m3 - apostila - parte 2

APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
AULA
12
MÓDULO - 3
TRANSMISSÃO-RECEPÇÃO FM
FM - Frequência Modulada
A modulação FM - faixa ocupada pela emissora
A transmissão estereofônica - sinal multiplex
Emissora de rádio FM - diversos projetos
Receptor FM monofônico - demodulação
FM - FREQUÊNCIA MODULADA
Depois de estudarmos o rádio AM, onde o sinal
modulante fazia a portadora variar em amplitude,
vamos ver agora, a modulação em frequência ou
FM. Esta modulação ganhou força devido ao
problema enfrentado pela modulação AM, que
dependia da amplitude do sinal, e portanto durante
a transmissão, era normal sofrer alterações em sua
amplitude, já que ele tinha que percorrer muitos
quilômetros e muitas vezes sofrer reflexões ou
refrações, fazendo com que a amplitude do sinal
sofresse varias distorções alterando assim o sinal
demodulado no aparelho receptor.
Na modulação em FM a amplitude do sinal é
constante e caso ela sofra distorções durante sua
transmissão, não alterará o sinal demodulado no
receptor, trazendo assim uma melhor qualidade no
som.
A modulação em frequência consiste basicamente
em modular uma portadora através de um sinal de
baixa frequência, geralmente áudio, fazendo com
que a portadora altere sua frequência através das
variações de amplitude do sinal modulante. O
resultado será uma portadora de amplitude fixa,
mas com frequência variando proporcionalmente às
variações do sinal modulante. Veja a comparação
entre a modulação em amplitude (forma de onda a)
e a modulação em frequência (forma de onda b) que
mostramos na figura 1.
figura 1
SINAL
MODULADO
EM AM-RF
SINAL
MODULADO
EM FM-RF
Nesta figura, vemos em tracejado, o sinal de áudio
ou sinal modulante, que na modulação AM, faz
variar a portadora em amplitude. Na figura de baixo,
vemos o mesmo sinal de áudio (tracejado) que faz
ELETRÔNICA
variar a portadora em frequência. Na verdade, o que
realmente existe, quando falamos em sinal é o
desenho em traço cheio, sendo o tracejado utilizado
para mostrar onde estaria o sinal de áudio, atuando
sobre a portadora.
Mas voltando ao processo de FM, para entende-lo
melhor, vamos tomar como exemplo, um modulador
de FM baseado em um oscilador Hartley com diodo
varicap, como mostra a figura 2.
MODULADOR DE FM
figura 2
FM (RF)
+Vcc
+Vcc
OUT
L3
R4
C3
R1
L4
C2
T1
R3
L1
R5
C1
C4
R2
L2
D1
IN
AUDIO
Este oscilador foi montado usando um diodo varicap
(D1) junto ao tanque ressonante, onde dependendo
da tensão aplicado sobre ele, teremos variação na
frequência de ressonância. Então, aplicando um
sinal de áudio na entrada (IN) faremos a tensão
sobre D1 variar de acordo com a amplitude do sinal
de áudio, gerando na saída (OUT) uma portadora
variando sua frequência constantemente de acordo
com o sinal de áudio.
A portadora modulada em FM terá sua frequência
variando exatamente igual à amplitude do sinal de
áudio: se a amplitude do áudio aumentar, a
frequência da portadora também aumenta; se a
amplitude do sinal de áudio diminuir a frequência
também diminui; quando o sinal de áudio estiver no
nível zero de referência, a portadora terá sua
frequência central, como ilustra o gráfico da figura 3.
Na parte de cima temos a portadora sem modulação
com sua frequência central constante; na parte
central o sinal de áudio que irá entrar no modulador
e na parte de baixo, a portadora já modulada com
sua frequência variando de acordo com as
amplitudes do sinal de áudio. Observando em
AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO 121
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
MÓDULO - 3
MODULADOR FM DIGITAL
PORTADORA
RF
+5V
+5V
T4
+5V
R5
T3
R6
R3
R4
C1
C2
AF
SINAL DE
AUDIO
+5V
_
Q
Q
SINAL MODULADO EM
FREQÜÊNCIA (FM)
T2
SINAL
MODULADO
EM FM-RF
T1
ENTRADA DE
SINAL DE AUDIO
figura 3
detalhes a figura, vemos que o sinal de áudio,
possui uma porção inicial que não varia, o que
mantém a frequência da portadora de FM
constante. Logo em seguida, o sinal de áudio
começa a variar para nível positivo; acompanhando
a frequência da portadora, vemos que vai
aumentando à medida que o sinal de áudio aumenta
sua amplitude; logo, o áudio começa a diminuir sua
tensão, fazendo a portadora começar a diminuir sua
frequência, até que o áudio chega à sua menor
amplitude, diminuindo a frequência da portadora de
FM ao seu valor mínimo. A variação entre a maior
frequência (dada pela maior amplitude do áudio) e a
menor frequência (dada pela menor amplitude do
áudio) é chamada de DESVIO.
Assim, nosso modulador de FM (figura 2) alterará
sua frequência como foi dito acima.
Na aula 8 (M3), tínhamos visto um modulador FM
digital formado por um astável, transformado em
VCO (voltage controlled oscilator), ou seja,
oscilador controlador por tensão, que não usa um
oscilador senoidal, como vimos na figura 2, e sim
um circuito digital para obter a modulação ou
variação na frequência. A tendência atual é de cada
vez mais utilizar circuitos digitais que de alguma
forma criem as condições ou frequências que
anteriormente eram obtidas com circuitos
analógicos. O circuito do modulador de FM digital,
analisado na aula 8 pode ser visto na figura 4.
A FAIXA DE FM E TOTAL DE EMISSORAS
A faixa de frequência modulada para transmissões
radiofônicas, situa-se na faixa de VHF, ou Very High
Frequency, mais especificamente entre 88 à
108MHz, ou seja, 20MHz dedicados somente à
transmissão de sinais de áudio.
Inicialmente, a padronização acabou permitindo
que cada emissora pudesse ter cerca de 50kHz de
banda total, permitindo que na faixa de 88 à 108
MHz coubessem cerca de 400 emissoras em uma
determinada região (dividimos o total da faixa que é
de 20MHz pelo espaço ocupado pelo que seria
utilizado por cada emissora que é de 50kHz,
resultando em 400 emissoras).
Utilizar-se do espaço de 50kHz para cada emissora
é muito mais do que os 10kHz para as emissoras de
AM, visto que em FM podemos utilizar toda a faixa
de frequência audível: 20Hz à 20kHz. Assim,
modulando uma portadora, haveria um mínimo de
40kHz de banda lateral inferior ou superior, e
considerando o desvio que ocorre na frequência
(cerca de 10kHz) resultará em 50kHz de faixa total
ocupada para cada emissora. Veja a figura 5.
Escolhemos uma emissora com portadora de
100MHz, onde vemos que as variações de
amplitude do sinal de áudio, produzirá um desvio na
portadora de +5kHz e -5kHz (10kHz no total). Este é
apenas o desvio que corresponde às variações de
amplitude do áudio. O problema é que sobre o
desvio ainda teremos a geração da banda lateral
superior e também da inferior, ou seja, 20kHz a mais
para a banda lateral superior, à partir da frequência
máxima do desvio e 20kHz a menos para a banda
lateral inferior, à partir da frequência mínima do
desvio.
Assim, somado o desvio às bandas laterais,
teremos um total de faixa ocupada de 50kHz, que
passaria a ser o padrão de canaletas (áreas onde
são colocados os canais).
desvio = 10kHz
figura 5
AUDIO
BLI
sinal de
áudio
mono
0Hz
20Hz
figura 4
DESVIO
FM
20Hz a 20kHz
20kHz
DESVIO + BLI = 25kHz
AUDIO
BLS
20Hz a 20kHz
DESVIO + BLS = 25kHz
99,975MHz
100,025MHz
100MHz
faixa de frequência utilizada pela emissora = 50kHz
122 AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO
ELETRÔNICA
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
MÓDULO - 3
O SINAL MONO E O SINAL STEREO
(canal direito).
Considerando que todos os receptores estavam
Já havíamos comentado sobre o sinal estéreo preparados para utilizar o sinal MONO (L+R), tinha
(stereo), na matéria sobre os amplificadores de que ser criado algum outro sinal para que fosse
áudio com dois canais, onde afirmamos que é levado por este (L+R) em um sistema de mistura
possível entre o espaço entre as duas caixas L (Left) que chamaram de multiplexação.
e R (right), conseguir uma sensação de que o som Na figura 7, podemos ver como os sinais L e R, são
provém de várias direções.
enviados até um bloco chamado de multiplex, onde
tem que sair em uma única via, que
figura 6
além dos sinais para formação
estéreo, devem também excitar os
canal
esquerdo
receptores de FM monofônicos. Após
L (Left)
CIRCUITO DE
esse
sinal complexo vai modular a
MODULAÇÃO E
portadora
de FM, sendo amplificado
TRANSMISSÃO
canal
SINAL
em potência indo a etapa de potência e
DA PORTADORA
direito
MONO
R (Right)
(também
DE FM
antena.
chamado
L+R)
A figura 8, mostra como os sinais L+R e
L-R são criados. Após os préamplificadores, os sinais L e R acabam
Mas, apesar de termos há décadas a reprodução se encontrando através de dois resistores onde
estereofônica, proveniente dos discos de vinil, este somam-se. Ao mesmo tempo, o sinal ( R ) passará
sinal era pré-amplificado e em uma somatória por um inversor, tornando-se invertido, ou seja, ( -R
simples, criava-se o sinal L+R, que nada mais é do ). Este sinal somar-se-a ao sinal L, também através
que um único sinal levando misturados dos dois de dois resistores, criando o sinal L-R. Notem que
canais de áudio (veja a figura 6). Este sinal também
figura 8
é chamado de monaural ou simplesmente MONO,
canal
ou sinal proveniente de uma única fonte. Mesmo
L
L+R
esquerdo
L (Left)
que esse sinal seja reproduzido por duas caixas, a
sensação para o ouvido, será que o sinal provém
L+R
L-R
do centro, ou seja, de uma única direção.
canal
Após, este sinal MONO, ou sinal L+R , irá até o
direito
R (Right)
R
circuito de modulação, onde o sinal de áudio
-R
modulará uma portadora em frequência e após
haverá a amplificação de RF para excitar uma
antena transmissora.
O ADVENTO DA
TRANSMISSÃO ESTEREOFÔNICA
Na década de 50 nos Estados Unidos, começaram
as pesquisas para a criação de uma nova
modulação em amplitude, chamada de portadora
suprimida que abriu espaço para a transmissão dos
sinais em cores para a TV (sistema NTSC) com a
criação dos sinais R-Y e B-Y, que iam modular uma
portadora de frequência de 3,58MHz.
Como tínhamos os rádio receptores de FM
definidos com determinada faixa de sintonia, era
necessário criar uma multiplicação de sinais que
levassem tanto o sinal L (canal esquerdo) como o R
figura 7
SINAL MULTIPLEXADO STEREO
canal
esquerdo
L (Left)
CANAL L
canal
direito
R (Right)
ELETRÔNICA
se os sinais L e R, forem exatamente iguais, na
primeira somatória haverá a somatória destes e
ganho em tensão. Após o sinal R ser invertido, e
somado ao sinal L, como tem a mesma amplitude e
estão invertidos, haverá o cancelamento dos sinais,
não gerando o sinal L-R. Nas gravações,
normalmente o áudio do cantor ou do narrador é
gravado com o mesmo nível nos dois canais. Já a
trilha sonora possui diferenças entre o canal L e R.
Assim, o sinal L-R não terá voz do cantor, mas terá
os instrumentos que possuem níveis diferentes
entre os canais L e R. Podemos dizer então que o
sinal L-R pode ser usado como um efeito de
karaokê, desde que seja amplificado e vá para as
caixas acústicas.
CANAL R
FORMAÇÃO
DO SINAL
MULTIPLEX
PARA STEREO
CIRCUITO DE
MODULAÇÃO E
TRANSMISSÃO
DA PORTADORA
DE FM
AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO 123
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
figura 9
a
+
b
MODULADOR
BALANCEADO
DO SINAL L-R
e
a) sinal de áudio L+R
h
+
f
OSCILADOR
38kHz
figura 10
j
L+R
L-R
MÓDULO - 3
b) sinal de áudio L-R
÷2
c
A FORMAÇÃO DO SINAL MULTIPLEX
Para a transmissão estereofônica, necessitaremos do sinal
L+R (mono) para excitação dos receptores monofônicos,
como já falamos anteriormente, como mostra o sinal presente
no ponto [a] do circuito da figura 9. O aluno deverá
acompanhar toda a explicação com as formas de ondas da
figura 10.
Comparando o sinal L+R (forma de onda [a]), com o sinal L-R
(forma de onda [b]), podemos afirmar que possuem
diferenças de frequências entre eles.
Como vemos na figura 9, o sinal L+R segue pelo lado de cima
da figura, indo diretamente até um somador. Antes de
sabermos o que acontecerá neste somador, vamos verificar o
processamento do sinal L-R [b].
O sinal L-R [b] entrará em um modulador balanceado, que
necessitará de uma portadora, que no caso será de 38kHz
(mostrada na figura [c]). Nos semi-ciclos positivos desta
portadora, levará para a saída do modulador variações em
fase do sinal L-R e nos semi-ciclos negativos as variações em
contra-fase do sinal L-R, formando a onda mostrada em [d].
Esta onda, mostra a amplitude do sinal L-R em tracejado,
ocorrendo tanto para cima como para baixo de um eixo zero
(central). Já a forma de onda [e], passa a resultante do sinal
sem o tracejado, ou seja, real.
Chamamos esta técnica de modulação de “portadora
suprimida”, pois somente aparecem variações de 38kHz na
saída do modulador balanceado, caso haja sinal na entrada
deste mesmo modulador. Caso não haja sinal L-R, nada
portanto sairá do modulador. Como este sinal será misturado
a outro, esta técnica reduz enormemente a interferência deste
sinal de 38kHz sobre o outro (que no caso será o sinal L+R).
O problema encontrado por esta técnica é que ela necessita
de um oscilador no receptor de rádio, para conseguir-se a
demodulação do sinal L-R, pois não consegue-se fazer com
diodo convencional. Além disso, este oscilador deverá ter a
mesma frequência e fase, ou seja, comandar o demodulador
sincronizadamente com o oscilador da emissora. Para isso,
necessitaremos de um sinal que sincronizará o oscilador de
38kHz do receptor. Este sinal é chamado de PILOTO e pode
ser visto na forma de onda [f]. Para não se misturar com a
portadora de 38kHz que leva variações em amplitude, o sinal
PILOTO deve ser dividido por 2, tornando-se portanto, uma
portadora de nível constante em 19kHz.
c) sinal do oscilador de 38kHz
d) sinal L-R modulado com portadora suprimida 38kHz
e) sinal L-R modulado com portadora suprimida 38kHz
f) sinal de 19kHz (38kHz dividido por 2)
g) sinal 38kHz, variando com o sinal de 19kHz e sinal L-R
h) sinal 38kHz, variando com o sinal de 19kHz e sinal L-R
i) sinal 38kHz, variando
com o sinal de 19kHz e sinal
L-R com ondulação de menor
frequência do sinal L+R
j) sinal 38kHz, variando
com o sinal de 19kHz e sinal
L-R com ondulação de menor
frequência do sinal L+R
124 AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO
ELETRÔNICA
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
MÓDULO - 3
Quando este sinal soma-se ao sinal L-R, sinal [e]
com o sinal [f], surge um novo sinal, com algumas
variações estranhas de amplitude (veja a forma de
onda em [g]). Quando retiramos o tracejado que
representa as variações de áudio do sinal L-R,
ficamos com a forma de onda mostrada em [h].
Assim, até aqui, já temos o sinal L-R, modulado com
uma portadora suprimida de 38kHz, que
chamaremos de (L-R)rf, e contendo ainda
variações de 19kHz, que dizem respeito ao sinal
PILOTO para sincronização do oscilador no
receptor.
Faltará somente somar o sinal [h] ao sinal L+R
(forma de onda [a]). As somatórias que estamos nos
referindo, são somente somatórias de dois sinais
encontrando-se após dois resistores, não sendo um
circuito complexo.
Voltando ao sinal [h] e [a], podemos observar que
são bem diferentes, sendo um de frequência um
pouco mais baixa (20Hz à 18kHz), que é o sinal
L+R, e o outro sinal uma combinação de modulação
em portadora suprimida, com bandas laterais
variando de 38kHz até próximo a 20kHz (banda
lateral inferior) e também até cerca de 56kHz
(banda lateral superior), além claro do sinal piloto.
Quando os sinais [a] e [h] são somados , gerará a
variação mostrada em [ i ] que mostra uma
ondulação no sinal de alta frequência (piloto em
19kHz e a modulação centrada em 38kHz).
11, ou seja:
a) sinal de áudio L+R (monofônico) que levará as
informações tanto do canal L, quanto do canal R.
b) sinal PILOTO com frequência de 19kHz, que será
utilizado para sincronizar a portadora de 38kHz que
deverá ser criada no receptor, para a demodulação
do sinal L-R.
c) sinal L-R que modula uma portadora de 38kHz e
que gera duas bandas laterais de 18kHz para cada
lado, sendo que a banda lateral inferior (BLI)
começa em 20kHz, indo até a frequência de
portadora de 38kHz; logo acima desta começará a
banda lateral superior (BLS) que terminará em
56kHz.
Apesar dos sinais serem de frequências diferentes,
eles serão transportados da mesma forma que o
sinal L+R era transportado anteriormente:
modulando em frequência uma dada portadora.
Assim, se o sinal multiplex vai modular em
frequência a portadora da emissora, haverá a
geração de resultantes das bandas laterais tanto
para cima como para baixo, como mostra a figura
12. Isto significa que ao modular uma portadora de
100MHz, haverá o desvio de 10kHz na portadora
(variações da amplitude do áudio) e além disso,
uma somatória da portadora com a banda lateral
superior (sinal multiplex) com 56kHz para cima, e o
mesmo na banda lateral inferior com 56kHz. Isto
gerará uma banda utilizada de 112kHz e somando a
isso o desvio, teremos uma ocupação de 122kHz.
Dissemos anteriormente que a modulação em FM,
utilizando somente do sinal de áudio variando de
20Hz à 20kHz, geraria uma ocupação de banda
para cada canal de 50kHz. Já para transmitir e
reproduzir o sinal estéreo, devemos utilizar uma
banda mínima de 122kHz.
Considerando agora que a faixa de FM, que vai de
88MHz até 108MHz, ou seja, 20MHz, resultaria em
uma quantidade de 164 emissoras para essa faixa,
considerando o cálculo de 122kHz de faixa para
cada emissora. Agora, com o cálculo feito à partir de
uma faixa de proteção entre emissoras, com cerca
de 25kHz, teríamos uma faixa de aproximadamente
150kHz para cada emissor, permitindo 133
emissoras para cada região, na faixa de FM.
figura 11
L+R
áudio de 20Hz à 18kHz
L-R
BLI
L-R
BLS
áudio de 20Hz à 18kHz
áudio de 20Hz à 18kHz
38kHz
19kHz
Na verdade, a forma de onda final, do sinal
multiplex, é vista na onda [j] , onde não vemos o
tracejado, mas o efeito que ele causa na onda.
Desta forma, temos os sinais necessários para a
transmissão estereofônica, como mostra a figura
FAIXA TOTAL OCUPADA POR UMA EMISSORA QUE TRANSMITIRIA O SINAL ESTÉREO
BANDA LATERAL INFERIOR COM 56kHz +DESVIO DE 5kHz
BANDA LATERAL SUPERIOR COM 56kHz +DESVIO DE 5kHz
figura 12
L+R
L-R
BLS
L-R
BLI
áudio de 20Hz à 18kHz
áudio de 20Hz à 18kHz
38kHz
ELETRÔNICA
áudio de 20Hz à 18kHz
19kHz
DESVIO
DE
FM
L+R
áudio de 20Hz à 18kHz
PORTADORA
DA EMISSORA
EM 100MHz
L-R
BLI
L-R
BLS
áudio de 20Hz à 18kHz
áudio de 20Hz à 18kHz
19kHz
38kHz
AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO 125
76kHz
L-R
BLS
SCA - BLI
38kHz
SCA - BLS
76kHz
19kHz
38kHz
19kHz
áudio de 20Hz à 18kHz
áudio de 20Hz à 18kHz
áudio de 20Hz à 18kHz
SCA - BLI
L+R
19kHz
áudio de 20Hz à 18kHz
figura 16
figura 15
L-R
BLI
áudio de 20Hz à 18kHz
SCA - BLI
L-R
BLS
L-R
BLI
38kHz
Na figura 13, podemos ver que o sinal de áudio proveniente de uma fonte
completamente independente dos sinais estereofônicos comentados
anteriormente, cria dois novos sinais L e R, que são pré-amplificados e
depois somados, formando outro sinal L+R. Após o sinal MONO, vai modular
uma portadora de FM com frequência de 76kHz, saindo uma modulação em
FM, como apresentada na
figura 14, formando a partir de
76kHz um desvio que será de
10kHz mais as bandas laterais
SCA - BLI
SCA - BLS
superior e inferior, ocupando
uma faixa de cerca de 40kHz.
76kHz DESVIO NA PORTADORA SCA (FM)
Essas variações em FM,
figura 14
somar-se-ão ao sinal multiplex
(analisado anteriormente),
como mostramos na figura 15, sendo após estes sinais levados ao
modulador de FM da emissora (em nosso exemplo 100MHz), onde todos
serão transmitidos. Finalmente teremos a faixa verdadeira ocupado pelo
sinal estereofônico mais o sinal SCA (Segundo Canal de Áudio). Em relação
à portadora de FM do canal que é de 100MHz, serão formadas bandas
laterais que ocuparão de 99,8MHz até 100,2MHz, ficando assim definido
200kHz de banda para cada emissora, como podemos ver na figura 16.
DESVIO NA PORTADORA SCA
(FM)de 20Hz à 18kHz
áudio
R
76kHz
canal
direito
R (Right)
SCA - BLS
DE FM
76kHz
L+R
L+R MODULADOR
L-R
BLI
L
L-R
BLS
canal
esquerdo
L (Left)
DESVIO
DE
FM
+
SINAL
MULTIPLEX
JÁ COM SCA
L+R
SINAL
MULTIPLEX
BANDA LATERAL SUPERIOR COM 56kHz +DESVIO DE 5kHz + SCA com 40kHz = 96kHz
figura 13
BANDA LATERAL INFERIOR COM 56kHz +DESVIO DE 5kHz + SCA com 40kHz = 96kHz
Pesquisas foram feitas durante a década de 50 e 60 e notaram que seria
possível colocar mais um sinal misturado (multiplexado), ao sinal multiplex.
A idéia seria transmitir um sinal de áudio completamente independente, para
prestar um serviço às empresas, oferecendo um SEGUNDO CANAL DE
ÁUDIO, sem interrupções com propagandas.
Como esse segundo sinal tem como objetivo criar um sistema de SOM
AMBIENTE, não se aplica o efeito estereofônico, sendo um sinal sendo os
canais L e R, somados para gerar o sinal MONOFÔNICO, mas com resposta
de 20Hz à 15kHz e qualidade no som.
FAIXA TOTAL OCUPADA POR UMA EMISSORA QUE TRANSMITIRIA O SINAL ESTÉREO (192kHz de ocupação dos sinais e bandas laterais, ficando definido um total de 200kHz para cada emissora
SCA - BLS
O SEGUNDO CANAL DE AUDIO - SCA
DESVIO NA PORTADORA SCA (FM)
MÓDULO - 3
PORTADORA
DA EMISSORA
EM 100MHz
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
DESVIO NA PORTADORA SCA (FM)
126 AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO
ELETRÔNICA
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
CANALIZAÇÃO DAS EMISSORAS DE FM
Após todo o estudo feito sobre estereofonia e SCA, que
ocupam uma faixa de quase 100kHz (96kHz) e após a
modulação em frequência na portadora do canal, acabam
ocupando uma faixa de quase 200kHz, devido às bandas
laterais, podemos ver na tabela ao lado todos os canais da
faixa de 88MHz até 108MHz, totalizando 100 canais ou
emissoras de rádio.
Notem também que a frequência central do canal 201 está
especificada como sendo em 88,1MHz, que significará que
este canal ocupará a faixa que vai de 88MHz até 88,2MHz,
tendo sua frequência de portadora centrada em 88,1MHz.
Assim, o canal ou emissora 245, possui uma faixa ocupada
que vai de 96,8MHz até 97MHz (totalizando 0,2MHz ou
200kHz), tendo sua frequência de portadora em 96,9MHz.
Apesar do Brasil, as frequências que terminam em .1, em .3,
em .5, em .7, e em .9, alguns usam também .0, .2, .4, .6, e .8.
Ainda outros usam também .05, .15, .25, .35, .45, .55, .65, .75,
.85, e .95, não permitindo nesse caso a transmissão
estereofônica.
MÓDULO - 3
CANALIZAÇÃO
DA FAIXA DE FM
CANAL FREQ.
CANAL FREQ.
CANAL FREQ.
Plano para a Região I - América do Norte:
O plano original de faixa de frequência para a América do
Norte, usou inicialmente 42MHz até 50 MHz, que foi alterado
em 1945. Atualmente, no Canadá e Estados Unidos, cada
canal é numerado de 200 (87,9 MHz) a 300 (107,9 MHz) com
incrementos de 200kHz.
Nos Estados Unidos, as frequências entre 87,9MHz até
91.9MHz são reservadas para estações não comerciais, como
por exemplo ensino religioso ou educacional. As frequências
de 92,1MHz até 107,9MHz, podem conter estações comerciais
ou não comerciais (Canadá e México não observam esta
especificação).
Inicialmente os países da antiga União das Repúblicas
Socialistas Soviéticas, utilizaram uma faixa de FM de 65,8MHz
a 74 MHz, com exceção das antigas Alemanha Oriental e
iugoslávia, que sempre usaram as frequência de 87,5MHz a
108MHz, na mesma linha a europa ocidental.
Depois do colapso dos governos comunistas na Europa
Oriental, a faixa de 87,5MHz a 108MHz, começou a ser
adotada e atualmente é usada em todos os países, visto que
este processo favoreceu a padronização entre os países
europeus.
Plano de canalização japonês:
A faixa de FM no Japão vai de 76MHz à 90MHz. A faixa que vai de 90MHz até 108MHz é usada para o
áudio da tevê para os canais 1, 2 e 3 da faixa de VHF. Como a faixa de FM, comporta comente 80
emissoras, muitas estações de rádio comerciais são forçadas a usar a faixa de AM.
Muitos rádios japoneses são projetados para serem capaz de receber de 76MHz a 108MHz, permitindo a
eles, não somente funcionar no Japão, mas serem exportados para quase todos países.
Na década de 80 até final de 90, os automóveis importados do Japão, continham um rádio projetado para a
faixa japonesa de FM, sendo que os importadores adaptaram conversores para baixo, permitindo captar
emissoras de 87,5MHz até 109,9MHz. Apesar deste conversor permitir a sintonia de todas as emissoras
nacionais, a indicação no display era errada, e quanto a isso nada foi feito. Logo, ou o usuário trocava o
auto-rádio ou adaptava-se a esta deficiência.
ELETRÔNICA
AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO 127
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
MÓDULO - 3
EMISSORA DE RÁDIO FM
No rádio AM, vimos que a emissora produzia o sinal
AF (áudio frequência), sendo que este iria modular
uma frequência de portadora, fazendo-a variar em
amplitude (AM) em determinada faixa de
frequências (Ondas Longas, Ondas Tropicais,
Ondas Média, Ondas Curtas), sendo estes sinais
transmitidos via antena, através de ondas
eletromagnéticas.
Nas emissoras de rádio FM far-se-á a mesma coisa,
tendo como diferença básica que a portadora
receberá modulação em frequência (FM).
Existem algumas emissoras de rádio que
transmitem o mesmo sinal em AM e FM e por isso
precisam de 2 sistemas diferentes de modulação e
transmissão. Outras emissoras transmitem uma
programação diferente em AM e outra programação
em FM e ainda existem emissoras que só
transmitem em AM e outras só em FM.
Na figura 17, temos o diagrama em blocos
simplificado de uma emissora de rádio que
transmite seu sinal em FM.
Podemos perceber que a diagramação em blocos
de uma emissora de FM, difere em muito uma
emissora AM, pois tem mais blocos, onde temos a
destacar o bloco formador stereo-SCA, que já foi
analisado anteriormente:
AMPLIFICADOR DE AF: A função deste bloco é de
amplificar o sinal de áudio captado por microfones
ou reproduzido por playback (fita, CD, MP3, etc.),
deixando-o em bom nível de tensão e corrente para
ser processado sem sofrer distorções. Todo o sinal
que não é gerado ao vivo, é chamado de
PLAYBACK, ou seja, tocar ou reproduzir o que já se
passou, e que de alguma forma foi gravado,
podendo ser reproduzido posteriormente. Os
primeiros meios de gravação foram feitos em
dispositivos mecânicos do tipo disco de vinil,
passando após para fitas ou rolos magnéticos
(pesquise na internet mais detalhes). Na década de
80 (século passado), os sinais começaram a ser
figura 17
gravados e reproduzidos por meios ópticos (CD´s e
CD ROM) e finalmente, nos dias de hoje, faz-se
memorização digital, gravando em HD´s ou
memórias flash. Logo, o computador já é parte
integrante de todo o processo de gravação e
reprodução de áudio nas emissoras.
Como podemos ver, temos dois processamentos de
áudio, para os canais L e R e outro processamento
de áudio, para o sinal MONO (L+R) proveniente de
uma fonte independente que é processamento SCA
(Segundo Canal de Áudio).
ÊNFASE: Vimos anteriormente, que o sinal de
áudio transmitido pelas emissoras de AM, não
podem ter mais que 5kHz, o que representa um
sinal de áudio sem agudos, mas que reproduz
satisfatoriamente a faixa da voz humana. Com esta
frequência máxima de áudio, a emissora ocupará
um espectro de frequência não poderá ultrapassar
a 10kHz em relação à portadora (5kHz para cima BLS e 5kHz para baixo - BLI).
Já para as emissoras em FM, foi reservado uma
faixa de 200kHz (100kHz acima - BLS e 100kHz
abaixo - LBI) em relação à portadora. Isso será
necessário devido aos sinais em FM, não somente
possuirem somente uma resposta entre 20Hz e
18kHz, mas a composição de todo o sinal
estereofônico e SCA.
Assim, como uma reposta de frequência bem maior,
estaremos entrando numa região próxima aos
ruídos, que geralmente tem frequência alta (acima
de 10kHz ). Como a incidência do ruído é certa,
devemos antes de transmitir o áudio, enfatir as altas
frequências dele, ou seja, dar maior nível em tensão
ao sinal nesta faixa. Um exemplo de circuito de
ênfase pode ser visto na figura 18.
Este circuito é um amplificador onde o sinal de áudio
está entrando na base de Q1; no emissor temos um
capacitor C1 paralelo a R2. Para as baixas
frequências, C1 será uma chave aberta não
alterando o ganho do transistor, mas para as altas
frequências C1 se comporta como um resistor de
baixo valor, ficando em paralelo à R2, tornando a
resistência de emissor mais baixa e com isso
EMISSORA DE RÁDIO FM
ANTENA
AF L
AMPLIF.
AF
ENFASE
BLOCO
MODULADOR
FM
AMPLIF.
RF
FM
CODIFICADOR
STEREO-SCA
AF R
AMPLIF.
AF
ENFASE
ENFASE
AMPLIF.
AF
AF SCA
128 AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO
ELETRÔNICA
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
cada emissora de FM é de 100kHz para acima e
abaixo de sua portadora (veja a figura 16).
figura 18
ESTRUTURA DE UMA EMISSORA DE RÁDIO
Podemos ver na figura 20, uma estrutura básica de
OUT
IN
Q1
R2
C1
aumentando o ganho do amplificador para as altas
frequências. Como resultado, o sinal que sairá no
coletor de Q1 terá uma ênfase (maior amplitude)
nas altas frequências, como pode ser visto na figura.
CODIFICADOR ESTÉREO-SCA: Este bloco tem a
função de multiplexar os sinais L e R do canal
principal, bem como o SCA (Segundo Canal de
Áudio) de forma a excitar o modulador de FM com
um único sinal, e claro, ficar compatível com os
receptores de FM MONO. Uma emissora de FM
monofônica, é muita mais simples que uma
estereofônica (figura 17) e pode ser vista na figura
19.
MODULADOR DE FM: Este bloco será
figura 19
EMISSORA DE RÁDIO FM
ANTENA
AMPLIF.
AF
ENFASE
MODULADOR
FM
AMPLIF.
RF
FM
AF L+R
responsável por fazer variar uma frequência
constante, proveniente de um oscilador interno ao
modulador, de acordo com a amplitude do sinal de
áudio ou sinal multiplex que está presente em sua
entrada. Este circuito é basicamente um modulador
de FM comum, visto na figura 2 ou um modulador
digital, visto na figura 4, desta aula.
AMPLIFICADOR DE RF: Este é o ultimo bloco, que
irá aumentar a potência do sinal da portadora (RF)
para excitar a antena de transmissão,
transformando as variações de tensão da portadora
em ondas eletromagnéticas que serão levadas via
ar até os rádios receptores de FM das nossas
residências.
O sinal de FM, além do desvio que sofre referente
às variações de tensão do sinal modulante, também
terá as bandas laterais sendo transmitido em DSB,
duas bandas laterais que foram criadas a partir da
modulação, sendo que o espaço reservado para
ELETRÔNICA
MÓDULO - 3
figura 20
um processamento de sinais deste sua captação
até a transmissão final.
Tomando como base uma transmissão ao vivo de
uma partida de futebol, necessitaremos ter os
microfones que farão a captação do áudio do
locutor, bem como outros que captarão o sinal do
pessoal de campo.
Estes sinais entrarão em uma pequena mesa que
fará a mixagem destes, sendo que este sinal poderá
ser transmitido via terrestre, ou ainda satélite,
utilizando frequências altas, em torno de 1 GHz
(como as usadas em WI-FI), até chegar aos
estúdios da FM da emissora, que sintonizará este
áudio, e introduzindo trilhas sonoras, comerciais,
etc.
Após todo o trabalho de mixagem, os sinais de
áudio L e R específicos da emissora, serão levados
ao codificador estéreo. também no estúdio, será
escolhida a trilha sonora que será enviada no canal
SCA, que também entrará no codificador SCA,
sendo que o sinal multiplex receberá o sinal SCA,
sendo que estes irão ao modulador de FM
específico da emissora sofrendo as variações de
frequência para a transmissão.
Apesar do processo estar finalizado, a portadora
ainda não está amplificada em alta potência, mas
será transmitida em curta distância (1 ou 2 km no
máximo) até o alto de um morro ou prédios, para
que daí possa ganhar alta potência para ser
definitivamente transmitida para toda a região, onde
o sinal de RF poderá alcançar um raio de até 100km
de distância. Na figura 21, podemos ver o aspecto
de uma antena transmissora.
ATENÇÃO: este tipo de
transmissão chamada de figura 21
comercial, somente poderá
ser feita por emissoras que
possuem o que se chama
C O N C E S S Ã O D O
GOVERNO. São também
permitidas transmissões de
AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO 129
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
MÓDULO - 3
baixa potência, com alcance ce 1 ou 2 km para as
chamadas rádios comunitárias, mas também elas
devem ter autorização para transmissão. Toda
forma de transmissão utilizando faixas comercias
em AM ou FM, sem autorização dos orgãos
competentes, além de poderem causar sérios
prejuízos à segurança aérea e às
telecomunicações em geral, são chamadas de
PIRATA e estão sujeitas às penas da lei.
Apesar disto, existem pequenos transmissores
chamados de VIDEO LINK, que alcançam uma
distância de 5 a 10 metros, e são utilizados para
transmitir um sinal de vídeo e áudio em AM no
padrão de televisão, como mostra a figura 22.
Para os alunos interessados em transmissão de
figura 22
figura 22
FM, há um projeto COMPLETO DE
TRANSMISSOR DE FM DE 80 WATTS, que pode
ser visto no link:
http://ludens.cl/Electron/fmtx/fmtx.html
RECEPTOR DE FM
Passaremos agora á análise de um radio-receptor de
FM, sendo que este possui muitas semelhanças ao
receptor de AM. Podemos ver o diagrama de blocos do
receptor de FM mono na figura 23.
SINTONIZADOR: Este circuito é idêntico ao circuito
sintonizador dos rádios AM, com diferença apenas nas
frequências das portadoras de FM que serão mais
altas, podendo variar sua portadora de 88 MHz a 108
MHz (emissoras comercias de FM).
Outra diferença está no oscilador local, que agora
deverá variar sua frequência sempre 10,7 MHz acima
da frequência da portadora sintonizada, já que a
Frequência Intermediária padrão dos rádios FM será
de 10,7 MHz e não 455 kHz como era nos rádios AM.
Portanto, o BPF da saída do sintonizador, também
deverá ter sua atuação centrada em 10,7 MHZ,
tornando-se esta portadora de FI comum a todas as
emissoras.
AMPLIFICADOR DE FI: Temos aqui, como nos rádios
AM, um circuito formado por 2 ou 3 transistores como
amplificadores sintonizados na Frequência
Intermediária de 10,7 MHz (FI), que terão como função
dar ganho em tensão e corrente aos sinais de RF, para
poderem ser demodulados.
Na etapa de FI dos rádios FM não temos um controle de
ganho do 1°amplificador, como o circuito de CAG,
utilizado para os receptores AM, já que variações na
amplitude do sinal, não relevantes, pois as informações
de áudio estão contidas nas variações da frequência da
portadora e não na sua amplitude. Mesmo que o sinal
na antena seja forte, o que cause a saturação e corte
dos amplificadores posteriores, não haverá problema,
pois as variações de frequência, relativas aos áudio ou
sinal multiplex, continuarão acontecendo, permitindo
portanto, a demodulação dos sinais nos final do
amplificador de FI.
LIMITADOR: Como a amplitude da portadora não tem
um controle de ganho (CAG) podemos ter portadoras
130 AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO
ELETRÔNICA
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
MÓDULO - 3
RF
AF
ANTENA
AMPLIF.
RF
BPF
MIX
BPF
10,7MHz
FI
LIMITADOR
FI
DEMODULADOR
DE FM
DE
ENFASE
PRÉ
POTÊNCIA
VOLUME
FM
OSCILADOR
LOCAL
SINTONIZADOR
AFC
figura 23
SINTONIA
RECEPTOR DE RÁDIO FM (mono)
com grandes amplitudes, podendo gerar distorções no
circuito demodulador e com, isso temos um circuito que
irá limitar a máxima amplitude da portadora antes de
ser demodulada; isto não irá alterar o sinal de áudio que
não depende da amplitude da portadora e sim de sua
frequência.
AFC: O circuito de AFC (Automatic Frequency Control)
também é conhecido como CAF Controle Automático
de Frequência, sua função é manter a frequência
sintonizada exatamente igual a frequência central da
emissora, pois agora qualquer erro na frequência
sintonizada poderá alterar o sinal de áudio demodulado
que depende diretamente dos valores das frequência
da portadora.
Como a amplitude do sinal da portadora depende de
circuitos sintonizados (BPF e amplificadores), caso a
frequência sintonizada não seja exatamente a mesma
da portadora da emissora teremos um sinal com
amplitude menor quanto mais distante está a
frequência sintonizada, caso a frequência sintonizada
seja exatamente a frequência da portadora teremos a
máxima amplitude para o sinal de FI. Logo, após o sinal
de áudio ou multiplex ser demodulado, este áudio terá
uma tensão dc, que dependerá da sintonia da
portadora de FI, sendo esta tensão realimentada ao
sintonizador; se a tensão de AFC cair ou subir,
indicando que a emissora está fora de sintonia,
obrigará o sintonizador a corrigir sua frequência
(oscilador local)
para que acerte a frequência
sintonizada.
DEMODULADOR DE FM: A função deste circuito,
como no rádio AM, será recuperar o sinal de áudio
eliminando as variações de alta frequência da
portadora de FI. Existem vários tipos de
demoduladores, sendo que mais adiante veremos
alguns exemplos de demoduladores analógicos.
Atualmente os demoduladores mais usados são os
digitais, implementados à partir de portas lógicas, que
serão estudadas detalhadamente no módulo 4 e 5. A
função básica do demodulador é recuperar o sinal de
áudio ou ainda o sinal multiplex, transformado as
variações de frequência em amplitude.
DE-ÊNFASE: Este circuito tem a função de retirar o
ganho nas altas frequências, ganho este criado nos
circuitos de PRÉ-ÊNFASE dos transmissores, e com
ELETRÔNICA
isso deixar o sinal de áudio equalizado da mesma
forma original. Para isso, geralmente usamos um
amplificador que atenua o ganho nas altas frequências,
fazendo o oposto do amplificador de ênfase da
emissora.
AMPLIFICADOR: Este circuito é subdividido em dois:
pré-amplificador e amplificação de potência.
O pré-amplificador possui controle de volume, e
geralmente é formado a partir de um transistor
configurado em classe A, tendo um potenciômetro de
volume; o segundo circuito é a saída de potência que
geralmente é formada por um estágio DRIVE e uma
saída em classe AB que dará ganho suficiente para
excitar o alto-falante, gerando o som mecânico do sinal
de áudio, permitndo a excitação do ouvido humano,
fechando assim, o ciclo da transmissão e recepção, da
mesma forma que foi visto nos rádios receptores de AM.
O RÁDIO RECEPTOR ESTEREOFÔNICO
A grande diferença entre um receptor de FM mono e o
stereo, está encontra-se após o demoulador do sinal de
FM. Podemos que que o sinal multiplex, entrará no
bloco do DECODIFICADOR STEREO, sendo que
passará por um processo de filtro e demodulação do
sinal L-R, até que consiga recuperar os sinais L e R,
que acabam indo aos pré-amplificadores e
amplificadores de potência. Veremos detalhes nas
aulas à frente.
AF L
DEMODULADOR
DE FM
PRÉ
POTÊNCIA
DECODIFICADOR
VOLUME
STEREO
PRÉ
figura 24
POTÊNCIA
AF R
VOLUME
ANTENA RECEPTORA DE FM
Existem basicamente 2 tipos de antenas para ondas de
rádio FM: antena externa e a antena interna que vem
presa no rádio receptor
AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO 131
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
MÓDULO - 3
ANTENA INTERNA: A antena que vem presa no rádio,
geralmente é do tipo telescópica, igual a do rádio AM
(OC), que geralmente é uma haste metálica que pode
ser movimentada em várias direções e que
normalmente é retrátil, permitindo auto-proteção
quando não estiver sendo usada. Sua impedância é de
75W, o que facilita o casamento com a entrada do
circuito sintonizador, que também é de 75W.
um circuito demodulador como exemplo.
Este circuito é um Detetor de Inclinação Balanceado, e
é um dos métodos mais simples de recuperação do
sinal de áudio, à partir de uma portadora modulada em
FM. A função básica dos demoduladores de FM é
converter as variações de frequência em variações de
amplitude.
D1
T1
ANTENA EXTERNA: Temos vários tipos de antenas
receptoras fora do aparelho, sendo a mais básica é um
pedaço de fio, tipo fita, com extremidades separadas,
podendo ser pendurado atrás do aparelho ou na parede
próxima. Através da abertura das extremidades forma
um dipolo (dois pólos) receptor magnético, que captará
o sinal de FM com uma impedância de 300W. Outro tipo
usado, são as antenas externas de FM ou VHS (para
TV) que são instaladas no telhado da residência,
algumas dessas antenas já tem saída para cabos de
conexão de 75W, mas outras, somente conexão para
cabos de 300W, e neste caso, devemos instalar na
entrada do rádio FM um circuito casador de impedância
de 300W para 75W. Esses “circuitos” são na realidade
pequenos transformadores acoplados por capacitores
e em muitos aparelhos eles já estão incorporados.
figura 25
300W
FI
C5
L1
C3
L2
C2
R2
C4
figura 26
SAÍDA
DE
AUDIO
D2
Podemos observar que o circuito da figura 26 é um
detetor de AM duplo, pois uma das funções deste
circuito é detectar as variações de amplitude
(envoltória) do sinal. Mas, como isso seria possível se o
sinal de FM não tem variações de amplitude? Se
dividirmos este circuito em 2 partes, teremos 2
detetores de envoltória acoplados por um
transformador (T1) sintonizado pelos valores de C5 e
L3 no primário e L2 e C2 num circuito e L1 t C1 no outro
circuito.
Vamos pegar só o primeiro circuito e verificar seu
funcionamento, como mostra a figura 27.
SAÍDA
75W
BALUN
L3
C1 R1
figura 27
D1
T1
C5
L3
L1
FI
C1 R1
C3
Região
de
atuação
75W
Estes transformadores casadores de impedância são
chamados de BALUN, do inglês “ BALanced UNbalanced”, que significa balanceado para
desbalanceado. Isto é assim, porque a entrada de
300W é balanceada, onde cada fio (dois no total) traz
um sinal em fase e outro em contra-fase, sem
referência ao “terra”.
Já os cabos de 75W, geralmente são blindados com
apenas um fio com o sinal, sendo o outro terminal a
própria malha de aterramento, onde o sinal será
transmitido desbalanceado. Na figura 25 temos o
circuito de um “balun”.
Nesta figura o “balun” já é incorporado ao aparelho
receptor de rádio, onde temos duas entradas: uma de
75W, que está ligada diretamente à saída do balun, e
outra de 300W que passará por um transformador
casador de impedância antes de sair para o circuito
sintonizador do rádio.
O conjunto sintonizado por L1 e C1 tem uma frequência
acima de 10,7 MHz (em torno de 10,8 MHz) com isso
teremos a amplitude do sinal induzido em L1
aumentando, quanto mais próximo da frequência do
filtro (10,8MHz) ela chegar. Então teremos em L1 um
sinal variando em amplitude proporcionalmente a sua
frequência, como mostra o gráfico de saída do sinal
mostrado na direita da figura.
O segundo circuito debaixo tem um funcionamento
oposto ao da figura 24, pois o o conjunto sintonizado
formado por L2 e C2 tem uma frequência abaixo de
10,7 MHz (10,6 MHz) então esta parte do circuito
detectará a queda de amplitude devido a menor
frequência do sinal, que serão integradas em C3 e C4,
gerando um sinal de áudio com amplitude variando de
acordo com as variações de frequência em torno de
10,7 MHz, que é a frequência central de FI (portadora).
figura 28
DEMODULADOR DE FM
T1
C5
Existem vários tipos de demoduladores de FM, desde
os mais simples até os digitais, estes últimos mais
utilizados nos aparelhos modernos, na figura 26 temos
FI
L3
L2
C2 R2
C4
D2
132 AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO
Região
de
atuação
ELETRÔNICA