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COMUNICAÇÃO A LONGAS DISTÂNCIAS O som propaga-se em todos os meios menos no vazio. Ex: na Lua, por mais próximas que estejam as pessoas, não se conseguem fazer ouvir, por não haver ar ou qualquer outro gás. Mas num meio onde o som se propaga, a intensidade vai diminuindo com a distância ao receptor, porque vai havendo absorção pelo meio. O som não se pode estabelecer a longas distâncias. As ondas electromagnéticas são as únicas que se propagam no vazio sem suporte material. A longas distâncias (para além de sinais sonoros amplificados) e no vazio (conversão de sons em sinais eléctricos), as pessoas só se podem comunicar por ondas e.l.m. (telecomunicações), através do telefone, rádio, sistemas de radar, fax, telemóveis, computadores e Internet. Um sistema de comunicações leva a informação (sinal eléctrico) da fonte emissora à antena receptora. Por exemplo na Lua, a voz é transformada em corrente eléctrica no microfone, origina uma onda electromagnética na antena do 1º astronauta, que é captada pela antena do outro. O sinal eléctrico reproduz o som inicial com um pequeno altifalante. Produção de ondas de rádio (telecomunicações) Depois de conhecidas as experiências de Oersted e de Faraday, estes acreditavam que todas as forças da natureza estavam ligadas. As telecomunicações começaram com o 1º telégrafo eléctrico de Henry (1831) e a 1ª mensagem em código de Morse (1838) pode ser transmitida de várias maneiras: . pulsos eléctricos transmitidos por cabo. . Ondas mecânicas (perturbações sonoras). . Sinais visuais (luzes a acender e a apagar). . OLM (sinais de rádio) Morse – entre 1905-1999. A emissão e recepção de sinais é feita com correntes eléctricas e electroimans. Uma mensagem codificada. Embora já se conhecesse os campos magnéticos e eléctricos, ainda não se relacionavam com as ondas electromagnéticas e era tudo feito com fios. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS O físico escocês Maxwell (1868) sugeriu que campos eléctricos variáveis podiam dar origem a campos magnéticos variáveis (teoria do electromagnetismo) e vice-versa e que ambos se propagavam como ondas. Maxwell conseguiu concentrar todos os seus conhecimentos em 4 equações (que ligam campos magnéticos com eléctricos). Concluiu que tanto o campo eléctrico como o magnético se propagavam como ondas e que a velocidade dessas ondas era de 300.000 Km/s. Como já se conhecia que a velocidade da luz tinha esse valor, concluiu que a luz era uma onda do campo electromagnético. Entre 1676 e 1941, vários cientistas foram aperfeiçoando o valor obtido para velocidade da luz (c). Os campos eléctricos e magnéticos, além de se propagarem como uma onda com a velocidade da luz, são perpendiculares entre si e perpendiculares à direcção de propagação, formando ondas transversais.
Entretanto Henry, tinha começado a fazer circuitos com produção de ondas electromagnéticas, mas como não deixou nada escrito, passou despercebido. Mais tarde Hertz (alemão) confirmou experimentalmente a teoria de Maxwell com o excitador. Hertz compreendeu que as ondas de rádio, tal como a luz, são r.e.m., apenas com frequências distintas. Experiência do Hertz: Gerou a 1ª onda e.l.m. Onda porquê? Como há alteração das propriedades eléctricas e magnéticas do meio quando existem cargas oscilantes, há uma perturbação, logo há uma onda (onda electromagnética). Uma onda gera uma corrente eléctrica ou uma carga em movimento, envia energia em todas as direcções através do espaço por meio da propagação de sucessivos campos eléctricos e magnéticos. Com um gerador de alta tensão alterna (que permite criar elevada d.d.p.) e uma bobina de indução, criava uma oscilação de cargas eléctricas entre 2 esferas metálicas. . Devido aos impulsos eléctricos, o ar torna-se momentaneamente condutor, as cargas eléctricas de sinais opostos movem-se, obtém-se uma corrente oscilante. No excitador saltavam pequenas faíscas que eram propagadas a um anel metálico (ressoador), onde se podiam ver com uma lupa, mais pequenas faíscas. Após a 1ª descarga, ocorriam outras descargas eléctricas no ressoador colocado a uma certa distância das esferas. O ressoador de Hertz foi a 1ª antena receptora e o excitador, a 1ºantena emissora. A frequência das réplicas originadas no anel ressoador era igual à frequência das réplicas produzidas no emissor. O que se passa é que se a alguma distância tivermos um circuito eléctrico (ou pelo menos um fio de metal fechado), este entra em vibração, gera-se outra corrente eléctrica variável, também com faíscas e com a mesma frequência dos impulsos originais. Hertz – Para gerar uma onda e.l.m. é necessário criar um campo eléctrico variável. Gera um campo magnético variável que gera nas vizinhanças um campo eléctrico variável e assim por diante.
As ondas de rádio têm frequência compreendida entre 30 KHz e 300 KHz e as ondas de televisão entre 50 MHz e 1 GHz. As experiências de Hertz fascinaram Marconi. Começou a produzir ondas de rádio que chegavam a 3 Km e por fim atravessavam o canal da Mancha com 50 Km da largura. Estabeleceu a 1º comunicação entre o continente europeu e americano. Para além da transmissão de rádio, televisão, telemóveis. Constroem-se antenas emissoras. Quando uma corrente alternada percorre uma antena emissora, produzem-se ondas de rádio. Inversamente, quando as ondas de rádio chegam a outra antena receptora geram corrente eléctrica alternada, que se transforma novamente em ondas de rádio. No entanto, a transmissão de sons só foi possível com uma válvula de vácuo. Esta descoberta levou ao estabelecimento de uma ligação radiotelefónica transcontinental da Virgínia para Paris. A partir daí foi tudo muito rápido Espectro electromagnético
Como se efectua a comunicação No início, a comunicação por ondas e.l.m. processavam-se em código Morse que já se usava no telégrafo por fios. As sequências de sinais passaram a ser enviadas sem fios. Passou-se para o envio de informações de sons, imagens ou dados. Reparar que o código Morse foi o 1º sistema digital, pois as letras (conjunto de sinais de ligar e desligar – ponto e traço), correspondem aos dígitos 0 e 1, utilizados actualmente. As mensagens (sons e imagens) podem enquadrar-se em 2 categorias de sinais: analógicos e digitais. Sinal analógico – varia com o tempo de uma maneira suave e contínua. Ex: variações de pressão numa membrana de um microfone, numa cassete áudio tradicional. O sinal da linha telefónica era até há pouco tempo analógico apenas. O sinal de televisão ainda é analógico e os de vídeo também. A rádio está a passar gradualmente. Explicação: Quando o som se transforma em sinal eléctrico num microfone, a tensão relaciona-se com a intensidade do som captado (relacionado com a amplitude). Com a imagem é a mesma coisa consoante a luminosidade do sítio.
Fig, 1 Trata-se de uma sequência contínua de d.d.p. Pode ser enviada para um altifalante, para um gravador de fita magnética. Na transmissão de um sinal, há que o amplificar e amplifica-se também o ruído, É uma desvantagem. Sinal digital – . Para os sinais digitais só é necessário que o receptor detecte impulsos ou ausência deles. (analógico). Na transmissão digital a integridade do sinal é assegurada, porque só extraem o padrão de bits. Uma outra vantagem da informação é ser encriptável (escondida), quando se enviam dados pela Internet, etc. Outras: os dígitos 0 e 1 podem corresponder às tensões 0 e 5V. a informação sob sinais digitais pode ser tratada por microprocessadores e eliminar-lhes o ruído quando é transmitido para destinos longínquos e conseguir copiá-los mantendo as características do sinal original. É uma sequência ordenada de símbolos. É originada por uma função descontínua, manifestando-se por unidades discretas, através dos valores 1 e 0. Ex: sequências dos dígitos 0 a 1, que correspondem ao ligar e desligar da tensão e correspondem aos 10 dígitos do código decimal. Ex: num DVD, CD, telemóveis, Internet, E-mail. Explicação – Vamos novamente considerar a tensão em função do tempo como na fig.1. Cobre-se a região do plano tensão-tempo com uma quadícula e sombrea-se a zona abaixo da curva de tensão. Atribuímos aos quadradinhos que ficarem escuros o valor 1 e aos brancos o valor 0 (como na batalha naval). A informação da tensão exprime-se por uma sequência de 0 e 1 (são bits de informação).
Isto para imagens
Tabela com os binários equivalentes aos nºs decimais de 0 a 15. Só a partir do nº 16 – 10000 – 5 bits CONVERSÃO DO SINAL O sinal analógico é uma função contínua, voz, música, o sinal digital é uma função discreta. Durante a transmissão analógica ou digital pode haver efeitos indesejáveis como: distorção, interferência e ruído. Distorção quando o sinal é alterado, interferência deve-se à sobreposição de sons estranhos e ruído refere-se a sinais ocasionais e imprevisíveis. O uso de sinais digitais é mais vantajoso, porque são menos afectados pelo ruído que os sinais analógicos. Conversão de analógico a digital 1º Microfone – obter sinal analógico a partir dum som emitido por uma pessoa, amplificar esse sinal. Converte o som em sinal eléctrico. Temos um som sinusoidal puro. A cada milésimo de segundo, medir a tensão.
Cada amostra de tensão é enviada sob a forma de pulso e faz-se corresponder à amplitude de cada pulso um nº de 3 bits.
Cada 8 bits corresponde a 1 byte. Pode-se fazer a correspondência dos bits, não só com os valores decimais, como também formar palavras. Convencionou-se que cada conjunto de 1 byte pode significar uma letra, símbolo, acento, sinal, etc. Conversão do digital a analógico
Para que haja uma comunicação via rádio tem que existir um emissor e um receptor. No emissor encontra-se o gerador da onda portadora que produz uma onda com uma frequência exacta. (a frequência da estação). A onda portadora não possui qualquer informação, existindo duas formas de lhe adicionar essa informação, num processo a que chamamos modulação. Pode-se modular a amplitude (AM) ou a frequência (FM), alterando uma daquelas características da onda portadora. No caso da modulação por frequência, resulta uma onda com amplitude constante cuja frequência depende do sinal da fonte sonora. A onda passa por um amplificador de potência e é enviada para a antena constituída por um elemento condutor que irradia as ondas para a atmosfera. No receptor, as ondas hertzianas são captadas por uma antena metálica na qual induzem a formação de uma corrente eléctrica alterna cuja frequência é idêntica à das ondas hertzianas. Esta corrente é depois tratada de forma a eliminar as interferências e a frequência portadora, isolando assim a informação da fonte sonora modulada no emissor. Esta informação é amplificada e enviada para um altifalante gera um campo magnético, oscila, o que vai originar uma corrente eléctrica. Modulação ou modelação Emissão do sinal: há 2 sinais que têm que ser transmitidos: o sinal correspondente à informação que se pretende transmitir e o sinal da onda portadora de natureza electromagnética a que corresponde um amplitude e uma frequência (sinal de RF) e uma velocidade de 3x108m/s. A onda e.l.m. modulada é designada por onda portadora. Esta tem uma frequência superior à do sinal. A onda sonora é convertida através de sinais eléctricos em ondas e.l.m.
A modulação é a junção dos 2 sinais (onda portadora e sinal de informação), que pode ser modulação em (FM) e modulação em (AM). Como é tratado o sinal quando é emitido? 1. Fala-se para um microfone, converte o som que é débil em sinal eléctrico. O sinal que é emitido é muito fraco. Recordando: vibração da membrana – o íman está lá dentro na bobina enrolada no íman. 2. Amplificador áudio 3.Oscilador de RF é um circuito que gera um sinal portador, cuja amplitude e frequência se mantêm constantes. Onda portadora? 4.Modulador combina o sinal da informação (áudio) com o sinal de rádio frequência. 5.Amplificador de RF, amplifica o sinal que foi modulado tornando-o mais forte para poder alimentar a antena, fazendo com que as cargas eléctricas que estão à superfície da antena, oscilem radiando até sinais mais afastados. Amplitude (AM) – Corresponde à informação que modifica a amplitude da onda portadora. Nesta modulação, a frequência permanece constante à da onda portadora (que já tem uma frequência superior à do sinal eléctrico). É a mistura dos 2 sinais ( o sinal áudio e sinal da onda portadora). Quando se combinam no modulador as 2 frequências, originam-se novos sinais que correspondem à soma e á diferença entre estas frequências. Além disso, pode-se modificar a amplitude através da variação dos impulsos eléctricos.
Frequência (FM) Corresponde à informação que modifica a frequência da onda portadora, aumento da frequência, a amplitude permanece constante. Para se conhecer a mensagem transmitida é necessário desmodulá-la no receptor.
Tanto na modulação por amplitude como por frequência, a frequência é aumentada (transformam a largura de banda inicial em largura de banda superior (entre 4 KHz e 300Hz). Ondas de rádio – em amplitude e em frequência. As transmissões de rádio estão regulamentadas a nível mundial. Embora cada banda (OM, OC, FM) se distribua por um certo leque de frequências, cada estação pode utilizar uma largura de banda de 10KHz para evitar sobreposições entre as estações. 1ºs sistemas de telemóveis – em amplitude. Televisão – A imagem - em amplitude. Maximiza a largura da banda. O som – em frequência, para reduzir interferências entre vídeo e som. Modulação em frequência
São transmitidas entre 88MHz e 108MHz. Melhor qualidade de transmissão. Sintonizar uma estação de rádio ou TV significa pôr o aparelho receptor a captar a onda com a frequência emitida por essa estação Qual o sistema mais vantajoso de modulação? . No sistema AM (informação contida na amplitude), o ruído é adicionado à informação, distorcendo-a. . No sistema FM, o ruído inerente a uma transmissão FM é muito inferior ao de uma transmissão AM. Por isso a modulação por frequência (FM) é um processo mais eficiente do que a modulação por amplitude. No entanto uma das desvantagens da modulação FM é que exige maior largura de banda para transmitir qualquer sinal de informação. RESUMINDO: Emissão: Transform. Da informação em sinal eléctrico (microfone). Amplificação do sinal. Modulação Antena emissora Recepção Antena receptora Selecção do receptor Circuito receptor sintonizado com a frequência da portadora Desmodulação Amplificação Sinal eléctrico em acústico ou óptico. Propagação As ondas de > c.d.o. vão directamente contornando os obstáculos. As ondas curtas sofrem reflexões sucessivas.
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No
caso da luz visível, a perturbação é a oscilação de um campo eléctrico e
de um campo magnético perpendiculares entre si. Essa perturbação pode
ser criada por cargas oscilantes. Sempre que uma carga eléctrica é
acelerada produz-se uma onda e.l.m. Ainda não se sabia da possibilidade
de existir ondas com vários c.d.o.
Se
uma perturbação electromagnética for iniciada numa determinada região do
espaço produzida por oscilação de cargas eléctricas, esta perturbação
pode propagar-se até pontos distantes, através da indução mútua dos
campos eléctricos e magnéticos.
Para enviar grandes
quantidades de informação a longas distâncias através das antenas, a
transmissão de sinais exige que estas sofram alterações nas suas
características. A produção de ondas e.l.m. para comunicação terrestre
só é viável se as frequências nas antenas forem muito altas. O veículo
de transporte das tensões assim geradas é chamadas “ondas portadoras”. É
uma onda e.lm. sinusoidal de alta-frequência. Só a onda portadora
permite distinguir as estações de rádio umas das outras, pois têm ondas
portadoras diferentes. Depois é só sintonizar.
Onda modulada em
amplitude
A modulação em frequência
permite obter um sinal de melhor qualidade, lida melhor com o ruído. O
ruído afecta e interfere com a amplitude do sinal que chega ao receptor.
Como neste caso a amplitude não varia, é muito mais fácil identificar os
ruídos e filtrá-los. O espectro de frequências tem bastante mais bandas
laterais e a largura do canal é maior. Cada canal tem uma largura de 150
KHz.