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Técnicas de modulação e multiplexação (TEL034)

Os sistemas modernos de telecomunicações devem acomodar um número cada vez maior de canais, com larguras de faixas que crescem com a velocidade e quantidade de informações transmitidas, além de serem imunes a interferências e ruídos, operando com baixas potência. Para conseguir que tais sistemas sejam eficientes técnicas de modulação e multiplexação de sinais avançadas são usadas. Nesse artigo trataremos de algumas dessas técnicas.

Para transmitir a palavras falada uma largura de faixa que vai de 300 Hz a 3 400 Hz é suficiente. Isso é atendido perfeitamente pelas linhas de transmissão convencionais e mesmo pelos sistemas sem fio mais simples.

No entanto, a evolução dos sistemas de comunicação fez com que muito mais do que a simples palavra devesse ser transmitida.

Numa primeira fase, a preocupação inicial foi a de se utilizar um mesmo canal ou linha telefônica para transmitir, ao mesmo tempo, diversas conversas telefônicas, sem que seus sinais se misturem. O processo segundo o qual isso pode ser feito é denominado Multiplex.

 

Multiplex

Existem diversas técnicas para se multiplexar um sinal, ou seja, fazer com que ele transporte diversas informações de canais diferentes sem que elas se misturem e depois poder separá-las, conforme mostra a figura 1.

 

Multiplex
Multiplex

 

Analisemos as duas principais técnicas usadas para essa finalidade:

 

a) Multiplex por Divisão de Freqüências

Para entender como funciona esse tipo de multiplexação, também abreviada por FDM (Frequency Division Multiplex ) vamos imaginar que desejamos transmitir três canais de áudio telefônicos convencionais (300 a 3 400 Hz) através de uma linha telefônica comum.

Conforme mostra a figura 2, o primeiro canal pode ser transmitido diretamente, em sua faixa de freqüências original.

 

Multiplex por divisão.
Multiplex por divisão.

 

Os dois outros canais vão passar por circuitos moduladores que fazem a translação de suas faixas de freqüências, elevando-as de modo a ocupar outra porção do espectro, conforme mostra a figura 3.

 

Fazendo a translação de suas faixas.
Fazendo a translação de suas faixas.

 

Assim, o segundo canal passa a ocupar um espectro de 4 300 a 7 400 Hz enquanto que o terceiro canal ocupará a faixa de 8 300 a 11 400 kHz.

Não se recomenda colocar os canais exatamente "encostados" um no outro, pois isso dificultaria a operação dos filtros nos receptores, que devem fazer sua separação.

Com esse procedimento, a linha de transmissão passa a operar com um sinal único multiplexado, ocupando uma faixa de freqü6encias que vai de 300 Hz a 11 400 Hz.

No receptor, para fazer a separação dos sinais, basta usar filtros apropriados e demoduladores, conforme mostra a figura 4.

 

Separando os sinais.
Separando os sinais.

 

Veja que na saída dos filtros temos uma faixa de freqüências que não corresponde à do sinal original, assim o demodulador traz de volta o sinal a sua faixa original de 300 a 3 400 Hz.

Nesse sistema o que se faz então é dividir um espectro em faixas de freqüências que são utilizadas para os diversos canais de forma separada. Daí a denominação de multiplex por divisão de freqüências.

Essa tecnologia de transmissão esteve muito em uso nos sistemas de telecomunicações até a década de 80. Atualmente, as tecnologias digitais exigem outros tipos de multiplexação que se tornaram mais comuns.

 

b) Multiplex por Divisão de Tempo

Uma outra maneira de se multiplexar diversos canais de informação, é dividindo o sinal transmitido em pacotes que ocupem tempos diferentes de transmissão, conforme mostra a figura 5.

 

Multiplexação por divisão de tempo.
Multiplexação por divisão de tempo.

 

Esse processo, denominado TDM ou Time Division Multiplex é utilizado de forma eficiente na telefonia móvel celular.

Para entender como ele funciona, vamos imaginar de forma simplificada que desejamos transmitir apenas dois sinais de áudio por uma mesma portadora ou canal, conforme mostra a figura 6.

 

Como funciona o TDM.
Como funciona o TDM.

 

Os dois canais são levados a um circuito de chaveamento ou porta de canal. Esses circuitos consistem em chaveadores que abrem e fecham a passagem do sinal de modo alternado.

Quando o circuito abre para o canal A por um instante, seu sinal passa e pode ser transmitido. Quando o circuito abre para o canal B, o sinal passa e ele é transmitido.

Assim, conforme mostra a figura 7, o sinal transmitido é formado por "pacotes" de sinal alternados correspondentes às informações contidas nos canais A e B.

 

Os pacotes são alternados
Os pacotes são alternados

 

Veja que esses pacotes nada mais são do que os valores de pico do sinal que está sendo transmitido no instante em que a chave é a aberta, ou seja, consiste numa amostragem desse sinal.

A transmissão desse valor amostrado pode ser feita diretamente na forma analógica.

Para recuperar o sinal no lado receptor é preciso haver um sincronismo perfeito do circuito para que ele saiba qual pacote pertence ao canal A e qual pacote pertence ao canal B.

Na figura 8 mostramos o circuito típico usado no lado receptor, para a separação dos sinais multiplexados através desta técnica.

 

Separando o sinal multiplexado.
Separando o sinal multiplexado.

 

Diversas técnicas são adotadas para se fazer a inclusão desse sinal de sincronismo no sistema.

Na prática, não apenas dois canais podem ser multiplexados num canal de comunicações mas até mesmo centenas, como ocorre na telefonia celular.

Isso exige que a velocidade de chaveamento dos circuitos multiplexadores sejam extremamente elevadas o que implica em ocupar uma faixa larga no espectro.

 

c) Multiplexação por Divisão em Código

Abreviada por CDM (Code Division Multplex) tem os sinais separados por técnicas de codificação. Sua transmissão é feito com sua mistura em um processo que envolve tanto o tempo como a freqüência.

 

TDM na Prática

Existe uma padronização para o TDM que envolve 5 categorias, da primeira à quinta ordem. No Brasil é dotada a européia.

Na figura 9 temos essas hierarquias com suas variações.

 

A variação do TDM.
A variação do TDM.

 

Conforme podemos ver, na entrada do sistema temos 30 tributários que operam numa taxa de amostragem de 64 kbits/s. A taxa de amostragem dos canais de voz é de 8 kbits/s.

Como cada amostra possui 8 bits, a taxa de transmissão total resultante é justamente 64 kbits/s. Além desses existem dois canais de sinalização e para outras finalidades.

A saída desse estágio é acoplada a um TDM de primeira ordem que opera com uma taxa de transmissão de 2 048 kbits/s, o equivalente a 32 vezes a taxa de transmissão básica.

Os TDMs de primeira ordem enviam seus sinais para um TDM de segunda ordem com 120 canais, operando com uma taxa de 8 444 Mbits/s.

Os sinais deste TDM passam para um de terceira ordem que opera com 480 canais e uma taxa de amostragem de 34 368 kbits/s. Os sinais desse TDM passam para o de quarta ordem com1920 canai9s operando a 139 264 kbits/s.

Finalmente, temos o TDM de quinta ordem que comporta 7680 canais operando a uma taxa de transmissão de 564 992 kbits/s.

Um ponto crítico nessa modalidade de multiplexação é a sincronização.

Utiliza-se a técnica de justificação ou ajuste do número de bits transmitidos aplicadas a TDMs Quase síncronos (denominados plesiócronos).

Esse processo é feito pelo que se denomina hierarquia digital plesiócrona (Plesiochronous Digital Hierarchy ou PDH).

Essa técnica consiste em se inserir ou retirar bits de ajuste que não contém informações, de forma a manter o TDM sincronizado. Podemos dizer que ele funciona como uma espécie de memória elástica em que as informações são gravadas e lidas.

Nesse tipo de memória, o contador retorna à posição inicial ao final de cada ciclo de leitura ou gravação. No entanto, as posições de gravação e leitura são mantidas de modo a não haver superposição.

Como os dois mecanismos (leitura e gravação) são independentes, a memória não é sensível a flutuações que ocorram nos dois mecanismos.

 

Conclusão

A flexibilidade, capacidade de acomodar muitos canais de informações, torna o processo de multiplexação, principalmente o TDM indispensável às comunicações modernas.

No entanto, continua ainda a necessidade de se ter bandas cada vez mais largas no sentido de se acomodar mais canais de informações.

O aumento desse fluxo de informações traz ainda a necessidade de tecnologias cada vez mais complexas no sentido de se garantir a integridade dos dados transmitidos.

Nesse artigo demos uma idéia de como funciona a multiplexação por divisão de freqüência e no tempo, com destaque ao segundo tipo (TDM) que é a base das telecomunicações modernas.

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