Modulação AM e FM

Modulação AM e FM

Modulação AM e FM

Explicação sobre as modulações analógicas presentes em radiofrequências tais como CW,AM,SSB,FM,FSK.

Sidney Pereira da Silva 12/3/2011

Modulação AM e FM

Modulação é o processo através do qual voz, música, e outro sinal "inteligível" são adicionados às ondas de rádio produzidas por um transmissor. Os diferentes métodos de modular um sinal de radio são chamados de modos. Um sinal de radio não modulado é conhecido como portadora. Quando se escuta uma lacuna entre músicas ou anúncios em uma estação de rádio, na realidade, está se "escutando" a portadora. Enquanto a portadora não contém nenhuma mensagem, pode-se dizer que está sendo transmitida porque anula a ruído de fundo no seu radio.

Por definição, a modulação é a variação de um parâmetro de uma onda portadora senoidal, de maneira linearmente proporcional ao valor instantâneo do sinal modulante ou informação. Por sua vez, a portadora é a onda senoidal que, pela modulação de um dos seus parâmetros, permite a transposição espectral da informação (ou sinal modulante ). Devido a portadora senoidal ter três parâmetros: Amplitude, Frequência e Fase, existem três formas básicas de modulação : Modulação em Amplitude ( AM ), modulação em frequência ( FM ) e modulação em fase ( PM Phase Modulation).

Para visualizarmos melhor os conceitos apresentados, podemos observar na figura abaixo a forma de onda senoidal que consiste a portadora :

Os diferentes modos de modulação têm suas vantagens e vantagens. Aqui está apresentado um breve resumo.

(CW ) Continuous Wave

CW ( Onda Contínua ) é a mais simples forma de modulação. A saída do transmissor é chaveada ligada e desligada, tipicamente para formar os caracteres do código Morse.

Os transmissores de CW são simples e baratos, e o sinal CW transmitido não ocupa muito espaço em frequência ( geralmente, menos que 500 Hz ). Entretanto, os sinais de CW serão difíceis de serem ouvidos em um receptor normal; você irá ouvir apenas um rápido e fraco período onde o ruído de fundo se torna quito conforme os sinais CW são transmitidos. Para superar este problema, os receptores de radio amadores e de ondas curtas incluem um circuito oscilador de frequência de batimento ( BFO - beta frequency oscillator ). O circuito BFO produz uma segunda portadora gerada internamente que "bate" contra o sinal CW recebido, produzindo um tom que se liga e desliga junto com o sinal CW recebido. Isto é como os sinais de código Morse são recebidos nas ondas curtas.

(AM) Amplitude Modulation.

Em AM - Amplitude Modulada - a força ( amplitude ) da portadora de um transmissor é variada conforme a modulação do sinal varia.

Quando se fala no microfone de um transmissor AM, o microfone converte a voz em tensão ( voltagem ) variada. Esta voltagem é amplificada e então usada para variar a potencia da saída do transmissor. A amplitude modulada adiciona potencia a portadora, com a quantidade adicionada sendo dependente da intensidade da voltagem de modulação.

Podemos visualizar este processo observando a figura abaixo, que demonstra como a amplitude da portadora está sendo variada para transportar o sinal :

Na figura abaixo, é demonstrado o sinal da portadora e o sinal a ser enviado ( sinal modulador ), e o resultado final que é o sinal AM :

A amplitude modulada resulta em três frequências separadas sendo transmitidas : a frequência da portadora original, uma banda lateral inferior ( LSB - lower side band ) abaixo da frequência da portadora, e uma banda lateral superior ( USB - upper side band ) acima da frequência da portadora. As bandas laterais são "imagens espelhadas" de cada uma e contem a mesma mensagem. Quando o sinal AM é recebido, estas frequências são combinada para produzir os sons que ouvimos.

Na figura abaixo, podemos visualizar os componentes do sinal modulado em relação à frequência :

Cada banda lateral ocupa o mesmo espaço de frequência que a mais alta frequência de áudio que está sendo transmitida. Se a mais alta frequência de áudio que está sendo transmitida é de 5 kHz, então o espaço total de frequência ocupado por um sinal AM será de 10 kHz ( a portadora ocupa espaço desprezível ). O espaço ocupado pela transmissão no caso será maior quando mais alta for a frequência do áudio aplicado a portadora (mais agudo) Para que uma emissora de AM não interfira em outra e caiba assim mais emissoras no ar, o limite de modulação delas é de 5 KHZ,(as emissoras são separadas a 10 KHZ) sendo assim os sons mais agudos são atenuados

O AM tem a vantagem de ser fácil de ser produzido em um transmissor e os receptores AM são simples em projeto. Sua principal desvantagem é sua ineficiência. Aproximadamente dois terços da potencia de um sinal AM é concentrada na portadora, a qual não contem "informação". Um terço da potencia está dentro das bandas laterais, as quais contem a informação do sinal. Considerando que as bandas laterais contem a mesma informação, entretanto, uma é essencialmente "desperdiçada". Da potencia total de saída de um transmissor AM, apenas aproximadamente um sexto é realmente produtiva, saída utilizável!

Outra desvantagem do AM sua suscetibilidade à estática e outras formas de ruído elétrico. Afora isto, o AM é simples de sintonizar em receptores ordinários, e isto é o porquê de ser utilizado em toda radio difusão de ondas curtas e médias.

SSB Single Side Band

Desde que tanta potencia é gasta em AM, os engenheiros de radio vislumbraram um método para transmitir apenas uma banda lateral e colocar toda a potencia do transmissor em enviar inteligência utilizável. Este método é conhecido como banda lateral única ( SSB - single side band ). Nos transmissores SSB, a portadora e uma banda lateral são removidas antes do sinal ser amplificado. Tanto a banda lateral superior (USB) como a banda lateral inferior (LSB) do sinal AM original pode ser transmitida.

SSB é um modo muito mais eficiente que o AM devido a toda potencia do transmissor ser direcionada em transmitir a mensagem. (o SSB vai mais longe) Um sinal SSB também ocupa em torno de apenas metade do espaço de frequência de um sinal AM comparável podendo assim ter mais emissoras no ar. Entretanto, os transmissores e receptores SSB são mais complicados que aqueles destinados a AM. Na realidade, um sinal SSB não pode ser recebido de forma inteligível em um radio AM. Se sintonizarmos um ssb em um rádio am o que ouviremos são vozes distorcidas, emboladas, sem entendermos nada. Isto é porque a portadora do sinal AM de fato tem um papel maior na demodulaçào (isto é, recuperar o áudio transmitido) das bandas laterais do sinal AM. Para demodular com sucesso um sinal SSB, é necessário uma "portadora substituta".

A portadora substituta pode ser suprida através do circuito BFO usado para receber sinais CW. Entretanto, isto significa que o sinal SSB deve ser cuidadosamente sintonizado para precisamente "bater" contra a portadora substituta do BFO. Para melhor desempenho, um receptor SSB requer sintonia mais precisa e estável que um receptor AM, e precisa ser sintonizado com mais cuidado que um receptor AM. Mesmo quando precisamente sintonizado, o áudio de um sinal SSB tem menor fidelidade que o AM (a voz fica afinada ou engrossada, metalizada, nunca igual à voz original não impedindo no entanto a compreensão da mensagem) só não servindo no caso para transmissão de música e consequentemente radiodifusão.

O SSB é usado principalmente por operadores de radio amadores, serviços militares, marítimos e aeronáuticos, e outras situações onde operadores habilidosos e equipamentos receptores de qualidade são comuns.

(FM) Frequency Modulation

Em CW, AM e SSB, a frequência a portadora do sinal não irá mudar em um transmissor operando normalmente. Entretanto, é possível modular um sinal através da mudança de sua frequência de acordo com o sinal modulado. Esta é a ideia atrás da FM - frequência modulada.

A frequência não modulada de um sinal FM é chamada de frequência central. Quando um sinal modulado é aplicado, a frequência do transmissor de FM irá ondular acima e abaixo da frequência central conforme o sinal modulado. A quantidade de "ondulação" dentro da frequência transmitida em qualquer direção acima ou abaixo da frequência central é chamada de desvio. O espaço de frequência total ocupado por um sinal de FM é o dobro de seu desvio.

Como você pode suspeitar, o sinal FM ocupa um grande espaço de frequência. O desvio de uma emissora de FM é 75 kHz, para um espaço total de frequência de 150 kHz (tornando assim possível a transmissão de música em alta fidelidade sem corte nos agudos). A maioria dos outros usuários de FM (departamentos de policia, bombeiros e etc que só transmitirão a voz), usam um desvio de 5 kHz, para um espaço total de frequência ocupada de 10 kHz. Por estas razoes, o FM é usado principalmente em frequências acima de 30 MHz, onde o espaço de frequência suficiente está disponível. Isto é o porque da maioria da rádios tipo "scanner" receberem apenas sinais FM, devido aos sinais encontrados acima de 30 MHz serem FM.

A grande vantagem do FM é a sua qualidade de áudio e imunidade a ruído. A maioria das formas de ruído estático e elétrico são naturalmente AM, e um receptor FM não responderá a sinais AM. Por se concentrarem em frequências mais elevadas também tornam se mais imunes aos ruídos pois geralmente os ruídos elétricos e naturais são de baixa frequência)Os receptores FM também apresentam uma característica conhecida como efeito de captura. Se dois ou mais sinais de FM estão na mesma frequência, o receptor de FM irá responder ao sinal mais forte e ignorar o resto. A qualidade de áudio de um sinal FM aumenta conforme seu desvio aumenta, o qual é o porque das estações comerciais de FM usarem tão largo desvio. A principal desvantagem do FM é a quantidade de espaço de frequência que um sinal requer.

(FSK) Frequency-Shift Keying

Parecido com o FM, o FSK ( sintonia por deslocamento de frequência ) desloca a frequência da portadora do transmissor. Diferente de FM entretanto, o FSK desloca a frequência entre apenas dos pontos fixos separados. A maior frequência é chamada de frequência de marco enquanto a menor das duas frequências é chamada de frequência de espaço. Por contraste, um sinal FM pode ondular para qualquer frequência dentro do seu intervalo de desvio.

Podemos visualizar como ocorre este processo através da figura abaixo. Repare que a cada deslocamento de frequência ou fase, atribui-se um valor binário, que efetivamente irá conduzir a informação.

O FSK foi originalmente desenvolvido para envia texto através de dispositivos de radio teleimpressor. O deslocamento da portadora entre o marco e o espaço foi usado para gerar caracteres no código Baudot, o qual pode ser pensado como uma versão mais elaborada do código Morse. No receptor, os sinais Baudot foram usados para produzir texto impresso em impressoras e , depois, telas de vídeo.

Conforme a tecnologia evolui, o FSK foi usado para transmitir mensagens no código ASCII usados por computadores, isto permitiu o uso de caracteres caixa baixa e alta e símbolos especiais. A introdução de micro processador tornou possível usar o FSK para enviar mensagens com capacidade de verificação e correção automática de erros. Isto é feito através da inclusão de códigos de verificação de erro nas mensagens e permitindo a estação receptora requisitar a retransmissão se uma mensagem ou os códigos de verificação de erro estiverem em conflito ( ou se o código não foi recebido ). Entre os modos mais comuns tais como o FSK estão o AMTOR ( amateur teleprinting over radio - tele impressão amadora através do radio ) e FEC ( forward error correction - correção adiantada de erro ).

O FSK é o modo mais rápido de se enviar texto pelo radio, e os modos de correção de erro oferecem alta acuracidade e confiabilidade. O espaço de frequência ocupado depende da quantidade de deslocamentos, mas um sinal típico de FSK ocupa menos que 1.5 kHz de espaço. A grande desvantagem do FSK é a necessidade de um mais elaborado equipamento de recepção.

Terminais de recepção especial e adaptadores estão disponíveis para que você "veja" os modos FSK. Muitos deles trabalham em conjunto com os computadores pessoais.

Modos Digitais

A mesma tecnologia que torna possível visualizar esta página Web é também usada no ar. Os modos digitais podem organizar informação em pacotes que contem campos de endereçamento, informação a respeito do protocolo que está sendo utilizado, código de detecção de erros, umas poucas centenas de bytes de dados, e bits para indicar onde cada pacote começa e termina.

Ao invés de transmitir mensagens em fluxos contínuos, os modos de pacotes os quebram em pacotes. No terminal de recepção, os diferentes pacotes são reagrupados para formar a mensagem original. Se um pacote está perdido ou for recebido com erros, a estação receptora pode requisitar a retransmissão do pacote. Os pacotes podem ser recebidos fora de sequencia ou até de múltiplas fontes (tais como de diferentes estações retransmissoras ) e continuarão a ser agrupadas dentro da mensagem original pela estação receptora.

Enquanto o modo de pacotes tem sido usado principalmente para enviar texto, qualquer informação que pode ser convertida em formato digital - som, gráficos, vídeo etc, pode ser transmitida por modos digitais.

Outra vantagem dos modos de pacotes é que os pacotes podem ser endereçados a estações especificas no campo de endereço de cada pacote. Outras estações irão ignorar os pacotes não endereçados a elas.

A grande desvantagem dos modos pacotes é a complexidade do sistema necessário para recepção e transmissão. O espaço de frequência ocupado é diretamente proporcional a velocidade a qual as mensagens são transmitidas, e os modos de radio digital são muito lentos comparados a seus equivalentes na Internet. A mais lenta conexão através da Internet é de 14.400 baud ( 14.4 K ), enquanto a taxa máxima na pratica do modo digital é de 9600 baud ( 9.6 K ). Em frequências abaixo de 30 MHz, é ainda mais baixa; velocidade são geralmente restritas a apenas 300 bauds ( 0.3

K ). Como resultado, os modos digitais através de radio entregam desempenho muito menor que seu potencial.

Adaptadores especiais de recepção para os modos pacotes estão disponíveis, e esta usualmente trabalham em conjunto com computadores pessoais. A maioria oferece capacidade de recepção de FSK também. Os equipamentos de rádio amadores mais modernos já possuem conexões para essa tecnologia.

Outra forma de modulação digital é conhecida como spread spectrum ( espalhamento de espectro ). As maiorias dos outros métodos de modulação empacotam toda a potencia de saída do transmissor em uma largura de banda de poucos kHz. (Mesmo em FM, a portadora não ocupa muita largura de banda, mesmo podendo sua frequência ser desviada ao longo de um intervalo largo). O espalhamento de espectro literalmente "espalha" a portadora através de um intervalo de frequência que pode ser tal qual 10 kHz em frequências abaixo de 30 MHz. (O espalhamento acima de 100 kHz ou maior é comum nas bandas de VHF e UHF). Este espalhamento é geralmente feito através de um "código de espalhamento" contido em um chip interno micro processado.

Quando ouvido em um receptor convencional, o espalhamento de espectro soa que nem ruído aleatório água "borbulhando". Um receptor equipado com o micro processador que tem o correspondente "código de espalhamento" é necessário para receber adequadamente a transmissão. As vantagens deste método incluem o alto grau de privacidade e liberdade e imunidade a interferência, porque o receptor de espalhamento de espectro irá rejeitar qualquer sinal que não apresenta o código apropriado. As maiorias dos usuários do espalhamento de espectro abaixo de 30 MHz são vários serviços militares e governamentais.

Comentários