Unidade II - Modulação em Amplitude

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1 Unidade II - Modulação em Amplitude 1. Modulação em amplitude é definida como um sistema de modulação no qual a amplitude do sinal portadora é feita proporcional aos valores instantâneos de amplitude da tensão modulante ou sinal de informação.. Convenções: Sinal portadora e c (t) = c sen ( W c t + ϕ c ) ou e o (t) = o sen ( W o t + ϕ o ) Sinal modulante ou informação e m (t) = m sen ( W m t + ϕ m ) 3. A amplitude máxima c ou o de uma portadora não modulada, deverá variar proporcional aos valores instantâneos da tensão modulante m sen ( W m t + ϕ m ) quando a portadora for modulada em amplitude. 4. Quando a modulação está presente a amplitude da portadora é variada em seu valor instantâneo. Se m é muito maior do que c algo não usual ocorrerá, tal como distorção no sinal. 5. Índice de modulação m a é definido como a relação entre as amplitudes máximas m e c k a m k a m ma = = c o onde k a = constante de proporcionalidade ou de linearidade do modulador. 6. O índice de modulação é um número puro que varia entre zero e a unidade, as vezes é expresso como uma percentagem, no caso denominado de percentagem de modulação. 7. A partir do conceito de modulação em amplitude podemos escrever uma equação para a tensão modulada. A= + e () t = + senw t c m c m m ( 1 sen ) A= + m senw t = = m W t c a c m c a m A tensão instantânea resultante da onda modulada em amplitude será ( 1 ) e ( t) = AsenW t = + m senw t senw t AM c c a m c 8. Através da combinação das quatro equações trigonométricas permite-nos expandir a equação da onda modulada em amplitude e obter: m a c m a c eam ( t) = c senwc t + cos( Wc Wm) t cos( Wc + Wm) t Telecomunicações WJR / 97 1

2 9. Analisando a equação acima, podemos concluir: A onda modulada é composta por três componentes a saber: c sen W c t - componente portadora; m a c / cos (W c - W m )t - faixa lateral inferior - FLI - LSB; m a c / cos (W c +W m )t - faixa lateral inferior - FLS - USB. A componente portadora não apresenta variações em amplitude e em freqüência dependentes do sinal modulante. A informação ou sinal modulante está presente nas faixas laterais, modificando a amplitude e a freqüência destas componentes. Representação da Onda Modulada em Amplitude 1. A onda modulada em amplitude pode ser representada sob três formas a saber: pelo espectro de freqüência - construído a partir de uma padronização onde os sinais são cossenóides pela forma de onda apresentada por um osciloscópio por seu diagrama fasorial. Pela forma de onda teremos a amplitude ou o que chamamos de topo envolvente da onda de AM e o máximo negativo da amplitude denominado de fundo ou vale dado pelas equações: Topo envolvente A= c + msenwmt A= + senw t Fundo ou Vale envolvente ( ) c m m 3. A onda modulada estende-se entre estes dois limites envolventes e tem uma velocidade de repetição igual à freqüência da portadora não modulada. 4. Utilizando a forma de onda de AM podemos determinar uma expressão para o cálculo do índice de modulação: Telecomunicações WJR / 97

3 m m m a c a a = m c m = MAX em () t = MAX = MAX + m = = c = MIN MAX MAX ( MAX MIN ) ( + ) MAX MIN + MIN MIN MAX MIN 5. A equação é um método de avaliar o índice de modulação utilizando o osciloscópio, não podendo ser utilizada em nenhuma outra situação. Relação de Potência da Onda de AM 1. A potência média total desenvolvida por uma onda de AM será composta pelo somatório das três potências médias de cada componente: carr LSB USB Pt = + + R R R c carr c Pc = = = R R R SB PUSB = PLSB = R m a c PUSB = PLSB = R m a c m a c Pt = Pc + + 4R 4R Pt ma = 1+ P c = m a 8R c Telecomunicações WJR / 97 3

4 . A equação acima relaciona a potência média total da onda modulada em amplitude e a potência média da portadora não modulada. 3. Observa-se que o processo de modulação em amplitude aumenta a potência do sinal através da adição da potência correspondente às duas faixas laterais. 4. A potência média total depende do sinal modulante, apresentando seu valor máximo quando m a = 1,0, sendo P t = 1,5 P c, correspondendo exatamente à máxima potência que os amplificadores conseguem manipular sem contudo distorcer o sinal. Relação das Correntes 1. A partir da relação de potência podemos deduzir uma relação entre a corrente total desenvolvida pela onda de AM e a corrente da portadora não modulada. It I c = 1+ ma Modulação por Vários Sinais Senoidais 1. Na prática encontramos a modulação de uma portadora por vários sinais senoidais simultaneamente. Isso leva-nos a um cálculo do índice de modulação resultante para determinarmos a potência média total a ser transmitida.. Considerando que tenhamos vários sinais modulantes senoidais o sinal resultante será dado por: m RS = 1 + +! logo o índice de modulação resultante será: ma = ma + m RS 1 a +! 3. O índice de modulação resultante não deve, contudo exceder à unidade ou distorção resultará, como sobremodulação por uma senoidal simples. Telecomunicações WJR / 97 4

5 Geração de uma Onda Modulada em Amplitude 1. xistem dois métodos de gerar uma onda modulada em amplitude: O gerador de AM comum, na produção de AM em semelhantes dispositivos, a baixo nível de potência m transmissores de AM, onde gera-se altas potências, onde o primeiro requisito é a eficiência do sistema. Requisitos Básicos: Comparação de Níveis 1. Aplica-se uma série de pulsos de corrente a um circuito sintonizado. Para cada pulso, inicia-se uma oscilação amortecida, devido às perdas, que tem uma amplitude inicial proporcional ao tamanho do pulso de corrente e uma velocidade de descida dependente da constante de tempo do circuito.. Desde que um trem de pulso é alimentado a um circuito tanque ou circuito sintonizado, cada pulso causará uma onda senoidal completa proporcional à amplitude do pulso aplicado. 3. O processo é conhecido como flywhell effect - efeito volante do circuito tanque, que trabalha melhor com um circuito sintonizado com fator de mérito Q moderado. 4. É possível fazer com que a corrente de um amplificador em classe C seja proporcional à tensão modulante, pela adição dessa tensão em série com algumas das tensões de alimentação desses amplificadores. 5. m um transmissor de AM a modulação em amplitude pode ser gerada em qualquer ponto após o cristal oscilador; até mesmo no circuito oscilador, porém teríamos interferência em sua estabilidade em freqüência, fato este desnecessário. 6. Denominamos de modulação em alto nível ao circuito no qual o sinal modulante é aplicado na placa da válvula ou coletor do transistor. 7. Se a modulação é aplicada em qualquer outro eletrodo ou terminal, mesmo do amplificador de saída, então a modulação será denominada de baixo nível. 8. A modulação em grade no estágio de saída é considerada como modulação em alto nível para transmissores de televisão, devido as dificuldades de se gerar uma alta potência com grande largura de faixa exigida pelo sinal de TV, utilizando modulação em placa. 9. No diagrama em blocos do transmissor de AM convencional ou AM-DSB-FC verificamos que a tensão de áudio é processada, filtrada para ocupar a correta largura de faixa de 10 Telecomunicações WJR / 97 5

6 khz e comprimida para reduzir a relação de amplitude. Um amplificador de potência de áudio é seguido, culminando no circuito modulador. 10. O modulador é seguido de um amplificador de RF para modulação de baixo nível, sendo um amplificador de RF linear, em classe B de maneira a exagerar a diferença entre os sistemas. 11. Cada estágio seguinte deve aumentar a potência das faixas laterais, bem como a portadora, logo esses estágios subseqüentes devem ter largura de faixa suficiente para as freqüências das faixas laterais. 1. Conclui-se, desta forma, que estes estágios não podem ser em classe C e são, por conseguinte, menos eficientes. 13. Cada um dos sistemas são vistos tendo uma grande vantagem: baixa potência do sinal modulante é exigido em um caso; maior eficiência de amplificação em RF com esboços de circuitos mais simples no outro caso. 14. Modulação em placa tende a apresentar melhor eficiência, baixa distorção e maior capacidade de manipular potências do que a modulação em grade. 15. Conclui-se que para a transmissão de AM, invariavelmente utiliza-se a modulação em alto nível e em transmissores de TV a modulação em grade no seu estágio final. Outros métodos são empregados em baixa potência e em aplicações como geradores de sinais de AM e instrumentos de testes e medidas. Amplificadores Classe C Modulado em Grade 1. Um amplificador em classe C pode ser modulado pela introdução da tensão de modulação em série com a polarização de grade.. A tensão de modulação é superposta à polarização de grade; desta forma a amplitude total de polarização é proporcional a amplitude do sinal modulante e varia a uma velocidade igual à freqüência do sinal modulante. 3. A corrente de placa resultante flui em pulsos e a amplitude de cada pulso é proporcional a polarização instantânea, desta forma proporcional à tensão instantânea de modulação. 4. A aplicação desses pulsos a um circuito sintonizado produzirá a modulação em amplitude. 5. O sistema funcionará sem distorção apenas se a característica de transferência da válvula triodo ou dispositivo for perfeitamente linear. Não sendo verificado esta linearidade, o sinal de saída deverá ser um tanto quanto distorcido, maior do que a modulação em placa e de menor eficiência. Telecomunicações WJR / 97 6

7 6. Por causa dessas condições de polarização, a máxima potência de saída para um amplificador modulado em grade e muito menor do que a obtida com o mesmo dispositivo, este não modulado ou se modulado em placa ou coletor. 7. As desvantagens da modulação em grade são contra balanceadas pela baixa potência do sinal modulante necessário. Os harmônios gerados como resultado da não linearidade podem ser reduzidos pela operação do amplificador em push-pull. Amplificadores em Classe C Modulado em Placa 1. É o método padrão e o mais amplamente empregado na obtenção de modulação em amplitude para a radiodifusão e outras aplicações em transmissores de alta potência.. A tensão de áudio ou de informação é aplicada em série com a tensão de alimentação de placa de um amplificador em classe C do qual a corrente de placa é, desta forma, variada de acordo com o sinal modulante. 3. A saída do amplificador modulante pode ser aplicado ao amplificador de potência, PA, por meio de dois elementos de acoplamento: um choque de áudio ou um transformador de saída de áudio, transformador de modulação. 4. Quando o transformador de modulação é utilizado o sistema é denominado de modulação em anodo B, isto é, modulação em anodo no amplificador de potência de saída e operação em classe B do modulador. 5. O transformador permite o uso de um modulador em classe B proporcionando boa eficiência de áudio e facilitando a obtenção de 100% de modulação. 6. sse sistema de modulação é empregado em uma vasta maioria dos transmissores de radiodifusão em modulação em amplitude. Triodo empregando Transformador de Modulação 1. Neutralização é empregada como o foi no modulador em grade sendo necessária para evitar o efeito Miller nos triodos em altas freqüências.. Alimentação em derivação do amplificador em classe C é utilizada principalmente para simplificar a explanação. 3. O enrolamento secundário do transformador de modulação é derivado para a RF e evita que alguma parte desvie do circuito tanque de saída pelo choque de RF. Telecomunicações WJR / 97 7

8 4. A mesma fonte de alimentação bb é empregada para ambos, PA e o modulador, implicando que a tensão de saída de pico do modulador seja feita menor do que bb para evitar distorções. 5. mbora uma fonte de alimentação fixa cc seja utilizada, auto polarização poderá ser empregada em forma de polarização por escape, resultando em melhor operação. 6. A forma de onda da tensão de placa aplicada ao amplificador em classe C é de importância bem como a corrente de placa; ela é uma série de pulsos governados pela magnitude da tensão modulante. sses pulsos são aplicados a um circuito tanque e a forma de onda modulada é a resultante. 7. A forma de onda entre placa e catodo é obtida pela superposição da tensão de RF combinada com a tensão de alimentação. A tensão de RF aparece através do primário da bobina do circuito tanque no qual a tensão de alimentação é desacoplado através do capacitor de acoplamento, Cc. 8. A forma de onda da corrente de grade do amplificador modulado varia durante o ciclo da tensão de modulação, embora a tensão de RF não o faça. 9. Quando a tensão de alimentação de placa cai para o pico negativo do sinal modulante a placa é apenas moderadamente positiva e a grade é forçada a ficar positiva; a corrente de grade aumenta significativamente. 10. No pico positivo do sinal modulante a aplicação é inversa e a corrente diminui, sendo uma variação não senoidal. 11. Se esta situação não é controlada dois efeitos resultarão: A condução pode tornar-se uma sobrecarga quando a corrente de grade aumenta implicando em distorção. A grade da válvula amplificadora de potência certamente derreterá por não suportar dissipar toda essa potência. 1. Dois tratamentos são disponíveis: É ter uma condução com regulação pobre de forma que a corrente de grade seja incapaz de aumentar. É a utilização da polarização por escape de grade. 13. Quando a corrente de grade tende a aumentar, a polarização de grade aumenta, tornando mais negativa e tendendo a reduzir a corrente de grade, estabelecendo-se um ponto de equilíbrio e proporcionando que tais aumentos sejam dentro de um limite aceitável. 14. No pico positivo do sinal modulante a corrente de grade tenderá a cair sendo esta caída reduzida por uma redução simultânea na polarização negativa de modo que a forma de onda da corrente de grade vê-se semelhante a uma versão muito achatada da corrente de grade com polarização fixa. Telecomunicações WJR / 97 8

9 15. Torna-se mais fácil obter um valor alto de corrente de placa e assim a distorção no pico positivo do sinal modulante é prevenido. 16. Sob outro aspecto a tensão de grade com polarização por escape é vista sendo muito similar a onda de entrada para um amplificador modulado em grade, conclui-se ter um amplificador grade-placa modulado, mais eficiente e com menores distorções. Amplificadores Transistorizados Modulados 1. Modernos transmissores de AM em alta potência tendem para o emprego de transistores a baixo nível de potência tanto que excitar transistores de RF e AF são processos comuns.. Os estágios de saída e, geralmente os drivers, de tais transmissores utilizam válvulas. 3. Não extingue a existência de transmissores totalmente transistorizados para aplicações em baixa potência, com poucas centenas de watts de saída, obtidos com elementos em paralelos. 4. Os métodos de modulação para amplificadores transistorizados são os mesmos empregando válvulas, tendo as mesmas propriedades e vantagens com seus correspondentes. 5. Modulação em coletor tem vantagens sobre a modulação em base de melhor linearidade, maior eficiência e maior potência de saída, mas como esperado ela requer maior potência da fonte de sinal modulante ou informação. 6. A saturação de coletor impede 100% de modulação de ser obtida com somente o coletor modulado, sendo que uma forma composta de modulação é empregada. 7. O circuito apresentado tem uma alternativa onde o driver e o amplificador de saída são modulados em coletor. Outra alternativa é empregar a modulação de coletor e base em um mesmo amplificador. 8. A modulação em dreno e gate de amplificadores utilizando FTs são igualmente possíveis e é empregado em alguns sistemas. Telecomunicações WJR / 97 9

10 Figuras Figura 01 - Amplitude instantânea da onda modulada em amplitue Figura 0 - spectro de freqüência da onda modulada em amplitude. Figura 03 - Onda modulada em amplitude. Telecomunicações WJR / 97 10

11 Figura 04 - Corrente necessária para a obtenção de onda de AM. Figura 05 - Diagrama em blocos de um transmissor de AM. Telecomunicações WJR / 97 11

12 Figura 06 - Amplificador em Classe C, modulado em grade. Figura 07 - Forma de onda de tensão de grade-corrente de placa para um amplificador em Classe C, modulado em grade. Telecomunicações WJR / 97 1

13 Figura 08 - Circuito quivalente do modulador em placa. Figura 09 - Amplificador em Classe C a triodo, modulado em placa. Telecomunicações WJR / 97 13

14 Figura 10 - Forma de onda da modulação em placa. Telecomunicações WJR / 97 14

15 Figura 11 - Modulação em coletor. Figura 1 - Geração de um sinal senoidal. Figura 13 - Representação fasorial de um sinal senoidal. Telecomunicações WJR / 97 15

16 Figura 13 - Representação fasorial de um sinal modulado em amplitude. Telecomunicações WJR / 97 16