APRESENTAÇÃO DA 1 a EDIÇÃO

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1 APRESENTAÇÃO DA 1 a EDIÇÃO Este trabalho tem o intuito de facilitar o estudo e o acompanhamento das aulas de Elementos de Telecomunicações do Curso Técnico de Eletrônica. Após consultar a diversas fontes, não conseguimos adotar um único livro, em língua nacional, que apresentasse a abrangência de conteúdo ministrado. Com base nos motivos expostos acima, iniciamos uma pesquisa de livros que abordasse o conteúdo e, a dois anos atrás, começamos o trabalho de seleção e tradução de textos. O resultado de nossos esforços estão concentrados em quatro volumes de apostilas que tratam de todo o conteúdo mínimo necessário à atual formação do Técnico em Eletrônica, a nível de segundo grau, na disciplina Elementos de Telecomunicações. Esperemos que nosso trabalho não seja em vão e que quem venham a adquirir estes exemplares possam tirar os maiores proveitos na iniciação ao estudo das Telecomunicações. Belo Horizonte, Março de 198 Wander José Rezende Rodrigues

2 WANDER RODRIGUES Unidade III Técnicas de Faixa Lateral - SSB 1 - Introdução Evolução e descrição do SSB Supressão da portadora Efeitos de uma resistência não linear na soma de sinais Modulador balanceado Supressão da faixa lateral indesejável O sistema do filtro Método do deslocamento de fase O Terceiro método Evolução e comparação dos sistemas Extensões do SSB Formas de modulação em amplitude Reinserção da portadora - Sistema de portadora piloto... 31

3 TÉCNICAS DE SSB Sistema de faixa lateral independente - ISB Transmissão em faixa lateral residual Questionário Bibliografia... 46

4 WANDER RODRIGUES 4 Índice das Ilustrações 01 - Formas de onda de vários tipos de modulação em amplitude a - sinal modulante b - onda de AM - A c - onda com portadora suprimida d - onda de SSB com portadora suprimida Característica de uma resistência não linear Moduladores balanceados a - diodos b - FET s Modulador balanceado em anel Método do filtro na supressão de uma das faixas laterais Método do deslocamento de fase na supressão de uma das faixas laterais Terceiro método na supressão de uma das faixas laterais Cancelamento imperfeito da faixa lateral... 8

5 TÉCNICAS DE SSB Transmissor de faixa lateral independente Faixa lateral residual empregada para as transmissões de televisão a - espectro de freqüência do sinal transmitido pelo sistema NTSC b - correspondente resposta em freqüência do amplificador de vídeo... 38

6 WANDER RODRIGUES 6 UNIDADE III Técnicas de Faixa Lateral - SSB 1 - Introdução A teoria de modulação em amplitude, discutida anteriormente mostrou que uma portadora e duas faixas laterais são produzidas na geração de onda modulada em amplitude. Essa Unidade mostrará que não é necessária a transmissão de todos esses sinais para prover o receptor com enorme quantidade de informação na reconstrução do sinal modulante inicial. Desta forma, será visto que a portadora poderá ser removida ou atenuada, e assim uma das duas faixas laterais. Os sinais resultantes exigiram uma potência de transmissão menor e ocupará uma largura de faixa menor, todavia, comunicações perfeitamente aceitáveis serão possíveis. A modulação em faixa lateral única, SSB, é provavelmente a mais rápida forma de modulação expandida a partir da segunda metade deste século. Essa proposta, com as muitas vantagens que apresenta, tem um grande número de sistemas de comunicações que foram modificados para essa forma, ou foi empregada para iniciar ou em alguns casos, só foi possível por causa da existência do SSB. Entre suas grandes vantagens, ele é capaz de transmitir boa comunicação, com sinais de qualidade, usando uma largura de faixa muito estreita e com baixa potência de transmissão para as distâncias envolvidas. Por outro lado, para investigar essa forma de modulação e suas propriedades, é necessário rever alguns trabalhos sobre modulação em amplitude.

7 TÉCNICAS DE SSB 7 - Evolução e Descrição do SSB A equação da onda modulada mostrou-nos que, quando uma portadora é modulada em amplitude por uma onda senoidal simples, a onda resultante consiste de três freqüências: a freqüência da portadora original f c, a freqüência da faixa lateral superior f c + f m e a freqüência da faixa lateral inferior f c - f m. Isso é conseqüência do processo de modulação em amplitude, e sempre acontece a menos que algumas providências sejam tomadas para previnala. De fato, providências talvez tomadas durante ou após o processo de modulação, para remover ou suprimir algum número de componentes ou combinações das componentes da onda de AM deverão ser tomada. É o intento dessa Unidade tratar com os fatores envolvidos nesse sistema, as vantagens e desvantagens, suprimindo ou removendo a portadora e/ou uma das faixas laterais. Gerações de várias formas de modulação de faixa lateral única também serão considerados. Está aparente que a portadora do padrão ou DSB - FC - AM, Double Sideband, Full Carrier, melhor conhecido como modulação A3, não transmite a informação. Isso é obvio pelo fato de que a componente portadora permanece constante em amplitude e freqüência, não importando a existência ou não da tensão modulante. Como também está claro o fato de que as duas faixas laterais são imagens uma da outra, desde que cada uma é afetada pela mesma variação de amplitude, proporcionada pela tensão modulante, via o expoente m a E c /. Da mesma forma, cada uma é igualmente afetada com a mesma variação da freqüência modulante, no qual afeta a freqüência das faixas laterais respectivamente. Vê-se que, toda a informação pode ser transmitida pelo emprego de uma única faixa lateral. A portadora é supérfluo, e a outra faixa lateral redundante. A razão principal para o difundido emprego do AM - A3 é a relativa simplicidade do equipamento de modulação e demodulação. Ademais, o AM - A3 é a forma de modulação empregada para a radiodifusão comercial. O fato de que variações radicais, isto é, gastos onerosos nos re-

8 WANDER RODRIGUES 8 ceptores domésticos serão exigidos se o SSB fosse introduzido em grande escala, tendo até aqui, impedido semelhante troca, embora trabalhos em compatibilizar o SSB continuam. Esta será uma forma de SSB para a qual nenhuma troca ou mudança nos receptores domésticos fosse necessário. A equação de potência de AM condiciona que a relação da potência total para a potência da portadora é dado por : Pt P c = 1+ ma Se a componente portadora é suprimida, apenas a potência das faixas laterais permanecem. Como a potência das faixas laterais é apenas de P x m a c, dois terços seriam economizados com uma profundidade de modulação de 100%, e o mesmo é economizado com uma profundidade de modulação reduzida. Se uma das faixas laterais também é reduzida, a potência restante será de P x m a c 4, uma poupança de 50% sobre o AM com componente portadora suprimida e um mínimo de 83,3% sobre o AM - A3. Grande potência é gasta sendo transmitida a componente portadora e ambas as faixas laterais, onde apenas uma faixa lateral seria suficiente. Uma observação adicional mostra que no emprego do SSB imediatamente, metade

9 TÉCNICAS DE SSB 9 da faixa de freqüência requerida será empregada para a transmissão, quando comparado ao AM - A3. Na prática, o SSB é empregado para economizar potência onda tal economia é indispensável, isto é, em sistemas móveis onde o peso e o consumo de potência devem, naturalmente, permanecer em níveis baixos. O SSB também é, empregado em aplicações onde a largura de faixa é um prêmio. Comunicações ponto a ponto, rádio comunicações móveis marítimas, televisão, comunicações militares, rádio navegação e rádio amador são os maiores empregos da faixa lateral única de uma forma ou de outra. As formas de ondas apresentando o SSB são, naturalmente, de interesse e essas formas de ondas estão apresentadas na FIG. 01, juntamente com a tensão modulante; a correspondente tensão modulada de AM - A3 e uma onda com apenas a portadora removida. Duas diferentes amplitudes moduladas e freqüências são apresentadas para comparação. Isso demonstra, claramente, que a onda de SSB é mais uma radio freqüência, onde a amplitude é proporcional a amplitude da tensão modulante, e cuja freqüência varia com a freqüência do sinal modulante. A faixa lateral superior é apresentada como que sua freqüência aumentada com a modulação, mas note que esse aumento de freqüência estão exagerado nesta figura, para indicar o efeito, claramente. 3 - Supressão da portadora Três sistemas principais são empregados para a geração do SSB; o método do filtro, o método do cancelamento de fase e o terceiro método. Eles diferem uns dos outros na supressão da faixa lateral indesejável, mas todos empregam a mesma forma de modulador balanceado para suprimir a portado-

10 WANDER RODRIGUES 10 ra. O modulador balanceado, desta forma, é visto, sendo o circuito chave na geração da faixa lateral única. Figura 01 Formas de ondas de vários tipos de modulação em amplitude. a sinal modulante. b onda de AM. c onda com a portadora suprimida. d onda de SSB com portadora suprimida.

11 TÉCNICAS DE SSB Efeitos de uma resistência não linear na soma de sinais. dada por: A afinidade entre a tensão e a corrente em uma resistência linear é i = b. e Equação 01 onde b é uma constante de proporcionalidade específica. Se a equação 01 refere-se a um resistor, então b, obviamente, será sua condutância. Se por outro lado, a equação 01 se refere à corrente de coletor e a tensão de base de um transistor, i será a corrente de coletor, e e a tensão aplicada a base. Se o amplificador opera em classe A, nesse caso terá uma componente DC da corrente de coletor, que é independente da tensão do sinal de base. Podemos, desta forma, escrever: i = a + b. e Equação 0 onde a é a componente DC da corrente de polarização de coletor, e b é a transcondutância do transistor. Em uma resistência não linear, a corrente é fixa e a uma certa extensão proporcional à tensão aplicada, mas não diretamente proporcional todo momento como antes. Se a curva de corrente versus tensão é plotada como na FIG. 0, observa-se que existe alguma curvatura nesta curva. Uma relação inicial linear parece aplicar-se até certo ponto, depois a corrente aumenta mais ou menos rapidamente com a tensão, como pode-se visualizar na FIG. 0. Se o aumento é mais ou menos rápido, depende se o dispositivo começa a saturar, ou de algum modo, a multiplicação da corrente ocorre por avalanche. A corrente torna-se proporcional não apenas à tensão, mas também ao seu qua-

12 WANDER RODRIGUES 1 drado, ao cubo e a potências maiores da tensão. Essa relação não linear é mais convenientemente expressa como: 3 ( b. e) + ( c. e ) + ( d. e ) + potências maiores i = a Equação 03 Figura 0 Característica de uma resistência não linear. A razão porque a porção inicial do gráfico apresentado é linear, simplesmente por que o coeficiente c é muito menor do que o coeficiente b. Por exemplo, uma equação numérica típica, pode ser algo semelhante a: i = e + 0,. e ma nesse caso, a curvatura é insignificante até que a tensão e iguala-se a pelo menos ao valor 3,0. Contudo c em relação as resistências não lineares práticas, é muito maior do que o coeficiente d, no qual também é maior do que as constantes dos termos seguintes de alto expoente. De fato, apenas o termo ao quadrado é suficiente ser levado em consideração para muitas aplicações, tanto que neste estudo, estaremos tratando com:

13 TÉCNICAS DE SSB 13 ( b. e) ( c. e ) i = a + + Equação 04 onde a e b têm o significado dado previamente, e c é o coeficiente de não linearidade. Desde que a equação 04, geralmente, é adequada para relacionar a corrente de saída para a tensão de entrada de uma resistência não linear, ela agora será aplicada à característica tensão de gate - corrente de dreno de um FET. Se duas tensões são aplicadas, simultaneamente, à gate, então: ( e + e ) + c( e ) i = a + b e ( e + e ) + c( e +. e e e ) i = a + b + Equação podemos escrever: Considerando que as tensões de entrada sejam senoidais, então e1 = E1. sen wt Equação 6a e = E.sen θt Equação 6b onde ω e θ são as duas velocidades angulares. Substituindo as equações 06 na equação 05 teremos a equação 07: i = a + b ( E wt + b E senθ t) + c( E sen wt + E sen θ t E E sen wt senθ t) sen A equação 07 pode ser simplificada pelo emprego de expressões trigonométricas adequadas, resultando: i = a + b E senω t + b E c E + c E + + c E (1 cos ω t) + (1 cos θ t) + E senθ t+ [ cos( ω θ ) t cos( ω + θ ) t]

14 WANDER RODRIGUES 14 c E i = a + c + 1 E + Termo I + b E1 senω t + Termo II + b E senθ t + Termo III c E1 c E + cos ω t cos θ t + + c E E cos( ω ) t 1 θ Termo IV Termo V c E E cos ( ω + ) t Termo VI Equação 08 1 θ A dedução precedente que resultou na equação 08, provavelmente, é a mais importante de todas as equações em comunicações. Ela é a prova: 1 - do sistema de modulação Van der Bijl; - que harmônicos e distorções de intermodulação podem ocorrer em amplificadores de áudio freqüência e de RF; 3 - que freqüências soma e diferença estarão presentes na saída de um misturador ou conversor; 4 - de que o detetor à diodo tem uma audiofreqüência em sua saída; 5 - da operação de um oscilador de batimento de freqüência, BFO, e do detector de produto; 6 - em parte de que o modulador balanceado produz modulação em amplitude com portadora suprimida Se na equação 6 ω é considerado como a freqüência angular da portadora, e θ como a freqüência angular do sinal modulante, então podemos escrever:

15 TÉCNICAS DE SSB 15 TERMO I - é uma componente contínua; TERMO II - é uma componente da portadora; TERMO III - é uma componente do sinal modulante; TERMO IV - consiste de harmônios da portadora e da tensão modulante; TERMO V - representa a faixa lateral inferior; TERMO VI - representa a faixa lateral superior. A equação mostra que quando duas freqüências são alimentadas, simultaneamente, através de uma resistência não linear, o processo de modulação em amplitude ocorrerá. Em um circuito de modulação prático, as tensões da equação 08 serão desenvolvidas através de um circuito sintonizado na freqüência da portadora que apresenta uma largura de faixa bastante grande para encerrar as duas faixas laterais, mais não as outras componentes Modulador balanceado Dois circuitos moduladores balanceados são apresentados na FIG. 03. Cada um utiliza dos princípios não lineares já descritos. A tensão modulante e é alimentada em push-pull, e a tensão portadora e 1 em paralelo, para um par de diodos idênticos ou amplificadores em classe A, transistor bipolar ou FET s. No circuito com FET s, a tensão da portadora, é aplicada nas duas gates em fase, entretanto a tensão de modulação aparece defasada de 180 o nas gates, desde que estão em terminais opostos de um transformador com center-tap. As correntes de saída modulada dos dois FET s são combinadas no primário do center-tap do transformador push-pull de saída. Desta forma, elas subtraem como indicado pela direção das flechas na FIG. 3b. Se este sistema é construído completamente simétrico, a freqüência da portadora será completamente cancelada. Nenhum sistema pode ser considerado perfeitamente

16 WANDER RODRIGUES 16 simétrico na prática, tanto que a portadora será excessivamente atenuada, melhor que completamente removida; uns 45 db de supressão, normalmente, é considerado como aceitável. A saída do modulador balanceado, contém duas faixas laterais, e uma mistura de componentes, no qual são selecionados pela sintonia do enrolamento secundário do transformador de saída. Desta forma, a saída final consiste apenas das faixas laterais. Figura 03 Moduladores balanceados. a empregando diodos. b empregando FET s.

17 TÉCNICAS DE SSB 17 Desde que não é imediatamente óbvio como e porque a portadora é suprimida, uma análise matemática do modulador será apresentada. Como indicado, a tensão de entrada ser e 1 + e, gate de T 1 e e 1 - e na gate de T. Se assumirmos que sejam perfeitamente simétricos, as constantes de proporcionalidade serão as mesmas para ambos os FETs e podem ser chamadas de a, b e c como antes. As duas correntes de dreno, calculadas como na seção precedente, serão: ( ) ( ) id = a + b e + e + c e + e id = a + be + be + ce + ce + ce e Equação ( ) ( ) id = a + b e e + c e e 1 1 id = a + be + be + ce + ce ce e Equação Como indicado previamente, a corrente de primário será dada pela diferença entre as correntes de dreno individuais. Desta forma, quando a equação 09 for subtraída da equação 10, teremos: i id id L = 1 i = L be + 4 ce1ee Equação 11 Nós agora podemos representar as tensões da portadora por e 1 e a tensão modulante por e, sendo E c sen ω c t e E m sen ω m t, respectivamente. Substituindo esses valores na equação 11, teremos: i = be senω t + 4cE senω tsenω t L m m m m c [ ( c m) t ( c mt) ] 4cEmEc il = bem senωmt + cos ω ω cos ω + ω

18 WANDER RODRIGUES 18 A tensão de saída e o é proporcional a sua corrente de primário. Considerando a constante de proporcionalidade sendo α, então: e = α o i L e o [ cos( ω ω ) t ( ω ω ) t] = α be senϖ t + α c E E cos + m m c c m c m simplificando, consideremos P = α b E m e Q = α c E E teremos: m c e o ( ω ω ) t Q ( ω ω )t = P senω t + Q cos cos + Equação 13 c m c m A equação 13 mostra que, sob condições idealizadas de simetria, a portadora foi cancelada na saída, deixando apenas as duas faixas laterais e a freqüência modulante; a prova aplica-se igualmente a ambos os diagramas da FIG. 03. O transformador sintonizado de saída remove a freqüência modulante da saída do circuito, mas também é possível suprimi-la pela ação do circuito. A adição de mais dois diodos no modulador balanceado à diodos será exigido para isso, e o circuito então torna-se conhecido como modulador balanceado em anel. Figura 04 Modulador balanceado em anel.

19 TÉCNICAS DE SSB Supressão da faixa lateral indesejável Como afirmou-se anteriormente, os três métodos práticos de geração de SSB empregam o modulador balanceado para a supressão da portadora, mas cada um utiliza um método diferente para remoção da faixa lateral indesejável. Todos os três métodos removerão a faixa lateral superior ou a faixa lateral inferior com igual facilidade, dependendo do arranjo especifico do circuito. Cada um dos sistemas será estudado em detalhes O sistema de filtro Esse método, o mais simples dos três, após o modulador balanceado a faixa lateral indesejável é removida, realmente excessivamente atenuada, por um filtro. O filtro pode ser do tipo LC, a cristal ou mecânico. Um diagrama em blocos de um transmissor empregado esse sistema está apresentado na FIG. 05. Figura 05 Método do filtro na supressão de uma das faixas laterais.

20 WANDER RODRIGUES 0 Os circuitos chave nesse transmissor são o modulador balanceado e o filtro de supressão da faixa lateral. Ambos já foram discutidos, mas considerações especiais envolvendo o último devem ser agora examinadas. Basicamente, cada filtro deve ter uma faixa passante achatada e estrema atenuação fora da faixa passante. Não existe limite de atenuação, tanto maior melhor. Em sistemas de comunicações, a faixa de freqüência empregada para a voz é de 300 a cerca de 800 Hz em muitos casos. Se o filtro exigido for para suprimir a faixa lateral superior e se a freqüência de transmissão nesse caso for igual a f, então a menor freqüência que esse filtro deve deixar passar sem atenuação será igual a f + 300, contudo a maior freqüência que deve ser completamente atenuada f Em outros trabalhos, a resposta do filtro deve variar de atenuação zero até atenuação máxima ou completa sob uma faixa de apenas de 600 Hz; se a freqüência de transmissão é muito acima de 10 MHz, isso será quase impossível. Ademais, pode-se verificar que a situação torna-se péssima se freqüências modulantes menores são empregadas, tais como o mínimo de 50 Hz, em radiodifusão de AM. Por outro lado, para obter-se uma curva de resposta de freqüência para o filtro com a borda tão escarpada vertical como a sugerida acima, o fator de mérito, Q do circuito sintonizado empregado deve ser muito alto. Muitas vezes, como a freqüência de transmissão é elevada, tão elevado deverá ser o fator de mérito, Q, do filtro, até que uma situação máxima é alcançada, onde o Q necessário torna-se tão elevado que não existe métodos para obtê-los na prática. Observando esta situação por outro lado, encontra-se um limite de freqüência para um tipo de circuito de filtro a ser empregado. Tem-se encontrado, por exemplo, que múltiplos estágios de filtros LC não podem ser empregados para valores de radiofreqüência muito maior do que cerca de 100 khz. Acima deste valor de freqüência, a atenuação exterior à faixa passante, tornase insuficiente. Filtros LC podem ainda serão encontrados em empregos, geralmente, nos equipamentos de HF, mas eles vem, por outro lado, sendo substituídos por filtro mecânico ou filtro a cristal, principalmente por causa do tama-

21 TÉCNICAS DE SSB 1 nho excessivo dos indutores de um lado, e maior aperfeiçoamento nos filtros mecânicos por outro. O filtro mecânico tem emprego em freqüência até 500 khz, e os filtros a cristal acima de cerca de 0 MHz. Dos três tipos de filtros de SSB descritos, o filtro mecânico, parece ser completo, com as melhores propriedades; pequeno tamanho, boa faixa passante, melhor característica de atenuação e adequado limite de freqüência superior são suas principais vantagens. O filtro a cristal pode ser mais barato, mas tecnicamente preterido, apenas em freqüências superiores a 1,0 MHz. Todos esses filtros, mesmo o a cristal, tem a desvantagem de que sua freqüência de operação máxima estar abaixo da freqüência de transmissão usual. Essa é uma das razões para o conversor balanceado apresentado na FIG. 05; ele é muito semelhante a um modulador balanceado, exceto que a soma de freqüências, aqui empregada, é mais favorecida para a freqüência dos cristais do oscilador do que para a faixa lateral superior foi para a portadora, tanto que ela pode ser selecionada com um circuito sintonizado. Nesse conversor, a freqüência do oscilador a cristal ou sintetizador é adicionado ao sinal de SSB após o filtro; a freqüência dessa forma ser aumentada para o valor desejado de transmissão. Tais arranjos, também, permitem que a transmissão seja harmoniosa. Contudo, se a freqüência de transmissão é muito maior do que a freqüência de operação do filtro de faixa lateral, então duas quantidades convertendo serão requeridas; por outro lado, torna-se também difícil para filtrar as freqüências indesejáveis na saída do conversor. Nota-se que o conversor é seguido por amplificadores lineares. A razão, certamente, é em função da amplitude variável do sinal de SSB e não deve ser alimentada a um amplificador classe C, o que certamente, distorceria este sinal. Um amplificador de radiofreqüência classe B será empregado em seu lugar, sendo muito mais eficiente do que um amplificador em classe A, e leva o nome de amplificador linear. Os amplificadores lineares não têm, certamente, seu emprego limitado apenas para os sistemas de SSB; eles são em-

22 WANDER RODRIGUES pregados em outros sistemas de AM onde outro amplificador diferente do amplificador final seja modulado. Tais amplificadores, são quase provavelmente transistorizados, com fabricações tais como o REDIFON, produzindo amplificadores lineares em estado sólido com potência de saída superior a 1,5 kw Método do deslocamento de fase Esse método evita o uso de filtros e algumas de suas presentes desvantagens, em vez disso, faz emprego de dois moduladores balanceados e duas redes de deslocamento de fase, como apresentado na FIG. 06. Figura 06 Método do deslocamento de fase na supressão de uma das faixas laterais.

23 TÉCNICAS DE SSB 3 Como indicado, um dos moduladores M 1, recebe a tensão da portadora com um deslocamento de fase de 90 o e a tensão modulante, enquanto o outro, M, é alimentado pela tensão modulante com um deslocamento de 90 o e a tensão da portadora. As vezes, o deslocamento de fase da tensão modulante é arranjado apenas diferentemente; permitindo que seja feito um deslocamento de fase de + 45 o para um dos moduladores balanceados e de - 45 o para o outro, mas o resultado será o mesmo. Ambos os moduladores balanceados, produzem a saída contendo apenas as faixas laterais. Aqui, contudo, visto que ambas as faixas laterais superiores levam a entrada da tensão da portadora deslocado de 90 o ; uma das faixas laterais inferiores levam a tensão de referência adiantada por 90 o, enquanto que a outra atrasada por 90 o. As duas faixas laterais inferiores estão desta forma, fora de fase, e quando combinadas no circuito somador, elas cancelam-se. As faixas laterais superiores estão em fase no circuito somador e, desta forma, somarão dando o sinal de SSB cuja a faixa lateral inferior foi cancelada. O precedente pode ser comprovado como se segue. Levando em consideração que os dois moduladores balanceados com respeito um ao outro, são balanceados, então as amplitudes podem ser ignoradas uma vez que elas não afetam o resultado, particularmente, desde que ambos moduladores balanceados são alimentados pelas mesmas fontes. Uma vez tomado a função sen ω c t como a portadora e a função sen ω m t como a tensão modulante, observa-se que o modulador balanceado M 1 recebe senω m t e sen ( ω c t + π/ ) enquanto que M recebe sen ( ω m t + π/ ) e sen ω c t. Seguindo o mesmo raciocínio, empregado na prova do modulador balanceado, determina-se que a saída de M 1 conterá a soma e a diferença de freqüência. Desta forma: e 1 π π = cos ω ct + ω mt cos ω ct + + ω mt

24 WANDER RODRIGUES = cos cos 1 π ω ω π ω ω t t t t e m c m c Equação 14 de forma similar, a saída de M conterá: = cos cos π ω ω π ω ω t t t t e m c m c + + = cos cos π ω ω π ω ω t t t t e m c m c Equação 15 A saída do somador será: e 1 e e o + = + + = cos π ω ω t t e m c o Equação 16 Essa equação foi obtida pela adição das equações 14 e 15 e observando que o primeiro termo da equação está 180 o ou π radianos defasado em relação ao primeiro termo da segunda equação. Tem-se, desta forma, provado que uma das faixas laterais será cancelada no circuito somador, ao passo que a outra será reforçada. O sistema, como apresentado, resulta na faixa lateral superior. Uma análise similar, mostra que o sinal de SSB com a faixa lateral inferior presente será obtido se ambos os sinais são alimentados, deslocados de fase, para um dos moduladores balanceados O terceiro método O terceiro método de geração de SSB foi desenvolvido por WEA- VER com o propósito de conservar as vantagens do deslocamento de fase, tal como ele possibilita a geração de SSB em qualquer freqüência e emprega baixa freqüência de áudio, sem associar a desvantagem da rede de deslocamento

25 TÉCNICAS DE SSB 5 de fase em áudio, AF, exigida para operar em uma grande faixa de audiofreqüência. Tal como foi elaborado, o terceiro método está em competição direta com o método do filtro, mas é de tamanha complexidade que não é empregado comercialmente. Figura 07 Terceiro método na supressão de uma das faixas laterais. Para o diagrama da FIG. 07, vê-se que a última parte desse circuito é idêntico ao do método de deslocamento de fase, mas o caminho por onde as tensões apropriadas são alimentadas para os últimos dois moduladores balanceados nos pontos C e F, tem-se modificado. Uma vez examinado o deslocamento de fase, e sabendo que a freqüência de áudio varia por inteiro, esse método combina, uma portadora de AF, f o, que nada mais é uma freqüência de áudio, fixa no meio da faixa de AF, por exemplo, em 1650 khz como um sinal de áudio. Um deslocamento de fase será então aplicado a essa freqüência

26 WANDER RODRIGUES 6 apenas, depois a tensão resultante será aplicada ao primeiro par de moduladores balanceados, aos filtros passa baixa cuja freqüência de corte é igual a f o e assegura-se que à entrada do último par de moduladores balanceados resultem em uma adequada supressão final da faixa lateral. A prova desse método é injustificadamente complexa, e aqui não será apresentada. Entretanto, pode-se dizer que todo o sinal da faixa lateral inferior será cancelado para a configuração da FIG. 07, desatento se a audiofreqüência está acima ou abaixo de f o. Se um sinal de faixa lateral inferior for requerida, a fase da tensão portadora aplicada ao modulador balanceado M 1 deve ser variada a 180 o ou de π radianos Evolução e comparação dos sistemas O resultado final, certamente, será inteiramente o mesmo, indiferente em qual método de geração seja empregado. O sinal aceitável de faixa lateral única e portadora suprimida será obtido, com uma das faixas laterais removida como requerido. Tem-se encontrado, também, em listas subjetivas de testes, que a qualidade é muito semelhante para todos os três métodos. Entretanto, colocando-se cada sistema em uma perspectiva adequada, tornase necessário examinar as diferentes técnicas dos três métodos de geração. O sistema de filtro proporciona uma mais do que adequada supressão da faixa lateral, 50,0 db possível, sendo que o filtro de faixa lateral também ajuda na atenuação da portadora, adicionando uma proteção que estará ausente para os dois sistemas de fase. A largura de faixa é suficientemente plana e extensa, exceto da possibilidade de empregar filtros a cristal em freqüências baixas, onde é ele tende a ser limitado para uma qualidade melhor. A grande desvantagem desse sistema tem sido seu tamanho, mas isso vem sendo superado com a advento dos pequenos filtros mecânicos de excelente qualidade

27 TÉCNICAS DE SSB 7 e de filtros a cristal de reduzido tamanho. A principal desvantagem, é a inabilidade desse sistema de gerar SSB em radiofreqüência alta, tanto que repetidas conversões são exigidas, em conjunto com osciladores a cristal extremamente estáveis. Também, existe o fato de que as audiofreqüências baixas não podem ser empregadas e que dois filtros dispendiosos são exigidos em cada transmissor, para torná-lo capaz da supressão de um ou de outra faixa lateral. Entretanto, esse é um excelente meio de geração de SSB em comunicações de qualidade, e vem sendo empregado em uma ampla maioria de sistemas comerciais, particularmente com filtros mecânicos, exceto em equipamentos multicanais, onde filtros a cristal ou filtros LC são, às vezes, empregados. O método de cancelamento de fase foi originalmente introduzido para superar o tamanho dos sistemas de filtros LC. Desde que esse tem sido, substituído por filtros muito menores, essa vantagem inicial não mais se aplica, mas existem ainda duas outras: o fácil chaveamento de uma faixa lateral para a outra, e a habilidade da geração de SSB em qualquer freqüência, substituindo as conversões, desnecessária. Em adição, baixo valor de audiofreqüências podem ser empregadas no canal de modulação. No débito, tem-se a rede defasadora de áudio como um circuito crítico. Ao passo que o deslocamento de fase da radiofreqüência opera em uma freqüência única e, desta forma, constitui um circuito RC muito simples, o deslocamento de fase de áudio é um dispositivo muito complexo desde que, ele deve trabalhar sobre uma grande faixa de freqüência. Se o deslocamento de fase proporciona uma variação de fase diferente de 90 o ou π/ radianos em qualquer uma das freqüências da faixa de audiofreqüências, essa freqüência particular não será completamente removida para a faixa lateral indesejável. Desde que, grande cuidado na regulação torna-se-á necessário.

28 WANDER RODRIGUES 8 Em um sistema de SSB por deslocamento de fase, por exemplo, o deslocamento de fase na audiofreqüência de 500 Hz foi apenas de 88 o. Em que extensão essa freqüência estará presente na faixa lateral inferior indesejável? Pela equação 16 segue-se que, idealmente, a amplitude relativa de saída da faixa lateral superior ser de E, e que a tensão de faixa lateral inferior será zero. O cancelamento da faixa lateral inferior não será completo neste caso, e como ilustrado na FIG. 08, a amplitude dessa componente indesejável será E sen o. A atenuação relativa desse nível, será: Figura 08 Cancelamento imperfeito da faixa lateral. α E E sen 1 = sen = o o = 1 0,0349 α = 8,6 α = 0log 8,6 = 0 x 1,457 α = 9,14dB A atenuação sob as condições do exemplo é inadequada para a operação comercial, onde semelhante atenuação da faixa lateral indesejável deverá ser de mínimo de 40,0 db. O exemplo ilustra o problema envolvido e,

29 TÉCNICAS DE SSB 9 também, sugere que variações no deslocamento de fase na prática devem ser algo menor do que um grau. Em adição, o sistema tem dois moduladores balanceados, onde ambos devem apresentar, exatamente, a mesma saída, suposição esta foi feita na demonstração, ou o cancelamento mais uma vez seria incompleto ou inadequado. Finalmente, tem-se encontrado na prática, que os layout são inteiramente críticos com esse sistema. O resultado de todas as três considerações é que o sistema de deslocamento de fase não é empregado comercialmente, mas tem seu emprego amplamente divulgado entre rádio amadores, desde que, os filtros tendem a ser um pouco dispendiosos. O terceiro método não requer nenhum filtro de supressão de faixa lateral, nenhuma rede de deslocamento de fase de áudio de faixa larga; e a saída correta pode ser mantida, simplesmente, sem partes críticas ou regulagens. Freqüências de áudio de baixo valor podem ser transmitidas se desejado, e desde que, a maioria dos conjuntos são circuitos de AF, layout e a tolerância dos componentes não são críticos. As faixas laterais também podem ser chaveadas com inteira facilidade, mas um cristal extra pode ser exigido para isso. Por outro lado, o acoplamento DC poder ser necessário para evitar a perda de componentes do sinal encerada na freqüência da portadora de áudio, e também, um zumbido existirá nesta freqüência se o balanço em baixa freqüência do modulador balanceado deteriorar. O sistema é o mais complexo dos três, mas sua grande desvantagem consiste no método do filtro trabalhar tão bem para os presentes requisitos. Embora o terceiro método tenha sido empregado comercialmente, indicações presentes são de que ele seja improvável para a substituição ao método do filtro. Suas aplicações futuras podem, talvez, jazer-se na direção de compatibilizar a radiodifusão em SSB, se ou quando isso torna-se possível.

30 WANDER RODRIGUES Extensões do SSB Formas de modulação em amplitude Essa seção define, descreve e lista as principais aplicações das várias formas de modulação em amplitude empregada para telefonia e televisão, particularmente, as várias formas de SSB. A I.T.U. Radio Regulations, também, define e descreve todas as formas de emissões, moduladas de qualquer maneira ou forma. A3 - DOUBLE SIDEBAND, FULL CARRIER - AM - DSB - FC como já discutido, esse é o padrão de modulação em amplitude, empregada para a radiodifusão, e por muito tempo ainda o será. A3A - SINGLE SIDEBAND, REDUCED CARRIER - este é um sistema de portadora piloto, tratada em seção subseqüente. A portadora atenuada é reinserida ao sinal de SSB, para facilitar a sintonização do receptor e a demodulação. Exceto para o então chamado de maritime mobile distress, também conhecido como SOLAS - Safety of life sea, especialmente a 18 khz, está sendo constantemente substituído por A3J, com base em todo o mundo. A3H - SINGLE SIDEBAND, FULL CARRIER - este pode ser empregado como um AM compatível em sistemas de radiodifusão, com receptores A3. Distorções não excedentes a 5,0% é exigido para transmissões A3H recebidos em receptores A3. A3J - SINGLE SIDEBAND, SUPRESSED CARRIER - este é o sistema até aqui referido como SSB, onde a portadora é suprimida pelo menos a 45,0 db no transmissor. De fato, foi vantajoso sua implantação por causa da alta estabilidade requerida pelos receptores. Entretanto, com o advento dos

31 TÉCNICAS DE SSB 31 estáveis receptores synthesizer - driven, ele vem, rapidamente, tomando a forma padrão de SSB para comunicações móveis em HF. A3B - TWO INDEPENDENT SIDEBAND - Emprega uma portadora que é mais comumente atenuada do que suprimida. Essa forma de modulação também é conhecida como emissões Independent Sideband ISB, e será tratada inteiramente na seção subseqüente. Freqüentemente é empregada para radiotelefonia ponto a ponto em HF, onde mais de um canal é exigido. A5C - VESTIGIAL SIDEBAND - empregada para transmissões de vídeo de televisão. Um sistema onde um vestígio, isto é, um traço da faixa lateral indesejável é transmitida, usualmente, com toda a portadora. Esse sistema tratado na seção seguinte, e empregado para transmissões de vídeo em todos os vários sistemas de televisão no mundo, com o objetivo de conservar a largura de faixa. Nota-se que quando é empregado para telefonia, esse sistema será rotulado como A3C Reinserção da portadora - Sistemas de portadora piloto Como pode ser verificado, o sistema AM - A3J exige excelente estabilidade de freqüência por ambos as partes, de transmissão e recepção, porque qualquer deslocamento na freqüência, em qualquer parte ao longo da cadeia de eventos através do qual a informação deve atravessar, causará um igual deslocamento de freqüência para o sinal recebido. Imagine um deslocamento de freqüência de 40 Hz em um sistema através do qual três sinais estão sendo transmitidos a 00, 400 e 800 Hz. Não apenas todos eles serão deslocados em freqüência para 160, 360 e 760 Hz, respectivamente, mas suas relações de um para o outro também o serão suprimindo harmônicos. O resultado é que, música de boa qualidade, obviamente, será difícil para transmitir via AM

32 WANDER RODRIGUES 3 - A3J. A fala, também, será debilitada, embora ela sofra menos do que uma música, a menos que um grande termo de estabilidade, da ordem de 1 por 10 7, ou melhor, seja obtida. Tal estabilidade em freqüência pode ser obtida para uma boa qualidade de estabilidade de temperatura dos osciladores a cristais por muitos anos. O que é primoroso para transmissões em freqüências fixas, mas nos receptores será uma proposição inteiramente diferente, desde que eles devem ser sintonizáveis. Ainda o advento de sintetizadores de freqüências de tamanho menor do que monstruosos, de fato, tornou impossível a produção de receptores de freqüência variável e de osciladores estáveis o suficiente para o sistema AM - A3J. A técnica empregada para solucionar esse problema, e que ainda é amplamente empregada, consiste em transmitir uma portadora piloto com a faixa lateral desejada. O diagrama de blocos de semelhante transmissor é muito similar àquele já apresentado, com uma diferença que o sinal da portadora atenuada é adicionado à transmissão, após a faixa lateral indesejável ter sido removida. A técnica de reinserção da portadora está ilustrada na FIG. 09, empregando o sistema de filtro. A portadora normalmente é reinserida a um nível de 16,0 ou 8,0 db abaixo do valor que ela teria se não fosse suprimida, o que proporciona um sinal de referência para ajudar a demodulação no receptor. O receptor, então, pode empregar um AFC, controle automático de freqüência, similar àqueles empregados nos sistemas de freqüência modulada. Desde que, a estabilidade em freqüência obtida sobre grandes períodos de tempo com o A3A é da ordem de 1 por 10 7, sistema semelhante serão amplamente empregados. Eles são utilizados, particularmente, em radiotelefonia ponto a ponto trans-marítima, e em comunicações móveis marítimas, especialmente nas freqüências de salvamento. Para alta densidade de tráfico, pequena ou grande amostras, técnicas de modulação diferentes são empregadas

33 TÉCNICAS DE SSB 33 e são conhecidas como multiplex por divisão de freqüência ou divisão de tempo. Figura 09 Transmissor de faixa lateral independente, ISB.

34 WANDER RODRIGUES Sistema de faixa lateral independente - ISB Como mencionado em seção precedente, técnicas de multiplex são empregadas para alta densidade de comunicações ponto a ponto. Para média densidade de tráfico, transmissões em faixa lateral única independente é empregada muitas vezes. O progresso das comunicações modernas em diversas rotas tem sido maior do que para um canal simples de HF, embora um sistema de quatro canais ISB, com ou sem Limcompex, para satélites ou comunicações por cabo submarino sejam possível. Como apresentado no diagrama em blocos da FIG 09, o ISB, essencialmente, consiste de um A3A com dois canais SSB adicionados para formar duas faixas laterais em torno da portadora reduzida. Entretanto, cada faixa lateral é inteiramente independente uma da outra; e simultaneamente, transmitem uma informação totalmente diferente, por exemplo, a faixa lateral superior pode ser empregada para telefonia enquanto a faixa lateral inferior transmite telegrafia. Cada canal de 6,0 khz está alimentando seu próprio modulador balanceado, e cada modulador balanceado, também, recebe a saída de um oscilador a cristal em 100 khz. A portadora é suprimida, por 45,0 db ou mais, no modulador balanceado e o filtro seguinte tem como principal função a supressão da faixa lateral indesejável, como em todos os outros sistemas de SSB. A diferença é que, enquanto um filtro suprime a faixa lateral inferior, o outro suprime a faixa lateral superior. Ambas as saídas são combinadas com a portadora a - 6,0 db no circuito somador, tanto que um sinal de ISB a baixa freqüência existe nesse ponto, com uma portadora piloto presente. Através da conversão com a saída de outro oscilador a cristal, a freqüência então é aumentada para o valor padrão de 3,1 MHz. Nota-se o emprego do conversor balanceado para permitir uma remoção mais fácil das freqüências indesejáveis para a saída do filtro.

35 TÉCNICAS DE SSB 35 O sinal, agora deixa a unidade Driver e entra no transmissor principal. Sua freqüência é aumentada ainda mais através da conversão com a saída de outro oscilador a cristal, ou sintetizador de freqüência. Isso é realizado porque a faixa de freqüência para tais transmissões está na faixa de HF, de 3,0 a 30,0 MHz. O sinal resultante de ISB-RF então é amplificado por amplificadores lineares, como era de se esperar, até alcançar o último nível de potência, neste ponto ele alimenta uma antena direcional para a transmissão. O nível de potência típico é geralmente entre 10 e 60 kw de pico. Desde que cada faixa lateral tem uma largura de 6,0 khz, ela pode transportar dois circuitos de voz de 3,0 khz, tanto que um total de quatro conversações podem ser transmitidas, simultaneamente. Naturalmente, para estabelecer sinais de áudio em cada pista de 6,0 khz será necessário transladar um canal acima de 3,0 khz, assim como para ocupar a faixa de 3,3 khz a 5,8 khz. Como alternativa, um ou mais faixas de 3,0 khz podem ser ocupadas com 15 ou mais canais telegráficos, com o emprego de multiplexação. No é aconselhável a concessão dos canais telefônicos e telegráficos em uma única faixa lateral, desde que um barulho semelhante a clicks de chaves podem ser ouvidos no circuito de voz. Entretanto, tais arranjos híbridos são as vezes ineficazes desde que a demanda quase invariavelmente experimentada sendo passada a adiante existindo facilidade. A demodulação de ISB nos receptores segue um caminho similar para o processo de modulação, está incluída em seções de futuras Unidades. Finalmente, é de interesse que o sistema ISB, como já descrito, seja inteiramente similar ao OTC (A), circuito de 10,0 kw de Sydney Honiara, previamente mencionado em conexão com Limcompex. OTC (A) - Oversears Telecomunications Comission (Austrália)

36 WANDER RODRIGUES Transmissões em faixa lateral residual Foi enfatizado nessa Unidade que a maior vantagem da faixa lateral única é a economia na largura de faixa que resulta de seu emprego, embora, certamente, a economia de potência não pode ser desprezada. Por outro lado, como será visto na Unidade dos Receptores, algumas complicações na demodulação aparecem pelo emprego do A3J, como oposição aos sistemas de AM, onde uma portadora é transmitida. Também, nota-se que uma largura de faixa maior ocupada por um sinal, maior largura de faixa do espectro pode ser economizado pela transmissão de uma faixa lateral ao invés de ambas. Finalmente, será visto que um número maior de informações devem ser transmitidas em um dado instante, isto é, por segundos, e uma menor largura de faixa será requerida para essa transmissão. Após esses preliminares pode-se, agora, resolver a questão da transmissão de sinais de vídeo necessária para a adequada recepção de televisão. A largura de faixa ocupada por semelhantes sinais, é no mínimo de 4,0 MHz. Lembrando das características dos filtros, uma largura de faixa de 9,0 MHz transmitida, será o mínimo exigido se as transmissões de vídeo empregarem o sistema A3, onde, com precisas razões, o sistema de TV assim não é realizado. O emprego de alguma forma de SSB, claramente, é indicado aqui, para assegurar a conservação do espectro de freqüência. Assim, como para simplicidade da demodulação de vídeo no receptor, a portadora é transmitida, não reduzida na prática. Por causa da resposta de fase dos filtros, próximo ao corte, a faixa passante plana teria um efeito prejudicial nos sinais de vídeo recebidos em um receptor de TV, Uma porção da faixa lateral indesejável, no caso a inferior, deve também ser transmitida. O resultado é a transmissão por faixa lateral residual, ou A5C, como apresentado na FIG. 10a. Por favor, note que as freqüências apresentadas aqui, semelhante àquelas empregadas no texto, referem estritamente apenas para o sistema NTSC TV em uso nos Estados Unidos e Japão. Os princípios são os mesmos, mas as freqüências são

37 TÉCNICAS DE SSB 37 um tanto quanto diferentes no sistema PAL TV em uso na Europa, Austrália, Brasil e outros países, e ainda diferente do sistema SECAN, francês. Estabelecendo de início 1,5 MHz a faixa lateral inferior é possível assegurar que as mais baixas freqüências na faixa lateral superior não sejam distorcidas em fase pelo filtro de faixa lateral residual. Por causa apenas dos primeiros 1,5 MHz, a faixa lateral inferior é transmitida, 3,0 MHz dos espectros de VHF será economizado para todos os canais de televisão. Desde que, a largura de faixa total requerida para um canal de televisão agora é de 6,0 MHz, em vez de 9,0 MHz, claramente, uma grande economia foi obtida, e mais canais na faixa de VHF, conseqüentemente, podem ser acomodados. Para completar, a FIG. 10a também mostra a locação em freqüência a transmissão em freqüência modulada do som que acompanha o vídeo. Mais será dito acerca deste sistema em textos sobre padrões de televisão e demodulação. A esse ponto, devemos notar que essas transmissões usadas tem haver com o fato de que o sistema de modulação para vídeo seja o A5C, e foi negligenciado o sistema de modulação. A segunda transmissão ocupa freqüências próximas às transmissões de vídeo, porque o som é exigido com a imagem, e não seria muito prático ter um receptor completamente separado para o som, operando em alguma freqüência remota daquelas freqüências de vídeo. A FIG. 10b apresenta a resposta de freqüência de vídeo de um receptor de televisão. A atenuação, como pode ser visto, é expressamente proporcional para as freqüências de vídeo de 0,0 a 1,5 MHz. A razão é inteiramente simples: potência extra transmitida nessas freqüências, desde que elas são transmitidas em ambas as faixas laterais, ao passo que as freqüências de vídeo remanescentes são transmitidas apenas na faixa lateral superior. Conseqüentemente, essas freqüências serão injustificadamente enfatizadas na saída de vídeo do receptor, se elas não fossem atenuadas apropriadamente.

38 WANDER RODRIGUES 38 Figura 10 Faixa lateral residual empregada para as transmissões de televisão. a espectro de freqüência do sinal transmitido pelo sistema NTSC. b correspondente resposta em freqüência do amplificador de vídeo.

39 TÉCNICAS DE SSB 39 QUESTIONÁRIO DA UNIDADE III ASSUNTO: Técnicas de Faixa Lateral - SSB. Nome: N o : Turma: Para cada período abaixo mencionado, analise seu conteúdo e marque F para uma situação FALSA ou V para uma situação VERDADEIRA. Justifique cada resposta dada se verdadeira e faça a correção para as respostas falsas ( ) Um sinal de SSB na freqüência de transmissão é obtido pelo emprego do método do deslocamento de fase. 0 - ( ) Para uma completa supressão da portadora, 60 db de atenuação, o circuito modulador balanceado deve ser perfeitamente simétrico ( ) Um sinal diferença é obtido na soma de dois sinais em uma resistência não linear ( ) Dos três tipos de filtros apresentados o mais completo é o filtro a cristal por apresentar melhores propriedades, boa faixa passante e melhor característica de atenuação ( ) Devido a resposta de fase dos filtros, próximo ao corte, que é prejudicial aos sinais de vídeo recebidos, transmissões em A5C são utilizados ( ) Para o sistema de portadora piloto, a portadora é reinserida a um nível de 16 a 8 db abaixo de seu valor nominal.

40 WANDER RODRIGUES ( ) Com quatro moduladores balanceados, o terceiro método permite apenas a obtenção da faixa lateral superior ( ) Um deslocamento de fase na faixa lateral indesejável deve ocorrer de +45 o e de -45 o para uma perfeita supressão da faixa lateral indesejável ( ) O sistema AM - SSB - A3B apresenta dupla faixa lateral independente, com a portadora suprimida ou atenuada ( ) O sistema de AM - SSB - A3J apresenta dupla faixa lateral com a portadora suprimida ou atenuada por 60 db ( ) O amplificador em classe C é utilizado logo após a saída do conversor balanceado para fornecer a potência adequada de transmissão no método do filtro para a geração de SSB. 1 - ( ) Uma portadora na faixa de áudio é utilizada no terceiro método em substituição aos filtros, na geração de um sinal de SSB ( ) O ponto crítico do método do deslocamento de fase está na utilização de dois moduladores balanceados na geração do sinal de SSB ( ) Na obtenção do sinal de SSB pelo método do filtro, qualquer das duas faixas laterais podem ser obtidas pelo simples chaveamento dos filtros ( ) No modulador balanceado, a portadora é aplicada em paralelo enquanto que o sinal modulante será aplicado em série aos terminais de entrada ( ) O modulador em anel suprime do sinal de saída modulada apenas a componente portadora ( ) Um circuito conversor balanceado é utilizado no método do filtro para transladar o sinal de SSB para a freqüência de transmissão.