BC-0506:Comunicação e Redes
Aula 2: Introdução aos Sistemas de
Comunicação
Santo André, maio de 2011
Sistemas de Comunicação

Informação / Mensagem
– Representação de fatos, conceitos ou instruções de uma forma
adequada para comunicação, interpretação ou processamento por
seres humanos ou máquinas
Sistemas de Comunicação

Comunicação
– Ato de transportar informação de uma origem a um destino
– A comunicação requer uma linguagem ou um código que contém
a informação e um meio físico por onde a informação é transferida

Protocolo de Comunicação
– Conjunto de regras e convenções que especifica em detalhes
como a comunicação é feita entre dois elementos do sistema

Telecomunicação
– Consiste na transmissão da informação de uma origem a um
destino através de ondas eletromagnéticas
Sistemas de Comunicação

Sistema de Comunicação – Modelo Básico
Fonte
Transmissor
de Sinal
Canal
de
Comunicação
Sinal
Recuperado
Receptor
Sistemas de Comunicação

Transmissor
– Converte a informação para uma forma mais adequada para sua
transmissão através do canal de comunicação

Receptor
– A função principal do receptor é recuperar a informação transmitida
a partir do sinal recebido
• Executa a operação inversa do transmissor
• Opera na presença de ruído, interferência e distorção
• Necessita de técnicas distintas para minimizar esses efeitos

Canal de Comunicação
– É o meio físico entre o transmissor e o receptor
• Pode ser Guiado (“Wired”) ou Não-Cabeado (“Wireless”)
Sistemas de Comunicação

Independente do tipo de meio físico, normalmente o sinal
transmitido pelo canal de comunicação sofre alterações
das suas características, causadas fundamentalmente
por:
–
–
–
–
Atenuação
Distorções de Amplitude, Frequência e Fase
Ruído
Interferências
Sistemas de Comunicação

Exemplo mais Simples de Canal de Comunicação
– O Canal de Voz
Telefonia
100
300
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Hz
Sistemas de Comunicação

Espectro de Frequência Média na Conversação
Potências
Relativas
Frequência de Voz – Faixa de Boa Inteligibilidade
1
Mulheres
0,1
Homens
0,01
0,001
0,0001
1
2
3
4
5
6
7
8
kHz
Sistemas de Comunicação

Ouvido Humano
– Sensor de vibração espiral preenchido com fluido
• Funciona como um filtro espacial
– O som é detectado medindo o nível de pressão sobre um ponto
• Quando um sinal acústico atinge o ouvido externo (Pinna), ele é
convertido em energia e filtrado pelo ouvido médio. No ouvido interno
(Cochlea), a energia é transformada em atividade nervosa
Sistemas de Comunicação

Sistemas de Comunicação Atuais
MSC
PSTN
Representação de Sinais
no Domínio do Tempo
Sinais
O que são sinais?
Sinais

Sinais
– Transportam informações sobre o estado ou comportamento de um
fenômeno ou acontecimento físico
– São representados matematicamente como funções de uma ou
mais variáveis independentes
• Um sinal de voz pode ser representado matematicamente como uma
função do tempo
• Uma imagem fotográfica pode ser representada matematicamente
como a variação do brilho e da cor em função de duas variáveis no
espaço
Sinais
Sinais Determinísticos
– Podem ser representados por uma função analítica
• É possível determinar precisamente o valor do sinal em um dado
instante de tempo
• ex: f(t)=Acos(ot), onde A e o são constantes
Sinal Determinístico
1
0.8
0.6
Amplitude (V)

0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Tempo (s)
1.4
1.6
1.8
2
Sinais
Sinais Aleatórios
– Só podem ser representados por suas características estocásticas
(média, variância, autocorrelação etc)
• Não podem ser representados por uma função analítica (não é
possível determinar precisamente o valor do sinal em um dado
instante de tempo)
• ex: f(t)=Acos(ot), onde A é uma V.A. contínua Gaussiana
• ex: f(t) é um sinal de voz
Sinal Aleatório - Voz
0.8
0.6
0.4
Amplitude (V)

0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Tempo (s)
1.4
1.6
1.8
2
Sinais
Sinais Periódicos
– Apresentam uma repetição de seus valores de amplitude a
intervalos regulares de tempo
– Satisfazem a condição:
• f(t) = f(t + kTo), para todo t
• Onde, To é o período fundamental de repetição e k é um no inteiro
– A área sob qualquer intervalo de duração igual a kTo é a mesma
Sinal Periódico
1
0.8
0.6
0.4
0.2
f(t)

0
To
-0.2
2To
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
t
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Sinais
Sinais Aperiódicos
– Não existe To que satisfaça a condição de periodicidade
– Não apresentam um repetição de seus valores de amplitude a
intervalos regulares de tempo
Sinal Aperiódico
1
0.9
0.8
0.7
f(t)

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
t
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Sinais

Sinais em Tempo Contínuo
– Definidos ao longo de todos os instantes de tempo num intervalo
possível de valores. Portanto, podem ser representados por uma
variável independente contínua
• x(t) onde t pode assumir qualquer valor real
– São geralmente denominados como sinais analógicos
Sinal Analógico
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
Sinais

Sinais em Tempo Discreto
– Definidos apenas em instantes distintos do tempo num intervalo
possível de valores. Portanto, podem ser representados por uma
variável independente discreta
– São matematicamente representados por sequências de números
• x[n] onde n  {...-3,-2,-1,0,1,2,3...}
– Normalmente são derivados de sinais em tempo contínuo através
do processo de amostragem
Sinal em Tempo Discreto
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
Sinais

Sinais Analógicos
– Variação contínua da amplitude
– Número infinito de símbolos

Sinais Digitais
– Variação discreta da amplitude
– Número finito de símbolos
Sinais

Exemplo: Sinal Analógico de Voz
Sinais

Exemplo: Sinal Digital de Imagem (Matriz Espacial)
– Pixel pode ser 0 (branco) ou 1 (preto)
Representação de Sinais
no Domínio da Frequência
Representação no Domínio da Frequência

Sinal Cossenoidal
Amplitude
Voltz
Intensidade do sinal
Frequência
Hertz (ciclos/s)
Taxa de mudança do sinal
st   A  cos2  f c  t   
Fase
Graus / Radianos / etc
Posição relativa do sinal no tempo
Período
Tempo de repetição do sinal
1 / fc
 = c / fc (c = 3.108)
Representação no Domínio da Frequência

Sinal Cossenoidal
Qual é a Amplitude de um
Sinal de 1V?
Qual é a Frequência de um
Sinal de 1kHz?
Representação no Domínio da Frequência

Sinal Cossenoidal com Amplitude de 1V e frequência de
1KHz com fase zero
st   1 cos2 1000  t 
Representação no Domínio da Frequência

Sinal Cossenoidal
O que acontece
Se o Sinal não for Cossenoidal?
Qual é ou Quais são as
Componentes de Frequência
do Sinal?
Representação no Domínio da Frequência

Representação de Sinais no Domínio da Frequência
– Sinais podem ser decompostos em sinais cossenoidais de
frequências múltiplas
• Frequência fundamental e harmônicas
– Séries e Transformadas de Fourier (FFT, DFT)
Representação no Domínio da Frequência

Analisadores de Espectro
– Usados para visualizar sinais no domínio da frequência
Representação no Domínio da Frequência

Qual a importância da Análise no Domínio da Frequência?
– A análise da largura de faixa de frequência de um sinal ou sistema
permite o dimensionamento adequado do sistema
– A determinação da distribuição espectral de um sinal ou a resposta
de frequência de um sistema permitem otimizar o desempenho do
sistema
Teorema
da
Amostragem
Amostragem – Teorema da Amostragem

Teorema da Amostragem
– O teorema da amostragem é um dos resultados mais importantes
na análise de sinais e tem ampla aplicação nas áreas de
comunicações e processamento de sinais
– Muitas das técnicas de processamento de sinais modernas e toda
a família de métodos de comunicação digital são baseadas na
validade desse teorema
– De fato, esse teorema e os resultados obtidos pelas técnicas de
quantização de sinal oferecem uma ponte de conexão entre o
mundo analógico e digital
Amostragem – Teorema da Amostragem

A idéia central que rege o teorema da amostragem é muito
simples e bastante intuitiva
– Considere 2 sinais f1(t) e f2(t):
f2(t)
f1(t)
T1
t
T2
t
– O sinal f1(t) apresenta variações lentas da amplitude e é composto
fundamentalmente por componentes de baixa frequência
– O sinal f2(t) apresenta variações rápidas da amplitude e é
composto fundamentalmente por componentes de alta frequência
– Pode-se aproximar esses sinais através de amostras tomadas a
intervalos regulares T1 e T2, respectivamente
Teorema da Amostragem

“Um sinal f(t) limitado em faixa, que não possui nenhuma
componente espectral acima da frequência B Hz, é determinado
univocamente por seus valores tomados a intervalos uniformes
menores que 1 / (2.B) segundos”
– Assim, pode-se representar um sinal f(t) completamente
utilizando uma taxa de amostragem 2 vezes maior que a
maior componente de frequência de f(t)
f samp  2  f max
Assim,
o teorema da amostragem oferece:
 Um método de reconstrução do sinal original a partir de suas amostra

Um limite superior do intervalo de amostragem (ou limite inferior da
frequência de amostragem) necessária para uma reconstrução sem distorção
Amostragem

Por que os Sistemas de Compact Disc usam frequência de
amostragem de 44,1KHz?
– A música apresenta uma faixa audível de 20Hz à 20KHz
• Aplicando o teorema de Nyquist para a frequência máxima, tem-se:
f samp  2  f max  40KHz
– Necessidade de uma banda de guarda
• Para reduzir a complexidade de um filtro prático, pode-se utiliza uma
faixa adicional de 10%
f samp  2   f max  0.1 f max   44KHz
f samp  2  f max  10%
Sinais

Digitalização da Informação
Sinal
Amostragem
Analógico
Codificador
&
Modulador
Quantizador
111
em(t) 100
em(t)
em(t)
100 111 010 011
011 em(t)
010
0
Ts
2Ts 3Ts t
0
Ts
2Ts 3Ts
Sinal
Filtro
Analógico
Passa-Baixa
t
0
Ts
2Ts 3Ts
Quantizador
t
0
Ts
2Ts 3Ts
Decod.
&
Demod.
t
Digitalização da Informação Analógica

Qualquer sinal analógico (voz, música, vídeo etc) limitado
em faixa pode ser transformado em digital

O processo de digitalização de um sinal analógico é
composto basicamente pelas etapas de:
– Amostragem
– Quantização
– Codificação / Modulação
Meios
de
Transmissão
Meios de Transmissão

Classificação dos Meios de Transmissão
– Podemos classificar de forma simples os meios de comunicação
como:
• Meios Guiados
• Meios Não-Guiados (Wireless)
Canais de
Comunicação
Guiados
Meios de Transmissão

Canais Cabeados (Wireline)
– Par Trançado
– Cabo Coaxial
– Fibra Óptica
TX
Amplificador
Regenerador
etc
RX
Meios de Transmissão

Par Trançado
– Formado por 2 fios condutores entrelaçados revestidos por um
isolante elétrico
– Principais Características
•
•
•
•
Largura de Faixa: ~ 60kHz
Custo baixo
Suscetível a ruído
Distância de 6km
– Principal Aplicação
• Redes telefônicas
Twist Length
Meios de Transmissão

Unshielded Twisted Pair (UTP)
– Evolução para Redes de Computadores Locais (LAN)
– Principais Características
•
•
•
•
Instalação fácil
Custo baixo
Suscetível a ruído
Comprimento Máximo depende da taxa transmitida
– 100m para Fast Ethernet (100Mbps)
– Principal Aplicação
• LAN
Meios de Transmissão

Shield Twisted Pair (STP)
– Evolução para Redes de Computadores Locais (LAN)
– Principais Características
• Blindagem contra interferências e ruídos
• Instalação difícil
• Mais caro
– Principal Aplicação
• LAN
Meios de Transmissão

Cabo Coaxial
– Formado por 1 fio condutor central, revestido por um material
isolante que são rodeados por uma blindagem
– Principais Características
• Largura de Faixa maior que TP
– TV a cabo ~ 300 Mbps
– Limite ~ 2 Gbps
• Susceptibilidade à Interferência menor que par trançado
• Distâncias de cobertura maiores que TP
• Instalação complexa
• Custo Elevado
– Principal Aplicação (atualmente)
• TV a Cabo
Meios de Transmissão

Cabo Coaxial
Meios de Transmissão

Fibra Ótica
– Formado por 1 fibra de vidro central, uma casca com coeficiente
de refração adequado e revestida por um material opaco resistente
– Principais Características
• Alta capacidade (~20Tbps)
• Baixa atenuação
• Peso e espessura reduzidos
• Isolação elétrica e eletromagnética
• Imunidade a umidade
• Instalação e manutenção difícil
• Custo Elevado
– Principal Aplicação
• HS-LAN, backbone de redes de dados, TV a Cabo
Meios de Transmissão

Fibra Ótica
Casca Capa opaca
Núcleo
n1
n2 < n 1
n=
– O índice de refração do meio é definido como:
n
c
vmeio
• onde c = 300.000 Km/s é a velocidade da luz no vácuo e vmeio é a
velocidade da luz no meio
Meios de Transmissão

Fibra ótica
Meios de Transmissão

Fibra
Meios de Transmissão

Fibra Monomodo e Multimodo
Canais de
Comunicação
Não-Guiados
(Wireless)
Meios de Transmissão

Canais Sem Fio (Wireless)
– Infravermelho
– Radiopropagação
TX
RX
TX
RX
Meios de Transmissão

Transmissão por Infra-Vermelho
– Ondas de luz (eletromagnéticas) na faixa de infra-vermelho
– Principais Características
•
•
•
•
•
•
Não requerem licença
Alcance curto
Hardware barato
Instalação fácil
Normalmente direcionais
Não atravessam obstáculos!
– Principal Aplicação
• Controle Remoto, IrDA
Meios de Transmissão
Transmissão
por Infra-Vermelho
TX
RX
Foto-diodo
Foto-transistor
Meios de Comunicação

Transmissão por Radiofrequência
– Ondas Eletromagnéticas pelo ar
– Principais Características
•
•
•
•
•
Mobilidade
Longo Alcance
Implementação
Fácil
Sujeitos a várias fontes de interferência
– Interferências elétricas (ruído de ignição, etc)
– Interferência eletromagnéticas
• Potência cai com o quadrado da distância
– Depende da aplicação (celular: cai com o cubo, etc)
– Principal Aplicação
• WLAN, Redes Celulares, Microlink
Meios de Comunicação

Canal de Radiopropagação
C
A
A: Espaço Livre
B: Reflexão
C: Difração
D: Dispersão
D
B
Transmitter
Receiver
Reflexão: objeto é grande
em relação a 
Dispersão: objeto é pequeno
em relação a 
Espectro eletromagnético

O espectro eletromagnético é o intervalo completo da radiação eletromagnética,
que contém desde as ondas de rádio, as microondas, o infravermelho, a luz
visível, os raios ultravioleta, os raios X e até a radiação gama.

Para saber mais: Uma carga em repouso cria à sua volta um campo que se
estende até ao infinito. Se esta carga for acelerada haverá uma variação
do campo elétrico no tempo, que irá induzir um campo magnético também
variável no tempo . Estes campos em conjunto constituem uma onda
eletromagnética. Uma onda eletromagnética propaga-se mesmo no vácuo.
Maxwell concluiu que a luz visível é constituída por ondas eletromagnéticas, em
tudo análogas às restantes, com a única diferença na frequência e comprimento
de onda.
De acordo com a frequência e comprimento de onda das ondas
eletromagnéticas pode-se definir um espectro com várias zonas (podendo haver
alguma sobreposição entre elas).


Espectro de Frequência

Alocação do Espectro
Espectro de Frequência

Alocação do Espectro
Ação do
Meio de Transmissão
Sobre o Sinal
Meios de Comunicação

Atenuação
– A amplitude do sinal é reduzida à medida que o sinal se
propaga pelo canal (Leis de Friis para Espaço-Livre)
– Principais causas da atenuação na radiopropagação
• Absorção da energia da onda transmitida
• Dispersão da energia da onda transmitida
– Principal efeito da atenuação
• Limitação da distância de cobertura do sistema
Meios de Comunicação

Distorção
– As componentes de frequência do sinal são modificadas de
maneira diferente pelo meio de transmissão
– Principais causas da distorção na transmissão
• Propagação por Multipercursos
• Meio de Transmissão com faixa de frequência limitada
(filtragem)
– Principal efeito da distorção
• Erros na recepção
Meios de Comunicação

Ruído
– Variação aleatória indesejada do sinal
– Sem o efeito do ruído, uma mensagem poderia ser transmitida com
um potência infinitesimal sobre distâncias infinitas
• Fontes naturais e sinais externos interferentes
• Ruído térmico, causado pelo movimento aleatório dos elétrons
Diferentes Fontes
de Ruído
Sinal RF
Receiver
Sinal RF + Ruído
Meios de Comunicação

Ruído Branco – AWGN (Additive White Gaussian Noise)
–
–
–
–
Modelo matemático para representar o ruído térmico
Caracterizado como um processo aleatório Gaussiano
Analogia com a “Luz Branca”
Efeito Aditivo


Luz branca é composta por todas as cores do espectro
Ruído branco é composto por componentes distribuídas
igualmente em todas as frequências do espectro
Meios de Comunicação

Densidade Espectral de Ruído Branco – AWGN
– No= k  T Watts/Hz

Potência de Ruído Branco – AWGN
– PN = k  T  B Watts
k: Constante de Boltzmann
k = 1,38 . 10 -23 Watts/K.Hz
T: Temperatura em Kelvin
T = 290K (ambiente)
B: Banda de Frequência
Meios de Comunicação

Exemplo: Determine a densidade espectral e a potência
de um ruído do tipo AWGN para T=290K e B = 1MHz
Densidade Espectral de Ruído
No= k  T = 1,38  10 -23  290  No= 4  10 -21 W/Hz
– Considerando em dBm
No = 10.log10(4  10 -21 / 1  10 -3)  No = -173,97 dBm/Hz
Potência de Ruído
PN = No  B = 4  10 -21  1  106  PN = 4  10 -15 W
– Considerando em dBm
PN = 10.log10(4  10 -15 / 1  10 -3)  PN = -113,97dBm
Limites
da
Comunicação
Limites da Comunicação
Quais os principais fatores
que limitam a capacidade de
um sistema de comunicação?
É possível obter uma expressão
matemática para a capacidade máxima
de um sistema de comunicação?
Limites da Comunicação

Desempenho dos sistemas é limitado basicamente pela:
– Relação Sinal – Ruído
• Relação entre a potência de sinal e a potência do ruído do sistema
– Banda de Transmissão
• Largura da faixa de frequência de transmissão disponível
Sistemas de comunicação devem utilizar os recursos
de potência de transmissão e de largura de faixa da
forma mais eficiente possível
Limites da Comunicação

Faixa de Frequência de Transmissão
– Conjunto de frequências alocadas para a transmissão do sinal de
informação

Normalmente estabelecida e regulamentada pelo tipo de
aplicação e pelas características do sinal transmitido:
–
–
–
–
–
Voz via Telefone: 3 kHz
Música via AM: 10 kHz
Música via FM: 200 kHz
Vídeo via TV: 6.0 MHz
Dados via Fast Ethernet : ~30 MHz (100Mbps)
Limites da Comunicação

Faixa de Frequência de Transmissão
Limites da Comunicação

Relação Sinal – Ruído (SNR)
– Relação entre a Potência do Sinal e a Potência do Ruído
SNR 
Psinal
Pruído
– É comum representá-la na forma logarítmica em DECIBÉIS (dB):
SNRdB
 Psinal 

 10  log10 
 Pruído 
– Algumas Relações de Potência Comuns em dB:
• 0dB: Psinal = Pruído
• – 3dB: Psinal = ½ Pruído
• 3dB: Psinal = 2 Pruído
• 10dB: Psinal = 10 Pruído
• 20dB: Psinal = 100 Pruído
Limites da Comunicação

Potência em dBm
– Forma muito utilizada na área de comunicações para especificar a
potência dos sinais
– Utiliza como referência um sinal de 1mW
PdBm
 Psinal W  
 10  log10 

 1mW 
– De forma simplificada, tem-se:
PdBm  30  10  log10 Psinal W 
– Simplifica as operações de ganho e atenuação na análise de
sistemas de comunicação
• Substitui multiplicações e divisões por somas e subtrações
Limites da Comunicação

Como melhorar a Relação Sinal – Ruído (SNR)
–
–
–
–
Redução do ruído
Redução da distância entre transmissor e receptor
Aumento da potência do transmissor
etc
Limite
de
Nyquist
Limite de Nyquist

Limite de Nyquist
– A maioria dos sinais digitais é não-periódica e os parâmetros de
frequência e período comumente utilizado em sistema analógicos
não são adequados
– Deste modo, é comum utilizar a taxa de transmissão (bits ou
símbolos) como parâmetro de desempenho do sistema
– O limite de Nyquist oferece uma aproximação da taxa de bit
máxima possível para sistemas de comunicação digital limitados
em banda, mas sem a presença de ruído
– Ele leva em consideração que um símbolo de informação pode
transmitir (“carregar”) mais de um bit
Limite de Nyquist

Esquema de Comunicação Digital Binário
– utiliza apenas 2 símbolos diferentes para a transmissão da
informação desejada
– Deste modo, cada símbolo representa um único bit

Esquema de Comunicação Digital M-ário
– É possível utilizar um esquema de comunicação digital mais
complexo composto por M símbolos diferentes para a
transmissão da informação desejada
– Neste caso, cada símbolo pode representar vários bits
Limite de Nyquist

Considerando o caso geral de um esquema de
comunicação digital com M símbolos diferentes, pode-se
definir os seguintes parâmetros:
– Taxa de Símbolos (Baud Rate)
• Quantidade de símbolos transmitidos por segundo (Rs)
1
Rs 
Ts
– Taxa de Bits
• Quantidade de bits transmitidos por segundo (R)
1
Rb 
Tb
Limite de Nyquist

Bit Rate x Baud Rate
Limite de Nyquist

Exemplo: Considere que se deseja baixar um documento
de texto a uma taxa de 100 páginas por minuto. Qual seria
a taxa de transferência de bits se em média cada página
tem 24 linhas com 80 caracteres por linha e se fossem
usados 8 bits para representar um caractere?

A capacidade do sistema em banda base sem ruído é
dada por:
Rb  2  B  log 2 M
Limite
de
Shannon
Limite de Shannon

Teorema de Shannon - Hartley
– Estabelece a taxa de transmissão de informação máxima sobre
um canal de comunicação de banda limitada e na presença de
ruído branco gaussiano aditivo (AWGN)

A Capacidade de Canal pode ser definida como:
– A taxa de transmissão máxima para que seja possível obter uma
transmissão confiável da informação
– De acordo com o teorema de Shannon, é possível obter
transmissão confiável da informação se R  Cch

A Capacidade em canal AWGN pode ser expressa por:
Cch  Bch  log 2 1  SNR
Onde, Bch é a banda do canal, SNR
é a relação sinal-ruído, N=NoBch
Limite de Shannon

Exemplo: Considere um sistema de internet discada.
Qual seria a máxima taxa de transmissão possível na
presença de ruído do tipo AWGN se SNR=30dB e B =
3kHz?
– Faixa de frequência ocupada
• Bch = 3 KHz
– Relação SNR
• SNRdB= 10  log10(SNR)  SNR = 10 (SNRdb/10)
• SNR = 1000 (vezes)
– Aplicando a fórmula de Shannon
• Cch = Bch  log2(1 + SNR)  Cch= 3x103  log2(1+ 1000)
• Cch  29,9 Kbps
Limite de Shannon

Exemplo: Seja um sistema de internet a cabo, qual seria
a máxima taxa de transmissão possível na presença de
ruído do tipo AWGN se SNR=30dB e B = 300MHz?
– Faixa de frequência ocupada
• Bch = 300 MHz
– Relação SNR
• SNRdB= 10  log10(SNR)  SNR = 10 (SNRdb/10)
• SNR = 1000 (vezes)
– Aplicando a fórmula de Shannon
• Cch = Bch  log2(1 + SNR)  Cch= 3e8  log2(1+ 1000)
• Cch  2,99 Gbps
Limite de Shannon

Exemplo: E se SNR=40dB para o sistema de internet a
cabo, qual seria a nova máxima taxa de transmissão
possível na presença de ruído do tipo AWGN?
– Faixa de frequência ocupada
• Bch = 300 MHz
– Relação SNR
• SNRdB= 10  log10(SNR)  SNR = 10 (SNRdb/10)
• SNR = 10000 (vezes)
– Aplicando a fórmula de Shannon
• Cch = Bch  log2(1 + SNR)  Cch= 3e8  log2(1+ 10000)
• Cch  3,99 Gbps
Limite de Shannon

O teorema de Shannon-Hartley também indica que se
pode trocar banda por SNR
– Exemplo
• Se SNR= 7x e Bch=4 KHz  Cch= 12Kbps
• Se SNR= 15x e Bch= 3KHz  Cch= 12Kbps
Assim, uma redução de 25% na banda requer um aumento de
60% na potência de sinal
Limite de Shannon

O teorema de Shannon-Hartley implica que um canal
sem ruído (SNR = ) apresenta capacidade infinita

Por outro lado, na situação de ruído, tem-se que para
aumentar a capacidade do canal sem aumentar a
potência de sinal deve-se aumentar a banda de
frequência. Porém isto acarreta em um aumento na
potência do ruído (PN=NoBch), impedindo que a
capacidade seja infinita

Ps 

Cch  Bch  log 2 1
 N o  Bch 
Limite de Shannon

Capacidade de Canal em função da Banda e da SNR
Limite de Shannon
A expressão de Shannon se
aplica a que tipo de sinais?
Para que condições de
transmissão?
Sistemas de
Comunicação Digital
Sistemas de Comunicação Digital
Como transmitir
eficientemente a informação
entre 2 pontos distantes?
O que seria necessário para que a
transmissão seja feita sem fio por
radiopropagação?
Sistemas de Comunicação Digital

Sistema de Comunicação Digital – Modelo Básico
Fonte
Transmissor
de Sinal
Canal
de
Comunicação
Sinal
Recuperado
Receptor
Sistemas de Comunicação Digital
O que são sistemas de
comunicação digital?
Quais as vantagens de
termos a informação
na forma digital?
Sistemas de Comunicação Digital

Transmissão Digital
– Informação pode ser analógica ou digital
– Sinal é atenuado com a distância
• Podem ser usados regeneradores no processo de retransmissão:
– Não ocorre amplificação do ruído mas, dependendo da intensidade do
ruído e da presença de interferências, podem ocorrer erros
• Critério de desempenho: Taxa de erro (BER, SER, FER) etc

Conversão ADC (Codificação Digital)
analógica  sinal digital
(Digitalização da informação analógica)
Informação
Processos
Envio

de Codificação
do sinal de voz pelo telefone
Conversão DDC (Codificação Digital)
Informação
Envio
digital  sinal digital
de dados de um computador
Sistemas de Comunicação Digital

Transmissão Analógica
– Informação pode ser analógica ou digital
– Sinal é atenuado com a distância
• Podem ser usados amplificadores no processo de retransmissão,
porém o ruído também é amplificado
• Critério de desempenho: SNR, Erro Médio Quadrado, %Distorção etc

Conversão AA (Modulação Analógica)
Informação
Envio
do sinal de voz pelo telefone
Modulação

analógica  sinal analógico
de um sinal de música
Conversão DA (Modulação Digital)
Informação
Envio
digital  sinal analógico
de dados de um computador por
uma linha telefônica convencional
Sistemas de Comunicação Digital

Comunicação Digital (informação digital)
– Transmissor envia uma forma de onda que pertence a um conjunto
finito de formas de onda possíveis durante um intervalo limitado
– Receptor decide qual forma de onda foi transmitida a partir do sinal
recebido com ruído
• Sistemas Analógicos: O receptor deve reproduzir com fidelidade a
forma de onda enviada, porém existem infinitas formas de onda
possíveis
• Sistemas Digitais: O receptor conhece o conjunto de formas de onda
possíveis (alfabeto) e deve determinar qual delas foi transmitida num
dado intervalo de tempo
– Tarefa bem mais simples que a realizada pelos sistemas analógicos
– Sistema mais robusto a ruído e interferência
A probabilidade de uma decisão errada
(probabilidade de erro de bit ou de símbolo)
Medida importante do desempenho do sistema
Sistemas de Comunicação Digital

Comunicação Digital (informação digital)
Fonte: J.Proakis, M.Salehi, Comm. Systems
Engineering
Sistemas de Comunicação Digital

Vantagens da Comunicação Digital (informação digital)
– Maior imunidade ao ruído e distorção do canal
•
•
•
•
Capaz de percorrer longas distâncias em canais de baixa qualidade
Regeneração do sinal empregando repetidores (TX noise free)
Códigos Corretores de Erro
Receptor necessita distinguir apenas um número finito de símbolos
– Facilidade de criptografia no domínio digital
– Permite o armazenamento dos dados
– Possibilita a compressão da informação
– Custo relativamente baixo dos dispositivos digitais (CIs)
– Capacidade de transmissão Multimídia
Sinal Banda Base x Sinal Banda Passante

Sinal em Banda Base (Passa-Baixa)
– Um sinal real xbb(t) é denominado sinal em banda base quando
suas componentes de frequência estão próximas da componente
DC
– O sinal em banda base é geralmente o sinal original proveniente
da fonte de informação

Sinal em Banda Passante (Passa-Faixa ou Modulado)
– Um sinal real x(t) é denominado sinal em banda passante quando
suas componentes de frequência estão centradas em torno de
uma frequência e sua componente DC é zero
Transmissão
em Banda-Passante
Modulação
Transmissão Banda-Passante

Transmissão em Banda-Passante
– É realizada pelo processo de Modulação
• Translação do sinal de informação em banda-base para bandapassante, numa frequência muito maior que a do sinal original,
através de um sinal de alta freqüência
• O sinal banda-base original é chamado de sinal modulante
• O sinal passa-faixa gerado é chamado de sinal modulado
• O sinal de alta frequência é chamado de sinal de portadora
A modulação pode ser obtida pela variação da amplitude,
fase ou frequência do sinal de portadora de alta frequência,
de acordo com a variação do sinal de informação
Transmissão Banda-Passante

Por que modular?
– Permitir uma transmissão eficiente pelo canal de comunicação
• Permite a transmissão a longa distância
– Possibilitar uma redução da complexidade do hardware
– Possibilitar uma redução dos efeitos de interferência e ruído
• Técnicas como a modulação FM (troca de banda por SNR)
– Permitir uma ocupação mais adequada da banda de frequência
• Compartilhar o canal de comunicação para diferentes serviços
– Possibilitar a multiplexação de vários sinais banda-base
Transmissão Banda-Passante

Por que usar altas frequências em Sistemas sem Fio?
– A transmissão direta do sinal em banda-base de uma dada fonte
de informação sobre um determinado canal pode ser irrealizável
– Na Radiopropagação, a dimensão dos elementos irradiantes
(antenas) deve ser proporcional ao comprimento de onda
Antena Dipólo
de Meia-Onda
Tx
/2
c

f
Para f=100kHz  Antena=1,5km (/2)
(=300000/100000=3 km)
Transmissão Banda-Passante

Calcular  para a faixa de áudio:
– f = 300 Hz
– f = 3 kHz
c

f
Qual deve ser o tamanho da Antena?
Como posso separar o sinal de
diferentes usuários?
Modulação Analógica

Modulação Analógica
– O sinal de informação analógico aplicado na entrada do
transmissor pode assumir um número infinito de valores
– Objetivo é a fidelidade de reprodução da forma de onda do sinal de
informação transmitido (aplicado ao TX)
– SNR: critério de desempenho
– A modulação analógica pode ser obtida pela variação dos
parâmetros do sinal de portadora senoidal, de acordo com a
variação do sinal de informação
eo t   Eo t  coso  t  o t 
AM
FM
PM
Modulação Analógica

Modulação Analógica
Modulador
Mensagem Analógica
AM
FM
PM
AM&PM
Portadora Senoidal
Modulação Digital

Modulação Digital
– O Sinal de informação aplicado na entrada do TX faz parte de um
conjunto finito de valores (símbolos)
– Objetivo é determinar o símbolo transmitido
• Detalhes da forma de onda não são relevantes (sinal digital),
normalmente forma de onda é conhecida “a priori”, basta saber qual
símbolo foi transmitido
– BER e SER: critério de desempenho
Modulação Digital

Modulação Digital
Modulador
Portadora Senoidal
Mensagem Digital
1
ASK
FSK
PSK
QAM
0
1
0
Modulação Digital

Modulação Digital
– Transceptor Digital Genérico
Modulação Digital

ASK – Amplitude Shift Keying
– A informação é representada pela variação da amplitude da
portadora
– Normalmente aplicado em sistemas de fibra óptica
– Apresenta alta sensibilidade a ruído (variação na amplitude)
– O método binário mais simples (OOK) consiste em:
• Bit 1  tx portadora com amplitude A
• Bit 0  tx portadora com amplitude zero
Modulação Digital

FSK – Frequency Shift Keying
– A informação é representada pela variação da frequência da
portadora
– Método menos sensível a ruído do que ASK
– Ocupa uma banda maior que ASK e PSK
– O método mais simples (BFSK) consiste em:
• Bit 1  tx portadora com f1
• Bit 0  tx portadora com f2
Modulação Digital
PSK – Phase Shift Keying
– A informação é representada pela variação de fase da portadora
– Apresenta menos sensibilidade a ruído do que ASK
– Apresenta boa eficiência de potência
– O método binário mais simples (BPSK), consiste em:
• Bit 1  tx portadora com fase 1
• Bit 0  tx portadora com fase 2
Bit
Fase
0
0°
1
180°
Cosntelação - BPSK
1.5
1
0.5
Imag

0
-0.5
-1
-1.5
-1.5
-1
-0.5
0
Real
0.5
1
1.5
Modulação Digital
– Uma técnica PSK muito utilizada nas redes celulares e redes de
computadores sem fio é o QPSK (Quartenary Phase Shift Keying):
Bit
Fase
00
45°
01
135°
10
315°
11
225°
Constelação - QPSK
1.5
1
Imag
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-1.5
-1
-0.5
0
Real
0.5
1
1.5
Modulação Digital

QAM – Quadrature Amplitude Modulation
– A informação é representada pela variação da amplitude e fase da
portadora
– Modulação em quadratura
– Alta eficiência espectral
– Mais bits por símbolo
– Requer alta Potência
Multiplexação
Multiplexação

FDM
– Multiplexação por divisão de frequência
– Banda limitada na transmissão da informação

TDM
– Multiplexação por divisão de tempo
– Combina-se vários canais digitalizados
– TDM Síncrono e TDM Assíncrono (Estatístico)

WDM
– Multiplexação por divisão de comprimento de onda
– Mais de um sinal compartilha uma dada fibra ótica

CDM
– Multiplexação por divisão de código
– Associado a cada sinal um código com propriedades de correlação
adequadas para separá-los
Multiplexação
FDM
TDM
Freqüência
Tempo
Freqüência
Tempo
WDM
CDM
Frequência
Lambda
Tempo
Tempo
Multiplexação

Exemplo FDM
– Considere os 3 sinal de voz abaixo:
3.4
0.3

Freq. (KHz)
3.4
0.3
Freq. (KHz)
0.3
3.4
Freq. (KHz)
É possível transmití-los em um mesmo canal, transladando as
frequências dos sinais como mostrado abaixo:
0.3
3.4
3.5
6.6
6.7
9.8
Freq. (KHz)
Multiplexação

Exemplo TDM Síncrono
A2
A1
B2
B1
C2
C1
t2
t1

C2
B2
A2
C1
B1
A1
C2
B2
B1
A1
B1
A1
Exemplo TDM Assíncrono
A1
B2
B1
C2
t2
t1
Técnicas de
Múltiplo Acesso
Técnicas de Múltiplo Acesso

Técnicas de Múltiplo Acesso
– Técnica de multiplexação que permite a utilização de mais de um
canal para compartilhar um meio de comunicação
– Pode ser usada para separar diferentes usuários que compartilham
um mesmo conjunto de canais
– A alocação de recursos não é definida A Priori e não é
necessariamente fixa
– Principais Técnicas Determinísticas
• FDMA
• TDMA
• CDMA
– Principais Técnicas Aleatórias
• CSMA
Técnicas de Múltiplo Acesso

Como compartilhar uma rede com vários usuários
empregando técnicas determinísticas?
– FDMA
• Acesso múltiplo por divisão de frequência
• empregado nos sistemas celulares de 1a Geração
– TDMA
• Acesso múltiplo por divisão de tempo
• empregado nos sistemas celulares de 2a e 3a Geração
– CDMA
• Acesso múltiplo por divisão de código
• empregado nos sistemas celulares de 2a e 3a Geração
Técnicas de Múltiplo Acesso
FDMA
TDMA
Frequência
Tempo
Frequência
Tempo
Acesso múltiplo por
divisão de frequência
CDMA
Acesso múltiplo por
divisão de tempo
Frequência
Tempo
Acesso múltiplo por
divisão de código
Em um sistema de comunicação, a tecnologia de acesso torna
possível ao receptor separar o sinal desejado dos sinais interferentes
Técnicas de Múltiplo Acesso

Como compartilhar uma rede de computadores com vários
usuários empregando técnicas aleatórias?
– CSMA
• Técnica de múltiplo acesso por contenção
• Acesso múltiplo por monitoramento de portadora
– Escuta o canal, se ele estiver livre transmite
Técnicas de Múltiplo Acesso
CSMA
Frequência
Tempo
Único
acesso múltiplo
por tempo