Princípios de Telecomunicações Teoria e Prática - Julio Cesar De Oliveira Medeiros, Exercícios de Mecatrônica

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pn ni dowatronica dilio Cesar ie Oliveira Meieiros PRINCÍPIOS DE TELECOMUNICAÇÕES Conceitos Básicos e Sinais Elétricos Canais de Comunicações e Ruído Elétrico ———>— Antenas e Radiopropagação Ondas e Comunicações Rádio Multiplexação de Canais ———— Sistemas de Comunicações Digitais 2: EDIÇÃO » éRicA Princípios de Telecomunicações Teoria e Prática t E==4 Sa EDITORA AFILIADA dowateonic Julio César de O. Medeiros Princípios de Telecomunicações Teoria e Prática 2º Edição São Paulo 2007 - Editora Érica Ltda. Copyright O 2005 da Editora Érica Ltda. Todos os direitos reservados. Proibida a reprodução total ou parcial, por qualquer meio ou processo, especialmente por sistemas gráficos, microftmicos, fotográficos, reprográficos, fonográficos, videográficos, intemet, e-books. Vedada a memorização efou recuperação total ou parcial em qualquer sistema de processamento de dados e a inclusão de qualquer parte da obra em qualquer programa juscibemético. Essas proibições aplicam-se também às características gráficas da obra e à sua editoração, A violação dos direitos autorais é punível como crime (art. 184 e parágrafos, do Código Penal, cf. Lei nº 6.895, de 17.12.80) com pena de prisão e multa, conjuntamente com busca e apreensão e indenizações diversas (artigos 102, 103 parágrafo único, 104, 105, 106 e 107 itens 1, 2€ 3 da Lei nº 9,610, de 19/06/98, Lei dos Direitos Autorais). O Autor e a Editora acreditam que todas as informações aqui apresentadas estão corretas e podem ser utilizadas para qualquer fim legal. Entretanto, não existe qualquer garantia, explícita ou implícita, de que o uso de tais informações conduzirá sempre ao resultado desejado. Os nomes de sites e empresas, porventura mencionados, foram utilizados apenas para ilustrar os exemplos, não tendo vínculo nenhum com o livro, não garantindo a sua existência nem divulgação. Eventuais erratas estarão disponíveis no site da Editora Érica para download. “Algumas imagens utilizadas neste livro foram obtidas a partir do CorelDRAW 9, 10 e 11 e da Coleção do MasterClips/MasterPhotosO da IMSI, 100 Rowland Way, 3rd floor Novato, CA 94945, USA” Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livre, SP, Brasil) Medeiros, Julio César de Oliveira Princípios de telecomunicações: teoria e prática / Julio César de O. Medeiros. — 2, ed. São Paulo: Érica, 2007. Bibliografia. ISBN 978-85-365-0033-1 1. Telecomunicações |. Título. 07-3250 CDD- 384 Índices para catálogo sistemático 1. Telecomunicações 384 Conselho Editorial: Diretor Editorial: Antonio Marco V. Cipeli Editoração: Rosana Ap. A, dos Santos Diretor Comercial: Paulo Roberto Alves Revisão de Editoração: Érica Regina Pagano Diretor de Publicidade: Waldir João Sandrini Revisão Gramatical: Marlene Teresa Satin Alves Capa: Maurício S. de França Revisão & Coordenação: Rosana Arruda da Silva Desenhos: Flávio Eugenio de Lima Avaliação Técnica: Eduardo Cesar A, Cruz Editora Érica Ltda. Rua São Gil, 159 - Tatuapé CEP: 03401-030 - São Paulo - SP Fone: (11) 295-2066 - Fax: (11) 6197-4060 wiw.editoraerica.com.br Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática | Índice Analítico Capítulo 1 - Conceitos Básicos em Telecomunicações 1.1. Resumo histórico 1.2. Introdução 1.3. O engenheiro e o técnico da área elétrica 1.4. Organismos de telecomunicações 1.5. Fiscalização e reconhecimento da profissão 1.6. Conceituações 1.7. Fundamentos de sistemas de comunicações 1.8. Exemplos de sistemas de comunicações . 1.8.1. Sistema de telefonia de rede fixa .. 1.8.2, Sistema de comunicações por fibras ópticas 23 1.8.3. Sistema de telefonia móvel celular 1.8.4, Sistema de telefonia fixa celular 1.8.5. Sistema rádio em HF (high-frequenc) 1.8.6, Sistema rádio em visibilidade .... 1.8.7, Sistema de comunicações por tropodifusã: 1.8.8. Sistema de comunicações por satélite . 1.8.9. A Internet... 1.8.10. Sistema de ondas portadoras sobre linhas de potênci 1.8.11. Sistemas de radiodifusão (broadcasting) 1.9. Classificação dos sistemas... 1.10. Desempenho do sistema 1.10.1, Confiabilidad 110.2, Qualidade 1.10.3. Segurança das comunicações 1.10.4. Rapidez de resposta... 1.10.5. Flexibilidade. 1.11. Duplicação dos meios. 1.12. Recuperação e manutenção do sistema 1.13. Modalidades de comunicaçõe: 1.14. O enlace de comunicações. 1,15. Canal rádio e circuito rádio . 1.16. Ilustração do emprego de múltiplos sistemas Capítulo 2 - Os Sinais Elétricos da Informação ...............ssttttsstastaattantessereereteseeereeseesssssaia 43 2.1. Recapitulação... 2.2. Denominação dos sinais elétricos 2.3. O sinal periódico 6 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática 2.3.1, Parâmetros e unidades de medida 2.3.2. Onda... Rr 2.4, Sinais senoidal e co-senoidi 2.5. Série de Fourier 2.6. Representação vetorial do sin 2.7. Sinais analógicos da informação 2.8. Transdutores e sensores .... 2.9, Amplificadores e atenuadores. 2.10. Acopladores ....... 2.11. Filtros de ondas elétrica: 2.12. Sinais digitais 2.13. Geração dos bits 2,14. Códigos de caracteres 2.15. Conversão do sinal analógico em digital (A/D) . 2.15.1, PCM - Pulse Code Modulation 2.16, Conversão D/A do sinal PCM... 2.17, Outros moduladores digitais: PWM e PPM 217.1. PWM - Pulse Width Modulation . 2.17.2. PPM - Pulse Position Modulation. 2.16. Formatos dos sinais binários 2.19. O olho-padrão 2.20, O canal de comunicações. Capítulo 3 - Os Canais de Comunicação e o Ruído Elétric: 3.1. Conceito de canal 3.2. Tipos e características dos canai: 3.2.1, Canal fio 3.2.2, Canal rádio .. 3.2.3. Canal fibra óptica. 3.3. Propriedades dos canais de comunicações. 3.3.1. Atenuação da intensidade do sin 3.3.2, Limitação em largura de faixa ou largura de banda. 3.3.3. Retardo...... 3.4, Principais distúrbios nos canais de comunicações . 3.4.1. O ruído elétrico 3.4.2. Distorção do sinal 3.4.3. Sinais interferentes ou espúrio: 3.5. Distúrbios específicos do canal rádio... 3.5.1. Ondas de multipercurso.... downtronica 5.6. Modulação em frequência (FM) 5.6.1, Onda FM no domínio do tempo 5.8.2, Onda FM no domínio da freguênci 5.7. Transmissão dos sinais de televisão 5.8. Recursos do transmissor ...... 5.9, Transmissão de dados em HF. 5.10. Utilização de subtons e sobretons .. 5.11. Amplificador de potência 5.12. Emprego de estações radiorrepetidoras 5.12.1. Repetidora singela 5.12.2. Repetidora de transceptores acoplados . 5.13. Alocação de fregliências..... 5.14, Classes de emissão... Capítulo 6 - O Radiorreceptor 149 8.1. Introdução ..... 149 6.2. Descrição dos estágios 151 6.2.1. Estágio de RF... 151 6.3, Demodulador de produto no receptor de SSB 155 6.4, Propriedades do receptor superheteródino. 157 8.5. O receptor de FM........ 6.6. O receptor de televisão Capítulo 7 - Linhas de Transmissão 74. Introdução... = 7.2, Circuito elétrico equivalente à LT. 7.3, Características elétricas....... 7.4, Potências incidente e refletida, ondas estacionária: 7.5. Estudo de E, | e Z em função da terminação da linha 7.6. O transformador casador de impedância: 7.7. Cabos irradiantes de RF 8.2. Tipos de antena... 8.2.1, Antena de fio. 8.2.2, Antena de tubos metálicos 183 8.2.3, Antena vertical..... 184 8.2.4. Antena de fitas metálicas....................errrrmsemesessss 185 182 o | dowatronica 8.2.5. Antena de abertura 8.2.6. Antena microstrij 8.2.7. Arranjo ou empilhamento de antenas 8.3. Radiador isotrópico.. 8.4. Diagramas de radiação 8.5. Antena dipolo 8.6. Antena vertical. 8.7. Sintonia da antena 8.8. Regiões dos campos de uma anten: 8.9. Parâmetros das antena 8.9.1, Banda passante 8.9.2. Polarização... 8.9.3. Radiação-Padrãs 8.9.4. Impedância 8.9.5. Resistência da antena e potência irradiad: 8.9.6. Diretividade......... ea 8.9.7. Rendimento ou eficiência de radiaçã 8.9.8. Rendimento ou eficiência do feixe 8.9.9. Ganho 8.9.10. Abertura efetiva da antena . 8.9.11. Relação frente-costas. 8.9,12, EIRP da transmissão... 8.10. Antenas com refletores... 8.10.1. Elemento passivo 8.10.2. Refletor plano . 8.10.3. Refletor de canto 8.10.4. Refletores curvos. 8.10.5. Refletor parabólic 8.11. Amostras de antenas diretivas 8.11.1. Antena helicoidal com refletor 8.11.2. Antena rômbica. 8.11.3. Antena log-periódica 8.11.4. Antena com refletor parabólico 8.12. Sistema de recepção com amplificador. Capítulo 9 - Radiopropagação 9.1. Introdução 9.2. A superfície da Terra 9.3. À atmosfera da Terra 9.4. Propagação de superfície: ondas terrestres 10 Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática mM»... 41.7.4. Comunicações de dados via fibra óptic: 11.8. CD Laser... 11.9. Fac-Simile Capítulo 12 - Equipamentos Rádio - Especificações e Manutenção. 1241, Introdução... 12.2. Itens apreciados no radioentac: 12.3. Classificação dos equipamentos rádio 12.4, Principais itens técnicos a considerai 12.5. Transceptor analógico típico... 12.6. Itens complementare: 126.1. Acessórios... 126.2. Manuais 12.7. Manutenção 12.71. Escalões de manutenção .... 12.8. Instrumentos de laboratório e ferramenta 12.9. Suprimento de peças e componentes 12.10. Garantia..... 12.11. Formação de pessoal e treinamento técnico 12.12. De olho no futuro Anexo A - Principais Símbolos de Materiais Elétricos e Eletrônicos ... 287 Anexo B - Fundamentos de Semicondutores Anexo C - Argumentos das Funções de Bessel.. Anexo D - O Código Morse Internacional.........stemesssesssommeeeementesamere crescesse 295 Anexo E - Códigos Fonéticos Internacional e Nacional....... assessment 297 Anexo F - Respostas dos Exercícios ... 299 Referências Bibliográficas Glossário de Siglas Índice Remissivo Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática | 12 dowateonica Prefácio ho escrever Princípios de Telecomunicações, a pedido de alguns amigos professores e alunos, tive a intenção de preencher um espaço na literatura técnica brasileira, com um livro básico de telecomunicações. As telecomunicações consideradas são aquelas desenvolvidas com sinais elétricos e eletromagnéticos mensuráveis. Pode ser útil como livro-texto ou para consulta dos alunos dos primeiros períodos da graduação de telecomunicações, de cursos técnicos, para radioamadores e para os estudiosos da matéria em geral. O objetivo principal é apresentar uma visão geral dos sistemas de telecomunicações, analógicos e digitais, bem como das técnicas eletrônicas tradicionais e atuais, aplicadas aos equipamentos. Com um enfoque moderno e explicativo está estruturado em doze capítulos. Aborda informações teóricas, aliando-as a exemplos práticos, com ênfase nas comunicações rádio, com o emprego dos termos técnicos mais importantes, inclusive em inglês, citados entre parênteses, para facilitar consultas posteriores a dicionários e livros específicos no referido idioma. São apresentadas também figuras auxiliares e formulações matemáticas objetivas, visando à solução dos problemas típicos de telecomunicações, dentre outros, os cálculos das potências do sinal recebido e do ruído elétrico nos enlaces rádio, da taxa de transmissão de dados e da capacidade do canal. Foram reservadas ao último capítulo a classificação dos equipamentos rádio, a apresentação das principais especificações técnicas e sugestões sobre a manutenção. O moderno recurso da Intemet permitiu a consulta a inúmeros "sites" técnicos. Foram citados alguns que podem ser consultados enquanto durarem as exposições das matérias mencionadas ou mesmo a existência do próprio "site", independente da vontade do autor. Sou grato aos inúmeros autores de livros editados no passado, alguns deles, hoje, de difícil obtenção, que muito contribuíram para a minha formação, cujos conceitos e informações foram para mim extremamente valiosas e, também, de livros de publicações mais recentes, que atualizaram com novas e importantes informações. Para minha felicidade possuo vários desses livros no meu acervo particular, os quais constam da bibliografia. Sinceramente, espero que Princípios de Telecomunicações seja um livro de utilidade aos leitores, estudiosos da matéria. O autor. l 13 dowatronica 1 Conceitos Básicos em Telecomunicações 1.1. Resumo histórico Em 1875, Alexander Graham Bell (1847 - 1922) produziu o primeiro sistema telefônico com transmissão elétrica inteligível da voz, através de fio, invenção patenteada no ano seguinte. O fato motivou inúmeros estudiosos, cientistas e inventores a buscar um outro tipo: comunicações sem fio ou comunicações rádio, wireless, em inglês. Dentre eles destacaram-se: = Marchese Guglielmo Marconi (1874 - 1937): engenheiro, físico e inventor italiano, iniciou uma série de experimentos bem-sucedidos com sinais telegráficos sem fio, na Itália e na Inglaterra. Em 1897, fez demonstrações chegando a enviar sinais a 12 milhas de distância. Marconi é considerado o inventor do rádio. Em 1909, recebeu o prêmio Nobel de Fisica. » Aleksandr Stepanovich Popov (1859 - 1905): físico e engenheiro elétrico nascido na Rússia, trabalhou na recepção de sinais eletromagnéticos, independente de Marconi. Desenvolveu um sistema de comunicações rádio para navios russos, em 1898. Na Rússia, é considerado o inventor do rádio. = Heinrich Rudolph Hertz (1857 - 1894): físico e professor, nascido na Alemanha, ficou célebre ao provocar descargas elétricas e estudar as ondas eletromagnéticas, ondas de rádio ou ondas hertzianas, assim denominadas em sua homenagem. Suas descobertas foram essenciais para o desenvolvimento das comunicações sem fio. = Sir Oliver Lodge, em 1894, apresentou à sociedade real britânica um transmissor e um receptor de rádio, por ocasião de uma homenagem póstuma a Hertz. “ No Brasil, o Padre Roberto Landell de Moura, nascido em 27 de janeiro de 1861, gaúcho de Porto Alegre, um estudioso de física e química, projetou um transmissor de rádio e fez a primeira transmissão da voz através de ondas eletromagnéticas, na Av. Paulista, cidade de São Paulo, em 1893. Ouvida com clareza em um receptor instalado no alto de Santana, a uma distância de oito quilômetros, a transmissão pública pode ser considerada a primeira do mundo, por ter ocorrido bem antes dos experimentos bem-sucedidos de Marconi. Conceitos Básicos em Telecomunicações Precursor das comunicações rádio no Brasil, o Padre Moura, devido às inúmeras dificuldades, não pôde patentear o seu importante invento. Faleceu aos 67 anos de idade, em 30 de julho de 1928, na mesma cidade onde nasceu. Outros importantes nomes da ciência, do rádio e da telegrafia deram continuidade aos estudos e às pesquisas que culminaram no espetacular desenvolvimento da eletrônica e das telecomunicações dos dias de hoje. A todos eles, o nosso reconhecimento e a nossa gratidão. Antes deles as comunicações eram feitas por mensageiros ou por algum dispositivo mecânico, óptico ou acústico, de alcance limitado. 1.2. Introdução As telecomunicações constituem o ramo da engenharia elétrica que trata do projeto, da implantação e da manutenção dos sistemas de comunicações e têm por objetivo principal atender à necessidade do ser inteligente de se comunicar a distância. É comum omitir-se o prefixo tele e usar apenas comunicações. Através dos sistemas de comunicações os assinantes, usuários ou correspondentes trocam informações, operando equipamentos terminais, elétricos ou eletrônicos, tecnicamente compatíveis com o sistema. Às informações fluem pelos canais de comunicações fio, rádio (espaço livre) ou fibra óptica, na forma de sinais elétricos ou eletromagnéticos. Em princípio, as informações, quando recebidas pelos respectivos destinatários, são interpretadas e geram respostas ou, pelo menos, a confirmação do recebimento. Por este motivo sempre é utilizado o termo telecomunicações, no plural. 1.3. O engenheiro e o técnico da área elétrica O engenheiro de telecomunicações é o profissional, de formação universitária, encar- regado do projeto, implantação e manutenção dos sistemas de comunicações. Dentre outras, cabem-lhe as seguintes taretas: = Planejar e dimensionar o sistema; “Levantar o custo do sistema; = Escolher os locais onde serão instalados os equipamentos; » Escolher os equipamentos; « Ensajar em laboratório amostras dos equipamentos escolhidos; = Prever as fontes de energia para alimentação dos equipamentos; = Especificar as obras civis necessárias à implementação do sistema; 16 5 = = / Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática O técnico da área elétrica O técnico é o braço direito do engenheiro. Quase sempre a sua formação é mais específica e voltada para uma área de interesse, sendo algumas delas: redes (iios e fibras ópticas para dados e telefonia), transmissão (antenas e equipamentos rádio), comutação (centrais telefônicas), eletrotécnica (transformadores, motores elétricos, equipamentos de refrigeração e outros) e eletrônica (circuitos eletrônicos e equipamentos). O técnico pode atuar como auxiliar em projetos, na manutenção e nas instalações de equipamentos do sistema, nos trabalhos desenvolvidos em fábricas, laboratórios ou exter- namente, em trabalho de campo. 1.4. Organismos de telecomunicações ITU - União Internacional de Telecomunicações A União Internacional de Telecomunicações, com sede em Genebra, Suíça, é uma organização internacional que congrega governos e setores privados num Sistema Unido de Nações, para coordenar as comunicações globais em redes e serviços. Subdivide-se em três setores de atuação: = ITU- R: comunicações rádio e registro de fregliências (ref. CCIR); = ITU = T; padronização das telecomunicações em telefonia, telegrafia e dados (rei. Celt): = ITU- D: desenvolvimento das telecomunicações. No sentido do desenvolvimento da ciência e da tecnologia, a ITU sugere as doutrinas de telecomunicações visando racionalizar o uso dos meios, publica documentos e promove en- contros com engenheiros, representantes do governo, de organizações e de indústrias do setor. ANATEL - Agência Nacional de Telecomunicações É o órgão do governo brasileiro, com sede em Brasília, DF, encarregado de coordenar e fiscalizar as comunicações no Brasil, além de certificar e homologar produtos. ABERT - Associação Brasileira de Emissoras de Rádio e Televisão Com sede em Brasília, DF, a ABERT, é uma associação prestadora de serviços, informação e assessoramento ao governo, além de trabalhar em prol dos interesses de seus associados na área de radiodifusão, aos quais presta assessoria nas áreas jurídica, parlamentar e técnica. 18 5 - E / Princípios de Telecomunicações - Teoria é Prática SET - Sociedade Brasileira de Engenharia de Televisão É uma associação técnico-científica de profissionais e empresas, sem fins lucrativos, que atua nas áreas de engenharia e afins, nos campos de televisão, telecomunicações, rádio e multi- mídia. Atua como órgão de difusão, expansão, estudo e aperfeiçoamento dos conhecimentos técnicos, operacionais e científicos. 1.5. Fiscalização e reconhecimento da profissão CONFEA - Conselho Federal de Engenharia, Arquitetura e Agronomia Os conselhos são autarquias federais criadas, basicamente, para fiscalizar o exercício profissional. O CONFEA - Conselho Federal de Engenharia, Arquitetura e Agronomia foi instituído em 11 de dezembro de 1933, pelo decreto federal nº 23.569, com plena autonomia para criar conselhos regionais. O CONFEA é a instância máxima do sistema e reúne todos os Conselhos Regionais. Regulamenta as leis profissionais através de resoluções e define a forma de funcionamento dos CREA's, órgãos regionais. Em particular, com sede na cidade do Rio de Janeiro, o CREA / Ru - Conselho Regional de Engenharia Arquitetura e Agronomia, 52 Região, tem jurisdição sobre todo o Estado do Rio de Janeiro. O profissional da área, de grau superior ou médio, diplomado para o exercício legal da profissão deve estar registrado no CREA. 1.6, Conceituações Informações são mensagens de diversos tipos produzidas pelo cérebro do homem ou por dispositivo (device) por ele inventado e construído. Como se originam do cérebro do homem, as informações são consideradas mensagens inteligentes e, em princípio, possuem um conteúdo significativo. Sistemas de telecomando, via fio, luz, rádio, som ou ultra-som, também operam com informações passadas pelo aparelho transmissor por controle remoto e o destinatário final, no lado receptor, pode ser um dispositivo eletromecânico ou eletrônico, que comanda a ação desejada. Equipamentos e aparelhos usados nos modernos sistemas de comunicações são montados com diversos tipos de materiais, em particular, componentes elétricos e eletrônicos. Conceitos Básicos em Telecomunicações