Teoria para Laboratório 1º Bimestre Prof.ª Irene 1
MODULAÇÃO As modulações utilizadas para a transmissão de informações são múltiplas. Em radiofreqüência, as mais coerentes são modulação em amplitude, em freqüência em uma única banda lateral, por outro lado, em telefonia predominantemente se utilizam as modulações por trem de pulsos, as quais permitem transformar a informação analógica em forma numérica. Podemos definir quatro tipos de modulação por trem de pulsos e uma multiplexação: 1. Modulação por Amplitude de pulso (PAM) O sinal modulado é trem de pulsos com amplitude do sinal de informação e com freqüência do sinal de portadora. A cada bit 1 do sinal de portadora é feita uma leitura da amplitude da informação e transportado para a saída do sistema. 2. Modulação por Código de pulso (PCM) Tem com primeira etapa uma modulação por amplitude de pulso, já a segunda etapa é a quantização (arredondamento) dos níveis de tensão da saída e na ultima etapa a codificação, a transformação dos níveis de tensão em conjunto de oitos bit. 3. Modulação por largura de pulso (PWM) O sinal modulado é trem de pulsos com a largura do bit 1 variando de acordo com a amplitude da informação, quanto maior a amplitude maior a largura do bit 1 e vide verso. A freqüência do sinal modulado é igual a freqüência do sinal de portadora. 4. Modulação por posição de pulso (PPM) O sinal modulado é trem de pulsos com o período variando de acordo com a amplitude da informação, quanto maior a amplitude menor o período e vide verso. A largura do bit 1 no sinal modulado não varia. 5. Multiplexação por divisão de tempo (TDM) As amostras de sinal ocupa só um determinado intervalo de tempo, os intervalos de tempos livres podem utilizar-se para a transmissão de amostras procedentes de outros sinais. Realiza-se esta forma de multiplexação em sinais PAM e PCM. MODULAÇÃO EM AMPLITUDE DE PULSO PAM A Modulação é o processo onde um sinal principal (portadora) tem sua forma alterada, em freqüência, fase ou amplitude, através de um sinal secundário (moduladora), podendo este estar dentro da faixa audível, sinais de voz ou acima desta. A freqüência da portadora é que define o canal de TV ou estação de rádio. A modulação de um sinal senoidal por outro sinal também senoidal é a base dos vários tipos sistemas irradiantes em uso atualmente. No sistema digital temos o PAM - Pulse Amplitud Modulation - Modulação por Amplitude de Pulso. Prof.ª Irene 2
O sistema PAM é aquele onde se aplica diretamente o conceito de um sinal amostrado, pois o sinal modulado pode ser compreendido como o produto do sinal modulante pelo trem-de-pulsos da portadora. A figura abaixo mostra as seguintes seqüências de formas de onda que caracterizam o sistema PAM: 1. sinal modulante cossenoidal; 2. sinal modulante adicionado a um nível contínuo E DC, que servirá para evitar o corte do transistor no circuito modulador; 3. sinal de portadora; 4. sinal modulado resultante. O sinal modulado é obtido através do produto entre os sinais 2 e 3, acrescidos de uma constante de modulação: o [ e ( t E ] e ( t) = K. e ( t). ) + m DC Prof.ª Irene 3
Através dos cálculos podemos mostrar o espectro genérico para sinal modulante dentro de uma faixa freqüência fm, sendo assim temos o espectro de amplitudes do sinal modulado em PAM. velocidade angular é ω A raia cuja máxima freqüência é um ω m coincidirá em um ponto com a raia cuja mínima o ω, figura a seguir, se ocorrer de ω o ser menor que 2ω m ω ω ω, havendo m m o m entrelaçamento de raias. Nesse caso se quisermos transmitir o sinal corretamente teremos que obedecer o Teorema da Amostragem ou Teorema de Nyquist, fazendo com que ω o = 2 ω teremos então: m Na demodulação é necessário adotar uma Banda de Guarda, que permitirá que um filtro passabaixas com freqüência de corte em fm atenue a banda lateral inferior da fundamental da portadora. Podemos afirmar que em PAM a freqüência da portadora deve ser dada por: f = 2 o fm + BG Prof.ª Irene 4
Uma outra aplicação do PAM é o TDM (Time Division Multiplex), que consiste em aproveitar o tempo da portadora trem-de-pulsos, aumentando sua freqüência com o intuito de amostrar vários sinais simultaneamente. MULTIPLEXAÇÃO É um sistema que permite a transmissão de 2 ou mais canais simultâneos por um mesmo meio de transmissão. Os sistemas mais conhecidos de multiplexação são os das estações FM (freqüência modulada) e das estações de TV, onde os sinais de vídeo são transmitidos em AM (amplitude modulada) e os sinais de áudio em FM. Em sistemas de transmissão por fibra óptica, permitem a transmissão de 2 ou mais canais de informação simultâneas por uma única fibra. Em sistema ópticos são usados basicamente 3 tipos de sistemas de multiplexação:!"# FDM - Multiplexação por Divisão de Freqüências Em um sistema FDM, cada canal de informação é associado a uma Portadora específica, com freqüência, fase ou amplitude diferentes, sendo depois multiplexados em um único canal de transmissão através de uma matriz de resistores, sendo depois amplificado. O sinal resultante é um sinal composto por vários sinais com portadoras discretas, também chamadas de canais intermediários, que são separadas no receptor por filtros e demoduladores, cada um sintonizado em uma freqüência de portadora especifica. O sistema FDM é muito usado para transmissões de TV à cabo, porém, em sistemas ópticos, pelo fato das fontes ópticas não serem lineares, sua linearidade situa-se entre 0,001 e 0,1%, acabam gerando distorções harmônicas nos sinais transmitidos. Prof.ª Irene 5
TDM - Multiplexação por Divisão do Tempo É um sistema de multiplexação onde cada canal de informação é associado à um intervalo de tempo, para que se possa fazer esta associação, cada canal de informação é informação em BUFFER de memória. A eficiência de modo de transmissão digital multiplexada por TDM é muito maior que a FDM, requer um menor número de repetidores, cerca de um a cada 30 ou 40 km, uma das desvantagem os sistema TDM é que temos que acrescentar ao sinal original uma quantidade de BITs de informação, estes BITs são para o sincronismo de multiplexação e desmultiplexação, detecção de erro e para o gerenciamento da rede. A figura abaixo mostra um modulação de 4 sinais, usando o TDM. Na figura podemos observar que uma portadora amostra n canais e sendo assim cada canal será amostrado apenas a cada n períodos da portadora. Desta forma, o período de amostragem será de n x T o e freqüência de amostragem será: 1 n. T o 2 fm máx + BG onde fmmáx máxima freqüência dos canais a serem modulados BG Banda de Guarda relativa à recepção de cada um dos sinais separados Prof.ª Irene 6
WDM - Multiplexação por Divisão de Onda de Luz Através da técnica de multiplexação por WDM, cada canal TDM ou FDM, com vários canais associados pode ser transmitido por uma determinada cor de luz. Esta luz não está dentro do espectro visível de luz, mas sim dentro do infravermelho. Então canal de luz comporta-se como uma onda portadora, com comprimento de luz diferente, podendo transmitir vários canais TDM ou FDM por comprimento de onda. Prof.ª Irene 7
A multiplexação por WDM é usada principalmente em sistema de telefonia, CATV e telecomunicações intercontinentais, onde as taxas de transmissão são elevadíssimas. DEMODULAÇÃO DO SINAL PAM informação. Para demodular um sinal PAM existe três processos eficientes de recuperação do sinal original de 1. Este processo consiste em submeter o sinal modulado a uma filtragem passa-baixas, com freqüência de corte fm, para recuperar o sinal de informação. Na figura abaixo mostramos um circuito típico para filtragem passa-baixas com célula CRC, que proporciona atenuação de aproximadamente 40 db/dec e em seguida a região de atuação deste filtro no espectro do sinal recebido. A desvantagem desse circuito que em função do ciclo de trabalho da portadora podemos recuperar um valor médio de baixa amplitude, o que proporciona uma baixa relação sinal/ruído. 2. Este processo consiste em centrar um filtro passa-faixas, ou circuito LC sintonizado, na freqüência fundamental da portadora trem-de-pulsos e fazer a demodulação do sinal AM-DSB. O inconveniente desse processo é a precisão da filtragem passa-faixas a ser executada, pois a proximidade entre as bandas laterais dos harmônicos subsequentes pode prejudicar o resultado da filtragem. Prof.ª Irene 8
3. O ultimo processo é a filtragem do sinal modulado por um filtro passa-baixas com operacional. Como a filtragem simples poderia resultar num baixo valor médio, este processo foi desenvolvido para aumentar o valor médio do sinal recuperado fazendo uma retenção do sinal amostrado. A utilização dos dois amplificadores operacionais que esses apresentam baixa impedância de saída e alta impedância de entrada. A baixa impedância da saída permite a carga e descarga quase instantânea do capacitor C por A01 e a alta impedância de entrada impede a descarga do capacitor em A02 quando a chave estiver aberta. O maior inconveniente deste processo é que a amostragem com retenção introduz uma atenuação no conteúdo de altas freqüências do sinal modulante. A maneira resolver isto é fazer uma pré-ênfase no sinal modulante antes da modulação, ou fazer uma ênfase no sinal PAM recebido, antes de fazer a amostragem com retenção. Prof.ª Irene 9
MODULADOR PAM DE AMOSTRAGEM NATURAL SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO I - LABORATÓRIO Diagrama de Blocos O sinal de voz passa através de um filtro passa baixa que permite somente a passagem de abaixo de 3,4Khz. No modulador PAM MOD 1 temos a entrada do sinal de portadora (sinal T2, ponto 6) com freqüência de 8Khz e largura do pulso variando de 7 a 20µs, conforme posição da chave SW3. Na saída do amplificador (PAM OUT, ponto 11) teremos a multiplicação do sinal de portadora pelo sinal de informação mais um sinal continuo, ou seja, a cada bit 1 da portadora o modulador funcionará como uma chave deixando passar a amplitude da informação mais DC e a cada bit 0 o modulador cortará o sinal. Diagrama de Blocos MODULADOR PAM DE AMOSTRAGEM PLANO Tem as mesmas características do modulador PAM natural somente incorpora mais um circuito chamado de Sample&Hold, cuja função é manter amplitude do sinal de saída de acordo com o valor da Prof.ª Irene 10
entrada no instante da amostragem. A amostragem sucesiva produz os pulsos com a parte superior plana e uma amplitude proporcional a amplitude do sinal de voz. A amostragem do Sample&hold tem a mesma freqüência e largura de pulso do sinal de portadora (sinal T2, ponto 6). RECEPTOR E REGENERADOR PAM Para demodular o sinal PAM é suficiente um filtro passa baixa, mas está solução não garante um boa qualidade de demodução e não pode ser utilizada não pode ser utilizada em sistemas de comunicação PAM por divisão de tempo (TDM), por isso o receptor do PAM é dado através do seguinte diagrama de blocos: Os pulsos modulados PAM que entram no receptor são amostrados com um sinal de portadora regenerador no próprio receptor. A saída do Sample&Hold se mantem fixo ate a chegada do próximo bit 1 da portadora, gerando um sinal em níveis com amplitudes do sinal de voz transmitido. Diagrama de Blocos: O digrama mostra os blocos do modulo MCM30. O sinal procedente do transmissor é amplificado e posteriormente aplicado a duas seções: o regenerador de pulsos de amostragem (portadora) e o demodulador (Sample&Hold) A saída do demodulador é filtrado por filtro passa baixa, onde obtemos o sinal de voz originado no transmissor. A regeneração dos pulsos de portadora realiza-se através do PLL (Phase Loop Prof.ª Irene 11
Locked) que geral com um sinal com a mesma freqüência do sinal de portadora gerado no transmissor. O Ajuste de fase (Phase Adj.) permite sincronizar o pulso gerado pelo PLL com o pulso na saída do amplificador, de maneira a obter a amplitude máxima do sinal de voz sem atenuação. SISTEMA DE COMUNICAÇÃO PAM O sinal PAM é transmitido através de uma linha artificial, da qual é possível variar a atenuação e banda passante de 3dB (5/10/20/40/100 Khz). Existe também um gerador de ruído que permite adicionar ruído a sinal PAM transmitido, de maneira a obter na saída do canal de comunicação um sinal PAM afetado com pelo ruído. Com resultado a saída do demodulador PAM terá um sinal distorcido. A largura de banda também pode afetar o sinal transmitido, desde que se tamanho seja insuficientemente pequena para transmitir um sinal de 8Khz mais o sinal de voz. TRANSMISSOR PAM/TDM Diagrama de Blocos O transmissor PAM/TDM utilizado no laboratório compreende: - 2 moduladores PAM, cada um modulador com sua própria portadora; - o combinador de canais e o circuito de transmissão Prof.ª Irene 12
- um sinal de sincronismo (Frame Sync). O transmissor PAM/TDM necessita de três formas de onda quadrada para amostrar os canais fônicos e inserir o sinal de sincronismo. Estes pulsos são gerados da seguinte maneira: - cada trem de pulso tem um período de 125µs (trama ou pacote de informação), sendo este um bit negativo. - cada trem de pulso esta distanciado entre si a 41,67µs (time-slot). - a largura dos pulsos é igual aproximadamente a metade da duração do time-slot. Podemos descrever o funcionamento do TDM da seguinte forma: o sinal de voz dos assinantes são introduzidos nos moduladores e multiplicados pelas suas respectivas portadoras (ponto 3 e ponto 6) na continuação são adicionados ao TDM junto com um bit de sincronismo, após este é amplificado e aplicado ao canal de comunicação. RECEPTOR PAM/TDM O receptor PAM/TDM é representado pelo seguinte diagrama de blocos. O sinal PAM/TDM que chega do transmissor é amplificado e posteriormente aplicado: - ao regenerador dos pulsos de portadora, que compreende de um detector de sincronismo e gerador de portadora, PLL; - aos demoduladores PAM (Sample&Hold). Prof.ª Irene 13
A regeneração da portadora se realiza através do circuito PLL, o qual gera uma onda quadrada síncrona aos pulsos de portadora recebido, na continuação através do relógio e do pulso de sincronismo gera-se os pulsos de amostragem, os quais são enviados, com fase correta, aos demoduladores PAM. As fases dos pulsos de amostragem podem ser reguladas através do ajuste de fase (ponto 18 com o ponto 6). Com as fases ajustadas os demoduladores podem retirar o sinal de voz em níveis de tensão, necessitando assim somente de um filtro passa baixa para a recuperação do sinal original. SISTEMA DE COMUNICAÇÃO PAM O sinal PAM/TDM transmite-se através de linha artificial da qual é possível alterar a largura de banda do canal de comunicação e a atenuar sua amplitude. Há ainda um gerador de ruído que permite somar ruído ao sinal transmitido. Já que um sinal PAM a informação é em amplitudes de pulsos, qualquer interferência somada a este sinal era alterar sua saída. Como resultado teremos na saída do demodulador um sinal totalmente distorcido, impossibilitando o sistema recuperar a informação. Prof.ª Irene 14
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