Baixe Apostila de Telecomunicação e outras Slides em PDF para Análise de Sistemas de Engenharia, somente na Docsity! ESCOLA TÉCNICA E CAPACITAÇÃO ro TELECOMUNICAÇÃO 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- 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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). 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. 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. 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.