Sumário

1 INTRODUÇÃO ÀS REDES DE COMUNICAÇÃO .................................................................... 85 1.1 Anatel ................................................................................................................................... 85 1.2 Ministério das Comunicações............................................................................................... 86

2 TELEFONIA FIXA .............................................................................................................. 86 2.1 Histórico das Telecomunicações .......................................................................................... 86 2.2 Aparelho Telefônico ............................................................................................................. 87

2.2.1 Funcionamento do aparelho telefônico .......................................................................... 89 2.3 Comutação Telefônica .......................................................................................................... 90

2.3.1 Rede de Comutação ........................................................................................................ 91 2.4 Tráfego Telefônico ................................................................................................................ 92

2.4.1 Caracterização do Tráfego Telefônico ............................................................................. 93 2.5 Centrais Telefônicas públicas e privadas .............................................................................. 94

2.5.1 Rede Pública de Telefonia ............................................................................................... 94 2.5.2 Rede Privada de Telefonia ............................................................................................... 95

2.6 Redes de Acesso Telefônico ................................................................................................. 97

3 TELEFONIA MÓVEL .......................................................................................................... 97 3.1 História da Telefonia Móvel Celular ..................................................................................... 98 3.2 Estrutura Celular ................................................................................................................... 98

3.2.1 Reutilização de Frequência .............................................................................................. 98 3.2.2 Handoff e Roaming .......................................................................................................... 99

3.3 Padrão GSM ........................................................................................................................ 100 3.3.1 Arquitetura do Padrão GSM .......................................................................................... 100

3.4 Bandas de Operação no Brasil ............................................................................................ 102

4 PRINCÍPIOS DE RADIOPROPAGAÇÃO ............................................................................. 104 4.1 Mecanismos e Efeitos de Propagação ................................................................................ 106 4.2 Reflexão sobre Terra Plana e Irregular ............................................................................... 106 4.3 Difração sobre Obstáculos.................................................................................................. 107 4.4 Efeitos da Atmosfera .......................................................................................................... 110 4.5 Multipercurso ..................................................................................................................... 111

5 MODULAÇÃO ANALÓGICA E DIGITAL ............................................................................. 112 5.1 Transmissão Digital ............................................................................................................. 112

5.1.1 Codificação de Linha ...................................................................................................... 112 5.1.2 Codificação de Blocos .................................................................................................... 114 5.1.3 Transmissão Digital de Dados Analógicos ..................................................................... 114

5.2 Transmissão Analógica ....................................................................................................... 115 5.2.1 Transmissão Analógica de Dados Digitais ..................................................................... 116 5.2.2 Modem .......................................................................................................................... 118 5.2.3 Transmissão Analógica de Dados Analógicos ................................................................ 118 5.2.4 Multiplexação ................................................................................................................ 119

6 TRANSMISSÕES ÓPTICAS ............................................................................................... 120 6.1 Refração .............................................................................................................................. 120 6.2 Reflexão Total ..................................................................................................................... 121 6.3 Conceitos e Composições de Fibras Ópticas ...................................................................... 122 6.4 Tipos de Fibras Ópticas ....................................................................................................... 123 6.5 Atenuações e Limitações das Fibras Ópticas ...................................................................... 125

6.5.1 Absorção ........................................................................................................................ 125 6.5.2 Espalhamento ................................................................................................................ 126 6.5.3 Curvaturas ..................................................................................................................... 126 6.5.4 Dispersão ....................................................................................................................... 127

6.6 Vantagens e Desvantagens das Fibras Ópticas .................................................................. 127

6.7 Emissores e Receptores Ópticos .........................................................................................129 6.8 Aplicações das Fibras ..........................................................................................................129

6.8.1 Fiber Channel .................................................................................................................129 6.8.2 Rede Telefônica .............................................................................................................130 6.8.3 Rede Digital de Serviços Integrados ..............................................................................130 6.8.4 Cabos Submarinos .........................................................................................................130 6.8.5 Sensores .........................................................................................................................130

7 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO DA TELEVISÃO ........................................................... 131 7.1 Estrutura Técnica ................................................................................................................131 7.2 Transmissor e Receptor de TV Digital .................................................................................133

85

1 INTRODUÇÃO ÀS REDES DE COMUNICAÇÃO

O art. 60 da Lei Geral das Telecomunicações - LGT, Lei n.º 9.472, de 16 de julho de 1997, define serviço de telecomunicações como o conjunto de atividades que possibilita a oferta de capacidade de transmissão, emissão ou recepção, por fio, radioeletricidade, meios ópticos ou qualquer outro processo eletromagnético, de símbolos, caracteres, sinais, escritos, imagens, sons ou informações de qualquer natureza. Para se obter conhecimento em telecomunicações, antes de verificar seus conceitos principais, serão abordadas algumas características dos órgãos competentes à área de telecomunicações: Anatel e Ministério das Comunicações. Estes dois órgãos estão especificados nas seções 1.1 e 1.2.

1.1 Anatel

A Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel) foi criada pela Lei 9.472, de 16 de julho de 1997 – mais conhecida como Lei Geral de Telecomunicações (LGT) – sendo a primeira agência reguladora a ser instalada no Brasil, em 5 de novembro de 1997. As principais atribuições da Anatel são ‘regulamentar’, ‘outorgar’ e ‘fiscalizar’. Tais atribuições foram desenvolvidas para cumprir a missão de “promover o

desenvolvimento das telecomunicações do País de modo a dotá-lo de uma moderna e eficiente infraestrutura de telecomunicações, capaz de oferecer à sociedade serviços adequados, diversificados e a preços justos, em todo o território nacional”. A agência é uma entidade de Estado que auxilia a administração pública descentralizada, ou seja, ela é fiscalizada pela sociedade e por órgãos de controle como o Tribunal de Contas da União (TCU).

As atividades da Anatel são divididas entre seis superintendências:

Superintendência de Administração Geral (SAD) ® Responsável pelas atividades administrativas de suporte aos órgãos da Agência.

Superintendência de Radiofrequência e Fiscalização (SRF) ® Responsável pela engenharia do espectro radioelétrico.

Superintendência de Serviços Públicos (SPB) ® Responsável pelo Serviço Telefônico Fixo Comutado (STFC) abrangendo a condução dos procedimentos de regulamentação, de concessão, permissão ou autorização, de outorga de autorização do direito de uso de radiofrequências associadas e licenciamento de estações e atividades associadas.

Superintendência de Serviços Privados (SPV) ® Responsável pelos serviços de telecomunicações prestados exclusivamente em regime privado, terrestres e espaciais exceto os serviços de comunicação eletrônica de massa e o telefônico fixo comutado.

Superintendência de Serviços de Comunicação de Massa (SCM) ® Responsável pelos serviços de telecomunicações denominados de comunicação eletrônica de massa, prestados no regime privado, abrangendo a condução dos respectivos procedimentos de concessão e autorização para a exploração dos serviços e a outorga de autorização para uso de radiofrequências associadas, além de outros serviços.

Superintendência de Universalização (SUN) Responsável pelos aspectos relativos a universalização de serviços de telecomunicações, abrangendo a condução dos procedimentos de regulamentação.

Segundo a LGT, algumas das atribuições da Anatel são: representar o Brasil nos organismos

internacionais de telecomunicações, sob a coordenação do Poder Executivo; reprimir infrações dos direitos dos usuários; elaborar relatório anual de suas atividades, nele destacando o cumprimento da política do setor definida nos termos do artigo anterior; expedir normas sobre prestação de serviços de telecomunicações no regime privado; expedir normas e padrões a serem cumpridos pelas prestadoras de serviços de telecomunicações quanto aos equipamentos que utilizarem; entre outros.

Além disso, seus serviços regulados são de telefonia fixa (Serviço Telefônico Fixo Comutado – STFC); comunicação móvel; comunicação multimídia; radiodifusão; TV por assinatura; radioamador; radiofrequência; satélite e outros serviços de telecomunicações.

86

1.2 Ministério das Comunicações

O Ministério das Comunicações é um órgão do poder Executivo brasileiro encarregado das políticas de radiodifusão, serviços postais e telecomunicações. O patrono do Ministério das Comunicações é o Marechal Rondon que chefiou a construção das linhas telegráficas nas regiões Centro-Oeste e Norte. Foi criado pelo decreto-lei nº 236/1967 de 28 de fevereiro de 1967 do presidente Castello Branco.

Em 1962, surge um importante instrumento legal para a história das comunicações no Brasil: a lei nº 4.117, conhecida como Código Brasileiro de Telecomunicações. O ponto chave do código foi implantar um sistema nacional de telecomunicações para assegurar a integração desse tipo de serviço no país. Além disso, o código instituiu entidades de destaque no cenário brasileiro da época: o Conselho Nacional de Telecomunicações (Contel) e a Empresa Brasileira de Telecomunicações (Embratel) com o objetivo de planejar a política de telecomunicações para o país. Cinco anos depois, no dia 25 de fevereiro de 1967, decreto-lei nº 200 cria o Ministério das Comunicações. A intenção é substituir o Contel e dar mais autoridade ao setor. As linhas de atuação da nova pasta são fixadas por meio de programas que tinham como alvo a integração operacional das empresas telefônicas, a expansão da indústria de telecomunicações, a consolidação da legislação específica e o crescimento da participação internacional do Brasil. Também havia projetos para o setor postal e setor de radiodifusão. Durante o governo militar, até 1985, a estrutura do Ministério das Comunicações foi mantida.

No livro "O Estado e as Comunicações no Brasil: Construção e Reconstrução da Administração Pública", o autor Octavio Pieranti retrata, em detalhes, a forma como foi feita a regulação das comunicações no Brasil no século passado e fala do papel que o ministério teve na formulação de políticas públicas para o setor: "podia-se dizer que o Ministério das Comunicações estava presente - direta ou indiretamente, por meio das empresas subordinadas a ele - na vida de todo cidadão brasileiro, em cada ponto do território nacional, além de ser o representante do governo federal em fóruns internacionais".

Dentre as diversas ações e programas do Ministério das Comunicações, destacam-se: articulação de políticas da área das comunicações; atuação internacional no setor postal; canal da cidadania; cidades digitais; desoneração de smartphones; inovação tecnológica; Programa Nacional de Banda Larga (PNBL); radiodifusão; radiodifusão comunitária; rádio digital; telecentros; TV digital e universalização e massificação dos serviços de telecomunicações.

2 TELEFONIA FIXA

Ao observar a evolução dos sistemas de telefonia, pode-se afirmar que em breve as atuais tecnologias estarão ultrapassadas. Assim como os telefones de magneto são lembranças de um passado “distante”, também os atuais celulares, smartphones e tablets serão motivos de crítica daqui a algum tempo, pois a tecnologia tem se otimizado de forma exponencial. Este capítulo trata sobre o histórico das redes de telecomunicações assim como sobre o aparelho telefônico e informa as noções básicas de comutação telefônica, centrais telefônicas públicas e privadas e as redes de acesso.

2.1 Histórico das Telecomunicações

A linha do tempo pode ser resumida nos anos respectivos aos marcos históricos referentes às telecomunicações.

1660 ® Dom Gauthey usa um tubo (telefone acústico) de 1Km diante de Luiz XIV.

1792 ® Claude Chappe utiliza um conjunto de tábuas móveis que permitia a transmissão de 76 sinais codificados conhecido como telégrafo óptico.

1801 ® Joseph-Marie Jacquard, francês, cria o primeiro tear comandado por cartões perfurados e Alexandre Volta cria a pilha elétrica.

1825 ® William Sturgeon desenvolve o eletroímã de multiespiras.

1831 ® Michael Faraday demonstra a possibilidade de produção de corrente elétrica a partir da indução magnética.

1844 ® Samuel Morse inicia as telecomunicações no mundo através do telégrafo elétrico.

1861 ® Philipp Reis faz as primeiras transmissões de sons musicais por meio de fios.

1867 ® Roobert Hooke propõem a transmissão do som através de um fio esticado.

87

1875 ® Elisha Gray e Alexandre Graham Bell trabalham na invenção do telefone.

1876 ® Alexandre Graham Bell obtém a patente nº 174.465, de invenção do telefone.

1877 ® Instalado no Rio de Janeiro, o primeiro telefone do país.

1878 ® Hughes inventa o microfone de carvão, cujo princípio é utilizado até hoje nos telefones.

1892 ® Almond Brown Strowger inaugura a primeira central telefônica automática do mundo, com 56 telefones.

1895 ® Guilherme Marconi cria a telefonia sem fio.

1896 ® O mundo alcança o primeiro milhão de telefones; mais da metade estava nos EUA.

1906 ® Surge a válvula a vácuo através de Lee de Forest, engenheiro americano.

1920 ® Em 2 de novembro é inaugurada a primeira emissora de rádio do mundo (KDKA de Pittsburgh).

1922 ® Em 7 de setembro é feita a primeira transmissão de rádio no Brasil, no discurso do Presidente Epitácio Pessoa (RJ - SP).

1926 ® O inglês John Bayrd e o norte-americano Philo Farnsworth, criam a televisão.

1929 ® Inaugurada, em 24 de dezembro, a primeira central telefônica automática na capital da República (Rio de Janeiro).

1936 ® Alan M. Turing, desenvolveu a máquina capaz de resolver todo o tipo de problemas.

1940 ® Criação da lógica de Boole; George Stibitz interliga dois computadores via telefone.

1943 ® A Universidade de Harvard e a IBM completam o projeto do MARK I.

1945 ® Em outubro, a revista inglesa Wireless World publica um artigo de Arthur C. Clarke, que prevê um sistema geoestacionário de 3 satélites de comunicações a 36000Km de altura sobre a linha do equador.

1946 ® Surge o primeiro computador eletrônico com 18 mil válvulas: Eniac.

1947 ® Surge a microeletrônica: nos laboratório da Bell é criado o transistor.

1958 ® Surge o Raio Laser com o pesquisador Provost Charles H. Townes no Bell Labs.

1963 ® Desenvolvido o padrão ASCII, permitindo que diferentes fabricantes troquem informações.

1965 ® Entra em operação a primeira central eletrônica de comutação e surge a EMBRATEL.

1967 ® Primeira Rede experimental entre Universidades e Centros de Pesquisas americanos.

1969 ® Criado a ARPNET nos EUA.

1970 ® A Intel desenvolve o primeiro microprocessador.

1973 ® Ativado o primeiro cabo submarino para comunicações internacionais (Brasil –África).

1978 ® Ativada, no Japão, a Telefonia Móvel Celular.

1981 ® É lançado o primeiro microcomputador pela IBM.

1983 ® Surge o protocolo TCP/IP; Surge o primeiro computador pessoal com interface gráfica (Apple);

1989 ® Em 30 de novembro é inaugurado no Rio de Janeiro o primeiro sistema de telefonia celular do Brasil; comunicação wireless e desenvolvido HTML (Tim Barnes).

1990 ® O Rio de Janeiro entra para a Telefonia Móvel Celular.

1993 ® Com a utilização em escala mundial do protocolo TCP/IP e da WWW, a Internet passa a crescer explosivamente.

1996 ® Lançamento do padrão USB e do DVD.

2000 ® Implantação do serviço de Internet em banda larga em São Paulo e Acesso à Internet via celular.

2.2 Aparelho Telefônico

O som que passa por substâncias líquidas e sólidas se espalha para todos os lados perdendo intensidade gradativamente. No entanto, se esse som for canalizado, pode alcançar grandes distâncias sem perder força. No início do século XIX, usando tubos vazios de encanamento de água, o físico Biot descobriu ser possível canalizar o som de uma conversa, sem alterar o tom da voz, a uma distância de até um quilômetro.

As partes inicial (lugar onde se falava) e final do tubo (lugar onde se escutava) eram feitas de metal. O tubo, em si, era de borracha com lã ou algodão em volta. Para chamar uma pessoa do outro lado, usava-

88

se um apito que a pessoa soprava na boca do tubo acústico. Esse som era facilmente ouvido do outro lado, mesmo por pessoas que estivessem distantes de sua saída.

Tubos de conversação.

Logo após, em meados de 1877, surgiram os primeiros telefones fabricados por Thomas Watson

(ajudante de Graham Bell). Após a invenção, todo o tempo foi dedicado ao aperfeiçoamento dos aparelhos com objetivo de reduzir custos. Os primeiros telefones comercializados em 1877 pesavam cerca de 5 Kg. Instalados em lugares distantes (sistema conhecido como ponta a ponta) cada um deles possuía um dispositivo que funcionava nos dois sentidos: servia tanto para ouvir, quanto para falar. Ou seja, enquanto uma pessoa falava em um dos aparelhos, a outra tinha que encostar o ouvido no outro, trocando depois, de posição.

Primeiros telefones de 1877.

O primeiro tipo de aparelho transmissor utilizava a energia das vibrações sonoras que

movimentavam uma placa metálica na frente de um eletroímã, criando uma corrente elétrica, seguindo o princípio da indução eletromagnética. Este é, basicamente, o princípio de funcionamento do transmissor eletromagnético de Bell que, em todas as suas formas, possui um ímã permanente e um solenoide que recebe correntes elétricas induzidas por uma placa de ferro. O tamanho e posição desses elementos, a espessura da placa de ferro, o número de espiras do solenoide, a grossura do fio entre outros aspectos do transmissor de Bell, foram ajustados inúmeras vezes, até que se obtivessem os resultados esperados.

Após o trabalho de aperfeiçoamento do telefone, no final do século XIX, foram modificados diversos elementos como transmissor (produz o sinal telefônico), receptor (permite ouvir o sinal telefônico) e a linha de transmissão (rede elétrica por onde passa o sinal telefônico). Assim, as medidas tomadas foram:

ü Aumentar a potência do transmissor (tornar o sinal mais forte na origem). ü Aumentar a sensibilidade do receptor (tornar audível um sinal mais fraco). ü Melhorar a transmissão. ü Amplificar o sinal em pontos intermediários (reforçar o sinal após ter perdido força). ü Reduzir a atenuação e a distorção. ü Reduzir ruídos da linha (Ruídos produzidos por causas externas).

89

2.2.1 Funcionamento do aparelho telefônico

A voz humana é produzida pela vibração do ar, sendo o transmissor e o ouvido humano é o receptor. Os fatores de inteligibilidade e energia da voz são medidos em faixa de frequência (Hz). Assim, respeitando este conceito, os aparelhos tem a cápsula transmissora ou microfone e a cápsula receptora.

Cápsula transmissora ® A energia acústica produzida pela voz humana é transformada em energia elétrica por intermédio do microfone. Nos aparelhos telefônicos as cápsulas são de carvão, constituída basicamente de grânulos de carvão. No microfone, as ondas sonoras atuam sobre uma membrana. Esta por sua vez pressiona os grânulos de carvão com força variável na câmara de carvão. Consequentemente produz-se uma variação da resistência de passagem devido à variação da densidade de grânulos de carvão. Com a membrana em repouso, a corrente que circula pelo microfone será contínua e de intensidade constante, mas varia quando há incidência de ondas sonoras. A variação de corrente corresponde exatamente à frequência do som e a pressão acústica.

Esquema da cápsula transmissora do sistema telefônico.

Cápsula receptora Tem a função de converter a tensão alternada que chega em onda sonora. Para

isso são usadas duas bobinas magnéticas, com dois núcleos de ferro doce, que estão dispostas sobre um ímã permanente (magneto anular) de tal modo que estejam magneticamente ligadas. A membrana de aço sobre as bobinas é atraída continuamente pelo campo do ímã permanente e, por isso, previamente distendida. As variações da corrente nas bobinas, ligadas em série, resultam em variações do campo que atuam sobre a membrana e a fazem vibrar.

Esquema da cápsula receptora do sistema telefônico.

Campainha ® A central telefônica, após identificar o assinante chamado, deve enviar um sinal a fazer soar a campainha do seu telefone. Esse sinal deve ter potência suficiente para avisá-lo da chamada a uma distância razoável. Nos aparelhos rudimentares, foi utilizada campainha eletromagnética. A corrente denominada de corrente de toque é enviada ao assinante chamado de forma pulsada, de maneira a provocar um segundo de toque de campainha por quatro segundos de silêncio. A chave, quando o fone

90

está no gancho, fica aberta. Quando o usuário tira o fone do gancho, interrompe a corrente alternada e, simultaneamente, uma corrente contínua alimenta o aparelho telefônico.

Esquema da campainha ou ring.

Teclado ® O antigo disco foi substituído por teclas, onde há uma memória que armazena dígitos pressionados e um dispositivo a relê que gera os pulsos na linha, simulando o disco. O teclado é utilizado para emissão de dígitos de ‘0’ a ‘9’ e dos sinais especiais ‘*’ e ‘#’. Quando uma tecla é pressionada,

duas das frequências serão enviadas pelos fios ‘a’ e ‘b’. A relação entre as frequências e a tecla acionada

está indicada na figura seguinte. Cada tecla pressionada gera dois tons que são decodificados na central telefônica. Ex.: Pressionando 8, gera as frequências 852 Hz do grupo inferior e 1336 Hz do grupo superior. A

quarta coluna é utilizada para aplicações especiais.

Frequências do teclado telefônico.

2.3 Comutação Telefônica

A comutação é o processo de interligar dois ou mais pontos entre si. Ou seja, as centrais telefônicas comutam (interligam) dois terminais por meio de um sistema automático, seja ele eletromecânico ou eletrônico. O termo surgiu com o desenvolvimento das Redes Públicas de Telefonia com o objetivo de alocar recursos da rede para a comunicação entre dois equipamentos conectados àquela rede.

91

Representação da comutação telefônica.

2.3.1 Rede de Comutação

A rede de comutação é composta por centrais de comutação, que permitem o encaminhamento da chamada telefônica do terminal do assinante origem até o destino. Central telefônica é o conjunto de equipamentos de comutação destinado ao encaminhamento ou estabelecimento das chamadas telefônicas.

No início da telefonia, a comutação era realizada manualmente, através das telefonistas, onde elas realizavam o papel da conexão automática atual.

Comutação telefônica antiga.

Há vários tipos de centrais de comutação, conforme as funções exercidas, como representa a figura

seguinte.

Fases características da rede de comutação.

Central local ® Central telefônica na qual se ligam linhas de assinante. A central local tem um terminal para cada assinante em um raio típico de até 6 km e possui juntores para ligação com outras centrais. Possui prefixo indicativo que também compõe o número do assinante.

Central tandem ® Interliga diversas centrais através de juntores, porém, não liga linha de assinantes. Os dispositivos comuns são destinados exclusivamente ao encaminhamento de chamadas. A central tandem pode ser sinônimo de ‘central trânsito’ quanto ao aspecto de interligar centrais de comutação entre si. Entretanto, estes dois termos podem ser aplicados de maneira diferenciada no que se refere ao encaminhamento das chamadas. Uma central tandem IU (interurbana) é a central destinada essencialmente a distribuir as chamadas IU terminadas em uma área local.

92

Central trânsito ® Comuta chamadas originadas em centrais locais ou provenientes de centrais tandem. Além disso, permite a conexão de centrais por meio físico ou através do espaço livre e, assim como a central tandem, não possui terminais de assinante. Sua principal função é interligar outras centrais de comutação entre si. A central trânsito interurbana é a central trânsito usada no encaminhamento de chamadas IU (interurbana).

Central privada ou PABX ® A central privada de comutação ou PABX (Private Automatic Branch

Exchange) comuta chamadas entre telefones de um usuário (normalmente empresas) e é ligada à uma central local por um número chave. O uso de PABX é particular e normalmente é interligada através de linhas tronco a uma central de comutação telefônica pública, que permite a seus terminais, denominados ramais, o acesso à Rede de Telecomunicações interna ou externa, através de comutação.

As centrais telefônicas se interligam conforme o tipo de chamada, local, interurbana ou

internacional, através da ação de juntores de entrada e de saída que comutam os circuitos tronco, que são o meio que permite a ligação entre duas centrais de comutação e suporta a conversação telefônica. O circuito tronco é um circuito permanente entre os equipamentos de comutação de duas centrais automáticas. É constituído por um conjunto de juntor de saída e de juntores de entrada interligados. Eles podem ser classificados como unidirecionais (quando fazem a função de circuitos de saída ou de entrada) e bidirecionais (quando fazem as funções de circuitos de entrada e saída simultaneamente).

O conjunto de vários troncos que interligam uma central é chamado de rota, que podem ser divididas em Rota Local (conecta centrais locais), Rota IU ou interurbana (conecta centrais interurbanas) e Rota Alternativa (aceita chamadas telefônicas excedentes de outras rotas locais ou interurbanas).

As funções básicas da central são Comutação e Controle. As funções de controle de uma central são desempenhadas por circuitos capazes de identificar o número do assinante que retirou o fone do gancho; enviar tom de discar e receber o número discado pelo assinante; analisar o número chamado e identificar se a chamada é local, interurbana ou para serviços especiais; selecionar o melhor caminho disponível para a ligação; encaminhar a chamada através de diferentes circuitos; trocar informações com a central no destino relacionada com a chamada; desativar circuitos quando não mais necessários e ativar circuitos de supervisão e de tarifação da chamada até o final.

2.4 Tráfego Telefônico

Considere o seguinte exemplo: cada central local atenda a 15 mil assinantes. Qual o número de troncos que devem ser disponibilizados para cursar tráfego entre as centrais 1 e 2?

Representação da situação-problema.

Para garantir que não haja congestionamento no caso extremo em que os 15 mil assinantes de uma

central estão falando com os 15 mil da outra, seriam necessários 15.000 canais ou 500 troncos entre as duas centrais (cada tronco possui 30 canais). Qual o número de troncos necessários para garantir que as chamadas bloqueadas devido ao número insuficiente de troncos entre 1 e 2, seja inferior a 5% em um período de maior movimento?

Para responder a esta questão apresenta-se inicialmente como se caracteriza tráfego telefônico, para em seguida apresentar a fórmula desenvolvida por Erlang para este dimensionamento.

93

2.4.1 Caracterização do Tráfego Telefônico

A intensidade de tráfego em um sistema telefônico pode ser definida como o somatório dos tempos das chamadas telefônicas (ocupação dos canais telefônicos) em um determinado período de tempo, normalmente de uma hora.

Ocupação dos troncos entre centrais em função das chamadas.

Erlang é uma unidade de medida de intensidade de tráfego telefônico para um intervalo de uma

hora. Além disso, no sistema telefônico as chamadas se originam aleatoriamente e independentemente uma das outras.

O tráfego telefônico varia com:

Variação do tráfego telefônico em relação às horas do dia.

A hora do dia. O dia da semana. A semana do mês. O mês do ano.

Para dimensionar um sistema é preciso estabelecer o número médio de chamadas e a duração

média de cada chamada na Hora de Maior Movimento (HMM). Com estes dados pode-se calcular a intensidade de tráfego para a qual o sistema será dimensionado. Uma vez implantado, o desempenho do sistema pode ser acompanhado através de medições periódicas. Para acompanhar os indicadores de qualidade do Plano Geral de Metas de Qualidade (PGMQ), a Anatel estabelece um calendário anual que define um dia em cada mês para coleta de dados destes indicadores nos PMM.

Agner Karup Erlang desenvolveu uma fórmula para solucionar o problema da quantidade de linhas telefônicas a instalar para interligar as centrais de duas cidades vizinhas. Ou seja, a equação de Erlang, conhecida como Fórmula de Erlang B, permite o dimensionamento do número de troncos em um sistema telefônico, dada por:

Em que A é o tráfego oferecido, N é o número de canais para escoar o tráfego e é a

probabilidade de bloqueio.

94

Exemplo:

Suponha que os 15 mil assinantes da Central Local 1 originem na Hora de Maior Movimento

(HMM) 500 chamadas para assinantes da Central Local 2. Considere que cada chamada tem

uma duração média de 3 minutos. Qual o Grau de Bloqueio se esse tráfego é escoado por 1

tronco (30 canais) entre as Centrais.

Resposta:

Tráfego = 500 x 3 minutos/60 minutos = 25 Erlangs.

Bloqueio= 5.26%

2.5 Centrais Telefônicas públicas e privadas

Os sistemas de telefonia modernos apresentam-se como uma base ideal para desenvolvimento de novas redes de serviços, capazes de ultrapassar os limites da telefonia convencional e oferecer uma gama de novos serviços aos usuários de sistemas de comunicação. Assim, as centrais telefônicas se dividem em públicas e privadas. A rede pública de telefonia comutada ou RPTC é o termo usado para identificar a rede telefônica mundial comutada por circuitos destinada ao serviço telefônico. Inicialmente foi projetada como uma rede de linhas fixas e analógicas, porém atualmente é digital e inclui também dispositivos móveis como os telefones celulares. Já as Centrais Privadas de Comutação Telefônica (CPCT) são mais conhecidas pelas siglas PBX (Private Branch Exchange), de operação manual e PABX (Private Automatic Branch

Exchange), de operação automática.

2.5.1 Rede Pública de Telefonia

A rede de telefonia pública comutada existe desde o começo do século XX. Um sistema de telefonia fixa é constituído por centrais de comutação telefônica, terminais de serviço telefônico, rede de cabos de interligação entre os assinantes do serviço de telefonia pública e a central pública de comutação telefônica e por entroncamentos de transmissão entre as várias centrais telefônicas. Os padrões da rede pública de telefonia são ditados em sua maior parte pelo ITU-T seguindo o padrão de endereçamento E.163/E.164 conhecidos popularmente como os números dos telefones.

O terminal telefônico é uma posição de comutação da central pública. Os terminais telefônicos são identificados por um número que é único dentro da central a que pertence. Para que os terminais de uma central telefônica possam ser diferenciados de outra central e acessados de todo o mundo, foi criado um plano de numeração universal:

ü 00 ® Prefixo para ligações internacionais.

ü XX ® Código da operadora.

ü PP ® Código do país.

ü AA ® Código de área do telefone.

ü CCCC ® Prefixo da central telefônica.

ü MCDU ® Número do terminal telefônico. Para permitir a instalação do aparelho telefônico na residência do assinante (linha telefônica),

existem as redes de distribuição telefônicas. Uma rede telefônica é uma malha de cabos que interligam as

95

centrais telefônicas e os assinantes. Além disso, ela pode ser classificada, segundo sua abrangência, em rede de assinantes, rede local e rede interurbana. Ou seja, a rede de assinantes é a rede de acesso que liga os assinantes até a central de comutação; a rede local é a rede de entroncamento entre centrais, no âmbito de uma cidade e a rede interurbana é a rede de entroncamento entre centrais de diferentes cidades. A rede telefônica urbana pode ser classificada em planta externa (rede de acesso e rede de distribuição de acesso), planta interna (tanto de central quanto de assinante) e rede de transporte (transmissão e entroncamento). É importante salientar que, na planta externa, as redes podem ser tanto rígidas quanto flexíveis.

As redes rígidas saem da central e chegam diretamente no cliente, sendo também chamadas de redes dedicadas. Esta rede é empregada para o atendimento de grandes edifícios que, em razão da demanda de terminais telefônicos a serem instalados no mesmo endereço, justifica uma grande quantidade de pares dedicados a ele. Algumas vezes, o cabo todo é dedicado a um único endereço. O cabo que sai do centro telefônico é denominado cabo alimentador e suas ramificações são chamadas de cabos laterais. Dentre os pontos positivos dessa rede, há o fato em que se pode dispensar qualquer trabalho na rua na instalação de um terminal no endereço, pois se ganha agilidade, reduz-se a mão de obra e segurança. Porém, quando existe falta de facilidades de rede nas imediações do trajeto do cabo, para atendimento de outros assinantes, mas existe abundância de facilidades vagas no cabo direto, elas não podem ser utilizadas. É necessário o lançamento, ou ampliação, de outro cabo.

As redes flexíveis são subdivididas em redes de distribuição de acesso e redes de acesso. As redes de distribuição, também conhecidas como redes primárias, são redes compostas por cabos de alta capacidade, conhecidos como cabo primário, que levam as facilidades do DG até pontos de distribuição denominados de Armários de Distribuição. Um cabo primário pode alimentar vários armários de distribuição. Em geral, deixa uma contagem de 600 pares primários em cada armário. As redes de acesso, também conhecidas como redes secundárias, começam no armário de distribuição e terminam na casa do cliente. Geralmente o seu trajeto é aéreo. São compostas por cabos de menor capacidade (geralmente de 200 pares).

Rede de Telefonia Pública Comutada.

2.5.2 Rede Privada de Telefonia

Um PABX é uma Central Privada de Comutação Telefônica (CPCT) que, com o atual desenvolvimento tecnológico, tem praticamente as mesmas características de uma central pública. Dependendo do tipo de interligação com a rede pública, a central passa, de fato, a fazer parte da mesma. É o caso de centrais que se ligam à rede pública através de interfaces digitais, podendo trocar com as mesmas todas as informações normalmente envolvidas no processo de comutação. Quando a conexão com a rede pública se dá através de linhas telefônicas comuns, a CPCT, apesar de poder estar conectando uma grande quantidade de ramais, não existe para o mundo externo, que “enxerga” apenas as linhas

telefônicas. Nesse caso, as sinalizações trocadas entre a CPCT e a rede pública são as mesmas trocadas com o aparelho telefônico. Assim, cabe à central privada realizar a interface entre a rede pública e seus ramais, além de realizar a comutação interna dos mesmos. Assim, as centrais privadas podem ser:

96

Central PABX ® É o equipamento responsável pelo estabelecimento das ligações no âmbito de uma rede privada e entre esta e a rede pública. Tem como características principais: estar ligada à central de telefonia pública através de linhas tronco, processar automaticamente as chamadas internas (entre ramais) e as chamadas originadas por ramais privilegiados para a rede externa pública, exigir a intervenção da operadora do PABX para completar as chamadas originadas da rede externa pública para os ramais (exceto quando existir sistema de Discagem Direta a Ramal ou DDR) e as chamadas originadas por ramais semi-restritos para a rede externa pública. Podem ser classificadas ainda em eletromecânicas e eletrônicas.

Central PAX ® Central privada de comutação telefônica que não é ligada à rede pública e onde as chamadas entre ramais são automáticas.

Central PBX ® Central privada de comutação telefônica que é ligada à rede pública através de linhas tronco e que exige a intervenção da operadora do PBX para completar as chamadas internas (entre ramais) e as externas (entre ramais e a rede pública).

Central tipo CS ® Trata-se de uma central de comutação telefônica de pequeno porte que permite programação de ramais atendedores, podendo essa programação ser alterada manualmente pelo usuário de ramal e/ou automaticamente. Permite ainda ao usuário de ramal a seleção do enlace desejado, através do próprio aparelho.

Central tipo KS ® Central de comutação telefônica de pequena capacidade no qual o usuário seleciona diretamente, através do aparelho telefônico, o tronco desejado para interligar-se com o Sistema Telefônico Fixo Comutado (STFC), podendo também se interligar automaticamente aos demais ramais.

Conexão entre PABX e Rede Pública.

As centrais privadas do tipo PABX podem utilizar tanto a comutação analógica como a

digital. Os sinais analógicos de voz são gerados em cada ramal e recebidos pela central onde são quantizados e codificados na forma de informação digital. Nos ramais digitais esse processo de digitalização ocorre no próprio terminal do usuário. Após a recepção na central PABX, o sinal digital de cada usuário (canal) é comutado (seleção física de circuito) para uma linha específica, sendo convertido novamente em sinal analógico e encaminhado para a Central Pública, usando-se um par de fios para cada ligação. Um PABX E1, por exemplo, é um equipamento que utiliza linhas digitais baseadas na tecnologia RDSI (Rede Digital de Serviços Integrados), permitindo o tráfego dos serviços de dados e voz com muito mais eficiência e qualidade.

Aplicação de PABX digital.

Os atuais sistemas PABX estão convergindo gradativamente na direção de novas tecnologias baseadas em computação distribuída e no tráfego de pacotes, integrando novos serviços e funcionalidades, permitindo a expansão da capacidade dos ramais telefônicos em empresas sem a necessidade de aquisição

97

de novas centrais. Muitas centrais públicas digitais, de tecnologia CPA (Controle por Programa Armazenado), dispõem de recursos que permitem oferecer facilidades semelhantes às dos sistemas PABX usados nas empresas. Essas funcionalidades caracterizam os chamados "PABX virtuais".

2.6 Redes de Acesso Telefônico

A Rede de Acesso é responsável pela conexão entre os assinantes e as centrais telefônicas, conforme citado na seção 2.5.1. A Anatel acompanha a capacidade de atendimento das operadoras telefônicas através do número de acessos instalados, definido simplesmente como o número de acessos, inclusive os destinados ao uso coletivo, que se encontra em serviço ou dispõem de todas as facilidades necessárias para entrar em serviço. A tecnologia Wireless tem sido empregada como forma alternativa de acesso. Uma rede para Wireless Local Loop (WLL) é implantada de forma semelhante aos sistemas celulares, com Estações Rádio Base (ERBs) que, uma vez ativadas, podem oferecer serviço em um raio de vários quilômetros. Outra forma de uso da tecnologia Wireless é através da própria rede celular convencional. Um terminal celular configurado para ter acesso restrito a uma única Estação Rádio Base (ERB) pode ser usado como um terminal para o serviço de telefonia fixa.

No Brasil, a Anatel, através da Resolução nº 492 de 19/02/2008, aprovou a Certificação e Homologação de Transmissores (ERBs) e transceptores (terminais celulares) para o serviço de telefonia fixa em aplicações ponto-multiponto (redes celulares), estabelecendo o seguinte conceito de Mobilidade Restrita:

“Função de Mobilidade Restrita: facilidade do sistema ponto-multiponto (rede celular) do serviço fixo que permite à ETA (Estação Terminal de Acesso) o estabelecimento de sessão, chamada ou outra espécie de

comunicação em células ou setores distintos daquele em que foi inicialmente instalada.” No seu Artigo 3º essa resolução ainda define que, ao fazer uso dessa solução para prover o

serviço fixo, a Operadora deverá apresentar uma declaração informando que não habilitará as funções de mobilidade da rede e dos terminais a serem usados para aplicações fixas.

Diagrama básico das interligações entre as centrais.

3 TELEFONIA MÓVEL

Um sistema de Telefonia Móvel Celular é composto basicamente da Central de Comutação e Controle (CCC), das Estações Rádio Base (ERB’s) e das Estações Móveis (EM’s) ou Terminais Móveis (TM’s).

Neste capítulo será apresentada a fundamentação teórica necessária para o entendimento de Telefonia Móvel Celular e Modelo de Propagação de Ondas utilizado.

98

3.1 História da Telefonia Móvel Celular

Heinrich Hertz, em 1889, originou a transmissão de códigos pelo ar através de frequências de ondas eletromagnéticas. A descoberta foi a base necessária para a criação de radiotransmissores. Além disso, a primeira ligação por celular ocorreu aproximadamente no ano de 1914.

A comunicação móvel era conhecida desde o começo do século XX. Assim, o celular surgiu como um sistema de comunicação à distância que mudou frequentemente de canal para que as frequências não fossem interceptadas. No ano de 1947, começou-se o desenvolvimento no laboratório Bell, nos Estados Unidos. No laboratório Bell, foi desenvolvido um sistema telefônico de alta capacidade interligado por diversas antenas, sendo que, cada antena, era considerada uma célula. Por isso o nome de "celular".

O primeiro celular foi desenvolvido pela Ericsson, em 1956, denominado Ericsson MTA (Mobilie

Telephony A). O Ericsson MTA, pesava cerca de 40 quilos e foi desenvolvido para ser instalado em porta malas de carros. Logo após, a empresa Motorola passou a desenvolver seu modelo de celular e, no dia 3 de abril de 1973 em Nova York, apresentou o modelo Motorola Dynatac 8000X. Usando esse modelo, ocorreu a primeira ligação de um aparelho celular, realizada por Martin Cooper, diretor de sistemas de operações da empresa Motorola. O aparelho, muito prosaico, tinha 25 cm de comprimento e 7 cm de largura, além de pesar cerca de 1 quilo.

3.2 Estrutura Celular

As áreas de coberturas a serem atendidas por um serviço de telefonia móvel são dividas em células hexagonais, que são iluminadas por estações rádio base, localizadas no centro das mesmas. A ERB faz a comunicação entre o terminal móvel, que podem ser celulares, pagers ou smartphones, com a CCC que, por sua vez, realiza as ligações.

Os fatores que definem a extensão da área de cobertura de uma ERB são: ü Potência de saída aplicada na antena. ü Banda de frequência a ser utilizada. ü Altura e localização da antena. ü Tipo de antena. ü Topografia da área. ü Sensibilidade do receptor. As ondas se propagam em uma linha reta, conhecida como linha de visada, a partir da ERB. Há

casos onde o usuário não possui visada direta com a ERB, devido a grandes obstáculos. Essas áreas sem cobertura são chamadas de área de sombra.

O efeito de sombreamento causado por essas áreas sem coberturas é minimizado pelos prédios em grandes cidades, por causa da capacidade de refração e reflexão das ondas de rádio transmitidas e por uma grande quantidade de pequenas células nessas regiões. Existem dois tipos de células mais comuns: as células omnidirecionais e as células setorizadas.

As células omnidirecionais são constituídas de uma ERB com uma antena omnidirecional, que irá radiar para todas as direções, tornando assim, a ERB o centro de uma área de transmissão circular. Já nas células setorizadas, têm-se na ERB várias antenas diretivas que juntas irão cobrir toda uma área.

3.2.1 Reutilização de Frequência

As células em uma mesma área de cobertura possuem diferentes frequências, com o objetivo de evitar interferência entre elas. Porém, é possível reutilizar a frequência de uma célula em outra célula relativamente distante, desde que esta segunda célula não interfira na primeira. A figura seguinte ilustra o conceito de reutilização de frequência por grupos, onde as células com a mesma letra utilizam a mesma frequência. O formato hexagonal das células é o mais prático, pois permite maior abrangência de cobertura. Outros formatos como o quadrado e o triângulo podem ser utilizados, contudo, no projeto de uma célula deve-se considerar um usuário em seus extremos. Isso torna os formatos quadrados e triangulares não viáveis, já que os limites de tais células não possuem uma distância igual em relação à ERB.

99

Assim o hexágono se torna a melhor opção, já que as distâncias de seus extremos são iguais em relação à ERB.

Reutilização de Frequências.

A área de uma célula é definida pela densidade de tráfego telefônico, tal que quanto maior o

tráfego, menor será a célula projetada para essa região. Dessa forma, áreas suburbanas ou rurais, terão células maiores que os centros urbanos. Independente do tamanho da célula, deve-se ter o cuidado de fazer o reuso das frequências nas células.

Divisão das células.

Quando o tráfego de uma célula cresce, podem-se adicionar novas células ou setorizar uma célula.

Para que novas células sejam adicionadas, é necessário reduzir a potência de uma célula já existente diminuindo-a aproximadamente à metade de sua área de cobertura original. Na área remanescente são instaladas novas torres e antenas criando uma nova célula, porém, esse método possui altos custos.

Na setorização de células, as antenas omnnidirecionais são substituídas por antenas direcionais setorizando a antiga célula. Esse método é mais econômico e mais usado pelas operadoras, uma vez que utiliza as estruturas já existentes. De qualquer modo, as células são sobrepostas, porém sem apresentar interferência entre seus canais.

3.2.2 Handoff e Roaming

Quando um usuário em movimento atravessa de uma célula para outra, a CCC deve, automaticamente, transferir o usuário para um novo canal com uma frequência diferente. Esse processo é chamado de handoff e deve ser imperceptível ao usuário. Assim, a CCC deve se certificar que a queda de sinal do usuário ocorre devido ao deslocamento do mesmo e não de uma queda momentânea do sinal, antes de realizar o handoff. No momento em que o usuário se desloca rapidamente, há um problema para a CCC, visto que, na mesma célula, também existem usuários pedestres ou usuários se deslocando em baixa velocidade. Para esse caso em particular, existe uma técnica chamada umbrella cell, ou “célula guarda-

100

chuva”. Essa técnica consiste em providenciar uma grande área de cobertura para usuários deslocando

rapidamente e pequenas áreas para os usuários que se deslocam em baixa velocidade ou não se deslocam.

Técnica de handoff ‘célula guarda-chuva’.

O conceito de roaming é dado quando um usuário entra em uma célula pertencente a uma CCC

diferente de sua central domiciliar. A central visitada (CCC-V) deve informar à central do usuário que o mesmo não se encontra mais sobre seu domínio. Dessa forma, a CCC domiciliar do usuário deve registrar o fato e liberar o usuário para utilizar a central visitada normalmente como se fosse a sua central domiciliar.

Quando o usuário passa de uma célula pertencente a uma CCC para uma célula que pertence a outra CCC, durante uma chamada, tem-se o handoff entre centrais. Esse handoff também deve ser imperceptível ao usuário.

3.3 Padrão GSM

O padrão Groupe Spéciale Mobile (GSM) foi criado inicialmente para ser um modelo pan-europeu pela Conference of European Postal and Telecommunications (CEPT), mas rapidamente viu-se que seria um padrão com âmbito internacional. Portanto, em 1991, começaram a implantar o Global System for Mobile

Communications (GSM) que era o primeiro padrão GSM destinado à utilização internacional. Dentre várias características do GSM destacam-se roaming internacional, alto grau de flexibilidade,

infraestrutura e terminais de baixo custo, sinais de alta qualidade e segurança da linha. Assim, a União Internacional de Telecomunicações (UIT), inicialmente, alocou frequências de 935-960 MHz para downlink (da estação de telecomunicações para o terminal móvel) e de 890-915 MHz para uplink (do terminal móvel à estação) para o padrão GSM 900.

3.3.1 Arquitetura do Padrão GSM

A arquitetura do GSM é constituída de três subsistemas interconectados: o subsistema de estação rádio base (BSS – Base Station Subsystem), o subsistema de comutação de rede (NSS – Network and

Switching Subsystem) e o subsistema de suporte e operação (OSS – Operation Support Subsystem).

101

Arquitetura do sistema GSM.

O terminal móvel, ou estação móvel (TM), juntamente com o Módulo de Identificação do Assinante

(SIM), certamente são os elementos mais conhecidos. O SIM é um cartão inteligente composto de um processador e um chip de memória que armazena as configurações e identificação do usuário. Sem o SIM o terminal móvel fica inoperante. O BSS é constituído pela Estação Rádio Base ou Estação Transceptora (BTS) e o Controlador de Estação Radio Base (BSC). O BSS realizará a interação entre a BTS e o terminal móvel. A BTS contém a antena, que com sua potência devidamente regulada, irá definir o tamanho da célula. O BSC tem a função de monitorar e controlar um número de estações rádio base que é definido pelo fabricante, podendo ser dezenas ou até centenas de BTS.

O NSS é o subsistema encarregado de fazer as conexões e o controle de bancos de dados requeridos durante uma chamada. É constituído pela Central de Comutação de Serviços Móveis (MSC), o Registro Local (HLR), o Centro de Autenticação (AuC), o Registro de Visitante (VLR) e o Registro de Identidade de Equipamento (EIR). O MSC é responsável pela atribuição de canais aos usuários e à execução e controle do handover, equivalente ao handoff no GSM, pois é a parte central do NSS.

O HLR é o banco de dados que armazena os dados e a identidade dos usuários de sua região de abrangência e o AuC atua como parte integral ao HLR, autenticando os usuários.

O VLR é um banco de dados que contém informações temporárias sobre assinantes que estão em roaming e, requerem ao HLR do visitante, dados sobre o mesmo. Por fim, o EIR foi criado para localizar e barrar possíveis equipamentos roubados ou clonados.

O OSS interage com os outros subsistemas, como o ISDN (Integrated Service Digital Network) entre outros, dando a oportunidade aos engenheiros de monitorar e gerenciar o sistema. Esse subsistema também é responsável pela tarifação. Juntos os subsistemas irão registrar o usuário e realizar a chamada, encaminhando-a e registrando-a.

O termo handover é equivalente ao handoff, e foi apresentado pelo GSM. A estação rádio base no GSM deve monitorar continuamente a posição e nível de potência do terminal móvel, fornecendo uma lista de estações rádio base vizinhas ao terminal. O terminal, por sua vez, devolve continuamente uma lista com os níveis de potência das estações vizinhas e a ERB onde o terminal se encontra, juntamente com o BSC e o MSC, controlam e executam o handover.

Além disso, o GSM utiliza um esquema de acesso múltiplo baseado no FDMA (Frequency Division

Multiple Access) e no TDMA (Time Division Multiple Acess), onde os usuários compartilham o mesmo canal. O FDMA atribui uma frequência para cada usuário e o TDMA compartilha um mesmo canal aos usuários. Com isso, o GSM distribui frequências aos usuários divididas em 8 janelas de tempo (burst ou timeslots) numeradas de 0 a 7. A duração de cada janela é de 577 μs tornando-a imperceptível ao usuário.

A modulação usada no GSM é a GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) que é um tipo de modulação FSK (Frequency Shift Keying) em que a modulação em frequência é o resultado de uma modulação em fase com sinais adequados e amplitude constante, tornando-o apropriado para uso com amplificadores de alta frequência.

Baseado na modulação MSK (Minimum Shift Keying) os bits “1” e “0” são representados pelo

deslocamento da portadora em aproximadamente 68 Hz e no GSM são representados por 270 MHz, ou seja, quatro vezes a frequência no MSK. Isso, consequentemente, minimiza o espectro da modulação e aumenta a eficiência do canal. Assim, um filtro gaussiano é usado na fase de pré-modulação, reduzindo a velocidade de transferência de frequências que, do contrário, espalharia energia pelos canais adjacentes.

102

3.4 Bandas de Operação no Brasil

Estão disponíveis para o celular no Brasil (SMP) frequências nas bandas de: ü 850 MHz, antigas bandas A e B. ü 900 MHz, bandas de extensão utilizadas pelo GSM. ü 1700 e 1800 MHz, bandas D, E e subfaixas de extensão utilizadas pelo GSM. ü 1900 e 2100 MHZ destinadas, em sua maior parte, para sistemas 3G. ü 2500 MHz pata sistemas 4G. Na figura seguinte, observam-se as frequências em 850 MHz e 900 MHz.

Frequências de downlink e uplink para 850 MHz e 900 MHz.

Referente à figura anterior, tem-se a tabela de frequências de operação na transmissão da estação

móvel e da ERB, dadas em MHz.

Nas figuras seguintes, têm-se as frequências das bandas D, E e M (1700 MHz e 1800 MHz) e L, F, G,

H, I e J (1900 MHz e 2100 MHz), com uplink e downlink respectivos a sua banda de operação.

Frequências de downlink e uplink para 1700 MHz e 1800 MHz.

103

Frequências de downlink e uplink para 1900 MHz e 2100 MHz.

A tabela seguinte informa as frequências de operação da tecnologia 3G com suas faixas reservadas

(F, G, H, I e J), referentes à figura anterior. Além disso, verifica-se na subfaixa de extensão, as faixas de operação do sistema TDD (Time Division Duplex) que utilizam a mesma subfaixa de frequência para transmissão nas duas direções (de 1885 MHz a 1890 MHz e de 1890 MHz a 1895 MHz).

Dentre as tendências para a telefonia móvel celular, tem-se destacado a tecnologia 4G. Sua

frequência de operação é na faixa de 2500 MHz. Seguem as informações na tabela seguinte, assim como as operadoras que irão trabalhar em suas frequências respectivas.

104

4 PRINCÍPIOS DE RADIOPROPAGAÇÃO

O canal de radiopropagação, pela sua natureza aleatória e dependente da faixa de frequências utilizada, tem três modos básicos de propagação, a partir das quais podem ocorrer subdivisões. Os modos podem ser compreendidos através do seguinte diagrama.

O modo de maior importância no estudo da propagação em comunicações celulares é o modo das

ondas terrestres. Em especial, as ondas espaciais são predominantes na faixa de frequências e distâncias envolvidas nesse tipo de sistema. No diagrama citado anteriormente, a onda direta e a onda refletida no solo representam mecanismos básicos de propagação. Nas situações práticas o que se encontra é, somada a esses dois mecanismos, a ocorrência de ondas espalhadas, difratadas e, dependendo do ambiente, ondas transmitidas através de obstáculos.

Dependendo da faixa de frequência utilizada, do ambiente e das distâncias envolvidas, haverá predomínio de um ou alguns mecanismos sobre os demais. A tabela a seguir, apresenta um sumário das faixas de frequência de rádio, suas características (mecanismos de propagação envolvidos) e aplicações.

FREQUÊNCIAS MECANISMOS DE

PROPAGAÇÃO

EFEITOS DA ATMOSFERA E

TERRENO

ASPECTOS DE SISTEMA

TIPOS DE SERVIÇO

ELF (30 – 300Hz)

Onda “guiada” entre a

ionosfera e a superfície da Terra e

refratada até grandes profundidades no solo

e no mar.

Atenuação em 100 Hz entre 0,003 e 0,03

dB/km sobre o solo e 0,3 dB/km sobre a

água do mar.

Antenas (cabos aterrados)

gigantescas; taxas de transmissão muito baixas.

Comunicação com submarinos, minas

subterrâneas; sensoriamento remoto de solo.

VLF (3 – 30 KHz)

Onda “guiada” entre a

camada D da ionosfera e a

superfície da Terra e refratada no solo e no

mar.

Baixas atenuações sobre o solo e no

mar.

Antenas de tamanho viável

têm ganho e diretividade

muito baixos; taxas de

transmissão muito baixas.

Telegrafia para navios com alcance mundial; serviços

de navegação.

LF (30 – 300 kHz)

Onda “guiada” entre a

camada D da ionosfera e a

superfície da Terra até 100 kHz, com a onda ionosférica tornando-

se distinta acima dessa frequência.

Desvanecimento em distâncias curtas

devido à interferência entre a onda

ionosférica e a de superfície

Antenas de tamanho viável

tem ganho e diretividade

muito baixos; taxas de

transmissão muito baixas.

Comunicação de longa distância com navios; radiodifusão

e serviços de navegação.

105

MF (300 – 3000

kHz)

Ondas de superfície a curta distância e em

frequências mais baixas e onda

ionosférica à longa distância.

Atenuação da onda de superfície reduz sua cobertura a 100 km; onda ionosférica

forte à noite.

Possibilidade de uso de antenas de

¼ de onda e antenas diretivas

com múltiplos elementos.

Radiodifusão, radionavegação e

alguns serviços móveis.

HF (3 – 30 MHz)

Onda ionosférica acima da distância mínima; onda de

superfície a distâncias curtas.

Comunicação muito dependente do

comportamento da ionosfera; onda de superfície bastante

atenuada.

Uso de conjuntos horizontais de

dipolos; sistemas de poucos canais.

Fixo ponto-a-ponto; móvel terrestre,

marítimo e aeronáutico; radiodifusão.

VHF (30 – 300

MHz)

Propagação em visibilidade; difração; tropodifusão (ondas

espaciais).

Efeitos de refração; multipercursos;

difração pelo relevo; espalhamento troposférico.

Antenas Yagi

(dipolos múltiplos) e helicoidais;

sistemas de baixa e média

capacidade.

Fixo terrestre; móvel terrestre e

por satélite; radiodifusão;

radiofarol.

UHF (300 – 3000

MHz)

Propagação em visibilidade; difração;

tropodifusão.

Efeitos de refração; multipercursos e dutos (faixa alta);

difração e obstrução pelo relevo.

Antenas Yagi

(dipolos múltiplos),

helicoidais e de abertura;

sistemas de média e alta capacidade.

Fixo terrestre; radar móvel terrestre e

por satélite; radiodifusão e TV;

celular.

SHF (3 – 30 GHz)

Propagação em visibilidade.

Desvanecimento por multipercursos;

atenuação por chuvas (acima de 10 GHz);

obstrução pelo terreno.

Antenas de abertura;

sistemas de alta capacidade.

Fixo terrestre e por satélite; móvel terrestre e por

satélite; sensoriamento remoto; radar.

EHF (30 – 300

GHz)

Propagação em visibilidade.

Desvanecimento por multipercursos; atenuação por

chuvas; absorção por gases; obstrução por

edificações.

Antenas de abertura;

sistemas de alta capacidade.

Radio acesso fixo e móvel; sistemas por

satélite; sensoriamento

remoto.

Para o uso de antenas omnidirecionais eficientes, mantendo um tamanho adequado para sua

instalação nos terminais móveis, a frequência utilizada não pode ser muito baixa – antenas mais eficientes

têm comprimento entre l/8 e l/4, onde l é o comprimento de onda, que aumenta com o decréscimo da frequência. Logo, frequências muito baixas acarretariam em antenas grandes. Assim, é imposto um limite inferior à faixa de frequências. Além disso, pela característica de alta mobilidade dos sistemas celulares e por, na maioria das vezes, o usuário estar imerso no ambiente urbano, situações de visibilidade entre móvel e base são pouco prováveis, inviabilizando faixas de frequência mais altas, que se fundamentam nesse mecanismo de propagação. A comunicação deve ser estabelecida primordialmente pelos mecanismos de reflexão, difração e espalhamento, e ainda, a onda propagante deve ser capaz de penetrar edificações. Esses fatores impõem um limite superior à faixa de frequências.

106

4.1 Mecanismos e Efeitos de Propagação

Os mecanismos de propagação predominantes na faixa de frequências usada em sistemas celulares são: visibilidade, reflexão (incluindo múltiplas reflexões e espalhamento) e difração (incluindo múltiplas difrações). O efeito de propagação que se pronuncia é o multipercurso, pois o sinal resultante recebido é devido à composição de inúmeras versões do sinal original transmitido, que percorreram diferentes percursos determinados, em grande parte, pelas reflexões e difrações que sofreram. Outro efeito de propagação é o que se manifesta através da flutuação do nível de sinal devido a obstruções geradas pelo relevo ou criadas pelo homem. Esse efeito é conhecido por sombreamento.

Os mecanismos de propagação determinam a atenuação de propagação no enlace e, consequentemente, o valor médio do sinal no receptor. A compreensão dos mecanismos envolvidos é básica para o cálculo do raio máximo de uma célula. Por outro lado, os efeitos de propagação determinam as flutuações rápidas e lentas do sinal em torno de seu valor médio. As flutuações que reduzem o valor do sinal abaixo da média são o que se denomina desvanecimento (em pequena escala ou, usualmente, desvanecimento rápido; e em larga escala ou, usualmente, desvanecimento lento). O correto entendimento das características dos efeitos de propagação é básico para a estimativa do desempenho do sistema e cálculo de cobertura das células.

Dentre os diversos mecanismos de radiopropagação, os que se destacam (principalmente nas comunicações móveis) são descritos a seguir.

Ganho máximo de uma antena

O termo “isotropicamente” é utilizado para definir a irradiação uniforme de energia em todas as

direções. Área efetiva de recepção Outro conceito importante é o de área efetiva de recepção de uma antena, definido por:

Em que l = 3x108 [m/s] / f [Hz] é o comprimento de onda, com f representando a frequência e GR é

o ganho máximo da antena receptora. Conhecendo-se a densidade de potência na recepção, a potência recebida é encontrada através do produto entre a densidade de potência e a área efetiva de recepção da antena. Essa relação entre densidade de potência e o campo elétrico recebido é estabelecida, em campo distante, por:

Em que ‘s’ é a densidade de potência [W/m2], ‘E’ é o módulo do campo elétrico [V/m], é

a impedância intrínseca do meio [W]; no espaço livre: h = h0 = 120p @ 377 W.

4.2 Reflexão sobre Terra Plana e Irregular

Para se chegar a expressões de atenuação de propagação que melhor descrevam as situações reais encontradas, vai-se acrescentando complexidade ao problema inicial (espaço livre), obtendo-se expressões teóricas que retratam os novos mecanismos considerados. O primeiro procedimento, e o mais intuitivo, é o de se considerar a influência da superfície da Terra na propagação. A faixa de frequências aqui enfatizada (UHF) e as distâncias envolvidas (nos sistemas atuais, tipicamente menores que 15km) permitem que a Terra seja considerada plana na maior parte das regiões sem a introdução de erros significativos, para efeito de reflexão no solo. Durante a propagação do sinal, os raios oriundos da antena transmissora sofrem, em geral, inúmeras reflexões até chegarem à antena receptora. O tratamento inicial dado à questão da

107

reflexão considera a Terra Plana. Isso pode ser feito pela análise da solução de Norton para esse problema. A seguinte figura ilustra os mecanismos de propagação que dão origem à solução de Norton.

Reflexão sobre terra plana.

Pela solução de Norton, chegam três ondas ao receptor: onda do raio direto, onda do raio refletido

na Terra Plana e a onda de superfície. É importante ressaltar que essa solução é válida apenas quando a

distância horizontal entre transmissor e receptor é muito maior que o comprimento de onda (l), e quando

o índice de refração da Terra (proporcional a , o número de onda na Terra) é muito maior que o índice de

refração no espaço livre (proporcional a , o número de onda no espaço livre).

Se a superfície refletora não é lisa, a onda refletida não possuirá direção única. O que ocorre é um espalhamento (difusão) da energia incidente, em várias direções, causado pela irregularidade (rugosidade) da superfície refletora. A figura seguinte mostra o espalhamento de uma frente de onda plana (representada pelos raios incidentes paralelos) refletida em uma superfície rugosa.

Reflexão sobre terra irregular.

Observa-se na figura anterior que, embora a lei de reflexão continue válida (ângulo de incidência

igual ao ângulo de reflexão), como a superfície é irregular, haverá inúmeros ângulos de incidência, distribuídos de maneira desordenada, dando origem a inúmeros ângulos de reflexão. Isso constitui o espalhamento da energia. O efeito prático da reflexão assim gerada (reflexão difusa) é que menos energia será acoplada ao receptor.

4.3 Difração sobre Obstáculos

Para a compreensão do mecanismo da difração em obstáculos, pode ser utilizado o Princípio de Huygens. Esse princípio estabelece que cada ponto em uma frente de onda funciona como uma fonte de ondas secundárias (elementares), que irão compor a frente de onda em uma nova posição ao longo da propagação, conforme pode ser visto na figura a seguir.

108

Princípio de Huygens.

Suponha-se agora que a frente de onda propagante encontre um obstáculo, como mostrado na figura a seguir.

Obstrução da onda propagante por um obstáculo.

Uma porção da frente de onda será obstruída pelo obstáculo. Se analisarmos a propagação sem o

princípio de Huygens, ou sem qualquer outra maneira de se considerar a difração, toda a região situada atrás do obstáculo não será iluminada (região de sombra). Porém, considerando a difração na análise, como feito através do princípio de Huygens, as fontes pontuais da região não obstruída emitirão frentes de onda secundárias que iluminarão a região situada atrás do obstáculo, como ilustra a anterior. Diz-se que a energia foi, então, difratada. Uma análise através da teoria eletromagnética mostra que a onda incidente induz correntes no obstáculo e que o campo irradiado por essas correntes constitui-se no campo difratado.

Analisando a figura a seguir, verifica-se que as frentes de onda oriundas de cada irradiador secundário percorrem distâncias distintas até alcançarem o ponto de observação ‘O’ (pois estão distribuídas ao longo de toda a frente de onda). A análise da defasagem entre os campos associados aos diversos percursos gera o conceito das Zonas de Fresnel. A diferença de fase entre quaisquer dois percursos é dada por:

Em que Dl é a diferença de comprimento entre os percursos considerados. Dessa forma, dependendo do caminho percorrido, cada fonte secundária dará uma contribuição positiva ou negativa ao campo recebido em O.

109

Distância entre pontos da frente de onda e um observador.

Se a frente de onda da figura anterior for substituída por um plano perpendicular ao percurso entre

as antenas transmissora e receptora, pode-se fazer um cálculo aproximado da diferença de comprimento e, portanto, de fase, entre o percurso que une o ponto ‘A’ ao observador ‘O’ (menor percurso entre um ponto na frente de onda e o ponto de observação) e qualquer outro percurso que chegue a ‘O’ (oriundo de 1, 1’, 2

e 2’, por exemplo). Essa defasagem (em relação ao percurso perpendicular ao plano) é que será útil no conceito de Zonas de Fresnel. O procedimento de se considerar os percursos como sendo oriundos do plano, bem como os cálculos seguintes, são válidos quando se obedece, na geometria ilustrada na figura a seguir, a h << d1, d2, com (d1 + d2) denotando a distância entre transmissor e receptor.

Geometria para cálculo de defasagem entre raios.

Na figura acima, h é o raio de uma circunferência sobre o plano, centrada no ponto ‘A’. A diferença de comprimento entre um percurso que passa por ‘A’ e um percurso que passa por qualquer outro ponto da circunferência de raio ‘h’ é:

, h << d1, d2

A diferença de fase entre os percursos é dada por:

110

Denominando é obtido:

O parâmetro n é chamado de parâmetro de difração de Fresnel-Kirchoff. A primeira zona de

Fresnel, por compreender variações de fase de zero a p radianos, gera contribuições que interferem construtivamente para o campo relativo ao percurso que começa em ‘A’. Pelos cálculos, observa-se que as zonas de Fresnel fornecerão, alternadamente, contribuições correspondentes a interferências construtivas e destrutivas para o campo total. É possível demonstrar que a área de cada zona é aproximadamente igual, de forma que as contribuições de campo no ponto ‘O’, vindas de cada duas zonas adjacentes, tenderiam a se anular. Porém, como as distâncias entre os pontos pertencentes a cada zona e o ponto de recepção ‘O’ aumentam progressivamente com o aumento de ‘n’, as contribuições das zonas de maior ordem (n maior) tendem a ser menores (agora analisando a amplitude). Então, o que ocorre é que, à medida que se adiciona as contribuições das várias zonas de Fresnel, o campo resultante, inicialmente com oscilações de maior amplitude, tende a oscilar menos até chegar a um valor final. Ainda é interessante observar que, se fosse possível obstruir apenas as zonas de ordem par, ou seja, aquelas que geram contribuições correspondentes a interferências destrutivas para o campo da primeira zona de Fresnel (n = 1), o campo recebido seria maior que o de espaço livre, onde não há obstrução.

Se agora forem consideradas outras posições de frente de onda ao longo da propagação entre as antenas, conclui-se que, se forem unidos os limites de cada zona de Fresnel ao longo de toda a propagação, as figuras formadas serão elipsoides (com as antenas transmissora e receptora nos focos), denominados Elipsoides de Fresnel. A figura seguinte ilustra um elipsoide obtido para um valor de n qualquer.

Elipsoide de Fresnel.

4.4 Efeitos da Atmosfera

De uma forma geral, a atmosfera exerce uma influência importante na propagação de ondas de rádio. O efeito da chuva pode ser percebido para frequências acima de 8 GHz, aproximadamente, causando atenuação, espalhamento e despolarização da onda propagante. Considerando-se a faixa de frequências utilizada em comunicações móveis celulares, a chuva não apresenta problemas a esses sistemas.

Outro efeito atmosférico importante, e que abrange todo o espectro de radiofrequências, é a refração atmosférica. Pressão atmosférica, temperatura e umidade variam com a altura, provocando variação no índice de refração atmosférica, dependente desses três parâmetros. As consequências da variação do índice de refração podem ser agrupadas em refração (encurvamento na trajetória dos raios, regido pela lei de Snell da refração), espalhamento (devido à formação de porções da atmosfera ou bolhas, com índice de refração significativamente diferente do índice de refração das vizinhanças) e dutos (condição especial de comportamento do índice de refração, caracterizada pela inversão de seu gradiente entre certas alturas, fazendo com que a propagação da onda possa desviar-se da trajetória desejada, em sistemas ponto-a-ponto, sendo canalizada ao longo daquela região e podendo, inclusive, gerar interferência

111

em sistemas distantes). Embora a refração seja gerada por uma variação uniforme do índice de refração, decrescente com o aumento da altura, e esteja sempre presente na atmosfera, os outros dois fenômenos constituem situações anômalas no comportamento do índice de refração.

As condições anômalas são relevantes na propagação troposférica, afetando especialmente enlaces em micro-ondas de algumas dezenas de quilômetros. Essas condições não são características da propagação terrestre. Porém, a variação temporal do índice de refração pode afetar também a propagação nos sistemas de comunicações móveis celulares. A dinâmica do índice de refração é um dos fatores que contribuem para o desvanecimento em larga escala do sinal, que será analisado adiante. Qualquer outra causa de atenuação devida à atmosfera (gases e neblina, por exemplo) não tem influência relevante nos sistemas celulares, ao menos para as faixas de frequência atualmente utilizadas.

4.5 Multipercurso

Em sistemas de comunicações móveis celulares, a faixa de frequências empregada, o ambiente onde as comunicações ocorrem e a mobilidade, fazem com que o sinal resultante no receptor seja fruto da composição de ondas eletromagnéticas que percorreram diversos percursos distintos entre transmissor e receptor, através de diferentes mecanismos de propagação. No que se refere à frequência, a faixa de frequências escolhida para sistemas móveis celulares (UHF) é favorável à propagação do sinal transmitido através de mecanismos de reflexão, difração, espalhamento e visada direta. Quanto ao ambiente onde as comunicações se realizam (nas áreas mais povoadas, principalmente as grandes áreas urbanas), edifícios representam obstáculos nos quais a onda propagante pode refletir-se ou difratar-se, conforme indica a figura seguinte. Como a unidade móvel está, em geral, imersa no ambiente, ela receberá raios através dos vários mecanismos de propagação gerados pelo ambiente. A mobilidade da unidade portátil possibilita que, a cada instante, o móvel esteja recebendo uma diferente combinação de ondas propagantes, que esteja ocorrendo em determinados local e momento. Os vários raios refletidos no ambiente urbano são os principais causadores do multipercurso.

Cenário de multipercurso.

No receptor, os campos associados aos diferentes percursos somam-se vetorialmente e produzem um campo resultante oscilante. A queda no nível do sinal recebido devido ao multipercurso é conhecida por desvanecimento em pequena escala. Espacialmente, desvanecimentos rápidos e profundos ocorrem

entre distâncias de l/2, aproximadamente. O desvanecimento em pequena escala pode ser compreendido tanto espacialmente como temporalmente, analisando-se o tempo entre desvanecimentos sucessivos em um terminal em movimento ou mesmo em repouso (neste último caso, embora o terminal não esteja deslocando-se, o desvanecimento de pequena escala pode ocorrer devido a alterações no ambiente, como movimentação de veículos, por exemplo).

112

5 MODULAÇÃO ANALÓGICA E DIGITAL

A seguir serão apresentadas técnicas de transmissão e multiplexação, além de padrões de meios físicos, finalizando a camada física. Transmissão de dados é comumente classificada em dois modos: Analógico e Digital.

5.1 Transmissão Digital

A transmissão digital de dados representa um valor "instantâneo" de uma situação e não representa um movimento contínuo comum de sinais analógicos.

5.1.1 Codificação de Linha

É a forma como o sinal elétrico irá representar a informação digital diretamente no par de fios como diferenças discretas de tensão (com um valor fixo para cada símbolo digital utilizado). Tal informação digital é assim classificada como em banda básica e exemplos de códigos de linha são o NRZ, AMI, Manchester, RZ, HDB-3, entre outros. A seguir tem-se a respectiva representação.

Sistema da transmissão de dados através da codificação de linha.

Um conceito interessante é o não relacionamento entre os níveis de sinal e dados. Ou seja,

codificação de linha não associa de forma única os dois conceitos, conforme a figura abaixo.

Relação entre a amplitude e os níveis de sinal.

113

Calculando a velocidade (bps) da transmissão: Um sinal possui dois níveis de codificação de dados, com 1ms de duração de pulso. Determinando a frequência de bits por segundo: f = (1 / T) = 1/ (1x10-3) = 1000Hz N°Bits por segundo = f * log2

L = 1000 * log22 = 1000bps (em que L é a quantidade de níveis)

Agora execute os mesmos cálculos com quatro e oito níveis de codificação. Observe a velocidade de transmissão.

Um problema comum da codificação de linha é a sequência de bits iguais consecutivos (1111111...).

Imagine uma transmissão síncrona com o transmissor e receptor utilizando relógios distintos. Onde relógio do receptor está 0,1% mais rápido que o relógio do transmissor. Quantos bits extras por segundo o receptor irá receber se a comunicação acontece numa taxa de 1Kbps? E a 1Mbps?

A 1 Kbps:

1000 bits enviados ® 1001 bits recebidos ® 1 bit extra A 1 Mbps:

1000000 bits enviados ® 1001000 bits recebidos ® 1000 bits extra Uma das soluções para esse problema é a autossincronização, que consiste em ajustar os bits

recebidos de acordo com o slot de tempo do receptor, reduzindo erros de não sincronização de relógio. Como visto anteriormente, é necessário representar a informação digital com um padrão no meio físico comum ao transmissor e receptor, o que justifica a importância da codificação de linha. Existem várias técnicas de codificação de linha que podem ser classificadas em:

Unipolar ® A codificação unipolar utiliza somente um nível de tensão. É uma representação simples, que se pode colocar o 0 V para o bit 0 e um Vcc qualquer bit 1. Gera alguns problemas devido a componente DC para uma sequência de 1s ou 0s, além de preocupação adicional com a sincronização da linha.

Polar ® A codificação polar utiliza dois níveis de tensão (positivo e negativo). Existem várias técnicas (NRZ, RZ, Manchester e Manchester Diferencial). A representação indicada na figura seguinte mostra uma representação polar utilizando a técnica Manchester (utilizado no standard IEEE 802.3 - Norma que define a rede Ethernet e o modo de acesso CSMA/CD). A codificação Manchester tipo de código de linha no qual o bit 0 é representado como uma transição positiva (subida) no meio do intervalo de sinalização do bit. Com o bit 1 ocorre o contrário, transição negativa (descida). Assim, comparado com o NRZ, facilita a recuperação da informação digital, pois o sinal Manchester apresenta transições a cada ciclo do clock de referência. Um bom esquema de codificação do sinal digital incorpora um relógio de sincronismo para o receptor.

Exemplificação de codificação: Manchester Diferencial.

114

Bipolar ® Utiliza três níveis de tensão: positivo, negativo e zero. Os códigos mais comuns são o AMI e o BnZs. O AMI não resolve a questão da sincronização de zeros. Para tal, utilizando codificação bipolar é necessário utilizar o BnZs.

2B1Q ® Referente a 2 binário 1 quaternário. Sistema de codificação de linha usado em ISDN no qual cada 2 bits é representado por um nível de tensão, com 4 níveis para representar o total de símbolos. Não usa nível 0 V. Utilizado no sistema digital RDSI (Rede Digital de Serviços Integrados).

MLT-3 ® MuLTilevel-3 é um esquema de codificação que reduz a frequência do sinal transmitido. A amplitude do sinal varia entre três níveis de tensão, fazendo com que a potência máxima do sinal transmitido seja deslocada para valores de frequência abaixo de 20 MHz. Num par entrançado o nível do sinal é alto e a interferência eletromagnética é baixa quando se trabalha a baixas frequências.

5.1.2 Codificação de Blocos

A codificação de blocos viabiliza um melhor desempenho na codificação e reduz a possibilidade de erros na transmissão. Dada uma sequência de bits, estes são selecionados (divididos) a cada sequência de m bits. Depois cada parte de m bits é substituída por outra sequência de n bits onde n ≠ m. Assim, observa-se a sequência de dados abaixo que utilizará a codificação em blocos 4B/5B.

Exemplificação de codificação em blocos.

Essa técnica simples garante redução de sequências longas de 1s e 0s (ex.: 111111111111 tornam-

se 111011110111101 utilizando 4B/5B) evitando problemas citados anteriormente. Além disso, reduz o problema de detecção de erros, visto que o receptor pode detectar um erro de transmissão. A seguir, a tabela completa do código 4B/5B.

5.1.3 Transmissão Digital de Dados Analógicos

Nem sempre a transmissão digital recebe sinais digitais como entrada. Um bom exemplo é a codificação de áudio para uma transmissão digital. A escolha para a digitalização dos sinais provém da natural distorção numa transmissão à longa distância de um sinal analógico que necessitará de algumas ampliações e subsequentes distorções intrínsecas a esse processo. Como os sinais digitais estão menos propensos a ruídos e distorções existindo assim uma necessidade dessa conversão analógico-digital. Mas como transformar um sinal analógico em um sinal digital? O processo de conversão denominado PCM (Modulação por Código de Pulso), que consiste em amostrar o sinal analógico e medi-lo (quantificá-lo). O processo de forma detalhada utiliza o PAM (Modulação por Amplitude de Pulso) de forma a coletar

115

amostras em intervalos de tempo iguais e depois quantificá-los, atribuindo valores inteiros a cada amostra obtida. Nota-se que essa quantificação gera números inteiros (ou reais) que devem ser transformados em números binários de forma a ser utilizada na transmissão digital. Todo esse processo pode ser visto no diagrama abaixo.

Diagrama de transmissão digital de sinais analógicos.

Observa-se que algumas amostras possuem valores intermediários entre os níveis de quantização.

Esse é um erro inserido pelo processo de quantização, denominado de Erro de Quantização. Quanto maior for o número de níveis de quantização, menor será esse erro. Esse erro pode ser reduzido, mas não eliminado. Para que o erro de quantização seja nulo, são necessários infinitos níveis de quantização (seria necessário um sinal analógico). Portanto, em que frequência os dados devem ser amostrados de forma que o sinal possa ser reconstituído? O teorema de Nyquist provou que utilizando PAM, a taxa de amostragem deve ser pelo menos duas vezes a maior que a frequência do sinal original.

Qual é a taxa de amostragem de sinal cuja largura de banda vale 13 kHz (1 kHz a 14 kHz)? A taxa de amostragem deve ser, no mínimo, duas vezes a mais alta frequência no sinal. Logo: Taxa de amostragem = 2 × (14.000) = 28.000 amostras/segundo

5.2 Transmissão Analógica

Não é sempre recomendado trabalhar apenas com a transmissão digital, pois a largura de banda para transmissão de um sinal digital é relativamente alta, e em alguns casos a criação de filtros torna-se muito custosa. Logo, uma saída é transformar os dados digitais em analógicos visando sua transmissão. Dentro desse contexto existem duas possibilidades: técnicas para transmissão de dados digitais e técnicas para transmissão de dados analógicos. Em ambos os casos são utilizadas técnicas de modulação.

Modulação é o processo na qual a informação é adicionada a ondas eletromagnéticas. É assim que qualquer tipo de informação (digital ou analógica), até a voz humana ou transação de dados numa aplicação interativa é transmitida numa onda eletromagnética. O transmissor adiciona a informação numa onda básica de tal forma que poderá ser recuperada na outra parte através de um processo reverso chamado demodulação.

116

5.2.1 Transmissão Analógica de Dados Digitais

A modulação digital é o processo que possibilita alteração de característica(s) de um sinal analógico de acordo com a informação digital a ser transmitida. De forma geral, tais características são: amplitude, fase e frequência. A seguir, serão apresentadas as técnicas ASK (amplitude), FSK (frequência) e PSK (fase) que são utilizadas para transmissão analógica de dados digitais. A figura a seguir informa as principais características dessas técnicas.

Principais técnicas de modulação analógica.

A técnica PSK acima utiliza apenas duas fases 0° (para o bit 0) e 180º para o bit 1. Contudo, podem-

se utilizar mais fases visando aperfeiçoar a transmissão. No gráfico seguinte nota-se que são utilizadas quatro fases distintas:

Gráfico referente à modulação 4-PSK.

Visando aumentar mais a transmissão de bits por segundo, criou-se a técnica QAM (Quadrature

Amplitude Modulation). Técnica para codificar dados digitais em um sinal analógico através de modulação

117

em que duas componentes diferentes são combinadas em um único sinal, através de modulação ortogonal dessas duas componentes, evitando assim a interferência, gerando o termo "quadratura". A técnica empregada consiste na combinação da modulação por amplitude (AM) com modulação por fase (PSK) para criar uma constelação de pontos de sinal, cada qual representando uma combinação exclusiva de bits. Utilizada em TV digital e outros sistemas que necessitam de alta taxa de transferência de informação. Na imagem abaixo se observa o domínio do tempo para o sinal 8-QAM, com Tx de transmissão de 24 e Tx de modulação de 8.

Gráfico referente à modulação 8-QAM.

Constelações das modulações 4-QAM e 8-QAM.

Além disso, nota-se que existem diversas combinações possíveis para criar uma constelação, cada uma com sua particularidade em relação a outra, mas, de forma geral, a QAM possui menos interferência a ruídos que a ASK e melhor utilização de banda que a PSK.

Constelações dos diversos tipos da modulação 16-QAM.

118

Portanto, a tabela seguinte apresenta as modulações citadas anteriormente.

5.2.2 Modem

Dispositivo eletrônico que modula um sinal digital em uma onda analógica, pronta a ser transmitida pelo meio e que demodula o sinal analógico, convertendo o sinal digital original. Quando o sinal é recebido, outro modem reverte o processo (chamado demodulação). Ambos os modems devem estar trabalhando de acordo com os mesmos padrões. A linha telefônica no Brasil trabalha com uma largura de banda entre 300 Hz e 3400 Hz, diferente de outros países que a frequência máxima é 3300 Hz. Em ambos os casos a largura de banda para dados é de 2400 Hz. Abaixo, segue um gráfico com indicações.

Representação das larguras de banda.

5.2.3 Transmissão Analógica de Dados Analógicos

Observando uma emissora FM que atinge a distância de 50km de raio, verifica-se que a programação musical seria transmitida de forma audível com uma potência elevadíssima para atingir toda a cidade. Certamente os ambientalistas não suportariam a poluição sonora gerada. A modulação analógica de dados analógicos consiste em combinar sinais de forma a permitir que a transmissão no meio físico seja mais eficiente. Como visto na transmissão digital, em transmissão analógica pode-se utilizar amplitude (AM), fase (PM) e frequência (FM).

Modulação em Amplitude ou simplesmente AM (Amplitude Modulation - Amplitude Modulada), é a forma de modulação em que a amplitude de um sinal senoidal, chamado portadora, varia em função do sinal de interesse, que é o sinal modulador. A frequência e a fase da portadora são mantidas constantes. Matematicamente, é uma aplicação direta da propriedade de deslocamentos em frequências da transformada de Fourier. A modulação por amplitude, devido a uma série de limitações, principalmente a questão do ruído, estava fadada ao desuso; hoje, porém, devido ao avanço dos sinais digitais, essa tecnologia está voltando como forma de modulação. A seguir, uma figura ilustrando a modulação AM.

119

Modulação em amplitude.

A modulação FM (Frequency Modulation) corresponde a uma técnica de modulação de sinais que

consiste no deslocamento da frequência original do sinal a ser transmitido através da variação da frequência da portadora, sendo essa variação proporcional ao sinal a ser transmitido.

5.2.4 Multiplexação

Técnica que codifica as informações de duas ou mais fontes de dados em um único canal. Utilizadas em situações onde o custo de implementação de canais separados para cada fonte de dados é maior que o custo e a inconveniência de utilizar as funções de multiplexação/demultiplexação.

As principais técnicas são:

FDM ® Multiplexação por Divisão de Frequência é uma técnica utilizada para transmissão de vários canais de comunicação em um mesmo meio físico, onde cada canal utiliza uma faixa de frequências.

TDM ® Multiplexação por Divisão de Tempo é a técnica utilizada para permitir a existência de vários canais de comunicação em um mesmo meio de transmissão. Para uma dada taxa de transmissão em bits/s são alocados slots no tempo para cada canal de comunicação.

WDM ® Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda é um sistema de canalização em frequências (comprimentos de onda) ópticas que permite a implantação de mais de uma portadora óptica em um enlace de fibra óptica. O WDM está associado a um sistema com poucas portadoras (quantidade menor que cinco), enquanto o DWDM é o termo empregado para um sistema com muitas portadoras.

Representação da multiplexação.

120

6 TRANSMISSÕES ÓPTICAS

A ideia de utilizar a luz nas comunicações vem desde a antiguidade, apesar de esse fato ter se concretizado apenas recentemente. Primeiramente, foram criados sistemas de comunicação óptica pelo ar, utilizando espelhos, tochas e outros objetos que se interpunham ao sol ou geravam luz. No entanto, essa ideia fracassou por conta dos distúrbios atmosféricos (chuva, névoa) e pela necessidade de o emissor e o receptor estarem bem visíveis entre si, o que acarretava grandes dificuldades. Muitos pesquisadores tentavam solucionar tais problemas buscando a transmissão da luz através de trajetórias curvilíneas. Em 1870, John Tyndall comprovou a viabilidade dessa opção, ao utilizar um recipiente cheio de água com um pequeno orifício, por onde essa escorria, para demonstrar que a luz se propagava ao longo do recipiente e saía com a água pelo orifício.

Princípio de propagação óptica.

A seguir, outros pesquisadores passaram a estudar meios mais adequados para a transmissão da

luz e a transmissão de sinais luminosos por eles. Hondros e Derbye, em 1910, comprovaram a possibilidade de propagar radiação eletromagnética por cilindros dielétricos, estrutura mais rudimentar da fibra óptica. Devido à falta de tecnologias e materiais, na época, no entanto, não se puderam comprovar resultados quanto à transmissão de luz em grandes distâncias, já que havia níveis de perda de potência luminosa da ordem de milhares de dB/km.

O termo “fibra óptica” só veio a surgir em 1951, depois de uma longa espera por melhores

tecnologias, quando o holandês Heel e os ingleses Kapany e Hopkins criaram algumas fibras de vidro com revestimento para guiar luz e imagens, num equipamento chamado Fiberscope, utilizado na medicina.

Embora na década de 60 já se previsse que a fibra era capaz de atingir baixas taxas de atenuação e embora as fibras ópticas tenham começado a substituir os cabos de metal nessa década, somente nos anos 70 elas puderam ser tratadas como opção para sistemas de telecomunicações. A atenuação nas fibras foi reduzida da ordem de 1000 dB/km para 20 dB/km (1970). Ainda nos anos 70, foram aperfeiçoados (pois surgiram na década de 50) os dispositivos emissores, como o LED e o Laser, que possibilitaram o surgimento dos primeiros sistemas de transmissão por fibra óptica.

Com o desenvolvimento das telecomunicações nos anos 80, a capacidade de transmissão dos cabos coaxiais chegou a seu limite, o que causou a sua substituição gradual pelo cabo de fibra óptica. Nessa década, foram instalados os primeiros cabos submarinos, lançando a transmissão de dados transoceânica. Além disso, era cada vez menor a taxa de atenuação para as fibras ópticas, o que foi o fato decisivo para seu sucesso, pela possibilidade de criação de sistemas maiores e com número menor de repetidores, chegando a taxas de atenuação atuais abaixo de 0,20 dB/km.

6.1 Refração

É a mudança de direção e velocidade que ocorre quando a luz passa de um meio para outro. Cada meio possui capacidade própria quanto à refração da luz, caracterizada pelo seu índice de refração, que é definido pela equação:

121

em que “c” é a velocidade da luz no vácuo e “v” é a velocidade da luz no meio. No fenômeno da refração, o desvio do raio de luz que passa de um meio 1 para outro (meio 2) pode

ser calculado pela Lei de Snell-Descartes:

Sendo “n” o índice de refração característico de cada meio e “q” o ângulo que o raio de luz forma

com a normal à superfície de interface entre os meios.

Propagação da luz de um meio menos denso para um mais denso.

6.2 Reflexão Total

Quando um feixe de luz passa de um meio mais refringente (n2) para um meio menos refringente (n1, onde n2>n1), há um ângulo de incidência que é chamado de ângulo crítico, e é dado por:

Se o feixe de luz fizer um ângulo maior com a normal que o ângulo crítico ( ), o feixe é refletido e permanece no meio mais refringente.

Representação dos ângulos de incidência e do ângulo crítico.

122

6.3 Conceitos e Composições de Fibras Ópticas

Fibras ópticas, simplificadamente, são fios que conduzem a potência luminosa injetada pelo emissor de luz, até o fotodetector. São estruturas transparentes, flexíveis, geralmente compostas por dois materiais dielétricos, tendo dimensões próximas a de um fio de cabelo humano. Há uma região central na fibra óptica, por onde a luz passa, que é chamada de núcleo. O núcleo pode ser composto por um fio de vidro especial ou polímero que pode ter apenas 125 micrômetros de diâmetro nas fibras mais comuns e dimensões ainda menores em fibras mais sofisticadas. Ao redor do núcleo está a casca, que é um material com índice de refração menor. É a diferença entre os índices de refração da casca e do núcleo que possibilita a reflexão total e a consequente manutenção do feixe luminoso no interior da fibra.

Representação da fibra óptica.

Ao redor da casca, ainda há uma capa feita de material plástico, como forma de proteger o interior contra danos mecânicos e contra intempéries. A diferença entre os índices de refração do núcleo e da casca é obtida usando-se materiais distintos ou através de dopagens convenientes de semicondutores na sílica. Essa diferença caracteriza o chamado “perfil de índices da fibra óptica”. De acordo com seus perfis de índice, as fibras podem ser classificadas em “perfil de índice degrau” e “perfil de índice gradual”, como

mostra a figura seguinte.

Representação das fibras de índice degrau, gradual e monomodo.

A capacidade de transmissão da fibra, suas frequências ópticas, níveis de atenuação

e características mecânicas são determinados pela geometria, perfil de índices, pelos materiais e processos utilizados na fabricação da fibra. Toda fibra óptica tem como característica um ângulo de admissão (ou de aceitação), que é o ângulo limite de incidência da luz, em relação ao eixo, para que esta penetre no cabo. Feixes de luz com ângulo superior ao de admissão não satisfazem as condições para a reflexão total e, portanto, não são conduzidos (esse ângulo limitante define um cone de aceitação de luz, mostrado na equação a seguir).

123

Onde n0 o índice de refração do meio externo à fibra, n1 é o índice de refração do núcleo e n2 é o índice de refração da casca. A partir da definição de ângulo de admissão, define-se “abertura numérica” de

uma fibra que consiste no ângulo de admissão. Em alguns livros ou sites pode-se encontrar a mesma fórmula sem o n0 no denominador. Isso pode ser feito se considerar o ar como o meio externo à fibra. A equação, portanto, é:

Lembrando: n1 é o índice de refração do núcleo e n2 é o índice de refração da casca. A abertura

numérica de uma fibra é um parâmetro muito utilizado para calcular sua capacidade de captar e transmitir a luz. Deve-se ressaltar que a abertura numérica e o ângulo de admissão não dependem do raio do núcleo.

Os modos de propagação são soluções espaço-temporais das equações de Maxwell para cada fibra, caracterizando configurações de campos elétricos e magnéticos que se repetem ao longo do cabo. Na prática, representam as diferentes possibilidades de propagação da luz pela fibra.

Propagação de luz na fibra óptica.

Os modos dependem do material, da geometria e do ângulo de incidência da luz na fibra. Existem

condições limitadoras aos modos de propagação, isto é, condições a partir das quais uma propagação não pode existir. O número de modos aceitáveis numa fibra são dados a partir de um parâmetro calculado com as características da fibra, o chamado número V ou frequência normalizada, dado por:

Tal que “a” é o raio da fibra óptica, AN é a Abertura Numérica e é o comprimento de onda que

está sendo introduzido na fibra. Importante notar que o número V depende do raio do núcleo da fibra e do comprimento de onda da luz transmitida. Existem valores de V para os quais um único modo pode existir numa fibra óptica (isso ocorre quando V < 2,405). Essa condição caracteriza as fibras ópticas monomodo, cujas aplicações são largamente exploradas, principalmente em aplicações onde uma capacidade de transmissão muito alta é requerida. Quanto maior o ângulo de admissão, maior é o diâmetro requerido para a fibra. Se o diâmetro for grande, a fibra pode admitir a entrada de vários raios luminosos e essas diferentes possibilidades de propagação pela fibra são denominadas modos. Cada modo é uma solução espaço-temporal das equações de Maxwell, que depende apenas do ângulo de incidência.

6.4 Tipos de Fibras Ópticas

De acordo com o número de modos, a fibra óptica pode ser classificada como monomodo ou multimodo. A espécie multimodo divide-se em duas subespécies: índice degrau (ou abrupto) e índice gradual.

124

Propagação de luz na fibra degrau e gradual.

Na fibra de índice degrau, o índice de refração do núcleo é uniforme e completamente diferente do

da casca. A refração, nesse caso, ocorre como ilustrado previamente, isto é, somente na interface entre o núcleo e a casca. Devido à disposição simples do perfil de índices e as suas dimensões relativamente grandes que facilitam sua conectividade e fabricação. Esse sistema é o mais econômico e o mais fácil de ser construído. Outra vantagem desse tipo de fibra é sua grande capacidade de captar energia luminosa, que advém da relativamente alta abertura numérica desse tipo de fibra, o que permite a utilização de emissores mais baratos. No entanto, os altos valores de abertura numérica trazem inconvenientes ao permitir que um elevado número de modos exista dentro da fibra. O número de modos elevado causa o fenômeno da dispersão modal, o que reduz significantemente a banda das fibras multimodo de índice degrau e obriga esse tipo de fibra a ser utilizado somente em pequenas distâncias.

Na fibra de índice gradual o núcleo não possui índice de refração constante, mas esse aumenta progressivamente do eixo central até as bordas. Dessa forma, ocorre uma refração gradual à medida que os raios se aproximam das bordas. Essa fibra foi projetada para adequar-se às aplicações em sistemas de telecomunicações. São menores que as fibras multimodo de índice degrau e possuem aberturas numéricas menores, que diminuem a quantidade de modos possíveis e aumentam a banda passante e a distância que essa banda pode atingir. Possui complexidade média de fabricação, mas que ainda mantém certa facilidade de conexão e tem uma capacidade de transmissão adequada às aplicações que se propõe, mas ainda não pode ser usada em longas distâncias.

Propagação de luz na fibra gradual.

Por fim, tem-se o tipo monomodo. Ele é caracterizado por um núcleo finíssimo (de apenas alguns

micrômetros) por onde há apenas um único caminho para a luz, ou seja, apenas um modo. Como as dimensões dos cabos são próximas aos comprimentos da luz incidente, a óptica geométrica não consegue explicar o que ocorre nas fibras monomodo, e, portanto, para os cálculos nesse tipo de fibra, deve-se tratar a luz como onda eletromagnética, e não mais como partícula. A casca mantém seu tamanho inalterado em relação a das fibras multimodo, pois ela precisa ser espessa o suficiente para suportar os campos eletromagnéticos do modo transmitido. A produção de fibras ópticas monomodo tem como fator limitante a dificuldade mecânica de fabricação de fios e acopladores para fibras tão finas, visto que não se deseja alterar os índices de refração das fibras nem o comprimento de onda da luz incidente.

Com essa técnica, anula-se a dispersão modal e obtém-se uma menor atenuação. Por outro lado, suas pequenas dimensões dificultam sua conectividade, que requer alta qualidade, elevando muito o custo do sistema. Por superar as capacidades de transmissão de fibras multimodos, esse tipo de fibra é utilizado

125

em comunicações de médias e longas distâncias, inclusive em comunicações intercontinentais, onde há elevada transmissão de dados.

6.5 Atenuações e Limitações das Fibras Ópticas

A atenuação é o motivo pelo qual a fibra óptica ganhou a importância que tem nas telecomunicações. Ela define a distância máxima (alcance) que um sistema de transmissão óptico pode ter entre emissor e receptor, e pode ser medida de acordo com a seguinte equação:

em que Pi é a potência na entrada, Po é a potência na saída e L é o comprimento da fibra. As

atenuações em fibras ópticas são causadas por absorção, espalhamento, curvatura e dispersão.

6.5.1 Absorção

Como nenhum material é perfeitamente transparente, sempre ocorre uma absorção parcial de luz quando essa é forçada a atravessar um meio (absorção intrínseca). Numa fibra, além da absorção do material que compõe seu núcleo, pode haver variações de densidade, imperfeições na fabricação (absorção por defeitos estruturais), impurezas (absorção extrínseca) e outros fatores que aumentam ainda mais as perdas por absorção. Diversas impurezas podem contaminar uma fibra. O principal motivo de atenuações em alguns tipos de fibra é a contaminação por íons metálicos, que pode gerar perdas superiores a 1 dB/km, mas que atualmente já é controlada através de tecnologias utilizadas na fabricação de semicondutores.

Há também a contaminação por íons hidroxila (OH -), causada por água dissolvida no vidro (também chamada de atenuação por pico de água, Water Peak Atenuation, WPA), que, por sua relevância nas tecnologias pioneiras de fibra óptica, definiram intervalos de frequências onde essa atenuação era mínima, as chamadas janelas ópticas ou janelas de transmissão. As janelas ópticas são as regiões onde não há picos de atenuação devido ao íon OH -. Embora o avanço tenha superado essa barreira, as janelas ópticas continuam a servir como referência para os sistemas ópticos, sendo cada uma delas associada a um tipo de aplicação específico. Existem 3 janelas ópticas, ao redor de 850nm, 1300nm e 1550nm, sendo que a última foi subdividida em duas menores (Banda C e Banda L) visando o melhor aproveitamento dessa região de baixas atenuações. A primeira é utilizada para sistemas a curta distância, de baixo custo e utilizando fontes e detectores simples. A segunda, por sua vez, permite enormes capacidades de transmissão, sendo utilizada geralmente pelas fibras comerciais. Finalmente, a terceira é utilizada por fibras de sílica, por constituir uma região de atenuação mínima para esse material. Nessa janela já se fabricam fibras monomodo de atenuações da ordem de 0,2 dB/km, o que já é praticamente o limite teórico para tal comprimento de onda.

Atenuação de fibras ópticas – janela de transmissão.

126

O avanço da tecnologia de fabricação das fibras monomodo, como já citado, eliminou a contaminação por íons de hidroxila, permitindo a utilização de um maior número de camadas, como demonstrado na figura abaixo.

Atenuação de fibras ópticas por comprimento de onda.

6.5.2 Espalhamento

Espalhamento é o fenômeno de transferência de potência de um dos modos guiados pela guia para si mesmo ou para outros modos. Há diversos tipos de espalhamentos, lineares e não lineares, mas não adentrarei neles. O principal é o espalhamento de Rayleigh, causado por variações aleatórias na densidade do material da fibra, advindas do processo de fabricação. Outros espalhamentos são causados por imperfeições na estrutura cilíndrica da fibra, vibrações moleculares térmicas e outros fatores, sempre causando perda na potência de luz transmitida.

6.5.3 Curvaturas

Quando a luz na fibra óptica encontra curvas, sejam elas macroscópicas (curva de uma fibra numa quina, por exemplo) ou microscópicas (pequenas ondulações na interface entre a casca e o núcleo), alguns raios de luz podem formar um ângulo inferior ao ângulo crítico e saírem da fibra, causando perda de potência.

Atenuação de fibras ópticas por curvaturas.

127

6.5.4 Dispersão

Na prática, a potência numa fibra óptica não está totalmente presa ao núcleo. Parte da potência pode passar pela casca da fibra óptica, de forma que passa a sofrer com as atenuações do material do qual a casca é composta (maiores que as do núcleo), o que pode diminuir a capacidade de transmissão da fibra. Além desses fatores, ainda há a dispersão, que é um fenômeno resultante da diferença de velocidades de propagação que causa o “espalhamento” de um sinal no tempo, o que limita a taxa de transmissão através

das fibras e colabora com sua atenuação. Como na fibra de índice degrau, o índice de refração do núcleo é constante, a velocidade de

propagação do feixe de luz também é constante e, assim, quanto maior a distância percorrida, maior o tempo gasto para se chegar ao outro extremo da fibra. Na fibra multimodo, cada um dos modos tem uma trajetória diferente, e, portanto, percorrem distâncias diferentes. Isso pode fazer com que as informações cheguem ao receptor em momentos distintos. Esse fenômeno é um dos aspectos de um tipo de distorção e atenuação no sinal de saída chamada de dispersão. Deve-se ressaltar que esse tipo de dispersão não ocorre apenas em fibras de índice gradual, mas também nas fibras de índice gradual. Nestas, no entanto, a variação gradual do índice de refração permite uma compensação da velocidade de propagação dos modos (raios) cujas trajetórias são mais longas. A dispersão torna-se mais grave conforme a taxa de envio aumenta, já que bits enviados em seguida, por estarem "espalhados". Sendo assim, há três tipos de dispersão:

Dispersão Modal ou Intermodal ® Ocorre nas fibras multimodo, tanto nas de índice gradual, quanto nas de índice degrau. Ressalta-se que nas últimas, sua atuação é mais significativa.

Dispersão Material ® A dispersão material e a dispersão do guia de onda compõem um tipo de dispersão chamado de dispersão intramodal ou dispersão cromática. A dispersão material caracteriza-se pelos diferentes atrasos causados pelos vários índices de refração, que variam não linearmente de acordo com os comprimentos de onda, causando a diferença de velocidades que caracteriza a dispersão.

Dispersão do Guia de Onda ® Este tipo de dispersão resulta da dependência do número V característico do guia de onda em relação a cada comprimento de onda da luz transmitida. Sabe-se que o atraso de um modo varia não linearmente com o número V.

No caso de fibras multimodo, as dispersões que mais influenciam são a dispersão modal e a dispersão material. Na fibra monomodo, por outro lado, pesam mais a dispersão material e a dispersão do guia de onda.

6.6 Vantagens e Desvantagens das Fibras Ópticas

Dentre as vantagens da fibra óptica destacam-se:

Alta banda passante ® Em cada uma das janelas ópticas, há aproximadamente 25 THz de capacidade potencial de banda. Isso dá uma banda total pelo menos 10000 vezes maior que sistemas de micro-ondas da primeira metade da década de 90, que tinham uma banda passante de 700 MHz. Também no início da década de 90, fibras ópticas comerciais já chegavam a 200 GHz.km, o que contrasta significantemente com a banda passante vezes distância útil máxima de 400Mhz.km de um cabo coaxial.

Atenuação reduzida ® As fibras ópticas apresentam perdas de transmissão extremamente baixas, desde atenuações da ordem de 3 a 5 dB/km na janela de 850 nm até perdas inferiores a 0,2 dB/km na janela de 1550 nm. Dessa forma, é possível implementar sistemas com um espaçamento muito grande entre os repetidores, o que reduz brutalmente os custos do sistema.

128

Imunidade à interferências eletromagnéticas e ruídos ® Por serem feitas de materiais dielétricos, as fibras ópticas não sofrem com interferências eletromagnéticas. Esse fato pode tornar-se vantajoso, pois as fibras são imunes a pulsos eletromagnéticos, descargas elétricas atmosféricas e imunes a interferências causadas por outros aparelhos elétricos.

Isolamento elétrico ® Quando uma fibra óptica se rompe, não há faíscas, riscos de curto-circuito e outras condições que podem constituir perigo, dependendo da aplicação a que se destinam.

Compacidade ® As fibras ópticas possuem dimensões próximas às de um fio de cabelo humano. Como comparação, observa-se que um cabo metálico de cobre de 94 quilos pode ser substituído por 3,6 quilos de fibra óptica. É possível chegar-se a uma densidade de cabos da ordem de 106 fibras por cm2. Essa redução de tamanho permite aliviar o problema de espaço no subsolo de cidades e em instalações prediais.

Segurança ® As fibras ópticas não irradiam quase nada da luz que propagam. A maior parte das tentativas de captação de mensagens do interior da fibra é detectável, pois tais tentativas exigem que seja desviada uma quantidade significativa da potência luminosa que corre no interior da fibra. Isso é uma característica que garante segurança à informação transportada. Um outro fato, mais importante nas aplicações militares, é que as fibras ópticas não são detectáveis por sensores, como detectores de metais, o que dificulta sabotagens aos sistemas de comunicação que utilizam fibras ópticas.

Baixo custo potencial ® As fibras são fabricadas a partir principalmente de quartzo e polímeros. O quartzo é um material abundante na Terra, ao contrário do cobre e dos demais metais utilizados nos outros cabos, o que o torna mais barato que o cobre. O que encarece os sistemas ópticos é o tratamento que esse quartzo precisa sofrer como forma de retirar impurezas das fibras e o custo dos emissores e receptores dos diferentes comprimentos de onda. Com o avanço da tecnologia, no entanto, esse custo tende a baixar.

Possibilidade de ampliação da banda sem modificação da infraestrutura ® Com a utilização da multiplexação por comprimento de onda, é possível aumentar a quantidade de banda passante sem a realização de obras estruturais, bastando apenas colocar multiplexadores e demultiplexadores nas pontas das fibras.

Como desvantagens, podem ser citadas:

Fragilidade das fibras ópticas ainda não encapsuladas ® As fibras ópticas “nuas” exigem um

manuseio muito mais cuidadoso do que o realizado com cabos metálicos.

Dificuldade para conexão ® O fato de as fibras ópticas serem pequenas e compactas geram problemas para o encaixe de conectores em suas pontas e eleva sensivelmente o custo, em especial para as fibras monomodo.

Dificuldade para ramificações ® As fibras ópticas são mais adequadas para conexões ponto-a-ponto, pois seus acopladores de tipo “T” sofrem com perdas muito elevadas.

Impossibilidade de alimentação remota ® Contrário ao que ocorre com cabos elétricos, nas fibras ópticas é impossível que ocorra a alimentação remota do repetidor através do próprio meio. O repetidor deve estar localizado num local tal que ele seja abastecido pela energia elétrica. Seria difícil abastecê-lo remotamente por conta da atenuação que a energia elétrica sofreria até chegar a ele.

129

6.7 Emissores e Receptores Ópticos

As fibras ópticas jamais teriam ganhado tal ênfase se não houvesse um desenvolvimento grande, em paralelo, das fontes luminosas (fotoemissores) e dos receptores luminosos (fotodetectores). Esses dispositivos são ambos feitos com materiais semicondutores, tendo suas características dadas por esses compostos. As fontes devem possuir potência de emissão luz que permita a transmissão por longos espaços, variar o mínimo possível com as condições do meio e tornar viável o acoplamento da luz na fibra, através das lentes convergentes ou de outros métodos.

Há dois tipos básicos de fontes luminosas: os diodos emissores de luz (LED – Light Emitting Diodes) e o diodo laser. A diferença é que nos LED's as recombinações são espontâneas, enquanto que no diodo laser, elas são estimuladas. Uma das técnicas para tal estimulação usada no diodo laser é colocar dois espelhos rigorosamente paralelos, de tal forma que ocorra interferência construtiva entre ondas sucessivamente construtivas até que a potência desejada seja atingida e o laser atravesse um dos espelhos.

Os LED's são mais simples, baratos e confiáveis, mas possuem espectro mais largo de luz gerada com uma emissão incoerente, pior eficiência de acoplamento de luz na fibra e limitações na velocidade de modulação. Por isso, os LED's são usados principalmente em sistemas de menor capacidade de transmissão, geralmente na primeira e segunda janelas ópticas. Os diodos laser, por sua vez, geram uma radiação mais coerente, com espectro mais estreito e feixe mais diretivo, com potências maiores. Seu custo, no entanto, é mais elevado que dos LED's.

A função dos fotodetectores é absorver a luz transmitida pela fibra e convertê-la em corrente elétrica para processamento do receptor. O ideal é que os fotodetectores tivessem o maior alcance possível, operando nos menores níveis possíveis de potência óptica, e convertendo-a em eletricidade com o mínimo de erros e de ruído. A conversão de luz em corrente é realizada utilizando a energia do fóton para retirar elétrons da camada de valência de um semicondutor (fotoionização), gerando portadores de carga e colocando-os em movimento, o que caracteriza a corrente. Há dois tipos básicos de fotodiodos, o fotodiodo PIN e o fotodiodo de avalanche (Avalanche photodiode). O primeiro é um fotodiodo (diodo receptor de luz) comum que tem entre suas regiões P e N, uma região não dopada, chamada de região intrínseca, cujo objetivo é manter o campo elétrico na região constante. O segundo, por sua vez, é próximo ao PIN, mas gera campos elétricos mais fortes o que o torna mais sensível que o p-i-n e, ao mesmo tempo, aumenta o ruído captado.

A eficiência de um receptor mede-se verificando a razão entre o sinal e o ruído. Isso ocorre porque a potência óptica que é recebida pode chegar a nanowatts, o que torna necessária a amplificação do sinal. Assim, a eficiência de um fotodetector depende de sua capacidade de amplificar o sinal, sem gerar ruído novo nem amplificar os que vêm misturados com o sinal. Os receptores luminosos estão sujeitos a diversos fatores de contaminação, dentre os quais a potência óptica de polarização, que pode ser tratada como uma radiação de fundo, e a corrente escura, que é a corrente gerada pela excitação térmica do receptor, sem que ele esteja recebendo luz, entre outros.

6.8 Aplicações das Fibras

6.8.1 Fiber Channel

Fiber Channel é a tecnologia da camada de enlace predominante de armazenamento em rede (Storage Area Networks – SANs) com interfaces que atingem velocidades acima de 100 Mbps. Ela surgiu como tecnologia substituinte dos discos SCSI (Small Computer System Interface) para backup, recuperação de dados e espelhamento (mirroring), graças ao seu menor custo e a sua capacidade de cobrir maiores distâncias. O Fiber Channel pode ser carregado diretamente sobre a camada óptica utilizando-se o DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing – Multiplexação Densa por Comprimento de Onda).

Além disso, a tecnologia Gigabit Ethernet é um marco na história das redes locais (LANs), pois foi o primeiro sistema no qual a implementação com mídia óptica foi mais barata do que em mídia elétrica. Gigabit Ethernet é o Ethernet padrão projetado para atingir escalas de outra ordem de magnitude, chegando à taxas de transferência de 1Gbps. Por conta da capacidade da fibra de cobrir longas distâncias sem repetidores, utilizando-se o DWDM, o Gigabit Ethernet pode ser expandido para longas distâncias com grandes taxas.

130

6.8.2 Rede Telefônica

A fibra óptica, desenvolvendo sistemas de alta capacidade, era utilizada no Sistema Tronco de Telefonia, interligando centrais de tráfego interurbano, que podiam ter desde algumas dezenas e centenas de quilômetros. Elas traziam vantagens em tais projetos, pois devido à capacidade de percorrer grandes distâncias sem a necessidade de repetidores e à grande capacidade de transmissão de banda, reduziam significantemente os custos em relação aos demais cabos e materiais utilizados para os mesmos fins.

Além disso, a rede em fibra óptica é utilizada na interligação de centrais telefônicas urbanas. Essas centrais não envolvem longas distâncias, mas as fibras ópticas entram como forte opção, pois as redes subterrâneas estão geralmente congestionadas e porque sua grande banda passante é capaz de atender uma demanda crescente, representada pelo crescimento do número de usuários da rede.

6.8.3 Rede Digital de Serviços Integrados

As fibras ópticas são capazes de suportar os novos serviços de transmissão oferecidos pela rede digital de serviços integrados, graças sua grande capacidade de transmissão. As fibras ainda não dominaram totalmente tal aplicação por conta de seu custo ainda alto, e por conta da dificuldade de realização de interfaces ópticas adequadas aos aparelhos telefônicos.

6.8.4 Cabos Submarinos

Os cabos submarinos são parte integrante da rede internacional de telecomunicações, e é mais um exemplo no qual as fibras ópticas obtiveram sucesso. Os cabos convencionais utilizam cabos coaxiais de alta qualidade, com grande diâmetro para diminuir a atenuação, mas requerem repetidores separados por distâncias de 5 a 10km. Com as fibras ópticas, essa distância entre repetidores pode ser aumentada para mais de 100km, além de oferecer outras vantagens já conhecidas como a alta banda passante e facilidades operacionais devido a suas pequenas dimensões. O primeiro cabo óptico submarino transatlântico, o TAT-8, entrou em operação em 1988, e elevou para 20000 circuitos de voz a capacidade de tráfego entre EUA e Europa devido a sua grande capacidade de transmissão e à tecnologia DWDM. Desde então, foram instalados muitos outros cabos, criando uma forte rede de comunicações que interligam todos os cinco continentes, tendo cada cabo capacidade de transmissão da ordem de 1Tbps. Os cabos são utilizados para diferentes tarefas, como transmissão de dados, telefonia, televisão e outros.

Ativação de cabos marítimos transatlânticos.

6.8.5 Sensores

As fibras ópticas são utilizadas em sistemas sensores ou de instrumentação sejam em aplicações industriais, médicas, automóveis e até militares. A ideia de utilizar a fibra óptica em tais ambientes vale-se de suas pequenas dimensões e da sua resistência a ambientes hostis.

Na indústria, as fibras ópticas são utilizadas principalmente em sistemas de telemetria, graças à resistência da fibra a diferentes condições de temperatura, pressão, e outros, e supervisão de controle de processos. Na área médica há um vasto número de aplicações, destacando-se o primitivo Fiberscope, a

131

primeira aplicação prática na qual uma fibra óptica foi utilizada. Em tais aplicações, o objetivo é observar e iluminar o interior do corpo humano. Hoje em dia, há, além dos aparelhos de imagens, sensores de temperatura, pressão, pH, e de vazão sanguínea. A área médica ainda conta com as redes de comunicações locais ou redes de distribuição de recursos, que realizam teleconferências, e outras transferências de dados em alta velocidade. Na automobilística, as aplicações das fibras vão desde o controle do motor e da transmissão até os acessórios secundários (controle de janelas e portas, aquecimento e refrigeração de ar, entre outros. As vantagens da fibra de ser imune à interferências, ter dimensões pequenas e isolamento elétrico, auxiliaram para que ela conquistasse mais esse tipo de aplicações.

Amplificador digital de fibra óptica.

7 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO DA TELEVISÃO

Denomina-se televisão ao sistema que permite a visualização de imagens e som à distância em tempo real. O televisor é o dispositivo que permite a reprodução dos conteúdos com imagem e som que muitas vezes chamamos, erradamente, televisão.

Inicialmente tinha como meio de difusão as ondas eletromagnéticas. Atualmente, os programas e conteúdos são difundidos através de diversas tecnologias, transmissão por cabo, através da rede elétrica, fibra ótica ou por tecnologias de envio de dados (TCP/IP). A televisão tem um funcionamento técnico diferente para cada um dos Standards TV atualmente utilizados. Os Sistemas PAL, NTSC e SECAM são os sistemas usados globalmente, em que alguns desses sistemas têm sofrido diversas adaptações e derivações locais.

Atualmente, os standards usados durante dezenas de anos na difusão e recepção de televisão analógica, são substituídos pelos novos standards de televisão digital, DVB-T, ATCS, ISBD, DBMT/ADBT.

7.1 Estrutura Técnica

O TV (Televisor) analógico tem diversas etapas que possibilitam a reprodução, como resultado do seu funcionamento, de imagem e de som enviados pela estação emissora. As diversas etapas podem ser verificadas, reparadas através dos Esquemas de Televisores, onde estão inseridos os blocos básicos de cada uma das etapas. Algumas etapas são diferentes dos televisores com tecnologia LCD.

132

Diagrama de blocos do funcionamento do TV.

Os níveis de tensão dos diferentes pinos de um CRT (Cinescópio ou Tubo de Raios Catódicos) de um

televisor a cores, funcionando em condições normais, são exemplificativos, podendo variar do desenho de cada chassis, marca e modelo, mas são muito próximas dos valores apresentados. O TRC na presença de circuitos de fontes magnéticas externas pode sofrer magnetização da máscara. O funcionamento normal vai reduzindo a capacidade do cinescópio de reproduzir uma imagem correta (em alguns casos pode-se utilizar um rejuvenescedor cinescópios). Os cinescópios são substituídos por écrans (telas) com tecnologia LCD.

Os filamentos necessitam de uma tensão de 6 a 12 V de corrente alternada, em que, normalmente, essa tensão sai de um pino do transformador de linhas. Nos televisores a cores, têm-se três filamentos, uma para cada cor, onde a tensão é igual para cada uma das cores. Essa tensão chega a partir do transformador de linhas através de uma resistência de baixo valor (0,33 – 6 Ohm).

Os circuitos de imagem têm como função processar os sinais responsáveis pela imagem, cor e som. Nos modelos mais antigos, o processamento encontrava-se dentro de três ou quatro CIs. Já nos TVs atuais, a composição está em um único CI multifuncional.

Esquema técnico de processamento de som, imagem e cor.

133

O Tuner encontra-se numa caixa blindada. Esse equipamento recebe o sinal das emissões na antena em radiofrequência, seleciona um canal e transforma em sinais de frequência intermédia (FI). Logo após, um circuito de transistores amplifica o sinal do seletor para o filtro SAW. Esse filtro SAW (Surface Acoustic

Wave – Onda Acústica Superficial) é um filtro de cinco terminais, podendo ser redondo metálico ou retangular de epóxi. Deixa passar os sinais de FI e bloqueia as interferências vindas do seletor. A etapa FI está no CI e amplifica os sinais de FI do seletor. O detector de vídeo recebe o sinal de FI e extrai sinal de luminância (Y), sinal de croma e sinal de som. O trap e filtro de som são normalmente dois filtros de cerâmica para separar o som do resto do sinal. O trap de som é um filtro cerâmico ligado em paralelo com uma bobina. Fica no caminho do vídeo separando o sinal de som, evitando que este vá para o tubo e interfira na imagem. O filtro de som é um filtro cerâmico sem bobina na entrada do circuito de som. Separa o sinal para os circuitos de som do TV. O distribuidor de vídeo recebe os sinais de luminância e croma e o distribui para os respectivos circuitos. Esse transistor não é usado por todos os TVs. Após o distribuidor, o sinal Y é separado do sinal de cor. A separação pode ser feita externamente ao CI multifuncional ou através de bobines e condensadores ou então dentro do próprio CI. O circuito de luminância (Y) amplifica o sinal Y e o envia para a matriz com as cores. No circuito Y encontra-se a DL (linha de retardo ou atraso) que impede a chegada deste sinal à matriz antes das cores. A DL de luminância pode ser externa ou interna ao CI. Se for externa é uma bobina de três terminais, com o terminal do meio no GND, e encapsulada com cerâmica. O circuito de cor têm basicamente quatro funções: amplificar os sinais de cor (vermelho R-Y e azul B-Y); separar esses dois sinais de cor; demodular os sinais de cor; obter o sinal do verde G-Y. Do circuito de cor saem três sinais: R-Y (vermelho), G-Y (verde) e B-Y (azul). Além disso, a matriz mistura cada uma das cores com a luminância, resultando novamente nos sinais RGB que serão amplificados pelas saídas e aplicados nos catodos do cinescópio para produzirem imagem. A matriz pode ser feita dentro CI (TVs modernos) ou nas próprias saídas RGB (TVs antigos). Nesse caso, a luminância entra nos emissores e as cores nas bases dos transistores.

7.2 Transmissor e Receptor de TV Digital

A Televisão digital, ou TV digital, usa um modo de modulação e compressão digital para enviar vídeo, áudio e sinais de dados aos aparelhos compatíveis com a tecnologia, proporcionando assim transmissão e recepção de maior quantidade de conteúdo por uma mesma frequência (canal) podendo obter imagem de alta qualidade (alta definição). O padrão em operação comercial transporta cerca de 20 Mbps. Em termos práticos, isto é o equivalente a três programas em alta definição, que ocupam 6 Mbps cada, ou sete programas em definição padrão, que consomem em média 2,8 Mbps cada.

Os circuitos do transmissor têm a função de converter a informação que se deseja levar da emissora até os telespectadores em sinais de características possíveis de usar o espaço livre como meio de transporte. Para isso, o conteúdo da informação é convertido em um sinal que se possa propagar pelo ar sem dificuldade. Decide-se enquadrar a transmissão de sinais de TV Digital nas mesmas condições já existentes para TV analógica, com largura de banda de cada canal igual a 6MHz. Embora não existam diferenças fundamentais entre os transmissores para TV analógicos e digitais, a maior mudança está no processo de modulação e demodulação.

Os sinais de TV se propagando no espaço livre estão sujeitos a várias formas de degradação motivadas por interferências, tais como o ruído impulsivo gerado por motores elétricos, e ruído de ignição de automóveis, por sinais provenientes de multipercurso devido a reflexões em obstáculos e por interferência de canais adjacentes. Nos televisores digitais, esses efeitos são percebidos como artefatos (minúsculos quadrados) que se espalham na tela. No desenvolvimento da TV Digital se procurou minimizar esses efeitos com o uso de modulação mais robusta com aplicação de recursos como distribuição aleatória dos bits, corretor de erros, embaralhamento do conteúdo dos dados e outros. A figura seguinte mostra a estrutura básica de um transmissor de TV Digital.

134

Diagrama do transmissor digital.

O sinal de vídeo de alta definição (HDTV) digitalizado tem uma taxa de bits muito elevada (da

ordem de 1Gbps), incompatível com o meio de transmissão via ar para o qual está reservada a limitada largura de banda de 6MHz. Portanto, esse sinal passa por um processo de compressão usando métodos tais como o MPEG2 (Moving Picture Expert Group). O som também é digitalizado e comprimido por algoritmo próprio. Todos esses sinais já comprimidos (vídeo, som e dados) são multiplexados pelo circuito multiplexador, como pode ser visto na figura anterior. A taxa de bits na saída do multiplexador depende das características de cada sistema. Assim o sinal de modulação 8VSB (8 Vestigial Side Band) empregado no sistema ATSC usa a taxa fixa de 19,39 Mbps, enquanto os sistemas que usam a modulação COFDM têm taxas variáveis conforme a configuração de transmissão escolhida.

Os sinais digitais são muito mais sensíveis aos problemas de distorção não lineares comparados com os sinais analógicos, de forma que os filtros e os amplificadores devem operar na região linear, longe do ponto de saturação. Como foi dito antes, cada padrão de TV Digital trata os problemas de degradação provocada por ruídos e interferências de maneira diferente, e isso é conseguido principalmente com diferentes métodos de processamento do sinal no circuito modulador.

O amplificador de FI na frequência de 44MHz, conectado à saída do modulador, é dotado de um filtro passa faixa de 6MHz de largura de banda, cujo objetivo é eliminar as frequências indesejáveis geradas no processo de modulação. O amplificador possui também um controle automático de ganho para garantir um nível estável na entrada do circuito misturador. O circuito Up converter, mostrado na figura a seguir, tem a função de transladar a frequência de FI (41~47 MHz) para frequência final de transmissão por meio de conversão de frequência. Geralmente é constituído de um misturador com um diodo de alto grau de

não linearidade, o qual recebe o sinal de FI wi e frequência do oscilador local wo, e gera como principais produtos os componentes da equação seguinte:

x(t)cos wi t . cos wo t = 1/2 x(t) cos(wo + wi )t + 1/2 x(t) cos(wo - wi )t

Esse produto contém as componentes soma [wo + wi] e diferença [wo - wi], cada uma modulada por x(t). Essa multiplicação provoca a translação do espectro original para o entorno de duas novas portadoras diferentes: (fi + fo) e (fo - fi). Usando uma filtragem adequada, o sinal é convertido à portadora superior ou à portadora inferior, conforme é ilustrado na figura seguinte.

Representação do circuito Up Converter.

135

O oscilador local que irá gerar a frequência de RF é deslocado da frequência para baixo ou para cima com um valor igual ao da frequência central de FI (44MHz). Na TV Digital o filtro deve ter largura de banda de 6MHz e ser o mais linear possível para evitar introduzir distorção no sinal gerado. O circuito excitador pré amplifica o sinal de radiofrequência a um nível adequado para alimentar o amplificador de potência. Normalmente é dotado de filtro de RF para evitar enviar ao estágio final os produtos indesejáveis gerados no circuito anterior. O estágio de potência tem a finalidade de elevar o sinal ao nível necessário para o transmissor ter potência capaz de cobrir determinada área desejada. Pode variar desde a potência de 100W até dezenas de KW. Pela tecnologia atual de semicondutor, é possível obter potência de até 10KW em estado sólido utilizando o processo de combinação de vários circuitos em paralelo. Para potências maiores, ainda são usadas válvulas de emissão iônica. A linearidade desse último circuito é também muito importante para garantir a qualidade do sinal transmitido. Cuidados especiais são necessários com relação a perfeito casamento de impedância entre esse estágio e a antena, pois a reflexão pode causar degradação por distorção de fase e amplitude do sinal transmitido.

Já os receptores exercem a função inversa do transmissor, portanto os seus circuitos executam o processo exatamente inverso do que ocorre no transmissor. O grande desafio que os projetistas de receptores enfrentam é conseguir desenvolver um equipamento que atenda as características técnicas para uma boa recepção e, ao mesmo tempo, ser um produto de baixo custo. Isso porque, enquanto na transmissão é necessário um só aparelho por estação (portanto o custo é um parâmetro menos importante), do lado da recepção são necessários milhares de unidades e ainda ser acessível à maioria da população. Grande ajuda nesse sentido está sendo proporcionada pela evolução tecnológica constante na área de semicondutores, principalmente no desenvolvimento de chips o qual possibilita executar tarefas complexas em um único dispositivo. A figura a seguir ilustra os principais componentes de um receptor.

Diagrama do receptor de TV digital.

Como o nível de sinal recebido pela antena é extremamente baixo, da ordem de 30μV, é necessário

submetê-lo a um estágio de amplificação com baixo ruído térmico. Então, numa primeira etapa, o sinal depois de ser amplificado, da ordem de 30dB, vai para o circuito sintonizador de canal que seleciona o canal de interesse. A seguir o sinal passa por um circuito Down converter e por um filtro que tem a finalidade de efetuar a translação para a frequência mais baixa, passando pelo processo inverso ao que foi efetuado no circuito Up converter da transmissão. A frequência de FI assim obtida vai para os estágios de filtragem de canal, amplificação e demodulação. O demodulador executa as funções exatamente inversas as que ocorreram no modulador. Como o sinal recebido pela antena, dependendo da distância, frequência e condições de propagação, pode variar desde alguns μV até vários mV, esse circuito tem embutido um

dispositivo de controle automático de ganho (CAG) com faixa dinâmica da ordem de 50dB, o que possibilita a entrega ao circuito demodulador de um nível de sinal estável e constante independentemente do sinal de entrada. A seleção do canal desejado depende unicamente da frequência do oscilador local do Down

converter. Essa mudança de frequência do oscilador é conseguida alterando-se a tensão de controle do diodo varicap existente dentro do circuito. O sinal demodulado, antes de ir para o display passa pelo processo de descompressão do sinal MPEG2.