Tópicos em ngenharia Tópicos em Telecomunicações Aulas e 3 Conceitos Gerais (cont.) Desafios atuais e futuros das comunicações sem fio 1
Características gerais de comunicações segundo as faias de frequências Principais fenômenos associados à propagação quações de Mawell Onda plana Desafios atuais e futuros das comunicações sem fio
ssas duas faias envolvem frequências entre 3kHz e 3kHz, sendo possível a propagação envolvendo ondas de superfície e ondas ionosféricas Por causa dos valores pequenos de frequência da portadora, só é possível eecutar enlaces com informações que ocupem pequenas larguras de faia mprega-se modulação analógica de amplitude Possibilita longo alcance, quase que mundiais, por uma combinação entre as ondas de superfície e refleões na ionosfera 3
Desvantagens Captação de elevado ruído atmosférico Necessita de elevadas potências de radiação Custo Aplicações restritas Navegação aérea ou marítima Comunicações com submarinos submersos Comunicações militares, etc. Geralmente eigem antenas verticais Monopolos com alimentação em paralelo em sua base Monopolos com carregamento capacitivo de topo 4
A faia de ondas médias limita-se aos valores entre 3kHz e 3MHz Comunicação por meio de ondas de superfície ou com refleões na ionosfera Novamente, devido aos pequenos valores de frequência da portadora, só permite transmissão em faias bem estreitas mprega-se modulação analógica de amplitude Grandes distâncias são alcançadas com potência dos transmissores muito elevadas Alcances maiores podem ser conseguidos por meio de ondas ionosféricas São empregadas em algumas comunicações militares de pequeno alcance, em radiodifusão sonora, etc. 5
Na faia de HF (3 MHz a 3 MHz) o mecanismo de propagação dominante é o da refração ionosférica, sendo que permanece ainda a presença da onda de superfície em regiões mais próimas do transmissor Aplicações Comunicações telefônicas de longo alcance Coneões a longas distâncias entre navios e aviões Radiodifusão sonora Serviços militares Sistemas que não eijam grandes larguras de faia para o tráfego de dados 6
Como há predominância da comunicação via ionosfera, a qualidade da transmissão fica dependendo diretamente das condições físicas dessa região da atmosfera 7
Os enlaces na faia entre 3 MHz e 3 MHz envolvem as ondas espaciais e a propagação através da troposfera Haverá uma marcante influência das variações do índice de refração com a altura, com a temperatura e com a umidade relativa É possível construir antenas com ganhos mais elevados e eficiências maiores do que nas faias inferiores A transmissão pode ser concretizada com níveis de potência menores do que os empregados nas faias de LF, MF e HF 8
Aplicações Difusão de TV Radiodifusão sonora em frequência modulada (com faia reservada entre 88 MHz e 18 MHz) Auílio a radio navegação Comunicações por satélites de órbita baia, etc. 9
As comunicações entre 3MHz e 3GHz podem ser feitas por ondas espaciais, incluindo as contribuições da onda direta com a onda refletida no solo A própria terra pode se constituir como um obstáculo a ser contornado, devido à sua curvatura. É possível construir antenas de ganho elevado, permitindo transmissores de menor potência A atenuação do enlace cresce com a frequência, mas a possibilidade de uso de antenas de alto ganho pode compensar (parcialmente) a redução do nível do sinal que chega ao receptor 1
Aplicações Difusão de TV Radar Comunicações por satélite Telefonia celular tc. 11
A faia de microondas entre 3 GHz e 3 GHz há tempos está muito utilizada istem inúmeras aplicações sistemas de comunicações terrestres sistema de telefonia por satélite recepção doméstica de TV via satélite radares militares, radares de auilio a radio navegação, radares de estrada para fiscalização de velocidade, e nas mais diferentes aplicações para fins civis e militares Sistemas PDH e SDH WiMAX A perda por espalhamento é elevada, mas pode ser compensada com o uso de antenas de elevadíssimo ganho m frequências acima de 8GHz a umidade da atmosfera tem papel importante na atenuação do sinal 1
Os fenômenos mais importantes associados à propagação das ondas eletromagnéticas são: Atenuação do espaço livre Refleão na superfície do solo, em obstáculos e em elevações Bloqueio por obstáculos Difração por obstáculos e pela superfície da Terra Atenuação pelos gases da atmosfera, incluindo o vapor d água Refração na troposfera e na ionosfera feitos da precipitação pluviométrica na troposfera feitos resultantes da anisotropia da ionosfera Deve-se prever que todos estes fenômenos são dependentes da frequência Problemas oriundos das características da troposfera tornam-se mais evidentes à medida que a frequência aumenta As influências da ionosfera decrescem substancialmente à medida que a frequência torna-se mais elevada 13
A presença da chuva na atmosfera tem efeito considerável sobre diversas características de propagação, incluindo a polarização da onda eletromagnética Como as gotas de água não têm formato perfeitamente esférico e sua constante dielétrica é muito elevada, para cumprir as condições de contorno entre a água e o ar terão de ocorrer mudanças na direção do campo elétrico da onda transmitida 14
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1. Lei de Gauss para o campo elétrico. D. D 8,8541 1 F m. Lei de Gauss para o campo magnético. B B H 4 1 7 H m 3. Lei de Faraday 4. Lei de Ampère B t B J t. H J D t 16
As equações de Mawell descrevem o comportamento dos campos elétrico e magnético, bem como suas interações com a matéria. As quatro equações de Mawell epressam como cargas elétricas produzem campos elétricos (Lei de Gauss), a ausência eperimental de cargas magnéticas, como a corrente elétrica produz campo magnético (Lei de Ampère), como variações de campo magnético produzem campos elétricos (Lei da indução de Faraday) 17
Propagação no espaço livre ou no vácuo: J H t H t
Se tomarmos o rotacional de, temos: H t Suponha um campo vetorial A, tal que: t A A i A y j A k z
Sabemos que z y A A A z y k j i z y A A A z y A,,,, k y A A j A z A i z A y A A y z y
Se substituirmos o campo vetorial A pelo termo temos, de maneira análoga ao produto vetorial do slide anterior: i j y k z y z
Tomando apenas a componente do resultado do determinante anterior, temos: i y z z y
Desenvolvendo a equação, z z y y z y z z y y z y
Assim, y y y z z z
No vácuo ou no espaço livre, Assim, o divergente do campo elétrico vale zero, ou seja, Portanto,
Havíamos mostrado que Assim, Consequentemente, t t t quação da onda
istem muitas solução para as quações de Mawell Todas estas soluções representam campos que podem ser reproduzidos na prática todos podem ser representados como uma soma de ondas planas, que é a solução mais simples possível variando no tempo 7
Os campos elétrico e magnéticos são perpendiculares entre si e em relação a direção de propagação da onda A direção de propagação da onda é ao longo do eio z O vetor nesta direção é o chamado vetor propagação ou vetor de Poynting Os dois campos estão em fase em qualquer ponto no tempo e no espaço Suas magnitudes são constantes no plano y, e uma superfície de fase constante (frente de onda) forma-se no plano y, resultando na denominação onda plana 8
O campo elétrico oscilante produz um campo magnético, que por sua vez oscila para recriar um campo elétrico, e assim por diante, em concordância com as quações de Mawell ssa interação entre os dois campos armazena energia e, portanto, fornece força ao vetor de Poynting Variação nas propriedades da onda (amplitude, frequência ou fase) permite que informações sejam transportadas por ela, entre o transmissor e o receptor, que é o principal objetivo dos sistemas de comunicações sem fio 9
O campo elétrico pode ser escrito como cos( t z) ˆ Similarmente, o campo magnético pode ser escrito como H H cos( t z) yˆ m ambas equações, assumiu-se que o meio é sem perdas Portanto, permanece constante com a distância Nota-se que a onda varia de forma senoidal no tempo e no espaço Muitas vezes é conveniente representar a fase e a amplitude da onda usando epressões compleas j t z ˆ ep ( ) H H ep j( t z) yˆ Pode-se, assim, recuperar as partes reais dos campos em questão 3
As equações anteriores satisfazem as equações de Mawell, desde que a razão entre as amplitudes de campo seja uma constante para um determinado meio H H y H Z onde Z é a impedância da onda e sua unidade é ohms No espaço livre, r = r =1, e a impedância da onda é calculada como Z Z 1 377 Assim, no espaço livre ou em qualquer meio uniforme, é suficiente indicar uma porção de campo único, juntamente com Z, a fim de se especificar o campo total de uma onda plana 31
O vetor de Poynting S, medido em Watt por metro quadrado, descreve a magnitude e a direção do fluo de potência transportado pela onda por metro quadrado de área, paralelo ao plano y Seu valor instantâneo é dado por S Normalmente, apenas o tempo médio do fluo de potência ao longo de um período é motivo de interesse S av H 1 O vetor direção enfatiza que, H e Sav formam um conjunto da regra da mão direita H * zˆ 3
Até agora, apenas meios sem perdas foram considerados Quando o meio tem condutividade significativa, a amplitude da onda diminui com a distância percorrida pelo meio A energia da onda é removida e convertida em calor, então as equações compleas de campos elétrico e magnético são então substituídas por H ep j( t z) zˆ H ep j( t z) zyˆ A constante é definida como constante de atenuação, com unidade m -1 Depende da permeabilidade e da permissividade do meio, da frequência da onda, e da condutividade do meio, cuja unidade é siemens por metro Juntos,,, e são conhecidos como parâmetros de condutividade do meio 33
Como consequência, a intensidade do campo (elétrico e magnético) diminui eponencialmente à medida que a onda viaja através do meio 34
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1. Uma onda plana polarizada linearmente em 9MHz propaga-se na direção positiva z em um meio como os seguintes parâmetros constitutivos: r =1, r = 3 e =,1 S/m. A magnitude o campo elétrico em z = é 1 V/m. Calcule: a) A impedância da onda b) A magnitude do campo magnético em z = c) A potência média disponível em,5m² de área perpendicular à direção de propagação em z = d) O tempo necessário para a onda percorrer 1 centímetros 36
1. Uma onda plana polarizada linearmente em 9MHz propaga-se na direção positiva z em um meio como os seguintes parâmetros constitutivos: r =1, r = 3 e =,1 S/m. A magnitude o campo elétrico em z = é 1 V/m. Calcule: a) A impedância da onda. Resp.: 18 b) A magnitude do campo magnético em z =. Resp.: 4,6mA/m c) A potência média disponível em,5m² de área perpendicular à direção de propagação em z =. Resp.: 1,15mW d) O tempo necessário para a onda percorrer 1 centímetros. Resp.:,6ns 37
Desafios atuais e futuros das comunicações sem fio 38
As comunicações sem fio garantiram um nicho privilegiado no mercado mundial das telecomunicações e um crescimento vertiginoso nos últimos tempos As novas gerações de sistemas trazem propostas ousadas, com altas taas de transmissão integrando voz, dados e imagem m vista do acelerado avanço tecnológico, vislumbra-se uma rede sem fio global e convergente, provendo as mais remotas localidades de uma ampla gama de serviços, com fleibilidade e transparência para os diversos tipos de usuários ntretanto, tal avanço traz consigo enormes desafios 39
Propagação multipercurso Limitações de espectro Limitações de energia Mobilidade do usuário Taa Latência Interoperabilidade Capacidade do canal Segurança 4