Fundamentos em Telecomunicações - Bloco 6: Recepção de Sinais e Demodulação da Portadora

FUNDAMENTOS EM TELECOMUNICAÇÕES Marcio Belloni 2 6 RECEPÇÃO DE SINAIS E DEMODULAÇÃO DA PORTADORA Apresentação Olá alunos bemvindos ao Bloco 6 neste bloco veremos os sistemas digitais e redes de comunicações digitais especialmente as redes industriais Veremos também tecnologias de comunicação em relação à comunicação móvel comunicação em satélites e modernas tecnologias para internet das coisas IoT 61 Sistemas digitais e redes de comunicações digitais A união de equipamentos com a intenção de manter certa comunicação enviando e recebendo mensagens ou ainda a transmissão de informações entre pontos geograficamente distantes fazendo uso dos chamados transmissor e receptor é o que constitui um sistema de telecomunicações Nos primeiros blocos desta disciplina nós pudemos conhecer os sinais digitais e analógicos Relembrando o sinal pode ser analógico ou digital e o que os define é a forma como se encontram dispostos em relação ao tempo Figura 61 Sinal analógico constante no tempo 3 Figura 62 Sinal digital discreto no tempo Vimos que o sinal digital pode ser enviado por meio de um sinal analógico ou até vice versa O que se deve ter em mente é que a relação entre o sistema digital e o sinal analógico muitas vezes deve ser considerada Conhecemos também o enlace e detalhes referentes ao enlace que formam os sistemas de comunicação Ao tratar sinais digitais os sistemas de telecomunicações são denominados sistemas digitais e são basicamente formados pelos mesmos conceitos de transmissores e receptores Mas algumas técnicas podem ser utilizadas como a de multiplexação e demultiplexação Multiplexadores são instrumentos que permitem codificar em um único canal mais de uma fonte de informações Eles são utilizados em situações onde não se pode ter à disposição vários canais de comunicação Cada dois canais de entrada podem ser chaveados com um bit podendo ser combinados por vários pares de duas entradas com 1 bit de controle para cada par de entrada Duas portas AND sendo uma delas com uma porta invertida e uma OR podendo tratar de duas entradas Na imagem a seguir podese observar as entradas A e B sendo controladas pela porta S A saída O depende do controle S nas duas entradas A e B 4 Figura 63 Duas portas AND uma OR e uma NOT podem demonstrar o funcionamento do multiplexador Na saída O as entradas A e B estarão representadas Note que as entradas estarão na saída na forma de pacotes Uma parte deste pacote será responsável por manter o sincronismo Figura 64 A informação em amarelo é o dígito de sincronismo Alguns sistemas MUXDEMUX não são sincronizados diretamente pelo sinal das entradas e saídas mas possuem um canal separado de sincronismo Ao demultiplexador cabe reordenar o sinal enviando o mesmo a suas devidas portas Isto é feito geralmente com sinais digitais especialmente os cabeados Figura 65 Sistema de blocos do receptor AM Vimos processos de modulação nos blocos anteriores e agora ao analisar o demultiplexador poderemos entender melhor o procedimento de demodulação Neste procedimento chamase a atenção 2 técnicas notadamente utilizadas para a demodulação AM Essas técnicas são denominadas de modulação quadrática e síncrona 5 Por meio de filtros temos o componente de detector de envoltória que faz a separação da informação que está acondicionada na portadora Esses elementos fazem parte dos receptores O sinal captado pela antena possui pouca energia tendo sofrido grande atenuação esse sinal é amplificado pelo sistema receptor e a sintonia que é a frequência na qual se deseja receber o sinal está presente nos 2 primeiros estágios da amplificação de RF O detector por sua vez separa o sinal da portadora enviando o mesmo para o amplificador de áudio ou outro elemento que tornará o sinal compreensível 611 Redes Industriais De forma análoga alguns protocolos industriais utilizam princípios de multiplexação e mantêm sistemas de comunicação de acordo com as necessidades do projeto Vejamos alguns destes protocolos Um posicionamento interessante é observar protocolos que sejam utilizados na indústria mantendo de forma sistemática o padrão de qualidade exigido nesta seara O protocolo Hart Highway addressable Remote Transducter apresenta um sistema de gerenciamento e transmissão de dados bastante eficiente baseado em um circuito fechado com uma corrente dominante Este protocolo foi o precursor do que hoje se denomina FieldComm Como trabalha com um sistema de circuito no controle da corrente a ideia é sobrepor o sinal digital bidirecional para um sinal analógico de 4 mA a 20 mA Por estar bastante tempo na indústria e ter sido uma grande inovação esse protocolo ainda é largamente utilizado Esse sinal digital sobreposto ao sinal analógico é efetuado por meio de uma modulação por deslocamento de frequência já verificado nos blocos anteriores conhecido como FSK Frequency Shifting Keying transmitido à uma taxa de 1200 bps e em modo half duplex O valor do bit 1 é definido pela frequência de 12 quilohertz enquanto o bit zero é apresentado por 22 quilohertz O sinal analógico possui uma frequência muito 6 baixa em comparação a essas frequências o que permite que o receptor possa distinguir os bits de forma eficiente Uma variação mais Moderna do protocolo HART é o WirelessHART extensão WiFi que permite a conexão à distância e HARTIP que é um protocolo sobre IP suportando assim o protocolo de internet permitindo uma maior flexibilidade e maior velocidade acompanhando uma tendência da indústria Outro protocolo muito conhecido na indústria é o protocolo modbus Esse protocolo foi inicialmente envolvido pela Modcom que hoje é a Schneider Mas esse protocolo foi novamente reformulado para um organismo independente denominado Modbus Organization Por ser um protocolo mais aberto foi rapidamente estendido para a ethernet e outros protocolos Este protocolo é utilizado para as comunicações entre dispositivos de campo como sensores e atuadores e especialmente em sistemas Escada final este protocolo não está devidamente definido em uma camada física então utiliza comunicação serial usual como o caso da RS 232 e RS 485 sendo a RS 232 um sistema de taxa limitada ponto a ponto e a RS 485 um sistema de maior alcance com as taxas maiores e multiponto Isso permite alcance de até 1200 m A comunicação Modbus utilizandose do conceito mestre escravo está na versão serial sobre o padrão de diversos nós escravos Esta política é possibilitada por causa de um sistema de endereçamento que vai de 1 a 247 sendo o endereço zero o Broadcast Os protocolos seriais principais são Modbus RTU um protocolo principal preferido para trabalhos com o Escada onde as mensagens contêm dados seguidos de um cheque e são CRC e os frames são separados por períodos de silêncio O Modbus ASCII possui frames que contém no início e CRLF no final Outras implementações do protocolo Modbus ocorre sobre o protocolo TCP onde se tem o TCPIP o TCP denominado também como RTUIP e o Modbus sobre o UDP 7 Valendo também informar que nem todo protocolo Modbus é livre havendo algumas contribuições de Modbus proprietário Outro protocolo menos expressivo mas também muito importante é o Fieldbus no qual se pode apontar o H1 protocolo que opera 3125 kbits por segundo na forma serial e no mesmo cabo de alimentação dos instrumentos A mesma tecnologia foi melhorada na versão HSE possibilitando padrões ethernet e IP com a velocidade de até 1 GB bits por segundo A comunicação ocorre entre qualquer nó ou seja não há um sistema mestre escravo Outros protocolos de menor abrangência são profibus e profinet 62 Comunicações ópticas Não é novidade que a comunicação por meio ótico é extremamente eficiente no envio e recebimento de informações Percebese isto pelo fato de que a humanidade já se utiliza dos sentidos e a visão desde os primórdios da humanidade é usada para propiciar a comunicação entre as pessoas e para a percepção do ambiente ao seu redor Contudo atualmente as novas tendências e inovações fazem com que a ótica seja aplicada de uma forma muito mais eficiente para o envio e recebimento de dados Fonte httpsptwikipediaorgwikiFibraC3B3ptica Figura 66 Fibra óptica 8 Com a criação da fibra óptica a comunicação atingiu um novo estado da arte onde o envio de informação recebe características atinentes à luz Isso nos permite um sistema com pouca atenuação do sinal uma alta capacidade de transmissão de informação com dimensões e peso reduzidos além de alta imunidade a interferência Além da imunidade a interferências eletromagnéticas externas os sistemas de transmissão de dados por fibra ótica não geram interferências e possuem grande imunidade à ação de hackers Por serem construídos basicamente por quartzo a fibra óptica possui grande quantidade de matériaprima disponível A conexão entre fibras óticas precisa de grande precisão sendo efetuadas por um sistema que apresenta um arco voltaico para fundir a fibra uma na outra Este procedimento deve ter bastante precisão em seu desenvolvimento As fibras ópticas são fundamentalmente feitas mantendo um núcleo transparente de vidro puro envolto por um elemento de revestimento com o menor índice de refração Figura 67 Núcleo e revestimento com índice de refração diferentes Desta forma é lançado um feixe de luz ou laser numa extremidade da fibra que pela diferença no índice de refração percorre a fibra por meio de reflexões sucessivas O fato de o núcleo ser feito de um material com alta transparência e revestimento de material com baixa transparência facilita o fenômeno da reflexão total devido às características construtivas da fibra óptica que mantém um ângulo otimizado dessa reflexão 9 Fonte httpsptwikipediaorgwikiFibraC3B3ptica Figura 68 Representação de dois raios de luz se propagando dentro de uma fibra ótica Nessa imagem percebese o fenômeno da reflexão total no feixe de luz a Podemos utilizar os conceitos da óptica para entender melhor este fenômeno da reflexão total Para termos uma reflexão total o ângulo tem que ser maior do que o ângulo crítico o que ocorre quando o ângulo de refração for de 90 No estudo da óptica utilizase do ar como meio de compreender os fenômenos da refração e reflexão Veja a imagem a seguir Figura 69 A reflexão interna total da fibra ótica segue o mesmo princípio da água com o ar 𝒏𝒏 𝒔𝒆𝒏 𝜽𝒊 𝒏𝒄 𝒔𝒆𝒏 𝜽𝒓 𝜽𝒄𝒓 𝒔𝒆𝒏𝟏 𝒏𝒄 𝒏𝒏 10 Onde 𝒏𝒄 Índice de refração da casca 𝒏𝒏 Índice de refração do núcleo 𝜽𝒊 Ângulo de incidência em relação à normal 𝜽𝒓 Ângulo de refração em relação à normal 𝜽𝒄𝒓 Ângulo máximo em que ainda ocorre refração Mesmo estando confinado dentro de um meio físico a luz transmitida na fibra óptica alcança grandes taxas de Transmissão de dados podendo chegar a valores de 109 bps e apresentar uma taxa de envio de dados de 40 gigabytes por segundo Como existe uma utilização da reflexão da luz no seu interior a fibra óptica possui uma baixíssima atenuação do sinal Uma técnica de envio de dados para fibra ótica bastante eficiente é a utilização do laser Neste caso uma multiplexação com vários comprimentos de onda em um único pulso de laser pode fazer com que o sistema chegue a uma taxa de Transmissão de dados de 16 Tbps causando grande impacto no sistema de comunicação Existem basicamente 2 tipos de fibra óptica são eles a fibra óptica multimodo e a fibra óptica monomodo ou de modo único Na fibra monomodo a luz se propaga por apenas um caminho e assim somente um feixe de luz pode ser transmitido Contudo um sistema multimodo permite que a luz assuma vários caminhos e assim o feixe de luz pode percorrer diversos caminhos Isto permite que diversos feixes de luz sejam encaminhados pela mesma fibra óptica Podemos classificar a fibra multimodo em 2 tipos fibra multimodo índice de grau e fibra multimodo índice gradual 11 63 Sistemas telefônicos comunicação via satélite e comunicações móveis 631 Telefonia móvel Uma interessante aplicação dos recursos de comunicação é a aplicabilidade de múltiplo acesso onde vários receptores se conectam ao mesmo emissor por meio de um canal Isso permite maior eficiência e ainda torna o sistema mais abrangente pois num sistema duplex a comunicação será muito mais eficiente Basicamente podese dividir o Sistema de Múltiplo Acesso em a Divisão por frequência FD Frequency Division são alocadas subbandas específicas de frequência b Divisão por tempo TD Time Division o tempo é dividido periodicamente podendo dar ao usuário uma faixa fixa ou aleatória do tempo c Divisão por código CD Code Division em um espalhamento espectral um conjunto ortogonal de códigos separa as informações d Divisão espacial SD Spatial Division antenas direcionais separam as faixas no espaço e Divisão por polarização PD Polarization Division especialmente em comunicação por satélite o sinal é separado por técnicas de polarização Para divisão por frequência podese enumerar o sistema FDMA onde cada usuário do sistema recebe uma frequência previamente definida Esta faixa de frequência dedicada dura enquanto o usuário utiliza o canal de comunicação Entre uma frequência e outra existe uma faixa proibida que serve para separar efetivamente as frequências dedicadas denominada banda de guarda Como uma faixa de frequência é dedicada ao usuário o sistema pode utilizar qualquer meio de modulação AM FM e etc E também pode ser utilizado qualquer meio de multiplexação FDM TDM etc 12 Observe a seguir uma figura que define basicamente o sistema FDMA Não há necessidade de técnicas de sincronismo ou temporização pois cada canal é separado do outro Figura 610 Diagrama que representa a frequência no tempo O envio de informação no sistema de comunicação poderá também dedicar tempo para o envio de dados Para cada usuário é dedicada uma faixa de tempo específica para que se possa usar toda a banda disponível Neste caso o que se tem é um tempo de guarda que define as faixas de tempo 13 A divisão de códigos conhecida como técnica de múltiplo acesso por divisão de códigos CDMA é uma técnica muito aplicada que utiliza sequências aleatórias ou Pseudo aleatórias para espalhar informações do sinal modulado em um espectro com a aplicação de uma técnica denominada espalhamento espectral SS Spread Spectrum No espalhamento de sinal existe o espalhamento em uma largura de faixa maior do que a largura de faixa do sinal a partir do receptor o sinal é reordenado mediante a codificação préestabelecida Assim é fácil perceber o quanto esta técnica aporta segurança para a comunicação dos dados O espalhamento ocorre de 2 formas a Espalhamento por sequência direta Direct Sequence Spread Spectrum DSSS b Espalhamento por Salto de frequência Frequency Hopping Spread Spectrum FHSS Técnicas híbridas também podem ser usadas como por exemplo a utilização de uma faixa de frequência dedicada onde os usuários compartilhem esta faixa de frequência em instantes de tempo distinto FDMA TDMA ou ainda quando em uma faixa de código de sequências em comum vários usuários partilhem em tempo distintos TDMACDMA 14 Em se tratando de comunicação móvel podemos tratar das técnicas que iniciaram a era da comunicação e possibilitaram uma telefonia móvel desde os tempos remotos A primeira geração de telefonia móvel o AMPS Advanced Mobile Phone System trouxe novas ações na comunicação analógica que possibilitaram a comunicação por telefonia móvel Na primeira geração os canais analógicos de voz possibilitavam de uma forma ainda precária a comunicação por meio de modulação FM na faixa dos 30 quilohertz O controle era feito por meio digital A segunda geração da telefonia móvel inicia com a telefonia por sistema totalmente digital TDMA conhecido como tecnologia GSM Global System for Mobile communications e CDMA Nesta geração o telefone deixa de ser somente um meio de transmissão de voz para se tornar um sistema de comunicação muito mais versátil com mensagem texto e algumas aplicações de entretenimento Antes da terceira geração a evolução da comunicação CDMA e do TDMA com o GPRS Global Packet Radio Service que é uma nova versão do GSM trouxe uma geração intermediária a geração 25 Neste momento a telefonia móvel incorpora serviços de rede formados por pacotes e é uma interface aérea muito mais abrangente Na terceira geração o CDMA incorporou diversas tecnologias trazendo sistemas mais conectados principalmente aumentando o alcance e a quantidade de dados No passo seguinte da evolução das gerações ocorreu uma geração intermediária a geração 35 que trouxe efetivamente as redes de banda larga e possibilitaram o acesso à internet Taxas de até 144 Mbps possibilitaram por meio da HSPA High Speed Packet Access permitiu o envio de mais dados em uma taxa muito maior Mas foi somente na quarta geração que chegou à internet as taxas maiores de 100 Mbps como o caso do WiMAX que trouxe efetivamente a conectividade necessária Hoje com a implantação do sistema MIMO Multiple Input Multiple Output já se faz presente na tecnologia 3G e WLAN 15 No sistema MIMO o ganho de diversidade e de multiplexação traz diversos benefícios mas o fato de haver múltiplas antenas transmissoras e múltiplas antenas receptoras faz com que o sistema necessite de um forte esquema de controle de erro Atualmente buscando uma alternativa especialmente referente à segurança da informação existem protocolos e tecnologias especialmente dedicadas como o caso do SIGFox e LORA Nestas tecnologias uma rede de comunicação dedicada formada por torres espalhadas para atingir a maior abrangência de área em âmbito nacional confere um sistema bastante robusto e eficiente Contudo há um alto valor por envio de pacotes devido a sua presença muito recente no mercado estes protocolos encontramse em ampliação Fonte httpsenwikipediaorgwikiSigfox Figura 611 SigFox rede com alta segurança no envio de dados com larga utilização na Europa A rede LORA um sistema bastante utilizado no Brasil atua baseada em pacotes JSON e sistema de variáveis padronizadas As redes dedicadas de Torres garantem uma blindagem contra invasores E o sistema é baseado em uplinks e downlinks usada especialmente para o envio e recebimento de dados de sensores e atuadores Este sistema também oferece uma comunicação exclusiva para uma base gateway que pode estar conectada à internet barateando o serviço de envio e recebimento de dados Em um sistema de rede local o padrão LORA mesh permite a conexão de várias unidades à uma rede mesh Isto traz um alcance muito maior em permitir que as unidades estejam conectadas ao Gateway para envio dos dados para a rede LORA de torres ou para a internet A utilização da rede mesh é algo bastante atual servindo como uma alternativa ao padrão 80211 para tráfego de dados e voz além da infraestrutura de cabos ou wireless 16 padrão Esta nova estrutura se baseia na conexão de pontos de acesso formando diversos nósroteadores Desta forma o protocolo efetua um roteamento por meio de uma varredura das diversas possibilidade de rota para o fluxo de dados e com base numa tabela dinâmica o equipamento seleciona a rota mais eficiente para chegar ao seu objetivo considerando algumas diretrizes como tempo pacotes quebrados acesso mais rápido à internet etc Redes mesh já estão sendo largamente aplicadas na indústria devido a estrutura do chão de fábrica e a necessidade de envio de dados de forma eficiente nas residências devido ao seu alcance e versatilidade em relação a barreiras em Smart Farms por conta de seu alcance dentre outros Atualmente conexões cada vez mais rápidas e distâncias cada vez maiores para serem alcançadas faz com que tecnologias sejam constantemente aprimoradas e inovações ocorram o tempo todo A indústria 40 nos apresenta problemas que necessitam de solução imediata como o problema de conectividade e alto fluxo de dados Devese atentar também às atuais inovações em relação à internet das coisas IoT onde cada vez mais os equipamentos estão conectados à rede de dados A quinta geração promete trazer esta versatilidade e solucionar esses problemas mas necessita de um sistema com considerável potência Vale lembrar do novíssimo protocolo de comunicação focado nas revoluções da internet das coisas denominado mqtt Message Queue Telemetry Transport Este é o protocolo que já nasceu com a missão de conectar sistemas de telemetria mas hoje devido ao seu sistema que funciona com inscrição dedicada de dispositivos e envio e recebimento de dados esse é um dos mais utilizados para aplicações da internet das coisas trabalhando por meio de TCP EP O sistema subscribepublish faz com que os equipamentos cadastrados e inscritos possam efetuar publicações ou envio de dados de uma forma segura rápida e eficiente 17 Caso o dispositivo gere uma informação não cadastrada ela não subirá para a publicação e isto gera economia de banda de internet especialmente para o caso de utilização com rede LORA LORAWAN SIGFox dentre outras Todos os dados gerados são publicados por meio de um servidor um broker MQTT que possui a finalidade de armazenar e filtrar os dados recebidos O broker disponibiliza os dados para serem utilizados em diversos sistemas e tecnologias sendo o principal sistema de dashboard que apresenta as informações dos dados para o usuário por meio de gráficos e planilhas 632 Aplicação em satélites O sistema TDMA é importante na aplicação de satélites pois possui tecnologia de sincronismo precisa e alta velocidade Como o sistema satélite costumeiramente possui diversas antenas e múltiplos feixes cada feixe necessita se comunicar com os outros e então o TDMA é empregado como uma técnica de comutação conforme ocorre com o INTELSAT VI Uma outra forma de comunicação via satélite é a utilização de microondas devido ao fato de que as frequências características das microondas se propagam em linha reta e não são refletidas pela ionosfera Geralmente frequências de 11 a 14 gigahertz são utilizadas sendo que para evitar interferência a frequência de envio uplink é diferente da frequência de retorno downlink No caso dos satélites utilizase a comunicação por meio de microondas e geralmente são estacionárias com órbita de aproximadamente 36000 km Esta faixa de comunicação é diferente da comunicação pública de ondas terrestres que atua com a frequência de 3 a 40 gigahertz e repetidores entre 10 e 100 km 18 Fonte httpsptwikipediaorgwikiSatC3A9litedecomunicaC3A7C3A3o Figura 612 Satélite militar Conclusão Neste bloco verificamos a comunicação móvel por meio de diferentes tecnologias Vimos também a comunicação em satélites e por meio de fibra óptica Observamos aspectos relacionados à multiplexação para o envio otimizado de informação por meio de ondulatória especialmente no caso dos sistemas digitais Finalmente aprendemos também sobre redes industriais e modernas tecnologias para aplicação em internet das coisas e indústria 40 REFERÊNCIAS ALEXANDER C K SADIKU M N O Fundamentos de circuitos elétricos 5 ed Porto Alegre AMGH 2013 ebook Minha Biblioteca BOYLESTAD R L Introdução à Análise de Circuitos Elétricos 12 ed São Paulo Pearson Prentice Hall 2012 ebook Pearson IRWIN J D NELMS R M Análise básica de circuitos para engenharia 10 ed Rio de Janeiro LTC 2013 ebook Minha Biblioteca MARIOTTO P A Análise de circuitos elétricos São Paulo Prentice Hall 2003 ebook Pearson