Redes Wireless - Conceitos Básicos

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Dando continuidade ao assunto sobre redes wireless, neste post serão abordados alguns conceitos básicos que são fundamentais para o entendimento de sistemas e equipamentos wireless.

Por que wireless?

Os sistemas wireless já contribuem a muito tempo para a comodidade
do ser humano. Um exemplo clássico é a televisão, que já a algum tempo leva informação e entretenimento a milhares de pessoas ao redor do mundo. Salvo as residências onde se utiliza a TV a CABO, a grande massa utiliza um aparelho de TV e algum tipo de antena, seja ela para TV Digital, o estado da arte em termos de transmissão de imagem e som em alta definição e qualidade, bem como de interatividade do espectador, TVs por assinatura como SKY, NET, etc, ou mesmo as famosas antenas "pé de galinha"; não importa, são equipamentos wireless.

Mais recentemente, o advento da telefonia celular contribuiu de forma relevante para a evolução dos meios de comunicação, bem como da velocidade das informações. Tenho uma tia que mora na roça e que viveu muitos anos à espera da passagem da rede elétrica por lá para levar energia até a sua casinha. O tempo de espera foi bem menor para instalar um telefone, pois, bastou um celular com uma antena externa e pronto, lá está ela com um canal aberto de comunicação com o mundo inteiro. Quem hoje vive sem um celular? Existem pessoas que resistem, mas, cedo ou mais tarde vão ter que (ou precisar de) ceder.

Assim, atualmente os sistemas wireless estão disponíveis na indústria (na verdade, todos os produtos que conhecemos

Frequências

Conforme foi abordado anteriormente, as ondas eletromagnéticas idealizadas por Maxwell foram comprovadas experimentalmente por Hertz e por isso foram chamadas durante muito tempo de "ondas Hertzianas".

As ondas eletromagnéticas possuem algumas características, tais como amplitude e período. A amplitude está relacionada com os valores máximo e mínimo que essa onda atinge no tempo. O período é o intervalo de tempo no qual a onda realiza um ciclo. A Figura 1 apresenta o conceito gráfico de amplitude e período em uma onda senoidal.

Figura 1 - Representação gráfica de amplitude e período.

Através do período é possível se determinar a frequência de oscilação da onda eletromagnética e esta relação é mostrada na Figura 2. A frequência é dada em Hertz em homenagem ao alemão Heinrich Hertz.

Figura 2 - Relação entre período e frequência.

As frequências são classificadas em faixas, de acordo com o seu valor, conforme mostra a Tabela 1.

Faixa	Descrição	Frequências
HF	High Frequêncy	3 a 30MHz
VHF	Very High Frequency	30 a 300MHz
UHF	Ultra High Frequency	300 a 3GHz
SHF	Super High Frequency	3 a 30 GHz
EHF	Extra High Frequency	30 a 300GHz

Tabela 1 - Classificação das frequências

Em se tratando de equipamentos para comunicação sem fios, os mesmos são projetados para operar em uma frequência ou faixa de frequências. Em cada país existe um setor do governo responsável por gerenciar o uso das faixas de frequências e no caso do Brasil, a ANATEL é o setor responsável por isso.

Comprimento de onda

O comprimento de onda é a distância percorrida por um período da onda eletromagnética na velocidade da luz. A Figura 3 apresenta um desenvolvimento algébrico simples, partindo da equação do movimento retilíneo uniforme (d=v.t), para se obter a equação do comprimento de onda, com base no valor da frequência dado em Megahertz (10⁶Hz).

Figura 3 - Equações para o comprimento de onda

O comprimento de onda é uma informação importante e é utilizada para o projeto de antenas e cálculos para estimativa de alcance de um sistema wireless, por exemplo.

Modulação

A modulação pode ser definida como a modificação sistemática de alguma característica de uma onda portadora (frequência, amplitude ou fase, por exemplo) através de uma onda moduladora (que é o sinal que se deseja transmitir).
Para simplificar o entendimento, vamos fazer uma comparação. A portadora é como uma folha de papel A4 em branco, ou seja, possui um tamanho definido e cor uniforme. A moduladora é como uma caneta esferográfica azul, que se deslizada pelo papel, alterará a cor do mesmo por onde ela passar. A partir do momento que utilizo a caneta para fazer um desenho ou escrever uma frase no papel branco, estamos alterando sistematicamente a cor do papel e, portanto, representando a informação desejada. Quero deixar claro que esta representação não foi uma idéia minha, mas foi o artifício que um professor que tive, Sr. Marcílio Falleiros, utilizou no Curso Técnico em Eletrônica para explicar este assunto. Nunca mais saiu da minha cabeça. Valeu Marcílio!
Assim existem alguns tipos de modulação:

• Modulação AM ou em amplitude: A moduladora altera a amplitude da portadora. Geralmente é utilizada em sistemas analógicos. Este tipo de modulação está representado na Figura 4.
• Modulação FM ou em frequência: A moduladora altera a frequência da portadora. Também muito utilizada em sistemas analógicos para transmissão de áudio e vídeo. Este tipo de modulação também está representado na Figura 4.
• Modulação ASK (Amplitude-Shift Keying, ou Chaveamento por deslocamento de amplitude): Basicamente é a modulação AM para sistemas digitais, ou seja, os sinais 0 (zero) e 1 (um) são representados por níveis definidos de amplitude da portadora e a moduladora é uma sequência de zeros e uns. Este tipo de modulação está representada na Figura 5.
• Modulação FSK (Frequency-Shift Keying ou Chaveamento por deslocamento da frequência): Basicamente é a modulação FM para sistemas digitais, onde os sinais 0 (zero) e 1 (um) são representados por valores definidos de frequência da portadora. Uma representação desta modulação é mostrada na Figura 6.
• Modulação PSK (Phase-Shift Keying ou chaveamento por deslocamento de fase): Consiste na alteração da fase da portadora de acordo com as transições de 0(zero) para 1(um) ou 1(um) para 0(zero) do sinal digital modulante. Este tipo está representado na Figura 7.

Figura 4 - Representação animada das modulações AM e FM (fonte: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a4/Amfm3-en-de.gif)

Figura 5 - Representação da modulação ASK (fonte: http://www.pctechguide.com/images/61am.gif)

Figura 6 - Representação da modulação FSK (fonte: http://www.pctechguide.com/images/61fm.gif)

Figura 7 - Representação da modulação PSK (fonte: http://www.pctechguide.com/images/61psk.gif)

Componentes básicos de um sistema wireless

Um sistema wireless basicamente é composto pelos seguintes elementos:

• Transmissor - que é um elemento ativo que gerará uma onda eletromagnética com uma determinada amplitude (potência) e comprimento de onda (frequência), contendo a informação a ser transmitida, codificada ou contida em uma portadora.
• Cabos coaxiais - São elementos passivos (ou seja, atenuam ou diminuem a amplitude do sinal) que guiarão as ondas eletromagnéticas produzidas pelo transmissor até a antena (no caso do transmissor) ou as ondas eletromagnéticas captadas pela antena receptora até o equipamento receptor (no caso do receptor).
• Antenas - São elementos passivos que recebem as ondas eletromagnéticas guiadas pelos cabos coaxiais e irradiam estas ondas para o espaço (no caso da antena transmissora) ou recebem ondas irradiadas no espaço e as entregam para serem guiadas pelos cabos até o receptor (no caso da antena receptora). As antenas são dimensionadas de acordo com a potência e frequência de operação do sistema (inclusive seus elementos são dimensionados em função do comprimento de onda). Ao contrário do que muita gente pensa, as antenas não amplificam o sinal recebido (seja pelo cabo ou seja pelo espaço), mas elas concentram a irradiação (ou recepção) em uma determinada direção, seja ela horizontal ou vertical (isto será abordado com detalhes mais à frente).
• Meio de propagação - É por onde as ondas eletromagnéticas irradiadas pela antena transmissora viajarão até a antena receptora. À medida que a onda eletromagnética flui pelo meio de transmissão ela sofre uma atenuação, que depende da distância entre os pontos, do comprimento de onda e da presença de obstáculos neste percurso.

Os componentes básicos de um sistema wireless estão representados na Figura 8.

Figura 8 - Representação dos componentes básicos de um sistema Wireless.

Conclusão


Neste post foi possível visualizar diversos conceitos relacionados a sistemas wireless. Continuaremos com mais conceitos no próximo post e eles serão extremamente importantes para a compreensão dos sistemas wireless industriais.
Só para que vocês já possam ter uma idéia, falaremos sobre transmissão de dados, transmissão de I/O, transmissão de dados wireless em redes industriais. Não percam! Até lá!