Conhecimentos básicos de comunicação sem fio: Mecanismo sem fio (1)

Nota: Este artigo tenta dar uma explicação geral da comunicação sem fios. Por conseguinte, não explicamos completamente algumas áreas e deixamos outras completamente de fora. Pretendemos cobrir essas áreas pouco a pouco no futuro.

1. O que é a comunicação sem fios?

Simplificando, a comunicação sem fios é a telecomunicação sem fios que utiliza ondas eletromagnéticas (ondas de rádio), campos magnéticos e campos elétricos, ao passo que a comunicação ótica utiliza a luz sem recorrer a fios ou cabos. Entre os vários métodos de comunicação sem fios, a telecomunicação que utiliza ondas de rádio permite a comunicação a longa distância, na ordem dos quilômetros ou mais, e permite a transmissão de muitos dados (informação^)*1. Por conseguinte, as ondas de rádio são utilizadas na maioria dos sistemas de comunicação sem fios. Nesta série, gostaríamos de focar nossa explicação principalmente nas ondas de rádio.

Os sistemas de comunicação sem fios que utilizam ondas de rádio estão configurados para utilizar o espaço como via de transmissão (ou canal de comunicação) e para enviar dados em ondas de rádio como ^sinais*1 dos transmissores para os receptor (Fig. 1).

*1: Consideramos aqui "dados", "informações" e "sinais" da seguinte forma.
・Dados: Um conjunto de símbolos e códigos que representam factos
・Informação: Dados que incluem áudio, texto e imagens que podem ser interpretados por humanos e usados de forma a determinar coisas e tomar ações
・Sinais: Dados ou informações transmitidos ao longo do tempo através de caminhos de transmissão (canais de comunicação), como espaço ou cabos
A partir daqui, não fazemos distinção entre "informação" e "dados" por conveniência. Utilizamos a expressão "dados", salvo indicação em contrário.

2. Exemplos de aplicações de comunicações sem fios

O quadro 1 resume as categorias aproximadas de comunicação sem fios que transmitem dados utilizando ondas de rádio e as aplicações típicas de cada categoria. A comunicação sem fios é utilizada em vários domínios. As aplicações e os tipos de comunicação sem fios são também muito variados.
É de notar que, nos últimos anos, as comunicações sem fios estão também a ser desenvolvidas para além dos limites destas categorias. Por exemplo, vários países iniciaram serviços de comunicação móvel por satélite que integram a comunicação por satélite na comunicação móvel (smartphones equipados com uma função de ligação aos satélites).

3. Configuração básica e elementos de sistemas de comunicação sem fios

O modelo básico de configuração dos sistemas de comunicação sem fios (e dos sistemas de comunicação com fio) é o apresentado na Fig. 2. Descrevemos os seus elementos constituintes na Tabela 2. A Figura 1 em "1. O que é comunicação sem fio?" é uma ilustração ainda mais simplificada desse modelo básico.
Chamamos "sinal" aos dados transmitidos através de um caminho de transmissão. Chamamos "ruído" aos componentes desnecessários que afetam negativamente estes sinais e dificultam a transmissão dos dados que queremos enviar ao destinatário. Na prática, o ruído pode ocorrer tanto nos transmissores como nos receptor e causar interferências no funcionamento dos dispositivos e outros problemas. Em outras palavras, podemos chamar de sistema de comunicação que não é afetado por este ruído o sistema de comunicação ideal.

4. Método de comunicação sem fios: Modulação e desmodulação

A Fig. 3 mostra uma configuração que descreve a modulação e a desmodulação, que são as funções básicas de um sistema de comunicação sem fios. Baseia-se no modelo básico do sistema de comunicação da Fig. 2.
Se tentar transmitir dados diretamente como ondas de rádio, não conseguirá enviá-los a longas distâncias. Por esta e outras razões, a comunicação sem fios requer uma operação chamada "modulação" que converte os dados em sinais convenientes no transmissor para permitir a transmissão de dados a longas distâncias. Por outro lado, é necessária uma operação chamada "desmodulação" que devolve os sinais modulados aos dados originais no receptor.
A Tabela 3 resume as tecnologias de modulação típicas e os exemplos de adoção. Muitos dos termos não são familiares em geral. No entanto, gostaríamos que pensasse nestas tecnologias de modulação como as que suportam parte da infraestrutura do nosso estilo de vida atual, como os celulares e as emissões de rádio e televisão. Pretendemos explicar os pormenores numa página separada, numa data posterior.

Coluna: As ondas de rádio e as suas frequências

As ondas de rádio são uma forma de energia, tal como o movimento e o calor. São também chamadas ondas eletromagnéticas. (De facto, a luz é um tipo de onda electromagnética.) As ondas de rádio são definidas como ondas eletromagnéticas com uma frequência igual ou inferior a 3000 GHz na Lei das Radiocomunicações do Japão e no Regulamento das Radiocomunicações anexo à Convenção Internacional das Telecomunicações. (Explicaremos mais tarde como calcular a frequência).
Estas ondas de rádio são emitidas por aparelhos sem fios. No entanto, não é fácil visualizá-las. Por isso, explicámos o aparecimento e a transmissão de ondas de rádio a partir do fenómeno que ocorre quando se faz passar uma corrente alternada sinusoidal através de uma barra condutora, como o metal, para facilitar a sua visualização.

A figura 4 mostra como as ondas de rádio se deslocam nessa altura. De facto, as ondas de rádio estendem-se tridimensionalmente. No entanto, centramo-nos aqui nas ondas de rádio que viajam quando o condutor está orientado verticalmente para revelar como são transmitidas. O campo elétrico*2 ^e o campo magnético*2 ^são mantidos em ângulos retos (ortogonais) entre si. As alterações no campo magnético criam um campo elétrico. As alterações do campo elétrico criam então um campo magnético. A repetição deste processo permite que as ondas de rádio sejam transmitidas como vibrações sinusoidais. Apresentamos de seguida as principais propriedades das ondas de rádio.

[1] As ondas de rádio são ondas transversais. A amplitude (força) do campo elétrico e do campo magnético muda perpendicularmente à direção da viagem, e o campo elétrico e o campo magnético também transmitem as ondas de rádio perpendicularmente um ao outro.
[2] A velocidade de transmissão das ondas de rádio é idêntica à da luz.
[3] As ondas de rádio não têm meio de transmissão. (O ar vibra e transmite-se sob a forma de ondas. Depois sentimos o som quando essas ondas entram nos nossos ouvidos. O ar, nesta altura, é referido como o meio de transmissão).

As propriedades de [3] estão longe dos nossos sentidos quotidianos. No entanto, acredita-se que as ondas de rádio, ou ondas eletromagnéticas, que são transmitidas mesmo no vácuo, como no espaço exterior, se propagam enquanto vibram campos elétricos (espaço onde atuam forças elétricas) e campos magnéticos (espaço onde actuam forças magnéticas).

A propósito, no início desta coluna, dissemos que as ondas de rádio são ondas eletromagnéticas com uma frequência igual ou inferior a 3000 GHz. Podemos calcular esta frequência (f) [Hz] utilizando a fórmula f = c/λ, considerando o comprimento da onda de rádio (m) na Fig. 4 e a velocidade da luz c (3 × ^108m/s). As ondas eletromagnéticas são classificadas em vários tipos, em função da sua frequência e do seu comprimento de onda (Fig. 5).

*2: Campo elétrico e campo magnético: Um campo elétrico refere-se a um espaço onde actua uma força eléctrica. Um campo magnético refere-se a um espaço onde actua uma força magnética. A Fig. 6 é uma imagem que indica, através de linhas com setas, a amplitude do campo elétrico gerado pela aplicação de tensão e a amplitude do campo magnético gerado em torno do íman.

[Informação suplementar avançada].
Nas explicações sobre ondas de rádio para iniciantes, vemos muitas vezes uma imagem da transmissão de ondas de rádio que combina simplesmente os fenómenos de variação do campo magnético criando um campo elétrico e de variação do campo elétrico criando um campo magnético (Fig. 7). Se quiser estudar seriamente as ondas de rádio, por exemplo em relação às antenas, em vez de uma imagem deste tipo, é importante ter uma imagem dos vetores que representam a intensidade dos campos elétricos e magnéticos com setas na Fig. 4 - o vetor do campo elétrico*3 ^e o vetor do campo ^magnético*3. (A imagem na Fig. 4 é derivada das equações de ^Maxwell*4.) De acordo com esta imagem, as ondas de rádio utilizadas na radiodifusão por satélite, por exemplo, são explicadas como ondas de rádio circularmente polarizadas que viajam em espiral enquanto o vetor do campo magnético na Fig. 4 roda para a esquerda ou para a direita.

*3: Vetor do campo elétrico e vetor do campo magnético:
Estes doisvetores são vetores que representam a rotação no sentido dos ponteiros do relógio e a velocidade de rotação. (Isto não significa que ambos indiquem a direção em que um objeto ou outra coisa se move, como acontece com um vetor velocidade.

*4: Equações de Maxwell: Estas são as equações básicas relativas aos campos electromagnéticos que exprimem todas as relações entre eletricidade e magnetismo. A lei de Coulomb, que os iniciantes do eletromagnetismo aprendem, pode também ser derivada destas equações.

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