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Modulação digital 1) O que é modulação? É a alteração de características de um determinado sinal (portadora), alteração esta motivada pelas características de outro sinal (modulante). A resposta de um processo de modulação é um novo e terceiro sinal, chamado de sinal modulado. Lembre e entenda que cada um dos três sinais tem suas respostas temporal e espectral particulares. 2) Por que se modula? Para adequar o sinal que se deseja enviar (modulante), e que contém a informação ou mensagem, ao canal de comunicação. Com a modulação, se faz a transposição espectral do sinal modulante, para que este ocupe uma outra faixa de frequência, mais propícia ao modo ou meio de transmissão, mas procurando manter nesta nova posição do espectro a característica de ocupação de faixa original (as mesmas relações de distâncias e de amplitudes entre as componentes espectrais). 3) Diferencie bem, saiba definir e reconhecer os sinais envolvidos em um sistema de comunicação: a. Sinal modulante b. Sinal portadora c. Sinal modulado d. Sinal transmitido e. Sinal recebido f. Sinal demodulado 4) O que é modulação digital? Apesar de haver outras formas de composição, estabeleceremos como “modulação analógica” aquela em que o sinal modulante é analógico, e que a portadora é um sinal também analógico, conhecido, senoidal: )cos(.)( += tAEE cp . “Modulação digital será, para nós, aquela em que o sinal modulante é digital (normalmente, um trem de pulsos binários), alterando as características da portadora analógica senoidal. Na modulação digital, as características da portadora são alteradas de forma discreta, podendo haver a alteração de uma ou mais características simultaneamente. Rever os conceitos de modulação analógica ajudam bastante. Observem que os mesmos sinais modulantes e portadora resultam diferentes respostas temporais e espectrais para processos de modulação em amplitude (AM) e modulação angular (FM ou PM). Cada uma delas tem vantagens e desvantagens. 5) Vantagens e desvantagens dos diferentes métodos de modulação: Como tudo na vida, há uma relação entre ganhos e perdas. Não há bônus sem algum ônus. Para cada processo, para cada tomada de decisão que precisemos fazer, devemos estabelecer requisitos mínimos e situações aceitáveis. Especificamente, devemos estabelecer ou aceitar requisitos de: largura de banda ocupada, qualidade do sinal e robustez. - Largura de banda ocupada (faixa de frequência, BW, bandwidth, canal): medido em Hz, quanto mais largo o canal, mais facilmente ou com mais fidelidade se carregam as características da informação; no entanto, uma maior largura de banda consome mais o meio de transmissão (canal); - Qualidade do sinal: no caso digital, uma informação mais detalhada necessita uma maior taxa de bits para sua representação do que uma informação mais simples; a qualidade percebida, por exemplo, em uma música, é maior se ela é representada por um sinal digital de taxa de bits mais elevada. Esta taxa é medida em bps. Lembre dos seus estudos de conversão A/D, onde se mostrou que a taxa de bits depende da freqüência de amostragem e da quantidade de níveis de quantização, ou, ainda, do número de bits usados para representar cada amostra. - Robustez: capacidade de se receber o sinal mesmo com ruídos e condições indesejáveis. Para cada tipo de modulação, e em cada situação, há um limiar de recepção, que faz diferentes valores ou proporções de ruídos e interferências ainda permitirem a recepção do sinal desejado. 6) Observe que há características secundárias, dependentes ou causas das expostas no item 5): Não importando se são causas ou conseqüências, procure relacionar outros fatores e características com os três apresentados: qualidade, largura de banda, robustez. Por exemplo, e para começar, pense quem afeta ou é afetado por: complexidade de circuitos, custo de implementação, confiabilidade de sistemas, atrasos (tempo de processamento), etc... 7) Algumas idéias devem ficar bastante claras: a. O sinal modulado só é de interesse durante a transmissão; para a comunicação, o importante é se receber a informação (presente no sinal modulante); assim, no lado do receptor, existe o processo chamado de “demodulação”, que faz o retorno do espectro à sua posição original. b. Sendo tanto a modulação quanto a demodulação processos, os sinais são manipulados e, portanto, sofrem alterações. Algumas destas alterações são perfeitamente equacionadas e seus efeitos podem ser cancelados neste par de processos; outras não são totalmente controláveis, e invariavelmente sinais modulantes, processados na etapa de modulação, resultam em um sinal demodulado diferente, recuperado na saída do demodulador. c. A diferença entre o sinal modulante e o sinal demodulado é o ruído do processo completo.Há outras fontes de ruído que podem contaminar o sinal desejado, o ruído da modulação não é o único presente; por exemplo, em um sinal de áudio gravado no formato MP3 há o ruído da modulação e também da compressão do sinal. d. Para se obter uma determinada qualidade da informação, precisamos ter o controle da qualidade das diversas etapas. Há várias figuras de mérito, números para representar a qualidade dos sinais. No caso de processos de modulação, pode-se mensurar a qualidade dos sinais modulante, portadora e sinal modulado. Mesmo sendo de interesse apenas o resultado (sinal modulante, ou, depois, sinal demodulado), uma medida de sinal modulado nos dá uma idéia de quanto o processo de modulação está contribuindo para o erro do sinal recebido, permitindo então, que se tome decisão se vale a pena ou não atuar, melhorar o desempenho de determinada etapa. 8) Alguns conceitos associados ao assunto: Bit: elemento de um sistema de base binária. (bit = binary digit). Todos os símbolos que se desejam que representem algo (sons, imagens, textos) são numéricos e, especificamente no caso binário, estes símbolos são representados por sequências de elementos básicos e elementares “0” e “1”. Byte: conjunto de oito bits. Trem de pulsos, bitstream: sequência de elementos binários; informação digital a ser transmitida. Para a modulação, é o sinal modulante; é também esperada sua recuperação completa e correta no final do processo de comunicação. Assim, o sinal demodulado é um trem de pulsos e, espera-se, idêntico ao sinal modulante. O trem de pulsos não é exatamente a informação pura, o conteúdo que se deseja enviar. Na verdade, ele possui elementos a mais que adequam a informação, através de protocolos. Símbolo: é a base de um sistema de codificação. Na comunicação verbal, por exemplo, os símbolos são os fonemas que, juntos, formam as diferentes palavras. Porém, trataremos de uma forma um pouco diferente: um fluxo de bits pode ser quebrado em conjuntos menores. Pode-se, por exemplo, agrupar os elementos básicos de dois em dois, três em três, sete a sete, etc..., mesmo que estes conjuntos não tenham uma associação direta com um determinado caracter (letra, número decimal, elemento gráfico). Cada símbolo será a base para alterar as características da portadora, ou seja, a modulação se faz a partir dos símbolos, que, então, serão os sinais modulantes. Se cada bit corresponder a um símbolo, então, em sistemas binários, podemos ter dois símbolos: “0” ou “1”; se agruparmos as unidades elementares de três em três, então poderemos ter , em cada instante, um entre oito símbolos: “000”, “001”, “010”, “011”, “100”, “101”, “110” ou “111”. Portanto, cada símbolo pode alterar instantaneamente de forma diferente os parâmetros da portadora (amplitude, fase, freqüência). Constelação: é a representação gráfica bidimensional (amplitude e fase) dos diferentes símbolos que compõe um processo de modulação. MER: O símbolo ocupa uma determinada posição no gráfico, podendo ser representado por um vetor (módulo, ângulo); se o sinal é recebido como um vetor com amplitude ou fase diferente(ou ambos), há erros. Esta quantidade de erros é medida como o erro entre o vetor recebido e o vetor desejado (há expectativas de vetores desejados, ou possíveis para cada tipo de modulação!); isto é chamado de EVM – error vector magnitude, ou MER (modulation error rate). Um receptor percebe erros de um vetor como um ruído, um sinal indesejado. Este conceito de medida de erro permite que um simples valor de medida descreva a qualidade do sinal transmitido. Cada padrão de modulação terá um valor de MER ou EVM que considere aceitável, para um formato digital particular. Taxa de símbolo = baud rate = symbol rate: é diferente de taxa de bits (bps); no caso de RF, symbol rate é um ciclo de portadora; importante notar que a taxa de símbolo deve ser menor que a largura de banda do canal; técnicas avançadas de modulação permitem que a taxa de bits por segundo seja maior que a largura de banda do canal (basta que um símbolo seja formado por mais bits). 9) Figuras de mérito importantes: Taxa de bits (bps): BW (Hz): C/N (dB): Eb/No(dB): S/N (dB): Margem, margin (dB): EVM: MER (dB): BER (%, ou ppm): Delay: Estabilidade de freqüência e fase: (ppm) Leituras recomendadas: 1) “Redes de computadores – curso completo”: Gabriel Torres, Axcel Books, cap 1. 2) “Redes de computadores”: Andrew Tanenbaum, Elsevier 3) “Você e as telecomunicações”: Ovídio Barradas, Editora Interciência Sistema de comunicação Não se prenda à comunicação de áudio ou vídeo, sistemas de comunicação abrangem muito mais do que isto. Por exemplo, quando um processador acessa um hard-disk, ele o faz através de uma rede de comunicação de dados, normalmente barramentos (seriais ou paralelos). O comando de uma máquina ou robô, de uma interface mais próxima do homem, ao processamento desta máquina, e deste processador aos periféricos (por exemplo, pinça do robô) se faz com redes ou sistemas de comunicação. Os princípios que aqui estudamos valem para qualquer tipo de informação, que digam respeito a uma origem e a um destino. Vejamos abaixo o diagrama de um sistema de comunicação unidirecional para informações analógicas. 1) Converte a energia contendo a informação em energia elétrica, representada por variações de tensão ou corrente no tempo; exemplos: .................................................................................................................... .................................................................................................................... 2) Converte o sinal elétrico (sinal aqui é uma função de tensão no tempo) analógico em sinal elétrico digital. O conversor A/D possui várias etapas, podendo ser desdobrado em blocos menores: filtro de entrada, para limitar o espectro de freqüências do sinal analógico (muitas vezes de largura infinita); amostrador, onde se retira as amostras de nível do sinal para verificar sua amplitude (segundo Nyquist, para não se ter perdas nesta etapa, a freq.de amostragem deve ser pelo menos duas vezes a fmáx do sinal de entrada – por isto, o filtro anterior!); quantizador, que aproxima o valor de amplitude analógico a um entre vários valores digitais (níveis de quantização são preestabelecidos); codificador, que de acordo com a nomenclatura de cada nível de quantização, transforma as amostras quantizadas em palavras seriais. Usando sistema binário, tem-se n bits para representar N níveis de quantização, conforme a regra 2n = N. Assim, cada amostra tem n bits, e, obedecendo o teorema Transdutor 1 Conversor A/D 2 Codificador de fonte 3 Modulador 4 Amplificador 5 Filtro 6 Transdutor 13 Conversor D/A 12 Decodificador de fonte 11 Demodulad or 10 10 Pré-amp 9 Filtro 8 Canal 7 A B C D E F G L K J I H de Nyquist, 2x fmáx sinal, temos no mínimo 2.n.fmáx bits por segundo na saída do conversor. Exemplo: áudio formato wave, CD, para sons com fmáx = 20 kHz, usa-se f amostragem = 48 kHz, com 16 bits por amostra: taxa de bits = 16 x 48k = 768 kbps. Reveja seus estudos sobre conversão A/D.......................................................................................... 3) Codificador é aquele que relaciona símbolos de um código a símbolos de outro; codificador de fonte busca reduzir a taxa de bits, de modo a poupar mídias de gravação ou o canal de transmissão. Em sua saída temos um trem de pulsos, um stream digital. Espera-se que a informação seja reproduzida de forma completa, íntegra e fiel à entrada, mas eventualmente a necessidade de compressão exige que se negligencie parte da informação menos importante, economizando assim taxa. 4) Conforme já estudamos, o modulador adapta o sinal ao canal. Há moduladores óticos, telefônicos, etc... Há a necessidade desta adaptação, principalmente devido a características de atenuação, linearidade e ruído, características estas extremamente dependentes da freqüência do sinala ser transportado. O modulador faz uma transposição do espectro, levando a informação em geral em uma faixa de freqüência mais alta. Aqui, a modulação é digital, pois o sinal modulante é um trem de pulsos (sinal digital), alterando as características de uma portadora analógica senoidal. O modulador também pode ser decomposto em outros blocos, onde um destes é o oscilador, que gera o sinal de portadora. Como todo processo, obviamente o modulador também introduz ruídos e distorções, por isso há necessidade de se mensurar seu desempenho. \Em vários processos de modulação, gera-se um espectro bilateral e se mantém a portadora. Como a informação está presente em um dos lados do espectro, em meia faixa, costuma-se filtrar a saída do modulador, para que se gaste energia no próximo estágio apenas no que é necessário. 5) O sinal modulado, portanto já adaptado ao canal a ser utilizado, precisa ter nível suficiente para vencer a atenuação no meio e chegar ao receptor. Esta amplificação é feita neste estágio. 6) Em muitos sistemas, o canal é limitado em freqüência, e até regulamentado. Assim, qualquer emissão de sinal fora da faixa autorizada deve estar com valores muito baixos, respeitando as normas vigentes ao caso. Quem faz isto é um filtro passa-faixas na saída do sistema. 7) Uma fibra ótica, um par de fios de cobre, um cabo de pares UTP, o ar, guias de onda, trilhas de circuito impresso constituem canais de comunicação. Muitas vezes a distância entre o transmissor e o receptor da informação é grande, e no canal ocorrem as maiores deteriorações do sinal. As principais são a atenuação (normalmente proporcional à distância) e a inserção de ruídos e interferências. Algumas condições propiciam efeitos complexos, com atenuações diferenciadas para as diversas freqüências que compõe o sinal transmitido. 8) É comum a ocupação do canal por mais de um serviço, e assim há necessidade de um filtro para selecionar qual é a faixa de freqüência de interesse na recepção. 9) Dependendo do tipo de canal e das potências envolvidas, utiliza-se na recepção um pré-amplificador, de baixo nível de ruído térmico e alto ganho, para trazer o sinal a uma amplitude que se possa tratar nas etapas seguintes. Exemplo é o LNB de um sistema de recepção de satélite: além de fazer uma conversão de freqüência para uma faixa intermediária (FI em banda L), este bloco dá um ganho elevado, da ordem de 60 a 65 dB (ou seja,1 a 4 milhões de vezes). Lembre-se que o sinal recebido não é uma cópia do transmitido, em geral tem amplitude milhares ou milhões de vezes menor (30, 60, 80, 100dB atenuado!) e contaminado por ruídos e interferências. 10) Nesta etapa, já vencidas as limitações do canal, pode-se retirar o sinal com a informação, contido no sinal modulado; na saída deste bloco temos o sinal demodulado. Em termos de resposta espectral, faz-se uma conversão para baixo, voltando o espectro á sua forma e faixa equivalentes ao início do processo de modulação. 11) Ainda não se tem o sinal aguardado: lembre-se que o material foi comprimido, para reduzir a ocupação de banda. Aqui se faz o processo de decodificação: conhecendo-se a regra usada para compactar o sinal, a informação (ou algo próximo dela) é recuperada, ainda em forma de sinal elétrico digital (trem de pulsos). 12) Se a informação tiver origem analógica, este trem de pulsos deve ser representado por um sinal analógico, que se faz a partir do trem de pulsos no estágio conversor D/A. 13) O sinal elétrico, uma variação de tensão no tempo, é convertida em outra forma de energia, entregando ao destinatário uma mensagem ou informação na natureza em que foi gerada. Exemplos de transdutores: .................................................................................................................... ................................................................................................................... Agora, vejamos as tais figuras de mérito já citadas. Antes, é importante estarmos muito conscientes do que esperamos do nosso sistema de comunicação, de acordo com as capacidades e limitações que temos. Não se esqueça que sempre lidamos com as questões qualidade, robustez e largura de canal, e que em geral estas brigam entre si. Provavelmente esperamos que o sinal produzido no transdutor de saída seja semelhante (qualidade = fidelidade + constância) ao recebido pelo transdutor de entrada. Exemplifique os transdutores de um sistema de áudio, e veja como você pode ter grandes variações de qualidade, dependentes de preço, dimensões, etc... ............................................................................................................................. . Deixando esta etapa de lado, esperamos que o sinal digital demodulado (J) seja então parecido, preferencialmente, uma cópia, do sinal ......................, e que todo o processo ocorra no menor tempo possível. Quais as características deste sinal modulante e deste sinal demodulado? Freqüência, nível, quantidade e níveis de harmônicos presentes nos pulsos (formato dos pulsos: alguns sistemas dão deformações tão grandes, que o alargamento dos pulsos demodulados impossibilita sua correta detecção!). O que se mede nestes pontos? Embora não seja o interesse final, o sinal modulado é o transportador da informação. Se os processos de modulação e de demodulação não ocorrerem de forma complementar, alterando-se suas regras, e as distorções e ruídos causados nestas etapas mão forme controladas, pode haver uma contaminação grande do sinal que contém a informação. Assim, a qualidade da modulação e da demodulação devem ser mensuradas. Os diferentes métodos de modulação proporcionam diferentes resultados no tempo e no espectro; deve-se observar na saída do modulador suas respostas temporal e espectral, quantidade de ruído, linearidae no processo (seguindo sua norma específica de proporcionalidade de sinal modulante-sinal modulado). Se os amplificadores forem bastante lineares, tudo bem. E se não forem? Alguns sinais com amplitude maior podem sofrer compressão de nível. A deformação de nível causa novas componentes espectrais, alterando portanto o conteúdo presente na banda a ser transmitida. Este amplificador, além de ter cuidados para não produzir sinais de intermodulação elevados, também não devem contribuir significativamente para o aumento do ruído. Na sua saída, pode-se verificar a resposta em freqüência, relação de nível na banda e de ruído, relação de nível na banda e produtos de intermodulação ou espúrios. O filtro deve ser plano dentro da faixa (BW) e dar atenuação elevada fora da faixa de interesse. A assíntota dos filtros é controlada em geral pelo número de seus pólos. No entanto, filtros de fator Q elevado resultam em variações de fase do sinal também bruscas, variações que acabam ocorrendo também dentro da faixa. Assim, muitas vezes ao filtro passa-faixa é associado um equalizador de fase. No filtro, costuma-se medir sua perda de inserção (em dB, a relação entre o nível que entra e o que sai, dentro da faixa), sua atenuação para frequências fora da faixa (também em dB), sua freqüência central e largura de faixa, medida nos pontos de -3 dB, ambas em Hz). A variação de fase do sinal no filtro é medida em graus ou em segundos, com o nome de “retardo de grupo”. O canal ou meio, incluindo mídias de gravação, são ao mesmo tempo a salvação da lavoura e os grandes vilões. Embora só eles possibilitem a comunicação, são também eles que introduzem as maiores deformações, e portanto as limitações aos sistemas de comunicação. Depois continuamos no outro lado (recepção). Então; Taxa de bits (bps): quanto mais informação houver na mensagem, maior a largura de faixa, e mais altas freqüências aparecem no sinal elétrico. Em termos de sinais digitais, maior a taxa de bits, ou seja, a freqüência do transportstream. Freqüência é uma palavra um pouco complicada, já que está associada a sinais periódicos. Quem disse que os bitsreams são periódicos? Recorramos, então, aos conhecimentos sobre análise de Fourier, que nos mostram que qualquer sinal pode ser decomposto por sinais elementares senoidais, de diversas freqüências. Este conceito é importante aqui, mas, mais simples, considere que, numa sorte extrema, temos alternância de bits “1” e “0”. Assim fica fácil de se observar a frequência, e, portanto, a taxa de bits, medida em bps. A qualidade do sinal no final do sistema está intimamente relacionada à taxa de bits. BW (Hz): Quanto mais estreita a banda, menos se ocupa o canal ou mídia, e portanto paga-se menos, cabe mais serviços no mesmo meio. Mas, elas considerações do item anterior, quanto maior a taxa de bits, (sinais de pulsos), menor o tempo de bit, maior a largura de faixa (lembra do espalhamento do espectro à medida que o pulso se estreita, tendendo a um impulso?). Há, portanto, um compromisso direto entre a qualidade e a banda ocupada. Mas, não se preocupe: é tarefa dos engenheiros trabalhar na modulação, de modo que se conciliem estas duas características). C/N (dB): O que importa é a qualidade do sinal (no caso de analógico, é assim mesmo que chamamos: sinal; no caso de sistemas digitais, o sinal é o entendimento do bit, se é “1” ou “0”); mas, como já falamos, há de se cuidar com o processo, pois a modulação e demais partes, que possibilitam o tráfego, podem causar deformações drásticas no sinal transportado). Medir, portanto, a relação entre o sinal de portadora (Carrier) em relação ao ruído é muito importante. Se o nível da(s) portadoras(s) se aproximam do nível de ruído, fica mais difícil se retirar desta portadora a informação. Eb/No(dB): para sistemas digitais, o que importa é o quanto de nível (ou energia) há na informação binária em relação a energia do ruído. Se estivermos com uma relação boa, o sistema de recepção terá sensibilidade para compreender a informação binária. Há uma relação direta entre este parâmetro e o C/N, mas não há relação direta, proporcional, entre Eb/No e a taxa de erro de bits, pois isto depende da sensibilidade do sistema. Enquanto se estiver acima do limiar de sensibilidade, mesmo valores ruins de Eb/No ainda permitem a correta interpretação dos bits, e portanto o erro fica independente deste parâmetro. S/N (dB): em sinais analógicos, não há expectativa nenhuma de sinal recebido,como ocorre no digital (“1” ou “0”); qualquer valor recebido ou interpretado pode ser válido; então, a relação S/N, que demonstra o quão limpo é a informação em relação ao ruído, é diretamente dependente da relação C/N. Margem, margin (dB): em sistemas digitais, há valores bastante determinados de C/N aceitos no receptor. Assim, define-se a margem como sendo o quanto se tem de folga de relação C/N recebido, comparando-se com o limite mínimo. Sendo tratados de forma logarítmica, estes números são parte duma subtração (margem (dB) = C/N rx (dB) – C/N mín (dB). Em geral, a sensibilidade de um sistema de recepção, seja ótico, rádio, ou qualquer outro leitor de mídia, é dada por dois valores: nível de recepção mínimo (dBm) e C/N mínimo (dB). EVM: depois que virmos modulação digital MER (dB): idem BER (%, ou ppm): = bit error rate, taxa ou relação de erro de bit: quantos bits saio recebidos errados, em uma quantidade determinada (exemplo: 1.10-6 = um bit errado a cada milhão de bits recebidos) Delay (s): tempo entre a mensagem recebida e transmitida, ou, em outro ponto de medida, entre a mensagem na fonte e no destino. Estabilidade de freqüência e fase: (ppm) Se há filtros, se há moduladores e demoduladores, há freqüências específicas para cada sistema. Se a freqüência no transmissor variar muito, pode ficar fora da faixa de captura do receptor; se variar de forma rápida, mesmo que poucos Hz, pode ser interpretada como uma modulação em freqüência, gerando ruído no demodulador. Citamos várias vezes as palavras “ruídos e interferências”. O que são, quais as diferenças entre eles? O que é intermodulação? O que são espúrios? ............................................................................................................................. .. ...............................................................................................................................