modulaçao am
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Trabalho sobre modulação AM na disciplina de telecomunicaçõesTRANSCRIPT
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
CENTRO DE TECNOLOGIA
AULA PRÁTICA:
MODULAÇÃO AM
RELATÓRIO DA DISPLICINA DE PRINCÍPIOS DE TELECOMUNICAÇÕES
Prof. Natanael Rodrigues Gomes
Gean Stein
João Pedro Castro
Ricardo Reinke
Santa Maria, RS, Brasil
2015
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Sumário
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................. 3
2 DESENVOLVIMENTO TEÓRICO ............................................................................................. 4
2.1 Modulação .......................................................................................................................................... 4
2.2.1 Finalidades da modulação ..................................................................................................................... 5
2.2.2 Modulação AM ....................................................................................................................................... 5
2.2 Circuitos .............................................................................................................................................10
2.2.1 AM-DSB ................................................................................................................................................ 10
2.2.2 AM-DSB-SC ........................................................................................................................................... 12
3 DESENVOLVIMENTO PRÁTICO .......................................................................................... 13
3.1 Simulações .........................................................................................................................................13
3.2 Experimento .......................................................................................................................................21
4 CONCLUSÃO ............................................................................................................................. 24
5 BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................ 25
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1 INTRODUÇÃO
Os sinais enviados através de transdutores não podem, na maioria das vezes,
simplesmente serem enviados diretamente através dos canais de transmissão. É necessário
modificar a onda portadora do sinal para a mesma estar adequada para o envio. Essa técnica
que modifica as características da portadora (sinal que é modulado) é chamada de
modulação.
No presente relatório será estudada a modulação AM e suas características. Consistindo-
se da teoria sobre o assunto, além de simulações e experimentos práticos realizados em
laboratório.
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2 DESENVOLVIMENTO TEÓRICO
2.1 Modulação
Modulação é o processo no qual a informação a transmitir numa comunicação é
adicionada a ondas eletromagnéticas. O transmissor adiciona a informação numa onda
básica de tal forma que poderá ser recuperada na outra parte através de um processo
reverso chamado demodulação.
Por definição, a modulação é a variação de um parâmetro de uma onda portadora
senoidal, de maneira linearmente proporcional ao valor instantâneo do sinal modulante ou
informação. Por sua vez, a portadora é a onda senoidal que, pela modulação de um dos seus
parâmetros, permite a transposição espectral da informação (ou sinal modulante). Devido à
portadora senoidal ter três parâmetros: Amplitude, frequência e fase, existem três formas
básicas de modulação: Modulação em Amplitude (AM), modulação em frequência (FM) e
modulação em fase (PM).
A maioria dos sinais, da forma como são fornecidos pelo transmissor, não podem ser
enviados diretamente através dos canais de transmissão. Consequentemente, é necessário
modificar esse sinal através de uma onda eletromagnética portadora, cujas propriedades são
mais convenientes aos meios de transmissão. A modulação é a alteração sistemática de uma
onda portadora de acordo com a mensagem (sinal modulante), e pode incluir também uma
codificação. Um sinal modulado pode ser visto na figura 1.
Figura 1 - Exemplo de um sinal modulado, utilizando modulação AM
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2.2.1 Finalidades da modulação
A modulação de sinais tem várias finalidades como:
Modulação para facilidade de irradiação: Utilizando a propriedade de
translação de frequência da modulação, estes sinais de frequências baixas
podem ser sobrepostos em uma onda portadora de alta frequência,
permitindo uma redução substancial do tamanho da antena.
Modulação para redução de ruído e interferência: Certos tipos de modulação
possuem a propriedade muito útil de reduzir tanto o ruído, como a
interferência de um sistema de comunicação. Geralmente se necessita de
uma banda de transmissão muito maior do que a do sinal original, daí a
designação de redução de ruído em banda larga.
Modulação para designação de frequência: Permite a seleção, dentro de um
sistema, de uma das diferentes frequências existentes.
Modulação para multiplexação: As técnicas de multiplexação inerentes à
modulação permitem a transmissão de múltiplos sinais através de um mesmo
canal, de modo que cada sinal possa ser recuperado com sucesso no outro
extremo de recepção.
Modulação para superar limitações de equipamento: A modulação pode ser
utilizada para transladar um sinal até o espectro de frequência onde as
limitações do equipamento são mínimas. Com esta finalidade, os dispositivos
de modulação são encontrados tanto em transmissores como em receptores
(demodulação).
2.2.2 Modulação AM
Na modulação AM, utiliza-se a variação da amplitude de um sinal portador em função da
amplitude do sinal modulante para o envio da mensagem. Basicamente, existem três
diferentes tipos de modulação AM:
AM-DSB: modulação AM com dupla banda lateral;
AM-SSB: modulação AM de banda lateral única;
AM-VSB: modulação AM com banda lateral vestigial.
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Desses três tipos de diferentes ainda é possível diferenciar se o mesmo suprime ou não a
portadora, no caso de suprimirem, têm-se:
AM-DSB-SC: modulação AM com dupla banda lateral, com portadora suprimida;
AM-SSB-SC: modulação AM de banda lateral única, com portadora suprimida;
AM-VSB-SC: modulação AM com banda lateral vestigial, com portadora
suprimida.
Os tipos de sinais mais transmitidos utilizando-se modulação AM são:
Sinal de voz: de 340Hz a 3,4kHz;
Sinal de áudio: de 20Hz a 20kHz;
Sinal de vídeo: de 10Hz a 4,2Mhz.
A figura 2 mostra as principais características de quatro diferentes tipos de
modulação AM.
Figura 2 - Categorias da modulação AM e suas principais características
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Segue abaixo alguns detalhes a mais sobre os tipos de modulações AM:
AM-DSB (Amplitude Modulation-Double SideBand)
Transmite-se a portadora com uma amplitude de base e altera-se esta amplitude de
acordo com a mensagem que se quer transmitir. Neste tipo de modulação, além da
transmissão da portadora ainda é transmitido o dobro da largura espectral da mensagem
original. Isso mostra que esse tipo de modulação é muito ineficiente em termos de potência,
pois a maior parte da potência gerada é utilizada para transmitir a portadora, não a
mensagem. Na figura 3 é possível ver que o sinal modulado tem o dobro da largura espectral
do sinal a ser enviado.
Figura 3 - Espectro de frequência de uma modulação AM-DSB
AM-DSB-SC (Amplitude Modulation-Double SideBand-Suppressed Carrier)
A supressão da portadora resolveu o problema encontrado na modulação AM-DSB, cuja
maior potência era gasta para transmitir a mesma. Esse valor chega a, no mínimo, 67% da
potência total do sinal modulado. Na figura 4 é possível ver as formas de onda da
mensagem, da portadora e a forma de onda modulada utilizando-se a modulação AM-DSB-
SC.
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Figura 4 - Formas de onda da mensagem, portadora e modulação AM-DSB-SC
AM-SSB (Amplitude Modulation-Single SideBand)
Um dos problemas ao utilizar a modulação AM-DSB é a largura do espectro. A mesma faz
uso tanto das camadas laterais inferiores quanto das camadas laterais superiores. Para
corrigir esse problema e não desperdiçar largura de faixa (e potência) é possível utilizar-se
da modulação AM-SSB. Conforme visto na figura 5, a mesma faz uso apenas da banda lateral
superior (USB = Upper Side Band), que é o espectro da portadora, ou faz uso da banda lateral
inferior (LSB = Lower Side Band), que é o espectro refletido da portadora.
Ainda é possível fazer uso da modulação AM-SSB-SC, que para economizar ainda mais
potência faz uso da supressão da portadora na saída. As vantagens desta modulação são,
então, evitar desperdício de largura de banda e da potência. A desvantagem é a maior
complexidade do equipamento e a maior dificuldade de obtenção do sinal no receptor. A
restrição para o uso da modulação AM-SSB é que a portadora não deve possuir baixas
frequências (perto de zero).
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Figura 5 - Espectro de sinais da portadora, da modulação AM e da modulação AM-SSB
AM-VSB (Amplitude Modulation-Vestigial SideBand)
Conforme visto anteriormente, a modulação AM-SSB tem algumas vantagens, mas
também algumas desvantagens. Há uma dificuldade para gerar e demodular o sinal, pois o
sinal SSB não permite variações de frequências maiores que poucas dezenas de Hz. Aí que
surgiu a modulação AM-VSB, que é um meio termo entre a AM-DSB e a AM-SSB. Nessa
técnica uma das bandas laterais é deixada intacta, enquanto que a outra banda é utilizada
um vestígio (resíduo) da mesma. Esse vestígio consegue compensar a parte removida da
banda desejada. Conforme pode ser visto na figura 6.
A largura de banda de uma modulação AM-VSB é dada por . É comumente
utilizada para transmissão de vídeo (ver a figura 7). A restrição para uso desta modulação é a
necessidade de se ter frequências baixas. As suas vantagens sobre as demais é que, além, de
diminuir a largura da banda utilizada em comparação com a modulação AM-DSB, também
diminui a complexidade necessária para a modulação AM-SSB e pode ser detectada
utilizando um circuito simples com diodos.
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Figura 6 - Espectro de sinais da portadora, da modulação AM e da modulação AM-VSB
Figura 7 - Espectro de frequência para transmissão de vídeo
2.2 Circuitos
2.2.1 AM-DSB
Figura 8 - Circuito para modulação AM-DSB
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O circuito apresentado na figura 8 trata-se de um modulador AM-DSB simples
empregando um diodo para fazer a modulação de um sinal senoidal. Este sinal é modulado
em uma portadora também senoidal cuja frequência é calculada abaixo.
√
O funcionamento desse circuito ocorre da seguinte forma:
Nos pontos A e B (localizados na figura 8) têm-se um somador analógico
formado pelos resistores R1, R2 e R3 que soma a portadora à informação
(sinal senoidal puro), onde os resistores são todos iguais.
No ponto C é possível ver a função do diodo no circuito. O mesmo faz o
produto do sinal modulante com a portadora.
Como o produto executado pelo diodo não é perfeito é necessário, então, o
uso de um filtro passa-faixa (LC) formado por L1 e C1. A frequência de
ressonância desse filtro é:
√ . O filtro tem que ser projetado para que
sua frequência de ressonância seja a mesma frequência da portadora.
As formas de ondas dos pontos A, B, C e D podem ser vistas abaixo:
Figura 9 - Formas de ondas nos pontos destacados
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Como já visto, o sinal resultante é obtido através da multiplicação do sinal da
portadora com o sinal da onda modulante. Os sinais são representados conforme as
equações (3) e (4):
Onde:
ep: Amplitude da portadora, que nesse caso é 5V.
fp: Frequência da portadora, que nesse caso é 85,07 kHz.
em: Amplitude da modulada, que nesse caso é 1.5V.
fm: Frequência da modulada, que nesse caso é 1 kHz.
Portanto, o sinal de saída é dado por:
2.2.2 AM-DSB-SC
Figura 10 - Circuito para modulação AM-DSB-SC
O circuito (figura 10) é bastante semelhante ao circuito encontrado no item anterior. A
grande diferença é o uso de quatro diodos (ponte), ao invés de apenas um. O circuito
funciona conforme os passos abaixo:
Quando a portadora polariza diretamente os diodos da ponte, o sinal de informação
é aterrado.
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Por outro lado, se a portadora polariza os diodos reversamente, o sinal de áudio não
encontra obstáculos e vai excitar o circuito sintonizado composto por L e C. Assim, os
diodos dispostos dessa forma irão rejeitar a portadora, pois a cada passagem por
zero do sinal modulante existe uma inversão de fase de 180o do sinal modulado em
relação à portadora.
As formas de ondas dos pontos A, B, C e D podem ser vistas abaixo:
Figura 11 - Formas de ondas do circuito AM-DSB-SC nos pontos destacados
3 DESENVOLVIMENTO PRÁTICO
3.1 Simulações
Para as simulações foram seguidos uma série de passos. Os mesmos podem ser vistos a
seguir.
A partir do sinal modulado expresso por g(t)=[10+cos(2*π*60*t)]*cos(2*π*f*t), onde f é
a frequência da onda portadora, a qual é determinada pela data do seu nascimento somado
ao último dígito da sua matrícula de estudante da UFSM.
Simule o sistema de modulação AM-DSB que gerou o sinal g(t) e apresente o
gráfico de todos os sinais no tempo e em frequência
Sendo o sinal modulado definido da seguinte forma:
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[ ]
E na seguinte maneira:
= ( + θm)
Comparando com o sinal g(t) temos que:
=10
=1
=60
=1990+98=2088
Com estas informações podemos calcular o índice teórico de modulação:
Para calcular os valores de L e C, usamos a seguinte fórmula:
√
Usando então um capacitor de 22uF, temos que o indutor deve ser de 264mH.
Obtemos assim o seguinte circuito:
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Figura 12 - Circuito modulador AM-DSB
Dos pontos A, B e C obtemos os seguintes gráficos no domínio do tempo:
Figura 13 - Gráficos da modulação no domínio do tempo
E no domínio da frequência:
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Figura 14 - Gráficos da modulação no domínio da frequência
Determine o coeficiente de modulação m.
Pelo gráfico C vemos que a Emax=0,471 e o Emin=0,37
Muito próximo do m teórico (m=0,1) encontrado anteriormente.
Calcule a potência do sinal modulado
A potência do sinal modulado foi calculada fazendo a média do sinal elevado ao
quadrado. A potência média é de 0,866mW.
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Figura 15 - Potência média do sinal modulado
Implemente um sistema de modulação empregando um detector de envoltória e
apresente os gráficos de todos os sinais no tempo e em frequência.
O circuito abaixo pode ser claramente dividido em dois blocos, modulador e
demodulador
Figura 16 - Modulador e demodulador AM-DSB
Os valores de R e C do demodulador foram calculados da seuinte forma:
Sendo C=22uF, temos que R=1,2kΩ
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Abaixo os gráficos do sinal nos pontos Ad, Bd, Cd e Output, o sinal após passar por
um filtro passa-baixas. No domínio do tempo:
Figura 17 - Gráficos da demodulação no domínio do tempo
E no domínio da frequência:
Figura 18 - Gráficos da demodulação no domínio da frequência
Faça a simulação, considerando os sinais envolvidos nos itens anteriores, da
modulação e demodulação AM-DSB-SC e apresente os gráficos de todos os sinais
no tempo e em frequência.
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Abaixo o circuito de modulação e demodulação AM-DSB-SC, foram usados para
misturar os sinais um bloco de multiplicação de sinais.
Figura 19 - Modulador e demodulador AM-DSB-SC
Do ponto A obtém-se o seguinte gráfico no domínio do tempo:
Figura 20 - Gráfico da modulação no domínio do tempo
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E no domínio da frequência:
Figura 21 - Gráfico da modulação no domínio da frequência
Para os pontos Ad, Bd e Cd, referentes ao demodulador, obtemos os seguintes
gráficos no domínio do tempo:
Figura 22 - Gráficos da demodulação no domínio do tempo
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E da frequência:
Figura 23 - Gráficos da demodulação no domínio da frequência
3.2 Experimento
Durante o experimento no laboratório, foi montado o circuito abaixo:
Figura 24 - Circuito AM-DSB montado na aula prática
Para o calculo da frequência da portadora, foram utilizados as equações (1) e (2),
conforme visto abaixo:
√
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√
Utilizando-se um osciloscópio foram capturadas as formas de ondas dos pontos A, B e
C, conforme o apresentado a seguir.
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Figura 25 - Forma de onda no ponto A
Figura 26 - Forma de onda no ponto B
Figura 27 - Forma de onda no ponto C
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4 CONCLUSÃO
Modular um sinal em amplitude é fácil e barato, apesar de ter suas desvantagens tais
como uma relação ruim de sinal/ruído e a propensão a distorções na amplitude. Por esse
motivo a modulação AM estaria fadada ao desuso, mas com os avanços nos sinais digitais
esse tipo de modulação ainda tem bastante aplicação presente ao nosso redor.
Portanto, é de grande valia realizar o estudo desse tipo de modulação. Neste relatório,
foi possível ter uma visão prática do funcionamento e como realmente é o funcionamento
com elementos reais. Na simulação, onde a idealidade é mais presente, notamos bem as
formas de ondas, o que não foi possível na prática (também por uma questão do
osciloscópio e sua resolução).
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5 BIBLIOGRAFIA
http://www.qsl.net/py4zbz/teoria/modulam.htm - Acessado em 09/06/2015
https://en.wikipedia.org/wiki/Single-sideband_modulation - Acessado em 09/06/2015
http://www.cic.unb.br/~lamar/te060/Apostila/Capitulo2.pdf - Acessado em 10/06/2015
http://www.faccamp.br/apoio/JoseCarlosVotorino - Acessado em 10/06/2015
http://faculty.kfupm.edu.sa/EE/muqaibel/Courses/EE370%20Communication%20Engineering%2
0I/notes - Acessado em 11/06/2015
Barcelos, A. F. Princípios de telecomunicações – Modulação AM. Encontrado em
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfccsAG/modulacao-am.