Técnicas de modulação AM/FM (TEL075)

Em outro artigo deste site analisamos os diversos tipos de modulação empregados nos modernos equipamentos de comunicação sem fio e mesmo estações de radiodifusão. Continuando com assunto, veremos 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.

 

 

Este assunto e outros relacionados com a radiocomunicações estão abordados de forma ais profunda no livro Curso de Eletroônica - Telecomunicações - Vol 5 - Radiocomunicações do mesmo autor.

 

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.

 

Figura 1 - Modulação em amplitude e em frequência
Figura 1 - Modulação em amplitude e em frequência

 

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.

 

Figura 2 - O modulador em amplitude
Figura 2 - O modulador em amplitude

 

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 freqüencia mais baixa e cada etapa, além de amplificar esse sinal também dobra sua freqüência, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3 - Transmissor com dobradores de frequência
Figura 3 - Transmissor com dobradores de frequência

 

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.

 

Figura 4 - Modulação na etapa final
Figura 4 - Modulação na etapa final

 

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.

 

Figura 5 - Modulação por transformador
Figura 5 - Modulação por transformador

 

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.

 

Figura 6 - Modulação por transformador numa saída com transistor
Figura 6 - Modulação por transformador numa saída com transistor

 

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.

 

Figura 7 - Modulação em amplitude em saída valvulada
Figura 7 - Modulação em amplitude em saída valvulada

 

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.

 

Figura 8 - Modulação pelo anodo
Figura 8 - Modulação pelo anodo

 

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.

 

Figura 9 - Modulador valvulado
Figura 9 - Modulador valvulado

 

Nesse circuito temos uma válvula triodo de alta potência 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.

 

Figura 10 - Modulador com válvula tetrodo
Figura 10 - Modulador com válvula tetrodo

 

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.

 

Figura 11 - Modulação em etapa intermediária
Figura 11 - Modulação em etapa intermediária

 

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.

 

Figura 12 - Modulador em frequência
Figura 12 - Modulador em frequência

 

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, esse 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.

 

Figura 13 - Modulação por varicap
Figura 13 - Modulação por varicap

 

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

 

Figura 14 - Característica do Varicap
Figura 14 - Característica do Varicap

 

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.

 

Figura 15 - Oscilador modulado por varicap
Figura 15 - Oscilador modulado por varicap

 

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

 

Figura 16 - Circuito de modulação indireta
Figura 16 - Circuito de modulação indireta

 

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.

 

Figura 17 - Modulador para circuito a cristal
Figura 17 - Modulador para circuito a cristal

 

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. Muito mais pode ser encontrado em nosso Curso de Eletônica - Telecom - Radiocomunicações.

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