Modulação analógica e digital

1- A portadora de sinal

Um sinal analógico como o sinal elétrico correspondente à voz amplificada, ou um sinal digital representando diretamente os bits a serem transmitidos podem ser transmitidos somente à curtas distâncias devido às distorções e perdas inerentes ao meio de transmissão. Com o objetivo de minimizar esse problema, e na maioria das vezes possibilitar a transmissão à longas distâncias, um sinal chamado de sinal de portadora, com características adequadas ao meio de transmissão é utilizado para “transportar” a informação no meio. Existem dois tipos de sinal de portadora, o sinal analógico e o sinal digital, ou seja, a portadora analógica e a portadora digital. Um sinal de portadora não tem em si nenhuma informação, são as modificações desse sinal durante o tempo que levam a informação.

1.1 - A portadora analógica

A portadora analógica utilizada em praticamente todos os sistemas de

transmissão é um sinal senoidal.

Fig 1.1.1 - Sinal senoidal O sinal elétrico senoidal pode ser imaginado como uma tensão elétrica que varia de intensidade com o tempo. Uma das características mais fascinantes desse sinal elétrico é que, quando aplicado em um condutor no espaço livre gera um campo elétrico que dá origem às ondas de rádio.

Fig. 1.1.2 - Ondas de rádio provocadas por um sinal senoidal

Um aspecto interessante das ondas eletromagnéticas é a capacidade de

reflexão nas camadas altas da atmosfera. Essa reflexão permite que, dependendo da frequência, sinais gerados em um determinado local cheguem ao outro lado do planeta.

Fig 1.1.3 – Reflexão na ionosfora dos sinais de rádio

1.2 – A portadora digital

Uma portadora digital é um sinal elétrico com dois níveis de tensão fixos que “chaveiam” de um estado para o outro com um intervalo de tempo fixo.

Fig 1.2.1 – Sinal de portadora digital Quando analisado em detalhes, através da série de Fourrier ( um matemático e físico francês ), o sinal digital pode ser decomposto em uma sequencia infinita de sinais senoidais. Assim sendo, teoricamente podemos transmiti-lo por uma antena. Porém, transmitir um sinal formado de muitos sinais senoidais, além de ser tecnicamente pouco prático e pouco eficiente, provoca interferência em outros sistemas de transmissão. Por essas razões uma portadora digital não é utilizada como onda de rádio, mas pode sem problema algum ser transmitida em cabos e fibra ótica.

2 – Modulação

O processo de modulação de sinais consiste em variar uma característica do sinal de portadora de acordo com a informação transmitida. Em um sinal analógico podemos variar sua amplitude (intensidade) sua frequência e sua fase. Um sinal digital pode alterar basicamente a largura do pulso, sua amplitude e a posição do pulso com relação ao pulso original.

2.1 – Modulação em portadora analógica

2.1.1 – Modulação em amplitude ( AM )

A transmissão em AM é feita com portadora analógica. Neste sistema a portadora varia sua amplitude com as variações do sinal modulante (informação).

Fig. 2.1.1.1 – Sinal modulado em amplitude (AM). As emissoras em ondas médias, emissoras em ondas curtas e os rádios de comunicação aeronáutico (aviação) utilizam a modulação AM.

2.1.2 – Modulação em frequência ( FM )

Neste tipo de sistema de modulação, a frequência da onda ( número de oscilações por segundo ) é alterada de acordo com a informação a ser transmitida.

Fig. 2.1.2.1 Sinal modulado em frequência No exemplo acima podemos ver a representação do sinal de uma estação de rádio que opera na frequência de 99,5MHz. O sinal só permanece em 99,5MHz

quando a emissora está em silencio. Assim que o locutor fala, ou uma música é tocada a portadora varia para cima ou para baixo na frequência.

2.1.3 – Modulação em fase ( PM )

Este tipo de modulação analógica é muito parecido com a modulação em frequência pois a onda é atrasada ou adiantada com relação ao sinal de portadora sem modulação. Este conceito ficará mais claro quando for explicado a modulação digital PSK.

2.1.4 – Modulação ASK

A modulação ASK é feita em uma portadora analógica variando sua amplitude de acordo com um sinal digital. Este sistema é o mesmo da antiga transmissão em telegrafia, chamada transmissão em CW, porém adaptada aos sistemas digitais modernos. Consiste em ligar e desligar a transmissão da portadora de acordo com o sinal a ser transmitido.

Fig. 2.1.4.1 - Modulação por chaveamento de amplitude ASK Este sistema de modulação é muito utilizado em transmissores simples como os de controle remoto de carros ou alarmes.

Fig. 2.1.4.2 – Controle remoto com modulação ASK

2.1.5 - Modulação FSK

Na modulação FSK (frequency shift keying), duas frequências são utilizadas uma representando o 0 e outra o 1. Na prática, as duas frequências ficam muito próximas, assim o que se faz é um desvio da portadora de acordo com o bit a ser transmitido. Este tipo de transmissão é também chamada de BFSK (Binary FSK)

Fig. 2.5.1 – Modulação por chaveamento de frequência ( FSK )

2.1.6 - Modulação PSK

Na modulação PSK (Phase shift keying) a fase do sinal é invertida representando a mudança de 0 para 1 e 1 para 0. Esse sistema exige um sistema mais complexo de recepção se comparado aos modos FSK e ASK.

Fig. 2.1.6.1 – Modulação po chaveamento de fase ( PSK )

É comum representar este tipo de sinal em um diagrama chamado de constelação. Perceba que no diagrama acima o digito 1 está em 0 graus enquanto que o digito 0 está em 180 graus. Este tipo de modulação também é chamada de BPSK.

2.1.7 - Modulação QPSK

A modulação QPSK transmite dois ou mais bits ao mesmo tempo. No exemplo abaixo podemos ver uma constelação onde cada ângulo representa dois bits:

Fig. 2.1.7.1 – Modulação por chaveamento de fase em quadratura ( QPSK )

Portanto é uma modulação em fase igual à anterior, porém com 4 possibilidades de ângulos de fase. No exemplo acima, este sinal é chamado de 4-PSK ou 4-QAM.

2.1.8 - Modulação QAM

Na modulação QAM, além da fase, a amplitude do sinal pode variar, desta forma, podemos transmitir mais bits por vez. Um exemplo disso é a modulação 16-QAM:

Fig. 2.1.8.1 – Modulação por chaveamento de fase e amplitude ( QAM )

Outros exemplos são:

Fig. 2.1.8.2 – Exemplos de modulação QAM

2.2 - Modulação em portadora digital

2.2.1 - Modulação PWM

Modulação por largura de pulso ou PWM é uma técnica de modulação em portadora digital, ela permite a transmissão de uma informação analógica variando a largura do pulso.

Fig. 2.2.1.1 – Modulação por largura de pulso

2.2.2 - Modulação PPM

Pulse Position Modulation (PPM) é uma modulação em portadora digital onde a posição do pulso determina a amplitude do sinal modulante.

Fig. 2.2.2.1 – Modulaçao por posição de pulso ( PPM )

2.2.3 - Modulação PAM

A modulação PAM (Pulso amplitude modulation) é uma modulação em amplitude da portadora digital. Por estar sujeito à interferências, este tipo de modulação normalmente é utilizada dentro dos equipamentos e nunca para transmissão à longas distâncias.

Fig. 2.1.8.2 – Modulação por amplitude de pulso ( PAM )