Sistemas de Comunicação (IF740)

1. Sistemas de Comunicação(IF740) Módulo I Prof. Paulo Gonçalves pasg@cin.ufpe.br www.cin.ufpe.br/~pasg CIn/UFPE Introdução

2. NossoObjetivo: Terminologia Conceitosbásicos Detalhamentosdurante o curso Agenda: O que é ComunicaçãoSemFioou Wireless? OndasEletromagnéticas Propagação de OndasEletromagnéticas O EspectroEletromagnético Transmissão de Sinais de Rádio Antenas Como representarinformações? Como fazerumaonda de rádiocarregarinformações? Alocação de Frequências Diversidade de uso do Wireless Introdução Introdução

3. Agenda 1.1 O que é ComunicaçãoSemFioou Wireless? 1.2OndasEletromagnéticas 1.3Propagação de OndasEletromagnéticas 1.4 O EspectroEletromagnético 1.5Transmissão de Sinais de Rádio 1.6Diversidade de uso do Wireless Introdução

4. Termoutilizadopara a transmissão de informações entre dispositivosouinterfacessem a utilização de fios O range de comunicaçãopode ser curto (centímetros a alguns metros) oulongo (muitosquilômetros) A comunicaçãopode ser unidirecional(e.g. rádio e televisão) oubidirecional(e.g. celular) Wireless e Mobilidadesãocoisasdistintas ! Wireless =comunicaçãousando enlaces semfio Mobilidade =tratadapossibilidade do usuário se mover e migrar do ponto no qualele se associa à rede O que é Comunicação Sem Fio ou Wireless ? Introdução

5. Wireless se tornou um termo genérico para descrever todo o tipo de comunicação usando ondas ou radiações eletromagnéticas … mas o que são ondas eletromagnéticas? O que é Comunicação Sem Fio ou Wireless ? Introdução

6. Maxwell, a partir de suas equações, previu a existência das ondas eletromagnéticas Combinação de um campo elétrico e de um campo magnético que se propagam simultaneamente através do espaço transportando energia Podem vistas como duas ondas viajando em uma mesma direção, perpendiculares entre si, oscilando em seus planos Um carga elétrica oscilante cria uma onda eletromagnética Ondas Eletromagnéticas Introdução

7. A frequência de oscilação de umaonda é inversamenteproporcionalaoseucomprimento de onda A frequência é expressaem Hertz (Hz), significandooscilaçõesporsegundo Algunsmúltiplosqueusaremos: KHz, MHz, GHz Toda ondaeletromagnéticase propaga no vácuoà velocidadedaluz (≈ 300.000 Km/s) e nasuperfícieterrestre com velocidademuitopróxima a essa Ondas Eletromagnéticas v: velocidade da onda f: frequência da onda λ: comprimento da onda Introdução

8. Propagação de OndasEletromagnéticas no Vácuo Animação do campo elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Introdução Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation

9. As ondaseletromagnéticasestãosujeitas à váriosfenômenos de propagação, e.g. Refração Reflexão Difração(Rayleigh scattering) Multipath Atenuação (Fading/Desvanecimento) Interferênciasconstrutivas e destrutivas Propagação de OndasEletromagnéticas: Fenômenos Vejamos alguns deles ... Mais durante o curso ... Introdução

10. Refração: Mudança de direçãodaondadevidomudança de suavelocidade Ocorrecomumentequando a ondapassa de um meioparaoutro Prop. de OndasEletromagnéticas: Mudanças no Gradiente do Índice de Refração Animação do campo elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Introdução Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation

11. Reflexão:Mudança de direçãodaondanafronteira entre doismeiosdistintos de tal forma que a frentedaondaretornaaomeio no qual se propagava antes Prop. de OndasEletromagnéticas: Reflexão e Refração Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Animação do campo elétrico Onda incidente + onda refletida | Somente onda refletida Onda incidente + onda refletida | Somente onda refletida Introdução Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation

12. Rayleigh scattering: Difusãodaradiaçãoeletromagnéticacausadaporpartículasmuitomenoresque o comprimentodaondaeletromagnética Prop. de OndasEletromagnéticas: Rayleigh Scattering Onda incidente + onda espalhada | Somente onda espalhada Onda incidente + onda espalhada | Somente onda espalhada Animação do campo elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Exemplo quando tamanho de partícula se aproxima do comprimento da onda Introdução Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation

13. Multipath (MúltiplosCaminhos) Fading Desvio da atenuação sinais devido a variações das condições de propagação Frequentemente definido como um processo estocástico Multipath, Fading Introdução

14. Prop. de OndasEletromagnéticas: Interferênciaconstrutiva/destrutiva ondas combinadas onda 1 onda 2 Duas ondas defasadas de 180° Duas ondas em fase Introdução

15. Tenta predizer a força do sinal a uma distância do transmissor Exemplo: Modelo de propagação Path Loss (PL) Modelos de Propagação Gama: expoente de atenuação (2 a 4) PL: atenuação sofrida pelo sinal até o receptor PL (d0): atenuação a uma distância de referência (1m em ambientes internos) Lambda: comprimento de onda FAF: Atenuação por piso WAF: atenuação por paredes Introdução

16. É o intervalo de frequência total de todas as radiaçõeseletromagnéticasconhecidas Radiações: ondas de rádio, microondas, infravermelho, luzvisível, raios ultra violetas, raios X e Raios Gamma (γ) O Espectro Eletromagnético Introdução

17. Classificado pelo comprimento de onda Ondas de rádio, microondas, infravermelho, luz visível, raios ultra violetas, raios X e Raios Gamma (γ) O Espectro Eletromagnético Introdução

18. Rádio Televisão/Controle Remoto Radar Sistemas de Comunicação Sem Fio Celular, Wi-Fi, Bluetooth, WiMAX, entre outros Sistemas de Comunicação baseados em Fibra Óptica Forno de Microondas O Espectro Eletromagnético:Algumas Aplicações Introdução

19. O Esp. Eletromagnético:Algumas Aplicações Introdução

20. A trasmissão e recepção de ondas de rádiorequer o uso de um transmissor e de um receptor A onda de rádioatuacomoumaportadoradainformação a ser transmitida A informaçãopode ser codificadadiretamentenaondainterrompendosuatransmissãoperiodicamente (comoumachaveliga-desliga) ouimpressanelaatravés de um processochamado de modulação (… maisdetalhesembreve) Transmissão de Sinais de Rádio Ondaportadora Onda de Rádio Informação recuperada (dados, voz) Informação a ser transmitida (dados, voz) Transmissor Receptor Introdução

21. Antenas Como representarinformações? Como fazer a onda de rádiocarregarinformações? Alocação de Frequências Transmissão de Sinais de Rádio Ondas de Rádio Informação recuperada (dados, voz) Informação a ser transmitida (dados, voz) Transmissor Receptor 1 Introdução

22. Umaantena é um transdutorprojetadoparatransmitiroureceberondaseletromagnéticas Convertesinaiselétricosemondaseletromagéticas e vice-versa É formadaporcondutoresquegeram um campo de radiaçãoeletromagnéticaemresposta a umavoltagem e correntealternadasaplicadas (ou vice-versa) Existemdiversostipos de antenas com aplicaçõesdistintas Antenas Antena de tel. celular Antena UHF/VHF Antena de radar Antena Dipolo Wi-Fi Antena Wi-Fi direcional Antena parabólica Introdução

23. Hádoistiposfundamentais de acordo com o padrão de radiaçãoeletromagnética Omni-direcional (radiaçãoemtodas as direções) Direcional (maior parte daradiaçãoconcentradaemumadireçãoespecífica) Antenas Introdução

24. Omni-direcional Antenas: Exemplo de antenadipolo Padrão de radiação de uma antena dipolo Distribuição de energia radiada por uma antena dipolo de 1,5*λ Corrente AC aplicada Introdução

25. Exemplo: receptor de TV via satélite Antenas: Receptor de Satélite Fluxo médio de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Animação do campo elétrico Introdução Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation

26. Exemplo: transmissão de sinais O metal curvadopossui alto índice de refração, atuandocomo um refletorquaseperfeito Antenas: Parabólica Fluxo médio de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Animação do campo elétrico Introdução Fonte: http://www.met.rdg.ac.uk/clouds/maxwell/#propagation

27. Antenas Como representarinformações? Como fazer a onda de rádiocarregarinformações? Alocação de Frequências Transmissão de Sinais de Rádio Ondas de Rádio Informação recuperada (dados, voz) Informação a ser transmitida (dados, voz) Transmissor Receptor 2 Introdução

28. Sinaispodem ser analógicosoudigitais O sinalanalógico é um sinalcontínuoquevariaaolongo do tempo O sinal digital é um sinal com valoresdiscretos no tempo e na amplitude A forma de onda é compostaporpulsos com variaçõesdescontínuas Como representarinformações sinal de voz sinal digital de dois níveis Introdução

29. Sinaisanalógicospodem ser digitalizados 0111 0110 0100 0101 Resolução= 1 parte em2n 0011 0010 0001 0000 1111 1110 1100 1010 1101 1011 1001 Como representarinformações sinal representado por 16 níveis Sequência de bits gerada 0000 0110 0111 0011 1100 1001 1011 Introdução

30. Exemplos de antenas Como representarinformações? Como fazer a onda de rádiocarregarinformações? Alocação de Frequências Transmissão de Sinais de Rádio Ondas de Rádio Informação recuperada (dados, voz) Informação a ser transmitida (dados, voz) Transmissor Receptor 3 Introdução

31. conversão Analógico-digital Filtragem Demodulação, Decodificação saída Exemplo de Transmissor/Receptor • Sinal de entrada é amostrado e quantificado antes de ser digitalizado. Umaaproximaçãodaentrada é reconstruídapeloconversor digital-analógico: entrada amostragem Digitilização Código, modulação • Transmissão • Cabo/fibra • Interface aérea Introdução 1-31

32. Exemplo: Transmissão de Sinais de Rádio:Exemplo com sinalanalógico Portadora de alta frequência Transmissão onda sonora produzida (freq. Entre 5 Hz e 20 KHz) Sinal elétrico idêntico à onda é produzido pelo microfone Sinal modulado em AM Introdução

33. Normalmente, umaondasenoidal de altafrequência é usadacomoportadoraqueteráalgumparâmetroalterado Os 3 parâmetrosprincipais de umaondasenoidalsão Amplitude Fase Frequência Como fazer a ondacarregarinformações Vimos que ... A onda de rádioatuacomoumaportadoradainformação a ser transmitida Introdução

34. … e o que é modulação e o porquêdela ? Como fazer a ondacarregarinformações Vimos que ... A informaçãopode ser codificadadiretamentenaonda interrompendosuatransmissãoperiodicamente (comoumachaveliga-desliga) ouimpressanela através de um processochamado de modulação Introdução

35. Porque modular? Para permitirtransmissõessimultâneas de doisoumaissinaisbanda-base, traduzindo-osparadiferentesfrequências Todas as técnicas de modulaçãoenvolvem o deslocamento do sinal original (sinalmodulador) de suafaixa de frequências original paraumaoutrafaixa. Modulação Introdução

36. Existemtrêstécnicasbásicas de modulação Modulaçãopor Amplitude (Amplitude Modulation – AM) ModulaçãoporFrequência (Frequency Modulation – FM) ModulaçãoporFase (Phase Modulation) Se sinalmodulador for digital, usamos as seguintestécnicas Modulaçãoporchaveamentoda Amplitude (Amplitude Shift Keying – ASK) ModulaçãoporChaveamentodaFrequência (Frequency Shift Keying – FSK) Modulaçãoporchaveamento de Fase (Phase Shift Keying - PSK) Modulação Introdução

37. Exemplos: ModulaçãoAnalógica Modulação AM Modulação FM Modulação PM Introdução

38. MaisExemplos … Introdução

39. Exemplos: Modulação Digital Introdução

40. Antenas Como representarinformações? Como fazer a onda de rádiocarregarinformações? Alocação de Frequências Transmissão de Sinais de Rádio Ondas de Rádio Informação recuperada (dados, voz) Informação a ser transmitida (dados, voz) Transmissor Receptor Introdução

41. comunicações wireless utilizam o espectro eletromagnético O espectro eletromagnético ou de frequência é algo físico que existe em todo lugar, sendo um bem escasso que precisa ser utilizado racionalmente Em comunicações wireless, o espectro de frequência não pode ser usado como se bem entende e existe a necessidade de se definir a faixa de frequência de operação dos dispositivos O uso do espectro de frequência é regulamentado na maioria dos países Organismos de padronização: International Telecommunication Union (ITU), European Telecommunications Standard Institute (ETSI) , etc Governos também podem leiloar faixas de frequência ou licenciá-las em seus países Alocação de Frequências Introdução

42. Difere em Mobilidade Tipo de aplicação Tipo de ambiente Características do meio “Pervasividade” de hosts Grau de infra-estrutura Visibilidade da infra-estrutura Cobertura Custo Exemplos Telefonia Celular Satélite WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks) WLANs (Wireless Local Area Networks) WPANs (Wireless Personal Area Networks) Ambientes de Computação Ubíqua MANETs (Mobile Ad hoc Networks) Redes de Sensores Diversidade de uso do Wireless Introdução