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Computação Móvel:Teoria da Informação e Modulação

Mauro Nacif RochaDPI/UFV

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Teoria da InformaçãoConceitos Básicos

Transmissão:

Informação+

Sinais+

Meios Físicos

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Sinais Analógico

Variação contínua Fontes naturais e

artificiais (sonoras eeletromagnéticas)

Digital Variação discreta Fontes artificiais

(computadores)

Informação digitalou analógica

Sinal digitalou analógico

4

Sinal Analógico

3

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Ondas Geradas a partir da movimentação de carga

elétrica.

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Ondas Transmissão Recepção

4

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Antenas

8

Antenas

Fonte: Wikipedia

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Antenas

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Ondas - Espectro

6

11

Ondas - Espectro

Nome da frequência Frequências Comprimento de onda

low frequency (LF) 10-300 kHz 30-1 km

medium frequency (MF) 300-3000kHz 1000-100m

high frequency (HF) 3-30 MHz 100-10m

very high frequency (VHF) 30-300MHz 10-1m

ultra high frequency (UHF) 300-3000MHz 100-10cm

super high frequency (SHF) 3-30GHz 10-1cm

extremely high frequency (EHF) 30-300GHz 10-1mm

Acima disso encontramos infravermelho, luz visível,ultravioleta, raios-x, raios gamma e cósmicos

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Sinal Analógico Comprimento de onda – distância de

propagação de 1 ciclo. = c/f, onde c = velocidade da onda

Período T - tempo de um ciclo completo T = 1/f ou f = 1/T = c/f ou = cT c = 346m/s (som)

c 3×108 m/s ou 300.000 km/s (luz)

7

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Ondas Algumas bandas são nocivas Ouvido humano – banda de 20 Hz a 20 kHz Voz humana – banda 200 a 5000 Hz Sinal de voz – banda de 300 a 3400 Hz Transmissões de rádio: 30 kHz a 300 GHz

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Sinais Analógicos Sinal de rádio é uma onda de energia No vácuo, velocidade de 297000 km/s Tipos de ondas:

Terrestres ou de superfície Ondas espaciais trafegam em linha reta Ondas celestiais usam ionosfera Ondas de satélite Sistemas de microondas

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Ondas Ondas espaciais: transmissões de TV, faixa

de VHF a SHF Ondas celestiais: faixa HF, e usadas para

transmissões de rádio e telefonia de longadistância

Microondas exploram o espectro de UHF eSHF provendo uma ampla banda, pequenoscomprimentos de onda e antenas menores

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Ondas celestiais

9

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Ondas – meio de propagação

Ondas – propagação

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O sinal de rádio pode chegar muito distorcido aoreceptor Reflexão (objetos maiores que ) Difração (bending, shadow fading) Espalhamento (scattering – objetos menores que ) Refração (mudança no sentido e velocidade da onda) Dispersão (e.g. luz no prisma) Interferência

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Ondas – propagação

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Reflexão (objetos maiores que ) Difração (bending, shadow fading) Espalhamento (scattering – objetos menores que )

Ondas – propagação

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Refração (mudança no sentido e velocidade da onda)

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Ondas – propagação

21

Dispersão

Ondas – propagação

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Interferência (difração, reflexão etc.)

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23

Ondas – propagação

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Distorção de Sinais – Ruídos

13

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Ondas - Propagação A densidade de potência incidente num ponto remoto pode ser

calculado como:

onde Pr é a potência recebida em watts/m², Pt é a potência transmitidaem watts e r a distância em metros

Por causa das grandes diferenças em densidade de potência sobre longasdistâncias de propagação, particularmente nas bandas de microondas, éusual medir a densidade de potência em decibéis (dB) relativos a 1 watti.e., dBW ou 1 miliwatt i.e., 1 dBm

Em freqüências abaixo da faixa de microondas, a intensidade do campoem volts/m é a unidade mais usual do que densidade de potência, emparte porque V/m tem sido usado historicamente para medir aintensidade do sinal e também porque o efeito de aquecimento térmicoda absorção de potência é mais fácil de ser usado no caso dasmicroondas

24 rPtPr

26

Desvanecimento (Multipath Fading)

14

27

Desvanecimento (Multipath Fading)

O sinal recebido s(t) é o produto do desvanecimento de grande escalam(t) e de pequena escala r(t), portanto s(t) = m(t)r(t)

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Decibel Ganho (dB) = gdB = 10 log10 g =

10 log10(Pout/Pin) Pout = Ping = 1gdB = 0 dB

p = 0 dB Pout = 10 Ping = 10gdB = 10 dB

p = 10 dB

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Banda Banda - intervalo entre duas freqüências Largura de Banda

Diferença entre a maior e a menor freqüência Qualidade de voz - 300 Hz a 3400 Hz

» Banda = 3400 - 300 = 3100 Hz

30

Banda

16

31

Banda Passante Banda Passante do Meio (BPM): faixa de

freqüências praticamente preservada pelomeio

Banda Passante Necessária de um Sinal: Largura mínima necessária na BPM para

garantir uma qualidade mínima no recebimentodo sinal (analógico ou digital)

Qualidade de voz - 3100 Hz» Maior Banda - Melhor recepção do sinal

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Lei de Shannon Capacidade Máxima de um Canal com

Ruído Térmico Capacidade máxima = B log2(1 + S/R)

B – banda em HzS/R – Sinal/Ruído

Ex.:B = 3000 Hz; S/R = 1000 (30dB)Capacidade 30 kbpsB = 20 MHz; S/R = 4 (6dB)Capacidade 46 Mbps

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Equação de Friis (H. T. Friis) Relação entre potência transmitida e recebida Espaço livre, sem obstruções, com as duas antenas

alinhadas e polarizadas, e impedâncias casadas

2

4r

t rt

P G GP R

Pr – potência recebidaPt – potência transmitida

Gr – ganho da antena de recepçãoGt – ganho da antena de transmissão

– comprimento de ondaR – distância entre Tx e Rx

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Efeito Doppler Variação do sinal pelo deslocamento da unidade

móvel. ft = freqüência transmitida (= c/).

vr = velocidade relativa do transmissor emrelação ao receptor.

f = aumento da freqüência observada.

λt r rf v vfc

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Modulação Modulação Digital

dados transformados em sinal analógico ASK, FSK, PSK diferenças em eficiência espectral, de consumo de potência e robustez

Modulação Analógica deslocar freqüência do sinal para uma portadora

Motivação antenas menores (e.g., /4) Multiplexação por Divisão de Freqüência características do meio (e.g. tx rate, interferências, propagação) regulamentação

Esquemas básicos Amplitude Modulation (AM) Frequency Modulation (FM) Phase Modulation (PM)

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Modulação – AM, FM e PM

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Modulação Digital Amplitude Shift Keying (ASK):

muito simples ocupa pouca banda muito susceptível a interferências

Frequency Shift Keying (FSK): requer mais banda

Phase Shift Keying (PSK): mais complexo robustez contra interferências

1 0 1

t

1 0 1

t

1 0 1

t

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PSK Advançado BPSK (Binary Phase Shift Keying):

bit 0: senóide bit 1: senóide invertida baixa eficiência espectral muito robusta

QPSK (Quadrature Phase ShiftKeying): 2 bits codificados em cada símbolo símbolo determina deslocamento da

senóide necessita menos banda comparado ao

BPSK mais complexo

DQPSK - Differential QPSK (IS-136, PHS)

11 10 00 01

Q

I01

Q

I

11

01

10

00

A

t

20

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Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Amplitude Modulation (QAM): combina modulação por

amplitude e fase codificar n bits por símbolo 2n níveis discretos, n=2 idêntico ao QPSK bit error cresce com n, mas relativamente menos erros comparado aos

outros esquemas PSK

Exemplo: 16-QAM (4 bits = 1 símbolo) used in standard 9600 bit/s modems

0000

0001

0011

1000

Q

I

0010

φ

a

45

Modulação Hierárquica BPSK QPSK 8 QAM 16 QAM

32 QAM 64 QAM

Q

I

00

10

000010 010101