Sistemas de Rádio Comunicação

Introdução

Comunicação:   “É a disciplina que estuda os princípios de transmissão de informação e os métodos pelos quais a informação é enviada”. Imprensa, rádio, televisão, internet, etc.

Quaisquer que sejam os métodos de envio utilizados, necessitamos, além da informação que queremos enviar, de um transmissor, de um receptor e de um meio. Esses elementos compõem um sistema de comunicação.
Além desses elementos é preciso levar em conta outros fatores, que tem grande influência no desempenho dos sistemas de comunicação. Entre eles estão a distância, a energia necessária e as condições do ambiente em que o sistema vai operar.

A relação entre energia e distância é fácil de entender e perceber na nossa prática cotidiana, por exemplo, de conversar com as pessoas.

Quando nos afastamos de uma pessoa, com quem estamos conversando, temos, muitas vezes, que elevar o volume da voz para sermos entendidos, ou seja colocar mais energia ou usar outros recursos, como levar as mãos à boca, na forma de uma corneta, para concentrar a energia sonora em uma direção e, com isso, ampliar o alcance. Ou seja, com a distância aumentando a voz chega mais fraca ao receptor.

Muitas vezes obstáculos, existentes no ambiente, dificultam ou impedem a comunicação. Outras vezes, como em um restaurante, temos que elevar o volume da voz, apesar de estarmos bem próximos da pessoa com quem conversamos, devido ao “barulho” do ambiente. E as outras pessoas também sentem que tem que fazer a mesma coisa, elevar o volume de voz. 

Muitas vezes essas conversas ficam muito difíceis, a ponto de as pessoas quase não se entenderem. Têm-se que começar a gritar ou a repetir o que foi dito e nem sempre teremos certeza de que fomos bem entendidos.

Sistemas de Radiocomunicação

Vamos nos ocupar, agora, dos sistemas de radiocomunicação. Em particular, com aqueles que utilizam o ar, como meio de propagação de radiações eletromagnéticas, ou seja, de ondas de rádio. Teremos também aqui um transmissor e um receptor, que são equipamentos de radio-comunicação, e a informação que queremos enviar de um ponto a outro, os pacotes de dados, voz e imagem.
A figura abaixo mostra o sistema de radio-comunicação mais simples: um enlace de rádio.

Aqui, utilizamos outros termos para as palavras que usamos nas descrições das situações de conversas entre pessoas. Ao invés de energia, usamos o termo potência, no lugar de enfraquecimento da voz, falamos em atenuação e como barulho, usamos ruído ou interferência.

Vejamos um pouco mais de detalhes sobre esses novos elementos:

• Potência

É a relação entre a energia, produzida ou consumida, pelo tempo gasto para ser produzida ou consumida, ou, matematicamente:

Onde P é a potência, E é a quantidade de energia e D t é o intervalo de tempo em que a energia foi efetivamente produzida ou consumida, ou potência útil. Pensem em exemplos.

• Atenuação

É a redução da potência útil, por meios físicos disponíveis.

• Interferência / Ruído

É o elemento, oriundo de fontes externas ao sistema, porém operando de forma similar, que, quando presente, interfere no sistema, alterando, de modo sensível, o seu desempenho.
               
Os componentes de um  Enlace de Rádio

Os componentes básicos de um enlace de rádio são

• Antena
• Ambiente
• Transceptor
• Cabos de conexão

 

Veremos, adiante, como cada um desses componentes influi no desempenho de um enlace de rádio. O componente mais importante é a antena e é ela que realmente interage diretamente com o ambiente onde deve operar o enlace de rádio.

- Antena 

As funções básicas de uma antena são: irradiar para o espaço a energia produzida pelo transmissor e captar a energia que recebe e enviá-la para o receptor. Porém, mais importante do que isso é a forma como as antenas irradiam a energia para o espaço.
Isso será, essencialmente, definido pela maneira como a antena é construída e utilizada. Assim, temos tipos diferentes de antenas com propriedades de irradiação diferentes, características próprias de cada tipo e podemos, então, selecioná-las de acordo com a nossa aplicação específica.

Uma das características das antenas são suas dimensões, que têm íntima relação com os as freqüências das radiações que elas devem propagar, bem como a forma de propagação dessas radiações.  Veremos mais adiante que as dimensões estão associadas a uma propriedade importante das antenas, o Ganho.

Alguns tipos de antenas mais comuns são: dipolo, omni-direcional, parabólica, ”yagi” e setorial. Vamos descrever, rapidamente, cada um desses tipos de antenas e discutir sua aplicação prática, em função de suas propriedades.

Antes de falar das propridades das antenas, vamos discutir, rapidamente, alguns conceitos básicos relacionados com essas propriedades.
- Radiação eletromagnética
Vamos rever alguns conceitos conhecidos de ondas, sua representação como funções do tempo, apenas para assegurar que estamos todos falando a mesma linguagem.

Abaixo está a representação de uma tensão alternada ao longo do tempo

Todas as ondas podem ser descritas em termos de suas velocidade, freqüência, comprimento de onda e amplitude como ilustrado na figura.
O comprimento de onda l (letra grega lambda) é a distância entre dois máximos ou mínimos sucessivos. Conseqüentemente l tem unidade de comprimento.

A freqüência f, é o número de cristas de ondas que passam em um dado ponto de referência por unidade de tempo. A unidade de freqüência é igual ao inverso da unidade de tempo. Freqüentemente usa-se a unidade denominada hertz (Hz), 1Hz = 1 s-1. A freqüência de 10 Hz significa que 10 cristas da onda passam por segundo em um dado ponto de referência.

Se existem n ondas por segundo passando por um ponto, e se o comprimento de onda de cada onda é l , a distância viajada pela onda em 1 segundo é igual ao produto f. l , o que corresponde a sua velocidade de propagação, isto é

 

Como todas as ondas eletromagnéticas se propagam à mesma velocidade, que é igual à velocidade da luz, aproximadamente c = 300.000 Km/s. A expressão acima pode, então ser escrita na forma:

 

Exercício: Qual o comprimento de onda de uma radiação de 900 MHz? E de 2, 4 GHz?

Imaginemos uma antena, teórica, que tenha uma forma de uma minúscula esfera e irradie uniformemente em todas as direções. Seu diagrama de radiação, teria também uma forma esférica, representado abaixo numa superfície  plana.

• Densidade de Potência

Em toda a superfície da esfera, de raio R, a potência é sempre a mesma. Se dividirmos, então, a potência pela área da esfera de raio R, teremos o que chamamos densidade de potência, ou seja, em qualquer ponto da esfera temos a mesma quantidade de potência por unidade de área, cm2, por exemplo.

Um conceito extremamente importante para a implementação de enlaces de rádio é a perda de espaço livre. Ela depende da freqüência e da distância percorrida pela radiação. Para uma mesma freqüência ela só depende da distância.

O que acontece se dobramos o raio e calculamos o novo valor da densidade de potência? Como a área da esfera é proporcional ao quadrado do raio ( A = 4.p.r2 ), quando dobramos a distância a área fica quatro vezes maior. Portanto, a densidade de potência cai para um quarto do valor inicial, quando o raio era igual a R.

                - Ganho

Uma analogia. Numa situação, quatro homens afastam quatro carros, igualmente carregados, em direção o aos pontos cardeais, num intervalo de tempo definido, e todos vão parar a distâncias iguais do ponto central.  Em outra, todos empurram um só carro e numa única direção, no mesmo intervalo de tempo. Esse carro vai atingir uma distância maior do centro do que na situação anterior.

No caso das antenas acontece algo similar. Pelo método de construção da antena podemos dirigir mais potência para alguma direção escolhida do que para outras. O diagrama de radiação deixa de ser esférico e a densidade de potência a uma distância R da antena, será maior na direção escolhida do que nas outras, ou seja teremos mais mW / cm2(miliwatts/cm2), nessa direção do que em outras.

Exemplo:  antena parabólica.

Se multiplicarmos a densidade de potência, que chega na antena, pela sua área, teremos a potência que a antena envia para o receptor. Nesse caso é fácil ver a relação da área da antena com seu ganho. Quanto maior o diâmetro da parábola, maior o seu ganho.

Sabemos também que a irradiação é mais eficiente quando o(os) elemento(s) irradiante(s) tem dimensões próximas do comprimento de onda considerado, que é função da freqüência utilizada.

- Cabos de RF

Os cabos coaxiais servem para conectar a antena ao transceptor. A antena, via de regra, deve ser instalada em local elevado. O transceptor deve ficar em um local conveniente para a operação, isto é, próximo ao equipamento ou dispositivo que vai ser ligado a ele. Também se quer que ele esteja em lugar de fácil acesso para instalação e serviços de  manutenção.

Essas condições nem sempre são viáveis, pois se o enlace é de grande distância, o comprimento do cabo pode ser um problema, devido à atenuação do sinal de radio freqüência que passa por ele.

A atenuação nos cabos de RF depende muito de sua construção, materiais utilizados e dimensões, especialmente o diâmetro.

Um item importante no desempenho de um cabo, além da qualidade da fabricação, é a sua conectorização, instalação dos conectores.  Instalação inadequada pode produzir perdas adicionais significativas.

- Ambiente

Uma condição importante é ter-se  visada entre as antenas, ou seja, as antenas não apenas se enxergam mutuamente, mas precisam de uma área livre de obstáculos ao redor da reta que as une. Essa área livre se chama Zona de Fresnel. Essa condição pode ser determinada, por cálculos matemáticos, com razoável segurança.

Com freqüência vão estar presentes, na região entre as antenas, obstáculos que podem obstruir parcial ou totalmente, a zona de Fresnel.

A posição relativa e/ou a natureza desses obstáculos podem interferir de formas diversas no desempenho desejado do enlace. Os obstáculos mais comuns são: paredes de alvenaria, de concreto, de metais, de madeira, de plástico, árvores, água, etc..

Podem produzir efeitos diretos de reduzir ou impedir a passagem da radiação, como provocar reflexões do sinal, que podem atingir a antena receptora em intensidade e condições diferentes, o que pode diminuir ou, até mesmo, anular o sinal recebido. Algumas vezes pode ser necessário efetuar testes para se ter certeza da viabilidade do enlace.