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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
LABORATÓRIO INTEGRADO V (ENGC53)
MODULADOR E DEMODULADOR AM
Relatório Final
Componentes: Diana Oliveira
Henrique Baqueiro
Pedro Andrade
Orientadora: Marcela Novo
Salvador
Junho de 2012
1. Introdução
O projeto de um sistema de comunicação, assim como qualquer projeto de engenharia,
depende de fatores técnicos e econômicos que possibilitem a sua implementação de modo
eficiente, porém sem sacrifício de suas especificações fundamentais. Nessa classe de projetos,
um elemento importante a ser considerado é a escolha do tipo de modulação utilizada para
enviar sinais de mensagem através do canal de comunicação, pois esta tem influência direta
no alcance e fidelidade do sinal, bem como nos custos para sua difusão.
Dentre os tipos de modulação analógica disponíveis na literatura, a modulação em
frequência (FM) tem superado, nas duas últimas décadas, a modulação em amplitude (AM) no
que se refere ao número de estações radiodifusoras e ouvintes devido a suas vantagens
técnicas na reprodução dos sinais de mensagem [1]. Entretanto, a modulação em amplitude
ainda é largamente utilizada nos dias atuais, por exemplo, em radiodifusão e em comunicação
de rádio VHF para aircrafts [2] devido a vantagens que esta ainda possui sobre a modulação
FM, como implementação mais barata, menor largura de banda e maior alcance do sinal [3].
Sendo assim, o estudo do dimensionamento e implementação de sistemas de comunicação
AM continua a ser um tópico importante em engenharia de telecomunicações, inclusive
gerando trabalhos em áreas atuais, como fibras óticas [4].
Este relatório apresenta a fundamentação teórica e o desenvolvimento de um sistema de
modulação e demodulação AM baseado em diodo que integra o projeto semestral da disciplina
ENGC53 (Laboratório Integrado V), ilustrando o processo de codificação de mensagens por
amplitude. São analisadas as etapas do projeto, bem como os resultados alcançados e as
dificuldades encontradas.
2. Fundamentação teórica
Em sistemas de comunicação, o termo “modulação” pode ser definido como “o processo
pelo qual se modificam as características de uma onda de rádio ou elétrica, de forma que as
alterações representem informações significativas para o ser humano ou para uma máquina”
[5]. Esse processo surgiu com o crescimento da demanda de canais de comunicação
baseados em ondas de rádio ou elétricas, que trouxe consigo a necessidade de uma maior
eficiência na emissão e recepção dos sinais de mensagem de modo que eles pudessem ser
viabilizados comercialmente em relação a fatores como a multiplexação de sinais e
dimensionamento das suas antenas.
A modulação AM consiste na alteração da amplitude de uma onda de frequência elevada,
chamada portadora, de acordo com a variação da amplitude do sinal de mensagem, cuja
frequência está bem abaixo da faixa da portadora. Esse processo então ocasiona um
deslocamento em frequência do espectro do sinal de mensagem, cuja informação é mantida
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na portadora modulada, possibilitado que ele seja mais facilmente transmitido pelo canal de
comunicação. A figura 1 [6] ilustra a idéia fundamental acerca da modulação AM, com o sinal
modulador sendo uma senóide:
Figura 1: Ilustração do processo de modulação AM.
Nesse tipo de modulação AM, o sinal da portadora é simplesmente multiplicado pelo sinal
modulador (mensagem), gerando o sinal modulado, que contém a informação do modulador
em uma frequência mais elevada. Matematicamente, temos:

Vm(t) (sinal de mensagem)

Vp(t)=Acos(2πfpt) (sinal da portadora)

VAM(t)=AVm(t)cos(2πfpt) (sinal modulado)
Através da análise de Fourier, tem-se que uma multiplicação de dois sinais no tempo equivale
a uma convolução destes na frequência, o que resulta no deslocamento de espectro da
mensagem (e, portanto, a modulação em si).
Um método para a multiplicação dos sinais de mensagem e portadora em um modulador
AM consiste na utilização de um circuito a diodo, como mostrado na figura 2 [7]:
Figura 2: Circuito modulador AM síncrono a diodo
Neste circuito os sinais nos nós A e B são somados através do nó em comum de suas
resistências. Essa soma passa pelo diodo, que é um elemento exponencial (não-linear). Para
amplitudes e diferenças de frequências suficientemente altas, podemos expandir a
exponencial da corrente do diodo em série de Taylor e desprezar os elementos de ordem
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maior que 2, tendo então um termo de multiplicação dos sinais em A e B somado a termos
lineares dos sinais. Após passar este sinal resultante pelo filtro passa-faixa dos nós C e D, os
termos lineares são eliminados, obtendo-se assim o sinal modulado em amplitude desejado.
Embora a abordagem descrita anteriormente seja a base para a modulação AM, ela
apresenta limitações técnicas quanto à demodulação (recuperação) do sinal de mensagem
original, pois seria necessário que os circuitos do modulador e demodulador estivessem em
fase (sincronizados) para que fosse evitado o erro de fase do sinal de mensagem,
ocasionando uma atenuação neste [8]. Como nesse caso a portadora não aparece no
espectro do sinal modulado, essa técnica de modulação é chamada AM/SC (supressed carrier,
portadora suprimida). Uma técnica alternativa, chamada AM/WC (with carrier, com portadora),
ou modulação assíncrona, elimina o problema de sincronismo ao se demodular o sinal através
da detecção por envoltória. Esta técnica consiste em deslocar o valor absoluto da onda
modulada de maneira que a informação nela contida esteja totalmente definida tanto acima
quanto abaixo do eixo de sua magnitude, como ilustrado na figura 3 [9]:
Figura 3: Exemplo de modulação AM/WC.
O diagrama de blocos para esta modulação está representado na figura 4:
VAM(t)=(A+ Vm(t)) cos(2πfpt)
Vm(t)
)cos(2πfpt)
A
Vp(t)=cos(2πfpt)
Figura 4: Diagrama de blocos da modulação AM/WC.
A demodulação deste sinal é feita através de um circuito com diodo e filtro que retifica o sinal
através da envoltória, deixando apenas o sinal de mensagem. Assim, para que possamos
recuperar o sinal de mensagem original é necessário que ele esteja totalmente contido acima
e abaixo do eixo de magnitude da onda. Logo, sendo K a amplitude do sinal de mensagem,
devemos ter:
𝑚=
𝐾
≤ 1,0
𝐴
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O número “m” é chamado de índice de modulação para o sinal AM/WC [8].
A figura 5 ilustra o processo de detecção por envoltória, e a figura 6 mostra um exemplo de
circuito detector [9]:
Figura 5: Ilustração da detecção por envoltória.
Figura 6: Exemplo de circuito detector de envoltória.
A demodulação AM/WC exige ao final, como mostrado na figura 6, um filtro passa-baixa
para eliminação de componentes harmônicas de frequência mais elevada que surgem pela
não linearidade do diodo. O sinal demodulado ainda apresenta uma componente DC
(proveniente do índice de modulação) que deve ser eliminada do sinal através de um filtro
passa-alta.
3. Desenvolvimento
O projeto de uma forma geral consistiu na construção de um modulador e um demodulador
AM/WC para funcionarem, ao final, de forma integrada na transmissão e recepção de um sinal
de mensagem. Buscou-se, então, a confecção de um sistema de comunicação básico para
estudo. A primeira etapa realizada foi a simulação de um modulador AM a diodo, no software
Multisim®, que modulasse um sinal senoidal simples. O circuito originalmente simulado está
representado na figura 7:
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Figura 7: Circuito modulador originalmente simulado no Multisim®.
Neste circuito a fonte de tensão a(t) representou o sinal de mensagem (aqui adotado como um
sinal senoidal simples), com amplitude de 5V, e a tensão Eo(t) representou a portadora,
também com 5V de amplitude, cuja frequência foi ajustada de acordo com a frequência de
ressonância do filtro passa-faixa LC, dada pela equação abaixo:
𝑓𝑟 =
1
2𝜋√𝐿𝐶
=
1
2𝜋√820 × 10−6 × 2,7 × 10−9
= 106962,445 𝐻𝑧~107 𝐾𝐻𝑧
Na prática esse circuito, embora simulado com sucesso, não foi implementado na
construção do modulador por haver problemas com a atenuação do sinal de saída. Para se
resolver o problema da atenuação diminuíram-se as resistências, como será explicado adiante.
O indutor especificado no projeto original não foi achado e substituído, portanto, por um de
1mH, já que a unica consequência seria a mudança na frequência de ressonância. Além disso,
pelo mesmo motivo, foi usado um capacitor de 3,3nF ao inves de 2,7nF. A nova frequência de
ressonância passou a ser:
𝑓𝑟 ′ =
1
2𝜋√𝐿′ 𝐶′
=
1
2𝜋√1 × 10−3 × 3,3 × 10−9
= 87611,913 𝐻𝑧~88 𝐾𝐻𝑧
Para reduzir a atenuação na montagem do modulador em placa de circuito impresso, as
resistências R1 e R2 tiveram seus valores alterados para 1KΩ, reduzindo a queda de tensão
na entrada das fontes. As resistências R4 e R5 também tiveram seus valores reduzidos a
3,3KΩ, e a amplitude de Eo(t) foi aumentada para 10V. As tolerâncias dos componentes (que
variam entre 5% 10%) modificaram também a frequência ótima da portadora, que não mais foi
igual à frequência de ressonância LC, mas teve seu valor, obtido empiricamente, como:
𝑓𝑜 ′ = 95,0 𝐾𝐻𝑧
O
novo
circuito
modulador,
implementado
em
placa
de
circuito
impresso,
está
esquematicamente representado na figura 8:
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Figura 8: Circuito modulador redimensionado.
A etapa seguinte do trabalho consistiu na simulação do circuito demodulador. O circuito
inicialmente simulado está representado na figura 9:
Figura 9: Circuito demodulador original.
Neste circuito o gerador Gr AM está representando o sinal de saída do modulador, tomado
nesta simulação por um gerador AM ideal. Tal circuito também apresentou problemas de
atenuação, em especial devido ao seu sinal de entrada, que apresentava atenuações
(discutidas anteriormente) não presentes no gerador simulado. Estes problemas ocasionavam
um sinal de saída consideravelmente baixo, malmente detectável pelo osciloscópio utilizado e
bastante sensível a ruídos. A solução para isso foi novamente o redimensionamento dos
componentes do circuito visando reduzir as quedas de tensão ao longo deste.
Primeiramente houve um aumento da resistência R1 para 10KΩ e uma redução drástica de
R2 para 330Ω, de modo a facilitar o caminho da corrente do diodo para o filtro passa-faixa
(formado pelos dois capacitores), reduzindo a queda de tensão até este. O resistor R3 teve o
valor de sua resistência aumentada também de modo a facilitar a passagem da corrente de
saída. Já os capacitores C1 e C2 foram modificados para o valor mais proximo encontrado,
por não se ter achado os valores originais. O circuito final do demodulador está representado
na figura 10:
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Figura 10: Circuito demodulador redimensionado.
Por fim, houve a junção dos circuitos modulador e demodulador de forma a se ter o
protótipo do sistema de comunicação AM. Tanto o sinal da mensagem quanto da portadora
foram obtidos por geradores de função diretamente conectados à entrada do sistema, e os
resultados foram testados em osciloscópios analógicos. A figura 11 apresenta o esquemático
do circuito completo:
Figura 11: Esquemático do circuito com modulador e demodulador unidos.
4. Resultados
A figura 11 apresenta o resultado da simulação do circuito modulador original. É
perceptível que o índice de modulação é igual a 1 (pois as amplitudes das tensões dos sinais
eram iguais). Pode-se ver também que a atenuação sofrida pelo sinal é considerável, visto que
o sinal original da portadora tinha 5Vrms (aproximadamente 7,07V de amplitude), enquanto o
sinal modulado no osciloscópio apresenta uma amplitude de pouco menos do que 400μV.
Houve assim uma atenuação de aproximadamente 6,67V, ou -24,96 dB.
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Figura 11: Resultado da simulação do modulador original.
As figuras 12, 13 e 14 apresentam, respectivamente, o sinal do circuito modulador, testado
em protoboard, no ponto de soma dos sinais (portadora e mensagem), no ponto logo após o
diodo e no ponto após o filtro (sinal modulado).
Figura 12: Sinal do modulador no ponto de soma.
Figura 13: Sinal do modulador logo após o diodo.
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Figura 14: sinal modulado em protoboard.
Pela figura 14 (escala de 500μV/div) é possível perceber que houve uma atenuação de
aproximadamente 4,5V (ou -20dB) do sinal de saída do modulador para o sinal de mensagem
original, o que inclusive causava uma distorção do sinal. Viu-se, assim, a necessidade de
redimensionamento dos componentes do circuito, como já descrito anteriormente.
Após a confecção do novo circuito de modulação em placa impressa foi possível perceber
uma redução na atenuação do sinal e uma menor distorção deste em relação à envoltória da
mensagem, como mostra na figura 15:
Figura 15: Sinal de saída do modulador redimensionado.
A figura 15, em escala de 1V/div, apresenta um sinal modulado com amplitude de
aproximadamente 1,3V, o que reduziu a atenuação do sinal de mensagem para 3,7V, ou
aproximadamente -11,7 dB. Isso mostra que o redimensionamento dos componentes do
circuito acarretou um ganho em torno de 0,8V para o sinal, o que pode ser considerado um
valor razoável para tratamentos em amplificadores e eliminação de ruídos.
A figura 16 mostra o resultado da simulação do demodulador original com os sinais (a)
imediatamente após o diodo e (b) após os filtros capacitivos.
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(a)
(b)
Figura 16: Resultado da simulação do demodulador original (a) logo após o diodo e (b) após
os filtros capacitivos (sinal demodulado).
Pelos resultados da simulação é perceptível que houve uma atenuação em torno de 6,5V (ou 22,92 dB) entre o diodo e a saída do filtro, tendo em vista que a amplitude do sinal logo após o
diodo era de aproximadamente 7V (com nível DC), enquanto a amplitude do sinal modulado
foi de 500mV (sem nível DC).
Os circuitos impressos do modulador e demodulador são mostrados na figura 17:
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Figura 17: Circuitos impressos do demodulador (esquerda) e modulador (direita).
A figura 18 apresenta o resultado, em uma escala de 1V/div, do sinal de saída do
demodulador, que possui uma amplitude em torno de 0,35V (0,7 pico a pico). Considerando-se
as diferenças de frequência e valores dos componentes do circuito real para a simulação,
conclui-se que a magnitude do sinal de saída do conjunto modulador e demodulador em placa
de circuito impresso apresentou um nível aceitável para sistemas eletrônicos (que possuem
amplificadores de sinal), tendo uma atenuação final de 4,65V, ou -23,1 dB.
Figura 18: Sinal de saída do demodulador.
5. Conclusão
O trabalho aqui apresentado mostrou as etapas para o projeto de um protótipo de sistema
de comunicação AM através da confecção de um modulador e um demodulador. Foram
descritas as fases do projeto, desde a simulação até a confecção final em placa de circuito
impresso, dando destaque para as dificuldades encontradas e os métodos utilizados para
superá-las, mostrando meios de adaptação de projetos de engenharia para atingir os
resultados desejados.
O protótipo realizado se concentrou nos princípios básicos de transmissão de informações
através de modulação AM. Como os resultados obtiveram êxito, esse trabalho pode servir
como base para trabalhos futuros que busquem implementar um sistema AM de forma mais
ampla, por exemplo abrangendo aspectos de transmissão e recepção relacionados a antenas
ou incluindo sistemas de multiplexação com diferentes módulos AM.
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6. Referências bibliográficas
[1] The Dawn of FM Radio. Cyber College/Internet Campus. Disponível em:
http://www.cybercollege.com/frtv/frtv020.htm. Acessado em: 15 de junho de 2012.
[2] Amplitude Modulation, AM. Disponível em: http://www.electronicsradio.com/articles/radio/modulation/amplitude_modulation/am.php. Acessado em: 15 de junho
de 2012.
[3] AM vs FM. Diffen. Disponível em: http://www.diffen.com/difference/AM_vs_FM. Acessado
em: 15 de junho de 2012.
[4] MINARDO, ALDO et ali. Low distortion Brillouin slow ligth in optical fiber using AM
modulation. OPTICS EXPRESS. 26 de Junho de 2006. Volume 14, nº 13.
[5] Modulação. Próteve Mídia Eletrônica Profissional. Disponível em:
http://www.proteve.net/modulacao.html. Acessado em: 15 de junho de 2012.
[6] O que é modulação e que modos são utilizados. Disponível em:
http://www.sarmento.eng.br/Modulacao.htm. Acessado em: 15 de junho de 2012.
[7] VITORINO, JOSÉ. Circuito modulador AM síncrono a diodo. Disponível em:
http://www.faccamp.br/apoio/JoseVitorino/princ_com/circuito_modulador_AM_sIncrono_diodo.
pdf. Acessado em: 16 de junho de 2012.
[8] OPPENHEIM, ALAN V. WILLSKY, ALAN S. Sinais e sistemas. Tradução Daniel Vieira.
São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2010, 2ª ed.
[9] A demodulação AM-DSB-TC. Disponível em: http://eletricafeelings.com.br/blog/2011/10/ademodulacao-am-dsb-tc/. Acessado em: 16 de junho de 2012.
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