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ELE-31 Princ´ıpios de Telecomunicac¸o˜es Prof. Manish Sharma October 15, 2015 4 Modulac¸a˜o linear Neste cap´ıtulo apresentamos a primeira modulac¸a˜o analo´gica, a modulac¸a˜o em amplitude no tempo e as suas implicac¸o˜es em frequeˆncia. Para isto apresentamos tambe´m o conceito de sinais e sistemas em banda base e banda passante, e a relac¸a˜o entre os dois. Este conceito sera´ utilizado futuramente na introduc¸a˜o a modulac¸o˜es digitais. 4.1 Sinais e Sistemas em Banda Passante • Convenc¸o˜es adotadas: – A mensagem e´ um sinal em banda base x(t) qualquer, na˜o determinado a priori, mas com algumas propriedades definidas, como algumas a seguir. – W e´ a banda da mensagem x(t), i.e., |X(f)| ≈ 0 para |f | > W ., como mostra a figura 1 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 f |X(f) | Figure 1: Espectro de um sinal com banda W = 0.6Hz. Este e´ o espectro de um filtro raiz de cosseno com paraˆmetros T = 1 e β = 0.2. Este filtro e´ muito utilizado em comunicac¸o˜es digitais para sinais limitados em banda. – Por convenc¸a˜o, |x(t) ≤ 1∀t 1 – Consequentemente, a poteˆncia do sinal x(t) , definida como Sx, vale Sx =< |x(t)|2 >≤ 1. – Em algumas situac¸o˜es poderemos utilizar para ana´lise o sinal tonal, definido como x(t) = Am · cos(2pifmt), onde Am ≤ 1 e fm < W . Este sinal tem espectro simples. A utilizac¸a˜o de um sinal tonal permite em muitas situac¸o˜es analisar a resposta de sistemas, exceto talvez quando haja na˜o linearidades. Para isso, podemos utilizar um sinal composto, definido como: x(t) = A1 · cos(2pif1t) +A2 · cos(2pif2t) + · · · (1) onde A1 +A2 + · ≤ 1 – Exemplo: Modulac¸a˜o de um sinal qualquer. – Seja x(t)↔ X(f) um sinal em banda base. – Se xbp(t) = x(t)·, enta˜o, pela convoluc¸a˜o dos espectros, temos: Xbp(f) = 1 2 [X(f − fc) +X(f + fc)] (2) cujo formato esta´ apresentado na figura 2 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 f |X bp (f)| Figure 2: Formato de Xbp(f) utilizando X(f) da figura 1 e fc = 3Hz. A banda ocupada vai de fc −W ate´ fc +W 4.1.1 Sinais em Banda Passante • Seja vbp(t) um sinal real com espectro Vbp(f), como mostra a figura 31 • Como o sinal e´ real, ha´ simetria Hermitiana em torno da origem, mas na˜o necessariamente em torno de ±fc. • Um sinal e´ um em banda passante se: |Vbp(f)| ≈ 0para |f | < fc −W e |f | > fc +W (3) 1O subscrito bp indica que o sinal e´ banda passante, enquanto que o subscrito bb, se houver, indica que o sinal e´ em banda base. 2 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 f |V bp (f)| Figure 3: Formato de Vbp(f) , na˜o sime´trico em torno de fc = ±3Hz. • Isto e´, enquanto que o sinal em banda base(BB) tem espectro em torno da origem, o sinal em banda passante(BP) tem espectro em torno de ±fc. • Na˜o ha´ necessariamente simetria em torno de fc: o espectro poderia estar completamente entre fc e fc+W e entre −fc e −(fc +W ) • Assim, ha´ va´rias possibilidades para escolha de fc, que normalmente e´ definido pelo contexto. • Um poss´ıvel sinal BP e´: vbp(t) = A(t) · cos(2pifct+ φ(t)) (4) onde A(t) e´ um sinal em banda base. Por definic¸a˜o, A(t) e´ chamado de envolto´ria do sinal e φ(t) e´ a fase do sinal. Tanto envolto´ria como fase sa˜o func¸a˜o do tempo. O seu formato esta´ mostrado na figura 4 • Tambe´m por definic¸a˜o, A(t) ≥ 0. Efeitos de amplitude negativa sa˜o absorvidos pela fase com a adic¸a˜o de ±pi quando necessa´rio. • Poder´ıamos no plano complexo utilizar a representac¸a˜o da figura 5. A figura representada na˜o e´ um fasor pois a frequeˆncia fc e´ eliminada. E´ como se o plano girasse com velocidade fc. Logo, para obter o fasor, e´ necessa´rio fixar o eixo na origem e girar o plano fc vezes por segundo. • Podemos decompor vbp(t) em dois termos utilizando as projec¸o˜es (em verde) do vetor da figura 5 nos dois eixos, resultando em: vi(t) , A(t) · cos(φ(t)) vq(t) , A(t) · sin(φ(t)) (5) onde os subscritos se referem a em fase (In phase) e em quadratura (Quadrature). • LogoF: vbp(t) = vi(t) · cos(2pifct)− vq(t)sin(2pifct) = vi(t) · cos(2pifct) + vq(t)cos(2pifct+ 90o) (6) 3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -1 -0.5 0 0.5 1 t v bp( t) Figure 4: Formato de um poss´ıvel vbp(f), com fc = 3Hz.O intervalo entre cruzamentos de zero e´ 1 fc = T0. Em tracejado, na parte superior, o valor de |A(t)|. que e´ a representac¸a˜o em quadratura, com termos em fase vi(t) e em quadratura vq(t). • Esta representac¸a˜o possui vantagens para a gerac¸a˜o de sinais na pra´tica e para ana´lise espectral, decom- pondo Vbp(f) em: Vbp(f) = 1 2 [Vi(f − fc) + Vi(f + fc)] + j 2 [Vq(f − fc)− Vq(f + fc)] (7) onde vi(t)↔ Vi(f) e vq(t)↔ Vq(f). • A relac¸a˜o entre as representac¸o˜es e´: A(t) = √ vi(t)2 + vq(t)2 φ(t) = tan−1 [ vq(t) vi(t) ] (8) • Estas relac¸o˜es no tempo na˜o permitem relacionar os espectros atrave´s da Transformada de Fourier. • Para que vbp(t) seja de fato um sinal em banda passante, e´ necessa´rio que Vi(f) = Vq(f) = 0 para |f | > W , i.e., Vbp(f) e´ a composic¸a˜o de dois espectros em banda base, um dos quais sofre um desvio de fase constante (multiplicac¸a˜o por j). • Podemos definir o sinal em banda base equivalente2: Vlp(f) , 12 [Vi(f) + jVq(f)] = Vbp(f + fc) · u(f + fc) (9) • No domı´nio do tempo esta definic¸a˜o equivale a: vlp(t) = F−1{Vlp(f)} = 1 2 [vi(t) + j · vq(t)] (10) 2Alguns livros utilizam esta relac¸a˜o multiplicando por um fator de 2. Seguiremos a definic¸a˜o apresentada 4 f(t) 𝜙(𝑡) ℜ ℑ 𝑣𝑏𝑝(𝑡) 𝑣𝑖(𝑡) 𝑣𝑞(𝑡) Figure 5: Representac¸a˜o de vbp(t) no plano complexo. Em verde as projec¸o˜es nos eixos real e imagina´rio. A frequeˆncia instantaˆnea f(t) e´ a derivada de φ(t) em func¸a˜o do tempo. • Este sinal e´ potencialmente complexo e na˜o poderia existir na pra´tica. • Alternativamente poder´ıamos obter o sinal vlp(t) como: vlp(t) = 1 2 A(t) · exp(jφ(t)) (11) • A relac¸a˜o no caminho contra´rio entre vbp(t) e vlp(t) e´ enta˜oF: vbp(t) = <{A(t)exp[j2pifct+ jφ(t)]} = 2< { A(t) 1 2 exp(jφ(t) · exp[j2pifct] } = 2<{vlp(t) · exp(j2pifct)} (12) que e´ chamada de transformac¸a˜o de banda base para banda passante. • No domı´nio da frequeˆncia temos: Vbp(f) = Vlp(f − fc) + V ∗lp(−f − fc) (13) onde o primeiro termo da direita representa as frequeˆncias positivas e o segundo as frequeˆncias negativas. • Assumindo que vbp(t) e´ real, ter´ıamos Vbp(f) = Vlp(f − f)c), , f > 0 (14) 4.1.2 Transmissa˜o em Banda Passante • Definimos o sistema em banda base da figura 6-(a). • Obviamente, Ybp(f) = Xbp(f) ·Hbp(f) 5 hbp(t) Hbp(f) xbp(t) ybp(t)=xbp (t)*hbp (t) Em banda passante Em banda base hlp(t) Hlp(f) xlp(t) ylp(t)=xlp (t)*hlp (t) (a) (b) Figure 6: Relac¸a˜o entre sistemas (a) em banda base e (b) em banda passante. • Tambe´m poder´ıamos utilizar o espectro em banda base equivalente: Ylp(f) = Xlp(f) ·Hlp(f) (15) onde: Hlp(f) = Hbp(f + fc) · u(f + fc) (16) e´ a func¸a˜o de transfereˆncia em banda base equivalente. • Este me´todo permite entender o que acontece com os sinais equivalentes em banda base. Permite tambe´m eliminar a necessidade de considerar a frequeˆncia da portadora para a ana´lise dos sinais. • No tempo, ter´ıamos: ylp(t) = F−1{Xlp(f) ·Hlp(f)} (17) • O sinal em banda passante ybp(t) pode ser obtido de ylp(t) a partir da transformac¸a˜o de banda base para banda passante. • Alternativamente podemos definir os termos em fase, em quadratura, e a amplitude e fase correspondentes: yi(t) = 2<{ylp(t)} yq(t) = 2={ylp(t)} Ay(t) = 2|ylp(t)| φy(t) = arg[ylp(t)] (18) • Exemplo: atraso de portadora e de envolto´ria: – Seja um sistema em banda passante com func¸a˜o de transfereˆncia: Hbp(f) = K · exp[jθ(f)] (19) para fl < |f |< fu, onde θ(f) e´ uma func¸a˜o na˜o linear. 6 – Em banda base, ter´ıamos: Hlp(f) = K · exp[jφ(f + fc)] · u(f + fc) (20) – A figura 7 mostra Hbp(f) e Hlp(f). -fu f -fl K f fl fu K fl-fc fu-fc K fc (a) (b) Φ(f) Φ(fc) Figure 7: Resposta do sistema em (a)-banda passante e em (b)-banda base equivalente. – Se a func¸a˜o θ(f) for aproximadamente linear em torno de fc, podemos representa-la bem com os dois primeiros elementos da se´rie de Taylor em torno de fc, resultando em: θ(f + fc) ≈ −2pi(tofc + t1f) (21) onde: to , − θ(fc)2pifc t1 , − 12pi dθ(f)df |f=fc (22) – Para interpretar estes termos, vamos assumir que o sinal de entrada x(t) tem fase nula. Logo: xbp(t) = Ax(t) · cos(2pifc) xlp(t) = 1 2Ax(t) (23) – Assumindo ainda que Xbp(f) esta´ contido na banda de passagem, ter´ıamos: Ylp(f) = K · exp[jφ(f + fc)] ·Xlp(f) ≈ K · exp[−j2pi(tofc + t1f)] ·Xlp(f) ≈ K · exp(−j2pifct0) · exp[−j2pit1)] ·Xlp(f) (24) – Nesta equac¸a˜o, K · exp(−j2pifct0) e´ uma constante e ·exp[−j2pit1)] corresponde a um atraso no tempo. – Logo, a sa´ıda em banda base e´: ylp(t) ≈ {K · exp(−j2pifct0)}xlp(t− t1) = 1 2 K · exp(−j2pifct0) ·Ax(t− t1) (25) 7 e, em banda passante: ybp(t) = KAx(t− t1)cos[2pifc(t− t0)] (26) – Assim, t0 e´ o atraso da portadora e t1 e´ o atraso da envolto´ria. – Como t1 independe de f , o sistema aproximadamente na˜o causa distorc¸a˜o – Este resultado sera´ va´lido se dθ(f)df for aproximadamente constante na f de interesse. Caso isto na˜o seja verdade, havera´ distorc¸a˜o. • Outro exemplo: sistema passa banda simples – Tambe´m chamado de circuito sintonizado, apresentado na figura 8 R C vi(t) vo(t) L 0 500 1000 1500 2000 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 f H (f ) Figure 8: Circuito sintonizado em 1kHz e sua resposta em frequeˆncia, com mo´dulo (linha cheias) e fase (linhas tracejadas), para Q = 1 (preto), 10 (vermelho) e 100 (azul) – A sua func¸a˜o de transfereˆncia e´ F: H(f) = 1 1 + jQ ( f f0 − f0f ) (27) onde: f0 = 1 2pi √ LC Q = R √ C L (28) – A banda de passagem e´ definida como B = fu − fl = f0Q . – No passado, devido a necessidade de implementac¸a˜o analo´gica e necessidade de garantir que os esta´gios de ganho seriam esta´veis, o valor de Q era limitado entre 10 < Q < 100. Esta restric¸a˜o ainda e´ va´lida nos dias de hoje em muitas situac¸o˜es, embora possa ser relaxada em esta´gios de processamento digital. 8 – Esta restric¸a˜o sobre Q resultava na limitac¸a˜o: 0.01 < B fc < 0.1 (29) isto e´, a banda de transmissa˜o dependia da frequeˆncia utilizada. Isto causou a busca para sistemas com fc grande, como por exemplo no caso de sate´lites, que chegam a operar em dezenas de gigahertz. – Um exemplo desta situac¸a˜o e´ Wi-Fi, que utiliza uma banda de 40MHz para um fc em torno de 2.4GHz. 4.1.3 Bandas de Transmissa˜o • Ha´ va´rias definic¸o˜es para banda de transmissa˜o, dependendo do contexto: – Absoluta conte´m 100% da energia. – -3dB: faixa onde o ganho do sistema e´ maior ou igual a √ 2 2 , resultando em perda de metade da poteˆncia. – -10dB: definic¸a˜o semelhante a anterior, mas com perda de 90% da poteˆncia do sinal. – de ru´ıdo equivalente: banda do filtro passa faixas ideal que, ao ter como entrada um ru´ıdo com densidade espectral de poteˆncia constante, resultaria na sa´ıda em um ru´ıdo com a mesma poteˆncia do sistema em questa˜o. – Ocupada: de acordo com a regulamentac¸a˜o: – relativa: por exemplo, 60dB: banda onde a densidade espectral de poteˆncia do sinal e´ 60db menor do que a densidade espectral de poteˆncia de pico. • Outras definic¸o˜es podem aparecer em documentos te´cnicos. 4.2 Modulac¸a˜o em Amplitude com Portadora • Ha´ verso˜es de modulac¸a˜o em amplitude: – Com ou sem portadora – Com as das ou uma das bandas laterais, como veremos a seguir. • No caso da modulac¸a˜o em amplitude, a envolto´ria do sinal e´ proporcional a mensagem da seguinte forma: A(t) = Ac[1 + µx(t)] (30) onde µ e´ o ı´ndice de modulac¸a˜o e Ac e´ a amplitude da portadora 3. • O sinal modulado xAMc (t) e´: xAMc (t) = Ac[1 + µx(t)] · (2pifct+ φc) (31) onde a fase da portadora φc e´ omitido por simplicidade, sem afetar os resultados. • Para que a envolto´ria seja parecida com x(t), e´ necessa´rio que x(t) ≤ 1 e fc >> W , como veremos a seguir. • Se µ ≤ 1 na˜o havera´ alterac¸a˜o na fase da envolto´ria, resultando em: φ(t) = 0 xci(t) = A(t) xcq(t) = 0 (32) 3O subscrito c se refere a ”‘carrier”’ (em portugueˆs portadora), que e´ o sinal que ”‘carrega”’ ou ”‘porta”’ o sinal, assim com um porta-avio˜es e´ um portador de avio˜es. 9 • Caso µ = 1 a amplitude pode variar de 0 a 2Ac. • Caso µ < 1 havera´ inversa˜o de fase e distorc¸a˜o da envolto´ria • A segunda condic¸a˜o (fc >> W ) do item acima diz que a portadora varia muito mais ra´pido do que o sinal. • Ja´ sabemos que no domı´nio da frequeˆncia teremos, para f > 0: Xc(f) = 1 2 Acδ(f − fc) + µ 2 AcX(f − fc) (33) • Necessariamente este sinal possui simetria Hermitiana, pois xAMc (t) e´ um sinal em banda passante real. Logo, e´ poss´ıvel determinar X(f) para f < 0 a partir da definic¸a˜o!ao acima. • O espectro esta´ mostrado na figura 9. Ele conte´m: – Impulso da portadora em fc; – Replicac¸a˜o de X(f) em torno de fc, o que resulta em bandas laterais sime´tricas, caso x(t) seja real. fc f fc+W fc-W Banda ou lóbulo superior Banda ou lóbulo inferior Impulso Figure 9: Espectro de um sinal AM modulado com a presenc¸a de portadora. • A banda de transmissa˜o e´ BAM = fc + W − (f − c −W ) = 2W , i.e., a banda necessa´ria e´ o dobro da banda do sinal em banda base. • A poteˆncia me´dia transmitida e´F: SAMT ,< xAMc (t)2 > = 12A 2 c < 1 + 2µx(t) + µ 2x(t)2 > + 12A 2 c < [1 + µx(t)] 2cos(2pifc)t > = 12A 2 c [1 + µ 2Sx] (34) onde o segundo termo da segunda linha vale 0. 10 • Da equac¸a˜o anterior percebe-se que, independentemente de Sx, o fato do valor me´dio de x(t) ser diferente de zero aumentaria a poteˆncia de transmissa˜o necessa´ria. • Logo, este tipo de modulac¸a˜o na˜o e´ conveniente quando isto acontece. • Como SAMT conte´m a poteˆncia da portadora e das bandas laterais e, em frequeˆncia, elas na˜o se sobrepo˜em, podemos escrever, quando µ 6= 0: SAMT = Pc + 2 · Psb (35) onde: – Pc = 1 2A 2 c e´ a poteˆncia da parte na˜o modulada da portadora. – Psb = 1 4A 2 cµ 2Sx = 1 2µ 2SxPc e´ a poteˆncia de cada uma das bandas laterais (sb ⇒ side band). • Como por convenc¸a˜o |µx(t)| ≤ 1∀t, µ2Sx ≤ 1 e Psb ≤ 12Pc. • Assim, rearranjando os termos, chegamos a: Pc = S AM T − 2Psb ≤ 12SAMT PSB ≤ 14SAMT (36) ou seja, 50% ou mais da poteˆncia transmitida e´ utilizada para transmitir a portadora. • Esta restric¸a˜o compromete a eficieˆncia do uso da poteˆncia dispon´ıvel deste tipo de modulac¸a˜o. Alternativas mais eficientes neste aspecto sa˜o apresentadas a seguir. 4.2.1 Sinais e Espectro DSB • Potencia desperdic¸ada na portadora poderia ser eliminada utilizando µ = 1 e tirando o termo constante. Assim, o sinal modulado seria: xDSBc (t) = Ac · x(t) · cos(2]pifct) (37) que e´ chamado de AM-DSB(Double Side Band) ou simplesmente DSB. • Ja´ vimos que, para f > 0, Xc(f) = 12X(f − fc) • O espectro de um sinal DSB e´ semelhante ao espectro de um sinal AM com portadora, eliminando o impulso em fc. • A banda do sinal e´ Bt = 2W . • No tempo, ha´ algumas diferenc¸as: A(t) = Ac · |x(t)| φ(t) = { 0 para x(t) > 0 ±180o para x(t) < 0 (38) • A envolto´ria do sinal depende enta˜o do mo´dulo |x(t)|, e na˜o simplesmente de x(t). Logo, determinar a envolto´ria na˜o e´ equivalente a determinar o sinal. • Ha´ reversa˜o de fase quando a mensagem x(t)cruza o zero. • Para recuperaremos a mensagem precisamos saber, ale´m da envolto´ria, dos instantes em que ha´ reversa˜o de fase. • Por outro lado, a poteˆncia total e´, na auseˆncia de portadora na˜o modulada: SDSBT = 2 · PSB = 1 2 A2c · Sx (39) e isto e´ va´lido mesmo que a me´dia de x(t) seja diferente de zero. 11 Varia´vel AM com portadora DSB Amax 2 ·Ac Ac PSB 1 4 A2cµ 2Sx 1 4 A2c · Sx PSB A2max µ2Sx 16 Sx 4 Table 1: Comparac¸a˜o de PSBA2max entre modulac¸o˜es AM com e sem portadora • Isto e´, ha´ um aproveitamento melhor da energia dispon´ıvel. • Na pra´tica, os transmissores possuem, ale´m de um limite de poteˆncia me´dia, um limite sobre a poteˆncia de pico.4 Este valor de pico depende do quadrado da amplitude de pico, denominada aqui como Amax. • Como a informac¸a˜o esta´ nas bandas laterais, pode ser u´til definir a relac¸a˜o PSBA2max . Esta relac¸a˜o esta´ apresentada na tabela abaixo para o caso com e sem portadoraF: • Logo, dado o mesmo Amax, a modulac¸a˜o DSB resulta em quatro vezes mais poteˆncia para as bandas laterais do que a modulac¸a˜o com portadora, sendo assim mais eficiente neste aspecto, utilizando ainda a mesma banda de 2W . • Este ganho em eficieˆncia ocorre com um custo de aumento de complexidade. • Exemplo: comparac¸a˜o de alcance. – Um transmissor possui dois limites: a poteˆncia media deve ser ST ≤ 3kW (onde W = Watts) e A2max ≤ 8kW . O sinal a ser transmitido e´ uma onda senoidal com amplitude Am = 1, resultando em Sx = A2m 2 = 12. Qual modulac¸a˜o tera´ alcance maior? – Para a modulac¸a˜o AM com µ = 1, temos considerando a restric¸a˜o de poteˆncia me´dia F: PSB = 1 4Pc ⇒ Pc = 4PSB SAMT = Pc + 2PSB = 4PSB + 2PSB = 6PSB ≤ 3kW ⇒ PSB ≤ 0.5kW (40) e, considerando a restric¸a˜o de poteˆncia de pico: PSB = 1 16A 2 max · 12≤ 132 · 8kW = 0.25kW (41) Assim, o fator que de fato restringe a poteˆncia da informac¸a˜o e´ o valor da poteˆncia de pico. – Para a modulac¸a˜o DSB temos: SDSBT = 2PSB ≤ 3kW ⇒ PSB ≤ 1.5kW PSB A2max = SX4 ⇒ PSB ≤ 18A2max = 1kW (42) Assim, para o caso DSB o limite tambe´m e´ a poteˆncia de pico. – Comparativamente, a modulac¸a˜o DSB sem portadora resulta em quatro vezes mais poteˆncia de informac¸a˜o. Considerando que a poteˆncia do sinal recebido depende do quadrado da distaˆncia e dado um limiar de poteˆncia recebida necessa´ria para demodulac¸a˜o, a modulac¸a˜o DSB permitiria o dobro do alcance. 4Por exemplo limitado pela tensa˜o de alimentac¸a˜o de um circuito analo´gico ou pela faixa de sinais representados atrave´s de amostras digitais. 12 4.2.2 Modulac¸a˜o Tonal e Ana´lise Fasorial • Modulac¸a˜o tonal ocorre quando a mensagem e´ um tom, isto e´, x(t) = Am · cos(2pifmt). • Neste caso ter´ıamos, para a modulac¸a˜o com portadora, o seguinte sinal modulado: xAMc (t) = Ac · cos(2pifct) + AcµAm 2 · [cos(2pi(fc + fm)t) + cos(2pi(fc − fm)t)] (43) • Para o caso sem portadora ter´ıamos: xDSBc (t) = AcAm 2 · [cos(2pi(fc + fm)t) + cos(2pi(fc − fm)t)] (44) • O espectro destes sinais esta˜o apresentados na figura 10. fc f fc+fm fc-fm fc f fc+fm fc-fm (a) (b) 𝐴𝑐𝐴𝑚𝜇 2 𝐴𝑐𝐴𝑚 2 Figure 10: Espectro de modulac¸a˜o tonal para sistemas (a)- com portadora e (b)-sem portadora. • Estes espectros permitem gerar uma representac¸a˜o fasorial que e´ u´til para entender o que aconteceria caso houvesse supressa˜o de uma das bandas laterais, o que sera´ u´til nas pro´ximas sec¸o˜es. • Por exemplo, o diagrama fasorial de uma modulac¸a˜o AM com portadora por um sinal tonal tal que Amµ = 2 3 teria o formato da figura 11-(a). Referenciando o diagrama em relac¸a˜o a` frequeˆncia fc, ter´ıamos que a amplitude resultante da soma de fasores e´ a envolto´ria. O resultado e´ sempre um valor real, cuja envolto´ria vale, como esperado, Ac[1 + 2 3cos(2pifmt)]. • Se o canal causa distorc¸a˜o de amplitude e remove o lo´bulo inferior (fasor com frequeˆncia fc − fm, o diagrama fica com o formato da figura 11-(b). A soma de fasores na˜o esta´ contida no eixo real e a envolto´ria vale: A(t) = [( Ac + 1 3 Accos(2pifmt) )2 + ( 1 3 Acsin(2pifmt) )] 12 = Ac √ 10 9 + 2 3 cos(2pifmt) (45) 13 • Da equac¸a˜o anterior percebe-se que a distorc¸a˜o de amplitude causada pelo canal altera distorce a en- volto´ria, que ja´ na˜o depende linearmente da mensagem. fm -fm 1 1 3 𝜇𝐴𝑚 1 3 𝜇𝐴𝑚 (a) fm 1 1 3 𝜇𝐴𝑚 (b) Figure 11: Diagramas fasoriais da modulac¸a˜o AM com portadora (a)-sem distorc¸a˜o e (b)-com distorc¸a˜o. Em verde o fasor resultante. Ambos os diagramas esta˜o referenciados na frequeˆncia fc. 4.3 Circuitos Tendo em vista as evoluc¸o˜es tecnolo´gicas e a existeˆncia de circuitos integrados conversores de frequeˆncia, esta sec¸a˜o do livro e´ recomendada como leitura opcional aos interessados. 4.4 Modulac¸a˜o em amplitude com supressa˜o de banda lateral • A modulac¸a˜o AM com portadora desperdic¸a energia com a portadora e utiliza uma banda de transmissa˜o com o dobro do tamanho da banda da mensagem. • A modulac¸a˜o DSB elimina a portadora, sendo mais eficiente do ponto de vista de poteˆncia, mas continua utilizando uma banda de transmissa˜o com o dobro do tamanho da banda da mensagem. • Reduzir uma das bandas laterais (em torno de fc) reduziria a banda de transmissa˜o. Ha´ duas possibili- dades: – SSB (Suppressed Side Band), onde uma das bandas laterais e´ completamente eliminada. – VSB (Vestigial Side Banda), onde um vest´ıgio de uma das bandas laterais ainda e´ permitido, o que possui vantagens pra´ticas na demodulac¸a˜o. • Esta modificac¸a˜o e´ poss´ıvel pois os sinais anteriores possu´ıam simetria local em torno de ±fc. Assim, qualquer banda lateral possui a informac¸a˜o necessa´ria para reconstruir a outra e consequentemente a mensagem transmitida. 14 Modulador DSB Filtro passa faixas 𝑥(𝑡) 𝑥𝑐 𝐷𝑆𝐵(𝑡) 𝑥𝑐 𝑆𝑆𝐵(𝑡) Figure 12: Modulador SSB obtido pela concatenac¸a˜o de um modulador DSB com um filtro passa faixas. 4.4.1 Sinais e espectro SSB • Um sinal SSB poderia ser obtido a partir de um sinal DSB utilizando o diagrama da figura 12. • Ha´ duas possibilidades de filtros passa-faixas, resultando nas duas variantes da modulac¸a˜o SSB, especifi- cadas para f > 0: – USB - Upper Side Band: a faixa de frequeˆncias maior que fc e´ mantida; – LSB - Upper Side Band: a faixa de frequeˆncias menor que fc e´ mantida; • O sinal SSB ainda deve ser um sinal real para que possa ser transmitido. Logo, ele possui simetria Hermitiana, o que define as faixas presentes para f < 0. • Nas duas variantes, ter´ıamos as seguintes relac¸o˜es: SSSBT = PSB BSSBT = W. (46) • A visualizac¸a˜o de um sinal SSB em frequeˆncia e´ fa´cil. A visualizac¸a˜o no tempo na˜o e´ fa´cil. Um caminho para a compreensa˜o e´ analisar a modulac¸a˜o tonal, que resultaria no seguinte sinal no tempo: xSSBc (t) = 1 2 Ac ·Amcos(2pit(fc ± fm)) (47) onde o sinal depende da variante em utilizac¸a˜o. • A envolto´ria deste sinal e´ constante. Logo, na˜o e´ poss´ıvel determinar a mensagem exclusivamente a partir da envolto´ria. • Um outro caminho poss´ıvel e´ analisar o modulador em banda base equivalente. O sinal na entrada do filtro e´: xbp(t) = Ac · x(t) · cos(2pifct) (48) 15 o que resulta no seguinte sinal em banda baseF: xlp(t) = Ac · x(t) 2 ↔ Xlp(f) = 1 2 X(f) (49) • Definimos a sa´ıda do filtro em banda passante (e sinal SSB) como sendo ybp(t) = xSSBc (t). • O filtro passa faixas, em banda passante, tem o formato da figura 13-(a), com equivalente em banda base apresentado na figura 13-(b). O filtro em banda base na˜o e´ real. Matematicamente, ter´ıamos5: Hlp(f) = Hbp(f + fc) · u(f + fc) = { u(f)− u(f −W ) para USBu(f +W )− u(f) para LSB = { 1 2 (1± sgn(f)) para |f | ≤W 0 caso contra´rio (50) f f fl-fc fu-fc fc (a) (b) fc+W -fc -(fc+W) Figure 13: Mo´dulo do filtro passa faixas para gerac¸a˜o do sinal SSB, representado em (a)-em banda passante e (b)- em banda base equivalente. Em particular, este filtro gerara´ a variante USB. • Como X(f) = 0 para |f | < W , ter´ıamos, ao multiplicarmos em frequeˆncia: Ylp(f) = Xlp(f) ·Hlp(f) = 1 4 Ac[Xlp(f)± sgn(f) ·Xlp(f)] = 1 4 Ac[Xlp(f)± jX̂lp(f)] (51) onde utilizamos a relac¸a˜o −j · sgn(f) ·Xlp(t) = jX̂lp(f). No tempo, esta relac¸a˜o equivale a: ylp(t) = F−1{Ylp(f)} = 1 4 Ac[xlp(t)± x̂lp(t)] (52) 5E´ importante saber exatamente qual e´ o valor de fc utilizado para a conversa˜o de banda passante para banda base. Este valor fica na ”‘borda”’ direita (LSB) ou esquerda (USB) do filtro, e na˜o no meio dele 16 onde x̂lp(t) e´ a Transformada de Hilbert de xlp(t) • Para obtermos o sinal em banda passante, utilizamos a conversa˜o de banda base para banda passante, o que resulta em: ybp(t) = x SSB c (t) = 1 2 Ac[x(t) · cos(2pifct)∓ x̂(t) · sin(2pifct)] (53) que e´ o sinal SSB desejado. • A utilizac¸a˜o da Transformada de Hilbert pode apresentar dificuldades. Caso x(t) seja um trem de pulsos retangulares, por exemplo, x̂(t) tenderia a infinito nos pontos de descontinuidade dos pulsos retangulares. Assim como a transformada de Hilbert na˜o pode ser exatamente implementada, estes valores tendendo a infinito tambe´m na˜o poderiam ser exatamente representados. O melhor que se pode fazer e´ aproximar o ideal, resultando em supressa˜o na˜o ideal da banda lateral. 4.4.2 Gerac¸a˜o de Sinais SSB • Um filtro passa faixas ideal como o necessa´rio para implementar a modulac¸a˜o SSB ideal Na˜o existe. • Um filtro real atenuara´ de forma na˜o perfeita a banda na˜o desejada, o que pode ser aceita´vel dentro dos requisitos do sistema. • Muitos sinais pra´ticos na˜o conte´m o n´ıvel DV, o que flexibiliza a frequeˆncia de corte do filtro passa faixas. • Por exemplo, o sinal com espectro da figura 14 possui uma regia˜o de transic¸a˜o entre fc − β ate´ fc + β. fc fc-β f fc+W fc-W fc+β Ganho do Filtro R eg iã o d e t ra n si çã o Figure 14: Sinal (em azul) com regia˜o de transic¸a˜o com largura 2β. O ganho de amplitude do filtro, em verde, decai de forma mais suave nesta regia˜o do que no caso ideal, o que pode facilitar a sua implementac¸a˜o • Desta forma, o filtro tambe´m pode transitar da faixa de passagens para a faixa de rejeic¸a˜o (onde o ganho e´ zero) mais suavemente. • Na pra´tica, utiliza-se frequeˆncias intermedia´rias para implementar filtros com transic¸a˜o com largura de 2β, pois geralmente β << fc, impossibilitando a implementac¸a˜o do filtro diretamente em fc. 17 • Alternativamente, poder´ıamos utilizar a expressa˜o para o sinal SSB e gera-lo diretamente, sem a necessi- dade de gera o sinal DSB, utilizando o modulador da figura 15, que possui a dificuldade da implementac¸a˜o do filtro de Hilbert Hq(f). ~ Hq(f) x(t) X X -90o + 𝑥𝑐𝑆𝑆𝐵(𝑡) Figure 15: Gerac¸a˜o direta de sinal SSB utilizando filtro de Hilbert. 4.4.3 Sinais e Espectro VSB • Devido ao filtro passa faixas no limite de fc, SSB na˜o e´ uma boa escolha quando a mensagem possui conteu´do em baixas frequeˆncias, o que equivale a dizer que o valor de β do item anterior e´ baixo ou zero. • Uma alternativa e´ a modulac¸a˜o VSB - Vestigial Side Band, que mante´m um vest´ıgio da banda eliminada pela modulac¸a˜o SSB. • A resposta em frequeˆncia do filtro passa faixas seria formato qualitativo semelhante ao da figura 16-(a), que pode ser descrito como: H(f) = u(f − fc)−Hβ(f − fc), para f> 0 (54) onde Hβ(f − fc) e´ o filtro VSB. Ele tem o formato qualitativo de 16-(b). Isto e´, Hβ(f) = Hβ(−f) e Hβ(f) = 0 para |f | > β. • O filtro VSB e´ um filtro implementa´vel de supressa˜o de banda lateral com largura 2β. A banda de transmissa˜o e´ enta˜o: BV SBT = W + β (55) • Na maioria dos casos, β << W e BV SBT ≈ W . Do ponto de vista espectral e temporal, VSB e´ mais parecido com SSB do que com DSB. • Genericamente, qualquer sinal modulado pode ser escrito como: xc(t) = 1 2 Ac[xi(t) · cos(2pifct)− xq(t) · sin(2pifct)] (56) 18 fc-β f fc+β fc fc-β f fc+β fc (a) (b) Figure 16: (a) Filtro utilizado para gerar sinal VSB e (b) filtro VSB • Por exemplo, na modulac¸a˜o DSB, xq(t) = 0. Na modulac¸a˜o SSB, xq(t) = ±x̂(t). No caso VSB, temos que: xq(t) = x̂(t) + xβ(t) (57) onde: xβ(t) = 2 · j ∫ β −β Hβ(f) ·X(f) · exp(j2pift)df (58) • O valor de xβ(t) foi obtido utilizando a propriedade da convoluc¸a˜o e da relac¸a˜o entre convoluc¸a˜o no tempo e produto em frequeˆncia. • Se β << W , enta˜o xβ(t) ≈ 0 e xq(t) ≈ x̂(t). Assim, a afirmac¸a˜o de semelhanc¸a entre SSB e VSB e´ justificada. • Na˜o e´ fa´cil determinar a poteˆncia transmitida de um sinal VSB, mas sabemos que provavelmente deve ser maior que a modulac¸a˜o SSB e menor do que a modulac¸a˜o DSB, dependendo do valor de β. Assim: 1 4 A2cSX ≤ SV SBT ≤ 1 2 A2cSX (59) • A modulac¸a˜o VSB como apresentada foi obtida pela passagem de um sinal DSB por um filtro espec´ıfico. Nada impede que um sinal AM (com portadora) sepassadoada pelo mesmo filtro, o que resultaria em um sinal com portadora atenuada, denominado VSB+C (C de carrier). • O sinal transmitido fica enta˜o: xV SB+Cc (t) = Ac{[1 + µx(t)] · cos(2pifct)− µxq(t) · sin(2pifct)} (60) com termos em fase e em quadratura dados por: xci(t) = Ac[1 + µx(t)] xcq(t) = Acµxq(t) (61) 19 • A envolto´ria deste sinal e´: A(t) = √ x2ci(t) + x 2 cq(t) = [A2c [1 + µx(t)] 2 +A2cµ 2x2q(t)] 1 2 = A2c [1 + µ · x(t)] · { 1 + µ2 · x2q(t) [1 + µ · x(t)]2 } 1 2 (62) • Esta equac¸a˜o tem dois fatores: – O primeiro depende linearmente da envolto´ria – O segundo termo pode ser interpretado como um causador de distorc¸a˜o do primeiro • Se o valor de µ na˜o for muito grande e β for relativamente pequeno, o segundo termo acima causaria apenas uma pequena distorc¸a˜o, o que pode ser tolera´vel. Desta forma, a envolto´ria do sinal VSB+C seria aproximadamente linear em relac¸a˜o ao sinal, permitindo assim a detecc¸a˜o por envolto´ria. 4.5 Conversa˜o em frequeˆncia e Demodulac¸a˜o • Modulac¸o˜es em amplitude causam deslocamento do espectro para frequeˆncias mais altas. • A demodulac¸a˜o enta˜o exigira´ a translac¸a˜o do espectro para frequeˆncias mais baixas. • Ha´ dois tipos de demodulac¸a˜o: – S´ıncrona – Ass´ıncrona. • A conversa˜o em frequeˆncia, por sua vez, desloca o espectro de um sinal ja´ modulado para outra faixa de frequeˆncias, na˜o necessariamente para em torno de f = 0. • Esta conversa˜o pode ser u´til por exemplo para a utilizac¸a˜o de circuitos com caracter´ısticas espectrais espec´ıficas, como por exemplo amplificadores, osciladores e filtros6. Tambe´m pode ser u´til para demod- ulac¸a˜o. 4.5.1 Conversa˜o em frequeˆncia • Considere por exemplo o sinal DSB: xc(t) = Ac · x(t) · cos(2pif1t) (63) • A ”‘remodulac¸a˜o”’ deste sinal resultaria em: xc(t) · cos(2pif2t) = 1 2 Ac · x(t)[cos(2pi[f1 + f2]t) + cos(2pi[f1 − f2]t)] (64) isto e´, o sinal agora e´ composto de duas modulac¸o˜es DSB: uma em f1 + f2 e outra em f1 − f2. • Eliminando um dos termos atrave´s de filtros, obter´ıamos enta˜o a translac¸a˜o do sinal originalmente em torno de f1 para em torno de f1 + f2, por exemplo. • O nome do dispositivo que realiza este tipo de conversa˜o se chama conversor de frequeˆncia, mixer, upcon- verter ou downconverter. • Devido a necessidade de uma grande taxa de amostragem para representar sinais com bandas altas, esta conversa˜o normalmente e´ feita de forma analo´gica. 20 Filtro X Saída EntradaOscilador Local Figure 17: Diagrama ba´sico de um conversor de frequeˆncia. • O diagrama ba´sico de um conversor esta´ mostrado na figura 17. • Exemplo 1: Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais:Muitas (800) estac¸o˜es de medic¸a˜o de varia´veis clima´ticas esta˜o distribu´ıdas no territo´rio nacional. Os dados destas estac¸o˜es sa˜o transmitidos para o INPE atrave´s de um sate´lite (CBERS). As estac¸o˜es transmitem, por diversos motivos,as mensagens utilizando fc ≈ 400MHz, enquanto que o sate´lite retransmite estas informac¸o˜es para a estac¸a˜o terrena utilizando cerca de 2.3GHz. • Exemplo 2: Retransmissor com conversa˜o de frequeˆncias, apresentado na figura 18 6 GHz 4 GHz 6 GHz 4 GHz X X ~ 6GHz 4GHz 4GHz 6GHz 2GHz Figure 18: Me´todo para converter dois sinais ao mesmo tempo, evitando interfereˆncias na transmissa˜o ou no circuito, utilizando um u´nico oscilador. 4.5.2 Demodulac¸a˜o s´ıncrona • Todas as modulac¸o˜es lineares podem ser demoduladas pelo demodulador por produto apresentado na figura 19. Este demodulador tambe´m e´ chamado de demodulador s´ıncrono, pois o seu funcionamento exige que o oscilador local saiba exatamente a frequeˆncia e fase do oscilador do transmissor. 6Relembrando, filtros passa faixa analo´gicos normalmente tem faixa de passagem entre 1% e 10% da frequeˆncia central. 21 LPF B = W X yD(t) xc(t) ALOcos(2πfct+ϕLO) Figure 19: Diagrama gene´rico de um conversor s´ıncrono. • Para analisar o seu funcionamento, definimos o sinal modulado abaixo, que pode representar qualquer das modulac¸o˜es vistas neste cap´ıtulo: xc(t) = [Kc +Kµx(t)cos(2pifct)−Kµxq(t)sin(2pifct) (65) • Fazer Kc = 0 elimina a portadora. Fazer xq(t) = 0 gera o sinal DSB. • A passagem deste sinal gene´rico pelo demodulador produto gera o sinal : xc(t) ·ALOcos(2pifct) = ALO 2 {[Kc +Kµx(t)] + [Kc +Kµx(t)cos(2pifct)−Kµxq(t)sin(4pifct)} (66) • O filtro passa baixas elimina os termos em 2fc, resultando em: yD(t) = KD[Kc +Kµx(t)] (67) onde KD e´ uma constante de demodulac¸a˜o que depende do n´ıvel do sinal recebido e do ganho do filtro passa baixas na faixa de passagem. • Um filtro passa altas eliminaria a constante Kc • Este me´todo tambe´m funcionaria para a modulac¸a˜o VSB, como visualizado na figura 20 • Este me´todo parece fa´cil mas exige o conhecimento de duas grandezas na˜o dispon´ıveis na recepc¸a˜o: a frequeˆncia central e a fase exata do sinal recebido. Determinar estas varia´veis e´ dif´ıcil, em particular para os casos SSB e VSB. Soluc¸o˜es como PLL e Costas Loop sa˜o utilizadas, o que adiciona complexidade no receptor. Um esquema que introduz um mecanismo gene´rico de sincronismo esta´ na figura 21. O sincronismo e´ extremamente importante na transmissa˜o de dados digitais: a sua auseˆncia pode inviabilizar a comunicac¸a˜o. • O efeito da auseˆncia de sincronismo pode ser observado considerando a modulac¸a˜o DSB tonal, o que resultaria em: yD(t) = KDcos(2pifmt) · cos(2pif ′t+ φ′) (68) onde f ′ = fc − fLO e φ′ = φc − φLO. 22 f=0 Sinal SSB Após Filtragem fc f f 2fc -2fc -fc Figure 20: Visualizac¸a˜o do processo de demodulac¸a˜o para sinais VSB, utilizando demodulac¸a˜o s´ıncrona. A combinac¸a˜o das duas partes em torno de f = 0 se complementam pois Hβ(f) = −Hβ(−f) • Se φ′ = 0 temos: yD(t) = KD 2 [cos(2pit[fm + f ′] + cos(2pit[fm − f ])] (69) isto e´, o sinal recebido sera´ semelhante a um instrumento sendo afinado (como por exemplo um violino ou guitarra). Para f ′ pequeno, o sinal desaparecera´ e reaparecera´ no tempo, na medida em que os dois cossenos acima se combina de forma aproximadamente destrutiva ou construtiva. • Se f ′ = 0 temos: yD(t) = KDcos(2pifmt) · (cos(φ′) (70) isto e´, o erro de fase atenua o sinal. No caso extremo quando φ′ = ±pi, o sinal desaparecera´ por completo. • Para o caso SSB ou VSB, um erro de estimac¸a˜o de frequeˆncia causara´ um desvio constante de frequeˆncia. Se houver va´rios tons em harmonia entre si, o deslocamento constante causara´ uma desafinac¸a˜o. Subje- tivamente, erros de ate´ 10Hz sa˜o tolera´veis, dependendo da sensibilidade de um ouvinte, por exemplo. • Um erro de fase causaria, para SSB ou VSB, distorc¸a˜o de fase. Dentro de limites, esta distorc¸a˜o pode ser aceita´vel. 4.5.3 Demodulac¸a˜o ass´ıncrona - Detector de envolto´ria • A demodulac¸a˜o da modulac¸a˜o AM na˜o exige sincronismo pois, na˜o havendo inversa˜o de fase, a envolto´ria conte´m a mensagem. Como a envolto´ria independe de fc ou de φc, estes na˜o precisariam ser estimados. Assim, basta detectar a envolto´ria para recuperar a mensagem. • O caminho contra´rio desta lo´gica e´ que o detector de envolto´ria so´ consegue demodular corretamente sinais sem inversa˜o de fase, isto e´, com portadora. • Um detector simples esta´ apresentado na figura 22, que nada mais e´ do que um circuito retificador concatenado com dois filtros, um passa baixas e outro passa altas. 23 Filtro X Saída Entrada Sincronizador ~ fLO, ϕLO Figure 21: Esquema gene´rico para demodulac¸a˜o s´ıncrona com sincronizador Figure 22: Circuito detector de envolto´ria simples. Um circuito melhor utilizaria um retificador de onda completa. • Se W << 1R1C1 << fc, o filtro passa baixas so´ responde a variac¸o˜es na envolto´ria do sinal de entrada. • O filtro passa altas elimina o termo DC. • Apesar do diodo ser um elemento Na˜o linear, este detector de envolto´ria e´ chamado de linear pois a sa´ıda depende linearmente da envolto´ria do sinal de entrada. • Modulac¸o˜es DSB e SSB tambe´m poderiam ser detectados utilizando este detector, desde que a portadora seja reintroduzida. Isto, entretanto, exige o conhecimento exato da fase e frequeˆncia do sinal de entrada., na˜o eliminando portanto a necessidade de sincronismo. • Este circuito retificador esta´ presente em va´rios equipamentos que na˜o desejam receber sinais AM. Por conta disso e´ que ha´ interfereˆncia. • O processo de demodulac¸a˜o esta´ representado graficamente na figura 23. • O detector de envolto´ria tambe´m pode ser utilizado para o controle automa´tico de ganho, se o n´ıvel do sinal variar lentamente. 24 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -2 -1 0 1 2 x cA M ( t) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.5 1 1.5 2 |x cA M ( t) | 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -1 -0.5 0 0.5 1 E n v o lt ó r ia - m é d ia Figure 23: Visualizac¸a˜o do processo de demodulac¸a˜o ass´ıncrona para sinais AM, no tempo 4.6 Exerc´ıcios Questo˜es conceituais 1,2,4,5,6,7,8,9,10, 15. Problemas 4.1.1 4.1.4. 4.1.6. 4.1.12 4.1.15 4.2.1 4.2.2 4.2.4 4.2.6 4.2.9 4.2.11 4.4.1 4.4.2 4.4.4 4.4.9 4.4.13 4.4.13 4.5.1 4.5.6 4.5.7 4.5.10 4.5.11, 25
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