EEL-108
SENSORES E DISPOSITIVOS
DE COMUNICAÇÃO SEM FIO
Prof. Ivan R. S. Casella
ivan.casella@ufabc.edu.br
Ementa
– Análise de sensores (Térmicos, Mecânicos, Magnéticos, Radiantes) – Tecnologia de fabricação de sensores
– Condicionamento de sinais – Interface
– Transmissão sem fio
– Características de dispositivos para transmissão sem fio
Cronograma
Aula Data Conteúdo Atividade
1 26/07 Introdução; Fundamentos da Comunicação Sem Fio 2 2/08 Fundamentos da Comunicação Sem Fio Lista
3 9/08 Sistemas de Comunicação Digital
4 16/08 Sistemas de Comunicação Digital / Principais Padrões Wireless 5 23/08 Prova / Entrega do Projeto
Bibliografia Principal
– B. A. FOROUZAN, “Comunicação de Dados e Redes de Computadores”, 4a edição, McGraw-Hill, 2008
– T. S. Rappaport, Comunicações Sem Fio: Princípios e Práticas, 2a edição, Prentice Hall, 2009
Bibliografia Secundária
– W. STALLINGS, “Wireless Communications and Networks”, Prentice Hall, 2002
Avaliação
– Prova (80%)
– Projeto sobre Padrões Wireless (20%)
• Projetos Individuais
• Entregar no dia 09/08, a proposta de projeto (redução exponencial da nota por dia de atraso)
• Ponto Extra – Análise consistente por Simulação no Matlab (+10%) (70%+30%)
Projeto
– Sugestões de Temas de Projeto para Redes de Sensores
• Bluetooth • ZigBee • WiFi • WiMAX • 4G • PLC – Requisitos do Projeto
• Apresentação da tecnologia escolhida em pelo menos 10 páginas de texto (desconsiderar capa, índice, bibliografias, código etc)
• Análise matemática ou por simulação de algum parâmetro importante para aplicações de sensoriamento remoto sem fio (capacidade, taxa de erro, latência, banda, comparação com outra tecnologia etc)
• Sugestão: use um artigo do IEEE como base para o projeto
Avaliação
– Entrega Eletrônica do Projeto
• Relatório em pdf com nome do arquivo no formato: EEL108_tema_aluno_1t2017.pdf
• Código do Matlab (quando existir) zipado com nome do arquivo no formato: EEL108_tema_aluno_matlab_1t2017.zip
• Apresentação em pdf com nome do arquivo no formato: EEL108_tema_aluno_pres_1t2017.pdf
• Todos os arquivos poderão adicionalmente serem zipados num único arquivo com nome no formato: EEL108_tema_aluno_2t2014.zip
• Enviar para o email: ivan.casella@ufabc.edu.br
– Entrega em Papel do Projeto
• Os documentos acima deverão ser entregues também em versão impressa
Motivação
Sistemas de Comunicação
Sem Fio
Sensores
Aplicações empregando Sensores e Redes de Sensores
Sistema de Comunicação Sem Fio
Sistemas de Comunicação
Sistema de Comunicação Sem Fio
Sistemas de Comunicação
Range P e a k Dat a Rat e Closer Farther Sl o w e r F a s te r UWB Wireless Data Applications Wireless Video Applications IrDA 802.11g 802.11b 802.11a 2.5G/3G Bluetooth™ ZigBee™ Wireless Sensors Wireless Networking Wi-Fi®Introdução aos
Sistemas de
Sistemas de Comunicação
Informação / Mensagem
– Representação de fatos, conceitos ou instruções de uma forma adequada para comunicação, interpretação ou processamento por seres humanos ou máquinas
Sistemas de Comunicação
Comunicação
– Ato de transportar informação de uma origem a um destino
– A comunicação requer uma linguagem ou um código que contém a informação e um meio físico por onde a informação é transferida
Protocolo de Comunicação
– Conjunto de regras e convenções que especifica em detalhes como a comunicação é feita entre dois elementos do sistema
Telecomunicação
– Consiste na transmissão da informação de uma origem a um destino através de ondas eletromagnéticas
Sistemas de Comunicação Digital
Como transmitir
eficientemente a informação
entre 2 pontos distantes?
O que seria necessário para que a
transmissão seja feita sem fio por
Sistema de Comunicação – Modelo Básico
Sistemas de Comunicação
Fonte de Sinal Transmissor Sinal Recuperado Receptor Canal de Comunicação
Transmissor
– Converte a informação para uma forma mais adequada para sua transmissão através do canal de comunicação
Receptor
– A função principal do receptor é recuperar a informação transmitida a partir do sinal recebido
• Executa a operação inversa do transmissor
• Opera na presença de ruído, interferência e distorção
• Necessita de técnicas distintas para minimizar esses efeitos
Canal de Comunicação
– É o meio físico entre o transmissor e o receptor
• Pode ser Guiado (“Wired”) ou Não-Cabeado (“Wireless”)
Sistemas de
Primeiramente
O que é informação digital?
Sistemas de Comunicação Digital
Sinal de Informação
– Sinal Analógico• Variação contínua da amplitude no tempo
• Número infinito de símbolos
– Sinal Digital
• Variação discreta da amplitude no tempo
• Número finito de símbolos
O que são sistemas de
comunicação digital?
Quais as vantagens de
termos a informação
na forma digital?
Transmissão Analógica
– Informação pode ser analógica ou digital
– Usualmente transmissão em banda-passante (Passa-Faixa)
– Podem ser usados amplificadores no processo de retransmissão, porém o ruído também é amplificado
Introdução a Comunicação Digital
Conversão AA (Modulação Analógica)
Informação analógica sinal analógico
Envio do sinal de voz pelo telefone em banda-base
Transmissão de um sinal de música pelo ar empregando modulação analógica
Conversão DA (Modulação Digital)
Informação digital sinal analógico
Envio de dados de um computador por uma linha telefônica em banda-passante empregando modulação digital
Transmissão Digital
– Informação pode ser analógica ou digital
– Usualmente transmissão em banda-base (Passa-Baixa)
– Não ocorre amplificação do ruído mas, dependendo da intensidade do ruído e da presença de interferências, podem ocorrer erros
Introdução a Comunicação Digital
Conversão ADC (Codificação Digital)
Informação analógica sinal digital (Digitalização da informação analógica)
Processos de Codificação
Envio do sinal de voz pelo telefone através de PCM
Conversão DDC (Codificação Digital)
Informação digital sinal digital
Envio de dados de um computador em banda-base
Comunicação Digital (
informação digital
)
– Transmissor envia uma forma de onda de duração finita que pertence a um conjunto finito de formas de onda possíveis
– Receptor decide qual forma de onda foi transmitida a partir do sinal recebido com ruído
• Sistemas Analógicos: O receptor deve reproduzir com fidelidade a forma de onda enviada, porém existem infinitas formas de onda possíveis
• Sistemas Digitais: O receptor conhece o conjunto de formas de onda
possíveis (alfabeto) e deve determinar qual delas foi transmitida num
dado intervalo de tempo
– Sistema mais robusto a ruído e interferência
Sistemas de Comunicação Digital
A probabilidade de uma decisão errada (probabilidade de erro de bit ou de símbolo)
Sistema de Comunicação Digital – Modelo Básico
Sistemas de Comunicação Digital
Fonte de Sinal Transmissor Sinal Recuperado Receptor Canal de Comunicação Informação é digital
Sistema de Comunicação Digital – Modelo Mais Detalhado
Sistemas de Comunicação Digital
Fonte de Sinal Codificação de Fonte Sinal Recuperado Demodulação Digital Canal de Comunicação Modulação Digital Codificação de Canal Decodificação de Canal Decodificação de Fonte Sincronismo
Comunicação Analógica (
informação analógica
)
Comunicação Digital (
informação digital
)
Sistemas de Comunicação Digital
Vantagens da Comunicação Digital (informação digital)
– Maior imunidade ao ruído e distorção do canal• Capaz de percorrer longas distâncias em canais de baixa qualidade
• Regeneração do sinal empregando repetidores (TX noise free)
• Códigos Corretores de Erro
• Receptor necessita distinguir apenas um número finito de símbolos
– Multiplexação mais simples e eficiente (TDM) – Facilidade de criptografia no domínio digital – Permite o armazenamento dos dados
– Possibilita a compressão da informação
– Custo relativamente baixo dos dispositivos digitais (CIs) – Permite explorar eficientemente o range dinâmico do sinal
• Por isso os CD´s apresentam alta qualidade
– Capacidade de transmissão Multimídia
Características da
Comunicação Digital
Sistemas de Comunicação Digital
Esquema de Comunicação Digital Binário
– Utiliza apenas 2 símbolos diferentes para a transmissão da
informação desejada
– Deste modo, cada símbolo representa um único bit
Esquema de Comunicação Digital M-ário
– É possível utilizar um esquema de comunicação digital mais complexo composto por M símbolos diferentes para a
transmissão da informação desejada
– Neste caso, cada símbolo pode representar vários bits
Considerando o caso geral de um esquema de
comunicação digital com
M
símbolos diferentes, pode-se
definir os seguintes parâmetros:
– Taxa de Símbolos (Baud Rate)• Quantidade de símbolos transmitidos por segundo (Rs)
– Taxa de Bits
• Quantidade de bits transmitidos por segundo (Rb)
Características da Comunicação Digital
b b
T
R
1
s sT
R
1
Bit Rate x Baud Rate
Dado que o n
ode bits por símbolo seja:
Pode-se relacionar a taxa de bits e a taxa de símbolos por:
De modo que a duração de bits e a duração de símbolos
são relacionadas por:
Características da Comunicação Digital
M
N
b
log
2M
R
N
R
R
b
s
b
s
log
2M
T
T
b s 2log
Bit Rate x Baud Rate
Características da Comunicação Digital
Tb Ts = 4Tb Ts = 4Tb Modulação Passa-Baixa Modulação Passa-Faixa -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Constelação - 16-QAM Real Im a g
Sistemas de
Comunicação Digital
Sinal em Banda Base (Passa-Baixa)
– Um sinal real xbb(t) é denominado sinal em banda base quando suas componentes de freqüência estão próximas da componente DC
– O sinal BB é geralmente o próprio sinal original proveniente da fonte de informação ou um sinal decorrente de uma modificação das características espectrais do sinal original
– Um exemplo de sinal BB são os códigos de linha
Sinal em Banda Base (Passa-Baixa)
Sinal Banda Base x Sinal Banda Passante
Fonte de Sinal Transmissor Sinal Recuperado Receptor Canal de Comunicação 0V 5V -12V 12V Polar NRZ
Sinal em Banda Passante (Passa-Faixa ou Modulado)
– Um sinal real x(t) é denominado sinal em banda passante quando suas componentes de freqüência estão centradas em torno de uma freqüência
o = 2
fo e sua componente DC é zero– O sinal BP é geralmente obtido pela translação em frequência do sinal original proveniente da fonte de informação (de forma linear ou não-linear)
– Um exemplo de sinal BP são os esquemas de modulação digital
Sistema de Comunicação Digital – Banda-Passante
Introdução à Comunicação
Fonte de Sinal Transmissor Sinal Recuperado Receptor Canal de Comunicação QAM
Análise no domínio da freqüência
– Sinal Banda Base
– Sinal Banda Passante
Modulação Digital
0 |Xbb(
)|
m -
m
o –
o |X(
)|
o +
m
o –
m B=
m WRF=2
m 0
=2
f
Exemplo: Qual é a taxa de bit necessária para digitalizar
um sinal de voz analógico que possui banda de 4 kHz
(limitado em 4 kHz) se forem empregados 8 bits (256
níveis de quantização diferentes)? Qual é taxa de símbolo
se for usada uma
modulação linear
passa-baixa
binária
(e.g. codificação de linha polar NRZ)?
– Rb = 2 (4 103) 8 = 64 kbps
– Tb = 1 / Rb = 1.5625e-05 – Rs = Rb / log2 (2) = 64 ksps – Ts = 1 / Rs = 1.5625e-05 – Nb = log2(M) = 1 bit/symb
Exemplo: Qual é a taxa de bit necessária para digitalizar
um sinal de vídeo analógico que possui banda de 4 MHz
se forem empregados 16 bits (65536 níveis de quantização
diferentes)? Qual é taxa de símbolo se for usada um
modulação linear
passa-faixa
16-ária (e.g. 16-QAM)?
– Rb = 2 (4 106) 16 = 128 Mbps– Tb = 1 / Rb = 7.8125e-09
– Rs = Rb / log2 (16) = 32 Msps – Ts = 1 / Rs = 312.5e-06
– Nb = log2(M) = 4 bit/symb
Canal de
Comunicação
Sem Fio
Canal de Comunicação
– É o meio físico entre o transmissor e o receptor
– A comunicação entre dois pontos pode ser estabelecida através de ondas de energia (ondas sonoras, ondas eletromagnéticas etc) – Podem ser classificados em:
• Canais de Comunicação Guiados
• Canais de Comunicação Não-Guiados (Sem Fio)
Canal de Comunicação Sem Fio
Canal de Comunicação Sem Fio – Wireless
– Infravermelho
– Radiopropagação
Canal de Comunicação Sem Fio
TX RX
Transmissão por Infra-Vermelho
– Ondas de luz (eletromagnéticas) na faixa de infra-vermelho
– Principais Características
• Não requerem licença
• Alcance curto
• Hardware barato
• Instalação fácil
• Normalmente direcionais
• Não atravessam obstáculos!
– Principais Aplicações
• Controle Remoto, IrDA
Transmissão por Infra-Vermelho
Canal de Comunicação Sem Fio
Foto-diodo Foto-transistor
Transmissão por Radiofrequência
– Ondas Eletromagnéticas pelo ar– Principais Características
• Mobilidade
• Longo Alcance
• Implementação Fácil
• Sujeitos a várias fontes de interferência
– Interferências elétricas (ruído de ignição, etc) – Interferência eletromagnéticas
• Potência cai com o quadrado da distância
– Depende da aplicação (celular: cai com o cubo, etc) – Principais Aplicações
• Redes Celulares, WiFi, WIMAX, Bluetooth, Microlink
Canal de Radiopropagação
– Sujeitos a várias fontes de ruído e interferências
– Interferência eletromagnéticas (ruído de ignição, etc) – Potência cai com o quadrado da distância
• Depende da aplicação (celular: cai com o cubo, etc)
Canal de Comunicação Sem Fio
Time Time Time Transmission signal Received signal (short delay) Received signal (long delay) 1 0 1 Propagation time
Interferência Intersimbólica (ISI)
– Distorção do sinal• Soma de várias versões defasadas do sinal transmitido
• Sobreposição dos símbolos devido a dispersão do sinal
Canal de Comunicação Sem Fio
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -2 -1 0 1 2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -2 -1 0 1 2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -2 -1 0 1 2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -2 -1 0 1 2
Efeitos do
Canal de Comunicação
Sem Fio
Canal de Comunicação Sem Fio
Como o canal de comunicação sem fio
pode agir sobre o sinal transmitido?
Como o canal pode limitar a
taxa transmitida?
Independente do tipo de meio físico, normalmente o sinal
transmitido pelo canal de comunicação sofre alterações
das suas características, causadas fundamentalmente
por:
– Atenuação – Filtragem
– Distorções de Amplitude, Freqüência e Fase – Ruído
– Interferências
Atenuação
– A amplitude do sinal é reduzida à medida que o sinal se propaga pelo canal (Leis de Friis para Espaço-Livre)
– Principais causas da atenuação na radiopropagação
• Absorção da energia da onda transmitida
• Dispersão da energia da onda transmitida – Principal efeito da atenuação
• Limitação da distância de cobertura do sistema
Canal de Comunicação Sem Fio
Gt : ganho da antena de transmissão
Gr : ganho da antena de recepção
Pt : Potência de transmissão d : distância entre Tx e Rx : comprimento de onda
2 4 d P G G d Pr t r t
Filtragem
– Permite a passagem de algumas componentes de frequência do sinal de entrada e bloqueia as demais
– Pode ocorrer distorção ou não do sinal dependendo de como o canal atua sobre as componentes de frequência do sinal
Canal de Comunicação Sem Fio
Passa-Alta Passa-Faixa Rejeita-Faixa f |H()| |H()| Passa-Baixa f |H()| f |H()| f
Distorção
– As componentes de frequência do sinal são modificadas de maneira diferente pelo meio de transmissão
• Distorção de amplitude: ganho de amplitude não é uniforme na largura de banda de interesse
• Distorção de fase: atrasos diferentes para diferentes componentes de frequência do sinal
– Principais causas da distorção na transmissão
• Propagação por Multipercursos
• Meio de Transmissão com faixa de frequência limitada (filtragem)
– Principal efeito da distorção
• Erros na recepção
Ruído
– Variação aleatória indesejada do sinal
– Sem o efeito do ruído, uma mensagem poderia ser transmitida com um potência infinitesimal sobre distâncias infinitas
• Fontes naturais e sinais externos interferentes
• Ruído térmico, causado pelo movimento aleatório dos elétrons
Canal de Comunicação Sem Fio
Sinal RF Diferentes Fontes
de Ruído
Sinal RF + Ruído Receiver
Canal de Comunicação Sem Fio
Ruído Térmico
1
2
k T f h ne
f
h
f
S
Ruído Branco – AWGN (Additive White Gaussian Noise)
– Modelo matemático para representar o ruído térmico – Caracterizado como um processo aleatório Gaussiano – Analogia com a “Luz Branca”
– Efeito Aditivo
Canal de Comunicação Sem Fio
Luz branca é composta por todas as cores do espectro
Ruído branco é composto por componentes distribuídas igualmente em todas as frequências do espectro
No caso do ruído térmico, o espectro de frequência pode ser considerado constante até ~1012 Hz (T=290K)
Canal de Comunicação Sem Fio
Ruído Branco – AWGN
2 2 2 2 1 ) ( N N m n N N n e f n fN(n) mN = 0 N 2
1
f SN(f) No/2Densidade Espectral de Potência
2
, N
N
m
N
Canal de Comunicação Sem Fio
Densidade Espectral de Ruído Branco – AWGN
– No= k
T Watts/Hz
Potência de Ruído Branco – AWGN
– PN = k
T
B Watts k: Constante de Boltzmann k = 1,38 . 10 -23 Watts/K.Hz T: Temperatura em Kelvin T = 290K (ambiente) B: Banda de Frequência
Exemplo: Determine a densidade espectral e a potência
de um ruído do tipo AWGN para T=290K e B = 1MHz
Densidade Espectral de Ruído
No= k T = 1,38 10 -23 290 No= 4 10 -21 W/Hz
Potência de Ruído
PN = No B = 4 10 -21 1 106 P
N = 4 10 -15 W
Canal de Comunicação Sem Fio
Limites
da
Limites da Comunicação
Quais os principais fatores
que limitam a capacidade de
um sistema de comunicação?
É possível obter uma expressão
matemática para a capacidade máxima
de um sistema de comunicação?
Limites da Comunicação
Desempenho dos sistemas é limitado
basicamente
pela:
– Relação Sinal – Ruído• Relação entre a potência de sinal e a potência do ruído do sistema
– Banda de Transmissão
• Largura da faixa de frequência de transmissão disponível
Sistemas de comunicação devem utilizar os recursos de potência de transmissão e de largura de faixa da
Banda de Frequência
do Canal
Faixa de Frequência de Transmissão
– Conjunto de freqüências alocadas para a transmissão do sinal de informação
Normalmente estabelecida e regulamentada pelo tipo de
aplicação e pelas características do sinal transmitido:
– Voz via Telefone: 3 kHz – Música via AM: 10 kHz – Música via FM: 200 kHz – Vídeo via TV: 6.0 MHz
– Dados via Fast Ethernet : ~30 MHz (100Mbps)
Faixa de Frequência de Transmissão
Banda de Frequência para Sinais Banda-Base
– Considerando o Teorema de Nyquist, a Banda Mínima ocupada por um sinal BB pode ser representada por:
– Dada a relação entre taxa de bit e taxa de símbolo, tem-se que:
Características da Comunicação Digital
2
sR
B
M
R
B
b 2log
2
) ( 2 B Nyquist Rs
Banda de Frequência para Sinais Banda-Passante
– Para Sistemas de Modulação Digital Lineares, o sinal BP resultante ocupa uma Banda Mínima de RF igual a WRF = 2B (2x a banda do sinal BB), desta forma, tem-se que:
– Dada a relação entre taxa de bit e taxa de símbolo, tem-se que:
Características da Comunicação Digital
s RF
R
W
M
R
W
RF b 2log
) ( 2 B Nyquist Rs
Algumas Definições de Banda de Frequência
Filtros Ideais
a) Banda de Meia-Potência (3dB)
b) Banda Equivalente de Ruído
c) Banda Nulo-a-Nulo
d) Banda Essencial (fração da potência)
e) Densidade Espectral Limitada
f) Banda Absoluta (frequência mais alta)
(a) (b) (c) (d) (e)50dB |H(f)| f o (f)
Relação
Sinal-Ruído
Relação Sinal – Ruído (SNR)
– Relação entre a Potência do Sinal e a Potência do Ruído
– É comum representá-la na forma logarítmica em DECIBÉIS (dB):
– Algumas Relações de Potência Comuns em dB:
• 0dB: Psinal = Pruído • – 3dB: Psinal = ½ Pruído • 3dB: Psinal = 2 Pruído • 10dB: Psinal = 10 Pruído • 20dB: Psinal = 100 Pruído
Limites da Comunicação
ruído sinal 10log
10
P
P
SNR
dB ruído sinalP
P
SNR
Limites da Comunicação
Como melhorar a Relação Sinal – Ruído (SNR)
– Redução do ruído
– Redução da distância entre transmissor e receptor – Aumento da potência do transmissor
Decibel em Wireless
– Potência em dBm
– Forma muito utilizada na área de comunicações para especificar a potência dos sinais
– Utiliza como referência um sinal de 1mW
– De forma simplificada, tem-se:
– Simplifica as operações de ganho e atenuação na análise de sistemas de comunicação
• Substitui multiplicações e divisões por somas e subtrações
Limites da Comunicação
mW
1
W
log
10
10P
sinalP
dBm
W
log
10
30
10P
sinalP
dBm
– Num sistema de comunicação digital, a SNR pode ser representada por:
• Onde a relação Es / N0 é a relação entre a energia de símbolo pela densidade espectral de potência do ruído
– O uso de Es / N0 acaba sendo bastante interessante, visto que o processo de detecção depende da energia de símbolo e não especificamente da potência recebida (embora elas são relacionadas)
Limites da Comunicação
W
N
R
E
W
N
T
E
P
P
SNR
s s s s N S
0 0W
R
N
E
SNR
s
s 0 W = WRF sinais Banda-Passante W = B sinais Banda-BaseComum analisar do ponto de vista banda-base, mesmo para sistemas Banda-passante
– Considerando ainda que:
– Pode-se obter uma outra relação bastante interessante:
– A vantagem desta nova relação é que ela depende da energia de bit ao invés de símbolo
– Isto permite uma comparação entre diferentes esquemas de modulação mais justa em função da energia gasta por bit
Limites da Comunicação
M
E
E
s
b
log
2M
R
R
s
blog
2
W
N
M
R
M
E
SNR
s s R b E b
0 2 21
log
log
W
R
N
E
SNR
b
b 0– Exemplo: Dado que: Ps = 10 µW , Pn = 100nW , W = 10MHz e Rb = 54Mbps, determine a Ps dBm, SNRdB e a Eb/N0 dB • Ps dBm = 10 ∙ log10(10 µW / 1mW) = – 20 dBm • SNR = 10e-6/100e-9 = 100 x • SNRdB = 10 ∙ log10(100) = 20 dB • Eb/N0 = W∙SNR/Rb = 10e6 ∙ 100 / 54e6 = 18.5 • Eb/N0 dB= 12.6 dB
Limites da Comunicação
W
R
N
E
SNR
b
b 0
Um parâmetro importante a ser levado em consideração
no desenvolvimento e/ou utilização de sistemas de
comunicação sem fio é a
Latência
A latência pode ser definida como o tempo que a
informação leva para ser processada pelo sistema de
comunicação para ser enviada de uma origem a um
destino
Se o sistema for iterativo, pode-se utilizar a Latência Total
(overall) como o tempo de round-trip (ida e volta)
Exemplo: Seja um sistema de telemetria transmitindo a
uma taxa de 500kbps em quadros de
1000 bits
.
Considerando que o processamento de cada bit no
transmissor leve
1ns/bit
e no receptor
1us/bit
e que o
tempo de propagação pelo
canal
seja de
100us
,
determine a duração de quadro e a latência do sistema.
– Considere que é necessário receber um quadro completo para dar início a recuperação da informação
– Desconsidere a necessidade de retransmissões (informação recebida sem erros)
– Tfr = 1000*(1/500e-3) Tfr = 0.002s
– Tlat = 1000*(1e-9 + 1e-6) + 100e-6 Tlat = 0.001s
Um outro parâmetro bastante importante a ser levado em
consideração no desenvolvimento e/ou utilização de
sistemas de comunicação sem fio é o
Alcance
Limites da Comunicação
Transmissor Receptor
Exemplo: Seja um sistema de comunicação para
sensoriamento
remoto
operando
em
2.4GHz,
empregando antenas (TX e RX) com ganho 10dB, e
potência de transmissão de 10dBm. Sabendo-se que a
potência recebida deve ser maior que -90dBm, determine
o máximo raio de cobertura (distância) permitido para um
funcionamento adequado do sistema.
– Converter unidades (dB x e dBm W)
Limites da Comunicação
24
d
P
G
G
d
P
r t r t
d
km
P
P
G
G
d
r t r t9
.
9
4
max max
Consumo
de
Um outro parâmetro bastante importante a ser levado em
consideração no desenvolvimento e/ou utilização de
sistemas de comunicação sem fio é o
Consumo de
Energia
Uma bateria de 250mAh é empregada num sensor sem
fio que consome uma corrente média de 1mA. Qual é a
duração média de funcionamento do sensor?
– Cbateria=250e-3 – Csensor= 1e-3
– Tsensor = Cbateria / Csensor = 250 horas
O consumo de energia diário de uma lab. é dado por:
Se a tarifa de energia for de R$0,55/kWh, determine o valor
a ser pago
mensalmente
. Desconsidere impostos e taxas
– E = P.t Lâmpadas: 100W = 0,1KW E1 =0,1x 12x30 = 36 KWh (mês) Computador: 350W = 0,35KW E2 = 0,35x18x30 = 189KWh (mês) Câmara: 2500W = 2,5KW E3= 2,5x1x30= 75KWh (mês) Forno: 3000W= 3KW E4= 3x1x30 = 90 kWh (mês) – Etotal = E1+E2+E3+E4 = 390KWh
– Valor= ETotal x Tarifa = 390 x 0,55 Valor = R$ 214,50
Limites da Comunicação
Equipamentos Potência (W) Uso Diário (h)
Lâmpadas 100 12
Computador 350 18
Câmara Climática 2500 1
Limite
de
Limite de Nyquist
– Os sinais digitais são normalmente não-periódicos e os parâmetros comumente utilizados em sistema analógicos não são adequados – Deste modo, é comum utilizar a taxa de transmissão (bits ou
símbolos) como parâmetro de desempenho do sistema
– O limite de Nyquist oferece uma aproximação da taxa de bit máxima possível para sistemas de comunicação digital limitados em banda, mas sem a presença de ruído
– Ele leva em consideração que um símbolo de informação pode transmitir (“carregar”) mais de um bit
Considerando o Teorema da Amostragem de Nyquist:
Pode-se verificar que a máxima taxa de símbolos que
pode ser transmitida em
Banda-Base
(Codificação de
Linha) numa banda de frequência B é dada por:
Assim, a
capacidade
do sistema em
Passa-Baixa
sem
ruído é dada por:
Características da Comunicação Digital
B
R
s
2
M
B
R
b
2
log
2 max2 f
f
samp
B
T
samp
2
1
Exemplo: Qual é a capacidade de Nyquist (bps) de um
sistema passa-baixa com 20MHz de banda e que emprega
uma modulação composto por um conjunto de 64 símbolos
(M=64)?
Limite de Nyquist
M
B
R
b
2
log
2Mbps
R
b
2
20
10
6
log
264
240
Para um Baud Rate fixo (banda), pode-se aumentar a
taxa de dados (bits), aumentando o n
ode bits por
símbolo
Porém um aumento do n
ode bits por símbolo acarreta
normalmente num aumento da potência necessária para
uma mesma taxa de erro
Limite
de
Teorema de Shannon - Hartley
– Estabelece a taxa de transmissão de informação máxima sobre um canal de comunicação de banda limitada e na presença de ruído branco gaussiano aditivo (AWGN)
Limite de Shannon
Onde, Bch é a banda do canal, SNR é a relação sinal-ruído, PN=NoBch
SNR
B
C
ch
ch
log
21
A
Capacidade de Canal
pode ser definida como:
– A taxa de transmissão máxima para que seja possível obter uma
transmissão confiável da informação
– De acordo com o teorema de Shannon, é possível obter transmissão confiável da informação se R Cch
Exemplo: Seja um sistema de internet discada, qual seria
a máxima taxa de transmissão possível na presença de
ruído do tipo AWGN se SNR=30dB e B = 3kHz?
– Faixa de frequência ocupada
• Bch = 3 KHz
– Relação SNR
• SNRdB= 10 log10(SNR) SNR = 10 (SNRdb/10)
• SNR = 1000 (vezes)
– Aplicando a fórmula de Shannon
• Cch = Bch log2(1 + SNR) Cch= 3e3 log
2(1+ 1000)
• Cch 29,9 Kbps
Exemplo: Seja um sistema de internet a cabo, qual seria
a máxima taxa de transmissão possível na presença de
ruído do tipo AWGN se SNR=30dB e B = 300MHz?
– Faixa de frequência ocupada
• Bch = 300 MHz
– Relação SNR
• SNRdB= 10 log10(SNR) SNR = 10 (SNRdb/10)
• SNR = 1000 (vezes)
– Aplicando a fórmula de Shannon
• Cch = Bch log2(1 + SNR) Cch= 3e8 log
2(1+ 1000)
• Cch 2,99 Gbps
Exemplo: E se SNR=40dB para o sistema de internet a
cabo, qual seria a nova máxima taxa de transmissão
possível na presença de ruído do tipo AWGN?
– Faixa de frequência ocupada
• Bch = 300 MHz
– Relação SNR
• SNRdB= 10 log10(SNR) SNR = 10 (SNRdb/10)
• SNR = 10000 (vezes)
– Aplicando a fórmula de Shannon
• Cch = Bch log2(1 + SNR) Cch= 3e8 log
2(1+ 10000)
• Cch 3,99 Gbps
O teorema de Shannon-Hartley implica que um canal
sem ruído (SNR = ) apresenta capacidade infinita
Por outro lado, na situação de ruído, tem-se que para
aumentar a capacidade do canal sem aumentar a
potência de sinal deve-se aumentar a banda de
frequência. Porém isto acarreta em um aumento na
potência do ruído (P
N=N
oB
ch), impedindo que a
capacidade seja infinita
Limite de Shannon
ch o s ch chB
N
P
B
C
log
21
Capacidade de Canal em função da Banda e da SNR
Capacidade de Canal em função da P
s – Ps SNRLimite de Shannon
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 SNR (dB) R b (b ps ) Capacidade de Shannon x Ps -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9x 10 9 SNR (dB) R b (b ps ) Capacidade de Shannon x Ps Linear Log
Capacidade de Canal em função da Banda e da SNR
– B SNRLimite de Shannon
100 105 1010 1015 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5x 10 8 B (Hz) R b (b ps )Capacidade de Shannon x Banda
100 105 1010 1015 102 103 104 105 106 107 108 109 B (Hz) R b (b ps )
Capacidade de Shannon x Banda
Limite de Shannon
A expressão de Shannon se
aplica a que tipo de sinais?
Para que condições de
transmissão?
Comunicação Digital
Passa-Faixa
Transmissão Banda-Passante
O que é modulação?
Por que e onde usar a
modulação?
Como estabelecer comunicação à longas distâncias?
Como estabelecer comunicação à longas distâncias?
Transmissão Banda-Passante
Como estabelecer comunicação à longas distâncias?
Transmissão Banda-Passante
Transmissão em Banda-Passante
– É realizada pelo processo de Modulação Passa-Faixa
• Translação do sinal de informação em base para banda-passante, numa frequência muito maior do que a do sinal original,
através do uso de um sinal de alta frequência
• O sinal banda-base original é chamado de sinal modulante • O sinal passa-faixa gerado é chamado de sinal modulado • O sinal de alta freqüência é chamado de sinal de portadora
Transmissão Banda-Passante
A modulação passa-faixa pode ser obtida pela variação da amplitude, fase ou frequência do sinal de portadora de alta frequência, de acordo com a variação do sinal de informação
Por que usar altas freqüências?
– A transmissão direta do sinal em banda-base de uma dada fonte de informação sobre um determinado canal pode ser irrealizável – Na Radiopropagação, a dimensão dos elementos irradiantes
(antenas) deve ser proporcional ao comprimento de onda
Transmissão Banda-Passante
Tx
/2 Antena Dipólo de Meia-Ondaf
c
Para f=1kHz Antena=150 km (/2) Para f=100MHz Antena=1,5 m (/2)
Quais as vantagens de usar modulação passa-faixa?
– Permitir uma transmissão eficiente pelo canal de comunicação• Permite a transmissão a longa distância
– Possibilitar uma redução da complexidade do hardware
• Filtros mais fáceis de serem construídos
– Possibilitar uma redução dos efeitos de interferência e ruído
• Técnicas como a modulação FM (troca de banda por SNR)
– Permitir uma ocupação mais adequada da banda de freqüência
• Compartilhar o canal de comunicação para diferentes serviços
– Possibilitar a multiplexação de vários sinais banda-base em faixas de freqüência não sobrepostas
• FDM
Modulação
Passa-Faixa
Modulação Analógica
– O sinal de informação analógico aplicado na entrada do transmissor pode assumir um no infinito de valores
– Objetivo é a fidelidade de reprodução da forma de onda do sinal de informação transmitido (aplicado ao TX)
– Critério de desempenho: SNR e THD%
– A modulação analógica pode ser obtida pela variação dos parâmetros do sinal de portadora senoidal, de acordo com a variação do sinal de informação
Modulação Analógica
PM FM AM
t
E
t
t
t
e
o
o
cos
o
o
Modulação Analógica
Modulação Analógica
Mensagem Analógica Portadora Senoidal
Modulador
AM
FM
PM
Modulação
Passa-Faixa
Modulação Digital
– O Sinal de informação aplicado na entrada do TX faz parte de um conj. finito de valores (símbolos)
– Objetivo é determinar o símbolo transmitido
• Detalhes da forma de onda não são relevantes (sinal digital), normalmente forma de onda é conhecida “a priori”, basta saber qual símbolo foi transmitido
– Critério de desempenho: BER (Bit Error Rate) e SER (Symbol Error Rate)
No caso de Sistemas de Modulação Digital
Lineares
, o
sinal Banda-Passante resultante ocupa uma banda de RF
igual a W
RF= 2B
(2x a banda do sinal Banda-Base)
Assim, a máxima taxa de símbolos que pode ser
transmitida em sistemas
Banda-Passante
é dada por:
De modo que a máxima taxa de bits pode ser estimada de
forma aproximada por:
Modulação Digital
RF sW
R
M
W
R
b
RF
log
2 ) ( 2 B Nyquist Rs
Modulação Digital
Modulação Digital
Mensagem Digital Portadora Senoidal
Modulador ASK FSK PSK QAM 1 0 1 0
ASK – Amplitude Shift Keying
– A informação é representada pela variação da amplitude da portadora
– Normalmente aplicado em sistemas de fibra óptica
– Apresenta alta sensibilidade a ruído (variação na amplitude) – O método binário mais simples (OOK) consiste em:
• Bit 1 tx portadora com amplitude A
• Bit 0 tx portadora com amplitude zero
Modulação Digital
Representação – BASK
– O sinal BASK pode ser representado por:
– Para sinais senoidais, tem-se que:
– Considerando que a energia de símbolo é dada por:
Modulação Digital
2
2 i iA
P
2
2 s i s i iT
A
T
P
E
s i iT
E
A
2
t
A
cos
t
,
0
t
T
para
i
1
,
2
s
i i
o s Bit 1 amplitude A1 Bit 0 amplitude A2
FSK – Frequency Shift Keying
– A informação é representada pela variação da frequência da portadora
– Método menos sensível a ruído do que ASK – Ocupa uma banda maior que ASK e PSK – O método mais simples (BFSK) consiste em:
• Bit 1 tx portadora com f1
• Bit 0 tx portadora com f2
Modulação Digital
Representação – BFSK
– O sinal BFSK pode ser representado por:
– Para sinais senoidais, tem-se que:
– Considerando que a energia de símbolo é dada por:
Modulação Digital
2
2A
P
2
2 s sT
A
T
P
E
sT
E
A
2
t
A
cos
t
,
0
t
T
para
i
1
,
2
s
i
o
i
i s Bit 1 freqüência 1 Bit 0 freqüência 2-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Cosntelação - BPSK Real Im a g
PSK – Phase Shift Keying
– A informação é representada pela variação de fase da portadora – Apresenta menos sensibilidade a ruído do que ASK
– Apresenta boa eficiência de potência
– O método binário mais simples (BPSK), consiste em:
• Bit 1 tx portadora com fase 1
• Bit 0 tx portadora com fase 2
Modulação Digital
Bit Fase 0 0° 1 180°
Representação – BPSK
– O sinal BPSK pode ser representado por:
– Para sinais senoidais, tem-se que:
– Considerando que a energia de símbolo é dada por:
Modulação Digital
2
2A
P
2
2 s sT
A
T
P
E
sT
E
A
2
t
A
cos
t
,
0
t
T
para
i
1
,
2
s
i
o
i s Bit 1 fase 1 Bit 0 fase 2– Uma técnica PSK muito utilizada nas redes celulares e redes de computadores sem fio é o QPSK (Quartenary Phase Shift Keying):
Modulação Digital
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Constelação - QPSK Real Im a g Bit Fase 00 45° 01 135° 10 315° 11 225°
Representação – QPSK
– O sinal QPSK pode ser representado por:
– Para sinais senoidais, tem-se que:
– Considerando que a energia de símbolo é dada por:
Modulação Digital
2
2A
P
2
2 s sT
A
T
P
E
sT
E
A
2
t
A
cos
t
,
0
t
T
para
i
1
,
2
,
3
,
4
s
i
o
i s Bit 11 fase 1 Bit 01 fase 2 Bit 10 fase 3 Bit 00 fase 4
QAM – Quadrature Amplitude Modulation
– A informação é representada pela variação da amplitude e fase da portadora
– Modulação em quadratura – Alta eficiência espectral – Mais bits por símbolo – Requer alta Potência
Modulação Digital
Qual esquema QAM é esse apresentado ao lado?
– Uma técnica QAM muito utilizada em sistemas de comunicação sem fio modernos é o 16-QAM
Modulação Digital
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Constelação - 16-QAM Real Im a g
Representação – MQAM
– O sinal MQAM pode ser representado por:
– Para sinais senoidais, tem-se que:
– Considerando que a energia de símbolo é dada por:
Modulação Digital
2
2 i iA
P
2
2 s i s i iT
A
T
P
E
s i iT
E
A
2
t
A
t
t
T
i
M
s
i
i
cos
o
i,
0
spara
1
,
,
Quantos bits/símbolo são transmitidos empregando a
modulação:
– QPSK – 16-QAM – 64-QAM
Se o sistema utiliza uma banda de 200 kHz, qual seria a
máxima taxa de bits possível para a modulação:
– QPSK – 16-QAM – 64-QAM
Quantos bits/símbolo são transmitidos através da
modulação:
– QPSK (2 bits/símbolo) – 16-QAM (4 bits/símbolo) – 64-QAM (6 bits/símbolo)
Se o sistema utiliza uma banda de 200 kHz, qual seria a
máxima taxa de bits possível?
– Se a banda é 200 kHz, o baud rate é ~200 ksps. Assim: – QPSK (200 ksímbolos/s * 2 bits/símbolo = 400 kbps) – 16-QAM (200 ksímbolos/s*4 bits/símbolo = 800 kbps) – 64-QAM (200 ksímbolos/s*6 bits/símbolo = 1.2 Mbps)
Exemplo: Sistema de modulação digital 4-ASK
– Sequência de Dados: 1 0 0 1 1 1 0 0– Qual é a quantidade de bits por símbolo?
– Represente o sinal modulado conhecendo os símbolos de modulação
– Qual é a taxa de símbolos por segundo (Baud Rate)? – Qual é a taxa de bits por segundo?
Desempenho de
Sistemas de Modulação
Passa-Faixa Digital
BER em AWGN – Sistemas de Comunicação Digital
– Uma medida importante de desempenho é a taxa de erro de bit (BER)
– Ela expressa a quantidade de erros de bit numa transmissão e normalmente é associada a uma dada SNR normalizada denominada de Eb/No
• Eb: Energia de Bit
• No: Densidade Espectral de Ruído
– Quanto menor for o BER para uma dada Eb/No, melhor é o sistema
– Uma análise básica e fundamental é verificar o desempenho do sistema na presença de ruído do tipo AWGN
BER em AWGN – Sistemas de Comunicação Digital
BER
Modulação Passa-Faixa
Bit Error Probability (Pb) BPSK QPSK M-PSK M-QAM 0 2 N E Q P b b 0 2 N E Q Pb b M N E n Q n P b b b b sin 2 2 0
