Unidade III -Técnicas em SSB. Introdução

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1 Unidade III -Técnicas em SSB Introdução 1. Verifica-se que não é preciso ou necessário a transmissão de todos os sinais de uma onda modulada em amplitude para prover o receptor com enorme quantidade de informação para a reconstrução do sinal modulante ou de informação.. A portadora poderá ser removida ou atenuada e assim uma das faixas laterais, onde exigirá menor potência de transmissão e ocupará uma largura de faixa menor, todavia comunicações perfeitamente aceitáveis serão possíveis. 3. A modulação em faixa lateral única, SSB, teve a mais rápida expansão na segunda metade deste século, com um grande número de sistemas modificados para essa forma e alguns só foram possíveis após sua existência. 4. O SSB é capaz de transmitir boa comunicação, sinais de qualidade, utilizando largura de faixa estreita, com baixa potência relativa às distâncias envolvidas. Evolução e Descrição do Sistema 1. 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: freqüência da portadora original, fc, a freqüência da faixa lateral superior, fc + fm, e a freqüência da faixa lateral inferior fc - fm.. Está aparente que a portadora do padrão ou AM-DBS-FC, melhor conhecido como modulação A3, não transmite a informação; a componente portadora permanece constante em amplitude e freqüência, não importando que exista ou não tensão modulante. 3. As duas faixas laterais são imagens, desde que cada uma é afetada pela mesma variação de amplitude proporcionada pela tensão modulante via expoente m a E c / e igualmente afetada pela mesma variação de freqüência, ± fm. 4. Toda a informação pode ser transmitida pelo emprego de uma única faixa lateral. A portadora é supérfluo e a outra faixa lateral redundante. 5. O difundido emprego do A3 é devido à relativa simplicidade do equipamento de modulação e demodulação. Ele é a forma de modulação empregada para a radiodifusão comercial em amplitude modulada. Telecomunicações WJR / 97 1

2 6. Gasto onerosos aplicados aos receptores domésticos serão exigidos se o SSB fosse introduzido em grande escala, tendo até aqui impedido semelhante troca, embora trabalhos em compatibilizar o SSB continuam. Seria uma forma de SSB na qual nenhuma troca ou mudança nos receptores domésticos fosse necessária. 7. Pela relação de potência encontramos: Pt Pc m a = 1+ Se a portadora é suprimida, apenas as faixas laterais permanecem e dois terços seriam economizados na potência, para uma modulação a 100%. Pt m = a Pc Se uma das faixas laterais é suprimida, a potência restante será: Pt m = a Pc 4 representando uma poupança de 50% sobre o AM com portadora suprimida, AM-DSB- SC, e um mínimo de 83% sobre o A3. 8. Com o emprego do SSB, metade da faixa exigida é empregada para a transmissão, quando comparado ao A3. 9. O SSB é empregado para economizar potência onde tal economia é indispensável, tal como em sistemas móveis no qual o peso e o consumo de potência devem permanecer em níveis baixos. 10. É empregado onde a largura de faixa é um prêmio. Comunicações ponto a ponto, rádio comunicações marítimas, televisão, comunicações militares, rádio navegação e rádio amador são seus maiores empregos. 11. Observa-se que a onda de SSB é uma rádio freqüência na qual a amplitude é proporcional a amplitude da tensão modulante e cuja freqüência varia com a freqüência do sinal modulante. Supressão da Portadora 1. Três sistemas principais são empregados para a geração do SSB: Método do Filtro Método do deslocamento de fase Terceiro Método Telecomunicações WJR / 97

3 . Eles diferem uns dos outros na supressão da faixa lateral indesejável, mas todos empregam a mesma forma de modulador balanceado para a supressão da portadora. O modulador balanceado é o circuito chave na geração da faixa lateral única. Efeitos de uma Resistência Não Linear na Soma de Sinais 1. A afinidade entre a tensão e a corrente em uma resistência linear é dado pela expressão: i= be onde b é a constante de proporcionalidade, condutância.. Se um amplificador opera em classe A, uma componente DC da corrente de coletor será incluída, não dependente da tensão do sinal de base. A corrente será dada pela expressão: i= a+ be onde a é a componente contínua de polarização e b é a transcondutância do dispositivo. 3. Se a curva de corrente versus tensão é plotada, observa-se que existe uma curvatura na figura. Uma relação inicial linear e posteriormente a corrente aumenta mais ou menos rapidamente, dependendo se o dispositivo começa a saturar ou ocorre a multiplicação da corrente por avalanche. 4. Nas condições anteriores, a corrente torna-se proporcional não apenas à tensão, mas também a seu quadrado, cubo e potências maiores da tensão de entrada. A expressão da corrente será: 3 i= a+ be+ ce + d e +! 5. Em resistências não lineares práticas, verifica-se que os coeficientes c e d são cada vez menores, de tal modo que podemos considerar na equação até a segunda potência como uma boa aproximação para a equação da resistência não linear: i= a+ be+ ce onde a e b tem o significado já apresentado e c é o coeficiente de não linearidade. 6. Se duas tensões são aplicadas a uma resistência não linear temos: ( ) ( ) i = a + b e1 + e + c e1 + e i = a + be + be + ce + ce e + ce Considerando as tensões de entrada senoidais, temos: e () 1 = ec t = Ec senωc t sinal portadora e = e () t = E senω t sinal modulante m m m Telecomunicações WJR / 97 3

4 onde W c e W m são as velocidades angulares ou freqüências angulares, daí temos: ( senω senω ) ( sen ω senω senω sen ω ) i = a+ b E t + E t + c E t + E E t t + E t c c m m c c c m c m m m 7. Utilizando as equações trigonométricas abaixo, a corrente será: [ ( ) ( ) ] 1 senωc tsenωm t = cos ωc ωm t cos ωc + ωm t 1 sen ω t = [ cos( ω t) ] 1 ce ce c m ce c i = a+ + + bec senωc t + be m senωm t + cos ωc t + ce m + cos ωm t+ cecem cos( ωc ωm) t cecem cos( ωc + ωm) t 8. A equação anterior é a mais importante em comunicações, uma vez que ela é a prova do sistema de modulação Van der Bijl de que harmônicos e distorções de intermodulação podem ocorrer em amplificadores de áudio e de rádio freqüência de que freqüências soma e diferença estão presentes na saída de um misturador de que o detetor a diodo apresenta uma áudio freqüência em sua saída da operação de um oscilador de batimento de freqüência, BFO e do detetor de produto parcial que o modulador balanceado produz AM com portadora suprimida 9. Considerando a equação anterior, podemos concluir sobre cada termo: 1 o - componente contínua o - componente portadora 3 o - componente do sinal modulante 4 o - consiste de harmônicos da portadora 5 o - consiste de harmônicos do sinal modulante 6 o - representa a faixa lateral inferior 7 o - representa a faixa lateral superior Telecomunicações WJR / 97 4

5 10. A equação mostra que quando dois sinais são aplicados a uma resistência não linear, o processo de modulação em amplitude ocorrerá. Em um circuito prático, as tensões desenvolvidas através de um circuito sintonizado na freqüência da portadora e apresentando uma largura de faixa adequada, selecionará apenas as freqüências necessárias para a constituição do sinal de AM. Modulador Balanceado 1. A tensão modulante e é alimentada em push-pull e a tensão portadora e 1 em paralelo para cada par de diodos idênticos ou amplificadores em classe A.. A tensão da portadora é aplicada nas duas gates em fase e a tensão modulante aparece por 180 o defasada nas gates, desde que estão em terminais opostos de um transformador com derivação central. 3. As correntes de saída modulada dos dois FET s são combinadas no primário do center-tap do transformador em push-pull de saída, fazendo neste ponto uma subtração. 4. Considerando o sistema perfeitamente simétrico, verifica-se que a portadora será perfeitamente cancelada. Nenhum sistema pode ser perfeitamente simétrico, logo ela será atenuada uns 45 db sendo considerado aceitável. 5. A saída do modulador balanceado contém as duas faixas laterais e componentes que são selecionadas pela sintonia do enrolamento secundário do trafo de saída, sendo que o sinal final consiste apenas das duas faixas laterais. 6. Como indicado, a tensão de entrada será (e 1 +e ) à gate de T 1 e (e 1 -e ) na gate de T. Considerando a simetria do circuito podemos assumir que as constantes de proporcionalidades serão as mesmas para os dois FET s. As correntes serão: ( ) ( ) ( ) ( ) id = a + b e + e + c e + e = a + be + be + ce + ce e + ce id = a + b e e + c e e = a + be be + ce ce e + ce A corrente de primário é dado pela diferença entre as correntes de dreno individuais: i = id L id = be + 1 4cee 1 7. Substituindo as tensões teremos: i = be senω t + 4cE E senω tsenω t L m m c m m c [ ( ) ( ) ] i = be senω t + ce E cos ω ω t cos ω + ω t L m m c m c m c m Telecomunicações WJR / 97 5

6 e o = β i L [ ( ) ( ) ] e = β be senω t + β ce E cos ω ω t cos ω + ω t o m m m c c m c m 8. A tensão de saída eo será proporcional a sua corrente de primário: Considerando, P = β bem Q=β ce m Ec e = Psenω t + Qcos ω ω t Qcos ω + ω t ( ) ( ) o m c m c m 9. A equação mostra que sob condições idealizadas de simetria a portadora foi cancelada na saída, deixando apenas as duas faixas laterais e a freqüência modulante. O trafo sintonizado de saída remove a freqüência do sinal modulante da saída do circuito. 10. A adição de mais dois diodos no modulador balanceado a diodo será exigido para a remoção também do sinal modulante da saída, tornando o circuito conhecido como modulador em anel. Supressão da Faixa Lateral Indesejável Método do Filtro 1. É o mais simples dos métodos, após o modulador balanceado a faixa lateral indesejável é removida, realmente atenuada excessivamente por um filtro.. O filtro pode ser LC, a cristal ou mecânico. Os circuitos chaves neste transmissor são o modulador balanceado e o filtro de supressão da faixa lateral. 3. Cada filtro deve ter uma faixa passante achatada e atenuação fora da faixa passante. A faixa de freqüência de voz empregada sendo de 300 a 800 Hz, o filtro exigido para suprimir a faixa lateral deve deixar passar sem atenuação a menor freqüência que é de f+300 Hz e atenuar suficiente f-300 Hz. 4. A resposta do filtro deve variar de atenuação zero até atenuação máxima sob uma faixa de freqüência de apenas 600 Hz se a freqüência de transmissão é muito acima de 10 MHz isso será praticamente impossível. 5. Se freqüência modulante menores, tais como o mínimo de 50 Hz utilizado em radiodifusão, a situação torna-se crítica para obter uma curva de resposta do filtro com a borda escarpada como a sugerida; o fator de mérito do circuito sintonizado empregado deve ser muito alto. Telecomunicações WJR / 97 6

7 6. Verificamos que existe um limite de freqüência para um tipo de circuito de filtro a ser empregado. Múltiplos estágios de filtros LC não podem ser empregados para valores de freqüência em torno de 100 khz, devido a insuficiente atenuação exterior a faixa passante. Este estão sendo substituídos em equipamentos de HF por filtros mecânicos ou filtros a cristal devido, principalmente, ao seu tamanho excessivo e um maior aperfeiçoamento dos outros. 7. O filtro mecânico parece ser completo com as melhores propriedades, pequeno tamanho, boa faixa passante, melhor característica de atenuação e adequado limite de freqüência são suas principais vantagens. 8. O filtro a cristal pode ser mais barato, mas tecnicamente preferido apenas em freqüências superiores a 1,0 MHz. 9. Todos os filtros tem a desvantagens de apresentar freqüências de operação muito abaixo da freqüência de transmissão usual resultando na utilização de circuitos conversores balanceados. 10. O conversor balanceado é muito semelhante a um modulador balanceado exceto que a soma de freqüência é selecionada em sua saída. A freqüência de um oscilador a cristal ou de um sintetizador de freqüência é adicionado ao sinal de SSB após o filtro; a freqüência desta forma será aumentada para o valor desejado de transmissão. 11. Nota-se que o conversor balanceado é seguido por amplificadores lineares. Sendo a amplitude do sinal de SSB variável, não deve alimentar um amplificador em classe C no qual distorceria o sinal. O amplificador em classe B é empregado sendo mais eficiente do que um em classe A. Método do Deslocamento de Fase 1. Este método evita o filtro e algumas desvantagens, fazendo o emprego de dois moduladores balanceados e de duas redes de deslocamento de fase.. O modulador M 1 recebe a tensão de portadora deslocada de 90 o e a tensão modulante, enquanto que M é alimentado com a tensão modulante deslocada ou defasada por 90 o e a tensão da portadora. 3. É possível fazer um deslocamento de +45 o para um modulador e de -45 o para o outro, na tensão modulante. 4. Os moduladores balanceados produzem a saída consistindo apenas das faixas laterais. As faixas laterais superiores estão em fase enquanto as faixas laterais inferiores apresentam um defasamento de 180 o, sendo que uma está adiantada de 90 o e a outra atrasada de 90 o sendo que somadas elas concelam-se. Telecomunicações WJR / 97 7

8 5. Considerando os moduladores alimentados pelas mesmas fontes e sendo estes balanceados, as amplitudes podem ser ignoradas, não afetando o resultado final. 6. Tomando a portadora sen W c t e a tensão modulante sen W m t, temos que o modulador M 1 recebe sen W m t e sen (W c t + π/) enquanto que M recebe sen (W m t + π/) e sen W c t. Na saída de cada modulador temos: 7. Na saída do diagrama teremos: π e1 = ct + mt ct mt + π cos ω ω cos ω + ω π e1 = ct mt + ct mt + + π cos ω ω cos ω ω π e = ct mt + ct mt + + π cos ω ω cos ω ω π e = cos ωct ωmt + + π cos ωct ωmt eo = e1 e π eo = cos ωct + ωmt + Conclui-se que uma das faixas laterais foi cancelada e a outra reforçada no circuito somador, produzindo um sinal de SSB. 8. Análise similar mostra que um sinal de SSB com a faixa lateral inferior é obtido se ambos os sinais são aplicados a um modulador, deslocado de fase. Terceiro Método 1. Desenvolvido por Weaver com a intenção de conservar as vantagens do deslocamento de fase para qualquer freqüência e utilizar baixa freqüência modulante de áudio, sem associar a desvantagem da rede de deslocamento de fase de áudio.. A última parte deste circuito é idêntico ao método do deslocamento de fase, modificando apenas no defasamento dos sinais. 3. Uma portadora de áudio, fo, de valor fixo no meio da faixa de áudio é utilizada. 4. Um deslocamento de fase é aplicado a essa freqüência, aplicando-se a tensão resultante no primeiro par de moduladores, aos filtros passa-baixa que apresentam uma freqüência de corte igual a fo, assegurando que a entrada do último par de moduladores resultem em uma adequada supressão final da faixa lateral. Telecomunicações WJR / 97 8

9 5. Verifica-se que o sinal da faixa lateral inferior é cancelada para a configuração apresentada e se um sinal de faixa lateral inferior for desejada, a fase da tensão portadora deverá ser aplicada ao modulador M1 defasada por 180 o. Evolução e Comparação dos Sistemas 1. Indiferente ao método utilizado o resultado obtido é o mesmo sendo a qualidade para os três métodos a mesma.. O Método do Filtro: proporciona adequada supressão da faixa lateral, 50 db, sendo que o filtro ajuda a atenuação da portadora, adicionando uma proteção ausente para os dois outros métodos. A largura de faixa é suficientemente plana e extensão, exceto com filtros a cristal em baixa freqüência, sendo limitado para uma melhor qualidade. A grande desvantagem é seu tamanho sendo superado com a utilização de filtros mecânicos de excelentes qualidades e de filtros a cristal de reduzido tamanho. Existe a inabilidade do sistema de gerar sinais de SSB em altas freqüências exigindo repetidas conversões de freqüência. Baixa freqüência de áudio não podem ser empregadas e dois filtros dispendiosos são exigidos para torná-lo capaz de suprimir uma ou outra faixa lateral. É excelente meio de geração de SSB em comunicações de qualidade e é empregado em uma ampla maioria de sistemas comerciais, com filtros mecânicos, exceto em equipamentos multicanais onde filtros a cristal ou LC são as vezes empregados. 3. O Método de Deslocamento de Fase: Apresenta duas vantagens: o fácil chaveamento de uma faixa lateral para a outra e a habilidade da geração de SSB em qualquer freqüência, substituindo a conversão. Áudio freqüências de baixo valor podem ser empregadas no canal de modulação. Sua desvantagem é a utilização da rede de deslocamento de fase em áudio que é a parte crítica, sendo um dispositivo muito complexo. O sistema utiliza dois moduladores balanceados que devem apresentar a mesma saída ou o cancelamento mais uma vez seria incompleto ou inadequado. Este sistema não é empregado comercialmente, mas apresenta uma utilização ampla por rádio amadores. Telecomunicações WJR / 97 9

10 4. O Terceiro Método: Freqüências de áudio de baixo valor podem ser transmitidas se desejado. Faixas laterais podem ser chaveadas com inteira facilidade, mas um cristal extra pode ser exigido. O sistema é o mais complexo dos três, sendo empregado comercialmente, porém improvável sua utilização na substituição do método do filtro. Sua aplicação está direcionada em compatibilizar a radiodifusão comercial em SSB. Formas de Modulação em Amplitude 1. A3 ou A3A - Double SideBand, Full Carrier - AM-DSB-FC é o padrão de modulação em amplitude, empregada na radiodifusão comercial.. A3A ou R3E - Single SideBand, Reduced Carrier - é o sistema de portadora piloto. A portadora atenuada é reinserida ao sinal de SSB para facilitar a sintonização do receptor e a demodulação. Vem sendo substituído em todo mundo pelo A3J. 3. A3H ou H3E - Single SideBand, Full Carrier - este sistema pode ser empregado como um AM compatível em sistemas de radiodifusão com receptores A3. Distorções não excedentes a 5% será exigido para transmissões A3H para recepção em receptores A3. 4. A3J ou J3E - Single SideBand, Supressed Carrier - é o sistema referido como SSB no qual a portadora é suprimida pelo menos a 45 db no transmissor. Implantações vantajosas devido a alta estabilidade é exigida pelos receptores. Vem tomando a forma padrão de SSB para comunicações móveis em HF. 5. A3B ou B8E - Two Independent SideBand - com uma portadora que é mais comumente atenuada ou suprimida, é conhecido como emissões ISB - Independent SideBand, sendo freqüentemente empregado para radiotelegrafia ponto a ponto em HF onde mais de um canal é exigido. 6. A5C ou C3F - Vestigial SideBand - empregado para transmissões de vídeo. Um sistema no qual um resíduo da faixa lateral indesejável é transmitida com a portadora completa. É empregado em transmissões de vídeo em todos os sistemas de televisão do mundo para conservar a largura de faixa. Quando utilizado em telefonia este sistema é denominado de A3C. Telecomunicações WJR / 97 10

11 Reinserção da Portadora - Sistema de Portadora Piloto 1. Verificou-se que o A3J exige excelente estabilidade de freqüência por ambas as partes de transmissão e recepção, uma vez que qualquer deslocamento na freqüência ao longo da cadeia de eventos causará um igual deslocamento para o sinal recebido.. A técnica utilizada para solucionar este problema é a transmissão de uma portadora piloto com a faixa lateral desejada. A portadora atenuada é adicionado a transmissão após a faixa lateral indesejável ter sido removida. 3. A portadora é normalmente reinserida a um nível de 16 a 8 db abaixo de seu valor nominal e proporciona um sinal de referência para ajudar a demodulação no receptor. O receptor utiliza um sistema de AFC. 4. A estabilidade em freqüência obtida é da ordem de 1:10 7, sendo amplamente empregado em radiotelegrafia ponto a ponto transmarítma e em comunicações móveis marítmas especialmente em freqüências de salvamento. Sistema de Faixa Lateral Independente - ISB 1. Para alta densidade de comunicações ponto a ponto as técnicas de multiplex são empregadas, enquanto que para média densidade de tráfego emprega-se a transmissão em faixa lateral independente.. O ISB consiste essencialmente de A3A com dois canais SSB adicionados para formar duas faixas laterais acerca da portadora reduzida; cada faixa lateral é inteiramente independente uma da outra e simultameamente transmitem informações diferentes. 3. Cada canal de 6,0 khz alimenta seu próprio modulador balanceado e cada modulador também recebe a saída de um oscilador a cristal na freqüência de 100 khz. A portadora é suprimida por 45 db ou mais no modulador balanceado e o filtro seguinte suprime a faixa lateral indesejável. A diferença é que enquanto um filtro suprime a faixa lateral inferior o outro suprime a faixa lateral superior. As saídas são combinadas com a portadora a 6 db de atenuação no somador, constituindo assim o sinal de ISB. 4. Após gerar o sinal de ISB a baixa freqüência através da conversão de freqüência com a saída de outro oscilador a cristal, a freqüência é então aumentada para o valor padrão de 3,1 MHz. 5. O sinal deixa a Unidade Drive e entra no transmissor principal. Sua freqüência é aumentada através de outra conversão com a saída de outro oscilador a cristal uma vez que estas transmissões situam-se na faixa de HF de 3 a 30 MHz. O sinal resultante de ISB-RF é então amplificado em amplificadores lineares que alimentam uma antena direcional para a Telecomunicações WJR / 97 11

12 transmissão. O nível de potência típico a esse ponto é geralmente entre 10 a 60 KW de pico. 6. Desde que cada faixa lateral tem uma largura de faixa de 6,0 khz, pode transportar dois canais de voz de 3,0 khz, resultando em quatro conversações transmitidas simultaneamente, Alternativamente um ou mais faixas de 3,0 khz podem ser ocupadas por 15 ou mais canais telegráficos com o emprego de multiplexação. 7. A demodulação de ISB nos receptores seguem um caminho similar ao processo de modulação. Transmissão em Faixa Lateral Residual 1. A largura de faixa ocupada por semelhante sinal é no mínimo de 4,0 MHz. Se as transmissões de vídeo utilizassem o A3, uma largura de faixa de no mínimo 9,0 MHz seria necessário, sendo claro que alguma forma de SSB é aqui indicada para a conservação do espectro de freqüência.. Devido a resposta de fase dos filtros, próximo ao corte na faixa passante plana, um efeito prejudicial nos sinais de vídeo recebidos em um receptor de TV, uma porção da faixa lateral indesejável deverá ser transmitida. O resultado é a transmissão em faixa lateral residual onde a portadora é transmitida integralmente. 3. As freqüências utilizadas referem-se ao sistema de TV - NTSC em uso nos EUA, sendo seus valores diferentes para o sistema PAL utilizado na Europa, Austrália, Brasil e o sistema SECAM utilizado na França. 4. Estabelecendo o valor de 1,5 MHz a faixa lateral é possível assegurar que as mais baixas freqüências na faixa lateral inferior não sejam distorcidas em fase pelo filtro de faixa lateral residual. Devido aos 1,5 MHz, a faixa lateral inferior é transmitida e 3,0 MHz do espectro de freqüência é economizado para cada canal de TV, uma que a largura total do canal de TV é agora de 6,0 MHz e não os 9,0 MHz podendo com isso estabelecer um número maior de canais dentro da faixa de VHF. Telecomunicações WJR / 97 1

13 Figuras Figura 01 - Formas de onda de vários tipos de modulação em amplitude. Figura 0 - Curva característica de uma resistência não linear. Telecomunicações WJR / 97 13

14 Figura 03 - Moduladores balanceados: a - a diodos; b - a FETs Figura 04 - Modulador balanceado em anel ou duplamente balanceado. Telecomunicações WJR / 97 14

15 Figura 05 - Método do filtro na supressão da faixa lateral. Figura 06 - Faixa lateral única por deslocamento de fase. Telecomunicações WJR / 97 15

16 Figura 07 - Terceiro método de geração de faixa lateral única. Figura 08 - Cancelamento imperfeito da faixa lateral. Telecomunicações WJR / 97 16

17 Figura 09 - Transmissor de faixa lateral independente, ISB. Telecomunicações WJR / 97 17

18 Figura 10 - Faixa lateral residual como empregada para a transmissão de TV: a - espectro do sinal transmitido pelo NTSC. b - correspondente resposta em freqüência do amplificador de vídeo. Telecomunicações WJR / 97 18