Transmissão de rádio terrestre e por satélite

Transmissão de rádioterrestre e por satélite

Lael NervisMárcio Bortolini dos Santos

O espectro eletromagnético

● Os canais de rádio carregam sinais dentro do espectro eletromagnético.

● O espectro (ou espetro) eletromagnético é o intervalo completo da radiação eletromagnética.

● Contém desde as ondas de rádio, as microondas, o infravermelho, a luz visível, os raios ultravioleta, os raios X, até aos radiação gama.



● No estudo da Física, o eletromagnetismo é o nome da teoria unificada desenvolvida por James Maxwell para explicar a relação entre a eletricidade e o magnetismo.

● Esta teoria baseia-se no conceito de campo eletromagnético.


O que é o campo eletromagnético?

● A variação do fluxo magnético resulta em um campo elétrico (fenômeno conhecido por indução eletromagnética, mecanismo utilizado em geradores elétricos, motores e transformadores de tensão).

● A variação de um campo elétrico gera um campo magnético.

● Devido a essa interdependência entre campo elétrico e campo magnético, faz sentido falar em uma única entidade chamada campo eletromagnético.

Onda eletromagnética

● Quando se movem, os elétrons criam ondas eletromagnéticas que podem se propagar pelo espaço livre (até mesmo no vácuo).

● Essas ondas foram previstas por Maxwell em 1865 e foram observadas pela primeira vez pelo físico alemão Heinrich Hertz em 1887.


● O número de oscilações por segundo de uma onda eletromagnética é chamado frequência e é medida em Hz.

● A distância entre dois pontos máximos (ou mínimos) consecutivos é chamada comprimento de onda, designado universalmente pela letra grega λ (lambda) .



● Quando se instala uma antena com o tamanho apropriado em um circuito elétrico, as ondas eletromagnéticas podem ser transmitidas e recebidas com eficiência por um receptor localizado a uma distância bastante razoável.

● Toda a comunicação sem fios é baseada nesse princípio.

● No vácuo, todas as ondas eletromagnéticas viajam à mesma velocidade, independente de sua frequência.

● Essa velocidade, c, é aproximadamente igual a 300 000 Km/s.

● No cobre ou na fibra, cai para cerca de 2/3 desse valor e se torna ligeiramente dependente da frequência.

● A velocidade da luz é o limite máximo que se pode alcançar.


● Ondas de 100 MHz têm cerca de 3 m de comprimento.

● Ondas de 1000 MHz têm 0,3 metros.

● Ondas com 0,1 metro têm uma frequência igual a 3000 MHz.


O espectro eletromagnético e a maneira como ele é usado na comunicação

Largura de banda

● O volume de informações que uma onda eletromagnética é capaz de transportar está diretamente relacionado à sua largura de banda.

● Com a tecnologia atual, é possível codificar alguns bits por Hertz em frequências baixas.

● Comumente esse número pode chegar a 8 em altas frequências.

● Quanto mais larga a banda, mais alta a taxa de dados.

Características das ondas de rádio

● São fáceis de gerar.

● Percorrem longas distâncias.

● Penetram facilmente em prédios.

● São omnidirecionais.

Propriedades das ondas de rádio

● Dependem da frequência.

● Em baixas frequências, atravessam os obstáculos, mas a potência cai abruptamente à medida que a distância da fonte aumenta, cerca de 1/r2 no ar.

● Em altas frequências, tendem a viajar em linha reta e a ricochetear nos obstáculos. Elas também são absorvidas pela chuva.

● Em todas as frequências, estão sujeitas à interferência de motores e outros equipamentos elétricos.

Ondas de rádio VLF, LF, MF

● Se propagam perto do solo.

● Podem ser detectadas dentro de um raio de mil quilômetros nas frequências mais baixas.

● Nas frequências mais altas, esse raio de ação é bem menor.

● Atravessam com facilidade os prédios.

● Baixa largura de banda.

Ondas de rádio VLF, LF, MF

Ondas de rádio HF, VHF

● Se propagam ao longo do solo.

● Tendem a ser absorvidas pela terra.

● Quando alcançam a ionosfera, uma camada de partículas carregadas situadas em torno da Terra a uma altura de 100 a 500 km, são refratadas por ela e enviadas de volta à Terra.

Ondas de rádio HF, VHF

Transmissão de micro-ondas

● Acima de 100 MHz, as ondas trafegam praticamente em linha reta e, portanto, podem ser concentradas em uma faixa estreita.

● A concentração de toda a energia em um pequeno feixe através de uma antena parabólica oferece uma relação sinal/ruído muito mais alta.

● As antenas de transmissão e recepção devem estar alinhadas com o máximo de precisão.

● Permite o alinhamento de vários transmissores em uma única fileira.


● Se as torres estiverem muito afastadas, a Terra acabará ficando entre elas.

● É preciso instalar repetidores a intervalos periódicos.

● Quanto mais altas são as torres, mais distantes elas podem estar umas das outras.

● Ao contrário das ondas de rádio nas frequências mais baixas, as micro-ondas não atravessam muito bem as paredes dos edifícios.


● Algumas ondas podem ser refratadas nas camadas atmosféricas mais baixas e, consequentemente, sua chegada pode ser mais demorada que a das ondas diretas.

● As ondas retardadas podem chegar fora de fase em relação à onda direta, e assim cancelar o sinal. (esmaecimento de vários caminhos ou multipath fading)

● O uso de micro-ondas é relativamente econômico.

Infravermelho e milimétricas

● São extensamente utilizadas na comunicação de curto alcance.

● Eles são relativamente direcionais, econômicos e fáceis de montar.

● Não atravessam objetos sólidos.

● Não é necessária nenhuma licença do governo para operar um sistema de infravermelho.

● Uso limitado em escritórios para conectar notebooks e impressoras.

Satélites de comunicação

● Na década de 1950 e no início dos anos 60, as pessoas tentavam configurar sistemas de comunicações emitindo sinais que se refletiam em balões meteorológicos metalizados.

● Em seguida, a Marinha dos Estados Unidos detectou uma espécie de balão meteorológico que ficava permanentemente no céu.


● O progresso no campo da comunicação celeste precisou esperar até que o primeiro satélite de comunicações fosse lançado.

● A principal diferença entre um satélite artificial e um real é que o artificial amplifica os sinais antes de enviá-los de volta.


● Em sua forma mais simples, um satélite de comunicações pode ser considerado um grande repetidor de micro-ondas no céu.

● Contém diversos transponders, cada um deles ouve uma parte do espectro, amplifica os sinais de entrada e os transmite novamente em outra frequência.

● Cada transponder possui uma frequência de operação própria tanto para receber, como para transmitir os seus sinais para as estações terrestres.

● A expressão para definir esta frequência está baseada no sentido de que a informação circula.


● Sistemas de recepção e transmissão são integrados não implica que todos tenham que utilizar frequências idênticas.

● Os feixes descendentes podem ser largos, cobrindo uma fração substancial da superfície terrestre, ou estreitos, cobrindo uma área com apenas centenas de quilômetros de diâmetro.

Posicionamento

● De acordo com a lei de Kepler, o período orbital de um satélite varia de acordo com o raio da órbita elevado à potência 3/2.

● Quanto mais alto o satélite, mais longo o período.

● Perto da superfície da Terra, o período é de cerca de 90 minutos.

● A uma altitude de aproximadamente 35.800 km, o período é de 24 horas.

● Na altitude de 384.000 km, o período é de cerca de um mês.

Posicionamento

● Outra questão é a presença dos cinturões de Van Allen.

● Camadas de partículas altamente carregadas que são capturadas pelo campo magnético terrestre.

● Esses fatores nos levam a identificar três regiões nas quais os satélites podem ser posicionados com segurança.

Posicionamento

Posicionamento

Satélites que orbitam cada umadessas regiões

Satélites geoestacionários

● Em 1945, o escritor de ficção científica Arthur C. Clarke calculou que um satélite na altitude de 35.800 km em órbita circular equatorial pareceria permanecer imóvel no céu, e assim não precisaria ser rastreado.

● Com a tecnologia atual, não é muito inteligente ter satélites geoestacionários com espaçamento muito menor que 2 graus entre eles no plano equatorial de 360 graus, a fim de evitar interferência.

● Ou seja só pode haver 360/2 = 180 desses satélites no céu ao mesmo tempo.


● Podem ser bastante grandes, pesando até 4000 kg.

● Consumem vários quilowatts de energia elétrica produzida pelos painéis solares.

● Os efeitos da gravidade solar, lunar e planetária tendem a movê-los para fora de seus slots de órbita e de suas orientações, um efeito compensado por motores de foguetes a bordo.

● Combustível para os motores se esgota, em geral no período de 10 anos, o satélite fica sem controle, e portanto tem de ser desativado.

● Eventualmente, a órbita decai e o satélite entra de novo na atmosfera e é queimado ou, às vezes, colide com a Terra.


● Os primeiros satélites geoestacionários tinham um único feixe espacial que iluminava cerca de 1/3 da superfície da Terra, denominado sua área de cobertura (footprint).

● Cada satélite é equipado com diversas antenas e vários transponders.

● Um satélite moderno tem cerca de 40 transponders, cada um com uma largura de banda de 80Mhz.

● Cada feixe descendente pode ser focalizado em uma pequena área geográfica.

● Em geral, esses feixes pontuais têm forma elíptica e podem ter apenas algumas centenas de quilômetros de diâmetro.


● Embora os sinais enviados e recebidos por um satélite trafeguem à velocidade da luz, a longa distância de ida e volta introduz um retardo substancial para os satélites GEO.

● Dependendo da distância entre o usuário e a estação terrestre, e também da elevação do satélite acima do horizonte, o tempo total de trânsito está entre 250 e 300 ms.

Satélites terrestres de órbita média

● Em altitudes muito mais baixas, entre os dois cinturões de Van Allen, encontramos os satélites MEO (Medium-Earth Orbit).

● Levam cerca de 6 horas para circular a Terra.

● Devem ser acompanhados à medida que se movem pelo céu.

● Possuí uma área de cobertura menor.

● Exigem transmissores menos potentes para alcançálos.

Satélites terrestres de baixa órbita

● A uma altitude menor, encontramos os satélites LEO (Low-Earth Orbit).

● É de rápido movimento.

● São necessárias grandes quantidades desses satélites para formar um sistema completo.

● As estações terrestres não precisam de muita potência.

● Retardo é de apenas alguns milissegundos.

Satélites terrestres de baixa órbita

Iridium

Globalstar

Teledesic

Iridium

● Em 1990, a Motorola deu início a um novo empreendimento e solicitou permissão para lançar 77 satélites de baixa órbita do projeto Iridium (o elemento 77 é o irídio).

● Mais tarde, o plano foi revisto no sentido de se usar apenas 66 satélites; assim, o projeto deveria ter seu nome alterado para Dysprosium (o elemento 66 é o disprósio).

● Ideia era que assim que um satélite estivesse fora de vista, outro o substituiria.

● Após sete anos reunindo parceiros e financiamentos, os parceiros lançaram os satélites Iridium em 1997.

● O serviço de comunicação se iniciou em novembro de 1998.

● O Iridium não gerou lucro e foi à bancarrota em agosto de 1999.

Iridium

● Os satélites e outros bens foram adquiridos por um investidor por 25 milhões de dólares.

● O serviço Iridium foi reiniciado em março de 2001.

● O objetivo básico é fornecer um serviço de telecomunicações de amplitude mundial por meio de dispositivos portáteis.

● Estão posicionados a uma altitude de 750 km.

● Organizados em eixos norte-sul.

Iridium

● Um satélite a cada 32 graus de latitude.

● 6 eixos de satélites.

● 1628 células móveis cobrem a Terra.

Irridium

● Cada satélite tem no máximo 48 células (feixes pontuais).

● Comunicação entre clientes distantes ocorre no espaço, com um satélite retransmitindo dados para o seguinte.

Globalstar

● Se baseia em 48 satélites.

● Esquema de comutação diferente do que é usado no Iridium.

Vangagens

● Coloca a maior parte da complexidade no solo.

● Uso de grandes antenas nas estações terrestres.

● Emite um sinal potente.

● Pode receber um sinal fraco.

Teledesic

● Iridium se destina a usuários de telefonia localizados em lugares estranhos.

● Se destina a usuários da Internet ávidos por largura de banda.

● Concebido em 1990 pelo pioneiro da telefonia móvel (celular) Craig McCaw e Bill Gates.

● Uplink de até 100 Mbps e um downlink de até 720 Mbps.

● Consistia em 288 satélites de área de cobertura pequena em planos imediatamente abaixo do cinturão de Van Allen inferior.

Teledesic

● Altitude igual a 1350 km.

● Mudou para 30 satélites com área de cobertura maior.

● Comutação por pacotes no espaço, com cada satélite capaz de rotear pacotes até os satélites vizinhos.

Perguntas?

Bibliografia

Tanembaum, Andrew S., Redes de computadores / Andrew S. Tanembaum; - Rio de Janeiro; Elsevier, 2003 - 15ª Reimpressão

Technology

Transmissão de rádio terrestre e por satélite