ELE-31 Principios de Telecomunicações Prof. Manish Sharma August 3, 2015 1 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
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
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
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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