Diferentes tipos de geradores e suas aplicações

Este artigo, aborda os tipos de geradores de sinais mais comuns encontrados no mercado, suas principais características e algumas aplicações práticas.

Fabrício Gonçalves Torres, pesquisador do IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo

Geradores de sinais são equipamentos amplamente utilizados e possuem uma quantidade enorme de aplicações. É um equipamento indispensável para quem atua com telecomunicações, compatibilidade eletromagnética, desenvolvimentos de produtos, ou qualquer outra finalidade que necessite geração de sinais elétricos. Como exemplo, algumas aplicações são detalhadas a seguir.

• Testes em sistemas eletrônicos: permite a geração de sinais precisos e customizáveis, podendo realizar testes em condições que simulam situações reais.
• Telecomunicações: geradores de alta frequência permitem testar sistemas de comunicação, tais como redes móveis e satélites. Por meio de um gerador, é possível, por exemplo, estimar a sensibilidade de receptores, além de avaliar outros parâmetros.
• Áudio e vídeo: geradores podem ser usados para avaliar a resposta em frequência de amplificadores, microfones ou outros dispositivos de áudio ou vídeo.
• Automotivo: por meio da simulação de sinais de sensores automotivos, é possível avaliar dispositivos, tais como sistemas de gerenciamento de motor, por exemplo.

Geradores de sinais são encontrados no mercado com diversos nomes e possuem diferentes especificações técnicas, que devem ser entendidas por técnicos e engenheiros para o seu uso adequado na aplicação em que o gerador será empregado. A quantidade de geradores disponíveis não só se diferencia na frequência, cujas faixas variam a partir de DC até algumas dezenas de GHz, mas também, no seu princípio de funcionamento e na disponibilidade de recursos presentes no equipamento.

Gerador de funções

Um gerador de funções usualmente gera sinais de baixa frequência até algumas dezenas de MHz. Com este equipamento, é possível gerar sinais com algumas formas de onda básicas, que estão gravadas na memória do equipamento, tais como: senoidal, quadrada e triangular. Alguns parâmetros podem ser variados além da frequência (ou período) e da amplitude, como, por exemplo, duty cycle, e offset da forma de onda quadrada, transformando-a em ondas pulsantes.

Gerador de formas de onda arbitrárias

É uma versão melhorada de um gerador de funções, pois, além de poder gerar formas de onda básicas, este equipamento permite a geração de qualquer forma de onda criada pelo usuário. Normalmente, o gerador já possui em sua memória uma grande variedade de formas, além das principais (senoidal, quadrada e triangular).

Com este equipamento, é possível gerar sinais modulados ou pulsos lógicos para testes de alguns circuitos digitais de baixa frequência. Entretanto, suas aplicações continuam limitadas decorrente da faixa de frequência que, usualmente, é inferior a 100 MHz.

Na figura 1, um gerador de formas de onda arbitrárias é usado pelo Laboratório de Metrologia Elétrica do IPT para calibração do intervalo de tempo de um contador universal. Neste caso, a exatidão da frequência é essencial para este serviço.

Gerador de pulsos

Apesar de um gerador de funções ou de formas de onda arbitrárias terem a capacidade de gerar pulsos, eles são limitados na frequência e no tempo de subida.

Para testes em circuitos digitais de alta velocidade e sistemas de telecomunicações, geradores de pulsos são mais adequados por gerarem o pulso com tempo de subida extremamente baixo, ou seja, a mudança de estado do bit é realizada de forma bastante rápida. Para isso, estes geradores devem possuir alta largura de banda (> 1 GHz) para garantir a velocidade necessária, já que este parâmetro influencia significativamente no tempo de subida do sinal gerado (figura 2).

Gerador de radiofrequência (RF)

Para aplicações em que são necessárias frequências mais elevadas, tais como em sistemas de comunicação sem fio, um gerador de RF é recomendado. Estes geradores permitem a geração de sinais de radiofrequência e micro-ondas.

A faixa de frequência é um parâmetro importante que altera significativamente o custo deste equipamento. Portanto, é necessário que o usuário avalie a frequência necessária antes da aquisição de um gerador de RF.

Além da frequência, a faixa de amplitude também é um parâmetro que pode variar significativamente entre marcas e modelos de geradores de RF. Alguns fabricantes, por exemplo, por meio de opcionais, possibilitam a geração de sinais com amplitude abaixo de -140 dBm e acima de +20 dBm.

Geralmente, o gerador de RF possui opcionais para geração de sinais modulados analogicamente (AM, FM e PM).

Gerador de sinal vetorial

Um gerador de sinal vetorial é um gerador de RF que, além da geração de modulação analógica, permite a geração de sinais modulados digitalmente, tais como QAM, QPSK, FSK e BPSK.

Por meio das modulações digitais, é possível transformar este equipamento em um simulador para testes em diversas tecnologias, tais como:

• simulador GNSS, que possibilita a simulação de uma constelação de satélites (GPS, Glonass, Galileo, entre outros).
• simulador de WiFi, Bluetooth, ou qualquer outra tecnologia de comunicação sem fio, presentes nas 3ª, 4ª ou 5ª gerações de comunicação móvel (3G, 4G ou 5G).
• simulador de TV digital (DVB-T, por exemplo).
• simulador de IoT (802.15, ZigBee).

Na figura 3, a seguir, verifica-se a aplicação de um gerador de sinal vetorial para calibrações estáticas, que avalia a exatidão de posicionamento de receptores de GPS; e dinâmicas, que consiste na calibração em velocidade e/ou aceleração, que são parâmetros essenciais para o uso desses equipamentos em pistas de teste, por exemplo.

Confiabilidade metrológica de geradores de sinais

Os geradores de sinais, quando utilizados em processos que afetam significativamente o resultado de um serviço ou produto, devem ser calibrados em laboratórios que possuem a capacitação necessária para a garantia da confiabilidade metrológica desses equipamentos.

Alguns dos parâmetros que necessitam de atenção no uso de geradores são: exatidão em frequência; exatidão em nível; resposta em frequência; linearidade; distorção harmônica; entre outros. Usualmente, as características do gerador são encontradas nos manuais do fabricante ou em datasheets, e devem ser asseguradas periodicamente através das calibrações.

Fabrício Gonçalves Torres é físico, mestre em Processos Industriais e responsável pela área de Alta Frequência e Telecomunicações do Laboratório de Metrologia Elétrica do IPT. Possui mais de 18 anos de experiência em metrologia e realiza auditorias, consultorias e treinamentos na área de qualidade, metrologia e instrumentação.
fabrigt@ipt.br; www.linkedin.com/in/fabriciogt

Aspectos metrológicos nos sistemas de comunicação óptica

Este artigo apresenta um panorama geral do sistema de telecomunicações por fibra óptica em uma perspectiva dos cuidados metrológicos envolvidos em sua operação.

Antônio Francisco Gentil Ferreira Junior e Fabrício Gonçalves Torres, pesquisadores do IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo

Apesar da comunicação sem fio ser popular entre os consumidores finais para o acesso à Internet, a banda larga fixa ainda segue crescendo no Brasil. Em julho de 2023, o número de acessos à banda aumentou mais de 5%, comparado ao mesmo período do ano anterior, alcançando o número de 46,6 milhões.

A maior parcela dos acessos à banda larga fixa é decorrente do uso de fibras ópticas, garantindo o primeiro lugar entre todas as tecnologias disponíveis com uma boa folga, já que ela representa 72,7 % dos acessos à rede, conforme demonstrada na figura 1.

Ainda hoje, a fibra óptica continua sendo a tecnologia mais utilizada para o tráfego de informações devido às suas vantagens sobre outros métodos de transmissão, tais como:

• Longo alcance, sem necessidade de repetição (> 200 km).
• Perturbações eletromagnéticas não prejudicam a integridade do sinal óptico.
• A fibra óptica é mais leve e menor que cabos coaxiais, além de serem bastante flexíveis.
• O tempo de vida de uma fibra óptica pode durar mais que 25 anos.
• Termicamente, a fibra é bastante robusta, podendo ser utilizada em uma faixa ampla de temperatura (-40ºC a +80ºC).
• Sistemas ópticos fornecem maior capacidade de transmissão, podendo chegar a taxas acima de 25 terabits por segundo.

Para a implementação adequada de um sistema de comunicação via fibra óptica há uma série de padrões e recomendações que devem ser seguidas, tais como a IEC – International Electrotechnical Comission e a ITU -International Telecommunication Union.

A IEC é uma organização internacional que publica padrões para diversas tecnologias relacionadas às áreas de eletricidade e eletrônica, que, usualmente, servem como base para a padronização de diversos países. Dentro da IEC há diversos comitês que produzem documentos técnicos relacionados às fibras e cabos ópticos e componentes ativos e passivos utilizados em sistemas de comunicação ópticas.

A ITU também é uma organização internacional e é composta por três setores: ITU-R – Radiocommunication Sector, ITU-T – Telecommunication Standardization Sector e ITU-D – Telecommunication Development Sector. Ela tem como objetivo definir linhas gerais, características técnicas e especificações de sistemas de telecomunicações, redes e serviços, inclusive medidas e testes de desempenho de fibras ópticas.

No Brasil, os sistemas de fibra óptica e seus dispositivos devem ser homologados pela Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel) que, de forma geral, utiliza os padrões da IEC e ITU como referência para os ensaios necessários no processo da homologação.

Instrumentos de medição óptica

Em todo o processo que abrange desde a homologação de produtos, implementação e garantia do desempenho de um sistema óptico, os instrumentos de medição e testadores ópticos são necessários. Alguns dos instrumentos mais utilizados são:

• Medidores de potência óptica. Estes instrumentos são os mais comuns em diversos tipos de teste. Sua principal função é medir a potência incidente diretamente de transmissores ou após a transmissão pela fibra óptica do sistema. Estes medidores podem se diferenciar de acordo com o tipo de detector, permitindo melhor exatidão para comprimentos de onda específicos, e de acordo com linearidade, podendo variar entre +30 dBm e -70 dBm.
• Fontes de luz de referência. Estas fontes de luz fornecem uma potência estável no comprimento de onda a ser testado. Usualmente, elas são utilizadas em conjunto com medidores de potência óptica para medidas de atenuação.
• Atenuadores de referência. Este equipamento fornece um valor fixo ou variável de atenuação com a intenção de reduzir a potência óptica de forma estável e controlada. Um atenuador óptico é ideal para testes de sensibilidade.
• Medidores de perda de retorno óptico. A perda de retorno é um parâmetro que determina a qualidade de um sistema de fibra óptica. Valores altos de perda de retorno significam perda de eficiência no sistema. O método mais comum para essas medidas é o OTDR – Optical Time Domain Reflectometer.
• Medidores de comprimento de onda. Em sistemas ópticos tais como o DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing, a exatidão do comprimento de onda transmitido na fibra deve ser bastante alta e, portanto, há enorme importância na medida dessa grandeza. Usualmente, utiliza-se analisadores de espectro óptico ou medidores de comprimento de onda baseados no interferômetro de Michelson, possibilitando medidas com incerteza inferior a 1 parte por milhão (ppm).

Devido à criticidade das medidas de potência óptica e do comprimento de onda para os testes dos sistemas de comunicação óptica, a confiabilidade metrológica dessas medidas deve ser assegurada.

Rastreabilidade metrológica em medidas ópticas

A rastreabilidade primária de potência óptica realizada principalmente nos IMN  – Institutos de Metrologia de Nacionais é assegura utilizado um radiômetro criogênico. O radiômetro criogênico pode ser considerado uma espécie de calorímetro com uma série de cuidados metrológicos adicionais. A figura 2 apresenta os aspectos construtivos do radiômetro criogênico desenvolvido pelo NIST, IMN dos EUA. O radiômetro é construído em uma série de câmaras de térmicas permitindo que na cavidade que envolve o receptor óptico esteja a uma temperatura estável e muito baixa de aproximadamente 5 K. A radiação óptica vem de um LASER estabilizado que atravessa as janelas ópticas do radiômetro e atingido a cavidade do radiômetro, promove a elevação de temperatura. A cavidade óptica possui um filme resistivo que dissipa uma potência elétrica para promover a mesma elevação de temperatura e assim determinar a potência óptica da radiação. Tanto a potência elétrica dissipada e o sistema de comparação de temperatura são controlados por uma eletrônica de precisão. Este processo de comparação a potência óptica pode ser medida com uma incerteza de 0.018% (LIVIGNI, 2003).

Outra grandeza fundamental para a rastreabilidade dentro da área de comunicações ópticas é o comprimento de onda da radiação. A rastreabilidade desta grandeza é realizada com o uso de células de absorção, que são células que possuem materiais gasosos como cianeto de hidrogênio e acetileno que promovem a absorção espectral. Estes materiais têm raias de absorção espectral na faixa espectral de telecomunicações que possuem incertezas ± 0.0006 nm (GILBERT, 2001) a figura 3 apresenta as raias de absorção características de padrão. Outras tecnologias com o pente de frequências se apresentam como alternativas para rastreabilidade do comprimento de onda, porém os custos são mais elevados na atual maturidade desta tecnologia (NEWBURY, 2008).

Referências

GILBERT, Sarah L.; SWANN, William C. ‘Acetylene 12C2H2 absorption reference for 1510 nm to 1540 nm wavelength calibration—SRM 2517a. NIST Special Publication, v. 260, n. 133, 2001.

LIVIGNI, David J. High accuracy laser power and energy meter calibration service. NIST Special Publication, v. 250, p. 62, 2003.

NEWBURY, Nathan R. et al. Fiber lasers for frequency standards in optical communications. In: Optical Fiber Communication Conference. Optica Publishing Group, 2008. p. OThF3.

Antônio Francisco Gentil Ferreira Junior possui graduação em Bacharelado em Física – Habilitação em Física Aplicada e Instrumentação pelo Instituto de Física USP (1998), graduação em Licenciatura em Física pela USP (2003), mestrado em Engenharia Mecânica pela POLI USP (2003) e doutorado em Engenharia Elétrica pela POLI USP (2022). Participou de treinamento em fotometria e radiometria no NIST-EUA e aplicações laser na Universidade de Ancona-Itália. Atua como pesquisador do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo a mais de 25 anos, coordenando projetos de desenvolvimento de equipamentos médicos, sistemas de medição na área elétrica e óptica. Desde 2019, atua também como o gerente do Laboratório de Usos Finais e Gestão em Energia do IPT. E-mail: agentil@ipt.br.

Fabrício Gonçalves Torres é físico, mestre em Processos Industriais e responsável pela área de Alta Frequência e Telecomunicações do Laboratório de Metrologia Elétrica do IPT. Possui mais de 17 anos de experiência em metrologia e realiza auditorias, consultorias e treinamentos na área de qualidade, metrologia e instrumentação. E-mail: fabrigt@ipt.br. www.linkedin.com/in/fabriciogt.

Boas práticas no uso de cabos, conectores e adaptadores de alta frequência em telecomunicações

Em telecomunicações, cabos, conectores e adaptadores desempenham um papel crucial para o funcionamento eficiente das redes, inclusive em tecnologias sem fio como o 5G. A escolha e o uso adequado do tipo de conexão também são vitais para a integridade dos dispositivos e para a garantia da qualidade do sinal conduzido pela linha de transmissão. A calibração da atenuação desses componentes é recomendável para assegurar o desempenho e a integridade dos sistemas de telecomunicações e radiofrequência.

Fabrício Gonçalves Torres, pesquisador do IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo

Em telecomunicações, cabos, conectores e adaptadores desempenham um papel importante no bom funcionamento da rede. Mesmo nos sistemas de comunicação sem fio, como no 5G, estes dispositivos continuam sendo essenciais para o tráfego conduzido entre antenas e geradores, bem como entre antenas e receptores, e estão longe de se tornarem obsoletos.

Em sistemas elétricos de baixa frequência, como os de 60 Hz, ou mesmo DC, e em distâncias curtas, para garantir uma boa conexão, normalmente, leva-se em consideração apenas a qualidade do material condutor e o diâmetro da bitola, o qual deve ser adequado ao nível de corrente elétrica que o condutor precisa suportar. Entretanto, em sistemas de telecomunicações, onde os sinais conduzidos são de alta frequência, o modelo teórico usado para sistemas elétricos não é mais apropriado. Nestes casos, é necessário considerar a aplicação do modelo de linha de transmissão mais adequada.

Quando o comprimento da linha de transmissão é maior que o comprimento de onda da frequência do sinal que ela propaga, a linha pode exibir comportamento ressonante ou reativo. Isso é resultado da sua impedância característica, que é determinada pelos componentes indutivos, capacitivos e resistivos da linha. É recomendável que as impedâncias de todos os dispositivos, incluindo transmissores, receptores e antenas, estejam devidamente casadas com a impedância característica da linha de transmissão. Caso contrário, ondas estacionárias se propagarão pela linha, prejudicando a eficiência do sistema, devido ao aumento da atenuação do sinal.

Para garantir o adequado casamento de impedâncias, o tipo de conexão pode influenciar significativamente, variando de acordo com a aplicação e, principalmente, com a faixa de frequência de trabalho. Alguns dos principais conectores utilizados são:

• BNC (Bayonet Navy Connector): tem grande uso em aplicações de vídeo e radiofrequência, com frequências até 2 GHz. O conector é construído em diversas impedâncias características, porém, as mais comuns são 50 Ω e 75 Ω (figura 1).

• Tipo N (Navy): é designado para frequências de até 18 GHz. As impedâncias características mais comuns também são 50 Ω e 75 Ω, porém, o pino central possui diâmetro diferente. O pino central do conector de 75 Ω é menor que o de 50 Ω (figura 2).

• SMA (subminiature A): é um dos conectores mais usados em RF e micro-ondas. Muitos conectores SMA têm alto coeficiente de reflexão ou VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), comparados a outros tipos de conectores, como, por exemplo, o 3,5 mm (figura 3).

• 3,5 mm: foi desenvolvido de forma que pudesse se conectar mecanicamente com o popular SMA, permitindo diversas de conexões sem alteração significativa de suas características. Normalmente, possibilita chegar em frequências até 26,5 GHz (figura 4).

• 2,4 mm: foi desenvolvido para trabalhar em frequências até 50 GHz. Este conector possibilita casar com o SMA ou 3,5 mm, utilizando-se adaptadores de alta precisão (Figura 5).

Cuidados gerais com conectores e adaptadores

Os passos a seguir são recomendações valiosas para que se possa manter a integridade dos dispositivos de telecomunicações ou radiofrequência. A utilização inadequada de conectores ou adaptadores pode resultar não apenas em perdas significativas na qualidade do sinal, mas também em danos físicos à entrada ou saída dos dispositivos.

• Antes de realizar uma conexão, faça uma inspeção visual para identificar possíveis sujeiras ou ranhuras (figura 6). Se necessário, limpe os conectores e adaptadores adequadamente. Uma conexão realizada com conectores sujos ou danificados pode interferir integridade do sinal e, inclusive, danificá-los. Ao identificar um conector danificado, não o utilize até a sua substituição.

• Não use produtos abrasivos para a limpeza. A limpeza deve ser realizada somente com álcool isopropílico. Mantenha os conectores e adaptadores armazenados com os plásticos de proteção.
• Na limpeza, se possível, utilize um compressor de ar, que possua filtros para saída de ar limpo (sem partículas e óleo). O bico do compressor deverá ser aterrado para evitar risco de eletricidade estática, e a pressão do ar deverá ser, no máximo, de 414 kPa (60 psi). O compressor de ar auxiliará na retirada de partículas localizadas dentro dos conectores e adaptadores. Não utilize o compressor, caso não seja possível avaliar a qualidade do ar lançado por ele. Na maioria dos casos, a limpeza com bastonetes de algodão é suficiente.
• Na conexão, alinhe os conectores cuidadosamente. Conexões desalinhadas podem danificar o pino central dos conectores. Inicialmente, realize as conexões de forma suave, girando somente a rosca do conector e, quando apropriado, use uma chave de torque (figura 7) para finalizar a conexão (tabela I).

Tab. I – Especificação da chave de torque para diferente tipo de conector

• Evite tocar no pino central dos conectores. Se o contato for necessário, tome as devidas precauções com relação a eletricidade estática e certifique-se de que os equipamentos envolvidos estejam desenergizados. Evite também segurar os conectores e adaptadores desnecessariamente durante uma medição. Os dedos agem como fonte de calor e podem aumentar a temperatura do dispositivo e, consequentemente, afetar suas características elétricas.

Além dessas recomendações, é de boa praxe que cabos, conectores e adaptadores estejam calibrados no que diz respeito ao nível de atenuação. Embora visualmente adequados, em alguns casos (decorrentes da qualidade do material, precisão na usinagem da peça, ou pelo uso prolongado, por exemplo), há risco de que um conector ou adaptador esteja influenciando significativamente e prejudicando a qualidade do sinal conduzido pela linha de transmissão.

Fabrício Gonçalves Torres é físico, mestre em Processos Industriais e responsável pela área de Alta Frequência e Telecomunicações do Laboratório de Metrologia Elétrica do IPT. Possui mais de 17 anos de experiência em metrologia e realiza auditorias, consultorias e treinamentos na área de qualidade, metrologia e instrumentação.
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Veículos autônomos: Impactos para a sociedade

Os veículos autônomos representam o futuro da mobilidade, com tecnologias avançadas de hardware e software que permitem sua condução sem intervenção humana. O ADAS é um precursor dessa tecnologia, mostrando uma evolução gradual até a autonomia completa. A SAE definiu seis níveis de automação, sendo o nível 0 de menor autonomia, com apenas alguns avisos ao condutor, e o nível 5 totalmente autônomo. Os veículos de passeio atuais, como os da Tesla, são considerados apenas nível 2. Tecnologias avançadas são fundamentais para o desenvolvimento, como IA e 5G. Os impactos sociais dos veículos autônomos incluem maior segurança viária, menos congestionamentos, menor tempo de deslocamento, benefícios ambientais e mais eficiência no compartilhamento de veículos. Porém, mudanças legislativas são necessárias para definir responsabilidades em acidentes, entre outras questões legais, e, principalmente, no Brasil, o investimento em PD&I.

Douglas Bellomo Cavalcante; Matheus Jacon Pereira; Leandro Avanço; e Fabrício Gonçalves Torres, pesquisadores do IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo

Os veículos autônomos são o futuro da mobilidade e estão no radar da Indústria e da Academia. São veículos que dispõe de tecnologias de hardware e software que permitem sua condução autônoma, de maneira a, idealmente, não precisar de intervenção humana. O ADAS – Advanced Driver-Assistance System compõe um conjunto de tecnologias que são suas precursoras, demonstrando que há uma evolução gradativa até que os veículos totalmente autônomos sejam realidade. Dessa forma, a SAE – Sociedade de Engenheiros Automotivos estabeleceu seis níveis de automação para direção, sendo que o nível 0 (zero) dispõe apenas de avisos para auxílio à condução e o nível 5 (cinco) não depende de intervenção humana, conforme apresentado na tabela abaixo.

Tab. I – Níveis de autonomia veicular – Classificação SAE

Fonte: Norma SAE J3016

Alguns veículos atuais, como os da Tesla, ainda que pareçam autônomos são considerados nível 2 na classificação SAE. Quanto à arquitetura, os veículos autônomos podem ser analisados sob duas ópticas: do ponto de vista técnico, duas camadas (hardware e software) são responsáveis pela realização da automação, sendo que na primeira camada estão o sensoriamento, a atuação, a comunicação e o processamento, e na segunda camada, o sistema operacional de tempo real e os algoritmos, em geral, de IA – inteligência artificial; e do ponto de vista funcional, a camada de percepção é responsável por perceber o ambiente ao redor do veículo, a de planejamento e decisão por definir o melhor caminho (local ou global) e a camada de  controle, por estabelecer as diretrizes dos atuadores (acelerador, freio, marcha e direção).

Os sensores (camada de percepção) são dispositivos fundamentais dos veículos autônomos, trabalhando de maneira conjunta para compensar as limitações físicas inerentes em cada um. A camada de planejamento é responsável por definir a rota global do veículo, bem como as ações locais para desvio de obstáculos e ajuste de velocidade. A camada de controle utiliza de técnicas como PID – Proportional–Integral–Derivative Controller e lógica fuzzy para definir os valores de atuação para os atuadores.  A figura abaixo apresenta a arquitetura em camadas dos veículos autônomos.

Outros conceitos também estão sendo estudados, como uso de IA de ponta a ponta, além de serem desenvolvidos hardwares dedicados para veículos autônomos. A tecnologia 5G será fundamental para essa evolução tecnológica por meio da comunicação V2X, devido à sua baixa latência, alta confiabilidade e alta mobilidade. Nessa linha, alguns casos já estão sendo estudados e aplicados em Londres, Tailândia e Península Ibérica, incluindo estudos de coordenação de tráfego e atualização de mapas em alta definição.

Toda essa revolução tecnológica dependerá de alterações na legislação, principalmente voltadas à definição de responsabilidades em casos de acidentes, sendo que a França está bastante adiantada no tema e o Brasil bastante atrasado. Quanto aos impactos para a sociedade, os veículos autônomos trarão aumento da segurança viária, redução de congestionamentos, redução do tempo de deslocamento, redução de impactos ambientais, melhoria de qualidade de vida dos ocupantes e tornarão o compartilhamento de veículos mais eficiente e confortável.

Embora no Brasil, os projetos de PD&I – pesquisa, desenvolvimento e inovação em veículos autônomos ainda sejam incipientes, há exemplos de aplicações reais que estão focadas em ambientes fechados controlados, tanto na agricultura quanto na indústria, e já existe veículos de níveis SAE 2 e SAE 4 operando. Há exemplos também de institutos de pesquisa que buscam desenvolver a tecnologia alinhada às necessidades do país, tal como ocorre na Unidade de Tecnologias Digitais do IPT, que busca realizar projetos e desenvolvimento de software em plataformas variadas, inclusive dispositivos móveis, com o foco em qualidade, desempenho, segurança, interoperabilidade, facilidade de manutenção, usabilidade e no atendimento às necessidades do usuário. Seus produtos possuem integração com recursos de IoT – Internet das coisas, big data e inteligência artificial. A área também realiza pesquisas, desenvolvimento e testes de soluções inteligentes no domínio dos transportes e logística, que integrem veículos, infraestrutura, usuários, pedestres, centros de gestão, meios de comunicação e sensores.

O desenvolvimento e a disseminação no Brasil de tecnologias que tornem os veículos cada vez mais inteligentes devem estar no escopo de parcerias público-privadas e de medidas estratégicas que possam alavancar novas tecnologias aplicadas aos veículos autônomos e conectados, tornando o transporte cada vez mais inteligente.

Douglas Bellomo Cavalcante é mestre em Automação e Controle de Processos pelo Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo, Especialista em Automação Industrial pela Faculdade SENAI de Tecnologia, graduado em Engenharia Mecatrônica pela Faculdades Integradas de São Paulo – FISP e em Tecnologia em Mecânica de Precisão pela Faculdade de Tecnologia de São Paulo – FATEC-SP. Possui 15 anos de experiência na área de tecnologia, com focos em diagnóstico de problemas, desenvolvimento de software, análise de sistemas, IoT e Indústria 4.0. Atualmente é responsável pela Seção de Engenharia de Software e Transportes Inteligentes do IPT.
dcavalcante@ipt.br

Matheus Jacon Pereira é mestre em Engenharia da Computação – Redes de Computadores pelo IPT e graduado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, UNESP. Possui publicações acadêmicas nas áreas de RFID, Internet das Coisas, Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS), Rede de Computadores e automação. Atuou como professor em cursos de Engenharia de Computação, Engenharia Elétrica e Sistemas de Informação e atualmente é professor no curso de pós-graduação (MTA) em Cibersegurança ministrando disciplinas de Engenharia Reversa e Análise de Malware. Atuou na área de PD em companhias do setor de telecomunicações e é Pesquisador do IPT, trabalhando com pesquisa e desenvolvimento nas áreas de RFID, ITS, Internet das Coisas, Redes de Computadores, Governança e Segurança da Informação. Além de liderar projetos de desenvolvimento para Sistemas operacionais Linux e Android, incluindo requisitos de cibersegurança.
mjacon@ipt.br

Leandro Avanço é mestre em Engenharia da Computação – Redes de Computadores pelo IPT e possui graduação em Engenharia Elétrica – Telecomunicações pela FEI. Possui publicações nas áreas de Cibersegurança, RFID e Internet das Coisas. Atuou com suporte e implantação nas áreas de redes de dados, redes de voz, configuração e administração de servidores em geral, segurança da informação e proteção de perímetro. Atuou como professor em cursos de Engenharia de Computação e Sistemas de Informação e atualmente é professor no curso de pós-graduação em Cibersegurança no IPT, onde, também é Gerente Técnico de P&D da seção de Internet das Coisas e Sistemas Embarcados, trabalhando com pesquisa e desenvolvimento nas áreas de RFID, ITS, Internet das Coisas, Internet, IPv6, 5G e Cibersegurança.
lavanco@ipt.br

Fabrício Gonçalves Torres é físico, mestre em Processos Industriais e responsável pela área de Alta Frequência e Telecomunicações do Laboratório de Metrologia Elétrica do IPT. Possui mais de 17 anos de experiência em metrologia e realiza auditorias, consultorias e treinamentos na área de qualidade, metrologia e instrumentação.
fabrigt@ipt.br
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Referências
VELASCO-HERNANDEZ, G. et al. Autonomous Driving Architectures, Perception and Data Fusion: A Review. In: 2020 IEEE 16th International Conference on Intelligent Computer Communication and Processing (ICCP). Cluj-Napoca, Romania: IEEE, 2020. p. 315–321. ISBN 978-1-72819-080-8. Disponível em: <https://ieeexplore.ieee.org/document/9266268/>.

ZF usa veículos autônomos na fábrica de Sorocaba

Redação, Infra News Telecom

  Como parte de sua estratégia baseada nos princípios de indústria 4.0 e automação, a ZF, empresa global de tecnologia que fornece sistemas para carros de passeio, veículos comerciais e tecnologia industrial, implantou em sua planta de Sorocaba, SP, veículos autônomos (AGV – Automated Guided Vehicle) que suportam o transporte de produtos como transmissões, eixos, além de componentes para manufatura dentro e entre os prédios da unidade de forma completamente autônoma.

  De acordo com Marco Contó, gerente sênior de logística da ZF América do Sul, além dos processos de automação e digitalização, previsões futuras de ampliação da complexidade logística e de toda a operação da companhia na América do Sul para os próximos anos foram os grandes motivadores para a criação e implementação do projeto, que trouxe um aumento de 31,8% de produtividade na movimentação de cargas e redução de 94,6% na variabilidade do tempo de entrega dos materiais.

  “Após uma série de estudos, definimos o escopo e seguimos para a implementação, realizando workshops, simulações via computador e exercícios em que foram consideradas variantes como distâncias, rotas, quantidades de materiais a serem transportados, pontos de paradas, áreas externas, entre outras”, diz Renan Rêgo, gerente de logística da unidade.

  São quatro veículos autônomos que transitam simultaneamente, cada um com até cinco vagões. A capacidade de cada equipamento é de cinco toneladas por viagem. Os veículos guiam-se por meio de um fio indutivo instalado no solo em todo o trajeto.

  Para identificar os obstáculos, sensores foram instalados na parte inferior e superior do equipamento, que capta uma distância de até 10 metros à frente ou lateralmente, com uma abertura de 210 graus. Assim, é possível identificar pessoas, objetos, paredes, entre outras possíveis obstruções. Ao detectar qualquer uma delas em seu caminho, o AGV aciona a emergência, para e emite um alerta sonoro. Um operador especialmente treinado, então, entra em cena e verifica a situação. Para funcionar, mais de 500 sensores (tags) foram instalados no piso,  completando um total de dois quilômetros de percurso.

  Para cada uma das tags há uma definição de velocidade, raio de ação, e tudo o que o veículo deve ou não fazer. Os sensores são determinantes para o êxito do projeto, pois consideram variantes como áreas externas, piso plano, velocidade máxima, curvas, paredes, etc.

  Renan explica que os veículos podem chegar até 14 quilômetros por hora, mas por segurança, estão programados para operar em velocidades reduzidas, de acordo com o trecho e a complexidade oferecida pelo ambiente. O carregamento da bateria do equipamento é realizado em cinco pontos de parada. “Em nenhum momento é preciso interromper a operação, pois sua capacidade de movimentação é de 24 horas por dia.”

5G como facilitador da transformação digital na indústria

O 5G permitirá o desenvolvimento da IoT – Internet das coisas e o uso da IA – inteligência artificial na indústria em larga escala. A infraestrutura de quinta geração abrirá um novo mundo de possibilidades, facilitando a transformação digital no modelo de negócios B2B.

Letice Kubert, diretora comercial de analytics & IoT da Thales na América Latina

  O 5G não é uma extensão linear das quatro gerações anteriores (1G, 2G, 3G e 4G). Pelo contrário, o conjunto de tecnologias subjacentes deste padrão mais recente faz do 5G uma geração revolucionária, que transformará completamente a economia.

  Existem três razões principais para isso acontecer. A primeira é o aumento significativo de capacidade, e não apenas em termos de desempenho teórico, conforme as demonstrações iniciais. O 5G nos levará de forma decisiva à era das velocidades ultrarrápidas, com capacidade de transmissão de dados potencialmente 10 vezes — ou até mesmo 100 vezes — mais rápidas que as das redes 4G.

  Em segundo lugar, está a latência extremamente baixa. O atraso na transmissão de dados na rede 4G fica na ordem de dezenas de milissegundos, enquanto que na rede 5G ele pode ser inferior a um milissegundo, o que se aproxima de uma transmissão praticamente em tempo real. Por último, e não menos importante, é a sua extensa cobertura, que proporcionará uma conectividade onipresente e suporte de altas densidades de conexão, com até 1 milhão de dispositivos por quilômetro quadrado conectados simultaneamente.

  O aumento da conectividade permitirá o desenvolvimento da IoT – Internet das coisas e o uso da IA – inteligência artificial na indústria em larga escala. A infraestrutura 5G abrirá um novo mundo de possibilidades e deverá se tornar a espinha dorsal das operações industriais, facilitando a transformação digital no modelo de negócios B2B.

  Na indústria de transportes, por exemplo, o 5G, combinado com IA e IoT, abre o caminho para veículos conectados e autônomos — não apenas os carros autônomos, mas também trens, aviões e drones. Analisando as cidades inteligentes, teremos um número significativamente maior de formas de gerenciar a vida da comunidade em tempo quase real, aumentando a segurança e a mobilidade, além de disponibilizar plataformas capazes de medir a poluição, otimizar o consumo de energia, melhorar o gerenciamento de resíduos, etc. (a lista é praticamente infinita).

  Podemos até pensar que estamos prestes a eliminar progressivamente as tecnologias industriais obsoletas baseadas em sistemas fechados, dedicados e, portanto, dispendiosos, e substituí-las pela IoT industrial. Em outras palavras, substituir tais tecnologias por máquinas conectadas, controladas e supervisionadas à distância e em tempo real, com uma comunicação de dados bidirecional que não depende mais de redes com fio. Estando o 5G prestes a se tornar o sistema nervoso central da indústria do futuro.

  Essa transformação radical trará benefícios imediatos em termos de flexibilidade, facilitando a adaptação dos ciclos de produção às demandas em mutação, passando para séries de produção mais curtas e oferecendo mais personalização e customização: de produtividade, com o estabelecimento mais rápido da produção e melhor controle de qualidade; e de manutenção preditiva, com a coleta constante de dados para antecipar problemas nas linhas de produção e impedir sua ocorrência.

  No entanto, por mais satisfatório que o futuro com o 5G possa parecer, devemos nos lembrar que todas essas novas oportunidades são acompanhadas por uma nova série de riscos, sendo o maior deles a vulnerabilidade dos sistemas interconectados.

  Agentes mal-intencionados podem, por exemplo, explorar a integração em larga escala de dispositivos, alguns deles apresentando segurança inadequada ou tirando proveito da crescente virtualização de rede. O segundo maior risco é que empresas de todos os portes podem perder essas novas possibilidades, deixando de aproveitar todas as oportunidades que o 5G tem a oferecer, que, sem dúvida nenhuma, são difíceis de imaginar nesta fase, e perdendo para os concorrentes que conseguiram se adaptar mais rapidamente.

  A transformação digital nas empresas, ou seja, o uso da IA, a ampliação dos seus dados e a adoção da IoT, dependerá da capacidade de mudança para as tecnologias 5G. Mas elas precisarão de ajuda. As empresas precisarão adaptar as suas propostas e soluções de valor para oferecer novos serviços, levando em consideração as noções de segurança e resiliência, particularmente em setores como defesa, saúde e transporte, onde vidas humanas estão em jogo.

  Em consequência disso, se as empresas quiserem aproveitar ao máximo a revolução que virá, elas precisarão contar com parceiros de confiança que entendam as tecnologias e as restrições associadas a ambientes críticos. Isso é essencial para a sua capacidade de garantir a segurança cibernética em instalações críticas e é um pré-requisito crucial para o desenvolvimento e a implantação do 5G em qualquer setor ou ecossistema.

A evolução da IoT nas redes móveis para a digitalização industrial

Este artigo descreve a evolução da IoT nas redes móveis a partir da análise de usos básicos e menos exigentes da IoT massiva até a demonstração de casos mais elaborados, que serão habilitados com a implantação de redes LTE e do aprimoramento da tecnologia 5G.

Ericsson

  A IoT – Internet das coisas em redes móveis (IoT celular) é amplamente adotada em todo o mundo, usando tecnologias 2G e 3G que permitem muitas aplicações básicas. Agora, uma maior largura de banda, menor latência e suporte para grandes volumes de dispositivos por célula chegam ao mercado com ofertas 4G. Isso será ainda mais aprimorado com as redes 5G, inicialmente habilitadas pelo padrão 5G NR – New Radio, permitindo comunicações de ultrabaixa latência confiáveis (URLLC – Ultra-Reliable Low Latency Communications) e que suportam aplicações cada vez mais críticas.

  Atualmente, a IoT celular atende aos requisitos mais simples do mercado de IoT massiva, assim como às demandas altamente específicas e sensíveis de ambientes e aplicações complexas. O volume de conexões de IoT de celular habilitadas pela NB-IoT – Narrowband IoT e LTE-M – Long Term Evolution for Machines continua a crescer. O número de dispositivos conectados pela IoT massiva e outras tecnologias celulares emergentes deve atingir 4,1 bilhões até 2024.

  A IoT celular em si é um ecossistema em rápido crescimento, baseado nos padrões 3GPP globais, apoiado por um número crescente de provedores de redes móveis, bem como por fornecedores de infraestrutura de dispositivos, chipsets, módulos e redes. Ela oferece melhor desempenho que outras tecnologias de rede LPWA – Low Power Wide Area. A tecnologia é incomparável em termos de cobertura global, QoS – qualidade de serviço, escalabilidade, segurança e flexibilidade para lidar com os diferentes requisitos em uma ampla variedade de usos.

  Espera-se um crescimento da conectividade de IoT impulsionado pelo esforço coletivo para digitalizar setores como manufatura, automotivo e utilities, além do interesse das operadoras de redes móveis em expandir os seus negócios para além da banda larga móvel.

  Além da IoT massiva, que fornece conectividade celular a dispositivos de IoT de baixa complexidade baseados nas tecnologias NB-IoT e Categoria M (CAT-M), definimos três outros segmentos de IoT : IoT banda larga; IoT crítica; e IoT para automação industrial, conforme descrito abaixo.

  A IoT banda larga adota os recursos da conectividade da banda larga móvel, fornecendo taxas de dados mais altas e latências mais baixas do que a IoT massiva, ao mesmo tempo em que utiliza funcionalidades específicas de MTC – Machine Type Communications para ampliar a cobertura e proporcionar uma maior vida útil da bateria do dispositivo. Este segmento tem como alvo uma ampla gama de usos em automóveis, drones, realidade aumentada/realidade virtual e utilities, com base nas tecnologias de redes de acesso 4G e 5G NR.

  A IoT crítica aumenta ainda mais os limites da IoT celular, permitindo latências extremamente baixas e confiabilidade realmente alta a uma ampla gama de taxas de dados. Este segmento atende aos requisitos extremos de conectividade de aplicações avançadas, tanto de área ampla quanto de área local, em sistemas inteligentes de transporte, smart grid, assistência médica remota, manufatura inteligente e realidade aumentada/realidade virtual. Impulsionada pelas capacidades mais inovadoras do 5G NR, espera-se que a IoT crítica viabilize muitos novos tipos de uso na área de IoT.

  Finalmente, no segmento de automação industrial há funcionalidades avançadas da IoT celular, que incluem capacidades de RAN – Radio Access Network para facilitar o suporte de redes determinísticas que, em conjunto com protocolos baseados em Ethernet e industriais, possibilitarão aplicações extremamente exigentes e que necessitam de posicionamento interno muito preciso e atributos distintos de arquitetura e segurança. A IoT para a automação industrial, reforçada pela conectividade com a IoT crítica, é o principal facilitador para a digitalização completa da indústria 4.0, seja para os fabricantes mundiais dos setores de petróleo e gás, assim como para fabricantes de componentes de redes inteligentes para empresas de distribuição de energia.

  Com o uso eficaz de técnicas como fatiamento de rede e compartilhamento de recursos de rádio todos os segmentos de IoT celular podem ser suportados em um único RAN, permitindo que as operadoras móveis otimizem os seus ativos e forneçam o melhor serviço a seus clientes.

IoT banda larga

  A conectividade de banda larga IoT oferece desempenho superior, em termos de menor latência e maior throughput, do que o segmento IoT massiva. As aplicações típicas são wearables avançados, veículos aéreos e terrestres, dispositivos habilitados para realidade aumentada/realidade virtual e sensores que exigem maiores capacidades do que o CAT-M ou o NB-IoT podem oferecer. O LTE possui uma variedade de categorias de dispositivos adequada para essas aplicações. Por exemplo, a LTE já está fornecendo conectividade celular para milhões de carros. Existem relógios inteligentes compatíveis com LTE no mercado e os drones conectados a LTE estão próximos de existir.

  O LTE oferece um alto espectro de eficiência, taxas de dados e baixas latências, além de maior vida útil da bateria do dispositivo e melhor cobertura. Com o uso de soluções avançadas, de várias antenas e carrier aggregation, o LTE permite taxas de pico na faixa de vários Gbps. Somado a isso, existem mecanismos para conexões rápidas e entrega de dados. Com esquemas de transmissão instantânea, a latência da interface de rádio pode ser tão baixa quanto 10 ms.

  Os dispositivos LTE podem operar em um modo de cobertura estendida e, ao mesmo tempo, oferecer suporte a aplicativos de IoT de baixa taxa de transferência. Um mecanismo de comutação otimizado entre a cobertura normal e os modos de cobertura estendida permite ao usuário obter taxas de dados superiores em áreas de boa cobertura e ainda possibilita acessar baixas taxas de dados em condições de rádio desafiadoras.

  A introdução do NR expandirá a capacidade de banda larga. A IoT banda larga baseada em NR operará tanto no espectro antigo quanto no novo, com larguras de banda muito maiores e novas funcionalidades para suportar taxas de transferência ainda mais elevadas, estendendo-se até as dezenas de Gbps e reduzindo a latência para cerca de 5 ms.

IoT para automação industrial

  A IoT para a automação industrial abrange soluções principalmente para unidades fabris, mas também outras que compartilham requisitos comuns de uma perspectiva de rede industrial, como sistemas de controle para ferrovias, bem como geração e distribuição de energia.

  À medida que avançamos para a indústria 4.0, o legado da indústria 3.0 reflete uma infraestrutura de comunicação hierárquica dentro da fábrica isolada do hardware físico por conta das limitações de tecnologia e das necessidades de segurança. Aqui são utilizadas diferentes tecnologias de rede, personalizadas para usos localizados, levando a configurações inflexíveis e um alto custo de manutenção e integração dessas tecnologias dedicadas e proprietárias.

  A indústria 4.0 prevê uma fábrica onde todos os dispositivos e elementos, incluindo o próprio produto até a sua completa produção, estão totalmente interligados, utilizando soluções de conectividade padrão flexíveis e abertas, bem como incorporando tecnologias de Internet e nuvem. Uma rede industrial permite a fabricação com conectividade em todos os níveis, desde áreas específicas na fábrica até sistemas e processos que estão além da própria fábrica. Conexões Ethernet e IP são comumente usadas entre esses extremos, enquanto a conexão de atividades específicas do chão de fábrica é normalmente feita por produtos Fieldbus proprietários ou Ethernet industriais, que são integrados com o resto da instalação por meio de gateways.

  Redes celulares são o principal facilitador para a indústria 4.0. Isso permite abordar a gama de requisitos de conectividade, alguns ainda não cumpridos, ao mesmo tempo em que substitui a grande quantidade de diferentes tecnologias implementadas atualmente.

Esses requisitos de usos variados vão desde sensores e rastreadores ambientais, para gerenciamento de inventário e fornecimento, até conectividade mais exigente para veículos autônomos e os mais exigentes sensores em tempo real e robótica na linha de montagem, que normalmente são cabeados.

  Isso significa que uma rede industrial é construída usando uma combinação de IoT massiva, IoT banda larga e IoT crítica, com a IoT para automação industrial, com base em 5G NR. Há, no entanto, uma lacuna representada por aplicações de controle físico cibernético na automação de processos, atendidas hoje pelo Fieldbus ou por componentes Ethernet industriais, que o 3GPP está agora procurando resolver.

  Esta lacuna nas capacidades é caracterizada por uma rede determinística, que coloca requisitos específicos de latência e confiabilidade que são complementares aos fornecidos somente pela URLLC. Isso significa que a latência, confiabilidade ultrabaixa e a entrega garantida são necessárias, mas com baixa variação de atraso e perda, embora o URL e o TSN – Time Sensitive Networking estejam em diferentes camadas. As redes determinísticas são definidas nas Camadas 2 e 3 pelo IEEE e IEFT, enquanto, em um contexto de rede celular 5G, o TSN pode ser considerado como uma camada de controle sobre URLLC de ponta a ponta.

  A TSN e os sistemas de controle industrial normalmente usam o transporte baseado em Ethernet. A fusão dos domínios 5G e industrial exige, portanto, que a NR originalmente sustente a Ethernet, em vez de confiar nos métodos de encapsulamento e conversão de protocolos de gateway para superar qualquer deterioração no desempenho. O 3GPP está estudando o suporte nativo para Ethernet sobre NR, que será uma linha de base subjacente, na qual as funções do TSN serão sustentadas de forma transparente.

  Uma rede industrial 5G NR permite uma automação mais avançada, facilitando a flexibilidade e permitindo maior eficiência, assim como um maior nível de percepção em tempo real sobre o estado de produção e operação. Além disso, ela facilita a introdução de tecnologias como computação em nuvem, aprendizado de máquina e big data.

  A IoT para a automação industrial é a ponte entre as redes 5G IoT crítica e os sistemas industriais. Ela compreende o conjunto de funções que permitem posicionamento interno preciso, suporte nativo para Ethernet sobre NR, programação e QoS para suportar de forma transparente a TSN e permitir a reutilização de dispositivos industriais e sistemas de controle existentes.

  Para determinadas implantações, como em fábricas isoladas, um padrão de transmissão favorável de baixa latência pode ser uma opção viável. Nas bandas de alta frequência mmWave, o NR TDD atinge latências extremamente baixas com sua capacidade de transmissão ultracurta. As bandas mmWave oferecem larguras de banda de canal muito mais largas que permitem que o NR suporte um grande número de usuários de IoT crítica com altas taxas de dados. Avaliações preliminares mostraram que os níveis de confiabilidade ultra-alta podem ser alcançados nas bandas altas com técnicas avançadas de antenas.

Conclusão

  A IoT celular oferece um melhor desempenho em comparação a outras tecnologias LPWA, incluindo cobertura, QoS, escalabilidade e flexibilidade para lidar com uma ampla gama de usos em uma rede.

  Mais de 80 redes IoT massivas comerciais foram lançadas até o final de 2018. Agora, conforme as redes 4G LTE continuam sendo aprimoradas e a implantação inicial da 5G NR começa, os próximos passos na evolução da IoT celular já estão em andamento.

  Neste artigo, definimos os segmentos para facilitar a digitalização de diferentes verticais do setor, utilizando os recursos das redes 4G e 5G. Todos eles serão sustentados por uma rede de acesso por rádio, permitindo facilidade de gerenciamento e uso otimizado dos ativos das operadoras móveis.