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Introdução aos SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO H419i Haykin, Simon. Introdução aos sistemas de comunicação [recurso eletrônico] / Simon Haykin, Michael Moher ; tradução Gustavo Guimarães Parma. – Dados eletrônicos. – 2. ed. – Porto Alegre : Bookman, 2008. Editado também como livro impresso em 2008. ISBN 978-85-7780-329-3 1. Telecomunicações. I. Moher, Michael. II. Título. CDU 621.39 Catalogação na publicação: Mônica Ballejo Canto – CRB 10/1023. SIMON HAYKIN | MICHAEL MOHER McMaster University, Hamilton, Space-Time DSP, Ottawa, Ontario, Canada Ontario, Canada Introdução aos SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO SEGUNDA EDIÇÃO Tradução: Gustavo Guimarães Parma Doutor em Engenharia Elétrica pela UFMG Consultoria, supervisão e revisão técnica desta edição: Antonio Pertence Júnior Engenheiro Eletrônico e de Telecomunicações Especialista em Processamento de Sinais (Ryerson University – Canadá) Professor de Telecomunicações da FUMEC/MG Professor Titular da Faculdade de Sabará/MG Membro da Sociedade Brasileira de Eletromagnetismo (SBmag) Versão impressa desta obra: 2008 2008 Obra originalmente publicada sob o título An Introduction to Digital and Analog Communications, 2nd. Edition ISBN 978-0-471-43222-7 Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. This translation published under license. Capa: Gustavo Demarchi, arte sobre capa orginal Preparação de original: Rachel Garcia Valdez Supervisão editorial: Denise Weber Nowaczyk Editoração eletrônica: Techbooks Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à ARTMED® EDITORA S.A. (BOOKMAN® COMPANHIA EDITORA é uma divisão da ARTMED® EDITORA S. A.) Av. Jerônimo de Ornelas, 670 - Santana 90040-340 Porto Alegre RS Fone (51) 3027-7000 Fax (51) 3027-7070 É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web e outros), sem permissão expressa da Editora. SÃO PAULO Av. Angélica, 1.091 - Higienópolis 01227-100 São Paulo SP Fone (11) 3665-1100 Fax (11) 3667-1333 SAC 0800 703-3444 IMPRESSO NO BRASIL PRINTED IN BRAZIL Para os pioneiros da comunicação do século 20, os quais, por meio de suas teorias matemáticas e dispositivos geniais, transformaram nosso planeta em uma vila global. Agradecimentos Os autores gostariam de expressar sua profunda gratidão a: (cid:2) Lily Jiang, anteriormente na MacMaster University, por sua ajuda na execução de vários dos experimentos de computador incluídos no texto. (cid:2) Wei Zhang, por toda ajuda, correções e melhorias que ela fez ao texto. Também agradecem ao Dr. Stewart Crozier e Dr. Paul Guinand, ambos do Centro de Pesquisa em Comunicações, Ottawa, pela ajuda em diferentes partes do livro. Eles estão em débito com Catherine Fields Shultz, Editora Sênior de Aquisições e Gerente de Produtos (Engenharia e Ciência da Computação) da John Wiley and Sons, Bill Zobrist anteriormente da Wiley e Lisa Wojcik, Editora Sênior de Produção da Wiley, pela orientação e dedicação na produção deste livro. Por fim, mas não por menos, eles são gratos a Lola Brooks, MacMaster University, por seu trabalho na preparação do manuscrito e das questões relacionadas com o livro. Prefácio Uma disciplina introdutória de comunicações analógicas e digitais é fundamental para o programa de graduação em engenharia elétrica. Em geral, é oferecida no meio do curso e considera-se que o estudante já tenha cursado disciplinas de cálculo, eletrônica, sinais e sistema e, possivelmente, teoria de probabilidade. Tendo em mente a natureza introdutória dessa disciplina, um livro-texto recomenda- do deve ser de fácil leitura, preciso e conter exemplos, problemas e experimentos de computador em abundância. Essas características são necessárias para facilitar o aprendizado dos fundamentos de sistemas de comunicação em um nível introdutório e de uma maneira eficaz. Este livro foi escrito com esses objetivos em mente. Dada a natureza matemática da teoria de comunicação, é muito fácil o leitor esquecer o lado prático dos sistemas de comunicação. Neste livro, fizemos um esforço especial para não cair nesta armadilha abordando os assuntos de forma ordenada, tentando manter sempre o tratamento matemático em um nível de fácil entendimento e mostrando a relevância prática da teoria sempre que apropriado. FILOSOFIA DA ESTRUTURA DO LIVRO Para facilitar e reforçar a aprendizagem, o formato e a diagramação do livro foram estru- turados para: (cid:2) Motivar a leitura do livro e aprender com ele. (cid:2) Enfatizar conceitos básicos de uma perspectiva de “sistemas”, fazendo isto de forma ordenada. (cid:2) Ilustrar a aplicação da teoria pertinente por meio de exemplos e experimentos de computador, sempre que apropriado. (cid:2) Fornecer problemas de desenvolvimento logo após a discussão de conceitos fundamentais para ajudar o leitor a verificar e reforçar os conceitos sob discussão. (cid:2) Fornecer problemas adicionais ao fim de cada capítulo, alguns de natureza avançada, para estender a teoria estudada no texto. ORGANIZAÇÃO DO LIVRO 1. Motivação. Antes de se envolver com o estudo de comunicações analógicas e digitais, é imperativo que o leitor seja motivado a utilizá-lo e a aprender com ele. Por isso, o Capítulo 1 começa com um histórico de sistemas de comunicação e aplicações importantes do assunto. 2. Teoria da modulação. As comunicações digitais têm sobrepujado as comunicações analógicas como forma dominante de comunicação. Apesar das duas formas de co- municação trabalharem maneira diferente, a teoria da modulação é básica a ambas. Além disso, é mais fácil entender esse importante assunto analisando primeiro seus conceitos fundamentais aplicados a comunicações analógicas e, então, seguir para as comunicações digitais. Também, a modulação em amplitude é mais simples de ser apresentada do que a modulação em ângulo. Outro ponto relevante é o fato de que para entender a teoria da modulação, é importante que a teoria de Fourier seja domi- nada primeiro. Com esses pontos em mente, os Capítulos 2 a 7 estão organizados da seguinte maneira: x Prefácio (cid:2) Capítulo 2 é dedicado à revisão da representação de Fourier para sinais e sistemas. (cid:2) Capítulos 3 e 4 são dedicados às comunicações analógicas, com o Capítulo 3 mostrando a modulação em amplitude e o Capítulo 4 apresentando a modulação em ângulo. (cid:2) Capítulo 5 sobre modulação de pulso cobre os conceitos pertinentes à transição de comunicações analógicas para digitais. (cid:2) Capítulos 6 e 7 são dedicados às comunicações digitais, com o Capítulo 6 cobrindo a transmissão de dados banda base e o Capítulo 7 cobrindo a transmissão de dados banda passante. 3. Teoria da probabilidade e Detecção de sinal. Tal como a análise de Fourier é fundamental para a teoria da modulação, a teoria da probabilidade é fundamental para a detecção de sinal e cálculo de performance do receptor na presença de ruído aditivo. Como a teoria da probabilidade não é crítica para o entendimento da modulação, propositadamente atrasamos a revisão da teoria da probabilidade, sinais aleatórios e ruídos para o Capítulo 8. Então, com um bom entendimento da teoria da modulação aplicada a comunicações analógicas e digitais e com os relevantes conceitos da teoria da probabilidade e modelos probabilísticos, o estágio necessário é revisar receptores de comunicação analógica e digital, como resumido por: (cid:2) Capítulo 9 discute o ruído em comunicações analógicas. (cid:2) Capítulo 10 discute o ruído em comunicações digitais. Como as comunicações analógicas e digitais operam de forma diferente, é natural ver algumas das diferen- ças no tratamento dos efeitos do ruído nestes dois capítulos. 4. Ruído. O estudo introdutório de comunicações analógicas e digitais é completado no Capítulo 11. Este capítulo ilustra os papéis da modulação e ruído em sistemas de comunicação analisando quatro coisas: (cid:2) Primeiro, as fontes físicas do ruído são descritas, principalmente o ruído térmico e o ruído shot. (cid:2) Segundo, as métricas de figura de ruído e temperatura de ruído são introduzidas. (cid:2) Terceiro, é explicado como a propagação afeta a potência do sinal em comunica- ções sem fio, via satélite e terrestre. (cid:2) Finalmente, mostramos como a potência do sinal e os cálculos de ruído podem ser combinados para fornecer uma estimativa da razão sinal/ruído, a figura de mérito fundamental em sistemas de comunicação. 5. Exemplos de temas. Para ressaltar aplicações práticas importantes da teoria de comu- nicações, exemplos de temas são incluídos sempre que apropriado. Os exemplos são retirados tanto das comunicações analógicas quanto digitais. 6. Apêndices. Para fornecer material de apoio ao texto, oito apêndices estão incluídos no final do livro e cobrem o seguinte: (cid:2) Razões de potência e decibel (cid:2) Série de Fourier (cid:2) Funções de Bessel (cid:2) A função Q e sua relação com a função erro (cid:2) Desigualdade de Schwarz (cid:2) Tabelas matemáticas (cid:2) Scripts MATLAB para experimentos de computador dos problemas dos Capítulos 7 a 10 (cid:2) Respostas dos problemas de desenvolvimento Prefácio xi 7. Notas de rodapé. Incluídas ao longo do livro, ajudam o leitor interessado, fornecendo referências selecionadas para o aprendizado avançado. 8. Material auxiliar. O livro é, essencialmente, autocontido. Um glossário de símbolos e bibliografia é apresentado ao final do livro. O professor que adotar o livro terá um manual de soluções detalhado para todos os problemas.* COMO UTILIZAR O LIVRO O livro pode ser utilizado de diversas formas para um curso introdutório sobre comunica- ções analógicas e digitais, dependendo do conhecimento prévio dos estudantes e do interes- se e das responsabilidades do professor. A seguir são mostrados dois modelos: Modelo de curso A: Curso completo em dois semestres (A.1) O curso do primeiro semestre sobre teoria da modulação estuda os Capítulos 2 a 7. (A.2) O curso do segundo semestre sobre ruído em sistemas de comunicação estuda os Capítulos 8 a 11. Modelo de curso B: Cursos de dois semestres, um sobre analógico e outro sobre digital (B.1) O primeiro curso, sobre comunicação analógica, começa como o material de revisão do Capítulo 2 sobre análise de Fourier, seguido pelo Capítulo 3 sobre modulação em amplitude e Capítulo 4 sobre modulação em ângulo. Ele, então, segue com uma revisão de partes relevantes do Capítulo 8, sobre ruído e, finalmente, termina com o Capítulo 9 sobre ruído em comunicações analógicas. (B.2) O segundo curso sobre comunicações digitais começa com o Capítulo 5 sobre mo- dulação de pulso, seguido pelo Capítulo 6 sobre transmissão de dados banda base e Capítulo 7 sobre técnicas de modulação digital. Ele, então, segue com uma revisão de aspectos relevantes sobre a teoria da probabilidade no Capítulo 8 e, finalmente, termina com o Capítulo 10 sobre ruído em comunicações digitais. Simon Haykin Ancaster, Ontário, Canadá Michael Moher Ottawa, Ontário, Canadá * Os professores interessados neste manual devem acessar a Área do Professor no site da Editora, www.bookman.com.br.