As diferentes medidas de tempo & frequência e suas aplicações

A medida de tempo & frequência é fundamental para garantir a qualidade e a eficiência de transmissões de dados em sistemas de telecomunicações. Ela é usada para garantir a sincronização adequada entre os dispositivos de transmissão e recepção, permitindo a transmissão e recepção de dados de forma confiável e eficaz. A medida de intervalo de tempo, período e frequência são as principais grandezas utilizadas nesta área. Embora tempo e frequência estejam intrinsecamente ligados, é importante salientar que há algumas diferenças no que diz respeito a estas grandezas, influenciando na aplicação e no método de medição. Este artigo apresenta as aplicações de cada grandeza e os equipamentos mais utilizados para realizar suas medidas.

Fabrício Gonçalves Torres e Diogo Cesar Borges Silva, pesquisadores do IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo 

As medidas de tempo & frequência são utilizadas para garantir que a transmissão de dados entre os elementos de uma rede ocorra de forma correta. Em sistemas de transmissão de alta velocidade, onde um atraso mínimo na transmissão pode levar a erros e perda de informações, essa caracterização é especialmente importante.

Embora tempo & frequência sejam grandezas intrinsecamente relacionadas, é importante salientar algumas diferenças no que diz respeito a estas grandezas que influenciam diretamente a aplicação e o método de medição de cada uma.

De forma abrangente, podemos dividir as medidas de tempo & frequência em “Medidas de intervalo de tempo”, “Medidas de período”, “Medidas de frequência” e “Medidas de escala de tempo”, descritas a seguir.

Intervalo de tempo

Intervalo de tempo é o tempo decorrido entre dois eventos definidos, não necessariamente periódicos.

Este tipo de medição é necessário em casos diversos e bem rotineiros, tal como o tempo de cozimento de um bolo no forno, por exemplo. Em sistemas de telecomunicações, a medida de intervalo de tempo ocorre em diversas ocasiões também, como na medida de largura de pulso de um bit, presente em um sinal digital, com a intenção de avaliar se a transmissão digital está dentro dos padrões de referência, ou para a transmissão de informação via PWM – Pulse Width Modulation.

A medida de intervalo de tempo pode ser realizada a partir de diversos tipos de equipamentos. O cronômetro, por exemplo, é um equipamento bastante usado, porém, indicado apenas para medidas acima de 1 segundo. O tempo de reação humana para iniciar e parar a contagem, além das limitações mecânicas construtivas do equipamento, tornam a medida inexata para intervalos de tempo pequenos.

Para a mesma função, um equipamento com melhor capacidade de medição é o contador universal. Com este equipamento, é possível efetuar medidas de, praticamente, qualquer tipo de intervalo de tempo, principalmente, por meio do uso de dois canais que, usualmente, os contadores mais modernos possuem. Inclusive, por terem maior exatidão, os contadores universais são bastante usados na calibração de cronômetro (figura 1).

Período

Período é um tipo especial de medida de intervalo de tempo. Ele indica o tempo transcorrido entre dois eventos definidos em um sinal periódico, onde estes eventos ocorrem sempre em intervalos de tempo regulares, por exemplo, o tempo entre os dois pontos de máxima amplitude em um sinal senoidal.

O osciloscópio (figura 2) é um equipamento bastante utilizado para medidas de período. Ele apresenta o sinal no domínio do tempo, tornando o processo de medição mais rápido a partir da retícula na tela ou pelos cursores, embora, osciloscópios mais modernos apresentem medidas automáticas possibilitando, inclusive, a conversão para outras unidades de medidas.

Frequência

Frequência é medida da quantidade de eventos periódicos ocorrida em uma dada unidade de tempo, usualmente, em Hertz (Hz). Por exemplo, dizer que as redes de alimentação possuem frequência de 60 Hz, significa dizer que a senóide do sinal elétrico se repete 60 vezes a cada 1 segundo.

A medida de frequência é necessária em diversas aplicações. Em sistemas de comunicação sem fio, a medida de frequência é crucial para garantir que os sinais sejam transmitidos sem que haja interferência, já que o espectro eletromagnético é escasso.

Também é a partir da frequência, que se obtém a taxa de transmissão em sistemas digitais, usualmente, dada em bits por segundo.

Embora frequência e período estejam intimamente ligados, podendo causar a impressão de que ambas as medidas possuem a mesma importância, dependendo da aplicação, elas podem oferecer ganhos diferentes no diagnóstico de um sinal, já que informações diferentes podem ser obtidas no domínio do tempo ou no domínio da frequência.

Medidas de jitter, por exemplo, que é a medida de variações aleatórias no intervalo de tempo entre chegadas de pacotes de dados digitais, são usualmente obtidas por meio de osciloscópios no domínio do tempo. Por outro lado, analisadores de espectro (figura 3) são ideais para medidas de distorção harmônica, facilmente obtidas no domínio da frequência.

Escala de tempo

A escala de tempo é também um tipo de medida de intervalo de tempo, porém, é baseada em fenômenos astronômicos, tal como no movimento da Terra em torno de seu eixo.

Tempo universal, por exemplo, é uma escala de tempo que é definido como o tempo médio solar no meridiano de Greenwich, e é frequentemente expresso em horas, minutos e segundos. O tempo universal é calculado com base na rotação da Terra em torno de seu eixo e é ajustado periodicamente para levar em conta as irregularidades na velocidade de rotação da Terra. Existem várias versões do tempo universal, incluindo o UT0, UT1 e UT2, que diferem na forma como são calculados.

O tempo universal é uma referência importante para a astronomia e outras áreas da ciência que dependem de medidas precisas de tempo. No entanto, ele é menos usado em aplicações cotidianas do que outras escalas de tempo, como o UTC – Tempo Universal Coordenado, que é usada como referência para coordenar os relógios do mundo todo.

O UTC é obtido a partir do tempo medido pelos relógios atômicos, e é ajustado periodicamente para manter uma diferença constante em relação ao UT – Tempo Universal. Para manter essa diferença constante, são adicionados segundos bissextos ao UTC periodicamente.

Atualmente, o UTC é propagado pela Internet por meio de uma rede de servidores de tempo distribuídos globalmente, conhecida como NTP – Network Time Protocol. Os servidores NTP sincronizam seus relógios com fontes precisas de tempo, como os relógios atômicos mantidos pelo Escritório Internacional de Pesos e Medidas (em francês: BIPM – Bureau international des poids et mesures) e, em seguida, fornecem o tempo preciso para outros dispositivos em toda a rede.

Os dispositivos clientes, como computadores e smartphones, podem sincronizar seus relógios com os servidores NTP, permitindo que eles mantenham a hora correta. Essa sincronização precisa do tempo é essencial para muitos sistemas e aplicativos do mundo globalizado de hoje em dia, incluindo sistemas de comunicação, transações financeiras, operações de infraestrutura crítica e muito mais.

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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Diogo Cesar Borges Silva é pesquisador no Laboratório de Metrologia Elétrica do IPT. Possui mais de 15 anos de experiência em metrologia e realiza auditorias, consultorias e treinamentos na área de metrologia e instrumentação.
diogoc@ipt.br