Espectro Dopler

• Características

Esse efeito foi explicado inicialmente pelo austríaco Christian Doppler em 1843 e é assim designado em sua homenagem. Esse efeito tem aplicações muito importantes, uma vez que, por exemplo, é por meio dele que foi sustentada a teoria do Big Bang, onde o universo vêm se expandindo. Mais domesticamente, os meteorologistas usam o efeito Doppler para acompanhar os movimentos atmosféricos e fazer previsões de clima e os policiais de trânsito para multar os apressados.
Quando uma fonte de som, um ouvinte, ou ambos estiverem em movimento em relação ao ar, a altura do som, percebida pelo ouvinte, não será, em geral, idêntica à quando o ouvinte estivesse em repouso. Um exemplo clássico é quando observamos um ambulância (com a sirene ligada) vindo em nosso encontro depois partindo para longe, o som quando ela está se aproximando é diferente do que ela produz quando está se afastando. Ou ainda para sentir o Efeito Doppler é só movimentar um celular, tocando, rapidamente ao lado do ouvido.

Foi o cientista Fizeau que fez uma das primeiras constatações da validade do efeito Doppler para as ondas eletromagnéticas. As radiações emitidas pelas estrelas nos permitem identificar a distância que elas estão em relação à Terra, bem como sua constituição, dependendo da freqüência da luz emitida.
Em um canal ideal de rádio, o sinal recebido seria composto de apenas um único sinal de caminho direto, o que seria uma reconstrução perfeita do sinal transmitido. No entanto, em um canal real, o sinal é modificado durante a transmissão no canal. O sinal recebido é composto por uma combinação de atenuação, reflexão, refração e réplicas difratadas do sinal transmitido. Em cima de tudo isso, acrescenta-se o canal de ruído para o sinal, o que pode causar uma mudança na freqüência da portadora se o transmissor ou receptor estiver se movendo (Efeito Doppler). O desempenho de um sistema de rádio é dependente das características do canal de rádio.
Atenuação é a queda na potência do sinal durante a transmissão de um ponto a outro. Ela pode ser causada pelo comprimento do caminho de transmissão, obstruções no caminho do sinal, e os efeitos multipath. A figura abaixo mostra alguns dos efeitos de propagação de rádio que causam atenuação. Quaisquer objetos que obstruem a linha de sinal de visão a partir do transmissor para o receptor pode causar atenuação.

O sombreamento do sinal pode ocorrer sempre que houver uma obstrução entre o transmissor e o receptor. É geralmente causada por prédios e morros, e além disso, os fatores de atenuações ambientais são ainda os mais importantes.
O sombreamento é também muito grave em áreas densamente construídas, devido ao sombreamento de edifícios. No entanto, colinas podem causar um grande problema, devido à grande sombra que produzem. Sinais de rádio difratam fora dos limites de obstáculos, evitando assim o sombreamento total dos sinais para trás colinas e edifícios. No entanto, a quantidade de difração é dependente da freqüência de rádio usada, com baixas freqüências a difração é maior do que em sinais de alta freqüência. Assim, sinais de alta freqüência, especialmente, Ultra Altas Frequências (UHF), e sinais de microondas requerem linhas de visão para uma adequada força de sinal. Para superar o problema da sombra, os transmissores são geralmente elevados o mais alto possível para minimizar o número de obstruções.

• Consequências para a comunicação

Quando uma fonte de onda e um receptor estão se movendo em relação ao outro a freqüência do sinal recebido não será o mesmo que a fonte. Quando eles estão se movendo em direção ao outro a freqüência do sinal recebido é maior que a da fonte, e quando eles estão se aproximando uns dos outros a freqüência diminui. Este é o chamado efeito Doppler. Um exemplo disso é a mudança de tom na buzina de um carro que se aproxima, em seguida, passa. Este efeito torna-se importante no desenvolvimento de sistemas de rádio móvel.
O valor das alterações de freqüência devido ao efeito Doppler depende do movimento relativo entre a fonte eo receptor e na velocidade de propagação da onda. A mudança Doppler na frequência pode ser escrita da seguinte forma:

Onde Df é a mudança na freqüência da fonte visto no receptor, f0 é a freqüência da fonte, v é a diferença de velocidade entre a fonte e transmissor, e c é a velocidade da luz.
Por exemplo: /fazendo f0 = 1 GHz, e v = 60km/h (16,7 / s), então o efeito Doppler será:

Esta mudança de 55Hz no portador geralmente não afeta a transmissão. No entanto, o efeito Doppler pode causar problemas significativos se a técnica de transmissão é sensível a deslocamentos de frequência na portadora (por exemplo, OFDM) ou a velocidade relativa é maior (por exemplo, na Terra satélites em órbita baixa).

• Soluções desenvolvidas ou em andamento

Em geral, o deslocamento do receptor não pode ser evitado e quando esta velocidade excede um certo limiar a solução é utilizar técnicas de transmissão robustas quanto ao efeito Doppler, como é o caso do CDMA. Embora, expectralmente falando, o OFDM seja melhor que o CDMA, ele é mais vulnerável a este fenômeno.

• Conclusão

O efeito doppler é um efeito que ganhou mais relevância nas comunicações atuais, já que a maior parte dos dispositivos de comunicações usam ou utilizarão o OFDM, como no caso do LTE (4G), ISDB-T (TV Digital), IEEE 802.11g/n (Wi-Fi).

• Experimento:
  • http://www.youtube.com/watch?v=8XcJf4rOefE

Referências:
http://www.skydsp.com/publications/4thyrthesis/chapter1.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Doppler_effect
http://en.wikipedia.org/wiki/OFDMA
http://en.wikipedia.org/wiki/Orthogonal_frequency-division_multiplexing
http://www.eca.usp.br/prof/iazzetta/tutor/acustica/doppler/doppler.html