vi ABSTRACT... vii I - INTRODUÇÃO... 1 1.1 - Justificativas... 1 1.2 Objetivos... 2 1.3 Metodologia... 2 1.4 Estrutura do Trabalho... 3 II MODULAÇÃO E MULTIPLEXAÇÃO... 4 2.1 Modulação... 4 2.2 Multiplexação... 13 III A TECNOLOGIA E SUAS CARACTERÍSTICAS... 19 3.1 PLC e suas características... 19 3.2 Projetos de PLC no Brasil e no Mundo... 23 IV ÁREAS DE ATUAÇÃO E EQUIPAMENTOS... 30 4.1 Modems PLC... 31 4.2 Escolha do Modem PLC... 34 V EXPERIMENTOS... 35 5.1 Parâmetros para análise... 35 5.2 Locais dos testes... 37 5.3 Configuração dos modems e computadores... 39 5.4 Resultados... 40 VI - ANÁLISE DE RESULTADOS... 52 6.1 Velocidade de transmissão de dados... 52 6.2 Presença de ruído... 52 6.3 Harmônicos... 54 VII CONCLUSÃO... 55 VIII REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 57

iv LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Modulação de onda continua em amplitude... 6 Figura 2.2 - Modulação de onda contínua em freqüência.... 8 Figura 2.3 Modulação por pulsos em amplitude... 10 Figura 2.4 Codificação de sinal digital para transmissão em meio analógico... 11 Figura 2.5 Exemplos de modulação por pulsos digital... 12 Figura 2.6 Multiplexação na freqüência... 13 Figura 2.7 Multiplexação no tempo... 14 Figura 2.8 Densidade espectral de um sinal em banda base e um sinal espalhado... 15 Figura 2.9 Diferença entre as tecnologias OFDM e FDM... 17 Figura 2.10 Divisão dos bits no tempo e na freqüência na multiplexação OFDM... 18 Figura 3.1 Forma de transmissão da tecnologia X-10... 21 Figura 3.2 Configuração típica do projeto PLC CEMIG... 25 Figura 3.3 Ligação de um cable modem a um Master PLC... 26 Figura 3.4 Arquitetura do projeto REMPLI... 28 Figura 3.5 Estrutura geral do sistema REMPLI... 29 Figura 4.1 Áreas de aplicação da tecnologia PLC... 30 Figura 4.2 Módulo PLM-24... 32 Figura 4.3 Esquema de ligação para comunicação PLC utilizando Smart Transceiver... 33 Figura 4.4 Possível aplicação para o modem INNOVUS... 34 Figura 5.1 Mapa do circuito do transformador utilizado para o teste de rede... 38 Figura 5.2 Resumo dos dados do transformador estudado... 39 Figura 5.3 Experimentos: Envio de 100 buffers... 40 Figura 5.4 Experimentos: Envio de 1000 buffers... 41 Figura 5.5 Comparativo de velocidades... 41 Figura 5.6 Espectro de freqüência no tempo (100 buffers)... 42 Figura 5.7 Espectro de freqüência indicando a amplitude dos harmônicos (100 buffers)... 42 Figura 5.8 Espectro de freqüência no tempo (1000 buffers)... 43 Figura 5.9 Espectro de freqüência indicando a amplitude dos harmônicos (1000 buffers)... 43 Figura 5.10 Experimento: envio de 100 buffers (sem ruído)... 44 Figura 5.11 Experimento: envio de 1000 buffers (sem ruído)... 44 Figura 5.12 Experimento: envio de 100 buffers (com ruído)... 45 Figura 5.13 Experimento: envio de 1000 buffers (com ruído)... 45 Figura 5.14 Experimento: envio de 100 buffers (com ruído em tomada adjacente)... 46 Figura 5.15 Experimento: envio de 1000 buffers (com ruído)... 46 Figura 5.16 Comparativo entre velocidades e tamanho das mensagens (sem ruído)... 47 Figura 5.17 Comparativo entre velocidades e tamanho das mensagens (com ruído)... 47 Figura 5.18 Comparativo das velocidades de transmissão na presença de ruído na mesma tomada (100 buffers)... 48 Figura 5.19 Comparativo das velocidades de transmissão na presença de ruído na mesma tomada (1000 buffers)... 48 Figura 5.20 Comparativo das velocidades de transmissão na presença de ruído em uma tomada adjacente (100 buffers)... 49 Figura 5.21 Comparativo das velocidades de transmissão na presença de ruído em uma tomada adjacente (1000 buffers)... 49 Figura 5.22 Velocidade de transmissão no circuito de distribuição (100 buffers)... 50 Figura 5.23 Velocidade de transmissão no circuito de distribuição (1000 buffers)... 51 Figura 5.24 Comparativo das velocidades de transmissão com tamanho das mensagens... 51

v LISTA DE TABELAS Tabela 6.1 Medidas das taxas de transmissão entre os Modems PLC na Residência... 53 Tabela 6.2 Medidas das taxas de transmissão entre os Modems PLC no Laboratório de Eletrotécnica da Escola de Minas... 53 Tabela 6.3 Medidas das taxas de transmissão entre os Modems PLC na Rede de Distribuição de Energia Elétrica... 54

vi RESUMO A transmissão de dados por meio da rede elétrica, embora seja uma idéia antiga, somente agora tem sido considerada como meio viável de comunicação. Então, fez-se uma análise experimental desta tecnologia, incluindo uma descrição dos principais conceitos (modulação e multiplexação), tecnologias utilizadas para a transmissão de dados por meio da rede elétrica e suas respectivas áreas de atuação, juntamente com a descrição de alguns projetos implementados no Brasil e no mundo. Uma comparação entre os modems PLC (Power Line Communication) disponíveis no mercado é efetuada e os experimentos com o modem escolhido apresentados. Esta abordagem experimental tem como objetivo analisar o comportamento do equipamento escolhido ante ao ruído das redes e a introdução de harmônicos alterando a qualidade da energia elétrica. Foram efetuados três testes em ambientes diferentes: numa residência, no Laboratório de Eletrotécnica da Escola de Minas e numa rede de distribuição de energia elétrica. Os resultados mostram que embora tenha uma taxa de transmissão razoavelmente alta, a variabilidade das velocidades pode ser um grande problema para aplicações de tempo real ou em sistemas que primem por um tempo específico e bem definido de resposta do sistema. Além disso, sua interferência, com respeito à introdução de harmônicos na rede foi irrelevante. Palavras chaves: Comunicação por meio da rede elétrica, modulação, multiplexação, modem PLC.

vii ABSTRACT The data transmission over the power line (PLC) is an old idea, but only now it has been considered as an effective way of communication. Here, an experimental analysis of this technology is presented. This includes a description of the principal concepts (e.g., modulation and multiplexation), some technologies used to exchange information over power lines and some projects implemented in Brazil and abroad. A comparison among PLC modems available in market and the experiments with the chosen one is presented. These experiments had the objective to analyze the interference of noise and the introduction of harmonics in the power lines. The tests were performed in three different environments: a residence, the Escola de Minas Electric Laboratory and a distribution power line. The obtained results show that the technology has a reasonable high transmission speed, but the speed variability can be a great problem when working with real time applications. And the introduction of harmonics in the power lines was irrelevant. Keywords: Power Line Communication, modulation, multiplexation, PLC modem.

1 CAPÍTULO I I - INTRODUÇÃO 1.1 - Justificativas Desde os anos 30, tem-se a idéia de transmitir dados por meio das redes elétricas de potência. Todavia, nunca foi considerada como meio viável de comunicação uma vez que apresentava baixa taxa de transmissão de dados e grande suscetibilidade a ruídos (VARGAS, 2004). Mesmo no atual desenvolvimento da comunicação por meio de redes sem fio e fibras óticas, ainda faz jus estudar um meio de transmissão de dados por meio das redes elétricas de potência, técnica essa conhecida como power line communication (PLC). Isto ocorre devido à capilaridade e abrangência das redes de energia elétrica, no âmbito econômico. Já na área social, pode-se citar a possibilidade de acesso aos meios de informações por parte da grande maioria da população. Além disso, mesmo com o desenvolvimento dos outros meios de comunicação, ainda haverá a necessidade de se conectar os equipamentos às fontes de energia, o que geraria uma significativa simplificação em várias aplicações que usam as redes elétricas para trafegarem dados. Para a concessionária de energia elétrica os benefícios são vários: telemetria (leitura do consumo de energia sem a necessidade do funcionário ou a necessidade de usar a rede telefônica, ou uma instalação de fios dedicada, minimizando, portanto, os custos), gerenciamento da demanda (controle do acionamento de equipamentos de alto consumo), corte e religamento a longa distância, entre outros. Pode-se citar também a possibilidade de acesso a Internet, uma vez que cogita-se a possibilidade de transmissão de dados da ordem de 500 kbps a 1 Mbps em 2007. (RIBEIRO et al, 2007). Já na automação residencial, as chamadas residências inteligentes, a tecnologia PLC pode prover um canal de comunicação entre os diversos equipamentos conectados à rede elétrica, desonerando o processo de automação, uma vez que a instalação de cabos para este fim é um dos custos mais altos no projeto. Em residências históricas, esta tecnologia satisfaria o requisito de uma menor intervenção física, reduzindo as modificações na alvenaria de tais residências simplesmente para a introdução de uma nova fiação. Pode ser usada para interligar

2 vários equipamentos como sensores de um sistema de alarme. Pode servir como canal para a criação de LAN s (Local Area Network) conectando diferentes tipos de computadores em um mesmo prédio. Outras aplicações incluem a transmissão de imagens de TV para propósitos de segurança e monitoramento a longas distâncias (FERREIRA et al, 1996). Apesar de todo esse avanço, ainda não existe uma regulação universal para a tecnologia PLC. Porém, alguns países já possuem algum tipo de regulamentação para o uso de PLC, como a banda de freqüência e radiação eletromagnética e outros países ainda não chegaram a uma conclusão sobre o assunto. No Brasil, por exemplo, são poucos os trabalhos nesta área, o que dificulta uma regulamentação efetiva sobre o assunto. Portanto, a motivação deste trabalho é entender melhor o estado da arte desta tecnologia, com suas aplicações e utilização na área de controle e automação. 1.2 Objetivos Pesquisar e desenvolver técnicas para a transmissão de dados via rede elétrica. Isto implica em conhecer os atuais métodos existentes de transmissão de dados via PLC no mercado e suas deficiências inerentes quando aplicados na estrutura das redes elétricas brasileiras e buscar aplicações para PLC na área de controle e automação, como automação residencial ou aplicações para as companhias de energia elétrica. Envolve levantar modelos das redes elétricas internas e externas que as caracterizam, implementá-los e testá-los em laboratório e, por fim, validá-los. 1.3 Metodologia Inicialmente, foi feito um levantamento bibliográfico sobre multiplexação e modulação, já que a transmissão de sinais por onda portadora em redes de distribuição de energia elétrica apóia-se nestes conceitos. Além disso, os projetos implementados por algumas empresas do setor de energia elétrica foram analisados, e suas características e deficiências apresentadas com vistas a suplantá-las. Os modems PLC existentes no mercado foram estudados e foi escolhido o modem INNOVUS Facilnet para analisar seu funcionamento em um ambiente interno, no Laboratório de

3 Eletrotécnica da Escola de Minas, em uma residência, e em um ambiente externo, uma rede de distribuição de baixa tensão, onde se procurou medir os níveis de transmissão de dados e as influências que equipamentos elétricos ligados a estes ambientes geravam no experimento. Foi utilizado um analisador de freqüências para verificar como o modem PLC interfere na rede elétrica e como os equipamentos associados à mesma alteram as taxas de transmissão de dados. Este teste teve por finalidade analisar a presença de harmônicos na rede e sua influência na qualidade da energia. Foram encontradas taxas de transmissão da ordem de 2 a 5 Mbps, no ambiente interno, e, no ambiente externo, cerca de 0,5 Mbps. 1.4 Estrutura do Trabalho Este trabalho está estruturado em sete capítulos. No capitulo 2, faz-se um levantamento dos métodos de modulação e multiplexação, nos quais se apóia a tecnologia PLC. No capítulo 3, são apresentadas as características da tecnologia, com suas deficiências inerentes, os tipos de equipamentos disponíveis no mercado e alguns projetos implementados na área por empresas brasileiras e no mundo. No capítulo 4, são apresentadas as áreas de atuação da tecnologia, os equipamentos estudados e a escolha do modem para testes. No capítulo 5, faz-se um levantamento dos parâmetros para análise dos experimentos e apresenta-se os resultados obtidos. No capitulo 6, efetua-se a análise e discussão dos resultados dos experimentos. E, finalmente, no capítulo 7 conclui-se o trabalho e apresentam-se propostas de trabalhos futuros.

4 CAPÍTULO II II MODULAÇÃO E MULTIPLEXAÇÃO Neste capítulo, será feito uma descrição dos métodos de modulação e multiplexação de sinais, os quais são fundamentos necessários para a transmissão de dados por meio da rede elétrica. Depois, faz-se um levantamento dos atuais métodos existentes de envio de dados via PLC e alguns projetos implementados com esta tecnologia. 2.1 Modulação Somente com o avanço das técnicas de modulação foi possível o desenvolvimento da tecnologia PLC. Isto porque a modulação consiste no processo de transformar um sinal em uma forma adequada para transmissão por meio de um determinado meio físico, ou canal. A modulação pode ser classificada de duas formas: Modulação de Onda Contínua e Modulação por Pulsos. 2.1.1 Modulação de Onda Contínua A modulação de onda contínua é a variação de um parâmetro de uma onda portadora senoidal, de maneira linearmente proporcional ao valor instantâneo do sinal modulante ou informação. Por sua vez, a portadora é a onda senoidal que, pela modulação de um dos seus parâmetros, permite a transposição espectral da informação (ou sinal modulante). Devido à portadora senoidal ter três parâmetros: Amplitude, Freqüência e Fase, existem três formas básicas de modulação: Modulação em Amplitude (AM), Modulação em Freqüência (FM) e Modulação em Fase (PM), sendo as últimas duas formas tratadas como modulação por ângulo. 2.1.1.1 Modulação de Onda Contínua em Amplitude (AM) Em AM - Amplitude Modulada - a força (amplitude) da portadora de um transmissor é variada conforme a modulação do sinal varia.

5 De posse destes dados, pode-se gerar uma formulação matemática para este processo, conforme apresentado pelas equações (2.1) a (2.6): Portadora: v p ( t ) = V sen ( 2π f t ) (2.1) p p Sinal modulante: v m ( t ) = V sen (2π f t ) (2.2) m m Taxa ou índice de modulação: M = V / V (M também pode ser expresso em %) (2.3) m p Onda modulada em AM: v am = [ V + v ( t)] sen(2π f t) (2.4) p m p Portanto:. v am = V [ 1+ Msen(2π f t)] sen(2π f t). (2.5) p m p Efetuando o produto de senos tem-se: v = V sen(2 π f t) + ( M / 2) V cos(2 π( f f ) t) ( M / 2) V cos(2 π ( f + f ) t). (2.6) am p p p p m p p m onde, ( M / 2) V cos(2π ( f f ) t) é a raia lateral inferior, e p p m ( M / 2) V cos(2π ( f f ) t) é a raia lateral superior. p p + m Assim sendo, uma onda AM difere da portadora pura pelo fato de conter além da portadora duas raias laterais de mesmo nível = M / 2, e com freqüências simétricas em relação à V p

6 freqüência da portadora fp, tendo a raia lateral superior freqüência de f + f e a raia lateral p m inferior f f. p m Na figura 2.1, mostra-se as formas de ondas da onda portadora, sinal a ser transmitido e sinal modulado em amplitude. 1 Onda portadora 0-1 0 200 400 600 800 1000 1200 1 Sinal a ser transmitido 0-1 0 200 400 600 800 1000 1200 5 Sinal modulado em Amplitude 0-5 0 200 400 600 800 1000 1200 Figura 2.1 Modulação de onda continua em amplitude Vantagens: Fácil de ser produzido em um transmissor; Receptores AM são simples em projeto; Simples de sintonizar em receptores ordinários. Desvantagens: Ineficiência: aproximadamente dois terços da potência de um sinal AM é concentrada na portadora, a qual não contém "inteligência". Um terço da potência está dentro das bandas laterais, as quais contém a inteligência do sinal. Considerando que as bandas laterais contem a mesma inteligência, entretanto, uma é essencialmente "desperdiçada". Da potência total de saída de

7 um transmissor AM, apenas aproximadamente um sexto é realmente produtiva, saída utilizável! Larga quantidade de espaço de freqüência que o sinal AM ocupa e sua suscetibilidade à estática e outras formas de ruído elétrico. Essas desvantagens podem ser superadas utilizando formas lineares de modulação em amplitude (Double Sideband-Suppressed Carrier DSB-SC, Single Sideband SSB, Vestigial Sideband VSB), mas que acarretam uma complexidade maior ao sistema. 2.1.1.2 Modulação de Onda Contínua por Ângulo Entende-se por modulação de onda contínua por ângulo, a variação de um dos dois parâmetros: freqüência ou fase. É importante destacar que é impossível modular uma onda em freqüência sem alterar sua fase, e vice-versa, já que a freqüência é proporcional à derivada da fase, como visto na equação (2.7). 1 f = dφ / dt 2π (2.7) Ao variar a freqüência de uma onda tem-se a chamada de Modulação em Freqüência (Frequency Modulation FM), a qual consiste em modular um sinal por meio da mudança de sua freqüência de acordo com o sinal modulado. Portanto, uma onda modulada em freqüência tem freqüência instantânea linearmente proporcional ao valor instantâneo do sinal modulante, isto significa que uma onda FM sofre desvios de freqüência. Assim, o desvio de freqüência instantâneo df (t) da onda FM é proporcional ao valor instantâneo v m (t) do sinal modulante: df ( t) = k v ( t) (2.8) f m

8 Logo, a onda FM é v ( t) = V sen[2π ( f df ( t)) t] (2.9) p p p+ Ou ainda, v ( t) = V sen[2πf ( k /(2π f )) V cos(2π f t)] (2.10) p p p f m m m A onda modulada em freqüência difere da onda portadora pelo fato de que sua fase sofre variação proporcional a integral do sinal modulante. A freqüência não modulada de um sinal FM é chamada de freqüência central. Quando um sinal modulado é aplicado, a freqüência do transmissor de FM irá ondular acima e abaixo da freqüência central conforme o sinal modulado. A quantidade de "ondulação" dentro da freqüência transmitida em qualquer direção acima ou abaixo da freqüência central é chamada de desvio. O espaço de freqüência total ocupado por um sinal de FM é o dobro de seu desvio (Figura 2.2). Figura 2.2 - Modulação de onda contínua em freqüência. (a) Onda portadora. (b) Sinal a ser transmitido. (c) sinal modulado em freqüência

9 Vantagens: Qualidade de áudio e imunidade a ruído, a maioria das formas de ruído estático e elétrico são naturalmente AM, e um receptor FM não responderá a sinais AM. Desvantagem: A quantidade de espaço de freqüência que um sinal requer. Quando o sinal modulante sofre variação em sua fase, ocorre a chamada Modulação em Fase (Phase Modulation - PM). Neste caso, a onda tem fase instantânea linearmente proporcional ao valor instantâneo do sinal modulante. Isto significa que a onda PM sofre desvios de fase diretamente. Este desvio de fase é descrito pela equação (2.11). df ( t) = k v ( t) (2.11) p m Desse modo, a onda PM é: v ( t) = V sen(2π f t df ( t)) (2.12) p p p + Portanto, a freqüência de uma onda modulada em fase é proporcional a derivada do sinal modulante. Deve-se destacar que tanto na modulação FM quanto na PM, a amplitude da onda permanece constante. Como conseqüência da utilização da modulação por ângulo tem-se que o cruzamento em zero do sinal PM ou FM perde sua regularidade no espaçamento, sendo que o cruzamento em zero é o instante de tempo em que a onda muda sua polaridade, ou seja, muda sua amplitude do positivo para o negativo e vice-versa.

10 2.1.2 Modulação por pulsos A modulação por pulsos é a forma digital de modulação. Neste caso, um trem de pulsos é usado para transmitir informação, ao contrário de uma onda senoidal. O processo de amostragem é a base para a modulação por pulsos. Este consiste em amostrarse um sinal analógico em instantes específicos de tempo produzindo uma seqüência de amostras, geralmente uniformemente espaçadas no tempo. Deve-se escolher adequadamente a taxa de amostragem de forma que a seqüência de pulsos gerada defina unicamente o sinal analógico original. Segundo o Teorema de Nyquist, essa taxa deve ser maior do que o dobro da freqüência do sinal a ser amostrado para que se possa recuperar o sinal original a partir de suas amostras. No entanto, se os sinais não possuem banda limitada, podem ocorrer sobreposições de componentes de alta freqüência sobre os de baixa freqüência (aliasing), sendo necessário o uso de filtros no processo de amostragem (os chamados filtros antialiasing). Esta modulação divide-se em duas áreas: analógica e digital. 2.1.2.1 Modulação por pulsos analógica Nesta forma de modulação utiliza-se um trem de pulsos periódico como onda portadora e varia-se alguma propriedade de cada pulso de acordo com o valor amostrado correspondente do sinal da mensagem. Estas variações nos pulsos podem ocorrer na amplitude (Figura 2.3), na duração e na posição. Embora a informação transmitida seja de forma analógica, os instantes de tempo em que isto ocorre são discretos. Figura 2.3 Modulação por pulsos em amplitude

11 Nos casos onde se deseja transmitir um sinal digital em meio analógico, emprega-se técnicas de modulação parecidas com as de modulação de onda contínua. Modulação em amplitude: se o dado for o bit 0, nenhum sinal é transmitido, por outro lado, o bit 1 é a transmissão do sinal da portadora. Modulação em freqüência: o bit 0 é transmitido como uma onda de freqüência f 1, enquanto o bit 1 uma onda de freqüência f 2. Esta forma de modulação diminui os erros, porém reduz a capacidade de transmissão do canal. Modulação em fase: o bit 0 é a transmissão da portadora e o bit 1 a mesma portadora com um deslocamento de fase em seu sinal, por exemplo, 2 π. Na figura 2.4, estes conceitos são ilustrados. Figura 2.4 Codificação de sinal digital para transmissão em meio analógico

12 2.1.2.2 Modulação por pulsos digital A mensagem, agora, é representada de tal forma que é discreta tanto na amplitude quanto no tempo. Isto permite sua transmissão de forma digital como uma seqüência de pulsos de código. A representação discreta de um conjunto de valores discretos é o código. Cada valor dentro do código é chamado símbolo. Em um código binário, por exemplo, cada símbolo pode ter um de dois valores: ausência ou presença de pulso. Existem diversos tipos de modulação por pulsos digital: unipolar sem retorno a zero (NRZ), polar sem retorno a zero (NRZ), unipolar com retorno a zero (RZ), bipolar com retorno a zero (BRZ) e Código Manchester. Na Figura 2.5 mostra-se alguns exemplos desses tipos de modulação. Figura 2.5 Exemplos de modulação por pulsos digital Este tipo codificação apresenta as seguintes vantagens: Sincronização. Uma vez que ocorre uma transição em cada período, o receptor sempre estará sincronizado com o emissor. Daí o fato desse código bifásico ser conhecido como self-clocking (relógio auto-regenerado). Sem componente DC.

13 Detecção de erro. A ausência de uma transição pode ser utilizada como forma de detectar um erro de transmissão. Além disso, é preciso a inversão de dois sinais consecutivos para gerar um bit errado no receptor. Por outro lado, temos como desvantagem que a freqüência do sinal deve ser o dobro da taxa de transmissão, o que diminui a capacidade do canal (FERNANDEZ, 2006). 2.2 Multiplexação A multiplexação é outro requisito importante para a transmissão de informação. Esta consiste em combinar vários sinais para a transmissão em um mesmo meio físico. Podem-se citar alguns métodos básicos de multiplexação: Frequency-Division Multiplexing (FDM): é a mais antiga das técnicas e mais apropriada para equipamentos analógicos. Cada sinal utiliza uma freqüência específica da banda. Isto significa que o sinal sofre uma translação de freqüência e é transmitido juntamente com os outros sinais (Figura 2.6). Na outra extremidade os sinais são separados com filtros e recuperados. Esta técnica ainda é usada, mas apenas para equipamentos antigos, pois a maioria dos equipamentos novos tem usado a multiplicação TDM (apresentada a seguir). Figura 2.6 Multiplexação na freqüência (fonte: FERNANDEZ, 2006, p. 44)

14 Wavelength-Division Multiplexing (WDM): consiste em enviar vários comprimentos de onda os quais são separados no destino. Cada comprimento de onda transmite informações de um canal sem interferir nos demais. Time-Division Multiplexing (TDM): é a mais utilizada na atualidade e exige o uso de equipamentos digitais. Baseia-se no posicionamento dos sinais em fatias diferentes de tempo (Figura 2.7). Pode ser determinística ou estatística. Na determinística, cada parte do pacote de informação é exclusiva de um único canal, e caso um dado canal deixe de transmitir, esta parte do pacote de dados fica vazia. O TDM estatístico tem como objetivo aproveitar os espaços vazios de pacotes para transmitir informações, conseguindo, pelo menos na teoria, aproveitar o máximo da banda de transmissão. Porém, a utilização deste método, exige a transmissão de informações adicionais, diminuindo o aproveitamento do meio de transmissão. Figura 2.7 Multiplexação no tempo Code-Division Multiplexing (CDM): cada sinal é identificado por um código (seqüência) diferente. Assim, é possível enviar em um mesmo canal (uma única freqüência) vários canais com códigos diferentes que são separados no receptor. Isto permite uma melhor utilização do meio de transmissão já que amplia a densidade e capacidade de multiplexação. Por exemplo, um sistema CDM transmite três vezes mais que um sistema TDM semelhante com mesma banda de freqüência (FERNANDEZ, 2006). Estas formas de multiplexação são as bases para formas mais robustas utilizadas na tecnologia PLC. Sendo estas, a spread spectrum (espalhamento espectral) e a OFDM, que serão apresentadas a seguir.

15 2.2.1 Spread Spectrum Esta técnica apresenta a habilidade de rejeitar interferências na transmissão da informação. Uma modulação spread spectrum satisfaz duas condições: A informação ocupa uma banda maior que a banda mínima para transmiti-la; O espalhamento do espectro é realizado antes da transmissão por meio do uso de um código independente da informação. O mesmo código é usado pelo receptor para recuperar a informação original (HAYKIN, 2001). Esta forma de modulação prima por segurança nas transmissões em ambientes hostis, o que significa que a eficiência em termos de banda e potência é deixada em segundo plano. Esta segurança advém do fato que quando o sinal é espalhado no espectro de freqüência, sua aparência é de um sinal de ruído, podendo ser transmitido pelo canal sem ser detectado por quem esteja monitorando a comunicação. Na figura 2.8, pode-se verificar como ficam o espectro de potência para um sinal espalhado e um sinal de banda base. Figura 2.8 Densidade espectral de um sinal em banda base e um sinal espalhado

16 Este tipo de modulação apresenta como vantagens: Baixa densidade espectral de potência; Rejeição a interferências; Privacidade: o código usado tem baixa ou nenhuma correlação com o sinal e é único para cada usuário, sendo assim impossível separar do sinal a informação que está sendo transmitida sem o conhecimento do código utilizado. Permite uma grande combinação de canais que possibilita a utilização privativa por vários usuários simultaneamente. Quanto aos tipos de modulação spread spectrum, pode-se classificá-los como: Spread Spectrum Frequency Hoop: a banda total do canal de comunicação é dividido em diversos sub-canais de banda estreita e o sistema comuta rapidamente entre eles seguindo uma seqüência aleatória, conhecida, pelo transmissor e receptor. Apresenta velocidades menores (no máximo 3 MBPS) e latências altas (200 ms), no entanto resiste mais às interferências eletromagnéticas, o que a torna recomendada para ambientes externos, como a interligação entre prédios. Spread spectrum Direct Sequence: utiliza um canal de banda larga, maior que 1 MHz, onde todos transmitem a uma alta taxa segundo uma seqüência de códigos aleatórios pré-definido (pseudo-ruído). Este pseudo-ruído é um sinal binário produzido a uma freqüência muito maior que o dado a ser transmitido, espalhando o sinal no domínio da freqüência. Na recepção, o sinal é filtrado segundo a mesma freqüência. Apresenta alta velocidade (11 MBPS) e latências pequenas (10 ms), porém é muito sensível à interferência eletromagnética, o que o torna recomendável para ambientes internos. Sistema híbrido DS/FH: a banda é dividida em sub-canais e em cada um deles um pseudo-ruído é multiplicado com o sinal de dados. Um endereço é a combinação da seqüência das freqüências e o código do pseudo-ruído.

17 2.2.2 Multiplexação OFDM A multiplexação OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) tem como objetivo reduzir a interferência entre canais de freqüência próximos uns dos outros. Esta técnica utiliza diversas portadoras ortogonais para transmitir um sinal. Esta ortogonalidade de sinais é verificada quando o produto de um sinal por outro resulta em zero. O sinal antes de ser multiplexado passa por uma série de etapas de processamento que visam melhorar o desempenho da técnica OFDM. Esta tecnologia consiste na divisão do canal em vários canais de banda estreita de diferentes freqüências. Na figura 2.9 é mostrado a diferença entre a tecnologia FDM convencional e a OFDM. Figura 2.9 Diferença entre as tecnologias OFDM e FDM (fonte: VARGAS, 2004) Nesta forma de multiplexação, diversas portadoras em freqüências diferentes são utilizadas para modular o sinal digital. No entanto, cada portadora se encarrega de transportar apenas alguns bits do sinal original após passar pelos processos de interleaving, embaralhamento e inclusão de códigos de correção de erro. Na figura 2.10 mostra-se como as portadoras se separam no tempo e na freqüência. Estas portadoras são apresentadas com cores diferentes para mostrar que pedaços de um mesmo bit são transmitidos por portadoras distantes entre si tanto no tempo como na freqüência.

18 Figura 2.10 Divisão dos bits no tempo e na freqüência na multiplexação OFDM (fonte: MALBURG, 2004) Como benefícios desta técnica podem-se citar: Maior número de canais para uma mesma faixa espectral se comparado com a técnica FDM (Figura 2.9); Resistente à interferência RF; Pouca distorção causada por caminhos múltiplos; Eficiência e robustez. Devido a sua grande robustez a interferências físicas, como paredes, móveis e obstáculos naturais, esta tecnologia foi a utilizada para a transmissão de televisão digital em países da Europa, Japão e Austrália, assim como para serviços de áudio em broadcast (banda larga) na Europa. É utilizada principalmente para a transmissão wireless operando em 5 GHz e acima de 11 GHz em redes de 2,4 GHz (FAGUNDES, 2006).