Fatores de degradação de sinais em radiopropagação

      Desvanecimento refere-se a flutuações ou variações na intensidade de um sinal durante sua recepção. Esse fenômeno pode acontecer em todos os modos de propagação via rádio. Na propagação por onda terrestre, as duas frentes de onda – a direta e a oriunda de multipercurso – chegam defasadas ao receptor, causando, por vezes, o cancelamento do sinal. Em áreas onde prevalece a propagação por onda celeste, o desvanecimento pode decorrer de duas frentes de onda celeste que tenham percorrido percursos diferentes, chegando, portanto, defasadas ao receptor.
     As variações na absorção e no comprimento do caminho da onda na ionosfera também podem provocar desvanecimento. Uma variação repentina na ionosfera causa a completa absorção de toda a irradiação da onda celeste. O desvanecimento se manifesta, ainda, quando o receptor se localiza perto da fronteira da zona de silêncio ou quando a frequência de operação está próxima ao valor da MUF. Nesses casos, pode ocorrer queda da intensidade do sinal recebido a níveis praticamente nulos.
     Para tentar amenizar os efeitos do desvanecimento, aplica-se a técnica de diversidade, que consiste em utilizar mais de um receptor em regiões com desvanecimento profundo, combinando-os ou selecionando-os mutuamente para obter a melhor recepção possível. Esses receptores devem ter pouca correlação entre si em termos de qualidade de recepção, ou seja, não podem sofrer deterioração de qualidade ao mesmo tempo. Para implementar a técnica de diversidade, muitos são os recursos possíveis:
     a) Diversidade de espaço – Recepção por diferentes antenas (em diferentes posições).
     b) Diversidade de frequência – Diferentes frequências de RF, sempre com as mesmas informações de banda básica.
     Diversas fontes de ruído afetam a recepção da onda de rádio. Elas podem ser naturais, quando o ruído é originado na natureza, ou artificiais, quando o ruído é gerado pelo ser humano.
     No primeiro caso enquadram-se o ruído atmosférico, geralmente a maior causa de ruído na faixa de alta frequência, sendo maior nas regiões equatoriais, diminuindo com a latitude crescente, e o ruído cósmico, oriundo do espaço sideral, afetando mais as altas frequências.
     Entre os ruídos provocados pelo ser humano encontram-se a ignição de motores de combustão, linhas de transmissão, lâmpadas fluorescentes, máquinas em geral e cabos elétricos. Como os ruídos artificiais atuam, em geral, verticalmente polarizados, a utilização de uma antena polarizada horizontalmente auxiliará na redução dos efeitos do ruído.
     A camada D da ionosfera atenua as ondas que a atravessam. A capacidade de atenuação varia de acordo com o ciclo solar, sazonalmente e ao longo do dia, sendo maior no verão e ao meio-dia, conforme o grau de ionização da camada D.
     As condições climáticas influenciam a propagação, determinando principalmente as distâncias dos percursos e atenuações. A chuva, por exemplo, provoca atenuação por absorção de energia, atuando como um dielétrico que dissipa a potência absorvida na forma de aquecimento ou espalhamento. Seu efeito é mais significativo para as frequências acima da faixa de VHF. O nevoeiro causa efeito parecido, sendo mais crítico em altas frequências, acima de 2 GHz.

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Tipos de ondas em telecomunicações

     Basicamente, há dois tipos de ondas eletromagnéticas transmitidas: onda terrestre e onda celesteo.

     Onda terrestre

     A onda terrestre ou superficial é uma onda cujo modo de propagação depende das características de condutividade do solo e do relevo de uma região. Dependendo da condutividade dos meios que encontra em seu percurso, uma   porção da energia da onda superficial é absorvida pelo solo. O grau de absorção varia de maneira inversamente proporcional à condutividade da superfície: quanto maior a condutividade, menor a absorção e maior o ângulo de inclinação (o ângulo entre a superfície e o plano de transmissão), resultando em maior alcance da onda superficial. Por exemplo, transmissões sobre água salgada têm alcance consideravelmente maior que transmissões sobre o solo.
     A propagação por onda terrestre pode apresentar dois tipos de ondas: onda direta
e onda refletida.
     A onda direta se propaga quase em linha reta entre o transmissor e o receptor.
     Na verdade, é ligeiramente inclinada em direção à superfície, devido à refração na troposfera, com distância de transmissão indo além do horizonte visual. É também chamada de onda troposférica.
    A onda refletida é a porção da onda terrestre que se reflete na superfície. A intensidade com que ela é refletida depende do coeficiente de reflexão da superfície contra a qual se choca e do ângulo de incidência. Embora esse ângulo e o ângulo de reflexão sejam iguais, há defasagem de 180o na fase das ondas incidente e refletida. Esse tipo de onda é considerado indesejável em certos casos, podendo provocar o cancelamento completo da onda na antena receptora, caso esta receba simultaneamente as ondas direta e refletida com a mesma amplitude.
     Contudo, em geral o cancelamento é parcial, pois, além de a defasagem não ser exatamente de 180o, pelo fato de a onda refletida demorar mais tempo para chegar à antena receptora, a onda refletida pode apresentar menor intensidade causada pela absorção parcial da onda irradiada.

     Onda celeste

     A onda celeste se propaga na atmosfera por meio de refrações na ionosfera, retornando à superfície terrestre. Ao retornar, ela pode ser refletida na ionosfera, repetindo o processo e possibilitando transmissões a longas distâncias.
     A ionosfera influi de maneira decisiva na propagação por onda celeste, pois pode agir como condutor, absorvendo parte da energia da onda transmitida, ou como espelho rádio, refratando a onda celeste na superfície. A capacidade da ionosfera de retornar uma onda de rádio depende de fatores como densidade de íons, ângulo de irradiação e frequência de transmissão. Em algumas situações, a onda nem mesmo é refratada, atravessando a ionosfera.
     A distância entre a antena transmissora e o ponto de retorno à superfície depende do ângulo de irradiação, que é limitado pela frequência (quanto maior a frequência, mais difícil é a refração), apesar de resultar em maior alcance. Cada camada da ionosfera pode refratar ondas de rádio até uma frequência máxima, a MUF (maximum usable frequency – máxima frequência útil).
     Dessa análise, pode-se concluir que existe uma frequência ótima, a OWF (optimum work frequency – frequência ótima de trabalho), que representa certo percentual da MUF. Além do estado da ionosfera, fatores como comprimento do circuito, ciclo solar e sazonalidade são usados para estabelecer a MUF para cada hora e camada da ionosfera ou para fazer uma predição de seu valor com base em observações efetuadas ao longo do tempo.
     O ângulo de irradiação é outro fator importante. Acima de determinada frequência, as ondas transmitidas não são refratadas, pois seguem pelo espaço.
     Contudo, se o ângulo de irradiação for reduzido, parte das ondas de alta frequência retorna à superfície. O ângulo limite a partir do qual não ocorre reflexão da onda na ionosfera é chamado de ângulo crítico para determinada frequência.
     Vamos analisar a seguinte situação: uma onda incidindo sobre uma superfície que separa dois meios, os quais têm, portanto, índices de refração diferentes, n1 e n2.
     Na refração, temos:

          n1 · senθ1 = n2 · senθ3

em que:

           n = velocidade da luz no vácuo velocidade da luz no meio.

     Na reflexão, temos:

           θ1 = θ2

     O ângulo de irradiação é determinado em função da frequência utilizada e da distância entre transmissor e receptor, de maneira aproximada.
     O caminho percorrido pela onda de rádio desde o transmissor até o retorno à superfície é denominado salto. Dependendo da distância até o receptor, a onda pode efetuar mais de um salto (a onda reflete na Terra e volta à ionosfera, onde é refratada, e assim por diante). Durante o percurso, ocorrem dois fenômenos:
     • Distância de salto – Distância entre o transmissor e o retorno à superfície, ou distância entre os saltos efetuados.
     • Zona de silêncio – Região na superfície terrestre que se estende desde o limite do alcance da onda superficial até o ponto de retorno. Nenhuma onda transmitida é recebida nessa zona. 

     As camadas que formam a ionosfera sofrem consideráveis variações em altitude, densidade e espessura, devido à variação na atividade solar. Durante os períodos de máxima atividade solar, a camada F é mais densa e se forma nas altitudes maiores, influenciando decisivamente a distância de salto e o alcance das ondas de rádio transmitidas. À noite, com a ausência de atividade solar, os sinais que seriam normalmente refratados pelas camadas D e E são refratados pela camada F, resultando em maior distância de salto.
     O sinal transmitido não chega ao receptor com a mesma potência. A propagação das ondas de rádio impõe perdas ao sinal, existindo diversas causas para a degradação do sinal.

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O funcionamento de uma antena

     A antena é um dispositivo que transforma corrente elétrica de radiofrequência oriunda do transmissor em energia eletromagnética irradiada. Na recepção, a antena realiza o inverso, ou seja, transforma a energia eletromagnética irradiada em corrente de RF para ser entregue ao receptor. Portanto, sua função é primordial em qualquer comunicação em que exista radiofrequência.
      Seu dimensionamento é feito em função do comprimento de onda λ, que é definido de acordo com a frequência ou faixa de frequências de operação do sistema rádio.
     Uma antena funciona da seguinte maneira: o transmissor produz o sinal da informação na forma de corrente alternada (corrente de radiofrequência). Ao circular na antena de transmissão, a corrente de RF produz uma onda eletromagnética a seu redor, que se irradia pelo ar. Ao atingir uma antena receptora, a onda eletromagnética induz nela uma pequena corrente elétrica, cujas oscilações acompanham o movimento da onda. Essa corrente é muito mais fraca do que a presente na antena transmissora, sendo amplificada no receptor.
     A antena tem o comportamento de um circuito ressonante em série, conforme mostra a a figura.

     A faixa de operação da antena ou largura de banda é definida quando ela opera próximo à frequência de ressonância, apresentando comportamento praticamente resistivo, com anulação das impedâncias capacitiva e indutiva do circuito equivalente ressonante.
     Do ponto de vista elétrico, a antena pode ser vista como impedância, com componentes resistivos, capacitivos e indutivos. A impedância da antena na faixa de operação deve ter o mesmo valor apresentado pela linha de transmissão à qual a antena está ligada. Caso contrário, ocorrerá descasamento de impedâncias entre a linha de transmissão e a antena, provocando perdas de energia, devido a reflexões.
     Essa energia refletida, somada com a energia incidente, gera na linha de transmissão uma onda estacionária, prejudicando a comunicação. 

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Nível relativo (dBr)

     Essa unidade indica a atenuação ou o ganho em pontos distintos do circuito em comparação com outro ponto do mesmo circuito, chamado de ponto de referência ou ponto de nível relativo zero (0 dBr). Em geral, esse ponto é virtual.
     Como antigamente se utilizava em testes de circuitos o tom de 1 mW referente ao nível de voz humana, considera-se ainda 0 dBr um ponto de 0 dBm.
     É importante notar que a unidade dBr não oferece nenhuma informação sobre o nível de potência absoluta no ponto. Para relacionarmos os diversos pontos de um sistema com a referência adotada, construímos diagramas de níveis, com os quais podemos visualizar todo o comportamento de um sistema referente a seus ganhos ou atenuações.
     A figura representa um diagrama de nível relativo de uma linha de transmissão, em que B é o ponto de referência de nível relativo zero, o qual indica obrigatoriamente um ponto físico no sistema.

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Nível de potência (dBm)

     Comumente, em telecomunicações, torna-se necessária a representação das grandezas em unidades de potência na ordem de miliwatts – por exemplo, em níveis de transmissão de aparelhos celulares. Nesses casos, a potência de um sinal pode ser comparada a um sinal de referência de 1 mW e, para expressarmos as unidades logarítmicas, utilizamos o seguinte recurso:

      A potência P deve ser expressa em mW (1 ∙ 10–3 W), observando que os níveis absolutos em dBm nunca devem ser somados, subtraídos, multiplicados ou divididos.
     O valor de potência em dBm só pode ser somado a dB.
     O dB é um número relativo e permite representar relações entre duas grandezas de mesmo tipo, como relações de potências, tensões, correntes ou qualquer outra relação adimensional. Portanto, permite definir ganhos e atenuações, relação sinal/ruído, dinâmica etc.
     Por definição, uma quantidade Q em dB é igual a 10 vezes o logaritmo decimal da relação de duas potências, ou seja:
     Q(dB) = 10 log (P1/P2).
     Como a potência é proporcional ao quadrado da tensão dividida pela resistência do circuito, temos, aplicando as propriedades dos logaritmos (o log. do quadrado de n é duas vezes o log. de n):
     Q (dB) = 20 log (V1 / V2) + 10 log (R2 / R1)
     O dBm é uma unidade de medida de potência: 0 dBm = 1 mW (Não importa em qual resistência!)
     P (dBm) = 10 log P (mW)
     Portanto : 3 dBm = 2 mW, 30 dBm = 1W, -30 dBm = 1 microW
     Para a soma de dBm com dBm ou dB com dBm levamos em consideração duas situações:
     a) Soma de sinais não coerentes (ruído branco ou sinais de frequências diferentes):
     Por exemplo, qual é a potência total de um sinal com 10 dBm somado a um ruído de 6 dBm?
     Solução: a diferença entre as parcelas é 10 dBm - 6 dBm = 4 dB (Obs.: subtrair potências em unidades logarítmicas equivale a fazer um quociente em unidades lineares, portanto, o resultado é um numero adimensional, o dB). No gráfico da figura seguinte, obtemos para uma diferença de 4 dB o valor de 1,45 dB. A soma dos dois sinais tem uma potência de 10 dBm + 1,45 dB = 11,45 dBm.

     Para soma de dBm com dBm ou dB com dBm levamos em consideração duas situações:
     b) Sinais não coerentes se somam em potência: Sinais coerentes (mesma frequência) se somam (vetorialmente) em tensão. É preciso calcular esta soma vetorial de tensão e depois passá-la para potência. No caso de 2 sinais não coerentes, temos:
     P1 = potência maior, P2 = potência menor, diferença em dB : dP(dB) = P1(dBm) – P2(dBm) = 10log(P1/P2) : escala superior do gráfico acima. valor a ser somado (em dB) à maior potência (em dBm): 10log[(P1+P2)/P1] = 10log[1+(P2/P1)]; como P2/P1 = antilog(-dP/10), temos: 10log(1+antilog(-dP/10)) : escala inferior do gráfico acima.
     Somar x dB a uma potência em dBm equivale a multiplicar esta potência em unidades lineares (W, por exemplo) por um número adimensional igual ao antilog(x/10), portanto resulta em uma nova potência, e que pode ser expressa por exemplo em dBm. Portanto, a soma de dBm com dB resulta em dBm!
     Da mesma forma, subtrair dB de uma potência em dBm equivale a dividir esta potência por um numero adimensional, resultando em uma nova potência.
     Portanto, subtrair dB de dBm resulta em dBm!
     Obs.: Somar diretamente os valores em dBm não faz sentido, pois equivale a multiplicar essas potências em unidades lineares. Por exemplo, as seguintes somas de sinais não coerentes:
     0 dBm + 0 dBm = 3 dBm (e não 0 dBm!)
     0 dBm + 3 dBm = 4,76 dBm (e não 3 dBm!)
     -2 dBm + 2 dBm = 3,45 dBm (e não 0 dBm!)
     O sinal + se refere às unidades lineares de potência, ou seja, indica que estamos somando as potências em unidades lineares (W, mW, etc...) correspondentes aos valores em dBm.
     Mas:
     0 dBm + 0 db = 0 dBm
     0 dBm + 3 dB = 3 dBm
    -2 dBm + 2 dB = 0 dBm
     Outras unidades de potência:
     • dBW = potência de referência = 1 W;
     • dBk = potência de referência = 1 kW;
     • dBRAP (reference acoustical power) = potência de referência = 10–16 W.

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Decibel (dB)

     Em um dispositivo qualquer, aplica-se a potência de entrada P1 e se obtém na
saída a potência P2
     Para determinar se houve atenuação ou ganho de potência, podemos utilizar as
relações:

     Nesses casos, emprega-se a unidade de medida decibel (dB), que é um submúltiplo do bel; 1 dB corresponde à menor variação sonora perceptível pela orelha humana.
     Conforme tais relações, percebemos que, se a potência de entrada (P1) for maior que a potência de saída (P2), ocorreu atenuação positiva, ou seja, ganho negativo; se P2 for maior que P1, ocorreu ganho positivo. Para maior conveniência, trabalharemos apenas com relações de ganho.
     O ganho total de um sistema será calculado da seguinte maneira:
     GT = G1 + G2 + ... + Gn
     em que:
     • GT é o ganho total do sistema.
     • G1, G2, ..., Gn são os ganhos dos diversos estágios independentes. 

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Unidades de medida em telecomunicações

     Quando o ouvido humano detecta um sinal emitido no ambiente, a intensidade desse sinal varia em função de sua frequência. Cada pessoa, no entanto, tem determinada percepção da intensidade sonora, de acordo com a faixa de frequência que é capaz de ouvir. Em média, a condição é a mostrada na figura.

     Analisando a curva de resposta do ouvido humano, podemos observar que:
          1.A banda máxima de frequências audíveis está compreendida entre 16 Hz e 20 kHz.
          2.A maior parcela de potência audível está na faixa de 300 Hz a 3 400 Hz, sendo máxima na frequência de 1 kHz, em que a inteligibilidade cai apenas em torno de 8%.
          3.A elevação da intensidade sonora percebida pela orelha humana obedece à escala logarítmica. Assim, quando a intensidade do som dobra, a potência foi elevada ao quadrado; para termos a percepção de aumento de três vezes a amplitude, a potência foi elevada ao cubo, e assim por diante. É por essa razão que adotamos as medidas sonoras em  Decibéis (dB). 

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Sinais elétricos em telecomunicações

     Para que as informações sejam transmitidas em um sistema de comunicação, é necessário transformá-las em sinais elétricos. Esses sinais são variações de tensões elétricas no decorrer do tempo e podem ser de dois tipos:
     a) Sinal analógico – O sinal pode assumir infinitos valores de amplitude no decorrer do tempo (figura 1).

Figura 1 sinal analógico

     b) Sinal digital – O sinal pode assumir valores de amplitude predeterminados no decorrer do tempo (figura 2).

Figura 2 sinal digital

     O sinal digital mais comum em transmissão de dados é o trem de pulsos. Trata-se de um conjunto de bits transmitido sequencialmente no tempo, em determinada velocidade, expresso em bits por segundo (figura 3). 

Figura 3 Trem de pulsos

      Um sinal elétrico pode ser denominado:
     a) Periódico – Quando é repetitivo em intervalos de tempo iguais. O intervalo de repetição é chamado de período (T), dado em segundos. O período equivale ao tempo de realização de um ciclo. Já o número de ciclos realizados por segundo é denominado frequência, medida em hertz (Hz).
     b) Aperiódico – Quando não é repetitivo.
     c) Finito – Quando ocorre em um espaço de tempo finito.
     d) Aleatório – Quando tem comportamento imprevisível. Ex.: o ruído elétrico.
     e) Pseudoaleatório – Aparentemente aleatório, mas de certa maneira previsível.
     Ex.: criptografia.

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Sistema de comunicação

      Para que haja comunicação entre pelo menos dois pontos, são necessários basicamente:
     • Informação: voz, imagem e dados.
     • Alguém ou algo que transmita a informação: terminal fonte.
     • Alguém ou algo capaz de receber a informação: terminal destino.
     • Um meio físico para transmitir a informação: canal de comunicação.
     Esse conjunto de elementos para estabelecer uma comunicação é denominado sistema de comunicação. A rede de telefonia e a internet permitem a troca de informações diversas entre usuários, utilizando terminais tecnicamente compatíveis com cada sistema. O diagrama da figura 1 representa um sistema de comunicação analógico elementar.

Figura 1    Diagrama de sistema de comunicação
analógico elementar.

     Cada um desses estágios tem funções específicas no sistema de comunicação:
     • Fonte de informação – Gera a informação. Ex.: um locutor narrando um jogo de futebol ou uma pessoa falando ao telefone.
     • Transdutor da transmissão – Converte um tipo de energia em outra. Ex.: microfone, que converte as ondas sonoras da voz em sinais elétricos, e câmera de vídeo, que converte a imagem em sinais elétricos.
     • Transmissor (Tx) – Fornece a potência necessária para amplificar o sinal elétrico, a fim de que ele percorra longas distâncias, uma vez que sua energia vai se perdendo ao longo da transmissão pelo canal de comunicação (fios elétricos ou espaço livre) até ao receptor. Também é responsável pelos processos de modulação e codificação, que serão detalhados nos próximos capítulos.
     • Canal de comunicação – É o meio físico entre o transmissor e o receptor, pelo qual transitam os sinais elétricos ou eletromagnéticos da informação. Ex.: par trançado, fibra óptica, cabo coaxial, espaço livre.
     • Receptor (Rx) – Recebe os sinais da informação, faz sua demodulação e decodificação e o direciona ao transdutor da recepção.
     • Transdutor da recepção – Converte os sinais da informação em imagem, som, texto etc. Ex.: alto-falante e tela de TV.
     • Destinatário – É aquele a quem a mensagem se destina. Ex.: o ouvinte de uma rádio ou o telespectador de uma emissora de TV.
     Exemplos de sistemas de comunicação:
     • Telefonia móvel celular.
     • Sistema de comunicação via satélite.
     • Sistema de rádio ponto a ponto em micro-ondas.
     • Sistemas UHF e VHF de televisão.
     • Redes ópticas de comunicação. 

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Telecomunicações

     Telecomunicações pode ser definida como a transmissão de informações entre pontos distantes, por meio de sistemas eletrônicos e meios físicos. Seu desenvolvimento ocorreu de maneira gradativa, impulsionado por invenções como:
     • O telégrafo, em 1844, por Samuel Morse (1791-1872), utilizado pela primeira vez para transmitir mensagens por código Morse entre as cidades de Washington e Baltimore, nos Estados Unidos.
     • O telefone, em 1876, por Alexander Graham Bell (1847-1922), capaz de transmitir a voz de modo inteligível usando sinais elétricos por fios condutores.
     • O rádio, em 1895, por Marchese Guglielmo Marconi (1874-1937), aparelho que transmite sinais telegráficos sem fios condutores.
     • O telefone celular, em 1956, por técnicos da empresa Ericsson, modelo que ficou conhecido como MTA (Mobile Telephony A).
     • O satélite artificial Sputnik, lançado em 1957.
     • O satélite de comunicações Telstar, em 1962, que permitiu a transmissão de conversações telefônicas, telefoto e sinais de televisão em cores.
     • A rede Arpanet, depois chamada de internet, em 1969, pelo governo dos Estados Unidos, para a comunicação entre instituições de pesquisa norte-americanas.
     Até meados dos anos 1990, a telefonia fixa foi o meio de comunicação mais utilizado para troca de informações entre usuários distantes. Nessa mesma década, com o popularização da internet e da telefonia celular, ocorreu uma revolução não apenas tecnológica, mas também cultural, na forma como as pessoas passaram a trocar informações.
     Hoje, se for conveniente, não precisamos mais sair de casa para fazer compras, pagar uma conta ou ler um jornal. Graças ao desenvolvimento das telecomunicações, temos a notícia em tempo real, podemos conhecer lugares distantes, aprender outras culturas, fazer novos amigos, tudo isso sem sair da frente da tela do computador. Quem imaginaria ser possível escrever uma “carta” que em poucos segundos chega ao destinatário? O e-mail é capaz disso.
     A telefonia também ampliou a forma de comunicação, ou seja, ela acontece sem fio e sem fronteiras. O telefone deixou de ser um simples aparelho para falarmos e passou a ser um computador em tamanho reduzido. Além de utilizarmos o telefone para falar a longas distâncias, podemos usar a internet associada à tecnologia VoIP ( Sigla de Voice over Internet Protocol voz sobre IP). As novas tecnologias estão mudando o modo de nos comunicarmos.

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