Transmisso de Sinais Prof Marcelo SantAnna Sala A310

Transmissão de Sinais Prof. Marcelo Sant’Anna Sala A-310 (La. CAM) e-mail: mms@if. ufrj. br Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 1

Transmissão de Sinais n Quero transmitir o sinal do ponto A ao ponto B e preservar a informação no sinal n Desejo este comportamento ideal para sinal de qualquer freqüência. n Isto é possível ? ? ? Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 2

Cabos coaxiais n Cabo condutor interno (D) e malha condutora externa (B) separados por camada de dielétrico (C) n A malha externa, além de sergir com terra, blinda o sinal de campos EM externos Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 3

Cabos coaxiais n Dada sua configuração geométrica os cabos coaxiais necessariamente tem capacitância e auto-indutância. Para cabos suficientemente longos [H/m] [F/m] onde a e b são os raios do cilindros interno e externo, respectivamente, e são a permeabilidade magnética e permissividade elétrica, respectivamente. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 4

Cabos coaxiais n Os sinais são transmitidos pelo cabo coaxial como uma onda. Ele é um guia de ondas. q n os sinais são transmitidos no modo TEM É interessante também representar um cabo coaxial como um elemento de circuito e considerar a tensão e a corrente no cabo em vez dos campos elétricos e magnéticos. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 5

Cabos coaxiais: modelagem em V e I n Circuito equivalente de uma unidade de linha de transmissão q q n L, C, R, e G quantidades/unidade de comprimento R é a resistência do cabo real / unidade de comprimento G é a condutância do dietétrico / unidade de comprimento L e C já discutidos Considere uma pequena unidade de comprimento infinitesimal do cabo, Z. Vamos então calcular as diferenças V e I através desta pequena distância Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 6

Cabos coaxiais: modelagem em V e I n No limite Dz → 0 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 7

Cabos coaxiais: o cabo ideal sem perdas n R=0 e G=0 n Suponha que um sinal senoidal no tempo (ou seja, uma componente Fourier) V=V(z) exp(i t) é aplicado no cabo temos: onde k 2 = 2 LC. A solução espacial é então da forma n A solução espacial tem, portanto, a forma Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 8

Cabos coaxiais: o cabo ideal sem perdas n A solução geral tem a forma: n Superposição de ondas propagantes para a direita e para a esquerda (ondas refletidas !) n Velocidade de propagação Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 9

Cabos coaxiais: o cabo ideal sem perdas n Impedância característica (Z 0): n Z 0 é independente do comprimento do cabo ! n Valores de b/a razoáveis → Z 0 ~ 50 -200 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 10

Algumas observações: n A velocidade de propagação do sinal é freqüentemente expressa em termos de seu inverso, o tempo de propagação por unidade de comprimento T= v-1 = (LC)1/2. Esta quantidade é conhecida como o atraso (delay) do cabo e é tipicamente da ordem de 5 ns/m para um cabo padrão de 50 . n Então, num cabo de comprimento l , o tempo de trânsito de pulso, ou seja, o tempo que o pulso leva para propagar de um extremo a outro do cabo é Ttr = l T. Um pulso será considerado rápido seu rise time for menor do que Ttr e será lento de o rise time for maior do que Ttr. n Mas por quê 50 ? A impedância ótima (teórica) para atenuação é 77 , enquanto que a melhor impedância para lidar com o máximo de potência é 30 . A média é 53, 5 ~ 50 . Cabos de 75 também são muito utilizados porque são próximos a impedância para minimizar a atenuação. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 11

Reflexões … n V = f(x-vt)+ g(x+vt) → interferência, distorção, ecos n Reflexões ocorrem sempre que uma onda propagante encontra um novo meio no qual a velocidade é diferente. q q Em meios óticos → mudança do índice de refração. Em linhas de transmissão → mudança abrupta na impedância característica de uma linha Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 12

Reflexões n “Terminando” um cabo q n Cabo de impedância característica Z terminado por uma resistência R (a impedância de entrada de algum aparelho eletrônico, por exemplo ) Conforme o sinal atravessa o cabo, a razão V/I deve ser sempre igual a Z por definição. Quando chega à interface, reflexões são formadas de modo a ajustar V/I para a nova impedância característica. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 13

Reflexões na interface (z = 0) Em geral Onde V(t) e I(t) são a tensão e a corrente transmitidos. A partir destas equações encontramos Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 14

Casamento de impedâncias n → n Casador de impedâncias (usualmente 50 ) q q Terminação em paralelo Terminação em série Exemplo: um sinal é enviado de um cabo coaxial de impedância Z 1 para outro cabo de impedância Z 2. Que tipo de terminação deve ser usado de modo a evitar reflexões? Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 15

Terminação em paralelo com a carga (shunt termination) n Se Z 1 < Z 2 Aqui a impedância que o cabo 1 vê deve ser reduzida. Isto implica que devemos adicionar uma resistência R em paralelo ao cabo A combinação deve ser igual à Z 1 = RZ 2/(R+Z 2) R = (Z 1 Z 2)/(Z 2 - Z 1) Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 16

Terminação em série com a carga n Se Z 1 > Z 2 A impedância vista pelo cabo 1 deve aumentar. Então somamos uma resistência R em série. Então Z 2 + R = Z 1 – Z 2 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 17

Perdas em cabos coaxiais n n Perdas de sinal são devidas à resistência (R) no fio condutor e perda através do dielétrico (G). Um terceiro fator, embora desprezível, é devido a perda por radiação eletromagnética. A blindagem dos cabos coaxiais minimiza bastante este efeito O efeito de R e G sobre a propagação do sinal pode ser visto retornando à e aplicando o sinal senoidal V=V(z) exp(i t) ao cabo, o que leva a Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 18

Perdas em cabos coaxiais n Em o número complexo, , é conhecido como a constante de propagação. A solução geral é então n n n é geralmente pequeno, de modo que a perda começa a ser um problema para cabos com algumas dezenas de metros. Há dependência de e da velocidade de fase v = d /d com a freqüência . Isto implica uma atenuação diferente nas componentes de freqüência que leva à dispersão do pacote de pulsos. há ainda uma dependência implícita devido ao fato que R e G também dependem de Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 19

Perdas em cabos coaxiais n n Para sinais com f = ( /2 ) 100 k. Hz, a velocidade é aproximadamente independente da freqüência (veja exercicio 7 da primeira lista), que por sorte é a região de interesse para pulsos rápidos (Fig. 7). Por outro lado, na região de altas freqüências, R começa a variar com através do skin effect. De fato, com o aumento de , a corrente começa a se localizar cada vez mais numa camada próxima à superfície do condutor. A área efetiva do condutor é então reduzida, aumentando a resistência. Para um cabo coaxial, resulta em uma resistência por unidade de comprimento que varia aproximadamente com a raiz quadrada da freqüência e inversamente com os raios internos e externos /comprimento onde é a condutividade, a permeabilidade, a e b os raios interno e externo do cabo. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 9 - 2007. 2 - IF - UFRJ 20