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Tópicos em Telecomunicações
Aulas 02 e 03
Conceitos Gerais (cont.)
Características gerais de comunicações segundo as faixas de frequências
Principais fenômenos associados à propagação
Equações de Maxwell
Onda plana
Essas duas faixas envolvem frequências entre 3kHz e 300kHz, sendo possível a propagação envolvendo ondas de superfície e ondas ionosféricas
Por causa dos valores pequenos de frequência da portadora, só é possível executar enlaces com informações que ocupem pequenas larguras de faixa
Emprega-se modulação analógica de amplitude
Possibilita longo alcance, quase que mundiais, por uma combinação entre as ondas de superfície e reflexões na ionosfera
Desvantagens
Captação de elevado ruído atmosférico Necessita de elevadas potências de radiação Custo
Aplicações restritas
Navegação aérea ou marítima
Comunicações com submarinos submersos Comunicações militares, etc.
Geralmente exigem antenas verticais
Monopolos com alimentação em paralelo em sua base Monopolos com carregamento capacitivo de topo
A faixa de ondas médias limita-se aos valores entre 300kHz e 3MHz
Comunicação por meio de ondas de superfície ou com reflexões na
ionosfera
Novamente, devido aos pequenos valores de frequência da portadora, só permite transmissão em faixas bem estreitas
Emprega-se modulação analógica de amplitude
Grandes distâncias são alcançadas com potência dos transmissores muito elevadas
Alcances maiores podem ser conseguidos por meio de ondas ionosféricas
São empregadas em algumas comunicações militares de pequeno alcance, em radiodifusão sonora, etc.
Na faixa de HF (3 MHz a 30 MHz) o mecanismo de propagação dominante é o da refração ionosférica, sendo que permanece ainda a presença da onda de superfície em regiões mais próximas do transmissor
Aplicações
Comunicações telefônicas de longo alcance
Conexões a longas distâncias entre navios e aviões Radiodifusão sonora
Serviços militares
Como há predominância da comunicação via ionosfera, a qualidade da transmissão fica dependendo diretamente das condições físicas dessa região da atmosfera
Os enlaces na faixa entre 30 MHz e 300 MHz envolvem as ondas espaciais e a propagação através da troposfera
Haverá uma marcante influência das variações do índice de refração com a altura, com a temperatura e com a umidade relativa
É possível construir antenas com ganhos mais elevados e eficiências maiores do que nas faixas inferiores
A transmissão pode ser concretizada com níveis de potência menores do que os empregados nas faixas de LF, MF e HF
Aplicações
Difusão de TV
Radiodifusão sonora em frequência modulada (com faixa reservada entre 88
MHz e 108 MHz)
Auxílio a radio navegação
As comunicações entre 300MHz e 3GHz podem ser feitas por ondas espaciais, incluindo as contribuições da onda direta com a onda refletida no solo
A própria terra pode se constituir como um obstáculo a ser contornado, devido à sua curvatura.
É possível construir antenas de ganho elevado, permitindo transmissores de menor potência
A atenuação do enlace cresce com a frequência, mas a possibilidade de uso de antenas de alto ganho pode compensar (parcialmente) a redução do nível do sinal que chega ao receptor
Aplicações
Difusão de TV Radar
Comunicações por satélite Telefonia celular
A faixa de microondas entre 3 GHz e 30 GHz há tempos está muito utilizada
Existem inúmeras aplicações
sistemas de comunicações terrestres sistema de telefonia por satélite
recepção doméstica de TV via satélite
radares militares, radares de auxilio a radio navegação, radares de estrada para fiscalização de velocidade, e nas mais diferentes aplicações para fins civis e militares
Sistemas PDH e SDH
WiMAX
A perda por espalhamento é elevada, mas pode ser compensada com o
uso de antenas de elevadíssimo ganho
Em frequências acima de 8GHz a umidade da atmosfera tem papel
Os fenômenos mais importantes associados à propagação das ondas eletromagnéticas são:
Atenuação do espaço livre
Reflexão na superfície do solo, em obstáculos e em elevações Bloqueio por obstáculos
Difração por obstáculos e pela superfície da Terra
Atenuação pelos gases da atmosfera, incluindo o vapor d’água Refração na troposfera e na ionosfera
Efeitos da precipitação pluviométrica na troposfera Efeitos resultantes da anisotropia da ionosfera
Deve-se prever que todos estes fenômenos são dependentes da
frequência
Problemas oriundos das características da troposfera tornam-se mais
evidentes à medida que a frequência aumenta
As influências da ionosfera decrescem substancialmente à medida que a
A presença da chuva na atmosfera tem efeito considerável sobre diversas características de propagação, incluindo a polarização da onda eletromagnética
Como as gotas de água não têm formato perfeitamente esférico e sua
constante dielétrica é muito elevada, para cumprir as condições de contorno entre a água e o ar terão de ocorrer mudanças na direção do campo elétrico da onda transmitida
.
D
0.
E
E D 0 m F 12 0 8,854 10 H B 0 m
H
7 04
10
t
B
E
0
.
B
1. Lei de Gauss para o campo elétrico
2. Lei de Gauss para o campo magnético
3. Lei de Faraday
As equações de Maxwell descrevem o comportamento dos campos elétrico e magnético, bem como suas interações com a matéria.
As quatro equações de Maxwell expressam
como cargas elétricas produzem campos elétricos (Lei de Gauss), a ausência experimental de cargas magnéticas,
como a corrente elétrica produz campo magnético (Lei de Ampère),
como variações de campo magnético produzem campos elétricos (Lei da
Propagação no espaço livre ou no vácuo:
J
0
t
H
E
0
t
E
H
0
Se tomarmos o rotacional de
, temos:
Suponha um campo vetorial
, tal que:
2 2 0 0 0
t
E
H
t
E
E
A
k
A
j
A
i
A
A
x
y
z
Sabemos que
z y xA
A
A
z
y
x
k
j
i
A
xA
yA
zz
y
x
A
,
,
,
,
k
y
A
x
A
j
x
A
z
A
i
z
A
y
A
A
x y
x z
y x
Se “substituirmos” o campo vetorial pelo termo temos, de maneira análoga ao produto vetorial do slide anterior:
E
xE
yE
zz
y
x
k
j
i
E
A E Tomando apenas a componente do resultado do determinante anterior, temos:
x
zE
yz
E
y
E
i
Desenvolvendo a equação,
x
E
z
E
z
y
E
x
E
y
E
x y x x zz
x
E
z
E
y
x
E
y
E
x y x z
2 2 2 2 2 2
E
E
xx
2
Assim,
x
E
E
xx
E
2
y
E
E
yy
E
2
z
E
E
zz
E
2
E
E
E
2
No vácuo ou no espaço livre,
Assim, o divergente do campo elétrico vale zero, ou seja,
Portanto,
0
0
E
E
E
E
E
2
2
Havíamos mostrado que
Assim,
Consequentemente,
2 2 0 0t
E
E
2 2 0 0 2t
E
E
2 2 0 0 2t
E
E
Equação da onda
Existem muitas solução para as Equações de Maxwell
Todas estas soluções representam campos que podem ser reproduzidos
na prática
E todos podem ser representados como uma soma de ondas planas, que
Os campos elétrico e magnéticos são perpendiculares entre si e em relação a direção de propagação da onda
A direção de propagação da onda é ao longo do eixo z
O vetor nesta direção é o chamado vetor propagação ou vetor de Poynting
Os dois campos estão em fase em qualquer ponto no tempo e no espaço
Suas magnitudes são constantes no plano xy, e uma superfície de fase constante (frente de onda) forma-se no plano xy, resultando na
O campo elétrico oscilante produz um campo magnético, que por sua vez oscila para recriar um campo elétrico, e assim por diante , em concordância com as Equações de Maxwell
Essa interação entre os dois campos armazena energia e, portanto,
fornece força ao vetor de Poynting
Variação nas propriedades da onda (amplitude, frequência ou fase)
permite que informações sejam transportadas por ela, entre o transmissor e o receptor, que é o principal objetivo dos sistemas de comunicações sem fio
O campo elétrico pode ser escrito como
Similarmente, o campo magnético pode ser escrito como
Em ambas equações, assumiu-se que o meio é sem perdas
Portanto, permanece constante com a distância
Nota-se que a onda varia de forma senoidal no tempo e no espaço
Muitas vezes é conveniente representar a fase e a amplitude da onda usando expressões complexas
x
z
t
E
E
0cos(
)
ˆ
y
z
t
H
H
0cos(
)
ˆ
j
t
z
y
H
H
0exp
(
)
ˆ
j
t
z
x
E
E
0exp
(
)
ˆ
As equações anteriores satisfazem as equações de Maxwell, desde que a razão entre as amplitudes de campo seja uma constante para um determinado meio
onde Z é a impedância da onda e sua unidade é ohms
No espaço livre, r=r=1, e a impedância da onda é calculada como
Assim, no espaço livre ou em qualquer meio uniforme, é suficiente
indicar uma porção de campo único, juntamente com Z, a fim de se especificar o campo total de uma onda plana
Z
H
E
H
E
H
E
y x
0 0
120
377
0 0 0
Z
Z
O vetor de Poynting S, medido em Watt por metro quadrado, descreve a magnitude e a direção do fluxo de potência transportado pela onda por metro quadrado de área, paralelo ao plano xy
Seu valor instantâneo é dado por
Normalmente, apenas o tempo médio do fluxo de potência ao longo de
um período é motivo de interesse
O vetor direção enfatiza que E, H e Sav formam um conjunto da regra da mão direita *
H
E
S
z
H
E
S
avˆ
2
1
0 0
Até agora, apenas meios sem perdas foram considerados
Quando o meio tem condutividade significativa, a amplitude da onda
diminui com a distância percorrida pelo meio
A energia da onda é removida e convertida em calor, então as equações complexas de campos elétrico e magnético são então substituídas por
A constante é definida como constante de atenuação, com unidade m-1
Depende da permeabilidade e da permissividade do meio, da frequência da
onda, e da condutividade do meio , cuja unidade é siemens por metro
Juntos, , , e são conhecidos como parâmetros de condutividade do meio
j
t
z
z
y
H
H
0exp
(
)
ˆ
j
t
z
z
x
E
E
0exp
(
)
ˆ
Como consequência, a intensidade do campo (elétrico e magnético) diminui exponencialmente à medida que a onda viaja através do meio
1. Uma onda plana polarizada linearmente em 900MHz propaga-se na direção positiva z em um meio como os seguintes parâmetros constitutivos: r =1, r = 3 e = 0,01 S/m. A magnitude o campo elétrico em z = 0 é 1 V/m. Calcule:
a) A impedância da onda
b) A magnitude do campo magnético em z = 0
c) A potência média disponível em 0,5m² de área perpendicular à
direção de propagação em z = 0
1. Uma onda plana polarizada linearmente em 900MHz propaga-se na direção positiva z em um meio como os seguintes parâmetros constitutivos: r =1, r = 3 e = 0,01 S/m. A magnitude o campo elétrico em z = 0 é 1 V/m. Calcule:
a) A impedância da onda. Resp.: 218
b) A magnitude do campo magnético em z = 0 . Resp.: 4,6mA/m
c) A potência média disponível em 0,5m² de área perpendicular à
direção de propagação em z = 0. Resp.: 1,15mW
d) O tempo necessário para a onda percorrer 10 centímetros.
Desafios atuais e futuros das
comunicações sem fio
As comunicações sem fio garantiram um nicho privilegiado no mercado mundial das telecomunicações e um crescimento vertiginoso nos últimos tempos
As novas gerações de sistemas trazem propostas ousadas, com altas
taxas de transmissão integrando voz, dados e imagem
Em vista do acelerado avanço tecnológico, vislumbra-se uma rede sem fio global e convergente, provendo as mais remotas localidades de uma ampla gama de serviços, com flexibilidade e transparência para os diversos tipos de usuários
Propagação multipercurso Limitações de espectro Limitações de energia Mobilidade do usuário Taxa Latência Interoperabilidade Capacidade do canal Segurança
