Fundamentos em Telecomunicações - Bloco 5: Enlace

FUNDAMENTOS EM TELECOMUNICAÇÕES Marcio Belloni 2 5 ENLACE Apresentação Olá alunos bemvindos ao Bloco 5 no Bloco 4 estudamos a interferência nos sinais e o comportamento do ruído de diversas fontes apresentando cálculos das relações entre o sinal e o ruído agora entenderemos o conceito de Enlace e sua importância nos Sistemas de Telecomunicações Abordaremos também os mecanismos de propagação no espaço e o parâmetro de difração de Fresnel Kirchhoff 51 Definições e características dos enlaces O processo de envio e recepção de dados depende de diversos fatores como já vimos e estes fatores devem estar determinados nos projetos de telecomunicações Um sistema de telecomunicações visa de forma substancial ao enlace Assim devemos tratar agora do enlace em telecomunicações Enlace é o canal ou comunicação entre sistemas de telecomunicações ou estações que possibilita o envio eficiente de dados ou informação tal eficiência está relacionada com a capacidade de transmissão de informações Um enlace pode ser definido da seguinte forma Figura 51 Sistema de telecomunicações em enlace De certa forma existe uma grande quantidade de modos diferentes de se proceder o enlace entre sistemas de telecomunicações e isto deve considerar diversos fatores que de forma abrangente podem classificar os enlaces 3 Uma classificação pode ser obtida quanto ao meio de transmissão a Radio enlace O enlace ocorre entre estações por meio de sinal de rádio no campo eletromagnético b Enlace por microondas O enlace é possibilitado por meio de microondas c Enlace ótico Utiliza fibra ótica laser ou outros meios óticos para possibilitar o envio de informação d Enlace cabeado o Enlace ocorre pelo uso de cabos como cabo de par trançado e cabo coaxial O enlace ainda pode ser classificado segundo as características das estações a Enlace ponto a ponto O enlace ocorrerá entre duas estações b Enlace multiponto O enlace ocorre entre diversas estações c Enlace terrestre As estações estão dispostas no globo terrestre d Enlace por satélite As estações terrestres são mediadas por meio de um satélite Podese ainda considerar a classificação dos enlaces segundo a sua relação entre as estações ou seja transmissão ou recepção a Enlace Simplex O enlace ocorre em uma via de dados apenas onde há uma estação transmissora e uma receptora e desta forma uma só via e um só sentido de dados é possível b Enlace HalfDuplex O enlace ocorre entre estações que assumem o papel de transmissores e receptores de informações duplex mas de forma alternada ou seja uma estação envia e a outra recebe e então mudam Esta alternância permite o uso de um único canal de fluxo alternado de sinais 4 c Enlace FullDuplex Onde o enlace assume uma versatilidade bastante proeminente pois as estações possuem mais de um meio podendo se conectar enviar e receber dados simultaneamente Cada situação de enlace requer detalhes específicos e considerações referentes a suas características Por exemplo quando se trata de rádio enlace o cálculo do raio de Fresnel é relevante Além disso o cálculo de antena e a escolha do tipo de antena é necessário Por outro lado o enlace por meio cabeado considerará a distância e o protocolo além de blindagens do meio físico contra interferências eletromagnéticas por indução Neste bloco analisaremos alguns casos mais comuns 52 Mecanismo de propagação no espaço livre e Princípios de Huygens Fresnel e Difração Alguns efeitos conhecidos em enlace devem ser considerados para o seu cálculo Efeitos estes em sua maioria na relação entre o sinal o canal e o ambiente Vejamos por exemplo o que ocorre no rádio enlace Se imaginarmos um rádio enlace ponto a ponto podemos lembrar que a distância como já foi explanado nos blocos anteriores irá alterar a eficiência do envio da informação Além disso condições climáticas e até a frequência do sinal vão interferir na qualidade do envio da informação podendo até impossibilitar essa tarefa São necessários alguns conceitos de Física para uma boa compreensão dos efeitos nos Enlaces Ao observar uma onda especificamente em relação à frente de onda esférica perceberemos a existência de pontos os quais a partir de cada um deles novas frentes secundárias serão formadas emitindo sucessivamente outras frentes de onda Tal desenvolvimento subsequente auxilia no entendimento da propagação de uma onda eletromagnética no espaço Huygens nos explica que estas Fontes que se encontram na frente de onda inicial criam Fontes secundárias desenvolvendo uma nova posição da frente de onda na direção da propagação da onda ou seja na direção em que a onda se propaga no 5 meio Este conceito nos permite compreender fenômenos que afetam a transmissão do sinal no enlace por ondas eletromagnéticas o rádio enlace como por exemplo a difração e a refração Note o exemplo na imagem a seguir Fonte httpsptwikipediaorgwikiPrincC3ADpiodeHuygensmediaFicheiroRefraction HuygensFresnelprinciplesvg Figura 52 A refração segundo os princípios de Huygens Os pontos amarelos representam as novas fontes pontuais de luz Os conceitos de difração e refração da onda são essenciais para compreender o comportamento do enlace frente a obstáculos Os efeitos apresentados pelo princípio de Huygens podem ser verificados em uma situação hipotética imaginando que se deseja transmitir por meio de um sinal de frequência abaixo dos gigahertz fora ainda da microonda mas um obstáculo extremamente opaco para a onda eletromagnética ou seja que não permite de nenhuma forma a passagem da onda para o outro lado Ao medir a energia do outro lado deste obstáculo será percebido o sinal mesmo que seja ligeiramente distorcido ou atenuado Isto ocorre porque a quantidade de onda eletromagnética que passa pelas laterais e por cima do obstáculo opaco gera uma nova frente de onda 6 Figura 53 Na região de sombra é possível medir com certa intensidade a energia do sinal graças ao princípio de Huygens Então podese afirmar que há uma região de penumbra Se considerarmos a onda na figura da frente de forma singular podemos traçar qual é a distância de cada frente de onda secundária subsequente até o ponto escolhido no espaço que pode ser o receptor Cada frente de onda terá uma distância igual à da frente de onda inicial incrementada com o valor de metade do comprimento de onda Considerando o comprimento de onda como 𝜆 podemos traçar o seguinte Figura 54 A frente de onda possui novas frentes de ondas secundárias com distâncias bem definidas até o receptor Desta forma observando em uma situação ideal plena simetria é possível traçar algumas conjecturas referentes ao comprimento de onda resultante no espaço observando de forma bastante precisa a abrangência do alcance da onda Esses 7 diferentes percursos nos apresentará uma defasagem que nos coloca na condição de observador da portadora como uma onda periódica uma onda harmônica Então devemos nos atentar ao fato de que a informação está Modulada sobre a Portadora Perceba que as delimitações das distâncias tanto em A como em B será sempre apresentada da seguinte forma relacionandose à frente da onda original e do receptor 𝑫𝒆𝒇𝒂𝒔𝒂𝒈𝒆𝒏𝒔 𝒏𝝀 𝟐 Quando variamos o valor de n do meio da onda para A ou de A para B estamos na verdade verificando um princípio apresentado por Fresnel denominado regiões de Fresnel Este princípio é muito utilizado para entender o efeito causado pela obstrução por um obstáculo na onda eletromagnética Como a onda se propaga no tempo isso cria sucessivas regiões de Fresnel as quais se denominam como zonas de Fresnel Um fato curioso é que como bem explica a ondulatória quando n é um valor ímpar a interferência será construtiva e isto é importante para a compreensão e a construção das zonas de Fresnel Em uma situação ideal para n igual a um podemos encontrar uma região de Fresnel bastante simétrica especialmente se a distância entre o emissor e o receptor for dividida exatamente ao meio Assim se considerarmos que exatamente a meia distância entre emissor e receptor temos um ponto p podemos encontrar uma situação ideal para compreender melhor as regiões de Fresnel A distância D entre o receptor e o emissor terá então as componentes d1 e d2 e o comportamento da onda nesta região será bastante específico possibilitando aplicar uma formulação matemática conhecida como parâmetro de difração de Fresnel Kirchhoff dado por 8 𝝊 𝒉𝟐𝒅𝟏 𝒅𝟐 𝝀𝒅𝟏𝒅𝟐 Onde 𝝊 parâmetro de difração de Fresnel Kirchhoff 𝒉 raio do ponto central à borda da onda 𝒅𝟏 distância do transmissor até o centro 𝒅𝟐 distância do centro até o receptor 𝝀 comprimento de onda Para n1 no cálculo acima apresentado teremos a zona de Fresnel como uma elipse no espaço que respeita seu ponto de máxima expansão central com a metade da distância e ainda corresponde ao valor da frente de onda Figura 55 A zona de Fresnel forma um traçado elíptico em torno do emissor e do receptor A elipse formada quando n vale 1 é denominada elipsoide de Fresnel 9 Fonte o httpsptwikipediaorgwikiZonadeFresnelmediaFicheiroFresnelSVG1svg Figura 56 Duas torres de transmissão e recepção para estudo da zona de Fresnel Esta elipsoide possui uma característica curiosa baseado na fórmula anteriormente apresentada o raio central r no ponto p poderá ser encontrado para qualquer valor de n conforme segue 𝒓 𝒏𝝀𝒅𝟏𝒅𝟐 𝒅𝟏 𝒅𝟐 𝒓 raio da elipsoide de Fresnel 𝒏 número da harmônica 𝒅𝟏 distância do transmissor até o centro 𝒅𝟐 distância do centro até o receptor 𝝀 comprimento de onda Uma aplicação muito conhecida dos conceitos de Fresnel em telecomunicações é denominada difração por gume de faca onde se obtém uma situação ideal que se aproxima de uma vasta gama de situações reais em telecom Imagine uma estação transmissora e uma estação receptora há uma determinada distância Agora coloque no meio desta distância uma faca posicionada com o cume para cima e imagine que esta faca tem uma espessura infinitesimal ou seja tão pequena que pode ser desprezada Imagine também que essa faca possui um 10 comprimento infinito de forma a abranger todo o volume da zona de Fresnel Por fim imagine também que esta faca é totalmente opaca de forma que a onda não transpasse a faca nem a faça vibrar Considerando esta situação hipotética a altura da faca poderá ser considerada como o valor h apresentado anteriormente Figura 57 A difração por gume de faca onde a faca ideal se encontra inserida na zona de Fresnel Então podemos identificar o parâmetro de difração de FresnelKirchhoff ele estará posicionado em relação ao valor do raio da incidência do gume da faca na região de Fresnel identificada pela fórmula a seguir 𝝊 𝟐 𝒉 𝒓𝟏 Onde 𝝊 parâmetro de difração de Fresnel Kirchhoff 𝒉 raio definido pela altura do gume da faca 𝒓𝟏 raio da elipsóide de Fresnel em relação à n1 O conceito de gume de faca é muito utilizado para dimensionar sistemas que consideram obstáculos como morros prédios e outros objetos com largura não muito expressiva 11 Outro dimensionamento importante a se considerar no enlace em rádio frequência é a seleção correta e bom dimensionamento da antena A antena tecnicamente é um condutor metálico por onde pode circular uma corrente elétrica Assim uma antena é um transdutor que transforma grandezas elétricas em campos elétricos e magnéticos e viceversa Significa dizer que em uma antena a onda eletromagnética forma uma corrente elétrica e a corrente elétrica forma uma onda eletromagnética Para uma produção eficaz da onda eletromagnética a antena deve possuir os seguintes requisitos a A antena deve distribuir a energia eletromagnética no espaço ou reaproveitar a energia incidente de acordo com uma lei determinada ou seja deve ter uma característica de emissão ou recepção conhecida Em determinada situação convém que a energia seja emitida ou recebida uniformemente em todas as direções em outra é necessário o efeito diretivo ou seja a concentração do campo radiado em um feixe suficientemente estreito b A emissão ou a recepção das ondas eletromagnéticas não devem ser acompanhadas por um consumo inútil de energia em perdas ôhmicas na estrutura da antena Em outras palavras a antena deve ter o mais alto rendimento possível Na antena ocorrem diversos fenômenos elétricos e a lei de Lenz é um destes fenômenos Inclusive é a explicação da criação do campo magnético por meio da tensão no condutor Assim a presença da corrente no condutor irá gerar um campo magnético representado por um fluxo magnético Φ 𝜺 𝐝𝚽 𝐝𝐭 12 Onde ε tensão no condutor V 𝚽 fluxo magnético Wb Assim o campo magnético gerado pode ser controlado pela tensão aplicada no condutor Para iniciar o estudo do formato de antenas o melhor meio é partir da antena dipolo de meia onda O estudo do formato das antenas é baseado nos resultados de espalhamento do sinal que se almeja na frequência e no formato do campo radiado A impedância da antena é definida como a relação de reatância indutiva e capacitiva determinada pela razão entre tensão e corrente nos terminais da antena A forma física das antenas influencia em diversos aspectos da mesma É sabido que os sistemas de RF incluem a antena um indutor e um capacitor variável Este capacitor é utilizado para que se possa variar a frequência de recepção Note que a própria antena possui uma resistência uma reatância capacitiva e indutiva Desta forma para uma boa recepção devese possuir uma relação de impedância correta na antena Esta reatância capacitiva influencia inclusive na forma no material e na construção da antena Tipos de Antena a Antena dipolo de meia onda Os dipolos de meia onda são antenas que por estarem separadas conseguem atuar com ondas maiores possuindo apenas metade do comprimento de onda São muito utilizadas em serviços de emissão e recepção de rádio A facilidade de construção faz dela o tipo preferido de antena para os radioamadores 13 Fonte MACHADO 2010 Figura 56 Dipolo de meiaonda inclinado b Antena loop Antenas em loop criam uma volta diminuindo o espaço físico ocupado por antenas muito grandes Esta técnica construtiva torna as antenas mais compactas embora as torne também mais suscetíveis às alterações na componente magnética da onda eletromagnética FontehttpsptwikipediaorgwikiAntenaloopmediaFicheiroLoopantennajpg Figura 58 Antena loop para ondas curtas Assim as antenas do tipo loop devem ser corretamente blindadas contra os efeitos da interferência eletromagnética EMI Também é comum a utilização de um capacitor variável para melhorar a diferença de potencial V na saída da antena e proporcionar uma melhoria de ganho no sinal 14 C Antena Yagi Fonte httpscommonswikimediaorgwikiFileAntenayagiuda500png Figura 59 Dimensionamento Antena Yagi Geralmente calculase estas antenas fracionando o comprimento de onda dentro dos dipolos Possui um refletor na ordem de 50 mais 5 do comprimento de onda Um dipolo de meia onda com comprimento já verificado de metade do comprimento de onda A vantagem das antenas Yagi é o fato de possuir um refletor e hastes diretores que aumentam a performance do dipolo de meia onda inclusive reduzindo significativamente a incidência de interferência eletromagnética D Antena Log Periódica As antenas Log Periódicas atuam de forma a oferecer alto ganho do sinal recebido ou enviado Possui grande capacidade direcional e trabalha com bandas múltiplas Trata se de uma evolução das antenas Yagi onde os dipolos abertos são arranjados e separados de forma logarítmica Assim existe uma ressonância entre os dipolos formando um conjunto eficiente e direcional Da mesma forma que as antenas Yagi o elemento traseiro atua como um refletor e os demais são diretores 15 FontehttpscommonswikimediaorgwindexphptitleSpecialSearchsearchlogperiodicfulltext 1profiledefaultns01ns61ns121ns141ns1001ns1061mediaFileLogperiodicante nnagif Figura 510 Esquema de uma antena Log Periódico demonstrando o formato em que os dipolos são posicionados Fonte httpscommonswikimediaorgwikiFileLogperiodicVHFTVantenna1963jpg Figura 511 Antena Log Periódico em V Proporcional maior direcionabilidade E Antena tipo corneta Antenas tipo corneta são mais utilizadas em microondas devido ao seu formato especialmente aplicadas em radares e na área aeroespacial Serviços de telecomunicações internet via rádio comunicação por microondas e satélites 16 também utilizam esta geometria Podem possuir diversos formatos segundo suas dimensões de abertura Figura 512 Classificação de antenas cornetas segundo suas dimensões Figura 513 O engenheiro eletricista Wilmer Lanier Barrow efetuando medições utilizando uma antena tipo corneta F Antena parabólica de ponto focal Antenas parabólicas de ponto focal possuem uma parábola côncava de forma a direcionar os sinais recebidos em um só ponto que é o ponto focal maximizando o ganho e melhorando a qualidade da recepção e emissão de sinais Neste caso o elemento que recebe ou envia o sinal encontrase no centro da antena 17 Fonte httpscommonswikimediaorgwikiFileAntenaparabolicajpg Figura 14 Antena parabólica de ponto focal O elemento emissor e receptor encontrase no centro da antena na distância focal exata em relação ao disco parabólico No caso das antenas Cassegrain tratase de uma configuração muito utilizada para radiotelescópios devido ao seu alto ganho Esta antena é formada por um refletor parabólico denominado refletor primário e um refletor hiperbólico denominado refletor secundário Ambos são acondicionados na estrutura de forma a focar o sinal recebido em um só ponto ou seja uma antena corneta Veja que diferentemente da antena parabólica de ponto focal esta possui um elemento que é o refletor secundário se assemelhando aos telescópios Cassegrain Fonte httpsuploadwikimediaorgwikipediacommons33bCassegrainantennajpg Figura 525 Antena Cassegrain 18 Note o segundo refletor no centro da antena e do elemento receptoremissor no centro sobre o refletor primário A antena é basicamente um condutor como vimos e gera a onda eletromagnética a partir do fluxo magnético que se forma com a passagem da corrente O campo de radiação formado pela antena depende do formato da frequência da modulação e outras características Este campo é definido por um diagrama denominado diagrama de radiação representando todas as características do campo em coordenadas polares Verificase por este diagrama a direção e intensidade da radiação Fonte httpsuploadwikimediaorgwikipediacommons227DiagramaEHJPG Figura 53 Campo de radiação de uma antena Cassegrain Veja que o campo radial a partir do centro e possui forma mais acentuada a partir do centro do diagrama 19 53 Cálculo de enlace de transmissão Para iniciar os estudos vamos considerar a relação de enlace que ocorre num sistema de radiofrequência pontoaponto simplex para que didaticamente possamos perceber os principais conceitos em relação ao enlace Exemplo 1 Considere um sistema de rádio enlace que se encontra transmitindo um sinal de 300 MHz e a distância entre a torre de transmissão e a torre de recepção é de 1 km Buscase encontrar qual é a altura máxima de um obstáculo que está a 200 m da torre receptora para que não haja perdas por obstrução Cada torre possui uma altura de 80 m Considere uma atenuação de 0 dB e o valor de hr06 Para solucionar o exercício inicialmente devemos traçar qual é o raio da elipsoide de Fresnel e assim determinar a altura máxima do obstáculo O raio determinado pelo gume da faca será exatamente a altura do obstáculo descontando a altura da torre Se hr 06 então 𝟎 𝟔 𝒉𝒐𝒃𝒔 𝟖𝟎 𝒓𝟏 𝒓𝟏 𝒏𝝀𝒅𝟏𝒅𝟐 𝒅𝟏 𝒅𝟐 𝒏 𝒄 𝒇 𝒅𝟏𝒅𝟐 𝒅𝟏 𝒅𝟐 𝟏 𝟑 𝟏𝟎𝟑 𝟑 𝟏𝟎𝟑 𝟐𝟎𝟎 𝟖𝟎𝟎 𝟐𝟎𝟎 𝟖𝟎𝟎 𝟏𝟐 𝟔𝟒𝟗 𝒎 𝟎 𝟔 𝒉𝒐𝒃𝒔 𝟖𝟎 𝟏𝟐 𝟔𝟒𝟗 𝒉𝒐𝒃𝒔 𝟕𝟐 𝟒𝟏 𝒎 Assim o obstáculo deverá ter no máximo 7241m de altura Por fim para o dimensionamento do enlace podemos verificar o formato e dimensões de antenas Imagine uma antena de condutor muito longo ou formada por tubos de alumínio como muitas antenas convencionais são Verificase que condutores muito longos podem gerar resistência que podem mudar os valores de tensão e condutores ocos como os tubos de alumínio certamente oferecerão maior reatância capacitiva Desta forma antenas muito longas devem considerar uma alteração de até 5 e para antenas de condutores menores uma alteração para até 5 20 Vamos as fórmulas para calcular uma antena Yagi para uma onda de VHF de 200MHz Lembrando que o VHF vai de 30 MHz a 300 MHz Primeiramente calculamos o comprimento de onda 𝝀 𝒄 𝟐𝟎𝟎 𝟏𝟎𝟔 𝟏 𝟓 𝒎 Calculamos o dipolo de meia onda Considerando os 5 já mencionados 𝒅 𝝀 𝟐 𝟓 𝟎 𝟕𝟏𝟐𝟓 𝒎 Calcule também o vão do dipolo de meia onda Lembrando que ele estará conectado por meio de tubo de mesmo material e diâmetro 𝒂 𝒅 𝟑𝟐 𝟎 𝟎𝟐𝟐𝟑 𝒎 Note como todas as medidas nascem a partir do tamanho do dipolo de meia onda Calculamos agora o refletor 𝑹 𝒅 𝟓 𝟎 𝟕𝟒𝟖𝟏 𝒎 Na frente vão os diretores Consideremos os valores de 5 𝑫 𝒅 𝟓 𝟎 𝟔𝟕𝟔𝟗 𝒎 O primeiro diretor deve ser 5 menor que os demais 𝑷𝑫 𝑫 𝟒 𝟎 𝟔𝟒𝟑 𝒎 Agora vejamos os espaçamentos entre o refletor e o dipolo A distância será de ¼ de onda 21 𝑿𝟏 𝝀 𝟒 𝟎 𝟑𝟕𝟓 𝒎 Por último vejamos os espaçamentos entre diretores A distância será de 15 de onda 𝑿𝟏 𝝀 𝟏𝟓 𝟎 𝟐𝟐𝟓 𝒎 Desta forma podese projetar a seguinte antena Figura 517 Antena Yagi para 200MHz VHF em alumínio com tubos de ½ pol Conclusão Neste bloco analisamos o conceito de Enlace e suas aplicações em telecomunicações vimos também os tipos de antena e seus dimensionamentos conforme critérios que passam por conceitos de física e matemática dando assim embasamento para o aprofundamento em projetos de Sistemas de Telecomunicações REFERÊNCIAS BALANIS C A Antenna theory analysis and design Third Edition Editora J Wiley Nova York 2005 22 FUSCO V F Teoria e Técnicas de Antenas Princípios e Prática Editora Bookman Ny 2007 JEWETT J SERWAY R Física para cientistas e engenheiros Eletricidade e magnetismo Vol 3 ed Cengage Learning São Paulo 2011 MACHADO A F Manual das antenas para radioamadores e radiocidadãos 1 ed Mato Grosso do Sul 2010 Documento eletrônico httpwwwarpinetbrdownloadsmanualantenaspdf Acesso em 31082020 NETO J B Teoria eletromagnética Parte Clássica Ed Livraria da Física São Paulo 2013 OZENBAUGH R L EMI Filter Design Marcel Dekker NY USA 2001 PAUL C R HARDIN K B Diagnosis and Reduction of Conducted Noise Emissions IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY VOL 30 NO 4 NOVEMBER 1988 TRAUSSNIG W Design of a Communication and Navigation Subsystem for a CubeSat Mission Austria 2007 Documento eletrônico httpsphysikuni grazatspacesciencesarchivefiles ULGIIMasterThesisTraussnigpdf Acesso em 31082020 ZILIO S C BAGNATO V S Mecânica calor e ondas 2002 Disponível em httpwwwfisicanetmecanicaclassicaMecanicaCalorOndaspdf Acesso em 29092020