Capítulo 4 Configuração do Set-Up das Medidas

Capítulo 4 Configuração do Set-Up das Medidas 4.1. Introdução Para as medidas realizadas nesse trabalho, um sistema de transmissão e recepção de sinais de TV em 3.49 GHz da Linear Equipamentos Eletrônicos S.A. foi adaptado para transmitir e receber o sinal eletromagnético. O sistema de medidas é composto por quatro blocos, a saber: transmissão, recepção, armazenamento e aquisição/análise. Na seção 4.2 os quatros blocos do sistema de medidas serão descritos com mais detalhes. 4.2. Sistema de Medidas O primeiro bloco do sistema de medidas consiste do bloco de transmissão, que é responsável pela emissão do sinal eletromagnético. O segundo bloco, receptor, capta o sinal e apresenta na sua saída as informações necessárias para as análises a serem consideradas. O terceiro bloco, armazenamento, permite que os dados obtidos pelo receptor sejam guardados para análise posterior. O quarto bloco, aquisição e análise, é responsável pela conversão analógico/digital dos dados armazenados e sua análise. 4.2.1. Bloco de Transmissão O bloco transmissor é responsável pela transmissão de um sinal CW (Continuous Wave), uma portadora faixa estreita sem modulação em 3.49 GHz. O equipamento utilizado permite a transmissão de sinais modulados, porém por razões que serão descritas posteriormente, optou-se por transmitir apenas a portadora. Esse bloco é composto por uma fonte de alimentação, um modulador de áudio-vídeo, um transmissor e um sintetizador de microondas e pode ser visto na figura 4.1. Todos os equipamentos citados anteriormente foram projetados pela Linear. Devido à necessidade de enviar um nível DC 35

para alimentar o bloco sintetizador, o bloco de modulação de áudio-vídeo foi utilizado, apesar de não ser introduzido nenhum sinal de áudio e vídeo para ser modulado e posteriormente transmitido. A fonte de alimentação utilizada, Fonte FA-9303, é um conversor de energia desenvolvido para alimentação de sistemas de microondas. Possui proteções para atender aos seguintes casos: subtensão de entrada, sobretensão de entrada, sobrecorrente de saída e sobretensão na saída principal (19V). A fonte possui três saídas de tensão, a saber: +19VDC, +15VDC e 15VDC, necessárias para alimentação dos outros blocos descritos a seguir. O modulador MD 9812 foi desenvolvido para operar com banda básica de vídeo e com duas sub-portadoras de áudio. O sinal de áudio aplicado ao equipamento é entregue ao modulador de áudio, que tem como função modular uma sub-portadora. O circuito somador de sub-portadoras soma as subportadoras de áudio provenientes dos moduladores de áudio, sendo então entregues ao gerador de banda básica. Em seguida o sinal é modulado em 610 MHz e aplicado ao conversor. No conversor o sinal modulado em 610 MHz é misturado com o sinal do oscilador de 680 MHz, obtendo assim a conversão do sinal para FI de 70 MHz. Assim, tem-se disponível no conector do painel traseiro o sinal para ser entregue ao transmissor. O transmissor modelo TB 9710 é destinado a converter o sinal em FI de 70 MHz para a freqüência de 900 MHz e juntamente com uma tensão DC transmitir o sinal via cabo até o conversor de transmissão CT 9711. A fonte chaveada externa FA 9303 fornece as tensões de alimentação necessárias a este equipamento. O painel frontal possui um medidor digital que mostra os níveis das tensões de alimentação e nível em 900 MHz. Existem ainda quatro LEDs que apresentam sinalização de alarme indicando: nível de FI baixo, nível de FI alto, cabo de transmissão em curto e cabo de transmissão em aberto. O nível de saída em 900 MHz é de +7 dbm e a largura de RF típica é de 34 MHz. O conversor de transmissão CT 9711 recebe o sinal na freqüência de 900 MHz com nível de 11 a +2 dbm via cabo coaxial proveniente do TB 9710. O sinal passa por diversos estágios de forma a garantir um nível de +27 dbm em 3.49 GHz, que será aplicado na entrada da antena transmissora. 36

A antena transmissora utilizada foi a antena omnidirecional RTFN0F-034V da ANDREW, que atende a uma faixa de freqüência de 3.4 GHz a 3.6 GHz e possui ganho de 10 dbi, além de polarização vertical, perda de retorno menor que 1.4 db, impedância de 50 ohms e máxima potência de entrada de 250W. A foto da antena transmissora, e o seu diagrama de radiação são mostrados, respectivamente, nas figuras 4.2 e 4.3 abaixo. Figura 4.1 Equipamento de transmissão em 3.49 GHz 37

Figura 4.2 Antena Transmissora e Up-Converter (a) (b) Figura 4.3 Diagrama de radiação da antena transmissora: (a) plano horizontal, (b) plano vertical 38

4.2.2. Bloco de Recepção O bloco de recepção utilizado foi montado no interior de uma Fiorino Furgão e consiste de um analisador de espectro, um amplificador de baixo ruído (LNA), uma antena omnidirecional discônica, cabos coaxiais para as conexões, uma fonte de tensão DC regulável de 0 a 20 V para alimentação da tensão da roda, uma fonte DC de 15 V para alimentação do LNA, um acoplador direcional para retirar o nível de sinal DC para entrada no analisador de espectro, um GPS (Sistema de Posicionamento Global) e um sistema de recepção em 3.49 GHz projetado pela Linear. O sistema de recepção da Linear é composto por uma fonte de alimentação, um demodulador de áudio e vídeo, um receptor e conversor de microondas. A fonte utilizada FA-9303 é do mesmo modelo descrito do bloco de transmissão. O Conversor de Recepção CR 9511 foi desenvolvido para a conversão do sinal de 3.49 GHz para a freqüência de transferência de 950 MHZ. Possui filtro de entrada de seis pólos e baixa inserção que minimiza sua influência na figura de ruído, amplificador de baixo ruído com figura de ruído total menor que 6 db, oscilador sintetizado a PLL para altíssima estabilidade de freqüência. O receptor de microondas RB 9510 recebe o sinal em 950 MHz do conversor CR 9511 com nível de 60 dbm a 15 dbm via cabo coaxial. Esse sinal é convertido para FI de 70 MHz, com duas saídas de 0 dbm independentes, sendo uma destinada à continuidade da rota e outra para demodulação do sinal. Possui oscilador controlado por tensão sintetizado por PLL a partir de um cristal de 4 MHz, possuindo grande estabilidade em freqüência. O painel frontal possui um medidor digital que permite leituras das tensões de alimentação, nível de AGC e nível de saída de FI, além de LED s para indicação de cabo de recepção em aberto ou curto. O demodulador de áudio e vídeo DM 9612 recebe o sinal em FI com nível de 0 dbm e o aplica à entrada do demodulador de banda básica. Como nenhum sinal de áudio e vídeo é transmitido nesse trabalho, o bloco é conectado ao equipamento de recepção de modo a garantir o perfeito funcionamento do sistema como um todo, porém nenhum sinal é demodulado. 39

De modo a se obter precisão nas medidas realizadas, é necessário que: - toda potência irradiada pela antena transmissora seja conhecida e permaneça constante durante a realização da medida; - o procedimento de medida seja tal que capture toda a energia do sinal desejado, disponível na antena receptora. Para satisfazer as condições descritas acima, optou-se pela transmissão de portadoras não moduladas. Dessa maneira, o nível de sinal irradiado, que é todo contido na portadora, pode ser determinado mais facilmente e mantido constante durante todo o tempo em que a medida é realizada. A largura de faixa do receptor também pode ser selecionada pelo uso de filtros de faixa tão estreita quanto se queira de modo a rejeitar sinais indesejados e reduzir a quantidade de ruído presente. O analisador de espectro utilizado foi o HP8594E [10]. Esse equipamento possui filtros selecionáveis incorporados, permitindo ao usuário a escolha da largura de faixa do filtro interno, além de um nível de saída auto calibrado. O equipamento também possui uma saída analógica (AUX VIDEO OUTPUT), que varia de 0 a 1 volt, proporcional à deflexão do sinal na tela. Essa saída é conectada ao bloco de armazenamento analógico. Como o sinal é proporcional à deflexão na tela, utiliza-se na mesma uma abertura de 0 Hz na freqüência desejada, utilizando-se o comando SPAN. Com isto obtém-se na tela apenas a variação de amplitude da portadora do sinal desejado. O nível de referência serve para ajustar o valor máximo de potência na tela, sendo importante informar a todo o tempo esse nível de forma a restaurar o valor original, quando o sinal for aquisitado. De forma a aumentar a margem dinâmica do receptor utilizou-se um amplificador de baixo ruído, LNA, junto à antena receptora. A figura de ruído (F) é o parâmetro utilizado para quantizar a relação sinal ruído da entrada (RSR e ) com a relação sinal ruído na saía (RSR s ) de um sistema e sua equação é dada por: F( db) RSR ( db) RSR ( db) (4.1) e s 40

Quanto menor o valor de F menos ruído é inserido no sistema e, portanto, melhor o amplificador. Quando o sistema contém vários elementos, ocorre um acréscimo de ruído a cada estágio e a figura de ruído final do sistema é obtida relacionando as várias figuras de ruído e ganhos dos elementos, como mostra a equação (4.2) abaixo. F2 1 F3 1 F4 1 F T F1... (4.2) G G G G G G 1 1 2 1 2 3 onde F i e G i são a figura de ruído e o ganho de cada estágio. Analisando-se a equação (4.2) percebe-se facilmente a forte dependência do sistema com o ganho e figura de ruído do primeiro estágio. Dessa maneira, para se obter uma figura de ruído total baixa para o sistema, deve-se optar por utilizar um elemento com um ganho alto e figura de ruído baixa no primeiro estágio. Ao se posicionar o LNA imediatamente após a antena receptora, é possível uma melhora significativa da figura de ruído total do sistema. O amplificador de ruído utilizado nas medidas possui uma figura de ruído de 1 db e um ganho de 30 db, sendo que o mesmo é alimentado com uma tensão de 15 volts e colocado logo depois da antena receptora. A figura 4.4 mostra a antena receptora utilizada, que possui uma perda de retorno de 25 db na freqüência utilizada e um ganho de 2.14 dbi. 41

Capítulo 4 Configuração do Set-Up das Medidas Figura 4.4 Antena Receptora e LNA O Sistema de Posicionamento Global (GPS) [11] utilizado em algumas medidas é um sistema que usa um receptor de alta sensibilidade para informar a posição geográfica correta através de uso de satélites e computadores. Utilizou-se nas medições o GPStarplus Modelo 365 da Odetics Telecom. A antena do GPS foi instalada no teto da unidade móvel, como pode ser vista na figura 4.5 e o equipamento receptor dos dados numa prateleira no interior da unidade móvel. O painel do equipamento possui um visor que fornece informações sobre a posição, hora informação de satélites conectados, status da operação e performance do sistema. 42

Capítulo 4 Configuração do Set-Up das Medidas Figura 4.5. Antena do GPS No sistema de recepção utilizado nas medições, foi necessário o uso de um acoplador direcional NARDA Broadband High Directivity Coupler, Model 26597. A necessidade do uso do acoplador será descrita a seguir. O analisador de espectro HP8594E é limitado a receber sinais em freqüências de até 2.9 GHz e, portanto, não seria capaz de receber diretamente o sinal medido em 3.49 GHz. O conversor CR9511 da LINEAR, é capaz de receber um sinal em 3.49 GHz na sua entrada, fornecendo na saída um sinal 20 db abaixo do nível na sua entrada, porém na freqüência de 950 MHz, que pode ser recebido sem nenhum problema pelo analisador de espectro. O único problema é que esse sinal em 950 MHz não poderia ser conectado diretamente ao analisador, pois uma alimentação de 19 VDC, necessária para o funcionamento do conversor, está presente no mesmo cabo coaxial. A solução, portanto, é eliminar esse nível DC, fornecendo para a entrada no analisador de espectro apenas o nível do sinal em 950 MHz. Isso é feito através da utilização do acoplador direcional, onde é possível se retirar uma amostra 17.6 db abaixo do nível de entrada no acoplador, sem a presença dos +19 VDC de alimentação do conversor. 43

4.2.2.1. Sensor de Distância Foi utilizado um sensor de distância composto por um disco de 28 cm de raio, com 120 furos de 3 mm de diâmetro angularmente espaçados de 3 graus em relação ao centro do disco. Esse disco é fixado na roda traseira da unidade móvel e possui um diodo fotoelétrico, alimentado por uma tensão DC de 10 V, que gera um pulso elétrico cada vez que um orifício passa pelo diodo. O sensor de distância também possui um sistema de amortecimento de forma a garantir o alinhamento entre os orifícios e os diodos. Na figura 4.6 pode-se observar todo o sistema que compõe o sensor utilizado. Figura 4.6 Sensor de Distância 4.2.3. Bloco de Armazenamento Esse bloco é constituído por um gravador analógico que armazena em três canais os seguintes dados: - Canal 2 : dados gerados pela tensão da roda (referência de posição); 44

- Canal 3 : canal auxiliar de voz; - Canal 4 : dados recebidos do analisador de espectro (sinal recebido). O gravador usado foi o Racal V-Store [12] que é um instrumento portátil adequado para uso em laboratório ou em unidade móvel. Possui um microprocessador eletrônico que torna possível a realização de muitas funções. Entre suas facilidades, pode-se citar: - 4 canais, digitais ou FM, de gravação e reprodução; - largura de banda de até 40 KHz; - utilização de fita de vídeo formato VHS; - velocidade da fita entre 15/32 e 30 polegadas por segundo; - canal de voz. A velocidade da fita tem uma relação direta com a largura de banda que ela armazena, sendo que quanto menor a velocidade maior o tempo disponível para gravação, porém menor a largura de faixa da entrada. Nas medições realizadas optou-se por uma velocidade de 3.75 polegadas por segundo e largura de faixa W1, que proporciona uma largura de faixa de 2.5 KHz e um tempo de gravação de aproximadamente 1 hora ao se utilizar uma fita do tipo E240. 4.2.4. Bloco de Aquisição e Análise Esse bloco é composto por um micro computador contendo uma placa conversora analógica-digital (A/D) instalada, que é responsável pela conversão digital dos dados provenientes do gravador analógico Racal. O conversor analógico digital utilizado foi o DAQCard-AI-16XE-50, da National Instruments Corporation [13]. É um cartão para computadores com slots PCMCIA tipo II e possui as seguintes características: - Número de Canais : 16 (modo terminação única) ou 8 (modo diferencial); - Tipo de Conversor : Aproximações Sucessivas; - Resolução : 16 bits, 1 em 65,536 - Máxima taxa de amostragem : 200 ks/s 45

- Tensão Máxima de entrada : 25 V Utilizou-se o programa Labview para programação e conversão para digital dos dados das medições, utilizando-se dois canais analógicos na entrada, com taxa de aquisição de 2 KHz por canal. 4.3. Unidade Móvel No interior de uma Fiorino Furgão montou-se um laboratório móvel. No interior do compartimento de carga do automóvel existem prateleiras aonde são apoiados os equipamentos do bloco de recepção: analisador de espectro, gravador, bloco de recepção da LINEAR e equipamento receptor dos dados do GPS. Nas figuras 4.7 e 4.8 são mostradas as fotos do interior e exterior da unidade móvel. Figura 4.7 Interior da Unidade Móvel 46

Figura 4.8 Exterior da Unidade Móvel Os equipamentos utilizados são alimentados por um banco de 4 baterias de 60 Ah cada uma, colocadas no assoalho da unidade móvel. O consumo de potência dos principais equipamentos totaliza 535 W, sendo o consumo de cada um dos principais equipamentos discriminado abaixo: - Gravador : 55 W - Analisador de Espectro : 180 W - Bloco de Recepção da LINEAR : 250 W - GPS : 50 W Esses equipamentos devem ser alimentados por corrente alternada em 60 Hz e para isso foram utilizados dois inversores de 500 W, que transformam tensão contínua de 12 volts em tensão alternada de 110 V. A energia de uma bateria é dada pela seguinte fórmula: 1 E QV (4.3) 2 sendo Q dado em C (Coulomb) e V em volts 47

Uma bateria com carga de 60 Ah possui, portanto, uma energia de 1296 kj. Como C (Coulomb) = A (Ampère).s, que corresponde a 216000 C. A potência a ser consumida é de no máximo 500 W. O tempo de autonomia de uma bateria será portanto de: E t 2592 segundos 0.72 horas (4.4) P Foram utilizadas nas medidas quatro baterias, tendo-se uma autonomia de aproximadamente uma hora e meia, ao se considerar duas baterias para cada inversor. O processo de recarga das baterias foi feito com um recarregador ligado a uma tensão de 110 volts, que é capaz de recarregar duas baterias em 24 horas. O inversor fornece uma tensão alternada de 120 volts em sua saída quando está em plena carga, ou seja, 500 W. Caso contrário, fornece uma tensão próxima a 150 V. É necessário então uma proteção a essa possível sobrecarga, especialmente para o analisador de espectro. Para isso, utiliza-se um transformador variável, de 250 W, alimentado pelo inversor. 4.4. Balanço de Potência O balanço de potência é importante para se determinar as margens de potência suficientes para o perfeito funcionamento do sistema. O nível do sinal na entrada do receptor deve ser maior que a mínima potência detectável, sendo que níveis inferiores devem ser desconsiderados na análise. O balanço de potência é dado pela equação (4.5), sendo o limite de desvanecimento definido como o excesso de potência isotrópica efetivamente irradiada (EIRP) sobre a perda de propagação determinística do enlace (PP) e a mínima potência do sinal detetável pelo receptor (MSD). L D EIRP PP MSD (4.5) 48

O limite do desvanecimento determina tanto a máxima faixa de operação para uma dada qualidade da recepção como o desempenho do sistema durante um grande desvanecimento. Isso significa que se o sinal cair abaixo do nível de ruído, nenhuma afirmação pode ser feita dele. Além disso, à medida que o sinal se aproxima do nível de ruído os erros aleatórios na estimativa da intensidade do sinal aumentam. A potência isotrópica efetivamente irradiada, EIRP, é definida com a potência que deve ser alimentada uma antena omnidirecional sem perdas, de modo a conseguir a mesma densidade de potência irradiada obtida com a antena direcional em seu lóbulo principal. Sua equação é dada por: EIRP P TX G TX (4.6) Sendo P TX a potência de entrada da antena transmissora (dbm) e G TX o ganho da antena transmissora (db) De forma a considerar o limite de desvanecimento na entrada do analisador de espectro, considera-se as perdas e ganhos do terminal receptor, dadas pela equação (4.7) abaixo. L d L D EP G EP RX G LNA L C (4.7) onde G RX é o ganho da antena receptora (db), G LNA é o ganho do amplificador de baixo ruído (db) e L C é a perda nos cabos do receptor e no acoplador direcional (db). Na determinação da perda de propagação considera-se o mecanismo de propagação dominante como o de espalhamento por espaço livre. A equação da perda de propagação, portanto, é dada por: PP[ db] 32.44 20 log f 20log d (4.8) Sendo f a freqüência em MHz e d a distância entre o transmissor e o receptor em Km. 49

O mínimo sinal detectável é definido como o nível de ruído do receptor. O ruído do analisador de espectro é térmico por natureza e tem relação com a resolução da largura de banda selecionada. Ao se mudar a largura de banda há, portanto, uma mudança no nível de ruído dada pela seguinte equação: MSD 174dBm / Hz 10log B[ Hz] F[ db] (4.9) Na equação (4.9) B é a largura de banda em Hz e F é a figura de ruído em db. Em todas as medidas realizadas, a largura de banda utilizada no analisador de espectro foi de 10 KHz. Ao se considerar o sistema receptor como uma cascata entre LNA e analisador de espectro, teremos um mínimo sinal detetável de 133 dbm. O valor mínimo do sinal recebido na entrada do analisador de espectro pode ser calculado somando-se os ganhos do LNA, conversor e antena receptora, e subtraindo-se as perdas dos cabos e atenuação no acoplador direcional, resultando 101 dbm. Nas medições realizadas nesse trabalho, duas regiões foram consideradas, com os seguintes parâmetros para os cálculos do balanço de potência: Região 1 : Gávea e Lagoa P TX =+27 dbm L C =20.15 db G TX =10dBi G RX =2.14dBi F = 1 db G LNA =30 db Região 2 : Copacabana P TX =+24 dbm L C =20.15 db G TX =10dBi G RX =2.14dBi F = 1 db G LNA =30 db A distância máxima na região 1 foi de 3 Km e na região 2 foi de 1 Km. Os parâmetros utlizados para o cálculo do limite de desvanecimento são mostrados na tabela abaixo. 50

Região 1 : EIRP 37 dbm PP 112.8 db L MSD 101dBm EP 12.0 db D 25.2 db L d 37.2 db Região 2 : EIRP 34 dbm PP 113.3 db L MSD 101dBm EP 12.0 db D 31.7 db L d 43.7 db Como pode ser observado nos cálculos acima, é possível captar desvanecimentos de até 37 db na região 1 e 43 db na região 2. Esses limites de desvanecimentos, portanto, são mais do que suficientes para as medidas realizadas nesse trabalho. 51