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GISTEMAS DE COMUNICAÇÃO ANALÓGICOS E DIGITAIS simon Haykin W td ição o SIMON AVI MeMaster University TEMAS E QMUNIGAÇÃO ANALÓGICOS E DIGITAIS Tradução: José Carlos Barbosa dos Santos Consultoria, supervisão e revisão técnica desta edição: Antonio Pertence Júnior Engenheiro Eletrônico e de Telecomunicações Especialista em Processamento de Sinais pela Ryerson University, Canadá Professor d lecomunicações da FUMEC (MG) Professor Titular da Faculdade de Sabará (MG) Adriano Silva Vale Cardoso Engenheiro Eletrônico e de Telecomunicações Mestrando em Engenharia da Computação (UFMG) Professor de Telecomunicações (ESBG) Reimpressão 2007 Ny () Bookman) 2004 Em memória da minha amada Vera O estudo de Engenharia Elétrica sofreu durante as duas últimas décadas, e continua sofrendo, algumas mudanças radicais. Um programa moderno de graduação em Engenharia Elétrica inclui as seguintes disci- plinas introdutórias: » Sinais e Sistemas, a qual apresenta um tratamento balanceado € integrado das formas de sinais e siste- mas de tempo contínuo e de tempo discreto. A transformada de Fourier (em suas diferentes formas), a transformada de Laplace e a transformada z são tratadas detalhadamente. Normalmente, a disciplina também inclui um tratamento clementar dos sistemas de comunicação. Probabilidade e Processos Aleatórios, a qual desenvolve uma compreensão intuitiva das variáveis alearó- rias discretas e contínuas e depois apresenta a noção de um processo aleatório e suas características. Geralmente, essas duas disciplinas introdutórias levam a uma disciplina de nível superior em sistemas de co- municação. A quarta edição deste livro, portanto, foi escrita com este objetivo principal em mente: em poucas pala- vras, fornecer um tratamento moderno dos sistemas de comunicação em um nível apropriado para uma dis- ciplina de um ou dois semestres no final da graduação. São enfatizados os fundamentos estatísticos da teoria das comunicações e suas aplicações. Os assuntos são apresentados de maneira lógica e ilustrados com exemplos que procuram auxiliar o es- tudante a desenvolver uma compreensão intuitiva da teoria em questão. Com exceção do capítulo Funda- mentos e Visão Geral, os capítulos se encerram com numerosos problemas desenvolvidos não somente para ajudar os estudantes a testar seu entendimento do material abordado mas também para desafiá-los a ampliar esse material, Os capítulos incluem notas e referências que fornecem sugestões de leitura adicional. As seções e subseções que podem ser saltadas sem que haja prejuízo da continuidade são identificadas com notas de ro- dapé. Um recurso especial do livro é a inclusão de oito experiências em computador que utilizam o MATLAB. sse conjunto de experiências é a base de um “Laboratório de Safiware”, sendo que cada experiência foi pro- jetada para ampliar o material abordado no capítulo pertinente, O mais importante é que as experiências ex- ploram as capacidades únicas do MATLAB de maneira instrutiva, Os códigos do MATLAB para todas essas experiências estão disponíveis no site da Wiley: http://wwwwiley.com/college/haykin/. O capítulo Fundamentos e Visão Geral apresenta um material introdutório e motivacional, abrindo ca- minho para um tratamento detalhado dos vários aspectos dos sistemas de comunicação nos 10 capítulos sub- segientes. O material desses capítulos está organizado da seguinte maneira: O Capítulo 1 desenvolve um tratamento detalhado dos processos aleatórios ou estocásticos, com ênfase especial na caracrerização parcial dos mesmos (i.e., estatísticas de segunda ordem). Na verdade, a dis- cussão se restringe aos processos estacionários tratados num sentido mais amplo. As propriedades da correlação e os espectros de potência dos processos aleatórios são descritos detalhadamente, Os proces- sos gaussianos e o aspecto do ruído de banda csurcita dos sistemas de comunicação se destacam espe- cialmente na última parte deste capítulo. Este tratamento leva naturalmente à consideração das distribuições de Rayleigh e Rician que surgem em um ambiente de comunicações. PREFÁCIO ix O Capítulo 5 discure a análise «e espaço de sinais para um canal com ruído branco gaussiano aditivo. Em especial, são estabelecidas as bases para a representação geomérrica de sinais com energia finita, O receptor de correlação é desenvolvido e sua equivalência com o receptor de filtro casado, demonstrada. O capítulo se encerra com uma discussão a respeito da probabilidade de erro e seu cálculo aproxima- -apítulo 6 discute a Junsmissão de dados em banda passante, em que uma onda portadora senoidal é pregada para facilitar a transmissão do sinal digitalmente modulado através de um canal com deter- nada banda. Este capítulo desenvolve a interpretação geométrica dos sinais apresentados no Capítu- lo 5. Em especial, é avaliado o efeito do ruído do canal sobre o desempenho dos sistemas de comunicação digital, utilizando as seguintes técnicas de modulação: Chaveamento de fase (phase-shifi Reying), que é uma variante digital da modulação de fase, sendo que a fasc da onda portadora assume um dos valores de um conjunto determinado de valores dis- cretos. Esquemas de modulação de amplitude/fase híbrida que incluem modulação de amplitude em qua- dratura (QAM) e modulação de amplitudeifase sem portadora (CAP). Chaveamento de frequência (fregueney-shift eying), que é a variante digiral da modulação de fre- qiiência, sendo que a frequência da onda portadora assume um dos valores de um conjunto deter- minado de valores discretos. Modulação multicanal genérica, seguida pelo esquema multitom discreto, cuja utilização foi padro- nizada para o sistema ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line). Em um sistema de comunicação digital, a temporização é tudo, o que significa que o receptor deve es- tar sincronizado com o transmissor. Nesse contexto, dizemos que O receptor é coerente ou não-cocren- te. Em um receptor coerente, ocorre a recuperação tanto da fase portadora como do tempo de ocorrência do simbolo. Em um receptor não-coerente, a fase portadora é ignorada c somente o tempo de ocorrên- cia do símbolo é sincronizado, Essa estratégia é determinada pelo fato de que a fase portadora pode ser aleatória, o que torna a sua recuperação de fase uma proposição onerosa. Técnicas de sincronização se- tão discutidas na última parte do capítulo, com ênfase especial no processamento de sinais de tempo discreto. Hi O Capítulo 7 introduz a modulação por espalhamento espectral. Diferentemente das formas tradicionais de modulação discutidas nos capítulos anteriores, a largura de banda do canal é intencionalmente sa- crificada na modulação por espalhamento especiral em nome da segurança ou proteção contra sinais in- terferentes, São discutidas as formas de sequência direta e de salto de fregiiência da modulação por espalhamento espectral. O Capítulo 8 trata das comunicações de rádio multinsudrio, em que muitos ustários têm acesso a um ca- nal de rádio comum. Esse tipo de canal de comunicação é bem-representado nos sistemas de comuni- cação por satélite e sem-fio, ambos analisados aqui. O capítulo inclui uma apresentação da análise do desenvolvimento dos /inks, enfatizando os conceitos relacionados de antena propagação e cálculos do ruído. O Capítulo 9 desenvolve os limites frndamentais da teoria da informação, focalizando os teoremas de Shannon para a compactação, a compressão c a transmissão de dados. Esses teoremas fornecem os li- mites superiores para o desempenho das fontes de informação e dos canais de comunicação. Doi ceiros fundamentais para a formulação dos teoremas são: (1) a entropia de uma fonte (cuja definição é análoga à da entropia da termodinâmica) c (2) a capacidade do canal. con- O Capítulo 10 lida com a codificação de controle de erros, que abrange técnicas para a codificação e de- codificação de fluxos de dados digitais para uma transmissão confiável dos mesmos através de canais ruidosos. Quatro tipos de codificação de controle de erros são discutidos: x Presácio (i) Códigos de bloco lineares que são descritos por conjuntos de palavras-código linearmente indepen- dentes, cada um dos quais constituído por bits de mensagem e bits de verificação da paridade. Os bits de verificação da paridade são incluídos com a finalidade de controle de erro. (ii) Códigos cíclicos, que formam uma subclasse dos códigos de bloco lineares. (iii) Códigos comvolucionais, que operam continuamente sobre a sequência de mensagem de uma ma- neira serial. (iv) Códigos turbo, que constituem um novo método de construir bons códigos que se aproximem da capacidade do canal de Shannon de um modo fisicamente rcalizável. São discutidos métodos para a geração desses códigos e sua decodificação. O livro também inclui material suplementar, na forma de seis apêndices: O Apêndice 1 revisa a teoria das probabilidades. O Apêndice 2, com o título de Representação de Sinais e Sistemas, revê a transformada de Fourier e suas propriedades, as várias definições de largura de banda, a transformada de Hilbert e a representa- ção complexa de sinais e sistemas de banda estreita. O Apêndice 3 apresenta um tratamento introdutório da função de Bessel e sua forma modificada, As funções de Bessel surgem no estudo da modulação de frequência, detecção não-coerente de sinais com ruído e sincronização do tempo de ocorrência do símbolo. O Apêndice 4 introduz a função hipergeométrica confluente, cuja necessidade surge na detecção de en- voltória de sinais modulados em amplitude com ruído. » OQ Apêndice 5 fornece uma introdu nicações. à criptografia, a qual é fundamental para a segurança das comu- O Apêndice 6 inclui 12 tabelas que auxiliam nos exercícios. Como mencionamos anteriormente, o propósito principal deste livro é fornecer um tratamento moder- no dos sistemas de comunicação, adequado à utilização em um curso de graduação de nível superior com a duração de um ou dois semestres. A composição do material para o curso é naturalmente determinada pela base de conhecimento dos estudantes e pelos interesses dos professores envolvidos. O material abordado no livro é amplo c bastante aprofundado para satisfazer a vários fundamentos e interesses, oferecendo, assim, considerável flexibilidade na escolha do material para a disciplina. Um manual detalhado de soluções para to- dos os problemas apresentados no livro em inglês está à disposição no site da editora, Os professores interes- sados em ter acesso ao arquivo PDF do manual devem escrever para bookmantartmed.com.br, enviando comprovante de docência. E iaiinidos Gostaria de agradecer imensamente ao Dr. Gregory ]. Pottie (University of California, Lós Angeles), ao Dr. Santosh Venkatesh (University of Pennsylvania), ao Dr. Stephen G. Wilson (University of Virginia), ao Dr. Gordon Stúber (Georgia Institute of Technology), ao Dr. Venugopal Veeralli (Cornell University) e ao Dr. Granville E, Otr (University of Texas em Austin) pelas revisões críticas de uma versão anterior do manuscri- toc por apresentarem numerosas sugestões que me ajudaram a modelar o livro em sua forma presente. O tra- tamento do efeito do ruído na detecção de envoltória, apresentado no Capítulo 2, baseia-se nas anotações de aula colocadas à minha disposição pelo Dr. Santosh Venkaresh, a quem sou muito grato. Agradeço ao Dr. Gordon Sttiber por autorizar-me a reproduzir a Figura 6.32. Sinto-me em dívida com o Dr. Michael Moher (Communications Research Centre, Ottawa) por ter li- do cinco capítulos de cada versão do manuscrito e feito muitos comentários construtivos sobre códigos tur- bo, bem como com o Dr, Brendan Frey (University of Waterloo, Ontário) por sua inestimável ajuda para aprimorar o material sobre esses códigos, por seus cometários sobre códigos de verificação da paridade de bai- fe. Ae E i FUNDAMENTOS E VISÃO GERAL 19 - O processo de comunicação 19 . Principais recursos de comunicação 21 . Fontes de informação 21 om Redes de comunicação 27 . Canais de comunicação 33 . Processo de modulação 37 - Tipos de comunicação analógica e digital 38 cam . Teorema de Shannon da capacidade de informação 40 9. Um problema de comunicação digital 41 10. Noras históricas 43 Notas e referências 46 « CarírutO 1 ProcESssOS ALEATÓRIOS 49 1.1 Introdução 49 1.2 Definição matemática de um processo aleatório 50 1.3 Processos estacionários 51 1.4 Média, correlação e cov: 1.5 Processos ergódicos 58 1.6 “Transmissão de um processo estacionário através de um filtro lincar invariante no tempo 60 1.7 Densidade espectral de potência 61 1.8 Processos gaussianos 71 1.9 Ruído 77 1.10 Ruído de banda estreita 83 1.11 Representação de ruído de banda estreita cm termos de componentes em fase cem quadratura 83 1.12 Representação do ruído de banda estreita em termos de componentes de envoltória e de fase 84 1.13 Onda senoidal mais ruído de banda estreita 88 1.14 Experiências no computador: canal com desvanccimento uniforme (flat-fading) 89 1.15 Resumo e discussão 94 Notas e referências 96 Problemas 97 lá — Sumário CaríruLo 2 MopuLaçÃão DE ONDA CONTÍNUA 107 2.1 Introdução 107 2.2 Modulação em amplitude 109 2.3 Esquemas de modulação linear 112 2.4 Translação de fregiiência 122 2.5 Multiplexação por divisão de fregiiência 124 2.6 Modulação angular 126 2,7 Modulação em fregiência 128 2.8 Efeitos não-lincares em sistemas FM. 144 2.9 Receptor super-heterodino 147 2.10 Ruído em sistemas de modulação CW 149 2.11 Ruído em receptores lincares que utilizam detecção coerente 151 2.12 Ruído em receptores AM que utilizam detecção de envoltória 154 2.13 Ruído em receptores de FM 162 2.14 Experiências no computador: PLL 177 2.15 Resumo e discussão 182 Notas e referências 186 Problemas 185 * CaríTULO 3 MODULAÇÃO DE PULSO 204 3.1 Imrodução 204 3.2 Processo de amostragem 205 3.3 Modulação por amplitude de pulso 210 3.4 Outras formas de modulação de pulso 213 3,5 Compensação largura de banda-ruído 214 3.6 Processo de quantização 215 3.7 Modulação por codificação de pulso 222 3.8 Considerações sobre ruído em sistemas PCM 230 3.9 Multiplexação por divisão de tempo 232 3.10 Multiplexadores digitais 235 3.11 Vantagens, limitações e modificações do PCM 239 3.12 Modulação delta 240 3.13 Predição lincar 245 3.14 Modulação por codificação diferencial de pulso 249 3.15 Modulação por codificação diferencial de pulso adaptativa 251 3.16 Experiência no computados: modulação delta adaptativa 253 3.17 Padrão de codificação de áulio MPEG 254 3.18 Resumo c discussão 258 Notas e referências 260 Problemas 261 16 Sumário 6.10 Comparação de esquemas de modulação digital com a utilização de uma única portadora 444 6.11 Modems de banda de voz 447 6.12 Modulação multicanal 457 6.13 Multitom discreto 467 6.14 Sincronização 475 6.15 Experiências no computador: recuperação de portadora e de temporização de símbolos 486 6.16 Resumo e discussão 490 Notas e referências 492 Problemas 468 Caríruto 7 MODULAÇÃO POR ESPALHAMENTO ESPECTRAL 506 7.1 Introdução 506 7.2 Segiiências de pseudo-ruído 507 7.3 Uma noção de espalhamento espectral 514 7.4 Espalhamento espectral por segiiência direta com chaveamento de fase binária coerente 517 5 Dimensionalidade do espaço de sinal e ganho de processamento 520 6 Probabilidade deerro 524 7 Espalhamento espectral por salto de fregiiência 526 a fat) 7.8 Experiências no computador: código de comprimento máximo e código Gold 7.9 Resumo é discussão 533 Notas e referências 535 Problemas 535 CAPÍTULO 8 COMUNICAÇÕES VIA RÁDIO MULTIUSUÁRIO 538 8.1 Introdução 538 8.2 Técnicas de múltiplo acesso 539 8.3 Comunicações via satélite 540 8.4 Análise de fnks de rádio 543 8.5 Comunicações sem-fio 556 8.6 Caracterização estatísticas de canais com multipercurso 562 8.7 Sinalização binária através de um canal com desvanecimento de Rayteigh 568 8.8 Sistemas de comunicação sem-fio TDMA e CDMA — 574 8.9 Codificação da fonte de voz para comunicações sem-fio 577 8.10 Arranjos adaptativos de antenas para comunicações sem-fio 553 8.11 Resumo c discussão 586 Notas e referências 587 Problemas 589 Sumário 17 CaríruLO 9 LIMITES FUNDAMENTAIS DA TEORIA DA INFORMAÇÃO 595 9.1 Introdução 595 9.2 Incerteza, informação c entropia 596 9.3 Teorema da codificação de fonte G02 9.4 Compactação de dados 603 9.5 Canais discretos sem memória GIO 9.6 Informação mútua 612 9.7 Capacidade de canal 616 9.8 Teorema da codificação de canal 617 9.9 Entropia diferencial e informação múrua para grupos contínuos 622 9.10 Teorema da capacidade de informação "625 9.11 Implicações do teorema da capacidade de informação 629 9.12 Capacidade de informação de um canal de ruído colorido 635 9.13 Teoria da distorção de taxa 640 9.14 Compressão de dados 643 9.15 Resumo e discussão 645 Notas e referências 646 Problemas 647 CaríruLO 10 CODIFICAÇÃO PARA CONTROLE DE ERROS 655 10.1 Introdução 655 10.2 Canais discretos sem memória 658 10.3 Códigos de bloco lineares 660 10.4 Códigos cíclicos 670 10.5 Códigos convolucionais 683 10.6 Decodificação de probabilidade máxima de códigos convolucionais 689 10.7 Modulação codificada em treliça 697 10.8 Códigos turbo 702 10.9 Experiência no computador: decodificação turbo 711 10.10 Códigos de verificação de paridade de baixa densidade 712 10.11 Códigos irregulares 720 10,12 Resumo e discussão 721 Notas e referências 722 Problemas 724 us | FUNDAMENTOS | E VISÃO GERAL O material de Fundamentos e Visão Geral apresentado aqui prepara o cenário para um tratamen- to estatístico dos sistemas de comunicação nos capítulos subsequentes. Em especial, descrevemos o seguinte: > O processo de comunicação. > Ok principais recursos de comunicação, a saber, a potência transmitida e a largura de banda de ca- nal. > As fontes de informação, Y Os dois tipos principais de comutação: de circuitos e de pacotes. Y Os canais de comunicação para transporte de sinais portadores de informação do transmissor para o receptor. O processo de modulação, que é fundamental para os sistemas de comunicação. Os tipos de sistemas de comunicação analógica e digital, O teorema de Shannon da capacidade de informação. VY vv Y Um problema de comunicação digital. Como uma fonte de motivação ao leitor, o capítulo se encerta com algumas notas históricas. ai 1. O processo de comunicação Atualmente, a comunicação entra em nossa vida cotidiana de tantas formas diferentes que é muito fácil a di- versicade de suas aplicações passar despercebida, Os telefones em nossas mãos, os rádios e televisores em nos- sas salas, os terminais de computador com acesso à Internet em nossos escritórios e lares-e nossos jornais são capazes de fornecer comunicações rápidas de qualquer parte do mundo. A comunicação fornece a orientação para navios em alto mar, aeronaves em vôo c foguetes e satélites no espaço. À comunicação por meio de um telefone sem-fio mantém um motorista de automóvel em contato com seu escritório ou lar a quilômetros de distância. À comunicação mantém um serviço de previsão do tempo informado por diversos sensores remo- tos. Realmente, a lista de aplicações que envolvem a utilização de comunicações é quase infinita. No sentido fundamental, a comunicação envolve implicitamente a 2nformação transmitida de um pon- to a outro por uma sucessão de processos, como é descrito a seguir: 1. À geração de um sinal de mensagen: voz, música, imagem ou dados de computador. 20 — SisTEMAS DE COMUNICAÇÃO 2. A descrição desse sinal de mensagem com alguma precisão, por meio de um conjunto de símbolos elétri- cos, auditivos ou visuais. 3. A codificação des 4. À transmissão dos símbolos codificados até o destino desejado. s símbolos em uma forma apropriada à transmissão por um meio físico de interesse, 5. A decodificação e reprodução dos simbolos originais. A recriação do sinal de mensagem original, com uma degradação de qualidade definível, a qual é provo- cada por imperfeições no sistema. Há, evidentemente, muitas outras formas de comunicação que não envolve diretamente a mente huma- na em tempo real. Por exemplo, em zma vede de computadores, que envolve comunicações entre dois ou mais computadores, as decisões humanas podem entrar somente na definição dos programas e dos comandos pa- ra o computador ou na monitoração dos resultados. Independentemente do processo de comunicação que esriver sendo analisado, há três elementos básicos em cada sistema de comunicação: transmissor, canal é receptor, como descreve a Figura 1. O transmissor está localizado em um ponto do espaço, o receptor, em algum outro ponto do espaço, separado do transmissor, e o canal é o meio físico que os liga. O propósito do transmissor é converter o sinal de mensagem produzido pe- la fonte de informação em uma forma adequada à transmissão por um canal. Entretanto, à medida que o sinal transmitido se propaga ao longo do canal, ele é distorcido devido à imperfeições do canal. Além do mais, ruí- do e sinais interferentes (que se otiginam de outras fontes ) são acrescentados à saída do canal, resultando no sinal recebido, que é uma versão corrompida do sinal transmitido. O receptor tem a tarefa de operar sobre o si- nal recebido a fim de reconstruir uma forma reconhecível do sinal original para o usuário. Há dois modos básicos de transmissão: 1. Radiodifusão (broadeasting), que envolve a utilização de um único transmissor potente e de nume- rosos receptores cujos custos de construção são relativamente baixos. Aqui, os sinais que portam in- formações fluem somente em uma direção. 2. Comunicação ponto a ponto, em que o processo de comunicação se desenvolve através de um fink* entre um único transmissor e um receptor. Nesse caso, geralmente há um fluxo bidirecional de si- nais portadores de informação, o qual requer a utilização de um transmissor e um receptor em ca- da extremidade do [ixt. O modo radiodifusão de comunicação é exemplificado pelo rádio c pela televisão, e o onipresente tele- fone constitui o meio para uma forma de comunica ção ponto a ponto. Outro exemplo de comunicação pon- to a ponto é o link entre uma estação na Terra e um robô que explora a superfície de um planeta distante. Sistema de Comunicação 1 | ! Istária Transmissor Recepror o) juiuário da Estimativa | Es J is de | mensagem | Fonte de inform: Sinal de mensagem I 1 Canal Sinal Sinal recebido | I T I I | ] I | I | Il Figura 1 Elementos de um sistema de comunicação. *N. de R.T. Lixk também poderia ser traduzido como “enlace” 22 SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO (ix Produção. Uma mensagem pretendida na mente do orador é representada por um sinal de fala que consiste em sons (i.c., ondas de pressão) geradas na região vocal e cuja disposição é regida pelas re- gras de linguagem. » Propagação. As ondas sonoras se propagam através do ar a uma velocidade de 300 m/s, chegando aos ouvides do ouvinte. Percepção. Os sons que chegam são decifrados pelo ouvinte em uma mensagem recebida, completan- do assim a cadeia de eventos que culminam na transferência de informação do orador para o ouvinte. O processo de produção da fala pode ser visto como uma forma de filtragem, na qual uma fonte sonora excita um filevo de trato vocal. O trato vocal consiste em um tubo de seção não-uniforme que se inicia na glote (i.e., a abertura entre as cordas vocais) e que se encerra nos lábios. À medida que o som se propaga ao longo do trato vocal, o espectro (i.e., o conteúdo de fregiiência) é modelado pela seletividade de fre- quência do trato vocal; esse efeito é similar ao efeito de ressonância observado nos tubos de um órgão. O ponto importante a ser observado aqui é que o espectro de potência (i.e., a distribuição da potência média ao longo da frequência) da fala se aproxima de zero para uma fregiiência zero e atinge um pico nas proximidades de algumas centenas de hertz. Para colocarmos as coisas em uma perspectiva apropria- da, entretanto, temos que considerar que o mecanismo de audição é muito sensível à freqiiência. Além disso, o tipo de sistema de comunicação que está em consideração tem uma importante participação na banda de frequências consideradas “essenciais” para o processo de comunicação. Por exemplo, como mencionamos anteriormente, uma largura de banda de 300 a 3.100 Hz é considerada adequada para co- municações telefônicas comerciais. ) A segunda fonte de informação, a música, origina-se de instrumentos como o piano, o viclino e a flau- ta. À nota produzida por um instrumento musical pode perdurar por um breve intervalo de tempo, co- mo quando se pressiona a tecla de um piano, ou pode se manter por um intervalo longo, como no exemplo de um flautista que executa uma nota prolongada. Geralmente, a música tem duas estrutur: uma estrutura melódica, que consiste em uma segiiência de sons ao longo do tempo, e uma estrutura harmônica, que consiste em um conjunto de sons simultâneos. Assim como um sinal de fala, um sinal musical é bipolar. Entretanto, um sinal musical difere de um sinal de fala porque seu espectro ocupa uma banda de frequência muito mais ampla que pode se estender até cerca de 15 kHz. Consegiiente- mente, os sinais musicais demandam uma largura de banda do canal muito mais ampla do que os sinais de fala para sua transmissão. i) À terceira fonte de informação, imagens, depende do sistema visual humano para sua percepção. À ima- gem pode ser dinâmica, como na televisão, ou estética, como em um fax. Tomando o caso da televisão, as imagens em movimento são convertidas em sinais elétricos para facilitar seu transporte do transmis- sor para o receptor. Para fazê-lo, cada imagem completa é explorada sequencialmente. O processo de var- redura é executado em uma câmera de TV. Em uma TV em preto e branco, a câmera contém componentes ópticos projetados para focalizar uma imagem em um fotocátodo, que consiste em um grande número de elementos fotossensíveis. O padrão de carga gerado na superfície fotossensível é var- rido por um feixe de elétrons, produzindo, assim, uma corrente de saída que varia temporalmente, de acor- do com a maneira em que o brilho da imagem original varia espacialmente de um ponto a outro. À corrente de saída resultante se chama sinal de vídeo. O tipo de varredura utilizado na televisão é uma for- ma de amostragem espacial chamada varredura linear, a qual converte a intensidade de uma imagem bi- dimensional em uma forma de onda unidimensional; em parte, é análoga ao modo como lemos um papel impresso, no sentido de que a varredura é executada da esquerda para a direita, linha a linha. Nos televisores analógicos norte-americanos, uma imagem é dividida em 525 linhas, as quais constituem um quadro (frame). Cada quadro é decomposto em dois campos entrelaçados, cada um dos quais consiste em 262,5 linhas. Para facilitar a apresentação, referimo-nos aos dois campos como 1 e II. O procedimento de varredura é ilustrado na Figura 2. As linhas do campo I são representadas como linhas sólidas e as do campo IL, como linhas tracejadas. O início e o fim de cada campo também estão incluídos na figura. O campo é explorado primeiro. O ponto de exploração da câmara de TV se move com velocidade cons- FUNDAMENTOS E Visão GERAL 23 Início do campo 1 |, Início do campo IT s E Fim do campo 1 Fim do campo II Figura 2 Varredura linear entrelaçada. | | | É | tante ao longo de cada linha do campo, da esquerda para a direita, c a intensidade da imagem no centro | do ponto é medida; o próprio ponto de exploração é parcialmente responsável pela obtenção da média | espacial local da imagem. Quando o fim de uma linha é atingido, o ponto de exploração retorna rapi- | damente (em uma direção horizontal) ao início da linha seguinte do campo. Esse retorno é chamado ve- traço horizontal. O processo de varredura aqui descrito prossegue até que o campo inteiro tenha sido | completado. Quando essa condição é alcançada, o ponto de exploração rapidamente se move (em uma ] direção vertical) do fim do campo 1 até o início do campo II. Essc segundo retorno é chamado reiraço vertical, O campo II é tratado da mesma maneira que o campo 1. O tempo necessário para que cada campo seja explorado é 1/60 s. Assim, o tempo necessário para que um quadro ou imagem completa se- | ja explorada é 1/30 s. Com 525 linhas em um quadro, a fiegilência de varvedusa de linhas é igual à 15,75 kHz. Dessa forma, ao cintilar 30 imagens por segundo no tubo do monitor do receptor de TV, o olho humano os percebe como imagens em movimento. Esse cfcito se deve a um fenômeno conhecido como persistência da visão, Durante os intervalos de retraço horizontal e vertical, o tubo de imagens se torna É inoperante por meio de puísos em apagamento que são gerados no transmissor. Além disso, a sincroniza- ção entre as várias operações de varredura tanto no transmissor como no receptor é executada por meio de pulsos especiais transmitidos durante os intervalos de apagamento; dessa forma, durante os pulsos de sincronização, não há imagem reproduzida. A qualidade de reprodução de uma imagem de TV é limi- tada por dois fatores básicos: 1, O número de linhas disponíveis em uma varredura linear, que limita a resolução da imagem na di- | reção vertical. 2. A largura de banda de canal disponível para transmitir o sinal de vídeo, que limita a resolução da É imagem na direção horizontal. | Para cada direção, a resolução é expressa em termos do número máximo de linhas que se alternam entre preto e branco que podem ser percebidas na imagem de'TV ao longo da direção pertinente por um ob- servador humano. No sistema NT'SC (National Television System Committee), que é o padrão norte- | americano, a largura de banda do vídeo é de 4,2 MHz e se estende até a fregiiência zero. Essa largura de banda é muito mais ampla do que um sinal de fala. Observe também que, enquanto um sinal de fala é bipolar, um sinal de vídeo (televisão) é inerentemente positivo (i.e. unipolar). Na TV em cores, a percepção da cor bascia-se nos três tipos de receptores de cor no olho humano: vermelho, amarelo e azul, cujos comprimentos de onda são 570 nm, 535 nm e 445 nm, respectivamen- te. Essas três cores são denominadas cares primárias, porque qualquer outra cot encontrada na natureza pode ser aproximada por meio de uma mistura aditiva delas. Essa realidade física é, de fato, a base para 
