Princípios de telecomunicações: Teoria e prática

321 Pages·2009·77.302 MB·Portuguese

by  Júlio César de Oliveira Medeiros

-
MEDE,ROS
JULIO CESAR IJE O.,
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Julio Cesar de O. Medeiros
Princípios de Telecomunicações
Teoria e Prática
5ª Edição Revisada
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1
Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição
ISBN 978-85-365-2200-5
DADOS INTERNACIONAIS DE CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO (CIP)
ANGÉLICA ILACQUA CRB-8fl057
Medeiros, Julio Cesar de O.
Saraiva Educação Ltda.
Princípios de telecomunicações : teoria e prática / Julio
Cesar de O. Medeiros. - 5. ed. rev. - São Paulo : Érica, 2016.
Rua Henrique Schaumann, 270
Pinheiros - São Paulo - SP - CEP: 05413-01 O
Bibliografia
PABX (11) 3613-3000
ISBN 978-85-365-2200-5
1. Telecomunicações 2. Sistemas de telecomunicação -
Digital 3. Sistemas de telecomunicação - Analógico 1. Título
0800-0117875
SAC
De 2ª a 6ª, das 8h30 às 19h30
Editado também CDD-384
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1. Telecomunicações
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Assistentes editoriais Paula Hercy Cardoso Craveiro
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Rosana Aparecida A. Santos
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Agradecimentos
À minha esposa e aos meus filhos, aos amigos professores e alunos da Engenharia Elé
trica da Universidade Estácio de Sá pelas palavras de incentivo que muito contribuíram para a
elaboração do livro;
Ao engenheiro e professor Rudnei Karam pela valiosa colaboração na leitura e sugestões
apresentadas nos capítulos Ondas de Rádio, Antenas e Propagação;
Ao Exército Brasileiro pela minha formação de Militar, Engenheiro e Mestre em Ciências.
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Sumário
Capítulo 1 - Conceitos Básicos em Telecomunicações ............................................................. 13
1.1 Resumo histórico .................................................................................................................. 13
1.2 Introdução ............................................................................................................................. 14
1.3 O engenheiro e o técnico da área elétrica ............................................................................ 14
1.4 Organismos de telecomunicações ........................................................................................ 16
1.4.1 Organismos internacionais ......................................................................................... 16
1.4.2 Organismos nacionais ................................................................................................ 17
1.5 Fiscalização e reconhecimento da profissão ........................................................................ 18
1.6 Conceituações ...................................................................................................................... 18
1.7 Fundamentos de sistemas de comunicações ....................................................................... 19
1.8 Exemplos de sistemas de comunicações ............................................................................. 21
1.8.1 Sistema de telefonia de rede fixa comutada ............................................................... 21
1.8.2 Sistema de comunicações por fibras ópticas ............................................................ 22
1.8.3 Sistema de telefonia móvel celular ............................................................................ 23
1.8.4 Sistema de telefonia fixa celular ................................................................................ 24
1.8.5 Sistema rádio em HF (high-frequency) ...................................................................... 25
1.8.6 Sistema rádio em visibilidade .................................................................................... 26
1.8.7 Sistema de comunicações por tropodifusão .............................................................. 27
1.8.8 Sistema de comunicações por satélite ...................................................................... 27
1.8.9 A Internet ................................................................................................................... 30
1.8.1 OS istema de ondas portadoras sobre linhas de potência .......................................... 30
1.8.11 Sistemas de radiodifusão (broadcasting) ................................................................ 31
1.9 Classificação dos sistemas ................................................................................................... 32
1.1O D esempenho do sistema .................................................................................................... 33
1.1O .1 Confiabilidade .......................................................................................................... 33
1.10.2 Qualidade ................................................................................................................ 33
1.10.3 Segurança das comunicações ................................................................................. 33
1.1O .4 Rapidez de resposta ................................................................................................ 34
1.1O .5 Fiex ib ilidade .............................................................................................................
34,
1.11 Duplicação dos meios ......................................................................................................... 35
1.12 Recuperação e manutenção do sistema ............................................................................ 35
1.13 Modalidades de comunicações ........................................................................................... 35
1.14 O enlace de comunicações ................................................................................................. 36
1.15 Canal rádio e circuito rádio ................................................................................................. 38
1.16 Ilustração do emprego de múltiplos sistemas ..................................................................... 39
Capítulo 2 - Os Sinais Elétricos da Informação .......................................................................... 41
2.1 Recapitulação ....................................................................................................................... 41
2.2 Denominação dos sinais elétricos ........................................................................................ 42
2.3 O sinal periódico ................................................................................................................... 42
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2.3.1 Parâmetros e unidades de medida ............................................................................ 43
2.3.2 Onda .................................................................................................................... ...... 45
2. 4 Sinais senoidal e cossenoidal ............................................................................................. .. 47
2.5 Série de Fourier .......................................................................................................... .......... 49
2.6 Representação vetorial do sinal ............................................................................................ 51
2.7 Sinais analógicos da informação .......................................................................................... 52
2.8 Transdutores e sensores ................................................................................................... ... 53
2.9 Amplificadores e atenuadores ............................................................................................... 55
2. 1 OA copladores ........................................................................................................................ 56
2. 11 Filtros de ondas elétricas ............................................................................................... ..... 57
2.12 Sinais digitais ...................................................................................................................... 59
2. 13 Geração dos bits ................................................................................................................. 63
2.14 Códigos de caracteres ........................................................................................................ 64
2.15 Conversão do sinal analógico em digital (A/D) ................................................................... 68
2.15.1 PCM (Pulse Code Modulation) ................................................................................ 68
2.15.2 DM (Delta Modulation) ............................................................................................. 71
2.16 Conversão D/A do sinal PCM ............................................................................................. 72
2.17 Outros moduladores digitais: PWM e PPM ......................................................................... 72
2.17.1 PWM (Pulse Width Modulation) ............................................................................... 72
2.17. 2 PPM (Pulse Position Modulation) ............................................................................ 73
2. 18 Formatos dos sinais binários .............................................................................................. 73
2.19 O olho padrão ..................................................................................................................... 74
2.20 O canal de comunicações ................................................................................................... 75
Capítulo 3 - Os Canais de Comunicações e o Ruído Elétrico .................................................... 77
3. 1 Conceito de canal ................................................................................................................. 77
3. 2 Tipos e características dos canais ........................................................................................ 77
3.2.1 Canal fio ............................................................................................................... ...... 77
3.2.2 Canal rádio ................................................................................................................ 78
3. 2.3 Canal fibra óptica ....................................................................................................... 78
3.3 Propriedades dos canais de comunicações .......................................................................... 79
3.3.1 Atenuação da intensidade do sinal ............................................................................ 79
3.3.2 Limitação em largura de faixa ou largura de banda ................................................... 79
3.3.3 Retardo ................................................................................................................. ..... 80
3.4 Principais distúrbios nos canais de comunicações ............................................................... 80
3.4.1 O ruído elétrico ........................................................................................................ .. 81
3.4.2 Distorção do sinal ...................................................................................................... 81
3.4.3 Sinais interferentes ou espúrios ................................................................................ 81
3.5 Distúrbios específicos do canal rádio .................................................................................... 82
3.5.1 Ondas de multipercurso ............................................................................................. 82
3.5.2 Desvanecimento (fading) ........................................................................................... 83
3.5.3 Ação da chuva sobre as ondas de rádio .................................................................... 83
3. 5.4 Efeito Doppler .......................................................................................................... .. 84
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3.5.5 Formação de dutos no percurso da onda .................................................................. 85
3.6 Recepção em diversidade .................................................................................................... 86
3.7 O ruido elétrico ..................................................................................................................... 87
3.7.1 Importância e conceito de ru ído ................................................................................ 87
3.7.2 Fontes externas de ruído ........................................................................................... 88
3.7.3 Relação sinal/ru ído .................................................................................................... 89
3.7.4 Fonte interna de ruído ............................................................................................... 90
3.7.5 Potência de ru ído ...................................................................................................... 93
3.8 O decibel (dB) ....................................................................................................................... 94
3.8.1 Cálculos em dB .......................................................................................................... 95
3.8.2 Cálculos de potência em dBW, dBm e dBµ .............................................................. 95
Capítulo 4 - As Ondas de Rádio .................................................................................................... 99
4.1 Introdução ............................................................................................................................. 99
4.2 O transmissor e a linha de transmissão ............................................................................... 100
4.3 O receptor e a linha de recepção ......................................................................................... 100
4.4 Natureza da onda eletromagnética e o mecanismo de propagação .................................... 101
4.5 Velocidade de propagação e comprimento de onda ............................................................ 105
4.6 Unidades e medida do campo elétrico ................................................................................. 106
4.7 Polarização da onda ............................................................................................................ 106
4.8 Polarização ortogonal ou polarização cruzada .................................................................... 107
4.9 Blindagem: a gaiola de Faraday .......................................................................................... 108
4.1O O espectro de frequências ................................................................................................ .1 1 O
4.11 Denominações das faixas de frequências ......................................................................... 111
4.12 Designação por letras das faixas de frequências em GHz .................................................... 11 2
4.13 Espectro da luz visível ....................................................................................................... 112
4.14 Atenuação da onda devido ao espaço livre ....................................................................... 11 3
Capítulo 5 - O Rad iotransm issor ................................................................................................. 115
5.1 lntrodução ............................................................................................................................ 115
5. 2 Descrição dos estágios ........................................................................................................ 116
5.2.1 Circuito oscilador ...................................................................................................... 116
5.2.2 Estágio separador ..................................................................................................... 11 8
5.2.3 Estágio amplificador de potência de RF ................................................................... 118
5.2.4 Fonte de alimentação ............................................................................................... 11 9
5.2.5 Informações complementares .................................................................................. 11 9
5.3 Modulação analógica da onda de rádio ............................................................................... 120
5.4 Modulação em amplitude (AM/DSB) .................................................................................... 121
5.4.1 Onda AM no domínio do tempo ................................................................................1 21
5.4.2 Onda AM/DSB no domínio da frequência ................................................................. 124
5.5 Tipos particulares de AM: SSB, ISB e AM compatível ............................................................ 125
5. 5. 1 SS B - single side band ou banda lateral singela ...................................................... 125
5.6 Modulação em frequência (FM) ........................................................................................... 129
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5.6.1 Onda FM no domínio do tempo .............................................................................. . 130
' ' d f
5.6.2 Onda FM no do m1n10 a requenc1a ....................................................................... . 131
A '
5.7 Transmissão dos sinais de televisão .................................................................................. 133
5.8 Recursos do transmissor ................................................................................................... . 136
5.9 Transmissão de dados em HF ............................................................................................ 137
5.1O U tilização de subtons e sobretons .................................................................................... 138
5.11 Amplificador de potência ................................................................................................. .. 139
5.12 Emprego de estações radiorrepetidoras ........................................................................... 140
5.12.1 Repetidora singela ................................................................................................. 141
5. 12.2 Repetidora de transceptores acoplados ................................................................ 141
5. 13 Alocação de frequências ................................................................................................... 143
5.14 Classes de emissão ....................................................................................................... ... 144
Capítulo 6 - O Radiorreceptor ..................................................................................................... 147
6.1 Introdução .......................................................................................................................... 147
6. 2 Descrição dos estágios .................................................................................................... ... 149
6.2.1 Estágio de RF .......................................................................................................... 149
6.3 Demodulador de produto no receptor de SSB .................................................................... 153
6.4 Propriedades do receptor super-heteródino ....................................................................... 155
6. 5 O receptor de FM ................................................................................................................ 156
6.6 O receptor de televisão ................................................................................................... .... 160
Capítulo 7 - Linhas de Transmissão ........................................................................................... 167
7.1 Introdução ........................................................................................................................... 167
7.2 Circuito elétrico equivalente à linha de transmissão ........................................................... 168
7. 3 Características elétricas ................................................................................................. ..... 169
7.4 Potências incidente e refletida, ondas estacionárias .......................................................... 171
7.5 Estudo de E, e Z em função da terminação da linha ........................................................ 175
1
7. 6 O transformador casador de impedâncias .......................................................................... 176
7. 7 Cabos irradiantes de RF ................................................................................................... .. 178
Capítulo 8 - Antenas .................................................................................................................... 181
8.1 Recapitulação ..................................................................................................................... 181
8. 2 Tipos de antena .................................................................................................................. 182
8. 2.1 Antena de fio ............................................................................................................ 182
8.2.2 Antena de tubos metálicos ...................................................................................... 183
8. 2.3 Antena vertical ......................................................................................................... 184
8.2.4 Antena de fitas metálicas ......................................................................................... 185
8.2.5 Antena de abertura .................................................................................................. 185
8.2.6 Antena microstrip ..................................................................................................... 185
8.2.7 Arranjo ou empilhamento de antenas ...................................................................... 186
8.3 Radiador isotrópico ............................................................................................................. 186
8.4 Diagramas de radiação ..................................................................................................... .. 186
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8.5 Antena dipolo .. 187
•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
8.6 Antena vertical 189
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
8.7 Sintonia da antena 192
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
8.8 Regiões dos campos de uma antena 193
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
8.9 Parâmetros das antenas ...................................................................................................... 194
8.9.1 Banda passante ........................................................................................................ 195
8.9.2 Polarização ............................................................................................................... 195
8.9.3 Radiação padrão 195
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
8.9.4 Impedância .............................................................................................................. .1 96
8.9.5 Resistência da antena e potência irradiada .............................................................. 197
8.9.6 Diretividade ............................................................................................................... 198
8.9.7 Rendimento ou eficiência de radiação ...................................................................... 201
8.9.8 Rendimento ou eficiência do feixe ............................................................................ 201
8.9.9 Ganho ..... .201
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
8.9.1 0 Abertura efetiva da antena .2 01
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
8. 9. 11 Relação frente-costas ............................................................................................. 202
8.9.1 2 EIRP da transmissão .............................................................................................. 202
8. 1O A ntenas com refletores .202
•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
8.10.1 Elemento passi•v o .2 03
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
8.10.2 Refletor plano .203
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
8.10.3 Refletor de canto .204
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
8.10.4 Refletores curvos .2 05
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
8. 1O .5 Refletor parabólico .................................................................................................. 205
8.11 Amostras de antenas diretivas ........................................................................................... 207
8.11.1 Antena helicoidal com refletor .207
•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
8.11.2 Antena rômbica ........ .2 08
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
8.11.3 Antena log-periódica ............................................................................................... 208
8. 11.4 Antena com refletor parabólico ............................................................................... 209
8.12 Sistema de recepção com amplificador ............................................................................. 21O
Capítulo 9 - Radiopropagação ..................................................................................................... 211
9.1 Introdução ............................................................................................................................ 211
9.2 A superfície da Terra .212
••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
9. 3 A atmosfera da Terra ......................................................................................................... .. 2 14
9.4 Propagação de superfície: ondas terrestres ..................................................................... .. .2 15
9.4.1 Utilização da carta de condutividade do solo .217
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
9.4.2 Trabalho de campo ................................................................................................... 219
9. 5 Propagação ionosférica .220
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
9. 5.1 Lei de Snell-Descartes ............................................................................................ .. 2 20
9. 6 Propagação troposférica .................................................................................................... .. 2 24
9.6.1 Atenuação da onda pelos gases .224
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
9.6.2 Atenuação da onda pela chuva .225
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
9.6.3 Enlace em visibilidade ............................................................................................ .. 2 26
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Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática
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9.6.4 Planejamento do radioenlace .................................................................................. 227
9.6.5 Zonas de Fresnel ..................................................................................................... 229
9.6.6 Propagação em obstáculo gume de faca ................................................................ 232
9. 7 Potência do sinal recebido ................................................................................................ .. 234
9.7.1 Cálculos em dB ........................................................................................................ 235
9.7.2 Campo elétrico ......................................................................................................... 236
9.7.3 Tensão do sinal no receptor .................................................................................... 237
Capítulo 10 - Multiplexação de Canais ....................................................................................... 239
1O .1 ntrod ução ......................................................................................................................... 239
1
1O .2 O espaço disponível às comunicações ............................................................................. 240
10.3 FDM - Multiplexação por Divisão de Frequência ................................................................. 240
10.4 Demultiplexação analógica ............................................................................................... 242
10.5 TOM - Multiplexação por Divisão de Tempo ..................................................................... 243
10.5.1 Demultiplexação digital .......................................................................................... 244
10.5.2 Adequação dos canais em banda passante .......................................................... 245
10.5.3 Sistema MUX digital com dois comutadores ......................................................... 245
10.6 Implementação do MUX .................................................................................................... 246
10.7 MUX digital via rádio ......................................................................................................... 248
Capítulo 11 - Sistemas de Comunicações Digitais ................................................................... 249
11 .1 nt rod uç ã o .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 9
1
11 .2 Modem .............................................................................................................................. 249
11.2.1 ASK .................................................................................................................... .... 250
11 .2.2 FSK .................................................................................................................... .... 251
11.2.3 PSK .................................................................................................................... .... 252
11.2.4 QAM .................................................................................................................... ... 255
11 .3 Taxa de erro nas comunicações digitais ........................................................................... 258
11 .4 Corretor de erros ........................................................................................................ ....... 260
11 .5 Conversão de S/N em Eb/N 262
.............................................................................................
0
11 .6 Capacidade máxima do canal ........................................................................................... 263
11 .7 Enlaces digitais ......................................................................................................... ........ 265
11 .7.1 Canal rádio digital com fonte analógica ................................................................. 265
11.7.2 Comunicações digitais via fio ................................................................................ 266
11 .7.3 Comunicações de dados via fio e via rádio ........................................................... 266
11.7.4 Comunicações de dados via fibra óptica ............................................................... 267
11 .8 CD e DVD laser ........................................................................................................... ..... 268
11 .9 Fac-símile ......................................................................................................................... 270
Capítulo 12 - Equipamentos Rádio· Especificações e Manutenção ....................................... 273
12.1 Introdução ......................................................................................................................... 273
12.2 Itens apreciados no radioenlace ....................................................................................... 275
9
Editora Érica - Princípios de Telecomunicações: Teoria e Prática - Julio Cesar de O. Medeiros - 5ª Edição