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Conceitos de modulação digital (TEL048)

Equipamentos de telecomunicações em geral, comunicação de dados sem fio (WLANs), sistemas de aquisição e monitoramento de dados são alguns exemplos de aplicações da modulação digital. Se você é engenheiro formado há mais de 10 anos ou profissional da área, certamente não estudou muitos dos mais modernos processos de modulação digital. Isso significa que uma abordagem didática do assunto, reciclando seus conhecimentos pode ser de grande utilidade na sua vida profissional. Nesse artigo vamos relembrar alguns conceitos da modulação digital. (2008)

Nos velhos tempos quando se falava em telecomunicações, as técnicas de modulação usadas eram poucas, com ênfase na modulação analógica. A modulação em amplitude, freqüência e fase eram as mais estudadas e as demais encontravam uma gama de aplicação muito mais restrita.

Evidentemente, no rádio AM e FM atuais, na televisão analógicas ainda temos as técnicas tradicionais, mas certamente não será muito tempo.

Os tempos mudaram e as técnicas de modulação digital passaram a ser muito importantes, sendo usadas numa infinidade de aplicações práticas. Para que o leitor relembre as técnicas de modulação, vamos começar justamente falando das analógicas.

 

Modulação Analógica

As duas principais técnicas de modulação ainda usadas em nossos dias são a AM e FM.

 

AM - Amplitude Modulada ou Modulação em Amplitude

Conforme mostra a figura 1, nessa modalidade de modulação, temos uma portadora de alta freqüência cuja intensidade ou amplitude varia conforme um sinal de baixa freqüência, normalmente voz, música ou som de qualquer tipo.

 

AM - Amplitude modulada
AM - Amplitude modulada

 

O principal problema que os sinais modulados dessa forma apresentam é a sua sensibilidade ao ruído.

 

FM - Freqüência Modulada ou Modulação em Freqüência

Nesse caso, o que varia é a freqüência de um sinal portador de alta freqüência em função das variações da amplitude de um sinal modulador de baixa freqüência, conforme mostra a figura 2.

 

FM - Freqüência modulada
FM - Freqüência modulada

 

A vantagem principal desse tipo de sinal é que pode-se fazer a recuperação do sinal modulador simplesmente detectando-se a passagem por zero do sinal modulado.

Trata-se também de um sistema menos sensível à ruídos e variações da intensidade do sinal. Variações da amplitude não causam alterações na amplitude do sinal recuperado.

 

Modulação Digital

Existem diversas técnicas para se modular digitalmente um sinal, ou seja, fazer com que ele transporte informações na forma digital.

Nesse ponto é importante distinguir bem o que é demodulação de um sinal e o que é detecção de um sinal.

Demodular um sinal é remover a portadora. Detectar é o processo de se retirar a informação que um sinal modulado contém. A detecção pode ser de dois tipos: coerente e não coerente.

Na detecção coerente, o receptor usa a fase da portadora para detectar o sinal. Na detecção não coerente, a fase não é importante para detectar o sinal. Nessa técnica, o receptor pode ser menos complexo, mas sua performance é pior.

As diversas técnicas de modulação digital usadas atualmente se enquadram num ou noutro grupo, ou podem usar os dois esquemas, conforme detalhamos a seguir:

 

PSK - Phase shift Keying - coerente

FSK - Frequency Shift Keying - coerente e não coerente

ASK - Amplitude shift Keying - coerente e não coerente

CPM - Continous Phase Modulation - coerente e não coerente

Híbrido - coerente e não coerente

 

Modulação Binária

Existem diversas técnicas principais para se fazer a modulação binária de um sinal.

 

ASK - Amplitude Shift Keying

Trata-se do processo mais simples de se enviar dados digitais. Nesse processo, como o nome diz "chaveamento da amplitude", o que se faz é ligar e desligar o sinal de modo que ele represente zeros e uns. Podemos dizer que a telegrafia (CW) usada nos velhos tempos da comunicação sem fio usa esse tipo de modulação.

O "keying" do nome do processo pode ser associado diretamente a um manipulador telegráfico.

 

FSK - Frequency Shift Keying

O Chaveamento do deslocamento de freqüência consiste numa outra técnica de modulação binária. No FSK o que se faz é representar zeros e uns por duas freqüências diferentes, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3
Figura 3

 

Assim, temos constantes mudanças da freqüência representando os dados que devem ser enviados. Nos antigos modems FSK e na gravação de dados em fita cassete dos primeiros microcomputadores era usado esse processo.

Observe pelas formas de onda do sinal FSK que ele é, na realidade, modulado por duas freqüências, mas ciclo a ciclo.

 

PSK - phase shift Keying

Chaveamento do deslocamento de fase é o nome do processo, traduzido para o português. O que se faz é chavear a fase de um sinal portador conforme os dados, obtendo-se assim a forma de sinal da figura 4.

 

Figura 4
Figura 4

 

Num diagrama em que temos fase e amplitude, ou seja, num diagrama Q/I, temos a representação dos níveis lógicos transmitidos, conforme mostrado na figura 5.

 

Figura 5
Figura 5

 

Veja que os dois sinais, que representam zero e um, estão defasados de 180º.

Esse tipo de modulação pode ser usado com sinais senoidais e é simples de implementar. Além disso, sua robustez permite que ele seja utilizado em sistemas críticos como, por exemplo, em comunicações via satélite.

 

QPSK - Quadrature Phase Shift Keying

Com o chaveamento de fase em quadratura pode-se enviar dois bits simultaneamente em cada ciclo do sinal, o que torna esse sistema bastante interessante em termos de eficiência. Na figura 6 temos a representação do sinal num diagrama Q/I.

 

Figura 6
Figura 6

 

Veja que nesse tipo de modulação trabalhamos ao mesmo tempo a fase e a intensidade do sinal, sendo que a saída consiste na soma de sinais cossenoidais e senoidais.

Se bem que a eficiência espectral desse sistema seja maior, a implementação de um receptor é mais complexa.

 

MSK - Minimum Shift Keying

Trata-se de uma forma de FSK em que temos o espaçamento mínimo entre duas freqüências de modo que elas sejam ortogonais, conforme mostra a figura 7.

 

Figura 7
Figura 7

 

O diagrama Q/I para essa modalidade e o mesmo do FSK, mas como mostra a figura, temos uma continuidade de fase nas transições de bits.

Na figura 8 temos exemplo de como os sinais MSK são gerados nesse processo de modulação.

 

Figura 8
Figura 8

 

Uma característica desse sistema é que não temos transições abruptas do sinal, o que torna-o interessante em termos de EMI gerada quando numa transmissão via cabo e também menos sensível a problemas de impedâncias do meio de transmissão, ficando mais fácil fazer a sua detecção.

 

GMSK - Gaussian Minimum Shift Keying

O chaveamento mínimo gaussiano consiste no sistema MSK com um filtro passa-baixas gaussiano de pré-modulação. Com isso é possível aumentar a eficiência espectral com uma freqüência de corte mais aguda. Com isso obtém-se também uma eficiência de potência maior devido a presença de um envelope constante.

Os telefones celulares da segunda geração (GM) e telefones sem fio utilizam esse esquema de modulação possibilitando taxas de transferência de 1,35 bps/Hz no GSM. Nos telefones sem fio DECT a taxa de transmissão chega aos 0,67 bps/Hz.

Na figura 9 mostramos a forma de sinal obtido, quando comparada com o MSK, observand0-se que não existem mudanças repentinas de fase.

 

Figura 9
Figura 9

 

 

p/4-Shifted QPSK

Nesse esquema temos transições do sinal tanto de intensidade como de fase, numa combinação de valores que é mostrada no diagrama Q/I da figura 10.

 

Figura 10
Figura 10

 

Observe que nesse esquema podemos enviar dois bits por símbolo, e que temos no máximo transições de 135 graus, diferentemente do QPFSK em que essa transição máxima de fase é de 180º .

Isso é mostrado no diagrama da figura 11, onde se observa que as transições nunca passam pelo centro do diagrama.

 

Figura 11
Figura 11

 

Com esse esquema temos uma eficiência duas vezes maior do que no GMSK e evitando-se a passagem das transições por zero de fase e amplitude, é facilitado o projeto dos amplificadores.

Outro ponto importante das características dessa técnica de modulação está no fato de que sempre temos uma mudança de fase na passagem de um par de bits para outro, o que permite que o sistema se auto-sincronize, ou seja, opere com um "self clocking'.

Pela sua eficiência é usada no sistema de celulares digital IS-54 dos estados unidos com uma eficIência de 1,62 bps/Hz. No sistema celular digital do Japão, esse esquema também é usado com uma eficiência de 1,68 bps/Hz e no sistema europeu TETRA a eficiência é de 1,44 bps/Hz.


QAM - QuaDrature Amplitude Modulation

Modulação de amplitude em quadratura é o nome desse esquema que permite a transmissão de diversos bits por símbolo, conforme mostra a figura 12.

 

Figura 12
Figura 12

 

Nesse diagrama de constelação temos o 16-QAM que permite a transmissão de 16 símbolos ou 4 bits por símbolo.

É possível trabalhar com mais níveis de sinal e com mais valores de fases, obtendo-se assim constelações maiores como no 32 QAM, 64 QAN, 128 QAM e 256 QAM, conforme mostra a figura 13.

 

Figura 13
Figura 13

 

O número máximo de bits por símbolo vai depender da capacidade que o receptor tenha de diferenciar pequenas variações de fase e intensidade do sinal. Isso certamente será determinado pelas condições de ruído do local e também do próprio circuito que será usado no receptor.

 

Conclusão

Os esquemas de modulação digital que vimos têm sido amplamente usado em diversas aplicações práticas como as redes sem fio (WLAN), telefonia celular, telefones sem fios, comunicação via satélite e muito mais.

Entender como essas técnicas funcionam é fundamental para o profissional de telecom. O que vimos nesse artigo foi apenas uma reciclagem dos conceitos básicos que envolvem as diversas técnicas de modulação, visando justamente os profissionais que, por algum motivo, ou pela época em que cursaram as suas escolas técnicas e de engenharia, não as estudaram.

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