Modulação é o processo de aumentar e melhorar a frequência e a força do sinal de mensagem. É o processo que sobrepõe o sinal original e o sinal contínuo de alta frequência. Em Modulação de amplitude (AM), a amplitude da onda portadora varia com o sinal da mensagem. O processo de AM é mostrado na imagem abaixo:
Por exemplo,
Sinal de áudio
Os sinais de áudio são os sinais com alto ruído. Não é fácil transmitir tais sinais por longas distâncias. Conseqüentemente, a modulação dos sinais de áudio é necessária para uma transmissão bem-sucedida. A modulação AM é um processo no qual um sinal de mensagem é sobreposto à onda de rádio como sinal portador. É combinado com uma onda portadora de rádio de alta amplitude, o que aumenta a magnitude do sinal de áudio.
De forma similar, Modulação de frequência (FM) lida com a variação de frequência do sinal portador, e Modulação de Fase (PM) trata da variação de fase do sinal da portadora.
Vamos primeiro discutir o analógico e seus termos relacionados.
Vamos primeiro discutir o analógico e seus termos relacionados.
Analógico refere-se à variação contínua com o tempo. Podemos definir comunicação analógica e sinal analógico como: Um comunicação analógica é uma comunicação que varia continuamente com o tempo. Foi descoberto antes da comunicação digital. Requer menos largura de banda para transmissão com componentes de baixo custo. Um sinal analógico é um sinal que varia continuamente com o tempo. Os exemplos de sinal analógico incluem ondas senoidais e ondas quadradas.
Um sinal analógico simples é mostrado abaixo:
Aqui, discutiremos o seguinte:
Tipos de modulação de amplitude
História da Modulação de Amplitude
Vantagens e desvantagens da modulação de amplitude
Aplicações de modulação de amplitude
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O que é modulação?
Quando o sinal da mensagem é sobreposto ao sinal da portadora, ele é conhecido como modulação . O sinal de mensagem é sobreposto no topo da onda portadora. Aqui, sobreposto significa colocar um sinal no outro sinal. O sinal resultante formado melhorou a frequência e a força.
A tradução do sinal é necessária na extremidade do transmissor para sinais analógicos e digitais. A tradução é realizada antes que o sinal seja levado ao canal para transmissão ao receptor.
Sinal de mensagem
O sinal original que contém uma mensagem a ser transmitida ao receptor é conhecido como sinal de mensagem.
Sinal da portadora
Um sinal portador é um sinal com frequência constante, que geralmente é alta. As ondas do sinal portador não requerem um meio para se propagarem.
Sinal de banda base
Um sinal de mensagem que representa a banda de frequências é conhecido como sinal de banda base. A faixa dos sinais de banda base vai de 0 Hz até a frequência de corte. Também é chamado de sinal não modulado ou sinal de baixa frequência.
Um sinal analógico é a saída de uma onda de luz/som convertida em um sinal elétrico.
Sinal de banda passante
Está centrado na frequência superior ao componente máximo do sinal de mensagem.
Exemplo
Vamos considerar um exemplo de sinal de fala . É um tipo de sinal de áudio.
O sinal de voz tem frequências de banda base mais baixas, na faixa de 0,3 a 3,4k Hz. Se duas pessoas quiserem se comunicar no mesmo canal, as frequências da banda base irão interferir. Isso ocorre porque as frequências mais baixas não podem permitir duas frequências de banda base no mesmo canal. Conseqüentemente, uma portadora de alta frequência de até 8k Hz é usada com o sinal de fala. Aumenta a faixa de frequência do sinal de fala. Permite que duas pessoas se comuniquem no mesmo canal sem qualquer interferência.
Necessidade de Modulação
Um sistema de comunicação envia os dados do transmissor para o receptor. Os dados são processados e viajam mais de centenas de quilômetros antes de chegar ao receptor. O ruído durante a transmissão pode afetar a forma do sinal de comunicação. Ele engana ainda mais as informações recebidas, reduzindo a frequência e a força do sinal. É necessário um processo que aumente a frequência e a força do sinal. O processo de comunicação é conhecido como modulação .
É essencial transmitir um sinal de um lugar para outro na comunicação. Aqui, um sinal original é substituído por um novo, aumentando sua frequência de f1 - f2 para f1' - f2'. Está presente na forma recuperável no receptor. A exigência de modulação é baseada nos seguintes fatores:
- Multiplexação de frequência
- Antenas
- Faixas estreitas
- Processamento comum
Multiplexação de frequência
Multiplexação refere-se à tradução de vários sinais no mesmo canal. Suponha que temos três sinais a serem transmitidos ao longo de um único canal de comunicação sem afetar a qualidade e os dados do sinal. Isso significa que os sinais devem ser distinguíveis e recuperáveis na extremidade receptora. Isso pode ser feito traduzindo os três sinais em frequências diferentes. Impede que vários sinais se cruzem.
Deixe a faixa de frequência de três sinais ser -f1 a f1, -f2 a f2 e -f3 a f3. Os sinais são separados por uma proteção entre eles, conforme mostrado abaixo:
Se as frequências selecionadas desses sinais não se sobrepuserem, elas poderão ser facilmente recuperadas na extremidade receptora usando filtros passa-banda apropriados.
Antenas
As antenas transmitem e recebem sinais no espaço livre. O comprimento da antena é selecionado de acordo com o comprimento de onda do sinal transmitido.
Banda estreita
O sinal é transmitido no espaço livre com a ajuda de uma antena. Suponha que a faixa de frequência seja de 50 a 104Hz. A proporção da frequência mais alta para a mais baixa será de 104/50 ou 200. O comprimento da antena nesta proporção ficará muito longo em uma extremidade e muito curto na outra. Não é adequado para transmissão. Conseqüentemente, o sinal de áudio é traduzido para o intervalo (106+ 50) a (106+ 104). A proporção agora ficará em torno de 1,01. É conhecido como faixa estreita .
Assim, o processo de tradução pode ser alterado para banda estreita ou banda larga dependendo das necessidades.
Processamento comum
Às vezes, precisamos processar a faixa de frequência espectral de sinais diferentes. Se houver um grande número de sinais, é melhor operar em alguma faixa de frequência fixa em vez de processar a faixa de frequência de cada sinal.
Por exemplo,
Receptor super-heteroíneo
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Aqui, um bloco de processamento comum é sintonizado em uma frequência diferente usando um oscilador local.
Tipos de modulação de amplitude
Os tipos de modulação são designados pelo QUE (União Internacional de Telecomunicações). Existem três tipos de modulação de amplitude, que são os seguintes:
- Modulação de banda lateral única
- Modulação de banda lateral dupla
- Modulação de banda lateral vestigial
O nome original do AM era DSBAM (Double Side Band Amplitude Modulation) porque as bandas laterais podem aparecer em qualquer lado da frequência portadora.
Modulação de banda lateral única (SSB)
O SSB AM é o método padrão para produzir bandas laterais em apenas um lado da frequência portadora. A Modulação de Amplitude pode produzir bandas laterais em ambos os lados da frequência portadora. No SSB, ele usa filtros passa-banda para descartar uma banda lateral. O processo de modulação SSB melhora a utilização da largura de banda e a potência total de transmissão do meio de transmissão.
Modulação de portadora suprimida de banda lateral dupla (DSB-SCB)
Duplo significa duas bandas laterais. As frequências produzidas pelo AM em DSB são simétricas em relação à frequência portadora. O DSB é ainda categorizado como DSB-SC e DSB-C . A modulação DSB-SC (Double Sideband Suppress Carrier) não contém nenhuma banda portadora, por isso sua eficiência também é máxima em comparação com outros tipos de modulação. A parte transportadora no DSB-SC é removida do componente de saída. O DSB-C (Double Sideband with Carrier) consiste na onda portadora. A saída produzida pelo DSB-C possui uma portadora em combinação com a mensagem e o componente de portadora.
Modulação de banda lateral vestigial (VSB)
Algumas das informações são SSB e o DSB pode se perder. Conseqüentemente, o VSB é usado para superar as desvantagens desses dois tipos de AM. Vestígio significa uma seção do sinal. No VSB, uma seção do sinal é modulada.
Discutiremos os três tipos de AM em detalhes posteriormente neste tutorial.
História da Modulação de Amplitude
- Em 1831, um cientista inglês Michael Faraday descobriu o eletromagnético
- Em 1873, o matemático e cientista James C Maxwell descreveu a propagação das ondas EM.
- Em 1875, A Graham Bell descobriu o telefone.
- Em 1887, o físico alemão H Hertz descobriu a existência de ondas de rádio.
- Em 1901, um engenheiro canadense chamado R Fessenden traduziu o primeiro sinal modulado em amplitude.
- R Fessenden descobriu isso usando o transmissor de centelhador, que transmite o sinal com a ajuda de uma faísca elétrica.
- A implementação prática do AM iniciou-se entre 1900 e 1920 através da transmissão radiotelefónica. Era comunicação usando sinal de áudio ou fala.
- O primeiro transmissor Am contínuo foi desenvolvido por volta de 1906-1910.
- Em 1915, um teórico americano JR Carson iniciou a análise matemática da Modulação de Amplitude. Ele mostrou que a banda única é suficiente para a transmissão do sinal de áudio.
- Em 1º de dezembro de 1915, JR Carson patenteou o SSB Modulação (banda lateral única).
- A transmissão de rádio AM tornou-se popular após a invenção do tubo de vácuo por volta de 1920.
Tradução de frequência de modulação de amplitude
Um sinal é transmitido multiplicando-o por um sinal senoidal auxiliar. É dado por:
Vm(t) = UMAeucosωeut
Vm(t) = UMAeucos2πfeut
Onde,
Am é a constante de amplitude
Fm é a frequência modulante
Fm = ωeu/2p
O padrão espectral será um padrão de amplitude de dupla face. É composto por duas linhas cada uma com amplitude Am/2, conforme mostrado abaixo:
Ele está localizado na faixa de frequência de f = fm a f = -fm.
Seja o sinal senoidal auxiliar Vc(t).
Vc(t) = ACcosωCt
Multiplicando o padrão espectral duplo pelo sinal auxiliar, obtemos:
Vm(t). Vc(t) = AeucosωeutxACcosωCt
Vm(t). Vc(t) = AeuACcosωeut cosωCt
Existem agora quatro componentes espectrais, conforme mostrado acima.
Isso significa que o padrão espectral agora possui duas formas de onda senoidais de frequência Fc + Fm e Fc - Fm. A amplitude antes da multiplicação era Am/2. Porém, os componentes após a multiplicação aumentam de dois para quatro.
A amplitude agora será:
AmAc/4
1 componente sinusoidal = 2 componentes espectrais
Assim, a amplitude de cada componente senoidal será:
AmAc/2
O padrão espectral após a multiplicação é traduzido nas direções de frequência positiva e negativa. Se esses quatro padrões espectrais forem multiplicados pelo ganho, o resultado será 6 componentes espectrais na forma de oito formas de onda senoidais.
Índice de modulação
O índice de modulação é definido como a razão entre o valor máximo do sinal de mensagem e o sinal da portadora.
É dado por:
Índice de modulação = M/A
Onde,
M é a amplitude do sinal de mensagem
A é a amplitude do sinal da portadora
Ou
Índice de modulação = Am/Ac
Eficiência de AM
A eficiência da modulação de amplitude é definida como a razão entre a potência da banda lateral e a potência total.
Eficiência = Ps/Pt
A potência total é a soma da potência da banda lateral e da potência da portadora.
Pt = Ps + Pc
Assim, também podemos definir a eficiência como:
Eficiência = Ps/ Ps + Pc
O sinal Am no domínio da frequência pode ser representado como:
S(t) = UMAC[1 + km(t)] cosωCt
Onde,
m(t) é o sinal de banda base
k é a sensibilidade da amplitude
s(t) preserva o sinal da banda base em seu envelope
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s(t) = UMACcosωCt + ACkm(t)cosωCt
O primeiro termo é o termo da portadora e o segundo termo é o termo da banda lateral.
A potência pode ser representada como:
Para termo portador, Potência =AC2/2
Para termo de banda lateral, Potência =AC2k2/2 x PM
Pm é a potência média do sinal de mensagem presente no termo da banda lateral.
Eficiência = AC2k2Pm/2 /(AC2k2PM/2 + AC2/2)
Eficiência = k2PM/1 + k2PM
É a expressão comum usada para encontrar a eficiência energética da Modulação de Amplitude.
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Como não há portadora na Modulação de Portadora de Supressão de Banda Lateral Dupla, sua eficiência é de 50%. A eficiência de um sinal modulado de tom único no caso da forma de onda senoidal é de cerca de 33%. A eficiência máxima de 100% pode ser alcançada usando o SSBSC (Single Side Modulation Suppress Carrier).
Vantagens
As vantagens da Modulação de Amplitude são as seguintes:
- A modulação de amplitude ajuda o sinal a percorrer longas distâncias, variando a amplitude do sinal de mensagem.
- Os componentes utilizados nos receptores e transmissores AM possuem baixo custo.
- Os sinais AM são fáceis de modular e demodular.
- O sinal modulado tem uma frequência mais baixa que o sinal das portadoras.
- O processo de implementação da Modulação de Amplitude é simples.
- O canal de comunicação usado para transmissão pode ser um canal com fio ou sem fio. Ele conecta o transmissor ao receptor. Ele também transporta informações do transmissor para o receptor.
Desvantagens
AM é uma modulação amplamente utilizada, apesar de suas diversas desvantagens. As desvantagens da modulação de amplitude são as seguintes:
- É mais suscetível a ruídos devido à presença de detectores AM. Afeta a qualidade do sinal que chega ao receptor.
- Possui bandas laterais em ambos os lados da frequência portadora. A potência nas bandas laterais duplas não é utilizada 100%. A potência transportada pelas ondas AM gira em torno de 33%. Isso significa que mais da metade da energia do lado duplo é desperdiçada.
- AM requer alta largura de banda, ou seja, o dobro da frequência de áudio.
Aplicações de modulação de amplitude
As aplicações da Modulação de Amplitude são as seguintes:
A modulação de amplitude aumenta a frequência do sinal de mensagem devido à presença de sinal portador de alta frequência. Por isso, é amplamente utilizado na radiodifusão devido a esta vantagem.
A modulação de amplitude é usada em rádios bidirecionais portáteis e rádios de banda para comunicação eficaz.
Exemplos Numéricos
Vamos discutir um exemplo baseado na Modulação de Amplitude.
Exemplo: Encontre a potência total do sinal modulado em amplitude com potência portadora de 400 W e índice de modulação de 0,8.
Solução : A fórmula para calcular a potência total do sinal modulado em amplitude é dada por:
Pt = Pc (1 + m2/2)
Onde,
Pt é a potência total
Pc é a potência da portadora
M é o sinal modulado
Pt = 400 (1 + (0,8)2/2)
Pt = 400 (1 + 0,64/2)
Pt = 400 (1 + 0,32)
Ponto = 400 (1,32)
Pt = 528 Watts
Conseqüentemente, a potência total do sinal modulado em amplitude é de 528 watts.
Exemplo 2: Qual é a eficiência máxima do sinal de modulação de tom único?
Solução : A eficiência máxima do sinal de modulação de tom único é de 33%.
A eficiência é dada pela fórmula:
Eficiência = você2/(2 + você2)
Na eficiência máxima, você = 1
Eficiência = 12/(2 + 12)
Eficiência = 1/3
Eficiência% = 1/3 x 100
Eficiência% = 100/3
Eficiência% = 33,33