Universidade Federal Fluminense
Escola de Engenharia
Curso de Graduação em Engenharia de
Telecomunicações
Danilo Resende Rosmaninho
Estudo de recepção de sinal de TV digital em Niterói
Niterói – RJ
2019
Danilo Resende Rosmaninho
Estudo de recepção de sinal de TV digital em Niterói
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Teleco-municações da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do Grau de Engenheiro de Telecomunicações.
Orientador: Prof. Tadeu Nagashima Ferreira
Co-orientador: Prof. Pedro Vladimir Gonzalez Castellanos
Niterói – RJ 2019
Danilo Resende Rosmaninho
Estudo de recepção de sinal de TV digital em Niterói
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Teleco-municações da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do Grau de Engenheiro de Telecomunicações.
Aprovada em 10 de dezembro de 2019.
BANCA EXAMINADORA
Prof. Tadeu Nagashima Ferreira - Orientador Universidade Federal Fluminese - UFF
Prof. Pedro Vladimir Gonzalez Castellanos - Co-Orientador Universidade Federal Fluminese - UFF
Profa. Leni Joaquim de Matos Universidade Federal Fluminese - UFF
Prof. Maurício Weber Benjó da Silva Universidade Federal Fluminese - UFF
Niterói – RJ 2019
iv
Resumo
A coleta e análise de dados de recepção e transmissão de sinais são duas das principais atividades dos profissionais e estudiosos de telecomunicações. Por esse processo, é pos-sível conhecer como um determinado sistema de propagação de sinais se comporta num determinado ambiente. Esse conhecimento pode ser tanto usado para avaliar e qualificar sistemas já existentes, como usado de base para a construção de sistemas futuros.
Inicialmente, o trabalho se propõe a apresentar de forma elaborada boa parte da história dos elementos que compõem um sistema de tv digital terrestre. Passando pelas antenas de transmissão e recepção, por vários conceitos teóricos e tecnológicos relacionados à propagação de sinais, chegando até aos próprios televisores, responsáveis por apresentar tais sinais em suas formas decodificadas em áudio e imagem.
Será então apresentado em detalhe o experimento realizado por Daniel C. Vidal, no qual o mesmo realiza uma série de medidas de sinal de TV digital nos bairros de São Francisco (Niterói-RJ) e Icaraí (Niterói-RJ), onde, com aparelhos de medição apropriados, foi possível medir a potência de recepção de várias emissoras de televisão em diferentes pontos dos dois bairros, com o objetivo de avaliar tais sinais e estudar o cenário atual de transmissão de TV digital nessa região.
Por fim, os dados do experimento mencionado serão analisados, utilizando-se de técnicas de análise de dados para processar tais dados e compará-los com modelos teóri-cos de propagação de sinais bem estabelecidos na academia, permitindo assim conhecer melhor o cenário de recepção de sinal digital em Niterói.
Palavras-chave: Transmissão de sinal, Telecomunicações, Sinal, Sinal Digital, Te-levisão, TV, Medições, Niterói, MatLab.
Abstract
The collection and analysis of data from reception and transmission of signals are two of the main activities of professionals and scholars of telecommunications. Through this process, it’s possible to recognize how a certain signal propagation system behaves in a certain environment. This knowledge can be used to evaluate and qualify existing systems as well as be used as a base for building future systems.
Initially, the current work propose itself to present in an elaborated way a good portion of digital tv system elements’ history. Talking about the transmission and re-ception antennas, various theoretic concepts and technologies related to terrestrial signal propagation and the televisions itself are responsible for presenting the signals in their decoded form of audio and image.
Then, it is presented in detail an experiment by Daniel C. Vidal on which were made a series of digital TV signal measurements on the neighborhood of São Francisco (Niterói-RJ) and Icaraí (Niterói-RJ), where, using appropriate measure equipment, it became possible to measure the power of reception of various TV channels in different points of the two neighborhoods, with the objective of evaluate given signals and study the current scenario of digital TV signal transmission in that region.
At last, such experiment data will be analysed, using data analysis techniques to process the data and compare them to academically well established signal propagation theoretic models, so that we can better know Niterói’s digital signal reception scene.
Keywords: Signal transmission, Telecommunications, Signal, Digital Signal, Tele-vision, TV, Measurements, Niterói, Matlab.
vi
"Para se realizar grandes feitos, é necessário duas coisas: um plano, e tempo insuficiente." - Leonard Bernstein.
Agradecimentos
Agradeço aos professores Tadeu Nagashima Ferreira e Pedro Vladimir Gonzalez Castel-lanos por estarem sempre disponíveis e dispostos a ajudar, me guiando e me orientando em momentos de dificuldade.
Agradeço ao pesquisador Daniel da C. Vidal, que tornou o atual trabalho possível por meio do seu trabalho de medição e apuração dos dados aqui utilizados, além da sua dis-ponibilidade para eventuais esclarescimentos.
Agradeço a Brenda Albuquerque, minha companheira que sempre esteve ao meu lado, me apoiando e me ajudando diretamente com a produção do atual trabalho.
Por fim, agradeço à minha família por me apoiar em todo o trajeto que me trouxe até aqui, possibilitando a criação deste trabalho.
Lista de Figuras
2.1 Diagrama esquemático de um iconoscópio [1] . . . 4
2.2 Manchete de jornal sobre o primeiro programa de televisão [2] . . . 5
2.3 Primeira transmissão da TV Tupi em 1950 [2] . . . 6
2.4 Diagrama de funcionamento de um Display de Cristal Líquido. [3] . . . 8
2.5 Resoluções mais utilizadas nos padrões de televisão [4] . . . 9
2.6 Diagrama indicando como a ortogonalidade entre as portadoras impede a interferência intersimbólica [8] . . . 11
3.1 Guglielmo Marconi, o inventor do primeiro modelo de aparelho de rádio [2] 13 3.2 Imagem da primeira transmissão de rádio do mundo, pela 8MK [2] . . . 14
3.3 Tabelas exemplificando uma aplicação do código de Huffman [5] . . . 15
3.4 Ilustração de uma antena Yagi-Uda [7] . . . 17
3.5 Ilustração de uma antena log-periódica [7] . . . 17
3.6 Ilustração de uma antena painel com quatro dipolos [7] . . . 18
3.7 Ilustração de uma antena parabólica de grande porte [8] . . . 19
3.8 Diagrama de funcionamento de um sistema de comunicação [7] . . . 19
3.9 Diagrama das principais ondas presentes em uma transmissão em espaço livre [10] . . . 23
3.10 Experimento de Thomas Young demonstrando a interferência entre fontes secundárias [9] . . . 24
3.11 Diagrama de uma comunicação via onda difratada [9] . . . 25
3.12 Ilustração da primeira zona de Fresnel em um sistema de transmissão [8] . 26 3.13 Parâmetros Garea e A(f, d) do modelo de Okumura [11] . . . 30
4.1 Esboço da Zona de Fresnel do experimento estudado . . . 33
4.2 Pontos medidos em Icaraí . . . 36
4.3 Pontos medidos em São Francisco e Legenda . . . 36
5.1 Valores iniciais para potência da emissora SBT . . . 41
5.2 Previsão do modelo de espaço livre para o cenário estudado . . . 42
5.3 Comparação dos dados coletados com o modelo de espaço livre . . . 43
5.4 Pontos com média móvel aplicada . . . 45
5.5 Previsão do modelo de Okumura para o cenário estudado . . . 47
5.6 Comparação dos pontos coletados com o modelo de Okumura . . . 48
5.7 Valores de Perda de Potência em função do ambiente . . . 50
5.8 Ajuste de curva dos dados em espaço livre . . . 53
5.9 Ajuste de curva dos dados em denso urbano . . . 54
x
Lista de Tabelas
3.1 Valores de n no Modelo Log-Distância [11] . . . 28 4.1 Características das Antenas Transmissoras de TV . . . 35 4.2 Característica dos pontos de Icaraí . . . 35
Conteúdo
Resumo iv Abstract v Agradecimentos vii Lista de Figuras ix Lista de Tabelas x 1 Introdução 1 1.1 Motivação . . . 2 1.2 Objetivo . . . 2 2 Conceitos de Televisão 3 2.1 História da Televisão . . . 32.2 Tecnologias atuais de televisão e teledifusão . . . 7
2.2.1 TV de LED . . . 7
2.2.2 TV HD . . . 9
2.2.3 TV com padrão SBTVD . . . 10
3 Conceitos de Propagação de Sinais 12 3.1 A história da pesquisa sobre propagação . . . 12
3.2 Tecnologias em antenas de transmissão . . . 16
3.2.1 Antena Yagi-Uda . . . 16
3.2.2 Antena Log-Periódica . . . 17
3.2.3 Antena Painel Dipolos . . . 18
3.2.4 Antena Parabólica . . . 18 xi
xii
3.2.5 Estações Rádio Base . . . 19
3.3 Elementos da propagação de ondas eletromagnéticas . . . 20
3.3.1 Componentes da Atenuação do Sinal . . . 20
3.3.2 Zona de Fresnel . . . 25
3.4 Modelos de Previsão em Propagação . . . 27
3.4.1 Modelo de Propagação em Espaço Livre . . . 27
3.4.2 Modelo Log-Distância . . . 28 3.4.3 Modelo de Okumura . . . 29 4 O Experimento 31 4.1 Características de transmissão . . . 31 4.2 Metodologia de recepção . . . 33 4.3 Resultados . . . 35
5 Estudo dos Resultados 38 5.1 Conceitos de Análise de Dados . . . 38
5.2 Análise de resultados . . . 41
5.2.1 Aplicação de Modelos Teóricos . . . 42
5.2.2 Análise empírica dos dados . . . 49
6 Conclusão 56
Referências Bibliográficas 57
Capítulo 1
Introdução
A televisão digital chega no Brasil no fim de 2007 e trata-se de todo o conjunto de tecnologias de transmissão de sinal digital aplicado à televisão. Logo, por ser digital, traz consigo várias vantagens em relação à televisão tradicional. Entre elas, estão uma maior resistência a ruído, um uso mais eficiente do espectro de frequências, entre outras. Todas essas características têm um resultado bem evidente para o consumidor: um sinal de maior qualidade visual e sonora sendo recebido nos aparelhos de televisão.
No Brasil, usa-se o padrão de TV digital SBTVD (Sistema Brasileiro de Televisão Digital), um padrão desenvolvido no Brasil a partir do sistema de televisão digital japonês, e hoje é utilizado pela maioria dos países da America Latina e alguns outros ao redor do mundo, iniciando-se em 2007 em São Paulo, ganhando presença na maioria das cidades grandes brasileiras em 2010.
Em cima dos padrões desse serviço, as emissoras de televisão junto da ANATEL entram num processo de converter toda a rede de transmissão para esse novo modelo. Essas redes são compostas por vários componentes como multiplexadores, amplificadores, moduladores, entre outros. Mas eventualmente se resumem a antenas de transmissão que têm como objetivo transmitir o sinal resultante de todo o processo anterior dessa rede.
Para dimensionar essas antenas, usam-se modelos teóricos que nos apontarão uma área de cobertura em função de características físicas como formatos de antenas, potência de transmissão, altura em relação ao solo, entre outros. Esses modelos são estudados, testes são feitos e as antenas são devidamente dimensionadas.
2
1.1
Motivação
Atualmente, os Sistemas de TV Digitais estão em evidência no mercado brasileiro, com a implementação de tais sistemas sendo ampla pelo território nacional. Uma parte consi-derável do país já possui acesso a canais digitais, porém ainda existe um longo caminho para tais canais estarem presentes no país inteiro, com muitos desafios pela frente até se alcançar esse objetivo.
Para avaliar o desempenho desses sistemas de transmissão, é possível medir dados relacionados à potência de transmissão, potência de recepção, características do ambiente e especificações técnicas dos equipamentos utilizados. Com esses dados em mãos, somos capazes de analisar qual modelo teórico melhor representa o sistema avaliado, e o quão próxima a estimativa teórica se aproxima dos dados empíricos coletados.
Por meio desse tipo de análise, é possível entender melhor como funciona na prática sistemas de transmissão de sinais. Pode-se deparar com os vários obstáculos de se com-parar um resultado teórico com um empírico e buscar soluções para diferentes problemas que costumam surgir em situações práticas de medições em telecomunicações.
1.2
Objetivo
Apresentar conceitos de propagação de sinais, analisar dados previamente coletados de alguns sistemas de transmissão de TV Digital que cobrem os bairros Icaraí e São Francisco da cidade de Niterói e avaliar a qualidade desses sistemas.
Capítulo 2
Conceitos de Televisão
Quando se fala de televisão, normalmente refere-se a um conjunto de tecnologias de trans-missão e recepção de imagem e som em tempo real. Essas tecnologias envolvem técnicas de captação de vídeo, tecnologias de processamento como codificação, compressão, cor-reção de erros, além de tecnologias de transmissão, por meio de antenas, e de recepção, chegando aos famosos televisores.
Sendo assim, para entender os conceitos de um sistema de televisão, é preciso conhecer as diversas tecnologias que o compõem e como eles trabalham juntos. Nesse capítulo, abordaremos os conceitos específicos de televisão.
2.1
História da Televisão
A televisão, de certa forma, pode ser vista como uma evolução do rádio. Enquanto os sistemas de rádio convertem som em ondas eletromagnéticas e os transmitem pelo ar, para serem reconvertidos em som uma vez que alcance seu receptor destino, os sistemas de televisão analógica fazem o mesmo com som e imagem sincronizados, o vídeo. Para que isso seja possível, é necessário o uso dos mesmos sistemas de captação e conversão de áudio que usa-se no rádio, mas também um novo sistema de captação e conversão de imagem.
Começamos nossa análise histórica em 1873. Esse é o ano em que Willoughby Smith, um engenheiro elétrico inglês, descobre que a resistência elétrica do elemento químico Selênio varia drasticamente de acordo com a quantidade de luz a qual ele está exposto, um material com propriedade fotoelétrica. [6] Materiais com essa propriedade
4 serão usadas para a produção de células fotoelétricas, essenciais para os aparelhos de televisão.
Já em 1897, o inventor Karl Ferdinand Braun cria um dispositivo que virá a ser chamado de tubo de raios catódicos. Esse dispositivo originalmente criado para o estudo da eletrostática, consiste de um conjunto de canhões de elétrons direcionados a uma tela fluorescente. Os canhões de elétron produzem um feixe de elétrons que podem ser controlados de forma precisa. Ao colidir com a tela fluorescente, o feixe de elétrons iluminava o ponto de colisão. [1]
Á medida em que o estudo da eletrostática progrediu, percebeu-se que esses fei-xes poderiam ser manipulados de tal forma que, ao colidir com a tela, formava-se uma imagem. Obteve-se, então, uma forma viável de transformar eletricidade em uma ima-gem visível. Um dos primeiro aparelhos criados para esse propósito foi o iconoscópio, do russo Vladimir Zworykin, em 1923. Esse dispositivo era capaz de preencher um mosaico de células fotossensíveis de forma muito rápida. Cada vez que o mosaico era preenchido, tinha-se uma imagem, ou frame, que era rapidamente repreenchido para formar a próxima imagem, dando a impressão de movimento.
Figura 2.1: Diagrama esquemático de um iconoscópio [1]
Em 1928, nos Estados Unidos, foi fundada a primeira emissora de televisão do mundo, a W2XB, que se tornou mais popularmente conhecida por WGY Television, em Nova Iorque. A transmissão era feita via broadcast com frequência central de 790 kHz e nessa época começam a surgir antenas híbridas com adaptações específicas para a melhor
transmissão de sinais de televisão.
Figura 2.2: Manchete de jornal sobre o primeiro programa de televisão [2]
Em 1935, na Inglaterra, a estação de televisão Alexandra Palace já era capaz de fazer transmissões de broadcast de televisão num raio de até 56 quilômetros, alcançando cerca de 2000 residências. Porém, cada aparelho televisor possuía um custo de 100 euros. Na época, essa quantia era o equivalente ao custo de um pequeno carro.
Durante os anos de 1939 até 1945, tivemos a segunda guerra mundial. Durante esse período, por mais que tenha existido um grande crescimento das telecomunicações como um todo, graças às diversas aplicações dessa área num contexto de guerra, a transmissão de televisão sofreu uma estagnação, já que esse tipo de transmissão em particular deixou de ser o foco dos países que estavam na vanguarda do desenvolvimento tecnológico mundial. Já em 1950, ocorre a primeira transmissão de vídeo no Brasil pela TV Tupi-Difusora, sediada na cidade de São Paulo. Naturalmente, a transmissão alcançou um número restrito de 500 aparelhos receptores na cidade. Mas o crescimento foi tamanho
6 que em três meses esse número já alcançava mais de 2000 aparelhos.
Figura 2.3: Primeira transmissão da TV Tupi em 1950 [2]
Já em 1963, surge o sistema de codificação PAL, que é a sigla para Phasing Al-ternating Line. Com o uso desse sistema, passou a se tornar mais viável a transmissão de vídeo colorido. Isso porque o PAL invertia, a cada linha que fosse preenchida no mo-saico de células fotossensíveis, a fase de parte das informações associadas à cor no sinal transmitido, o que era usado para corrigir possíveis erros de transmissão. Além disso, esse sistema analógico modula o sinal usando uma subportadora modulada em amplitude. A função da subportadora era de carregar a informação referente à crominância do sinal, ou a informação referente à cor, que era adicionado ao sinal de vídeo de luminância, referente à intensidade luminosa, formando um sinal de banda base de vídeo composto.
Em 1974, temos a primeira copa do mundo transmitida a cores em território brasi-leiro. Nesse momento, com o surgimento de televisões com circuitos que possuem transis-tores substituindo as válvulas, os televisores se tornaram mais compactos e mais acessíveis para o público geral. Estima-se que, nessa época, os televisores já se encontravam em 320 mil residências brasileiras.
Nos anos 90, se popularizou o modelo de TV de Plasma. Essas telas eram com-postas por pequenas células revestidas de fósforo, que por sua vez continham diferentes gases nobres. Ao ser ionizado pela corrente elétrica, essas células emitiam luz de diferentes intensidades e cores, funcionando como lâmpadas fluorescentes microscópicas. Esse mo-delo de televisor possuía uma tela plana, e a nova tecnologia possibilitava uma resolução muito maior do que a TV de tubo, sendo os modelos mais robustos capazes de alcançar resoluções muito mais altas que seus antecessores.
Surgem no início dos anos 2000 os televisores de LCD e LED. o LCD é uma tecno-logia que consiste de uma camada de moléculas, chamada de cristal líquido, contida entre dois eletrodos. A tensão elétrica entre os eletrodos é determinada de forma a polarizar eletricamente as moléculas do cristal líquido. A polarização do cristal líquido gera o efeito luminoso que cria a imagem na tela. Em seguida, temos a LED TV, que adicionam diodos emissores de luz (LED) atrás de um painel LCD para melhorar a qualidade da imagem.
Temos então uma visão histórica de como os aparelhos televisores evoluiram tec-nologicamente no decorrer dos anos. Essas tecnologias caminharam juntas com inúmeras outras tecnologias de outros campos, dos quais a televisão é intimamente dependente. São essas outras tecnologias que veremos a seguir.
2.2
Tecnologias atuais de televisão e teledifusão
Na data da publicação deste trabalho, um grande número de lojas de eletro-eletrônicos indicam como modelos de televisores mais vendidos, aqueles que possuem as seguintes características: de LED, HD e com padrão SBTVD. Veremos agora com mais detalhes o que isso significa.
2.2.1
TV de LED
Um televisor pode ser dividido em duas partes: a sua fonte de luz e o seu visor. O televisor comercialmente chamado TV de LED possui o mesmo visor que um televisor de LCD, alterando apenas a sua fonte de luz. Enquanto um televisor LCD usa como fonte de luz um CCFL (Cold Cathode Flourescent Lamps), um televisor de LED utiliza como fonte de luz um painel de LED.
Logo, para explicar o que é uma TV de LED, precisamos entender o que é um display de LCD e qual é a diferença de um painel de LED para um de CCFL.
De forma simplificada, um display de cristal líquido, ou LCD, é composto por milhares ou até milhões de pixels. Um pixel, por sua vez, é dividido em três subpixels. Cada subpixel será responsável por uma das três cores do sistema RGB, que combina as cores vermelho, verde e azul para formar todo o espectro colorido exibido em uma imagem. Um filtro de cor posicionado na camada final do subpixel definirá qual cor ele representa. Com exceção desse filtro de cor, todos os subpixels funcionarão da mesma
8 forma.
Um subpixel é envolto por dois polarizadores de luz perpendiculares. Logo, por padrão, eles bloqueiam toda a luz, já que a luz que atravessar o primeiro filtro será bloqueada ao incidir perpendicularmente no filtro consecutivo. Então coloca-se entre esses dois filtros uma camada de cristal líquido. O cristal líquido está na chamada fase nemática, um estado físico entre o sólido e o líquido com a propriedade de poder facilmente reorganizar suas moléculas, por meio de estímulos elétricos. Essa propriedade da fase nemática faz com que, ao atravessá-lo, a luz possa ser repolarizada. Então, dois eletrodos são colocados entre os filtros e a camada de cristal líquido para que, de acordo com a tensão entre os eletrodos, o estado do cristal líquido seja controlado, e a polarização da luz mude por consequência. Assim, de forma indireta, controlando eletricamente se há ou não passagem de luz pelo sistema.
Figura 2.4: Diagrama de funcionamento de um Display de Cristal Líquido. [3] Agora, para a fonte de luz, temos no caso dos televisores de LCD tradicional, o CCFL (Cold-Cathode Fluorescent Lamp) e o LED (Light-Emitting Diode).
CCFLs são lâmpadas flourescentes tradicionais. Elas têm a característica de não depender do aquecimento de um filamento para a emissão de luz, como no caso das lâmpadas incandescentes, mas o uso desses tubos como luz de fundo em um televisor possui vários problemas. Entre eles, o alto consumo de eletricidade e o espaço ocupado.
como gera uma qualidade de imagem superior, dado que existe a possibilidade da intensi-dade da luz de cada LED individualmente. Por fim, lâmpadas de LED tendem a ter uma vida útil maior que lâmpadas flourescentes.
2.2.2
TV HD
Full HD é uma característica da resolução do televisor. Essa resolução depende de dois fatores: o número de pixels que um televisor possui e a forma como é realizada o preen-chimento dos pixels na tela. Os dois fatores são indicados pela nomenclatura 1280x720p.
Figura 2.5: Resoluções mais utilizadas nos padrões de televisão [4]
Nessa caso, existe uma proporção de 16:9, característico de HDTV. Essa proporção é normalmente se referido como widescreen. Logo, o retângulo formado pelo monitor possui 1280 pixels de base e 720 de altura, resultando quase um milhão de pixels.
O ’p’ da nomenclatura significa varredura progressiva. A varredura progressiva significa que as linhas 720 linhas de imagem serão preenchidas de forma progressiva, um de cada vez de forma sequencial [4].
Em contraste, a outra forma de varredura é a entrelaçada, que divide as linhas em linhas pares e ímpares e faz duas varreduras, sendo cada varredura responsável pelo preenchimento de um grupo de linhas. A representação da varredura entrelaçada é pela letra ’i’ na nomenclatura.
10 exemplo, bitrate e a taxa de quadros.
O padrão de taxa de quadros no cinema e em programas de televisão é de 24 quadros por segundo. Porém, é comum encontrar vídeos gravados a 50 ou 60 quadros por segundo, principalmente na Internet.
Por fim, o bitrate normalmente reflete o quanto um arquivo foi comprimido para o seu envio. Nele, leva-se em consideração a amostragem da imagem, a profundidade da cor e a taxa de quadros. Os vídeos com maior bitrate que a população costuma consumir, é dos discos blu-ray, com 30 quadros por segundo e profundidade de cor de 24 bits.
2.2.3
TV com padrão SBTVD
SBTVD é a sigla para o Sistema Brasileiro de Televisão Digital. Logo, quando falamos desse padrão, estamos nos referindo ao padrão de teledifusão para o qual o televisor está preparado. O SBTVD é o padrão digital brasileiro que é uma modificação do padrão japonês, sendo também amplamente adotado em vários outros países da América do Sul. A seguir serão listadas algumas características do padrão SBTVD:
O padrão SBTVD usa modulação BSTOFDM (Band Segmented Transmission -Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Temos então uma multiplexação por divisão de frequências ortogonais.
Na OFDM, como demonstrado na figura 2.6, temos um número de portadoras em frequência, com um espaçamento equivalente ao inverso da duração do símbolo. Essa relação de espaçamento garante que as portadoras sejam ortogonais. Assim, para uma frequência central de uma portadora qualquer, haverá um único sinal com potência dife-rente de zero em tal frequência. Especificamente, no SBTVD, divide-se a banda útil do canal, de 5,570 MHz, em 13 partições de 428,5 kHz cada uma.
A principal vantagem do uso dessa modulação é a resistência a distorções por multipercurso, que é uma distorção muito presente em ambientes de densidade urbana alta. Além disso, é uma modulação que se adequa bem a altas atenuações, especial-mente presentes em altas frequências somado a um longo percurso, condições comuespecial-mente encontradas em teledifusão digital.
O padrão SBTVD faz uso da faixa de frequências de 470 MHz a 698 MHz. A partir da aplicação da teledifusão digital no Brasil, foi possível abrir mão do uso das frequências acima de 700 MHz para as suas transmissões. Com isso, as faixas de frequência de 700
Figura 2.6: Diagrama indicando como a ortogonalidade entre as portadoras impede a interferência intersimbólica [8]
MHz até 800 MHz, que antes eram usadas para TV analógica, passam a ser leiloadas para outros propósitos, como o 5G.
No Brasil especificamente, a Anatel então passa a destinar um total de 38 canais para a teledifusão. São eles os canais de 14 a 51, com exceção do canal 37 que é usado para radioastronomia. Cada canal possui uma faixa total de 6 MHz, totalizando 228 MHz de banda total. Utiliza compressão de vídeo MPEG-4. A principal ferramenta de compressão do MPEG (Moving Pictures Experts Group) é a redundância temporal e espacial.
Na redundância temporal, aproveita-se a similaridade entre dois quadros sucessivos. O algoritmo de compressão analisa o que mudou de uma imagem para outra, e envia apenas a informação que foi alterada. Assim, reduz-se muito o tamanho do arquivo total. A redundância espacial analisa a semelhança entre pixels adjacentes. Caso dois pixels adjacentes sofram alterações de cor muito pequenas, como um céu azul no fundo da imagem que possui mínimas variações de cor no decorrer do vídeo, a informação sobre a alteração não é enviada, e mantém-se a cor do quadro passado.
A aplicação desses algoritmos diminui consideravelmente o tamanho dos dados que são transmitidos, possibilitando a teledifusão em HD.
Capítulo 3
Conceitos de Propagação de Sinais
Propagação de sinais é um ramo extenso de estudo em telecomunicações que abrange tudo o que envolve a transmissão e recepção de um sinal carregado por uma onda ele-tromagnética que se propaga no espaço livre. A transmissão de dados via espaço livre é amplamente utilizada ao redor do mundo, estando presente pelo menos parcialmente na maioria dos sistemas de comunicação a longa distância. Nesse capítulo, abordaremos aquelas tecnologias que tornam tais transmissões possíveis.
Ao estudar propagação de sinais, estamos interessados em entender como um sinal se comporta ao atravessar o espaço livre. Temos uma antena transmissora, que emite um sinal, e a receptora, que recebe esse sinal. Ao estudar propagação, estudamos o que acontece no meio desse caminho. Vemos quais obstáculos esse sinal encontrará e as diversas alterações que esse sinal sofrerá. Nesse capítulo, veremos modelos teóricos e soluções práticas para uma propagação eficiente de sinal, mesmo na presença de tais obstáculos.
3.1
A história da pesquisa sobre propagação
Para que haja comunicação sem fio é preciso enviar um sinal em forma de onda eletro-magnética em um meio, normalmente o ar. E, curiosamente, a descoberta das ondas eletromagnéticas foi feita poucos anos antes da invenção do rádio, o primeiro aparelho de comunicação a usar a propagação via espaço livre. Logo, nosso ponto de partida para a contextualização histórica será justamente essa primeira descoberta.
ele-tromagnéticas. Ele usa como base as famosas equações de Maxwell, que descreviam teori-camente o que seriam ondas eletromagnéticas. Hertz então desenvolveu um experimento demonstrando que, de fato, a força eletromagnética era, na verdade, uma onda eletro-magnética que compartilhava as características da luz, como velocidade de propagação, reflexão, refração, entre outras.
Graças a essa nova descoberta, foi possível começar a pesquisar a possibilidade de se construir telégrafos que se comunicavam sem a necessidade de estarem ligados por fios. Essas pesquisas iniciaram-se em 1893 por Guglielmo Marconi, que dois anos depois apresentou ao mundo o primeiro modelo do que hoje chamamos de aparelho de rádio.
Figura 3.1: Guglielmo Marconi, o inventor do primeiro modelo de aparelho de rádio [2]
Em 1906, o engenheiro Lee De Forest inventa a válvula triodo. Esses dispositivos têm uma estrutura interna composta de dois pólos elétricos, chamados de catodo e anodo, que, submetido a determinadas tensões elétricas, controlam a passagem de corrente elé-trica. Esse dispositivo, dependendo da forma que é aplicada em um circuito, passa a se comportar como um amplificador, possibilitando assim um alcance muito maior dos sistemas de comunicação sem fio.
Além da amplificação do sinal, outra inovação tecnológica que impulsionou os sis-temas de comunicação foi a aplicação dos conceitos de multiplexação. Em 1910, George Owen desenvolveu a multiplexação com portadora para telefones. A multiplexação com portadoras de diferentes frequências torna possível reutilizar um mesmo canal, multipli-cando o número total de sinais que podem ser usados num canal específico.
14 de um programa de notícias da história. A estação era parte do jornal The Detroit News e foi utilizada como uma nova forma de transmitir as histórias que até então eram apenas escritas.
Figura 3.2: Imagem da primeira transmissão de rádio do mundo, pela 8MK [2]
Em 1928, o pesquisador Ralph Hartley provou, em seu trabalho Transmission of Information, que a quantidade de informação que pode ser enviada em um sinal é pro-porcional à banda de frequência utilizada para transmiti-la. Essa descoberta impulsiona estudo da teoria de informação que será muito importante para os sistemas de comunica-ção. Esse trabalho seria usado no futuro como base para o teorema de Nyquist-Shannon. Até 1933, a modulação dos sinais era feita por amplitude, que altera a intensidade do sinal de acordo com a informação enviada. Foi então que Edwin Armstrong desenvolveu a modulação em frequência. Nela, a intensidade do sinal não carrega a informação, mas sim a frequência do sinal. Uma das grandes vantagens dessa inovação é ter uma imunidade muito maior ao ruído, já que o ruído afeta muito mais a intensidade de um sinal do que a sua frequência.
Um dos momentos da história que a segurança na comunicação via rádio esteve mais em evidência foi durante a Segunda Guerra Mundial. Durante esse período, especi-ficamente em 1940, a atriz de Hollywood Hedy Lamarr desenvolveu a técnica chamada de frequency-hopping ou spread-spectrum. Essa técnica consiste em espalhar o sinal em uma banda maior do que a mínima necessária e, dentro da banda alocada, alternar em qual faixa o sinal será transmitido. Assim, o sinal obtém uma maior segurança e uma maior proteção ao sinal contra ruídos.
Em 1950, Richard Hamming publicou um grupo de códigos detectores de erro, chamados códigos de Hamming. Esses são códigos binários que possibilitam determinar,
em alguns casos, se a informação recebida contém ou não erro. Assim, na detecção de um erro, o receptor pode pedir retransmissão.
David Huffman, em 1952, desenvolveu um código capaz de comprimir sinais bi-nários, o código de Huffman, que reduz a redundância dos códigos tradicionais. Seu algoritmo avalia quais caracteres possuem maior probabilidade de incidência, e em função disso associa as palavras com maiores probabilidades com códigos de menores compri-mentos, diminuindo a quantidade de bits na transmissão.
Figura 3.3: Tabelas exemplificando uma aplicação do código de Huffman [5]
Durante a Guerra Fria, houve a chamada corrida espacial. Com o objetivo de explorar o espaço, em 1957 a Rússia colocou em órbita o primeiro satélite espacial artificial, o Spotnik 1. Esse satélite fazia transmissões entre 20 a 40 MHz a 577km de distância, enviando um sinal de rádio com um simples "beep". [6]
Em 1964, a NASA lançou o Syncom 3 (Synchronous Communication Satellite 3 ). Esse foi o primeiro satélite de comunicação com órbita perfeitamente geoestacionária do mundo. Tais satélites se localizam a mais de 35 km da terra. Ele possuía dois repetidores de sinal. Um deles trabalhava a 13 MHz de banda, dedicado para transmissão de TV, e o outro de 5 MHz, para transmissão via rádio. [6]
Em 1997, a NASA lançou o Cassini-Huygens, uma sonda espacial que tinha como objetivo orbitar Saturno para estudar o planeta e seus anéis. A sonda possuía vários instrumentos de medida, como radares, sistemas de captação de imagem, espectrômetro de infravermelho, magnetômetro, entre outros. Ele foi lançado em 1997, chegou ao planeta destino em 2004 e funcionou até 2017.
16
3.2
Tecnologias em antenas de transmissão
Nessa seção, será visto um pouco sobre as tecnologias usadas atualmente de antenas de teledifusão e outras comunicações em longa distância. Aqui, estamos interessados em conhecer as antenas utilizadas na recepção, mas principalmente as antenas que compõem as estações rádio base.
As antenas utilizadas atualmente podem ser divididas em dois grupos: antenas lineares e antenas de abertura.
Nas antenas lineares, as suas dimensões definem qual será a frequência do sinal recebida. Por via de regra, o dipolo condutor que receberá o sinal deve ser da ordem de grandeza do comprimento de onda do sinal recebido. Logo, quanto menor a frequência transmitida, maior deverá ser a antena para que ela seja capaz de recebê-lo.
Para o caso das antenas de abertura, temos um mecanismo de radiação onde as correntes elétricas são distribuídos pela área superficial da antena. Por isso, a análise des-ses campos eletromagnéticos se torna mais complexa que a presente em antenas lineares. Porém, as antenas de abertura seguem as mesmas limitações físicas das lineares. Por isso, em vários casos elas serão mais adequadas. A seguir listaremos as antenas lineares mais utilizadas no mercado.
3.2.1
Antena Yagi-Uda
As antenas Yagi-Uda são antenas monocanal formadas por um dipolo de meia-onda como seu único elemento ativo. Ser monocanal significa que ele é capaz de receber apenas uma faixa de frequências específica determinada pelo tamanho do seu dipolo. E ter um dipolo meia-onda significa que o tamanho físico do seu dipolo é equivalente à metade do comprimento de onda do sinal que ele recebe.
Além disso, a Yagi-Uda também possui alguns elementos passivos. Logo atrás do dipolo, é colocado um refletor e, a frente do dipolo, uma série de diretores que determinam o ganho da antena. Um esquema da antena está demonstrado na figura 3.4
Figura 3.4: Ilustração de uma antena Yagi-Uda [7]
3.2.2
Antena Log-Periódica
A principal característica da antena log-periódica é a sua capacidade de receber vários canais distintos. Todos os seus elementos são dipolos ativos com tamanhos variados.
Seu nome vem do fato de que a impedância de entrada dos dipolos varia peri-odicamente com o logaritmo da frequência do sinal. Por isso, cada dipolo possui uma ressonância em frequências específicas que torna possível uma varredura de uma larga faixa de frequências.
Tal qual a Yagi-Uda, as antenas log-periódicas possuem uma grande diretividade. Um esquema da antena está demomnstrado na figura 3.5
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3.2.3
Antena Painel Dipolos
As antenas desse tipo possuem um conjunto de dipolos, sejam eles dipolo de meia-onda, dipolo de onda completa, podendo ser dipolos cruzados, colocados em frente a um painel, por vezes sólido e por vezes em forma de grade, dependendo da frequência
Esse é o tipo de antena mais versátil do grupo, podendo ser construída para a recepção de frequências variadas e com ganhos variados. Por isso, ela se torna uma das prediletas para a recepção de teledifusão, atendendo faixas de VHF e UHF em especifica-ções distintas. Um esquema da antena está demomnstrado na figura 3.6
Figura 3.6: Ilustração de uma antena painel com quatro dipolos [7]
3.2.4
Antena Parabólica
A antena parabólica é uma antena de abertura composta por uma superfície em formato parabólico, podendo ser uma superfície sólida ou em forma de grade, dependendo da frequência do sinal recebido, e possui também um guia de onda direcional em seu centro. O formato da superfície parabólica reflete todo o sinal que incide nele para o guia de onda em seu centro. Isso faz com que essa antena apresente um ganho muito grande, sendo ideal para comunicações a grandes distâncias. Um esquema da antena está demomnstrado na figura 3.7
Figura 3.7: Ilustração de uma antena parabólica de grande porte [8]
3.2.5
Estações Rádio Base
As Estações Rádio Base (ERB) são uma parte do sistema de transmissão. Ela é uma torre conectada a uma Central de Comutação de Controle, por onde uma emissora, companhia telefônica ou outra empresa do tipo enviará seu sinal. Essa torre é composta por diversas antenas transmissoras que enviarão esse sinal, em alguns casos antenas como as citadas anteriormente.
20 Existem dois tipos de ERBs, as Greenfield e Roof Top. ERBs Greenfield são as instaladas no solo. Essas costumam ser instaladas em cima de morros e montanhas, para que haja um alcance maior. Também é comum serem torres grandes, com um grande número de antenas de transmissão. Costumam também ser responsáveis por transmissões a grandes distâncias.
As ERBs Roof Top são ERBs mais compactas, que são instaladas no topo de prédios. Esse tipo de ERB é muito comum para cobertura celular em grandes centros. Por serem menores e normalmente estarem a alturas mais baixas que as Greenfield, as ERBs Roof Top possuem um menor alcance. Logo, é comum a presença de um grande número de ERBs do tipo para a cobertura de uma região metropolitana.
3.3
Elementos da propagação de ondas
eletromagnéti-cas
Nessa seção serão apresentados alguns elementos de propagação de sinais relevantes para o estudo e previsão de um sistema de transmissão sem fio.
3.3.1
Componentes da Atenuação do Sinal
Quando vamos estudar o quanto um sinal será atenuado do momento que ele sai de uma antena transmissora até chegar a uma receptora, sendo a propagação por espaço livre, é importante analisar diferentes componentes que podem causar tal atenuação.
• Atenuação por onda direta
É o componente da atenuação referente à distância percorrida. Todo sinal sofrerá atenuação numa função proporcional à sua frequência e à sua distância. Essa perda também é chamada de perda no espaço livre.
A atenuação por distância percorrida é a variável de maior impacto em um sistema de transmissão. Como o nome sugere, esse fator leva em consideração apenas a distância percorrida pelo sinal. Mesmo assim, principalmente em comunicações em longa distância, esse fator é responsável pela maior parte da alteração que o sinal sofre entre o transmissor e o receptor.
O modelo de propagação em espaço livre, considerado o mais simples, leva em consideração apenas essa atenuação. Ele é baseado na fórmula de Friis, que prevê que a potência de um sinal possui um decaimento proporcional ao quadrado da distância percorrida. Tal fórmula é apresentada na equação 3.1: [9]
Pr Pt = GtGr λ 4πR 2 (3.1) Onde,
Pr, Pt= Potência de Recepção e Transmissão do sinal
Gr, Gt= Ganho das antenas de Recepção e Transmissão
λ = Comprimento da Onda Propagante
R = Distância entre as antenas receptora e transmissora
Como citado anteriormente, dado que a maior parte da alteração sofrida pelo sinal vem da atenuação por distância, em vários casos de propagação via espaço livre o modelo de propagação em espaço livre é capaz de prever com uma boa precisão uma situação real de propagação.
• Atenuação por onda refletida
É o componente da atenuação relacionada à reflexão da onda. A intensidade da onda refletida será uma função do coeficiente de reflexão da superfície em que ela está incidindo e o ângulo de incidência com o qual ela incide. Essa onda possui a peculiaridade de, em alguns casos, poder interferir de maneira construtiva com o sinal, resultando em um ganho em vez de atenuação.
A reflexão, como vários outros efeitos que afetam ondas propagantes, ocorrem quando uma onda propagando em um meio, como uma fibra ótica ou até mesmo o ar, encontra outro meio de índice de refração ou impedância diferente do inicial.
Ao encontrar esse novo meio, parte ou a totalidade do sinal será redirecionada para outra direção. A direção e a porcentagem de energia do sinal refletida dependerá das impedâncias dos meios envolvidos e do ângulo de incidência do sinal. A diferença entre os dois fenômenos sendo a refração quando o sinal atravessa para o segundo meio, mesmo com direção alterada, e a reflexão quando o sinal retorna para o meio inicial.
Tal efeito, porém, não necessariamente significa uma maior atenuação no sinal recebido em um receptor. Em alguns contextos, como por exemplo o interior de uma
22 fibra óptica ou outros meios de transmissão, o efeito de reflexão é usado para confinar o sinal, tornando-o mais diretivo, logo alcançando seu destino com maior potência do que um sinal não refletido trafegando pelo espaço livre.
A reflexão no espaço livre, mesmo sendo muito menos previsível dada a infinidade de meios com impedâncias distintas que o sinal pode encontrar em seu caminho, também pode representar um ganho no sinal, graças ao fenômeno de multipercurso. Esse fenômeno ocorre quando um mesmo sinal transmitido em diferentes direções alcança o receptor, traçando diferentes trajetos.
• Atenuação por onda superficial
Uma onda superficial se propaga em contato com a superfície da Terra. A propa-gação por superfície pode ser visto como um caso particular da reflexão, quando a onda é refletida de tal forma que ela passa a se propagar de forma paralela à superfície. Por estar diretamente em contato com a superfície, a onda passa a perder parte da sua energia.
Todo material possui uma determinada condutividade, o que inclui as superfícies pelos quais sinais se propagam. Dependendo do valor de tal condutividade, ao estar em contato com essa superfície, a onda eletromagnética propagante terá parte da sua energia dissipada, sendo o grau de absorção inversamente proporcional à condutividade da superfície.
A onda superficial é mais influente quando a antena efetiva está mais próxima da superfície terrestre. Além disso, a frequência do sinal deve ser maior que 100 MHz.
Figura 3.9: Diagrama das principais ondas presentes em uma transmissão em espaço livre [10]
• Atenuação por onda difratada
A perda por difração normalmente ocorre quando existem obstáculos físicos na linha de visada do transmissor e o receptor. Ao colidir com uma superfície, a onda eletromagnética irá se difratar, causando o espalhamento do sinal e assim fazê-lo perder energia.
A difração é um fenômeno ondulatório que ocorre na passagem de uma onda pela borda de uma barreira ou através de uma fenda, provocando um alargamento do compri-mento de onda e um determinado padrão de interferência determinado pelas características da barreira ou fenda. [10]
Esse fenômeno é comumente demonstrado por uma onda que incide em uma bar-reira com duas fendas que permitem sua passagem. A onda, que até então incidia homo-geneamente de forma perpendicular à barreira, ao passar pelas fendas passa a se propagar em todas as direções além da barreira. Tal fenômeno é explicado pelo Princípio de Huy-gens, que diz que cada ponto de uma frente de onda deverá funcionar como uma fonte secundária, continuando a propagação após um obstáculo. [10]
Outra peculiaridade da demonstração com o uso de fenda dupla, é a possibilidade de demonstrar também a intereferência entre ondas. Cada onda que se propaga em uma
24 das fendas possui uma determinada fase. No momento que a onda começa a se propagar pelas duas fendas diferentes, elas se comportam como duas ondas distintas que interferem entre si. Isso faz com que as ondas criem um padrão de pontos de intereferência construtiva e destrutiva bem característico, como visto na figura 3.10
Figura 3.10: Experimento de Thomas Young demonstrando a interferência entre fontes secundárias [9]
A difração, por mais que seja um efeito que contribua de forma significativa para a atenuação de sinal, é um efeito muito importante em casos de propagação sem linha de visada. Graças ao efeito da difração, o sinal passa a ter um alcance maior, dado que isso faz com que ele possa ser utilizado para alcançar áreas que não seriam facilmente alcançadas caso tal efeito fosse desconsiderado.
Figura 3.11: Diagrama de uma comunicação via onda difratada [9]
3.3.2
Zona de Fresnel
A Zona de Fresnel é uma série de elipsóides concêntricas que são formadas em torno da linha de visada entre duas antenas. Cada elipsóide consecutivo da série possuindo um raio maior que o anterior. O objetivo da Zona de Fresnel é analisar a interferência de multipercurso que ocorre numa transmissão.
Para calcular a Zona de Fresnel, determina-se a linha de visada entre as antenas e em seguida para determinar a Zona de Fresnel em qualquer ponto P entre as extremidades do link, usa-se a seguinte equação: [8]
Fn=
r nλd1d2
d1 + d2
(3.2) Onde,
Fn = raio da enésima Zona de Fresnel
d1 = distância de uma antena até o ponto de referência P
d2 = distância da outra antena até o ponto de referência P
26
Figura 3.12: Ilustração da primeira zona de Fresnel em um sistema de transmissão [8]
É possível, usando esses dados, determinar o raio máximo para a primeira Zona de Fresnel. Esse raio ocorrerá justamente quando d1 = d2, logo no meio do caminho entre as
duas antenas, e tal raio será dado pela equação:
r = 8.657 s
D
f (3.3)
Usando essas informações, é possível traçar com uma boa precisão a Zona de Fresnel em um determinado sistema de comunicação, logo possibilitando perceber se existe ou não obstrução significativa no caminho do sinal, e assim permite prever com mais eficácia qual será o comportamento do sinal no decorrer do seu percurso.
Caso a primeira Zona de Fresnel possua contato com o solo ou outros obstáculos significativamente grandes, o sinal sofrerá uma alta difração. Por isso, diz-se que o sinal está na Zona de Difração. Do contrário, esse sinal estará na Zona de Interferência. Cada uma dessas zonas terá suas peculiaridades sobre quais elementos de atenuação do sinal estarão mais presentes.
A Zona de Interferência acontecerá quando as antenas estão altas o suficiente e quando a distância percorrida não é tão grande. Esses fatores fazem com que o elipsoide que define a Zona de Fresnel não seja grande o suficiente para tocar o solo. Por isso, é mais comum a presença de ondas diretas, refletidas e superficiais.
A Zona de Difração é a zona que ocorre quando existe altura insuficiente entre as antenas ou a distância entre as duas antenas é muito grande. Assim, o elipsoide de Fresnel será tal que parte dele passará por dentro do solo ou de algum obstáculo de dimensões significativas. Quando isso acontece, parte do sinal estará colidindo com o obstáculo e possivelmente sendo difratado. Por isso, as ondas mais presentes são as diretas, difratadas e superficiais.
3.4
Modelos de Previsão em Propagação
Nessa seção, iremos apresentar alguns modelos teóricos de propagação de sinais ampla-mente utilizados para prever perda de potência e mapear áreas de cobertura de sinal.
3.4.1
Modelo de Propagação em Espaço Livre
O modelo de propagação em espaço livre é o modelo mais simples entre os que serão abordados aqui. Ele assume que existe linha de visada entre o transmissor e o receptor, e que não existe qualquer obstáculo que obstrua a transmissão. Assim, ele considera apenas a atenuação do sinal pela distância percorrida.
Para se aplicar esse modelo, utiliza-se a seguinte equação:
L = 32, 44 + 20log(f ) + 20log(d) (3.4) Onde,
L é a atenuação sofrida pelo sinal f é a frequência de transmissão d é a distância entre as antenas
Esse modelo utiliza apenas a informação sobre a frequência de transmissão e a distância percorrida para calcular a perda do sinal. A não necessidade de considerar todas as variáveis que podem influenciar a potência do sinal faz com que esse modelo se torne extremamente versátil e aplicável em quase qualquer cenário de propagação sem fio. É de se esperar também que, como os outros modelos levarão em consideração mais possíveis obstáculos para o sinal, as previsões feitas pelo modelo de propagação em espaço livre serão as mais otimistas, resultando em menores atenuações do sinal.
28
3.4.2
Modelo Log-Distância
O modelo log-distância é um modelo empírico, que utiliza de forma recursiva valores ob-tidos experimentalmente para estimar os próximos. Nesse modelo, utiliza-se uma medida de referência. Baseada nessa medida, estimam-se as próximas assumindo um decaimento logaritmico.
Esse modelo também passa a levar em consideração características do ambiente de propagação, via parâmetro n que será apresentado no decorrer dessa subseção.
A fórmula do modelo log-distância é a que segue:
P r(d) = P r(d0) − 10nlog
d d0
(3.5) Onde,
P r(d) é a potência de recepção no ponto d
P r(d0) é a potência de recepção no ponto de referência d0
n é a variável de expoente de trajeto, referente ao tipo de ambiente
Como pode ser visto, esse modelo desconsidera a grande maioria das informações sobre a propagação. Uma vez tendo um valor de potência na distância de referência d0, tudo o que é necessário é a informação sobre o tipo de ambiente de propagação para fazer a previsão.
Esse modelo é muito útil para situações aonde não se possui informação quase nenhuma sobre o sistema de transmissão. Tendo conhecimento sobre a posição da trans-missora, uma medida já basta para realizar a estimativa para vários outros pontos.
A variável n varia de acordo com a seguinte tabela:
Tabela 3.1: Valores de n no Modelo Log-Distância [11] Tipo de Ambiente Valor de n
Espaço Livre 2 Área urbana 2,7 a 3,5 Área urbana pouco obstruída 3 a 5
Indoor com linha de visada 1,6 a 1,8 Indoor com obstrução 4 a 6
3.4.3
Modelo de Okumura
Esse modelo é um modelo construído empiricamente por Okumura, que também leva em consideração características do meio de transmissão, como se o ambiente é rural, suburbano ou urbano. Para cada uma dessas três características do ambiente, e para uma determinada faixa de frequência, o modelo prevê uma curva de atenuação para o sinal.
O modelo de Okumura é um modelo amplamente utilizado pela sua simplicidade e eficiência. Como é um modelo empírico, a sua aplicação não depende do cálculo de funções complexas, mas ao mesmo tempo, o modelo apresenta resultados que em vários casos se mostram satisfatórios.
O modelo de Okumura foi desenvolvido com um grande volume de medições re-alizados nos anos 60 no Japão. As frequências medidas no desenvolvimento do modelo foram de 150 a 2000 MHz para a maioria dos casos, mas com algumas situações que frequências foram medidas até 3000 MHz. Foram usadas também antenas de recepção e transmissão a uma altura de 10 m até 1000 m e separadas por até 100 km. Se o cenário para o qual se pretende aplicar o modelo estiver dentro desses parâmetros de frequência, altura e distância, a predição será muito mais acurada.
A fórmula do modelo de Okumura é a seguinte:
L = L0+ A(f, d) − Garea− G(ht) − G(hr) (3.6)
Onde,
L é a perda total de potência
L0 é a perda prevista pelo modelo de propagação em espaço livre
A(f, d) é a atenuação adicional para ambientes urbanos Garea é a fator de correção para ambientes abertos
G(ht) e G(hr) são os fatores de correção alturas de antenas diferentes de ht = 200 m e hr = 3 m
30
Figura 3.13: Parâmetros Garea e A(f, d) do modelo de Okumura [11]
Na figura 3.13 a, vemos os três casos nos quais o parâmetro Garea possui valor diferente de zero. São os casos de ambiente espaço livre, quase espaço livre e suburbano. Caso o modelo seja aplicado em um ambiente com um desses três fatores, associa-se o valor da frequência de transmissão para definir o valor do fator Garea.
Já na figura 3.13 b, vemos o fator de correção para áreas urbanas. Dado uma área urbana, associando as informações de distância e frequência de transmissão, é possível definir o fator de correção A(f, d).
Além disso, percebe-se que o gráfico especifica que seus valores são válidos para ht = 200 m e hr = 3 m. Para valores diferentes disso, usamos o fator de correção G(ht) e G(hr), dado pelas equações:
G(ht) = 20log( ht 200), ∀ ht > 10m (3.7) G(hr) = 10log(hr 3 ), ∀ hr > 10m (3.8) G(hr) = 20log(hr 3 ), ∀ 3m < hr < 10m (3.9)
Capítulo 4
O Experimento
O objetivo desse capítulo é descrever o experimento no qual esse trabalho se baseia. O experimento em questão foi realizado pelo pesquisador Daniel da C. Vidal e tinha como objetivo mapear a utilização de espectro eletromagnético de televisão digital em dois bairros da cidade de Niterói. Para isso, ele usou um aparelho de detecção que possibilitava mapear a potência de sinal recebida para diferentes faixas de frequência e em diferentes pontos da cidade.
Para que seja possível realizar o trabalho proposto, será inicialmente descrito em detalhe o experimento em que o trabalho é baseado. Serão abordadas as características das antenas transmissoras, receptoras e do ambiente em que o sinal será propagado. Portanto, esse capítulo será fortemente baseado no artigo12escrito por Daniel Vidal sobre
seu experimento.
4.1
Características de transmissão
A transmissão do sinal medido nesse experimento é realizado por um conjunto de antenas na Estação Rádio Base do Parque de Transmissão do Morro do Sumaré, RJ. Essas antenas são localizadas a cerca de 740 metros de altura e possuem uma potência média de 30 quilowatts. Dado que a forma de recepção do sinal é por detecção de energia, as únicas informações do sinal necessárias são a posição e a potência de origem.
Para a recepção, foram escolhidos 50 pontos espalhados no bairro de Icaraí e 30 pontos espalhados no bairro de São Francisco, em Niterói. Os pontos de Icaraí estão a
32 uma distância média de 13,5 quilômetros e os de São Francisco estão a uma distância média de 15 quilômetros da ERB do Morro do Sumaré.
Entre os pontos de recepção, 6 deles se localizam na Avenida Alberto Francisco Torres de Icaraí, que por estar na orla da praia de Icaraí, não possui qualquer obstrução na linha de visada com a ERB. Por isso, consideramos a transmissão para esses pontos como propagação em espaço livre.
Os demais 44 pontos de Icaraí se encontram em áreas consideradas de alta densi-dade urbana, dado o número e altura dos edifícios próximos.
Por fim, os 30 pontos de São Francisco são considerados como localizados em área suburbana, dada a presença majoritária de esparsas residências com poucos andares na região.
Por 7 quilômetros, aproximadamente metade do trajeto, a transmissão é realizada sobre o território da cidade do Rio de Janeiro. Quase todo o resto do trajeto é feito pela Baía de Guanabara e os metros finais são sobre o solo dos dois bairros de Niterói estudados.
Porém, como dito anteriormente, a transmissora se encontra a uma altura média de 740 metros, enquanto a receptora se encontrava a cerca de 3 metros acima do nível do mar. Graças a isso, ao se traçar o elipsóide de Fresnel pela área de transmissão, percebe-se que obstáculos como prédios e pequenas elevações de terreno possuem muito menos impacto na potência do sinal quando esses se encontram na primeira metade do trajeto. Por isso, considera-se a transmissão por cima do território do Rio de Janeiro como transmissão pelo espaço livre.
Quanto à propagação na outra parte do percurso, a Baía de Guanabara, temos a peculiaridade da propagação em água salgada. A relação de sinal absorvido e refletido quando em contato com uma superfície depende da condutividade elétrica de tal superfície. Em comparação ao solo, a água salgada possui uma condutividade consideravelmente maior. Por isso, um sinal que se propaga por cima do mar possui uma reflexão maior e um alcance maior. Além disso, naturalmente temos praticamente nenhuma obstrução de linha de visada pela baía. Logo, podemos esperar que a perda do sinal durante essa parte do percurso seja ainda menor do que a estimada pela propagação pelo espaço livre.
Figura 4.1: Esboço da Zona de Fresnel do experimento estudado
Como descrito anteriormente, a figura 4.1 apresenta um esboço da Zona de Fresnel do cenário do experimento. Por mais que seja apenas um esboço, ela representa visual-mente como, dada a altitude da antena transmissora, o território urbano do Rio de Janeiro possui pouco efeito sob o sinal.
Por outro lado, a Baía de Guanabara e a densidade urbana próxima à antena de recepção, localizada no carro de passeio, possui um grande impacto na Zona de Fresnel. Isso se dá pelo fato de que a antena receptora se encontra a apenas 3 metros do solo.
4.2
Metodologia de recepção
Para a recepção do sinal, foi instalado em um carro de passeio há 3 metros do solo, a antena omnidirecional Discone AH-8000, da fabricante ICOM. Tal antena é capaz de captar sinais de 100 a 3300 MHz, além de possuir uma boa resistência a ruído proveniente de vento e adicionar um ganho ao sinal de 3 dBi.
A antena foi conectada ao analisador de espectros MS2034A da ANRITSU, dis-positivo capaz de registrar com precisão os sinais obtidos pela antena receptora. Os dois dispositivos foram ligados por um cabo RG213, que adiciona uma atenuação ao sinal de 1 dB.
Por fim, para obter a posição exata de cada medida, foi utilizado o dispositivo GPS GARMIN GSX60, concluindo assim a lista dos aparelhos utilizados para as medições do experimento.
34 Como já foi mencionado antes, as medições foram feitas em 80 pontos distintos. Para cada um desses pontos, dividiu-se o espectro de frequência destinada a Televisão Digital em 4 subfaixas com banda igual a 57 MHz cada. Nesse caso, as quatro subfaixas terão frequência central de 498,5 MHz, 555,5 MHz, 612,5 MHz e 669,5 MHz. Assim abrangendo toda a faixa destinada à TV Digital, que vai de 470 MHz a 698 MHz.
Para cada subfaixa, foram obtidas 551 amostras, sendo o intervalo entre as amos-tras de 103,45 kHz, e cada amostra foi obtida três vezes, para então fazer uma média simples entre as potências obtidas. Assim, foi possível mapear as potências recebidas por todo o espectro da TV Digital em cada um dos 80 pontos medidos.
4.3
Resultados
Em seu experimento, Vidal conseguiu demonstrar como o espectro da TV Digital é su-butilizado nos bairros medidos, tendo várias partes do espectro ausentes de qualquer transmissão do sinal para pontos específicos da região medida. Em seu trabalho, ele su-gere como resolver tal má utilização do espectro. Porém, no trabalho atual, o foco não é a utilização do espectro, e sim o estudo da potência de sinal que chega a essas regiões em alguns canais de TV.
Dado esse foco, serão expostos nas tabelas 4.1 e 4.2 alguns dos dados que serão utilizados nesse trabalho como base para o estudo da potência de recepção de sinal nos bairros de Icaraí e São Francisco.
Tabela 4.1: Características das Antenas Transmissoras de TV Potência de Transmissão Frequência Altura Rede TV 70,4 dBm 515 MHz 698 m SBT 77,0 dBm 533 MHz 730 m Globo 75,3 dBm 563 MHz 765 m Band 71,2 dBm 599 MHz 757 m Record 74,1 dBm 623 MHz 756 m
Tabela 4.2: Característica dos pontos de Icaraí
Rede TV SBT Globo Band Record Distância Média em Icaraí 13,2 km 12,9 km 13,7 km 13,6 km 13,7 km Distância Média em São F. 14,6 km 14,4 km 15,1 km 15,0 km 15,1 km Potência Média em Icaraí -10,8 dBm -9,4 dBm -0,3 dBm -2,5 dBm -8,3 dBm Potência Média em São F. 1,1 dBm -2,0 dBm 3,5 dBm 2,7 dBm -1,6 dBm
36
Figura 4.2: Pontos medidos em Icaraí
Na tabela 4.1, vemos algumas características dos transmissores, como potência de transmissão, frequência e altura de transmissão. A altura de transmissão é relativamente próxima, dado que todas as transmissoras se encontram no Morro do Sumaré. A frequência de transmissão, também próxima, dado que todas as transmissões estudadas são de sinal de TV Digital, variando de acordo com a distribuição de canais como abordado na seção 2.2.3.
Além disso, vemos também a potência de transmissão das antenas transmissoras estudadas. Vemos uma variação considerável de potência entre elas, chegando a uma diferença máxima de 7 dB. Associado a isso, temos a longa distância de transmissão da situação em questão e características físicas do ambiente de transmissão que podem causar efeitos atenuadores de sinal. Graças a esses fatores, mesmo com potências de transmissões na casa de quilowatts, gera algumas áreas aonde o sinal não pode ser detectado. Tal fato é justamente o tema abordado por Daniel Vidal em sua pesquisa, como dito anteriormente. Já na tabela 4.2, é possível ver informações sobre distância média e potência média de recepção do sinal. Como dito antes, as transmissoras se encontram no mesmo parque de antenas, o que justifica a proximidade entre elas. Já quando se trata da potência de recepção, temos um valor médio que varia entre -10 dBm e 4 dBm, incluindo o ganho das antenas transmissoras e receptoras. Dependendo da sensibilidade das antenas de recepção utilizada, essa média de potência pode ou não ser um obstáculo para a recepção de sinal. Além disso, o desvio padrão da potência apresenta-se bem alto, evidenciando mais uma vez as pequenas áreas aonde a recepção do sinal é inviável, havendo parte do espectro de frequências subutilizado.
Nas figuras 4.1 e 4.2 vemos representados todos os 80 pontos de medida do ex-perimento. Como indica a legenda na figura 4.2, temos seis pontos próximos à praia de Icaraí que são considerados como em ambiente de espaço livre, enquanto os demais são considerados em ambiente denso urbano. Essa diferença se reflete de forma clara nas potências medidas, tendo uma recepção muito mais forte nos seis pontos citados. Quanto aos pontos de São Francisco, quatro dos pontos se encontram mais próximos da praia que os demais, mas ainda foi medido próximo de outras construções, não tendo a mesma diferença de potência se comparado aos demais.
Capítulo 5
Estudo dos Resultados
O principal objetivo do trabalho atual é estudar os dados coletados no experimento descrito pelo capítulo anterior. Para isso, aplicaremos diferentes modelos teóricos pré-estabelecidos nos dados coletados, além de buscar um modelo empírico baseado nos dados. Dado que em situações reais existem inúmeras variáveis, sendo muitas delas não levadas em consideração em cálculos mais simples, iremos também realizar um proces-samento dos dados, no intuito de aproximá-los dos cenários previstos nos modelos mais simples de propagação de sinais.
Um vez realizadas as adequações aos dados, poderemos estudar com mais detalhe o cenário de recepção de sinal de TV Digital nos bairros Icaraí e São Francisco.
Para atingir esse objetivo, é necessário apresentar alguns conceitos de análise de dados. Logo, esses serão os tópicos iniciamente discutidos nesse capítulo.
5.1
Conceitos de Análise de Dados
Quando estuda-se um fenômeno natural por meios científicos, normalmente busca-se um modelo matemático que melhor o representa. O modelo matemático pode ser empírico ou teórico. Quando teórico, ele parte de um conjunto de conhecimentos da área para prever matematicamente quais valores essas medições deveriam assumir. Quando empírico, ele parte de um conjunto de medidas para uma equação matemática que melhor descreve tais medidas.
Em ambos os casos, algo a se levar em consideração é a complexidade do modelo. Um modelo complexo é um modelo que possui uma alta complexidade matemática, com
um grande número de variáveis para acomodar um grande número de fatores que podem afetar o valor da medida de diferentes formas. Quanto maior a complexidade do modelo, maior é a exatidão dele.
Porém, para fins práticos, é desejável que os modelos sejam os mais simples possí-veis. O quão simples esse modelo pode ser dependerá da aplicação. E quanto mais simples é o modelo utilizado, maior vai ser a presença de erros de medida.
Um erro de medida é a discrepância entre o valor previsto em um determinado modelo e o valor medido. Essa discrepância se dá por fatores que afetaram a medição e não foram previstos pelo modelo. No caso de medição de potência de sinal, esses fato-res imprevistos podem incluir variações de clima, obstáculos móveis que ocasionalmente obstruíram o sinal, erro humano ou um dos vários fatores que afetam a potência do sinal, como os citados no capítulo 3.
Dado que esses erros inevitavelmente vão existir, seja por uma simplificidade do modelo ou pela natureza intrinsecamente aleatória do fator que afetou a medida, existe uma série de mecanismos que podem ser utilizados para contorná-los e tornar possível o estudo de um conjunto de dados, mesmo na presença de erros de medição.
Em casos onde existe um erro muito grande, tornando difícil identificar qualquer tendência que possibilite a criação de uma relação matemática entre os dados, existem alguns artifícios que podem ser usados. O mais comum é o uso de diferentes tipos de médias.
Uma boa prática em uma coleta de dados é realizar várias medições em um mesmo ponto. Então, se o que é medido é a intensidade do sinal em um momento de tempo, é aconselhável medir-se o sinal simultaneamente em diferentes locais próximos. Se o que é medido é a intensidade do sinal em um local, é aconselhável medir-se o sinal múltiplas vezes no mesmo local em um curto intervalo de tempo. Com o uso dessa redundância em medições, é possível usar um dos tipos de média para definir um valor central, podendo retirar-se também o desvio padrão do valor. Algumas das médias mais utilizadas são:
• Média Aritmética [13]
É o tipo de média mais utilizada em aplicações gerais. Nela, cada valor utilizado na média possui o mesmo grau de confiabilidade. Todos os valores possuem o mesmo peso para o resultado final.
40 • Média Ponderada [13]
Nesse tipo de média, identificam-se valores que possuem um grau de confiabilidade maior que outros. Caso um grupo de medições tenham sido feitas em um contexto em que sabe-se que existia uma menor influência de erro, pode-se atribuir a tais valores um peso maior na média, fazendo com que a média se aproxime mais desses valores do que dos demais.
• Média Geométrica [13]
A média geométrica é um tipo de média usado para situações onde os elementos comparados possuem escalas numéricas diferentes. Nesse tipo de média, em vez de soma, o resultado é gerado pela raiz do produto dos fatores. Assim, garante-se que uma mudança percentual em qualquer um dos fatores comparados possuem o mesmo impacto na média, independente da escala dos mesmos.
Além disso, uma vez estabelecidos os valores dos pontos de um grupo de dados, é possível que ainda não seja clara uma tendência dos valores obtidos. Outro recurso é o uso da média móvel, que faz com que uma curva se suavize. Ela é ideal para situações aonde existe uma grande presença de erro e busca-se uma curva mais bem comportada.
• Média Móvel Simples [13]
A média móvel simples consiste em uma série de médias simples calculadas em um intervalo de dados. O resultado da média substituirá o valor do dado, movendo o intervalo para que seja calculada a média que substituirá o valor de cada dado, de forma recursiva. Essa técnica permite que uma curva de dados seja suavizada, amenizando grandes variações de valores em um curto período de tempo. Assim, torna-se possível melhor comparar medidas com alta influência de ruído com modelos teóricos.
• Média Móvel Exponencial [13]
A média móvel exponencial possui aplicação muito similar à média móvel simples, com a diferença de que a aplicação de um peso maior para valores considerados mais recentes, numa situação de um gráfico temporal. Ele considera que os valores mais recentes possuem um grau maior de importância para o resultado final, dando então mais peso a eles.
