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Utilização do Espetro Radioelétrico - Como é Usado 1/20
Projeto FEUP
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Utilização do Espectro Radioelétrico
Projeto FEUP 2013 -- Engenharia Eletrotécnica e Computadores :
Coordenador Geral: Amando Sousa Coordenador de Curso: J.N.Fidalgo
Equipa EB04: Supervisor: Sílvio Abrantes Monitor: Denise Martins
Estudantes & Autores:
Afonso Ferreira (201304080) Luís Monteiro (201305714) [email protected] [email protected]
Luís Barreto (201303249) João Costeira (201303634) [email protected] [email protected]
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Resumo
A unidade curricular Projeto FEUP apoia na introdução dos diversos serviços
prestados pela UP aos novos alunos do ensino superior e, ao mesmo tempo,
no desenvolvimento, e até descoberta, de capacidades necessárias para a
futura carreira profissional do aluno.
O nosso grupo desenvolveu este projeto com o propósito de deixar claro a
forma como é utilizado o espetro radioelétrico no nosso dia-a-dia. Como tal,
pretendemos destacar as várias utilizações do espectro radioelétrico no âmbito
de comunicações e radares começando, no entanto, com uma breve
explicação do que são ondas radioelétricas e os seus modos de propagação,
dado que tais conceitos suportam o entendimento do seu uso.
Em primeiro lugar, apresentamos determinadas características do espetro
radioelétrico e da sua propagação com o intuito de sintetizar de forma clara
alguns conceitos básicos que influenciam e definem o uso das ondas
radioelétricas.
De seguida, analisamos o espetro no âmbito das telecomunicações.
Explicamos, inicialmente, dois dos principais métodos de criação de uma
mensagem através de ondas radioelétricas, desenvolvendo, de seguida, o seu
uso terrestre, aéreo e submerso, de modo sistemático, e a sua capacidade
para transmitir imagens.
Por fim, abordamos, ainda, o uso de ondas radioelétricas em sistemas de
navegação e radares podendo concluir que a utilização do espetro radioelétrico
tem sido notoriamente desenvolvida ao longo dos anos e que ainda há muito
para aperfeiçoar.
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Agradecimentos
Como grupo, gostaríamos de deixar a nossa palavra de apreço a todas as
pessoas que de algum modo contribuíram para a realização deste projeto, de
um modo especial à monitora Denise Martins e ao professor Sílvio Abrantes
pelo importante auxílio prestado.
Em segundo lugar, e sem menos mérito, um agradecimento à instituição
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto pela disponibilização dos
melhores materiais e instalações dos quais pudemos usufruir livremente para a
conclusão do trabalho.
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Índice
1: Introdução ............................................................................................................................... 5
2: Ondas Radioelétricas ............................................................................................................ 6
2.1: Descrição Básica de Ondas Radioelétricas ............................................................... 6
2.2 Fatores que Influenciam Ondas Radioelétricas .......................................................... 6
2.3 Modos de propagação wireless ..................................................................................... 7
2.6 Transmissão por fios ..................................................................................................... 11
3: Telecomunicações ............................................................................................................... 11
3.1 Modulação em Amplitude ............................................................................................. 11
3.2 Modulação em frequência ............................................................................................ 12
3.3 Comunicações terrestres .............................................................................................. 12
3.4 Comunicações aéreas. ................................................................................................. 13
3.5 Comunicação com submarinos ................................................................................... 14
4-Radar ...................................................................................................................................... 15
4.1-Reflexão de ondas radioelétricas ................................................................................ 16
4.2-Efeito de Doppler ........................................................................................................... 16
5-Sistemas de Navegação ...................................................................................................... 17
5.1 Triangulação ................................................................................................................... 17
Conclusão .................................................................................................................................. 18
Referências Bibliográficas:...................................................................................................... 19
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1: Introdução
“A mudança é a única constante.”
(Heráclito de Éfeso)
O espectro radioelétrico é, notoriamente, um elemento fundamental no
quotidiano da sociedade moderna e desenvolvida na medida em que a sua
utilização encontra-se em quase todo o todo o tipo de aparelhos eletrónicos.
De facto, todos os dispositivos alusivos à telecomunicação encontram-se
abrangidos por tal parte do espectro eletromagnético. Seria possível para
qualquer ser humano ativo no desenvolvimento da sociedade já referida viver
de igual modo sem tal tipo de aparelhos presentes no seu dia-a-dia? A maior
parte das pessoas da atualidade não consideraria sequer razoável a ausência
dos conhecidos “smartphones”, “tablets” e tantos outros englobados numa
variedade imensa, nas suas vidas.
Chegamos, assim, a um ponto de embate onde a moral e os costumes de uma
sociedade moderna separam o útil do dependente.
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2: Ondas Radioelétricas
2.1: Descrição Básica de Ondas Radioelétricas
O espectro radioelétrico é uma parte do espectro eletromagnético.
Ondas eletromagnéticas são energia e estão separadas numa componente
elétrica e numa magnética, que oscilam de forma perpendicular entre si. A
oscilação das ondas é, por si, perpendicular à direção da mesma.
O espectro radioelétrico contém as ondas de 3Hz (TLF) até de 3000GHz
(THF) e o seu comprimento de onda varia entre 100 000km (TLF) e 0,1mm
(THF). Este espetro é uma parte essencial da Telecomunicação tendo várias
utilizações, mas antes de as discutirmos é essencial entender os fatores e os
modos de propagação que exercem uma grande influência na utilização. Como
o espectro abrange uma larga banda de frequências certos fatores que
dificultam a propagação de ondas afetam diversas frequências de formas
diferentes.[3]
Ilustração 1: Frequências do espectro radioelétrico
2.2 Fatores que Influenciam Ondas Radioelétricas
Refração – Refração refere-se à mudança da propagação de uma onda
quando esta entra num novo meio. Este efeito é visível por exemplo quando se
olha para um copo de água e nota-se que a imagem está distorcida. Isso
acontece pois os raios de luz, que funcionam como ondas, mudam de direção
devido à refração que acontece quando estes entram na água. Refração
também afeta ondas eletromagnéticas e é um fator que é preciso ter em conta,
pois é capaz de mudar a direção da onda. O índice de refratividade indica
como a velocidade de uma onda muda em relação à sua velocidade no espaço
livre e é calculada ao dividir a velocidade da luz no vácuo pela velocidade da
luz no material. (Robert E. Collin – 1985 e Roger L. Freeman - 1997)
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Atenuação – Atenuação refere-se à perda da intensidade de um fluxo
enquanto esta atravessa um meio. Este fator é muito importante para a
propagação de ondas radioelétricas pois leva a perda de informação ou do
sinal total. A atenuação de um sinal esta ligada á sua frequência e o meio no
qual é propagada.[4]
Condutividade elétrica – Condutividade elétrica refere-se à capacidade de um
dado material condutor de corrente elétrica. Sendo que as ondas
eletromagnéticas têm uma componente elétrica, estas são afetadas por tal
capacidade.
Antenas – Antenas são as máquinas capazes de emitir e receber sinais. A
antena tem um papel importante e também uma grande influência na
propagação de ondas radioelétricas. É preciso ter em conta, que para haver um
boa transmissão de um sinal a altura antena tem de ter pelo menos um quarto
do comprimento de onda inicial. Por isso, uma antena que emita uma onda com
um comprimento de onda de milhares de quilómetros tem de ser grande.
(Robert E. Collin – 1985; Roger L. Freeman - 1997)
Constante dielétrica – Esta constante refere-se simplesmente a capacidade
de um certo meio de guardar energia elétrica em relação ao vácuo. A
velocidade, e por sua vez, a frequência de uma onda eletromagnética diminui
com o aumento da constante dielétrica. (Robert E. Collin – 1985)
2.3 Modos de propagação wireless
Onda terrestre:
Neste modo de propagação, a superfície é usada como um condutor para a
onda radioelétrica. A terra não é um bom condutor mas serve para transmitir
sinais por vários quilómetros. Este método é usado para transmitir sinais numa
localidade. A distância é limitada devido á atenuação do sinal, que “atenua com
a inversa do quarto poder da distância”. Outra limitação é a frequência, dado
que a atenuação de um sinal aumenta com a mesma. Este método é ideal para
a propagação de ondas com baixa frequência, como ondas MF que são usadas
para transmissões AM. Este tipo de propagação não depende da atmosfera e
por isso é muito fiável. (Robert E. Collin – 1985; Roger L. Freeman - 1997)
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Ilustração 2: Demonstração de ondas aéreas (sky wave) e terrestres (ground wave)
Métodos à base da Ionosfera (skywaves):
A Ionosfera é uma das regiões da atmosfera compostas por iões criados pela
radiação solar localizada entre 85 e 600 km. Como a ionosfera depende da
radiação solar o seu estado varia com o estado do sol. Durante o dia quando
há mais atividade solar encontra-se dividida em quatro camadas. A camada D,
E, F1 e F2 distinguidas pela quantidade de energia e iões que possuem. As
camadas do tipo F estão mais próximas do sol é por isso são as que tem mais
energia, enquanto que a D té a que tem menos, no entanto possui uma grande
quantidade de eletrões. À noite a ionosfera começa a enfraquecer devido à
falta de energia solar levando as camadas F1 e F2 a fundirem-se numa única
camada F e a camada D a desaparecer. Ondas de muito baixa frequência,
abaixo de um 1kHz, e ondas de 30 a 40 MHz conseguem ser propagadas com
o uso da ionosfera. Métodos de propagação que utilizam a ionosfera são
capazes de mandar sinais a níveis intercontinentais:
Propagação de ondas abaixo de 1kHz:
Neste método ondas de muito baixa frequência são emitidas contra a ionosfera,
que as reflete contra a terra. Devido a esta reflecção na ionosfera cria-se um
guia de onda capaz de propagar ondas por longas distâncias. Mas este tipo de
propagação é muito sensível e depende de vários fatores como o estado da
ionosfera, o ângulo do embate e o poder magnético da terra. (Robert E. Collin;
1985 e Roger L. Freeman - 1997)
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Propagação de ondas entre 30 e 40 MHz:
Neste método ondas são emitidas contra a ionosfera mas estas, em vez de
serem refletidas na camada inferior D, são refletidas nas camada superiores. A
frequência máxima e mínima das ondas utilizáveis é definida pelo estado da
ionosfera. O limite mínimo está relacionado com a energia da camada D que
absorve certas frequências. Á noite, o limite mínimo diminui pois as camada
desaparece e por isso ondas de frequência mais baixa não são absorvidas. O
limite máximo é delimitado pela energia nas camadas superiores. Estas
camadas só refletem frequências inferiores à frequência dos eletrões dentro
dela. Se a frequência for superior à onda esta penetra a barreira. (Robert E.
Collin – 1985; Roger L. Freeman - 1997)
Ilustração 3: Comparação entre horizonte de vista( linha preta) e o horizonte de radio ( linha traçada)
Linha de vista
Este método é usado para transmitir ondas de alta frequência acima de 50
MHz. Este é um método muito básico no qual uma onda é emitida a partir de
uma antena para uma outra antena no horizonte. É preciso ter em conta que o
horizonte de rádio é diferente de horizonte ótico (Optical line of sight ) devido a
refração. Este fenómeno de refração está ligado às características de ondas
eletromagnéticas, cuja velocidade têm uma relação inversa com a constante
dielétrica (ver 2.2.6). Na atmosfera standard a constante dielétrica diminui com
a altura, pois os fatores como humidade e temperatura dos quais ela depende,
também decrescem com a altura. Esta mudança implica que o índice de
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refratividade da atmosfera standard aumenta com o afastamento da superfície
da terra. Devido à constante dielétrica inferior na parte superior da atmosfera, a
parte superior da onda movimenta-se mais rapidamente do que a inferior. Isto
significa que a movimentação inferior da onda é mais longa e duradoura, que
leva a uma curva para baixo. É como, quando se faz mais força num dos lados
de um barco a remo, e o barco começa a virar para esse lado. Devido a este
fator é se capaz de mandar ondas de radio mais longe que o horizonte ótico.
Neste tipo de transmissão também é necessário ter em conta os objetos entre
a antena de transmissão e de receção, pois estes causam a difração que é
capaz de atenuar o sinal. Para evitar este problema pode-se simplesmente
mudar as alturas das antenas para evitar distúrbios. A esta frequência antenas
não precisam de ser muito grandes, e por isso pode-se construir torres, que as
posicionam em sítios vantajosos. (Robert E. Collin – 1985 e Roger L. Freeman
- 1997)
Ilustração 4: Demonstração de canais troposféricos
Canal Troposférico
Este método depende das condições da troposfera. Um canal troposférico
implica uma inversão de temperaturas na troposfera. Normalmente a
temperatura baixa com o aumento da altura mas em certas condições o inverso
acontece, e criasse uma camada de ar quente a grandes alturas, e se o seu
índice de refratividade for grande o suficiente este reflete o sinal outra vez para
a terra, que por sua vez reflete o sinal para cima, prendendo assim o sinal
numa espécie de canal. Este método permite mandar ondas de frequências de
banda superior durante longas distâncias. [5]
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2.6 Transmissão por fios
Os métodos de transmissão de ondas referidos anteriormente são todos
à base de comunicação wireless mas a comunicação de ondas também é
possível através da conceção física de dois do emissor e recetor. Neste caso
usa-se um material que é capaz de conduzir bem ondas de radio ou utiliza-se
fibra ótica. Este método é muito fiável mas obriga tudo a estar fisicamente
conectado, por isso não pode ser usado para objetos portáteis. Também é
limitado pelo custo de fisicamente ligar tudo. Este método é usado por exemplo
em telefones públicos.
3: Telecomunicações
3.1 Modulação em Amplitude
A modulação de amplitude (AM) é um método de imprimir dados em um sob
uma forma de onda do portador da corrente alternada (AC). O poder total do
sinal varia em consequência da amplitude instantânea dos dados
modulados.[6]
Ilustração 5: Modulação em Amplitude (em cima), mudulação em frequência (em baixo)
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3.2 Modulação em frequência
Este é outro método de transmitir um sinal. Neste método mudanças de
frequência da onda correspondem a mudanças no sinal. Hoje em dia é um dos
métodos mais utilizados devido a sua alta-fidelidade, pois como a mensagem
do sinal está na frequência em vez da amplitude, é sujeita a muitas menos
problemas que modulação em amplitude. Mas isto pode levar a outro problema,
pois no caso de transmissão por FM, quando o recetor recebe duas
frequências ele só lê o sinal mais forte. Este problema pode causar problemas
em certos tipos de comunicações. [7]
3.3 Comunicações terrestres
O espetro radioelétrico é usado para comunicar, utilizando os processos de
modulação explicados anteriormente. É utilizado para todo tipo de
transmissões terrestres desde rádio a televisão e por todo tipo de instituições
quer sejam civis ou militares. Países têm o direito e capacidade de definir e
gerir o uso do espectro na sua área, reservando certas frequências para tipos
diferentes de comunicações.
O processo de transmissão usando modulação em amplitude através do rádio
é conhecido como Rádio AM. Este tipo de radio tipicamente concentra se nas
frequências médias e altas (MF e HF) e foi o primeiro tipo de Radio usado. Na
Europa ainda é possível reservar frequências abaixo de MF par transmissão de
Radio AM. No caso de rádios civis existe uma estação que manda sinais para a
localidade. Sinais são transmitidos por ondas terrestres e por isso tem uma
área limitada. Este tipo de modulação não é muito fiável e em cidades como
muitas outras ondas radielétricos podem causar distorção da amplitude. Mas
também é possível transmitir mensagens a escala intercontinental usando
skywaves, isto é, ao refletir as ondas em camadas superiores da atmosfera.[14]
Hoje em dia, grande parte das transmissões terrestres, são feitas com
modulação em frequência devido à sua alta-fiabilidade. FM Radio utiliza
frequências muito altas na banda VHF. A sua propagação é feita usando
propagação do tipo linha de vista, o que pode complicar a sua implementação
pois são necessárias muitas estações para cobrir grandes áreas. Para
combater esta limitação usa-se satélites, que devido à sua extrema altitude,
têm uma linha de vista extremamente grande. Mas o uso de satélites é
caro.[15]
O broadcasting do sistema televisivo é propagado via ondas rádio em canais
designados na onda de frequência 54-890 MHz.
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Por último comunicações com telemóveis são possíveis usando SHF. Devido
às altas frequências os sinais de telemóveis só são transmitidos por linha de
vista. Por isso para um telemóvel detetar um sinal tem de estar perto de uma
antena recetora que, por sua vez, está ligada a outras antenas. Essa antena
capta o sinal do telemóvel e propaga-o para o seu destino. Seguindo este
método o telemóvel também é capaz de receber sinais. (ver ilustração 6) [9]
Ilustração 6: Telefones a receberem imagens transmitidas de uma estação
3.4 Comunicações aéreas.
Inicialmente só se era capaz de comunicar com um avião a partir de sinais
físicos colocados na terra. Ao longo dos anos foi se avançando a tecnologia de
radio até a capacidade de comunicação com objetos aéreos ter-se tornado
possível. Comunicação com veículos aéreos é efetuada usando altas
frequências (VHF). Devido ao facto de aviões serem objetos aéreos eles não
podem usar baixas frequências que requerem grandes antenas. O uso de VHF
limita os aviões a comunicação do tipo linha de vista, que tipicamente restringe
o limite do sinal até ao horizonte. Mas como aviões encontram-se a grandes
alturas o horizonte pode se estender até milhares de centenas de quilómetros.
A comunicação é efetuada usando modulação em amplitude. Distúrbios
atmosféricos são capazes de dificultar a comunicação pois afeta a propagação
do sinal e a modulação. Hoje em dia existe uma banda específica para
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comunicação aérea localizada entre 108 e 137 MHz. A divisão dos canais
depende da localização.[8]
3.5 Comunicação com submarinos
A comunicação com objetos debaixo no mar é efetuado usando baixas
frequências, devido a alta condutividade de água. Alta condutividade leva a
uma forte atenuação de altas frequências, tornando frequências muito baixas
no único método efetivo de comunicação com objetos submersos. (Robert E.
Collin – Antenna and Radiowave Propagation)
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4-Radar
O Radar é um aparelho que usa ondas do espectro radioelétrico para detetar
objetos a curtas ou longas distâncias, objetos esses, impossíveis de detetar de
outra forma devido a condições meteorológicas ou até mesmo devido à
distância a que este se encontra do observador. É tambem usado para obter a
velocidade de um objeto se este estiver em movimento. Contrariamente aos
outros aparelhos analisados neste trabalho, o radar não está restrito a uma
banda de frequências específica, sendo que diferentes aparelhos usam ondas
que estão contidas dentro da banda HF (3-30MHz) até ondas contidas na gama
EHF (30-300GHz).
Ilustração 7: Frequências onde o radar esta presente.
Os radares têm múltiplos usos dependendo das frequências utilizadas no seu
funcionamento. Os que usam radiações pertencentes a gama HF são usados
como sistemas de vigilância costeira e são usados como sistemas de radar
over-the-horizon. As radiações VHF são usadas em radares que trabalham a
muito longas distâncias e noutros que penetrem o solo (ex. detetores de
metais). Radares que utilizem radiações UHF têm como objetivo a identificação
de objetos a maior distância do que os baseados em ondas VHF e para
radares capazes de penetrar folhagem.
Como apresentado no gráfico acima, as bandas desde 1Ghz até 110 Ghz estão
divididas de L a W. Os radares que usam as ondas L são utilizados para
controlo de tráfego aéreo a longas distâncias. Os que usam as ondas S são
usados para controlar tráfego aéreo ao nível de aeroportos e de sistemas de
vigilância com alcance moderado. Os que usam as ondas C tem a função de
transmissores-recetores em satélites. As ondas X são usadas para controlo de
mísseis, para radares marinhos mapeamento de média resolução e para
radares detetores de tempestades. As ondas Ku são usadas para mapeamento
a alta resolução. As ondas K são usadas para detetar nuvens pois são
absorvidas pelo vapor de água. As ondas Ka são usadas para radares
fotográficos (ex. Os radares usados para tirar fotografias automaticamente a
carros em excesso de velocidade). As ondas V não são muito usadas pois são
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facilmente absorvidas pelo oxigénio atmosférico. Finalmente as ondas W são
usadas por radares aplicados em protótipos de veículos autónomos como
detetores de colisões.[10]
O radar baseia-se em dois princípios da transmissão de radiações para o seu
funcionamento.
4.1-Reflexão de ondas radioelétricas
A posição de um objeto em relação ao radar pode ser obtida através da
obtenção do tempo desde a sua emissão até que seja detetada pelo recetor
após ter sido refletida do objeto que se tenta identificar. Como todas as ondas
eletromagnéticas viajam à mesma velocidade após o tempo obtido a distância
é, então, fácil de calcular.[11]
4.2-Efeito de Doppler
Este efeito é aplicado nos radares que medem a velocidade do objeto detetado.
O radar envia, então, uma onda rádio a uma certa frequência. Esta onda é
refletida do objeto que se encontra em movimento e quando esta regressa ao
recetor verifica-se que houve uma mudança na frequência da onda registada. A
partir desta diferença podemos calcular a velocidade do objeto em movimento.
[12]
Ilustração 8: efeito de Doppler
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5-Sistemas de Navegação
Quando nos referimos a sistemas de navegação normalmente estamo-nos a referir ao sistema de GPS ou Global Positioning System. Este sistema trata-se de um conjunto de 27 satélites que orbitam a terra (24 necessários ao funcionamento e 3 para o caso de alguma falha ocorrer). As órbitas destes satélites estão calculadas de modo a que a qualquer momento e em qualquer ponto na superfície da terra pelo menos 4 satélites estejam ao seu alcance. O aparelho presente em automóveis, barcos e aviões tem apenas o trabalho de encontrar estes 4, ou mais, satélites e de deduzir a sua própria posição através de cálculos e de um processo denominado de triangulação.[13]
5.1 Triangulação
Supondo que nos encontramos a uma determinada distância de um satélite, poderíamos estar em qualquer lugar da superfície de uma esfera imaginária com um raio de tal distância. Se soubermos, também, que nos encontramos a outra distância de um segundo satélite podemos sobrepor as duas esferas, que se cruzam numa circunferência. Se soubermos a distância a um terceiro satélite, obtemos assim uma terceira esfera, que se cruza com esse círculo em dois pontos. A própria Terra pode agir como uma quarta esfera na qual apenas um dos dois pontos possíveis estará na superfície do planeta podendo, assim, eliminar o ponto no espaço. Apesar disto, os recetores, normalmente, utilizam quatro, ou mais, satélites por uma questão de precisão em relação á altitude.[13]
Ilustração 9: Sistema de Navegação
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Conclusão
Com o término deste relatório, encontram-se variadas conclusões alusivas ao
tema abordado.
A tecnologia é uma constante presente no dia-a-dia de qualquer membro de
uma sociedade moderna tão dependente de aparelhos eletrónicos como a
atual.
De facto, e como se torna possível assumir, o espectro radioelétrico é um dos
grandes suportes de toda a tecnologia desenvolvida pelo ser humano na
medida em que permite, direta ou indiretamente, a existência de meios de
transporte mais velozes e seguros, meios de comunicação práticos e eficazes e
tantas outras aplicações práticas.
Em suma, as possibilidades tecnológicas que o espectro radioelétrico torna
possíveis são infinitas e revelam uma grande utilidade no quotidiano de
qualquer indivíduo, no entanto há necessidade de usufruir de modo moderado
das mesmas.
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Referências Bibliográficas:
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2. Freeman, Roger. 1997. Radio System Design for Telecomunications.
2ªed. John Wiley & Sons, Inc.
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2013. Acedido a 9 de Outubro 2013. http://en.wikipedia.org/wiki/Frequency_modulation
8. Wikipedia.2001. “Airband.” Atualizado a 6 Setembro 2013. Acedido a 9
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9. How Stuff Works.1998. “How Cellphones Work.” Acedido a 26 de Outubro 2013- http://electronics.howstuffworks.com/cell-phone2.htm
10. Wikipedia.2001. “Radar.” Atualizado a 20 Outubro 2013. Acedido 12 de Outubro 2013. http://en.wikipedia.org/wiki/Radar
11. Wikipedia. 2001.“Echo.” Atualizado a 14 de Outubro 2013. Acedido a 12
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13. How Stuff Works. 1998. “How GPS Receivers Work.” Acedido a 12 de
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14. Wikipedia.2001.”AM broadcasting.” Acedido 12 de Agosto Outobro 2013.
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