cap4 6

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analógico). A relação sinal-ruído de quantização por ser projetada para ser
tão grande quanto se queira, pela seleção do número de bits apropriados que
serão armazenados para cada palavra PCM, como descrito por (3-18).
A técnica DDS esta substituindo circuitos analógicos em muitas aplicações.
Por exemplo, em receptores de comunicações de alto preço, a técnica DDS
é usada como um sitentizador de frequências para gerar sinais de oscilador
local que sintonizem a emissora de rádio (ver seção 4-16). Em órgãos
eletrônicos e sintetizadores de música, o DDS pode ser usado para gerar
tanto sons autênticos como sons (fantásticos) fictícios. Os fabricantes de
instrumentos estão usando DDS para gerar formas de onda de saída nos
geradores de função e geradores de forma de onda arbitrária. As
companhias telefônicas estão usando DDS para gerar tons de linha e de sinal
ocupado. (Ver Capítulo 8).
4.16. Transmissores e Receptores
Transmissores em Geral
Os transmissores geram o sinal modulado na frequência da portadora fc, a
partir do sinal de modulação m(t). Na seção 4-1 (e 4-2) foi demonstrado
que qualquer tipo de sinal modulado pode ser representado por:
{ }tj ce )t(gRe)t(v w= (4-113)
ou, equivalentemente,
v(t) = R(t) cos[wct + q(t)] (4-114)
e
v(t) = x(t) cos wct – y(t) sen wct (4-115)
onde a envoltória complexa
g(t) = R(t) ejq(t) = x(t) + j y(t) (4-116)
é uma função do sinal de modulação m(t). A relação particular que é
escolhida para g(t) em termos de m(t) define o tipo de modulação que é
usado, tal como AM, SSB ou FM (ver tabela 4-1). Pode ser feita uma
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aproximação generalizada para se obter modelos transmissores que posam
ser reduzidos àqueles usados para um tipo de modulação particular.
Também veremos que há modelos equivalente que correspondem a
diferentes configurações de circuitos, mas que podem ser usados para
produzir o mesmo tipo de sinal modulado em suas saídas. Isto impulsiona
ao projetista selecionar um método de implementação que maximize o
desempenho, mas minimize o custo, baseado no estado da arte do
desenvolvimento de circuitos.
Figura 4-27 – Transmissor generalizado usando a técnica de geração AM-PM.
Existem duas formas canônicas para o transmissor generalizado, como
indicado por (4-114) e (4-115). A expressão (4-114) descreve um circuito
tipo AM-PM, como ilustrado na figura 4-27. O circuito de processamento
do sinal banda básica gera R(t) e q(t), a partir de m(t). O R e o q são
funções do sinal de modulação m(t), como dado pela tabela 4-1 para o tipo
de modulação particular desejado. O processamento de sinal pode ser
implementado ou usando-se circuitos analógicos não-lineares ou um
computador digital que incorpore os algoritmos R e q no seu programa. Na
implementação usando um computador digital, um ADC (analog-digital
converter) será necessário na entrada e dois DAC’s serão necessários na
saída. O restante da forma canônica AM-PM requer circuitos de RF, como
indicado na figura.
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Figura 4-28 – Transmissor generalizado usando a técnica de geração em quadratura.
A figura 4-28 ilustra a segunda forma canônica para o transmissor
generalizado. Este usa o processamento em-fase e quadratura de fase (IQ).
Similarmente, as fórmulas relacionando x(t) e y(t) estão apresentadas na
tabela 4-1, e o processamento de sinal banda-básica pode ser implementado
usando-se ou hardware analógico ou hardware digital com software. O
restante da forma canônica usa circuitos de RF como indicado.
Novamente se insiste que qualquer tipo de modulação de sinal (AM, FM,
SSB, QPSK, etc) pode ser gerado usando-se uma destas duas formas
canônicas. As duas formas separam o processamento banda-básica do
processamento de RF. As técnicas digitais são especialmente úteis para a
execução da parte de processamento em banda-básica. Além disso, se
circuitos de computação digital forem usados, qualquer tipo de modulação
pode ser obtida pela escolha do algoritmo de programação adequado.
A maioria dos transmissores em uso atualmente é constituída de variações
destas formas canônicas. Transmissores práticos podem desempenhar as
operações de RF em alguma frequência de RF menor e posteriormente ser
efetuada a conversão para cima, até chegar na frequência de operação
desejada. No caso de sinal de RF sem modulação AM, podem ser usados
multiplicadores de frequência para se chegar a frequência final desejada.
Naturalmente, amplificadores de potência são necessários para se atingir o
nível de potência de saída especificado. Se o sinal de RF não contiver
variações de amplitude, amplificadores classe C (alta eficiência) podem ser
usados, caso contrário, são usados amplificadores classe B.
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Receptor Generalizado: O receptor superheterodino
O receptor tem a função de extrair a informação da fonte a partir do sinal
modulado recebido, o qual pode estar corrompido por ruído.
Freqüentemente é desejado que a saída do receptor seja uma réplica do sinal
de modulação que estava presente na entrada do transmissor. Existem
duas classes principais de receptores: o receptor de rádio frequência
sintonizado (TRF) e o receptor superheterodino.
O receptor TRF consiste de uma quantidade de estágios passa-faixa de RF,
de alto ganho, que são sintonizados na frequência da portadora, fc, seguido
por um circuito detector apropriado (detector de envoltória, detector de
produto, detector FM, etc). O TRF não é muito popular, porque é difícil o
projeto de estágios de RF sintonizados, tal que a estação desejada possa ser
sintonizada e ainda ter uma largura de faixa estreita, tal que as estações em
canais adjacentes sejam rejeitadas. Além disso, é difícil a obtenção de
ganho alto em frequências de RF juntamente com pequeno acoplamento
entre a saída e a entrada tal que não ocorra oscilação em fc. O “aparelho a
cristal” que é fabricado pela Cub Scouts é um exemplo de um receptor TRF
de um único estágio que não possui ganho no estágio de RF. Os receptores
TRF são freqüentemente usados para a medida de características de
dispersão no tempo (caminhos múltiplos) de canais de rádio [Rappaport,
1989].
A maioria dos receptores emprega a técnica de recepção superheterodino,
como ilustrado na figura 4-29.
Figura 4-29 – Receptor superhetorodino.
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Esta técnica consiste em se converter o sinal de entrada ou para baixo, ou
para cima, para alguma faixa de frequência conveniente, chamada de faixa
de frequência intermediária (FI), e depois extrair-se a informação (ou
modulação) pelo uso de um detector apropriado. Esta estrutura básica de
receptor é usada para a recepção de todos os tipos de sinais passa-faixa, tais
como televisão, FM, AM, satélite e radar. O amplificador de RF tem uma
característica passa-faixa que permite a passagem do sinal desejado e provê
amplificação para que o sinal supere o ruído adicional que é gerado no
estágio misturador. As características do filtro de RF também apresentam
alguma rejeição para os sinais e ruídos de canais adjacentes, mas a principal
rejeição de canal adjacentes é conseguida pelo filtro de FI.
O filtro de FI é um filtro passa-faixa que seleciona ou a componente de
conversão para cima ou a componente de conversão para baixo (a qual é
escolhida pelo projetista do receptor). Quando a conversão para cima é
selecionada, a envoltória complexa da sáida do filtrode FI (passa-faixa) é a
mesma envoltória complexa para a entrada de RF, exceto pela filtragem de
RF, H1(f), e filtragem de FI, H2(f).
Todavia, se a conversão para baixo for usada com fLo > fc, a envoltória
complexa na saída de FI será o conjugado daquela da entrada de RF [ver (4-
59)]. Isto significa que as bandas laterais da saída de FI serão invertidas
(isto é, a banda lateral superior na entrada de RF, tornar-se-á a banda lateral
inferior na saída de FI). Se fLO < fc, as bandas laterais não serão invertidas.
Em algumas aplicações especiais a frequência LO é selecionada como sendo
a frequência da portadora (fLO = fc), e então o receptor superheterodino
torna-se um receptor de conversão direta. Neste caso o filtro de FI é
substituído por um filtro passa-baixas tal que a combinação misturador–LPF
torna-se um detetor de produto, e o estágio detector da figura 4-29 é
eliminado. Portando, o receptor de conversão direta é o mesmo que um
receptor TRF com detector de produto.
A frequência central selecionada para o amplificador de FI é escolhida com
base em três considerações:
· A frequência deve ser tal que possa ser obtido economicamente um
amplificador que tenha alto ganho e seja estável.
· A frequência necessita ser baixa o suficiente tal que, com elementos de
circuito encontrados na prática, possam ser construídos filtros de FI com
valores de Q que apresentem uma característica de atenuação com a
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declividade necessária fora da largura de faixa do sinal. Isto diminui o
ruído e minimiza a interferência proveniente de canais adjacentes.
· A frequência necessita ser suficientemente alta, tal que a resposta
imagem possa ser feita aceitavelmente pequena.
A resposta imagem é a recepção de um sinal indesejado localizado na
frequência imagem, devido à atenuação insuficiente do sinal imagem pelo
filtro amplificador de RF. A resposta imagem pode ser ilustrada por um
exemplo.
Figura 4-30 – Espectro de sinais e função transferência de um amplificador de RF, em um receptor
superheterodino.
Exemplo 4-2 Receptor Superheterodino para Radiodifusão AM
Suponha que um rádio na faixa de radiodifusão AM esteja sintonizado para
receber uma estação em 850 kHz e que a frequência LO, do oscilador local,
esteja do lado superior à frequência portadora. Se a frequência de FI for
455 kHz, a frequência LO será 850 + 455 = 1305 kHz (ver figura 4-30).
Além disso, suponha que outro sinal esteja presente na entrada de RF do
rádio e, particularmente, que exista um sinal em 1760 kHz; este sinal será
convertido para baixo pelo misturador em 1760 – 1305 = 455 kHz. Isto é,
o sinal indesejado (1760 kHz) será transladado até 455 kHz e será
adicionado, na saída do misturador, ao sinal desejado (850 kHz), o qual
também foi convertido para baixo em 455 kHz. Este sinal indesejado que
foi convertido para a frequência da faixa de FI é chamado de sinal imagem.
Se o ganho do amplificador de RF estiver abaixo, digamos 25 dB em 1760
kHz, quando comparado à 850 kHz, e se o sinal indesejado for 25 dB mais
forte na entrada do receptor, em relação ao sinal desejado, ambos sinais
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terão o mesmo nível quando transladados para a FI. Neste caso o sinal
indesejado interferirá definitivamente com o sinal desejado, no processo de
detecção.
Para conversores para baixo (isto é, fIF = |fc – fLO|) a frequência imagem é:
î
í
ì
<-
>+
baixo) lado do (injeção ff se , f2f
alto) lado do (injeção ff se , f2f
f
cLOIFc
cLOIFc
imagem (4-117a)
onde fc é a frequência de RF desejada, fIF é a frequência de FI, e fLO é a
frequência do oscilador local.
Para conversores para cima (isto é, fIF = fc + fLO) a frequência imagem é:
fimagem = fc + 2fLO (4-117b)
A partir da figura 4-30 é visto que a resposta imagem será usualmente
reduzida se a frequência de FI for aumentada, já que fimagem ocorrerá mais
distante em relação ao pico principal (ou lóbulo) da característica do filtro,
|H1(f)|.
Lembrando de nossa análise anterior sobre misturadores, também
concluímos que outras respostas espúrias (além da resposta imagem)
ocorrerão em circuitos misturadores práticos. Isto também deve ser levado
em consideração ao se fazer um bom projeto de receptor.
Tabela 4-4 – Frequências de FI.
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A tabela 4-4 ilustra algumas frequências de FI típicas que têm se tornado
padrões. Para cada aplicação a frequência de FI é baixa o suficiente para
que o filtro de FI apresente uma boa rejeição do sinal do canal adjacente
quando são usados elementos de circuito com Q realizável; todavia a
frequência de FI é grande o suficiente para propiciar uma rejeição do sinal
imagem pelo filtro do amplificador de RF.
O tipo do detetor selecionado para uso no receptor superheterodino depende
da aplicação pretendida. Por exemplo, um detector de produto pode ser
usado em um sistema PSK (digital), e um detector de envoltória pode ser
usado em receptores de radiodifusão AM. Se a envoltória complexa g(t) for
desejada para uma detecção do sinal generalizada ou para recepção ótima
em sistemas digitais, as componentes em quadratura x(t) e y(t), onde x(t) + j
y(t) = g(t), podem ser obtidas pelo uso de detectores de produto em
quadratura, como ilustrado na figura 4-31.
Figura 4-31 – Detector IQ.
x(t) e y(t) podem ser processados em um processador de sinais tal que se
possa extrair a informação da modulação. O processador de sinal pode
recuperar m(t) a partir de x(t) e y(t), (e, em conseqüência, demodular o sinal
de FI), pelo uso da inversa da função de geração da envoltória complexa,
dada na tabela 4-1.
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Tabela 4-5 – Efeito de componentes dos Sistemas de Telecomunicações.
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O receptor superheterodino têm muitas vantagens e algumas desvantagens.
A principal vantagem é que um ganho extraordinariamente alto pode ser
obtido sem que tenhamos instabilidade (auto-oscilação). O acoplamento
entre a saída do receptor e a entrada não causa oscilação, porque o ganho é
obtido em faixas de frequências diferentes – RF, FI e banda-básica. O
receptor é facilmente sintonizável em outras frequências pela mudança da
frequência do sinal do LO (que pode ser suprido por um sintetizador de
frequências) e sintonizando-se o filtro passa-faixa do amplificador de RF na
frequência desejada. Além disso, elementos de alto Q, que são necessários
para a rejeição de canais adjacentes (para produzirem filtros que decaiam
abruptamente) são necessários somente no amplificador de FI de sintonia
fixa. A principal desvantagem do receptor superheterodino é a resposta à
sinais espúrios que pode ocorrer se não for tomado cuidado no projeto.
Uma discussão sobre receptores não poderia ficar completa sem a
consideração de algumas causas de interferência. Freqüentemente o
usuário de um receptor pensa que um certo sinal, tal como um sinal de rádio-
amador, esteja causando um problema. Isto pode ser ou não o caso. A
origem da interferência pode estar localizada em três pontos.
· Na fonte do sinal interferente; outro transmissor pode gerar componentes
de sinal fora da faixa (tal como harmônicas) que se situam na faixa do
sinal desejado.
· No próprio receptor: a entrada pode sobrecarregar ou produzir respostas
espúrias. Sobrecarga frontal ocorre quando o estágio de RF e/ou
misturador estão sendo alimentados dentro de uma faixa não-linear por
um sinal interferentee a não linearidade causa modulação cruzada no
sinal desejado, na saída do amplificador de RF do receptor.
· No canal: uma não-linearidade no meio de transmissão pode causar
componentes de sinal indesejado dentro da faixa do sinal desejado.
Para maiores detalhes de projeto de receptores e exemplos de circuitos
receptores práticos, o leitor pode recorrer ao ARRL Hand-book [ARRL,
1997].