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Processamento Digital de Sinais
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ESPECTRO DO TREM DE PULSOS E MODULAÇÕES DIGITAIS EE321PRINCÍPIOS DE COMUNICAÇÃO Adão Antonio de Souza Junior 1 Semana ConteúdoAtividades 1 Síncrono Conceito de sinal em um sistema de comunicação Domínio tempo e domínio frequência TF e FFT Introdução as ferramentas computacionais usadas Assíncrono Exercícios de fixação Simulação discreta de sinais contínuos Relação tempo x Frequência 2 Síncrono Propriedades da TF e funções fundamentais para a análise de sistemas de comunicação Pente de Dirac e espectro de sinal periódico Espectro de potência PSD Largura de Banda Assíncrono Exercícios de fixação Simulação de sinal periódico 3 Síncrono Janelamento de um sinal Sistemas LTI Sinais através de sistemas LTI Elementos de definição de um filtro Simulação computacional de um filtro de forma discreta Assíncrono Exercícios de fixação Simulação de filtro 4 Síncrono Exercícios e Avaliação síncrona N1 Assíncrono Entrega assíncrona com redução de valor 5 Síncrono Modulação AM Tipos de modulação AM DSB SSB Eficiência da modulação AM comum Receptor em quadratura Receptor de envoltória Conceito de multiplexação FDM Assíncrono Exercícios de fixação Simulação de modulação e demodulação DSB e AM comum Trabalho prático 1 Filtro seletor passa bandas 6 Síncrono Modulação e demodulação FM Assíncrono Exercícios de fixação Simulação de demodulação FM Discriminador de Frequencia 7 Síncrono Exercícios de revisão de AM e FM Assíncrono Exercícios de fixação variável aleatória Simulações CLT E Processo estacionário e ergódico 8 Síncrono Avaliação Síncrona N2 Assíncrono Data preliminar de entrega T1 9 Síncrono Variável aleatória e processo aleatório Autocorrelação PSD de um processo aleatório Senoide de fase aleatória Ruído Processo aleatório através de LTI Assíncrono Exercícios de fixação Simulação de processos aleatórios 10 Síncrono Trem de pulso binário aleatório Modulação digital em banda base e banda passante Assíncrono Exercícios de fixação Simulação de modulações em banda base e banda passante 11 Síncrono Exercícios de Fixação Modulações digitais Assíncrono Avaliação assíncrona N3 12 Síncrono Avaliação síncrona optativa com toda a matéria OPT Assíncrono Entrega do último trabalho prático T2 PROBLEMAS ESPECÍFICOS 1 Como determino o espectro de um sinal que codifique uma mensagem se não sei a sequencia de bits 6 Como se estima a probabilidade de detecção de um sinal PROBLEMAS ESPECÍFICOS 1 Como determino o espectro de um sinal que codifique uma mensagem se não sei a sequencia de bits 6 Como se estima a probabilidade de detecção de um sinal ALEATORIEDADE EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO ALEATORIEDADE EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO ALEATORIEDADE EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO A partir da codificação de fonte a mensagem pode ser considerada um trem de bits de conteúdo desconhecido mn 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 codificação de linha pulse shaping modulação A codificação de linha diz como cada bit de mn ou de mn será associada aos pulsos que serão gerados A codificação de linha pode ser unipolar polar ou bipolar além de protocolos que são variações dessas três formas HDBn Após a codificação de linha os bits são transformados em pulsos em banda base e modulados quando se deseja uma modulação digital banda passante CODIFICAÇÃO DIGITAL 1 A partir do trem de pulsos binário que é a mensagem mn a codificação de canal pode gerar um mn que é mais adequado a transmissão sem erros Garantir que mn pode ser considerado um trem de pulsos binário aleatório Incluir bits adicionais de verificação ou correção Forward Error Correction 2 Assumindo que nossa entrada é um trem de pulsos binário aleatório é necessário definer como cada bit é traduzido em pulsos De acordo com a polaridade e o uso do sinal zero nossa codificação de linha pode ser unipolar polar ou bipolar Códigos binários como ManchesterSplitphase HDBn etc podem ser considerados casos particulares de um desses três tipos Podese ter múltiplos bits gerando múltiplos níveis de pulso MPAM ou Pulse Amplitude Modulation com Mníveis Casos multinível em termos de espectro são geralmente balanceados e recaem no caso do espectro polar mais sobre isso adiante MODULAÇÃO DIGITAL CONT 3 A codificação pode ser direta ou diferencial e de modo geral isso não irá afetar o espectro mais sobre isso adiante Exemplo mn 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 é codificado diferencial e polar Diferencial significa que apenas se indica se o bit foi invertido 1 ou mantido 0 acada novo bit Assim no caso acima assumindo que o caso inicial é assumir que se inicia a mensagem com zero o código diferencial seria dn 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 MODULAÇÃO DIGITAL CONT 4 Uma vez definida a codificação de linha se pode imaginar que o trem de bits agora é um trem de símbolos que indicam polaridade e amplitude Código unipolar os sinais que serão usados incluem zero e apenas amplitudes positivas pEx RS232 utiliza os símbolos 0 pt para transmitir 0 e 1 respectivamente no seu campo de dados Código polar os sinais que serão usados não incluem zero e correspondem a amplitudes simétricas em relação a zero pEx RS422 utiliza dois simbolos de fase dividida p p para transmitir 0 e 1 respectivamente em seu campo de dados Código bipolar os sinais que serão usados incluem zero e símbolos simétricos em relação a origem que se alternam a cada repetição pEx AMI Alternate Mark Inversion utiliza o símbolo zero e a alternância de tensão 0 A para transmitir 0 e 1 respectivamente em seu campo de dados pt pt pt mn 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 t A RS232 t A A AMI t A A RS485 DETERMINAR O ESPECTRO Para codificações em banda base precisamos três passos 1 Determinar qual o espectro de um trem de bits binário aleatório 2 Determinar qual a influência que o formato do pulso pt vai ter no espectro 3 Determinar qual a influência que a polaridade da codificação vai ter no espectro ESPECTRO DE UM TREM DE PULSOS BINÁRIO ALEATÓRIO EE321PRINCÍPIOS DE COMUNICAÇÃO Adão Antonio de Souza Junior 13 TREM DE PULSOS BINÁRIO ALEATÓRIO Para simplificar vamos iniciar a análise pensando em um trem de pulsos binário aleatório Nesse caso temos pulsos que se dividem em intervalos de largura T Esses intervalos são ocupados por uma função que dependendo do valor do bit a transmitir irá assumir um valor A ou A durante todo o intervalo T figura Notese que há dois aspectos aleatórios A amplitude de xt dentro de cada interval de bit que pode ser A ou A e é equiprovável Ou seja fxx x 05 A A TREM DE PULSO BINÁRIO ALEATÓRIO Processo Aleatório Amplitude Time s TREM DE PULSOS BINÁRIO ALEATÓRIO Para simplificar vamos iniciar a análise pensando em um trem de pulsos binário aleatório Nesse caso temos pulsos que se dividem em intervalos de largura T Esses intervalos são ocupados por uma função que dependendo do valor do bit a transmitir irá assumir um valor A ou A durante todo o intervalo T figura Notese que há dois aspectos aleatórios A distância entre o limite de um bit para o outro e o eixo y dada pela variável td que é aleatória Ou seja ftdtd td 1T 0 T TREM DE PULSO BINÁRIO ALEATÓRIO Processo Aleatório Amplitude Time s CALCULANDO O ESPECTRO A fim de obter o espectro de potência se pode partir da autocorrelação Assim 𝑆𝑥 𝑓 𝐹𝑅𝑥 𝜏 Lembrando que 𝑅𝑥 𝑡1 𝑡2 𝐸𝑥 𝑡1 𝑥𝑡2 Se t1 t2 𝜏 𝑡2 𝑡1 0 Os dois pontos estão no mesmo bit logo 𝑅𝑥 𝑡1 𝑡2 ቚ 𝑡1𝑡2 𝐸 𝑥 𝑡1 𝑥 𝑡2 𝐸 𝑥 𝑡 𝑥 𝑡 𝐸 𝑥2 𝑡 𝐴2 Agora assumindo que os dois pontos estão em bits independentes ou seja que a diferença entre as duas é maior que o intervalo de um pulso T 𝜏 𝑡2 𝑡1 𝑇 𝑅𝑥 𝑡1 𝑡2 𝜏𝑇 𝐸 𝑥 𝑡1 𝑥 𝑡2 1 4 𝐴 𝐴 1 4 𝐴 𝐴 1 4 𝐴 𝐴 1 4 ሾ ሿ 𝐴 𝐴 1 2 𝐴2 1 2 𝐴2 0 Assim sabemos qual é o valor esperado se os dois pontos estiverem no mesmo pulso e se estiverem em pulsos separados Se a probabilidade de os dois pontos estarem no mesmo pulso for P podemos calcular a autocorrelação 𝑅𝑥 𝑡1 𝑡2 𝐸 𝑥 𝑡1 𝑥 𝑡2 P 𝜏 𝐴2 1 𝑃 0 𝑃 𝜏 𝐴2 Assim a questão é definer qual a probabilidade P de dois pontos tomados a uma distância estarem no mesmo pulso T xt t td t1 t2 t1 O diagrama ao lado permite entender melhor a questão O valor de td é aleatório uniformemente distribuído Utilizando t1 como referência é possível ver que os pontos t1 e t2 estarão em pulsos diferentes se td que pode ser qualquer valor entre 0 e T cair em um valor entre t1 e t2 ou seja se td for menor que Logo 𝑃 𝜏 1 𝑃𝑡𝑑 𝜏 Lembrando que a PDF de td é uniforme figura podemos calcular 𝑃𝑡𝑑 𝜏 como a área sob a curva entre zero e o valor absoluto de 𝜏 𝑃 𝑡𝑑 𝜏 𝜏 1 𝑇 Assim 𝑃 𝜏 1 𝑃 𝑡𝑑 𝜏 1 𝜏 𝑇 e finalmente ቚ 𝑅𝑥 𝜏 𝜏ሾ0𝑇ሿ อ 𝐴2 1 𝜏 𝑇 𝜏ሾ0𝑇ሿ ftdtd td 1T 0 T Juntandose os resultados para os valores de autocorrelação achados para 𝜏 ሾ0𝑇ሿ com o valor de autocorrelação zero que se tem quando 𝜏 𝑇 podese ver que a autocorrelação é uma função triangular de largura 2T e amplitude A2figura 𝑅𝑥 𝜏 𝐴2 𝑡𝑟𝑖 𝜏 𝑇 logo o espectro fica 𝑆𝑥 𝑓 𝐴2𝑇 𝑠𝑖𝑛𝑐2𝜋𝑓𝑇 Rx A2 0 T T EX2 ESPECTRO DE PULSO UNIPOLAR Repetir o processo agora assumindo que o trem de pulsos representa um 0 como tensão zero e 1 como tensão A ESPECTRO EM BANDA BASE EE321PRINCÍPIOS DE COMUNICAÇÃO Adão Antonio de Souza Junior 22 CÓDIGOS DE LINHA E ALFABETO Relembrando que quanto a polaridade os códigos de linha podem ser unipolares polares e bipolares Chamamos de alfabeto o conjunto Ξ 𝑠0 𝑠1 𝑠𝑀1 de todos os M símbolos usados por um código digital 1 Codificação Polar M é um número par Ξ 𝑀 1𝑝𝑡 3𝑝𝑡 𝑝 𝑡 𝑝 𝑡 3𝑝 𝑡 𝑀 1𝑝𝑡 2 Codificação Unipolar 0 é um dos símbolos e todos são positivos Ξ 0 𝑝 𝑡 2𝑝 𝑡 3𝑝 𝑡 𝑀 1𝑝𝑡 3 Codificação Bipolar 0 é um dos símbolos e os demais são alternados positivo e negativo a cada ocorrência Ξ 0 𝑝 𝑡 2𝑝 𝑡 3𝑝 𝑡 𝑀 1𝑝𝑡 ESPECTRO E CÓDIGO DE LINHA Observem que o primeiro caso de trem de pulso binário aleatório corresponde a uma codificação polar em que o pulso é uma função retangular simples de largura T Podemos dizer então que 1 Codificação Polar binária com distribuição uniforme e com o pulso 𝑝 𝑡 𝐴 𝑟𝑒𝑐𝑡 𝑡 𝑇 temos 𝑆𝑥 𝑓 𝐴2𝑇 𝑠𝑖𝑛𝑐2𝜋𝑓𝑇 Como 𝑃 𝑓 𝐹 𝐴 𝑟𝑒𝑐𝑡 𝑡 𝑇 𝐴𝑇 𝑠𝑖𝑛𝑐𝜋𝑓𝑇 podese também dizer que 𝑃 𝑓 2 𝐴2𝑇2𝑠𝑖𝑛𝑐2𝜋𝑓𝑇 e que 𝑆𝑥 𝑓 𝑃 𝑓 2 𝑇 Essa expressão irá valer para qualquer pulso pt desde que se tenha um Código de Linha Polar e um alfabeto binário EX2 CODIFICAÇÃO MANCHESTER Na codificação Manchester ou splitphase temos um alfabeto de dois símbolos em que se assumirmos que o símbolo para 1 é um pulso que começa negativo A e termina positivo A transicionando no meio T2 Podemos ver que nesse caso 0 corresponderá a pt ou seja o mesmo símbolo apenas iniciando positivo e terminando negativo Manchester é portanto uma codificação polar EX2 CODIFICAÇÃO MANCHESTER Na codificação Manchester ou splitphase temos um alfabeto de dois símbolos em que se assumirmos que o símbolo para 1 é um pulso que começa negativo A e termina positivo A transicionando no meio T2 Podemos ver que nesse caso 0 corresponderá a pt ou seja o mesmo símbolo apenas iniciando positivo e terminando negativo Manchester é portanto uma codificação polar ESPECTRO DE CÓDIGOS DE LINHA Desenvolver uma expressão que funcione para todos os casos incluindo bipolar é um pouco mais complexo no entanto é possível Embora o desenvolvimento vá além do escopo dessa disciplina é possível mostrar que o espectro sempre será dado pela expressão 𝑆𝑥 𝑓 𝑃 𝑓 2 𝑇 𝑅0 2σ𝑛1 𝑅𝑛cos2𝜋𝑛𝑓𝑇 Onde 𝑎0𝑎1𝑎2 𝑎𝑀1 são os fatores que multiplicam pt no alfabeto R0 𝑎𝑘 2 e Rn 𝑎𝑘𝑎𝑘𝑛 Passandose aos casos específicos é mais simples entender a aplicação 1 Sinalização binária polar 2 Sinalização binária unipolar cont Sxf Pf² T 14 i4π Σn δf nT testando no ccso pt ArecttT pf AT sincπ f T Sxf A²T sinc²π f T 4 n δTf Sxf A²4 1 T sinc²π f T 3 Sinalização binária bipolar ak² 120² 12 1² 12 ak ak1 14 ak aknn1 ℵ 0 pt ao 1ai Sxf Pf² 2T 1 cos 2π f T Sxf Pf² T sin² π f T rel Poisson zero if n 0 como visto SÍNTESE DE ESPECTRO BANDA BASE 1 Espectro para código binário polar 𝑆𝑥 𝑓 𝑃 𝑓 2 𝑇 2 Espectro para código binário unipolar 𝑆𝑥 𝑓 𝑃 𝑓 2 4𝑇 1 1 𝑇 σ 𝛿𝑓 𝑛 𝑇 3 Espectro para código binário bipolar 𝑆𝑥 𝑓 𝑃 𝑓 2 𝑇 sen2 𝜋𝑓𝑇 Lathi p336342 SIMULAÇÃO MATLAB EspectroCódigoLinha EspectroPulso DIAGRAMA DE OLHO E ISI EE321PRINCÍPIOS DE COMUNICAÇÃO Adão Antonio de Souza Junior 32 INTERFERENCIA INTERSIMBÓLICA Em um caso ideal teríamos pulos quadrados com transições retas entre bits no tempo Nessa situação não importa o bit transmitido ao encerrar a transmissão de um pulso se volta ao valor médio do pulso Em um sinal real no entanto há um período de transição do pulso entre níveis Se um pulso deve ir de um valor A para um valor A ele irá demorar mais tempo do que se tiver de permanecer no valor A por mais de um ciclo Em termos matemáticos para termos um pulso quadrado perfeito o espectro teria de ser uma sinc Ocorre que a sinccai lentamente com a frequência Se o canal for limitado com distorção o espectro será cortado e como consequência no tempo o pulso terá um tempo de transição DIAGRAMA DE OLHO Zero crossing Zero crossing Zero crossing DIAGRAMA DE OLHO Optimum sampling instant at maximum eye opening Noise margin at the best sampling point Slope shows sensitivity to sampling time Level crossing Levelcrossing ambiguity shows timing jitter Distortion at best sampling point Errorfree sampling region Sampling and decision instant jitter margin SIMULAÇÃO MATLAB DiagramaDeOlho CODIFICAÇÃO MULTINÍVEL E ESPECTRO EM BANDA PASSANTE EE321PRINCÍPIOS DE COMUNICAÇÃO Adão Antonio de Souza Junior 37 CODIFICAÇÃO MULTINÍVEL No caso da codificação de pulso com múltiplos níveis teremos que verificar se a mesma é polar ou unipolar De modo geral como veremos depois unipolar por ser menos eficiente não é utilizada Para um alfabeto de M símbolos polar Ξ 𝑀 1 𝑝𝑡 3𝑝𝑡 𝑝 𝑡 𝑝 𝑡 3𝑝 𝑡 𝑀 1 𝑝𝑡 Teremos a partir da expressão do espectro 𝑆𝑥 𝑓 𝑅𝑜 𝑃 𝑓 2 𝑇 Uma vez que Rn será sempre zero Como exemplo calculando para o caso em que temos M4 símbolos Ξ 3𝑝 𝑡 𝑝 𝑡 𝑝 𝑡 3𝑝 𝑡 𝑆𝑥 𝑓 5 𝑃 𝑓 2 𝑇 Ver Exercício 1 para o caso geral com M símbolos e codificação polar MODULAÇÃO DIGITAL A figura abaixo mostra as três formas em que podemos transmitir um sinal digital em banda passante ASK PSK e FSK ASK Amplitude Shift Keying Ξ 0A cos2𝜋𝑓𝑐𝑡 Obs ASK cM2 é também chamado OOK OnOff Keying PSK Phase Shift Keying Ξ Acos 2𝜋𝑓𝑐𝑡 Acos2𝜋𝑓𝑐𝑡 𝜋 Obs PSK cM2 é também chamado BPSK Binary PSK FSK Frequency Shift Keying Ξ A cos 2𝜋 𝑓𝑐 Δ𝑓 𝑡 Acos 2𝜋 𝑓𝑐 Δ𝑓 𝑡 CONSTELAÇÃO No caso de modulações digitais podemos utilizar detecção coerente e em quadratura Sendo assim é possível representar o valor de cada elemento do alfabeto de uma dada modulação digital pelas suas amplitudes em fase e quadratura A representação de um alfabeto como fase e quadratura para uma dada modulação é chamada constelação e é bastante útil para entendermos a tolerância a rúido de um dado alfabeto CONSTELAÇÃO Exemplo de constelação de um modem telefônico de 36kbps sobre canal de voz préADSL Notem que o número de símbolos M é elevado M240 a fim de permitir que se trabsmitam mais bits em uma banda limitada 𝑡𝑏𝑖𝑡𝑠 𝑟𝑐ℎ𝑎𝑣𝑒𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 log2𝑀 𝑡𝑏𝑖𝑡𝑠 𝑟𝑐ℎ𝑎𝑣𝑒𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 79 ASK AMPLITUDE SHIFT KEYING No caso de ASK notem que a modulação equivale multiplicar um trem de pulsos unipolar multinível em banda base por uma portadora 𝑐 𝑡 𝐴𝑐 cos 2 𝜋𝑓𝑐𝑡 O espectro notem que coloquei a versão equivalente banda base em banda passante basta deslocar e divider por dois nesse caso será dado por 𝑆𝑥 𝑓 𝑅0 𝑇 𝑃 𝑓 2 𝑎𝑘 𝑇 2 σ𝑛 𝛿𝑓 𝑛 𝑇 Desenvolvendo 𝑆𝑥 𝑓 𝑀21 12𝑇 𝑃 𝑓 2 𝑀1 2𝑇 2 σ𝑛 𝛿𝑓 𝑛 𝑇 ASK AMPLITUDE SHIFT KEYING Observando a constelação de ASK teremos todos os pontos no eixo em fase com a portadora e todos positivos No caso em que o pulso pt é quadrado o espectro fica 𝑆𝑥 𝑓 𝑀21 12𝑟 𝑠𝑖𝑛𝑐2 𝑓 𝑟 𝑀1 4 2 𝛿 𝑓 E a banda do sinal será dada por B r r1T Q I 0 1 2 3 4 M2 M1 PSK PHASE SHIFT KEYING No caso de PSK teremos um alfabeto formado por diversas fases da mesma senoide Podemos dizer que a fase de cada componente para M componentes no alfabeto será dada por 𝜙𝑘 𝜋2𝑎𝑘𝑘 𝑀 Onde k é uma constante que pode ser zero ou um e serve para determiner se haverá um símbolo com fase zero ou não Podese ver a constelação de PSK para M8 abaixo PSK PHASE SHIFT KEYING No caso do PSK notese que o que temos é a mesma situação do alfabeto polar multinível transferido para uma frequência de portadora 𝑆𝑥 𝑓 𝑅𝑜 𝑃 𝑓 2 𝑇 Para o pulso quadrado simples de largura T como pt em BPSK teremos então 𝑆𝑥 𝑓 1 𝑟 𝑠𝑖𝑛𝑐2 𝑓 𝑟 A banda tambem será Br mas notem que por não ter componente de portadora o PSK será mais eficiente que ASK QAM QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION Assim como podemos fazer em sinais analógicos podemos modular usando um alfabeto polar de forma individual a componente em fase e a componente em quadratura Se fizermos isso conseguimos atingir uma constelação mais eficiente melhor margem de ruído que PSK para quando temos M4 Notem que QAM apenas existe para M4p onde p é uma potência arbitrária Assim temos QAM M4 QAM16M1642 QAM64M6443 Notem ainda que para M4 QAM equivale ao QPSK PSK cM4 sem componente de fase zero QAM QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION A figura abaixo mostra uma constelação QAM16 O espectro tanto em fase quanto em quadratura vai seguir sendo o mesmo polar multinível Se pensarmos que cada componente tem uma taxa de chaveamento r que irá repercutir na banda notem que a taxa de símbolo será o dobro disso Nesse caso se definirmos r como essa taxa mais alta ela será o dobro da banda Também por conta dessa definição teremos Notem que usando r na definição original r B e o espectro se mantém como no caso PSK 𝑆𝑥 𝑓 4 𝑟 𝑠𝑖𝑛𝑐2 2𝑓 𝑟 RELEMBRANDO A CAPACIDADE DE CANAL Uma questão que fica é o sinal codificado consegue ser transmitido em um dado canal Lembrando que a capacidade de Shannon de um canal é em bits por segundo 𝐶 𝐵 log21 𝑆 𝑁 Podemos comparar essa taxa com o que se deseja transmitir para um dado alfabeto Embora atender a capacidade ou seja ser menor que a capacidade não garanta que a modulação irá funcionar notem que ultrapassar o limite garante que ela não será bem sucedida 𝑡𝑏𝑖𝑡𝑠 𝑟𝑐ℎ𝑎𝑣𝑒𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 log2𝑀 EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 1 Utilizase ptrect2tT Nessa situação determine qual será o espectro caso se utilize 11 Codificação polar 12 Codificação bipolar 2 Sabendo que Rn0 para todo valor de n que não seja zero calcule a expressão do espectro de um trem de pulsos bipolar multinível com M arbitrário 3 No exemplo do slide 42 qual deveria ser a banda disponível para se atingir 56kbps ANEXO II LÁTEX DE EQUAÇÕES EE321PRINCÍPIOS DE COMUNICAÇÃO Adão Antonio de Souza Junior 51 ANEXO III FIGURAS VARIADAS EE321PRINCÍPIOS DE COMUNICAÇÃO Adão Antonio de Souza Junior 52
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ESPECTRO DO TREM DE PULSOS E MODULAÇÕES DIGITAIS EE321PRINCÍPIOS DE COMUNICAÇÃO Adão Antonio de Souza Junior 1 Semana ConteúdoAtividades 1 Síncrono Conceito de sinal em um sistema de comunicação Domínio tempo e domínio frequência TF e FFT Introdução as ferramentas computacionais usadas Assíncrono Exercícios de fixação Simulação discreta de sinais contínuos Relação tempo x Frequência 2 Síncrono Propriedades da TF e funções fundamentais para a análise de sistemas de comunicação Pente de Dirac e espectro de sinal periódico Espectro de potência PSD Largura de Banda Assíncrono Exercícios de fixação Simulação de sinal periódico 3 Síncrono Janelamento de um sinal Sistemas LTI Sinais através de sistemas LTI Elementos de definição de um filtro Simulação computacional de um filtro de forma discreta Assíncrono Exercícios de fixação Simulação de filtro 4 Síncrono Exercícios e Avaliação síncrona N1 Assíncrono Entrega assíncrona com redução de valor 5 Síncrono Modulação AM Tipos de modulação AM DSB SSB Eficiência da modulação AM comum Receptor em quadratura Receptor de envoltória Conceito de multiplexação FDM Assíncrono Exercícios de fixação Simulação de modulação e demodulação DSB e AM comum Trabalho prático 1 Filtro seletor passa bandas 6 Síncrono Modulação e demodulação FM Assíncrono Exercícios de fixação Simulação de demodulação FM Discriminador de Frequencia 7 Síncrono Exercícios de revisão de AM e FM Assíncrono Exercícios de fixação variável aleatória Simulações CLT E Processo estacionário e ergódico 8 Síncrono Avaliação Síncrona N2 Assíncrono Data preliminar de entrega T1 9 Síncrono Variável aleatória e processo aleatório Autocorrelação PSD de um processo aleatório Senoide de fase aleatória Ruído Processo aleatório através de LTI Assíncrono Exercícios de fixação Simulação de processos aleatórios 10 Síncrono Trem de pulso binário aleatório Modulação digital em banda base e banda passante Assíncrono Exercícios de fixação Simulação de modulações em banda base e banda passante 11 Síncrono Exercícios de Fixação Modulações digitais Assíncrono Avaliação assíncrona N3 12 Síncrono Avaliação síncrona optativa com toda a matéria OPT Assíncrono Entrega do último trabalho prático T2 PROBLEMAS ESPECÍFICOS 1 Como determino o espectro de um sinal que codifique uma mensagem se não sei a sequencia de bits 6 Como se estima a probabilidade de detecção de um sinal PROBLEMAS ESPECÍFICOS 1 Como determino o espectro de um sinal que codifique uma mensagem se não sei a sequencia de bits 6 Como se estima a probabilidade de detecção de um sinal ALEATORIEDADE EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO ALEATORIEDADE EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO ALEATORIEDADE EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO A partir da codificação de fonte a mensagem pode ser considerada um trem de bits de conteúdo desconhecido mn 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 codificação de linha pulse shaping modulação A codificação de linha diz como cada bit de mn ou de mn será associada aos pulsos que serão gerados A codificação de linha pode ser unipolar polar ou bipolar além de protocolos que são variações dessas três formas HDBn Após a codificação de linha os bits são transformados em pulsos em banda base e modulados quando se deseja uma modulação digital banda passante CODIFICAÇÃO DIGITAL 1 A partir do trem de pulsos binário que é a mensagem mn a codificação de canal pode gerar um mn que é mais adequado a transmissão sem erros Garantir que mn pode ser considerado um trem de pulsos binário aleatório Incluir bits adicionais de verificação ou correção Forward Error Correction 2 Assumindo que nossa entrada é um trem de pulsos binário aleatório é necessário definer como cada bit é traduzido em pulsos De acordo com a polaridade e o uso do sinal zero nossa codificação de linha pode ser unipolar polar ou bipolar Códigos binários como ManchesterSplitphase HDBn etc podem ser considerados casos particulares de um desses três tipos Podese ter múltiplos bits gerando múltiplos níveis de pulso MPAM ou Pulse Amplitude Modulation com Mníveis Casos multinível em termos de espectro são geralmente balanceados e recaem no caso do espectro polar mais sobre isso adiante MODULAÇÃO DIGITAL CONT 3 A codificação pode ser direta ou diferencial e de modo geral isso não irá afetar o espectro mais sobre isso adiante Exemplo mn 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 é codificado diferencial e polar Diferencial significa que apenas se indica se o bit foi invertido 1 ou mantido 0 acada novo bit Assim no caso acima assumindo que o caso inicial é assumir que se inicia a mensagem com zero o código diferencial seria dn 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 MODULAÇÃO DIGITAL CONT 4 Uma vez definida a codificação de linha se pode imaginar que o trem de bits agora é um trem de símbolos que indicam polaridade e amplitude Código unipolar os sinais que serão usados incluem zero e apenas amplitudes positivas pEx RS232 utiliza os símbolos 0 pt para transmitir 0 e 1 respectivamente no seu campo de dados Código polar os sinais que serão usados não incluem zero e correspondem a amplitudes simétricas em relação a zero pEx RS422 utiliza dois simbolos de fase dividida p p para transmitir 0 e 1 respectivamente em seu campo de dados Código bipolar os sinais que serão usados incluem zero e símbolos simétricos em relação a origem que se alternam a cada repetição pEx AMI Alternate Mark Inversion utiliza o símbolo zero e a alternância de tensão 0 A para transmitir 0 e 1 respectivamente em seu campo de dados pt pt pt mn 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 t A RS232 t A A AMI t A A RS485 DETERMINAR O ESPECTRO Para codificações em banda base precisamos três passos 1 Determinar qual o espectro de um trem de bits binário aleatório 2 Determinar qual a influência que o formato do pulso pt vai ter no espectro 3 Determinar qual a influência que a polaridade da codificação vai ter no espectro ESPECTRO DE UM TREM DE PULSOS BINÁRIO ALEATÓRIO EE321PRINCÍPIOS DE COMUNICAÇÃO Adão Antonio de Souza Junior 13 TREM DE PULSOS BINÁRIO ALEATÓRIO Para simplificar vamos iniciar a análise pensando em um trem de pulsos binário aleatório Nesse caso temos pulsos que se dividem em intervalos de largura T Esses intervalos são ocupados por uma função que dependendo do valor do bit a transmitir irá assumir um valor A ou A durante todo o intervalo T figura Notese que há dois aspectos aleatórios A amplitude de xt dentro de cada interval de bit que pode ser A ou A e é equiprovável Ou seja fxx x 05 A A TREM DE PULSO BINÁRIO ALEATÓRIO Processo Aleatório Amplitude Time s TREM DE PULSOS BINÁRIO ALEATÓRIO Para simplificar vamos iniciar a análise pensando em um trem de pulsos binário aleatório Nesse caso temos pulsos que se dividem em intervalos de largura T Esses intervalos são ocupados por uma função que dependendo do valor do bit a transmitir irá assumir um valor A ou A durante todo o intervalo T figura Notese que há dois aspectos aleatórios A distância entre o limite de um bit para o outro e o eixo y dada pela variável td que é aleatória Ou seja ftdtd td 1T 0 T TREM DE PULSO BINÁRIO ALEATÓRIO Processo Aleatório Amplitude Time s CALCULANDO O ESPECTRO A fim de obter o espectro de potência se pode partir da autocorrelação Assim 𝑆𝑥 𝑓 𝐹𝑅𝑥 𝜏 Lembrando que 𝑅𝑥 𝑡1 𝑡2 𝐸𝑥 𝑡1 𝑥𝑡2 Se t1 t2 𝜏 𝑡2 𝑡1 0 Os dois pontos estão no mesmo bit logo 𝑅𝑥 𝑡1 𝑡2 ቚ 𝑡1𝑡2 𝐸 𝑥 𝑡1 𝑥 𝑡2 𝐸 𝑥 𝑡 𝑥 𝑡 𝐸 𝑥2 𝑡 𝐴2 Agora assumindo que os dois pontos estão em bits independentes ou seja que a diferença entre as duas é maior que o intervalo de um pulso T 𝜏 𝑡2 𝑡1 𝑇 𝑅𝑥 𝑡1 𝑡2 𝜏𝑇 𝐸 𝑥 𝑡1 𝑥 𝑡2 1 4 𝐴 𝐴 1 4 𝐴 𝐴 1 4 𝐴 𝐴 1 4 ሾ ሿ 𝐴 𝐴 1 2 𝐴2 1 2 𝐴2 0 Assim sabemos qual é o valor esperado se os dois pontos estiverem no mesmo pulso e se estiverem em pulsos separados Se a probabilidade de os dois pontos estarem no mesmo pulso for P podemos calcular a autocorrelação 𝑅𝑥 𝑡1 𝑡2 𝐸 𝑥 𝑡1 𝑥 𝑡2 P 𝜏 𝐴2 1 𝑃 0 𝑃 𝜏 𝐴2 Assim a questão é definer qual a probabilidade P de dois pontos tomados a uma distância estarem no mesmo pulso T xt t td t1 t2 t1 O diagrama ao lado permite entender melhor a questão O valor de td é aleatório uniformemente distribuído Utilizando t1 como referência é possível ver que os pontos t1 e t2 estarão em pulsos diferentes se td que pode ser qualquer valor entre 0 e T cair em um valor entre t1 e t2 ou seja se td for menor que Logo 𝑃 𝜏 1 𝑃𝑡𝑑 𝜏 Lembrando que a PDF de td é uniforme figura podemos calcular 𝑃𝑡𝑑 𝜏 como a área sob a curva entre zero e o valor absoluto de 𝜏 𝑃 𝑡𝑑 𝜏 𝜏 1 𝑇 Assim 𝑃 𝜏 1 𝑃 𝑡𝑑 𝜏 1 𝜏 𝑇 e finalmente ቚ 𝑅𝑥 𝜏 𝜏ሾ0𝑇ሿ อ 𝐴2 1 𝜏 𝑇 𝜏ሾ0𝑇ሿ ftdtd td 1T 0 T Juntandose os resultados para os valores de autocorrelação achados para 𝜏 ሾ0𝑇ሿ com o valor de autocorrelação zero que se tem quando 𝜏 𝑇 podese ver que a autocorrelação é uma função triangular de largura 2T e amplitude A2figura 𝑅𝑥 𝜏 𝐴2 𝑡𝑟𝑖 𝜏 𝑇 logo o espectro fica 𝑆𝑥 𝑓 𝐴2𝑇 𝑠𝑖𝑛𝑐2𝜋𝑓𝑇 Rx A2 0 T T EX2 ESPECTRO DE PULSO UNIPOLAR Repetir o processo agora assumindo que o trem de pulsos representa um 0 como tensão zero e 1 como tensão A ESPECTRO EM BANDA BASE EE321PRINCÍPIOS DE COMUNICAÇÃO Adão Antonio de Souza Junior 22 CÓDIGOS DE LINHA E ALFABETO Relembrando que quanto a polaridade os códigos de linha podem ser unipolares polares e bipolares Chamamos de alfabeto o conjunto Ξ 𝑠0 𝑠1 𝑠𝑀1 de todos os M símbolos usados por um código digital 1 Codificação Polar M é um número par Ξ 𝑀 1𝑝𝑡 3𝑝𝑡 𝑝 𝑡 𝑝 𝑡 3𝑝 𝑡 𝑀 1𝑝𝑡 2 Codificação Unipolar 0 é um dos símbolos e todos são positivos Ξ 0 𝑝 𝑡 2𝑝 𝑡 3𝑝 𝑡 𝑀 1𝑝𝑡 3 Codificação Bipolar 0 é um dos símbolos e os demais são alternados positivo e negativo a cada ocorrência Ξ 0 𝑝 𝑡 2𝑝 𝑡 3𝑝 𝑡 𝑀 1𝑝𝑡 ESPECTRO E CÓDIGO DE LINHA Observem que o primeiro caso de trem de pulso binário aleatório corresponde a uma codificação polar em que o pulso é uma função retangular simples de largura T Podemos dizer então que 1 Codificação Polar binária com distribuição uniforme e com o pulso 𝑝 𝑡 𝐴 𝑟𝑒𝑐𝑡 𝑡 𝑇 temos 𝑆𝑥 𝑓 𝐴2𝑇 𝑠𝑖𝑛𝑐2𝜋𝑓𝑇 Como 𝑃 𝑓 𝐹 𝐴 𝑟𝑒𝑐𝑡 𝑡 𝑇 𝐴𝑇 𝑠𝑖𝑛𝑐𝜋𝑓𝑇 podese também dizer que 𝑃 𝑓 2 𝐴2𝑇2𝑠𝑖𝑛𝑐2𝜋𝑓𝑇 e que 𝑆𝑥 𝑓 𝑃 𝑓 2 𝑇 Essa expressão irá valer para qualquer pulso pt desde que se tenha um Código de Linha Polar e um alfabeto binário EX2 CODIFICAÇÃO MANCHESTER Na codificação Manchester ou splitphase temos um alfabeto de dois símbolos em que se assumirmos que o símbolo para 1 é um pulso que começa negativo A e termina positivo A transicionando no meio T2 Podemos ver que nesse caso 0 corresponderá a pt ou seja o mesmo símbolo apenas iniciando positivo e terminando negativo Manchester é portanto uma codificação polar EX2 CODIFICAÇÃO MANCHESTER Na codificação Manchester ou splitphase temos um alfabeto de dois símbolos em que se assumirmos que o símbolo para 1 é um pulso que começa negativo A e termina positivo A transicionando no meio T2 Podemos ver que nesse caso 0 corresponderá a pt ou seja o mesmo símbolo apenas iniciando positivo e terminando negativo Manchester é portanto uma codificação polar ESPECTRO DE CÓDIGOS DE LINHA Desenvolver uma expressão que funcione para todos os casos incluindo bipolar é um pouco mais complexo no entanto é possível Embora o desenvolvimento vá além do escopo dessa disciplina é possível mostrar que o espectro sempre será dado pela expressão 𝑆𝑥 𝑓 𝑃 𝑓 2 𝑇 𝑅0 2σ𝑛1 𝑅𝑛cos2𝜋𝑛𝑓𝑇 Onde 𝑎0𝑎1𝑎2 𝑎𝑀1 são os fatores que multiplicam pt no alfabeto R0 𝑎𝑘 2 e Rn 𝑎𝑘𝑎𝑘𝑛 Passandose aos casos específicos é mais simples entender a aplicação 1 Sinalização binária polar 2 Sinalização binária unipolar cont Sxf Pf² T 14 i4π Σn δf nT testando no ccso pt ArecttT pf AT sincπ f T Sxf A²T sinc²π f T 4 n δTf Sxf A²4 1 T sinc²π f T 3 Sinalização binária bipolar ak² 120² 12 1² 12 ak ak1 14 ak aknn1 ℵ 0 pt ao 1ai Sxf Pf² 2T 1 cos 2π f T Sxf Pf² T sin² π f T rel Poisson zero if n 0 como visto SÍNTESE DE ESPECTRO BANDA BASE 1 Espectro para código binário polar 𝑆𝑥 𝑓 𝑃 𝑓 2 𝑇 2 Espectro para código binário unipolar 𝑆𝑥 𝑓 𝑃 𝑓 2 4𝑇 1 1 𝑇 σ 𝛿𝑓 𝑛 𝑇 3 Espectro para código binário bipolar 𝑆𝑥 𝑓 𝑃 𝑓 2 𝑇 sen2 𝜋𝑓𝑇 Lathi p336342 SIMULAÇÃO MATLAB EspectroCódigoLinha EspectroPulso DIAGRAMA DE OLHO E ISI EE321PRINCÍPIOS DE COMUNICAÇÃO Adão Antonio de Souza Junior 32 INTERFERENCIA INTERSIMBÓLICA Em um caso ideal teríamos pulos quadrados com transições retas entre bits no tempo Nessa situação não importa o bit transmitido ao encerrar a transmissão de um pulso se volta ao valor médio do pulso Em um sinal real no entanto há um período de transição do pulso entre níveis Se um pulso deve ir de um valor A para um valor A ele irá demorar mais tempo do que se tiver de permanecer no valor A por mais de um ciclo Em termos matemáticos para termos um pulso quadrado perfeito o espectro teria de ser uma sinc Ocorre que a sinccai lentamente com a frequência Se o canal for limitado com distorção o espectro será cortado e como consequência no tempo o pulso terá um tempo de transição DIAGRAMA DE OLHO Zero crossing Zero crossing Zero crossing DIAGRAMA DE OLHO Optimum sampling instant at maximum eye opening Noise margin at the best sampling point Slope shows sensitivity to sampling time Level crossing Levelcrossing ambiguity shows timing jitter Distortion at best sampling point Errorfree sampling region Sampling and decision instant jitter margin SIMULAÇÃO MATLAB DiagramaDeOlho CODIFICAÇÃO MULTINÍVEL E ESPECTRO EM BANDA PASSANTE EE321PRINCÍPIOS DE COMUNICAÇÃO Adão Antonio de Souza Junior 37 CODIFICAÇÃO MULTINÍVEL No caso da codificação de pulso com múltiplos níveis teremos que verificar se a mesma é polar ou unipolar De modo geral como veremos depois unipolar por ser menos eficiente não é utilizada Para um alfabeto de M símbolos polar Ξ 𝑀 1 𝑝𝑡 3𝑝𝑡 𝑝 𝑡 𝑝 𝑡 3𝑝 𝑡 𝑀 1 𝑝𝑡 Teremos a partir da expressão do espectro 𝑆𝑥 𝑓 𝑅𝑜 𝑃 𝑓 2 𝑇 Uma vez que Rn será sempre zero Como exemplo calculando para o caso em que temos M4 símbolos Ξ 3𝑝 𝑡 𝑝 𝑡 𝑝 𝑡 3𝑝 𝑡 𝑆𝑥 𝑓 5 𝑃 𝑓 2 𝑇 Ver Exercício 1 para o caso geral com M símbolos e codificação polar MODULAÇÃO DIGITAL A figura abaixo mostra as três formas em que podemos transmitir um sinal digital em banda passante ASK PSK e FSK ASK Amplitude Shift Keying Ξ 0A cos2𝜋𝑓𝑐𝑡 Obs ASK cM2 é também chamado OOK OnOff Keying PSK Phase Shift Keying Ξ Acos 2𝜋𝑓𝑐𝑡 Acos2𝜋𝑓𝑐𝑡 𝜋 Obs PSK cM2 é também chamado BPSK Binary PSK FSK Frequency Shift Keying Ξ A cos 2𝜋 𝑓𝑐 Δ𝑓 𝑡 Acos 2𝜋 𝑓𝑐 Δ𝑓 𝑡 CONSTELAÇÃO No caso de modulações digitais podemos utilizar detecção coerente e em quadratura Sendo assim é possível representar o valor de cada elemento do alfabeto de uma dada modulação digital pelas suas amplitudes em fase e quadratura A representação de um alfabeto como fase e quadratura para uma dada modulação é chamada constelação e é bastante útil para entendermos a tolerância a rúido de um dado alfabeto CONSTELAÇÃO Exemplo de constelação de um modem telefônico de 36kbps sobre canal de voz préADSL Notem que o número de símbolos M é elevado M240 a fim de permitir que se trabsmitam mais bits em uma banda limitada 𝑡𝑏𝑖𝑡𝑠 𝑟𝑐ℎ𝑎𝑣𝑒𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 log2𝑀 𝑡𝑏𝑖𝑡𝑠 𝑟𝑐ℎ𝑎𝑣𝑒𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 79 ASK AMPLITUDE SHIFT KEYING No caso de ASK notem que a modulação equivale multiplicar um trem de pulsos unipolar multinível em banda base por uma portadora 𝑐 𝑡 𝐴𝑐 cos 2 𝜋𝑓𝑐𝑡 O espectro notem que coloquei a versão equivalente banda base em banda passante basta deslocar e divider por dois nesse caso será dado por 𝑆𝑥 𝑓 𝑅0 𝑇 𝑃 𝑓 2 𝑎𝑘 𝑇 2 σ𝑛 𝛿𝑓 𝑛 𝑇 Desenvolvendo 𝑆𝑥 𝑓 𝑀21 12𝑇 𝑃 𝑓 2 𝑀1 2𝑇 2 σ𝑛 𝛿𝑓 𝑛 𝑇 ASK AMPLITUDE SHIFT KEYING Observando a constelação de ASK teremos todos os pontos no eixo em fase com a portadora e todos positivos No caso em que o pulso pt é quadrado o espectro fica 𝑆𝑥 𝑓 𝑀21 12𝑟 𝑠𝑖𝑛𝑐2 𝑓 𝑟 𝑀1 4 2 𝛿 𝑓 E a banda do sinal será dada por B r r1T Q I 0 1 2 3 4 M2 M1 PSK PHASE SHIFT KEYING No caso de PSK teremos um alfabeto formado por diversas fases da mesma senoide Podemos dizer que a fase de cada componente para M componentes no alfabeto será dada por 𝜙𝑘 𝜋2𝑎𝑘𝑘 𝑀 Onde k é uma constante que pode ser zero ou um e serve para determiner se haverá um símbolo com fase zero ou não Podese ver a constelação de PSK para M8 abaixo PSK PHASE SHIFT KEYING No caso do PSK notese que o que temos é a mesma situação do alfabeto polar multinível transferido para uma frequência de portadora 𝑆𝑥 𝑓 𝑅𝑜 𝑃 𝑓 2 𝑇 Para o pulso quadrado simples de largura T como pt em BPSK teremos então 𝑆𝑥 𝑓 1 𝑟 𝑠𝑖𝑛𝑐2 𝑓 𝑟 A banda tambem será Br mas notem que por não ter componente de portadora o PSK será mais eficiente que ASK QAM QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION Assim como podemos fazer em sinais analógicos podemos modular usando um alfabeto polar de forma individual a componente em fase e a componente em quadratura Se fizermos isso conseguimos atingir uma constelação mais eficiente melhor margem de ruído que PSK para quando temos M4 Notem que QAM apenas existe para M4p onde p é uma potência arbitrária Assim temos QAM M4 QAM16M1642 QAM64M6443 Notem ainda que para M4 QAM equivale ao QPSK PSK cM4 sem componente de fase zero QAM QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION A figura abaixo mostra uma constelação QAM16 O espectro tanto em fase quanto em quadratura vai seguir sendo o mesmo polar multinível Se pensarmos que cada componente tem uma taxa de chaveamento r que irá repercutir na banda notem que a taxa de símbolo será o dobro disso Nesse caso se definirmos r como essa taxa mais alta ela será o dobro da banda Também por conta dessa definição teremos Notem que usando r na definição original r B e o espectro se mantém como no caso PSK 𝑆𝑥 𝑓 4 𝑟 𝑠𝑖𝑛𝑐2 2𝑓 𝑟 RELEMBRANDO A CAPACIDADE DE CANAL Uma questão que fica é o sinal codificado consegue ser transmitido em um dado canal Lembrando que a capacidade de Shannon de um canal é em bits por segundo 𝐶 𝐵 log21 𝑆 𝑁 Podemos comparar essa taxa com o que se deseja transmitir para um dado alfabeto Embora atender a capacidade ou seja ser menor que a capacidade não garanta que a modulação irá funcionar notem que ultrapassar o limite garante que ela não será bem sucedida 𝑡𝑏𝑖𝑡𝑠 𝑟𝑐ℎ𝑎𝑣𝑒𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 log2𝑀 EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 1 Utilizase ptrect2tT Nessa situação determine qual será o espectro caso se utilize 11 Codificação polar 12 Codificação bipolar 2 Sabendo que Rn0 para todo valor de n que não seja zero calcule a expressão do espectro de um trem de pulsos bipolar multinível com M arbitrário 3 No exemplo do slide 42 qual deveria ser a banda disponível para se atingir 56kbps ANEXO II LÁTEX DE EQUAÇÕES EE321PRINCÍPIOS DE COMUNICAÇÃO Adão Antonio de Souza Junior 51 ANEXO III FIGURAS VARIADAS EE321PRINCÍPIOS DE COMUNICAÇÃO Adão Antonio de Souza Junior 52