Capítulo 7 Sistemas de Comunicações Analógicos

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1 Capítulo 7 Sistemas de Comuniações Analógios 7.1 Reeptores para Modulação CW Reeptores Super-heteródinos: Além da demodulação, um reeptor de radiodifusão típio deve desempenhar outras três operações: Sintonia da frequênia de portadora, para seleionar o(a) sinal (emissora) desejado(a); Filtragem, para separar tal sinal (emissora) de outros(as) reebidos(as) junto om o(a) mesmo(a); Amplifiação, para ompensar as perdas de transmissão. A amplifiação tem por objetivo trazer a intensidade do sinal a um nível sufiientemente alto para que possa ser proessado pelo iruito eletrônio de demodulação: por exemplo, se o demodulador é baseado em detetor de envoltória a diodo, o sinal de entrada deve vener a queda de tensão direta dos diodo. Teoriamente, todas essas exigênias poderiam ser satisfeitas om um amplifiador passa banda de alto ganho e sintonizável. Na prátia, problemas om largura de banda fraionária (razão entre largura de banda e frequênia entral fora da faixa entre 0.01 e 0.1) e estabilidade tornam tal amplifiador aro e de difíil onstrução Usando-se omponentes analógios, é difíil e anti-eonômio implementar um filtro seletivo (de Q elevado) para rejeitar sinais de anais adjaentes e que também seja sintonizável (que possua frequênia entral variável, onstituindo uma janela móvel). * : f 2 f n f 1 f 1 f 2... f n Filtro passa-banda sintonizável (ajustável), B=W f 2 * Gomes, Alides Tadeu, Teleomuniações: Transmissão e Reepção AM/FM, ed. Éria, 2000.

2 = onstante sendo R s a resistênia série do indutor. Para f 0 =535 khz... 0 Q = = 10 khz f 0 3,1 f0 Para f 0 =1650 khz... B = = = 31 khz Q f /10 khz f 0 Portanto, ao variar a frequênia entral do filtro móvel, de 535 para 1650 khz, sua largura de banda aumenta para 31 khz, podendo deixar passar até 3 emissoras. te. f 0 3,1f 0 f

3 R p elevado Resistênia do indutor: aumenta om f Ganho de tensão: Rp Av = R E Se: f então R p logo A v Dois filtros passa banda sintonizados em frequênias levemente diferentes Resposta em frequênia da assoiação: alto ganho e largura de banda mais estreita (melhor seletividade) f 01 f 02 f f 0 f

4 Armstrong (1918) propôs o reeptor super-heteródino (superhet) a fim de superar esses problemas. O prinípio do superhet emprega dois amplifiadores distintos (RF, IF) e seções de filtragem antes da demodulação: X (f) N estações ou emissoras... f 1 f 2 f 3 f N O sinal aptado x (t), primeiramente é seleionado e amplifiado por uma seção de rádio-frequênia (RF) sintonizada na frequênia de portadora desejada, f (por exemplo, f 2, omo mostrado na figura). O amplifiador de RF possui uma largura de banda relativamente larga, B RF (tal que B T <B RF <2f IF ), que permite a passagem parial de alguns sinais de anais adjaentes, em onjunto om x (t). ver expliação adiante A seguir, um onversor de frequênia formado por um mixer e um osilador loal LO exeutam down-onversion da saída de RF para uma frequênia intermediária (FI), em f FI < f. ver expliação adiante A frequênia ajustável do osilador loal LO, f LO, rastreia a sintonia de RF (f ) tal que*: e portanto, dessas duas, qual é a melhor opção? 1 1 *Obs: osωlotos ωt = [os( ωlo + ω ) t+ os( ωlo ω ) t] = osωtos ωlot = [os( ω + ωlo ) t+ os( ω ωlo ) t] multipliador 2 BPF IF 2 BPF IF Armstrong: supersoni heterodyne - superheterodyne AF Ideia básia: para uma dada emissora entrada em f, ajustar f LO tal que esta ondição seja satisfeita, e assim, só tal emissora atravessará o filtro seletivo IF. Uma seção de FI, om largura de banda B IF B T, remove os sinais dos anais adjaentes permitindo somente a passagem de x (t). Esta seção é um amplifiador (em geral, om dois ou mais estágios) passa banda om frequênia entral fixa, hamada de faixa de FI (IF strip), que proporiona a maior parte do ganho do superhet. Finalmente, a saída de FI se dirige ao demodulador (Demod), para a reuperação da mensagem e amplifiação em banda base (áudio frequênia, AF). * Sistemas de radiodifusão Norte Amerianos.

5 Expliação detalhada Front end = seção do reeptor usada para seleionar a estação desejada: estágio de alto ganho e baixo ruído (RF) + misturador (Mixer) + osilador loal (LO). O espetro da Fig a ajuda eslareer a ação do reeptor superhet (no aso de sinal modulado em AM/DSB): Assume-se que f LO > f : (por que?) f LO Este espetro de RF inlui o sinal desejado (em torno de f ), mais os sinais adjaentes em ambos os lados. Também ontém o sinal na frequênia imagem ( f ). f IF f IF Assim, toma-se f LO = f + f IF, tal que: A frequênia imagem está em: As duas frequênias aeitáveis, f e f, são onsequênias de (2): 1 osω tos ωlot = [os( ω + ωlo) t+ os( ω ωlo) t] 2 mixer = multipliador + BPF A prinipal tarefa da seção de RF é passar pelo menos (f ± B T /2), enquanto rejeita o sinal na frequênia imagem. Para f atravessar o mixer, ela deveria ser down onverted para: f IF f LO f IF Assim, o sinal na frequênia imagem deveria produzir um efeito similar à interferênia de o-anal. Ver apítulo 5. Portanto, torna-se neessária uma resposta de RF, H RF (f), omo a linha traejada mostrada na Fig , om Note-se que f LO deve estar fora da banda do filtro front end, passa banda e sintonizável, a fim de se evitar efeitos de bloqueio. Quanto maior for FI maior será a frequênia imagem, diminuindo assim a neessidade de um BPF om banda estreita para o front end (de fato, o filtro RF pode aomodar até três estações).

6 AM: 535 khz e 1605 khz (Brasil) down onversion IF: 455 khz Ressalta-se que, enquanto o filtro IF-BPF seletivo seja neessário a fim de se rejeitar os sinais de anal adjaente, ele não ajuda a rejeitar imagens. ver adinate 3 emissoras em torno de f imagem down onversion, de f para f IF, f IF << f 3 emissoras em torno de f IF O espetro filtrado e down-onverted para a entrada de FI está mostrada na Fig b. A resposta de FI, H IF (f), om B IF B T, ompleta a tarefa de rejeição de anal adjaente. Exemplo: Rádio-difusão em AM (535 khz < f < 1605 khz e f IF = 455 khz, Anatel - Brasil) N estações ou emissoras f 1 f 2 f 3 f N... Pergunta: omo sintonizar uma dada emissora uja portadora é f??? Resposta: a frequênia do osilador loal dever ajustada onvenientemente.

7 Exemplo: Rádio-difusão em AM (535 khz < f < 1605 khz e f IF = 455 khz, Anatel - Brasil) N estações ou emissoras f 1 f 2 f 3 f N... Para sintonizar a estação uja portadora seja f 1 =1000 khz: f =1000 khz 2435 khz 455 khz BPF ajustar a frequênia do OL f LO =1455 khz Para sintonizar a estação uja portadora seja f 2 = 1500 khz: f =1500 khz 3455 khz 455 khz BPF ajustar a frequênia do OL f LO =1955 khz A estrutura do superhet resulta em diversos benefíios prátios: A sintonia aontee totalmente no front end, e assim, o restante do iruito, inluindo-se o demodulador, não neessita de ajustes para variar f (proesso de down onvertion). A separação entre f e f FI elimina potenial instabilidade devido a realimentação parasita da saída amplifiada para as entradas do reeptor. A maior parte do ganho e seletividade está onentrada na faixa de FI (IF strip), em torno de frequênia fixa (f IF ). O esforço de projeto (amplifiadores om grande linearidade e banda estreita) se onentra em proporionar seletividade ao estágio de FI, uja frequênia não é tão alta omo a da portadora; além disso, trata-se de um filtro fixo, ao ontrário do filtro de RF, que é móvel. Desde que f FI é um parâmetro interno de projeto, ele pode ser esolhido para se obter uma largura de banda fraionária B FI / f FI razoável para que a implementação do filtro seja fáil, efiiente e barata. Reordação (seção 4.1): A esolha da frequênia intermediária (FI) dos sistemas de omuniação também ostuma obedeer a regra prátia B 0.02 f : AM (535 a 1605 khz): B = 10 khz f FI = 455 khz tal que B/f FI FM (88.1 a MHz): B = 200 khz f FI = 10.7 MHz tal que B/f FI 0.02 Levando-se em onsideração estes benefíios, torna-se possível onstruir superhets om ganho extremamente elevado, da ordem de 75 db ou mais, apenas na faixa de FI (IF strip). Também é possível se utilizar filtros meânios, erâmios ou de SAW (surfae aousti wave) de alto-q, atingindose uma redução substanial na interferênia de anal adjaente.

8 Adiionalmente, quando o reeptor preisa obrir uma grande faixa de frequênias, a esolha de f LO = f + f IF (usando +) pode resultar numa razão/taxa de sintonia do osilador loal (OL) menor e mais fáil de ser realizável. Exemplo: Em rádio-difusão de AM (540 khz < f < 1700 khz e f IF = 455 khz) Apliando-se f LO = f + f IF resulta na faixa: 995 khz < f LO < 2155 khz. Isto signifia uma faixa de sintonia do OL igual a 2:1. Por outro lado, se fosse esolhido f LO = f f IF, então, para o mesmo FI e mesma faixa de frequênia de entrada, oorreria: 85 khz < f LO < 1245 khz. Embora se opere om frequênias menores, a faixa de sintonia do OL seria igual a 13:1. Na prátia, é mais difíil onstruir om OL om faixa de sintonia (obviamente, om banda plana) igual a 13:1 do que 2:1. # É interessante menionar que, tomando-se f LO > f num superhet para SSB, gera-se reversão de banda lateral no sinal down-onverted, tal que, USSB na seção de RF torna-se LSSB na seção de FI, e vie-versa. USSB f f +W OL f FI W f FI LSSB f LO f f IF f LO (f +W) f IF W A maior desvantagem da estrutura superhet é seu potenial para respostas espúrias em frequênias além de f. O problema mais óbvio é a resposta à frequênia imagem. f =690 khz f =1600 khz OL Mixer f LO =1145 khz f FI =2745 khz f FI =1835 khz 2 trimmers, mesmo eixo f =690 khz Na figura aima, se emprega um BPF sintonizável (RF) para rejeitar a frequênia imagem. f LO =1145 khz Em geral, empregam-se 2 apaitores variáveis (trimer, variap), um no OL e outro no estágio de saída do RF-BPF. Os dois apaitores são aoplados entre si de forma que, quando um varia o outro varia simultaneamente. Assim, ao se ajustar a frequênia do OL automatiamente também se ajusta a frequênia entral do RF-BPF. f =1600 khz Embora o RF-BPF sintonizável não seja sufiiente para prover seletividade (pois permite a passagem de várias estações), é útil para rejeitar as bandas de imagem.

9 Em geral um reeptor superhet ontém um ontrole automátio de ganho (AGC) tal que o ganho do reeptor seja automatiamente ajustado de aordo om o nível do sinal de entrada. O AGC é realizado retifiando-se e filtrando-se em passa baixa o sinal de áudio do reeptor, e então, alulando-se seu valor médio. x(t) x (t) valor médio f LO =1145 khz AGC valor médio f =690 khz um nível baixo do sinal de entrada de RF está assoiado a um pequeno valor médio, e vie-versa. O valor DC é então realimentado ao estágio de FI ou de RF, a fim de se aumentar ou diminuir o ganho dos estágio. O AGC em rádio AM geralmente é hamado de ontrole automátio de volume (AVC), e é implementado via sinal de realimentação da saída do demodulador para o estágio de FI. Um reeptor de FM geralmente possui um ontrole automátio de frequênia (AFC) que realimenta o OL para orrigir pequenas derivas de frequênia. Exemplo: Um reeptor superhet om f IF = 500 khz e 3.5 MHz < f LO < 4 MHz possui um dial de sintonia alibrado para reeber sinais de 3 MHz a 3.5 MHz. Ele é ajustado para reeber um sinal de 3 MHz. O reeptor tem um amplifiador de RF banda larga, e se desobriu que o OL tem um signifiativo onteúdo de tereira harmônia. Se um sinal é ouvido, espeifiar todas as possíveis frequênias portadoras. Solução: Esolhendo-se f LO = 3,5 MHz f = f LO f IF = = 3 MHz, a emissora de interesse. Neste aso, a frequênia imagem será: f = f +2 f IF = = 4 MHz, que também será aptada, uma vez que o amplifiador de RF tem banda larga, e não exeute rejeição de imagem. Mas a tereira harmônia do osilador é f =3 3.5= 10.5 MHz f = f LO LO f IF = = 10 MHz, outra portadora possível. A frequênia imagem será: f = f +2 f IF = = 11 MHz, que também será aptada (para amplifiador de RF banda larga). Portanto, om esse reeptor, ainda que o dial indique que a estação transmitindo esteja em f = 3 MHz, pode ser que sejam estações em f = 4 MHz, f = 10 MHz ou f = 11 MHz. #