Antenas compactas de microondas de banda larga e banda ultra-larga (UWB)

Nos últimos anos, com o surgimento de novos serviços e equipamentos para o sistema de comunicação móvel com maiores larguras de banda de operação e ocupando espaços cada vez menores, o desenvolvimento de novas antenas de bandas largas e com dimensões pequenas se tornou um dos principais desafios das pesquisas na área de antenas. Neste trabalho, duas estruturas de antenas de bandas largas e dimensões reduzidas foram analisadas e otimizadas. Na primeira parte, a antena filamentar monopolo dobrado (Wire Built-in Folded Monopole Antenna, W-BFMA) foi investigada e teve sua largura de banda otimizada, conectada a linha de alimentação em diferentes impedâncias. Para modelar a estrutura da antena W-BFMA foi usado o método numérico dos momentos (Method of Moments - MoM), e para sua otimização os métodos: paramétrico, hill climbing e algoritmo genético (AG). Programas computacionais baseados na linguagem Matlab foram desenvolvidos para modelagem, otimização e cálculos das principais curvas características da antena W-BFMA. Na segunda parte, duas diferentes configurações de antenas monopolos planos usando a tecnologia de banda ultra-larga (Ultra- Wideband Antenna, UWB) foram investigadas e otimizadas com a ajuda do programa comercial Computer Simulation Technology (CST) Microwave Studio. Ambas as antenas UWB foram alimentadas por uma linha de microfita (microstrip line) na impedância de 50Ω. A antena UWB que apresentou melhor resultado teve o seu protótipo construído, as principais curvas características, tais como: perda de retorno, ganho, distribuição de corrente e diagrama de radiação foram analisadas. Os resultados simulados foram comparados com resultados obtidos experimentalmente.

Aplicação de filtro harmônico em sistemas elétricos de baixa tensão utilizando Lógica Fuzzy

Em um sistema elétrico existem vários circuitos e equipamentos industriais que se comportam como dispositivos não-lineares. Esse comportamento geram sinais que causam distorções dentro desse sistema. Essas distorções são chamadas de Harmônicas, que calculada de forma ampla nos fornece o valor do THD (do inglês Total Harmonic Distortion ou Distorção Harmônica Total). Este trabalho apresenta uma das várias soluções para minimizar esse indicador através da detecção por um algoritmo computacional instalado no medidor de THD apropriado e pela utilização de filtros harmônicos passivos. Este algoritmo computacional detecta e calcula em quais frequências o valor do THD está elevado em comparação a um índice normativo definido utilizando para isso a Lógica Fuzzy. Uma vez definido a necessidade da aplicação do filtro harmônico esse será projetado pelo algoritmo computacional. O filtro harmônico entregado neste trabalho será o filtro passivo devido a sua fácil instalação e ao seu baixo custo. Dessa forma, o algoritmo computacional proposto funciona no início da medição do THD, no equipamento medidor, indicando uma faixa classificatória de THD medido, utilizando para isso a Lógica Fuzzy, identifica a necessidade ou não da instalação do filtro harmônico passivo e seu projeto, e finaliza efetuando um novo cálculo de THD.

Seletividade espacial de cor do potencial cortical provocado visual pseudoaleatório

A seletividade espacial para cor tem sido investigada usando métodos eletrofisiológicos invasivos e não invasivos, e métodos psicofísicos. Em eletrofisiologia cortical visual não invasiva este tópico foi investigado usando métodos convencionais de estimulação periódica e extração de respostas por promediação simples. Novos métodos de estimulação (apresentação pseudo-aleatória) e extração de respostas corticais não invasivas (correlação cruzada) foram desenvolvidos e ainda não foram usados para investigar a seletividade espacial de cor de respostas corticais. Este trabalho objetivou introduzir esse novo método de eletrofisiologia pseudoaleatória para estudar a seletividade espacial de cor. Foram avaliados 14 tricromatas e 16 discromatópsicos com acuidade visual normal ou corrigida. Os voluntários foram avaliados pelo anomaloscópio HMC e teste de figuras de Ishihara para caracterizar a visão de cores quanto à presença de tricromacia. Foram usadas redes senoidais, 8º de ângulo visual, vermelho-verde para 8 frequências espaciais entre 0,2 a 10 cpg. O estímulo foi temporalmente modulado por uma sequência-m binária em um modo de apresentação de padrão reverso. O sistema VERIS foi usado para extrair o primeiro e o segundo slice do kernel de segunda ordem (K2.1 e K2.2, respectivamente). Após a modelagem da resposta às frequências espaciais com função de diferença de gaussianas, extraiu-se a frequência espacial ótima e banda de frequências com amplitudes acima de ¾ da amplitude máxima da função para servirem como indicadores da seletividade espacial da função. Também foi estimada a acuidade visual cromática pelo ajuste de uma função linear aos dados de amplitude a partir da frequência espacial do pico de amplitude até a mais alta frequência espacial testada. Em tricromatas, foi encontrada respostas cromáticas no K2.1 e no K2.2 que apresentaram seletividade espacial diferentes. Os componentes negativos do K2.1 e do K2.2 apresentaram sintonia passa-banda e o componente positivo do K2.1 apresentou sintonia passa-baixa. A acuidade visual estimada de todos os componentes estudados foi próxima àquelas encontradas por Mullen (1985) e Kelly (1983). Diferentes componentes celulares podem estar contribuindo para a geração do VECP pseudoaleatório. Este novo método se candidata a ser uma importante ferramenta para a avaliação não invasiva da visão de cores em humanos.

Supressão de interferência em sistemas de banda ultra larga e classificação automática de modulação

Esta tese apresenta duas contribuições distintas na área de sistemas de comunicações sem fi o. Primeiro, é apresentada uma formulação analítica para a análise de desempenho de sistemas utilizando multiplexação multibanda por divisão ortogonal na frequência (MB-OFDM, do inglês Multi-Band Orthogonal Frequency-Division Multiplexing ) com um ltro notch para mitigar a interferência em banda estreita causada por outros sistemas que operam dentro da faixa de frequências alocada para sistemas UWB. Em seguida, um novo front end para classificação automática de modulações com o uso de aprendizado discriminativo é proposto. Esse front end pode ser utilizado por qualquer classi cador discriminativo e consiste em ordenar magnitude e fase do símbolos recebidos. Os resultados obtidos pelo classi cador proposto mostraram-se competitivos com outros algoritmos já existentes na literatura.

Desenvolvimento de metodologias para a localização de intruso em ambientes indoor

O presente trabalho propõe metodologias para detectar a presença e localizar um intruso em ambientes indoor, 2-D e 3-D, sendo que neste último, utiliza-se um sistema cooperativo de antenas e, em ambos os casos, o sistema é baseado em radares multiestáticos. Para obter uma alta resolução, o radar opera com pulsos UWB, que possuem amplitude espectral máxima em 1 GHz para ambientes 2-D e, pulsos de banda larga com frequências entre 200 MHz e 500 MHz para ambientes 3-D. A estimativa de localização, para os ambientes bidimensionais, é feita pela técnica de otimização Enxame de Partículas - PSO (Particle Swarm Optimization), pelo método de Newton com eliminação de Gauss e pelo método dos mínimos quadrados com eliminação de Gauss. Para o ambiente tridimensional, foi desenvolvida uma metodologia vetorial que estima uma possível região de localização do intruso. Para a simulação das ondas eletromagnéticas se utiliza o método numérico FDTD (Diferenças Finitas no Domínio do Tempo) associado à técnica de absorção UPML (Uniaxial Perfectly Matched Layer) com o objetivo de truncar o domínio de análise simulando uma propagação ao infinito. Para a análise do ambiente em 2-D foi desenvolvido o ACOR-UWB-2-D e para o ambiente 3-D foi utilizado o software LANE SAGS.

Modelo de propagação para redes sem fio fixas na banda de 5,8 GHZ em cidades típicas da região amazônica

O estudo da perda de propagação, nas cidades da região amazônica, envolve ambiente caracterizado pelo clima tropical e, suburbano densamente arborizado. Levando consideração à importância da faixa ISM 5,8 GHz, esta dissertação apresenta um modelo propagação para a faixa de frequência em questão, agregando as características da atenuação experimentada pela onda de rádio quando se propaga em ambientes de cidades típicas região amazônica. Para tanto, medidas de potência recebida foram coletadas em 335 clientes fixos, distribuídos em 12 cidades na região norte do Brasil, sendo estes atendidos pelo programa de inclusão digital do estado do Pará, Navega Pará. Também foram realizadas medidas com mobilidade no campus da Universidade Federal do Pará (UFPA). Apresenta ainda o desempenho do modelo proposto sobre outros modelos (Modelo SUI e COST231-Hata) descritos na literatura, para redes sem fio fixas e com mobilidade. As métricas desempenho utilizadas foram o erro RMS e o desvio padrão com relação aos dados medidos. O ajuste dos parâmetros do modelo proposto é realizado através do método de mínimos quadrados lineares, aplicado em duas etapas para diminuir a incerteza sobre os parâmetros ajustados. O modelo proposto alcançou um erro RMS de 3,8 dB e desvio padrão de 2,3 dB, superando os demais modelos que obtiveram erros RMS acima de 10 dB e desvios padrão acima de 5 dB. Os resultados obtidos mostram a sua eficiência sobre outros modelos para predição de perdas na faixa de 5,8 GHz em sistemas fixos e móveis.

Filtragem digital e reconstrução de sinais em frequência intermediária usando FPGA

O presente trabalho trata da filtragem e reconstrução de sinais em frequência intermediária usando FPGA. É feito o desenvolvimento de algoritmos usando processamento digital de sinais e também a implementação dos mesmos, constando desde o projeto da placa de circuito impresso, montagem e teste. O texto apresenta um breve estudo de amostragem e reconstrução de sinais em geral. Especial atenção é dada à amostragem de sinais banda-passante e à análise de questões práticas de reconstrução de sinais em frequência intermediária. Dois sistemas de reconstrução de sinais baseados em processamento digital de sinais, mais especificamente reamostragem no domínio discreto, são apresentados e analisados. São também descritas teorias de processos de montagem e soldagem de placas eletrônicas com objetivo de definir uma metodologia de projeto, montagem e soldagem de placas eletrônicas. Tal metodologia é aplicada no projeto e manufatura do protótipo de um módulo de filtragem digital para repetidores de telefonia celular. O projeto, implementado usando FPGA, é baseado nos dois sistemas supracitados. Ao final do texto, resultados obtidos em experimentos de filtragem digital e reconstrução de sinais em frequência intermediária com o protótipo desenvolvido são apresentados.

Um método para classificação de imagens de satélite usando Transformada Cosseno Discreta com detecção e remoção de nuvens e sombras

Apresenta-se nesta dissertação a proposta de um algoritmo supervisionado de classificação de imagens de sensoreamento remoto, composto de três etapas: remoção ou suavização de nuvens, segmentação e classificação.O método de remoção de nuvens usa filtragem homomórfica para tratar as obstruções causadas pela presença de nuvens suaves e o método Inpainting para remover ou suavizar a preseça de sombras e nuvens densas. Para as etapas de segmentação e classificação é proposto um método baseado na energia AC dos coeficientes da Transformada Cosseno Discreta (DCT). O modo de classificação adotado é do tipo supervisionado. Para avaliar o algioritmo foi usado um banco de 14 imagens captadas por vários sensores, das quais 12 possuem algum tipo de obstrução. Para avaliar a etapa de remoção ou suavização de nuvens e sombras são usados a razão sinal-ruído de pico (PSNR) e o coeficiente Kappa. Nessa fase, vários filtros passa-altas foram comparados para a escolha do mais eficiente. A segmentação das imagens é avaliada pelo método da coincidência entre bordas (EBC) e a classificação é avaliada pela medida da entropia relativa e do erro médio quadrático (MSE). Tão importante quanto as métricas, as imagens resultantes são apresentadas de forma a permitir a avaliação subjetiva por comparação visual. Os resultados mostram a eficiência do algoritmo proposto, principalmente quando comparado ao software Spring, distribuído pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE).

Planejamento de redes de comunicação sem fio para ambiente indoor considerando os efeitos da polarização das antenas: abordagem baseada em medições

Uma das principais aplicações de ondas eletromagnéticas, na atualidade, na área de telecomunicações trata dos enlaces em sistemas móveis sem fio. Sejam estes terrestres (indoor/outdoor) ou via satélites, o projetista do sistema de telecomunicações tem que ser capaz de determinar os sistemas irradiantes, as potências envolvidas, a frequência de operação do sistema, a área de cobertura e os parâmetros de qualidade do serviço. O planejamento das novas redes de comunicações sem fio representa um grande desafio ao incluir serviços cada vez mais avançados com diferentes requisitos de qualidade, suporte a mobilidade, altas taxas de transmissão e capacidades elevadas de tráfego. Os diversos ambientes nos quais essas redes operam, os fenômenos associados produzem diversos efeitos no comportamento do sinal recebido e, consequentemente, uma variação no desempenho do enlace de comunicação entre os pontos de acesso, a rede e os usuários. Por conseguinte, esses efeitos devem ser avaliados corretamente, de tal forma que o dimensionamento da rede atenda aos requisitos de qualidade regulamentados. O presente trabalho objetiva estabelecer uma metodologia para o planejamento de redes de comunicação sem fio para ambientes indoor, considerando os parâmetros de qualidade de serviços e os efeitos da polarização das antenas. Foi proposto um modelo empírico para determinar a área de cobertura desse ambiente a partir de uma abordagem baseada em medições. Como resultado de campanhas de medições, foram identificados os principais parâmetros que interferem nas perdas no enlace de propagação, destacando-se os materiais envolvidos no ambiente bem como os efeitos da polarização das antenas transmissora, entre outros. Tais efeitos, avaliados corretamente, permitirão ao projetista da rede, de uma forma crítica e com base em dados obtidos em campo, definir a melhor configuração de parâmetros e critérios de projeto para a implantação de uma rede móvel de acesso sem fio. As medições para determinação dos parâmetros de cobertura e de qualidade de serviços foram realizadas no prédio do Laboratório de Engenharia Elétrica e de Computação e no prédio de aulas do Instituto de Tecnologia da Universidade Federal do Pará. Nas campanhas de medição foram utilizadas algumas frequências, escolhidas devido à importância dos serviços disponibilizados: 2,4 GHz - redes locais sem fio (WLAN’s); 3,5 GHz - Wimax licenciado; 5,85 GHz - Wimax livre e 10 GHz (a faixa de 9,8 a 10 GHz não está ainda regulamentada, de 10 - 10,15 GHz-radioamador (Resolução Anatel, Nº 452/2006 - D.O.U. de 20.12.2006) ou serviços de comunicações multimídias (SCM) para sistemas em banda larga). Os principais resultados obtidos com o modelo proposto foram avaliados e comparados com os principais modelos da literatura e mostraram que a metodologia adotada para o planejamento de redes de comunicação sem fio em ambientes indoor teve um bom desempenho.

Predição de qualidade de experiência em redes wimax em aplicações de video baseada em aspectos de qualidade de serviço

A crescente utilização dos serviços de telecomunicações principalmente sem fio tem exigido a adoção de novos padrões de redes que ofereçam altas taxas de transmissão e que alcance um número maior de usuários. Neste sentido o padrão IEEE 802.16, no qual é baseado o WiMAX, surge como uma tecnologia em potencial para o fornecimento de banda larga na próxima geração de redes sem fio, principalmente porque oferece Qualidade de Serviço (QoS) nativamente para fluxos de voz, dados e vídeo. A respeito das aplicações baseadas vídeo, tem ocorrido um grande crescimento nos últimos anos. Em 2011 a previsão é que esse tipo de conteúdo ultrapasse 50% de todo tráfego proveniente de dispositivos móveis. Aplicações do tipo vídeo têm um forte apelo ao usuário final que é quem de fato deve ser o avaliador do nível de qualidade recebida. Diante disso, são necessárias novas formas de avaliação de desempenho que levem em consideração a percepção do usuário, complementando assim as técnicas tradicionais que se baseiam apenas em aspectos de rede (QoS). Nesse sentido, surgiu a avaliação de desempenho baseada Qualidade de Experiência (QoE) onde a avaliação do usuário final em detrimento a aplicação é o principal parâmetro mensurado. Os resultados das investigações em QoE podem ser usados como uma extensão em detrimento aos tradicionais métodos de QoS, e ao mesmo tempo fornecer informações a respeito da entrega de serviços multimídias do ponto de vista do usuário. Exemplos de mecanismos de controle que poderão ser incluídos em redes com suporte a QoE são novas abordagens de roteamento, processo de seleção de estação base e tráfego condicionado. Ambas as metodologias de avaliação são complementares, e se usadas de forma combinada podem gerar uma avaliação mais robusta. Porém, a grande quantidade de informações dificulta essa combinação. Nesse contexto, esta dissertação tem como objetivo principal criar uma metodologia de predição de qualidade de vídeo em redes WiMAX com uso combinado de simulações e técnicas de Inteligência Computacional (IC). A partir de parâmetros de QoS e QoE obtidos através das simulações será realizado a predição do comportamento futuro do vídeo com uso de Redes Neurais Artificiais (RNA). Se por um lado o uso de simulações permite uma gama de opções como extrapolação de cenários de modo a imitar as mesmas situações do mundo real, as técnicas de IC permitem agilizar a análise dos resultados de modo que sejam feitos previsões de um comportamento futuro, correlações e outros. No caso deste trabalho, optou-se pelo uso de RNAs uma vez que é a técnica mais utilizada para previsão do comportamento, como está sendo proposto nesta dissertação.

Estudo da viabilidade econômica para implantação de redes de acesso banda larga em cenários amazônicos: um estudo de caso baseado no custo do bit aplicado ao programa NAVEGAPARÁ

Esta dissertação de mestrado propõe um estudo comparativo relacionado ao custo do bit gerado entre o programa NAVEGAPARÁ e as concessionárias prestadoras do serviço de telecomunicações nos municípios relacionados. Vários estudos são realizados analisando apenas o desempenho de tais sistemas, levando em consideração algumas métricas de avaliação de desempenho, entretanto, não relacionam o custo real para o usuário final. Três cenários reais foram utilizados no estudo de caso. Em cada cenário foi proposta a utilização de uma tecnologia ou mais combinadas para transmissão da informação, levando em consideração, alguns parâmetros como infraestrutura existente, distância entre usuários finais, taxa de transmissão, dentre outros. Algumas tecnologias de acesso, utilizadas neste trabalho, são comparadas com as soluções disponibilizadas pelas concessionárias prestadoras dos serviços existentes e atuantes nos cenários descritos.

SwImax: um simulador em realidade virtual para auxiliar o ensino do padrão WiMAX

O padrão IEEE 802.16, também chamado de WiMAX, é uma tecnologia da rede banda larga sem fio para áreas metropolitanas, utilizado como alternativa para transmissão de sinal de Internet a regiões que não possuem infraestrutura de rede cabeada. Atualmente, o ensino desta tecnologia em sala de aula é meramente teórico, o que dificulta a compreensão dos alunos com relação a determinadas funcionalidades do WiMAX. Nesse sentido, a presente dissertação aborda o projeto de desenvolvimento de um simulador em Realidade Virtual, chamado SwImax, voltado para auxílio do ensino do padrão IEEE 802.16. Assim, o SwImax simula algumas características do funcionamento deste padrão, quais sejam: faixas de frequência de operação, área de cobertura, procedimento de handover, transmissão sem linha de visada, entre outros. A dissertação apresenta os trabalhos correlatos que influenciaram o desenvolvimento do projeto, além de um resumo acerca do padrão IEEE 802.16. O texto apresenta também as ferramentas utilizadas no desenvolvimento do SwImax e a implementação do simulador. Ao final do desenvolvimento, o software foi submetido a uma avaliação dos usuários, de modo que os resultados também são abordados nesta dissertação.

Otimização de antenas lineares e planares para aplicações em sistemas de banda larga

O objetivo deste trabalho é a otimização da largura de banda de antenas linear e planar para aplicações em sistemas de banda larga. Nesse sentido, foi feito um estudo das técnicas de análise, aumento da largura de banda e otimização adequadas para o problema em questão. Como técnica de análise, foi utilizado o método dos momentos, o qual está apresentado no capítulo II. Para aumentar a largura de banda, foram utilizadas as técnicas de colocação de elementos parasitas e construção de fendas no radiador, descritos sucintamente no capítulo III. Como algoritmo de otimização, foi utilizado o algoritmo genético, descrito sucintamente no capítulo II. Neste trabalho, são apresentadas duas propostas de antenas, uma antena dipolo linear combinada com quatros espiras parasitas, capítulo IV, e uma antena planar do tipo espira, capítulo V. No primeiro caso, foram utilizados elementos parasitas e o algoritmo genético para aumentar a largura de banda e, no segundo, foram empregadas fendas no radiador e a otimização paramétrica para este objetivo.

Aspectos de avaliação de desempenho em redes ponto a ponto e ponto multiponto baseados em modelagem Markoviana e medições

Esta tese apresenta uma metodologia para avaliação de desempenho de redes de acesso banda larga. A avaliação de desempenho de redes é uma forma de identificar e analisar como determinadas características tais como diferentes tipos de tráfego ou formas de utilização, por exemplo, podem influenciar no comportamento da rede em foco, podendo assim prever como tal rede se comportará frente a situações futuras. A metodologia apresentada é composta de duas abordagens: uma abordagem baseada em medições e outra baseada em modelagem via processos Markovianos. As redes analisadas englobam os dois tipos básicos de arquitetura de acesso: redes ADSL2+ (linha digital do assinante assimétrica 2+ – Asymmetric Digital Subscriber Line 2+), as quais são redes cabeadas que utilizam cabos metálicos de pares trançados; redes FBWN (rede sem fio banda larga fixa – Fixed Broadband Wireless Network), as quais são redes sem fio (wireless) baseadas no padrão IEEE 802.16. A abordagem de medições é focada na forma como a rede analisada se comporta frente a três situações: transmissão de um tráfego genérico; impacto de ruídos não-estacionários no sistema; e uso da rede como meio de transmissão de tráfego multimídia em tempo real. A abordagem de modelagem, por sua vez, ´e baseada em prever o comportamento das redes analisadas utilizando uma formulação matemática fundamentada em processos Markovianos. Os resultados apresentados indicam a viabilidade de aplicação desta metodologia como forma de avaliação de desempenho. Os resultados ainda tornam possível a extensão desta metodologia a outros tipos de redes de acesso banda larga, tais como: redes de fibras ópticas, redes de enlaces de microondas, redes VDSL/VDSL2 (linha digital do assinante de alta taxa de dados – Very-high-data-rate DSL), etc.

Projeto de um monopolo Hi para aplicações no sistema brasileiro de TV digital

A presente pesquisa trata o projeto e análise de uma antena monopolo planar com geometria modificada visando sua utilização para recepção do sinal de TV digital operante no Brasil na faixa de 470 MHz a 806 MHz. Faixa essa contida no espectro de UHF – Ultra High Frequency (300 MHz a 3 GHz). Para desenvolvimento desse trabalho foi tomado como referência à antena denominada “The Hi Monopole”. Que originalmente foi apresentada para operar em sistemas UWB (Ultra Wide Band) em 3,1 a 10,6 GHz. Para o desenvolvimento do trabalho proposto, diferentes técnicas de adequação da antena podem ser utilizadas para operação em banda larga, tais como: modificação na estrutura da antena, carregamento resistivo, chaveamento, utilização de elementos parasitas e estruturas de casamento. O projeto de antenas banda larga pode ser realizado a partir de três abordagens diferentes: domínio do tempo, domínio da frequência e método de expansão por singularidades. O método no domínio da frequência foi empregado neste trabalho para o projeto da antena proposta, algumas das técnicas supracitadas foram analisadas almejando o aumento da largura de banda, sendo confeccionado um protótipo da antena para validar os conceitos empregados. A antena foi então projetada para a faixa de 470 MHz a 890 MHz. O protótipo construído para essa mesma faixa apresentou bons resultados, o que valida à técnica empregada. Aspectos positivos e negativos do uso desta técnica são discutidos ao longo do trabalho. O programa computacional comercial CST® MICROWAVE STUDIO, baseado na Técnica da Integração Finita (FIT), foi usado para simulações no domínio da frequência.