Transmissão de rádio terrestre e por satélite

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Transmissão de rádio terrestre e por satélite

  1. 1. Transmissão de rádio terrestre e por satélite Lael Nervis Márcio Bortolini dos Santos
  2. 2. 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.
  3. 3. O espectro eletromagnético
  4. 4. O espectro eletromagnético ● ● 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.
  5. 5. O espectro 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.
  6. 6. 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.
  7. 7. Onda eletromagnética ● ● 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) .
  8. 8. Onda eletromagnética
  9. 9. Onda eletromagnética ● ● ● ● ● ● 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.
  10. 10. Onda eletromagnética ● 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.
  11. 11. O espectro eletromagnético O espectro eletromagnético e a maneira como ele é usado na comunicação
  12. 12. 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.
  13. 13. Características das ondas de rádio ● São fáceis de gerar. ● Percorrem longas distâncias. ● Penetram facilmente em prédios. ● São omnidirecionais.
  14. 14. 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.
  15. 15. 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.
  16. 16. Ondas de rádio VLF, LF, MF
  17. 17. 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.
  18. 18. Ondas de rádio HF, VHF
  19. 19. 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.
  20. 20. Transmissão de micro-ondas ● 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.
  21. 21. Transmissão de micro-ondas ● ● ● 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.
  22. 22. 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.
  23. 23. 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.
  24. 24. Satélites de comunicação ● ● 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.
  25. 25. Satélites de comunicação ● ● ● ● 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.
  26. 26. Satélites de comunicação ● ● 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.
  27. 27. 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.
  28. 28. 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.
  29. 29. Posicionamento
  30. 30. Posicionamento
  31. 31. Satélites que orbitam cada uma dessas regiões
  32. 32. 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.
  33. 33. Satélites geoestacionários ● 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.
  34. 34. Satélites geoestacionários ● ● ● ● ● 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.
  35. 35. Satélites geoestacionários ● ● 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.
  36. 36. 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.
  37. 37. 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.
  38. 38. Satélites terrestres de baixa órbita Iridium Globalstar Teledesic
  39. 39. 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.
  40. 40. 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.
  41. 41. Iridium ● Um satélite a cada 32 graus de latitude. ● 6 eixos de satélites. ● 1628 células móveis cobrem a Terra.
  42. 42. 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.
  43. 43. 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.
  44. 44. 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.
  45. 45. 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.
  46. 46. Perguntas?
  47. 47. Bibliografia Tanembaum, Andrew S., Redes de computadores / Andrew S. Tanembaum; - Rio de Janeiro; Elsevier, 2003 - 15ª Reimpressão

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