Introdução aos Sistemas de Comunicação

512 Pages·2008·9.47 MB·Portuguese

by  Simon Heykin

Introdução aos
SISTEMAS DE
COMUNICAÇÃO
H419i Haykin, Simon.
Introdução aos sistemas de comunicação [recurso eletrônico]
/ Simon Haykin, Michael Moher ; tradução Gustavo Guimarães
Parma. – Dados eletrônicos. – 2. ed. – Porto Alegre : Bookman,
2008.
Editado também como livro impresso em 2008.
ISBN 978-85-7780-329-3
1. Telecomunicações. I. Moher, Michael. II. Título.
CDU 621.39
Catalogação na publicação: Mônica Ballejo Canto – CRB 10/1023.
SIMON HAYKIN | MICHAEL MOHER
McMaster University, Hamilton, Space-Time DSP, Ottawa,
Ontario, Canada Ontario, Canada
Introdução aos
SISTEMAS DE
COMUNICAÇÃO
SEGUNDA EDIÇÃO
Tradução:
Gustavo Guimarães Parma
Doutor em Engenharia Elétrica pela UFMG
Consultoria, supervisão e revisão técnica desta edição:
Antonio Pertence Júnior
Engenheiro Eletrônico e de Telecomunicações
Especialista em Processamento de Sinais (Ryerson University – Canadá)
Professor de Telecomunicações da FUMEC/MG
Professor Titular da Faculdade de Sabará/MG
Membro da Sociedade Brasileira de Eletromagnetismo (SBmag)
Versão impressa
desta obra: 2008
2008
Obra originalmente publicada sob o título
An Introduction to Digital and Analog Communications, 2nd. Edition
ISBN 978-0-471-43222-7
Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved.
This translation published under license.
Capa: Gustavo Demarchi, arte sobre capa orginal
Preparação de original: Rachel Garcia Valdez
Supervisão editorial: Denise Weber Nowaczyk
Editoração eletrônica: Techbooks
Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à
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SÃO PAULO
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IMPRESSO NO BRASIL
PRINTED IN BRAZIL
Para os pioneiros da comunicação do século 20, os quais,
por meio de suas teorias matemáticas e dispositivos geniais,
transformaram nosso planeta em uma vila global.
Agradecimentos
Os autores gostariam de expressar sua profunda gratidão a:
(cid:2) Lily Jiang, anteriormente na MacMaster University, por sua ajuda na execução de
vários dos experimentos de computador incluídos no texto.
(cid:2) Wei Zhang, por toda ajuda, correções e melhorias que ela fez ao texto.
Também agradecem ao Dr. Stewart Crozier e Dr. Paul Guinand, ambos do Centro de
Pesquisa em Comunicações, Ottawa, pela ajuda em diferentes partes do livro.
Eles estão em débito com Catherine Fields Shultz, Editora Sênior de Aquisições e
Gerente de Produtos (Engenharia e Ciência da Computação) da John Wiley and Sons, Bill
Zobrist anteriormente da Wiley e Lisa Wojcik, Editora Sênior de Produção da Wiley, pela
orientação e dedicação na produção deste livro.
Por fim, mas não por menos, eles são gratos a Lola Brooks, MacMaster University,
por seu trabalho na preparação do manuscrito e das questões relacionadas com o livro.
Prefácio
Uma disciplina introdutória de comunicações analógicas e digitais é fundamental para o
programa de graduação em engenharia elétrica. Em geral, é oferecida no meio do curso e
considera-se que o estudante já tenha cursado disciplinas de cálculo, eletrônica, sinais e
sistema e, possivelmente, teoria de probabilidade.
Tendo em mente a natureza introdutória dessa disciplina, um livro-texto recomenda-
do deve ser de fácil leitura, preciso e conter exemplos, problemas e experimentos de com-
putador em abundância. Essas características são necessárias para facilitar o aprendizado
dos fundamentos de sistemas de comunicação em um nível introdutório e de uma maneira
eficaz. Este livro foi escrito com esses objetivos em mente.
Dada a natureza matemática da teoria de comunicação, é muito fácil o leitor esquecer
o lado prático dos sistemas de comunicação. Neste livro, fizemos um esforço especial para
não cair nesta armadilha abordando os assuntos de forma ordenada, tentando manter sem-
pre o tratamento matemático em um nível de fácil entendimento e mostrando a relevância
prática da teoria sempre que apropriado.
FILOSOFIA DA ESTRUTURA DO LIVRO
Para facilitar e reforçar a aprendizagem, o formato e a diagramação do livro foram estru-
turados para:
(cid:2) Motivar a leitura do livro e aprender com ele.
(cid:2) Enfatizar conceitos básicos de uma perspectiva de “sistemas”, fazendo isto de forma
ordenada.
(cid:2) Ilustrar a aplicação da teoria pertinente por meio de exemplos e experimentos de
computador, sempre que apropriado.
(cid:2) Fornecer problemas de desenvolvimento logo após a discussão de conceitos fundamen-
tais para ajudar o leitor a verificar e reforçar os conceitos sob discussão.
(cid:2) Fornecer problemas adicionais ao fim de cada capítulo, alguns de natureza avançada,
para estender a teoria estudada no texto.
ORGANIZAÇÃO DO LIVRO
1. Motivação. Antes de se envolver com o estudo de comunicações analógicas e digitais,
é imperativo que o leitor seja motivado a utilizá-lo e a aprender com ele. Por isso, o
Capítulo 1 começa com um histórico de sistemas de comunicação e aplicações impor-
tantes do assunto.
2. Teoria da modulação. As comunicações digitais têm sobrepujado as comunicações
analógicas como forma dominante de comunicação. Apesar das duas formas de co-
municação trabalharem maneira diferente, a teoria da modulação é básica a ambas.
Além disso, é mais fácil entender esse importante assunto analisando primeiro seus
conceitos fundamentais aplicados a comunicações analógicas e, então, seguir para as
comunicações digitais. Também, a modulação em amplitude é mais simples de ser
apresentada do que a modulação em ângulo. Outro ponto relevante é o fato de que
para entender a teoria da modulação, é importante que a teoria de Fourier seja domi-
nada primeiro. Com esses pontos em mente, os Capítulos 2 a 7 estão organizados da
seguinte maneira:
x Prefácio
(cid:2) Capítulo 2 é dedicado à revisão da representação de Fourier para sinais e sistemas.
(cid:2) Capítulos 3 e 4 são dedicados às comunicações analógicas, com o Capítulo 3 mos-
trando a modulação em amplitude e o Capítulo 4 apresentando a modulação em
ângulo.
(cid:2) Capítulo 5 sobre modulação de pulso cobre os conceitos pertinentes à transição de
comunicações analógicas para digitais.
(cid:2) Capítulos 6 e 7 são dedicados às comunicações digitais, com o Capítulo 6 cobrin-
do a transmissão de dados banda base e o Capítulo 7 cobrindo a transmissão de
dados banda passante.
3. Teoria da probabilidade e Detecção de sinal. Tal como a análise de Fourier é funda-
mental para a teoria da modulação, a teoria da probabilidade é fundamental para a
detecção de sinal e cálculo de performance do receptor na presença de ruído aditivo.
Como a teoria da probabilidade não é crítica para o entendimento da modulação,
propositadamente atrasamos a revisão da teoria da probabilidade, sinais aleatórios e
ruídos para o Capítulo 8. Então, com um bom entendimento da teoria da modulação
aplicada a comunicações analógicas e digitais e com os relevantes conceitos da teoria
da probabilidade e modelos probabilísticos, o estágio necessário é revisar receptores
de comunicação analógica e digital, como resumido por:
(cid:2) Capítulo 9 discute o ruído em comunicações analógicas.
(cid:2) Capítulo 10 discute o ruído em comunicações digitais. Como as comunicações
analógicas e digitais operam de forma diferente, é natural ver algumas das diferen-
ças no tratamento dos efeitos do ruído nestes dois capítulos.
4. Ruído. O estudo introdutório de comunicações analógicas e digitais é completado
no Capítulo 11. Este capítulo ilustra os papéis da modulação e ruído em sistemas de
comunicação analisando quatro coisas:
(cid:2) Primeiro, as fontes físicas do ruído são descritas, principalmente o ruído térmico
e o ruído shot.
(cid:2) Segundo, as métricas de figura de ruído e temperatura de ruído são introduzidas.
(cid:2) Terceiro, é explicado como a propagação afeta a potência do sinal em comunica-
ções sem fio, via satélite e terrestre.
(cid:2) Finalmente, mostramos como a potência do sinal e os cálculos de ruído podem ser
combinados para fornecer uma estimativa da razão sinal/ruído, a figura de mérito
fundamental em sistemas de comunicação.
5. Exemplos de temas. Para ressaltar aplicações práticas importantes da teoria de comu-
nicações, exemplos de temas são incluídos sempre que apropriado. Os exemplos são
retirados tanto das comunicações analógicas quanto digitais.
6. Apêndices. Para fornecer material de apoio ao texto, oito apêndices estão incluídos
no final do livro e cobrem o seguinte:
(cid:2) Razões de potência e decibel
(cid:2) Série de Fourier
(cid:2) Funções de Bessel
(cid:2) A função Q e sua relação com a função erro
(cid:2) Desigualdade de Schwarz
(cid:2) Tabelas matemáticas
(cid:2) Scripts MATLAB para experimentos de computador dos problemas dos Capítulos
7 a 10
(cid:2) Respostas dos problemas de desenvolvimento
Prefácio xi
7. Notas de rodapé. Incluídas ao longo do livro, ajudam o leitor interessado, fornecendo
referências selecionadas para o aprendizado avançado.
8. Material auxiliar. O livro é, essencialmente, autocontido. Um glossário de símbolos
e bibliografia é apresentado ao final do livro. O professor que adotar o livro terá um
manual de soluções detalhado para todos os problemas.*
COMO UTILIZAR O LIVRO
O livro pode ser utilizado de diversas formas para um curso introdutório sobre comunica-
ções analógicas e digitais, dependendo do conhecimento prévio dos estudantes e do interes-
se e das responsabilidades do professor. A seguir são mostrados dois modelos:
Modelo de curso A: Curso completo em dois semestres
(A.1) O curso do primeiro semestre sobre teoria da modulação estuda os Capítulos 2 a 7.
(A.2) O curso do segundo semestre sobre ruído em sistemas de comunicação estuda os
Capítulos 8 a 11.
Modelo de curso B: Cursos de dois semestres, um sobre analógico e
outro sobre digital
(B.1) O primeiro curso, sobre comunicação analógica, começa como o material de revisão
do Capítulo 2 sobre análise de Fourier, seguido pelo Capítulo 3 sobre modulação
em amplitude e Capítulo 4 sobre modulação em ângulo. Ele, então, segue com uma
revisão de partes relevantes do Capítulo 8, sobre ruído e, finalmente, termina com o
Capítulo 9 sobre ruído em comunicações analógicas.
(B.2) O segundo curso sobre comunicações digitais começa com o Capítulo 5 sobre mo-
dulação de pulso, seguido pelo Capítulo 6 sobre transmissão de dados banda base e
Capítulo 7 sobre técnicas de modulação digital. Ele, então, segue com uma revisão
de aspectos relevantes sobre a teoria da probabilidade no Capítulo 8 e, finalmente,
termina com o Capítulo 10 sobre ruído em comunicações digitais.
Simon Haykin
Ancaster, Ontário, Canadá
Michael Moher
Ottawa, Ontário, Canadá
* Os professores interessados neste manual devem acessar a Área do Professor no site da Editora, www.bookman.com.br.