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A REDUÇÃO DOS CUSTOS OPERACIONAIS.

Eficiência Energética

A eficiência energética é um tema atual que vem conquistando importância cada vez maior impulsionada por apelos ecológicos e pelas necessidades sócio-ambientais. O termo denota o esforço da engenharia em encontrar soluções que aprimorem o uso efetivo dos recursos empenhados, aumentando a eficiência dos processos e reduzindo desperdícios. Em muitas ocasiões obter um resultado positivo implica em investimentos para aprimorar métodos e processos, este por sua vez é compensado pelo ganho econômico da redução dos custos operacionais. Em outros casos garantir e insistir no uso correto e adequado dos recursos existentes já trás os resultados econômicos desejados. O conceito da eficiência energética no mercado de radiodifusão não é novo, pois a compra de equipamentos muitas vezes se orienta por aspectos técnicos visando esta finalidade. Porém, nunca antes a necessidade da redução do custo operacional de uma rede de transmissão foi tão importante como atualmente, não apenas pelas razões ecológicas, mas principalmente pela necessidade dos operadores arcarem com os custos operacionais de duas redes em função da transição para o digital. Vários parâmetros permitem a avaliação do desempenho e do custo operacional de um determinado produto. Um transmissor de televisão, por exemplo, pode ser parametrizado em seu custo operacional através do consumo de energia, da dissipação de calor e da conseqüente necessidade de refrigeração. Empregar um equipamento mais moderno, com melhor eficiência energética muitas vezes justifica por si só o investimento em função de sua amortização ao longo dos primeiros anos de operação. Este benefício ira perdurar por toda a vida útil do equipamento e dar ao seu operador a consciência de ter dado ao meio ambiente uma solução menos onerosa.

Os potencias para melhorar a eficiência de um sistema irradiante

Neste artigo iremos analisar os potencias de um sistema irradiante, considerando para tal apenas os elementos passivos da cadeia transmissora, ou seja, todos os elementos conectados posteriormente ao transmissor. A nossa intenção será transportar o sinal de televisão com maior eficiência ao usuário final.

Na tecnologia digital os transmissores possuem em sua saída um filtro de máscara. O motivo do filtro de máscara ser opcional para a maioria dos fabricantes de transmissores não esta apenas na razão de permitir a escolha do tipo de máscara, mas também em uma interessante opção de integrar os filtros de máscara no combinador, sempre quando o sistema irradiante somar dois ou mais canais de operação. O benefício desta prática esta na melhora do VSWR do sistema e da menor perda de inserção do conjunto. Como um combinador por sua função é constituído de filtros pode-se utilizar os mesmos para configurar a máscara desejada reduzindo a conexão serial de elementos do sistema. O benefício desta solução é considerável e os custos de investimento são menores que a compra separada do combinador e dos filtros de máscara. As ilustrações a seguir dimensionam o ganho desta solução:

O diâmetro das linhas rígidas e do cabo coaxial tem influencia sobre a atenuação do sinal na cadeia da transmissão. Avaliar o diâmetro adequado do cabo coaxial, por exemplo, não deveria apenas considerar os fatores potencia e tensão, mas também a perda por atenuação. Garantir uma instalação que resulte no menor comprimento dos cabos é também aconselhável.

A experiência da telefonia celular

A experiência da telefonia celular é um ótimo exemplo na busca pela eficiência das operações e pode servir de exemplo para TV digital brasileira. A telefonia celular passou pelo mesmo processo de digitalização, migrando da tecnologia analógica AMPS para as primeiras gerações de redes digitais em tecnologia TDMA e CDMA. Além do mais a telefonia celular é uma rede concebida para atender exclusivamente a dispositivos móveis, a grande novidade dos radiodifusores brasileiros. Buscar a eficiência nestas instalações é requisito primordial dos operadores que vivem um cenário de competição acirrado. Atualmente o Brasil possui um contingente de quase cem mil antenas celulares instaladas pelo país e este número não pára de crescer.

As primeiras redes de telefonia celular eram formadas por estações rádio base que davam cobertura a uma determinada área através de antenas omnidirecionais. O objetivo era dar cobertura a vastas regiões de nosso país o mais rápido possível. O desafio do planejamento destas redes estava na assimetria entre os sinais do uplink (celular – radio base) e downlink (radio base – celular). Enquanto o rádio de uma estação radio base gera 50W para transmissão através de antenas de alto ganho (18dBi é o mais típico), o celular alcança no máximo 2W de potencia fazendo uso de sua antena de extremo baixo ganho (muitas vezes antenas com ganho negativo). Somado ao fato das fortes oscilações nos sinais em função da mobilidade os engenheiros tiveram de buscar uma solução para garantir uma qualidade de serviço. Foi na diversidade espacial para a recepção que se encontrou a solução mais eficiente. Os arranjos destas estações transmissoras passaram a ter duas antenas receptoras (Rx – recepção do uplink) e uma antena transmissora (Tx – downlink), tipo omnidirecional, em polarização vertical (veja ilustração na figura a seguir). A intenção da polarização vertical era garantir melhor penetração do sinal em regiões urbanas, para garantir recepção do sinal ao nível solo. Além disto, os receptores da rádio base passaram a incorporar a função de processamento dos dois sinais de recepção.

Com o aumento da demanda os operadores realizaram a troca das antenas omnidirecionais por antenas diretivas para ampliar a capacidade de trafego. A partir deste momento cada estação rádio base gerava 3 sinais independentes e as antenas nestes sites triplicaram em número, conforme ilustração a seguir:

Com o aumento da concorrência e a chegada de novos operadores a pressão pela redução dos custos e o aumento da eficiência dos sistemas aumentou proporcionalmente. Na primeira etapa de racionalização os sinais de Rx e Tx foram multiplexados e inseridos em uma só antena, reduzindo de 9 para 6 as antenas de uma estação rádio base. Agora apenas o sinal de recepção diversidade exigia sua antena individual, instalada a uma distancia apropriada. O duplexor acabou incorporado às funções do equipamento ativo da radio base. Em uma etapa do desenvolvimento destas antenas chegou-se a uma solução do emprego de antenas com polarização vertical para os sinais Rx e TX duplexados e outra antena de polarização horizontal para o sinal Rx em diversidade, mas a solução não foi eficiente. A solução encontrada no inicio dos anos noventa e ainda hoje em uso remonta à tecnologia dos dipolos cruzados, ou X-Pol, no qual o elemento irradiante é constituído por dois pares de dipolo, um com polarização +45° o outro com polarização -45°. Este dipolo (veja figura) foi patenteado pela Kathrein e revolucionou o mundo da telefonia celular. Isto permitiu reduzir as antenas por estação radio base de 6 para 3 e a diversidade espacial foi substituída pela diversidade por polarização com desempenho semelhante.

O avanço da tecnologia celular não parou por aí, hoje os sistemas atuam com antenas inteligentes, capaz de alterar os principais parâmetros do diagrama (tilt elétrico, azimuth e abertura horizontal) de forma remota ajustando-se a uma condição de tráfego conhecida, mas sempre baseada na tecnologia X-Pol. Nos horários de pico, por exemplo, estas antenas focam seu potencial nas ruas e avenidas, enquanto nos horários comerciais a capacidade é direcionada aos centros e edifícios comerciais.

Resultados para a televisão digital 

A assimetria nas transmissões da TV digital está na possibilidade do canal ter conteúdos com parâmetros de codificação diferenciados que são sintonizados por dispositivos de propriedades distintas: recepção fixa e recepção móvel. O desafio esta, portanto, em permitir com que todos os diferentes receptores tenham uma qualidade de serviço boa da maneira mais eficiente.

Em termos de propagação os sinais de polarização vertical apresentam maior atenuação em função dos maiores obstáculos em seu caminho, sofrendo maior índice de reflexão. Porem esta polarização permite uma maior intensidade de sinal ao nível solo, favorecendo a recepção portátil. Esta polarização é conhecida das transmissões de FM e AM, para recepção em rádios portáteis ou em veículos com suas antenas lineares.

Já a polarização horizontal favorece o alcance da estação, uma vez que os sinais estão menos propensos a reflexão e as ondas podem-se propagar livremente. Esta polarização foi amplamente empregada na televisão analógica, pois a intenção era garantir maior área de cobertura favorecendo a recepção com antena externa.

Recentemente parte da indústria aponta para supostos benefícios da polarização circular. Do ponto de vista da eficiência energética esta polarização é a menos aconselhada. Captar uma onda polarizada circularmente com uma antena de polarização linear (ou vice e versa) causa sempre uma perda de 3dB! Além do mais uma antena circular não apresenta diagramas de radiação idênticos para as duas componentes de sua polarização, muito menos sua cobertura coincide, dada a maior atenuação dos sinais de polarização vertical ao longo da área de cobertura. Desta forma os sinais da componente vertical terão representação maior quanto mais próximo da torre transmissora, lá onde no geral já existe uma saturação de sinal. E quanto mais próximos do limite de alcance da estação transmissora os sinais verticais não terão nenhuma representação, lá onde um incremento de intensidade seria de valia. No exemplo das antenas elípticas esta razão é ainda mais acentuada. Vale a pena questionar se a relação de 30% (componente vertical) e 70% (componente horizontal) não deveria ser ao contrário, na tentativa de compensar os efeitos de propagação. Operar um sistema de polarização circular exige dobrar a potencia de transmissão, aumentando consideravelmente o custo operacional.

Outra desvantagem das antenas de polarização circular ou elíptica é a perda de sinal proveniente da divisão dos sinais entre horizontal e vertical. Uma opção de projeto de antena que evite esta perda por divisão é empregar a polarização conhecida por slant, um termo em inglês que significa inclinado. Nela os dipolos são instalados com inclinação de até 15 graus e o resultado é semelhante ao da antena de polarização circular, eliminada a divisão do sinal.

Realizar medições nos sinais hoje existentes traz resultados surpreendentes. Uma transmissão exclusivamente horizontal apresenta até 30% de componentes verticais em um cenário de alta densidade urbana. Por conta das refrações do sinal a polarização sofre alterações ao longo de seu percurso, fato que incrementa em ambientes interiores.

Pode-se afirmar que a polarização vertical tem melhor penetração em ambientes de alta densidade urbana e que a polarização horizontal tem melhor desempenho em zonas rurais. Vale lembrar que o assunto polarização depende em primeira linha da polarização da antena receptora, para evitar as perdas na recepção. O momento da implementação da TV digital é propício para colocar em pauta quais antenas receptoras recomendar para a recepção fixa. Como todo o parque de transmissão e recepção será renovado uma inovação neste campo deve ser realizada o quanto antes. Utilizar receptores com processamento por diversidade é opção interessante e muito eficiente.

Outra opção de planejamento é oferecida pela configuração de redes em SFN, nas quais a distribuição de energia do sinal sobre a área de cobertura é mais homogênea, permitindo soluções até com menor potencia total e melhor qualidade de rede.

Qualidade da instalação

A qualidade da instalação é de extrema importância na eficiência de uma estação. Por melhor que seja o produto uma instalação com qualidade deficiente irá prejudicar seu desempenho. Na radiofreqüência as conexões entre elementos são críticas e influenciam na perda de inserção e no VSWR do sistema. Precisão no corte das linhas rígidas, encaixes perfeitos, precisão mecânica e o aperto com o torque apropriado dos parafusos de flanges são itens que diferenciam uma instalação da outra.

No ambiente externo o emprego do conector tipo “N“ é menos indicado. Este tipo de conector não permite um torque muito elevado, apresentando maior perda de inserção e maior VSWR se comparado com conexões tipo DIN 7 16. Como o conector tipo “N” foi desenhado para ser atarrachado com a mão, a simples ação do vento e o efeito alavanca de um cabo coaxial podem afrouxar a conexão provocando perdas indesejadas e até danos maiores ao sistema.

A instalação dos cabos coaxiais exige um cuidado importante. O cabo deve ser acomodado em esteiras apropriadas e preso com abraçadeiras dispostas na distancia mínima indicada pelo fabricante. O trabalho de transporte e instalação do cabo exige cuidados no manuseio para que o cabo não sofra danos físicos que irão comprometê-lo para sempre.

Enquanto algumas empresas sugerem o levantamento do diagrama da antena por medição via helicóptero, buscando avaliar se o sistema instalado realmente realiza o diagrama idealizado em projeto e medido em fábrica, uma opção menos onerosa e mais eficiente é garantir o menor VSWR após a instalação, pois ela é a confirmação que a instalação cumpriu com os requisitos exigidos no projeto. Manter o VSWR constante durante a vida útil do sistema irradiante, porém, é sinônimo de qualidade tanto do produto como da instalação.