Princípios de Telecomunicações - Aulas 2 e 3

Princípios de Telecomunicações Aulas 2 e 3 Prof Gabriel Queiroz Email gabrielqueirozcefetrjbr Blocos funcionais Outro diagrama para comunicação digital Resistência a ruído e interferência Fontes de informação Diferentes tipos Música e sinais de voz Imagens e vídeos Sinais de computador Pulsos de comando Sensores de radar e sonar Amostragem Exemplo sinais de voz O espectro de frequência é formatado pela seletividade em frequência do trato vocal Exemplo música e imagem Sons de instrumentos musicais com estrutura melódica sequência de sons e harmônica sons simultâneos Imagens podem ser dinâmicas vídeo ou estáticas fotografias A fim de serem transmitidas devem ser convertidas em sinais elétricos Exemplo sinais de computadores Textos transmitidos por exemplo utilizando o ASCII American Standard Code Information Interchange 27 128 caracteres Exemplo A 1000001 a 1100001 Exemplo sinais de computadores Representação do envio de um bit através do padrão RS232 Por que são usados bits que não servem para transmissão de dados Qual a utilidade de se ter um start bit e um stop bit obrigatoriamente diferentes Obtenção de sinal Ao associar o conceito de sinal à matemática temos que um sinal corresponde a um modelo matemático para representação de uma informação ao longo do tempo Porém é necessário obter um modelo matemático para o sinal Obtenção de sinal A obtenção do modelo matemático segue três etapas Medição da informação ao longo do tempo Análise do comportamento da informação ao longo do tempo Obtenção do modelo matemático para a informação Mensagens analógicas e digitais Digitais Combinações de símbolos finitos Alfabeto discurso falado notas musicais código Morse Conjuntos Mários M elementos ou símbolos Mensagens analógicas e digitais Analógicas Variação de forma contínua Som da voz temperatura de um local música etc Quais as vantagens de se usar mensagens digitais ao invés de analógicas Uso de mensagens de natureza digital Fatores econômicos Microprocessadores cada vez mais baratos e versáteis Representação de pulsos elétricos em lógica booleana de fácil execução Uso de mensagens de natureza digital Fatores de qualidade Resistência a ruído e interferência É mais fácil tomar uma decisão quando há um conjunto finito de opções Sistema mais robusto Viabilidade de repetidores regenerativos Sistemas analógicos Regeneração impossível Uso de repetidores é possível mas com distorção Ruídos e interferência cumulativos ao longo do enlace Viabilidade de repetidores regenerativos Sistemas digitais Dentro dos limiares de ruído e de interferência a regeneração é viável Uso de repetidores sem distorção regenerativos é possível Técnica muito utilizada em sistemas de longas distâncias e redes de grandes dimensões O que fazer para se valer dos benefícios de uma transmissão de sinal digital se o que se deseja transmitir possuir natureza analógica Conversão AD Um sinal analógico e contínuo no tempo é convertido em um sinal digital assume um número finito de valores e discreto no tempo A conversão AD nunca é 100 exata Porém a percepção humana não requer 100 de exatidão Compreende duas etapas amostragem tempo e quantização amplitude Quantização Eixo de amplitudes dividido em um número finito de intervalos L níveis de quantização Não necessariamente uniformes A amplitude de cada amostra é aproximada para o nível associado ao intervalo mais próximo O sinal digitalizado é uma boa aproximação do original Quantização Ordem de grandeza de L para sinais de voz 8 ou 16 voz inteligível 128 ou 256 usado comercialmente em telefonia Observação L é tipicamente uma potência de 2 Modulação por código de pulso PCM A técnica PCM realiza uma representação digital De uma mensagem original para uma sequência de amostras quantizada A transmissão dessa sequência é a função dos sistemas de comunicação digital Necessidade de formas de onda de sinais elétricos para representar a sequência no processo de transmissão Modulação por código de pulso PCM Uma forma usual e simples de conseguir isso é com a técnica PCM Base binária uso de bits de informação 0s e 1s Cada valor amostral é representado por uma sequência de N log2L pulsos binários PCM de 16 níveis N 4 Multiplexação Método para combinação de múltiplos sinais em um só para transmissão através de um meio compartilhado Escassez de canais de comunicação individuais para cada origem Desperdício de recursos caso fosse possível Parcelas de capacidade do canal são utilizadas por cada fonte Multiplexação Pode ser determinística Garante uma parcela exata de recursos do canal Exemplos FDM frequência TDM tempo e WDM comprimento de onda Ou estatística Parcela de recursos varia com a utilização Comutação de pacotes Multiplexação por divisão de frequência FDM Multiplexação por divisão de tempo TDM Exemplo TV a cabo Vários blocos de sinais podem ser agrupados multiplexados para transmissão simultânea numa mesma localidade sem interferência mútua direta Na TV a cabo os canais são selecionados via filtro passabanda sintonizável Qual é a vantagem da multiplexação estatística sobre por exemplo o TDM Efeito de canal SNR e capacidade Largura de banda e potência do sinal Parâmetros fundamentais e limitações físicas que controlam a taxa e a qualidade em um sistema digital Largura de banda do canal B e potência do sinal Ps Efeito de canal SNR e capacidade Largura de banda Faixa de frequências na qual a mensagem é transmitida com fidelidade aceitável B fh fl Quanto mais rápida a variação do sinal maior a fh Exemplos analógicos Voz 34 kHz Áudio 1520 kHz Vídeo 6 MHz Efeito de canal SNR e capacidade Potência do sinal Papel dual na transmissão da informação Qualidade da transmissão valor em relação à potência do ruído SNR Intercambialidade com B na determinação da capacidade de transmissão Efeito de canal SNR e capacidade Para uma mesma qualidade desejada é possível trocar banda por potência relação exponencial Princípio muito utilizado em tecnologias atuais espalhamento espectral CDMA etc Capacidade do canal e taxa de dados A largura de banda do canal B limita a largura de banda do sinal A SNR limita a recuperabilidade do sinal maior SNR mais pulsos sobre o canal B e SNR afetam a vazão do canal A vazão de pico permitida por um canal é a capacidade capacidade desse canal Capacidade de canal AWGN Um canal AWGN é aquele cujo ruído é caracterizado pelo ruído brancotérmico ou AWGN Additive White Gaussian Noise Teorema de Shannon limitante de capacidade Analogia interlocutor de voz mansa e acelerada Se tanto o meio quanto o sinal de informação possuem suas próprias bandas o que ocorre quando eles estão em bandas diferentes Modulação Técnica utilizada para conformar um sinal modulante que contém a informação a um canal adequado disponível através de uma portadora um sinal adequado ao meio Modulação Para haver comunicação utilizase a técnica de modulação do sinal de informação que se baseia em Adequação das frequências do sinal de informação ao meio de transmissão Modificação de uma ou mais das propriedades do sinal de alta frequência portadora ou carrier pelo sinal de informação modulante Modulação A aplicação da técnica de modulação é fundamental para possibilitar a utilização de determinados meios Quanto maior a frequência f menor o comprimento de onda lambda e por consequência menor o tamanho l da antena Moduladores e demoduladores A função do modulador digital é mapear a sequência binária proveniente do codificador de canal em um conjunto de M valores distintos de parâmetros do sinal elétrico como fase frequência e amplitude O demodulador digital processa o sinal corrompido pelo canal e reduz o sinal a uma sequência numérica que representa as estimativas dos símbolos binários ou Mários de dados transmitidos Modulação e detecção Conceitos importantes A modulação é a técnica para conformar o sinal a um canal adequado disponível O sinal modulante é um sinal em banda base tipicamente um passabaixa Construção básica com circuitos RLC A onda portadora carrier carrega o sinal modulante Modulação e deteção Demodulação Processo inverso para recuperação da mensagem e do sinal em bandabase Receptor espelhado no transmissor Primeiro estágio típico é a filtragem passa banda do canal desejado Detecção da variação da amplitude frequência ou fase da portadora que carrega a informação Conversão RF BB Facilidade de irradiaçãotransmissão Propagação de ondas Frequências mais apropriadas para transmissões de rádio bandabase VHF 30 MHz a 300 MHz UHF SHF EHF Antenas Tamanho típico de antenas eficientes 011 λ Voz λ 1003000 km VHF λ 110 m Tipos de modulação Uma modulação pode ser vista como um processo de conversão AD E DA O processo de amostragem ou discretização apresentado anteriormente se encaixa em algum tipo de modulação Se sim qual Qual a sua relação com a técnica PCM Exemplo modulações analógicas AM e FM Exemplo modulação analógica PM Modulator π3 sin22πt 1 sec Carrier π sin2πt Result π3 sin2πt π3 sin22πt MODULATING SIGNAL PHASE MODULATOR CARRIER MODULATED SIGNAL Francesco Buffa Exemplo conversão AD e codificação