Sistemas de Comunicao IF 740 Mdulo I Prof

Sistemas de Comunicação (IF 740) Módulo I Prof. Paulo Gonçalves pasg@cin. ufpe. br www. cin. ufpe. br/~pasg CIn/UFPE Introdução 1 -1

Introdução Nosso Objetivo: Agenda: q Terminologia q O que é Comunicação Sem Fio ou q Detalhamentos q q Conceitos básicos durante o curso q q q Wireless? Ondas Eletromagnéticas Propagação de Ondas Eletromagnéticas O Espectro Eletromagnético Transmissão de Sinais de Rádio v v Antenas Como representar informações? Como fazer uma onda de rádio carregar informações? Alocação de Frequências q Diversidade de uso do Wireless Introdução 1 -2

Agenda 1. 1 O que é Comunicação Sem Fio ou Wireless? 1. 2 Ondas Eletromagnéticas 1. 3 Propagação de Ondas Eletromagnéticas 1. 4 O Espectro Eletromagnético 1. 5 Transmissão de Sinais de Rádio 1. 6 Diversidade de uso do Wireless Introdução 1 -3

O que é Comunicação Sem Fio ou Wireless ? q Termo utilizado para a transmissão de informações entre dispositivos ou interfaces sem a utilização de fios q O range de comunicação pode ser curto (centímetros a alguns metros) ou longo (muitos quilômetros) q A comunicação pode ser unidirecional (e. g. rádio e televisão) ou bidirecional (e. g. celular) q Wireless e Mobilidade são coisas distintas ! v Wireless = comunicação usando enlaces sem fio v Mobilidade = trata da possibilidade do usuário se mover e migrar do ponto no qual ele se associa à rede Introdução 1 -4

O que é Comunicação Sem Fio ou Wireless ? q Wireless se tornou um termo genérico para descrever todo o tipo de comunicação usando ondas ou radiações eletromagnéticas q … mas o que são ondas eletromagnéticas? Introdução 1 -5

Ondas Eletromagnéticas q Maxwell, a partir de suas equações, previu a existência das ondas eletromagnéticas q Combinação de um campo elétrico e de um campo magnético que se propagam simultaneamente através do espaço transportando energia q Podem vistas como duas ondas viajando em uma mesma direção, perpendiculares entre si, oscilando em seus planos q Um carga elétrica oscilante cria uma onda eletromagnética Introdução 1 -6

Ondas Eletromagnéticas q A frequência de oscilação de uma onda é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda v: velocidade da onda f: frequência da onda λ: comprimento da onda q A frequência é expressa em Hertz (Hz), significando oscilações por segundo v Alguns múltiplos que usaremos: KHz, MHz, GHz q Toda onda eletromagnética se propaga no vácuo à velocidade da luz (≈ 300. 000 Km/s) e na superfície terrestre com velocidade muito próxima a essa Introdução 1 -7

Propagação de Ondas Eletromagnéticas no Vácuo Animação do campo elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Fonte: http: //www. met. rdg. ac. uk/clouds/maxwell/#propagation Introdução 1 -8

Propagação de Ondas Eletromagnéticas: Fenômenos q As ondas eletromagnéticas estão sujeitas à vários fenômenos de propagação, e. g. v v v Refração Reflexão Difração (Rayleigh scattering) Multipath Atenuação (Fading/Desvanecimento) Interferências construtivas e destrutivas Vejamos alguns deles. . . Mais durante o curso. . . Introdução 1 -9

Prop. de Ondas Eletromagnéticas: Mudanças no Gradiente do Índice de Refração q Refração: Mudança de direção da onda devido mudança de sua velocidade v Ocorre comumente quando a onda passa de um meio para outro Animação do campo elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Fonte: http: //www. met. rdg. ac. uk/clouds/maxwell/#propagation Introdução 1 -10

Prop. de Ondas Eletromagnéticas: Reflexão e Refração q Reflexão: Mudança de direção da onda na fronteira entre dois meios distintos de tal forma que a frente da onda retorna ao meio no qual se propagava antes Animação do campo elétrico Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Onda incidente + onda refletida | Somente onda refletida Onda incidente + onda refletida | Fonte: http: //www. met. rdg. ac. uk/clouds/maxwell/#propagation Somente onda refletida Introdução 1 -11

Prop. de Ondas Eletromagnéticas: Rayleigh Scattering q Rayleigh scattering: v Difusão da radiação eletromagnética causada por partículas muito menores que o comprimento da onda eletromagnética Onda incidente + onda espalhada | Somente onda espalhada Animação do campo elétrico Onda incidente + onda espalhada | Somente onda espalhada Fluxo de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Exemplo quando tamanho de partícula se aproxima do comprimento da onda Fonte: http: //www. met. rdg. ac. uk/clouds/maxwell/#propagation Introdução 1 -12

Multipath, Fading q Multipath (Múltiplos Caminhos) q Fading v Desvio da atenuação sinais devido a variações das condições de propagação • Frequentemente definido como um processo estocástico (causado por multipath, obstáculos etc) Introdução 1 -13

Prop. de Ondas Eletromagnéticas: Interferência construtiva/destrutiva ondas combinadas onda 1 onda 2 Duas ondas em fase Duas ondas defasadas de 180° Introdução 1 -14

Uma Aplicação da Força de Sinal: Localização q RSS (Received Signal Strength) ou RSSI (Received Signal Strength Indicator) Introdução Fonte: www. cisco. com%2 Fc%2 Fen%2 Fus%2 Ftd%2 Fdocs%2 Fsolutions%2 FEnterprise%2 FMobility%2 FWi. Fi. LBS-DG%2 Fwifich 3. html&psig=AFQj. CNEGS 2 e 9 B 0415 ag. Drqajgyx. Ipfa. QTw&ust=1457796776258780 1 -15

Modelos de Propagação de Sinal q Tenta predizer a força do sinal a uma dada distância do transmissor q Exemplo: v Modelo de propagação Path Loss (PL) Gama: expoente de atenuação (2 a 4) PL: atenuação sofrida pelo sinal até o receptor PL (d 0): atenuação a uma distância de referência (1 m em ambientes internos) Lambda: comprimento de onda FAF: Atenuação por piso WAF: atenuação por paredes Introdução 1 -16

Modelo x Realidade Fonte: http: //www. cisco. com/c/en/us/td/docs/solutions/Enterprise/Mobility/Wi. Fi. LBS-DG/wifich 3. html http%3 A%2 F%2 Fsss-mag. com%2 Findoor. html&psig=AFQj. CNF 9 vwo 1 -988 M 9 b. KOVMBl. ZZ 0 US-in. A&ust=1457797820157981 Introdução 1 -17

Por isso erros de localização ocorrem. . . Introdução 1 -18

O Espectro Eletromagnético q É o intervalo de frequência total de todas as radiações eletromagnéticas conhecidas v Radiações: ondas de rádio, microondas, infravermelho, luz visível, raios ultra violetas, raios X e Raios Gamma (γ) Introdução 1 -19

O Espectro Eletromagnético q Classificado pelo comprimento de onda v Ondas de rádio, microondas, infravermelho, luz visível, raios ultra violetas, raios X e Raios Gamma (γ) Introdução 1 -20

O Espectro Eletromagnético: Algumas Aplicações q Rádio q Televisão/Controle Remoto q Radar q Sistemas de Comunicação Sem Fio v Celular, Wi-Fi, Bluetooth, Wi. MAX, entre outros q Sistemas de Comunicação baseados em Fibra Óptica q Forno de Microondas Introdução 1 -21

O Esp. Eletromagnético: Algumas Aplicações Nome Abr ev. Freq. λ Aplicações (exemplos) Extremely Low Freq. ELF 3 -30 Hz 10. 000 a 100. 000 Km Super Low Freq. SLF 30 – 300 Hz 1. 000 a 10. 000 Km Ultra Low Freq. ULF 300 – 3000 Hz 100 – 1. 000 Km Very Low Freq. VLF 3 – 30 KHz 10 – 100 Km Low Freq. LF 30 – 300 KHz 1 – 10 Km Medium Freq. MF 300 – 3000 KHz 100 -1000 m High Freq. HF 3 – 30 MHz 10 – 100 m Very High Freq. VHF 30 – 300 MHz 1 – 10 m Rádio FM, rádio amador, TV, aviação Ultra High Freq. UHF 300 – 3000 MHz 10 – 100 cm TV, rádio amador, celular, tel. sem fio, redes wireless, microondas Super High Freq. SHF 3 – 30 GHz 1 – 10 cm Redes wireless, links de satélite, links microondas, TV via satélite Extremely High Freq. EHF 30 – 300 GHz 1 – 10 mm links microondas, astronomia, armamentos Introdução 1 -22 militares Comunicação entre submarinos submersos Corrente alternada Comunicação em minas Com. entre submarinos próx. Superfície Rádio AM, comunicação marítima e de aviação Rádio amador

Transmissão de Sinais de Rádio q A trasmissão e recepção de ondas de rádio requer o uso de um transmissor e de um receptor Onda de Rádio Informação a ser transmitida (dados, voz) Transmissor Onda portadora Informação recuperada (dados, voz) Receptor q A onda de rádio atua como uma portadora da informação a ser transmitida q A informação pode ser codificada diretamente na onda interrompendo sua transmissão periodicamente (como uma chave liga-desliga) ou impressa nela através de um processo chamado de modulação (… mais detalhes em breve) Introdução 1 -23

Transmissão de Sinais de Rádio q Antenas q Como representar informações? q Como fazer a onda de rádio carregar informações? q Alocação de Frequências Ondas de Rádio Informação a ser transmitida (dados, voz) Transmissor 1 Receptor Informação recuperada (dados, voz) Introdução 1 -24

Antenas q Uma antena é um transdutor projetado para transmitir ou receber ondas eletromagnéticas q Converte sinais elétricos em ondas eletromagéticas e vice-versa q É formada por condutores que geram um campo de radiação eletromagnética em resposta a uma voltagem e corrente alternadas aplicadas (ou vice-versa) q Existem diversos tipos de antenas com aplicações distintas Antena UHF/VHF Antena Dipolo Wi-Fi Antena Wi-Fi direcional Antena parabólica Antena de radar Antena de tel. celular Introdução 1 -25

Antenas q Há dois tipos fundamentais de acordo com o padrão de radiação eletromagnética v v Omni-direcional (radiação em todas as direções) Direcional (maior parte da radiação concentrada em uma direção específica) Introdução 1 -26

Antenas: Exemplo de antena dipolo q Omni-direcional Distribuição de energia radiada por uma antena dipolo de 1, 5*λ Padrão de radiação de uma antena dipolo Corrente AC aplicada Introdução 1 -27

Antenas: Receptor de Satélite q Exemplo: receptor de TV via satélite Animação do campo elétrico Fluxo médio de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Fonte: http: //www. met. rdg. ac. uk/clouds/maxwell/#propagation Introdução 1 -28

Antenas: Parabólica q Exemplo: transmissão de sinais v O metal curvado possui alto índice de refração, atuando como um refletor quase perfeito Animação do campo elétrico Fluxo médio de energia do campo eletromagnético Cores representam a força (strength) Fonte: http: //www. met. rdg. ac. uk/clouds/maxwell/#propagation Introdução 1 -29

Transmissão de Sinais de Rádio q Antenas q Como representar informações? q Como fazer a onda de rádio carregar informações? q Alocação de Frequências Ondas de Rádio Informação a ser transmitida (dados, voz) Transmissor Receptor Informação recuperada (dados, voz) 2 Introdução 1 -30

Como representar informações q Sinais podem ser analógicos ou digitais q O sinal analógico é um sinal contínuo que varia ao longo do tempo sinal de voz q O sinal digital é um sinal com valores discretos no tempo e na amplitude v A forma de onda é composta por pulsos com variações descontínuas sinal digital de dois níveis Introdução 1 -31

Como representar informações q Sinais analógicos podem ser digitalizados Resolução= 1 parte em 2 n 0111 0110 0101 0010 0001 0000 1111 1110 1100 1010 1101 1011 1001 sinal representado por 16 níveis Sequência de bits gerada 0000 0111 0011 1100 1001 1011 Introdução 1 -32

Transmissão de Sinais de Rádio q Exemplos de antenas q Como representar informações? q Como fazer a onda de rádio carregar informações? q Alocação de Frequências Ondas de Rádio Informação a ser transmitida (dados, voz) Transmissor Receptor Informação recuperada (dados, voz) 3 Introdução 1 -33

Exemplo de Transmissor/Receptor q Sinal de entrada é amostrado e quantificado antes de ser digitalizado. Uma aproximação da entrada é reconstruída pelo conversor digitalanalógico: entrada amostragem Filtragem Digitilização conversão Analógico-digital Código, modulação Transmissão • Cabo/fibra • Interface aérea Demodulação, Decodificação saída Introdução 1 -34

Transmissão de Sinais de Rádio: Exemplo com sinal analógico q Exemplo: 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 1 -35

Como fazer a onda carregar informações Vimos que. . . A onda de rádio atua como uma portadora da informação a ser transmitida q Normalmente, uma onda senoidal de alta frequência é usada como portadora que terá algum parâmetro alterado q Os 3 parâmetros principais de uma onda senoidal são v v v Amplitude Fase Frequência Introdução 1 -36

Como fazer a onda carregar informações Vimos que. . . A informação pode ser codificada diretamente na onda interrompendo sua transmissão periodicamente (como uma chave liga-desliga) ou impressa nela através de um processo chamado de modulação q … e o que é modulação e o porquê dela ? Introdução 1 -37

Modulação q Por que modular? v Para permitir transmissões simultâneas de dois ou mais sinais banda-base, traduzindo-os para diferentes frequências q Todas as técnicas de modulação envolvem o deslocamento do sinal original (sinal modulador) de sua faixa de frequências original para uma outra faixa. Introdução 1 -38

Modulação q Existem três técnicas básicas de modulação v v v Modulação por Amplitude (Amplitude Modulation – AM) Modulação por Frequência (Frequency Modulation – FM) Modulação por Fase (Phase Modulation) q Se sinal modulador for digital, usamos as seguintes técnicas v v v Modulação por chaveamento da Amplitude (Amplitude Shift Keying – ASK) Modulação por Chaveamento da Frequência (Frequency Shift Keying – FSK) Modulação por chaveamento de Fase (Phase Shift Keying - PSK) Introdução 1 -39

Exemplos: Modulação Analógica Modulação AM Modulação FM Modulação PM Introdução 1 -40

Mais Exemplos … Introdução 1 -41

Exemplos: Modulação Digital Introdução 1 -42

Transmissão de Sinais de Rádio q Antenas q Como representar informações? q Como fazer a onda de rádio carregar informações? q Alocação de Frequências Ondas de Rádio Informação a ser transmitida (dados, voz) Transmissor Receptor Informação recuperada (dados, voz) Introdução 1 -43

Alocação de Frequências q comunicações wireless utilizam o espectro eletromagnético q O espectro eletromagnético ou de frequência é algo físico que existe em todo lugar, sendo um bem escasso que precisa ser utilizado racionalmente q 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 q O uso do espectro de frequência é regulamentado na maioria dos países v v Organismos de padronização: International Telecommunication Union (ITU), European Telecommunications Standard Institute (ETSI) , etc Governos também podem leiloar faixas de frequência ou licenciálas em seus países Introdução 1 -44

Diversidade de uso do Wireless q Difere em v v v v v Mobilidade Tipo de aplicação Tipo de ambiente Características do meio “Pervasividade” de hosts Grau de infra-estrutura Visibilidade da infraestrutura Cobertura Custo q Exemplos v v v v 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 Introdução 1 -45