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Técnicas de modulação (TEL001)

Acompanhe neste artigo algumas técnicas de modulação empregadas na prática, principalmente algumas relacionadas com transmissores de alta potência. O assunto é de grande interesse tanto para o profissional da área como para os estudantes de engenharia.

Conforme sabemos, para transmitir informações como voz, imagens e dados através de sinais de rádio precisamos gerar uma portadora de alta freqüência a qual será modulada por essas informações.

Sabemos também que existem diversas técnicas de modulação que envolvem alterações na freqüência, amplitude, fase ou qualquer outra característica do sinal de alta freqüência que permita uma recuperação da informação posteriormente.

Para os sistemas de alta potência empregados em telecomunicações e radiodifusão os principais processos de modulação são a modulação em amplitude e a modulação em freqüência.

No primeiro caso, variamos a freqüência de uma portadora de acordo com as variações da amplitude do sinal modulador, e no segundo caso variações a amplitude da portadora com a amplitude do sinal modulador. Mostramos os dois processos na figura 1.

 

Na prática, quando trabalhamos com os circuitos que geram e amplificam os sinais de alta freqüência, o processo segundo o qual o sinal modulador é aplicado pode variar bastante, existindo para essa finalidade configurações que os profissionais devem conhecer.

 

 

Modulação em Amplitude

Um transmissor de AM típico pode conter diversos estágios amplificadores que, a partir de um oscilador chegam ao sinal final que deve ser transmitido, conforme mostra a figura 2.

 

Em algumas configurações, cada etapa simplesmente amplifica o sinal da etapa anterior até se chegar a potência final de um sinal que vai ser aplicado à antena e dela transmitido.

No entanto, existem configurações em que o sinal é gerado numa freqüência mais baixa e cada etapa, além de amplificar esse sinal também dobra sua freqüência, conforme mostra a figura 3.

 

A modulação de um transmissor que tenha essa estrutura básica pode ser feita de diversas formas.

No caso específico de um transmissor de informações que correspondam à voz (sons) como, por exemplo, de radiodifusão, o que se faz é acoplar um amplificador de áudio no último estágio amplificador, conforme mostra a figura 4.

 

O amplificador usado deve ter uma potência que depende da etapa final de RF no qual ele está acoplado de modo a se obter 100% de modulação, conforme mostra a figura 5.

 

Para uma etapa transistorizada, a modulação realizada dessa forma pode ter uma configuração como a mostrada na figura 6, em que realizamos o que se denomina modulação por emissor.

 

O sinal modulador é aplicado a um transformador cuja finalidade é tanto isolar o circuito de modulação do circuito de RF como casar suas impedâncias, controlando a corrente de emissor do transistor amplificador e com isso a amplitude do sinal. A modulação ocorre justamente em vista das características não lineares do transistor. Evidentemente, a mesma configuração tem seu equivalente nos circuitos valvulados, já que quando se trabalha com potências muito altas, os transmissores ainda empregam válvulas. Na figura 7 temos um circuito valvulado para essa finalidade.

 

Nesse tipo de circuito temos a vantagem de que a amplificação do transistor o válvula é aproveitada no processo de modulação e com isso não precisamos de uma potência da mesma ordem que a da etapa final de RF para obter 100% de modulação.

A desvantagem desse tipo de circuito está na elevada distorção harmônica que ele introduz.

Por outro lado quando se faz a modulação pelo anodo da válvula, conforme mostra a figura 8, é preciso usar uma potência muito alta para essa finalidade, da mesma ordem que a potência do transmissor.

 

Um circuito modulador de potência muito alta trabalhando com modulação pelo anodo de uma válvula como o mostrado na figura 9 pode ser encontrado em alguns transmissores de radiodifusão onde os transistores ainda não conseguem gerar um sinal com a mesma intensidade.

 

Nesse circuito temos uma válvula triodo de alta pot6encia alimentada com uma tensão da ordem de 10 a 15 kV e que passa através de um transformador modulador. A excitação desse transformador modulador é feita por uma etapa em push-pull também usando válvulas triodo.

Um ponto importante que deve ser considerado nesse circuito é a necessidade de neutralização dado que o retorno de RF para a válvula pode fazer com que ela tenda a oscilar.

Uma forma de se evitar os problemas de realimentação é com o uso de válvulas tetrodo ou pentodo. na figura 10 temos um exemplo de circuito de alta potência, do tipo encontrado em emissoras de radiodifusão para modulação em amplitude.

 

Nessas configurações, o sinal modulador pode ser aplicado à grade de blindagem. A desvantagem dessa configuração está na distorção relativamente alta que ocorre.

O uso de tetrodos, além de proporcionar maior ganho, reduz os problemas de neutralização. Nesse circuito é interessante observar os percursos dos sinais de altas freqüências e dos sinais moduladores de baixas freqüências.

Se o transmissor tem uma potência muito alta, tornando-se problemático o uso de um amplificador de áudio com potência da mesma ordem para a modulação, o que se faz é modular o sinal numa etapa intermediária de amplificação, conforme mostra a figura 11.

 

Existem três configurações básicas destinadas à modulação em etapas intermediárias com menor potência: Chireix, Ampliphase e Doherty. Essas configurações se baseiam na combinação de sinais com fases diferentes.

 

 

Modulação em Freqüência

Na modulação em freqüência, a característica da portadora que se altera com o sinal modulador é a sua freqüência. A modulação em freqüência pode ser direta ou indireta.

Na modulação direta atua-se diretamente sobre o circuito oscilador que determina a freqüência do transmissor. A atuação pode ser feita diretamente sobre os elementos L ou C desse circuito.

Na figura 12 temos um circuito modulador de reatância em que se emprega um MOSFET de porta dupla num oscilador.

 

Nesse circuito, de modulação direta, normalmente opera-se numa freqüência mais baixa do que a de saída do transmissor, sendo o seu sinal aplicado a etapas multiplicadoras de freqüência e amplificadoras.

Isso também é necessário porque, para maior estabilidade o circuito deve operar com um desvio pequeno na freqüência gerada quando modulado, e sse desvio fica multiplicado nas etapas seguintes, obtendo-se a profundidade de modulação desejada.

Uma desvantagem desse tipo de circuito está no fato de que ao mesmo tempo que se obtém uma modulação em freqüência, uma alteração da amplitude do sinal também é inevitável. Isso ocorre porque, saindo da freqüência de ressonância, o ganho da etapa se altera. Para se evitar esse problema, o sinal aplicado à etapa seguinte deve passar por algum tipo de circuito limitador que mantenha sua amplitude constante dentro da faixa de modulação.

Um outro ponto importante a ser considerado está na possibilidade de geração de bandas laterais pelo batimento da freqüência de modulação com o sinal da portadora. Para que isso seja evitado, o sinal aplicado ao modulador deve passar por um filtro que elimine suas componentes de freqüências mais altas.

Uma forma muito usada de se obter a modulação direta de freqüência é através de diodos  de capacitância variável ou varicaps, conforme configuração mostrada na figura 13.

 

Os diodos varicaps possuem uma característica de capacitância que depende da tensão inversa que lhes seja aplicada, conforme mostra a figura 14.

 

Assim, se não houver tensão aplicada a esses diodos, a junção tem sua largura mínima atuando como o dielétrico de um capacitor, resultando assim numa capacitância máxima. Com uma tensão inversa aplicada, a largura da junção aumenta e com isso a capacitância diminui.

Se aplicarmos ao diodo varicap um sinal de baixa freqüência, e ele estiver ligado no circuito oscilante. o resultado será uma modulação em freqüência do sinal de alta freqüência gerado pelo oscilador. Na figura 15 temos um circuito típico de um oscilador modulado em freqüência por um varicap.

 

Na modulação indireta o que se faz é aplicar o sinal modulador num circuito modulador de fase, conforme mostrado na figura 16.

 

Podemos então usar um oscilador controlado por cristal o que garante excelente estabilidade de funcionamento. Nesse circuito, o sinal gerado pelo oscilador é aplicado ao modulador de fase juntamente com o sinal modulante.  Na saída deste circuito temos a portadora modulada em fase ou MPH.  Uma desvantagem desse sistema é que o desvio de freqüência obtido é muito pequeno e existe muita distorção e ruído.

Podemos ter um sistema muito melhor para modular um sinal em freqüência se associarmos os dois processos vistos anteriormente.

Na figura 17 temos então um diagrama de blocos em que utilizamos um oscilador controlado a cristal e um oscilador modulador.

 

O sinal modulador é aplicado diretamente ao oscilador de onde é obtida uma amostra da freqüência que está já modulada. Esse sinal é comparado com o sinal gerado pelo oscilador controlado a cristal gerando assim uma tensão de erro. Essa tensão de erro é reaplicada ao oscilador livre de modo a controlar sua freqüência.

 

Conclusão

Nos processos práticos de modulação podemos ver diversas tecnologias encontrando configurações que dependem não só dos componentes utilizados mas também da potência do equipamento e do desempenho desejado.

As tecnologias que vimos são básicas e muitos desenvolvimentos têm sido observados nesse campo com circuitos que permitem obter sinais modulados de alta qualidade.

O que vimos nesse artigo é apenas uma breve introdução teórica que permite ao leitor ter uma idéia de como os circuitos moduladores podem ser elaborados na prática.

 

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