modulações chaveadas ask fsk psk
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UNIVERSIDADE PARA O DESENVOLVIMENTO DO ESTADO E DA REGIÃO DO PANTANAL
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
MODULAÇÕES CHAVEADAS ASK FSK PSK
CAMPO GRANDE - MS 2004
UNIVERSIDADE PARA O DESENVOLVIMENTO DO ESTADO E DA REGIÃO DO PANTANAL
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
MODULAÇÕES CHAVEADAS ASK FSK PSK
Trabalho apresentado para fins de avaliação parcial da disciplina de Sistemas de Comunicação da Universidade Para o Desenvolvimento do Estado e da Região do Pantanal – UNIDERP, sob orientação do Professor Irineu Cássio Gudin.
Acadêmicos:
Glauco M. L. Freire RA: 20922. Giovanni Facholli RA: 15614. Ricardo Dalla Valle RA: 20085. Domingos S. Freire RA: 20951.
CAMPO GRANDE - MS 2004
Sumário 1. Introdução........................................................................................................... 3 2. Análise do Sinal Digital....................................................................................... 4 3. Largura de Faixa do Sinal Digital........................................................................ 5 4. Modulações Chaveadas...................................................................................... 6 5. Modulação por Chaveamento de Amplitude – ASK............................................ 6 5.1. Métodos de Obtenção...................................................................................... 7 5.2. Demodulação do Sinal ASK............................................................................. 8 6. Modulação por Chaveamento de Freqüência – FSK.......................................... 9 6.1. Demodulação do Sinal FSK............................................................................. 117.Modulação por Chaveamento de Fase – PSK..................................................... 137.1. Demodulação do Sinal PSK............................................................................. 158. Conclusão........................................................................................................... 169. Bibliografia........................................................................................................ 17
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1. Introdução
Dentro dos estudos de sistemas de telecomunicações um dos aspectos
mais importantes são os tipos de modulações.
A modulação constitui-se na técnica empregada para modificar um sinal
com a finalidade de possibilitar o transporte de informações através do canal de
comunicação e recuperar o sinal, na sua forma original, na outra extremidade.
Existem diversas formas de modulações, este trabalho tem o objetivo de
estudar os tipos de modulações chaveadas, onde os principais tipos de modulação
utilizados em comunicação de dados são: ASK (Modulação por Chaveamento de
Amplitude), FSK (Modulação por Chaveamento de Freqüência) e PSK (Modulação
por Chaveamento de Fase).
Estes tipos de modulação são necessários nos modems analógicos e nos
rádios digitais porque o meio de transmissão (linha telefônica ou onda
eletromagnética) não permite a passagem de sinais digitais em sua faixa de
freqüência original ou banda básica.
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2. Análise do Sinal Digital
Um sinal digital caracteriza-se por apresentar variações descontinuas de
amplitude entre valores padronizados, chamados de níveis. Para fins de
comunicação, a duração de cada nível é estabelecida em múltiplos de um valor
mínimo τ. Veja a figura abaixo.
Figura 01
Na figura acima podemos observar que o sinal possui uma duração
mínima, τ, de 1 ms. A cada nível do sinal digital mostrado está associado a um bit.
Como cada bit tem a duração de 1 ms, em 1 segundo serão transmitidos 1000 bits.
Em uma transmissão de sinais digitais existem duas grandezas:
a) Velocidade de modulação (Vm);
b) Velocidade de transmissão (Vt).
A velocidade de modulação indica quantas vezes por segundo um sinal
digital é transmitido, sendo sua unidade definida por baud.
)(1 baudVmτ
=
Onde: τ - largura da menor transição do sinal digital.
A velocidade de transmissão indica a quantidade de bits transmitidos por
segundo. A velocidade de transmissão é proporcional à velocidade de modulação e
ao número de bits enviados em cada transição do sinal.
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NVmVt .=
Onde: N – número de bits associados a cada nível do sinal digital.
3. Largura de Faixa do Sinal Digital
O sinal digital ocupa uma largura de faixa mínima, dada pela equação
abaixo:
τ21)( =BBBW
Para aproveitar a largura de faixa mínima de um sinal digital, determinada
pela equação acima, é necessário filtrar o sinal por meio de um filtro passa-baixa.
Veja a figura abaixo.
Figura 02
Antes de ser filtrado, o sinal digital ocupa uma largura de faixa
relativamente grande. Isso ocorre pela presença de harmônicos. A quantidade de
harmônicos depende do modo como o sinal digital transiciona entre os níveis.
Quanto mais rapidamente o sinal digital mudar de nível, maior a quantidade de
harmônicos gerados. Eliminando-se os harmônicos de freqüência elevada, por meio
de um filtro passa-baixa, a forma de onda do sinal passa a apresentar contornos
arredondados.
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Para manter as informações necessárias para a recuperação do sinal
digital, é importante que a curva de resposta do FPB seja simétrica, na horizontal, na
freqüência máxima da por 1/τ.
Considerando um FPB não ideal, a largura de faixa necessária para a
transmitir o sinal de banda básica é dada por:
)1(2
)( rVmBBBW +=
Onde: BW(BB) – largura de faixa do sinal digital filtrado, em Hz;
r – fator de filtragem do filtro passa-baixa.
O fator de filtragem, r, varia entre 0 e 1.
4. Modulações Chaveadas
Para transmitir sinais por meio de rádio (ou por um modem), é necessário
modularmos uma portadora de RF com o sinal que desejamos transmitir. Existem
vários motivos para se usar uma portadora:
a) A freqüência do sinal de banda básica não é o suficiente para ser
transmitida, de forma eficiente por meio de antenas;
b) Precisamos designar uma nova freqüência para o sinal a ser
transmitido, tornando possível evitar a interferência com outros sinais de
banda básica iguais.
A modulação de uma portadora de RF por um sinal digital gera um sinal
modulado por chaveamento. Esse sinal chaveado transporta as informações por
meio da alteração da amplitude, freqüência ou fase do sinal modulado.
5. Modulação por Chaveamento de Amplitude – ASK
A modulação ASK utiliza um modulador semelhante ao AM, no qual a
variação da amplitude do sinal modulado indica o código do dado transmitido.
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As principais características da modulação por chaveamento de amplitude
são:
a) facilidade de modular e demodular;
b) pequena largura de faixa;
c) baixa imunidade a ruídos.
Devido às características citadas, a modulação por chaveamento de
amplitude é indicada nas situações em que exista pouco ruído para interferir na
recepção do sinal ou quando o baixo custo é essencial. Por isso, a modulação ASK
é utilizada em aplicações muito distintas:
a) transmissão via fibras ópticas, onde não existe ruído para interferir na
recepção do sinal;
b) transmissão de dados por infravermelhos, como os usados em algumas
calculadoras;
c) controle remoto por meio de raios infravermelhos, como os usados em
aparelhos de TV;
d) controle remoto por meio de radiofreqüência, como os usados para
ligar e desligar alarmes de carros, residências ou abrir portões.
5.1. Métodos de Obtenção
O sinal ASK pode ser obtido de duas maneiras:
a) pelo uso de modulador AM convencional ou
b) pelo uso de um modulador chaveado.
O uso de um modulador AM convencional é o método mais indicado para a
obtenção do sinal ASK. Isso ocorre porque fica mais fácil limitar a banda passante
do sinal modulante do que o sinal modulado. Já os moduladores chaveados não
respondem de maneira adequada aos sinais modulantes filtrados.
Veja na Figura 03 a estrutura básica de um modulador ASK. O filtro passa-
baixa corta os harmônicos do sinal modulante digital, reduzindo a largura de faixa do
sinal modulante. Em princípio, a frequência de corte do FPB deve ser igual à metade
da velocidade de modulação. O modulador de amplitude geral o sinal ASK a partir
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do sinal digital filtrado e do sinal senoidal proveniente do oscilador que irá determinar
a freqüência central do sinal ASK. A saída do modulador será um sinal ASK
contendo um par de faixas laterais.
Figura 03
A figura 04 mostra o formato de um sinal ASK.
Figura 04
5.2. Demodulação do Sinal ASK
A demodulação do sinal ASK pode ser feita por meio de um detector de
envoltória seguido por um filtro passa-baixa e um circuito de decisão, como
mostrado na figura 05.
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Figura 05
O detector de envoltória retifica o sinal ASK. Em seguida, o filtro passa-
baixo elimina o componente pulsante do sinal entregue pelo detector de envoltória,
recuperando o nível médio correspondente. Veja a figura 06. O circuito de decisão
compara o nível médio presente na saída do filtro passa-baixa com uma tensão de
referência, V2. Se o nível médio estiver acima do valor de referência, o circuito de
decisão coloca nível alto em sua saída. Caso o sinal na entrada do circuito de
decisão esteja abaixo da tensão de referência V1, a saída estará em nível baixo.
Figura 06
O uso de duas tensões de referência, V1 e V2, ajuda a reduzir os erros
causados por sinais, contendo ruídos. Se o ruídos no sinal ASK for menor do que a
metade do valor pico-a-pico do sinal, não haverá erro na decisão. Um disparador
schmmitt proporciona o mesmo tipo de proteção contra erros causados por ruídos.
6. Modulação por Chaveamento de Freqüência – FSK
A modulação por chaveamento de freqüência, FSK, apresenta como
principal característica à boa imunidade a ruídos, quando compara com a modulação
ASK. Como ponto negativo, a modulação FSK apresenta a maior largura de faixa
dentre as modulações chaveadas.
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A modulação FSK é utilizada em modems de baixa velocidade, ou seja,
com velocidade de transmissão igual ou menor que 1.200 bps. Também é usada na
transmissão de dados via rádio, ressaltando-se, por exemplo, a transmissão de
sinais de rádio-controle. Na telefonia celular, é empregada a modulação FSK para
transmissão de controle entre a estação rádio-base e o telefone celular, como ocorre
no sistema analógico AMPS.
A modulação FSK pode ser obtida pela aplicação do sinal digital, com a
banda de freqüência limitada, na entrada de um VCO. Veja a figura 07.
Figura 07
As variações de amplitude do sinal digital forçam o VCO a variar sua
freqüência entre dois valores diferentes. A freqüência correspondente ao bit 0 é
chamada de freqüência espaço e a correspondente ao bit 1, de freqüência marca.
Veja a figura 08.
Figura 08
A largura de faixa do sinal FSK depende da velocidade de transmissão e da
diferença entre as freqüências marca Fm, e o espaço, Fs. A equação 6 é usada para
o cálculo da largura de faixa do sinal FSK.
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BW(FSK)= Vm(1+r)+(Fm-Fs)
Onde: BW(FSK) = largura de faixa do sinal FSK, em Hz;
Vm = velocidade de transmissão; em bps;
R = fator de filtragem do filtro passa-baixa, em Hz;
Fm = freqüência marca, em Hz;
Fs = freqüência espaço, em Hz;
O desvio de freqüência utilizado, que é a diferença entre a freqüência
marca e a freqüência espaço, está relacionado com a velocidade de transmissão.
Normalmente, se usa um desvio de freqüência, Hz, entre a metade e o dobro da
velocidade de transmissão, em bps. Para uma velocidade de transmissão de 10
Kbps, podemos usar um desvio de freqüência entre 5 Khz e 20 Khz, por exemplo.
Quanto maior o desvio, maior será a largura de faixa ocupada e a imunidade contra
ruídos.
6.1. Demodulação do Sinal FSK
A demodulação do sinal FSK pode ser feito com o circuito mostrado na
Figura 09. O amplificador limitador tem a finalidade de amplificar o sinal FSK
aplicado na entrada do demodulador e eliminar as variações de amplitude e ruídos
eventualmente presentes, em ª Na saída do amplificador limitador, em b, teremos
um sinal de amplitude constante, que será aplicado aos FPFs dos circuitos marca e
espaço. O amplificador limitador é o maior responsável pela boa imunidade contra
ruídos da modulação FSK.
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Figura 09
Outra razão para a boa imunidade a ruídos deve-se ao modo como
funciona o circuito de decisão usado no demodulador. O circuito de decisão
determina o nível de saída em função da amplitude dos sinais em sua entrada,
pontos g e h. A saída irá para nível alto se a tensão no ponto g for mais elevada que
no ponto h. Caso contrário, a saída irá para nível baixo.
Quando a freqüência do sinal recebido for igual à freqüência espaço,
aparecerá sinal na saída do FPF do circuito espaço, d, o sinal será retificado, f, que
é filtrado pelo FPB, aparecendo uma tensão em h. Como a tensão em h será maior
que a em g, o circuito de decisão coloca a saída em nível baixo.
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Figura 10
7. Modulação por Chaveamento de Fase – PSK
A modulação por chaveamento de fase – PSK é a que apresenta a melhor
imunidade a ruídos e um significativo aumento da velocidade de transmissão,
quando usada uma codificação multibit na modulação. A largura de faixa ocupada é
a mesma de um sinal ASK.
A modulação PSK apresenta elevada imunidade contra ruídos, comparável,
nesse aspecto, com a modulação FSK, chegando mesmo a superá-la. Por esse
motivo e, também, devido à excelente velocidade e em rádios digitais. Na telefonia
celular digital, o PSK é largamente empregado, na modalidade DQPSK.
A forma mais simples de modulação PSK utiliza apenas duas fases para a
codificação do sinal. Normalmente, usa-se a fase 0° para transmitir o bit 1 e a fase
180° para transmitir o bit 0. A figura 11 exibe as formas de ondas correspondentes,
assim como a representação do sinal PSK por meio de uma constelação na qual
cada ponto no plano IQ identifica um sinal (símbolo) emitido.
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Figura 11
O Sinal PSK que possui apenas duas fases e na qual há inversão de fase
entre os símbolos é também chamado de sinal PRK, ou chaveamento por versão de
fase.
Obtenção do sinal PSK. O sinal PSK pode ser obtido por meio de um
modulador AM-DSB/SC pela aplicação do sinal modulante digital, com sua banda
limitada. A figura 12 mostra um modulador atenua 50%, na freqüência em hertz igual
à metade da velocidade de modulação simétrica em relação ao ponto de 50%.
Figura 12
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7.1. Demodulação do Sinal PSK
O sinal PSK exige o mesmo tipo de demodulador que o sinal AM-DSB/SC.
Assim, é necessária a aplicação de uma portadora de freqüência igual à utilizada no
modulador. Isso cria uma das grandes dificuldades da modulação PSK, que é a
regeneração da portadora a partir do sinal recebido. Uma das técnicas consiste em
multiplicar por 2 a freqüência do sinal PSK recebido, para suprimir as mudanças de
fase, aplicar o sinal multiplicado em um PLL, para filtrar as variações bruscas de
amplitude e fase que ocorrem nos momentos de transição e, finalmente, dividir por
dois a freqüência do PLL, obtendo a portadora regeneradora. A figura 13, ilustra o
processo.
Ambigüidade de Fase. A modulação PSK cria uma ambigüidade de fase, ou
seja, embora ela consiga distinguir as mudanças de fase que ocorrem no sinal
recebido, não consegue detectar a fase absoluta do sinal. Para superar essa
dificuldade, pode-se enviar uma seqüência conhecida de símbolos que torne
possível a determinação da fase verdadeira do sinal. Por isso, antes do início
transmissão dos dados, é emitida uma longa seqüência de bits 1, dando a
oportunidade ao PLL de ajustar sua fase. O problema, porém, permanece no caso
de ocorrer uma falha de comunicação no meio de transmissão. Nesse caso, será
perdida a sincronização. Esse problema é mais grave no caso dos rádios digitais,
porque a transmissão é contínua, não havendo a oportunidade para a transmissão
de sinais de sincronismos.
A solução definitiva para o problema da sincronização é a modulação por
chaveamento diferencial de fase, ou DPSK.
Figura 13
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8. Conclusão
No decorrer deste trabalho verificamos como foi possível a transmissão de
sinais digitais nos meios de comunicação a longa distância, cuja faixa de freqüência
da banda básica não é alta o suficiente para ser transmitida de forma eficiente por
meio de antenas. Como o advento da tecnologia digital, novos limites da
comunicação do sinal digital em sinal de radio freqüência na técnica que
conhecemos como Modulação. Ao analisarmos os mecanismos de modulação
concluímos que quanto mais a tecnologia avança através do aumento da quantidade
de informação a ser transmitida melhores são as técnicas de modulação para que
não haja perda ou distorções nos dados trafegados.
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9. Bibliografia
NACIMENTO, Juarez. Telecomunicações. 2. ed. São Paulo, SP:
Makron Books, 1992.