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Computação Móvel:Teoria da Informação e Modulação
Mauro Nacif RochaDPI/UFV
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Teoria da InformaçãoConceitos Básicos
Transmissão:
Informação+
Sinais+
Meios Físicos
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Sinais Analógico
Variação contínua Fontes naturais e
artificiais (sonoras eeletromagnéticas)
Digital Variação discreta Fontes artificiais
(computadores)
Informação digitalou analógica
Sinal digitalou analógico
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Sinal Analógico
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Ondas Geradas a partir da movimentação de carga
elétrica.
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Ondas Transmissão Recepção
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Antenas
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Antenas
Fonte: Wikipedia
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Antenas
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Ondas - Espectro
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Ondas - Espectro
Nome da frequência Frequências Comprimento de onda
low frequency (LF) 10-300 kHz 30-1 km
medium frequency (MF) 300-3000kHz 1000-100m
high frequency (HF) 3-30 MHz 100-10m
very high frequency (VHF) 30-300MHz 10-1m
ultra high frequency (UHF) 300-3000MHz 100-10cm
super high frequency (SHF) 3-30GHz 10-1cm
extremely high frequency (EHF) 30-300GHz 10-1mm
Acima disso encontramos infravermelho, luz visível,ultravioleta, raios-x, raios gamma e cósmicos
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Sinal Analógico Comprimento de onda – distância de
propagação de 1 ciclo. = c/f, onde c = velocidade da onda
Período T - tempo de um ciclo completo T = 1/f ou f = 1/T = c/f ou = cT c = 346m/s (som)
c 3×108 m/s ou 300.000 km/s (luz)
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Ondas Algumas bandas são nocivas Ouvido humano – banda de 20 Hz a 20 kHz Voz humana – banda 200 a 5000 Hz Sinal de voz – banda de 300 a 3400 Hz Transmissões de rádio: 30 kHz a 300 GHz
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Sinais Analógicos Sinal de rádio é uma onda de energia No vácuo, velocidade de 297000 km/s Tipos de ondas:
Terrestres ou de superfície Ondas espaciais trafegam em linha reta Ondas celestiais usam ionosfera Ondas de satélite Sistemas de microondas
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Ondas Ondas espaciais: transmissões de TV, faixa
de VHF a SHF Ondas celestiais: faixa HF, e usadas para
transmissões de rádio e telefonia de longadistância
Microondas exploram o espectro de UHF eSHF provendo uma ampla banda, pequenoscomprimentos de onda e antenas menores
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Ondas celestiais
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Ondas – meio de propagação
Ondas – propagação
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O sinal de rádio pode chegar muito distorcido aoreceptor Reflexão (objetos maiores que ) Difração (bending, shadow fading) Espalhamento (scattering – objetos menores que ) Refração (mudança no sentido e velocidade da onda) Dispersão (e.g. luz no prisma) Interferência
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Ondas – propagação
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Reflexão (objetos maiores que ) Difração (bending, shadow fading) Espalhamento (scattering – objetos menores que )
Ondas – propagação
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Refração (mudança no sentido e velocidade da onda)
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Ondas – propagação
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Dispersão
Ondas – propagação
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Interferência (difração, reflexão etc.)
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Ondas – propagação
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Distorção de Sinais – Ruídos
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Ondas - Propagação A densidade de potência incidente num ponto remoto pode ser
calculado como:
onde Pr é a potência recebida em watts/m², Pt é a potência transmitidaem watts e r a distância em metros
Por causa das grandes diferenças em densidade de potência sobre longasdistâncias de propagação, particularmente nas bandas de microondas, éusual medir a densidade de potência em decibéis (dB) relativos a 1 watti.e., dBW ou 1 miliwatt i.e., 1 dBm
Em freqüências abaixo da faixa de microondas, a intensidade do campoem volts/m é a unidade mais usual do que densidade de potência, emparte porque V/m tem sido usado historicamente para medir aintensidade do sinal e também porque o efeito de aquecimento térmicoda absorção de potência é mais fácil de ser usado no caso dasmicroondas
24 rPtPr
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Desvanecimento (Multipath Fading)
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Desvanecimento (Multipath Fading)
O sinal recebido s(t) é o produto do desvanecimento de grande escalam(t) e de pequena escala r(t), portanto s(t) = m(t)r(t)
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Decibel Ganho (dB) = gdB = 10 log10 g =
10 log10(Pout/Pin) Pout = Ping = 1gdB = 0 dB
p = 0 dB Pout = 10 Ping = 10gdB = 10 dB
p = 10 dB
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Banda Banda - intervalo entre duas freqüências Largura de Banda
Diferença entre a maior e a menor freqüência Qualidade de voz - 300 Hz a 3400 Hz
» Banda = 3400 - 300 = 3100 Hz
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Banda
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Banda Passante Banda Passante do Meio (BPM): faixa de
freqüências praticamente preservada pelomeio
Banda Passante Necessária de um Sinal: Largura mínima necessária na BPM para
garantir uma qualidade mínima no recebimentodo sinal (analógico ou digital)
Qualidade de voz - 3100 Hz» Maior Banda - Melhor recepção do sinal
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Lei de Shannon Capacidade Máxima de um Canal com
Ruído Térmico Capacidade máxima = B log2(1 + S/R)
B – banda em HzS/R – Sinal/Ruído
Ex.:B = 3000 Hz; S/R = 1000 (30dB)Capacidade 30 kbpsB = 20 MHz; S/R = 4 (6dB)Capacidade 46 Mbps
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Equação de Friis (H. T. Friis) Relação entre potência transmitida e recebida Espaço livre, sem obstruções, com as duas antenas
alinhadas e polarizadas, e impedâncias casadas
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4r
t rt
P G GP R
Pr – potência recebidaPt – potência transmitida
Gr – ganho da antena de recepçãoGt – ganho da antena de transmissão
– comprimento de ondaR – distância entre Tx e Rx
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Efeito Doppler Variação do sinal pelo deslocamento da unidade
móvel. ft = freqüência transmitida (= c/).
vr = velocidade relativa do transmissor emrelação ao receptor.
f = aumento da freqüência observada.
λt r rf v vfc
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Modulação Modulação Digital
dados transformados em sinal analógico ASK, FSK, PSK diferenças em eficiência espectral, de consumo de potência e robustez
Modulação Analógica deslocar freqüência do sinal para uma portadora
Motivação antenas menores (e.g., /4) Multiplexação por Divisão de Freqüência características do meio (e.g. tx rate, interferências, propagação) regulamentação
Esquemas básicos Amplitude Modulation (AM) Frequency Modulation (FM) Phase Modulation (PM)
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Modulação – AM, FM e PM
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Modulação Digital Amplitude Shift Keying (ASK):
muito simples ocupa pouca banda muito susceptível a interferências
Frequency Shift Keying (FSK): requer mais banda
Phase Shift Keying (PSK): mais complexo robustez contra interferências
1 0 1
t
1 0 1
t
1 0 1
t
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PSK Advançado BPSK (Binary Phase Shift Keying):
bit 0: senóide bit 1: senóide invertida baixa eficiência espectral muito robusta
QPSK (Quadrature Phase ShiftKeying): 2 bits codificados em cada símbolo símbolo determina deslocamento da
senóide necessita menos banda comparado ao
BPSK mais complexo
DQPSK - Differential QPSK (IS-136, PHS)
11 10 00 01
Q
I01
Q
I
11
01
10
00
A
t
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Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Amplitude Modulation (QAM): combina modulação por
amplitude e fase codificar n bits por símbolo 2n níveis discretos, n=2 idêntico ao QPSK bit error cresce com n, mas relativamente menos erros comparado aos
outros esquemas PSK
Exemplo: 16-QAM (4 bits = 1 símbolo) used in standard 9600 bit/s modems
0000
0001
0011
1000
Q
I
0010
φ
a
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Modulação Hierárquica BPSK QPSK 8 QAM 16 QAM
32 QAM 64 QAM
Q
I
00
10
000010 010101