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INSTITUTO EDUCACIONAL SÃO JOÃO DA ESCÓCIA
Transmissores de FM
Introdução
Quando queremos nos comunicar com alguém que está a uma grande distância, podemos fazer uso de um rádio transmissor e enviar as informações que queremos através das ondas eletromagnéticas. O processo pelo qual se converte uma informação sonora em ondas eletromagnéticas e reconversão delas novamente em ondas sonoras, foi basicamente o que você já aprendeu. Agora você vai iniciar mais uma etapa em seus estudos, conhecendo a fundo as mais modernas técnicas de radiotransmissão. O estudo da freqüência modulada (abrevia-se FM) será de grande importância em nosso curso, não só pela grande quantidade de emissoras comerciais operando em FM, como também porque a transmissão e recepção do som em televisão é feita somente em FM. Isto sem contar que grande parte do serviço de comunicações, seja da polícia ou das Forças Armadas, também é feita nesta modalidade. Portanto, considere que o estudo da freqüência modulada é ainda uma introdução ao estudo da televisão.
Comparações entre o sistema de AM e FM
Existem basicamente duas maneiras principais de se modular uma onda portadora, isto é; de se enviar informações (música, voz, etc.) para o espaço, utilizando como meio de transporte destas informações uma onda portadora ou onda eletromagnética. A primeira delas é chamada de amplitude modulada , largamente usada pelas estações de rádio de ondas médias e curtas, e a segunda é chamada de freqüência modulada , também muito usada na comunicação comercial pelas emissoras de rádio na faixa de VHF (do inglês Very High Frequency; freqüência muito alta). No sistema de AM (Amplitude Modulada) a onda portadora “ carrega ” a informação em sua amplitude, isto é, a informação que desejamos transmitir, seja voz ou música, faz a amplitude da onda variar. A figura 1 ilustra melhor essa idéia.
Figura 1 – Maneira simplificada de modulação da onda portadora
Neste caso, existe um gerador de ondas que produz uma onda portadora com amplitude constante e injeta esta rádio-freqüência num modulador. A voz ou música que desejamos transmitir, também é
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injetada no modulador, fazendo com que a amplitude da portadora aumente ou diminua, conforme a amplitude do sinal modulante. Posteriormente esta onda portadora é mandada para o espaço através da antena. Apesar deste sistema ser muito popularizado, a transmissão em AM possui uma série de inconvenientes: um deles é que os ruídos atmosféricos também acabam modulando a onda portadora (figura 2).
Figura 2 – Ruído adquirido no trajeto transmissão / recepção
Outro grande inconveniente é o fato de que cada emissora opera numa faixa de apenas 10 KHz (dez quilohertz) de largura. Com isto, a máxima freqüência de informações que podemos transmitir é de 5 KHz. Quando injetamos o sinal modulante e a onda portadora, no estágio modulador aparecerá a soma e a diferença das duas ondas, ou seja, se a emissora está operando na freqüência de 600 KHz, e estamos transmitindo uma informação de 5 KHz (uma música tocada por um violino, por exemplo) teremos, na saída do modulador:
600 KHz + 5 KHz = 605 KHz e 600 KHz - 5 KHz + 595 KHz
e também 600 KHz.
Pelo fato de se ter 10 KHz de faixa (5 KHz de cada lado da portadora) dizemos que a largura de faixa é de 10 KHz. Logo, as emissoras vizinhas devem estar operando 10 KHz acima e 10 KHz abaixo de 600 KHz, e dessa forma haverá duas emissoras vizinhas da nossa, uma de 610 KHz e a outra de 590 KHz. Se estas três emissoras estiverem transmitindo dentro de suas faixas respectivas, é óbvio que não irão se interferir mutuamente. Este fenômeno de soma e diferença de freqüências no modulador sempre ocorre quando estamos operando próximo a duas ou mais freqüências, isto é, teremos uma limitação que chamamos de bandas laterais. No entanto, devido à largura de faixa ser muito pequena, não podemos transmitir toda a gama de freqüências audíveis que, como sabemos, vai de 20 Hz a 20 KHz. Para solucionar estes inconvenientes, criou-se uma outra modalidade de transmissão chamada Freqüência Modulada. Neste sistema, a onda portadora tem sempre amplitude constante e a informação provoca uma variação na freqüência da portadora e por esse motivo é chamada de FM (Freqüência Modulada). A grande vantagem de se variar à freqüência neste sistema, é que os ruídos atmosféricos que
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Oscilador-Modulador, detetor de erro
Seria ótimo se o oscilador que gerasse a onda portadora fosse a cristal de quartzo para garantir grande estabilidade de freqüência. Mas se assim fosse, o sinal de informação proveniente do microfone não poderia variar sua freqüência e, portanto, nenhuma informação seria carregada pela onda portadora. Uma maneira de se conseguir boa estabilidade de freqüência do oscilador e também à possibilidade de se modulá-lo, é mostrado no diagrama em blocos pelos estágios: oscilador-modulador, detetor de erro e o oscilador a cristal. Vejamos como funciona. Vamos imaginar que queremos transmitir numa freqüência de 100 Mhz (100 megahertz), então adquirimos um oscilador a cristal de freqüência 1,5625 MHz e um oscilador LC (bobina e capacitor) também de freqüência 1,5625 MHz. No estágio multiplicador a onda portadora será multiplicada pelo fator 64, ou seja: 1,5625 MHz x 64 = 100 MHz. Como sabemos, o oscilador a cristal possui grande estabilidade em freqüência e o oscilador do tipo LC não possui; então, é necessário introduzir-se um estágio detetor de erro ou discriminador de fase, que tem a finalidade de comparar a freqüência de saída do oscilador LC com a freqüência estável do cristal. Assim, se o oscilador LC sair fora da freqüência, aparecerá no detetor de erro uma tensão DC que irá corrigir sua freqüência. Com isto conseguimos um oscilador LC com boa estabilidade. O sinal modulante que vem do amplificador de áudio, quando injetado no oscilador-modulador é forçado a variar a freqüência do oscilador em proporção à intensidade do sinal de áudio. Em outras palavras, quanto maior for a intensidade do sinal modulante maior será o desvio do oscilador, ou seja, da portadora. Pelas normas de transmissão em FM, uma emissora deve ter uma largura de faixa de 200 KHz, isto significa que uma emissora operando em 100 MHz poderia variar sua freqüência em:
100 MHz + 100 KHz = 100,1 MHz para um lado e 100 MHz - 100 KHz = 99,9 MHz para o outro lado
Quando não há sinal modulante, a freqüência do oscilador é mantida constante pelo detetor de erro.
Banda de FM – Desvio máximo
Para que uma emissora não interfira com a outra, limitou-se o desvio máximo em 75 KHz deixando assim uma margem de 25 KHz (100 KHz – 75 KHz) como segurança. A figura 5 mostra o espectro da banda de FM, que vai de 88 MHz a 108 MHz.
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Figura 5 – Banda de FM com distribuição das portadoras e suas respectivas bandas laterais
Para evitar a distorção, o processo de modulação é feito com um pequeno desvio de 1,17 KHz em torno da portadora. No estágio multiplicador este pequeno desvio será multiplicado pelo fator 64, logo, aparecerá como um desvio de 75 KHz.
Pré-Ênfase e De-Ênfase
O pré-ênfase é um reforço dado na transmissão para as freqüências de áudio acima de 1.500 Hz, a fim de melhorar ou enfatizar a relação sinal-ruído. Na recepção é feito o processo contrário, ou seja, de-ênfase , que consiste na desacentuação das freqüências acima de 1.500 Hz. Com isso, o ruído adquirido no trajeto “ transmissão-recepção ” será bastante atenuado.
Índice de Modulação
O desvio sofrido pela portadora modulada em freqüência é diretamente proporcional à amplitude do sinal modulante. A figura 6 mostra como uma portadora pode ser modulada por um mesmo som mas com amplitudes diferentes.
Figura 6 – Portadora sendo modulada por um mesmo som mas com amplitudes diferentes
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Antes de passarmos adiante, convém recapitularmos as principais características da transmissão em FM que estudamos até aqui: a) no sistema de transmissão em Am, não se pode transmitir com alta fidelidade, pois a largura de faixa destinada a cada emissora é muito pequena (apenas 10 KHz). b) No sistema de transmissão em FM podemos transmitir em alta fidelidade praticamente todas as faixas de freqüências audíveis, pois cada emissora possui uma largura de faixa de 200 KHz. Por lei a máxima freqüência de sinal de áudio é de 15 KHz. c) O espectro de freqüência da faixa de FM vai de 88 a 108 MHz. d) O desvio máximo da portadora é de 75 KHz, isto é, o mais forte som que chega ao microfone provoca um desvio máximo na portadora de 75 KHz. e) A onda portadora é gerada por um circuito LC e controlado por um oscilador a cristal de quartzo, apoiado pelo detetor de erro. f) A onda portadora de FM é gerada em freqüência baixa, entre 1,37 MHz a 1,68 MHz aproximadamente, posteriormente multiplicada por 64 caindo dentro da faixa de FM.
Transmissor de FM com dois transistores e um diodo Varicap
A figura 7 mostra um circuito de um pequeno transmissor de FM com 2 transistores e um diodo Varicap. O alcance deste transmissor não é muito grande, mas é um circuito experimental muito interessante para quem gosta de novidades: possuindo um pequeno rádio de FM você poderá captar o sinal irradiado por ele a alguns metros de distância. O que torna este pequeno projeto interessante não é apenas o fato de ele possuir 2 transistores e ser alimentado por uma simples bateria de 9 V, mas sim o fato dele usar como elemento de sintonia uma das últimas conquistas da tecnologia eletrônica: o diodo Varicap.
Figura 7 – Circuito experimental de um transmissor de FM usando dois transistores e um diodo Varicap
Nota: C1, C 2 e C 3 deve ter tensão de isolação de 10V ou mais. C 4 , C 5 e C 6 são capacitores cerâmicos comuns. Todos os resistores são de 1/8 W.
Diodo Varicap
O diodo Varicap é um diodo comum mas que possui uma particularidade que o torna muito útil
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em circuitos sintonizados. Se polarizarmos o Varicap diretamente, isto é, tensão positiva no anodo e negativa no catodo, ele funcionará como um diodo comum, conforme mostramos na figura 8.
Figura 8 – Diodo Varicap polarizado diretamente
Por outro lado, se invertermos a polarização, ou seja, tensão positiva no catodo e tensão negativa no anodo, ele não conduzirá corrente elétrica e apresentará entre seus terminais uma capacitância.
Figura 9 – Diodo Varicap polarizado inversamente e seu circuito equivalente
O valor desta capacitância vai depender da tensão da bateria, quanto maior for a tensão da bateria, menor será sua capacitância e vice-versa, quanto menor for a tensão da bateria maior será sua capacitância.. A figura 10 mostra através do gráfico como varia a capacitância em função da tensão aplicada sobre o diodo.
Figura 10 – Gráfico que relaciona voltagem sobre o diodo Varicap e sua respectiva capacitância
Nota: Diodos Varicap usados em televisão e FM apresentam as seguintes capacidades: C 1 aproximadamente 3 pF C 3 aproximadamente 30 pF
A tensão máxima útil que se pode aplicar em um Varicap é por volta de 30 volts. Tensões acima de 30 volts não causam mais variação na capacitância do diodo pois ela já é a mínima possível. A figura 11 mostra um circuito LC usando diodo Varicap.
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Figura 13 – Estágio Amplificador de Áudio
No lugar do microfone pode ser usado um alto-falante qualquer, pois, como sabemos, o alto- falante transforma energia elétrica em energia sonora ao se aplicar uma tensão alternada em sua bobina móvel, criando um campo magnético alternado que, interagindo como o imã fixo do alto-falante, provoca movimentos no seu cone. O contrário também é verdadeiro, pois se aplicarmos um movimento no cone, a bobina móvel se moverá através do campo magnético do imã fixo, criando assim uma tensão em seus terminais. Portanto, quando se fala em frente do alto-falante surge uma tensão alternada que chega à base do transistor T 1 pelo capacitor eletrolítico C 1 (figura 13). No coletor de T 1 este sinal aparecerá com grande amplitude e será injetado no estágio oscilador- modulador pelo capacitor C 3. O potenciômetro P 1 serve para regular quantidade de sinal que vai para o oscilador, isto é, a amplitude do sinal. Logo, ele funciona como controlador do desvio da portadora, ou seja, controla a porcentagem de modulação.
Oscilador-Modulador
O transistor oscilador BF324 está polarizado na configuração de base comum ou base a terra e oscila devido à ação do capacitor C 5 de 10 pF, que produz uma realimentação positiva do coletor para emissor, condição necessária para que haja oscilação (figura 14).
Figura 14 – Estágio Oscilador-Modulador
A freqüência do oscilador depende da bobina L 1 , C 4 e da capacitância proporcionada pelo diodo Varicap. No ponto A, surge uma tensão de aproximadamente 6,8 V por causa do diodo Zener que
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estabiliza esta tensão e por meio do potenciômetro P 2 podemos variar a tensão sobre o diodo Varicap. Conseqüentemente, sua capacitância será variada e, portanto, a freqüência do oscilador – que depende da capacitância do Varicap – também variará. Se deixarmos P 2 num ponto qualquer, aparecerá uma determinada tensão sobre o Varicap e uma freqüência fixa será gerada no oscilador. Se agora aparecer um sinal de áudio pelo capacitor C 3 , haverá uma superposição da tensão de áudio sobre aquela tensão DC (veja a figura 15).
Figura 15 – Freqüência do oscilador sendo variada pela tensão sobre o diodo Varicap
Dessa forma, o diodo Varicap não receberá mais uma tensão DC pura, mas sim uma tensão DC com pequenas flutuações; logo, sua capacitância variará segundo a variação do sinal de áudio. Portanto, a freqüência do oscilador, que depende da capacitância do Varicap, também variará segundo a variação do sinal de áudio. Agora já se pode verificar que a portadora foi modulada em freqüência pelo sinal de áudio. A antena, que pode ser igual àquelas usadas em rádios portáteis ou um simples pedaço de fio de 1 metro, se encarregará de irradiar esta portadora. Dados da bobina L 1 - Φ fio
- 10 espiras de fio esmaltado # 18 AWG, com tomada na terceira
- diâmetro interno de 3,5 mm
- pode ser enrolada sobre uma broca de 3,5 mm (somente para dar o formato).
Figura 16 – Bobina L 1
Transmissão em FM Estereofônica
A transmissão em FM estereofônica veio dar uma nova dimensão aos sistemas de transmissão até então usados, pois sua invenção tornou possível a reprodução de um show com as posições relativas dos diversos instrumentos musicais nele usados, dando assim a sensação de que estamos diante da orquestra, assistindo o show ao vivo. A finalidade da FM estéreo é justamente nos dar a sensação de que a orquestra está ali, na nossa
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Esta subportadora (38 KHz), por sua vez, modula a onda portadora principal em freqüência. Note, porém, que a portadora principal carrega duas informações: uma é o sinal de áudio que a modula diretamente e a outra é o sinal de 38 KHz, que também a modula, carregando em sua amplitude uma informação de áudio. A subportadora é gerada inicialmente em 19 KHz. Essa freqüência é posteriormente dobrada, obtendo-se 38 KHz. A freqüência de 19 KHz esta praticamente no limite da faixa audível de freqüências, e a de 38 KHz esta fora dessa faixa. O receptor deve então ter um meio de retirar a informação de áudio que está modulando essa subportadora (demodulação). O sinal piloto de 19 KHz é transmitido justamente para criar essa condição no receptor e, já que o sinal piloto está acima de 15 KHz (praticamente no limite de freqüência audível) não será percebido por ninguém. Algumas emissoras transmitem pelo processo multiplex por questões financeiras, pois com o mesmo transmissor e a mesma portadora pode-se transmitir dois programas diferentes: um para os receptores normais e o outro para os receptores que têm condições de retirar as informações da subportadora de 38 KHz. O programa transmitido na subportadora só contém músicas, o que é bastante comercial e interessante para bares, restaurantes, hotéis, escritórios, fábricas, etc... O sistema multiplex poderia ser usado para transmissão estereofônica pois uma parte do programa iria modular a portadora e a outra parte modularia a subportadora mas por questões de compatibilidade (seria necessário um receptor de FM especial) este processo não foi aprovado.
Sistema Compatível
Após muitos estudos chegou-se a um sistema de transmissão estereofônica que realmente veio resolver de uma vez todos os problemas anteriores. Este processo tomou como base o sistema multiplex e conseguiu resolve o problema de compatibilidade, pois um receptor de FM comum pode captar a mesma transmissão se bem que não se percebe o efeito estereofônico por não possuir aquele estágio adicional que lhe daria a sensação estereofônica. Um receptor de FM estereofônico captaria a mesma transmissão mas perceberia o efeito estereofônico. Este novo tipo de transmissão ficou conhecido como processo de matriz. A figura 19 mostra um diagrama em bloco de um transmissor em FM estéreo compatível pelo processo de matriz.
Figura 19 – Diagrama em bloco de um transmissor de FM estéreo pelo processo de matriz
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O som proveniente do microfone L é adicionado ao som proveniente do microfone R, dano na saída do adicionador o sinal L + R que é todo o som do programa. Este som vai modular a portadora em freqüência e será irradiado. Se um receptor comum de FM captar essa portadora, reproduzirá o programa integralmente mas não estereofônico. O som proveniente do microfone R, após passar por um inversor de fase, é somado a L, dando na saída do subtrator o sinal L – R. Este sinal vai modular a subportadora de 19 KHz que, após passar pelo multiplicador de freqüência, aparece no modulador como 38 KHz. Essa modulação é feita em AM (amplitude modulada) ou seja, o som fará a amplitude da subportadora variar e esta mesma subportadora vai modular em freqüência a portadora principal, ou melhor, aquela que vai ser irradiada. O receptor de FM comum não reproduzirá as informações contidas na subportadora porque ela está modulando a portadora principal numa freqüência de 38 KHz (impossível de se ouvir). O mesmo acontece com a freqüência piloto de 19 KHz, que também modula em freqüência a portadora principal. A freqüência piloto é irradiada para se efetuar a decodificação no receptor, porque no momento que o sinal L-R modulou a subportadora de 38 KHz, o faz em SSB (Single Side Band). Esta modulação em SSB, ou seja, em “ Banda Lateral Suprimida” , é um sistema de transmissão bastante empregado pelo fato de ser muito eficiente pois, como sabemos, na transmissão em AM a maior parte da potência do transmissor é gasta para irradiar a portadora, que é eliminada ao chegar no detetor do receptor. No sistema SSB a onda portadora é eliminada no próprio transmissor, sendo irradiada somente uma pequena amostra para que no receptor seja possível fazer a deteção do sinal. Assim, quase toda potência do transmissor pode ser usada na transmissão da informação. A figura 20 mostra como se faz uma modulação em SSB onde o sinal modulante e a subportadora entram no estágio modulador de SSB; na saída após o filtro só aparece a banda lateral superior, sendo eliminadas portanto a banda lateral inferior e a subportadora.
Figura 20 – Sistema de modulação em SSB
Portanto, toda energia seria gasta para irradiar a subportadora ou portadora, mais a banda lateral inferior (BLI), é usada para transmitir a Banda Lateral. Por este motivo é que a freqüência piloto de 19 KHz também modula a portadora principal, pois se ela não estiver presente não será possível realizar a demodulação no receptor. Sobre o que foi dito até agora podemos concluir que: A onda portadora carrega duas informações, uma é o sinal L + R que contém todos os sons do programa e a outra pe o sinal L – R que contém o som proveniente do microfone L e o som proveniente
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