Seção: Tutoriais Rádio e TV
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Repetição passiva
Uma repetição passiva é a maneira mais econômica para se vencer obstáculos, pois sua arquitetura é bastante simples, sendo feita de duas antenas interligadas diretamente por um guia de onda ou um cabo coaxial, onde a compensação pela perda por atenuação no espaço livre só poderá ser feita através do aumento do ganho das antenas que são utilizadas no sistema ou pela elevação do nível de potência no transmissor. Esta topologia de repetição torna-se inapropriada para um enlace demasiadamente distante (SANCHES, 2007, pg. 101).
Uma das estações deve estar o mais próximo possível do repetidor, pois a distância é um fator atenuador. Os tipos das antenas empregadas devem ser analisados com cuidado, assim como suas posições na torre, suas polarizações, o ângulo e a altura que a antena receptora está em relação à antena transmissora.
Antenas sem blindagem que possuem uma baixa relação frente-costas permitem a interferência pelos lóbulos posteriores, como por exemplo, as antenas yagi e log-periódica (BALANIS, 2005). Nestes casos torna-se necessário o afastamento em altura entre as antenas na mesma torre ou, se a frequência utilizada permitir, o uso de antenas parabólicas, de preferência com radome-shield.
Figura 1: Interferência Co-canal Fonte: Adaptado de ZANATELI, 2013, pag 96
Interferências inter-sistêmicas ocorrem não apenas pela propagação de lóbulos indesejados da antena, mas também podem ser caracterizadas pelas próprias reflexões que o ambiente, em que o enlace está localizado, fornece. Edificações, topografia e vegetação, podem refletir o sinal de tal maneira que este se propaga até a antena transmissora da repetidora, ou até mesmo na própria estação de destino. A Figura 1 mostra um exemplo de como o sinal transmitido pode causa interferência no próprio sistema.
A fim de reduzir as interferências inter-sistêmicas, este trabalho fez o uso de repetição com polarização cruzada. Esta técnica consiste em utilizar uma polarização no primeiro enlace e invertê-la no segundo, mitigando assim a interferência co-canal, caso a mesma exista.
Cálculo do enlace
Deve-se levar em consideração a técnica utilizada. Apesar de possuir apenas um link, deverão ser feitos dois enlaces. A Figura 2 permite a visualização das localizações das Estações A e B e também da Estação Repetidora na cidade de Juiz de Fora, MG.
Figura 2: Mapa do Enlace Fonte: GOOGLE EARTH (2005)
Figura 3: Visada do Enlace A – Estação A (esquerda), Estação repetidora (direita) Fonte: Do Autor
A Figura 3 mostra a visada do Enlace A. Observa-se a visada da Estação A em direção a Estação Repetidora (imagem “a”), e visada da Estação Repetidora em direção a Estação A (imagem “b”). Já a Figura 4 mostra a Estação B (imagem “a”), e a visada da Estação Repetidora para a Estação B (imagem “b”). Na Figura 5 pode-se observar a Estação Repetidora que utiliza antenas de alto desempenho. Essas possuem raddome-shield, que fornecem uma alta diretividade e relação frente costas e com irradiação de lóbulos secundários quase nula.
Figura 4: Visada do Enlace B – Estação B (esquerda), Estação repetidora (direita) Fonte: DO AUTOR
Figura 5: Estação Repetidora Fonte: DO AUTOR
Tabela 1: Dados das Estações
Fonte: DO AUTOR
O caminho percorrido por um feixe de OEM entre duas antenas com visada direta e sem obstáculos é função das diferentes densidades atmosféricas que, ao invés de permitirem que o feixe se propague em linha reta, fazem com que se incline, alterando seu destino final. Para minimizar as perdas por visibilidade, é importante ter o conhecimento do perfil do terreno e do comportamento do gradiente do índice de refratividade (G) de todo o trajeto percorrido pelo feixe. A partir de então, consegue-se definir as alturas das antenas (ZANATELI, 2013).
Bean e Dutton, empiricamente desenvolveram uma equação que relaciona a temperatura ambiente (t em [k]), pressão atmosférica (p em [mbar]) e pressão de vapor de água (e em [mbar]) com o índice de refratividade (N). Esta equação pode ser utilizada com o propósito de garantir um erro menor que 0,5% para radioenlaces de até 100 GHz. De acordo com ITU-R P.453-8, pode ser descrita por (ZANATELI, 2013):
O valor absoluto da refratividade não é importante, pois o que de fato altera a trajetória de uma onda, é a variação dos valores assumido pelo índice de refratividade durante a trajetória do enlace. Assim, utiliza-se o gradiente de refratividade (G), que pode ser representado por (GOMES E BALDINI, 2000):
Pode-se, para simplificar os cálculos, sem prejuízo dos resultados, aumentar o raio da terra e diminuir a sua curvatura (raio aumentado), representando o feixe do enlace em linha reta. Este novo raio hipotético, é chamado de Raio Equivalente da Terra (Re), que significa uma correção k no raio verdadeiro da terra (a), em virtude de sua nova curvatura (MIYOSHI e SANCHES, 2008).
O valor de k varia de acordo com as condições climáticas de cada localidade, sendo influenciado pelo valor de G e, tipicamente está compreendido em valores absolutos entre 1 e 2. Genericamente é considerado para uma atmosfera padrão, que possui uma variação média no índice de refratividade, um Kmédio = 4 / 3. Devem ser aplicados dois fatores K (médio e mínimo) analisando o pior caso e considerando seu valor para o projeto. Como instrui a prática da Telebrás, considera-se um Kmín igual a 2 / 3, que a partir deste valor, calculam-se as alturas das antenas (ZANATELI, 2013).
A Correção equivalente da curvatura da terra para Kmédio = 4 / 3 para atmosfera padrão e corrigindo apenas no ponto crítico utilizando a formula que considera d1 e d2 as distâncias até o ponto mais crítico e K, o fator -K considerado (SANCHES, 2007):
Enlace A
Enlace B
Correção equivalente da curvatura da terra, no ponto crítico, para Kmin = 2 / 3:
Enlace A
Enlace B
Deve-se dimensionar o enlace para que a obstrução na primeira zona de Fresnel seja a menor possível, pois nela se concentra a maior parte da energia irradiada, evitando assim perda no feixe de onda que chega ao receptor (SIZUN, 2003).
O raio de Fresnel, no ponto crítico de cada enlace, utilizará Kmédio = 4 / 3 e Kmin = 2 / 3, considerando respectivamente 100% e 60% de desobstrução da zona de Fresnel. Para 100% Zona de Fresnel temos:
Enlace A
Enlace B
Para 60% Zona de Fresnel temos:
Enlace A
Enlace B
Onde:
A correção para Kmédio + 100% do raio de Fresnel no ponto crítico para Kmédio:
Enlace A
Enlace B
A correção para Kmin + 100% do raio de Fresnel no ponto crítico para Kmin:
Enlace A
Enlace B
De posse das informações sobre a localização dos pontos críticos capazes de causar desobstrução da zona de Fresnel e dos fatores de correção equivalente do raio da terra, pode-se calcular a altura das antenas. O método utilizado baseia-se em fixar uma altura hTx para uma das antenas, e calcular a outra hRx, ou vice versa (SIZUN, 2003).
A determinação da altura das antenas é função do percentual do raio de Fresnel que deverá estar desobstruído (ZANATELI,2013).
Deve-se considerar 100% de desobstrução do raio de Fresnel para Kmédio e 60% do mesmo para Kmin, partindo da condição de que as antenas situadas na estação repetidora estarão fixadas com altura de 54 m em relação ao solo (onde considera-se dAB = distância entre as antenas [m], dAO = distância do ponto A até o obstáculo [m], dBO = distância do ponto B até o obstáculo [m], hA = Altitude da estação Tx [m], hB = Altitude da estação Rx [m], hO =Altitude do ponto crítico (obstáculo) [m], hCK = correção da curvatura da terra no ponto crítico [m], hveg = margem de segurança para o crescimento de vegetação ou prédios [m], aH = Altura da antena estipulada em relação à altitude do solo na estação A [m]) com a seguinte equação:
Enlace A (Estação A TX para Estação Repetidora RX) para Kmédio
Enlace B (Estação Repetidora TXpara Estação B TX) para Kmédio
Enlace A (Estação A TX para Estação Repetidora RX) para Kmin
Enlace B (Estação Repetidora TXpara Estação B TX) para Kmin
Quando o resultado da altura da antena for inferior a zero significa que pode-se utilizar um valor arbitrário para a mesma (SANCHES,2007).
As tabelas 2 e 3 possuem uma melhor visualização dos dados dos enlaces contendo o resultado do cálculo da altura das antenas.
Com as posições e alturas das antenas já definidas, é necessário também que se calcule toda a atenuação sofrida pela OEM em sua trajetória. Deve-se considerar as atenuações causadas pela perda no espaço livre, nos cabos, nos conectores e também considerar o ganho das antenas e a potência de transmissão. A perda por atenuação do espaço livre pode ser calculada com a equação de Friis, que considera f como sendo a frequência (em MHz) do enlace e d como sendo a distância total (em km) do mesmo:
Enlace A
Enlace B
De posse dos datasheets dos equipamentos utilizados conseguimos estimar o nível de potência no receptor com a seguinte equação:
Onde:
Enlace A
Foram utilizados em cada estação um cabo coaxial (1,5 m) e dois conectores. Pelos fabricantes, o cabo, para a frequência de 5 GHz, tem-se uma atenuação de 2,82 dB/100 m, que significa 0,04 dB/1,5 m, e até 0,5 dB de perda dos conectores, totalizando 1,04 dB de atenuação por perda no condutor em cada estação.
Em virtude da repetição do enlace ser passiva, no cálculo da potência de transmissão para o Enlace B, considera-se a potência recebida na Estação Repetidora menos as perdas por cabo e conector:
Enlace B
O datasheet do rádio informa que para nível de potência recebida igual a -77 dBm, com tolerância de
Cálculo do enlace feito por software
Com o auxílio do software Rádio Mobile, foi possível efetuar uma simulação considerando os dados até aqui utilizados. O resultado obtido segue nas imagens abaixo:
Figura 6: Análise do Enlace A Fonte: Rádio Mobile - Propagação de Rádio e Mapeamento Virtual
O nível de potência de transmissão do Enlace B foi calculado a partir da potência de recepção na Estação Repetidora (-26,9 dBm) menos a perda por cabo e de dois conectores (1,04 dB), totalizando assim um nível de potência de -27,94 dBm na saída da Estação Repetidora para a Estação B (ver Figura 7).
Figura 7: Análise do Enlace B Fonte: Rádio Mobile - Propagação de Rádio e Mapeamento Virtual
Podemos verificar através da tabela 6 que os valores exibidos pelas imagens do software, novamente se aproximaram dos cálculos realizados acima, atendendo às expectativas.
Considerando a tolerância e características dos rádios, tipo das antenas escolhidas, inversão de polarização e potência utilizada no transmissor na aplicação prática, o nível de potência recebida na Estação B mostra-se demasiado baixo, entretanto, o rádio nos oferece uma potência máxima de transmissão de até 28 dBm, podendo assim se acrescentar mais 11 dB na recepção da Estação B. Esta verificação pode ser feita na Figura 8 (a) , que mostra o Enlace A com -15,9 dBm de recepção na antena da Estação Repetidora, e a Figura 08 (b) onde se vê o nível de potência de -69,5 dBm na Estação B, apresentando-se abaixo do limiar fornecido pelo fabricante do rádio.
Figura 8: Análise dos Enlaces A e B com potência máxima de saída Fonte: Rádio Mobile - Propagação de Rádio e Mapeamento Virtual
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= nível de potência no receptor [dBm];
= nível de potência no transmissor [dBm];
= ganho da antena transmissora [dBi];
= ganho da antena receptora [dBi];
= atenuação no espaço livre [dB];
= circuito de branching [dB];
= perda por atenuação de condutor (cabo coaxial, guia de onda e conector) [dB].
1,5 dB considerada, temos um throughput máximo de 48 Mbps.
