UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA

ESCOLA POLITÉCNICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

LABORATÓRIO INTEGRADO V (ENGC53)

MODULADOR E DEMODULADOR AM

Relatório Final

Componentes: Diana OliveiraHenrique Baqueiro

Pedro Andrade

Orientadora: Marcela Novo

SalvadorJunho de 2012

1. Introdução

O projeto de um sistema de comunicação, assim como qualquer projeto de engenharia,

depende de fatores técnicos e econômicos que possibilitem a sua implementação de modo

eficiente, porém sem sacrifício de suas especificações fundamentais. Nessa classe de

projetos, um elemento importante a ser considerado é a escolha do tipo de modulação

utilizada para enviar sinais de mensagem através do canal de comunicação, pois esta tem

influência direta no alcance e fidelidade do sinal, bem como nos custos para sua difusão.

Dentre os tipos de modulação analógica disponíveis na literatura, a modulação em

frequência (FM) tem superado, nas duas últimas décadas, a modulação em amplitude (AM) no

que se refere ao número de estações radiodifusoras e ouvintes devido a suas vantagens

técnicas na reprodução dos sinais de mensagem [1]. Entretanto, a modulação em amplitude

ainda é largamente utilizada nos dias atuais, por exemplo, em radiodifusão e em comunicação

de rádio VHF para aircrafts [2] devido a vantagens que esta ainda possui sobre a modulação

FM, como implementação mais barata, menor largura de banda e maior alcance do sinal [3].

Sendo assim, o estudo do dimensionamento e implementação de sistemas de comunicação

AM continua a ser um tópico importante em engenharia de telecomunicações, inclusive

gerando trabalhos em áreas atuais, como fibras óticas [4].

Este relatório apresenta a fundamentação teórica e o desenvolvimento de um sistema de

modulação e demodulação AM baseado em diodo que integra o projeto semestral da disciplina

ENGC53 (Laboratório Integrado V), ilustrando o processo de codificação de mensagens por

amplitude. São analisadas as etapas do projeto, bem como os resultados alcançados e as

dificuldades encontradas.

2. Fundamentação teórica

Em sistemas de comunicação, o termo “modulação” pode ser definido como “o processo

pelo qual se modificam as características de uma onda de rádio ou elétrica, de forma que as

alterações representem informações significativas para o ser humano ou para uma máquina”

[5]. Esse processo surgiu com o crescimento da demanda de canais de comunicação

baseados em ondas de rádio ou elétricas, que trouxe consigo a necessidade de uma maior

eficiência na emissão e recepção dos sinais de mensagem de modo que eles pudessem ser

viabilizados comercialmente em relação a fatores como a multiplexação de sinais e

dimensionamento das suas antenas.

A modulação AM consiste na alteração da amplitude de uma onda de frequência elevada,

chamada portadora, de acordo com a variação da amplitude do sinal de mensagem, cuja

frequência está bem abaixo da faixa da portadora. Esse processo então ocasiona um

deslocamento em frequência do espectro do sinal de mensagem, cuja informação é mantida

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na portadora modulada, possibilitado que ele seja mais facilmente transmitido pelo canal de

comunicação. A figura 1 [6] ilustra a idéia fundamental acerca da modulação AM, com o sinal

modulador sendo uma senóide:

Figura 1: Ilustração do processo de modulação AM.

Nesse tipo de modulação AM, o sinal da portadora é simplesmente multiplicado pelo sinal

modulador (mensagem), gerando o sinal modulado, que contém a informação do modulador

em uma frequência mais elevada. Matematicamente, temos:

Vm(t) (sinal de mensagem)

Vp(t)=Acos(2πfpt) (sinal da portadora)

VAM(t)=AVm(t)cos(2πfpt) (sinal modulado)

Através da análise de Fourier, tem-se que uma multiplicação de dois sinais no tempo equivale

a uma convolução destes na frequência, o que resulta no deslocamento de espectro da

mensagem (e, portanto, a modulação em si).

Um método para a multiplicação dos sinais de mensagem e portadora em um modulador

AM consiste na utilização de um circuito a diodo, como mostrado na figura 2 [7]:

Figura 2: Circuito modulador AM síncrono a diodo

Neste circuito os sinais nos nós A e B são somados através do nó em comum de suas

resistências. Essa soma passa pelo diodo, que é um elemento exponencial (não-linear). Para

amplitudes e diferenças de frequências suficientemente altas, podemos expandir a

exponencial da corrente do diodo em série de Taylor e desprezar os elementos de ordem

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maior que 2, tendo então um termo de multiplicação dos sinais em A e B somado a termos

lineares dos sinais. Após passar este sinal resultante pelo filtro passa-faixa dos nós C e D, os

termos lineares são eliminados, obtendo-se assim o sinal modulado em amplitude desejado.

Embora a abordagem descrita anteriormente seja a base para a modulação AM, ela

apresenta limitações técnicas quanto à demodulação (recuperação) do sinal de mensagem

original, pois seria necessário que os circuitos do modulador e demodulador estivessem em

fase (sincronizados) para que fosse evitado o erro de fase do sinal de mensagem,

ocasionando uma atenuação neste [8]. Como nesse caso a portadora não aparece no

espectro do sinal modulado, essa técnica de modulação é chamada AM/SC (supressed

carrier, portadora suprimida). Uma técnica alternativa, chamada AM/WC (with carrier, com

portadora), ou modulação assíncrona, elimina o problema de sincronismo ao se demodular o

sinal através da detecção por envoltória. Esta técnica consiste em deslocar o valor absoluto da

onda modulada de maneira que a informação nela contida esteja totalmente definida tanto

acima quanto abaixo do eixo de sua magnitude, como ilustrado na figura 3 [9]:

Figura 3: Exemplo de modulação AM/WC.

O diagrama de blocos para esta modulação está representado na figura 4:

Figura 4: Diagrama de blocos da modulação AM/WC.

A demodulação deste sinal é feita através de um circuito com diodo e filtro que retifica o sinal

através da envoltória, deixando apenas o sinal de mensagem. Assim, para que possamos

recuperar o sinal de mensagem original é necessário que ele esteja totalmente contido acima

e abaixo do eixo de magnitude da onda. Logo, sendo K a amplitude do sinal de mensagem,

devemos ter:

m= KA≤1,0

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Vm(t)

Vp(t)=cos(2πfpt)

VAM(t)=(A+ Vm(t)) cos(2πfpt)

A

O número “m” é chamado de índice de modulação para o sinal AM/WC [8].

A figura 5 ilustra o processo de detecção por envoltória, e a figura 6 mostra um exemplo de

circuito detector [9]:

Figura 5: Ilustração da detecção por envoltória.

Figura 6: Exemplo de circuito detector de envoltória.

A demodulação AM/WC exige ao final, como mostrado na figura 6, um filtro passa-baixa

para eliminação de componentes harmônicas de frequência mais elevada que surgem pela

não linearidade do diodo. O sinal demodulado ainda apresenta uma componente DC

(proveniente do índice de modulação) que deve ser eliminada do sinal através de um filtro

passa-alta.

3. Desenvolvimento

O projeto de uma forma geral consistiu na construção de um modulador e um demodulador

AM/WC para funcionarem, ao final, de forma integrada na transmissão e recepção de um sinal

de mensagem. Buscou-se, então, a confecção de um sistema de comunicação básico para

estudo. A primeira etapa realizada foi a simulação de um modulador AM a diodo, no software

Multisim®, que modulasse um sinal senoidal simples. O circuito originalmente simulado está

representado na figura 7:

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Figura 7: Circuito modulador originalmente simulado no Multisim®.

Neste circuito a fonte de tensão a(t) representou o sinal de mensagem (aqui adotado como um

sinal senoidal simples), com amplitude de 5V, e a tensão Eo(t) representou a portadora,

também com 5V de amplitude, cuja frequência foi ajustada de acordo com a frequência de

ressonância do filtro passa-faixa LC, dada pela equação abaixo:

fr= 12π √LC

= 12π √820×10−6×2,7×10−9

=106962,445Hz 107KHz

Na prática esse circuito, embora simulado com sucesso, não foi implementado na

construção do modulador por haver problemas com a atenuação do sinal de saída. Para se

resolver o problema da atenuação diminuíram-se as resistências, como será explicado

adiante. O indutor especificado no projeto original não foi achado e substituído, portanto, por

um de 1mH, já que a unica consequência seria a mudança na frequência de ressonância.

Além disso, pelo mesmo motivo, foi usado um capacitor de 3,3nF ao inves de 2,7nF. A nova

frequência de ressonância passou a ser:

f r '= 12 π √L'C '

= 12π √1×10−3×3,3×10−9

=87611,913Hz 88KHz

Para reduzir a atenuação na montagem do modulador em placa de circuito impresso, as

resistências R1 e R2 tiveram seus valores alterados para 1KΩ, reduzindo a queda de tensão

na entrada das fontes. As resistências R4 e R5 também tiveram seus valores reduzidos a

3,3KΩ, e a amplitude de Eo(t) foi aumentada para 10V. As tolerâncias dos componentes (que

variam entre 5% 10%) modificaram também a frequência ótima da portadora, que não mais foi

igual à frequência de ressonância LC, mas teve seu valor, obtido empiricamente, como:

f o'=95 ,0KHz

O novo circuito modulador, implementado em placa de circuito impresso, está

esquematicamente representado na figura 8:

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Figura 8: Circuito modulador redimensionado.

A etapa seguinte do trabalho consistiu na simulação do circuito demodulador. O circuito

inicialmente simulado está representado na figura 9:

Figura 9: Circuito demodulador original.

Neste circuito o gerador Gr AM está representando o sinal de saída do modulador, tomado

nesta simulação por um gerador AM ideal. Tal circuito também apresentou problemas de

atenuação, em especial devido ao seu sinal de entrada, que apresentava atenuações

(discutidas anteriormente) não presentes no gerador simulado. Estes problemas ocasionavam

um sinal de saída consideravelmente baixo, malmente detectável pelo osciloscópio utilizado e

bastante sensível a ruídos. A solução para isso foi novamente o redimensionamento dos

componentes do circuito visando reduzir as quedas de tensão ao longo deste.

Primeiramente houve um aumento da resistência R1 para 10KΩ e uma redução drástica de

R2 para 330Ω, de modo a facilitar o caminho da corrente do diodo para o filtro passa-faixa

(formado pelos dois capacitores), reduzindo a queda de tensão até este. O resistor R3 teve o

valor de sua resistência aumentada também de modo a facilitar a passagem da corrente de

saída. Já os capacitores C1 e C2 foram modificados para o valor mais proximo encontrado,

por não se ter achado os valores originais. O circuito final do demodulador está representado

na figura 10:

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Figura 10: Circuito demodulador redimensionado.

Por fim, houve a junção dos circuitos modulador e demodulador de forma a se ter o

protótipo do sistema de comunicação AM. Tanto o sinal da mensagem quanto da portadora

foram obtidos por geradores de função diretamente conectados à entrada do sistema, e os

resultados foram testados em osciloscópios analógicos. A figura 11 apresenta o esquemático

do circuito completo:

Figura 11: Esquemático do circuito com modulador e demodulador unidos.

4. Resultados

A figura 11 apresenta o resultado da simulação do circuito modulador original. É

perceptível que o índice de modulação é igual a 1 (pois as amplitudes das tensões dos sinais

eram iguais). Pode-se ver também que a atenuação sofrida pelo sinal é considerável, visto que

o sinal original da portadora tinha 5Vrms (aproximadamente 7,07V de amplitude), enquanto o

sinal modulado no osciloscópio apresenta uma amplitude de pouco menos do que 400μV.

Houve assim uma atenuação de aproximadamente 6,67V, ou -24,96 dB.

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Figura 11: Resultado da simulação do modulador original.

As figuras 12, 13 e 14 apresentam, respectivamente, o sinal do circuito modulador, testado

em protoboard, no ponto de soma dos sinais (portadora e mensagem), no ponto logo após o

diodo e no ponto após o filtro (sinal modulado).

Figura 12: Sinal do modulador no ponto de soma.

Figura 13: Sinal do modulador logo após o diodo.9/13

Figura 14: sinal modulado em protoboard.

Pela figura 14 (escala de 500μV/div) é possível perceber que houve uma atenuação de

aproximadamente 4,5V (ou -20dB) do sinal de saída do modulador para o sinal de mensagem

original, o que inclusive causava uma distorção do sinal. Viu-se, assim, a necessidade de

redimensionamento dos componentes do circuito, como já descrito anteriormente.

Após a confecção do novo circuito de modulação em placa impressa foi possível perceber

uma redução na atenuação do sinal e uma menor distorção deste em relação à envoltória da

mensagem, como mostra na figura 15:

Figura 15: Sinal de saída do modulador redimensionado.

A figura 15, em escala de 1V/div, apresenta um sinal modulado com amplitude de

aproximadamente 1,3V, o que reduziu a atenuação do sinal de mensagem para 3,7V, ou

aproximadamente -11,7 dB. Isso mostra que o redimensionamento dos componentes do

circuito acarretou um ganho em torno de 0,8V para o sinal, o que pode ser considerado um

valor razoável para tratamentos em amplificadores e eliminação de ruídos.

A figura 16 mostra o resultado da simulação do demodulador original com os sinais (a)

imediatamente após o diodo e (b) após os filtros capacitivos.

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(a)

(b)

Figura 16: Resultado da simulação do demodulador original (a) logo após o diodo e (b) após

os filtros capacitivos (sinal demodulado).

Pelos resultados da simulação é perceptível que houve uma atenuação em torno de 6,5V (ou -

22,92 dB) entre o diodo e a saída do filtro, tendo em vista que a amplitude do sinal logo após o

diodo era de aproximadamente 7V (com nível DC), enquanto a amplitude do sinal modulado

foi de 500mV (sem nível DC).

Os circuitos impressos do modulador e demodulador são mostrados na figura 17:

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Figura 17: Circuitos impressos do demodulador (esquerda) e modulador (direita).

A figura 18 apresenta o resultado, em uma escala de 1V/div, do sinal de saída do

demodulador, que possui uma amplitude em torno de 0,35V (0,7 pico a pico). Considerando-se

as diferenças de frequência e valores dos componentes do circuito real para a simulação,

conclui-se que a magnitude do sinal de saída do conjunto modulador e demodulador em placa

de circuito impresso apresentou um nível aceitável para sistemas eletrônicos (que possuem

amplificadores de sinal), tendo uma atenuação final de 4,65V, ou -23,1 dB.

Figura 18: Sinal de saída do demodulador.

5. Conclusão

O trabalho aqui apresentado mostrou as etapas para o projeto de um protótipo de sistema

de comunicação AM através da confecção de um modulador e um demodulador. Foram

descritas as fases do projeto, desde a simulação até a confecção final em placa de circuito

impresso, dando destaque para as dificuldades encontradas e os métodos utilizados para

superá-las, mostrando meios de adaptação de projetos de engenharia para atingir os

resultados desejados.

O protótipo realizado se concentrou nos princípios básicos de transmissão de informações

através de modulação AM. Como os resultados obtiveram êxito, esse trabalho pode servir

como base para trabalhos futuros que busquem implementar um sistema AM de forma mais

ampla, por exemplo abrangendo aspectos de transmissão e recepção relacionados a antenas

ou incluindo sistemas de multiplexação com diferentes módulos AM.

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6. Referências bibliográficas

[1] The Dawn of FM Radio. Cyber College/Internet Campus. Disponível em:

http://www.cybercollege.com/frtv/frtv020.htm. Acessado em: 15 de junho de 2012.

[2] Amplitude Modulation, AM. Disponível em:

http://www.electronics-radio.com/articles/radio/modulation/amplitude_modulation/am.php.

Acessado em: 15 de junho de 2012.

[3] AM vs FM. Diffen. Disponível em: http://www.diffen.com/difference/AM_vs_FM. Acessado

em: 15 de junho de 2012.

[4] MINARDO, ALDO et ali. Low distortion Brillouin slow ligth in optical fiber using AM modulation. OPTICS EXPRESS. 26 de Junho de 2006. Volume 14, nº 13.

[5] Modulação. Próteve Mídia Eletrônica Profissional. Disponível em:

http://www.proteve.net/modulacao.html. Acessado em: 15 de junho de 2012.

[6] O que é modulação e que modos são utilizados. Disponível em:

http://www.sarmento.eng.br/Modulacao.htm. Acessado em: 15 de junho de 2012.

[7] VITORINO, JOSÉ. Circuito modulador AM síncrono a diodo. Disponível em:

http://www.faccamp.br/apoio/JoseVitorino/princ_com/circuito_modulador_AM_sIncrono_diodo.

pdf. Acessado em: 16 de junho de 2012.

[8] OPPENHEIM, ALAN V. WILLSKY, ALAN S. Sinais e sistemas. Tradução Daniel Vieira.

São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2010, 2ª ed.

[9] A demodulação AM-DSB-TC. Disponível em: http://eletricafeelings.com.br/blog/2011/10/a-

demodulacao-am-dsb-tc/. Acessado em: 16 de junho de 2012.

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