UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
GUSTAVO THEODORO LASKOSKI
MAICON MARCONDES
OSCAR SZEREMETA
MODULAÇÃO DIGITAL
TÓPICOS DE COMUNICAÇÕES
CURITIBA
SETEMBRO 2006
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Modulação: tipos e conceitos, Notas de estudo de Engenharia Elétrica
Modulação: tipos e conceitos
Tipologia: Notas de estudo
2013
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heitor-galvao-12 🇧🇷
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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
GUSTAVO THEODORO LASKOSKI
MAICON MARCONDES
OSCAR SZEREMETA
MODULAÇÃO DIGITAL
TÓPICOS DE COMUNICAÇÕES
CURITIBA
SETEMBRO 2006
GUSTAVO THEODORO LASKOSKI
MAICON MARCONDES
OSCAR SZEREMETA
MODULAÇÃO DIGITAL
TÓPICOS DE COMUNICAÇÕES
Trabalho referente à disciplina de tópicos de comunicações do Curso Superior de Tecnologia em Eletrônica do 7º período da Universidade Tecnológica Federal do Paraná e realizado pelos alunos: Gustavo Theodoro Laskoski, Maicon Marcondes e Oscar Szeremeta. Orientado pelo: Drº Jean Carlos Cardozo da Silva.
CURITIBA
SETEMBRO 2006
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 – SINAL MODULADO BASK ...............................................................
FIGURA 2 – ESPECTRO DE FREQUÊNCIA DA MODULAÇÃO BASK .............
FIGURA 3 – SINAL MODULADO ASK – OOK .....................................................
FIGURA 4 – SINAL MODULADO MASK – DIBIT ..............................................
FIGURA 5 – REPRESENTAÇÃO DO MODULADOR FSK ...................................
FIGURA 6 – RESPRESENTAÇÃO DO DEMODULADOR FSK ...........................
FIGURA 7 – SINAL MODULADO BFSK ................................................................
FIGURA 8 – SINAL MODULADO MFSK ...............................................................
FIGURA 9 – DEMOSTRAÇÃO DO FILTRO GAUSSIANO ..................................
FIGURA 10 – REPRESENTAÇÃO DA MODULAÇÃO PSK ................................
FIGURA 11 – REPRESENTAÇÃO DE SÍMBOLOS DA MOD. DPSK .................
FIGURA 12 – DIAGRAMA FASORIAL DA MODULAÇÃO PSK ........................
FIGURA 13 – MODULAÇÃO DIFERENCIAL PSK ...............................................
FIGURA 14 – EXEMPLO DA MODULAÇÃO PSK- ............................................
FIGURA 15 – DETECÇÃO COERENTE PARA A MOD. PSK- ...........................
FIGURA 16 – DIAGRAMA DE CONSTELAÇÃO QAM- ..................................
FIGURA 17 – DIAGRAMA EM BLOCOS DO MODULADOR QAM ..................
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 – PRINCIPAIS TIPOS DE MODULAÇÕES EXISTENTES ...................... 07
TABELA 2 – REPRESENTAÇÃO DO PADRÃO V.29 ................................................. 23
1 INTRODUÇÃO
A modulação corresponde a um processo de conversão de sinais para fins de transmissão, sendo definido como um sistema que recebe duas entradas ( informação e portadora) e fornece um sinal de saída que será utilizado no transporte da informação. Os tipos de modulações existentes são definidos de acordo com a natureza dos sinais de entrada do sistema, na tabela 1 são descritos os principais tipos de modulações existentes.
TABELA 1 – PRINCIPAIS TIPOS DE MODULAÇÕES EXISTENTES MODULAÇÃO INFORMAÇÃO PORTADORA EXEMPLOS Analógica Analógica Analógica AM, FM, PM Digital Digital Analógica ASK, FSK, PSK Pulso Analógica Digital PAM, PWM, PPM Fonte: Autoria própria
A portadora é o sinal de entrada do sistema responsável pelo transporte de informação no meio de transmissão, de acordo com a tabela 1 a portadora poderá ser um sinal analógico (geralmente correspondente a um sinal senoidal) ou digital. As principais características da modulação são: redução de ruído e interferência, facilidade de irradiação eletromagnética, ou seja, a portadora tem como característica possuir uma frequência maior que a frequência do sinal de informação, diminuindo o tamanho das antenas. Além disso, a modulação possibilita uma melhor designação de frequência, ou seja, permite selecionar uma determinada portadora com frequência favorável para um determinado projeto. A modulação digital utiliza uma portadora analógica que tem uma ou mais características alteradas de acordo com uma informação digital, sendo chamada também de modulação chaveada.
2 MODULAÇÃO ASK
A modulação por chaveamento de amplitude (ASK) consiste em alterar o nível de amplitude da portadora em função de um sinal de entrada com níveis de amplitude discretos. O princípio da modulação ASK pode ser definido pela modulação por chaveamento de amplitude – binário (BASK), ou seja, o sinal modulante assume um dos dois níveis discretos existentes da fonte de informação (nível lógico “0” ou “1”). Na figura 1 é apresentado um sinal modulado BASK, a menor amplitude corresponde ao nível lógico “0” e a maior amplitude corresponde ao nível lógico “1”.
FIGURA 1 – SINAL MODULADO BASK Fonte: Unisinos. Disponível em: (2006)
O sinal BASK pode ser definido de acordo com a equação 2.1, podendo ser representado por uma função com frequência frequência fundamental fixa correspondente ao sinal da portadora e com variação de amplitude correspondente ao sinal de infomação do sistema em funçào do tempo.
Considerando a utilização da banda mínima necessária (Bmín na figura 2) para a transmissão de informação, pode-se definir o sinal BASK conforme a equação 2.3.
2.1 Modulação OOK
A modulação ASK – OOK é um caso particular da modulação BASK. Nesse modulação a portadora assume um determinado nível de tensão para o nível lógico “1” e nível de tensão nulo para o nível lógico “0”. Portanto, o módulo do índice de modulação é unitário. Na figura 3 é apresentado um sinal modulado ASK – OOK.
**FIGURA 3 – SINAL MODULADO ASK – OOK Fonte: USP. Disponível em: **
2.2 Modulação MASK
A quantidade de informação transportada pela modulação chaveada pode ser aumentada pelas técnicas da teoria da informação. Um método simples para aumentar a capacidade de transmissão de um canal é o aumento da variedade de uma fonte de informação. A variedade de um fonte é descrita na equação 2.4.
v = m log 2 n (equação 2.4)
Sendo:
- m: número de posições de bits.
- N: números de elementos da fonte.
Para o sistema um sistema BASK, a variedade corresponde a uma unidade, ou seja, existe um bit de variedade, podendo assumir um dos dois valores da fonte de informação. A modulação multi-nível ASK (MASK) tem variedade maior que uma unidade, apresentando maior quantidade de níveis discretos de amplitude, na figura 4 é apresentado um sistema dibit de um sinal modulado MASK.
FIGURA 4 – SINAL MODULADO MASK - DIBIT Fonte: Unisinos. Disponível em: (2006)
A modulação MASK aumenta a variabilidade do sinal, porém diminui os intervalos de decisão dos níveis de amplitude, diminuindo a imunidade aos ruídos e interferências do sistema de comunicação. Outra definição da modulação MASK pode ser associada a modulação por amplitude de pulsos (PAM). Apesar do sinal PAM ser resultante da modulação entre uma informação analógica e uma portadora digital, o sinal PAM pode ser utilizado como sinal de informação da modulação MASK pois tem níveis de amplitudes discretos.
O formato de modulação FSK é o que ocupa a maior largura de faixa de todos, pois os espectros centrados em F0 e F1 não podem ser superpostos a fim de que a informação seja preservada. A modulação FSK foi originalmente desenvolvida para enviar texto através de dispositivos de radio teleimpressor. O deslocamento da portadora entre a marca e o espaço foi usado para gerar caracteres no código Baudot. No receptor, os sinais Baudot foram utilizados para produzir texto impresso para impressoras e posteriormente telas de vídeo. Com o desenvolvimento tecnológico, a modulação FSK foi utilizada para transmitir mensagens no código ASCII utilizados por computadores e permitiu o uso de caracteres caixa baixa e alta e símbolos especiais. A introdução de microprocessadores tornou possível usar o FSK para enviar mensagens com capacidade de verificação e correção automática de erros. Isto é feito através da inclusão de códigos de verificação de erro nas mensagens, permitindo que a estação receptora possa requisitar a retransmissão se uma mensagem ou os códigos de verificação de erro estiverem em conflito (ou se o código não for recebido ). Entre os modos mais comuns tais como o FSK estão a tele impressão amadora através do radio (AMTOR) e a correção adiantada de erro (FEC). A modulação FSK é o modo mais rápido de se enviar texto pelo radio, e os modos de correção de erro oferecem alta acuracidade e confiabilidade. O espaço de freqüência ocupado depende da quantidade de deslocamentos, mas um sinal típico de FSK ocupa menos que 1.5 kHz de espaço. A grande desvantagem do FSK é a necessidade de um equipamento de recepção mais elaborado. A principal característica da modulação FSK é a imunidade a ruídos, quando comparada com a ASK. A modulação FSK é utilizada em modens de baixa velocidade e transmissão via radio (na transmissão de sinais de radiocontrole).
3.1 Modulação BFSK
A modulação BFSK atribui freqüências diferentes para a portadora em função do bit que é transmitido.
Quando um bit 0 é transmitido, a portadora assume uma freqüência correspondente a um bit 0 durante o período de duração de um bit. Quando um bit 1 é transmitido, a freqüência da portadora é modificada para um valor correspondente a um bit 1 e analogamente, permanece nesta freqüência durante o período de duração de 1 bit, como mostrado na Figura 7.
FIGURA 7 –SINAL MODULADO BFSK
3.2 Modulação MFSK
O sinal multi nível FSK (MFSK) pode ser produzido pela seleção de vários geradores, no receptor podem-se usar filtros sintonizados para cada freqüência. O resultado desta filtragem equivale a um sinal OOK e pode ser demodulado com um detector de envoltória. Segundo a freqüência presente em cada instante, apenas a porta correspondente, de 1 a n, terá sinal presente. As outras portas terão apenas ruído. O regenerador tem condição de reproduzir qualquer dos estados originais e o decisor, analisando as tensões presentes nas portas, tem condição de reconhecer qual estado deverá ser produzido pelo regenerador. O conjunto de filtros funcionam como um dispositivo de resposta sensível à freqüência, podendo ser discriminando no sistema FM convencional. Na figura 8 é apresentado um sinal modulado MFSK.
de pulso que serve para suavizar a transição entre os valores dos pulsos. A figura 9 ilustra a transformação dos pulsos após passarem pelo filtro gaussiano.
FIGURA 9 – DEMOSTRAÇÃO DO FILTRO GAUSSIANO
A modulação GFSK é utilizada nos sistemas Bluetooth, uma vez que provê uma melhor eficiência espectral em relação à modulação FSK.
4 MODULAÇÃO PSK
Neste processo, ocorre a alteração discreta da fase da portadora conforme o sinal
digital a ser modulado. Portanto, pode-se por exemplo manter a fase da portadora em 0° quando ocorrer um bit 1 e alterar a fase da portadora quando ocorrer um bit 0. Como nos casos da modulações anteriores, também tem-se o BPSK e MPSK. Em particular para o BPSK, define-se o PRK (phase reversal keying) como um PSK com 2 fases a 180º.
FIGURA 10 – REPRESENTAÇÃO DA MODULAÇÃO PSK
A constelação de símbolos de um modem é um diagrama com representação vetorial de cada símbolo transmitido pelo modem. Nesse caso, cada símbolo associado ao seu deslocamento de fase e amplitude é representado no diagrama com sendo um ponto. A distância desse ponto ao centro dos eixos corresponde à amplitude do símbolo e sua posição angular em relação ao eixo das abcissas (X) corresponde ao deslocamento de fase do símbolo. (Montoro, 1995)[SIL].
Símbolo
X
Y
∆Φ
A
x
y
A Amplitude da portadora modulada (∆Φ) Defasagem da portadora modulada com relação ao símboloanterior X A. cos (): componente da quadratura X Y A. sen (∆Φ): componente da quadratura Y
Com o auxílio dessa representação de símbolos, é possível a construção de diagramas de constelações para diversos tipos de modulações. O diagrama (a) da figura 11, mostra a representação de símbolos de uma modulação DPSK-2, com símbolos em 0º e 180º. Na seqüência, a figura 11 (b) mostra uma representação para a mesma modulação, mas com símbolos em 90º e 270º. Os diagramas (c) e (d) mostram constelações para o DPSK-4 e 8, respectivamente. Y
X 180º 0º X
90ºY
270º
X
Y 0º
90º
270º
180º X
Y 180º 0º
270º
135º 90º 45º
225º 315º 4800 bps (1600Modem V Bits baud)x y (^001000) v2/2 (^1) v2/2 0 (^010011) -v (^0) 2/2 (^) v2/2 1 (^111110) -v-12/2 (^) -v (^0) 2/ (^100101) v2/2 (^0) -v-12/
Modem V27 bis2400 bps ( Bits baud)x y (^0001 10 ) 1110 -1 0 -1 0
Modem V26 bis1200 bps Bits 0 x 0 y 1 1 0 -
(a)
(b) (c)
(d) FIGURA 11 – REPRESENTAÇÃO DE SÍMBOLOS DA MOD. DPSK
4.1 Modulação QPSK
Pode-se definir um sinal QPSK como sendo a composição de dois PRK's em quadratura de fase: PRK 1 variando de 0º a 180º e PRK 2 variando de 90º a 270º. Se τ for a duração dos pulsos elementares do sinal quaternário, os dois PRK's necessitam da mesma
banda B em torno da freqüência da portadora, ou seja , B = 2f’= 2 (1/2 τ ) = 1/ τ = VM
Logo, o QPSK precisará da mesma banda B = 1/τ centrada em torno da portadorea, pois é a soma dos dois PRK. Como o QPSK é um sinal quaternário oriundo de uma codificação dibit, tem-se que o tempo de bit corresponde a equação 4.1.
VS = VM (log 2 4) = (VM)2 = (1/τ)2 = (2/τ) ∴ τ = 2/VS (equação 4.1)
Assim, a banda B em função da velocidade de transmissão é definida pela equação 4.2.
B = 1/τ = 1/(2/VS) = VS/2 (equação 4.2) Sendo:
- B: largura de banda [Hz];
- Vs: velocidade de transmissão [bps];
Genericamente, para um sinal MPSK qualquer, estendendo o raciocínio anterior chega-se a equação 4.3. B = 1/τ = 1/(n/VS) = 1/(log 2 N/VS) = VS/log 2 N (equação 4.3)
4.2 Modulação DPSK
A Modulação Diferencial por Chaveamento de Fase (Silva, 1978) é uma variante da PSK, onde a cada bit não se associa uma fase da portadora, mas, sim, uma mudança ou não desta mesma fase, ou seja, para cada bit 0, efetua-se uma inversão de 180º na fase da
portadora e, no bit 1, não se altera a fase. As alterações de fase são realizadas tomando-se como referência a última alteração produzida. Para isso, a codificação dos estados da modulação é feita pela diferença de fase entre pulsos sucessivos. Entre as vantagens do sistema diferencial está a dispensa, na geração local (na recepção), de uma portadora para demodular os dados (o que se faz necessário no PSK convencional onde a portadora local deve ter coerência de freqüência e fase com a portadora de transmissão – esses sistema são chamados de coerentes). Além disso, o fato da modulação ser diferencial faz com que haja sincronismo na linha de comunicação quando da ocorrência, por exemplo, de longas seqüências de bits 1. A figura 13 ilustra uma forma de se obter o DPSK (parte a). Nesse caso, a cada momento a entrada de sinal (binário) é comparada com a anterior, que é armazenada com um retardo igual à duração de um pulso. Cada vez que a entrada de sinal é igual à anterior armazenada, é produzida a saída zero no codificador; cada vez que forem diferentes, é produzida a saída um.
FIGURA 13 – MODULAÇÃO DIFERENCIAL PSK