CURSO DE ELETRNICATELECOM - I - Radiocomunicaes

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CURSO DE ELETRNICA -TELECOM 1 - RadiocomunicaesAutor: Newton C. BragaSo Paulo - Brasil - 2012

Palavras-chave: Eletrnica - Engenharia Eletrnica - Componentes - Educao Tecnolgica

Todos os direitos reservados. Proibida a reproduo total ou parcial, por qualquer meio ou processo, especialmente por sistemas grficos, microflmicos, fotogrficos, reprogrficos, fonogrficos, vide-ogrficos, atualmente existentes ou que venham a ser inventados. Vedada a memorizao e/ou a recuperao total ou parcial em qualquer parte da obra em qualquer programa jusciberntico atual-mente em uso ou que venha a ser desenvolvido ou implantado no futuro. Estas proibies aplicam-se tambm s caractersticas grficas da obra e sua editorao. A violao dos direitos autorais punvel como crime (art. 184 e pargrafos, do Cdigo Penal, cf. Lei n 6.895, de 17/12/80) com pena de priso e multa, conjuntamente com busca e apreenso e indenizao diversas (artigos 122, 123, 124, 126 da Lei n 5.988, de 14/12/73, Lei dos Direitos Autorais.

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1 edio

Diretor responsvel: Newton C. BragaDiagramao e Coordenao: Renato Paiotti

MAIS INFORMAES

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Esta srie de livros fornece conhecimentos bsicos de eletrnica para cursos regulares, cursos a distncia e para autodidatas, consistindo, portanto numa lit-eratura cuja finalidade apoio, iniciao ou complementao de conhecimentos. Sua aquisio no implica no direito a obteno de certificados ou diplomas os quais devem ser emitidos pelas instituies que adotam o livro ou ainda min-istram cursos de outras formas. Da mesma forma o autor ou a editora no se responsabilizam por eventuais problemas que possam ser causados pelo uso indevido das informaes nele contidas como o no funcionamento de projetos, ferimentos ou danos causados a terceiros de forma acidental ou proposital, ou ainda prejuzos de ordem moral ou financeira. Os eventuais experimentos cita-dos quando realizados por menores devem ter sempre a superviso de um adul-to. Todo cuidado foi tomado para que o material utilizado seja encontrado com facilidade na poca da edio do livro, mas as mudanas tecnolgicas so muito rpidas o que nos leva a no nos responsabilizarmos pela eventual dificuldade em se obter componentes para os experimentos.

NOTA IMPORTANTE

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NDICE

1. Conceitos bsicos ........................................ 111.1 - Reviso de conceitos carga eltrica, campo eltrico e campo Magntico ........ 111.2 - Ondas eletromagnticas ............................... 131.3 - Freqncia, perodo e comprimento de onda senide .......................... 141.4 - Fase .............................................................. 161.5 - O espectro eletromagntico ......................... 161.6 - Amplitude e polarizao .............................. 181.7 - Propriedades das ondas velocidade, reflexo, refrao e difrao ............. 201.8 - Propagao ondas terrestres, ionosfricas e ondas diretas ................................. 211.9 - Atenuao, rudos e interferncias ............... 221.10 Ondas estacionrias ................................... 231.11 Alcance ...................................................... 241.12 - Linhas de transmisso ............................... 261.13 - Antenas tipos, polarizao, ganho e diretividade ............................................. 26

2. Formas de Onda, Circuitos Ressonantes e Filtros ......................................... 37

2.1 Formas de Onda Complexas ....................... 372.2 - Circuito ressonante ...................................... 402.3 - Seletividade Fator Q ................................. 462.4 - Filtros .......................................................... 472.5 O Logaritmo e o Decibel .............................. 57

3. Sistemas de Radiocomunicao ................. 613.1 Radiocomunicaes .................................... 613.2 Meios Fsicos ............................................. 663.3 O Transmissor ............................................. 673.4 Os receptores ............................................... 713.5 - Os Circuitos Receptores ............................... 733.6 Sensibilidade e Seletividade ........................ 843.7 Transceptores ............................................... 843.8 Comunicao Via Satlite ........................... 86

4. Modulao Analgica - 1 ........................... 894.1- Modulao .................................................... 894.2 CW ou Onda Contnua ............................... 90

4.3 AM - Modulao em Amplitude ................ 944.4. SSB (Single Side Band) ouBLU (Banda Lateral nica) ............................... 1014.5 AMDSB - O Receptor ............................... 1034.6 Receptores de Telecomunicaes Dupla Converso ................................................ 1114.7 Receptores Para CW e SSB ....................... 112

5. Transistor Unijuno e de Efeito de Campo ...................................... 115

5.1 Modulao em Frequncia ou FM ............ 1155.2 FM Faixa Estreita e Faixa Larga ............... 1195.3 - Desvio de Freqncia ................................. 1215.4 Circuitos Moduladores de FM ................... 1235.5 - Demodulao de FM .................................. 1275.6 FM Estreo ................................................ 1295.7 Receptores de FM ...................................... 133

6. Modulao Digital ..................................... 1376.1. Introduo .................................................... 1376.2 - Tcnicas de Modulao Digital .................. 1396.3 - Representao Grfica I/Q ......................... 1406.4 Anlise Geral das Principais Tcnicas de Modulao ..................................................... 1446.5 - ASK (Amplitude Shift Keying) ................. 1446.6 - FSK ............................................................ 1456.7 - BPSK e QPSK ............................................ 1466.8 - MSK ........................................................... 1486.9 -QAM ............................................................ 1496.10 Taxa de Erros e Correes ........................ 1536.11 - Variaes dos Tipos de Modulaes ....... 154

7. Multiplexao e Diviso do Espectro ....... 1577.1 - Introduo .................................................. 1577.2. Multiplexao .............................................. 1587.3 - Multiplexao por Diviso em Freqncia ou FDM ........................................... 1597.4 - Multiplexao por Diviso em Tempo ou TDM .................................................. 1617.5 - Multiplexao por Cdigo - CDM ............. 1657.6 - Multiplexao Geogrfica .......................... 166

7.7 - Espectro Espalhado ................................... 1677.8 - Pacote de Rdio .......................................... 174

8. Digitalizao dos Sons e Processamento, Sade e ESD ...................... 177

8.1 - A Natureza do Som .................................... 1778.2 - Espectro Audvel ........................................ 1798.3 Digitalizao de sinais analgicos ............. 1858.4 - DSP ............................................................. 1918.5 - Memrias .................................................... 1968.6 - ESD Descargas eletrostticas .................. 1978.7- Radiao Eletromagntica e Sade ............. 2038.8 - Blindagens ................................................. 204

RESPOSTAS ................................................... 207LINKS UTEIS ................................................. 207

NDICE

APRESENTAO

Em 1972, j com experincia no ensino de eletrnica em cursos presenciais, fui contratado por uma grande organizao de ensino por correspondncia para renovar seu curso de eletrnica. Completado esse trabalho, fui trabalhar na Editora Saber em 1976 onde passei a publicar nas pginas da Revista Saber Eletrnica o primeiro Curso de Eletrnica em Instruo Programada, uma novidade que atraiu a aten-o de milhares de leitores que tiveram sua formao inicial totalmen-te apoiada nos ensinamentos que ento disponibilizamos. O sucesso desse curso fez com que em diversas ocasies posteriores o curso fos-se repetido e atualizado nas pginas da mesma revista e que tambm fossem criados diversos outros cursos, como o Curso de TV, Curso de Eletrnica Digital, Curso de Instrumentao, etc. Neste interva-lo publicamos a primeira edio completa desse curso que recebeu o nome de Curso Bsico de Eletrnica e chegou at sua quinta edio, e posteriormente em 2009 sendo transformado numa apostila. Diver-sos outros cursos tambm foram publicados na forma de livro encon-trando-se hoje esgotados. No entanto, desde as primeiras edies de nossos cursos, muita coisa mudou, e se bem que diversas atualizaes fossem feitas em alguns, chegou o momento de se fazer algo novo, adaptado aos novos tempos da eletrnica, num formato mais atual e com contedo que seja mais til a todos que desejarem aprender o bsico das telecomunicaes visando tanto a reciclagem de conheci-mentos, a aquisio de conhecimentos por profissionais de outras re-as e principalmente para aqueles que desejam concorrer em concursos pblicos e privados. Desta forma o contedo deste curso foi progra-mado para conter o mximo de informaes sobre telecomunicaes, acessveis a quem tenha um conhecimento bsico de eletrnica, sen-do sugerido nosso Curso Bsico de Eletrnica e Curso de Eletrnica Analgica como material de apoio ou ainda pr-requisito para melhor entendimento. Assim, nesta primeira edio do Curso de Telecom, um verdadeiro curso de conceitos de telecomunicaes, abordamos todo o conhecimento das verses anteriores e mais informaes atuais sobre novas tecnologias, novos componentes e novas aplicaes. Podemos dizer que este livro, como os demais, pode ser considerado a platafor-ma de iniciao ideal para muitos cursos, preparao para concursos ou ainda reciclagem de conhecimentos dos tcnicos desejam estar atu-alizados nesta tecnologia.

Desde 1976, quando criamos a primeira verso de um Curso de Eletrnica bsico que pudesse servir de iniciao aos que desejas-sem ter conhecimentos da eletrnica, essa cincia passou por grandes transformaes. Do fim da vlvula ao transistor, quando comeamos e os primeiros circuitos integrados, a eletrnica evoluiu para a tec-nologia dos CIs de alto grau de integrao, os FPGAs, os DSPs, mi-crocontroladores e as montagens em superfcie. Assim, nosso livro Curso Bsico de Eletrnica, pode ser considerado um curso atualiza-do com finalidades um pouco diferentes das que visava na poca de sua criao original. A eletrnica em nossos dias no propriamente um fim, onde uma vez domada ela por si s, j permite que as pessoas encontrem uma atividade direta que lhes d renda ou possam almejar um emprego. A eletrnica hoje um meio de se alcanar qualifica-es em outras reas como as telecomunicaes, que justamente o tema deste livro. Assim, nosso curso de Telecomunicaes, visando justamente s necessidades de conhecimento que a preparao para esta rea pede, tem uma abordagem direta e rpida de conceitos que, em princpio, exige um certo conhecimento prvio dos que desejam aprender. O conhecimento prvio pode vir de nossos Curso Bsico de Eletrnica, Curso de Eletrnica Analgica e Curso de Eletrnica Di-gital, de da formao anterior do leitor que cursou uma escola tcnica ou de engenharia. A estrutura do curso foi elaborada tanto com base nos currculos de escolas tcnicas de engenharia como dos programas para concursos de empresas pblicas e privadas.

A seguir o contedo das lies deste curso.

Lio 1 Conceitos Bsicos Reviso de conceitos carga eltrica, campo eltrico e campo mag-ntico Ondas eletromagnticas Freqncia, perodo e comprimento de onda - senide O espectro eletromagntico Amplitude e polarizao Propriedades das ondas direo, velocidade reflexo, refrao e difrao Propagao ondas terrestres e ionosfricas ondas diretas Atenuao, rudos e interferncias Alcance Linhas de transmisso ondas estacionrias Antenas tipos, polarizao, ganho e diretividade

Lio 2 - Formas de Onda, Circuitos Ressonantes e Filtros Formas de onda complexas Circuitos ressonantes

INTRODUO

Seletividade Fator Q Filtros O logaritmo e o dB

Lio 3 Radiocomunicaes Radiocomunicaes Meios fsicos e fibras pticas O transmissor O receptor Transceptores Repetidoras Comunicaes por satlites

Lio 4 Modulao Analgica - 1 Modulao CW ou Onda Contnua AM modulao em amplitude SSB AMDSB O receptor Receptores de Telecom Dupla Converso Receptores para SSB e CW

Lio 5 Modulao Analgica -2 Modulao FM faixa estreita e faixa larga Desvio de frequncia Circuitos moduladores de FM Demodulao de FM FM estreo Receptores de FM

Lio 6 - Modulao Digital Modulao digital Grficos I/Q Padres BPSK e QPSK FSK MSK QAM Modulao diferencial, amplitude constante offset QPSK

Lio 7 Espectro e Multiplexao Introduo Multiplexao Multiplexao por diviso de frequncia FDM Multiplexao por diviso de tempo - TDM

Multiplexao por cdigo - CDM Multiplexao geogrfica Espectro espalhado Pacote de rdio

Lio 8 Som e digitalizao de sinais , DSPs Conceitos bsicos de som e acstica Propriedades e caractersticas dos sons espectro audvel Digitalizao de sinais DSPs Memrias Descargas atmosfricas- ESD RF e sade cuidados Aterramento e blindagens

Enfim, o contedo estudado pode ser considerado como um importante degrau de uma escada que levar os interessados a um mundo de conhecimento tcnico capaz de significar sua realizao profissional e muito mais que isso, a satisfao pessoal de dominar as mais importantes tecnologias de nosso tempo.

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1. O que voc vai aprenderNeste captulo voc vai revisar conceitos bsicos importantes

para o entendimento das tecnologias das telecomunicaes, tais como a natureza dos campos eltricos, ondas eletromagnticas, espectro, propriedades das ondas, propagao, linhas de transmisso e antenas. Os itens deste captulo so:

1 O que voc vai aprender1.1 Reviso de conceitos- carga eltrica, campo eltrico e

campo magntico1.2- Ondas eletromagnticas1.3 Frequncia, perodo e comprimento de onda1.4 Fase1.5 O espectro eletromagntico1.6 Amplitude e polarizao1.7 Propriedades das ondas1.8 Propagao1.9 Atenuao, rudos e interferncias1.10 Ondas estacionrias1.11 Alcance1.12 - Linhas de transmisso1.13 Antenas

1.1 - Reviso de conceitos carga eltrica, campo eltrico e campo Magntico

Toda a matria feita de tomos. Os tomos consistem na me-nor partcula de um corpo material. Mas, os tomos so feitos de par-tculas ainda menores, segundo uma estrutura como a mostrada na figura 1. No ncleo do tomo existem partculas denominadas prtons e nutrons e em torno deste ncleo giram partculas menores denomi-nadas eltrons.

Conceitos bsicos

CA

PTU

LO1

TELECOM - PARTE 1 - RADIOCOMUNICAES

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Figura 1 - Os tomos so formados de eltrons, prtons e nutrons

Os prtons e os eltrons so dotados de propriedades especiais que so denominadas cargas eltricas. Por conveno atribuiu-se aos eltrons cargas eltricas negativas e aos prtons cargas positivas. Como num tomo em condies normais o nmero de eltrons igual ao de prtons, os efeitos destas cargas se cancelam e o tomo se diz neutro.

As cargas eltricas podem influir umas nas outras, o que nos permite associar a cada carga uma regio do espao onde os seus efei-tos se manifestam. Esta influncia representada pelos campos eltri-cos. Uma carga eltrica, positiva ou negativa possui campos eltricos que podem ser representados por linhas de fora, conforme mostra a figura 2.

Figura 2 Campos eltricos de cargas puntiformes e de um dipolo (duas

cargas de sinais opostos)

Observe que as linhas que representam os campos eltricos saem das cargas positivas e chegam nas cargas negativas. Um tipo de campo muito importante o chamado campo uniforme. Esse campo manifes-ta-se entre as placas de um capacitor plano carregado. As linhas que

Hoje sabemos que essa representao no cor-responde realidade, pois as partes constituin-tes dos tomos no tm realmente o que podemos denominar forma, confor-me veremos mais adian-te, mas para efeito de estudo, esta representa-o tem sido adotada nas escolas por seu aspecto didtico. Adotaremos esta representao por como-didade.

SupercordasA teoria das supercordas parte da idia de que as menores partculas que formam o universo so entidades que possuem apenas uma dimenso, comprimento, e que vi-bram de diversas formas possveis. Conforme o modo como elas vibram e as dimenses em que fazem isso, elas do ori-gem a uma infinidade de partculas elementares como os quarks, hdrons, eltrons, prtons e muitas outras formando o que se denomina de zoolgico das partculas. Ainda h muito para se pesquisar nesse campo que tenta fazer a unificao da fsi-ca quntica com a teoria da relatividade. Segundo o que fsicos conseguem prever atravs de suas frmulas, o universo deve ter pelo menos 11 dimen-ses para explicar os fenmenos observados com as partculas

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saem da armadura positiva e chegam armadura negativa so parale-las. Enquanto num campo de uma carga pontual a intensidade diminui com o quadrado da distncia, num campo uniforme a intensidade a mesma em todos os seus pontos.

Se uma carga eltrica se movimenta, o campo eltrico que ela produz se contrai e a energia armazenada neste campo passa para um novo tipo de campo que o magntico. O campo magntico tambm representado por linhas de fora que so crculos fechados envol-vendo a trajetria da carga. Este campo tambm armazena energia. Na figura 3 representamos este campo.

Figura 3 Campo magntico criado por uma carga em movimento.

Observe que um campo eltrico ou magntico representa ener-gia potencial armazenada. Quando uma carga se movimenta dentro de um campo, as foras a que ela fica sujeita esto associadas a uma transferncia de energia.

Se bem que representemos os eltrons por pequenas esferas, j deixamos claro que isso apenas para facilitar o entendimento do que explicamos. Na realidade, no podemos dizer exatamente o que estas partculas sejam.

1.2 - Ondas eletromagnticasSe uma carga oscilar entre duas posies, ocorre um fenmeno

interessante. Nos instantes em que a carga est nas extremidades da trajetria temos campo eltrico e nos instantes em que ela se move de uma extremidade a outra temos campo magntico Desta forma, cam-po eltrico e campo magntico se alternam, produzindo uma perturba-o que se propaga atravs do espao na forma de uma onda. Trata-se de uma onda eletromagntica cuja componente eltrica e componente magntica so perpendiculares entre si, conforme mostra a figura 4.

TELECOM - PARTE 1 - RADIOCOMUNICAES

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Figura 4 Uma onda eletromagntica tem a componente eltrica e a mag-

ntica perpendiculares entre si.

As ondas assim produzidas podem ser propagar pelo espao numa velocidade de 300 000 quilmetros por segundo (no vcuo), transportando energia. Na prtica podemos produzir estas ondas tam-bm atravs de correntes, fazendo-a oscilar num condutor. Observe que a energia utilizada para fazer uma carga ou uma corrente oscilar se transfere para a onda produzida que ento transporta.

Foi Maxwell que previu a existncia das ondas de rdio ao for-mular as equaes que mostravam que no apenas a luz era formada por ondas eletromagnticas, mas que existiam ondas de todas as fre-quncias possveis no espectro. Assim, todo espectro abaixo da luz visvel e do infravermelho poderia conter ondas com as mesmas pro-priedades assim como as frequncias acima do espectro visvel, pre-vendo assim a existncia tambm dos raios ultravioleta e raios X.

1.3 - Freqncia, perodo e comprimento de onda senideO nmero de vezes em que os ciclos de oscilaes de uma carga

ou de uma corrente ocorre em cada segundo nos d a freqncia da onda eletromagntica. Esta freqncia medida em Hertz (Hz), sendo comum o uso de seus mltiplos:

kHz = Quilohertz = 1 000 HzMHz = Megahertz = 1 000 000 HzGHz = Gigahertz = 1 000 000 000 HzTHz = Terahertz = 1 000 000 000 000 Hz

O tempo que demora para que uma oscilao se complete me-dido em segundos, sendo comum o uso de seus submltiplos:

ms = milissegundo = 0,001 ss =microssegundo = 0, 000 001 sns = nanossegundo = 0,000 000 001 sps = picossegundo = 0,000 000 000 001 s

Espectro contnuoO espectro das ondas eletromagnticas (assim como dos sons) cont-nuo no sentido de que no existe separao entre dois valores de frequn-cias. Assim, a quantidade de frequncias possveis infinita. Entre dois valo-res quaisquer de frequn-cia podemos encontrar in-finitos valores. No existe, portanto um limite exato entre as faixas que deno-minamos ondas de rdio, infravermelho, luz visvel, ultravioleta, etc.

James Clerk Maxwell (1831 1879)

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As variaes da amplitude de uma onda eletromagntica se faz de acordo com uma funo senoidal, assim representamos estas ondas por figuras chamadas senides.

Quando uma onda senoidal se propaga, podemos medir a dis-tncia que se encontra um ponto de determinada intensidade com o ponto equivalente da onda produzida em seguida. Esta distncia, nos d o comprimento de onda, conforme mostra a figura 5.

Figura 5 O comprimento de onda a distncia entre dois pontos de mesma intensidade amplitude.

O comprimento de onda pode ser calculado facilmente a partir da freqncia e da velocidade de propagao. Representando por (lmbda) o comprimento de onda, por v a velocidade de propagao e por f a freqncia temos:

V = .fou = v/f

Veja que as unidades devem observadas. O comprimento de onda ser obtido em metros quando a velocidade de propagao for dada em metros por segundo e a freqncia em hertz. Assim, v ser de 300 000 000 m/s para o caso das ondas eletromagnticas.

Da mesma forma podemos definir o perodo de uma onda como uma grandeza numericamente equivalente ao inverso da frequncia, ou:

T = 1/f

Por exemplo, para uma frequncia de 1 MHz, temos um per-odo de:

T = 1/ 106

OuT = 10-6 segundos ou 1 microssegundo (1 s)

Para uma onda eletromagntica podemos associar uma quanti-dade mnima de energia transportada, denominada quantum ou pa-cote. Assim, a energia associada a um ciclo de um sinal corresponde ao mnimo que ele pode transportar e est diretamente associada sua freqncia.

Teoria QunticaA Teoria da Relatividade de Einstein se mostrou apta a explicar a maioria dos fenmenos fsicos de nosso universo, mas com os avanos nas pesqui-sas atmicas que pas-saram a descrever um novo universo de part-culas cada vez menores, essa teoria no mais era suficiente para descre-ver muitos fenmenos. Assim, surgiu uma nova fsica para explicar esses fenmenos em escala quntica, ou seja, a Fsica Quntica. Foi Max Planck que em 1900 apresen-tou uma nova teoria, que explicava os fenmenos em escala atmica e su-batmica. Essa teoria ex-plicava porque um corpo excitado mudava a cor de sua emisso de ondas eletromagnticas, pela adoo da idia de que existiram partculas m-nimas de energia, como no caso dos tomos para a matria, o que passou a denominar quantum (plural quanta). Hoje ten-ta-se unificar a Teoria da Relatividade com a Teo-ria Quntica de modo a se obter uma fsica ni-ca que explique todos os fenmenos. A teoria das Supercordas parece ser um caminho para isso.

Max Planck (23 de abril de 1858 4 de outubro de 1947)