Impulsionados
por um aumento significativo de demanda, os sistemas
de comunicação têm apresentado nos �ltimos anos uma
crescente evolução com o objetivo de proporcionar
modelos cada vez mais adaptados à realidade das novas
tecnologias e, ao mesmo tempo, buscando tornarem-se
mais atrativos técnica e economicamente.
O advento
das novas tecnologias de comunicação sem fio, por
exemplo, têm causado uma verdadeira revolução nas
redes móveis, permitindo altas taxas de transmissão,
novas facilidades de implementação e um custo mais
baixo quando comparado a outras tecnologias já sedimentadas
no mercado.
Todavia,
as implementações de infra-estruturas de comunicação
podem esbarrar em problemas que vão desde limitações
geográficas ou técnicas até (e principalmente) limitações
orçamentárias, que acabam por inviabilizar o desenvolvimento
de um projeto.
Pensando
nisso, novas técnicas são desenvolvidas visando baratear
os custos dos meios de transmissão, buscando utilizar
os canais de comunicação disponíveis da melhor forma
possível. Dentre essas técnicas destacamos a multiplexação
dos sinais.
Multiplexação
O
processo que possibilita que vários sinais possam
ser enviados ao mesmo tempo em um mesmo canal é chamado
de multiplexação. Existem diferentes técnicas de multiplexação
sendo as mais importantes a multiplexação por divisão
em freq�ência, por divisão no tempo e por divisão
em códigos.
Na divisão
por freq�ência, se cada um dos sinais a serem transmitidos
tem uma largura de banda B, eles serão transmitidos
em "envelopes" de freq�ências que diferem
entre si por uma quantidade maior ou igual a 2B. Este
tipo de multiplexação é chamado de FDM (Frequency
Division Multiplexing). Neste caso, o n�mero de sinais
que podem ser transmitidos simultaneamente usando
FDM depende da freq�ência, da portadora e da largura
de banda do canal.
Com a
evolução das tecnologias, a demanda por bandas de
transmissão cresceu bastante e a largura dos canais
disponíveis deve ser aproveitada ao máximo. Pode-se
notar que com a técnica FDM isto não ocorre, pois
se tem que esperar que um sinal seja totalmente transmitido
para que o outro possa ser enviado em seguida. Foi
este dilema que levou ao estudo aprofundado de meios
de modulação que permitissem superposições de sinais
consecutivos sem que estes interferissem uns com os
outros.
OFDM
Em
meados da década de 1960, foi introduzido o conceito
inicial da multiplexação ortogonal. A OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) é uma variação da
multiplexação por divisão de freq�ência (FDM) usada
nos sistemas de telefonia e nas tecnologias de redes
de acesso como o ADSL e VDSL, e mais recentemente
nas redes wireless. A idéia básica é dividir um fluxo
digital de alta taxa de bits em um esquema de baixa
taxa e a transmissão paralela usando subportadoras.
Em um
sistema FDM normal, por exemplo, as portadoras estão
suficientemente espaçadas de modo a poderem ser recebidas
utilizando filtros convencionais. Entretanto, para
tornar a filtragem possível, bandas de guarda têm
que ser introduzidas entre essas portadoras, o que
resulta em uma diminuição da eficiência espectral.
Na OFDM,
ao invés de se utilizar uma banda de guarda entre
subportadoras para poder separá-las na recepção, emprega-se
uma sobreposição das mesmas, resultando em um ganho
espectral de até de 50% em relação à técnica FDM.
Figura
1 - Modulação FDM e OFDM
Em
um sinal OFDM é possível organizar as portadoras de
forma que as suas bandas laterais se sobreponham sem
que haja interferência entre elas. Para que isso ocorra,
as portadoras devem ser matematicamente ortogonais
(linearmente independentes), ou seja, no domínio do
tempo, o sinal em cada portadora precisa ter um n�mero
inteiro de ciclos no período de símbolo, resultando
em zero o processo de integração do produto de todos
os sinais no tempo.
OFDM e FDMA
A
OFDM é uma técnica de transmissão multi-portadoras
que divide o espectro em várias sub-bandas. Neste
tipo de modulação pode-se transmitir digitalmente,
a altas taxas de bits, para receptores móveis, portáteis
e fixos, especialmente em ambientes multi-percurso.
Antes
da transmissão a informação é dividida em um grande
n�mero de canais com baixa taxa de bits cada um. Estes
são usados para modular as portadoras ortogonais individuais
de tal maneira que a duração do símbolo correspondente
se torne maior do que o atraso de propagação dos canais
de transmissão. As subportadoras são posicionadas
de tal forma que os zeros de cada uma coincida com
os das outras.
Figura
3 - Exemplo de Distribuição de 3 subportadoras utilizando
OFDM
Inserindo
um intervalo de tempo de guarda entre os símbolos
sucessivos, a seletividade do canal e a propagação
multi-percurso não causam interferências intersimbólicas
Essa técnica se assemelha ao FDMA (Frequency Division
Multiple Access), no que diz respeito à divisão do
espectro em várias portadoras.
Figura
4 - Exemplo do espectro FDMA
A
principal diferença entre OFDM e FDMA é que o espaçamento
entre as portadoras na OFDM é menor, devido ao fato
das portadoras serem ortogonais entre si. Geralmente
os sinais OFDM têm largura de banda de cada portadora
na faixa de 1kHz, enquanto que no FDMA eles atingem
3kHz. Assim, a grande vantagem do sistema OFDM é o
fato das portadoras serem ortogonais entre si, podendo
então ser transmitido uma quantidade maior de informação
em uma mesma largura de banda.
Vantagens
e desvantagens do OFDM
A
OFDM é uma técnica que apresenta vantagens frente
aos problemas de interferências entre freq�ências
e de ruído impulsivo. Um sistema baseado em OFDM além
de proporcionar uma maior taxa de transmissão, apresenta
uma alta robustez aos ambientes com desvanecimento
seletivo em freq�ência.
Entretanto,
algumas desvantagens também existem, tais como: dificuldade
de sincronismo das portadoras, sensibilidade aos desvios
de freq�ência e necessidade de amplificação decorrente
do fato de o sinal transmitido não exibir uma natureza
constante em sua envoltória.
OFDM e PLC
O grande
diferencial do uso da modulação OFDM na tecnologia
PLC (Power Line Communications) ou comunicação pela
rede elétrica, está na forma como é controlada essa
modulação. As freq�ências são monitoradas em tempo
real, com o sistema alternando o carregamento dos
sinais de acordo com a presença ou não de ruídos.
Conforme
o ruído se propaga pelas diversas freq�ências, os
sinais são carregados e transmitidos (modulados) em
várias freq�ências simult�neas, com níveis de carregamento
diferentes, e aproveitando as melhores condições possíveis
do link, garantindo assim altas taxas de transmissão,
boa performance e confiabilidade. Dessa forma, o sistema
pode facilmente se adaptar às mudanças das condições
de transmissão da rede elétrica, podendo ainda utilizar
filtros para a proteção de serviços especialmente
sensíveis a esses tipos de interferências.
Figura
5 - Sistema OFDM com filtros
Conclusão
A
utilização de modulação por multi-portadoras ortogonais
vem recebendo grande atenção nos sistemas de telecomunicação,
principalmente quando se necessita de altas taxas
de transmissão em ambientes sujeitos a vários problemas
de ruído e propagação.
Os sistemas
baseados em modulação OFDM são amplamente utilizados
em vários tipos de redes como 802.11a, 802.11g e xDSL,
por apresentarem uma maior eficiência espectral.
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