Princípios de Comunicação Conceitos de FM (2ª. Parte) Prof. Dr. Naasson Pereira de Alcantara Jr....

Princípios de Comunicação

Conceitos de FM (2ª. Parte)

Prof. Dr. Naasson Pereira de Alcantara Jr.Prof. Dr. Claudio Vara de Aquino

UNESP - FE – DEEnaasson@feb.unesp.braquino@feb.unesp.br

Processo que consiste em modificar uma das características da onda portadora, ou seja, sua amplitude, sua fase ou sua freqüência proporcionalmente ao sinal modulante ou modulador contendo a informação transmitida ou recebida.Vantagens: maior freqüência → maiores distâncias menor → menores antenas (dimensões viáveis)

MODULAÇÃO - recordando

Conceitos de Modulação

Recebe duas entradas, e produz uma saída.

Modulação: adequação da informação (voz, dados etc) gerada por uma fonte, possibilitando uma transmissão eficiente.

modulação

INFORMAÇÃOSinal modulante

Onda portadora

Sinal modulado

INTERFERÊNCIA CONSTRUTIVA

Conceitos de Modulação

Alteração da onda portadora em::

Amplitude Freqüência Fase

Modulação: alteração da onda portadora, proporcionalmente ao sinal modulante (informação)

PMFMAM

Modulação Analógica

Sc = Ac(t) cos(ω0t + Φ0)

Sc = Ac cos[ω(t).t + Φ0]

Modulação em Amplitude (AM):

Modulação em Freqüência (FM):

Modulação em Fase (PM):

Sc = Ac cos[ω0t + Φ(t)]

SINAL MODULANTE

t

mF dtteKEte0 00 )(.cos

Modulação em Freqüência (FM)

Interferência direta deem(t) na velocidade angularou na freqüênciainstantânea do sinal modulado e(t)

000

→ freqs. iguais para e(t) e e0(t)

→ aumento da freq. de e(t) em relação a e0(t)

→ diminuição da freq. e(t) em relação a e0(t)

0

00

tetete

m

m

m

variando no tempo

tem

Modulação em Freqüência (FM)

)(

.cos 00 tsen

EKtEte m

m

mF

t

mmF dttEKEte0 00 )cos(.cos

tmmF dttEKtEte

000 )cos(.cos

)(

.cos 00 tsen

EKtEte m

m

mF

Modulação em Freqüência (FM)

mmm

mF

ffEK maxmax. índice de modulação FM:

desvio máximo de fase que sofreo sinal modulado.

)(cos 00 tsentEte m FM: Frequency Modulation

t

mF dtteKEte0 00 )(.cos

KF

KF: constante de modulação em freqüência

variações deem(t)

variações de freq.(t)

CIRCUITO MODULADOR FM

Modulação em Freqüência (FM)

Interferência direta deem(t) na velocidade angular(ou na freqüência)instantânea do sinal modulado e(t)

Modulação em Freqüência (FM)

)(cos 00 tsentEte m

mmm

mF

ffEK maxmax.

índice de modulação FM

tEte mmm cos

)(

.cos 00 tsen

EKtEte m

m

mF

Modulação em Freqüência (FM)

)(

)(costsensentsen

m

m

)(cos 00 tsentEte m

)(.

)(cos.cos

00

00

tsensentsenEtsentEte

m

m

Funções de Bessel

m

mF

m

EKff

.

22 max

Modulação em Freqüência (FM)

...6cos24cos2

2cos2)(cos

64

20

tJtJtJJtsen

mm

mm

Funções de Bessel de 1ª. espécie

...7252

322)(

75

31

tsenJtsenJtsenJtsenJtsensen

mm

mmm

nJ → gráfico ou tabela

Modulação em Freqüência (FM)

Funções de Bessel de 1ª. Espécie – propriedades fundamentais:

290

1

98,02...222 223

22

21

20

nJJJJJ nP2

n

JJJJJ n 12...222 223

22

21

20 P1

Modulação em Freqüência (FM)

...52322

...4cos22cos2

cos

5

3100

4

2000

tsenJtsenJtsenJ

tsenE

tJtJJ

tEte

m

mm

m

m

)(cos 00 tsentEte m

)(.

)(cos.cos

00

00

tsensentsenEtsentEte

m

m

Modulação em Freqüência (FM)

e

f

Espectro de amplitudes para FM de Faixa Larga

f0

00 EJ

f0+2fmf0–2fm

02 EJ 02 EJ

f0+fmf0–fm

01 EJ

01 EJ

f0+3fmf0–3fm

03 EJ

03 EJ

f0+4fmf0–4fm

04 EJ 04 EJ

Modulação em Freqüência (FM)

Potência média

ZEP2

20

n

i

i

ZE

P1

2

2

...22222

202

202

201

201

200

ZEJ

ZEJ

ZEJ

ZEJ

ZEJP

1

24

23

22

21

20

20 ...2222

2JJJJJ

ZE

P

Banda Infinita

Modulação em Freqüência (FM)

Potência média

ZEP

298,0 2

0

n

i

i

ZE

P1

2

2

198,0

224

23

22

21

20

20 2...2222

2ncom

nJJJJJJZEP

1

98,02...222 223

22

21

20

nJJJJJ n

Banda Limitada

prejuízo de 2 %

Modulação em Freqüência (FM)

LARGURA DE FAIXA OCUPADA PELO SINAL FM

f

P

0fmnff 0 nn mnff 0

max2 ffB m

.. dirm

esqm nfnfB

mnfB 2

largura limitada

mfB 12

1n

mm ffmaxmax

mm

fff

B

12 max

Modulação em Freqüência (FM)

LARGURA DE FAIXA OCUPADA PELO SINAL FM

f

P

0fmnff 0 nn mnff 0

max2 ffB m

RADIODIFUSÃO COMERCIAL

FCCFederal Communications Comission

fm ≤ 15 kHz

fmax ≤ 75 kHz

Modulação em Freqüência (FM)

0,75 MHz ≤ f ≤ 4 MHz AM – SSB

fmax ≤ 25 kHzfm ≤ 15 kHz

Em TV:

0 ≤ f ≤ 0,75 MHz AM – DSBmais detalhes AM – VSB

AM – VSB: Amplitude Modulation – Vestigial Side Band

Som

Imagem

FM

Modulação em Freqüência (FM)

LARGURA DE FAIXA OCUPADA PELO SINAL FM

f

P

0fmnff 0 nn mnff 0

max2 ffB m

FCC:

B = 2 (15 + 25) = 80 kHz

som da TV

B = 2 (15 + 75) = 180 kHz

radiodifusão comercial

Modulação em Freqüência (FM)

LARGURA DE FAIXA OCUPADA PELO SINAL FM

f

mnff 0 7575 mnff 0

kHzBffm

18075152max

ESPECTRO VHF10888

MHz

0,2

1002,088108

emissoras

50 emissoras em faixas alternadasAfastamento mínimo de 400 kHzRisco mínimo de interferências

banda de guarda: 20 kHz

0f

Modulação em Freqüência (FM)

eN

f

Transmissão por Ondas EletroMagnéticas

Ruídos na comunicação – sempre presente

Relação sinal / ruído dBeerN

SN

log20

Aumenta com a freqüência

Modulação em Freqüência (FM)

PREÊNFASE e DEÊNFASE

ATENUAR RUÍDOS EM ALTAS FREQUENCIASDESFAZER A ENFATIZAÇÃO DO SINAL MODULANTE

REFORÇAR SINAL EM ALTAS FREQUENCIASENFATIZAR O SINAL MODULANTE

RECEPÇÃO

TRANSMISSÃO

Modulação em Freqüência (FM)

PREÊNFASE REFORÇAR SINAL EM ALTAS FREQUENCIASENFATIZAR O SINAL NA TRANSMISSÃO

ganho do circuito

i

ov V

VdBG log20)(

21

20 log20)(

RRRdBG

sem enfatização

C: curto

C: aberto

0

Modulação em Freqüência (FM)

PREÊNFASE REFORÇAR SINAL EM ALTAS FREQUENCIASENFATIZAR O SINAL NA TRANSMISSÃO

dBVV

i

o 321log20

inícioCR

fRXC1

11 21

CRR

RR2

1fRR

RRX

21

212

21

21C

final

dBVV

i

o 32log202log10

Freqüências de corte

0

Modulação em Freqüência (FM)

PREÊNFASE REFORÇAR SINAL EM ALTAS FREQUENCIASENFATIZAR O SINAL NA TRANSMISSÃO

sCR

sCR

50

75

1

1

JISHzf

FCCHzf

318310.502

1

212210.752

1

61

61

Freqüências de corteFCC:Federal CommunicationsComission

JIS:Japanese IndustrialStandard

max

152 mfkHzf

0

Modulação em Freqüência (FM)

DEÊNFASE DESFAZER A ENFATIZAÇÃO DO SINAL NA RECEPÇÃO

ganho do circuito

i

ov V

VdBG log20)(

inícioRC

fRXC 21

1 0

Modulação em Freqüência (FM)

PREÊNFASE e DEÊNFASE

ATENUAR RUÍDOS EM ALTAS FREQUENCIASDESFAZER A ENFATIZAÇÃO DO SINAL MODULANTE

REFORÇAR SINAL EM ALTAS FREQUENCIASENFATIZAR O SINAL MODULANTE

f1

preênfase em G0 + 3 dBdeênfase em – 3 dB

Modulação em Freqüência (FM)

1fnfminmf 2maxffm

Sinal da informação

Curva de preênfase

Informação preenfatizada

Ruído

Informação preenfatizada com ação do ruído

Curva de deênfase

Informação deenfatizada com o ruído atenuado

)(

.cos 00 tsen

EKtEte m

m

mF

Modulação em Freqüência (FM)

mmm

mF

ffEK maxmax.

)(cos 00 tsentEte m

índice de modulação FM:desvio máximo de fase que sofreo sinal modulado.

FM: Frequency Modulation

Modulação em Freqüência (FM)

)(cos 00 tsentEte m

mmm

mF

ffEK maxmax.

índice de modulação FM

tEte mmm cos

)(

.cos 00 tsen

EKtEte m

m

mF

KF

KF: constante de modulação em freqüência

variações deem(t)

variações de freq.(t)

CIRCUITO MODULADOR FM

Modulação em Freqüência (FM)

Interferência direta deem(t) na velocidade angularou na freqüênciainstantânea do sinal modulado e(t)

t

mF dtteKEte0 00 )(.cos

)(cos 00 tsentEte m

Modulação em Freqüência (FM)

Determinação da constante do circuito modulador KF f, ...

m

F Et

K 0

CIRCUITO MODULADORFM EM TESTE

OSCILADOR DEPORTADORA

te0

teFM

osciloscópiov

tem

000 fftetete FMm

fEte mm

mFEKt 0

Modulação em Freqüência (FM)

Determinação da constante do circuito modulador KF f, ...

CIRCUITO MODULADORFM EM TESTE

OSCILADOR DEPORTADORA

0

teFM

~

tem

te0

FILTROMEC.

FPF(f0)

Apagamento da portadora

osciloscópio

teJ 00

100 J

rad404,2

m

mF EK

4,2

0mE

00 J

→ EFM máximo no osciloscópio

Em aum. → aum. até que E=0

...;654,8;52,5;404,2 m

mFEK

m fixa

OSCILADORES

AAv1ˆ

BAv2ˆ

ovCIRCUITOSINTONIZADO

21

1

ˆˆ1

ˆ

ˆˆ

vv

v

i

o

AA

Avv

01AB

1AA;21 vv oscilação

ivdeindepende ˆ

OSCILADORES

Amplificador com realimentação positiva

Entrada: tensão contínua Saída: tensão alternada

AAv1ˆ

BAv2ˆ

+

ovivo vAvAv ˆˆˆˆ21

ivovvo vAvAAv ˆˆˆˆˆ121

21

1

ˆˆ1

ˆ

ˆˆˆ

vv

v

i

ov AA

AvvA

iv ov

ganho de

malhafechada

OSCILADORES

Amplificador com realimentação positiva

Entrada: tensão contínua Saída: tensão alternada

AAv1ˆiv

BAv2ˆ

+ ov

21

1

ˆˆ1

ˆ

ˆˆˆ

vv

v

i

ov AA

AvvA

01

1ˆˆ21

ABAA vv oscilação

ganho infinito

OSCILADORES

AAv1ˆ

BAv2ˆ

ovCIRCUITOSINTONIZADO

21

1

ˆˆ1

ˆ

ˆˆ

vv

v

i

o

AA

Avv

01AB

1AA;21 vv oscilação

ivdeindepende ˆ

OSCILADORES

eFM(t)em(t)

Sinal de FM obtido pelo Oscilador Hartley

AMPLIFICADOR

Oscilador a três impedâncias

Varicap ou Varactordiodo com capacitância variável

+

–

– ––+ ++

–

+ tdACd

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIRETO

Sinal de FM obtido pelo Oscilador Hartley

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIRETOR1, P1, R2: polarização Vp

em torno de C0 – região linear

choque de RF

Vp + em(t) no varicap

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIRETO

2

22

1

CCCCL

d

d

dCL2

1 2CCd

02

010CL

tem

0

0

1

1

CC

CCL

tem

02

010

002 1

1

CCCL

onda portadora

modulação

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES

Método Diretofreqüência de ressonância de um oscilador

Método Indiretomultiplicação de freqüência heterodinação

Método DigitalPFM (Pulse Frequency Modulation)

OSCILADORES

eFM(t)em(t)

Sinal de FM obtido pelo Oscilador Hartley

AMPLIFICADOR

Oscilador a três impedâncias

Varicap ou Varactordiodo com capacitância variável

+

–

– ––+ ++

–

+ tdACd

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIRETO

Sinal de FM obtido pelo Oscilador Hartley

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIRETO

2

22

1

CCCCL

d

d

dCL2

1 2CCd

02

010CL

tem

0

0

1

1

CC

CCL

tem

02

010

002 1

1

CCCL

portadora

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIRETO

20

20

20

1221

CCCCCC

CCL

tem

02

010

002 1

1

CCCL

023,0209,03,0 20

200 CCeCCCC

0

0

1

1

CC

00

0

0 111

11

CCCCCC

CC

00

20

200

11221

CCCCCCCCCC

3,00

CC

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIRETO

CCL

tem

02

010

002 1

1

CCCL

023,0209,03,0 20

200 CCeCCCC

01

1

CC

0

0

1

1

CC

20

20

20

1221

CCCCCC

02

1CC

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIRETO

00 2CC

023,0209,03,0 20

200 CCeCCCC

01

1

CC

20

20

20

1221

CCCCCC

02

1CC

000

000 22

1CC

CC

Variações lineares(pequenas)do varicap em torno de C0

Modulação em freqüência – FM

0

00 110CC

tem

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIRETO

00 2CC

Modulação em freqüência – FM

teK mF 0

VKF 0

022

00

0

0

0

CF KCV

CC

K

VVKF

0

2VpV1V2C0C1C

C

V

012

12

VVCCK

VC

C

VCC

KF

1

2 0

0

declividadenegativa

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIGITAL

Modulaçãoem frequência

Filtragemda fundamental

Ondaquadrada

Sinal modulanteinformação

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIGITAL

MULTIVRIBADOR ASTÁVELT1 saturado → vA = vB ≈ 0 → T2 cortadoRC2C2 leva vD a + VCC

RB2C1 leva vB a 0,7 V → T2 saturadovD = 0 e vC = – VCC → T1 cortadoRC1C1 leva vA a + VCC

RB1C2 leva vC a 0,7 V → T1 saturadoT1 conduzC1 descarregado

O,7 V

c.i.:

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIGITAL

MULTIVRIBADOR ASTÁVELT1 saturado → vA = vB ≈ 0 → T2 cortadoRC2C2 leva vD a + VCC

RB2C1 leva vB a 0,7 V → T2 saturadovD = 0 e vC = – VCC → T1 cortadoRC1C1 leva vA a + VCC

RB1C2 leva vC a 0,7 V → T1 saturado

0,7 V

– VCC

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIGITAL

MULTIVRIBADOR ASTÁVELT1 saturado → vA = vB ≈ 0 → T2 cortadoRC2C2 leva vD a + VCC

RB2C1 leva vB a 0,7 V → T2 saturadovD = 0 e vC = – VCC → T1 cortadoRC1C1 leva vA a + VCC

RB1C2 leva vC a 0,7 V → T1 saturado– VCC

0,7 V

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIGITAL

MULTIVRIBADOR ASTÁVELT1 saturado → vA = vB ≈ 0 → T2 cortadoRC2C2 leva vD a + VCC

RB2C1 leva vB a 0,7 V → T2 saturadovD = 0 e vC = – VCC → T1 cortadoRC1C1 leva vA a + VCC

RB1C2 leva vC a 0,7 V → T1 saturado

onda quadradana saída

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIGITAL

MULTIVRIBADOR ASTÁVEL

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIGITAL

MULTIVIBRADOR ASTÁVEL COM

GERADORES DE CORRENTE

21T

ICV

t CC

tIQ carga acumulada

t = t1

T

tensão armazenadaCQV

CCCVIf

2

CItVCC 1

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIGITAL

t = t1

T

teKIti mI 0

f

CC

mI

f

CC CVteK

CVI

f

22

0

0

CCCVIf

2

KI : condutância

amplificador p/ peq. sinaiscom inversão de fase

multivibrador astável T3 e T4 fontes de corrente

seguidordeemissor

FPF(f0)

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIGITAL

EMISSOR COMUM

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIGITAL

R4=R5=RE

T3 e T4 fontes de corrente

grande → IE ≈ IC = I

VCONT = VP + [ – em(t) ]VP = polarização

VCC – VCONT = vEB + IRE

I

E

m

I

E

EBPCC

Rte

RvVV

I

0

EEBmPCC IRvteVV

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIGITAL

R4=R5=RE

CCCVtif

2

CCEF CVRK

21

I

E

m

I

E

EBPCC

Rte

RvVV

I

0

f

ECC

m

f

ECC

EBPCC

RCVte

RCVvVV

f

22

0

teKftf mF 0 Hz / V

Modulação em Freqüência (FM)

CIRCUITOS DEMODULADORES

Detector de inclinação balanceado

Detector de inclinação

Detector Foster–Seeley

Detector de relação

F I M