Teoria De Telecomunicacoes

Kit Didático de Telecomunicações

Teoria

ÍNDICE 1.

Filtros ........................................................................................................................................3 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

2

Osciladores Harmônicos .....................................................................................................7 2.1 2.2

2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

3

Filtros Passivos .................................................................................................................3 Filtros Ativos ......................................................................................................................3 Largura da Banda Passante .............................................................................................3 Fator de Qualidade ...........................................................................................................4 Fator de Forma..................................................................................................................4 Introdução..........................................................................................................................7 Oscilador Harmônico.........................................................................................................7 2.2.1 Osciladores Harmônicos RC.................................................................................7 2.2.1.1 Oscilador RC por Inversão de Fase .......................................................7 2.2.2 Osciladores Harmônicos LC .................................................................................9 Oscilador Hartley...............................................................................................................9 Oscilador Colpitts ............................................................................................................10 Oscilador Clapp...............................................................................................................10 Circuito Oscilatório Básico..............................................................................................11 Oscilador de Deslocamento de Fase..............................................................................11

Conceitos Básicos de Telecomunicações................................................................... 15 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Introdução........................................................................................................................15 Comunicação ..................................................................................................................15 3.2.1 Cana! de Comunicação.......................................................................................15 3.2.2 Tipos de Canais ..................................................................................................15 Informação.......................................................................................................................15 Sistema............................................................................................................................16 Elementos de um Sistema de Comunicação..................................................................16 3.5.1 Fonte 16 3.5.2 Transdutor ...........................................................................................................16 3.5.3 Transmissor.........................................................................................................16 3.5.4 Canal de Transmissão ........................................................................................17 3.5.5 Receptor..............................................................................................................17

4

Transmissão Digital ........................................................................................................... 21

5

Modulação ............................................................................................................................ 25 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7

6

Portadora.........................................................................................................................25 Oscilador .........................................................................................................................25 Sinal Modulante...............................................................................................................25 Definições........................................................................................................................25 Índice de Modulação .......................................................................................................26 5.5.1 Pela Forma de Onda...........................................................................................27 5.5.2 Pelo Método do Trapézio ....................................................................................27 Influência do Índice de Modulação no Sinal Modulado ..................................................27 Análise dos Espectros.....................................................................................................27

Tipos de Modulação........................................................................................................... 31 6.1 6.2 6.3

Modulação de Portadora Senoidal (Modulação de Onda Contínua) .............................31 Modulação em Amplitude ...............................................................................................32 Modulação AM-DSB (Amplitude Modulation – Double Side Band) ...............................32 6.3.1 Espectro de potência do sinal modulado AM-DSB ............................................33 6.3.2 Circuitos Moduladores AM-DSB.........................................................................34

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Página I

6.4

6.5

7

Demoduladores AM ............................................................................................................49 7.1 7.2 7.3 7.4

8

Demodulador AM-DSB (Detetor de Envoltória) ............................................................. 49 Demodulador AM-DSB/SC............................................................................................. 49 Demodulador AM-SSB ................................................................................................... 51 Conversão de Freqüências ............................................................................................ 52

Modulação em Freqüência................................................................................................55 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6

9

6.3.2.1 Modulador Síncrono a Diodo................................................................ 34 6.3.2.2 Modulador Síncrono a Transistor......................................................... 35 6.3.2.3 Modulador Quadrático a Transistor...................................................... 37 Modulação AM-DSBISC (Double Side Band With Supressed Carrier)........................... 38 6.4.1 Análise das Formas de Onda e dos Espectros de Amplitude ........................... 39 6.4.2 Potência no Sinal AM-DSB/SC .......................................................................... 40 6.4.3 Moduladores AM-DSB/SC.................................................................................. 40 6.4.3.1 Modulador Quadrático.......................................................................... 40 6.4.3.2 Modulador em Ponte (Síncrono) .......................................................... 42 Modulação SSB (Single Side Band – Faixa Lateral Única)........................................... 43

Modulador de FM (Digital) .............................................................................................. 55 8.1.1 Transmissão de FM de Faixa Estreita (FMFE).................................................. 55 8.1.2 Transmissão de FM de Faixa Larga (FMFL) ..................................................... 55 Modulador de FM com Multivibrador.............................................................................. 56 Largura de Faixa Ocupada pelo Sinal FM ..................................................................... 56 Circuitos Moduladores FM.............................................................................................. 56 Modulação FM pelo Método Direto ................................................................................ 56 Modulação FM pelo Método Digital................................................................................ 57

Circuitos Demoduladores FM ..........................................................................................61 9.1 9.2

Detetor de Inclinação...................................................................................................... 61 Detetor de Inclinação Balanceado ................................................................................. 61

10

Modulação PWM (Modulação por Largura de Pulso) ................................................65

11

Modulação PAM (Pulse-Amplitude-Modulation).........................................................69

12

Modulação PPM (Pulse-Position-Modulation).............................................................73

13

Modulação Codificada de Pulso (PCM) .........................................................................77

14

decodificação PCM.............................................................................................................81

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Filtros

Filtros

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Filtros

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Filtros

1. Filtros Um filtro pode ser definido como um dispositivo, cujo ganho de sinal de saída varia em função da freqüência desse sinal, ou seja, o ganho varia de acordo com a freqüência em operação. Os filtros são classificados em Passivos e Ativos, esses dois tipos podem se subdividir em: ü ü ü ü

Passa Faixa (FPF) Passa Baixa (FPB) Passa Alta (FPA) Rejeita Faixa (FRF)

A grandeza que representa o ganho dos filtros é o Decibel (dB), esse ganho pode ser de tensão, potência ou corrente, calculados pelas fórmulas mais adiante.

1.1

Filtros Passivos

Os componentes predominantes em circuitos de Filtros Passivos são resistores, indutores e capacitores. O ganho da tensão de saída desses circuitos nunca é maior que 1, devido ao circuito não ter um amplificador. Existem 3 tipos de Filtros Passivos, os do tipo RC, RL e LC. Os filtros tipo RC e RL geralmente são utilizados em circuitos de baixa freqüência enquanto os do tipo LC são mais utilizados em circuitos de alta freqüência, devido a sua melhor atenuação.

1.2

Filtros Ativos

Os Filtros Ativos possuem o ganho na saída maior que 1. O Filtro Ativo produz maior ou menor amplificação em seu sinal em função da freqüência do sinal aplicado na entrada do filtro. O Filtro Ativo possui algumas vantagens e desvantagens sobre o Filtro Passivo: ü ü

Vantagens: Ganhos maiores que 1, permitem grandes atenuações. Desvantagens: Necessidade de fonte de alimentação externa, limitação na operação nos sinais de alta freqüência.

Os Filtros Ativos são divididos por ordem de acordo com a atenuação do seu sinal: ü ü ü

Filtros de 1ª ordem – 20 decibéis por década Filtros de 2ª ordem – 40 decibéis por década Filtros de 3ª ordem – 60 decibéis por década

E assim por diante.

1.3

Largura da Banda Passante

É o intervalo entre as freqüências que quando passam por um filtro mantêm um ganho maior ou igual a 70,7% de seu valor máximo.

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Filtros

1.4

Fator de Qualidade

É representado pela letra Q, determina a largura da Banda Passante de um filtro. O Fator de Qualidade ou Mérito mede a capacidade de um filtro em rejeitar freqüências que não são interessantes à aplicação desejada. Quanto maior o Q, menor a largura da Banda Passante.

1.5

Fator de Forma

É a relação entre a Banda Passante B com 60 dB de atenuação e a Banda Passante com 6 dB. Quanto mais próximo de 1 for esta relação, melhor é o filtro.

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Osciladores Harmônicos

Osciladores Harmônicos

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Osciladores Harmônicos

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Osciladores Harmônicos

2

Osciladores Harmônicos

2.1

Introdução

Para que possa ser entendida com mais clareza, será dado um exemplo para a explicação do fenômeno oscilatório. Imaginem uma criança em um balanço, alguém a empurra para que ela faça o movimento de vai e vem. Agora imaginem se essa pessoa parasse de empurrar o balanço, o movimento diminuiria vagarosamente até a parada total do balanço. Se fosse dado mais um empurrão, esse ;movimento continuaria, desde que o empurrão estivesse em ressonância com o movimento natural do balanço. Em um circuito oscilatório eletrônico, ocorre um fenômeno parecido. Para se manter a oscilação de um circuito é preciso que seja produzida uma realimentação positiva para suprir a energia perdida no circuito, exatamente como no balanço, se não se realimenta o balanço com um empurrão, ele para.

2.2

Oscilador Harmônico

É um circuito que gera sinais de tensões senoidais a partir de uma fonte de alimentação de corrente contínua. Esses circuitos são divididos em dois grupos; os osciladores que geram ondas através de um circuito ressonante LC e os controlados a cristal piezoelétrico. Os Osciladores Harmônicos são geradores exclusivos de ondas senoidais. Para se manter um circuito oscilador em funcionamento é preciso possuir um amplificador com ganho de corrente maior que 1 e possuir uma realimentação positiva. Se esse ganho for menor que 1, o sinal na saída será reduzido e não terá intensidade suficiente para produzir a oscilação, mas se esse ganho for muito maior que 1, acontecerá a distorção do sinal, perdendo a forma senoidal, devido ao grande reforço que será dado ao sinal de saída. 2.2.1 Osciladores Harmônicos RC Esses osciladores utilizam na malha de realimentação componentes passivos como resistores e capacitores, e que serão interligados entre si, de tal forma a proporcionar a realização das condições de Bark Hausen. 2.2.1.1

Oscilador RC por Inversão de Fase

Também conhecido como oscilador por desvio de fase. O circuito de realimentação é formado por redes RC, que dão a atenuação e defasagem necessária ao sinal aplicado, proporcionando assim as condições de oscilação. Este tipo de oscilador é particularmente usado na faixa de freqüência de alguns hertz até centenas de quilohertz, incluindo desta maneira a faixa de áudio. Sua freqüência de oscilação pode ser variada mudando qualquer das impedâncias na rede de deslocamento de fase. Pode-se ainda utilizar os capacitores variando simultaneamente, para uma maior variação de freqüência.

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Osciladores Harmônicos

Oscilador RC a ponte de Wien

Este é um tipo de oscilador que pode ser usado na geração de sinais na faixa de freqüência de áudio até aproximadamente 1 MHz. Possui como principais características, um sinal de saída com baixa distorção, e freqüência de oscilação variável dentro de uma grande faixa. Uma ponte balanceada é utilizada como rede de realimentação. O componente ativo na maioria das vezes é um ampliador operacional, que possui um ganho positivo de tensão muito alto, resistência de saída desprezível, e resistência de entrada muito grande. Resumindo, o oscilador a ponte de Wien é formado por: ü ü

Amplificador operacional com defasagem 0°; Malhas de realimentação: positiva – define a freqüência de oscilação; negativa – fornece o ganho de malha fechada.

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Osciladores Harmônicos

2.2.2 Osciladores Harmônicos LC Os osciladores RC não são usados para freqüências maiores que 1MHz. Neste caso, os osciladores são construídos com base nos circuitos ressonantes LC. Sabe-se que no circuito ressonante ocorre uma troca de energia entre o capacitor e o indutor, a partir de um sinal DC aplicado a ambos. Neste caso, o sistema apresenta uma forma de onda senoidal sendo que a amplitude da oscilação depende do valor de "v", inicialmente aplicado ao circuito. A este processo de troca de energia, damos o nome de ressonância, esta é a condição básica que define a freqüência de oscilação dos osciladores. Para um circuito LC em ressonância a impedância do indutor torna-se igual à do capacitor. O circuito também é conhecido como circuito tanque.

2.3

Oscilador Hartley

Este é um tipo de oscilador que é formado basicamente por um amplificador a transistor em configuração emissor comum, realimentado por um circuito ressonante onde o indutor possui uma derivação central. O oscilador tipo Hartley é um típico oscilador a três impedâncias. Como características mais importantes do Oscilador Hartley pode-se citar sua larga utilidade nas freqüências altas, e como desvantagem sua instabilidade devido a variações térmicas e aquecimento dos elementos passivos. É bom ainda ressaltar a impossibilidade de integração deste circuito devido ao seu elemento indutor. Resumindo o funcionamento do circuito: Na oscilação o circuito tanque torna-se resistivo, e proporciona defasagem de 180° no ampliador. Além disso, como a derivação está AC aterrada, ein também defasa de 180° de eout fechando a malha em 0° e proporcionando a oscilação.

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Osciladores Harmônicos

2.4

Oscilador Colpitts

Este é outro tipo de oscilador LC pertencente ao grupo dos osciladores a 3 impedâncias. Ele é muito semelhante ao Oscilador Hartley, a diferença é apenas no circuito tanque onde a indutância com derivação foi substituída por dois capacitores, C1 no circuito de coletor, C2 no circuito da base. Todas as considerações de projeto feitas para o Oscilador Hartley também são válidas para o tipo Colpitts.

2.5

Oscilador Clapp

Este é o último tipo dos osciladores a 3 impedâncias. Sua diferença para o Colpitts é que uma das três impedâncias é formada por um capacitor em série com um indutor. A razão de se utilizar mais um capacitor é que C1 e C2 são muitos maiores que C3, logo todos eles paralelos serão iguais a C3, e a freqüência de oscilação vai depender exclusivamente de L e C3. Entre as várias vantagens que isso acarreta, pode-se citar: ü

ü

Existem as capacitâncias de junção do transistor e as capacitâncias parasitas do circuito, que são somados aos capacitores C1 e C2, causando freqüentes variações na freqüência de oscilação do oscilador. Feita a consideração acima, estas influências são menores, e ocorrerá uma maior estabilidade e precisão na freqüência de oscilação. Como o fator de atenuação depende apenas de C1 e C2, pode-se variar a freqüência de oscilação, sem influir na razão de atenuação ou no ganho do ampliador.

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Osciladores Harmônicos

2.6

Circuito Oscilatório Básico

O circuito é formado basicamente de uma bobina e um capacitor. Se for ligada uma bateria ao circuito, o capacitor se carregará com essa tensão quando for fechada a chave. O capacitor carregado descarregará mandando uma corrente para a bobina, o que gerará um campo magnético em torno da mesma. A energia do capacitor é convertida em energia de campo magnético, ele desaparecerá quando o capacitor for totalmente descarregado na bobina. Durante esse desaparecimento será gerada uma tensão auto-indutiva de polaridade contrária ao campo elétrico, essa tensão gerará uma corrente de polaridade contrária ao campo elétrico, essa tensão gerará uma corrente de polaridade contrária que carregará o capacitor novamente. Isso se repetirá indefinidamente até a extinção do capacitor. A freqüência de oscilação do circuito é dada pelos valores de L e C do circuito ressonante.

2.7

Oscilador de Deslocamento de Fase

É usado somente em freqüências baixas. É formado por 2 blocos distintos, um circuito amplificador de alto ganho e um circuito de realimentação defasador de fase.

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Conceitos Básicos de Telecomunicações

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Conceitos Básicos de Telecomunicações

3 3.1

Conceitos Básicos de Telecomunicações Introdução

Hoje os sistemas de comunicação são encontrados em qualquer lugar onde se queira que uma informação seja enviada de um local para outro. O telefone, o rádio e a televisão se tornaram parte integrante de nossa vida diária. Estes circuitos a longa distância varrem o globo terrestre, conduzindo textos, vozes e imagens. Os sistemas de radar e telemetria assumem papéis vitais na navegação, defesa ou pesquisa científica. Computadores se comunicam com computadores por meio de enlaces de dados transcontinentais. Os exemplos são muitos e a lista é interminável. É certo que grandes progressos foram realizados desde os dias de Morse (1838). É igualmente certo que as décadas futuras também verão muitas realizações. O potencial de aplicações é limitado apenas pelas necessidades do homem, suas aspirações e imaginação.

3.2

Comunicação

Definimos Comunicação como o processo pelo qual a informação é transferida de um ponto, no espaço e no tempo, denominada "fonte", para outro ponto, chamado destino ou usuário. Um sistema de comunicação é o conjunto de mecanismos que possibilitam processar a informação desde sua fonte até seu destino. 3.2.1 Cana! de Comunicação É o caminho para a transmissão elétrica entre dois ou mais pontos. Um canal pode ser um fio ou um conjunto de fios, um cabo coaxial ou uma parte específica do espectro de radiofreqüências. O objetivo do canal é transportar informações de um ponto a outro. Todos os canais de transmissão apresentam limitações quanto a capacidade que possuem em manipular as informações. Essas limitações dependem das suas características físicas e elétricas. 3.2.2 Tipos de Canais Simplex – É o canal através do qual só pode haver transmissão de A para B. Um exemplo deste tipo de canal pode ser encontrado em supermercados, onde as várias "caixas" enviam informações a um computador central. Half Duplex – É o canal através do qual é possível transmissão não simultânea, em ambos os sentidos (A è B ou B è A). Se forem utilizados circuitos de dois fios é necessário haver chaveamento da linha quando o sentido de transmissão muda. Isto pode ser contornado se forem utilizados circuitos de quatro fios. Full Duplex – É um canal que permite transmissão simultânea nos dois sentidos. Apesar de circuitos de quatro fios serem freqüentemente utilizados, circuitos de dois fios podem suportar comunicações "full duplex", se o espectro de. freqüência for dividido para os canais de transmissão e de recepção (FDM).

3.3

Informação

Informação ou mensagem é qualquer sinal que contenha um dado que se deseja transferir da fonte para o destino. A origem da informação pode ser de vários tipos: imagens, sons, dados numéricos, funções, etc.

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3.4

Sistema

É uma combinação de dispositivos (circuitos eletrônicos) que visam atingir determinado resultado. É um conceito aplicável a todos os ramos do conhecimento..

3.5

Elementos de um Sistema de Comunicação

Sistema de Comunicação Típico

Na figura acima temos um diagrama em blocos de um sistema de comunicação típico, com as nomenclaturas normalmente utilizadas em cada bloco do processo. Os principais blocos são: 3.5.1 Fonte É a origem da informação. Por exemplo, a boca que gera a energia sonora (voz humana) é uma fonte de informação. A luz solar é outro exemplo, pois a luminosidade também é uma fonte de informação para alguns equipamentos. 3.5.2 Transdutor É responsável pela conversão de uma forma de energia para outra. Exemplos: ü ü ü ü

Microfone – Energia Sonora è Energia Elétrica Alto Falante – Energia Elétrica è Energia Sonora Fotocélula – Energia Luminosa è Energia Elétrica Fotodiodo (LED) – Energia Elétrica è Energia Luminosa

3.5.3 Transmissor O bloco transmissor consiste na combinação do sinal da informação com um sinal periódico de alta freqüência, denominado modulação, de forma a adequá-lo a um canal de transmissão.

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3.5.4 Canal de Transmissão É o caminho físico por onde um sinal transmitido se propaga. Pode ser um par de fios, um cabo coaxial, um guia de ondas, fibras óticas, o ar atmosférico ou até mesmo o vácuo. A característica mais importante a ser observada num canal de transmissão é sua atenuação, ou seja, o quanto à potência do sinal decresce com o aumento da distância. Em um sistema de processamento de dados, um ponto muito importante a ser escolhido é justamente a transmissão de dados, isto é, a transmissão eletrônica entre dois pontos do sistema, através de informações codificadas, a fim de que possa haver recursos compartilhados, aquisição de dados, troca de informações, enfim, um elo entre dois ou mais subsistemas. Banda de um Canal: É um parâmetro importante para caracterizar um canal de transmissão. Geralmente, quanto mais larga a banda de um canal, maior é a velocidade permitida para a transmissão. Essa velocidade usualmente é medida de baud. Em casos particulares 1 baud = 1 bit/Seg. As velocidades de transmissão de dados dependem da particular aplicação e podem variar entre dezenas de bits/segundo até milhões de bits/segundo. 3.5.5 Receptor A função do receptor é a de extrair o sinal desejado do canal e fornecê-lo ao transdutor de saída. Visto que os sinais recebidos são quase sempre muito débeis como resultado da atenuação sofrida ao atravessar o meio de transmissão, o receptor deve possuir vários estágios de amplificação. Entretanto, a função principal desempenhada pelo receptor é a demodulação (ou detecção), o inverso do processo de modulação de transmissão, o que restaura a forma original do sinal. Contaminação: Ao longo da transmissão de um sinal ocorrem alguns efeitos indesejáveis. Um deles é a atenuação, que reduz a intensidade do sinal. Mais sérios, entretanto, são a distorção, a interferência e o ruído, que aparecem como alterações da forma do sinal. Embora essas combinações sejam introduzidas através de todo o sistema, é prática comum e conveniente considera-Ias entrando apenas no canal, tratando o transmissor e o receptor como ideais. Grosseiramente falando, qualquer perturbação indesejável do sinal pode ser classificada como um "ruído", sendo muitas vezes difícil distinguir as várias causas em um sinal contaminado. Abaixo temos a definição dos.três principais tipos de contaminação: ü

ü

ü

Distorção: a distorção é uma alteração do sinal, devido a uma resposta imperfeita do sistema ao próprio sinal. Diferentemente do ruído e da interferência, a distorção desaparece quando o sinal é anulado. Projetos de sistemas convenientes ou redes de compensação podem reduzir a distorção. Interferência: a interferência é a contaminação por sinais estranhos, normalmente feitos pelo homem, de forma similar ao sinal desejado. A solução para o problema da interferência é óbvia: eliminar, de um modo ou de outro, o sinal interferente (não totalmente, na prática). Ruído: sendo o pior caso, consideramos o ruído como sinais elétricos aleatórios ou imprevisíveis de causas naturais, tanto externos como internos ao sistema. Quando estas variações aleatórias são adicionadas a um sinal que contém informação, esta informação pode ser parcialmente mascarada ou totalmente eliminada. É claro que o mesmo pode ser dito em relação à interferência e a distorção, mas o que distingue o ruído é que ele nunca pode ser completamente eliminado, mesmo na teoria.

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Transmissão Digital

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Transmissão Digital

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Transmissão Digital

A Transmissão Digital pode ser usada para sinais digitais ou sinais de voz analógicos codificados. Em ambos os casos, a informação é enviada pelos canais de Comunicações como uma cadeia de pulsos. Quando o ruído e distorção tendem a destruir a integridade da cadeia de pulsos, estes são detectados e regenerados. Se o processo de regeneração for repetido adequadamente, então, o sinal recebido será uma réplica exata do transmitido. Os pulsos transmitidos num canal de comunicação são distorcidos por capacitâncias e indutâncias da linha. Esse fenômeno é tanto mais acentuado quanto mais longa a linha ou maior a taxa de transmissão, o que torna mais difícil à interpretação. É possível transmitir pulsos em pequenas distâncias usando apenas cabos ou pares de fios e, em alguns casos, é necessária a colocação de "line drivers" junto ao transmissor e "line receivers" junto ao receptor. Para distâncias maiores é necessário utilizarem-se os recursos de transmissão providos pelas empresas concessionárias de serviços de comunicação. Esses recursos são na sua maioria, para transmissão analógica. Assim sendo, é necessária a transmissão dos sinais digitais sob forma analógica. Isso é obtido através do uso de um equipamento chamado MODEM. MODEM (modulador e demodulador): É um dispositivo que converte sinais digitais provenientes de um computador ou terminal em um sinal de portadora modulada, compatível com o requerido pelos canais de transmissão de sinais analógicos. A configuração típica de um sistema de transmissão de sinais digitais requer a existência de um MODEM em cada extremidade do canal. Os MODEMs são muitas vezes denominados DATA STES e são projetados para aplicações e velocidades específicas. Transmissão Assíncrona: dados assíncronos geralmente são gerados em terminais de baixa velocidade (menor que 1200 bits/Seg). Em sistemas assíncronos, os sinais são idênticos aos fornecidos e recebidos por terminais tipo TTY, isto é, em repouso sempre há um sinal correspondente ao nível UM na linha. Além disso, todo caracter é precedido de um bit de Start e dois bits de Stop. Transmissão Síncrona: Na transmissão Síncrona, o sincronismo entre transmissor e receptor é conseguido através de um sinal de relógio que é gerado internamente no MODEM. O protocolo assíncrono é normalmente usado quando a taxa de transmissão é baixa ou quando é utilizada numa comunicação homem-máquina, enquanto que o protocolo síncrono é utilizado onde se requer altas velocidades, por exemplo, comunicação máquina-máquina.

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Modulação

Modulação

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Modulação

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Modulação

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Modulação

A maioria dos sinais de entrada, na maneira como são fornecidos pelo transdutor, não podem ser enviados diretamente através do canal. Conseqüentemente, uma onda portadora cujas propriedades são mais convenientes ao meio de transmissão em questão, é modificada para representar a mensagem. A modulação é a alteração sistemática de uma onda portadora de acordo com a mensagem (sinal modulante), podendo ainda incluir uma codificação.

Geração do Sinal Modulado

5.1

Portadora

É o nome que se dá, genericamente, ao sinal que tem uma ou mais de suas características alteradas. A portadora serve apenas para transportar a informação e não apresenta nenhuma outra utilidade no que diz respeito à informação.

5.2

Oscilador

É o circuito gerador da portadora, cuja forma de onda pode ser qualquer periódica (senoidal e trem de pulsos retangulares são as ondas mais usadas).

5.3

Sinal Modulante

É aquele que contém a informação a ser transmitida. Este sinal deverá ser recuperado na recepção. A operação inversa da modulação é a demodulação e se destina a recuperar o sinal modulante (informação).

5.4

Definições

Modulação é o processo de se variar alguma das características de uma onda senoidal de alta freqüência com o valor instantâneo do sinal a ser transmitido. O sinal de freqüência é chamado de portadora, enquanto o sinal a ser transmitido é chamado de sinal modulador ou modulante. Já a portadora com a informação embutida é chamada de sinal modulado ou onda portadora modulada. A Modulação em Amplitude (amplitude modulation) ocorre quando o sinal modulador altera a amplitude da portadora de forma a embutir nesta alteração a informação que se quer transmitir.

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Modulação

Se a portadora for uma onda senoidal, o sinal modulado mantém sua fase e sua freqüência inalteradas. As figuras a seguir ilustram o processo de Modulação em Amplitude (figuras para: sinal modulante, portador e modulado):

Sinal modulante Sinal da portadora Sinal modulado

e m ( t ) = E m • cos( W m • t ) e 0 (t ) = E 0 • cos( W 0 • t) e AM (t ) = [E0 + em (t )] • cos( W 0 • t )

Na figura seguinte podemos observar com mais clareza que o contorno (envoltório) da forma de onda do sinal modulado corresponde ao formato da onda modulante (que carrega a informação).

Resumindo, a Modulação nada mais é que a adequação de um sinal de informação (voz, por exemplo) para que este possa ser transmitido por um canal físico de comunicação (ex: o ar atmosférico). Isto é feito lançando-se mão de um sinal de alta freqüência chamado de portadora que interage com o sinal da informação formando o sinal modulado. No caso da modulação por amplitude isto ocorre quando o sinal modulador (que contém a informação) modifica a amplitude da portadora, de forma que a envoltória da mesma carregue a informação.

5.5 M0 =

Índice de Modulação A −B A +B

M0 =

Em (fórmulas para obtenção do índice) E0

Podemos obter o índice de modulação por dois métodos:

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Modulação

5.5.1 Pela Forma de Onda Medindo as amplitudes A e B indicadas no sinal modulado abaixo, podemos obter o índice de modulação, substituindo estes valores na fórmula dada acima:

5.5.2 Pelo Método do Trapézio Através da figura de Lissajour no osciloscópio, podemos gerar a figura do trapézio onde a base menor corresponde a amplitude B e a base maior a amplitude A. Da mesma forma, substitui-se então estes valores na fórmula dada anteriormente.

5.6

Influência do Índice de Modulação no Sinal Modulado ü ü ü

5.7

0 < Ma < 1: É a região mais comum para valores do índice de modulação, pois dificilmente E0 = Em. Ma = 1: É quando E0 = Em, tendo assim o aproveitamento máximo, sem distorção do sinal. Ma > 1: Causa uma grande distorção do sinal modulado, sendo impossível recuperar a informação por receptores, mais simples.

Análise dos Espectros

Uma análise muito importante para sinais de telecomunicações é a análise espectral. Isto é feito através de um analisador de espectros, que traça amplitudes em função da freqüência, ou seja, no eixo vertical temos a escala de amplitude e no horizontal a freqüência.

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Modulação

Vimos anteriormente que qualquer função periódica pode ser decomposta em uma soma infinita de senóides com freqüências múltiplas inteiras da freqüência do sinal. Assim, quando injetamos um sinal no analisador de espectros podemos observar esta composição.

Análise dos Espectros

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Tipos de Modulação

Tipos de Modulação

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Tipos de Modulação

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Tipos de Modulação

6

Tipos de Modulação

Em grande parte, o êxito de um sistema de comunicação para uma dada finalidade depende da modulação, de modo que o tipo de modulação é uma decisão fundamental em projetos de sistemas. Correspondentemente, muitas técnicas diferentes de modulação são utilizadas para satisfazer os diversos requisitos e especificações de um sistema. Quando surge uma nova especificação, novas técnicas são desenvolvidas. A despeito da grande variedade, é possível identificar dois tipos básicos de modulação de acordo com o tipo da onda portadora: ü ü

Modulação de onda contínua (CW), na qual a portadora é simplesmente uma onda senoidal, aplicada a sistemas de modulação analógica. Modulação por pulsos, na qual a portadora é um trem periódico de pulsos, aplicada na modulação codificada (digital).

A distinção entre analógico é a seguinte: Na modulação analógica o parâmetro modulado varia na proporção direta do sinal modulante. Já na modulação codificada uma transformação digital é realizada para que a mensagem seja convertida de uma linguagem simbólica para outra. Porém, independente do tipo, contínua ou pulsada, analógica ou codificada, a modulação deve ser um processo reversível, de modo que a mensagem possa ser recuperada no receptor (demodulação).

6.1

Modulação d e Portadora Senoidal (Modulação de Onda Contínua)

Sendo um processo contínuo, a modulação CW é obviamente conveniente para os sinais que estão variando continuamente com o tempo. Normalmente, a portadora co-senoidal possui uma freqüência muito maior do que qualquer um dos componentes de freqüência contidos no sinal modulante. O processo de modulação é, então, caracterizado por uma transladação em freqüência, isto é, o espectro (seu conteúdo de freqüências) da mensagem é deslocado para uma nova e maior banda de freqüências, então a modulação de portadora senoidal corresponde a alterar uma das três características de uma senóide, como mostra a expressão abaixo: Cp( t ) = Ep cos( Wpt + ∅ p)

onde: p Ep Wp Øp

è indica portadora è amplitude è freqüência angular è fase

Cada um desses parâmetros da senóide dão origem a sistemas de modulação distintos: ü ü ü

AM (Amplitude Modulation) – Modulação em Amplitude FM (Frequency Modulation) – Modulação em Freqüência PM (Phase Modulation) – Modulação em Fase

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6.2

Modulação em Amplitude

A Modulação em Amplitude (AM) na forma de chaveamento ON-OFF nos transmissores de rádio telegrafia é o mais antigo tipo de modulação. Hoje, a Modulação em Amplitude é largamente utilizada para aplicações analógicas de voz que se utilizam receptores simples (rádio difusão comercial, commercial broadcasting) e transmissores que, via ionosfera, alcançam grandes distâncias é que requerem largura de faixa estreita.

6.3

Modulação AM -DSB (Amplitude Modulation – Double Side Band)

A Modulação AM-DSB é a primeira mais simples e também a mais pobre das modulações existentes, pois ocupa uma banda mais larga para transmissão, além de um consumo de potência bem maior que nos posteriores. O sistema AM-DSB apresenta, no seu espectro de freqüências, três regiões: ü ü ü

Portadora (W0): não carrega-informação, sendo apenas uma parcela resultante deste processo de modulação; FLS: Faixa Lateral Superior (W 0 + W m ) – é a composição da portadora com a informação, formando o sinal modulado posicionado acima da freqüência da portadora (f0 + fm ); FLI: Faixa Lateral Inferior (W 0 – W m ) – é a composição da portadora com a informação, formando o sinal modulado posicionado abaixo da freqüência da portadora (f0 – fm ).

No caso da modulação analógica temos, decomposto em série de Fourier, a função do sinal AM: Ma E0 • cos(W0 + Wm )t Ma E0 • cos(W0 − Wm )t + 2 2 FLS − Faixa Lateral Superior FLI − Faixa Lateral Inferior

e( t) AM −DSB Portadora = E0 • cos w 0 t +

Podemos assim observar que, num sinal AM-DSB, temos a mesma informação sendo transmitida em duas faixas de freqüências distintas e ainda composto por um sinal de portadora sem nenhuma informação:

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6.3.1 Espectro de potência do sinal modulado AM -DSB É importante sabermos num sistema de transmissão qual é a potência gasta por este e o seu rendimento, ou seja, o quanto desta potência gasta é aproveitada. Sabemos que o espectro de magnitude do sinal AM-DSB é: Conceitos importantes: Pm =

( Vrms ) 2 R

Espectro de magnitudes do sinal AM -DSB

Vms =

Vpico 2

A potência para o AM-DSB é dada por: ma • E0 P= P=

2

E0

2

Ma • E0

2

2 2 2 2 2 2 + + R R R

(E0 )2 (M ) 2 1 + a ( w ) , que é a unidade de potência para um sistema AM-DSB. 2R 2

Temos então, ao lado,

Espectro de potências resultante do Sinal modulado AM -DSB

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Tipos de Modulação

O espectro de potência resultante, onde as amplitudes das potências correspondem às parcelas da primeira equação, dada acima. Podemos ainda colocar a equação de potência da portadora, já que: P0 =

(E0 )2 2R

Então, a equação de potência de AM-DSB fica: P = P0 1 +

(Ma )2 2

Sabemos ainda que o caso mais favorável para Modulação AM-DSB sem distorção é quando temos índice de modulação igual a 1 (Ma = 1), então temos a equação: PAM −DSB = (3 / 2 )P0

Observe que a potência total do sinal AM-DSB corresponde a uma vez e meia a potência da portadora, de forma que podemos concluir que para a transmissão só da portadora exigimos aproximadamente 67% da potência total gerada pelo transmissor. A fórmula para o cálculo do rendimento de transmissão para um sinal AM-DSB é dada por: η% =

(M a ) × 100 % 2 + (Ma )2

Calculando então o rendimento máximo do AM-DSB obtemos η% = 33%. Podemos perceber então que o modulador AM-DSB aproveita apenas 33% de sua potência para a transmissão da informação. Os outros 67% estão contidos na transmissão da portadora sem informação. 6.3.2 Circuitos Moduladores AM -DSB O processo de modulação translada de freqüências. Por isso, a resposta de um modulador contém freqüências diferentes das que estão presentes no sinal de entrada. Portanto é impossível produzir modulação usando-se sistemas lineares invariantes no tempo, devido à resposta desses sistemas não poder ter freqüências além das presentes no sinal de entrada. Entretanto, a modulação pode ser efetuada, usando sistemas lineares variantes no tempo (tais como os circuitos de comutação ou de chaveamento) ou circuitos que usam elementos não lineares. A não linearidade proporciona o verdadeiro mecanismo para a modulação. Um circuito modulador é responsável por gerar um sinal AM-DSB a partir de um sinal de informação e de uma onda portadora. 6.3.2.1

Modulador Síncrono a Diodo

Se princípio de funcionamento é baseado no fato que um sinal amostrado por uma chave do tipo "chave síncrona", gera uma série de harmônicos, que podem ser convenientemente recuperados por uma filtragem passa-faixa. A figura a seguir mostra um circuito que realiza a modulação

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síncrona AM-DSB (R1, R2 e R3 formam um somador resistivo enquanto o diodo D1 executa o papel de chave).

O funcionamento do modulador síncrono a diodo, é da seguinte forma, os sinais são somados em R1 e R2. O resistor R3 age como um divisor de tensão para que o sinal não seja aterrado. O D1 chaveia o sinal fazendo com que passe apenas um semiciclo, positivo ou negativo. O sinal passa por um filtro passa-faixa que repõe o sinal. O sinal é retirado pelo resistor R. As formas de onda nos pontos do circuito podem ser observadas abaixo:

6.3.2.2

Modulador Síncrono a Transistor

Seu princípio do funcionamento é idêntico ao modulador síncrono a diodo, a única diferença é que o chaveamento da portadora é agora feito pela junção base-emissor de um transistor. A figura a seguir mostra o circuito típico de um modulador síncrono a transistor:

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O funcionamento do modulador a transistor é da seguinte forma, o sinal é filtrado por C1, bloqueando o sinal DC. O transistor T1 funciona como o diodo, passando apenas um semiciclo (positivo ou negativo), a mistura do sinal é feita pela base e o emissor. Depois o sinal é reposto pelo filtro passa-faixa. O filtro passa-faixa, deixa passar somente a portadora e as faixas laterais. O transistor não é polarizado com nível DC propositadamente, pois o efeito de chaveamento só pode ser obtido se o transistor funcionar em estados de corte e condução, o que não seria possível se houvesse uma pré-polarização. Observe as formas de onda de alguns pontos do circuito:

Após a combinação dos dois sinais pode-se matematicamente (pela série de Fourier) e pelo Espectro de Amplitudes expressar o sinal modulado:

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Tipos de Modulação

C1 • E 0 C1 • E 0 cos 2w 0 t C 2 • E 0 cos w 0 t C 2 • E 0 cos 3w 0 t + + + + 2 2 2 2 C 3 • E 0 cos 3w 0 t C 2 • E 0 cos 3w 0 t C 4 • E 0 cos 3w 0 t C 4 • E0 cos3w 0 t C0 • Em cos3 w 0 t + + + + + 2 2 2 2 2 C1 • E m cos(w 0 + w m )t C1 • Em cos(w 0 + w m )t C2 • Em cos(2w 0 + w m )t C 2 • E m cos(2w 0 + w m )t + + + + 2 2 2 2 C 3 • E m cos(3 w 0 + w m )t C3 • Em cos(3w 0 + w m )t C 4 • Em cos(4 w 0 + w m )t C 4 • E m cos(4w 0 + w m )t + + + 2 2 2 2

e( t) = C 0 • cos 2w 0 t +

Onde, C1, C2, C3, C4, ... são constantes matemáticas. O valor de C1, após filtrado, é equivalente ao Ma (índice de modulação).

Espectro de Amplitude do Modulador Síncrono a Transistor

6.3.2.3

Modulador Quadrático a Transistor

Seu princípio de funcionamento baseia-se no aproveitamento da região quadrática da curva característica de entrada de um transistor em emissor comum, eu é exponencial. A figura a seguir mostra tal princípio.

Espectro do Modulador Quadrático a Transistor

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Tipos de Modulação

Se a polarização for feita de tal maneira que possamos aproximar o trecho exponencial para uma parábola, estaremos criando um modulador quadrático. O modelo matemático que comprova o funcionamento desse circuito como modulador AM-DSB, polarizando o transistor em região quadrática e considerando VBE = e0(t) + em (t), apresenta como resultados o espectro da corrente de coletor: Matematicamente, temos a expressão em Série de Fourier abaixo: i e ( t ) = a + b • E 0 cos wmm • t +

b • E m cos w m • t c • E0 2 + c • E0 2 cos 2 w m • t + + 2 2

2 • c • E0 • E m cos(w 0 + wm )t 2 • c • E0 • Em cos(w 0 + w m )t c • Em + c • E m cos 2 w m • t + + 2 2 2 2

2

Onde a, b e c são constantes numéricas. Observe que, após a passagem do filtro passa-faixa, temos no Espectro de Amplitudes apenas as duas faixas laterais e a portadora. Podemos encarar que: c=

6.4

Ma 2 + Em

Modulação AM -DSBISC (Double Side Band With Supressed Carrier)

É um tipo de modulação empregada quando se deseja melhorar a eficiência do transmissor. Isso é obtido pela supressão da portadora de um sinal AM. A eliminação da portadora é responsável por 2/3 da potência irradiada por um transmissor de AM. A eliminação da portadora é justificada teoricamente pelo fato de que ela é invariável, ou seja, não sofre nenhuma influência do sinal modulante. Dessa maneira, é possível a criação de uma portadora, substituta no local de recepção. Embora não seja um processo simples, essa possibilidade viabiliza um sistema de comunicação em AM com a portadora suprimida. A obtenção desse sinal se baseia na propriedade trigonométrica de que um produto entre duas cossenoides gera outro par de cossenoides, com freqüências da soma e da diferença entre as freqüências das cossenoides originais. Assim, para o AM-DSB/SC, tem-se: e AM −DSB ( t ) = K • e m ( t ) • e 0 (t ) K = constante numérica do circuito modulador e m ( t) = Sinal modulante e 0 (t ) = Sinal da portadora Fazendo-se: e m ( t ) = Em • cos w m t e 0 (t ) = E0 • cos w 0 t Tem-se: e AM −DSB / SC ( t ) = K • E m • cos w m t • E 0 • cos w 0 t = K • E m • E 0 cos w 0 t • cos w m t

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Tipos de Modulação

Da trigonometria, tem-se: cos a • cos b = 1/ 2 cos (a − b) + 1/ 2 cos (a + b) Substituindo na expressão, tem-se: e AM −DSB / SC ( t ) = K • Em • E 0 [1/ 2 cos ( w 0 − w m )t + 1/ 2 cos ( w 0 + w m )t] e AM −DSB / SC ( t ) = 1/ 2 [K • E m • E0 cos ( w 0 − w m )t + K • Em • E 0 cos ( w 0 + w m )t Que é a expressão geral para o AM-DSB/SC. 6.4.1 Análise das Formas de Onda e dos Espectros de Amplitude Sinal Modulante

Sinal da Portadora

Sinal Modulado em AM -DSB/SC

Observe que o sinal modulado em AM-DSB/SC apresenta uma inversão de fase no sinal a cada passagem por zero. Desta forma podemos verificar que a forma de onda de um sinal AM-DSB é diferente de AM-DSB/SC. Isto posteriormente trará implicações para o processo de demodulação do sinal, que será visto mais adiante. Kit Didático de Telecomunicações – Teoria

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6.4.2 Potência no Sinal AM -DSB/SC No sinal AM-DSB tínhamos três parcelas de potência, agora, no AM-DSB/SC, a parcela correspondente a portadora deixa de existir, de forma que a potência total gasta para a modulação é menor, pois corresponde apenas as faixas laterais que contêm a informação modulada: PAM −SDB / SC = M a 2 • M 0 2 / 4R

O espectro de Potências fica então resumido a: Onde: K • E m = Ma

Espectro de Potências do Sinal AM/DSB

6.4.3 Moduladores AM -DSB/SC 6.4.3.1

Modulador Quadrático

O esquema básico é mostrado a seguir, sendo que o funcionamento é o mesmo de dois moduladores quadráticos acoplados de forma conveniente, com um circuito tanque LC (circuito repositor de energia), na saída, a fim de recuperar uma determinada parte do espectro. O principio de funcionamento é idêntico ao do modulador quadrático AM-DSB, com uma única diferença: como os capacitores C1 e C2 apresentam impedância desprezível para sinais alternados, temos tensões VBE nos transistores T1 e T2 proporcionais, não somente a soma, mas também a diferença entre eo(t) e em(t), ou seja: VBE1 = e 0 (t ) + em (t ) VBE1 = e 0 (t ) − e m ( t )

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O funcionamento do modulador quadrático é o seguinte: os sinais são misturados através de um acoplamento de bobinas, depois o sinal é amplificado pelos transistores T1 e T2 separadamente (T1 para positivo e T2 para negativo). Esse sinal é filtrado pelo capacitor C3 e o indutor L, que filtrarão o sinal individualmente, ou seja, o positivo separado do negativo. A filtragem dessa forma será feita pelo Vcc ligado no L. Os transistores são polarizados com divisor de tensão na base e emissor comum. Polarizando os transistores na porção quadrática da curva, tem-se: ic 1 = a + b • Vbe1 + c • Vbe12 ic 1 = a + b • [e 0 (t ) + e m ( t)] + c • [e 0 (t ) + em (t )] 2 ic 2 = a + b • Vbe2 + c • Vbe 2 2 ic 2 = a + b • [e 0 (t ) + e m ( t)] + c • [e 0 (t ) + em (t )] 2 Observação: a, b e c são constantes matemáticas. No primário do transformador de saída tem-se ic 1 = ic 2, então: i = a + b • [e 0 (t ) + e m (t )] + c • [ e 0 ( t ) + em (t )]2 − a − b • [e 0 (t ) − e m ( t )] − c • [e 0 (t ) + em (t )] 2 i = b • c 0 ( t ) + b • e m ( t) + c • e 0 (t )2 + c • e m ( t ) + 2c • e 0 (t ) • em (t ) − b • e0(t ) + b • em (t ) + c • e0( t )2 − c • em(t ) 2 + 2c • e0 ( t ) • e m ( t) i = 2 • b • e m ( t) + 4 • c • e 0 (t ) • em (t ) i = 2 • b • E m • cos(w m t) + 4 • c • E0 • cos(w m (t ) • Em • cos(w m t ) Da trigonometria tem-se: cos α • cos β = 1/ 2 cos (α + β) + 1/ 2 cos ( α − β) Assim, temos a expressão geral para a corrente no indutor L:

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l = 2 • b • E m • cos( w m t) + 4 • c • E m • E 0 cos( w 0 + w m )t + 4 • c • E m • E 0 cos( w 0 + w m )t

O espectro de amplitudes fica então:

Espectro de Amplitudes do Modulador Quadrático

6.4.3.2

Modulador em Ponte (Síncrono)

A figura a seguir mostra um outro tipo de modulador AM-DSB/SC e o modulador em ponte, neste permitindo ou não a passagem do sinal modulante, que vai excitar o circuito LC.

Quando a portadora polariza diretamente os diodos da ponte, o sinal de informação é aterrado. Se a portadora polariza os diodos de maneira reversa, o sinaI de áudio não encontra obstáculos e vai excitar o circuito sintonizado composto por L e C2. É interessante observar que, neste caso, o perfeito casamento entre os diodos dará a rejeição de portadora do circuito, pois a cada passagem por zero do sinal modulante existe uma inversão de fase de 180° do sinal modulado em relação à portadora. Se os diodos não forem perfeitamente iguais, haverá um "resíduo de portadora". De qualquer maneira, consegue-se índices de supressão da portadora muito bons com o modulador em ponte pela facilidade de encontrar componentes cujas características sejam semelhantes. O funcionamento do modulador síncrono é o seguinte, o sinal modulante da entrada e filtrado pelo C, bloqueando o sinal DC. Esse sinal é mixado e modulado pelo sinal da portadora por uma ponte de diodos. Depois ele é filtrado por um filtro passa-faixa, que é o C2 e o L, o sinal é retirado através do acoplamento indutivo. A seguir, mostramos as formas de onda rios principais pontos: Página 42 de 82

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6.5

Modulação SSB (Single Side Band – Faixa Lateral Única)

Esse termo refere-se a principal característica desse sistema, ou seja, a de transmitir somente uma das faixas laterais pelo processo de Modulação em Amplitude com supressão da portadora. Este sistema de modulação é um avanço com relação ao AM-DSB/SC (que dele se originou, como seria de se esperar). Devido à existência de duas faixas laterais (DSB/SC~FLS e FLI), existem dois modos de se emitir um sinal SSB: Faixa Lateral Superior (USB – Upper Sideband) ou Faixa Lateral Inferior (LSB – Lower Sideband). A principal necessidade da criação do SSB foi a de se encontrar um sistema que ocupasse a menor faixa possível do espectro e aproveitasse melhor a potência de transmissão. Aliando tudo isso ao fato de que seria necessário um sistema de recepção mais eficiente que o AM-DSB/SC, a primeira idéia foi aproveitar o sistema AM-DSB/SC para gerar um outro que ao invés de duas bandas laterais, tivesse só uma, pois a informação contida nessa banda seria exatamente a mesma que nas suas do outro sistema. O diagrama de blocos abaixo ilustra o princípio da modulação SSB:

Diagrama de blocos do princípio de modulação SSB

Estudos feitos pelos laboratórios da Bell Telephone Co. revelaram que a voz humana tem grau de inteligibilidade superior a 99% se restringirmos sua faixa de freqüências para a região entre 300 Hz e 4 KHz. Desta forma podemos reduzir em 80% a faixa de áudio ocupada, já que anteriormente considerávamos o sinal de áudio variando de 0 a 20 KHz. Kit Didático de Telecomunicações – Teoria

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A partir da figura anterior podemos então retirar a banda lateral inferior (filtragem passa-faixa) para gerar o AM-SSB/USB, ou então retirar a faixa lateral superior para gerar o AM-SSB/LSB. A retirada da banda lateral (corte) deve ser feita de forma bastante criteriosa, pois o filtro passafaixas deve ter um fator, de qualidade e um fator de forma suficiente para atuar dentro de um intervalo de 600 (Hz) (separação entre as duas bandas laterais) o filtro deve ter uma rejeição de pelo menos 40 (dB) para a faixa não desejada. O único inconveniente nesse modulador proposto é que, devido às limitações de oscilação dos discos ressonantes do filtro mecânico, o limite de aplicação é de aproximadamente 1 MHz. Porém, grande parte do uso do SSB está entre 3 MHz e 30 MHz HF (Rádio-amadorismo), merecendo especial atenção à faixa do cidadão, dos 26,48 MHz ao 28 MHz cuja penetração, popular nas transmissões ponto-a-ponto, é grande em todo o mundo. Sendo assim, somente o filtro mecânico para um sinal modulado AM-DSB/SC não é suficiente para gerar um sinal AM-SSB com aplicação prática (faixa HF – 3 a 30 MHz – rádio-amadorismo), em função da limitação de freqüência que irá ocorrer. Em vista desse inconveniente, foi adotada uma conversão de freqüência após a primeira modulação conforme mostra a figura a seguir:

Conversão de freqüência após a primeira modulação do Modulador SSB

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As figuras a seguir mostram os principais espectros ao longo do modulador AM-SSB, quando o sinal modulante é uma informação de áudio.

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Demoduladores AM

Demoduladores AM

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Demoduladores AM

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Demoduladores AM

7

Demoduladores AM

Abordaremos agora, separadamente, os diferentes tipos de demoduladores existentes para o sistema AM, permitindo verificar e comparar seus princípios.

7.1

Demodulador AM -DSB (Detetor de Envoltória)

É aquele que recupera o sinal modulador, fazendo com que o sinal de saída percorra a envoltória do sinal modulado (a figura abaixo mostra tal detector). Para o ciclo positivo do sinal de entrada o capacitor carrega ao valor de pico. Quando o sinal de entrada começa a decrescer do valor de pico o diodo estará cortado, pois a tensão nó capacitor será maior que a tensão de entrada. Nessas condições o capacitor se descarrega com a constante de tempo RC, quando a tensão do capacitor for novamente menor que a tensão de entrada o diodo recomeça a conduzir. Para o bom funcionamento do detector, a constante de tempo RC deve ser ajustada de maneira que a carga e a descarga do capacitor acompanhem a envoltória do sinal modulado.

O detector de envoltória é muito simples e é usado quase que -universalmente para a detecção de sinais AM. Todos os receptores comerciais AM são compostos por detectores de envoltória.

7.2

Demodulador AM -DSB/SC

Em vista da supressão da portadora quando da Modulação AM-DSB/SC, fica impossível fazer a demodulação com um circuito tão simples quanto um detector de envoltória. Observe o sinal modulado em AM-DSB/SC abaixo:

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Demoduladores AM

O sinal modulado em AM-DSB/SC carrega a informação do sinal modulante por todo o sinal. Desta forma seria impossível recupera-lo através de um modulador AM-DSB convencional, já que o mesmo elimina um dos semicicios do sinal e assim, ao demodulá-lo, o sinal ficaria destorcido (lembrando que existe uma inversão de fase a cada passagem por zero do sinal modulado). A solução encontrada, foi reinjetar na recepção uma portadora de mesma fase e mesma freqüência que aquela suprimida na modulação, fazendo a seguir seu produto pelo sinal modulado recebido e uma posterior filtragem do sinal de informação, como mostra á figura a seguir:

Demodulação AM -DSB/SC

Na figura abaixo temos um circuito demodulador AM-DSB/SC usando diodo em ponte, com um filtro passa-baixas kC na saída.

Pode-se perceber que os circuitos usados na Demodulação AM-DSB/SC só diferem dos circuitos moduladores no que diz respeito à filtragem, pois os dois tipos de circuito realizam um produto, desta forma, podemos usar na recepção AM-DSB/SC os mesmos circuitos geradores de produto síncrono da modulação, trocando apenas o filtro passa-faixas da saída para um filtro passabaixas.

O sinal do oscilador local tem que estar em perfeito sincronismo de fase e freqüência com o sinal modulado, fazendo com que, quando os diodos conduzirem, o sinal no ponto [A] seja nulo, e

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Demoduladores AM

quando os diodos estiverem cortados obteremos o sinal modulado no filtro passa-baixas, resultando o sinal recuperado. Como a portadora foi suprimida na modulação (modulador balanceado), na recepção (demodulação) é necessário a geração com sincronismo de fase e freqüência entre o sinal do oscilador local e a portadora que foi suprimida na modulação, caso contrário recuperaremos um sinal totalmente distorcido.

7.3

Demodulador AM -SSB

Exatamente como no AM-DSB/SC a demodulação do sinal AM-SSB é feita reinjetando-se a portadora ao sinal recebido, em seguida faz-se o produto dos sinais e uma posterior filtragem passa-baixa, conforme mostra a figura a seguir:

Demodulador AM -SSB

Repare que a diferença entre o demodulador AM-DSB/SC e o SSB está apenas no fato do sinal reinjetado ser agora a soma das freqüências da subportadora fs com a portadora fo. Normalmente, os receptores SSB são utilizados em comunicação profissional ou comercial, onde existe um grande número de receptores para rádio amadorismo. Estes receptores são requeridos para demodular sinais em condições difíceis e em faixas de freqüências saturadas. Para isso os receptores SSB devem ter como características: ü ü ü ü ü

Confiabilidade de operação (e manutenção simples), pois estes receptores irão ser operados continuamente; Excelente supressão de sinais adjacentes; Boa forma (equipamentos portáteis, instalação em veículos, por exemplo); Alta relação sinal-ruído; Habilidade para separar canais independentes (receptores que recebem USB ou LSB).

A seguir temos um modelo de demodulador balanceado a diodo. Este é um exemplo de circuito usado em receptores portáteis onde se exige circuitos compactos para diminuir peso e consumo:

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Demoduladores AM

Para um demodulador AM-DSB simples (detector de envoltória) torna-se impossível recuperar sinais modulados em. AM-DSB/SC ou SSB, pois, recuperando-se somente um dos semiciclos (positivo ou negativo) do sinal modulado, perde-se metade a informação, já que o sinal modulante está embutido. por toda excursão do sinal modulado (semiciclos positivo e negativo). Desta forma o sinal recuperado fica distorcido.

7.4

Conversão de Freqüências

Em comunicações é muito comum ter-se uma determinada informação contida em torno de uma certa freqüência f1 e desejar-se ter essa mesma informação em torno de outra freqüência f2. Tal é o caso dos receptores pára grandes intervalos de freqüência, nos quais todo o sinal em uma dada freqüência de portadora f0 é convertido para a freqüência intermediária f1. Isto ocorre em receptores AM, FM e receptores de televisão. Também é o que ocorre com repetidores que recebem o sinal modulado em uma. dada freqüência e o retransmitem em outra freqüência.

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Modulação em Freqüência

Modulação em Freqüência

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Modulação em Freqüência

8

Modulação em Freqüência

Cada modulação de baixa freqüência pode fazer variar proporcionalmente a amplitude de um sinal senoidal de freqüência mais alta (portadora) dando origem à Modulação em Amplitude. Também se pode pensar em variar não a amplitude instantânea da portadora, mas sim a sua freqüência instantânea. Neste caso obtém-se a chamada freqüência modulada (FM). A modulação em freqüência consiste em se variar à freqüência instantânea proporcionalmente a um sinal a(t) de freqüência bem mais baixa que a da portadora

8.1

Modulador de FM (Digital)

Os sinais modulados em Amplitude AMDSB, geralmente tem muitos ruídos e interferências junto das informações. O Sistema de transmissão de freqüência modulada surgiu com a idéia de se criar um sistema de transmissão imune à interferência, esse sistema envia informações variando a freqüência da portadora em função do sinal de áudio aplicado ao modulador. São dois os tipos de modulação de FM, a de modulação de faixa estreita (FMFE) e modulação de Faixa Larga (FMFL).

8.1.1 Transmissão de FM de Faixa Estreita (FMFE) Consiste em transmitir sinais que limitam o índice de modulação restrita na faixa de áudio. Apenas um par de bandas laterais, são transmitidas no espectro da faixa. Essas bandas correspondem à subtração e soma do sinal de áudio da onda portadora. A modulação FM produz desvio na freqüência, mas produz também índice de Modulação em Amplitude, mas isso não prejudica a recepção, pois no circuito demodulador do receptor há uri circuito limitador que nivela o sinal mantendo a amplitude constante. 8.1.2 Transmissão de FM de Faixa Larga (FMFL) Transmite sinais estereofônicos modulados em AMDSB de portadora suprimida. As faixas de FMFL são compostas de vários sinais modulantes multiplexados, sendo compostas de sinal de áudio, um sinal piloto e os canais estereofônicos correspondentes ao sinal de áudio do canal esquerdo e direito de um sistema estereofônico. Pode-se ainda transmitir sinal multiplexado de canais especiais no mesmo espectro da faixa de FMFL.

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Modulação em Freqüência

8.2

Modulador de FM com Multivibrador

Os circuitos multivibradores são circuitos que apresentam dois estados lógicos, 1 ou 0. Os circuitos multivibradores devem apresentar as seguintes condições: Astável, biestável e monoestável. Durante as mudanças de estados de operação, as tensões dos coletores variam entre um valor máximo e um valor mínimo. Este circuito apresenta estados instáveis, ou seja, o seu estado lógico alternam continuamente fornecendo um sinal.

8.3

Largura de Faixa Ocupada pelo Sinal FM

Um sinal modulado em FM tem sua largura de faixa (B) calculada em função do número de bandas laterais, que se concentram ao redor da portadora, resultando, de uma maneira geral: B = 2 • n • fm

Onde n é o número de bandas laterais para cada lado da portadora e fm é a freqüência do sinal modulaste. Para limitar a largura de faixa, fazemos η = β + 1. Então: B = 2 • (β + 1) • fm

A equação dada a baixo relaciona a largura de faixa ocupada por um sinal modulado FM com a freqüência do sinal modulante e o desvio por ele provocado na freqüência. da portadora. B = 2 • ( ∆ f + fm )

8.4

Circuitos Moduladores FM

Existem, basicamente, dois métodos de se obter um sinal modulado em freqüência. Um deles age diretamente sobre a freqüência de ressonância de um circuito oscilador e o outro método, indireto, é exatamente o sistema Armstrong de obtenção de sinal FM de faixa estreita, seguido de freqüência e heterodinação. Uma terceira alternativa, bastante aproveitada, é a geração do sinal FM a partir de um PFM (Modulação em Freqüência de Pulso), o que não deixa de ser uma forma indireta, mas é normalmente conhecido como Método Digital.

8.5

Modulação FM pelo Método Direto

No princípio do desenvolvimento da modulação em freqüência, o uso da variação da transcondutância de uma válvula, fazendo com que ela apresente uma reatância capacitiva equivalente proporcional ao sinal modulante, foi algo bastante difundido, o que caracterizou o Modulador por Válvula de Reatância. Com a evolução tecnológica no campo dos dispositivos semicondutores, o processo mais prático passou a ser a modulação FM com osciladores controlados por Diodo Varactores, ou simplesmente Varicap. Um varicap, é um diodo dopado de uma forma tal que, ao ser polarizado reversamente, faz com que a região de depleção de sua junção PN varie. A região de depleção pode ser considerada um dielétrico que separa dois eletrodos, entre os quais há uma diferença de potencial. Isto caracteriza a existência de uma capacitância, que aumenta com a diminuição de região de depleção e viceversa. Como a região de depleção de uma junção PN tem sua largura diretamente proporcional à tensão reversa aplicada na junção, surge a curva característica de tensão x capacitância para o varicap.

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Modulação em Freqüência

Varicap é um Oscilador Hartley, o divisor de tensão é o responsável para polarizar reversamente o varicap. O varicap é o responsável pela modulação do sinal, devido à variação da tensão injetada nos seus pólos, fazendo variar a capacitância, e variando a freqüência na mesma proporção.

8.6

Modulação FM pelo Método Digital

Este método baseia-se na filtragem da componente fundamental de uma onda quadrada modulada em freqüência. Para iniciar o estudo deste método é necessário saber alguns conceitos sobre multivibrador astável e sobre a carga de um capacitor.

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Modulação em Freqüência

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Circuitos Demoduladores FM

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Circuitos Demoduladores FM

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Circuitos Demoduladores FM

9 9.1

Circuitos Demoduladores FM Detetor de Inclinação

O método mais simples para recuperar a informação contida em um sinal modulado em freqüência é o aproveitamento da inclinação praticamente linear da região não-ressonante de um circuito sintonizado. Assim, convertemos o FM em AM e recuperamos a envoltória da forma convencional como é realizada em AM.

9.2

Detetor de Inclinação Balanceado

Este demodulador é composto por dois detectores de inclinação montados de forma simétrica e alimentados por um transformador com derivação central, de maneira a termos na saída a diferença entre as tensões de cada um dos detectores de envoltória.

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Modulação PWM (Modulação por Largura de Pulso)

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Modulação PWM (Modulação por Largura de Pulso)

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Modulação PWM (Modulação por Largura de Pulso)

10 Modulação PWM (Modulação por Largura de Pulso) Uma outra forma de modulação por pulsos para solucionaras interferências de sinais em amplitude é o emprego do sistema de modulação pulsados por largura de pulso. Nesse sistema de modulação, as variações de amostragem dos pulsos ocorrem na largura dos pulsos, cuja duração depende diretamente da proporção da amplitude do sinal de amostragem. Este sistema de modulação possui vantagem em relação ao sistema PAM por ser menos sensível a ruídos, da mesma forma que ocorre numa modulação de FM em relação a AM. A modulação por largura do pulso pode ser feita de três formas distintas: ü ü ü

Modulação por desvio de borda direita; Modulação por desvio de borda esquerda; Modulação por desvio simétrico.

A largura máxima do pulso não deveria ser limitada para ultrapassar o limite do pulso vizinho, quando as variáveis em questão são multiplexadas. A modulação por largura de pulso consiste em somar à função, uma onda triangular ou dente de serra de borda única ou simétrica a uma onda modulante e gerar uma onda quadrada relativa a sua soma. O circuito modulador pode ser feito de circuito discreto a partir de transistores ou amplificadores operacionais. Um circuito PWM mais complexo pode ser encontrado em circuitos integrados. Os circuitos Moduladores PWM são utilizados nas áreas de telecomunicações, sistemas de automação na indústria, fontes chaveadas de potência etc. Nesse tipo de modulação tanto o período, quanto à amplitude, são mantidos constantes e varia-se a largura proporcionalmente à amplitude do sinal modulador. O PWM também é utilizado em controle chaveado, que apresenta algumas vantagens sobre o controle analógico convencional.

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Modulação PAM (Pulse-Amplitude-Modulation)

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Modulação PAM (Pulse-Amplitude-Modulation)

11 Modulação PAM (Pulse-Amplitude-Modulation) Consiste em modulas pulsos retangulares onde alguma característica do pulso varia proporcionalmente ao sinal modulador e a largura e o período são mantidos constantes. A modulação PAM pode ser um passo intermediário na,obtenção dó AM. Entretanto no AM, o sinal é passado através de um FPF, limitando o seu espectro, ao passo que o PAM, em princípio, apresenta o seu espectro ilimitado. Pode-se destacar dois tipos de PAM, a amostragem natural e a amostragem simultânea. Na amostragem natural o topo do pulso acompanha as variações do sinal modulador durante todo o intervalo, ao passo que na amostragem instantânea o formato do pulso se mantêm inalterado.

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Modulação PPM (Pulse-Position-Modulation)

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Modulação PPM (Pulse-Position-Modulation)

12 Modulação PPM (Pulse-Position-Modulation) Suponha um tipo de modulação de pulso onde a amplitude e a largura são mantidas constantes e a modulação se traduzirá no deslocamento do pulso em relação à sua posição original. Este tipo de modulação é a chamada de posição de pulso.

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Modulação Codificada de Pulso (PCM)

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Modulação Codificada de Pulso (PCM)

13 Modulação Codificada de Pulso (PCM) Existem, na codificação PCM, algumas etapas as quais são preciso passar: Amostragem – Nesta etapa o sinal analógico é amostrado seguindo o teorema de amostragem. Quantização – Nesta fase a cada amostra do sinal analógico, é associado um nível de quantização. Codificação – Após a etapa de quantização, segue-se esta etapa. A codificação mais elementar é a binária. A etapa de codificação tem por finalidade transformar aquela informação de N bits em paralelo, em uma informação série de N bits, em uma dada ordem pré-estabelecida, além de incorporar um sinal de sincronismo de forma a poder referenciar o decodificador. A esta altura é fácil perceber que o sinal transmitido apresenta um certo erro em relação ao sinal original. Este erro é o erro da quantização, o qual é tanto menor quanto maior for o N.

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Decodificação PCM

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Decodificação PCM

14 decodificação PCM Como se sabe para se realizar a codificação de um sinal em PCM, é preciso seguir algumas etapas, a Amostragem, Quantização, Codificação e Conversão paralelo/série dos dados digitais. Esta codificação se resume em transformar um sinal continuamente variável no tempo, com um número infinito de níveis de tensão, em um sinal variável discretamente no tempo, com um número finito (número de níveis de quantização) de níveis de tensão. Em seguida este sinal é transformado em uma série de números os quais são transmitidos seqüencialmente no tempo. O receptor recebe esta seqüência de números e a transforma em uma tensão correspondente aquela tensão variável. Esta tensão é o sinal decodificado. Para se conseguir a decodificação basta raciocinar-se basicamente no sentido oposto do raciocínio envolvendo a codificação.

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