MODULAÇÃO FM
Sumário 1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 4 2. CONCEITO DE MODULAÇÃO ................................................................................. 5 3. MODULAÇÃO FM .................................................................................................... 6 3.1 CONCEITO ..................................................................................................................6 3.1.1 Vantagens e desvantagens ........................................................................................... 7 3.2 PRINCIPAIS CARACTERISTICAS ....................................................................................7 3.2.1 Modulação FM de Faixa Estreita: ................................................................................. 8 3.2.2 Modulação FM de Faixa Larga:..................................................................................... 8 3.2.3 Largura de Faixa de um Sinal FM.................................................................................. 8 3.3 ONDE É EMPREGADO .................................................................................................9 3.3.1 Telefonia ..................................................................................................................... 10 3.3.2 TV................................................................................................................................ 11 3.3.3 Rádio........................................................................................................................... 12 4. CONCLUSÕES ...................................................................................................... 13 REFERÊNCIAS .......................................................................................................... 14
4
1 INTRODUÇÃO
Em um sistema de comunicação existem três elementos básicos que tem a finalidade de realizar o processo de modulação de um sinal ou informação, sendo eles o transmissor, canal e receptor. Portanto, este trabalho tem como objetivo aborda claramente como é tratada a técnica de modulação FM, conceituando e apresentando suas principais características e empregabilidade, uma vez que essa técnica foi desenvolvida para reduzir banda e o efeito do ruído, apresentando assim, um maior desempenho.
5
2. CONCEITO DE MODULAÇÃO O processo de modulação pode ser definido como a transformação de um sinal que contém uma informação útil em seu formato original (banda-base) num sinal modulado adequado ao meio de transmissão que se pretende utilizar. Isto é feito por meio de um sinal senoidal denominado portadora c(t), cuja freqüência é bem maior que a maior freqüência contida no sinal original. Por conceito básico, a modulação é a variação de um parâmetro de uma onda portadora senoidal, de maneira linearmente proporcional ao valor instantâneo do sinal modulante ou informação. Por sua vez, a portadora é a onda senoidal que, pela modulação de um dos seus parâmetros, permite a transposição espectral da informação (ou sinal modulante). Devido à portadora senoidal ter três parâmetros: Amplitude, Freqüência e Fase, existem três formas básicas de modulação: Modulação em Amplitude (AM), modulação em freqüência (FM) e modulação em fase (PM Phase Modulation). O conceito do sistema de comunicação bem como os três elementos básicos como transmissor, canal e receptor são responsáveis em empregar a finalidade da comunicação. O objetivo do transmissor é converte sinal de informação para um formato apropriado para ser transmitida pelo canal sendo tal operação conhecida como modulação. O canal fornece uma conexão física entre o transmissor e receptor, seja pelo canal ponto a ponto ou canais de difusão. Identificam-se dois tipos básicos de modulação, de acordo com o tratamento da portadora pelo sinal modulado, podendo ser apresentado pela modulação analógica como: AM, FM, PM, PCM ou modulação digital como: ASK, FSK, PSK e QAM, e a potencia de saída do transmissor vai de miliwatt a Minutoswatts.
Figura 1- Sistema de Comunicação Analógico
Figura 2- Freqüência de um sinal modulante FM.
6
3. MODULAÇÃO FM 3.1 CONCEITO Inicia nos Estados Unidos no século XX a Modulação FM, é uma modalidade de radiodifusão que usa a faixa de 88MHZ a 108MHZ, está distribuída em diversas estações transmissoras de FM, cada uma ocupando uma faixa de aproximadamente 200khz, isso faz com que as ondas variem em freqüência, ou seja, números de ciclos (hertz) onde a potência dos sistemas de emissão pode variar entre poucos watts (rádio locais) até centenas de quilowatts (retransmissores de grandes coberturas). A FM é largamente utilizada para transmitir música e voz, rádio bidirecional, sistemas de gravação em fitas magnéticas e alguns sistemas de transmissão de vídeo. Em sistemas de rádio, a modulação em freqüência com largura de banda suficiente fornece uma vantagem em cancelar ruídos que ocorrem naturalmente. A sua qualidade de transmissão fez como que esta fosse adaptada para a transmissão do áudio da TV aberta. A modulação FM (Frequency Modulation) é classificada como processos modular não linear e angular onde as mudanças na amplitude instantânea no sinal da informação são transformadas em mudanças instantâneas na freqüência angular da portadora RF. A freqüência não modulada de um sinal FM é chamada de freqüência central. Quando um sinal modulado é aplicado, a freqüência do transmissor de FM irá ondular acima e abaixo da freqüência central conforme o sinal modulado. A quantidade de "ondulação" dentro da freqüência transmitida em qualquer direção acima ou abaixo da freqüência central é chamada de desvio. O espaço de freqüência total ocupado por um sinal de FM é o dobro de seu desvio.
Figura 3- Freqüência de um sinal modulante FM.
7
Analise tonal Considere um sinal modulante composto de uma única freqüência (tom) que é M(t) = Am. cos (2π.fm.t) , Sendo β = ∆f ∕fm.
expressa por:
A freqüência instantânea do sinal de FM resultante será: Fi(t) = fc + kf. Am.cos(2π.fm.t ) = > fc + ∆f.cos(2π.fm.t), sendo ∆f = kf.Am A grandeza ∆f = é chamada de desvio de freqüência e representa a máxima variação possível para a freqüência instantânea de um sinal FM a partir da freqüência da portadora, fc. 3.1.1 Vantagens e desvantagens
Os sinais modulados em FM são mais imunes ao ruído e a interferência aditivos e menos suscetível a certos tipos de interferências causados por temporais e por correntes elétricas fortuitas de equipamento em relação modulação AM. Assim, os sistemas de transmissão em que é necessária uma maior qualidade do sinal (relação sinal-ruído) são utilizados normalmente a modulação em frequência FM. A grande vantagem do FM é a sua qualidade de áudio e robustez á ruído. A qualidade de áudio de um sinal FM aumenta conforme seu desvio aumenta, o qual é o porquê das estações comerciais de FM usarem tão largo desvio. A principal desvantagem do FM é a quantidade de espaço de freqüência que um sinal requer. Os receptores FM também apresentam uma característica conhecida como efeito de captura. Se dois ou mais sinais de FM estão na mesma freqüência, o receptor de FM irá responder ao sinal mais forte e ignorar o resto podendo oscila o sinal nos lugares mais altos e baixos e isso pode se definir como uma desvantagem.
3.2 PRINCIPAIS CARACTERISTICAS As características de uma modulação FM são definidas por uma função não linear (integração) do sinal modulante. Assim sendo, a modulação em freqüência corresponde a um processo de modulação não linear. Isso significa que, diferentemente da modulação em amplitude, o espectro de frequência de um sinal FM não guarda relação direta com o espectro do sinal modulante.
8
Uma rádio em FM apresenta uma ótima qualidade sonora, mas com limitado alcance, chegando à média de 100 quilômetros de raio de alcance. Em condições esporádicas de propagação, é possível sintonizar emissores a centenas de quilômetros. A potência dos sistemas de emissão pode variar entre poucos watts (rádios locais) até centenas de quilowatts, no caso de retransmissores de grande cobertura. A modulação em freqüência é feita quando a sinal modulante altera para mais e para menos a freqüência da onda portadora. Trata-se de um tipo de modulação angular que pode haver em um sinal de faixa estreita, FMFE, de pouco interesse em telecomunicações ou de faixa larga, FMFL. Além disso, Existem basicamente dois métodos para gerar sinais modulados em freqüência: método Indireto onde o sinal é primeiro integrado e depois aplicado a um modulador de fase de banda estreita e Método Direto, o valor da freqüência instantânea da portadora é variado diretamente de acordo com o sinal modulante, através de um dispositivo conhecido por Oscilador Controlado por Tensão (Voltage Controlled Oscillator - VCO). A freqüência desse VCO é aumentada para sinal de entrada positivo e diminuída para sinal de entrada negativo. S(t) = Ac.cos [2π. fc. t + b.sen (2π. fm.t) => Análise Tonal da modulação FM. 3.2.1 Modulação FM de Faixa Estreita: Para pequenos valores do índice de modulação b (comparado a 1 radiano), o sinal FM assume a forma de faixa estreita, consistindo somente de uma portadora, uma componente de banda lateral superior e uma componente de banda lateral inferior. 3.2.2 Modulação FM de Faixa Larga: Para valores maiores do índice de modulação b (comparando a 1 radiano), o sinal FM contém a portadora e um numero infinito de componente de freqüência localizados simetricamente em torno da portadora. Um sinal FM, com esta característica, é faixa larga. 3.2.3 Largura de Faixa de um Sinal FM Ao contrario do que acontece na modulação em amplitude, na qual é gerado apenas um par de faixas laterais, na modulação angular um número infinito de pares
9
de faixas laterais é gerado em função do índice de modulação em freqüências, necessitando de uma largura de faixa também infinita. Na prática, contudo, um sinal FM é limitado a um número finito de pares de faixas laterais significativas levando, naturalmente, a certa quantidade de distorções aceitáveis. A regra de Carson corresponde a uma aproximação para se determinar a largura de faixa de um sinal FM tonal e é expressa por: BW = 2.∆f + 2.fm = 2.(β+1).fm Note que a largura de faixa está diretamente relacionada ao índice de modulação β. A partir da regra de Carson podemos extrapolar que o número de faixas laterais de um sinal FM será fornecido por n = β +1.
Figura 4 - Densidade Espectral de potência de FM
Figura 5- Espectro com as bandas laterais.
3.3 ONDE É EMPREGADO Existem freqüências que podem ser ouvidas. Existem as que podem ser vistas. Entre estas duas faixas estão as freqüências utilizadas para outras finalidades como sistema de comunicação aérea civil e militar, ambulâncias, telefone sem fio, aparelhos de controle remoto, telemetria, controles de segurança, enfim, tudo que necessita ser transportado via freqüências. As emissoras de rádio e TV, assim como a telefonia e os sistemas de satélites, também tem sua faixa de freqüência reservada dentro do espectro. A maioria dos outros usuários de FM (departamentos de policia, bombeiros que só transmitirão a voz), usa um desvio de 5 kHz, para um espaço total de freqüência ocupada de 10 kHz.
10
Os controles remotos de aparelhos eletrodomésticos, funcionando com freqüência na faixa do raio infravermelho, estão ocupando também um espaço, para eles reservados, no espectro. 3.3.1 Telefonia A telefonia celular É uma tecnologia nova que também depende de um espaço no espectro de freqüência. Por isso a faixa da telefonia celular foi atribuída em diversos espaços do espectro, preenchendo lacunas que ainda estavam disponíveis, no entanto hoje as lacunas praticamente já não existem. Como numa conversação normal, geralmente não se passa de 3kHz foi criado uma largura de banda de 4kHz para canais de telefonia, que é o que utilizamos atualmente em nossas ligações como nas transmissões de voz entre os telefones e as centrais da rede telefónica convencional. O motivo básico para isso é que o sistema de telefonia utiliza os canais de forma multiplexada, necessitando alocar uma determinada largura de banda para cada canal de voz. Em testes práticos, julgou-se que a faixa de freqüências entre 300Hz e 3400Hz permitia uma conversação normal. Desta forma, utilizam-se filtros eletrônicos para cortar sinais com freqüências acima disto. O valor de 4kHz é utilizado como uma tolerância para evitar interferências entre canais multiplexados lado a lado.
Figura 6. Largura de Banda 4KHz telefonia.
Isto acontece porque a telefonia precisa transportar apenas a voz que, oscila em uma faixa em torno de 1.000 Hz. Portanto os 6,25 KHz de banda são mais que suficientes para transportar as oscilações da fala, sendo 3KHz para transmissão, mais 3KHz para recepção com uma pequena freqüência de espaço entre a TX (transmissão) e a RX (recepção).
11
3.3.2 TV Para as transmissoras de canais de TV estão classificadas nas faixas VHF e UHF. VHF (very high frequency ou frequência muito alta) – Faixa entre 30 MHz e 300 MHz, na qual estão os serviços de radiodifusão comercial FM e os canais 2 a 13 de TV. A qualidade da transmissão por modulação em freqüência fez com que esta fosse adotada para a transmissão do áudio da TV aberta. A televisão, no entanto, tem mais informações. Só de vídeo são 30 quadros por segundo. Cada quadro é formado por 525 linhas. Cada linha é constituída por aproximadamente, 450 pontos. Estes pontos são os pixels, menor unidade visível que forma a imagem em uma tela de TV. Quanto maior o número de pixels, melhor a definição da imagem. É conhecido no meio técnico por "Resolução Horizontal". Logo, a TV (analógica) necessita 6 MHz de banda para que caibam todos os elementos a serem transmitidos. Os sinais analógicos de televisão têm modulação em amplitude para o sinal de vídeo e modulação em freqüência para o áudio O ponto chave da questão é que os canais analógicos serão devolvidos, restando somente os digitais no plano, que, por diversas questões técnicas, não podem ocupar a faixa ‘baixa’ dos canais de televisão. Em outras palavras, a faixa do espectro que começam em 54MHz (limite inferior do canal 2) e vai até 88MHz (limite superior do canal 6) ficará desocupada em alguns anos. A proposta é de se utilizar os canais 5 e 6 de TV para aumentar a disponibilidade de canais FM e digitalizar o rádio. Um canal de televisão tem 6MHz de largura de banda de radiofreqüência, enquanto que um canal de rádio FM tem 200 KHz. Destacando que em cada canal de televisão podemos colocar 20 novos canais e rádio. Sendo dois de televisão, então temos 60 canais de rádio FM. Existe interferências externas à faixa de FM com o serviço Móvel Aeronáutico (no limite superior). Quando ouvimos que um aeroporto fechou para pousos e decolagens devido ás interferências de comunicações com as aeronaves causadas por um ou mais ‘rádios piratas’. Não podem existir obstáculos entre transmissores e receptores, podendo ser fortemente influenciada pela geografia. Em regiões montanhosas e acidentadas, ou de alta densidade urbana, ó calculo ponto-a-ponto é uma aproximação.
12
3.3.3 Rádio A atribuição desta freqüência para o rádio em FM abriu a possibilidade de transmissão de rádio com melhor qualidade técnica, operando na faixa de 89,9MHz. Encontrando-se na faixa VHF: Very Hight Frequency, Esta faixa vai desde 30 MHz (Mega Hertz) até 300 MHz. E nela que se encontram as freqüências utilizadas pelo Rádio FM e TV aberta, desde o canal 2 até o canal 13. A qualidade do sinal foi um dos fatores que proporcionou esta definição. A freqüência do rádio FM tem amplitude pequena e oscilam entre 88 e 108 milhões de ciclos por segundo. Isto proporciona a esta freqüência uma característica de propagação pelas ondas eletromagnéticas com sinal mais direcional que o da AM. Como tanto as altas quanto as baixas freqüências oscilam dentro de uma mesma amplitude, não há um ponto de corte. Desta forma, a qualidade gerada no estúdio chega ao receptor com perda praticamente insignificante. Devido à característica direcional deste tipo de freqüência, as antenas são mais direcionadas e privilegia área com sinal mais intenso com menor população irradiando nessas regiões sinais mais fracos, e deve ser colocado em locais mais altos para irradiação, dependendo da potência o sinal pode cobrir até 100 quilômetros no caso de antena omnidirecional. A onda eletromagnética percorre quase que uma linha reta, podendo rebater obstáculos como prédios, morros, árvores, etc. Dentro da banda de 200 KHz por canal, destinada ao rádio FM, são transmitidas freqüências submoduladas que distribuem dentro da faixa, as informações para o canal que permite transmissão de outro canal de áudio, juntamente com o principal da emissora. Este canal extra permite, por exemplo, um canal de música funcional, destinada a sonorização de ambientes em serviço de música paga, ou mesmo um áudio conferência para cursos à distância. Poucas são as pessoas que conhecem deste recurso.
Figura 7- Esquema do canal de rádio.
13
4. CONCLUSÕES Modulação é uma técnica para enviar dados pelo sistema de transmissão, modificando levemente o sinal da portadora. Portanto, a modulação FM é utilizada originalmente para fazer transmissões de TVs, rádios e telefonia ocupando a faixa de 88Mhz a 108Mhz distribuídas entre diversas estações seja ela por fios de cobre, fibras ópticas, ondas de rádio ou micro-ondas, podendo ser também identificadas nos sistema de comunicação aérea civil e militar, ambulâncias, telefone sem fio, aparelhos de controle remoto, telemetria, controles de segurança, enfim, tudo que necessita ser transportado via freqüências. A idéia básica é que os receptores sintonizem na portadora e extraiam dela as pequenas variações (modulações) ocorridas, o rádio, por exemplo, descarta a portadora e toca somente o áudio que estava presente na modulação. A modulação pode alterar á amplitude (AM), freqüência (FM) ou fase (PM). Devido à necessidade de ter uma melhor confiabilidade e capacidade de transmissão seja de áudio ou imagem, nos últimos anos a nova tecnologia de modulação digital esta substituindo gradativamente a modulação analógica, que nos próximos anos não será mais utilizada. Entretanto, esse sistema esta sendo amplamente empregada diariamente no dia-a-dia em todos os sistemas de comunicações.
14
REFERÊNCIAS
OLIVEIRA, Felipe Jean. Avaliação experimental do desempenho do canal móvel do sistema brasileiro de televisão digital. Paraíba: UFCG. YAMADA, Fujio. et al. Sistemas de TV digital. Revista Mackenzie de Engenharia e Computação, São Paulo, n.5, 2004. Telecomunicações: transmissão e recepção AM-FM: Sistemas pulsados / Alcides Tadeu Gomes. – São Paulo: Érica, 1985, 5ª edição. HAYKIN, SIMON, Sistema de comunicação Analógica e Digital, Porto Alegre, 5ª edição, 2004.
