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Universidade do Estado do Rio de Janeiro Faculdade de Engenharia eleacutetrica
Trabalho de Princiacutepios de Telecomunicaccedilotildees I Resumo do capiacutetulo 12
Modulaccedilatildeo com sinais Digitais
Aluno Adriano Martins Moutinho Turma 01
Trabalho de Princiacutepios de Telecomunicaccedilotildees I
Universidade do Estado do Rio de Janeiro Trabalho de Princiacutepios de Telecomunicaccedilotildees I
Resumo do capiacutetulo 12 ndash Modulaccedilatildeo digital
Adriano Martins Moutinho Turma 01
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Trabalho de Princiacutepios de Telecomunicaccedilotildees I Resumo do capiacutetulo 12 ndash Modulaccedilatildeo digital
1) Introduccedilatildeo
Sinais digitais podem ser aplicados a moduladores PM AM e FM convencionais e o resultado desta modulaccedilatildeo eacute um sinal com certos estados fixos de fase amplitude e frequumlecircncia
Entatildeo convencionou-se chamar de PSK ASK e FSK os sistemas de modulaccedilatildeo PM AM e FM cujos sinais de entrada satildeo digitais Logicamente estes sinais modulados em ASK por exemplo podem ser gerados por um modulador AM em que na entrada eacute aplicado um sinal digital
Na saiacuteda deste modulador AM que agora chamamos de ASK teraacute um nuacutemero finito de amplitudes possiacuteveis para a portadora Isso eacute que caracteriza neste caso a modulaccedilatildeo digital
Modulaccedilatildeo AM com sinal digital ou ASK (Amplitude Shift Keying)
Utilizar moduladores analoacutegicos convencionais no entanto seria caro demais para a aplicaccedilatildeo desejada Jaacute que o que se deseja eacute que a portadora tenha uma certa amplitude para cada estado loacutegico pode-se perfeitamente usar-se um seletor controlado pelo sinal de entrada Quando o sinal de entrada for ldquo1rdquo por exemplo o sinal de saiacuteda eacute comutado por uma chave para que o mesmo possua uma certa amplitude A1 e quando o mesmo for ldquo0rdquo seraacute novamente comutado para que tenha uma amplitude menor igual a A0
Embora haja esta simplificaccedilatildeo no sistema transmissor o receptor necessita ser um pouco mais elaborado O sinal digital tende a gerar variaccedilotildees raacutepidas ou componentes de alta frequumlecircncia Como a banda de transmissatildeo eacute finita e ainda haacute a presenccedila de ruiacutedo o sinal recebido seraacute bem diferente do que fora transmitido Poreacutem como em qualquer transmissatildeo digital o sinal recebido poderaacute passar por um
ldquo1rdquo ldquo1rdquo
ldquo0rdquo ldquo0rdquo
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regenerador que ldquolimpardquo os ruiacutedos e restaura o aspecto original dentro de limites aceitaacuteveis de ruiacutedo
Sinal ASK detectado em um receptor AM convencional
e o sinal que eacute regenerado por circuitos de decisatildeo
Assim o sistema de modulaccedilatildeo digital deve ser composto da seguinte forma
A associaccedilatildeo de regeneradores permite que a modulaccedilatildeo digital trabalhe com niacuteveis maiores de ruiacutedo e distorccedilatildeo dos que satildeo aceitaacuteveis na modulaccedilatildeo analoacutegica Por isso existe cada vez uma maior procura por transmissatildeo digital 2) Modulaccedilatildeo digital em amplitude
Moduladores por amplitude satildeo frequumlentemente referidos como membros da
famiacutelia ASK Isso ocorre pois existem diferentes tipos de modulaccedilatildeo ASK bem como PSK e FSK Apresentaremos as mesmas agora
diams Famiacutelia ASK
A modulaccedilatildeo ASK pode conter apenas dois niacuteveis possiacuteveis de amplitude para a portadora caracterizando um sinal binaacuterio Se isto ocorrer assim como mostra a figura na paacutegina 2 temos uma modulaccedilatildeo BASK (Binary amplitude shift keying)
Se houver vaacuterios niacuteveis de amplitude possiacuteveis caracteriza-se um sinal MASK ou (multiple amplitude shift keying)
Fonte de
sinal digital
Seletor de
estados
Demodulador
analoacutegico
Regenerador
Circuito decisor
Sinal ASK
Canal Ruiacutedos e Distorccedilatildeo
Sinal Digital Recuperado
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Uma outra variaccedilatildeo possiacutevel para o sinal ASK bastante semelhante ao BASK eacute aquela que utiliza niacutevel zero de amplitude para quando o sinal modulante eacute ldquo0rdquo Este tipo de modulaccedilatildeo eacute conhecido como ON-OFF keying ou OOK Este tipo de modulaccedilatildeo eacute o mais importante na famiacutelia ASK
Os trecircs tipos baacutesicos de modulaccedilatildeo da famiacutelia ASK seratildeo discutidos a seguir bull Sinal MASK
O sinal mask tem m amplitudes possiacuteveis Este sinal pode ser obtido em uma seleccedilatildeocomutaccedilatildeo de vaacuterios divisores de tensatildeo possibilitando que a saiacuteda tenha diversos niacuteveis de amplitude possiacuteveis No caso mostrado abaixo o sinal digital possui 4 diferentes niacuteveis representados por dois bits cada
Como jaacute foi anteriormente comentado o ruiacutedo e a distorccedilatildeo do canal faratildeo com
que o sinal detectado seja diferente do apresentado acima (por linhas pontilhadas) Isso faz com que haja a necessidade de um decisorregenerador no receptor
A distribuiccedilatildeo dos niacuteveis de amplitude para cada niacutevel de sinal pode ou natildeo ser feita uniformemente Para que haja um melhor aproveitamento dos niacuteveis do decisor haacute uma necessidade de deixar as amplitudes as mais afastadas possiacuteveis umas das outras por isso daacute-se a preferecircncia por distribuiccedilotildees regulares e uniformes
Se representarmos as amplitudes da portadora fasorialmente podemos ter uma ideacuteia do trabalho do decisor
ldquo11rdquo ldquo10rdquo
ldquo00rdquo ldquo01rdquo
Sinal Mask ndash Quatro niacuteveis
BASK OOK
MASK Irregular MASK regular
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Os pontos satildeo as diferentes amplitudes que a portadora pode assumir e os ciacuterculos satildeo as aacutereas de indecisatildeo que poderatildeo provocar erros no sinal regenerado Comparando os diversos esquemas apresentados podemos definir que o sinal OOK eacute muito mais imune a erros que o BASK pois possui maior diferenccedila entre os estados
A irregularidade na distribuiccedilatildeo tambeacutem causa mais erros entre os estados 1 e 2 da figura referente ao MASK irregular existe uma distacircncia pequena o que causaraacute mais erros
Adicionalmente quando se aumenta o nuacutemero de bits transmitido ou seja o nuacutemero de estados e amplitudes mantendo-se a mesma potecircncia de transmissatildeo tambeacutem se diminui a distacircncia entre os ciacuterculos e consequumlentemente aumenta-se o erro no receptor bull Sinal BASK
O sinal bask eacute formado atraveacutes da modulaccedilatildeo de uma onda quadrada por uma portadora cossenoidal Se considerarmos a amplitude da portadora no niacutevel ldquo1rdquo como E1 e a amplitude da portadora no niacutevel ldquo0rdquo como E2 temos
t)(wE(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
02
01
cos0cos1sdot=sdot=
Podemos considerar entatildeo que em um sinal como o mostrado abaixo sendo a
quantidade de uns e zeros igualmente provaacutevel a amplitude meacutedia do sinal BASK seria igual agrave meacutedia das amplitudes E1 e E2
Ou seja em um sinal BASK
2)( 21
0EEMeacutediaE +
=
ldquo1rdquo ldquo1rdquo
ldquo0rdquo ldquo0rdquo
Sinal Bask - Iacutendice de modulaccedilatildeo lt 1
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Assim considerando que E0 eacute a meacutedia da amplitude do sinal BASK podemos obter o seu iacutendice de modulaccedilatildeo em funccedilatildeo das amplitudes E1 e E2
21
21
21
221
0
20
2
2
EEEEI
EE
EEE
EEE
EEI
m
m
+minus
=
+
minus+
=minus
=∆
=
Nota-se que para um sinal BASK o iacutendice de modulaccedilatildeo eacute menor que um pois o
valor de E1 eacute menor que o valor de E2 O espectro do sinal BASK pode ser conseguido considerando que a portadora eacute
uma cossenoacuteide cuja amplitude eacute multiplicada por uma onda quadrada ou seja
)cos()](1[)( 00 twtQIEt MBASK +=ψ
O espectro entatildeo seraacute a transformada de Fourier do sinal acima Considerando que a multiplicaccedilatildeo no tempo eacute a convoluccedilatildeo na frequumlecircncia e que uma onda quadrada tem transformada na forma de ww)sen( o espectro do sinal BASK pode ser representado por um sync ldquocortadordquo por diversos impulsos como mostrado a seguir
O espectro necessaacuterio para transmissatildeo deste sinal eacute a raia do centro e as duas
primeiras raias laterais Nessas raias estatildeo concentrados mais de 90 da potecircncia do sinal portanto a banda necessaacuteria para a transmissatildeo do sinal eacute a diferenccedila entre as frequumlecircncias das bandas laterais superiores e inferiores ou seja
E0
2E0IMπ 2E0IMπ
2E0IM3π 2E0IM3π
2E0IM5π 2E0IM5π
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
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wwwwwBWMIacuteN 2)()( 00 =minusminus+=
Onde w eacute a frequumlecircncia fundamental da onda quadrada Q(t) Analisando-se novamente a expressatildeo do sinal utilizando-se o teorema da
potecircncia para seacuteries de cossenos temos
t)Q(t)cos(wIEt)cos(wE(t)ψ 0M000BASK +=
Considerando apenas as bandas laterais
w]t))cos([w w]t)cos([w(2IEt)cos(wE(t)ψ 00
M000BASK minus+++=
A potecircncia do sinal BASK eacute
2IE
24IE
4IE
2
2M
20
20
2M
20
2M
20
20 +=++=
EEPT
bull Sinal OOK
Considera-se o sinal OOK como um caso particular do BASK para IM igual a 1 Este sistema eacute o mais simples e o mais antigo dos sistemas de modulaccedilatildeo digital Pode-se modular um sinal em OOK dispondo-se simplesmente de um oscilador e de um comutador que iraacute cortar a portadora quando o sinal digital for ldquo0rdquo e deixar passar quando for ldquo1rdquo O sinal OOK pode ser visualizado abaixo
Obviamente todos os resultados obtidos no BASK podem ser aplicados
diretamente no OOK Apenas considera-se E2 como zero A banda miacutenima necessaacuteria para a transmissatildeo eacute a mesma duas vezes a frequumlecircncia fundamental da onda quadrada
ldquo1rdquo
ldquo0rdquo ldquo0rdquo
ldquo1rdquo
Sinal OOK - Iacutendice de modulaccedilatildeo = 1
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wBWMIacuteN 2=
Na praacutetica por exemplo nos sistemas telegraacuteficos utiliza-se uma banda 3 a 5 vezes maior que a banda miacutenima Isso se deve ao fato de que para receber um sinal com banda miacutenima necessita-se de filtros ideais ou quase ideais O aumento da banda simplifica o projeto do filtro passa-faixas do receptor
Pode-se obter a potecircncia de um sinal OOK substituindo-se IM=1 na foacutermula da potecircncia do sinal BASK Tem-se assim
2
0
20
20
22EEEPT =+=
Pode-se notar que o sinal OOK eacute mais eficiente que o sinal BASK convencional
Ocorre o mesmo que na modulaccedilatildeo AM convencional haacute um maacuteximo de eficiecircncia quando o iacutendice de modulaccedilatildeo eacute 1
Sinais OOK tecircm sua aplicaccedilatildeo principalmente em sinais telegraacuteficos Quando demodulado o sinal restaurado eacute uma sequumlecircncia de pulsos DC que pode natildeo ser adequada para recepccedilatildeo auditiva
Duas opccedilotildees podem ser usadas para corrigir este problema Ou um releacute comuta o oscilador local ou modula-se o sinal OOK com um sinal de aacuteudio
Quando se modula o sinal OOK novamente ou seja faz-se uma modulaccedilatildeo composta o sinal resultante eacute um sync principal e dois outros syncs menores servindo como bandas laterais Este espectro pode ser visualizado a seguir
Deve-se tomar cuidado na escolha de w0 e wA para que natildeo haja superposiccedilatildeo dos
espectros
bull Demoduladores ASK
Pode-se usar qualquer demodulador analoacutegico como o detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona Entretanto este uacuteltimo possuiacute melhor desempenho em sistemas ruidosos e em casos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo eacute muito baixa deve ser o mais utilizado
w0-wA w0 w0+wA
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3) Modulaccedilatildeo angular ndash Famiacutelias PSK e FSK
Um sinal digital pode ser tambeacutem aplicado em um gerador PM ou FM dando origem aos sinais PSK (Phase Shift Keying) e FSK (Frequency Shift Keying)
De forma anaacuteloga aos sinais da famiacutelia ASK os sinais PSKFSK podem ser obtidos atraveacutes de seleccedilatildeo ou comutaccedilatildeo de diferentes fontes No caso do FSK dois geradores de frequumlecircncias distintas satildeo selecionados de acordo com a entrada digital (ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo)
Jaacute o PSK pode ser obtido por processo semelhante Quando a entrada digital eacute ldquo1rdquo por exemplo o sinal de um gerador eacute colocado na saiacuteda do modulador e quando a entrada digital eacute ldquo0rdquo o sinal do gerador eacute passado por um circuito que defasa o sinal e soacute entatildeo eacute colocado na saiacuteda
O diagrama em blocos de um modulador PSK e FSK eacute mostrado abaixo
Modulador FSK Modulador PSK
Assim durante o intervalo de tempo em que o sinal digital manteacutem um valor seja ele ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo a saiacuteda estaraacute apresentando uma senoacuteide pura Isso daacute caracteriacutesticas diferentes aos sinais FSKPSK em relaccedilatildeo aos sinais FMPM
Podemos perceber que um sinal digital modulado angularmente pode ser simplificado por somas de sinais OOK modulados opostamente isto eacute modulando com uma amplitude natildeo nula para os uns e nula para os zeros em uma e o contraacuterio na outra
Se um dos sinais OOK possuir uma certa frequumlecircncia e o outro oposto possuir outra frequumlecircncia a soma destes dois sinais eacute igual a um sinal FSK O mesmo ocorre para os sinais PSK neste caso os sinais OOK precisaratildeo ter fases diferentes
~
~
W1
W2
~W1
Defasador
Sinal digital de entrada
Sinal digital de entrada
Sinal OOK Frequumlecircncia W1
Sinal OOK oposto Frequumlecircncia W2
Sinal FSK gerado com a soma dos dois sinais OOK
+ =
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diams Famiacutelia FSK
Analogamente agrave famiacutelia ASK os sinais FSK satildeo classificados de acordo com o sinal digital que entra no sistema Ocorrem as mesmas variaccedilotildees do ASK como o BFSK (anaacutelogo ao BASK) e o MFSK (anaacutelogo ao MASK) bull Sinal MFSK
O sinal MFSK eacute composto por vaacuterias frequumlecircncias diferentes cada uma usada para codificar um determinado estado Como existem m estados no sistema haveraacute m frequumlecircncias diferentes no MFSK
No receptor existe um filtro para cada um dos m estados na saiacuteda de cada filtro haveraacute ruiacutedos a natildeo ser naquele que estiver recebendo a frequumlecircncia correta Todas as saiacutedas dos filtros entram em um regenerador que restitui o sinal original
Modulador e Receptor MFSK
O sinal MFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MFSK
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
~
~
W3
W4
FiltroW1
FiltroW2
FiltroW3
FiltroW4
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Assim como no sinal MASK a distribuiccedilatildeo espectral uniforme das frequumlecircncias que geram o sinal MFSK propicia um melhor aproveitamento do espectro e consequentemente uma simplificaccedilatildeo nos projetos dos filtros do receptor alem de um melhor discernimento no moacutedulo decisorregenerador
bull Sinal BFSK
O sinal BFSK eacute anaacutelogo ao BASK e um caso particular do MFSK para dois estados possiacuteveis somente O sinal BFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Binaacuterio Sinal BFSK O sistema de modulaccedilatildeodemodulaccedilatildeo eacute idecircntico ao do MFSK poreacutem apenas com
dois geradores no modulador e dois sistemas filtrodetector de envoltoacuteria Para determinarmos o espectro do sinal BFSK usaremos o artifiacutecio de dividi-lo
em dois sinais OOK conforme dito anteriormente Se em cada estado do sinal de entrada temos uma determinada frequumlecircncia entatildeo
temos
t)(wE(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20
10
cos0cos1sdot=sdot=
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
FiltroW1
FiltroW2
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Considerando Wd como um desvio igual a semidiferenccedila entre as frequumlecircncias
22
][cos0][cos1
210
21
00
00
wwwewwwOnde
t)ww(E(t)E Estadot)ww(E(t) E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
+=
minus=
minussdot=+sdot=
Assim se o sinal BFSK eacute a soma de dois sinais OOK1 e OOK2 Analisemos agora
o sinal OOK1
00cos1 10
=sdot=
(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Como o sinal acima eacute idecircntico ao apresentado na sessatildeo de sinais BASK o
espectro do sinal eacute tambeacutem idecircntico ou seja um sync cortado por diversos impulsos O sinal OOK2 eacute definido da seguinte forma
t)(wE(t)E Estado(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20 cos001
sdot==
Considerando o sinal de entrada uma onda quadrada de periacuteodo T ou seja
alternando igualmente zeros e uns o sinal de entrada de OOK2 eacute igual ao sinal de entrada de OOK1 mas com um retardo de T2
A transformada de Fourier do sinal de entrada de OOK2 seraacute igual ao de OOK1 multiplicada por uma componente exponencial com argumento complexo de acordo com a propriedade do deslocamento no tempo Considerando Q1(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK1 e Q2(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK2 temos
2
12 )()( jwTewQwQ minussdot=
Isso faraacute com que o espectro de Q2 e consequentemente o espectro de OOK2 seja igual ao de OOK1 poreacutem com todas as suas componentes invertidas em 180ordm a exceccedilatildeo obviamente do valor DC
Quando somamos os dois espectros o de OOK2 e o de OOK1 temos como resultado o espectro do BFSK equivalente Este espectro consiste em dois syncs cortados por impulsos sendo que um deles tem todas as suas componentes invertidas 180ordm como mostra a figura abaixo
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Espectro de um sinal BFSK ndash gerado a partir de dois sinais OOK
Sabendo-se o espectro do sinal BFSK podemos determinar a sua largura de banda
miacutenima de transmissatildeo De acordo com a figura acima a banda para transmissatildeo do sinal deve conter pelo menos a portadora principal em w1 e w2 e as duas bandas laterais de cada Dessa forma
wwwwwwwBW 2)()( 2121 ++=minusminus+=
Considerando 2
12 ww minus como o desvio wd de frequumlecircncia do sinal BFSK a
foacutermula acima pode ser escrita
2
)(2
21 wwwonde
wwB
D
DW
minus=
+sdot=
bull Demoduladores FSK
Para modular um sinal da famiacutelia FSK pode-se usar um modulador FM convencional ou um seletor de frequumlecircncias
Este seletor de frequumlecircncias pode ser montado com um circuito de chaves que comutam osciladores independentes conforme mostrado anteriormente Poreacutem este tipo de montagem eacute pouco praacutetico sendo preferiacutevel montar um circuito com apenas um gerador e multiplicadores de frequumlecircncias chaveados pelo circuito seletor
Outra soluccedilatildeo frequumlentemente adotada eacute a utilizaccedilatildeo de um circuito LC oscilador em que chaves seletoras adicionam mais ou menos capacitacircncia de acordo com a frequumlecircncia que se deseja gerar para cada estado
w2-3w w2 w2+3w w1-w w1 w1+w
w2-w w2+w w1-3w w1+3w
Banda de Passagem miacutenima
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Exemplo de modulador FSK com circuito Oscilador LC e chaveamento de capacitores
Jaacute a demodulaccedilatildeo do sinal FSK pode ser feita por um demodulador FM
convencional onde se adiciona obviamente um decisorregenerador para recuperar o sinal digital original Poreacutem essa situaccedilatildeo poderaacute ser bastante complicada no caso do sinal MFSK com muitos niacuteveis
Neste caso prefere-se usar filtros para decompor o sinal FSK em vaacuterios sinais OOK e a seguir demodular com detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona A saiacuteda de cada demodulador OOK entra em um decisorregenerador para novamente poder recuperar o sinal digital original
Embora complicada a demodulaccedilatildeo baseada em dividir o sinal FSK em vaacuterios OOK gera uma maior relaccedilatildeo sinalruiacutedo Isto ocorre pois os filtros que separam os sinais OOK possuem um menor faixa de passagem deixando menos ruiacutedo entrar no sistema sendo o preferido para demodular sinais de dados de alta velocidade
No caso do demodulador FM convencional a faixa de passagem do mesmo teria que ser bem maior aumento o ruiacutedo captado Mesmo assim devido a ser mais vantajoso economicamente eacute usado em sistemas telegraacuteficos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo natildeo eacute criacutetica diams Famiacutelia PSK
Exatamente como no ASK e no FSK os sinais da famiacutelia PSK satildeo divididos da mesma forma Quando o sinal de entrada eacute digital binaacuterio o sistema se chama BPSK Quando o sinal de entrada eacute digital multiniacutevel chamamos o sistema de MPSK
O sinal BPSK eacute conhecido tambeacutem como PRK (Phase reversal Keying) Isso ocorre pois no BPSK a fase da portadora eacute invertida quando se muda o estado loacutegico de ldquo0rdquo para ldquo1rdquo ou vice versa
Ainda existem outros elementos da famiacutelia PSK que se diferenciam nos modos de detecccedilatildeo das diferenccedilas de fase Satildeo os sinais CPSK e DPSK como seraacute visto mais adiante
C3L1
SW2SW1
C2 C1
Sinal de entrada
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bull Sinal MPSK
O sinal MPSK possui uma codificaccedilatildeo onde cada niacutevel do sinal digital de entrada representa uma fase diferente da portadora Um exemplo deste sinal eacute mostrado abaixo Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MPSK
No receptor usa-se detectores de fase para cada fase codificada As saiacutedas destes
detectores seratildeo levadas aos decisores e regeneradores sendo que a saiacuteda seraacute maacutexima no detector que estiver recebendo a portadora em fase com a referencia local
Um esquema de transmissatildeo e recepccedilatildeo MPSK com quatro niacuteveis eacute mostrado abaixo sua configuraccedilatildeo eacute bastante parecida com o MFSK poreacutem a grandeza variada na chave seletora eacute a fase natildeo a frequumlecircncia
~ W0
Sinal digital de entrada
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal φ1
φ2
φ3
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
~ W0
φ1
φ2
φ3
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A representaccedilatildeo fasorial do sinal PSK pode dar uma ideacuteia da capacidade de discernimento que o sistema de demodulaccedilatildeo precisa ter para ser capaz de restaurar o sinal original
Da mesma forma que foi feita nos sistemas ASK os ciacuterculos representam os intervalos de indecisatildeo
PSK Irregular ndash 0ordm e 90ordm
PSK regular ndash 0ordm 90ordm 180ordm e 270ordm PSK irregular
Exatamente como no esquema ASK a modulaccedilatildeo PSK regular tem vantagens em relaccedilatildeo ao irregular pois facilita na identificaccedilatildeo das fases fazendo com que as mesmas fiquem as mais distantes possiacuteveis umas das outras
Adicionalmente quanto maior for a amplitude da portadora melhor seraacute a capacidade do receptor de discernir entre os estados loacutegicos As duas figuras abaixo mostram essa peculiaridade aplicada em uma modulaccedilatildeo PSK regular de 8 estados
PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos Amplitude normal Amplitude Baixa
PRK PSK com 0ordm e 180ordm
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bull BPSK
O sinal BPSK eacute similar ao BASK e ao BFSK ou seja admite apenas dois estados loacutegicos do sinal de entrada ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo Para cada um deles no BPSK a portadora possui uma fase distinta
O BPSK eacute um caso particular do MPSK Normalmente para facilitar o trabalho do circuito decisor satildeo usadas as fases 0ordm e 180ordm para representar os niacuteveis loacutegicos fazendo com que os mesmos possuam a melhor distacircncia possiacutevel O sinal BPSK eacute mostrado abaixo
Sinal Digital Sinal BPSK
Procedendo da mesma forma usada no BFSK ou seja dividindo o sinal BPSK em dois sinais OOK com fases diferentes poderemos chegar ao graacutefico do espectro do sinal BPSK Assim
)cos0
cos1
200
100
φ
φ
+sdot=
+sdot=
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Considerando Φ0 como a fase inicial da portadora e ΦD como o desvio de fase as
expressotildees acima podem ser reescritas como
22
)cos0
cos1
210
21
000
000
φφφφφφ
φφ
φφ
+=
minus=
+minussdot=
++sdot=
eOnde
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
O sinal OOK1 seraacute exatamente igual ao caso do OOK convencional ou seja um
sinc centrado em W0 e cortado por diversos impulsos mostrado na paacutegina 6 Poreacutem haveraacute uma diferenccedila pois agora existe uma defasagem de Φ0+ΦD Assim apareceraacute uma exponencial com expoente complexo multiplicando o espectro OOK
j
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )(
10
1)()( φφ +sdot=
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Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
1
)()(21
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
jWOOK
eeWOOK
WBFSKWOOKWOOKDD
φ
φφ
sdot=
minussdot=
==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
1
)()(
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
φφ
sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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1) Introduccedilatildeo
Sinais digitais podem ser aplicados a moduladores PM AM e FM convencionais e o resultado desta modulaccedilatildeo eacute um sinal com certos estados fixos de fase amplitude e frequumlecircncia
Entatildeo convencionou-se chamar de PSK ASK e FSK os sistemas de modulaccedilatildeo PM AM e FM cujos sinais de entrada satildeo digitais Logicamente estes sinais modulados em ASK por exemplo podem ser gerados por um modulador AM em que na entrada eacute aplicado um sinal digital
Na saiacuteda deste modulador AM que agora chamamos de ASK teraacute um nuacutemero finito de amplitudes possiacuteveis para a portadora Isso eacute que caracteriza neste caso a modulaccedilatildeo digital
Modulaccedilatildeo AM com sinal digital ou ASK (Amplitude Shift Keying)
Utilizar moduladores analoacutegicos convencionais no entanto seria caro demais para a aplicaccedilatildeo desejada Jaacute que o que se deseja eacute que a portadora tenha uma certa amplitude para cada estado loacutegico pode-se perfeitamente usar-se um seletor controlado pelo sinal de entrada Quando o sinal de entrada for ldquo1rdquo por exemplo o sinal de saiacuteda eacute comutado por uma chave para que o mesmo possua uma certa amplitude A1 e quando o mesmo for ldquo0rdquo seraacute novamente comutado para que tenha uma amplitude menor igual a A0
Embora haja esta simplificaccedilatildeo no sistema transmissor o receptor necessita ser um pouco mais elaborado O sinal digital tende a gerar variaccedilotildees raacutepidas ou componentes de alta frequumlecircncia Como a banda de transmissatildeo eacute finita e ainda haacute a presenccedila de ruiacutedo o sinal recebido seraacute bem diferente do que fora transmitido Poreacutem como em qualquer transmissatildeo digital o sinal recebido poderaacute passar por um
ldquo1rdquo ldquo1rdquo
ldquo0rdquo ldquo0rdquo
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regenerador que ldquolimpardquo os ruiacutedos e restaura o aspecto original dentro de limites aceitaacuteveis de ruiacutedo
Sinal ASK detectado em um receptor AM convencional
e o sinal que eacute regenerado por circuitos de decisatildeo
Assim o sistema de modulaccedilatildeo digital deve ser composto da seguinte forma
A associaccedilatildeo de regeneradores permite que a modulaccedilatildeo digital trabalhe com niacuteveis maiores de ruiacutedo e distorccedilatildeo dos que satildeo aceitaacuteveis na modulaccedilatildeo analoacutegica Por isso existe cada vez uma maior procura por transmissatildeo digital 2) Modulaccedilatildeo digital em amplitude
Moduladores por amplitude satildeo frequumlentemente referidos como membros da
famiacutelia ASK Isso ocorre pois existem diferentes tipos de modulaccedilatildeo ASK bem como PSK e FSK Apresentaremos as mesmas agora
diams Famiacutelia ASK
A modulaccedilatildeo ASK pode conter apenas dois niacuteveis possiacuteveis de amplitude para a portadora caracterizando um sinal binaacuterio Se isto ocorrer assim como mostra a figura na paacutegina 2 temos uma modulaccedilatildeo BASK (Binary amplitude shift keying)
Se houver vaacuterios niacuteveis de amplitude possiacuteveis caracteriza-se um sinal MASK ou (multiple amplitude shift keying)
Fonte de
sinal digital
Seletor de
estados
Demodulador
analoacutegico
Regenerador
Circuito decisor
Sinal ASK
Canal Ruiacutedos e Distorccedilatildeo
Sinal Digital Recuperado
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Uma outra variaccedilatildeo possiacutevel para o sinal ASK bastante semelhante ao BASK eacute aquela que utiliza niacutevel zero de amplitude para quando o sinal modulante eacute ldquo0rdquo Este tipo de modulaccedilatildeo eacute conhecido como ON-OFF keying ou OOK Este tipo de modulaccedilatildeo eacute o mais importante na famiacutelia ASK
Os trecircs tipos baacutesicos de modulaccedilatildeo da famiacutelia ASK seratildeo discutidos a seguir bull Sinal MASK
O sinal mask tem m amplitudes possiacuteveis Este sinal pode ser obtido em uma seleccedilatildeocomutaccedilatildeo de vaacuterios divisores de tensatildeo possibilitando que a saiacuteda tenha diversos niacuteveis de amplitude possiacuteveis No caso mostrado abaixo o sinal digital possui 4 diferentes niacuteveis representados por dois bits cada
Como jaacute foi anteriormente comentado o ruiacutedo e a distorccedilatildeo do canal faratildeo com
que o sinal detectado seja diferente do apresentado acima (por linhas pontilhadas) Isso faz com que haja a necessidade de um decisorregenerador no receptor
A distribuiccedilatildeo dos niacuteveis de amplitude para cada niacutevel de sinal pode ou natildeo ser feita uniformemente Para que haja um melhor aproveitamento dos niacuteveis do decisor haacute uma necessidade de deixar as amplitudes as mais afastadas possiacuteveis umas das outras por isso daacute-se a preferecircncia por distribuiccedilotildees regulares e uniformes
Se representarmos as amplitudes da portadora fasorialmente podemos ter uma ideacuteia do trabalho do decisor
ldquo11rdquo ldquo10rdquo
ldquo00rdquo ldquo01rdquo
Sinal Mask ndash Quatro niacuteveis
BASK OOK
MASK Irregular MASK regular
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Os pontos satildeo as diferentes amplitudes que a portadora pode assumir e os ciacuterculos satildeo as aacutereas de indecisatildeo que poderatildeo provocar erros no sinal regenerado Comparando os diversos esquemas apresentados podemos definir que o sinal OOK eacute muito mais imune a erros que o BASK pois possui maior diferenccedila entre os estados
A irregularidade na distribuiccedilatildeo tambeacutem causa mais erros entre os estados 1 e 2 da figura referente ao MASK irregular existe uma distacircncia pequena o que causaraacute mais erros
Adicionalmente quando se aumenta o nuacutemero de bits transmitido ou seja o nuacutemero de estados e amplitudes mantendo-se a mesma potecircncia de transmissatildeo tambeacutem se diminui a distacircncia entre os ciacuterculos e consequumlentemente aumenta-se o erro no receptor bull Sinal BASK
O sinal bask eacute formado atraveacutes da modulaccedilatildeo de uma onda quadrada por uma portadora cossenoidal Se considerarmos a amplitude da portadora no niacutevel ldquo1rdquo como E1 e a amplitude da portadora no niacutevel ldquo0rdquo como E2 temos
t)(wE(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
02
01
cos0cos1sdot=sdot=
Podemos considerar entatildeo que em um sinal como o mostrado abaixo sendo a
quantidade de uns e zeros igualmente provaacutevel a amplitude meacutedia do sinal BASK seria igual agrave meacutedia das amplitudes E1 e E2
Ou seja em um sinal BASK
2)( 21
0EEMeacutediaE +
=
ldquo1rdquo ldquo1rdquo
ldquo0rdquo ldquo0rdquo
Sinal Bask - Iacutendice de modulaccedilatildeo lt 1
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Assim considerando que E0 eacute a meacutedia da amplitude do sinal BASK podemos obter o seu iacutendice de modulaccedilatildeo em funccedilatildeo das amplitudes E1 e E2
21
21
21
221
0
20
2
2
EEEEI
EE
EEE
EEE
EEI
m
m
+minus
=
+
minus+
=minus
=∆
=
Nota-se que para um sinal BASK o iacutendice de modulaccedilatildeo eacute menor que um pois o
valor de E1 eacute menor que o valor de E2 O espectro do sinal BASK pode ser conseguido considerando que a portadora eacute
uma cossenoacuteide cuja amplitude eacute multiplicada por uma onda quadrada ou seja
)cos()](1[)( 00 twtQIEt MBASK +=ψ
O espectro entatildeo seraacute a transformada de Fourier do sinal acima Considerando que a multiplicaccedilatildeo no tempo eacute a convoluccedilatildeo na frequumlecircncia e que uma onda quadrada tem transformada na forma de ww)sen( o espectro do sinal BASK pode ser representado por um sync ldquocortadordquo por diversos impulsos como mostrado a seguir
O espectro necessaacuterio para transmissatildeo deste sinal eacute a raia do centro e as duas
primeiras raias laterais Nessas raias estatildeo concentrados mais de 90 da potecircncia do sinal portanto a banda necessaacuteria para a transmissatildeo do sinal eacute a diferenccedila entre as frequumlecircncias das bandas laterais superiores e inferiores ou seja
E0
2E0IMπ 2E0IMπ
2E0IM3π 2E0IM3π
2E0IM5π 2E0IM5π
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
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wwwwwBWMIacuteN 2)()( 00 =minusminus+=
Onde w eacute a frequumlecircncia fundamental da onda quadrada Q(t) Analisando-se novamente a expressatildeo do sinal utilizando-se o teorema da
potecircncia para seacuteries de cossenos temos
t)Q(t)cos(wIEt)cos(wE(t)ψ 0M000BASK +=
Considerando apenas as bandas laterais
w]t))cos([w w]t)cos([w(2IEt)cos(wE(t)ψ 00
M000BASK minus+++=
A potecircncia do sinal BASK eacute
2IE
24IE
4IE
2
2M
20
20
2M
20
2M
20
20 +=++=
EEPT
bull Sinal OOK
Considera-se o sinal OOK como um caso particular do BASK para IM igual a 1 Este sistema eacute o mais simples e o mais antigo dos sistemas de modulaccedilatildeo digital Pode-se modular um sinal em OOK dispondo-se simplesmente de um oscilador e de um comutador que iraacute cortar a portadora quando o sinal digital for ldquo0rdquo e deixar passar quando for ldquo1rdquo O sinal OOK pode ser visualizado abaixo
Obviamente todos os resultados obtidos no BASK podem ser aplicados
diretamente no OOK Apenas considera-se E2 como zero A banda miacutenima necessaacuteria para a transmissatildeo eacute a mesma duas vezes a frequumlecircncia fundamental da onda quadrada
ldquo1rdquo
ldquo0rdquo ldquo0rdquo
ldquo1rdquo
Sinal OOK - Iacutendice de modulaccedilatildeo = 1
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wBWMIacuteN 2=
Na praacutetica por exemplo nos sistemas telegraacuteficos utiliza-se uma banda 3 a 5 vezes maior que a banda miacutenima Isso se deve ao fato de que para receber um sinal com banda miacutenima necessita-se de filtros ideais ou quase ideais O aumento da banda simplifica o projeto do filtro passa-faixas do receptor
Pode-se obter a potecircncia de um sinal OOK substituindo-se IM=1 na foacutermula da potecircncia do sinal BASK Tem-se assim
2
0
20
20
22EEEPT =+=
Pode-se notar que o sinal OOK eacute mais eficiente que o sinal BASK convencional
Ocorre o mesmo que na modulaccedilatildeo AM convencional haacute um maacuteximo de eficiecircncia quando o iacutendice de modulaccedilatildeo eacute 1
Sinais OOK tecircm sua aplicaccedilatildeo principalmente em sinais telegraacuteficos Quando demodulado o sinal restaurado eacute uma sequumlecircncia de pulsos DC que pode natildeo ser adequada para recepccedilatildeo auditiva
Duas opccedilotildees podem ser usadas para corrigir este problema Ou um releacute comuta o oscilador local ou modula-se o sinal OOK com um sinal de aacuteudio
Quando se modula o sinal OOK novamente ou seja faz-se uma modulaccedilatildeo composta o sinal resultante eacute um sync principal e dois outros syncs menores servindo como bandas laterais Este espectro pode ser visualizado a seguir
Deve-se tomar cuidado na escolha de w0 e wA para que natildeo haja superposiccedilatildeo dos
espectros
bull Demoduladores ASK
Pode-se usar qualquer demodulador analoacutegico como o detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona Entretanto este uacuteltimo possuiacute melhor desempenho em sistemas ruidosos e em casos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo eacute muito baixa deve ser o mais utilizado
w0-wA w0 w0+wA
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3) Modulaccedilatildeo angular ndash Famiacutelias PSK e FSK
Um sinal digital pode ser tambeacutem aplicado em um gerador PM ou FM dando origem aos sinais PSK (Phase Shift Keying) e FSK (Frequency Shift Keying)
De forma anaacuteloga aos sinais da famiacutelia ASK os sinais PSKFSK podem ser obtidos atraveacutes de seleccedilatildeo ou comutaccedilatildeo de diferentes fontes No caso do FSK dois geradores de frequumlecircncias distintas satildeo selecionados de acordo com a entrada digital (ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo)
Jaacute o PSK pode ser obtido por processo semelhante Quando a entrada digital eacute ldquo1rdquo por exemplo o sinal de um gerador eacute colocado na saiacuteda do modulador e quando a entrada digital eacute ldquo0rdquo o sinal do gerador eacute passado por um circuito que defasa o sinal e soacute entatildeo eacute colocado na saiacuteda
O diagrama em blocos de um modulador PSK e FSK eacute mostrado abaixo
Modulador FSK Modulador PSK
Assim durante o intervalo de tempo em que o sinal digital manteacutem um valor seja ele ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo a saiacuteda estaraacute apresentando uma senoacuteide pura Isso daacute caracteriacutesticas diferentes aos sinais FSKPSK em relaccedilatildeo aos sinais FMPM
Podemos perceber que um sinal digital modulado angularmente pode ser simplificado por somas de sinais OOK modulados opostamente isto eacute modulando com uma amplitude natildeo nula para os uns e nula para os zeros em uma e o contraacuterio na outra
Se um dos sinais OOK possuir uma certa frequumlecircncia e o outro oposto possuir outra frequumlecircncia a soma destes dois sinais eacute igual a um sinal FSK O mesmo ocorre para os sinais PSK neste caso os sinais OOK precisaratildeo ter fases diferentes
~
~
W1
W2
~W1
Defasador
Sinal digital de entrada
Sinal digital de entrada
Sinal OOK Frequumlecircncia W1
Sinal OOK oposto Frequumlecircncia W2
Sinal FSK gerado com a soma dos dois sinais OOK
+ =
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diams Famiacutelia FSK
Analogamente agrave famiacutelia ASK os sinais FSK satildeo classificados de acordo com o sinal digital que entra no sistema Ocorrem as mesmas variaccedilotildees do ASK como o BFSK (anaacutelogo ao BASK) e o MFSK (anaacutelogo ao MASK) bull Sinal MFSK
O sinal MFSK eacute composto por vaacuterias frequumlecircncias diferentes cada uma usada para codificar um determinado estado Como existem m estados no sistema haveraacute m frequumlecircncias diferentes no MFSK
No receptor existe um filtro para cada um dos m estados na saiacuteda de cada filtro haveraacute ruiacutedos a natildeo ser naquele que estiver recebendo a frequumlecircncia correta Todas as saiacutedas dos filtros entram em um regenerador que restitui o sinal original
Modulador e Receptor MFSK
O sinal MFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MFSK
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
~
~
W3
W4
FiltroW1
FiltroW2
FiltroW3
FiltroW4
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Assim como no sinal MASK a distribuiccedilatildeo espectral uniforme das frequumlecircncias que geram o sinal MFSK propicia um melhor aproveitamento do espectro e consequentemente uma simplificaccedilatildeo nos projetos dos filtros do receptor alem de um melhor discernimento no moacutedulo decisorregenerador
bull Sinal BFSK
O sinal BFSK eacute anaacutelogo ao BASK e um caso particular do MFSK para dois estados possiacuteveis somente O sinal BFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Binaacuterio Sinal BFSK O sistema de modulaccedilatildeodemodulaccedilatildeo eacute idecircntico ao do MFSK poreacutem apenas com
dois geradores no modulador e dois sistemas filtrodetector de envoltoacuteria Para determinarmos o espectro do sinal BFSK usaremos o artifiacutecio de dividi-lo
em dois sinais OOK conforme dito anteriormente Se em cada estado do sinal de entrada temos uma determinada frequumlecircncia entatildeo
temos
t)(wE(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20
10
cos0cos1sdot=sdot=
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
FiltroW1
FiltroW2
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Considerando Wd como um desvio igual a semidiferenccedila entre as frequumlecircncias
22
][cos0][cos1
210
21
00
00
wwwewwwOnde
t)ww(E(t)E Estadot)ww(E(t) E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
+=
minus=
minussdot=+sdot=
Assim se o sinal BFSK eacute a soma de dois sinais OOK1 e OOK2 Analisemos agora
o sinal OOK1
00cos1 10
=sdot=
(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Como o sinal acima eacute idecircntico ao apresentado na sessatildeo de sinais BASK o
espectro do sinal eacute tambeacutem idecircntico ou seja um sync cortado por diversos impulsos O sinal OOK2 eacute definido da seguinte forma
t)(wE(t)E Estado(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20 cos001
sdot==
Considerando o sinal de entrada uma onda quadrada de periacuteodo T ou seja
alternando igualmente zeros e uns o sinal de entrada de OOK2 eacute igual ao sinal de entrada de OOK1 mas com um retardo de T2
A transformada de Fourier do sinal de entrada de OOK2 seraacute igual ao de OOK1 multiplicada por uma componente exponencial com argumento complexo de acordo com a propriedade do deslocamento no tempo Considerando Q1(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK1 e Q2(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK2 temos
2
12 )()( jwTewQwQ minussdot=
Isso faraacute com que o espectro de Q2 e consequentemente o espectro de OOK2 seja igual ao de OOK1 poreacutem com todas as suas componentes invertidas em 180ordm a exceccedilatildeo obviamente do valor DC
Quando somamos os dois espectros o de OOK2 e o de OOK1 temos como resultado o espectro do BFSK equivalente Este espectro consiste em dois syncs cortados por impulsos sendo que um deles tem todas as suas componentes invertidas 180ordm como mostra a figura abaixo
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Espectro de um sinal BFSK ndash gerado a partir de dois sinais OOK
Sabendo-se o espectro do sinal BFSK podemos determinar a sua largura de banda
miacutenima de transmissatildeo De acordo com a figura acima a banda para transmissatildeo do sinal deve conter pelo menos a portadora principal em w1 e w2 e as duas bandas laterais de cada Dessa forma
wwwwwwwBW 2)()( 2121 ++=minusminus+=
Considerando 2
12 ww minus como o desvio wd de frequumlecircncia do sinal BFSK a
foacutermula acima pode ser escrita
2
)(2
21 wwwonde
wwB
D
DW
minus=
+sdot=
bull Demoduladores FSK
Para modular um sinal da famiacutelia FSK pode-se usar um modulador FM convencional ou um seletor de frequumlecircncias
Este seletor de frequumlecircncias pode ser montado com um circuito de chaves que comutam osciladores independentes conforme mostrado anteriormente Poreacutem este tipo de montagem eacute pouco praacutetico sendo preferiacutevel montar um circuito com apenas um gerador e multiplicadores de frequumlecircncias chaveados pelo circuito seletor
Outra soluccedilatildeo frequumlentemente adotada eacute a utilizaccedilatildeo de um circuito LC oscilador em que chaves seletoras adicionam mais ou menos capacitacircncia de acordo com a frequumlecircncia que se deseja gerar para cada estado
w2-3w w2 w2+3w w1-w w1 w1+w
w2-w w2+w w1-3w w1+3w
Banda de Passagem miacutenima
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Exemplo de modulador FSK com circuito Oscilador LC e chaveamento de capacitores
Jaacute a demodulaccedilatildeo do sinal FSK pode ser feita por um demodulador FM
convencional onde se adiciona obviamente um decisorregenerador para recuperar o sinal digital original Poreacutem essa situaccedilatildeo poderaacute ser bastante complicada no caso do sinal MFSK com muitos niacuteveis
Neste caso prefere-se usar filtros para decompor o sinal FSK em vaacuterios sinais OOK e a seguir demodular com detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona A saiacuteda de cada demodulador OOK entra em um decisorregenerador para novamente poder recuperar o sinal digital original
Embora complicada a demodulaccedilatildeo baseada em dividir o sinal FSK em vaacuterios OOK gera uma maior relaccedilatildeo sinalruiacutedo Isto ocorre pois os filtros que separam os sinais OOK possuem um menor faixa de passagem deixando menos ruiacutedo entrar no sistema sendo o preferido para demodular sinais de dados de alta velocidade
No caso do demodulador FM convencional a faixa de passagem do mesmo teria que ser bem maior aumento o ruiacutedo captado Mesmo assim devido a ser mais vantajoso economicamente eacute usado em sistemas telegraacuteficos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo natildeo eacute criacutetica diams Famiacutelia PSK
Exatamente como no ASK e no FSK os sinais da famiacutelia PSK satildeo divididos da mesma forma Quando o sinal de entrada eacute digital binaacuterio o sistema se chama BPSK Quando o sinal de entrada eacute digital multiniacutevel chamamos o sistema de MPSK
O sinal BPSK eacute conhecido tambeacutem como PRK (Phase reversal Keying) Isso ocorre pois no BPSK a fase da portadora eacute invertida quando se muda o estado loacutegico de ldquo0rdquo para ldquo1rdquo ou vice versa
Ainda existem outros elementos da famiacutelia PSK que se diferenciam nos modos de detecccedilatildeo das diferenccedilas de fase Satildeo os sinais CPSK e DPSK como seraacute visto mais adiante
C3L1
SW2SW1
C2 C1
Sinal de entrada
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bull Sinal MPSK
O sinal MPSK possui uma codificaccedilatildeo onde cada niacutevel do sinal digital de entrada representa uma fase diferente da portadora Um exemplo deste sinal eacute mostrado abaixo Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MPSK
No receptor usa-se detectores de fase para cada fase codificada As saiacutedas destes
detectores seratildeo levadas aos decisores e regeneradores sendo que a saiacuteda seraacute maacutexima no detector que estiver recebendo a portadora em fase com a referencia local
Um esquema de transmissatildeo e recepccedilatildeo MPSK com quatro niacuteveis eacute mostrado abaixo sua configuraccedilatildeo eacute bastante parecida com o MFSK poreacutem a grandeza variada na chave seletora eacute a fase natildeo a frequumlecircncia
~ W0
Sinal digital de entrada
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal φ1
φ2
φ3
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
~ W0
φ1
φ2
φ3
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A representaccedilatildeo fasorial do sinal PSK pode dar uma ideacuteia da capacidade de discernimento que o sistema de demodulaccedilatildeo precisa ter para ser capaz de restaurar o sinal original
Da mesma forma que foi feita nos sistemas ASK os ciacuterculos representam os intervalos de indecisatildeo
PSK Irregular ndash 0ordm e 90ordm
PSK regular ndash 0ordm 90ordm 180ordm e 270ordm PSK irregular
Exatamente como no esquema ASK a modulaccedilatildeo PSK regular tem vantagens em relaccedilatildeo ao irregular pois facilita na identificaccedilatildeo das fases fazendo com que as mesmas fiquem as mais distantes possiacuteveis umas das outras
Adicionalmente quanto maior for a amplitude da portadora melhor seraacute a capacidade do receptor de discernir entre os estados loacutegicos As duas figuras abaixo mostram essa peculiaridade aplicada em uma modulaccedilatildeo PSK regular de 8 estados
PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos Amplitude normal Amplitude Baixa
PRK PSK com 0ordm e 180ordm
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bull BPSK
O sinal BPSK eacute similar ao BASK e ao BFSK ou seja admite apenas dois estados loacutegicos do sinal de entrada ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo Para cada um deles no BPSK a portadora possui uma fase distinta
O BPSK eacute um caso particular do MPSK Normalmente para facilitar o trabalho do circuito decisor satildeo usadas as fases 0ordm e 180ordm para representar os niacuteveis loacutegicos fazendo com que os mesmos possuam a melhor distacircncia possiacutevel O sinal BPSK eacute mostrado abaixo
Sinal Digital Sinal BPSK
Procedendo da mesma forma usada no BFSK ou seja dividindo o sinal BPSK em dois sinais OOK com fases diferentes poderemos chegar ao graacutefico do espectro do sinal BPSK Assim
)cos0
cos1
200
100
φ
φ
+sdot=
+sdot=
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Considerando Φ0 como a fase inicial da portadora e ΦD como o desvio de fase as
expressotildees acima podem ser reescritas como
22
)cos0
cos1
210
21
000
000
φφφφφφ
φφ
φφ
+=
minus=
+minussdot=
++sdot=
eOnde
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
O sinal OOK1 seraacute exatamente igual ao caso do OOK convencional ou seja um
sinc centrado em W0 e cortado por diversos impulsos mostrado na paacutegina 6 Poreacutem haveraacute uma diferenccedila pois agora existe uma defasagem de Φ0+ΦD Assim apareceraacute uma exponencial com expoente complexo multiplicando o espectro OOK
j
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )(
10
1)()( φφ +sdot=
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Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
1
)()(21
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
jWOOK
eeWOOK
WBFSKWOOKWOOKDD
φ
φφ
sdot=
minussdot=
==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
1
)()(
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
φφ
sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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regenerador que ldquolimpardquo os ruiacutedos e restaura o aspecto original dentro de limites aceitaacuteveis de ruiacutedo
Sinal ASK detectado em um receptor AM convencional
e o sinal que eacute regenerado por circuitos de decisatildeo
Assim o sistema de modulaccedilatildeo digital deve ser composto da seguinte forma
A associaccedilatildeo de regeneradores permite que a modulaccedilatildeo digital trabalhe com niacuteveis maiores de ruiacutedo e distorccedilatildeo dos que satildeo aceitaacuteveis na modulaccedilatildeo analoacutegica Por isso existe cada vez uma maior procura por transmissatildeo digital 2) Modulaccedilatildeo digital em amplitude
Moduladores por amplitude satildeo frequumlentemente referidos como membros da
famiacutelia ASK Isso ocorre pois existem diferentes tipos de modulaccedilatildeo ASK bem como PSK e FSK Apresentaremos as mesmas agora
diams Famiacutelia ASK
A modulaccedilatildeo ASK pode conter apenas dois niacuteveis possiacuteveis de amplitude para a portadora caracterizando um sinal binaacuterio Se isto ocorrer assim como mostra a figura na paacutegina 2 temos uma modulaccedilatildeo BASK (Binary amplitude shift keying)
Se houver vaacuterios niacuteveis de amplitude possiacuteveis caracteriza-se um sinal MASK ou (multiple amplitude shift keying)
Fonte de
sinal digital
Seletor de
estados
Demodulador
analoacutegico
Regenerador
Circuito decisor
Sinal ASK
Canal Ruiacutedos e Distorccedilatildeo
Sinal Digital Recuperado
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Uma outra variaccedilatildeo possiacutevel para o sinal ASK bastante semelhante ao BASK eacute aquela que utiliza niacutevel zero de amplitude para quando o sinal modulante eacute ldquo0rdquo Este tipo de modulaccedilatildeo eacute conhecido como ON-OFF keying ou OOK Este tipo de modulaccedilatildeo eacute o mais importante na famiacutelia ASK
Os trecircs tipos baacutesicos de modulaccedilatildeo da famiacutelia ASK seratildeo discutidos a seguir bull Sinal MASK
O sinal mask tem m amplitudes possiacuteveis Este sinal pode ser obtido em uma seleccedilatildeocomutaccedilatildeo de vaacuterios divisores de tensatildeo possibilitando que a saiacuteda tenha diversos niacuteveis de amplitude possiacuteveis No caso mostrado abaixo o sinal digital possui 4 diferentes niacuteveis representados por dois bits cada
Como jaacute foi anteriormente comentado o ruiacutedo e a distorccedilatildeo do canal faratildeo com
que o sinal detectado seja diferente do apresentado acima (por linhas pontilhadas) Isso faz com que haja a necessidade de um decisorregenerador no receptor
A distribuiccedilatildeo dos niacuteveis de amplitude para cada niacutevel de sinal pode ou natildeo ser feita uniformemente Para que haja um melhor aproveitamento dos niacuteveis do decisor haacute uma necessidade de deixar as amplitudes as mais afastadas possiacuteveis umas das outras por isso daacute-se a preferecircncia por distribuiccedilotildees regulares e uniformes
Se representarmos as amplitudes da portadora fasorialmente podemos ter uma ideacuteia do trabalho do decisor
ldquo11rdquo ldquo10rdquo
ldquo00rdquo ldquo01rdquo
Sinal Mask ndash Quatro niacuteveis
BASK OOK
MASK Irregular MASK regular
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Os pontos satildeo as diferentes amplitudes que a portadora pode assumir e os ciacuterculos satildeo as aacutereas de indecisatildeo que poderatildeo provocar erros no sinal regenerado Comparando os diversos esquemas apresentados podemos definir que o sinal OOK eacute muito mais imune a erros que o BASK pois possui maior diferenccedila entre os estados
A irregularidade na distribuiccedilatildeo tambeacutem causa mais erros entre os estados 1 e 2 da figura referente ao MASK irregular existe uma distacircncia pequena o que causaraacute mais erros
Adicionalmente quando se aumenta o nuacutemero de bits transmitido ou seja o nuacutemero de estados e amplitudes mantendo-se a mesma potecircncia de transmissatildeo tambeacutem se diminui a distacircncia entre os ciacuterculos e consequumlentemente aumenta-se o erro no receptor bull Sinal BASK
O sinal bask eacute formado atraveacutes da modulaccedilatildeo de uma onda quadrada por uma portadora cossenoidal Se considerarmos a amplitude da portadora no niacutevel ldquo1rdquo como E1 e a amplitude da portadora no niacutevel ldquo0rdquo como E2 temos
t)(wE(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
02
01
cos0cos1sdot=sdot=
Podemos considerar entatildeo que em um sinal como o mostrado abaixo sendo a
quantidade de uns e zeros igualmente provaacutevel a amplitude meacutedia do sinal BASK seria igual agrave meacutedia das amplitudes E1 e E2
Ou seja em um sinal BASK
2)( 21
0EEMeacutediaE +
=
ldquo1rdquo ldquo1rdquo
ldquo0rdquo ldquo0rdquo
Sinal Bask - Iacutendice de modulaccedilatildeo lt 1
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Assim considerando que E0 eacute a meacutedia da amplitude do sinal BASK podemos obter o seu iacutendice de modulaccedilatildeo em funccedilatildeo das amplitudes E1 e E2
21
21
21
221
0
20
2
2
EEEEI
EE
EEE
EEE
EEI
m
m
+minus
=
+
minus+
=minus
=∆
=
Nota-se que para um sinal BASK o iacutendice de modulaccedilatildeo eacute menor que um pois o
valor de E1 eacute menor que o valor de E2 O espectro do sinal BASK pode ser conseguido considerando que a portadora eacute
uma cossenoacuteide cuja amplitude eacute multiplicada por uma onda quadrada ou seja
)cos()](1[)( 00 twtQIEt MBASK +=ψ
O espectro entatildeo seraacute a transformada de Fourier do sinal acima Considerando que a multiplicaccedilatildeo no tempo eacute a convoluccedilatildeo na frequumlecircncia e que uma onda quadrada tem transformada na forma de ww)sen( o espectro do sinal BASK pode ser representado por um sync ldquocortadordquo por diversos impulsos como mostrado a seguir
O espectro necessaacuterio para transmissatildeo deste sinal eacute a raia do centro e as duas
primeiras raias laterais Nessas raias estatildeo concentrados mais de 90 da potecircncia do sinal portanto a banda necessaacuteria para a transmissatildeo do sinal eacute a diferenccedila entre as frequumlecircncias das bandas laterais superiores e inferiores ou seja
E0
2E0IMπ 2E0IMπ
2E0IM3π 2E0IM3π
2E0IM5π 2E0IM5π
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
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wwwwwBWMIacuteN 2)()( 00 =minusminus+=
Onde w eacute a frequumlecircncia fundamental da onda quadrada Q(t) Analisando-se novamente a expressatildeo do sinal utilizando-se o teorema da
potecircncia para seacuteries de cossenos temos
t)Q(t)cos(wIEt)cos(wE(t)ψ 0M000BASK +=
Considerando apenas as bandas laterais
w]t))cos([w w]t)cos([w(2IEt)cos(wE(t)ψ 00
M000BASK minus+++=
A potecircncia do sinal BASK eacute
2IE
24IE
4IE
2
2M
20
20
2M
20
2M
20
20 +=++=
EEPT
bull Sinal OOK
Considera-se o sinal OOK como um caso particular do BASK para IM igual a 1 Este sistema eacute o mais simples e o mais antigo dos sistemas de modulaccedilatildeo digital Pode-se modular um sinal em OOK dispondo-se simplesmente de um oscilador e de um comutador que iraacute cortar a portadora quando o sinal digital for ldquo0rdquo e deixar passar quando for ldquo1rdquo O sinal OOK pode ser visualizado abaixo
Obviamente todos os resultados obtidos no BASK podem ser aplicados
diretamente no OOK Apenas considera-se E2 como zero A banda miacutenima necessaacuteria para a transmissatildeo eacute a mesma duas vezes a frequumlecircncia fundamental da onda quadrada
ldquo1rdquo
ldquo0rdquo ldquo0rdquo
ldquo1rdquo
Sinal OOK - Iacutendice de modulaccedilatildeo = 1
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wBWMIacuteN 2=
Na praacutetica por exemplo nos sistemas telegraacuteficos utiliza-se uma banda 3 a 5 vezes maior que a banda miacutenima Isso se deve ao fato de que para receber um sinal com banda miacutenima necessita-se de filtros ideais ou quase ideais O aumento da banda simplifica o projeto do filtro passa-faixas do receptor
Pode-se obter a potecircncia de um sinal OOK substituindo-se IM=1 na foacutermula da potecircncia do sinal BASK Tem-se assim
2
0
20
20
22EEEPT =+=
Pode-se notar que o sinal OOK eacute mais eficiente que o sinal BASK convencional
Ocorre o mesmo que na modulaccedilatildeo AM convencional haacute um maacuteximo de eficiecircncia quando o iacutendice de modulaccedilatildeo eacute 1
Sinais OOK tecircm sua aplicaccedilatildeo principalmente em sinais telegraacuteficos Quando demodulado o sinal restaurado eacute uma sequumlecircncia de pulsos DC que pode natildeo ser adequada para recepccedilatildeo auditiva
Duas opccedilotildees podem ser usadas para corrigir este problema Ou um releacute comuta o oscilador local ou modula-se o sinal OOK com um sinal de aacuteudio
Quando se modula o sinal OOK novamente ou seja faz-se uma modulaccedilatildeo composta o sinal resultante eacute um sync principal e dois outros syncs menores servindo como bandas laterais Este espectro pode ser visualizado a seguir
Deve-se tomar cuidado na escolha de w0 e wA para que natildeo haja superposiccedilatildeo dos
espectros
bull Demoduladores ASK
Pode-se usar qualquer demodulador analoacutegico como o detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona Entretanto este uacuteltimo possuiacute melhor desempenho em sistemas ruidosos e em casos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo eacute muito baixa deve ser o mais utilizado
w0-wA w0 w0+wA
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3) Modulaccedilatildeo angular ndash Famiacutelias PSK e FSK
Um sinal digital pode ser tambeacutem aplicado em um gerador PM ou FM dando origem aos sinais PSK (Phase Shift Keying) e FSK (Frequency Shift Keying)
De forma anaacuteloga aos sinais da famiacutelia ASK os sinais PSKFSK podem ser obtidos atraveacutes de seleccedilatildeo ou comutaccedilatildeo de diferentes fontes No caso do FSK dois geradores de frequumlecircncias distintas satildeo selecionados de acordo com a entrada digital (ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo)
Jaacute o PSK pode ser obtido por processo semelhante Quando a entrada digital eacute ldquo1rdquo por exemplo o sinal de um gerador eacute colocado na saiacuteda do modulador e quando a entrada digital eacute ldquo0rdquo o sinal do gerador eacute passado por um circuito que defasa o sinal e soacute entatildeo eacute colocado na saiacuteda
O diagrama em blocos de um modulador PSK e FSK eacute mostrado abaixo
Modulador FSK Modulador PSK
Assim durante o intervalo de tempo em que o sinal digital manteacutem um valor seja ele ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo a saiacuteda estaraacute apresentando uma senoacuteide pura Isso daacute caracteriacutesticas diferentes aos sinais FSKPSK em relaccedilatildeo aos sinais FMPM
Podemos perceber que um sinal digital modulado angularmente pode ser simplificado por somas de sinais OOK modulados opostamente isto eacute modulando com uma amplitude natildeo nula para os uns e nula para os zeros em uma e o contraacuterio na outra
Se um dos sinais OOK possuir uma certa frequumlecircncia e o outro oposto possuir outra frequumlecircncia a soma destes dois sinais eacute igual a um sinal FSK O mesmo ocorre para os sinais PSK neste caso os sinais OOK precisaratildeo ter fases diferentes
~
~
W1
W2
~W1
Defasador
Sinal digital de entrada
Sinal digital de entrada
Sinal OOK Frequumlecircncia W1
Sinal OOK oposto Frequumlecircncia W2
Sinal FSK gerado com a soma dos dois sinais OOK
+ =
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diams Famiacutelia FSK
Analogamente agrave famiacutelia ASK os sinais FSK satildeo classificados de acordo com o sinal digital que entra no sistema Ocorrem as mesmas variaccedilotildees do ASK como o BFSK (anaacutelogo ao BASK) e o MFSK (anaacutelogo ao MASK) bull Sinal MFSK
O sinal MFSK eacute composto por vaacuterias frequumlecircncias diferentes cada uma usada para codificar um determinado estado Como existem m estados no sistema haveraacute m frequumlecircncias diferentes no MFSK
No receptor existe um filtro para cada um dos m estados na saiacuteda de cada filtro haveraacute ruiacutedos a natildeo ser naquele que estiver recebendo a frequumlecircncia correta Todas as saiacutedas dos filtros entram em um regenerador que restitui o sinal original
Modulador e Receptor MFSK
O sinal MFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MFSK
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
~
~
W3
W4
FiltroW1
FiltroW2
FiltroW3
FiltroW4
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Assim como no sinal MASK a distribuiccedilatildeo espectral uniforme das frequumlecircncias que geram o sinal MFSK propicia um melhor aproveitamento do espectro e consequentemente uma simplificaccedilatildeo nos projetos dos filtros do receptor alem de um melhor discernimento no moacutedulo decisorregenerador
bull Sinal BFSK
O sinal BFSK eacute anaacutelogo ao BASK e um caso particular do MFSK para dois estados possiacuteveis somente O sinal BFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Binaacuterio Sinal BFSK O sistema de modulaccedilatildeodemodulaccedilatildeo eacute idecircntico ao do MFSK poreacutem apenas com
dois geradores no modulador e dois sistemas filtrodetector de envoltoacuteria Para determinarmos o espectro do sinal BFSK usaremos o artifiacutecio de dividi-lo
em dois sinais OOK conforme dito anteriormente Se em cada estado do sinal de entrada temos uma determinada frequumlecircncia entatildeo
temos
t)(wE(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20
10
cos0cos1sdot=sdot=
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
FiltroW1
FiltroW2
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Considerando Wd como um desvio igual a semidiferenccedila entre as frequumlecircncias
22
][cos0][cos1
210
21
00
00
wwwewwwOnde
t)ww(E(t)E Estadot)ww(E(t) E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
+=
minus=
minussdot=+sdot=
Assim se o sinal BFSK eacute a soma de dois sinais OOK1 e OOK2 Analisemos agora
o sinal OOK1
00cos1 10
=sdot=
(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Como o sinal acima eacute idecircntico ao apresentado na sessatildeo de sinais BASK o
espectro do sinal eacute tambeacutem idecircntico ou seja um sync cortado por diversos impulsos O sinal OOK2 eacute definido da seguinte forma
t)(wE(t)E Estado(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20 cos001
sdot==
Considerando o sinal de entrada uma onda quadrada de periacuteodo T ou seja
alternando igualmente zeros e uns o sinal de entrada de OOK2 eacute igual ao sinal de entrada de OOK1 mas com um retardo de T2
A transformada de Fourier do sinal de entrada de OOK2 seraacute igual ao de OOK1 multiplicada por uma componente exponencial com argumento complexo de acordo com a propriedade do deslocamento no tempo Considerando Q1(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK1 e Q2(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK2 temos
2
12 )()( jwTewQwQ minussdot=
Isso faraacute com que o espectro de Q2 e consequentemente o espectro de OOK2 seja igual ao de OOK1 poreacutem com todas as suas componentes invertidas em 180ordm a exceccedilatildeo obviamente do valor DC
Quando somamos os dois espectros o de OOK2 e o de OOK1 temos como resultado o espectro do BFSK equivalente Este espectro consiste em dois syncs cortados por impulsos sendo que um deles tem todas as suas componentes invertidas 180ordm como mostra a figura abaixo
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Espectro de um sinal BFSK ndash gerado a partir de dois sinais OOK
Sabendo-se o espectro do sinal BFSK podemos determinar a sua largura de banda
miacutenima de transmissatildeo De acordo com a figura acima a banda para transmissatildeo do sinal deve conter pelo menos a portadora principal em w1 e w2 e as duas bandas laterais de cada Dessa forma
wwwwwwwBW 2)()( 2121 ++=minusminus+=
Considerando 2
12 ww minus como o desvio wd de frequumlecircncia do sinal BFSK a
foacutermula acima pode ser escrita
2
)(2
21 wwwonde
wwB
D
DW
minus=
+sdot=
bull Demoduladores FSK
Para modular um sinal da famiacutelia FSK pode-se usar um modulador FM convencional ou um seletor de frequumlecircncias
Este seletor de frequumlecircncias pode ser montado com um circuito de chaves que comutam osciladores independentes conforme mostrado anteriormente Poreacutem este tipo de montagem eacute pouco praacutetico sendo preferiacutevel montar um circuito com apenas um gerador e multiplicadores de frequumlecircncias chaveados pelo circuito seletor
Outra soluccedilatildeo frequumlentemente adotada eacute a utilizaccedilatildeo de um circuito LC oscilador em que chaves seletoras adicionam mais ou menos capacitacircncia de acordo com a frequumlecircncia que se deseja gerar para cada estado
w2-3w w2 w2+3w w1-w w1 w1+w
w2-w w2+w w1-3w w1+3w
Banda de Passagem miacutenima
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Exemplo de modulador FSK com circuito Oscilador LC e chaveamento de capacitores
Jaacute a demodulaccedilatildeo do sinal FSK pode ser feita por um demodulador FM
convencional onde se adiciona obviamente um decisorregenerador para recuperar o sinal digital original Poreacutem essa situaccedilatildeo poderaacute ser bastante complicada no caso do sinal MFSK com muitos niacuteveis
Neste caso prefere-se usar filtros para decompor o sinal FSK em vaacuterios sinais OOK e a seguir demodular com detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona A saiacuteda de cada demodulador OOK entra em um decisorregenerador para novamente poder recuperar o sinal digital original
Embora complicada a demodulaccedilatildeo baseada em dividir o sinal FSK em vaacuterios OOK gera uma maior relaccedilatildeo sinalruiacutedo Isto ocorre pois os filtros que separam os sinais OOK possuem um menor faixa de passagem deixando menos ruiacutedo entrar no sistema sendo o preferido para demodular sinais de dados de alta velocidade
No caso do demodulador FM convencional a faixa de passagem do mesmo teria que ser bem maior aumento o ruiacutedo captado Mesmo assim devido a ser mais vantajoso economicamente eacute usado em sistemas telegraacuteficos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo natildeo eacute criacutetica diams Famiacutelia PSK
Exatamente como no ASK e no FSK os sinais da famiacutelia PSK satildeo divididos da mesma forma Quando o sinal de entrada eacute digital binaacuterio o sistema se chama BPSK Quando o sinal de entrada eacute digital multiniacutevel chamamos o sistema de MPSK
O sinal BPSK eacute conhecido tambeacutem como PRK (Phase reversal Keying) Isso ocorre pois no BPSK a fase da portadora eacute invertida quando se muda o estado loacutegico de ldquo0rdquo para ldquo1rdquo ou vice versa
Ainda existem outros elementos da famiacutelia PSK que se diferenciam nos modos de detecccedilatildeo das diferenccedilas de fase Satildeo os sinais CPSK e DPSK como seraacute visto mais adiante
C3L1
SW2SW1
C2 C1
Sinal de entrada
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bull Sinal MPSK
O sinal MPSK possui uma codificaccedilatildeo onde cada niacutevel do sinal digital de entrada representa uma fase diferente da portadora Um exemplo deste sinal eacute mostrado abaixo Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MPSK
No receptor usa-se detectores de fase para cada fase codificada As saiacutedas destes
detectores seratildeo levadas aos decisores e regeneradores sendo que a saiacuteda seraacute maacutexima no detector que estiver recebendo a portadora em fase com a referencia local
Um esquema de transmissatildeo e recepccedilatildeo MPSK com quatro niacuteveis eacute mostrado abaixo sua configuraccedilatildeo eacute bastante parecida com o MFSK poreacutem a grandeza variada na chave seletora eacute a fase natildeo a frequumlecircncia
~ W0
Sinal digital de entrada
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal φ1
φ2
φ3
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
~ W0
φ1
φ2
φ3
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A representaccedilatildeo fasorial do sinal PSK pode dar uma ideacuteia da capacidade de discernimento que o sistema de demodulaccedilatildeo precisa ter para ser capaz de restaurar o sinal original
Da mesma forma que foi feita nos sistemas ASK os ciacuterculos representam os intervalos de indecisatildeo
PSK Irregular ndash 0ordm e 90ordm
PSK regular ndash 0ordm 90ordm 180ordm e 270ordm PSK irregular
Exatamente como no esquema ASK a modulaccedilatildeo PSK regular tem vantagens em relaccedilatildeo ao irregular pois facilita na identificaccedilatildeo das fases fazendo com que as mesmas fiquem as mais distantes possiacuteveis umas das outras
Adicionalmente quanto maior for a amplitude da portadora melhor seraacute a capacidade do receptor de discernir entre os estados loacutegicos As duas figuras abaixo mostram essa peculiaridade aplicada em uma modulaccedilatildeo PSK regular de 8 estados
PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos Amplitude normal Amplitude Baixa
PRK PSK com 0ordm e 180ordm
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bull BPSK
O sinal BPSK eacute similar ao BASK e ao BFSK ou seja admite apenas dois estados loacutegicos do sinal de entrada ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo Para cada um deles no BPSK a portadora possui uma fase distinta
O BPSK eacute um caso particular do MPSK Normalmente para facilitar o trabalho do circuito decisor satildeo usadas as fases 0ordm e 180ordm para representar os niacuteveis loacutegicos fazendo com que os mesmos possuam a melhor distacircncia possiacutevel O sinal BPSK eacute mostrado abaixo
Sinal Digital Sinal BPSK
Procedendo da mesma forma usada no BFSK ou seja dividindo o sinal BPSK em dois sinais OOK com fases diferentes poderemos chegar ao graacutefico do espectro do sinal BPSK Assim
)cos0
cos1
200
100
φ
φ
+sdot=
+sdot=
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Considerando Φ0 como a fase inicial da portadora e ΦD como o desvio de fase as
expressotildees acima podem ser reescritas como
22
)cos0
cos1
210
21
000
000
φφφφφφ
φφ
φφ
+=
minus=
+minussdot=
++sdot=
eOnde
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
O sinal OOK1 seraacute exatamente igual ao caso do OOK convencional ou seja um
sinc centrado em W0 e cortado por diversos impulsos mostrado na paacutegina 6 Poreacutem haveraacute uma diferenccedila pois agora existe uma defasagem de Φ0+ΦD Assim apareceraacute uma exponencial com expoente complexo multiplicando o espectro OOK
j
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )(
10
1)()( φφ +sdot=
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Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
1
)()(21
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
jWOOK
eeWOOK
WBFSKWOOKWOOKDD
φ
φφ
sdot=
minussdot=
==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
1
)()(
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
φφ
sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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Uma outra variaccedilatildeo possiacutevel para o sinal ASK bastante semelhante ao BASK eacute aquela que utiliza niacutevel zero de amplitude para quando o sinal modulante eacute ldquo0rdquo Este tipo de modulaccedilatildeo eacute conhecido como ON-OFF keying ou OOK Este tipo de modulaccedilatildeo eacute o mais importante na famiacutelia ASK
Os trecircs tipos baacutesicos de modulaccedilatildeo da famiacutelia ASK seratildeo discutidos a seguir bull Sinal MASK
O sinal mask tem m amplitudes possiacuteveis Este sinal pode ser obtido em uma seleccedilatildeocomutaccedilatildeo de vaacuterios divisores de tensatildeo possibilitando que a saiacuteda tenha diversos niacuteveis de amplitude possiacuteveis No caso mostrado abaixo o sinal digital possui 4 diferentes niacuteveis representados por dois bits cada
Como jaacute foi anteriormente comentado o ruiacutedo e a distorccedilatildeo do canal faratildeo com
que o sinal detectado seja diferente do apresentado acima (por linhas pontilhadas) Isso faz com que haja a necessidade de um decisorregenerador no receptor
A distribuiccedilatildeo dos niacuteveis de amplitude para cada niacutevel de sinal pode ou natildeo ser feita uniformemente Para que haja um melhor aproveitamento dos niacuteveis do decisor haacute uma necessidade de deixar as amplitudes as mais afastadas possiacuteveis umas das outras por isso daacute-se a preferecircncia por distribuiccedilotildees regulares e uniformes
Se representarmos as amplitudes da portadora fasorialmente podemos ter uma ideacuteia do trabalho do decisor
ldquo11rdquo ldquo10rdquo
ldquo00rdquo ldquo01rdquo
Sinal Mask ndash Quatro niacuteveis
BASK OOK
MASK Irregular MASK regular
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Os pontos satildeo as diferentes amplitudes que a portadora pode assumir e os ciacuterculos satildeo as aacutereas de indecisatildeo que poderatildeo provocar erros no sinal regenerado Comparando os diversos esquemas apresentados podemos definir que o sinal OOK eacute muito mais imune a erros que o BASK pois possui maior diferenccedila entre os estados
A irregularidade na distribuiccedilatildeo tambeacutem causa mais erros entre os estados 1 e 2 da figura referente ao MASK irregular existe uma distacircncia pequena o que causaraacute mais erros
Adicionalmente quando se aumenta o nuacutemero de bits transmitido ou seja o nuacutemero de estados e amplitudes mantendo-se a mesma potecircncia de transmissatildeo tambeacutem se diminui a distacircncia entre os ciacuterculos e consequumlentemente aumenta-se o erro no receptor bull Sinal BASK
O sinal bask eacute formado atraveacutes da modulaccedilatildeo de uma onda quadrada por uma portadora cossenoidal Se considerarmos a amplitude da portadora no niacutevel ldquo1rdquo como E1 e a amplitude da portadora no niacutevel ldquo0rdquo como E2 temos
t)(wE(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
02
01
cos0cos1sdot=sdot=
Podemos considerar entatildeo que em um sinal como o mostrado abaixo sendo a
quantidade de uns e zeros igualmente provaacutevel a amplitude meacutedia do sinal BASK seria igual agrave meacutedia das amplitudes E1 e E2
Ou seja em um sinal BASK
2)( 21
0EEMeacutediaE +
=
ldquo1rdquo ldquo1rdquo
ldquo0rdquo ldquo0rdquo
Sinal Bask - Iacutendice de modulaccedilatildeo lt 1
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Assim considerando que E0 eacute a meacutedia da amplitude do sinal BASK podemos obter o seu iacutendice de modulaccedilatildeo em funccedilatildeo das amplitudes E1 e E2
21
21
21
221
0
20
2
2
EEEEI
EE
EEE
EEE
EEI
m
m
+minus
=
+
minus+
=minus
=∆
=
Nota-se que para um sinal BASK o iacutendice de modulaccedilatildeo eacute menor que um pois o
valor de E1 eacute menor que o valor de E2 O espectro do sinal BASK pode ser conseguido considerando que a portadora eacute
uma cossenoacuteide cuja amplitude eacute multiplicada por uma onda quadrada ou seja
)cos()](1[)( 00 twtQIEt MBASK +=ψ
O espectro entatildeo seraacute a transformada de Fourier do sinal acima Considerando que a multiplicaccedilatildeo no tempo eacute a convoluccedilatildeo na frequumlecircncia e que uma onda quadrada tem transformada na forma de ww)sen( o espectro do sinal BASK pode ser representado por um sync ldquocortadordquo por diversos impulsos como mostrado a seguir
O espectro necessaacuterio para transmissatildeo deste sinal eacute a raia do centro e as duas
primeiras raias laterais Nessas raias estatildeo concentrados mais de 90 da potecircncia do sinal portanto a banda necessaacuteria para a transmissatildeo do sinal eacute a diferenccedila entre as frequumlecircncias das bandas laterais superiores e inferiores ou seja
E0
2E0IMπ 2E0IMπ
2E0IM3π 2E0IM3π
2E0IM5π 2E0IM5π
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
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wwwwwBWMIacuteN 2)()( 00 =minusminus+=
Onde w eacute a frequumlecircncia fundamental da onda quadrada Q(t) Analisando-se novamente a expressatildeo do sinal utilizando-se o teorema da
potecircncia para seacuteries de cossenos temos
t)Q(t)cos(wIEt)cos(wE(t)ψ 0M000BASK +=
Considerando apenas as bandas laterais
w]t))cos([w w]t)cos([w(2IEt)cos(wE(t)ψ 00
M000BASK minus+++=
A potecircncia do sinal BASK eacute
2IE
24IE
4IE
2
2M
20
20
2M
20
2M
20
20 +=++=
EEPT
bull Sinal OOK
Considera-se o sinal OOK como um caso particular do BASK para IM igual a 1 Este sistema eacute o mais simples e o mais antigo dos sistemas de modulaccedilatildeo digital Pode-se modular um sinal em OOK dispondo-se simplesmente de um oscilador e de um comutador que iraacute cortar a portadora quando o sinal digital for ldquo0rdquo e deixar passar quando for ldquo1rdquo O sinal OOK pode ser visualizado abaixo
Obviamente todos os resultados obtidos no BASK podem ser aplicados
diretamente no OOK Apenas considera-se E2 como zero A banda miacutenima necessaacuteria para a transmissatildeo eacute a mesma duas vezes a frequumlecircncia fundamental da onda quadrada
ldquo1rdquo
ldquo0rdquo ldquo0rdquo
ldquo1rdquo
Sinal OOK - Iacutendice de modulaccedilatildeo = 1
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wBWMIacuteN 2=
Na praacutetica por exemplo nos sistemas telegraacuteficos utiliza-se uma banda 3 a 5 vezes maior que a banda miacutenima Isso se deve ao fato de que para receber um sinal com banda miacutenima necessita-se de filtros ideais ou quase ideais O aumento da banda simplifica o projeto do filtro passa-faixas do receptor
Pode-se obter a potecircncia de um sinal OOK substituindo-se IM=1 na foacutermula da potecircncia do sinal BASK Tem-se assim
2
0
20
20
22EEEPT =+=
Pode-se notar que o sinal OOK eacute mais eficiente que o sinal BASK convencional
Ocorre o mesmo que na modulaccedilatildeo AM convencional haacute um maacuteximo de eficiecircncia quando o iacutendice de modulaccedilatildeo eacute 1
Sinais OOK tecircm sua aplicaccedilatildeo principalmente em sinais telegraacuteficos Quando demodulado o sinal restaurado eacute uma sequumlecircncia de pulsos DC que pode natildeo ser adequada para recepccedilatildeo auditiva
Duas opccedilotildees podem ser usadas para corrigir este problema Ou um releacute comuta o oscilador local ou modula-se o sinal OOK com um sinal de aacuteudio
Quando se modula o sinal OOK novamente ou seja faz-se uma modulaccedilatildeo composta o sinal resultante eacute um sync principal e dois outros syncs menores servindo como bandas laterais Este espectro pode ser visualizado a seguir
Deve-se tomar cuidado na escolha de w0 e wA para que natildeo haja superposiccedilatildeo dos
espectros
bull Demoduladores ASK
Pode-se usar qualquer demodulador analoacutegico como o detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona Entretanto este uacuteltimo possuiacute melhor desempenho em sistemas ruidosos e em casos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo eacute muito baixa deve ser o mais utilizado
w0-wA w0 w0+wA
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3) Modulaccedilatildeo angular ndash Famiacutelias PSK e FSK
Um sinal digital pode ser tambeacutem aplicado em um gerador PM ou FM dando origem aos sinais PSK (Phase Shift Keying) e FSK (Frequency Shift Keying)
De forma anaacuteloga aos sinais da famiacutelia ASK os sinais PSKFSK podem ser obtidos atraveacutes de seleccedilatildeo ou comutaccedilatildeo de diferentes fontes No caso do FSK dois geradores de frequumlecircncias distintas satildeo selecionados de acordo com a entrada digital (ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo)
Jaacute o PSK pode ser obtido por processo semelhante Quando a entrada digital eacute ldquo1rdquo por exemplo o sinal de um gerador eacute colocado na saiacuteda do modulador e quando a entrada digital eacute ldquo0rdquo o sinal do gerador eacute passado por um circuito que defasa o sinal e soacute entatildeo eacute colocado na saiacuteda
O diagrama em blocos de um modulador PSK e FSK eacute mostrado abaixo
Modulador FSK Modulador PSK
Assim durante o intervalo de tempo em que o sinal digital manteacutem um valor seja ele ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo a saiacuteda estaraacute apresentando uma senoacuteide pura Isso daacute caracteriacutesticas diferentes aos sinais FSKPSK em relaccedilatildeo aos sinais FMPM
Podemos perceber que um sinal digital modulado angularmente pode ser simplificado por somas de sinais OOK modulados opostamente isto eacute modulando com uma amplitude natildeo nula para os uns e nula para os zeros em uma e o contraacuterio na outra
Se um dos sinais OOK possuir uma certa frequumlecircncia e o outro oposto possuir outra frequumlecircncia a soma destes dois sinais eacute igual a um sinal FSK O mesmo ocorre para os sinais PSK neste caso os sinais OOK precisaratildeo ter fases diferentes
~
~
W1
W2
~W1
Defasador
Sinal digital de entrada
Sinal digital de entrada
Sinal OOK Frequumlecircncia W1
Sinal OOK oposto Frequumlecircncia W2
Sinal FSK gerado com a soma dos dois sinais OOK
+ =
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diams Famiacutelia FSK
Analogamente agrave famiacutelia ASK os sinais FSK satildeo classificados de acordo com o sinal digital que entra no sistema Ocorrem as mesmas variaccedilotildees do ASK como o BFSK (anaacutelogo ao BASK) e o MFSK (anaacutelogo ao MASK) bull Sinal MFSK
O sinal MFSK eacute composto por vaacuterias frequumlecircncias diferentes cada uma usada para codificar um determinado estado Como existem m estados no sistema haveraacute m frequumlecircncias diferentes no MFSK
No receptor existe um filtro para cada um dos m estados na saiacuteda de cada filtro haveraacute ruiacutedos a natildeo ser naquele que estiver recebendo a frequumlecircncia correta Todas as saiacutedas dos filtros entram em um regenerador que restitui o sinal original
Modulador e Receptor MFSK
O sinal MFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MFSK
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
~
~
W3
W4
FiltroW1
FiltroW2
FiltroW3
FiltroW4
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Assim como no sinal MASK a distribuiccedilatildeo espectral uniforme das frequumlecircncias que geram o sinal MFSK propicia um melhor aproveitamento do espectro e consequentemente uma simplificaccedilatildeo nos projetos dos filtros do receptor alem de um melhor discernimento no moacutedulo decisorregenerador
bull Sinal BFSK
O sinal BFSK eacute anaacutelogo ao BASK e um caso particular do MFSK para dois estados possiacuteveis somente O sinal BFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Binaacuterio Sinal BFSK O sistema de modulaccedilatildeodemodulaccedilatildeo eacute idecircntico ao do MFSK poreacutem apenas com
dois geradores no modulador e dois sistemas filtrodetector de envoltoacuteria Para determinarmos o espectro do sinal BFSK usaremos o artifiacutecio de dividi-lo
em dois sinais OOK conforme dito anteriormente Se em cada estado do sinal de entrada temos uma determinada frequumlecircncia entatildeo
temos
t)(wE(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20
10
cos0cos1sdot=sdot=
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
FiltroW1
FiltroW2
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Considerando Wd como um desvio igual a semidiferenccedila entre as frequumlecircncias
22
][cos0][cos1
210
21
00
00
wwwewwwOnde
t)ww(E(t)E Estadot)ww(E(t) E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
+=
minus=
minussdot=+sdot=
Assim se o sinal BFSK eacute a soma de dois sinais OOK1 e OOK2 Analisemos agora
o sinal OOK1
00cos1 10
=sdot=
(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Como o sinal acima eacute idecircntico ao apresentado na sessatildeo de sinais BASK o
espectro do sinal eacute tambeacutem idecircntico ou seja um sync cortado por diversos impulsos O sinal OOK2 eacute definido da seguinte forma
t)(wE(t)E Estado(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20 cos001
sdot==
Considerando o sinal de entrada uma onda quadrada de periacuteodo T ou seja
alternando igualmente zeros e uns o sinal de entrada de OOK2 eacute igual ao sinal de entrada de OOK1 mas com um retardo de T2
A transformada de Fourier do sinal de entrada de OOK2 seraacute igual ao de OOK1 multiplicada por uma componente exponencial com argumento complexo de acordo com a propriedade do deslocamento no tempo Considerando Q1(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK1 e Q2(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK2 temos
2
12 )()( jwTewQwQ minussdot=
Isso faraacute com que o espectro de Q2 e consequentemente o espectro de OOK2 seja igual ao de OOK1 poreacutem com todas as suas componentes invertidas em 180ordm a exceccedilatildeo obviamente do valor DC
Quando somamos os dois espectros o de OOK2 e o de OOK1 temos como resultado o espectro do BFSK equivalente Este espectro consiste em dois syncs cortados por impulsos sendo que um deles tem todas as suas componentes invertidas 180ordm como mostra a figura abaixo
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Espectro de um sinal BFSK ndash gerado a partir de dois sinais OOK
Sabendo-se o espectro do sinal BFSK podemos determinar a sua largura de banda
miacutenima de transmissatildeo De acordo com a figura acima a banda para transmissatildeo do sinal deve conter pelo menos a portadora principal em w1 e w2 e as duas bandas laterais de cada Dessa forma
wwwwwwwBW 2)()( 2121 ++=minusminus+=
Considerando 2
12 ww minus como o desvio wd de frequumlecircncia do sinal BFSK a
foacutermula acima pode ser escrita
2
)(2
21 wwwonde
wwB
D
DW
minus=
+sdot=
bull Demoduladores FSK
Para modular um sinal da famiacutelia FSK pode-se usar um modulador FM convencional ou um seletor de frequumlecircncias
Este seletor de frequumlecircncias pode ser montado com um circuito de chaves que comutam osciladores independentes conforme mostrado anteriormente Poreacutem este tipo de montagem eacute pouco praacutetico sendo preferiacutevel montar um circuito com apenas um gerador e multiplicadores de frequumlecircncias chaveados pelo circuito seletor
Outra soluccedilatildeo frequumlentemente adotada eacute a utilizaccedilatildeo de um circuito LC oscilador em que chaves seletoras adicionam mais ou menos capacitacircncia de acordo com a frequumlecircncia que se deseja gerar para cada estado
w2-3w w2 w2+3w w1-w w1 w1+w
w2-w w2+w w1-3w w1+3w
Banda de Passagem miacutenima
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Exemplo de modulador FSK com circuito Oscilador LC e chaveamento de capacitores
Jaacute a demodulaccedilatildeo do sinal FSK pode ser feita por um demodulador FM
convencional onde se adiciona obviamente um decisorregenerador para recuperar o sinal digital original Poreacutem essa situaccedilatildeo poderaacute ser bastante complicada no caso do sinal MFSK com muitos niacuteveis
Neste caso prefere-se usar filtros para decompor o sinal FSK em vaacuterios sinais OOK e a seguir demodular com detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona A saiacuteda de cada demodulador OOK entra em um decisorregenerador para novamente poder recuperar o sinal digital original
Embora complicada a demodulaccedilatildeo baseada em dividir o sinal FSK em vaacuterios OOK gera uma maior relaccedilatildeo sinalruiacutedo Isto ocorre pois os filtros que separam os sinais OOK possuem um menor faixa de passagem deixando menos ruiacutedo entrar no sistema sendo o preferido para demodular sinais de dados de alta velocidade
No caso do demodulador FM convencional a faixa de passagem do mesmo teria que ser bem maior aumento o ruiacutedo captado Mesmo assim devido a ser mais vantajoso economicamente eacute usado em sistemas telegraacuteficos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo natildeo eacute criacutetica diams Famiacutelia PSK
Exatamente como no ASK e no FSK os sinais da famiacutelia PSK satildeo divididos da mesma forma Quando o sinal de entrada eacute digital binaacuterio o sistema se chama BPSK Quando o sinal de entrada eacute digital multiniacutevel chamamos o sistema de MPSK
O sinal BPSK eacute conhecido tambeacutem como PRK (Phase reversal Keying) Isso ocorre pois no BPSK a fase da portadora eacute invertida quando se muda o estado loacutegico de ldquo0rdquo para ldquo1rdquo ou vice versa
Ainda existem outros elementos da famiacutelia PSK que se diferenciam nos modos de detecccedilatildeo das diferenccedilas de fase Satildeo os sinais CPSK e DPSK como seraacute visto mais adiante
C3L1
SW2SW1
C2 C1
Sinal de entrada
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bull Sinal MPSK
O sinal MPSK possui uma codificaccedilatildeo onde cada niacutevel do sinal digital de entrada representa uma fase diferente da portadora Um exemplo deste sinal eacute mostrado abaixo Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MPSK
No receptor usa-se detectores de fase para cada fase codificada As saiacutedas destes
detectores seratildeo levadas aos decisores e regeneradores sendo que a saiacuteda seraacute maacutexima no detector que estiver recebendo a portadora em fase com a referencia local
Um esquema de transmissatildeo e recepccedilatildeo MPSK com quatro niacuteveis eacute mostrado abaixo sua configuraccedilatildeo eacute bastante parecida com o MFSK poreacutem a grandeza variada na chave seletora eacute a fase natildeo a frequumlecircncia
~ W0
Sinal digital de entrada
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal φ1
φ2
φ3
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
~ W0
φ1
φ2
φ3
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A representaccedilatildeo fasorial do sinal PSK pode dar uma ideacuteia da capacidade de discernimento que o sistema de demodulaccedilatildeo precisa ter para ser capaz de restaurar o sinal original
Da mesma forma que foi feita nos sistemas ASK os ciacuterculos representam os intervalos de indecisatildeo
PSK Irregular ndash 0ordm e 90ordm
PSK regular ndash 0ordm 90ordm 180ordm e 270ordm PSK irregular
Exatamente como no esquema ASK a modulaccedilatildeo PSK regular tem vantagens em relaccedilatildeo ao irregular pois facilita na identificaccedilatildeo das fases fazendo com que as mesmas fiquem as mais distantes possiacuteveis umas das outras
Adicionalmente quanto maior for a amplitude da portadora melhor seraacute a capacidade do receptor de discernir entre os estados loacutegicos As duas figuras abaixo mostram essa peculiaridade aplicada em uma modulaccedilatildeo PSK regular de 8 estados
PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos Amplitude normal Amplitude Baixa
PRK PSK com 0ordm e 180ordm
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bull BPSK
O sinal BPSK eacute similar ao BASK e ao BFSK ou seja admite apenas dois estados loacutegicos do sinal de entrada ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo Para cada um deles no BPSK a portadora possui uma fase distinta
O BPSK eacute um caso particular do MPSK Normalmente para facilitar o trabalho do circuito decisor satildeo usadas as fases 0ordm e 180ordm para representar os niacuteveis loacutegicos fazendo com que os mesmos possuam a melhor distacircncia possiacutevel O sinal BPSK eacute mostrado abaixo
Sinal Digital Sinal BPSK
Procedendo da mesma forma usada no BFSK ou seja dividindo o sinal BPSK em dois sinais OOK com fases diferentes poderemos chegar ao graacutefico do espectro do sinal BPSK Assim
)cos0
cos1
200
100
φ
φ
+sdot=
+sdot=
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Considerando Φ0 como a fase inicial da portadora e ΦD como o desvio de fase as
expressotildees acima podem ser reescritas como
22
)cos0
cos1
210
21
000
000
φφφφφφ
φφ
φφ
+=
minus=
+minussdot=
++sdot=
eOnde
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
O sinal OOK1 seraacute exatamente igual ao caso do OOK convencional ou seja um
sinc centrado em W0 e cortado por diversos impulsos mostrado na paacutegina 6 Poreacutem haveraacute uma diferenccedila pois agora existe uma defasagem de Φ0+ΦD Assim apareceraacute uma exponencial com expoente complexo multiplicando o espectro OOK
j
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )(
10
1)()( φφ +sdot=
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Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
1
)()(21
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
jWOOK
eeWOOK
WBFSKWOOKWOOKDD
φ
φφ
sdot=
minussdot=
==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
1
)()(
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
φφ
sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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Os pontos satildeo as diferentes amplitudes que a portadora pode assumir e os ciacuterculos satildeo as aacutereas de indecisatildeo que poderatildeo provocar erros no sinal regenerado Comparando os diversos esquemas apresentados podemos definir que o sinal OOK eacute muito mais imune a erros que o BASK pois possui maior diferenccedila entre os estados
A irregularidade na distribuiccedilatildeo tambeacutem causa mais erros entre os estados 1 e 2 da figura referente ao MASK irregular existe uma distacircncia pequena o que causaraacute mais erros
Adicionalmente quando se aumenta o nuacutemero de bits transmitido ou seja o nuacutemero de estados e amplitudes mantendo-se a mesma potecircncia de transmissatildeo tambeacutem se diminui a distacircncia entre os ciacuterculos e consequumlentemente aumenta-se o erro no receptor bull Sinal BASK
O sinal bask eacute formado atraveacutes da modulaccedilatildeo de uma onda quadrada por uma portadora cossenoidal Se considerarmos a amplitude da portadora no niacutevel ldquo1rdquo como E1 e a amplitude da portadora no niacutevel ldquo0rdquo como E2 temos
t)(wE(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
02
01
cos0cos1sdot=sdot=
Podemos considerar entatildeo que em um sinal como o mostrado abaixo sendo a
quantidade de uns e zeros igualmente provaacutevel a amplitude meacutedia do sinal BASK seria igual agrave meacutedia das amplitudes E1 e E2
Ou seja em um sinal BASK
2)( 21
0EEMeacutediaE +
=
ldquo1rdquo ldquo1rdquo
ldquo0rdquo ldquo0rdquo
Sinal Bask - Iacutendice de modulaccedilatildeo lt 1
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Assim considerando que E0 eacute a meacutedia da amplitude do sinal BASK podemos obter o seu iacutendice de modulaccedilatildeo em funccedilatildeo das amplitudes E1 e E2
21
21
21
221
0
20
2
2
EEEEI
EE
EEE
EEE
EEI
m
m
+minus
=
+
minus+
=minus
=∆
=
Nota-se que para um sinal BASK o iacutendice de modulaccedilatildeo eacute menor que um pois o
valor de E1 eacute menor que o valor de E2 O espectro do sinal BASK pode ser conseguido considerando que a portadora eacute
uma cossenoacuteide cuja amplitude eacute multiplicada por uma onda quadrada ou seja
)cos()](1[)( 00 twtQIEt MBASK +=ψ
O espectro entatildeo seraacute a transformada de Fourier do sinal acima Considerando que a multiplicaccedilatildeo no tempo eacute a convoluccedilatildeo na frequumlecircncia e que uma onda quadrada tem transformada na forma de ww)sen( o espectro do sinal BASK pode ser representado por um sync ldquocortadordquo por diversos impulsos como mostrado a seguir
O espectro necessaacuterio para transmissatildeo deste sinal eacute a raia do centro e as duas
primeiras raias laterais Nessas raias estatildeo concentrados mais de 90 da potecircncia do sinal portanto a banda necessaacuteria para a transmissatildeo do sinal eacute a diferenccedila entre as frequumlecircncias das bandas laterais superiores e inferiores ou seja
E0
2E0IMπ 2E0IMπ
2E0IM3π 2E0IM3π
2E0IM5π 2E0IM5π
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
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wwwwwBWMIacuteN 2)()( 00 =minusminus+=
Onde w eacute a frequumlecircncia fundamental da onda quadrada Q(t) Analisando-se novamente a expressatildeo do sinal utilizando-se o teorema da
potecircncia para seacuteries de cossenos temos
t)Q(t)cos(wIEt)cos(wE(t)ψ 0M000BASK +=
Considerando apenas as bandas laterais
w]t))cos([w w]t)cos([w(2IEt)cos(wE(t)ψ 00
M000BASK minus+++=
A potecircncia do sinal BASK eacute
2IE
24IE
4IE
2
2M
20
20
2M
20
2M
20
20 +=++=
EEPT
bull Sinal OOK
Considera-se o sinal OOK como um caso particular do BASK para IM igual a 1 Este sistema eacute o mais simples e o mais antigo dos sistemas de modulaccedilatildeo digital Pode-se modular um sinal em OOK dispondo-se simplesmente de um oscilador e de um comutador que iraacute cortar a portadora quando o sinal digital for ldquo0rdquo e deixar passar quando for ldquo1rdquo O sinal OOK pode ser visualizado abaixo
Obviamente todos os resultados obtidos no BASK podem ser aplicados
diretamente no OOK Apenas considera-se E2 como zero A banda miacutenima necessaacuteria para a transmissatildeo eacute a mesma duas vezes a frequumlecircncia fundamental da onda quadrada
ldquo1rdquo
ldquo0rdquo ldquo0rdquo
ldquo1rdquo
Sinal OOK - Iacutendice de modulaccedilatildeo = 1
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wBWMIacuteN 2=
Na praacutetica por exemplo nos sistemas telegraacuteficos utiliza-se uma banda 3 a 5 vezes maior que a banda miacutenima Isso se deve ao fato de que para receber um sinal com banda miacutenima necessita-se de filtros ideais ou quase ideais O aumento da banda simplifica o projeto do filtro passa-faixas do receptor
Pode-se obter a potecircncia de um sinal OOK substituindo-se IM=1 na foacutermula da potecircncia do sinal BASK Tem-se assim
2
0
20
20
22EEEPT =+=
Pode-se notar que o sinal OOK eacute mais eficiente que o sinal BASK convencional
Ocorre o mesmo que na modulaccedilatildeo AM convencional haacute um maacuteximo de eficiecircncia quando o iacutendice de modulaccedilatildeo eacute 1
Sinais OOK tecircm sua aplicaccedilatildeo principalmente em sinais telegraacuteficos Quando demodulado o sinal restaurado eacute uma sequumlecircncia de pulsos DC que pode natildeo ser adequada para recepccedilatildeo auditiva
Duas opccedilotildees podem ser usadas para corrigir este problema Ou um releacute comuta o oscilador local ou modula-se o sinal OOK com um sinal de aacuteudio
Quando se modula o sinal OOK novamente ou seja faz-se uma modulaccedilatildeo composta o sinal resultante eacute um sync principal e dois outros syncs menores servindo como bandas laterais Este espectro pode ser visualizado a seguir
Deve-se tomar cuidado na escolha de w0 e wA para que natildeo haja superposiccedilatildeo dos
espectros
bull Demoduladores ASK
Pode-se usar qualquer demodulador analoacutegico como o detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona Entretanto este uacuteltimo possuiacute melhor desempenho em sistemas ruidosos e em casos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo eacute muito baixa deve ser o mais utilizado
w0-wA w0 w0+wA
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3) Modulaccedilatildeo angular ndash Famiacutelias PSK e FSK
Um sinal digital pode ser tambeacutem aplicado em um gerador PM ou FM dando origem aos sinais PSK (Phase Shift Keying) e FSK (Frequency Shift Keying)
De forma anaacuteloga aos sinais da famiacutelia ASK os sinais PSKFSK podem ser obtidos atraveacutes de seleccedilatildeo ou comutaccedilatildeo de diferentes fontes No caso do FSK dois geradores de frequumlecircncias distintas satildeo selecionados de acordo com a entrada digital (ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo)
Jaacute o PSK pode ser obtido por processo semelhante Quando a entrada digital eacute ldquo1rdquo por exemplo o sinal de um gerador eacute colocado na saiacuteda do modulador e quando a entrada digital eacute ldquo0rdquo o sinal do gerador eacute passado por um circuito que defasa o sinal e soacute entatildeo eacute colocado na saiacuteda
O diagrama em blocos de um modulador PSK e FSK eacute mostrado abaixo
Modulador FSK Modulador PSK
Assim durante o intervalo de tempo em que o sinal digital manteacutem um valor seja ele ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo a saiacuteda estaraacute apresentando uma senoacuteide pura Isso daacute caracteriacutesticas diferentes aos sinais FSKPSK em relaccedilatildeo aos sinais FMPM
Podemos perceber que um sinal digital modulado angularmente pode ser simplificado por somas de sinais OOK modulados opostamente isto eacute modulando com uma amplitude natildeo nula para os uns e nula para os zeros em uma e o contraacuterio na outra
Se um dos sinais OOK possuir uma certa frequumlecircncia e o outro oposto possuir outra frequumlecircncia a soma destes dois sinais eacute igual a um sinal FSK O mesmo ocorre para os sinais PSK neste caso os sinais OOK precisaratildeo ter fases diferentes
~
~
W1
W2
~W1
Defasador
Sinal digital de entrada
Sinal digital de entrada
Sinal OOK Frequumlecircncia W1
Sinal OOK oposto Frequumlecircncia W2
Sinal FSK gerado com a soma dos dois sinais OOK
+ =
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diams Famiacutelia FSK
Analogamente agrave famiacutelia ASK os sinais FSK satildeo classificados de acordo com o sinal digital que entra no sistema Ocorrem as mesmas variaccedilotildees do ASK como o BFSK (anaacutelogo ao BASK) e o MFSK (anaacutelogo ao MASK) bull Sinal MFSK
O sinal MFSK eacute composto por vaacuterias frequumlecircncias diferentes cada uma usada para codificar um determinado estado Como existem m estados no sistema haveraacute m frequumlecircncias diferentes no MFSK
No receptor existe um filtro para cada um dos m estados na saiacuteda de cada filtro haveraacute ruiacutedos a natildeo ser naquele que estiver recebendo a frequumlecircncia correta Todas as saiacutedas dos filtros entram em um regenerador que restitui o sinal original
Modulador e Receptor MFSK
O sinal MFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MFSK
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
~
~
W3
W4
FiltroW1
FiltroW2
FiltroW3
FiltroW4
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Assim como no sinal MASK a distribuiccedilatildeo espectral uniforme das frequumlecircncias que geram o sinal MFSK propicia um melhor aproveitamento do espectro e consequentemente uma simplificaccedilatildeo nos projetos dos filtros do receptor alem de um melhor discernimento no moacutedulo decisorregenerador
bull Sinal BFSK
O sinal BFSK eacute anaacutelogo ao BASK e um caso particular do MFSK para dois estados possiacuteveis somente O sinal BFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Binaacuterio Sinal BFSK O sistema de modulaccedilatildeodemodulaccedilatildeo eacute idecircntico ao do MFSK poreacutem apenas com
dois geradores no modulador e dois sistemas filtrodetector de envoltoacuteria Para determinarmos o espectro do sinal BFSK usaremos o artifiacutecio de dividi-lo
em dois sinais OOK conforme dito anteriormente Se em cada estado do sinal de entrada temos uma determinada frequumlecircncia entatildeo
temos
t)(wE(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20
10
cos0cos1sdot=sdot=
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
FiltroW1
FiltroW2
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Considerando Wd como um desvio igual a semidiferenccedila entre as frequumlecircncias
22
][cos0][cos1
210
21
00
00
wwwewwwOnde
t)ww(E(t)E Estadot)ww(E(t) E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
+=
minus=
minussdot=+sdot=
Assim se o sinal BFSK eacute a soma de dois sinais OOK1 e OOK2 Analisemos agora
o sinal OOK1
00cos1 10
=sdot=
(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Como o sinal acima eacute idecircntico ao apresentado na sessatildeo de sinais BASK o
espectro do sinal eacute tambeacutem idecircntico ou seja um sync cortado por diversos impulsos O sinal OOK2 eacute definido da seguinte forma
t)(wE(t)E Estado(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20 cos001
sdot==
Considerando o sinal de entrada uma onda quadrada de periacuteodo T ou seja
alternando igualmente zeros e uns o sinal de entrada de OOK2 eacute igual ao sinal de entrada de OOK1 mas com um retardo de T2
A transformada de Fourier do sinal de entrada de OOK2 seraacute igual ao de OOK1 multiplicada por uma componente exponencial com argumento complexo de acordo com a propriedade do deslocamento no tempo Considerando Q1(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK1 e Q2(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK2 temos
2
12 )()( jwTewQwQ minussdot=
Isso faraacute com que o espectro de Q2 e consequentemente o espectro de OOK2 seja igual ao de OOK1 poreacutem com todas as suas componentes invertidas em 180ordm a exceccedilatildeo obviamente do valor DC
Quando somamos os dois espectros o de OOK2 e o de OOK1 temos como resultado o espectro do BFSK equivalente Este espectro consiste em dois syncs cortados por impulsos sendo que um deles tem todas as suas componentes invertidas 180ordm como mostra a figura abaixo
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Espectro de um sinal BFSK ndash gerado a partir de dois sinais OOK
Sabendo-se o espectro do sinal BFSK podemos determinar a sua largura de banda
miacutenima de transmissatildeo De acordo com a figura acima a banda para transmissatildeo do sinal deve conter pelo menos a portadora principal em w1 e w2 e as duas bandas laterais de cada Dessa forma
wwwwwwwBW 2)()( 2121 ++=minusminus+=
Considerando 2
12 ww minus como o desvio wd de frequumlecircncia do sinal BFSK a
foacutermula acima pode ser escrita
2
)(2
21 wwwonde
wwB
D
DW
minus=
+sdot=
bull Demoduladores FSK
Para modular um sinal da famiacutelia FSK pode-se usar um modulador FM convencional ou um seletor de frequumlecircncias
Este seletor de frequumlecircncias pode ser montado com um circuito de chaves que comutam osciladores independentes conforme mostrado anteriormente Poreacutem este tipo de montagem eacute pouco praacutetico sendo preferiacutevel montar um circuito com apenas um gerador e multiplicadores de frequumlecircncias chaveados pelo circuito seletor
Outra soluccedilatildeo frequumlentemente adotada eacute a utilizaccedilatildeo de um circuito LC oscilador em que chaves seletoras adicionam mais ou menos capacitacircncia de acordo com a frequumlecircncia que se deseja gerar para cada estado
w2-3w w2 w2+3w w1-w w1 w1+w
w2-w w2+w w1-3w w1+3w
Banda de Passagem miacutenima
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Exemplo de modulador FSK com circuito Oscilador LC e chaveamento de capacitores
Jaacute a demodulaccedilatildeo do sinal FSK pode ser feita por um demodulador FM
convencional onde se adiciona obviamente um decisorregenerador para recuperar o sinal digital original Poreacutem essa situaccedilatildeo poderaacute ser bastante complicada no caso do sinal MFSK com muitos niacuteveis
Neste caso prefere-se usar filtros para decompor o sinal FSK em vaacuterios sinais OOK e a seguir demodular com detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona A saiacuteda de cada demodulador OOK entra em um decisorregenerador para novamente poder recuperar o sinal digital original
Embora complicada a demodulaccedilatildeo baseada em dividir o sinal FSK em vaacuterios OOK gera uma maior relaccedilatildeo sinalruiacutedo Isto ocorre pois os filtros que separam os sinais OOK possuem um menor faixa de passagem deixando menos ruiacutedo entrar no sistema sendo o preferido para demodular sinais de dados de alta velocidade
No caso do demodulador FM convencional a faixa de passagem do mesmo teria que ser bem maior aumento o ruiacutedo captado Mesmo assim devido a ser mais vantajoso economicamente eacute usado em sistemas telegraacuteficos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo natildeo eacute criacutetica diams Famiacutelia PSK
Exatamente como no ASK e no FSK os sinais da famiacutelia PSK satildeo divididos da mesma forma Quando o sinal de entrada eacute digital binaacuterio o sistema se chama BPSK Quando o sinal de entrada eacute digital multiniacutevel chamamos o sistema de MPSK
O sinal BPSK eacute conhecido tambeacutem como PRK (Phase reversal Keying) Isso ocorre pois no BPSK a fase da portadora eacute invertida quando se muda o estado loacutegico de ldquo0rdquo para ldquo1rdquo ou vice versa
Ainda existem outros elementos da famiacutelia PSK que se diferenciam nos modos de detecccedilatildeo das diferenccedilas de fase Satildeo os sinais CPSK e DPSK como seraacute visto mais adiante
C3L1
SW2SW1
C2 C1
Sinal de entrada
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bull Sinal MPSK
O sinal MPSK possui uma codificaccedilatildeo onde cada niacutevel do sinal digital de entrada representa uma fase diferente da portadora Um exemplo deste sinal eacute mostrado abaixo Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MPSK
No receptor usa-se detectores de fase para cada fase codificada As saiacutedas destes
detectores seratildeo levadas aos decisores e regeneradores sendo que a saiacuteda seraacute maacutexima no detector que estiver recebendo a portadora em fase com a referencia local
Um esquema de transmissatildeo e recepccedilatildeo MPSK com quatro niacuteveis eacute mostrado abaixo sua configuraccedilatildeo eacute bastante parecida com o MFSK poreacutem a grandeza variada na chave seletora eacute a fase natildeo a frequumlecircncia
~ W0
Sinal digital de entrada
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal φ1
φ2
φ3
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
~ W0
φ1
φ2
φ3
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A representaccedilatildeo fasorial do sinal PSK pode dar uma ideacuteia da capacidade de discernimento que o sistema de demodulaccedilatildeo precisa ter para ser capaz de restaurar o sinal original
Da mesma forma que foi feita nos sistemas ASK os ciacuterculos representam os intervalos de indecisatildeo
PSK Irregular ndash 0ordm e 90ordm
PSK regular ndash 0ordm 90ordm 180ordm e 270ordm PSK irregular
Exatamente como no esquema ASK a modulaccedilatildeo PSK regular tem vantagens em relaccedilatildeo ao irregular pois facilita na identificaccedilatildeo das fases fazendo com que as mesmas fiquem as mais distantes possiacuteveis umas das outras
Adicionalmente quanto maior for a amplitude da portadora melhor seraacute a capacidade do receptor de discernir entre os estados loacutegicos As duas figuras abaixo mostram essa peculiaridade aplicada em uma modulaccedilatildeo PSK regular de 8 estados
PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos Amplitude normal Amplitude Baixa
PRK PSK com 0ordm e 180ordm
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bull BPSK
O sinal BPSK eacute similar ao BASK e ao BFSK ou seja admite apenas dois estados loacutegicos do sinal de entrada ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo Para cada um deles no BPSK a portadora possui uma fase distinta
O BPSK eacute um caso particular do MPSK Normalmente para facilitar o trabalho do circuito decisor satildeo usadas as fases 0ordm e 180ordm para representar os niacuteveis loacutegicos fazendo com que os mesmos possuam a melhor distacircncia possiacutevel O sinal BPSK eacute mostrado abaixo
Sinal Digital Sinal BPSK
Procedendo da mesma forma usada no BFSK ou seja dividindo o sinal BPSK em dois sinais OOK com fases diferentes poderemos chegar ao graacutefico do espectro do sinal BPSK Assim
)cos0
cos1
200
100
φ
φ
+sdot=
+sdot=
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Considerando Φ0 como a fase inicial da portadora e ΦD como o desvio de fase as
expressotildees acima podem ser reescritas como
22
)cos0
cos1
210
21
000
000
φφφφφφ
φφ
φφ
+=
minus=
+minussdot=
++sdot=
eOnde
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
O sinal OOK1 seraacute exatamente igual ao caso do OOK convencional ou seja um
sinc centrado em W0 e cortado por diversos impulsos mostrado na paacutegina 6 Poreacutem haveraacute uma diferenccedila pois agora existe uma defasagem de Φ0+ΦD Assim apareceraacute uma exponencial com expoente complexo multiplicando o espectro OOK
j
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )(
10
1)()( φφ +sdot=
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Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
1
)()(21
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
jWOOK
eeWOOK
WBFSKWOOKWOOKDD
φ
φφ
sdot=
minussdot=
==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
1
)()(
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
φφ
sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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Assim considerando que E0 eacute a meacutedia da amplitude do sinal BASK podemos obter o seu iacutendice de modulaccedilatildeo em funccedilatildeo das amplitudes E1 e E2
21
21
21
221
0
20
2
2
EEEEI
EE
EEE
EEE
EEI
m
m
+minus
=
+
minus+
=minus
=∆
=
Nota-se que para um sinal BASK o iacutendice de modulaccedilatildeo eacute menor que um pois o
valor de E1 eacute menor que o valor de E2 O espectro do sinal BASK pode ser conseguido considerando que a portadora eacute
uma cossenoacuteide cuja amplitude eacute multiplicada por uma onda quadrada ou seja
)cos()](1[)( 00 twtQIEt MBASK +=ψ
O espectro entatildeo seraacute a transformada de Fourier do sinal acima Considerando que a multiplicaccedilatildeo no tempo eacute a convoluccedilatildeo na frequumlecircncia e que uma onda quadrada tem transformada na forma de ww)sen( o espectro do sinal BASK pode ser representado por um sync ldquocortadordquo por diversos impulsos como mostrado a seguir
O espectro necessaacuterio para transmissatildeo deste sinal eacute a raia do centro e as duas
primeiras raias laterais Nessas raias estatildeo concentrados mais de 90 da potecircncia do sinal portanto a banda necessaacuteria para a transmissatildeo do sinal eacute a diferenccedila entre as frequumlecircncias das bandas laterais superiores e inferiores ou seja
E0
2E0IMπ 2E0IMπ
2E0IM3π 2E0IM3π
2E0IM5π 2E0IM5π
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
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wwwwwBWMIacuteN 2)()( 00 =minusminus+=
Onde w eacute a frequumlecircncia fundamental da onda quadrada Q(t) Analisando-se novamente a expressatildeo do sinal utilizando-se o teorema da
potecircncia para seacuteries de cossenos temos
t)Q(t)cos(wIEt)cos(wE(t)ψ 0M000BASK +=
Considerando apenas as bandas laterais
w]t))cos([w w]t)cos([w(2IEt)cos(wE(t)ψ 00
M000BASK minus+++=
A potecircncia do sinal BASK eacute
2IE
24IE
4IE
2
2M
20
20
2M
20
2M
20
20 +=++=
EEPT
bull Sinal OOK
Considera-se o sinal OOK como um caso particular do BASK para IM igual a 1 Este sistema eacute o mais simples e o mais antigo dos sistemas de modulaccedilatildeo digital Pode-se modular um sinal em OOK dispondo-se simplesmente de um oscilador e de um comutador que iraacute cortar a portadora quando o sinal digital for ldquo0rdquo e deixar passar quando for ldquo1rdquo O sinal OOK pode ser visualizado abaixo
Obviamente todos os resultados obtidos no BASK podem ser aplicados
diretamente no OOK Apenas considera-se E2 como zero A banda miacutenima necessaacuteria para a transmissatildeo eacute a mesma duas vezes a frequumlecircncia fundamental da onda quadrada
ldquo1rdquo
ldquo0rdquo ldquo0rdquo
ldquo1rdquo
Sinal OOK - Iacutendice de modulaccedilatildeo = 1
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wBWMIacuteN 2=
Na praacutetica por exemplo nos sistemas telegraacuteficos utiliza-se uma banda 3 a 5 vezes maior que a banda miacutenima Isso se deve ao fato de que para receber um sinal com banda miacutenima necessita-se de filtros ideais ou quase ideais O aumento da banda simplifica o projeto do filtro passa-faixas do receptor
Pode-se obter a potecircncia de um sinal OOK substituindo-se IM=1 na foacutermula da potecircncia do sinal BASK Tem-se assim
2
0
20
20
22EEEPT =+=
Pode-se notar que o sinal OOK eacute mais eficiente que o sinal BASK convencional
Ocorre o mesmo que na modulaccedilatildeo AM convencional haacute um maacuteximo de eficiecircncia quando o iacutendice de modulaccedilatildeo eacute 1
Sinais OOK tecircm sua aplicaccedilatildeo principalmente em sinais telegraacuteficos Quando demodulado o sinal restaurado eacute uma sequumlecircncia de pulsos DC que pode natildeo ser adequada para recepccedilatildeo auditiva
Duas opccedilotildees podem ser usadas para corrigir este problema Ou um releacute comuta o oscilador local ou modula-se o sinal OOK com um sinal de aacuteudio
Quando se modula o sinal OOK novamente ou seja faz-se uma modulaccedilatildeo composta o sinal resultante eacute um sync principal e dois outros syncs menores servindo como bandas laterais Este espectro pode ser visualizado a seguir
Deve-se tomar cuidado na escolha de w0 e wA para que natildeo haja superposiccedilatildeo dos
espectros
bull Demoduladores ASK
Pode-se usar qualquer demodulador analoacutegico como o detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona Entretanto este uacuteltimo possuiacute melhor desempenho em sistemas ruidosos e em casos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo eacute muito baixa deve ser o mais utilizado
w0-wA w0 w0+wA
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3) Modulaccedilatildeo angular ndash Famiacutelias PSK e FSK
Um sinal digital pode ser tambeacutem aplicado em um gerador PM ou FM dando origem aos sinais PSK (Phase Shift Keying) e FSK (Frequency Shift Keying)
De forma anaacuteloga aos sinais da famiacutelia ASK os sinais PSKFSK podem ser obtidos atraveacutes de seleccedilatildeo ou comutaccedilatildeo de diferentes fontes No caso do FSK dois geradores de frequumlecircncias distintas satildeo selecionados de acordo com a entrada digital (ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo)
Jaacute o PSK pode ser obtido por processo semelhante Quando a entrada digital eacute ldquo1rdquo por exemplo o sinal de um gerador eacute colocado na saiacuteda do modulador e quando a entrada digital eacute ldquo0rdquo o sinal do gerador eacute passado por um circuito que defasa o sinal e soacute entatildeo eacute colocado na saiacuteda
O diagrama em blocos de um modulador PSK e FSK eacute mostrado abaixo
Modulador FSK Modulador PSK
Assim durante o intervalo de tempo em que o sinal digital manteacutem um valor seja ele ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo a saiacuteda estaraacute apresentando uma senoacuteide pura Isso daacute caracteriacutesticas diferentes aos sinais FSKPSK em relaccedilatildeo aos sinais FMPM
Podemos perceber que um sinal digital modulado angularmente pode ser simplificado por somas de sinais OOK modulados opostamente isto eacute modulando com uma amplitude natildeo nula para os uns e nula para os zeros em uma e o contraacuterio na outra
Se um dos sinais OOK possuir uma certa frequumlecircncia e o outro oposto possuir outra frequumlecircncia a soma destes dois sinais eacute igual a um sinal FSK O mesmo ocorre para os sinais PSK neste caso os sinais OOK precisaratildeo ter fases diferentes
~
~
W1
W2
~W1
Defasador
Sinal digital de entrada
Sinal digital de entrada
Sinal OOK Frequumlecircncia W1
Sinal OOK oposto Frequumlecircncia W2
Sinal FSK gerado com a soma dos dois sinais OOK
+ =
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diams Famiacutelia FSK
Analogamente agrave famiacutelia ASK os sinais FSK satildeo classificados de acordo com o sinal digital que entra no sistema Ocorrem as mesmas variaccedilotildees do ASK como o BFSK (anaacutelogo ao BASK) e o MFSK (anaacutelogo ao MASK) bull Sinal MFSK
O sinal MFSK eacute composto por vaacuterias frequumlecircncias diferentes cada uma usada para codificar um determinado estado Como existem m estados no sistema haveraacute m frequumlecircncias diferentes no MFSK
No receptor existe um filtro para cada um dos m estados na saiacuteda de cada filtro haveraacute ruiacutedos a natildeo ser naquele que estiver recebendo a frequumlecircncia correta Todas as saiacutedas dos filtros entram em um regenerador que restitui o sinal original
Modulador e Receptor MFSK
O sinal MFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MFSK
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
~
~
W3
W4
FiltroW1
FiltroW2
FiltroW3
FiltroW4
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Assim como no sinal MASK a distribuiccedilatildeo espectral uniforme das frequumlecircncias que geram o sinal MFSK propicia um melhor aproveitamento do espectro e consequentemente uma simplificaccedilatildeo nos projetos dos filtros do receptor alem de um melhor discernimento no moacutedulo decisorregenerador
bull Sinal BFSK
O sinal BFSK eacute anaacutelogo ao BASK e um caso particular do MFSK para dois estados possiacuteveis somente O sinal BFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Binaacuterio Sinal BFSK O sistema de modulaccedilatildeodemodulaccedilatildeo eacute idecircntico ao do MFSK poreacutem apenas com
dois geradores no modulador e dois sistemas filtrodetector de envoltoacuteria Para determinarmos o espectro do sinal BFSK usaremos o artifiacutecio de dividi-lo
em dois sinais OOK conforme dito anteriormente Se em cada estado do sinal de entrada temos uma determinada frequumlecircncia entatildeo
temos
t)(wE(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20
10
cos0cos1sdot=sdot=
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
FiltroW1
FiltroW2
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Considerando Wd como um desvio igual a semidiferenccedila entre as frequumlecircncias
22
][cos0][cos1
210
21
00
00
wwwewwwOnde
t)ww(E(t)E Estadot)ww(E(t) E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
+=
minus=
minussdot=+sdot=
Assim se o sinal BFSK eacute a soma de dois sinais OOK1 e OOK2 Analisemos agora
o sinal OOK1
00cos1 10
=sdot=
(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Como o sinal acima eacute idecircntico ao apresentado na sessatildeo de sinais BASK o
espectro do sinal eacute tambeacutem idecircntico ou seja um sync cortado por diversos impulsos O sinal OOK2 eacute definido da seguinte forma
t)(wE(t)E Estado(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20 cos001
sdot==
Considerando o sinal de entrada uma onda quadrada de periacuteodo T ou seja
alternando igualmente zeros e uns o sinal de entrada de OOK2 eacute igual ao sinal de entrada de OOK1 mas com um retardo de T2
A transformada de Fourier do sinal de entrada de OOK2 seraacute igual ao de OOK1 multiplicada por uma componente exponencial com argumento complexo de acordo com a propriedade do deslocamento no tempo Considerando Q1(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK1 e Q2(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK2 temos
2
12 )()( jwTewQwQ minussdot=
Isso faraacute com que o espectro de Q2 e consequentemente o espectro de OOK2 seja igual ao de OOK1 poreacutem com todas as suas componentes invertidas em 180ordm a exceccedilatildeo obviamente do valor DC
Quando somamos os dois espectros o de OOK2 e o de OOK1 temos como resultado o espectro do BFSK equivalente Este espectro consiste em dois syncs cortados por impulsos sendo que um deles tem todas as suas componentes invertidas 180ordm como mostra a figura abaixo
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Espectro de um sinal BFSK ndash gerado a partir de dois sinais OOK
Sabendo-se o espectro do sinal BFSK podemos determinar a sua largura de banda
miacutenima de transmissatildeo De acordo com a figura acima a banda para transmissatildeo do sinal deve conter pelo menos a portadora principal em w1 e w2 e as duas bandas laterais de cada Dessa forma
wwwwwwwBW 2)()( 2121 ++=minusminus+=
Considerando 2
12 ww minus como o desvio wd de frequumlecircncia do sinal BFSK a
foacutermula acima pode ser escrita
2
)(2
21 wwwonde
wwB
D
DW
minus=
+sdot=
bull Demoduladores FSK
Para modular um sinal da famiacutelia FSK pode-se usar um modulador FM convencional ou um seletor de frequumlecircncias
Este seletor de frequumlecircncias pode ser montado com um circuito de chaves que comutam osciladores independentes conforme mostrado anteriormente Poreacutem este tipo de montagem eacute pouco praacutetico sendo preferiacutevel montar um circuito com apenas um gerador e multiplicadores de frequumlecircncias chaveados pelo circuito seletor
Outra soluccedilatildeo frequumlentemente adotada eacute a utilizaccedilatildeo de um circuito LC oscilador em que chaves seletoras adicionam mais ou menos capacitacircncia de acordo com a frequumlecircncia que se deseja gerar para cada estado
w2-3w w2 w2+3w w1-w w1 w1+w
w2-w w2+w w1-3w w1+3w
Banda de Passagem miacutenima
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Exemplo de modulador FSK com circuito Oscilador LC e chaveamento de capacitores
Jaacute a demodulaccedilatildeo do sinal FSK pode ser feita por um demodulador FM
convencional onde se adiciona obviamente um decisorregenerador para recuperar o sinal digital original Poreacutem essa situaccedilatildeo poderaacute ser bastante complicada no caso do sinal MFSK com muitos niacuteveis
Neste caso prefere-se usar filtros para decompor o sinal FSK em vaacuterios sinais OOK e a seguir demodular com detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona A saiacuteda de cada demodulador OOK entra em um decisorregenerador para novamente poder recuperar o sinal digital original
Embora complicada a demodulaccedilatildeo baseada em dividir o sinal FSK em vaacuterios OOK gera uma maior relaccedilatildeo sinalruiacutedo Isto ocorre pois os filtros que separam os sinais OOK possuem um menor faixa de passagem deixando menos ruiacutedo entrar no sistema sendo o preferido para demodular sinais de dados de alta velocidade
No caso do demodulador FM convencional a faixa de passagem do mesmo teria que ser bem maior aumento o ruiacutedo captado Mesmo assim devido a ser mais vantajoso economicamente eacute usado em sistemas telegraacuteficos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo natildeo eacute criacutetica diams Famiacutelia PSK
Exatamente como no ASK e no FSK os sinais da famiacutelia PSK satildeo divididos da mesma forma Quando o sinal de entrada eacute digital binaacuterio o sistema se chama BPSK Quando o sinal de entrada eacute digital multiniacutevel chamamos o sistema de MPSK
O sinal BPSK eacute conhecido tambeacutem como PRK (Phase reversal Keying) Isso ocorre pois no BPSK a fase da portadora eacute invertida quando se muda o estado loacutegico de ldquo0rdquo para ldquo1rdquo ou vice versa
Ainda existem outros elementos da famiacutelia PSK que se diferenciam nos modos de detecccedilatildeo das diferenccedilas de fase Satildeo os sinais CPSK e DPSK como seraacute visto mais adiante
C3L1
SW2SW1
C2 C1
Sinal de entrada
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bull Sinal MPSK
O sinal MPSK possui uma codificaccedilatildeo onde cada niacutevel do sinal digital de entrada representa uma fase diferente da portadora Um exemplo deste sinal eacute mostrado abaixo Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MPSK
No receptor usa-se detectores de fase para cada fase codificada As saiacutedas destes
detectores seratildeo levadas aos decisores e regeneradores sendo que a saiacuteda seraacute maacutexima no detector que estiver recebendo a portadora em fase com a referencia local
Um esquema de transmissatildeo e recepccedilatildeo MPSK com quatro niacuteveis eacute mostrado abaixo sua configuraccedilatildeo eacute bastante parecida com o MFSK poreacutem a grandeza variada na chave seletora eacute a fase natildeo a frequumlecircncia
~ W0
Sinal digital de entrada
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal φ1
φ2
φ3
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
~ W0
φ1
φ2
φ3
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A representaccedilatildeo fasorial do sinal PSK pode dar uma ideacuteia da capacidade de discernimento que o sistema de demodulaccedilatildeo precisa ter para ser capaz de restaurar o sinal original
Da mesma forma que foi feita nos sistemas ASK os ciacuterculos representam os intervalos de indecisatildeo
PSK Irregular ndash 0ordm e 90ordm
PSK regular ndash 0ordm 90ordm 180ordm e 270ordm PSK irregular
Exatamente como no esquema ASK a modulaccedilatildeo PSK regular tem vantagens em relaccedilatildeo ao irregular pois facilita na identificaccedilatildeo das fases fazendo com que as mesmas fiquem as mais distantes possiacuteveis umas das outras
Adicionalmente quanto maior for a amplitude da portadora melhor seraacute a capacidade do receptor de discernir entre os estados loacutegicos As duas figuras abaixo mostram essa peculiaridade aplicada em uma modulaccedilatildeo PSK regular de 8 estados
PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos Amplitude normal Amplitude Baixa
PRK PSK com 0ordm e 180ordm
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bull BPSK
O sinal BPSK eacute similar ao BASK e ao BFSK ou seja admite apenas dois estados loacutegicos do sinal de entrada ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo Para cada um deles no BPSK a portadora possui uma fase distinta
O BPSK eacute um caso particular do MPSK Normalmente para facilitar o trabalho do circuito decisor satildeo usadas as fases 0ordm e 180ordm para representar os niacuteveis loacutegicos fazendo com que os mesmos possuam a melhor distacircncia possiacutevel O sinal BPSK eacute mostrado abaixo
Sinal Digital Sinal BPSK
Procedendo da mesma forma usada no BFSK ou seja dividindo o sinal BPSK em dois sinais OOK com fases diferentes poderemos chegar ao graacutefico do espectro do sinal BPSK Assim
)cos0
cos1
200
100
φ
φ
+sdot=
+sdot=
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Considerando Φ0 como a fase inicial da portadora e ΦD como o desvio de fase as
expressotildees acima podem ser reescritas como
22
)cos0
cos1
210
21
000
000
φφφφφφ
φφ
φφ
+=
minus=
+minussdot=
++sdot=
eOnde
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
O sinal OOK1 seraacute exatamente igual ao caso do OOK convencional ou seja um
sinc centrado em W0 e cortado por diversos impulsos mostrado na paacutegina 6 Poreacutem haveraacute uma diferenccedila pois agora existe uma defasagem de Φ0+ΦD Assim apareceraacute uma exponencial com expoente complexo multiplicando o espectro OOK
j
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )(
10
1)()( φφ +sdot=
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Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
1
)()(21
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
jWOOK
eeWOOK
WBFSKWOOKWOOKDD
φ
φφ
sdot=
minussdot=
==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
1
)()(
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
φφ
sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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Resumo do capiacutetulo 12 ndash Modulaccedilatildeo digital
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wwwwwBWMIacuteN 2)()( 00 =minusminus+=
Onde w eacute a frequumlecircncia fundamental da onda quadrada Q(t) Analisando-se novamente a expressatildeo do sinal utilizando-se o teorema da
potecircncia para seacuteries de cossenos temos
t)Q(t)cos(wIEt)cos(wE(t)ψ 0M000BASK +=
Considerando apenas as bandas laterais
w]t))cos([w w]t)cos([w(2IEt)cos(wE(t)ψ 00
M000BASK minus+++=
A potecircncia do sinal BASK eacute
2IE
24IE
4IE
2
2M
20
20
2M
20
2M
20
20 +=++=
EEPT
bull Sinal OOK
Considera-se o sinal OOK como um caso particular do BASK para IM igual a 1 Este sistema eacute o mais simples e o mais antigo dos sistemas de modulaccedilatildeo digital Pode-se modular um sinal em OOK dispondo-se simplesmente de um oscilador e de um comutador que iraacute cortar a portadora quando o sinal digital for ldquo0rdquo e deixar passar quando for ldquo1rdquo O sinal OOK pode ser visualizado abaixo
Obviamente todos os resultados obtidos no BASK podem ser aplicados
diretamente no OOK Apenas considera-se E2 como zero A banda miacutenima necessaacuteria para a transmissatildeo eacute a mesma duas vezes a frequumlecircncia fundamental da onda quadrada
ldquo1rdquo
ldquo0rdquo ldquo0rdquo
ldquo1rdquo
Sinal OOK - Iacutendice de modulaccedilatildeo = 1
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wBWMIacuteN 2=
Na praacutetica por exemplo nos sistemas telegraacuteficos utiliza-se uma banda 3 a 5 vezes maior que a banda miacutenima Isso se deve ao fato de que para receber um sinal com banda miacutenima necessita-se de filtros ideais ou quase ideais O aumento da banda simplifica o projeto do filtro passa-faixas do receptor
Pode-se obter a potecircncia de um sinal OOK substituindo-se IM=1 na foacutermula da potecircncia do sinal BASK Tem-se assim
2
0
20
20
22EEEPT =+=
Pode-se notar que o sinal OOK eacute mais eficiente que o sinal BASK convencional
Ocorre o mesmo que na modulaccedilatildeo AM convencional haacute um maacuteximo de eficiecircncia quando o iacutendice de modulaccedilatildeo eacute 1
Sinais OOK tecircm sua aplicaccedilatildeo principalmente em sinais telegraacuteficos Quando demodulado o sinal restaurado eacute uma sequumlecircncia de pulsos DC que pode natildeo ser adequada para recepccedilatildeo auditiva
Duas opccedilotildees podem ser usadas para corrigir este problema Ou um releacute comuta o oscilador local ou modula-se o sinal OOK com um sinal de aacuteudio
Quando se modula o sinal OOK novamente ou seja faz-se uma modulaccedilatildeo composta o sinal resultante eacute um sync principal e dois outros syncs menores servindo como bandas laterais Este espectro pode ser visualizado a seguir
Deve-se tomar cuidado na escolha de w0 e wA para que natildeo haja superposiccedilatildeo dos
espectros
bull Demoduladores ASK
Pode-se usar qualquer demodulador analoacutegico como o detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona Entretanto este uacuteltimo possuiacute melhor desempenho em sistemas ruidosos e em casos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo eacute muito baixa deve ser o mais utilizado
w0-wA w0 w0+wA
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3) Modulaccedilatildeo angular ndash Famiacutelias PSK e FSK
Um sinal digital pode ser tambeacutem aplicado em um gerador PM ou FM dando origem aos sinais PSK (Phase Shift Keying) e FSK (Frequency Shift Keying)
De forma anaacuteloga aos sinais da famiacutelia ASK os sinais PSKFSK podem ser obtidos atraveacutes de seleccedilatildeo ou comutaccedilatildeo de diferentes fontes No caso do FSK dois geradores de frequumlecircncias distintas satildeo selecionados de acordo com a entrada digital (ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo)
Jaacute o PSK pode ser obtido por processo semelhante Quando a entrada digital eacute ldquo1rdquo por exemplo o sinal de um gerador eacute colocado na saiacuteda do modulador e quando a entrada digital eacute ldquo0rdquo o sinal do gerador eacute passado por um circuito que defasa o sinal e soacute entatildeo eacute colocado na saiacuteda
O diagrama em blocos de um modulador PSK e FSK eacute mostrado abaixo
Modulador FSK Modulador PSK
Assim durante o intervalo de tempo em que o sinal digital manteacutem um valor seja ele ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo a saiacuteda estaraacute apresentando uma senoacuteide pura Isso daacute caracteriacutesticas diferentes aos sinais FSKPSK em relaccedilatildeo aos sinais FMPM
Podemos perceber que um sinal digital modulado angularmente pode ser simplificado por somas de sinais OOK modulados opostamente isto eacute modulando com uma amplitude natildeo nula para os uns e nula para os zeros em uma e o contraacuterio na outra
Se um dos sinais OOK possuir uma certa frequumlecircncia e o outro oposto possuir outra frequumlecircncia a soma destes dois sinais eacute igual a um sinal FSK O mesmo ocorre para os sinais PSK neste caso os sinais OOK precisaratildeo ter fases diferentes
~
~
W1
W2
~W1
Defasador
Sinal digital de entrada
Sinal digital de entrada
Sinal OOK Frequumlecircncia W1
Sinal OOK oposto Frequumlecircncia W2
Sinal FSK gerado com a soma dos dois sinais OOK
+ =
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diams Famiacutelia FSK
Analogamente agrave famiacutelia ASK os sinais FSK satildeo classificados de acordo com o sinal digital que entra no sistema Ocorrem as mesmas variaccedilotildees do ASK como o BFSK (anaacutelogo ao BASK) e o MFSK (anaacutelogo ao MASK) bull Sinal MFSK
O sinal MFSK eacute composto por vaacuterias frequumlecircncias diferentes cada uma usada para codificar um determinado estado Como existem m estados no sistema haveraacute m frequumlecircncias diferentes no MFSK
No receptor existe um filtro para cada um dos m estados na saiacuteda de cada filtro haveraacute ruiacutedos a natildeo ser naquele que estiver recebendo a frequumlecircncia correta Todas as saiacutedas dos filtros entram em um regenerador que restitui o sinal original
Modulador e Receptor MFSK
O sinal MFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MFSK
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
~
~
W3
W4
FiltroW1
FiltroW2
FiltroW3
FiltroW4
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Assim como no sinal MASK a distribuiccedilatildeo espectral uniforme das frequumlecircncias que geram o sinal MFSK propicia um melhor aproveitamento do espectro e consequentemente uma simplificaccedilatildeo nos projetos dos filtros do receptor alem de um melhor discernimento no moacutedulo decisorregenerador
bull Sinal BFSK
O sinal BFSK eacute anaacutelogo ao BASK e um caso particular do MFSK para dois estados possiacuteveis somente O sinal BFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Binaacuterio Sinal BFSK O sistema de modulaccedilatildeodemodulaccedilatildeo eacute idecircntico ao do MFSK poreacutem apenas com
dois geradores no modulador e dois sistemas filtrodetector de envoltoacuteria Para determinarmos o espectro do sinal BFSK usaremos o artifiacutecio de dividi-lo
em dois sinais OOK conforme dito anteriormente Se em cada estado do sinal de entrada temos uma determinada frequumlecircncia entatildeo
temos
t)(wE(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20
10
cos0cos1sdot=sdot=
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
FiltroW1
FiltroW2
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Considerando Wd como um desvio igual a semidiferenccedila entre as frequumlecircncias
22
][cos0][cos1
210
21
00
00
wwwewwwOnde
t)ww(E(t)E Estadot)ww(E(t) E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
+=
minus=
minussdot=+sdot=
Assim se o sinal BFSK eacute a soma de dois sinais OOK1 e OOK2 Analisemos agora
o sinal OOK1
00cos1 10
=sdot=
(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Como o sinal acima eacute idecircntico ao apresentado na sessatildeo de sinais BASK o
espectro do sinal eacute tambeacutem idecircntico ou seja um sync cortado por diversos impulsos O sinal OOK2 eacute definido da seguinte forma
t)(wE(t)E Estado(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20 cos001
sdot==
Considerando o sinal de entrada uma onda quadrada de periacuteodo T ou seja
alternando igualmente zeros e uns o sinal de entrada de OOK2 eacute igual ao sinal de entrada de OOK1 mas com um retardo de T2
A transformada de Fourier do sinal de entrada de OOK2 seraacute igual ao de OOK1 multiplicada por uma componente exponencial com argumento complexo de acordo com a propriedade do deslocamento no tempo Considerando Q1(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK1 e Q2(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK2 temos
2
12 )()( jwTewQwQ minussdot=
Isso faraacute com que o espectro de Q2 e consequentemente o espectro de OOK2 seja igual ao de OOK1 poreacutem com todas as suas componentes invertidas em 180ordm a exceccedilatildeo obviamente do valor DC
Quando somamos os dois espectros o de OOK2 e o de OOK1 temos como resultado o espectro do BFSK equivalente Este espectro consiste em dois syncs cortados por impulsos sendo que um deles tem todas as suas componentes invertidas 180ordm como mostra a figura abaixo
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Espectro de um sinal BFSK ndash gerado a partir de dois sinais OOK
Sabendo-se o espectro do sinal BFSK podemos determinar a sua largura de banda
miacutenima de transmissatildeo De acordo com a figura acima a banda para transmissatildeo do sinal deve conter pelo menos a portadora principal em w1 e w2 e as duas bandas laterais de cada Dessa forma
wwwwwwwBW 2)()( 2121 ++=minusminus+=
Considerando 2
12 ww minus como o desvio wd de frequumlecircncia do sinal BFSK a
foacutermula acima pode ser escrita
2
)(2
21 wwwonde
wwB
D
DW
minus=
+sdot=
bull Demoduladores FSK
Para modular um sinal da famiacutelia FSK pode-se usar um modulador FM convencional ou um seletor de frequumlecircncias
Este seletor de frequumlecircncias pode ser montado com um circuito de chaves que comutam osciladores independentes conforme mostrado anteriormente Poreacutem este tipo de montagem eacute pouco praacutetico sendo preferiacutevel montar um circuito com apenas um gerador e multiplicadores de frequumlecircncias chaveados pelo circuito seletor
Outra soluccedilatildeo frequumlentemente adotada eacute a utilizaccedilatildeo de um circuito LC oscilador em que chaves seletoras adicionam mais ou menos capacitacircncia de acordo com a frequumlecircncia que se deseja gerar para cada estado
w2-3w w2 w2+3w w1-w w1 w1+w
w2-w w2+w w1-3w w1+3w
Banda de Passagem miacutenima
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Exemplo de modulador FSK com circuito Oscilador LC e chaveamento de capacitores
Jaacute a demodulaccedilatildeo do sinal FSK pode ser feita por um demodulador FM
convencional onde se adiciona obviamente um decisorregenerador para recuperar o sinal digital original Poreacutem essa situaccedilatildeo poderaacute ser bastante complicada no caso do sinal MFSK com muitos niacuteveis
Neste caso prefere-se usar filtros para decompor o sinal FSK em vaacuterios sinais OOK e a seguir demodular com detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona A saiacuteda de cada demodulador OOK entra em um decisorregenerador para novamente poder recuperar o sinal digital original
Embora complicada a demodulaccedilatildeo baseada em dividir o sinal FSK em vaacuterios OOK gera uma maior relaccedilatildeo sinalruiacutedo Isto ocorre pois os filtros que separam os sinais OOK possuem um menor faixa de passagem deixando menos ruiacutedo entrar no sistema sendo o preferido para demodular sinais de dados de alta velocidade
No caso do demodulador FM convencional a faixa de passagem do mesmo teria que ser bem maior aumento o ruiacutedo captado Mesmo assim devido a ser mais vantajoso economicamente eacute usado em sistemas telegraacuteficos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo natildeo eacute criacutetica diams Famiacutelia PSK
Exatamente como no ASK e no FSK os sinais da famiacutelia PSK satildeo divididos da mesma forma Quando o sinal de entrada eacute digital binaacuterio o sistema se chama BPSK Quando o sinal de entrada eacute digital multiniacutevel chamamos o sistema de MPSK
O sinal BPSK eacute conhecido tambeacutem como PRK (Phase reversal Keying) Isso ocorre pois no BPSK a fase da portadora eacute invertida quando se muda o estado loacutegico de ldquo0rdquo para ldquo1rdquo ou vice versa
Ainda existem outros elementos da famiacutelia PSK que se diferenciam nos modos de detecccedilatildeo das diferenccedilas de fase Satildeo os sinais CPSK e DPSK como seraacute visto mais adiante
C3L1
SW2SW1
C2 C1
Sinal de entrada
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bull Sinal MPSK
O sinal MPSK possui uma codificaccedilatildeo onde cada niacutevel do sinal digital de entrada representa uma fase diferente da portadora Um exemplo deste sinal eacute mostrado abaixo Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MPSK
No receptor usa-se detectores de fase para cada fase codificada As saiacutedas destes
detectores seratildeo levadas aos decisores e regeneradores sendo que a saiacuteda seraacute maacutexima no detector que estiver recebendo a portadora em fase com a referencia local
Um esquema de transmissatildeo e recepccedilatildeo MPSK com quatro niacuteveis eacute mostrado abaixo sua configuraccedilatildeo eacute bastante parecida com o MFSK poreacutem a grandeza variada na chave seletora eacute a fase natildeo a frequumlecircncia
~ W0
Sinal digital de entrada
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal φ1
φ2
φ3
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
~ W0
φ1
φ2
φ3
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A representaccedilatildeo fasorial do sinal PSK pode dar uma ideacuteia da capacidade de discernimento que o sistema de demodulaccedilatildeo precisa ter para ser capaz de restaurar o sinal original
Da mesma forma que foi feita nos sistemas ASK os ciacuterculos representam os intervalos de indecisatildeo
PSK Irregular ndash 0ordm e 90ordm
PSK regular ndash 0ordm 90ordm 180ordm e 270ordm PSK irregular
Exatamente como no esquema ASK a modulaccedilatildeo PSK regular tem vantagens em relaccedilatildeo ao irregular pois facilita na identificaccedilatildeo das fases fazendo com que as mesmas fiquem as mais distantes possiacuteveis umas das outras
Adicionalmente quanto maior for a amplitude da portadora melhor seraacute a capacidade do receptor de discernir entre os estados loacutegicos As duas figuras abaixo mostram essa peculiaridade aplicada em uma modulaccedilatildeo PSK regular de 8 estados
PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos Amplitude normal Amplitude Baixa
PRK PSK com 0ordm e 180ordm
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bull BPSK
O sinal BPSK eacute similar ao BASK e ao BFSK ou seja admite apenas dois estados loacutegicos do sinal de entrada ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo Para cada um deles no BPSK a portadora possui uma fase distinta
O BPSK eacute um caso particular do MPSK Normalmente para facilitar o trabalho do circuito decisor satildeo usadas as fases 0ordm e 180ordm para representar os niacuteveis loacutegicos fazendo com que os mesmos possuam a melhor distacircncia possiacutevel O sinal BPSK eacute mostrado abaixo
Sinal Digital Sinal BPSK
Procedendo da mesma forma usada no BFSK ou seja dividindo o sinal BPSK em dois sinais OOK com fases diferentes poderemos chegar ao graacutefico do espectro do sinal BPSK Assim
)cos0
cos1
200
100
φ
φ
+sdot=
+sdot=
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Considerando Φ0 como a fase inicial da portadora e ΦD como o desvio de fase as
expressotildees acima podem ser reescritas como
22
)cos0
cos1
210
21
000
000
φφφφφφ
φφ
φφ
+=
minus=
+minussdot=
++sdot=
eOnde
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
O sinal OOK1 seraacute exatamente igual ao caso do OOK convencional ou seja um
sinc centrado em W0 e cortado por diversos impulsos mostrado na paacutegina 6 Poreacutem haveraacute uma diferenccedila pois agora existe uma defasagem de Φ0+ΦD Assim apareceraacute uma exponencial com expoente complexo multiplicando o espectro OOK
j
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )(
10
1)()( φφ +sdot=
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Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
1
)()(21
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
jWOOK
eeWOOK
WBFSKWOOKWOOKDD
φ
φφ
sdot=
minussdot=
==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
1
)()(
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
φφ
sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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wBWMIacuteN 2=
Na praacutetica por exemplo nos sistemas telegraacuteficos utiliza-se uma banda 3 a 5 vezes maior que a banda miacutenima Isso se deve ao fato de que para receber um sinal com banda miacutenima necessita-se de filtros ideais ou quase ideais O aumento da banda simplifica o projeto do filtro passa-faixas do receptor
Pode-se obter a potecircncia de um sinal OOK substituindo-se IM=1 na foacutermula da potecircncia do sinal BASK Tem-se assim
2
0
20
20
22EEEPT =+=
Pode-se notar que o sinal OOK eacute mais eficiente que o sinal BASK convencional
Ocorre o mesmo que na modulaccedilatildeo AM convencional haacute um maacuteximo de eficiecircncia quando o iacutendice de modulaccedilatildeo eacute 1
Sinais OOK tecircm sua aplicaccedilatildeo principalmente em sinais telegraacuteficos Quando demodulado o sinal restaurado eacute uma sequumlecircncia de pulsos DC que pode natildeo ser adequada para recepccedilatildeo auditiva
Duas opccedilotildees podem ser usadas para corrigir este problema Ou um releacute comuta o oscilador local ou modula-se o sinal OOK com um sinal de aacuteudio
Quando se modula o sinal OOK novamente ou seja faz-se uma modulaccedilatildeo composta o sinal resultante eacute um sync principal e dois outros syncs menores servindo como bandas laterais Este espectro pode ser visualizado a seguir
Deve-se tomar cuidado na escolha de w0 e wA para que natildeo haja superposiccedilatildeo dos
espectros
bull Demoduladores ASK
Pode-se usar qualquer demodulador analoacutegico como o detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona Entretanto este uacuteltimo possuiacute melhor desempenho em sistemas ruidosos e em casos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo eacute muito baixa deve ser o mais utilizado
w0-wA w0 w0+wA
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3) Modulaccedilatildeo angular ndash Famiacutelias PSK e FSK
Um sinal digital pode ser tambeacutem aplicado em um gerador PM ou FM dando origem aos sinais PSK (Phase Shift Keying) e FSK (Frequency Shift Keying)
De forma anaacuteloga aos sinais da famiacutelia ASK os sinais PSKFSK podem ser obtidos atraveacutes de seleccedilatildeo ou comutaccedilatildeo de diferentes fontes No caso do FSK dois geradores de frequumlecircncias distintas satildeo selecionados de acordo com a entrada digital (ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo)
Jaacute o PSK pode ser obtido por processo semelhante Quando a entrada digital eacute ldquo1rdquo por exemplo o sinal de um gerador eacute colocado na saiacuteda do modulador e quando a entrada digital eacute ldquo0rdquo o sinal do gerador eacute passado por um circuito que defasa o sinal e soacute entatildeo eacute colocado na saiacuteda
O diagrama em blocos de um modulador PSK e FSK eacute mostrado abaixo
Modulador FSK Modulador PSK
Assim durante o intervalo de tempo em que o sinal digital manteacutem um valor seja ele ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo a saiacuteda estaraacute apresentando uma senoacuteide pura Isso daacute caracteriacutesticas diferentes aos sinais FSKPSK em relaccedilatildeo aos sinais FMPM
Podemos perceber que um sinal digital modulado angularmente pode ser simplificado por somas de sinais OOK modulados opostamente isto eacute modulando com uma amplitude natildeo nula para os uns e nula para os zeros em uma e o contraacuterio na outra
Se um dos sinais OOK possuir uma certa frequumlecircncia e o outro oposto possuir outra frequumlecircncia a soma destes dois sinais eacute igual a um sinal FSK O mesmo ocorre para os sinais PSK neste caso os sinais OOK precisaratildeo ter fases diferentes
~
~
W1
W2
~W1
Defasador
Sinal digital de entrada
Sinal digital de entrada
Sinal OOK Frequumlecircncia W1
Sinal OOK oposto Frequumlecircncia W2
Sinal FSK gerado com a soma dos dois sinais OOK
+ =
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diams Famiacutelia FSK
Analogamente agrave famiacutelia ASK os sinais FSK satildeo classificados de acordo com o sinal digital que entra no sistema Ocorrem as mesmas variaccedilotildees do ASK como o BFSK (anaacutelogo ao BASK) e o MFSK (anaacutelogo ao MASK) bull Sinal MFSK
O sinal MFSK eacute composto por vaacuterias frequumlecircncias diferentes cada uma usada para codificar um determinado estado Como existem m estados no sistema haveraacute m frequumlecircncias diferentes no MFSK
No receptor existe um filtro para cada um dos m estados na saiacuteda de cada filtro haveraacute ruiacutedos a natildeo ser naquele que estiver recebendo a frequumlecircncia correta Todas as saiacutedas dos filtros entram em um regenerador que restitui o sinal original
Modulador e Receptor MFSK
O sinal MFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MFSK
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
~
~
W3
W4
FiltroW1
FiltroW2
FiltroW3
FiltroW4
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Assim como no sinal MASK a distribuiccedilatildeo espectral uniforme das frequumlecircncias que geram o sinal MFSK propicia um melhor aproveitamento do espectro e consequentemente uma simplificaccedilatildeo nos projetos dos filtros do receptor alem de um melhor discernimento no moacutedulo decisorregenerador
bull Sinal BFSK
O sinal BFSK eacute anaacutelogo ao BASK e um caso particular do MFSK para dois estados possiacuteveis somente O sinal BFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Binaacuterio Sinal BFSK O sistema de modulaccedilatildeodemodulaccedilatildeo eacute idecircntico ao do MFSK poreacutem apenas com
dois geradores no modulador e dois sistemas filtrodetector de envoltoacuteria Para determinarmos o espectro do sinal BFSK usaremos o artifiacutecio de dividi-lo
em dois sinais OOK conforme dito anteriormente Se em cada estado do sinal de entrada temos uma determinada frequumlecircncia entatildeo
temos
t)(wE(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20
10
cos0cos1sdot=sdot=
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
FiltroW1
FiltroW2
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Considerando Wd como um desvio igual a semidiferenccedila entre as frequumlecircncias
22
][cos0][cos1
210
21
00
00
wwwewwwOnde
t)ww(E(t)E Estadot)ww(E(t) E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
+=
minus=
minussdot=+sdot=
Assim se o sinal BFSK eacute a soma de dois sinais OOK1 e OOK2 Analisemos agora
o sinal OOK1
00cos1 10
=sdot=
(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Como o sinal acima eacute idecircntico ao apresentado na sessatildeo de sinais BASK o
espectro do sinal eacute tambeacutem idecircntico ou seja um sync cortado por diversos impulsos O sinal OOK2 eacute definido da seguinte forma
t)(wE(t)E Estado(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20 cos001
sdot==
Considerando o sinal de entrada uma onda quadrada de periacuteodo T ou seja
alternando igualmente zeros e uns o sinal de entrada de OOK2 eacute igual ao sinal de entrada de OOK1 mas com um retardo de T2
A transformada de Fourier do sinal de entrada de OOK2 seraacute igual ao de OOK1 multiplicada por uma componente exponencial com argumento complexo de acordo com a propriedade do deslocamento no tempo Considerando Q1(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK1 e Q2(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK2 temos
2
12 )()( jwTewQwQ minussdot=
Isso faraacute com que o espectro de Q2 e consequentemente o espectro de OOK2 seja igual ao de OOK1 poreacutem com todas as suas componentes invertidas em 180ordm a exceccedilatildeo obviamente do valor DC
Quando somamos os dois espectros o de OOK2 e o de OOK1 temos como resultado o espectro do BFSK equivalente Este espectro consiste em dois syncs cortados por impulsos sendo que um deles tem todas as suas componentes invertidas 180ordm como mostra a figura abaixo
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Espectro de um sinal BFSK ndash gerado a partir de dois sinais OOK
Sabendo-se o espectro do sinal BFSK podemos determinar a sua largura de banda
miacutenima de transmissatildeo De acordo com a figura acima a banda para transmissatildeo do sinal deve conter pelo menos a portadora principal em w1 e w2 e as duas bandas laterais de cada Dessa forma
wwwwwwwBW 2)()( 2121 ++=minusminus+=
Considerando 2
12 ww minus como o desvio wd de frequumlecircncia do sinal BFSK a
foacutermula acima pode ser escrita
2
)(2
21 wwwonde
wwB
D
DW
minus=
+sdot=
bull Demoduladores FSK
Para modular um sinal da famiacutelia FSK pode-se usar um modulador FM convencional ou um seletor de frequumlecircncias
Este seletor de frequumlecircncias pode ser montado com um circuito de chaves que comutam osciladores independentes conforme mostrado anteriormente Poreacutem este tipo de montagem eacute pouco praacutetico sendo preferiacutevel montar um circuito com apenas um gerador e multiplicadores de frequumlecircncias chaveados pelo circuito seletor
Outra soluccedilatildeo frequumlentemente adotada eacute a utilizaccedilatildeo de um circuito LC oscilador em que chaves seletoras adicionam mais ou menos capacitacircncia de acordo com a frequumlecircncia que se deseja gerar para cada estado
w2-3w w2 w2+3w w1-w w1 w1+w
w2-w w2+w w1-3w w1+3w
Banda de Passagem miacutenima
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Exemplo de modulador FSK com circuito Oscilador LC e chaveamento de capacitores
Jaacute a demodulaccedilatildeo do sinal FSK pode ser feita por um demodulador FM
convencional onde se adiciona obviamente um decisorregenerador para recuperar o sinal digital original Poreacutem essa situaccedilatildeo poderaacute ser bastante complicada no caso do sinal MFSK com muitos niacuteveis
Neste caso prefere-se usar filtros para decompor o sinal FSK em vaacuterios sinais OOK e a seguir demodular com detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona A saiacuteda de cada demodulador OOK entra em um decisorregenerador para novamente poder recuperar o sinal digital original
Embora complicada a demodulaccedilatildeo baseada em dividir o sinal FSK em vaacuterios OOK gera uma maior relaccedilatildeo sinalruiacutedo Isto ocorre pois os filtros que separam os sinais OOK possuem um menor faixa de passagem deixando menos ruiacutedo entrar no sistema sendo o preferido para demodular sinais de dados de alta velocidade
No caso do demodulador FM convencional a faixa de passagem do mesmo teria que ser bem maior aumento o ruiacutedo captado Mesmo assim devido a ser mais vantajoso economicamente eacute usado em sistemas telegraacuteficos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo natildeo eacute criacutetica diams Famiacutelia PSK
Exatamente como no ASK e no FSK os sinais da famiacutelia PSK satildeo divididos da mesma forma Quando o sinal de entrada eacute digital binaacuterio o sistema se chama BPSK Quando o sinal de entrada eacute digital multiniacutevel chamamos o sistema de MPSK
O sinal BPSK eacute conhecido tambeacutem como PRK (Phase reversal Keying) Isso ocorre pois no BPSK a fase da portadora eacute invertida quando se muda o estado loacutegico de ldquo0rdquo para ldquo1rdquo ou vice versa
Ainda existem outros elementos da famiacutelia PSK que se diferenciam nos modos de detecccedilatildeo das diferenccedilas de fase Satildeo os sinais CPSK e DPSK como seraacute visto mais adiante
C3L1
SW2SW1
C2 C1
Sinal de entrada
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bull Sinal MPSK
O sinal MPSK possui uma codificaccedilatildeo onde cada niacutevel do sinal digital de entrada representa uma fase diferente da portadora Um exemplo deste sinal eacute mostrado abaixo Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MPSK
No receptor usa-se detectores de fase para cada fase codificada As saiacutedas destes
detectores seratildeo levadas aos decisores e regeneradores sendo que a saiacuteda seraacute maacutexima no detector que estiver recebendo a portadora em fase com a referencia local
Um esquema de transmissatildeo e recepccedilatildeo MPSK com quatro niacuteveis eacute mostrado abaixo sua configuraccedilatildeo eacute bastante parecida com o MFSK poreacutem a grandeza variada na chave seletora eacute a fase natildeo a frequumlecircncia
~ W0
Sinal digital de entrada
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal φ1
φ2
φ3
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
~ W0
φ1
φ2
φ3
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A representaccedilatildeo fasorial do sinal PSK pode dar uma ideacuteia da capacidade de discernimento que o sistema de demodulaccedilatildeo precisa ter para ser capaz de restaurar o sinal original
Da mesma forma que foi feita nos sistemas ASK os ciacuterculos representam os intervalos de indecisatildeo
PSK Irregular ndash 0ordm e 90ordm
PSK regular ndash 0ordm 90ordm 180ordm e 270ordm PSK irregular
Exatamente como no esquema ASK a modulaccedilatildeo PSK regular tem vantagens em relaccedilatildeo ao irregular pois facilita na identificaccedilatildeo das fases fazendo com que as mesmas fiquem as mais distantes possiacuteveis umas das outras
Adicionalmente quanto maior for a amplitude da portadora melhor seraacute a capacidade do receptor de discernir entre os estados loacutegicos As duas figuras abaixo mostram essa peculiaridade aplicada em uma modulaccedilatildeo PSK regular de 8 estados
PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos Amplitude normal Amplitude Baixa
PRK PSK com 0ordm e 180ordm
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bull BPSK
O sinal BPSK eacute similar ao BASK e ao BFSK ou seja admite apenas dois estados loacutegicos do sinal de entrada ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo Para cada um deles no BPSK a portadora possui uma fase distinta
O BPSK eacute um caso particular do MPSK Normalmente para facilitar o trabalho do circuito decisor satildeo usadas as fases 0ordm e 180ordm para representar os niacuteveis loacutegicos fazendo com que os mesmos possuam a melhor distacircncia possiacutevel O sinal BPSK eacute mostrado abaixo
Sinal Digital Sinal BPSK
Procedendo da mesma forma usada no BFSK ou seja dividindo o sinal BPSK em dois sinais OOK com fases diferentes poderemos chegar ao graacutefico do espectro do sinal BPSK Assim
)cos0
cos1
200
100
φ
φ
+sdot=
+sdot=
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Considerando Φ0 como a fase inicial da portadora e ΦD como o desvio de fase as
expressotildees acima podem ser reescritas como
22
)cos0
cos1
210
21
000
000
φφφφφφ
φφ
φφ
+=
minus=
+minussdot=
++sdot=
eOnde
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
O sinal OOK1 seraacute exatamente igual ao caso do OOK convencional ou seja um
sinc centrado em W0 e cortado por diversos impulsos mostrado na paacutegina 6 Poreacutem haveraacute uma diferenccedila pois agora existe uma defasagem de Φ0+ΦD Assim apareceraacute uma exponencial com expoente complexo multiplicando o espectro OOK
j
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )(
10
1)()( φφ +sdot=
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Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
1
)()(21
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
jWOOK
eeWOOK
WBFSKWOOKWOOKDD
φ
φφ
sdot=
minussdot=
==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
1
)()(
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
φφ
sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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3) Modulaccedilatildeo angular ndash Famiacutelias PSK e FSK
Um sinal digital pode ser tambeacutem aplicado em um gerador PM ou FM dando origem aos sinais PSK (Phase Shift Keying) e FSK (Frequency Shift Keying)
De forma anaacuteloga aos sinais da famiacutelia ASK os sinais PSKFSK podem ser obtidos atraveacutes de seleccedilatildeo ou comutaccedilatildeo de diferentes fontes No caso do FSK dois geradores de frequumlecircncias distintas satildeo selecionados de acordo com a entrada digital (ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo)
Jaacute o PSK pode ser obtido por processo semelhante Quando a entrada digital eacute ldquo1rdquo por exemplo o sinal de um gerador eacute colocado na saiacuteda do modulador e quando a entrada digital eacute ldquo0rdquo o sinal do gerador eacute passado por um circuito que defasa o sinal e soacute entatildeo eacute colocado na saiacuteda
O diagrama em blocos de um modulador PSK e FSK eacute mostrado abaixo
Modulador FSK Modulador PSK
Assim durante o intervalo de tempo em que o sinal digital manteacutem um valor seja ele ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo a saiacuteda estaraacute apresentando uma senoacuteide pura Isso daacute caracteriacutesticas diferentes aos sinais FSKPSK em relaccedilatildeo aos sinais FMPM
Podemos perceber que um sinal digital modulado angularmente pode ser simplificado por somas de sinais OOK modulados opostamente isto eacute modulando com uma amplitude natildeo nula para os uns e nula para os zeros em uma e o contraacuterio na outra
Se um dos sinais OOK possuir uma certa frequumlecircncia e o outro oposto possuir outra frequumlecircncia a soma destes dois sinais eacute igual a um sinal FSK O mesmo ocorre para os sinais PSK neste caso os sinais OOK precisaratildeo ter fases diferentes
~
~
W1
W2
~W1
Defasador
Sinal digital de entrada
Sinal digital de entrada
Sinal OOK Frequumlecircncia W1
Sinal OOK oposto Frequumlecircncia W2
Sinal FSK gerado com a soma dos dois sinais OOK
+ =
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diams Famiacutelia FSK
Analogamente agrave famiacutelia ASK os sinais FSK satildeo classificados de acordo com o sinal digital que entra no sistema Ocorrem as mesmas variaccedilotildees do ASK como o BFSK (anaacutelogo ao BASK) e o MFSK (anaacutelogo ao MASK) bull Sinal MFSK
O sinal MFSK eacute composto por vaacuterias frequumlecircncias diferentes cada uma usada para codificar um determinado estado Como existem m estados no sistema haveraacute m frequumlecircncias diferentes no MFSK
No receptor existe um filtro para cada um dos m estados na saiacuteda de cada filtro haveraacute ruiacutedos a natildeo ser naquele que estiver recebendo a frequumlecircncia correta Todas as saiacutedas dos filtros entram em um regenerador que restitui o sinal original
Modulador e Receptor MFSK
O sinal MFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MFSK
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
~
~
W3
W4
FiltroW1
FiltroW2
FiltroW3
FiltroW4
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Assim como no sinal MASK a distribuiccedilatildeo espectral uniforme das frequumlecircncias que geram o sinal MFSK propicia um melhor aproveitamento do espectro e consequentemente uma simplificaccedilatildeo nos projetos dos filtros do receptor alem de um melhor discernimento no moacutedulo decisorregenerador
bull Sinal BFSK
O sinal BFSK eacute anaacutelogo ao BASK e um caso particular do MFSK para dois estados possiacuteveis somente O sinal BFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Binaacuterio Sinal BFSK O sistema de modulaccedilatildeodemodulaccedilatildeo eacute idecircntico ao do MFSK poreacutem apenas com
dois geradores no modulador e dois sistemas filtrodetector de envoltoacuteria Para determinarmos o espectro do sinal BFSK usaremos o artifiacutecio de dividi-lo
em dois sinais OOK conforme dito anteriormente Se em cada estado do sinal de entrada temos uma determinada frequumlecircncia entatildeo
temos
t)(wE(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20
10
cos0cos1sdot=sdot=
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
FiltroW1
FiltroW2
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Considerando Wd como um desvio igual a semidiferenccedila entre as frequumlecircncias
22
][cos0][cos1
210
21
00
00
wwwewwwOnde
t)ww(E(t)E Estadot)ww(E(t) E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
+=
minus=
minussdot=+sdot=
Assim se o sinal BFSK eacute a soma de dois sinais OOK1 e OOK2 Analisemos agora
o sinal OOK1
00cos1 10
=sdot=
(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Como o sinal acima eacute idecircntico ao apresentado na sessatildeo de sinais BASK o
espectro do sinal eacute tambeacutem idecircntico ou seja um sync cortado por diversos impulsos O sinal OOK2 eacute definido da seguinte forma
t)(wE(t)E Estado(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20 cos001
sdot==
Considerando o sinal de entrada uma onda quadrada de periacuteodo T ou seja
alternando igualmente zeros e uns o sinal de entrada de OOK2 eacute igual ao sinal de entrada de OOK1 mas com um retardo de T2
A transformada de Fourier do sinal de entrada de OOK2 seraacute igual ao de OOK1 multiplicada por uma componente exponencial com argumento complexo de acordo com a propriedade do deslocamento no tempo Considerando Q1(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK1 e Q2(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK2 temos
2
12 )()( jwTewQwQ minussdot=
Isso faraacute com que o espectro de Q2 e consequentemente o espectro de OOK2 seja igual ao de OOK1 poreacutem com todas as suas componentes invertidas em 180ordm a exceccedilatildeo obviamente do valor DC
Quando somamos os dois espectros o de OOK2 e o de OOK1 temos como resultado o espectro do BFSK equivalente Este espectro consiste em dois syncs cortados por impulsos sendo que um deles tem todas as suas componentes invertidas 180ordm como mostra a figura abaixo
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Espectro de um sinal BFSK ndash gerado a partir de dois sinais OOK
Sabendo-se o espectro do sinal BFSK podemos determinar a sua largura de banda
miacutenima de transmissatildeo De acordo com a figura acima a banda para transmissatildeo do sinal deve conter pelo menos a portadora principal em w1 e w2 e as duas bandas laterais de cada Dessa forma
wwwwwwwBW 2)()( 2121 ++=minusminus+=
Considerando 2
12 ww minus como o desvio wd de frequumlecircncia do sinal BFSK a
foacutermula acima pode ser escrita
2
)(2
21 wwwonde
wwB
D
DW
minus=
+sdot=
bull Demoduladores FSK
Para modular um sinal da famiacutelia FSK pode-se usar um modulador FM convencional ou um seletor de frequumlecircncias
Este seletor de frequumlecircncias pode ser montado com um circuito de chaves que comutam osciladores independentes conforme mostrado anteriormente Poreacutem este tipo de montagem eacute pouco praacutetico sendo preferiacutevel montar um circuito com apenas um gerador e multiplicadores de frequumlecircncias chaveados pelo circuito seletor
Outra soluccedilatildeo frequumlentemente adotada eacute a utilizaccedilatildeo de um circuito LC oscilador em que chaves seletoras adicionam mais ou menos capacitacircncia de acordo com a frequumlecircncia que se deseja gerar para cada estado
w2-3w w2 w2+3w w1-w w1 w1+w
w2-w w2+w w1-3w w1+3w
Banda de Passagem miacutenima
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Exemplo de modulador FSK com circuito Oscilador LC e chaveamento de capacitores
Jaacute a demodulaccedilatildeo do sinal FSK pode ser feita por um demodulador FM
convencional onde se adiciona obviamente um decisorregenerador para recuperar o sinal digital original Poreacutem essa situaccedilatildeo poderaacute ser bastante complicada no caso do sinal MFSK com muitos niacuteveis
Neste caso prefere-se usar filtros para decompor o sinal FSK em vaacuterios sinais OOK e a seguir demodular com detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona A saiacuteda de cada demodulador OOK entra em um decisorregenerador para novamente poder recuperar o sinal digital original
Embora complicada a demodulaccedilatildeo baseada em dividir o sinal FSK em vaacuterios OOK gera uma maior relaccedilatildeo sinalruiacutedo Isto ocorre pois os filtros que separam os sinais OOK possuem um menor faixa de passagem deixando menos ruiacutedo entrar no sistema sendo o preferido para demodular sinais de dados de alta velocidade
No caso do demodulador FM convencional a faixa de passagem do mesmo teria que ser bem maior aumento o ruiacutedo captado Mesmo assim devido a ser mais vantajoso economicamente eacute usado em sistemas telegraacuteficos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo natildeo eacute criacutetica diams Famiacutelia PSK
Exatamente como no ASK e no FSK os sinais da famiacutelia PSK satildeo divididos da mesma forma Quando o sinal de entrada eacute digital binaacuterio o sistema se chama BPSK Quando o sinal de entrada eacute digital multiniacutevel chamamos o sistema de MPSK
O sinal BPSK eacute conhecido tambeacutem como PRK (Phase reversal Keying) Isso ocorre pois no BPSK a fase da portadora eacute invertida quando se muda o estado loacutegico de ldquo0rdquo para ldquo1rdquo ou vice versa
Ainda existem outros elementos da famiacutelia PSK que se diferenciam nos modos de detecccedilatildeo das diferenccedilas de fase Satildeo os sinais CPSK e DPSK como seraacute visto mais adiante
C3L1
SW2SW1
C2 C1
Sinal de entrada
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bull Sinal MPSK
O sinal MPSK possui uma codificaccedilatildeo onde cada niacutevel do sinal digital de entrada representa uma fase diferente da portadora Um exemplo deste sinal eacute mostrado abaixo Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MPSK
No receptor usa-se detectores de fase para cada fase codificada As saiacutedas destes
detectores seratildeo levadas aos decisores e regeneradores sendo que a saiacuteda seraacute maacutexima no detector que estiver recebendo a portadora em fase com a referencia local
Um esquema de transmissatildeo e recepccedilatildeo MPSK com quatro niacuteveis eacute mostrado abaixo sua configuraccedilatildeo eacute bastante parecida com o MFSK poreacutem a grandeza variada na chave seletora eacute a fase natildeo a frequumlecircncia
~ W0
Sinal digital de entrada
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal φ1
φ2
φ3
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
~ W0
φ1
φ2
φ3
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A representaccedilatildeo fasorial do sinal PSK pode dar uma ideacuteia da capacidade de discernimento que o sistema de demodulaccedilatildeo precisa ter para ser capaz de restaurar o sinal original
Da mesma forma que foi feita nos sistemas ASK os ciacuterculos representam os intervalos de indecisatildeo
PSK Irregular ndash 0ordm e 90ordm
PSK regular ndash 0ordm 90ordm 180ordm e 270ordm PSK irregular
Exatamente como no esquema ASK a modulaccedilatildeo PSK regular tem vantagens em relaccedilatildeo ao irregular pois facilita na identificaccedilatildeo das fases fazendo com que as mesmas fiquem as mais distantes possiacuteveis umas das outras
Adicionalmente quanto maior for a amplitude da portadora melhor seraacute a capacidade do receptor de discernir entre os estados loacutegicos As duas figuras abaixo mostram essa peculiaridade aplicada em uma modulaccedilatildeo PSK regular de 8 estados
PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos Amplitude normal Amplitude Baixa
PRK PSK com 0ordm e 180ordm
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bull BPSK
O sinal BPSK eacute similar ao BASK e ao BFSK ou seja admite apenas dois estados loacutegicos do sinal de entrada ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo Para cada um deles no BPSK a portadora possui uma fase distinta
O BPSK eacute um caso particular do MPSK Normalmente para facilitar o trabalho do circuito decisor satildeo usadas as fases 0ordm e 180ordm para representar os niacuteveis loacutegicos fazendo com que os mesmos possuam a melhor distacircncia possiacutevel O sinal BPSK eacute mostrado abaixo
Sinal Digital Sinal BPSK
Procedendo da mesma forma usada no BFSK ou seja dividindo o sinal BPSK em dois sinais OOK com fases diferentes poderemos chegar ao graacutefico do espectro do sinal BPSK Assim
)cos0
cos1
200
100
φ
φ
+sdot=
+sdot=
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Considerando Φ0 como a fase inicial da portadora e ΦD como o desvio de fase as
expressotildees acima podem ser reescritas como
22
)cos0
cos1
210
21
000
000
φφφφφφ
φφ
φφ
+=
minus=
+minussdot=
++sdot=
eOnde
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
O sinal OOK1 seraacute exatamente igual ao caso do OOK convencional ou seja um
sinc centrado em W0 e cortado por diversos impulsos mostrado na paacutegina 6 Poreacutem haveraacute uma diferenccedila pois agora existe uma defasagem de Φ0+ΦD Assim apareceraacute uma exponencial com expoente complexo multiplicando o espectro OOK
j
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )(
10
1)()( φφ +sdot=
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Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
1
)()(21
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
jWOOK
eeWOOK
WBFSKWOOKWOOKDD
φ
φφ
sdot=
minussdot=
==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
1
)()(
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
φφ
sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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diams Famiacutelia FSK
Analogamente agrave famiacutelia ASK os sinais FSK satildeo classificados de acordo com o sinal digital que entra no sistema Ocorrem as mesmas variaccedilotildees do ASK como o BFSK (anaacutelogo ao BASK) e o MFSK (anaacutelogo ao MASK) bull Sinal MFSK
O sinal MFSK eacute composto por vaacuterias frequumlecircncias diferentes cada uma usada para codificar um determinado estado Como existem m estados no sistema haveraacute m frequumlecircncias diferentes no MFSK
No receptor existe um filtro para cada um dos m estados na saiacuteda de cada filtro haveraacute ruiacutedos a natildeo ser naquele que estiver recebendo a frequumlecircncia correta Todas as saiacutedas dos filtros entram em um regenerador que restitui o sinal original
Modulador e Receptor MFSK
O sinal MFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MFSK
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
~
~
W3
W4
FiltroW1
FiltroW2
FiltroW3
FiltroW4
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Assim como no sinal MASK a distribuiccedilatildeo espectral uniforme das frequumlecircncias que geram o sinal MFSK propicia um melhor aproveitamento do espectro e consequentemente uma simplificaccedilatildeo nos projetos dos filtros do receptor alem de um melhor discernimento no moacutedulo decisorregenerador
bull Sinal BFSK
O sinal BFSK eacute anaacutelogo ao BASK e um caso particular do MFSK para dois estados possiacuteveis somente O sinal BFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Binaacuterio Sinal BFSK O sistema de modulaccedilatildeodemodulaccedilatildeo eacute idecircntico ao do MFSK poreacutem apenas com
dois geradores no modulador e dois sistemas filtrodetector de envoltoacuteria Para determinarmos o espectro do sinal BFSK usaremos o artifiacutecio de dividi-lo
em dois sinais OOK conforme dito anteriormente Se em cada estado do sinal de entrada temos uma determinada frequumlecircncia entatildeo
temos
t)(wE(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20
10
cos0cos1sdot=sdot=
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
FiltroW1
FiltroW2
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Considerando Wd como um desvio igual a semidiferenccedila entre as frequumlecircncias
22
][cos0][cos1
210
21
00
00
wwwewwwOnde
t)ww(E(t)E Estadot)ww(E(t) E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
+=
minus=
minussdot=+sdot=
Assim se o sinal BFSK eacute a soma de dois sinais OOK1 e OOK2 Analisemos agora
o sinal OOK1
00cos1 10
=sdot=
(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Como o sinal acima eacute idecircntico ao apresentado na sessatildeo de sinais BASK o
espectro do sinal eacute tambeacutem idecircntico ou seja um sync cortado por diversos impulsos O sinal OOK2 eacute definido da seguinte forma
t)(wE(t)E Estado(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20 cos001
sdot==
Considerando o sinal de entrada uma onda quadrada de periacuteodo T ou seja
alternando igualmente zeros e uns o sinal de entrada de OOK2 eacute igual ao sinal de entrada de OOK1 mas com um retardo de T2
A transformada de Fourier do sinal de entrada de OOK2 seraacute igual ao de OOK1 multiplicada por uma componente exponencial com argumento complexo de acordo com a propriedade do deslocamento no tempo Considerando Q1(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK1 e Q2(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK2 temos
2
12 )()( jwTewQwQ minussdot=
Isso faraacute com que o espectro de Q2 e consequentemente o espectro de OOK2 seja igual ao de OOK1 poreacutem com todas as suas componentes invertidas em 180ordm a exceccedilatildeo obviamente do valor DC
Quando somamos os dois espectros o de OOK2 e o de OOK1 temos como resultado o espectro do BFSK equivalente Este espectro consiste em dois syncs cortados por impulsos sendo que um deles tem todas as suas componentes invertidas 180ordm como mostra a figura abaixo
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Espectro de um sinal BFSK ndash gerado a partir de dois sinais OOK
Sabendo-se o espectro do sinal BFSK podemos determinar a sua largura de banda
miacutenima de transmissatildeo De acordo com a figura acima a banda para transmissatildeo do sinal deve conter pelo menos a portadora principal em w1 e w2 e as duas bandas laterais de cada Dessa forma
wwwwwwwBW 2)()( 2121 ++=minusminus+=
Considerando 2
12 ww minus como o desvio wd de frequumlecircncia do sinal BFSK a
foacutermula acima pode ser escrita
2
)(2
21 wwwonde
wwB
D
DW
minus=
+sdot=
bull Demoduladores FSK
Para modular um sinal da famiacutelia FSK pode-se usar um modulador FM convencional ou um seletor de frequumlecircncias
Este seletor de frequumlecircncias pode ser montado com um circuito de chaves que comutam osciladores independentes conforme mostrado anteriormente Poreacutem este tipo de montagem eacute pouco praacutetico sendo preferiacutevel montar um circuito com apenas um gerador e multiplicadores de frequumlecircncias chaveados pelo circuito seletor
Outra soluccedilatildeo frequumlentemente adotada eacute a utilizaccedilatildeo de um circuito LC oscilador em que chaves seletoras adicionam mais ou menos capacitacircncia de acordo com a frequumlecircncia que se deseja gerar para cada estado
w2-3w w2 w2+3w w1-w w1 w1+w
w2-w w2+w w1-3w w1+3w
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Exemplo de modulador FSK com circuito Oscilador LC e chaveamento de capacitores
Jaacute a demodulaccedilatildeo do sinal FSK pode ser feita por um demodulador FM
convencional onde se adiciona obviamente um decisorregenerador para recuperar o sinal digital original Poreacutem essa situaccedilatildeo poderaacute ser bastante complicada no caso do sinal MFSK com muitos niacuteveis
Neste caso prefere-se usar filtros para decompor o sinal FSK em vaacuterios sinais OOK e a seguir demodular com detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona A saiacuteda de cada demodulador OOK entra em um decisorregenerador para novamente poder recuperar o sinal digital original
Embora complicada a demodulaccedilatildeo baseada em dividir o sinal FSK em vaacuterios OOK gera uma maior relaccedilatildeo sinalruiacutedo Isto ocorre pois os filtros que separam os sinais OOK possuem um menor faixa de passagem deixando menos ruiacutedo entrar no sistema sendo o preferido para demodular sinais de dados de alta velocidade
No caso do demodulador FM convencional a faixa de passagem do mesmo teria que ser bem maior aumento o ruiacutedo captado Mesmo assim devido a ser mais vantajoso economicamente eacute usado em sistemas telegraacuteficos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo natildeo eacute criacutetica diams Famiacutelia PSK
Exatamente como no ASK e no FSK os sinais da famiacutelia PSK satildeo divididos da mesma forma Quando o sinal de entrada eacute digital binaacuterio o sistema se chama BPSK Quando o sinal de entrada eacute digital multiniacutevel chamamos o sistema de MPSK
O sinal BPSK eacute conhecido tambeacutem como PRK (Phase reversal Keying) Isso ocorre pois no BPSK a fase da portadora eacute invertida quando se muda o estado loacutegico de ldquo0rdquo para ldquo1rdquo ou vice versa
Ainda existem outros elementos da famiacutelia PSK que se diferenciam nos modos de detecccedilatildeo das diferenccedilas de fase Satildeo os sinais CPSK e DPSK como seraacute visto mais adiante
C3L1
SW2SW1
C2 C1
Sinal de entrada
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bull Sinal MPSK
O sinal MPSK possui uma codificaccedilatildeo onde cada niacutevel do sinal digital de entrada representa uma fase diferente da portadora Um exemplo deste sinal eacute mostrado abaixo Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MPSK
No receptor usa-se detectores de fase para cada fase codificada As saiacutedas destes
detectores seratildeo levadas aos decisores e regeneradores sendo que a saiacuteda seraacute maacutexima no detector que estiver recebendo a portadora em fase com a referencia local
Um esquema de transmissatildeo e recepccedilatildeo MPSK com quatro niacuteveis eacute mostrado abaixo sua configuraccedilatildeo eacute bastante parecida com o MFSK poreacutem a grandeza variada na chave seletora eacute a fase natildeo a frequumlecircncia
~ W0
Sinal digital de entrada
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal φ1
φ2
φ3
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
~ W0
φ1
φ2
φ3
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A representaccedilatildeo fasorial do sinal PSK pode dar uma ideacuteia da capacidade de discernimento que o sistema de demodulaccedilatildeo precisa ter para ser capaz de restaurar o sinal original
Da mesma forma que foi feita nos sistemas ASK os ciacuterculos representam os intervalos de indecisatildeo
PSK Irregular ndash 0ordm e 90ordm
PSK regular ndash 0ordm 90ordm 180ordm e 270ordm PSK irregular
Exatamente como no esquema ASK a modulaccedilatildeo PSK regular tem vantagens em relaccedilatildeo ao irregular pois facilita na identificaccedilatildeo das fases fazendo com que as mesmas fiquem as mais distantes possiacuteveis umas das outras
Adicionalmente quanto maior for a amplitude da portadora melhor seraacute a capacidade do receptor de discernir entre os estados loacutegicos As duas figuras abaixo mostram essa peculiaridade aplicada em uma modulaccedilatildeo PSK regular de 8 estados
PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos Amplitude normal Amplitude Baixa
PRK PSK com 0ordm e 180ordm
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bull BPSK
O sinal BPSK eacute similar ao BASK e ao BFSK ou seja admite apenas dois estados loacutegicos do sinal de entrada ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo Para cada um deles no BPSK a portadora possui uma fase distinta
O BPSK eacute um caso particular do MPSK Normalmente para facilitar o trabalho do circuito decisor satildeo usadas as fases 0ordm e 180ordm para representar os niacuteveis loacutegicos fazendo com que os mesmos possuam a melhor distacircncia possiacutevel O sinal BPSK eacute mostrado abaixo
Sinal Digital Sinal BPSK
Procedendo da mesma forma usada no BFSK ou seja dividindo o sinal BPSK em dois sinais OOK com fases diferentes poderemos chegar ao graacutefico do espectro do sinal BPSK Assim
)cos0
cos1
200
100
φ
φ
+sdot=
+sdot=
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Considerando Φ0 como a fase inicial da portadora e ΦD como o desvio de fase as
expressotildees acima podem ser reescritas como
22
)cos0
cos1
210
21
000
000
φφφφφφ
φφ
φφ
+=
minus=
+minussdot=
++sdot=
eOnde
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
O sinal OOK1 seraacute exatamente igual ao caso do OOK convencional ou seja um
sinc centrado em W0 e cortado por diversos impulsos mostrado na paacutegina 6 Poreacutem haveraacute uma diferenccedila pois agora existe uma defasagem de Φ0+ΦD Assim apareceraacute uma exponencial com expoente complexo multiplicando o espectro OOK
j
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )(
10
1)()( φφ +sdot=
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Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
1
)()(21
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
jWOOK
eeWOOK
WBFSKWOOKWOOKDD
φ
φφ
sdot=
minussdot=
==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
1
)()(
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
φφ
sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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Assim como no sinal MASK a distribuiccedilatildeo espectral uniforme das frequumlecircncias que geram o sinal MFSK propicia um melhor aproveitamento do espectro e consequentemente uma simplificaccedilatildeo nos projetos dos filtros do receptor alem de um melhor discernimento no moacutedulo decisorregenerador
bull Sinal BFSK
O sinal BFSK eacute anaacutelogo ao BASK e um caso particular do MFSK para dois estados possiacuteveis somente O sinal BFSK eacute mostrado a seguir
Sinal Digital Binaacuterio Sinal BFSK O sistema de modulaccedilatildeodemodulaccedilatildeo eacute idecircntico ao do MFSK poreacutem apenas com
dois geradores no modulador e dois sistemas filtrodetector de envoltoacuteria Para determinarmos o espectro do sinal BFSK usaremos o artifiacutecio de dividi-lo
em dois sinais OOK conforme dito anteriormente Se em cada estado do sinal de entrada temos uma determinada frequumlecircncia entatildeo
temos
t)(wE(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20
10
cos0cos1sdot=sdot=
~
~
W1
W2
Sinal digital de entrada
FiltroW1
FiltroW2
Detector Envoltoacuteria
Detector Envoltoacuteria
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal
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Considerando Wd como um desvio igual a semidiferenccedila entre as frequumlecircncias
22
][cos0][cos1
210
21
00
00
wwwewwwOnde
t)ww(E(t)E Estadot)ww(E(t) E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
+=
minus=
minussdot=+sdot=
Assim se o sinal BFSK eacute a soma de dois sinais OOK1 e OOK2 Analisemos agora
o sinal OOK1
00cos1 10
=sdot=
(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Como o sinal acima eacute idecircntico ao apresentado na sessatildeo de sinais BASK o
espectro do sinal eacute tambeacutem idecircntico ou seja um sync cortado por diversos impulsos O sinal OOK2 eacute definido da seguinte forma
t)(wE(t)E Estado(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20 cos001
sdot==
Considerando o sinal de entrada uma onda quadrada de periacuteodo T ou seja
alternando igualmente zeros e uns o sinal de entrada de OOK2 eacute igual ao sinal de entrada de OOK1 mas com um retardo de T2
A transformada de Fourier do sinal de entrada de OOK2 seraacute igual ao de OOK1 multiplicada por uma componente exponencial com argumento complexo de acordo com a propriedade do deslocamento no tempo Considerando Q1(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK1 e Q2(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK2 temos
2
12 )()( jwTewQwQ minussdot=
Isso faraacute com que o espectro de Q2 e consequentemente o espectro de OOK2 seja igual ao de OOK1 poreacutem com todas as suas componentes invertidas em 180ordm a exceccedilatildeo obviamente do valor DC
Quando somamos os dois espectros o de OOK2 e o de OOK1 temos como resultado o espectro do BFSK equivalente Este espectro consiste em dois syncs cortados por impulsos sendo que um deles tem todas as suas componentes invertidas 180ordm como mostra a figura abaixo
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Espectro de um sinal BFSK ndash gerado a partir de dois sinais OOK
Sabendo-se o espectro do sinal BFSK podemos determinar a sua largura de banda
miacutenima de transmissatildeo De acordo com a figura acima a banda para transmissatildeo do sinal deve conter pelo menos a portadora principal em w1 e w2 e as duas bandas laterais de cada Dessa forma
wwwwwwwBW 2)()( 2121 ++=minusminus+=
Considerando 2
12 ww minus como o desvio wd de frequumlecircncia do sinal BFSK a
foacutermula acima pode ser escrita
2
)(2
21 wwwonde
wwB
D
DW
minus=
+sdot=
bull Demoduladores FSK
Para modular um sinal da famiacutelia FSK pode-se usar um modulador FM convencional ou um seletor de frequumlecircncias
Este seletor de frequumlecircncias pode ser montado com um circuito de chaves que comutam osciladores independentes conforme mostrado anteriormente Poreacutem este tipo de montagem eacute pouco praacutetico sendo preferiacutevel montar um circuito com apenas um gerador e multiplicadores de frequumlecircncias chaveados pelo circuito seletor
Outra soluccedilatildeo frequumlentemente adotada eacute a utilizaccedilatildeo de um circuito LC oscilador em que chaves seletoras adicionam mais ou menos capacitacircncia de acordo com a frequumlecircncia que se deseja gerar para cada estado
w2-3w w2 w2+3w w1-w w1 w1+w
w2-w w2+w w1-3w w1+3w
Banda de Passagem miacutenima
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Exemplo de modulador FSK com circuito Oscilador LC e chaveamento de capacitores
Jaacute a demodulaccedilatildeo do sinal FSK pode ser feita por um demodulador FM
convencional onde se adiciona obviamente um decisorregenerador para recuperar o sinal digital original Poreacutem essa situaccedilatildeo poderaacute ser bastante complicada no caso do sinal MFSK com muitos niacuteveis
Neste caso prefere-se usar filtros para decompor o sinal FSK em vaacuterios sinais OOK e a seguir demodular com detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona A saiacuteda de cada demodulador OOK entra em um decisorregenerador para novamente poder recuperar o sinal digital original
Embora complicada a demodulaccedilatildeo baseada em dividir o sinal FSK em vaacuterios OOK gera uma maior relaccedilatildeo sinalruiacutedo Isto ocorre pois os filtros que separam os sinais OOK possuem um menor faixa de passagem deixando menos ruiacutedo entrar no sistema sendo o preferido para demodular sinais de dados de alta velocidade
No caso do demodulador FM convencional a faixa de passagem do mesmo teria que ser bem maior aumento o ruiacutedo captado Mesmo assim devido a ser mais vantajoso economicamente eacute usado em sistemas telegraacuteficos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo natildeo eacute criacutetica diams Famiacutelia PSK
Exatamente como no ASK e no FSK os sinais da famiacutelia PSK satildeo divididos da mesma forma Quando o sinal de entrada eacute digital binaacuterio o sistema se chama BPSK Quando o sinal de entrada eacute digital multiniacutevel chamamos o sistema de MPSK
O sinal BPSK eacute conhecido tambeacutem como PRK (Phase reversal Keying) Isso ocorre pois no BPSK a fase da portadora eacute invertida quando se muda o estado loacutegico de ldquo0rdquo para ldquo1rdquo ou vice versa
Ainda existem outros elementos da famiacutelia PSK que se diferenciam nos modos de detecccedilatildeo das diferenccedilas de fase Satildeo os sinais CPSK e DPSK como seraacute visto mais adiante
C3L1
SW2SW1
C2 C1
Sinal de entrada
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O sinal MPSK possui uma codificaccedilatildeo onde cada niacutevel do sinal digital de entrada representa uma fase diferente da portadora Um exemplo deste sinal eacute mostrado abaixo Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MPSK
No receptor usa-se detectores de fase para cada fase codificada As saiacutedas destes
detectores seratildeo levadas aos decisores e regeneradores sendo que a saiacuteda seraacute maacutexima no detector que estiver recebendo a portadora em fase com a referencia local
Um esquema de transmissatildeo e recepccedilatildeo MPSK com quatro niacuteveis eacute mostrado abaixo sua configuraccedilatildeo eacute bastante parecida com o MFSK poreacutem a grandeza variada na chave seletora eacute a fase natildeo a frequumlecircncia
~ W0
Sinal digital de entrada
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal φ1
φ2
φ3
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
~ W0
φ1
φ2
φ3
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A representaccedilatildeo fasorial do sinal PSK pode dar uma ideacuteia da capacidade de discernimento que o sistema de demodulaccedilatildeo precisa ter para ser capaz de restaurar o sinal original
Da mesma forma que foi feita nos sistemas ASK os ciacuterculos representam os intervalos de indecisatildeo
PSK Irregular ndash 0ordm e 90ordm
PSK regular ndash 0ordm 90ordm 180ordm e 270ordm PSK irregular
Exatamente como no esquema ASK a modulaccedilatildeo PSK regular tem vantagens em relaccedilatildeo ao irregular pois facilita na identificaccedilatildeo das fases fazendo com que as mesmas fiquem as mais distantes possiacuteveis umas das outras
Adicionalmente quanto maior for a amplitude da portadora melhor seraacute a capacidade do receptor de discernir entre os estados loacutegicos As duas figuras abaixo mostram essa peculiaridade aplicada em uma modulaccedilatildeo PSK regular de 8 estados
PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos Amplitude normal Amplitude Baixa
PRK PSK com 0ordm e 180ordm
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O sinal BPSK eacute similar ao BASK e ao BFSK ou seja admite apenas dois estados loacutegicos do sinal de entrada ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo Para cada um deles no BPSK a portadora possui uma fase distinta
O BPSK eacute um caso particular do MPSK Normalmente para facilitar o trabalho do circuito decisor satildeo usadas as fases 0ordm e 180ordm para representar os niacuteveis loacutegicos fazendo com que os mesmos possuam a melhor distacircncia possiacutevel O sinal BPSK eacute mostrado abaixo
Sinal Digital Sinal BPSK
Procedendo da mesma forma usada no BFSK ou seja dividindo o sinal BPSK em dois sinais OOK com fases diferentes poderemos chegar ao graacutefico do espectro do sinal BPSK Assim
)cos0
cos1
200
100
φ
φ
+sdot=
+sdot=
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Considerando Φ0 como a fase inicial da portadora e ΦD como o desvio de fase as
expressotildees acima podem ser reescritas como
22
)cos0
cos1
210
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000
000
φφφφφφ
φφ
φφ
+=
minus=
+minussdot=
++sdot=
eOnde
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
O sinal OOK1 seraacute exatamente igual ao caso do OOK convencional ou seja um
sinc centrado em W0 e cortado por diversos impulsos mostrado na paacutegina 6 Poreacutem haveraacute uma diferenccedila pois agora existe uma defasagem de Φ0+ΦD Assim apareceraacute uma exponencial com expoente complexo multiplicando o espectro OOK
j
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )(
10
1)()( φφ +sdot=
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Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
1
)()(21
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
jWOOK
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WBFSKWOOKWOOKDD
φ
φφ
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==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
1
)()(
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
φφ
sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Paacutegina 20 de 21
Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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Considerando Wd como um desvio igual a semidiferenccedila entre as frequumlecircncias
22
][cos0][cos1
210
21
00
00
wwwewwwOnde
t)ww(E(t)E Estadot)ww(E(t) E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
+=
minus=
minussdot=+sdot=
Assim se o sinal BFSK eacute a soma de dois sinais OOK1 e OOK2 Analisemos agora
o sinal OOK1
00cos1 10
=sdot=
(t)E Estadot)(wE(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Como o sinal acima eacute idecircntico ao apresentado na sessatildeo de sinais BASK o
espectro do sinal eacute tambeacutem idecircntico ou seja um sync cortado por diversos impulsos O sinal OOK2 eacute definido da seguinte forma
t)(wE(t)E Estado(t) E Estado
PORTADORA
PORTADORA
20 cos001
sdot==
Considerando o sinal de entrada uma onda quadrada de periacuteodo T ou seja
alternando igualmente zeros e uns o sinal de entrada de OOK2 eacute igual ao sinal de entrada de OOK1 mas com um retardo de T2
A transformada de Fourier do sinal de entrada de OOK2 seraacute igual ao de OOK1 multiplicada por uma componente exponencial com argumento complexo de acordo com a propriedade do deslocamento no tempo Considerando Q1(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK1 e Q2(W) a transformada de Fourier do sinal onda quadrada que entra em OOK2 temos
2
12 )()( jwTewQwQ minussdot=
Isso faraacute com que o espectro de Q2 e consequentemente o espectro de OOK2 seja igual ao de OOK1 poreacutem com todas as suas componentes invertidas em 180ordm a exceccedilatildeo obviamente do valor DC
Quando somamos os dois espectros o de OOK2 e o de OOK1 temos como resultado o espectro do BFSK equivalente Este espectro consiste em dois syncs cortados por impulsos sendo que um deles tem todas as suas componentes invertidas 180ordm como mostra a figura abaixo
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Espectro de um sinal BFSK ndash gerado a partir de dois sinais OOK
Sabendo-se o espectro do sinal BFSK podemos determinar a sua largura de banda
miacutenima de transmissatildeo De acordo com a figura acima a banda para transmissatildeo do sinal deve conter pelo menos a portadora principal em w1 e w2 e as duas bandas laterais de cada Dessa forma
wwwwwwwBW 2)()( 2121 ++=minusminus+=
Considerando 2
12 ww minus como o desvio wd de frequumlecircncia do sinal BFSK a
foacutermula acima pode ser escrita
2
)(2
21 wwwonde
wwB
D
DW
minus=
+sdot=
bull Demoduladores FSK
Para modular um sinal da famiacutelia FSK pode-se usar um modulador FM convencional ou um seletor de frequumlecircncias
Este seletor de frequumlecircncias pode ser montado com um circuito de chaves que comutam osciladores independentes conforme mostrado anteriormente Poreacutem este tipo de montagem eacute pouco praacutetico sendo preferiacutevel montar um circuito com apenas um gerador e multiplicadores de frequumlecircncias chaveados pelo circuito seletor
Outra soluccedilatildeo frequumlentemente adotada eacute a utilizaccedilatildeo de um circuito LC oscilador em que chaves seletoras adicionam mais ou menos capacitacircncia de acordo com a frequumlecircncia que se deseja gerar para cada estado
w2-3w w2 w2+3w w1-w w1 w1+w
w2-w w2+w w1-3w w1+3w
Banda de Passagem miacutenima
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Exemplo de modulador FSK com circuito Oscilador LC e chaveamento de capacitores
Jaacute a demodulaccedilatildeo do sinal FSK pode ser feita por um demodulador FM
convencional onde se adiciona obviamente um decisorregenerador para recuperar o sinal digital original Poreacutem essa situaccedilatildeo poderaacute ser bastante complicada no caso do sinal MFSK com muitos niacuteveis
Neste caso prefere-se usar filtros para decompor o sinal FSK em vaacuterios sinais OOK e a seguir demodular com detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona A saiacuteda de cada demodulador OOK entra em um decisorregenerador para novamente poder recuperar o sinal digital original
Embora complicada a demodulaccedilatildeo baseada em dividir o sinal FSK em vaacuterios OOK gera uma maior relaccedilatildeo sinalruiacutedo Isto ocorre pois os filtros que separam os sinais OOK possuem um menor faixa de passagem deixando menos ruiacutedo entrar no sistema sendo o preferido para demodular sinais de dados de alta velocidade
No caso do demodulador FM convencional a faixa de passagem do mesmo teria que ser bem maior aumento o ruiacutedo captado Mesmo assim devido a ser mais vantajoso economicamente eacute usado em sistemas telegraacuteficos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo natildeo eacute criacutetica diams Famiacutelia PSK
Exatamente como no ASK e no FSK os sinais da famiacutelia PSK satildeo divididos da mesma forma Quando o sinal de entrada eacute digital binaacuterio o sistema se chama BPSK Quando o sinal de entrada eacute digital multiniacutevel chamamos o sistema de MPSK
O sinal BPSK eacute conhecido tambeacutem como PRK (Phase reversal Keying) Isso ocorre pois no BPSK a fase da portadora eacute invertida quando se muda o estado loacutegico de ldquo0rdquo para ldquo1rdquo ou vice versa
Ainda existem outros elementos da famiacutelia PSK que se diferenciam nos modos de detecccedilatildeo das diferenccedilas de fase Satildeo os sinais CPSK e DPSK como seraacute visto mais adiante
C3L1
SW2SW1
C2 C1
Sinal de entrada
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bull Sinal MPSK
O sinal MPSK possui uma codificaccedilatildeo onde cada niacutevel do sinal digital de entrada representa uma fase diferente da portadora Um exemplo deste sinal eacute mostrado abaixo Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MPSK
No receptor usa-se detectores de fase para cada fase codificada As saiacutedas destes
detectores seratildeo levadas aos decisores e regeneradores sendo que a saiacuteda seraacute maacutexima no detector que estiver recebendo a portadora em fase com a referencia local
Um esquema de transmissatildeo e recepccedilatildeo MPSK com quatro niacuteveis eacute mostrado abaixo sua configuraccedilatildeo eacute bastante parecida com o MFSK poreacutem a grandeza variada na chave seletora eacute a fase natildeo a frequumlecircncia
~ W0
Sinal digital de entrada
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal φ1
φ2
φ3
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
~ W0
φ1
φ2
φ3
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A representaccedilatildeo fasorial do sinal PSK pode dar uma ideacuteia da capacidade de discernimento que o sistema de demodulaccedilatildeo precisa ter para ser capaz de restaurar o sinal original
Da mesma forma que foi feita nos sistemas ASK os ciacuterculos representam os intervalos de indecisatildeo
PSK Irregular ndash 0ordm e 90ordm
PSK regular ndash 0ordm 90ordm 180ordm e 270ordm PSK irregular
Exatamente como no esquema ASK a modulaccedilatildeo PSK regular tem vantagens em relaccedilatildeo ao irregular pois facilita na identificaccedilatildeo das fases fazendo com que as mesmas fiquem as mais distantes possiacuteveis umas das outras
Adicionalmente quanto maior for a amplitude da portadora melhor seraacute a capacidade do receptor de discernir entre os estados loacutegicos As duas figuras abaixo mostram essa peculiaridade aplicada em uma modulaccedilatildeo PSK regular de 8 estados
PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos Amplitude normal Amplitude Baixa
PRK PSK com 0ordm e 180ordm
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bull BPSK
O sinal BPSK eacute similar ao BASK e ao BFSK ou seja admite apenas dois estados loacutegicos do sinal de entrada ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo Para cada um deles no BPSK a portadora possui uma fase distinta
O BPSK eacute um caso particular do MPSK Normalmente para facilitar o trabalho do circuito decisor satildeo usadas as fases 0ordm e 180ordm para representar os niacuteveis loacutegicos fazendo com que os mesmos possuam a melhor distacircncia possiacutevel O sinal BPSK eacute mostrado abaixo
Sinal Digital Sinal BPSK
Procedendo da mesma forma usada no BFSK ou seja dividindo o sinal BPSK em dois sinais OOK com fases diferentes poderemos chegar ao graacutefico do espectro do sinal BPSK Assim
)cos0
cos1
200
100
φ
φ
+sdot=
+sdot=
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Considerando Φ0 como a fase inicial da portadora e ΦD como o desvio de fase as
expressotildees acima podem ser reescritas como
22
)cos0
cos1
210
21
000
000
φφφφφφ
φφ
φφ
+=
minus=
+minussdot=
++sdot=
eOnde
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
O sinal OOK1 seraacute exatamente igual ao caso do OOK convencional ou seja um
sinc centrado em W0 e cortado por diversos impulsos mostrado na paacutegina 6 Poreacutem haveraacute uma diferenccedila pois agora existe uma defasagem de Φ0+ΦD Assim apareceraacute uma exponencial com expoente complexo multiplicando o espectro OOK
j
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )(
10
1)()( φφ +sdot=
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Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
1
)()(21
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
jWOOK
eeWOOK
WBFSKWOOKWOOKDD
φ
φφ
sdot=
minussdot=
==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
1
)()(
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
φφ
sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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Espectro de um sinal BFSK ndash gerado a partir de dois sinais OOK
Sabendo-se o espectro do sinal BFSK podemos determinar a sua largura de banda
miacutenima de transmissatildeo De acordo com a figura acima a banda para transmissatildeo do sinal deve conter pelo menos a portadora principal em w1 e w2 e as duas bandas laterais de cada Dessa forma
wwwwwwwBW 2)()( 2121 ++=minusminus+=
Considerando 2
12 ww minus como o desvio wd de frequumlecircncia do sinal BFSK a
foacutermula acima pode ser escrita
2
)(2
21 wwwonde
wwB
D
DW
minus=
+sdot=
bull Demoduladores FSK
Para modular um sinal da famiacutelia FSK pode-se usar um modulador FM convencional ou um seletor de frequumlecircncias
Este seletor de frequumlecircncias pode ser montado com um circuito de chaves que comutam osciladores independentes conforme mostrado anteriormente Poreacutem este tipo de montagem eacute pouco praacutetico sendo preferiacutevel montar um circuito com apenas um gerador e multiplicadores de frequumlecircncias chaveados pelo circuito seletor
Outra soluccedilatildeo frequumlentemente adotada eacute a utilizaccedilatildeo de um circuito LC oscilador em que chaves seletoras adicionam mais ou menos capacitacircncia de acordo com a frequumlecircncia que se deseja gerar para cada estado
w2-3w w2 w2+3w w1-w w1 w1+w
w2-w w2+w w1-3w w1+3w
Banda de Passagem miacutenima
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Exemplo de modulador FSK com circuito Oscilador LC e chaveamento de capacitores
Jaacute a demodulaccedilatildeo do sinal FSK pode ser feita por um demodulador FM
convencional onde se adiciona obviamente um decisorregenerador para recuperar o sinal digital original Poreacutem essa situaccedilatildeo poderaacute ser bastante complicada no caso do sinal MFSK com muitos niacuteveis
Neste caso prefere-se usar filtros para decompor o sinal FSK em vaacuterios sinais OOK e a seguir demodular com detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona A saiacuteda de cada demodulador OOK entra em um decisorregenerador para novamente poder recuperar o sinal digital original
Embora complicada a demodulaccedilatildeo baseada em dividir o sinal FSK em vaacuterios OOK gera uma maior relaccedilatildeo sinalruiacutedo Isto ocorre pois os filtros que separam os sinais OOK possuem um menor faixa de passagem deixando menos ruiacutedo entrar no sistema sendo o preferido para demodular sinais de dados de alta velocidade
No caso do demodulador FM convencional a faixa de passagem do mesmo teria que ser bem maior aumento o ruiacutedo captado Mesmo assim devido a ser mais vantajoso economicamente eacute usado em sistemas telegraacuteficos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo natildeo eacute criacutetica diams Famiacutelia PSK
Exatamente como no ASK e no FSK os sinais da famiacutelia PSK satildeo divididos da mesma forma Quando o sinal de entrada eacute digital binaacuterio o sistema se chama BPSK Quando o sinal de entrada eacute digital multiniacutevel chamamos o sistema de MPSK
O sinal BPSK eacute conhecido tambeacutem como PRK (Phase reversal Keying) Isso ocorre pois no BPSK a fase da portadora eacute invertida quando se muda o estado loacutegico de ldquo0rdquo para ldquo1rdquo ou vice versa
Ainda existem outros elementos da famiacutelia PSK que se diferenciam nos modos de detecccedilatildeo das diferenccedilas de fase Satildeo os sinais CPSK e DPSK como seraacute visto mais adiante
C3L1
SW2SW1
C2 C1
Sinal de entrada
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bull Sinal MPSK
O sinal MPSK possui uma codificaccedilatildeo onde cada niacutevel do sinal digital de entrada representa uma fase diferente da portadora Um exemplo deste sinal eacute mostrado abaixo Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MPSK
No receptor usa-se detectores de fase para cada fase codificada As saiacutedas destes
detectores seratildeo levadas aos decisores e regeneradores sendo que a saiacuteda seraacute maacutexima no detector que estiver recebendo a portadora em fase com a referencia local
Um esquema de transmissatildeo e recepccedilatildeo MPSK com quatro niacuteveis eacute mostrado abaixo sua configuraccedilatildeo eacute bastante parecida com o MFSK poreacutem a grandeza variada na chave seletora eacute a fase natildeo a frequumlecircncia
~ W0
Sinal digital de entrada
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal φ1
φ2
φ3
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
~ W0
φ1
φ2
φ3
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A representaccedilatildeo fasorial do sinal PSK pode dar uma ideacuteia da capacidade de discernimento que o sistema de demodulaccedilatildeo precisa ter para ser capaz de restaurar o sinal original
Da mesma forma que foi feita nos sistemas ASK os ciacuterculos representam os intervalos de indecisatildeo
PSK Irregular ndash 0ordm e 90ordm
PSK regular ndash 0ordm 90ordm 180ordm e 270ordm PSK irregular
Exatamente como no esquema ASK a modulaccedilatildeo PSK regular tem vantagens em relaccedilatildeo ao irregular pois facilita na identificaccedilatildeo das fases fazendo com que as mesmas fiquem as mais distantes possiacuteveis umas das outras
Adicionalmente quanto maior for a amplitude da portadora melhor seraacute a capacidade do receptor de discernir entre os estados loacutegicos As duas figuras abaixo mostram essa peculiaridade aplicada em uma modulaccedilatildeo PSK regular de 8 estados
PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos Amplitude normal Amplitude Baixa
PRK PSK com 0ordm e 180ordm
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bull BPSK
O sinal BPSK eacute similar ao BASK e ao BFSK ou seja admite apenas dois estados loacutegicos do sinal de entrada ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo Para cada um deles no BPSK a portadora possui uma fase distinta
O BPSK eacute um caso particular do MPSK Normalmente para facilitar o trabalho do circuito decisor satildeo usadas as fases 0ordm e 180ordm para representar os niacuteveis loacutegicos fazendo com que os mesmos possuam a melhor distacircncia possiacutevel O sinal BPSK eacute mostrado abaixo
Sinal Digital Sinal BPSK
Procedendo da mesma forma usada no BFSK ou seja dividindo o sinal BPSK em dois sinais OOK com fases diferentes poderemos chegar ao graacutefico do espectro do sinal BPSK Assim
)cos0
cos1
200
100
φ
φ
+sdot=
+sdot=
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Considerando Φ0 como a fase inicial da portadora e ΦD como o desvio de fase as
expressotildees acima podem ser reescritas como
22
)cos0
cos1
210
21
000
000
φφφφφφ
φφ
φφ
+=
minus=
+minussdot=
++sdot=
eOnde
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
O sinal OOK1 seraacute exatamente igual ao caso do OOK convencional ou seja um
sinc centrado em W0 e cortado por diversos impulsos mostrado na paacutegina 6 Poreacutem haveraacute uma diferenccedila pois agora existe uma defasagem de Φ0+ΦD Assim apareceraacute uma exponencial com expoente complexo multiplicando o espectro OOK
j
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )(
10
1)()( φφ +sdot=
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Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
1
)()(21
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
jWOOK
eeWOOK
WBFSKWOOKWOOKDD
φ
φφ
sdot=
minussdot=
==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
1
)()(
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
φφ
sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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Exemplo de modulador FSK com circuito Oscilador LC e chaveamento de capacitores
Jaacute a demodulaccedilatildeo do sinal FSK pode ser feita por um demodulador FM
convencional onde se adiciona obviamente um decisorregenerador para recuperar o sinal digital original Poreacutem essa situaccedilatildeo poderaacute ser bastante complicada no caso do sinal MFSK com muitos niacuteveis
Neste caso prefere-se usar filtros para decompor o sinal FSK em vaacuterios sinais OOK e a seguir demodular com detector de envoltoacuteria ou demodulaccedilatildeo siacutencrona A saiacuteda de cada demodulador OOK entra em um decisorregenerador para novamente poder recuperar o sinal digital original
Embora complicada a demodulaccedilatildeo baseada em dividir o sinal FSK em vaacuterios OOK gera uma maior relaccedilatildeo sinalruiacutedo Isto ocorre pois os filtros que separam os sinais OOK possuem um menor faixa de passagem deixando menos ruiacutedo entrar no sistema sendo o preferido para demodular sinais de dados de alta velocidade
No caso do demodulador FM convencional a faixa de passagem do mesmo teria que ser bem maior aumento o ruiacutedo captado Mesmo assim devido a ser mais vantajoso economicamente eacute usado em sistemas telegraacuteficos onde a relaccedilatildeo sinal ruiacutedo natildeo eacute criacutetica diams Famiacutelia PSK
Exatamente como no ASK e no FSK os sinais da famiacutelia PSK satildeo divididos da mesma forma Quando o sinal de entrada eacute digital binaacuterio o sistema se chama BPSK Quando o sinal de entrada eacute digital multiniacutevel chamamos o sistema de MPSK
O sinal BPSK eacute conhecido tambeacutem como PRK (Phase reversal Keying) Isso ocorre pois no BPSK a fase da portadora eacute invertida quando se muda o estado loacutegico de ldquo0rdquo para ldquo1rdquo ou vice versa
Ainda existem outros elementos da famiacutelia PSK que se diferenciam nos modos de detecccedilatildeo das diferenccedilas de fase Satildeo os sinais CPSK e DPSK como seraacute visto mais adiante
C3L1
SW2SW1
C2 C1
Sinal de entrada
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bull Sinal MPSK
O sinal MPSK possui uma codificaccedilatildeo onde cada niacutevel do sinal digital de entrada representa uma fase diferente da portadora Um exemplo deste sinal eacute mostrado abaixo Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MPSK
No receptor usa-se detectores de fase para cada fase codificada As saiacutedas destes
detectores seratildeo levadas aos decisores e regeneradores sendo que a saiacuteda seraacute maacutexima no detector que estiver recebendo a portadora em fase com a referencia local
Um esquema de transmissatildeo e recepccedilatildeo MPSK com quatro niacuteveis eacute mostrado abaixo sua configuraccedilatildeo eacute bastante parecida com o MFSK poreacutem a grandeza variada na chave seletora eacute a fase natildeo a frequumlecircncia
~ W0
Sinal digital de entrada
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal φ1
φ2
φ3
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
~ W0
φ1
φ2
φ3
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A representaccedilatildeo fasorial do sinal PSK pode dar uma ideacuteia da capacidade de discernimento que o sistema de demodulaccedilatildeo precisa ter para ser capaz de restaurar o sinal original
Da mesma forma que foi feita nos sistemas ASK os ciacuterculos representam os intervalos de indecisatildeo
PSK Irregular ndash 0ordm e 90ordm
PSK regular ndash 0ordm 90ordm 180ordm e 270ordm PSK irregular
Exatamente como no esquema ASK a modulaccedilatildeo PSK regular tem vantagens em relaccedilatildeo ao irregular pois facilita na identificaccedilatildeo das fases fazendo com que as mesmas fiquem as mais distantes possiacuteveis umas das outras
Adicionalmente quanto maior for a amplitude da portadora melhor seraacute a capacidade do receptor de discernir entre os estados loacutegicos As duas figuras abaixo mostram essa peculiaridade aplicada em uma modulaccedilatildeo PSK regular de 8 estados
PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos Amplitude normal Amplitude Baixa
PRK PSK com 0ordm e 180ordm
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bull BPSK
O sinal BPSK eacute similar ao BASK e ao BFSK ou seja admite apenas dois estados loacutegicos do sinal de entrada ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo Para cada um deles no BPSK a portadora possui uma fase distinta
O BPSK eacute um caso particular do MPSK Normalmente para facilitar o trabalho do circuito decisor satildeo usadas as fases 0ordm e 180ordm para representar os niacuteveis loacutegicos fazendo com que os mesmos possuam a melhor distacircncia possiacutevel O sinal BPSK eacute mostrado abaixo
Sinal Digital Sinal BPSK
Procedendo da mesma forma usada no BFSK ou seja dividindo o sinal BPSK em dois sinais OOK com fases diferentes poderemos chegar ao graacutefico do espectro do sinal BPSK Assim
)cos0
cos1
200
100
φ
φ
+sdot=
+sdot=
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Considerando Φ0 como a fase inicial da portadora e ΦD como o desvio de fase as
expressotildees acima podem ser reescritas como
22
)cos0
cos1
210
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000
000
φφφφφφ
φφ
φφ
+=
minus=
+minussdot=
++sdot=
eOnde
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
O sinal OOK1 seraacute exatamente igual ao caso do OOK convencional ou seja um
sinc centrado em W0 e cortado por diversos impulsos mostrado na paacutegina 6 Poreacutem haveraacute uma diferenccedila pois agora existe uma defasagem de Φ0+ΦD Assim apareceraacute uma exponencial com expoente complexo multiplicando o espectro OOK
j
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )(
10
1)()( φφ +sdot=
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Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
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)()(21
DALCONVENCION
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WBFSKWOOKWOOKDD
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==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
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DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
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sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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bull Sinal MPSK
O sinal MPSK possui uma codificaccedilatildeo onde cada niacutevel do sinal digital de entrada representa uma fase diferente da portadora Um exemplo deste sinal eacute mostrado abaixo Sinal Digital Multiniacutevel Sinal MPSK
No receptor usa-se detectores de fase para cada fase codificada As saiacutedas destes
detectores seratildeo levadas aos decisores e regeneradores sendo que a saiacuteda seraacute maacutexima no detector que estiver recebendo a portadora em fase com a referencia local
Um esquema de transmissatildeo e recepccedilatildeo MPSK com quatro niacuteveis eacute mostrado abaixo sua configuraccedilatildeo eacute bastante parecida com o MFSK poreacutem a grandeza variada na chave seletora eacute a fase natildeo a frequumlecircncia
~ W0
Sinal digital de entrada
DEC
ISOR
E
REG
ENER
AD
OR
Canal φ1
φ2
φ3
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
Detector de fase
~ W0
φ1
φ2
φ3
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A representaccedilatildeo fasorial do sinal PSK pode dar uma ideacuteia da capacidade de discernimento que o sistema de demodulaccedilatildeo precisa ter para ser capaz de restaurar o sinal original
Da mesma forma que foi feita nos sistemas ASK os ciacuterculos representam os intervalos de indecisatildeo
PSK Irregular ndash 0ordm e 90ordm
PSK regular ndash 0ordm 90ordm 180ordm e 270ordm PSK irregular
Exatamente como no esquema ASK a modulaccedilatildeo PSK regular tem vantagens em relaccedilatildeo ao irregular pois facilita na identificaccedilatildeo das fases fazendo com que as mesmas fiquem as mais distantes possiacuteveis umas das outras
Adicionalmente quanto maior for a amplitude da portadora melhor seraacute a capacidade do receptor de discernir entre os estados loacutegicos As duas figuras abaixo mostram essa peculiaridade aplicada em uma modulaccedilatildeo PSK regular de 8 estados
PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos Amplitude normal Amplitude Baixa
PRK PSK com 0ordm e 180ordm
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O sinal BPSK eacute similar ao BASK e ao BFSK ou seja admite apenas dois estados loacutegicos do sinal de entrada ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo Para cada um deles no BPSK a portadora possui uma fase distinta
O BPSK eacute um caso particular do MPSK Normalmente para facilitar o trabalho do circuito decisor satildeo usadas as fases 0ordm e 180ordm para representar os niacuteveis loacutegicos fazendo com que os mesmos possuam a melhor distacircncia possiacutevel O sinal BPSK eacute mostrado abaixo
Sinal Digital Sinal BPSK
Procedendo da mesma forma usada no BFSK ou seja dividindo o sinal BPSK em dois sinais OOK com fases diferentes poderemos chegar ao graacutefico do espectro do sinal BPSK Assim
)cos0
cos1
200
100
φ
φ
+sdot=
+sdot=
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Considerando Φ0 como a fase inicial da portadora e ΦD como o desvio de fase as
expressotildees acima podem ser reescritas como
22
)cos0
cos1
210
21
000
000
φφφφφφ
φφ
φφ
+=
minus=
+minussdot=
++sdot=
eOnde
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
O sinal OOK1 seraacute exatamente igual ao caso do OOK convencional ou seja um
sinc centrado em W0 e cortado por diversos impulsos mostrado na paacutegina 6 Poreacutem haveraacute uma diferenccedila pois agora existe uma defasagem de Φ0+ΦD Assim apareceraacute uma exponencial com expoente complexo multiplicando o espectro OOK
j
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )(
10
1)()( φφ +sdot=
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Resumo do capiacutetulo 12 ndash Modulaccedilatildeo digital
Adriano Martins Moutinho Turma 01
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Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
1
)()(21
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
jWOOK
eeWOOK
WBFSKWOOKWOOKDD
φ
φφ
sdot=
minussdot=
==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
1
)()(
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
φφ
sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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A representaccedilatildeo fasorial do sinal PSK pode dar uma ideacuteia da capacidade de discernimento que o sistema de demodulaccedilatildeo precisa ter para ser capaz de restaurar o sinal original
Da mesma forma que foi feita nos sistemas ASK os ciacuterculos representam os intervalos de indecisatildeo
PSK Irregular ndash 0ordm e 90ordm
PSK regular ndash 0ordm 90ordm 180ordm e 270ordm PSK irregular
Exatamente como no esquema ASK a modulaccedilatildeo PSK regular tem vantagens em relaccedilatildeo ao irregular pois facilita na identificaccedilatildeo das fases fazendo com que as mesmas fiquem as mais distantes possiacuteveis umas das outras
Adicionalmente quanto maior for a amplitude da portadora melhor seraacute a capacidade do receptor de discernir entre os estados loacutegicos As duas figuras abaixo mostram essa peculiaridade aplicada em uma modulaccedilatildeo PSK regular de 8 estados
PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos PSK ndash 8 niacuteveis loacutegicos Amplitude normal Amplitude Baixa
PRK PSK com 0ordm e 180ordm
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bull BPSK
O sinal BPSK eacute similar ao BASK e ao BFSK ou seja admite apenas dois estados loacutegicos do sinal de entrada ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo Para cada um deles no BPSK a portadora possui uma fase distinta
O BPSK eacute um caso particular do MPSK Normalmente para facilitar o trabalho do circuito decisor satildeo usadas as fases 0ordm e 180ordm para representar os niacuteveis loacutegicos fazendo com que os mesmos possuam a melhor distacircncia possiacutevel O sinal BPSK eacute mostrado abaixo
Sinal Digital Sinal BPSK
Procedendo da mesma forma usada no BFSK ou seja dividindo o sinal BPSK em dois sinais OOK com fases diferentes poderemos chegar ao graacutefico do espectro do sinal BPSK Assim
)cos0
cos1
200
100
φ
φ
+sdot=
+sdot=
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Considerando Φ0 como a fase inicial da portadora e ΦD como o desvio de fase as
expressotildees acima podem ser reescritas como
22
)cos0
cos1
210
21
000
000
φφφφφφ
φφ
φφ
+=
minus=
+minussdot=
++sdot=
eOnde
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
O sinal OOK1 seraacute exatamente igual ao caso do OOK convencional ou seja um
sinc centrado em W0 e cortado por diversos impulsos mostrado na paacutegina 6 Poreacutem haveraacute uma diferenccedila pois agora existe uma defasagem de Φ0+ΦD Assim apareceraacute uma exponencial com expoente complexo multiplicando o espectro OOK
j
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )(
10
1)()( φφ +sdot=
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Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
1
)()(21
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
jWOOK
eeWOOK
WBFSKWOOKWOOKDD
φ
φφ
sdot=
minussdot=
==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
1
)()(
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
φφ
sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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bull BPSK
O sinal BPSK eacute similar ao BASK e ao BFSK ou seja admite apenas dois estados loacutegicos do sinal de entrada ldquo0rdquo ou ldquo1rdquo Para cada um deles no BPSK a portadora possui uma fase distinta
O BPSK eacute um caso particular do MPSK Normalmente para facilitar o trabalho do circuito decisor satildeo usadas as fases 0ordm e 180ordm para representar os niacuteveis loacutegicos fazendo com que os mesmos possuam a melhor distacircncia possiacutevel O sinal BPSK eacute mostrado abaixo
Sinal Digital Sinal BPSK
Procedendo da mesma forma usada no BFSK ou seja dividindo o sinal BPSK em dois sinais OOK com fases diferentes poderemos chegar ao graacutefico do espectro do sinal BPSK Assim
)cos0
cos1
200
100
φ
φ
+sdot=
+sdot=
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
Considerando Φ0 como a fase inicial da portadora e ΦD como o desvio de fase as
expressotildees acima podem ser reescritas como
22
)cos0
cos1
210
21
000
000
φφφφφφ
φφ
φφ
+=
minus=
+minussdot=
++sdot=
eOnde
t(wE(t)E Estado
)t(wE(t)E Estado
D
DPORTADORA
DPORTADORA
O sinal OOK1 seraacute exatamente igual ao caso do OOK convencional ou seja um
sinc centrado em W0 e cortado por diversos impulsos mostrado na paacutegina 6 Poreacutem haveraacute uma diferenccedila pois agora existe uma defasagem de Φ0+ΦD Assim apareceraacute uma exponencial com expoente complexo multiplicando o espectro OOK
j
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )(
10
1)()( φφ +sdot=
Universidade do Estado do Rio de Janeiro Trabalho de Princiacutepios de Telecomunicaccedilotildees I
Resumo do capiacutetulo 12 ndash Modulaccedilatildeo digital
Adriano Martins Moutinho Turma 01
Paacutegina 18 de 21
Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
1
)()(21
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
jWOOK
eeWOOK
WBFSKWOOKWOOKDD
φ
φφ
sdot=
minussdot=
==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
1
)()(
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
φφ
sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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Resumo do capiacutetulo 12 ndash Modulaccedilatildeo digital
Adriano Martins Moutinho Turma 01
Paacutegina 21 de 21
O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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Com o sinal OOK2 ocorreraacute o mesmo poreacutem a fase seraacute Φ0-ΦD Similarmente ao que ocorreu no BFSK haveraacute tambeacutem uma exponencial complexa com expoente T2 devido a defasagem do sinal OOK2 em relaccedilatildeo ao OOK1
jjwT
ALCONVENCIONDeWOOKWOOK )2(
20
1)()( minus+minussdot= φφ
Para facilitar a anaacutelise avaliaremos as expressotildees acima considerando a fase inicial igual a zero ou seja Φ0 = 0 Entatildeo temos para todo w (menos para w=w0)
)sen(2)(
][)(
)()()(
1
1
)()(21
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
jWOOK
eeWOOK
WBFSKWOOKWOOKDD
φ
φφ
sdot=
minussdot=
==+minusminus
Para w=w0 o termo e-jwT2
natildeo seraacute ndash1 e sim 1 Assim a portadora teraacute a seguinte forma
)cos(2)()(
][)()(
1
1
)()(
DALCONVENCION
jjALCONVENCION
WOOKWBFSK
eeWOOKWBFSK DD
φ
φφ
sdot=
+sdot= minusminus
Assim o espectro final do BFSK seraacute igual ao BASK convencional a exceccedilatildeo de
que todas as componentes seratildeo multiplicadas por 2jsen(ΦD) e a componente da portadora multiplicada por cos(ΦD) Este espectro pode ser visualizado na figura abaixo
E0cos(ΦD)
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
w0-3w w0-w w0 w0-w w0-3w
(2E0π)sen(ΦD)
(2E05π) sen(ΦD)
(2E03π) sen(ΦD) (2E03π) sen(ΦD)
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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bull Sinal PRK O sinal PRK (Phase reversal keying) eacute um tipo particular de modulaccedilatildeo BPSK
onde as fases escolhidas satildeo opostas 180ordm Para facilitar a nossa anaacutelise vamos considerar que para codificar o niacutevel loacutegico ldquo0rdquo a portadora assume 0ordm e para codificar o niacutevel ldquo1rdquo a portadora assume 180ordm
De acordo com a anaacutelise feita no item anterior o termo relativo a portadora desaparece pois ΦD=90 e cos(ΦD)=0 Jaacute as outras componentes satildeo mantidas idecircnticas jaacute que sen(ΦD)=1 Esse sinal resultante o espectro do PRK se mostra idecircntico ao sinal OOK a exceccedilatildeo de que natildeo existe portadora Assim o sinal PRK pode ser considerado como um OOK-SC
Sinal PRK (OOK-SC) Sinal OOK bull Demoduladores PSK
Para demodular o sinal PSK podemos usar um demodulador PM convencional e adicionar a sua saiacuteda um decisorregenerador exatamente igual a qualquer demodulaccedilatildeo digital convencional
Poreacutem principalmente no caso do MPSK essa situaccedilatildeo gera diferenccedila de niacuteveis muito pequena o que dificulta muito a operaccedilatildeo do decisor
Para evitar este problema usa-se um circuito como o da figura na paacutegina 15 Uma portadora igual agrave do moacutedulo transmissor eacute gerada no receptor e por meio de detectores de fase consegue-se comparar o sinal recebido com as referecircncias locais facilitando o trabalho do decisor
Poreacutem gerar uma portadora local que seja coerente em fase e frequumlecircncia com a do transmissor eacute bastante complexo Um erro de fase na geraccedilatildeo da portadora de referecircncia poderia baixar o niacutevel de amplitude do sinal recebido ou ateacute mesmo inverte-lo causando perda de dados por dificultar a decisatildeo do regenerador
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
2E0π
2E05π
2E0π
2E05π
2E03π 2E03π
E0
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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Adriano Martins Moutinho Turma 01
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Gerar uma portadora local precisa em fase e frequumlecircncia eacute uma tarefa bastante importante e necessita de um circuito em separado ao demodulador O diagrama em blocos de um circuito gerador de portadora pode ser visualizado abaixo
Multiplicado-se o sinal recebido pelo nuacutemero de niacuteveis do sinal MPSK (m) obtemos a mesma fase qualquer que seja a fase recebida pois
)10804cos()2704cos(4
)7204cos()1804cos(3
)3604cos()9044cos(2
)04cos()04cos(1
000
000
000
000
000
000
000
000
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=sdot+sdot=
+sdot=+sdot=
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
twEtwE(t)E Estado
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
PORTADORA
Observe que as quatro tensotildees possuem a mesma fase pois todas os acircngulos satildeo muacuteltiplos de 360ordm A saiacuteda do circuito multiplicador eacute levada a um PLL que propicia toda a coerecircncia necessaacuteria na demodulaccedilatildeo Na figura acima o circuito PLL eacute composto pelo detector e pelo corretor de fase
Quando o sistema PSK eacute usado com estes recursos de coerecircncia local chamamos o sinal de CPSK (coherent phase shift keying)
Um soluccedilatildeo mais econocircmica usada quanto a estabilidade a longo prazo natildeo eacute boa o que ocorre com a maioria dos osciladores eacute o sistema PSK diferencial ou DPSK
Ao inveacutes de transmitir o sinal m(t) modulado em fase Codifica-se o mesmo diferencialmente usando-se um circuito de retardo O bit m(2) eacute comparado com o pulso anterior m(1) transmitindo-se 0 quando forem iguais e 1 quando forem diferentes Uma sequumlecircncia digital e sua codificaccedilatildeo diferencial satildeo mostradas abaixo
Filtro Passa-Faixas
m
Detector de fase
~
Detector de fase
Corretor de fase
x m
1100101011 Sinal digital 01000110010 Sinal Diferencial
Universidade do Estado do Rio de Janeiro Trabalho de Princiacutepios de Telecomunicaccedilotildees I
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro
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O circuito de decodificaccedilatildeo no receptor utiliza entatildeo uma referecircncia de fase para cada pulso assumindo como referecircncia o sinal do pulso anterior atraveacutes de um circuito de retardo Como a diferenccedila de fase entre dois bits consecutivos natildeo eacute significativa o sistema se auto-ajusta permitindo a recuperaccedilatildeo do sinal quando houver pequenas e lentas variaccedilotildees de fase ao longo do tempo o que natildeo seria possiacutevel com o CPSK
Vamos a um exemplo Se o receptor recebe um sinal com portadora a 0ordm o circuito compara este valor com o anterior que estava guardado no retardo Se o mesmo for igual coloca ldquo0rdquo na saiacuteda caso contraacuterio seraacute ldquo1rdquo O sinal recebido (a 0ordm) eacute tambeacutem colocado no retardo e seraacute comparado com o proacuteximo bit
O diagrama em blocos do receptor DPSK eacute mostrado abaixo
Como podemos ver no diagrama acima o receptor DPSK natildeo necessita de
osciladores locais Conseguimos esta simplificaccedilatildeo no receptor devido a uma sofisticaccedilatildeo na codificaccedilatildeo 4) Co-modulaccedilatildeo
Vimos anteriormente que ao retirarmos a portadora de um sinal OOK obtemos um sinal PRK Convertia-se uma modulaccedilatildeo em amplitude em modulaccedilatildeo angular
Filtro
Retardo
Detector deproduto
Decisor Filtro