Modulação SSB e Transmissão Digital

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1 Modulação SSB e Transmissão Digital 1 Modulação em SSB Vimos que na modulação AM, a portadora é mantida e o sinal modulante produz dois sinais laterais com a informação que estamos transmitindo. Fig. 1 - Distribuição da potência transmitida em AM. Podemos observar que, a frequência do sinal modulante (fm) está presente nas duas faixas laterais e a portadora, apesar de representar a maior parte da energia não carrega nenhuma informação. A modulação em SSB consiste em eliminar a portadora e transmitir somente os sinais laterais. Para recepção do sinal, um sinal de portadora é adicionado ao sinal recebido. Quando somente a portadora é retirada, que recebe o nome técnico de portadora suprimida, um sinal com duas faixas laterais é obtido, esse sinal é chamado de DSB (double side band). Fig. 2 - Transmissão em DSB O sinal DSB possui uma informação duplicada. Estes sinais são chamados de faixa lateral superior (USB) e faixa lateral inferior (LSB). Para aumentar a eficiência deste tipo de transmissão, um filtro pode ser utilizado para permitir a passagem de somente um dos sinais laterais. Desta forma estamos transformando um sinal DSB em um sinal SSB (Single Side Band) e teremos duas possibilidades: Uma transmissão chamada popularmente de LSB e outra de USB.

2 Fig. 3 - Transmissão em SSB. Uma transmissão em SSB, seja ela em USB ou LSB é muito mais eficiente que uma transmissão AM. Além de utilizar um canal mais estreito, fato esse que melhora a relação sinal ruído, a transmissão em SSB concentra toda potência na faixa lateral e transmite proporcionalmente ao sinal modulante, isso significa que, quando o operador de um radio SSB está em silêncio, o transmissor não emite nenhum sinal. Modulação digital A modulação digital, como é de se imaginar transmite somente os dígitos 0 e 1. Vamos agora ver algumas técnicas utilizadas para esse sistema: 2 - Modulação ASK A modulação ASK (Amplitude Shift Keying) é a mais simples de todas. Ela pode ser comparada com uma modulação em CW. Neste tipo de modulação, a portadora representa um dos dígitos e a ausência da portadora o outro dígito, ou seja, a portadora é ligada ou desligada de acordo com o bit transmitido: Fig. 4 Transmissão ASK

3 A modulação ASK é muito utilizada em transmissores simples como os de controle remoto de carros ou alarmes. Fig. 5 - Controle remoto com modulação ASK 3 - Modulação FSK Na modulação FSK (Frequency Shift Keying) básica, duas frequências são utilizadas uma representando o 0 e outra o 1. Na prática, as duas frequências ficam muito próximas, assim o que se faz é um desvio da portadora de acordo com o bit a ser transmitido. Este tipo de transmissão é também chamada de BFSK ( Binary FSK ) Fig. 6 Transmissão FSK.

4 4 - Modulação PSK Na modulação PSK (Phase Shift Keying) a fase do sinal é invertida representando a mudança de 0 para 1 e 1 para 0. Essa modulação exige um sistema mais complexo de recepção se comparado aos modos FSK e ASK. Fig. 7 Transmissão PSK. É comum representar este tipo de sinal em um diagrama chamado de constelação. Perceba que no diagrama acima o digito 1 está em zero graus enquanto que o digito 0 está em 180 graus. Este tipo de modulação básica também é chamada de BPSK. 5 - Modulação QPSK A modulação QPSK transmite dois ou mais bits ao mesmo tempo. No exemplo abaixo podemos ver uma constelação onde cada ângulo representa dois bits: Fig. 8 Diagrama constelação de um sinal QPSK.

5 Portanto é uma modulação em fase igual à anterior, porém com 4 possibilidades de ângulos de fase. No exemplo acima, este sinal é chamado de 4-PSK. No exemplo abaixo podemos ver uma modulação com 3 bits por vez, chamada modulação 8-QPSK. Fig. 9 Diagrama constelação de um sinal 8-QPSK. 6 - Modulação QAM Na modulação QAM, além da fase, a amplitude do sinal pode variar, desta forma, podemos transmitir mais bits por vez. Um exemplo disso é a modulação 16-QAM: Fig.10 Diagrama constelação deum sinal 16QAM.

6 Outros exemplos são: Fig.11 Diagrama constelação de sinais 32-QAM e 64QAM. 7 - Modulação em portadora digital Em alguns sistemas, se usa uma portadora digital, ou seja uma sinal igual ao sinal de clock no lugar da onda senoidal. Obviamente este sinal não pode ser transmitido por uma antena, porém permite a transmissão de dados à longas distância através de fios ou fibras óticas. Fig.12 Portadora digital Modulação PWM Modulação por largura de pulso ou PWM é uma técnica de modulação em portadora digital, ela permite a transmissão de uma informação analógica variando a largura do pulso. Fig.13 Modulação PWM.

7 7.2 - Modulação PPM Pulse Position Modulation (PPM) é uma modulação em portadora digital onde a posição do pulso determina a amplitude do sinal modulante. Fig.14 Modulação PPM Modulação PAM A modulação PAM (Pulso Amplitude Modulation) é uma modulação em amplitude da portadora digital. Fig.15 Modulação PAM.

8 8 - PCM A modulação PCM é utilizada para converter sinais analógicos em sinais digitais. Esta técnica consiste em basicamente 3 operações básicas: Amostragem, quantização e codificação. 8.1 Amostragem e quantização A amostragem consiste em medir a tensão do sinal a ser transmitido em um determinado momento. Fig Pontos (em azul) de amostragem de um sinal. (imagem Wikipedia) Na imagem acima temos um sinal (em vermelho) que será transmitido. Os pontos em azul representam valores medidos, ou seja, amostrados. Cada ponto contém uma única informação que deverá ser transmitida. Como o sinal é analógico e possui infinitos valores intermediários, para ser convertido em um código é necessário aproximar a medida para um valor pré-determinado mais próximo. Na figura acima isso já está mostrado. Perceba que existem 16 valores, de 0 à 15. O primeiro ponto foi arredondado para 8 apesar de ser um pouco menor que 8, o segundo ponto foi arredondado para 9, apesar de ser maior que 9 e assim vale para os demais. O processo de arredondamento é chamado de quantização. Um fato importante a ser observado é que, o espaçamento de tempo entre uma amostra é outra deve ser constante. Um exemplo de som digital pode ser visualizado na figura abaixo.

9 Fig Som digitalizado com a técnica PCM [1]. A técnica PCM não é perfeita e durante a conversão sempre se tem uma informação aproximada, porém, dependendo da taxa de amostragem, ou seja, da velocidade entre uma amostra e outra o ouvido humano não percebe a diferença entre um som analógico e um som digital. 8.2 Taxa de amostragem e o teorema de Nyquist Um dos parâmetros mais importantes no PCM é a taxa de amostragem, quanto mais alta a taxa de amostragem melhor é a qualidade do sinal analógico reproduzido. Como exemplo temos Qualidade do som Qualidade de som de CD Taxa de amostragem Hz Qualidade de som uma estação de rádio estéreo Hz Voz no telefone Hz Uma taxa de amostragem de Hz significa amostras por segundo. Todos nós estamos acostumados à ouvir som digital não sendo necessário falar da diferença entre um som de CD e um telefone.

10 Quando se deseja armazenar, transmitir ou até mesmo reproduzir um som digital, temos que inicialmente determinar o valor dessa taxa. Inicialmente podemos pensar na qualidade, porém, uma taxa de 44,1KHz exige um processador poderoso, se for transmitido um canal de dados grande e assim vai. Se essa informação for a voz em um telefone, isso não é necessário, afinal ninguém precisa de um telefone HI-FI em casa. Porém, se a taxa for muito reduzida a qualidade pode ser tão baixa que não iremos compreender o que está sendo falado ou transmitido. A questão é: Qual é a menor taxa de amostragem que podemos utilizar em um sinal? A resposta é: A menor taxa de amostragem deve ser o dobro da maior frequência a ser amostrada. Este limite é definido pelo famoso Teorema de Nyquist. Vamos supor que desejamos transmitir um áudio que possui uma frequência máxima de 8KHz ( um som agudo ). Para transmitir esse som devemos usar uma taxa de amostragem de no mínimo 16KHz, ou seja, o dobro. Voltando ao exemplo da qualidade de som do CD, a taxa de amostragem de 44,1KHz permite amostrar sinais um pouco superiores à 22KHz. Como o ouvido humano é capaz de perceber sons de até 18KHz ou um pouco mais essa taxa é suficiente. Não podemos esquecer que estamos no limite da amostragem para essa frequência, portanto amostragens com valores superiores, por exemplo 96KHz podem produzir sons de melhor qualidade. 8.3 Quantidade de Bits da amostra De nada adianta uma alta taxa de amostragem se cada amostra não for bem representada. Por exemplo, um sistema com somente 8 níveis possíveis, ao amostrar um sinal, o mesmo será arredondado para o nível mais próximo entre os 8 níveis possíveis. O número de níveis é definido pelo número de bits que cada amostra será representada obedecendo a regra: Por exemplo, um sistema com 8 bits, cada amostra será representada por esses 8 bits e o sistema terá 256 níveis de tensão possíveis. 8.4 Codificação Após a amostragem e a quantização, é necessário transformar essas amostras em uma informação digital. O processo de transformação do nível em um sinal digital é chamado de codificação. Na imagem abaixo podemos ver um exemplo de sinal sendo convertido em código no processo PCM.

11 Fig Codificação PCM. [2] Perceba que, na primeira amostra o valor real era de 179,3V, esta tensão foi arredondada para 179,0 e em seguida codificada em Abaixo temos um exemplo de arquivo.wav de 16 bits com taxa de amostragem de 11025Hz. Fig Dados de um arquivo WAV. ( Imagem Roland PY4ZBZ [2] ).

12 Neste exemplo, as amostras estão gravadas em complemento de 2 ou seja, os 16 bits são invertidos e em seguida é somado Recuperação do sinal original A recuperação do sinal transmitido consiste em transformar os bits recebidos em níveis de tensão e, em seguida passar por um filtro que tem a função de transformar a onda gerada em um sinal mais próximo do original conforme diagrama em blocos abaixo: Fig Diagrama em blocos de uma transmissão PCM. [3] [1] O que é áudio digital Ana Carolina Soares [2] Quantização e codificação Roland (PY4ZBZ) [3] Curso de Telefonia digital ETFSC UNED/SJ