Princípios de Comunicação Conceitos de FM (4ª. Parte) Prof. Dr. Naasson Pereira de Alcantara Jr. Prof. Dr. Claudio Vara de Aquino UNESP - FE – DEE [email protected] [email protected] Modulação Analógica * SINAL MODULANTE Modulação em Amplitude (AM): Sc = Ac(t) cos(ω0t + Φ0) Modulação em Fase (PM): Sc = Ac cos[ω0t + Φ(t)] Modulação em Freqüência (FM): Sc = Ac cos[ω(t).t + Φ0] Modulação em Freqüência (FM) * t et E0 cos 0 K F .em (t )dt 0 Interferência direta de em(t) na velocidade angular ou na freqüência instantânea do sinal modulado e(t) em t 0 0 → aumento da freq. de e(t) em relação a e0(t) em t 0 0 → diminuição da freq. e(t) em relação a e0(t) em t 0 0 → freqs. iguais para e(t) e e0(t) l variável no tempo Modulação em Freqüência (FM) * em t Em cos mt tom modulante t e t E0 cos 0 K F .Em cos(mt ) dt 0 t et E0 cos 0t K F .Em cos(mt )dt 0 K F .Em et E0 cos 0t sen( mt ) m Modulação em Freqüência (FM) * K F .Em et E0 cos 0t sen( mt ) m K F .Em m max m f max fm índice de modulação FM: desvio máximo de fase que sofre o sinal modulado. et E0 cos0t sen( mt ) FM: Frequency Modulation Modulação em Freqüência (FM) * LARGURA DE FAIXA OCUPADA PELO SINAL FM FCC P f f 0 nf m n f0 n B 2 f m f max f 0 nf m B = 2 (15 + 75) = 180 kHz radiodifusão comercial B = 2 (15 + 25) = 80 kHz som da TV OSCILADORES Amplificador com realimentação positiva Entrada: tensão contínua vˆi + vˆo Aˆv1 vˆi Av2 vˆo vˆo Aˆv1 Av2 vˆo Aˆv1 vˆi Saída: tensão alternada vˆ o Aˆv1 A Aˆv2 B ˆ A ˆ v v1 o ˆ Av vˆi 1 Aˆ v Aˆ v 1 2 ganho de malha fechada OSCILADORES Amplificador com realimentação positiva Entrada: tensão contínua vˆi + Saída: tensão alternada Aˆv1 A vˆ o Aˆv2 B ˆ A ˆ v v1 o ˆ Av vˆi 1 Aˆ v1 Aˆ v2 AB 1 ˆ ˆ Av1 Av2 1 0 ganho infinito oscilação OSCILADORES Aˆ v1 vˆo AB 1 ˆ ˆ A A 1 oscilação v v 1 2 ˆ ˆ vˆi 1 Av Av 0 1 2 independe de vˆi Aˆv1 A Aˆv2 B CIRCUITO SINTONIZADO vˆ o OSCILADORES AMPLIFICADOR eFM(t) em(t) choque de RF Oscilador a três impedâncias Varicap ou Varactor diodo com capacitância variável + + – – – + + + – Cd – A d t Sinal de FM obtido pelo Oscilador Hartley Modulação em Freqüência (FM) CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIRETO R1, P1, R2: polarização Vp em torno de C0 – região linear choque de RF Cd C 2 C d ; C d C 2 Cd C 2 Vp + em(t) no varicap Modulação em Freqüência (FM) CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIRETO 1 Cd C2 L2 Cd C2 1 Cd C2 L2 C d em t 0 0 em t 0 0 1 Onda portadora L2C0 1 L2 C0 C 1 C L2C0 1 C0 0 1 C 1 C0 Modulação em Freqüência (FM) CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIRETO 1 1 0 em t 0 0 L2 C0 C C 1 1 L2C0 1 C0 1 C 0,3 1 C C0 C0 1 C C0 1 C C0 1 C C0 1 C C0 C 2C0 C 2C0 1 C C0 1 C C0 2 2 1 C 2C0 C 2C0 2 2 1 C C0 2 C C0 0,3 C C0 0,09 e C 2C0 0,023 2 C C0 2 Modulação em Freqüência (FM) CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIRETO 1 1 0 em t 0 0 L2 C0 C C L2C0 1 C0 C C0 0,3 C C0 0,09 e C 2C0 0,023 2 1 C 1 C0 1 C 2 2C0 C 2C0 2 2 1 C C0 2 C 1 2C 0 1 1 C C0 Modulação em Freqüência (FM) CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIRETO 1 em t 0 0 0 1 C C0 Pequenas variações 1 C 1 C0 1 C 2C0 C 2C0 2 2 1 C C0 2 C 1 2C 0 (lineares) do varicap em torno de C0 C C0 0,3 C C0 0,09 e C 2C0 0,023 2 2 Modulação em freqüência – FM C C 0 0 1 0 0 2C0 2C0 C 0 2C0 Modulação em Freqüência (FM) CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIRETO Modulação em freqüência – FM C 0 2C0 0 K F em t 0 K F V 0 V KF C0 C2 V1 Vp V V2 KF 0 C 2C0 V V 0 C 1 2C0 V C C1 C KC 2 0 V V2 V1 C1 C KF coeficiente angular 0 KC 0 2C0 0 Modulação em Freqüência (FM) CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIGITAL Onda quadrada Modulação em freqüência Sinal modulante informação Filtragem da fundamental Modulação em Freqüência (FM) CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIGITAL Emissor Comum amplificador p/ peq. sinais com inversão de fase multivibrador astável T3 e T4 fontes de corrente seguidor de emissor FPF(f0) Modulação em Freqüência (FM) CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIGITAL T3 e T4 fontes de corrente R4=R5=RE grande → IE ≈ IC = I VCONT = VP + [ – em(t) ] VP = polarização VCC – VCONT = vEB + IRE VCC VP em t vEB IRE I=I0 + I corrente modulada VCC VP vEB em t I R RE E I0 I Modulação em Freqüência (FM) CIRCUITOS MODULADORES – MÉTODO DIGITAL R4=R5=RE VCC VP vEB em t I R RE E I0 corrente proporcional ao sinal modulante I VCC VP vEB em t I f f 2CVCC 2CVCC RE 2CVCC RE f0 f t f 0 K F em t KF 1 2 RE CVCC Hz / V f Modulação em Freqüência (FM) CIRCUITOS DEMODULADORES Detector de inclinação Detector de inclinação balanceado Detector Foster–Seeley Detector de relação Circuito RLC paralelo * 1 1 1 1 j 2 X L X C jX L R jX C R ˆ j2 X L XC R Z R jX L jX C R L C Zˆ Zˆ L R C X L XCR X L X C jR X L X C r X L X C Zˆ R R R R 1 C 1 L 1 1 j LC L 1 jR jR L L L C C C Circuito RLC paralelo * Zˆ R L C R R 1 1 j LC L 1 LC 2 r R Q Zˆ r L Fator de Qualidade Zˆ R R r 1 j r L r R f f r f r f 0 Z cap. f fr 1 jQ f fr f f r f f r 0 Z ind. Circuito RLC paralelo * 1 1 1 1 R j C 1 jRC ˆ j L R jL Z R R L C 1 1 1 1 jRC 1 2 ˆ Z R LC 2 r2 r2 1 1 1 1 jRC1 2 1 jRC 2 R Zˆ R 1 1 r r 1 jRC 2 ˆ Z R r2 1 LC Circuito RLC paralelo * 1 1 1 j C ˆ j L Z R R L C 1 LC 2 r 1 1 r r 1 jRC 2 ˆ Z R r 2 r r r 1 1 2 1 j r RC r Zˆ R r 1 1 2 1 jQ ˆ R Z r R 1 jQ 2 r Zˆ R Q r L 1 r L rC Q r RC Circuito RLC paralelo * 1 1 2 1 jQ ˆ r Z R R L C Zˆ R 1 jQ 2 r 1 Zˆ Zˆ ˆ Av 1 jQ 2 r R Zˆ r Aˆv 1 1 2Qf f r 2 2 f r 2 f r Modulação em Freqüência (FM) CIRCUITOS DEMODULADORES – DETECTOR DE INCLINAÇÃO AV AV REGIÃO LINEAR E NÃO RESSONANTE 1) Converte sinal FM em AM 2) Recupera em(t) com um detector de envoltória AV0 f0 2f CIRCUITO RESSONANTE f0 < fR e B = 2 (f + fm) fR DETECTOR DE ENVOLTÓRIA eREC(t) = K+ em(t) Modulação em Freqüência (FM) CIRCUITOS DEMODULADORES – DETECTOR DE INCLINAÇÃO FM Converte sinal FM (modulado) em AM Ganho linear do filtro fora da ressonância CIRCUITO RESSONANTE DETECTOR DE ENVOLTÓRIA AM Recupera em(t) com um detector de envoltória eREC(t) = K+ em(t) Modulação em Freqüência (FM) DEMODULADORES – DETECTOR DE INCLINAÇÃO BALANCEADA curva S Detectores de inclinação simétricos D1 eREC(t)=K+em(t) =vC4–vC5 eFM(t) D2 Modulação em Freqüência (FM) DEMODULADORES – DETECTOR DE INCLINAÇÃO BALANCEADA f1 1 2 L2C2 f0 D1 eREC(t)=K+em(t) =vC4–vC5 eFM(t) D2 f0 1 2 L1C1 f2 1 2 L3C3 f0 Circuito RLC paralelo (recordando) * 1 1 2 1 jQ ˆ r Z R R Aˆv L C Zˆ R 1 jQ 2 r 1 Zˆ Zˆ ˆ Av 1 jQ 2 r R Zˆ r 2 f r 2 f r 1 1 2Qf f r 2 Av Av1 Av 2 No detector balanceado 1 f1 f 1 2Q f1 2 1 f2 f 1 2Q f 2 2 Modulação em Freqüência (FM) * DEMODULADORES – DETECTOR DE INCLINAÇÃO BALANCEADA 1 1 Av Av1 Av 2 2 2 f1 f f2 f 1 2Q 1 2Q f f 1 2 Av 0 f f 0 e(t ) atenuado f0 = 10,7 MHz (FI) f1 = 10,7 – 0,2 = 10,5 MHz f2 = 10,7 + 0,2 = 10,9 MHz Av 0 f f 0 e(t ) amplificado Q f 10,5 10,6 10,65 10,7 10,75 10,8 10,85 10,9 10 Av -0,19 -0,11 -0,05 0 0,06 0,11 0,16 0,20 50 Av -0,74 -0,38 -0,17 0 0,20 0,41 0,62 0,75 200 Av -0,93 -0,16 -0,06 0 0,07 0,17 0,40 0,93 Modulação em Freqüência (FM) DEMODULADORES – DETECTOR DE INCLINAÇÃO BALANCEADA dois filtros duas sintonias f1 1 2 L2C2 f0 D1 eREC(t)=K+em(t) =vC4–vC5 eFM(t) D2 f0 1 2 L1C1 f2 1 2 L3C3 f0 Modulação em Freqüência (FM) DEMODULADORES – DETECTOR FOSTER – SEELEY DISCRIMINADOR DE FASE Defasagem no sinal de fuga da sintonia f0 de um circuito LC circuitos ressonantes simétricos L2C2 L3C3 a L2 vFM acoplado entre L2 e L3 tensão secundária em quadratura adiantada da primária = |va| – |vb| L3 b Modulação em Freqüência (FM) DEMODULADORES – DETECTOR FOSTER – SEELEY DISCRIMINADOR DE FASE vFM acoplado entre L2 e L3 f = fr carga resistiva I em fase com vFM V2/2 a Va I vFM L2 V2/2 L3 vO = |va| – |vb| b vO = 0 Vb Modulação em Freqüência (FM) DEMODULADORES – DETECTOR FOSTER – SEELEY DISCRIMINADOR DE FASE vFM acoplado entre L2 e L3 f < fr carga indutiva I atrasada de vFM V2/2 Va a vFM I L2 V2/2 L3 vO = |va| – |vb| b vO > 0 Vb Modulação em Freqüência (FM) DEMODULADORES – DETECTOR FOSTER – SEELEY DISCRIMINADOR DE FASE vFM acoplado entre L2 e L3 f > fr carga capacitiva I adiantada de vFM V2/2 a Va I vFM L2 V2/2 L3 vO = |va| – |vb| b vO < 0 Vb Modulação em Freqüência (FM) DEMODULADORES – DETECTOR FOSTER – SEELEY DISCRIMINADOR DE FASE DESVANTAGEM: Detecta variações na amplitude de vFM vO = |va| – |vb| V2/2 Va a vFM I L2 V2/2 Vb L3 Os fasores Va e Vb variam com vFM proporcionalmente a em(t) b Modulação em Freqüência (FM) DEMODULADORES – DETECTOR DE RELAÇÃO DISCRIMINADOR DE FASE Defasagem no sinal de fuga da sintonia f0 de um circuito LC circuitos ressonantes simétricos vFM acoplado entre L2 e L3 tensão secundária em quadratura adiantada da primária diagramas fasoriais de Foster – Seeley (R1 + R2) C6 alta. va + vb cte Modulação em Freqüência (FM) DEMODULADORES – DETECTOR DE RELAÇÃO DISCRIMINADOR DE FASE Independente de vFM: va + vb constante (R1 + R2) C6 alta. Compensação: va aum. → vb dim. va dim. → vb aum. va + vb cte vo vR 2 vb vR 2 va vb (R1 = R2) 2 va vb vo vb 2 va vb vo 2 recordando ... Modulação em Freqüência (FM) MODULAÇÃO EM FREQUENCIA – FM e(t ) E0 cos t dt 0 e( t ) E 0 cos (t ) 0 K F em t e( t ) E 0 cos em t Em cos mt K FE m e(t ) E 0 cos 0 t senm t m t K e t dt 0 0 F m t K E cos t dt m 0 0 F m t Modulação em Freqüência (FM) MODULAÇÃO EM FREQUENCIA – FM FMFE ou NBFM multiplicação de freqüência pequeno t e(t ) E0 cos t dt 0 (t ) 0 K F em t em t Em cos mt FMFL ou WBFM - Moduladores com região linear restrita - (índice de modulação) pequeno - Tendência a faixa estreita (FMFE) K FE m e(t ) E 0 cos 0 t senm t m K F E m MAX f MAX m m fm Modulação em Freqüência (FM) MODULAÇÃO EM FREQUENCIA – FM FMFE ou NBFM multiplicação de freqüência FMFL ou WBFM - Moduladores com região linear restrita - (índice de modulação) pequeno - Tendência a faixa estreita (FMFE) pequeno Multiplicando a(s) freqüência(s) por n K FE m e(t ) E 0 cosn 0 t senm t m K E MAX f n n F m n n MAX m m fm f MAX n n fm n f MAX n f m e(t ) E 0 cosn0 t n senm t maior sensibilidade maior desvio de freqüência no sinal modulado Modulação em Freqüência (FM) eFM(t) em cascatas de até 4 x em(t) f0 MOD. BAL. + 90 OSCIL. XTAL CIRCUITOS MULTIPLICS. f0 → 48 f0 o f0 f AMP. POT. FMFL 48 f0 48 f e0(t) ARMSTRONG FMFE O TRANSMISSOR FM 88 MHz ≤ f0 ≤ 108 MHz f ≤ 75 kHz Modulação em Freqüência (FM) CIRCUITOS MULTIPLICADORES +VCC L C2 Amplificadores classe C em cascata Gera pulsos (harmônicas nf) FPF (LC2) sintonizado em C1 C3 f R nf 1 2 LC2 Modulação em Freqüência (FM) PLL – Phase Locked Loop Na entrada do modulador FM VCO – modulador FM a varicap em(t) f0 OSCILADOR CONTROLADO POR TENSÃO VDC(f) = f Mallha de travamento de fase FPB VDC(f) COMPARADOR DE FASE f0/n DIVISOR DE FREQ. POR n fC/m COMPARADOR DE FASE proporcional a em(t) VDC(f) Valor médio filtrado de DIVISOR DE FREQ. POR m OSCILADOR A CRISTAL ao grupo de multiplicadores tratamento digital f0 fC n m malha travada fC(ref) ESTABILIDADE EM f0 DA PORTADORA EM FMFE Modulação em Freqüência (FM) Sinal modulado em FM com pequeno Após misturador: - freqüência da portadora alterada - desvio de freqüência mantida f0 f em(t) MODUL. FM Heterodinação nf0 ± fC nf nf0 nf 1º. GRUPO DE MULTIPLIC. Altera freq. Mantem f TRANSMISSÃO PROFISSIONAL EM FM MIX fC OSCIL. XTAL. m(nf0 ± fC) mnf 2º. GRUPO DE MULTIPLIC. AMP. POT. f0A fA Modulação em Freqüência (FM) RECEPTOR FM MONOFÔNICO fRF eFM AMP. E FILTRO RF FI =fOL – fRF AMP. DE FI MIX FM sem AM LIMITADOR fm + RUÍDO DETECTOR FM DEÊNFASE fOL realimentação negativa OSCIL. LOCAL sintonia CAF AMP. AUDIO CONTROLES . VOLUME . TONALIDADE fm Modulação em Freqüência (FM) FM ESTÉREO Informações dos canais L(t) [left = esquerdo] e R(t) [right = direito] codificadas e decodificadas em estéreo. Sinais modulantes na mesma faixa espectral Receptores mono – direito adquirido L R FCC f(kHz) 0 15 f(kHz) 0 15 fm ≤ 15 kHz f ≤ 75 kHz Modulação em Freqüência (FM) FM ESTÉREO Informações dos canais L(t) [left = esquerdo] e R(t) [right = direito] codificadas e decodificadas em estéreo. Sinais modulantes na mesma faixa espectral Receptores mono – dois canais misturados ou somados (L + R) L+R L–R FCC f(kHz) 0 15 f(kHz) 0 15 fm ≤ 15 kHz f ≤ 75 kHz Modulação em Freqüência (FM) FM ESTÉREO Codificação ou “matriciação” do sinal modulante estéreo Sinal modulante em(t) injetado no modulador FM faixa SCA em FM SCA = Secondary Communication Authorization em(t) L+R 0 sinal piloto L–R em AM-DSB/SC 15 19 23 38 X2 f(kHz) 53 63 70 77 Modulação em Freqüência (FM) FM ESTÉREO – novos fatores Se fm ≤ 53 kHz e f ≤ 75 kHz MAX f MAX 75 1,42 1,5 m fm 53 f B 2nf m 2 1f m B 2f f m fm n 1 1,5 B = 2 (75 + 53) = 256 kHz em(t) L+R 0 sinal piloto 50 emissoras entre 88 e 108 MHz garantem B ≤ 400 kHz L–R em AM-DSB/SC f(kHz) 15 19 23 38 X2 53 Modulação em Freqüência (FM) FM ESTÉREO – Geração do sinal codificado (matriciado) em(t) Subportadora: es(t) = Es cos (2 x 38 x 103 t) V fs = 2 fp Sinal piloto: ep(t) = Ep cos (2 x 19 x 103 t) V + – SUBTRATOR L–R L(t) DSB/SC MOD. BAL fs x2f fp R(t) OSCIL. PILOTO SOMADOR L+R mono S O M A D O R em(t) ao modulador Modulação em Freqüência (FM) em(t) L+R L–R em AM-DSB/SC FM ESTÉREO Sinal Codificado f(kHz) 0 15 19 23 38 53 Decodificação do sinal 15 FPB 19 ± 4kHz 23 53 FPF FPF acoplamento supercrítico Filtragens simultâneas Modulação em Freqüência (FM) FPF (L–R)es 23 curva S es ep 19 ±4kHz L–R 2L(t) SOMADOR 53 FPF do detetor DEMODULADOR AM-DSB/SC fp fs=2fp aos circuitos de deênfase DOBRADOR DE FREQUENCIA FPB L+R 15 – SUBTRATOR + FM ESTÉREO – Decodificação do sinal 2R(t) Modulação em Freqüência (FM) FPF L–R em AM-DSB SOMADOR 23 53 es FPF do detetor curva S ep 19 ±4kHz Reinserção da subportadora no sinal L – R (L–R)es fp fs=2fp 2L(t) DOBRADOR DE FREQUENCIA MATRIZ DECODIFICADORA FPB L+R 15 FM ESTÉREO – Decodificação do sinal 2R(t) Modulação em Freqüência (FM) (L–R)es (L–R) em DSB REINSERÇÃO DA SUBPORTADORA no sinal L–R Modulação em Freqüência (FM) Reinserção da subportadora no sinal codificaddo FPF do detetor curva S ep 19 ±4kHz fp DOBRADOR DE FREQUENCIA es 2L(t) MATRIZ DECODIFICADORA fs=2fp em(t) sinal codificado FM ESTÉREO – Decodificação do sinal 2R(t) Modulação em Freqüência (FM) RECEPTOR FM ESTÉREO STEREO AMPLIFIC. DE RF MIX OSCIL. LOCAL CAF AMP. DE FI INDICADOR DE SINTONIA DETETOR DE FM SINTONIA DECODIFIC. ESTEREO DEÊNFASE DEÊNFASE AMP. AUDIO AMP. AUDIO +V Amplificador operacional como SUBTRATOR SOMADOR R R 2R R R(t) – + L(t) + L(t)+R(t) R R L(t) – L(t)–R(t) R R(t) R R Dobrador de frequencia Retificador em onda completa Amplificador Classe C em 38 kHz Matriz decodificadora Reinserção da subportadora em L–R (L–R) retif. –(L–R) retif. –(L–R)+(L+R) L-R+(L+R) Matriz decodificadora Reinserção da subportadora em em em+es Matriz decodificadora em+es em–es FIM