Transmissão Digital, Notas de aula de Engenharia Elétrica e Aplicações. Universidade Tecnica de Lisboa
Edilson.Camargo
Edilson.Camargo12 de Abril de 2016

Transmissão Digital, Notas de aula de Engenharia Elétrica e Aplicações. Universidade Tecnica de Lisboa

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Transmissão Digital

Página - 1

Índice

Introdução à Comunicação Digital

Introdução

PCM

Conversores A/D

Revisão de Modulação

Modulação Digital

Modulação ASK

Modulação FSK

Modulação PSK

Modulação QAM

Técnicas de Acesso ao Meio

Técnicas de Acesso

Espalhamento Espectral

Canais de Comunicação

Broadcasting

Rádio Digital

Telefonia Celular

TV Digital

Página - 2

1. INTRODUÇÃO:

 Os processos de modulação digital, tal como nos processos de modulação

analógica, consistem em alterar as características de uma portadora a partir

das variações de um sinal modulante.

 O que caracteriza uma modulação é o fato do sinal modulante ser sempre do

tipo digital. Já a portadora poderá ser digital ou analógica.

 As técnicas empregadas neste estudo utilizam a portadora analógica senoidal

já que somente esta pode ser irradiada, com eficiência, sob forma de onda

eletromagnética.

1.1. Como é o sistema de Transmissão Digital?

1.2. Canais de Propagação:

 Canais Livres

 Canais Guiados

1.3. Tipos de Modulação Digital

 Os processos de modulação digital com portadora analógica podem ser

classificados pelos seguintes critérios:

Página - 3

A. Quanto ao Tipo de Modulação:

 Amplitude: ASK

 Frequência: FSK

 Monobit: 2-PSK

 Multinível (M-ary)

 Fase: PSK

 Diferencial: DPSK

B) Quanto ao Número de Bits por ciclo da Portadora:

 Monobit: um bit por ciclo

 Multi-Nível: Mais de um bit por ciclo

1.4. Parâmetros da Modulação Digital

Os processos de modulação digital possuem parâmetros específicos classificados

pelos seguintes critérios:

A) Taxa de transmissão de dados –Data Rate –(DR):

 Indica o valor quantitativo de bits transmitidos em 1 segundo. Exemplo:

 64kbps (64 mil bits transmitidos em 1s)

 4,5Mbps(4,5 milhões de bits transmitidos em 1s) .

B) Índice de Modulação (M):

 A transmissão digital, diferentemente da analógica, possui apenas duas

condições para os dados transmitidos, zero (baixo) ou um (alto), desta forma

a definição de índice de modulação é quantificar as alterações sofridas pela

portadora senoidal em função do sinal modulante.

 O índice de modulação para as transmissões digitais é expresso por:,

M= 2

Página - 4

Onde: M: número de estados ou índice de modulação

n: número de bits por segundo.

Nota: O Índice de Modulação pode variar de acordo com as diversas técnicas

de modulação digital empregadas.

C) Número de Bits Transmitidos (n):

 A denominação “número de bits” significa a quantidade de bits que são

necessários para transmitir uma determinada quantidade de informação e

está relacionado diretamente em função ao índice de modulação (M)

específico a cada técnica.

 O número de bits transmitidos é expresso por:

 Onde:

M – número de estados ou índice de modulação;

n – número de bits necessários para transmitir determinada

informação.

D) Eficiência da codificação:

E) Taxa de Transferência (fi):

 É a velocidade com que a informação binária de 2 estados é transmitida pelo

canal de comunicação, sendo medida em bits por segundo.

n= ������2��

Eficiência=

x 100%

�� =

[bps]

Página - 5

Onde: Ti: Período da Transmissão

n: número de bits transmitidos.

F) Capacidade de Canal:

 É a taxa máxima na qual uma informação pode ser transmitida através de um

canal de transmissão com banda limitada.

Onde: BW-Largura de banda do canal

S/N – Relação sinal/ruído

G) Largura de Banda ou Banda Alocada (BW ou BO):

 Corresponde ao valor em Hertz que efetivamente a portadora modulada

necessitará para a transmissão de dados.

 É agregado ao valor percentual total da largura de banda da portadora

denominado de ROOLOff. Este valor varia de acordo com padrões e o mais

utilizado éo IBS / IDR que corresponde a um ROOLOff de 40%

�� = ���� × ������2 (

+ 1) [bps]

BWmin = ( × )

[bps]

Página - 6

H) Taxa de Erro de Bit (BER):

 As transmissões digitais podem sofrer degradações que causam a perda de

informação, ou seja, de bits transmitidos. A maneira de se mensurar esta

perda de dados é através da taxa de erro de bit(BER).

 Exemplo:

• BER = 1 x 10-4: significa que ocorre 1 erro de bit para cada 10 mil bits

transmitidos.

• BER = 3 x 10-6: significa que ocorrem 3 erros de bit para cada 1 milhão de

bits transmitidos.

BER=

Página - 7

1.5. Formato de dados na transmissão digital:

A) Não Retorno ao Nível Zero (NRZ-L)

• Duas diferentes voltagens para o bit 0 e 1;

• Voltagem constante durante o intervalo do bit;

– Nenhuma transição, significando não retorno a voltagem zero;

– Ausência de voltagem para o bit 0 e voltagem positiva constante para

o bit 1;

– Muitas vezes o bit 1 tem um valor negativo e o bit 0 tem um valor

positivo.

Página - 8

B) Não retorno ao Zero Invertido (NRZI)

• Pulso de voltagem constante para duração do bit.

• Dado codificado como presença ou ausência da transição do sinal no início

do bit (bit time).

– Transição (baixo para alto ou alto para baixo) denota o bit 1;

– Nenhuma transição representa o bit 0.

• Exemplo de codificação diferencial.

– Dado é representado pela troca ao invés dos níveis;

– Mais confiável detecção na troca do que em nível;

– Fácil de perder a polaridade.

NRZ - Prós e Contras

• Prós:

– Facilidade de implementação;

– Faz bom uso da largura de banda.

• Contra:

– Componente dc;

– Ausência de capacidade de sincronização.

• Usado para gravação magnética

• Não uso em transmissão de sinais

C) MultilevelBinary Bipolar-AMI

• Usa mais de dois níveis de sinal.

• Bipolar-AMI.

– Zero representado por ausência de sinal na linha;

Página - 9

– Um representeado por pulso negativo e positivo;

– Pulso um alterna em polaridade;

– Para longo string de uns não há perda de sincronismo;

– Longo string de zero ainda é problema;

– Não existe componente dc;

– Fácil detecção de erro.

D) Multilevel Binary Pseudo-ternary

• Um representado pela ausência de sinal;

• Zero representado por alternado positivo e negativo;

• Nem vantagem ou desvantagem sobre o bipolar-AMI.

Multilevel Binary Issues

• Continua problema com strings de 0’s ou 1’s.

– Pode se inserir bits adicionais.

• Não é eficiente comparado ao NRZ.

– Cada elemento do sinal representa somente um bit.

• Receptor deve distinguir três níveis: +A, -A, 0;

• Um sistema com 3 níveis poderia representar log23 = 1.58 bits.

E) Codificação Manchester

• Transição se dá no meio de cada período;

• Transição serve como clock e dado;

• Baixo para alto representa o bit 1;

Página - 10

• Alto para o baixo representa o bit 0;

• Usado em IEEE 802.3.

F) Codificação Diferencial Manchester

• Transição no meio do bit é para sincronização;

• Transição no início do período representa o bit 0;

• Ausência de transição no início representa o bit 1;

• Usado em IEEE 802.5.

G) Bifase – Prós e Contra

• Prós

– Sincronização no meio do bit (self clocking);

– Não tem componente dc;

– Possui detecção de erro.

Página - 11

• Contra

– No mínimo uma transição por bit e possivelmente duas;

– Taxa de modulação máxima é duas vezes NRZ;

– Requer mais largura de banda.

2. Modulação por Código de Pulso (PCM):

2.1. Introdução:

 Uma maior parte dos sinais que são processados em uma rede de

telecomunicações são sinais analógicos, como por exemplo, o sinal

produzido pelo microfone do aparelho telefônico.

 Para realizar o processamento digital destes sinais, é necessário convertê-los

para um formato digital.

 A técnica mais usada para realizar a conversão de um sinal analógico em

digital é a modulação por código de pulso (PCM).

 A modulação PCM consiste basicamente de três operações separadas:

• Amostragem;

• Quantização;

• Codificação.

• O sinal analógico x(t), passa por um filtro passa-baixa, responsável por limitar

a banda do sinal, sendo então amostrado pelo circuito de amostragem e

retenção obtendo assim um sinal PAM x(kTs). De seguida o sinal é

quantificado em q níveis discretos e este sinal xq(kTs) é então codificado.

Página - 12

2.2. Teorema da Amostragem

 O teorema de amostragem de Nyquist diz:

“Um sinal mantem todas as suas informações se for amostrado a uma

frequência (fs) maior que duas vezes a sua máxima frequência (fm).”

Onde: fs – Frequência de amostragem

fm– Frequência do sinal analógico (informação)

2.3. Espectro do sinal Amostrado

 O espectro de frequências deste sinal é composto basicamente da frequência

fundamental do sinal, que também será a frequência de amostragem (fs=

1/Ts) e suas frequências harmônicas 2fs, 3fs, 4fs...com as amplitudes das

componentes varia de acordo com a seguinte equação: Sa (x) = sin (x) / x.

 Nos sistemas reais o sinal de amostragem utilizado é um trem de pulso, que

é uma série periódica de pulsos com amplitude fixa (A), largura finita (τ) e

período (T). Neste caso, podemos definir o ciclo de trabalho do sinal como

sendo d = τ / T.

�� ≥ 2 × ��

Página - 13

Exemplo 1: Sinal de amostragem com T = 1 ms, τ = 0.25 ms., d =0.25, A =

1V .

Exemplo 2: Sinal de amostragem com T = 1 ms., τ = 0.125 ms., d =0.125, A

= 1V.

2.4. Quantização

 A quantização é um processo no qual as amostras individuais do sinal de

informação são arredondadas para o nível de tensão de referência mais

próximo.

 O erro introduzido neste processo é conhecido como erro de quantização ou

ruído de quantização.

 A quantidade de níveis a ser utilizada depende do número de bits do código

utilizado.

Página - 14

 O intervalo entre os níveis pode ser uniforme (linear) ou em compressão,

variando conforme a amplitude (não linear).

 Processo de Quantização: O sinal analógico é subdividido em níveis

discretos que são associados a valores digitais.

Onde: Vfs – Tensão de fundo de escala, ou tensão de referência; Vfs = Vref

n – Número de bits do conversor

A) Quantização Uniforme

 Para um sinal de informação cuja amplitude máxima é A (Vmax) e a amplitude

mínima é –A (Vmim), as amostras podem assumir quaisquer valores entre -A e

A.

 Se definirmos um conjunto limitado (N+1) de níveis de referência de tensão

entre -A e A, teremos como resultado N intervalos de quantização.

 A diferença entre um nível e próximo intervalo de quantização (q) ou passo

de quantização (ΔV) que pode ser calculado:

�� = ��

2 [2 ������0 + 2 ������1 + ⋯+ 2 ������ �� − 1 ] ±

��

2

�� =

2 =

2

2 = ∆��)

Página - 15

 Ilustração do sinal PCM quantização uniforme

B) Quantização por Compressão

 Na prática são frequentes dois tipos de curvas de compressão:

 Curva de compressão μ, adoptada nos Estados Unidos, Canadá e no Japão.

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 A curva de compressão A, utilizada na Europa:

Página - 17

2.5. Análise de um sistema PCM

Erro de Quantização: É a diferença entre o sinal amostrado e o sinal

quantificado, podendo ser calculado pela seguinte expressão:

Faixa Dinâmica: É a razão entre o maior e o menor sinal analógico que pode

ser transmitido:

 A faixa dinâmica em sistemas de transmissão digital é geralmente calculada

em dB.

Ruído de Quantização:O ruído de quantização esta relacionado com a

incerteza quântica: (±

2

Relação Sinal/Ruído de Quantização:É a relação entre os valores RMS do

sinal original e os erros presentes no sinal.

�� = ±

2 ; �� = ±

2√

���� = ��

�� =

��

�� = 2

���� ���� = 20 ������ ( �� ��

)

�� ̅̅̅̅ =

2 ;

��/�� ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅ = 2 √

3

2

Página - 18

2.6. Modulação Diferencial PCM

 Uma desvantagem da modulação PCM é a largura de banda necessária para

transmitir o sinal, que é diretamente proporcional ao número de bits por

palavra.

 Um método de conversão analógico-digital alternativo é a modulação

diferencial por código de pulso.

 Este modulador compara o sinal amostrado com o sinal amostrado no

instante de amostragem anterior, a diferença entre os dois sinais é

quantificada, codificada e transmitida.

 Como a gama de amplitudes do sinal diferença entre amostras consecutivas

é menor que a gama de amplitudes do sinal analógico, é necessário um

número menor de bits para codificar o sinal diferença mantendo-se o mesmo

erro de quantificação que a modulação PCM.

2.7. Modulação Delta

 A modulação Delta é um caso limite da modulação DPCM, a diferença entre

o sinal amostrado no instante anterior é codificado utilizando-se só um nível.

Este tipo de modulador é essencialmente utilizado para a voz humana esinais

de vídeo e o sua grande vantagem é a sua simplicidade de implementação.

Página - 19

 O modulador Delta representado na figura compara o sinal x(t) com uma

aproximação em degrau xˆ(t) e a diferença x(t)− xˆ(t) é quantificada em dois

níveis ± Δ dependendo do sinal da diferença como se ilustra abaixo.

3. Conversores A/D

3.1. Introdução:

 Existem diversos tipos de circuito que realizam a codificação digital de um

sinal.

 Os codificadores mais utilizados são aqueles que empregam a comparação

de tensão entre valores de referência e a amplitude da amostra para a

obtenção do código.

3.2. Conversor A/D Serial - Contador

 Os codificadores seriais são os mais baratos e simples, no entanto têm um

tempo de conversão muito lento.

Página - 20

 O princípio de funcionamento é comparação da tensão da amostra com a

tensão de referência gerada internamente, através da conversão

Digital/Analógica (D/A) da saída de um contador digital.

 O contador inicia a contagem a partir do zero e continua contando até que o

valor da referência interna atinja o valor da amostra.

 Neste ponto o valor do contador é transferido para a porta de saída e

representa o valor da amostra convertido em sinal digital.

 O tempo de conversão depende do intervalo de quantização a que pertence a

amostra podendo demorar 2(n – 1) períodos de relógio.

3.3. Conversor A/D com Aproximações sucessivas

 O método de codificação por sucessivas aproximações também se baseia na

geração de referências de tensão internas, só que neste caso são geradas

apenas n referências.

 Ao invés de um contador utiliza-se um circuito programador que fornece na

sua saída um resultado que depende das comparações anteriores. O circuito

programador inicia com todos os bits em “0”.

 Iniciando pelo bit mais significativo (MSB) vai a cada comparação alterando

o valor de um dos bits Qn, … Q2, Q1 para “1”.

 Se o valor da referência gerada é menor que a amostra o programador

mantém o bit em “1” e passa para o próximo bit. Caso contrário o bit é

retornado para “0” e o programador passa para o próximo bit.

Página - 21

 Através desse método consegue-se garantir que o resultado seja obtido em

no máximo n passos.

 Exemplo: Considere um codificador de 4 bits e uma tensão de entrada Ve.

 O primeiro código gerado pelo programador é 1000, se a entrada Ve é menor

que a tensão de referência Vi então o próximo código será 1100.

 Se Ve> Vi então o próximo código é 1110. Se Ve< Vi então o próximo código

é 1101.

 Finalmente se Ve> Vi então o resultado será 1101 + 1 = 1110

3.4 Conversor A/D Paralelo

 Os codificadores paralelos são caros e complexos, mas possuem um tempo

de conversão muito pequeno.

Página - 22

 Neste tipo de codificador, utiliza-se um comparador de tensão e um nível de

referência para cada intervalo de quantização.

 A amostra é comparada simultaneamente com 2(n – 1) tensões de

referência, sendo o resultado destas comparações transformado em uma

palavra digital binária através uma matriz lógica.

 O tempo de conversão independe do valor da amostra, depende apenas do

tempo de atraso do circuito de comparação e da matriz lógica.

3.5 Circuitos Conversores D/A

 Após o processamento e transmissão do sinal PCM, este sinal deve voltar a

forma analógica original.

 Na decodificação é atribuído um valor de tensão a cada código PCM, esta

decodificação é feita por circuitos conversores D/A.

 A saída do decodificador é um pulso cuja amplitude corresponde ao valor

situado na metade do intervalo de quantização do código PCM.

 Para aumentar a potência do sinal, é uado um circuito de retenção que

mantém o valor da amostra até que um novo valor esteja decodificado.

Página - 23

A) Conversor D/A usando rede R-2R

 Um circuito muito utilizado para realizar a conversão D/A é a rede resistiva R-

2R, construída com dois valores de resistores, e por isso, simples de

implementar.

 O seu funcionamento é baseado na divisão de tensão na rede resistiva.

 Para cada entrada Qi, ao aplicarmos uma tensão Vx, obtemos na saída uma

tensão Vs = Vx/2(n+i).

 A máxima tensão de saída é dada por Vsmax = Ve(2n-1)/2n..

Exemplo:Em um decodificador de 8 bits, se aplicarmos simultaneamente a

tensão Vx nas entradas correspondentes aos bits 0, 2, 4 e 7 e 0V nas outras

entradas, teremos uma tensão de saída:

B) Conversor D/A usando conversão direta

 Este tipo de decodificador é construído utilizando-se valores das resistências

que são conectadas a cada bit do código digital que representam um peso

binário na configuração de um amplificador somador.

Página - 24

 Como a corrente em cada resistor é proporcional ao peso do bit, temos na

saída uma tensão proporcional ao valor digital de entrada.

 Note que o resistor R de valor menor corresponde ao bit mais significativos

sendo os outros valores múltiplos binários deste valor 2R, 4R, 8R, 16R, 32R

e assim sucessivamente.

 A desvantagem deste tipo de conversor D/A é que os valores dos resistores

são todos diferentes, tornando mais difícil a sua implementação,

principalmente em conversores com mais bits.

4. Modulação Digital

4.1. Introdução:

O processo de transmissão digital envolve a conversão de sinais para esta

finalidade que chamamos de modulação. De um modo geral os sistemas de

modulação envolvem duas entradas e uma saída.

Página - 25

Em resumo: Modulação é o ato ou efeito de modificar um sinal através

de um circuito eletrônico.

Vantagens:

- Facilita a irradiação eletromagnética

- Redução de ruído ou interferência

- Multiplexação

4.2 Tipos de modulação.

Podemos escolher várias maneiras de modular um sinal e a escolha

depende da finalidade da transmissão.

Página - 26

4.3 O caminho da transmissão digital:

Para termos uma informação analógica em um formato digital temos que

seguir o processo descrito no diagrama em blocos abaixo.

A informação Analógica deve passar por um filtro passa-baixa de modo a

atender o teorema de Nyquist; em seguida esta informação analógica deve ser

amostrada, quantizada e codificada, o que geralmente é realizado por um conversor

Analógico/Digital. De posse da informação no formato digital, podemos então

escolher qual tipo de modulação chaveada iremos usar e então fazer a transmissão

digital desta informação.

Observação importante: Mesmo sendo uma transmissão digital, a portadora

utilizada é um sinal analógico.

5. Modulação ASK

Modulação ASK (Amplitude Shift Keying): Consiste em alterar o nível de

amplitude da portadora em função de um sinal de entrada com níveis de amplitude

discretos, ou seja, modificação da amplitude da portadora senoidal conforme as

variações de estado lógico do sinal da informação.

Página - 27

Este sinal modulado em ASK, de apenas dois níveis também é chamado de

Modulação 00K (On-OffKeying) - Binary Amplitude Shift Keying

5.1 Aplicações da Modulação ASK:

Devido a essas características, a modulação por chaveamento de amplitude é

indicada nas situações em que exista pouco ruído para interferir na recepção do

sinal ou quando o baixo custo é essencial.

A modulação ASK é utilizada em aplicações:

 Transmissão via fibras ópticas, onde não existe ruído para interferir na

recepção do sinal;

 Transmissão de dados pôr infravermelho, como os usados em algumas

calculadoras;

 Controle remoto pôr meio de raios infravermelhos, como os usados em

aparelhos de tv;

 Controle remoto pôr meio de radiofrequência, como os usados para ligar e

desligar alarmes de carros, residências ou abrir portões.

5.2 Modulação MASK (Multilevel Amplitude Shift Keying):

Foi desenvolvido com base nos princípios da teoria da informação.

 Aumenta a variedade da fonte de informação

 Diminui o nível de decisão no receptor.

Página - 28

5.3 Índice de Modulação do ASK:

Indica o grau de transferência da informação para o sinal modulado e

considerando que o sinal ASK admite dois níveis de amplitude E1 e E2.

Podemos escrever então:

• Estado 1: Em (t) = E1 cos Wo t

• Estado 0: Em (t) = E2 cos Wo t

Considerando ainda E1> E2, o índice de modulação será expresso por:

O sinal 00K é um caso particular de índice de modulação Im=1.

5.4 Análise do sinal ASK:

Sendo a portadora descrita pela onda senoidal:

Ep(t) = Eocoswot

 Para a análise do espectro da onda modulada devemos substituir a

moduladora digital pelo sinal de teste correspondente. A este sinal

corresponderá uma frequência fundamental de forma que wo>> w.

 Sendo que osinal ASK tem uma forma de onda quadrada modulante (regular

e variando entre +1 e –1, com período T), definida com Q(t), conforme série

Trigonométrica de Fourier pode expressar:

�� �� − ��2 �� + ��2

Página - 29

Podemos então definir o sinal ASK sob a forma:

onde:

 Eo = amplitude da portadora;

 mD = índice de modulação;

 Q(t) = onda quadrada modulante (regular e variando entre +1 e –1,

com período T).

Teremos no espectro a portadora e mais duas faixas laterais, de um lado

e outro da portadora, reproduzindo o espectro Q(t), multiplicadas por mDxEo,

conforme figura abaixo.

Página - 30

 No espectro só esta apresentada a curva de amplitude. A curva de fase é

linear, sendo a função do retardo, considerado de acordo com a origem dos

tempos.

 A largura de faixa necessária para a transmissão pode ser determinada

utilizando se o mesmo critério que para o pulso. Com isso resulta que se

deve deixar passar ao menos o primeiro par de raias para que se consiga

detectar a presença das transições do sinal modulador:

 Outro aspecto importante a considerar é o que diz respeito a potência

associada ao sinal modulado. Da analise direta do mesmo concluímos:

 Onde:

Página - 31

5.5 Descrição Modulador MASK

A demodulação do sinal ASK pode ser feita pôr meio de um detector de

envoltória seguido por um filtro passa-baixa e circuito de decisão, conforme figura:

 O detector de envoltória retifica o sinal ASK. Em seguida, o filtro passa-baixa

elimina o componente pulsante do sinal entregue pelo detector de envoltória,

recuperando o nível médio.

 O circuito de decisão compara o nível médio presente na saída do filtro

passa-baixa com uma tensão de referência, V2. Se o nível médio estiver

acima do valor de referência, o circuito de decisão coloca nível alto tem sua

saída. Caso o sinal na entrada do circuito de decisão esteja abaixo da tensão

de referência V1, a saída estará em nível baixo.

Página - 32

Síntese Modulação ASK:

6 Modulação FSK

A FSK (Modulação por Chaveamento de Frequência) foi desenvolvida

originalmente para a transmissão de texto via sinal de rádio. Possui uma melhor

imunidade a ruídos se comparado com a modulação ASK e maior capacidade de

correção de erros.

Devido às características deste tipo de modulação a banda ocupada pelo sinal

modulado é muito maior com relação ao ASK o que em certas aplicações onde se

tem restrição de largura de banda isso se torna uma desvantagem.

Tipos de modulação FSK:

 B-FSK: Binário de duas frequências;

 M-FSK: Multi-frequências;

 G-FSK: Gaussiano (usado em transmissores Bluetooth).

Página - 33

6.1Modulação B-FSK.

Consiste em variar a frequência da onda portadora analógica em função de um

sinal modulante digital. Também conhecida por modulação por salto de frequência.

 A modulação B-FSK apresenta o inconveniente de ocupar uma banda de

frequência bastante alta, devido a estas variações bruscas de frequência em

função da transição de bits, além possibilitar taxas de transmissão.

 O sinal B-FSK admite duas frequências wo e w1 que se relacionam com os

bits 0 e 1 de um código digital.

6.2 Modulações M-FSK (Multi-Frequêncy Shift Keying).

Foi desenvolvido com base nos princípios da teoria da informação.

 Aumenta a variedade da fonte de informação;

 Diminui o nível de decisão no receptor.

Página - 34

6.3Modulação G-FSK (Gaussian Frequency Shift Keying):

 No G-FSK os dados são codificados na forma de variações de frequência em

uma portadora, de maneira similar à modulação FSK.

 Os pulsos provenientes dos dados digitais passam por um filtro gaussiano, de

modo a reduzir a largura espectral dos mesmos antes de entrar no

modulador.

 O filtro gaussiano é uma espécie de formatador de pulso que serve para

suavizar a transição entre os valores dos pulsos.

 A modulação G-FSK é utilizada nos sistemas Bluetooth, uma vez que provê

uma melhor eficiência espectral em relação as outras modalidades do FSK.

6.4Análises do sinal FSK:

 O sinal B-FSK admite duas frequências ω1 e ω2, podemos escrever:

Estado 1: Em (t) = Eo cos ω1 t

Estado 0: Em (t) = Eo cos ω2 t

 Considerando ainda ω1> ω2 , pode-se definir a portadora virtual:

Com a frequência:

Página - 35

E desvio de frequência:

 Consideramos na entrada uma onda quadrada regular, de período T e cada

estado durando T/2.

 Obtermos o espectro da onda modulada utilizaremos o artificio de se

decompor o sinal B-FSK em dois sinais OOK, cada um correspondendo uma

portadora diferente, que chamaremos de sub-portadoras ω1e ω2.

 Sendo o seu espectro representado abaixo:

 Temos dois espectros do tipo OOK, um em torno de ω1 e outro em torno de

ω2.

 Desta forma é possível determinar a largura de faixa necessária à

transmissão deixando passar ao menos cada sub-portadora e as duas raias

que lhes são adjacentes.

Página - 36

6.5Modulador FSK

 A modulação FSK pode ser obtida pela aplicação do sinal digital, com a

banda de frequência limitada, na entrada de um VCO, conforme diagrama

abaixo:

 As variações de amplitude do sinal digital forçam o VCO a variar a sua

frequência entre dois valores diferentes.

 Para aplicações envolvendo transmissão de dados, o calculo da largura de

faixa do sinal FSK depende da velocidade de transmissão, desta forma a

seguinte equação é usada para o cálculo da largura de faixa do sinal FSK.

onde: BW(FSK) = largura de faixa do sinal FSK, em Hz;

Vm = velocidade de transmissão, bps;

R = fator de filtragem do filtro passa-baixa, Hz;

Fm = frequência marca, Hz;

Fs = frequência espaço, Hz.

6.6Demodulador FSK

 A demodulação do sinal FSK pode ser feita como no diagrama a seguir.

Página - 37

 O amplificador limitador tem a finalidade de amplificar o sinal FSK aplicado

na entrada do demodulador e eliminar as variações de amplitude e ruídos

eventualmente presentes, no sinal de entrada.

 Na saída do amplificador limitador, teremos um sinal de amplitude constante,

que será aplicado aos filtros passa-faixas dos circuitos marca e espaço.

 Este amplificador limitador é o maior responsável pela boa imunidade de

ruídos da modulação FSK.

Síntese Modulação FSK:

7 Modulação PSK

 PSK (Modulação por Desvio de Fase) consiste na modificação da fase do

sinal da portadora senoidal conforme as variações de estado lógico da

informação.

 Também conhecida por modulação por salto de frequência.

 Na modulação PSK foi introduzido o conceito de constelação.

Página - 38

Tipos de modulação FSK:

 B-PSK: Bi Phase Shift Keying;

 M-PSK ou Q-PSK: Multi-fases ou em Quadratura;

 D-PSK: PSK diferencial.

7.1Conceito de Constelação:

 Existe uma maneira de representar um sinal digital modulado em uma

portadora analógica conhecida como “espaço de sinal” ouconstelação”.

 Trata-se de um plano cartesiano representado pelos eixos y=sen(ωt) e

x=cos(ωt) da portadora senoidal.

 A abscissa x é denominada de I (In Phase) e significa que o bit esta na fase

da portadora.

 Já a ordenada y é denominada de Q (In Quadrature) e indica que o bit esta

na quadratura da portadora.

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7.2ModulaçãoMultinível (M-ary):

 Se portadora carregar apenas um bit por ciclo, o espectro de frequência

ficará limitado. Para resolver este problema nos sistemas de transmissão

digitais foi criada a modulação multi-nível, onde cada símbolo ou estado é

representado por um número N de bits que será igual a log2M.

 Sendo assim:

 A modulação FSK por natureza já pode ser considerada do tipo multi-nível,

uma vez que terá quantidades diferentes de ciclos para cada bit.

 A modulação ASK quando for tipo multi-nível pode transportar dois ou três

bits, ficando inviável acima destes valores.

 •Para a modulação PSK quando for do tipo multi-nível é denominada de M-

PSK, onde M representa o número de símbolos atribuídos. As mais comuns

são:

 4-PSK ouQPSK: 02 bits por ciclo e 04 símbolos;

 8-PSK: 03 bits por ciclo e 08 símbolos.

7.3Modulação B-PSK:

 Quando o sinal modulante for um sinal digital binário, o sinal modulado

“chaveará” entre duas fases acompanhando o sinal de entrada.

 A forma mais usual de implementação da modulação B-PSK é termos fase de

0 referente ao bit 1 e uma inversão de fase de 180 para o outro bit (0).

 Também é conhecida por PRK – PhaseReversalKeying – ou 2-PSK.

 Pode ser denominada de Binária ou Bifásica.

Página - 40

Exemplos de Modulação PSK

(a) e (b) B-PSK, (c) 4-PSK e (d) 8-PSK

Comparação entre as Modulações PSK:

 Para valores grandes de M, o sistema M-PSK torna-se ineficiente, pois para

ganhar 1 bit por Hz pagamos um aumento de 6dB no C/N

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Pb: Probabilidade de erro de 1 x 10-4

7.4 Modulação D-PSK:

 Entre os sistemas PSK, existe ainda o PSK diferencial ou DPSK.

 É um tipo de modulação que elimina a necessidade de um sinal referência

com coerência de fase no receptor para o processo de detecção.

 Sua principal característica é uma maior simplicidade.

Página - 42

7.5Modulador Q-PSK

A modulação Q-PSK pode ser obtida de acordo com a figura abaixo:

Modulador 8-PSK

A modulação 8-PSK possui uma constalação de oito fases e pode ser

obtido através do diagrama abaixo, onde o conversor paralelo faz o

sequenciamento dos 3 bits necessários pata a codificação do sinal.

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7.6 Demodulador PSK.

Detecção coerente para o sinal modulado em 8-PSK

7.7Modulador D-PSK

O modulador D-PSK segue o esquema dado pelo diagrama em blocos para

fazer a modulação diferencial do sinal da informação.

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Síntese Modulação n-PSK:

Síntese Modulação Q-PSK:

Página - 45

8 Modulação QAM

 A modulação QAM é uma combinação entre a modulação por desvio de fase

(PSK) e a modulação por desvio de amplitude (ASK).

 A modulação QAM modifica simultaneamente duas características da onda

da portadora: amplitude e fase. Assim tem-se altas velocidades.

 A modulação QAM é uma alternativa que permite chegar a um bom

compromisso entre a potência transmitida e o nível de sinal na recepção.

 Aplicações principais: rádio digital, televisão digital HD, modens ADSL, WiFi,

WiMAX, etc

 A maneira mais de comum de se quantificar em bits os pontos da

constelação para uma modulação QAM é através do mapeamento por código

Gray.

 A interpretação deste mapeamento é descrita abaixo:

 Tal como as modulações M-PSK, quanto maior for o número de estados, ou

seja, quanto maior for o “M” maior será a eficiência espectral.

 A largura de banda mínima (BWmin) para uma modulação QAM varia em

função do número de estados, sendo calculada por:

Página - 46

 A modulação 16QAM proporciona 04 bits de informação para cada símbolo

transmitido possuindo assim 16 estados possíveis, se o sinal QAM for

transmitido a uma taxa de 1Mbps, a Banda mínima necessária seria de :

8.1 Modulador QAM

 O sinal QAM pode ser interpretado como a composição das funções sen e

cos.

A figura abaixo da um exemplo de constelação e do sinal modulado por um 16-

QAM que possui 4 bits de informação.

���� =

= 250kHz

S(t) = q .sen(ω.t) + i .cos(ω.t)

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Alfabeto da constelação de um sinal 16-QAM

Página - 48

Diagrama temporal do sinal 16-QAM

Diagrama em blocos de um modulador QAM

Página - 49

Diagrama em blocos de um demodulador QAM

Exemplo de aplicação

Página - 50

Comparação de eficiência de transmissão

Síntese Modulação QAM:

Página - 51

9 Técnicas de Acesso ao Meio

 Para melhorar a eficiência do espectro de transmissão disponível, foram

criadas técnicas que permitem o acesso de múltiplos usuários ao meio de

transmissão, também chamado de compartilhamento de usuários.

 A locação destes canais, para acesso múltiplos, é chamado de “DAMA” –

DemandAssignedMultiple Access.

 São Constituídos de três métodos de acesso:

• FDMA – Frequency Division Multiple Access;

• TDMA – Time Division Multiple Access;

• CDMA – Code Division Multiple Access.

 Enquanto o FDMA e o CDMA são, respectivamente, técnicas faixa estreita e

faixa larga por natureza, o TDMA permite ambas as formas de

implementação.

 O FrequencyDivisionMultiple Access (FDMA) é caracterizado pela alocação

de diferentes faixas do espectro para os canais e voz.

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 O Time DivisionMultiple Access (TDMA) faz uso do processamento digital do

sinal de voz e multiplexa a informação de diferentes usuários em slots de

tempo diferentes dentro de um mesmo canal físico.

 Já o CodeDivisionMultiple Access (CDMA) multiplica a informação digital por

códigos de taxa mais elevada espalhando o espectro do sinal em uma faixa

larga compartilhada com outros códigos.

9.1 – Tipos de transmissão

Simplex

Inicialmente temos o Symplex System (SS), como um sistema que

utilizava apenasuma frequência, e somente a estação base era capaz de

transmitir dados para as estaçõesmóveis, ou seja, as estações móveis eram

simples receptores. Como exemplo desse sistematemos o sistema adotado

pela polícia de Detroit em 1921, utilizando somente umaportadora. Um

exemplo ainda em operação são os serviços de radiodifusão.

Half Duplex

Após esse sistema pode-se citar o Single Half-Duplex System (SHDS) o

qual aindautilizava uma freqüência, porém tanto a unidade móvel quanto a

estação base eram capazesde transmitir e receber mensagens. Este sistema

operava na base do push-to-talk, onde aestação base competia com a

unidade móvel pelo canal de freqüência. Como exemplo deutilização desse

sistema temos o sistema de telefonia móvel da rodovia Nova Iorque –Boston,

implantado em 1947, onde as chamadas eram realizadas com a ajuda de

umatelefonista. O serviço de Radioamador ainda opera neste sistema.

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Double Half Duplex

No sistema Double Half-Duplex System (DHDS), a estação base é capaz

de transmitire receber mensagens simultaneamente, ficando a unidade móvel

ainda utilizando o sistemapush-to-talk. Para melhor assimilação, pode-se citar

o exemplo da nextel que utilizameste sistema.

Duplex

Tanto a estação base quanto a unidade móvel operam com sistema Full

Duplex (DS).É utilizado para transmitir sinais de forma independente,

enviando-o em uma freqüência erecebendo em outra diferente. Aqui

enquadra-se os sistemas de Telefonia Celular.

9.2 Arquitetura Faixa Estreita

• A arquitetura faixa estreita está associada a sistemas com alta capacidade –

o número de canais em que a banda é dividida dá uma dimensão da

capacidade do sistema quanto ao número de usuários – mas, muitas vezes,

baixa qualidade de transmissão – muitos canais significa banda pequena

para cada canal.

• Nesse sentido, há um esforço para que se utilize técnica de modulação que

permitam qualidade de voz aceitável sem que se aumente a banda ocupada

pelos canais, ou até, que se reduza a banda ocupada.

• Outro aspecto é a necessidade de se utilizar filtros estreitos para minimizar a

interferência de canal adjacente, o que contribui para o aumento no custo de

equipamento.

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• Em sistemas faixa estreita, o sinal que propaga sofre o chamado

desvanecimento em frequência que afeta toda a informação pois o canal é,

em geral, muito estreito.

9.3 Arquitetura Faixa Larga

• As técnicas de acesso que se utilizam dessa arquitetura são o TDMA faixa

larga e o CDMA, sendo que este último frequentemente usa toda a faixa

disponível.

• Como grande vantagem dessa abordagem, pode-se citar o fato de que a

banda utilizada é maior que a banda dentro da qual ocorre desvanecimento

não-seletivo (banda de coerência).

• O sinal faixa larga experimenta desvanecimento seletivo em frequência e,

então, apenas uma fração das frequências que o compõem é afetada pelo

desvanecimento.

• Da mesma forma, interferências também podem ser minimizadas com o uso

dessa arquitetura.

9.4 FDMA – Múltiplo Acesso por Divisão de Frequência

 FDMA é um método de acesso ao canal que baseia-se na divisão da banda

de frequência disponibilizada em faixas de frequência relativamente estreitas,

30KHz cada, as quais são denominadas canais e que são alocadas

exclusivamente a um usuário durante todo o tempo de sua conexão.

 Esse tipo de técnica requer filtros passa-faixa de alta rejeição de banda.

 Além desse detalhe é utilizada a banda de guarda entre frequências

adjacentes para não haver a necessidade de lidar com desvios de frequência

dos osciladores locais e minimizar a interferência entre canais adjacentes.

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• É o método mais comum de acesso, sendo mais comuns nos sistemas

analógicos.

• Esse esquema é conhecido por Canal Único por Portadora (SCPC– Single

Channel per Carrier).

A representação do método FDMA está na Figura abaixo

As principais características dos sistemas que utilizam FDMA são:

 Implementação usual baseada em SCPC;

 Transmissão contínua;

 Banda Estreita;

 Baixa interferência Inter simbólica;

 Eletrônica simples;

 Alto custo de implementação.

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Esquema de transmissão e recepção de um sistema FDMA:

9.5TDMA – Múltiplo Acesso por Divisão de Tempo

 No TDMA, o canal físico é dividido em slots de tempo, fazendo com que cada

canal possa ser utilizado por mais de um usuário.

 Cada usuário é alocado em uma sequência de tempo do canal físico, desta

maneira a mesma portadora pode ser compartilhada por diferentes usuários.

 A Figura abaixo ilustra o conceito TDMA faixa estreita. No TDMA faixa larga

não haveria as subdivisões faixa 1, faixa 2, ... faixa M, ou elas seriam em

número muito reduzido comparado ao faixa estreita.

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• Como visto, uma única portadora é compartilhada em vários slots de tempo,

ou seja, é compartilhada por vários usuários, cada qual em seu instante

determinado.

• Esse mecanismo diferencia o TDMA do FDMA pois, no último, o esquema

SCPC fazia com que cada portadora fosse alocada a apenas um usuário até

o fim de sua comunicação.

• Pelas características apresentadas, a tecnologia digital é a única adequada

para o tipo de transmissão, desta forma os sistemas TDMA são sempre

digitais.

As principais características dos sistemas que utilizam TDMA são:

 Vários canais por portadora;

 Transmissão em rajadas (Bursts) ;

 Faixa estreita ou faixa larga;

 Alta interferência Inter simbólica;

 Eletrônica Complexa;

 Baixo custo de implementação.

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Esquema de transmissão e recepção de um sistema TDMA:

9.6 CDMA – Múltiplo Acesso por Divisão de Código

 O Acesso Múltiplo por Divisão de Código foi desenvolvido nos EUA pelo

segmento militar.

 Sua primeira utilização foi para a comunicação entre aviões de caça e rádio

controle de mísseis teleguiados.

 Na técnica CDMA cada usuários transmite sua informação na mesma

portadora e ao mesmo tempo, e para cada usuário individual é provido um

código particular. Isto garante alta privacidade na comunicação.

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As principais características dos sistemas que utilizam CDMA são:

 Usuários comunicam-se usando as mesmas frequências;

 O sinal do usuário é modulado por espalhamento espectral;

 Faixa larga;

 Baixa interferência Inter simbólica;

 Sigilo na comunicação;

 No processo de transmissão pelo método do CDMA a voz é primeiramente

codificada, passa por um expansor (spreader) que a multiplica por sequência

preestabelecida e única para cada EM o sinal de espectro agora espalhado é

modulado em amplitude e transmitido.

 o receptor correlaciona os sinais recebidos com o código gerador

multiplicando-os, detectando o sinal desejado que agora se destaca sobre os

demais.

Esquema de transmissão e recepção de um sistema CDMA:

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Diagrama de comunicação de um sistema CDMA:

9.7Comparação entre FDMA, TDMA e CDMA:

 Uma vantagem básica do CDMA é sua capacidade muito maior de tolerar

sinais interferentes, se comparado a FDMA e a TDMA.

 No CDMA, os problemas de alocação da banda e interferência entre células

adjacentes são simplificados, enquanto que sistemas FDMA e TDMA

precisam de cauteloso estudo de alocação de frequência e slots para evitar

interferência, exigindo filtros sofisticados e tempos de guarda entre slots.

 Em termos de capacidade, teoricamente o CDMA possui uma vantagem

sobre sistemas analógicos por um fator de 20.

 A vantagem teórica do CDMA exige que uma série de requisitos como,

controle de potência eficiente, ortogonalidade entre códigos e necessidade de

sincronismo perfeito sejam atendidos.

 Na prática, dada a dificuldade de se implementar todos os requisitos,

sistemas CDMA em geral não exploram toda a capacidade teórica prevista

para essa técnica, embora os avanços tecnológicos os levem cada vez mais

próximos a esse ideal.

Página - 61

10 Espalhamento Espectral

 O sistema de espalhamento espectral tem sido utilizado em sistemas

militares desde a 2º guerra mundial, fornecendo baixa probabilidade de

interceptação.

 Através dessa técnica, o sinal original que se deseja transmitir é espalhado

por uma banda muito maior que a necessária a sua transmissão.

 Esse efeito é obtido pela multiplicação do sinal do usuário por um código com

taxa de transmissão muito superior, de forma que o sinal resultante ocupa

uma faixa muito larga.

 Há duas formas principais de se realizar o espalhamento espectral:

• Salto em Frequência – FrequencyHopping (FH)

Sequência Direta – DirectSequency (DS).

9.1 Salto em Frequência – FrequencyHopping (FH).

Na técnica de saltos de frequência, o espectro do dado modulado é espalhado

através da “troca” da frequência da portadora utilizando uma sequência

pseudoaleatória. Nesse caso, o receptor só poderá encontrar o sinal nos vários

canais se ele souber onde sintonizar, ou seja, se souber previamente as posições

de frequência aonde o transmissor vai “trocar“.

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 Nessa técnica, a portadora “salta” entre as várias frequências do espectro

alocado.

 A faixa original do sinal é mantida, porém, como a portadora percorre

rapidamente uma faixa muito grande de frequências, o efeito final é de

espalhamento espectral.

 Um sistema FH pode ser pensado como um sistema FDMA com diversidade

de frequência.

 Esta técnica provê um alto nível de segurança, uma vez que um receptor que

queira interceptar a comunicação e que não saiba a

sequênciapseudoaleatória usada para gerar a sequência de “saltos”,

necessitará buscar por frequências de forma muito rápida e acertar a

frequência em uso em cada instante (e no slot de tempo exato).

 Pode apresentar problemas de colisão entre usuários e é crítico quanto à

necessidade de sincronização entre transmissor e receptor.

A Figura a seguir ilustra essa técnica, através de dois usuários, “X” e “0”.

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Diagrama em blocos do sistema de Salto em Frequência

Sistema de transmissão para o espalhamento espectral por salto em

frequência.

Sistema de recepção para o espalhamento espectral por salto em frequência.

Página - 64

As frequencias dos usuários ficam disttribuidas ao longo da banda de

frequencia alocada para a transmissão, como indicado na figura abaixo.

Se olharmos o sinal no dominio do tempo, gráfico abaixo, podemos notar que

a frequencia dos usuários mudam de posição ao longo do tempo. Este

comportamento é que caracteriza o salto de frequência.

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Separação de frequências para que as portadoras sejam ortogonais:

A separação depende do tipo de saltos FH usado:

Número de bandas FH (ou número de patamares de salto):

Largura de banda (LB) de cada banda FH:

Larguras de banda dos sinais:

Ganho de processamento em FH:

Página - 66

9.2 Sequência Direta – Direct Sequence (DS).

A técnica de espalhamento espectral por sequência direta (DSSS), pode ser

obtida pela multiplicação direta da informação por uma sequência de pulsos

pseudoaleatória PN de alta velocidade (taxa de transmissão). Por ter taxa de

transmissão muito maior que a informação, a PN expande a largura de banda da

informação, e este sinal expandido (ou espalhado) é então transmitido. Logo, a

duração do bit de PN, Tc, deve ser bem menor que a duração do bit de informação,

Tb.

Na recepção, o receptor gera internamente a mesma PN usada pelo transmissor,

e através de um correlator, consegue retirar o espalhamento obtendo novamente a

informação com a largura de banda original.

A figura abaixo, comparando “c” e “d” pode-se ver claramente que a largura de

banda da PN é bem maior que a banda do sinal de informação. Observe ainda

nessas figuras que os espectros estão em banda básica, portanto a largura de

banda só leva em conta a parte positiva do espectro.

IPN BWBW 

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A taxa de código de espalhamento é dada pela seguinte equação:

Rc=1/Tc

Onde Tc – Tempo de duração do pulso bipolar chamado Chirp. Este pulso tem

duração de 100 a 1000 vezes mai curto que a largura de pulso da informação (Tm).

O número de pulsos de chirp depende do numero de estágios do registrador de

deslocamento (k) utilizado para gerar a sequencia de códigos, sendo calculado da

seguinte forma:

N=2k-1

Com isso, o comprimento do código gerado em uma sequencia de N pulsos é

dado por:

TDS =NxTc

E a banda do sistema de espalhamento espectral em sequencia direta fica:

BWDS-SS= 2xRc

Diagrama em blocos da sequencia direta.

O sistema de transmissão para io espalhamento espectral de sequencia direta é

mostrado na figura abaixo.

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O gerador da sequencia direta consiste de um somador duplo e um registrador

de deslocamento de K-estágios.

Em resumo:

 A técnica baseia-se em associar códigos ortogonais aos usuários, de forma

que suas comunicações não interferem entre si mesmo compartilhando o

mesmo espectro e tempo.

 Para determinado usuário, todos os outros são vistos como sendo ruído.

 O código utilizado na transmissão deverá ser conhecido na recepção.

 Na teoria poderíamos tantos assinantes quantos códigos geradores

existentes, mas isto não é verdade uma vez que a comunicação se processa

em um ambiente ruidoso.

 Cada EM gera uma parcela do ruído total do sistema que é proporcional ao

número de chamadas em curso.

 Assim, o receptor correlaciona os sinais recebidos com o código gerador

multiplicando-os, detectando o sinal desejado que agora se destaca sobre os

demais.

 Os sistemas CDMA utilizam desta técnica e seguem o padrão IS-95 com taxa

de espalhamento a 1,2288 Mbps utilizando uma portadora de 1,25 MHz de

faixa.

Página - 69

11 Canais de Propagação

Os Canais de propagação são baseados em dois conceitos; banda passante e

frequência, sendo ambos relacionados com a tyaxa pela qual a informação é gerada

pela fonte. A escolha do canal de propagação é de fundamental importância no

projeto de sistemas de comunicação.

Os canais são divididos em:

a) Canais não guiados: Este tipo de canal faz a transmissão do sinal por meio

de ondas eletromagnéticas, em espaço livre. O modelo utilizado para

predição da potência do sinal recebido quando não existe obstáculo entre a

antena transmissora e receptora (linha de visada desobstruída) é expresso

pela fórmula de Friis:

Pr(d) = Pt λ 4πd2 GtGr/L ,

• d =distância em metros entre transmissor (Tx) e receptor (Rx);

• Gt=ganho da antena transmissora;

• Gr=ganho da antena receptora;

• λ= comprimento de onda em metros;

• Pt= potência de transmissão em Watts;

• L= fator de perda do sistema;

• Pr= potência de recepção em Watts.

Além da perda devido ao meio de transmissão o sinal transmitido em meios

não guiados sofre a interferência devido aos obstáculos encontrados no caminho da

propagação.

Os canais não guiados podem ser subdivididos em:

 Ondas terrestres;

 Ondas troposféricas;

 Ondas celestes;

 Espaço exterior.

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b) Canais guiados: Este tipo de canal transmite o sinal através do

confinamento da onda eletromagnética em um meio físico, desta forma torna-

se possível contornar os obstáculos encontrados no percurso. Este tipo de

sistema tem um maior custo de implementação pois há a necessidade de se

fazer o cabeamento de todo o percurso de transmissão. Deve-se ter um

casamento de impedância entre o sistema e o canal de transmissão para se

evitar as perdas de potência transmitida e o retorno do sinal para o

transmissor. Os canais guiados possuem um menor nível de interferência se

comparados com os canais não guiados.

Os canais não guiados podem ser subdivididos em:

 Cabo paralelo;

 Cabo par trançado;

 Cabo Coaxial;

 Guia de onda;

 Fibra Óptica;

 Linhas de transmissão de alta tensão*.

*As linhas de transmissão de alta tensão são utilizadas, hoje em dia, para a

transmissão de dados e controle.

11.1 Efeito do canal sobre o sinal transmitido

O canal de transmissão é modelado como sendo um canal com ruído branco

aleatório e gaussiano (AWGN) e produz os seguintes efeitos sobre o sinal

transmitido.

Filtragem: redução da banda disponível e distorções de fase do sinal;

Doppler: Atraso na propagação da onda devido ao movimento do

receptor ( mais comum em telefonia móvel)

Percursos Múltiplos: Devido aos obstáculos no caminho de

propagação.

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A potência recebida devido aos caminhos múltiplos pode ser calculada com

base no seguinte modelo de dois caminhos:

�� = √ 2

�� = √ �� − ��2 2 + ��2

��2 = √ �� + ��2 2 + ��2

∆�� = �� − ��2 = 2�� ��2

��

Considerando:

�� ��2 ��

1

Com isso a potência recebida é dada por:

= (

4 �� ) 2

��

= ( �� ��2 ��

) 2

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Onde:

D1 – caminho 1;

D2 – caminho 2;

H1 – altura do transmissor;

H2 Altura do receptor;

D – distância linear entre transmissor e receptor;

Pr – potencia recebida;

Po – potencia transmitida.

Desvanecimento: Nome dado ao fenômeno da existência de variação

aleatórias ao longo do tempo do sinal recebido, este fenômeno é

particular de canais não guiados.

= ��

Onde:

Pro- potência recebida;

A - ganho constante;

D- distância de transmissão;

N – Constante de atenuação.

Para espaço livre n=2

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Principais Sistemas de Transmissão

Existem muitas formas de se transmitir informação, podem destacar as

seguintes formas de transmissão:

1) Sistemas de Radiovisibilidade

2) Sistemas de Comunicação Via . Satélite

3) Sistemas de Comunicação Óptica

4) Sistemas de comunicação baseados em meio de cobre

12 Radio Digital

Os conceitos de rádio digital são utilizados amplamente nos sistemas de

comunicação digital e tem ganhado impulso nos últimos anos devido a proliferação

dos sistemas eletrônicos que utilizam comunicações sem fio. Temos como exemplo

os sistemas de comunicação móvel celular, redes WI-FI, Bluetooth, Comunicações

via satélite, etc.

12.1. Serviço Móvel Especializado (Trunking)

Este sistema surgiu como primeiro conceito de telefonia móvel utilizando o

sistema Full Duplex e esta dividido em duas categorias chamadas de NTMS

(Nontruncked System) e TMS (Truncked Mobile System).

NTMS: possui poucos canais alocados para os serviços, sendo os

usuários divididos em grupos acessando somente um canal cada,

desta forma há a necessidade de uma telefonista para fazer a

comutação das chamadas. Este sistema é utilizado pelos Rádios

Táxis.

TMS: Dispõe de vários canais que podem ser acessados por diversos

usuários, através da comutação automática, onde o usuário escolhe a

frequência do canal a ser utilizado. Sintetizadores de frequência são

utilizados na varredura e sintonia dos canais disponíveis.

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12.2. Serviço Especial de radiochamada (Paging)

Os serviços de paging consiste no mais simples sistema de comunicação

móvel disponível e a sua comunicação é estabelecida utilizando o sistema one-

way simplex entre a base e o usuário móvel. O primeiro sistema foi conhecido

como Beep, onde a estação base envia uma mensagem ao aparelho do usuário

através de um alerta sonoro e o usuário tem que estabelecer o contato com a

basse para receber a mensagem.

Nos sistemas mais atuais, uma mensagem alfanumérica é transmitida para o

usuário, sendo possível até canais de voz operando com uma faixa de 12,5KHz.

12.3. Serviço Móvel Celular

Os sistema móvel de celular recebe este nome devido a divisão das regiões

de cobertura em células agrupadas em forma de Clusters que utilizam todo o

espectro de frequência disponível para a comunicação de seus usuários. Neste

sistema os canais utilizados em uma célula podem ser reutilizados por outras

desde que as mesmas pertençam a clusters diferentes e esteja suficientemente

afastadas umas das outras para minimizar os efeitos de interferência.

12.4. Sistema de Comunicação via satélite (MSS)

Este sistema de comunicação móvel utiliza satélites geossíncronos orbitando a

uma altitude de 35.800 Km para oferecer uma cobertura de comunicação ao

usuário em qualquer lugar do mundo.

12.5. Redes de dados sem Fio (WLAN)

O conceito de rede de dados sem fio representa uma extensão técnica de

comutações de pacotes utilizando rádio frequência com objetivo de atender a

uma extensão geográfica maior comparada com as redes cabeadas. As redes

sem fio são compostas de um transmissor, um receptor e a antena transmissora

e atualmente tem sido o meio de comunicação móvel que mais cresse.

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12.6. Telefone sem Fio

Os sistemas de telefone sem fio começou com a tecnologia de comunicação

analógica com uma cobertura de aproximadamente de 10 metros que utilizavam

somente um canal de comunicação com frequência fixa de 900MHz, o que não

garantia a privacidade das comunicações. Atualmente os telefones sem fio

utilizam técnicas digitais com multi-frequências, em geral, com 12 canais

diferentes por célula com frequências de 2,5 GHz, o que proporciona um melhor

alcance, em média 50 m, com alta imunidade a ruídos e garantia de privacidade

na comunicação.

12.7. Sistema Bluetooth

Página - 76

13 Telefonia celular

13.1 Introdução

Os primeiros sistemas de comunicação por rádio móvel possuíam uma única

estação base, com uma antena num ponto elevado e dominante e alta potência de

transmissão, cobrindo uma grande área e utilizando todo o espectro de frequências.

A comunicação ficava assim restrita à área coberta por essa antena e o volume

de tráfego era limitado pelo número de canais disponíveis. Os sistemas deveriam

estar geograficamente separados para evitar a interferência Inter canal, mas isto

gerava descontinuidade das chamadas em andamento sempre que o utilizador

necessitava de percorrer duas áreas de serviço distintas servidas por antenas e

frequências diferentes.

O conceito de célula patenteado em 1972 pelos laboratórios Bell (EUA), foi a

chave que veio revolucionar as comunicações móveis. Em vez de utilizar um

emissor de alta potência para cobrir uma área, utilizam-se vários emissores de baixa

potência para cobrir a mesma área de modo a que não interfiram entre si.

Página - 77

As antenas não precisam ser instaladas tão altas e por isso a mesma frequência

pode ser reutilizada em distâncias pequenas permitindo maior cobertura para mais

assinantes. A contrapartida destas vantagens é a necessidade de instalar muito

mais antenas e equipamentos aumentando o custo das infraestruturas.

As figuras acima dão um exemplo das diferenças entre o conceito tradicional e o

conceito célula. A área da primeira figura pode ser coberta por só estação rádio de

alta potência com, por exemplo, 100 canais. Se utilizarmos estações de menor

potência poderemos então atribuir 25 canais para cada uma dessas antenas e

repetir os canais atribuídos desde que as distâncias entre estações sejam

suficientes para eles não interferirem.

Assim as estações [1 e 7], [2 e 4], [3 e 5] e [6], ao transmitirem 25 canais cada

uma totalizarão 175 canais em vez de 100 canais da estação de antena de alta

potência. Este conceito celular permite, portanto, a reutilização de frequências e o

aumento substancial de capacidade de tráfego dentro da mesma área.

13.2 - Estrutura Básica do sistema móvel

Um sistema móvel celular, na sua forma mais elementar está representado na

figura abaixo. Ao efetuar uma chamada, o usuário comunica com a Estação de Base

(BTS – Base Station Transceiver) mais próxima ou com a que tenha sinal mais forte

e esta encaminha o sinal para uma Controladora de Estações de Base (BSC).

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Existem cerca de 20 a 30 BTS por cada BSC. A mobilidade do sistema é

garantida pelos conceitos de handover, que permite a continuidade da chamada em

andamento quando se atravessa a fronteira entre células, e de roaming, que permite

o acesso ao sistema em outra área de serviço que não àquela em que o assinante

mantém seu registo.

 O telefone móvel ou Celular transmite por rádio para a BTS da célula

mais próxima;

 A chamada é enviada por cabo, fibra óptica ou feixe hertziano para

uma BSC que a envia para o destinatário (Celular ou fixo);

 A comunicação nunca se faz diretamente entre os Celulares.

13.3 Conceito de cluster

Chama-se cluster ao conjunto das células que utiliza todas as frequências

disponíveis pelo operador, sem que haja repetição de frequências.

Página - 79

Neste exemplo o tamanho do cluster é de 7 células por isso n=7, mas poderia

ser de qualquer outro valor. Os valores mais utilizados são 3, 4 e 7. Ao fazer o

projeto de uma rede de comunicações móveis, a distância entre centros de clusters

é um dos fatores principais a calcular. Ela depende de vários parâmetros, comopor

exemplo: Potência de emissão, Relevo do terreno/obstáculos e do Volume de

tráfego previsto. Por essa razão o tamanho das células não é predefinido, sendo o

projetista da rede quem determina quantas células irão haver e que tamanho vão

ter.

As células maiores (também chamadas de macrocélulas) são utilizadas em

zonas de pouco tráfego (poucos utilizadores) e dispersos por grande área como

acontece nos meios rurais. Podem ter diâmetros de 3 a 35Km embora na prática

raramente excedam 10km. Nos meios mais densamente povoados são habituais as

microcélulas cobrindo áreas de ruas ou quarteirões (300m a 3 km). Em grandes

edifícios como centros comerciais ou em casos como o grandes centros

metropolitanos, utilizam-se picocélulas (30m a 300m) uma vez que as próprias

paredes internas dos edifícios limitam o alcance da transmissão e a interferência

entre células vizinhas, que assim podem ficar muito juntas. Excepcionalmente

podem utilizar-se nanocelulas (3m-30m).

Página - 80

13.4 Fator de reuso

A reutilização de frequências é feita dividindo-se todo o espectro disponível

em grupos de frequências. Estes grupos são utilizados em células separadas entre

si o suficiente para não haver interferência. As células que contêm o mesmo grupo

de frequências são denominadas co-células.

No exemplo abaixo, as células 1 e 2 são co-células. Define-se Fator de

Reuso (N) como sendo o número de células adjacentes que utilizam o espectro

original, ou seja, o número de grupos de frequências. Quanto menor o fator de

reutilização, maior o número de canais por grupo, portanto mais canais por célula e

maior volume de tráfego oferecido por cada célula. Podemos obter o fator de reuso

N, dividindo a área total do cluster pela área de uma célula. Matematicamente é

possível obter uma relação entre D (distância entre co-células), R (o raio maior do

hexágono) e o fator de reuso N.

Página - 81

A seguinte equação é usada para o cálculo do fator de reuso.

��

�� = √3��

Á medidas que aumentamos o fator de reuso N, ou seja, o número de células

por cluster estará diminuindo o número de canais por célula, diminuindo o volume

de tráfego por célula. Por outro lado, estaremos aumentando a relação D/R

(podemos entender que estamos aumentando a distância de reutilização ou que

estamos diminuindo o raio das células). Isto implica na diminuição da interferência

entre co-células, uma vez que a potência transmitida decresce com a distância.

Considerando a diminuição do fator de reutilização, estaremos aumentando

o tráfego nas células para um maior número de canais. O oposto é a diminuição da

relação D/R implicando uma menor qualidade do sinal recebido. A tabela seguinte,

ilustra bem a relações do fator de reuso com o tráfego e a qualidade do sinal

recebido.

14 O sistema GSM

O conceito celular tal como descrito no capítulo anterior, tem grandes vantagens

que podem ser resumidas nos seguintes pontos:

 Permite reduzir a potência de transmissão;

 Permite descentralizar toda a informação;

 Os problemas de cada célula são tratados dentro dela própria;

 Permite um maior número de utilizadores por possibilidade de

reutilização de frequências.

Página - 82

Cada célula (macrocélula) tem uma Estação Rádio Base (BTS) equipada com

antenas que normalmente ficam em pontos altos (edifícios, postes montes, etc.), e

que têm potências de emissão de 2,5 a 300W, cobrindo distâncias até cerca de um

máximo de 35 km.

No sistema GSM, várias Estações Rádio Base (BTS) são controladas por

uma Estação de controle chamada de BSC (Base Station Controler) que encaminha

as chamadas de e para a rede fixa ou para outros Celulares (Estação Móvel) da

mesma rede ou de diferentes redes. A Figura abaixo mostra a estrutura simplificada

da rede GSM.

A BSC tem acesso aos registos de assinantes, visitantes e faz as operações

de autenticação e detecção da identidade do celular.

14.1 Atribuições de Frequências

As frequências atribuídas à rede GSM foram:

 BANDA GSM 900 – [890-935 MHz] uplink e [935-960 MHz] downlink.

 BANDA DSC 1800 – [1.710-1.785 MHz] uplink e [1805-1880 MHz] downlink.

 Mais tarde, a banda GSM foi posteriormente alargada em 10 MHz (880-890

MHz e 925-935 MHZ) - Banda EGSM.

Página - 83

As frequências em que o Celular emite e recebe (uplink e downlink) estão,

portanto separadas de 45MHz. A banda GSM900 tem uma largura de banda uplink

de 935-890=25 MHZ. Como cada canal tem 200KHz de largura de banda, então na

banda GSM900 existem 124 pares de canais (uplink + downlink).

Através do AFRCN (Absolute Radio Frequency Channel Number), para cada

canal é atribuído um número, por ser muito mais fácil referenciar esse canal por

números do que por frequências. O número obtém-se fazendo o seguinte cálculo

GSM : [890+nx0.2] MHz canal n=1 f=890,02MHz (up) e 935,02MHz (down)

DCS : [1710,2+(n-512)x0.2] MHz para 512 n 885

Utilizando esta forma de cálculo, a banda GSM900 tem canais 124 canais,

numerados de [1 a 124] e a banda DCS1800 tem 373 canais numerados de [512 a

885].

Página - 84

14.2 Estruturas da Rede GSM

Uma rede GSM tem uma arquitetura tal como indicado na figura abaixo.

Devido às características inerentes a uma rede de comunicações móveis, a

estrutura requerida é extremamente complexa porque nas redes celulares, devido à

natureza móvel dos terminais, é imprescindível uma série de procedimentos no nível

de tráfego e de sinalização que não existiam na rede fixa tradicional.

O sistema GSM engloba os seguintes componentes:

 Estação móvel (MS - Mobile Station), constituída pelo Celular (ME – Mobile

Equipment) e pelo cartão SIM;

 Estações Rádio Base (BTS - Base Transceiver Stations) que asseguram as

comunicações com as Estações Móveis em cada célula;

 Controlador de Estações Base (BSC – Base Station Controler) que gere entre

20 a 30 BST e que possui o registo de todos os visitantes locais nesse

momento (VLR) e a sua localização em cada uma das BST;

 Central Comutadora de Serviços Móveis (MSC - Mobile Service Switching

Center) que endereça as ligações para o correspondente MSC ou para outras

redes (rede fixa, internet, etc);

Página - 85

 Registo de assinantes nominais (HLR – Home Location Register) base de

dados que gere os assinantes e contem informação sobre a sua localização.

A Figura abaixo mostra de uma forma mais explicita a estrutura da rede GSM e

as suas ligações para o exterior.

Analisando o diagrama acima, ressaltam 3 grandes blocos constituintes do sistema.

a) RSS – Radio Sub-System (engloba todos os circuitos que utilizam sinais rádio);

O subsistema de rádio é constituído pelos circuitos que utilizam ou controlam a

comunicação do rádio. Para maior facilidade de compreensão, o RSS=BSS+MS, ou

seja, o Subsistema de Rádio é constituído pela Estação Rádio Base (1 BSC +

várias BTS) + a estação móvel (MS).

Página - 86

O BBS encarrega-se do controle da ligação de rádio com as estações móveis

(MS). É dividido em duas partes: o controlador das estações base (BSC) e as

estações rádio base (BTS), ao qual aloja as antenas, os emissores/receptores de

rádio e o restante equipamento que permite comunicar com as estações móveis

(Celulares). Normalmente são as antenas que vemos ao longo das estradas, ruas

ou no alto de edifícios.

A BTS é responsável por monitorar os sinais recebidos das MS comunicando à

BSC qualquer alteração indesejável em relação à potência ou a interferência no

sinal recebido. Numa área urbana a quantidade de BTS é grande para permitir que

haja muitas células e assim aumentar o volume de tráfego. Numa zona rural a

distância entre BTS é muito maior porque há pouco volume de tráfego.

Cada BTS pode suportar até cerca de 150 canais de voz, dependendo do

projeto da célula, do sistema e de sua aplicação. A BSC, por sua vez, faz a gestão

Página - 87

dos recursos para cerca de 20 a 30 BTS, tais como, configuração dos canais rádio,

saltos de frequência e transição entre células (handover). É a BSC que faz a ligação

entre as estações móveis e o coração do sistema GSM, o MSC (Centro de

Comutação Móvel).

A Estação Móvel (MS - Mobile Station) é constituída pelo Celular propriamente

dito (ME - Mobile Equipment) e pelo cartão SIM (Subscriber Identification Module). A

estação móvel só funciona se tiver inserido um cartão SIM habilitado por uma

operadora do sistema.

O cartão providencia mobilidade pessoal, de tal forma que o assinante

consegue ter acesso aos serviços subscritos independentemente do terminal

utilizado, isto é, ao inserir o cartão SIM num terminal diferente, o assinante pode

usufruir dos serviços a partir desse terminal.

O cartão SIM tem uma identificação única mundial (IMSI) e estes códigos são

independentes entre si permitindo uma maior mobilidade e uma segurança pessoal

contra o uso não autorizado.

b) NSS – Network and Switching Sub-system (engloba todos os circuitos de

encaminhamento de chamadas, handover e comutação);

O subsistema de rede e comutação (NSS) engloba todos os circuitos de

encaminhamento de chamadas, handover e comutação e inclui os componentes

marcados na figura abaixo.

Página - 88

A Central de Comutação Móvel (MSC) faz a interface entre o Sistema Móvel e a

Rede Pública. A sua estrutura é parecida com a das centrais telefónicas de

comutação automática. É responsável pelas funções de comutação e sinalização

para as estações móveis localizadas em uma área geográfica designada como a

área do MSC.

A diferença principal entre uma MSC e uma central de comutação fixa é que a

MSC tem que levar em consideração a mobilidade dos assinantes (locais ou

visitantes), e o handover da comunicação quando estes assinantes se movem de

uma célula para outra.

O MSC que é encarregado de encaminhar as chamadas para outros MSC e

para as redes fixas externas é chamado de Gateway MSC (GMSC). Adicionalmente,

providencia toda a funcionalidade necessária para o tratamento de um assinante

móvel, realizando o registo, autenticação, atualização da localização, transição entre

células (Handover) e controlando os assinantes de outras redes em roaming. Estes

serviços são providenciados em conjunto com várias entidades funcionais que

juntas formam o subsistema rede: HLR, VLR, GMSC e ISC.

O HLR, o VLR e o MSC, em conjunto providenciam as capacidades de roaming

do GSM. O HLR (Home Location Registrer) contém toda a informação administrativa

de todos os assinantes registados na correspondente rede de GSM, juntamente

Página - 89

com a localização da estação móvel onde residem. É a base de dados mais

importante do sistema GSM porque mantém um registo permanente e sempre

atualizado dos dados de todos os assinantes da rede.

O VLR (Visitior Locantion Registrer) é uma base de dados que contém

informação temporária sobre os assinantes que o MSC necessita para poder servir

os assinantes (visitantes) que entram na área. O VLR está sempre integrado com a

MSC. As informações fornecidas pelo VLR são necessárias para controlar a

chamada e providenciar os serviços de cada assinante, situada dentro de uma

determinada área de controle.

Quando um Celular entra numa área servida por uma nova MSC, o VLR ligado a

essa MSC fará um pedido de informação ao HLR. Mais tarde, se o Celular fizer uma

chamada o VLR tem toda a informação para estabelecer a chamada sem ter que

interrogar o HLR de cada vez.

O MSC administra o sistema em termos de comutação, atribuição de canais,

supervisão das ERB, encaminhamento de tráfego, estatística de tráfego,

procedimento de handoff, procedimentos de registo de EM locais, registo de

roaming para EM visitantes, e tarifação do sistema. O MSC é, portanto o cérebro do

sistema de comunicação móvel celular.

Página - 90

c) OSS – Operation Sub-System (engloba todos os circuitos que fazem a gestão

da rede).

O subsistema de operação (OSS) engloba todos os circuitos que fazem a

gestão da rede e inclui os componentes marcados na abaixo.

A central de Operação e Manutenção (MSC) está ligada a todos os

equipamentos no sistema de comutação e às BSC, sendo uma entidade funcional a

partir da qual o operador da rede controla e monitoriza todo o sistema. Dela estão

dependentes dois registos usados para segurança e autenticação.

O AuC (Autentication Center – central de autenticação) é uma base de dados

protegida que guarda uma cópia do código de cada SIM, que é usado para

autenticar e criptografar a comunicação. É responsável pela autenticação dos

assinantes no uso do sistema.

O Centro de Autenticação está associado a um HLR e armazena uma chave

de identidade para cada assinante móvel registado naquele HLR possibilitando a

autenticação do IMSI do assinante. É também responsável por gerar a chave para

criptografar a comunicação entre MS e BTS.

O EIR (Equipment Identity Register) é uma base de dados que contém

listagens de todos os Celulares válidos na rede, onde todas as estações móveis são

Página - 91

identificadas pelo IMEI. Um IMEI é considerado como inválido se declarado como

roubado ou incompatível com a rede e portanto é-lhe negado acesso à rede.

14.3 Protocolos GSM

Os protocolos são fundamentais, pois permitem que equipamentos de

fabricantes diferentes possam ser sempre interligados sem depender de marca ou

de critério. Os protocolos representados na figura são: Um, Abis, Asub, A e SS7.

Por ainda não ter sido anteriormente referido, o TRAU – Transcoder and

Adaptation Unit é uma unidade que se destina apenas, como o próprio nome indica,

a fazer a interface entre as BSC e a MSC respectiva.

Página - 92

14.5 Células GSM

A figura abaixo é uma visão detalhada de uma célula GSM típica.

As células podem ter um raio de até 35 km no GSM900 e 2 km no DCS1800

(devido à menor potência das unidades móveis do DCS1800). A parte mais óbvia da

célula GSM é a estação rádio base e a sua torre de antena.

A torre tem diversas antenas direcionais, cada uma destas cobrindo uma

área em particular. Cada BTS possui um certo número de pares Tx/Rx ou módulos

transceptores. Este número determinará o número de canais de frequência que

poderão ser usados na célula, o que dependerá do número esperado de usuários.

15 TV digital

A TV Digital surgiu para resolver os problemas e suprir as deficiências da

televisão analógica. As pesquisas nessa área iniciaram em meados da década de

70 do século passado no Japão e nas décadas seguintes pelos EUA e países da

Europa. As principais características da transmissão digital é a qualidade de sua

imagem e som, e também a possibilidade de interação dos telespectadores com os

programas de TV.

Página - 93

Japão, EUA e países europeus pioneiros nessa área, desenvolveram padrões

de tv que priorizavam as necessidades e as características de cada região. Nessa

monografia apresentamos a origem de cada padrão, o contexto em que foi criado, o

modelo de negócio empregado, principais características, desvantagens e a

aceitação dos padrões no resto dos países.

15.1 Surgimento da TV Digital

A Televisão de alta definição (high definitiontelevision), mais conhecida por

HDTV, precedeu e determinou o surgimento da TV Digital. Ela surgiu nos anos

1980, com o intuito de disponibilizar na casa do usuário, uma qualidade de imagem

e som semelhante às do cinema. A HDTV utilizava o dobro da resolução da TV

comum, atingindo resoluções de 1080 linhas horizontais.

Na década de 80, o Japão desenvolveu o primeiro sistema de televisão de

alta definição em escala comercial, o MUSE(MultipleSub-

NyquistSamplingEncoding). Logo depois, em 1986, os europeus chegaram a uma

alternativa similar à japonesa através do projeto Eureka, o sistema foi batizado de

MAC (MultiplexedAnalogComponents).

Em 1983 os Estados Unidos deram seus primeiros passos em torno da TV de

alta definição com a criação do Federal CommunicationsCommission (FCC), quem

em 1987 formou o AdvisoryCommitteeonAdvancedTelevisionServic, uma

organização privada sem fins lucrativos destinada a pesquisa e desenvolvimento de

novas tecnologias na área.

Em 1991 os EUA estabeleceram através do FCC os princípios gerais a serem

observados quanto ao emprego da tecnologia digital. Em 1993 foi constituída a

Digital HDTV Grand Alliance, formada pelas quatro principais empresas

desenvolvedoras de sistemas. A Grand Alliance propôs o padrão ATSC

(AdvancedTelevision Systems Committee) para TV digital, um sistema que

aproveitava as principais características dos sistemas propostos pelas empresas

desenvolvedoras. Em 1996 os EUA adotaram o padrão ATSC para TV digital. E no

final de 1998 iniciaram suas primeiras transmissões digitais.

Página - 94

Em 1991 os europeus criaram o European Launching Group – ELG, sua

finalidade era discutir a viabilidade do desenvolvimento da televisão digital no

continente, era formado pelas empresas transmissoras, as produtoras de

equipamentos eletrônicos e os órgãos reguladores.

Em 1993 o ELG passou a se chamar DVB (Digital Video Broadcasting). O

DVB passou a desenvolver um sistema digital completo baseado em um só padrão

que atendesse as necessidades e as características de vários países europeus. Em

1995 ocorreram as primeiras transmissões na Europa.

No Japão, os primeiros estudos sobre TV digital iniciaram em 1995, quando

as redes de TV e as principais empresas do setor, junto com o governo japonês

criaram o Advanced Digital Television Broadcasting Laboratory (ADTV-LAB). Em 97,

foi formado o Digital Broadcasting Experts Group (DIBEG) que contou com a

participação de empresas estrangeiras. Seus principais objetivos eram a promoção

de intercâmbio de informações técnicas e a cooperação internacional. Em 1999 foi

criado o padrão ISDB (Integrated Services of Digital Broadcasting).

15.2 Padrão Japonês - ISDB

O Japão foi pioneiro no desenvolvimento da TV de alta definição. As

primeiras pesquisas nessa área ocorreram ainda na década de 70, mas foi na

década de 80 que a TV de alta definição se tornou realidade com a criação do

MUSE (MultipleSub-NyquistSamplingEncoding). Embora dominasse a tecnologia

HDTV, os japoneses no que se diz respeito a televisão digital se encontravam

defasados tecnologicamente em relação aos europeus e aos americanos. Só em

1997 os japoneses decidiram desenvolver um padrão totalmente digital para suas

transmissões de televisão e em 1999 o consórcio Digital Broadcasting Experts

Group(DiBEG), criou o padrão ISDB (Integrated Services of Digital Broadcasting).

Depois de 4 anos de testes e aprimoramentos o sistema japonês entrou em

operação em 2003.

O padrão ISDB teve a mobilidade e a flexibilidade como principais pré-

requisitos durante seu desenvolvimento, por esse motivo é adequado para recepção

portátil de dados e imagens. Não foi desenvolvido apenas objetivando a transmissão

de sinais digitais de televisão, mas como uma plataforma tecnológica de fato, com

múltiplos serviços.

Página - 95

Assim como a maioria dos padrões de televisão digital, o ISDB permite

diversas configurações para a camada de transmissão, definindo diferentes

esquemas de modulação para transmissão terrestre, via cabo e via satélite. Para as

transmissões terrestres utiliza a modulação COFDM

(CodedOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing), podendo alcançar taxas de

transmissão de 23,23 Mbps.

Essa modulação utiliza várias portadores onde cada portadora é responsável

por transportar uma parte do sinal em sub-canais FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing) em um canal de 6, 7 ou 8 MHz. O padrão DVB

também se baseia no uso de milhares de mini-portadoras, porém, existe uma

diferença significativa entre eles. No ISDB, essas mini-portadoras são agrupadas

em 13 grupos, e esses grupos podem ser arranjados livremente para formar as

camadas da transmissão hierárquica.

Com isso, por exemplo, pode-se usar 11 ou 12 grupos para transmitir um

programa de HDTV, e 1 ou 2 para um segundo programa em modo mais robusto,

para ser recebido em automóveis. Essa segmentação do canal digital em vários

sub-canais permite a transmissão simultânea de vários serviços. Para as redes de

televisão a cabo e as transmissões via satélite, o padrão ISDB adota as modulações

64-QAM e 8-PSK, respectivamente.

O padrão ISDB oferece num único suporte tecnológico, diversos serviços de

comunicação, permitindo a convergência total das transmissões televisivas com a

internet, telefones celulares 3G, entre outros. Do ponto de vista de tecnologia e

desempenho, o padrão japonês pode ser considerado o mais avançado entre seus

principais concorrentes(ATSC e DVB).

Página - 96

15.3 Padrão Americano - ATSC

Os EUA foi o primeiro país a discutir um modelo de Tv Digital que resultou na

criação em 1996 do padrão ATSC (AdvancedTelevision Standard Committe). Em

1997 o FCC (órgão do governo que controla e coordena o sistema ATSC) iniciou a

transação do sistema analógico para o digital, estabelecendo canais digitais

gratuitos pra todas as emissoras em operação.

As primeiras cidades a receber a nova tecnologia foram as com maior

população e maior poder econômico. Atualmente as transmissões digitais estão

disponíveis para toda população norte-americana. Além dos EUA, outros países

como o Canadá, México, Coréias do Sul e Taiwan aderiram ao padrão ATSC.

O padrão ATSC prevê várias formas de transmissão (terrestre, via cabo e via

satélite) com diferentes níveis de resolução da imagem e formatos de tela. Dentre

os meios de transmissão, o terrestre que utiliza ondas de radiofreqüência é o que

tem maior aceitação dos usuários, pois apresenta o menor custo econômico

necessitando apenas da aquisição de um aparelho receptor. As transmissões via

satélite vem sendo adotadas apenas para a transmissão de filmes e de serviços

pay-per-view. Já a transmissão digital via cabo tem participação ainda insignificante

no mercado.

O sistema de transmissão terrestre utiliza a modulação 8-VSB, que é

basicamente uma evolução dos esquemas de modulação analógico com taxa de

transmissão de 19,8 Mbps. Em função deste esquema de modulação, um sistema

ATSC apresenta problemas na recepção por antenas internas não permitindo a

recepção do sinal digital por dispositivos móveis. Para as redes de televisão a cabo

o ATSC utiliza modulação 64-QAM e para as transmissões via satélite utiliza o

QPSK.

Página - 97

14.4 Padrão Europeu – DVB

O projeto DVB - Digital Video Broadcasting (DVB, 2004) é um consórcio

iniciado em 1993 e composto por mais de 300 membros, incluindo fabricantes de

equipamentos, operadoras de redes, desenvolvedores de software entre outras

instituições, principalmente órgãos governamentais reguladores do setor de

comunicações e tecnologias da informação de mais de 30 países.

O padrão DVB teve a flexibilidade como um dos principais pré-requisitos

durante o seu desenvolvimento, de forma que dados podem ser vinculados através

de alguns dos canais de transmissão, proporcionando o desenvolvimento de

aplicações interativas, de Internet, etc. A robustez foi outro pré-requisito

contemplado, na medida em que o padrão europeu necessita atender a uma grande

diversidade de geografias e formas de recepção, dos diversos países membro.

Assim como os demais padrões, o DVB permite diversas configurações para

a camada de transmissão, oferecendo transmissão terrestre, via cabo, via satélite e

transmissões via microondas. As transmissões via microondas são divididos em

dois tipos referentes à freqüência com que operam. O DVB-MC (transmissão via

microondas operando em freqüências de até 10GHz) e o DVB-MS (transmissão via

microondas operando em freqüências acima de 10GHz).

O DVB assim como o ISDB (padrão japonês) utiliza a modulação COFDM

(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex) para as transmissões terrestres.

Nesse tipo de modulação o sinal digital é dividido em milhares de mini-portadoras,

onde cada mini-portadora leva um fragmento da informação. O número de

portadoras pode variar de 1.400 a 6.800. A taxa de transmissão do COFDM pode

variar entre 5 e 31,7 MBps, dependendo dos parâmetros utilizados na codificação e

modulação do sinal.

Para as redes de televisão a cabo utiliza a modulação 64-QAM, a mesma

utilizada pelos padrões ATSC e ISDB. Já para a difusão via satélite recomenda a

modulação QPSK. O sistema DVB desde o princípio de seu desenvolvimento visava

não só o mercado europeu, mas também o mundial, pois suas especificações são

extremamente abrangentes e prevêem condições de utilização distintas das

européias. Um exemplo disso é que suporta tanto largura de banda de 7, 8 e 9 MHz,

as duas últimas utilizadas nas Américas.

Página - 98

Um avanço considerável do DVB em relação ao ATSC foi a transmissão

hierárquica, que permite priorizar determinada parte da informação transmitida,

tornando-a menos suscetível a ruídos que as demais. Assim, dois programas de

televisão podem ser transmitidos em dois níveis de resolução distintos, sendo mais

bem exibido em aparelhos móveis aquele cujo sinal foi otimizado.

O consórcio DVB possui atualmente, mais de 260 membros, tendo o seu

sistema sido adotado, além dos países europeus, pela Austrália, Nova Zelândia,

Singapura e Índia. É importante ressaltar que a Inglaterra é o país de maior

penetração do sistema DVB terrestre, com cerca de 1 milhão de usuários.

15.5 Modelo brasileiro

A criação de um modelo próprio de TV Digital, apesar de algumas

resistências esboçadas, é perfeitamente factível. Como se sabe, quarenta anos

atrás, com uma capacidade tecnológica muito inferior à existente atualmente no

país, o Brasil foi capaz de criar um padrão próprio de TV analógica.

A televisão aberta é a única rede de telecomunicações, no Brasil, gratuita

para o consumidor, com cobertura nacional praticamente 24 horas ao dia. Segundo

o IBGE, mais de 95% dos brasileiros da área urbana têm acesso à TV.

Serviços gratuitos para o consumidor final são prestados com razoável nível

de competitividade entre redes nacionais de emissoras, empregando centenas de

milhares de pessoas. A implantação de um modelo para a TV Digital consiste em

uma ótima oportunidade para aprimorar o legado da TV analógica por quase todo o

país, seu acervo cultural, sua notável capacitação tecnológica, sua política de

formação de quadros técnicos e, sobretudo os empregos ora existentes.

Página - 99

O sistema adotado no Brasil constitui um sistema hibrido baseado no sistema

Japonês, como pode ser visto na figura abaixo.

16 O sistema de TV digital

16.1 Princípios básico

A TV em cores só foi possível porque o olho humano possui sensores

(cones) predominantes para três cores primárias: vermelho (R), verde (G) e azul (B),

como mostrado abaixo As demais cores são conseqüências de excitações

proporcionais das três cores primárias. Assim sendo, tem-se:

(R+G) = (amarelo), (G+B) = (cian), (R+B) = (magenta) e (R+G+B) = (branco)

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