O que é Modulação?

Postado por leopedrini segunda-feira, 28 de fevereiro de 2011 08:01:00 Categories: Curso
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Quando pensamos em comunicação em um sistema de telecomunicações, a primeira coisa que nos vem à cabeça é alguém conversando com outra pessoa.

 

 

Embora possa parecer simples, a transmissão e recepção das informações é bem complexa, considerando as inúmeras possibilidades e cenários onde isso pode ocorrer.

E um dos principais esquemas envolvidos é o de modulação. Por isso, tentaremos entender melhor hoje o que é isso.

Nota: o nosso objetivo aqui é ser o mais simples e objetivo possível. Por exemplo, não chegaremos ao nível de demonstração de teoremas, como Nyquist e Shannon – envolvidos no tema. Essa leitura, ou aprofundamento entretanto é recomendada caso você tenha mais interesse no assunto. De qualquer forma, tentaremos passar as idéias e conceitos básicos. Posteriormente, vepois você poderá extender seus estudos, se for o caso, de maneira bem mais clara.

 

O que é modulação?

Vamos começar pela função básica de qualquer sistema de comunicação: transmitir a informação de um local para outro.

Falando simplesmente falando assim, parece um processo simples... mas não é!

Para tentar identificar os inúmeros conceitos e processos envolvidos, vamos considerar uma comunicação entre duas pessoas.

Se estas pessoas estiverem próximas, uma fala e a outra escuta.

 

Já podemos observar alguns conceitos básicos.

  • A potência da informação, no caso o som da voz, é dada pela capacidade dos pulmões de cada uma, que pode sussurrar, falar ou gritar.
  • O meio de transmissão dessa informação é o ar, ou espaço livre.
  • Quem fala é o transmissor, e quem escuta é o receptor.

 

Se estas pessoas estiverem muito longe, a comunicação precisa então de outro meio, como por exemplo uma linha telefônica ou um canal de rádio frequência.

 

Observe que agora introduzimos novos dispositivos digitais, alémde técnicas para permitir que a informação original – nesse caso a voz – seja trabalhada de forma que chegue até a outra pessoa.

A informação que sai do transmissor precisa ser alterada (modulada) para então ser transmitida. No receptor, deve ser feito o processo inverso, ou a demodulação dessa informação, convertendo a mesma para a informação original.

 

Mais conceitos...

  • Modulação: alteração de características do sinal a ser transmitido.
  • Demodulação, o processo inverso da modulação.

 

Tudo bem até aqui? Então vamos continuar...

A nossa voz, assim como a maioria dos sons encontrados na natureza, é analógica. Até existem transmissores puramente analógicos, como nas transmissões de AM e FM. Mas não vamos nos preocupar com isso, porque praticamente tudo hoje em dia é mesmo digital.

Antes da nossa voz ser transmitida, ela precisa ser convertida. Para isso, existem dispositivos digitais que convertem a voz analógica através de um processo de amostragem e quantificação.

 

 

O sinal analógico primeiramente é amostrado, e depois quantificado em níveis. Cada um desses níveis é então convertido para um número binário.

A seguir, vemos um sinal analógico (azul) com seu equivalente sinal digital (vermelho). Usando apenas 2 níveis, temos:

 

Já se usamos 4 níveis, temos por exemplo:

 

Um tipo específico de modulação, o PCM - Pulse Code Modulation é o método usado para converter o sinal de voz em sinal digital, e globalmente usado em telefonia. Entre a amplitude máxima e mínima do sinal são definidos 16 níveis (de 0 a 15), e esses números são codificados como binários (0000, 0001, ... , 1111).

 

Para a nossa voz é considerada uma largura de banda efetiva com limites de largura inferior em 300 Hz, e limite superiror entre 3500 e 4000 Hz. A taxa de amostragem é de 8000/s.

Temos um stream de 64 Kb/s: 8000 samples x 1 byte = 64,000 bits/second (64 kb/s).

Tudo bem, nesse ponto já temos então o sinal da nossa voz representado digitalmente - números binários.

Agora vamos ver como as outras técnicas de modulação digital?

A modulação digital tem vantagens sobre a analógica. Por exemplo, é muito mais fácil recuperar o sinal, pois evitamos o acúmulo de ruído e distorções – comparando com a modulação analógica.

Além disso, os streams de bits digitais são muito mais apropriados para vários esquemas de multiplexação.

 

Mas embora as vantagens sejam grandes, a modulação digital também tem suas desvantagens. A principal é que ela requer mais largura de banda que os métodos analógicos correspondentes.

E aí entram as técnicas desenvolvidas para minimizar esse problema.

A compressão do sinal digital: para reduzir o número de bits necessários para transportar a mesma informação. A utilização de técnicas avançadas de modulação: aumentando o número de bits transportado por Hertz ou largura de banda - QPSK, DQPSK, GMSK, etc...

 

Então, vamos falar um pouco sobre essas técnicas de modulação.

Primeiro, vamos nos acostumar com as características de modulação (alteração) do sinal de RF basicamente podem ser de 3 tipos:

  • Frequência
  • Amplitude
  • Fase

A figura a seguir ajuda a entender isso, onde vemos uma onda de referência – a primeira - e suas correspondentes modulações alterando a frequência (1), amplitude (2) e fase (3).

 

Todas essas técnicas alteram um parâmetro no sinal senoidal de alguma forma, representando a informação que vamos mandar.

Vamos agora fazer mais uma pequena analogia, que vai nos ajudar a fixar os conceitos de modulação.

Imagine uma pessoa, a noite, em um apartamento como o da figura abaixo, com duas janelas. Suponha também que essa pessoa deseja se comunicar com sua namorada, distante dali.

 

Essa pessoa combinou com a namorada que se ele acender a luz da direita, significa 1. Se acender a luz da esquerda, significa 0.

Esse sinal tem então uma dimensão, já que a pessoa usa apenas uma dimensão (anda de um lado para outro) para indicar uma mudança de símbolo.

Quando ele acende uma luz, temos um símbolo. (Como temos 2 janelas, temos 2 símbolos. Nesse caso um símbolo representa um bit).

Parabéns, você acabou de conhecer uma primeira técnica de modulação por fase: BPSK!

 

BPSK

BPSK significa modulação Binary Phase Shift Keying.

Essa modulação utiliza um sinal senoidal, e varia a sua frequência para transmitir a informação. No nosso exemplo, acendendo a luz de cada janela.

Cada símbolo é sinalizado através da mudança de posição. No BPSK, é sinalizado pela mudança da fase do sinal senoidal: uma com fase 0, e outra com fase 180 graus.

Então, conseguiu entender?

Trazendo para o eixo x-y, o sinal BPSK precisaria apenas do eixo x. Considerando o nosso sinal como um vetor, é como se ele alternasse de um lado para outro desse eixo.

Na verdade, o eixo aqui não é mais chamado x-y, e sim I-Q. A letra I significa uma portadora 'In Phase' com o sinal da portadora. E a letra Q significa em 'Quadrature' (ou perpendicular). Então, temos a figura abaixo representando a modulação BPSK.

 

Como exemplo, veja como é transmitida a sequência de bits 0110 usando modulação BPSK. Nota: Para efeitos de demonstração, usamos a frequência de 1 Hz, onde fica fácil de vermos as variações. Na realidade, essa frequência é muito maior, mas ficaria de expor o que queremos.

 

QPSK

Agora vamos voltar ao exemplo dos namorados.

Suponha que agora o namorado tenha se mudado para um apartamento diferente, como mostrado a seguir.

Agora, veja que ele combinou um novo código para cada luz que fosse acendida. Em outras palavras, cada símbolo carrega 2 bits. Por exemplo, se ele acender a luz direita do andar de cima, significa 11.

 

Provavelmente você já fez a analogia com o eixo x-y, ou melhor, I-Q:

 

OQPSK

Offset QPSK é uma variação do QPSK, onde apenas um dos canais I ou Q podem varia por vez. O objetivo é oferecer melhor performance em algumas aplicações, com uma menor taxa de erros de bits. O sinal fica mais 'amigável' para o transmissor.

No exemplo do casal de namorados, o rapaz que estivesse na janela direita do andar de cima só poderia ir para baixo ou para o lado.

 

No diagrama abaixo você pode ver as possibilidades de transição de OQPSK, e do QPSK.

 

FSK

Na modulação FSK – Frequency Shift Keying o sinal da portadora tem sempre a mesma amplitude, e nunca sofre mudanças discontínuas de fase. Esse sinal é alternado entre duas frequências, de acordo com o valor dos bits.

Esse tipo de sinal é chamado de constante-envelope, e sofre menos distorções em aplicações com amplificadores de alta potência.

 

MSK

Minimal Shift Keying é um tipo particular do FSK, na qual o desvio da frequência de pico é igual a metade da taxa de bits.

 

Esta separação de frequência mínima permite a detecção orthogonal dos dois estados binários.

Esse tipo de modulação apresenta muitas vantagens. Tem uma eficiência espectral melhorada, comparada aos demais esquemas de modulação PSK. É do tipo envelope constante – como já falamos, e sofre menos distorções em aplicações com amplificadores de alta potência. No caso de aprelhos celulares, isso acaba contribuindo para um menor consumo de bateria- boa coisa, não?

Tem ainda boa performance de BER – é mais imunes a ruídos, já que a maioria dos ruídos são baseados em amplitude, e apresenta capacidade de auto-sincronismo.

 

GMSK

GSMK é basicamente o sinal MSK aplicado em um filtro Gaussiano, que reduz a velocidade das rápidas transições de frequências, que antes acabavam espalhando a energia nos canais adjacentes. Com isso o espectro de modulação acaba sendo ainda mais reduzido.

 

Bem, mostramos apenas alguns dos esquemas de modulação existentes. De qualquer forma, estes são os principais, e o nosso objetivo inicial – o conceito de modulação - já foi demonstrado.

 

Outros Esquemas de Modulação

Embora esquemas de modulação complexos sejam capazes de encapsular grandes quantidades de dados em uma largura de banda relativamente pequena, eles são bem mais vulneráveis a ruídos e distorções durante a transmissão.

Outros importantes esquemas de modulação são:

  • π/4 DQPSK
  • 8PSK
  • 16 QAM
  • 64 QAM

Uma explicação mais detelhada destes tipos fica então para outra oportunidade, até porque já nos estendemos demais por hoje.

Para finalizar, segue uma tabela com algumas comparações de esquemas de modulação.

 

Conclusão

Este foi uma breve explicação sobre modulação, esquema utilizado para alteração de características do sinal a ser transmitido, permitindo uma maior eficiência nesse processo.

Foram explicados os conceitos básicos, e conhecemos alguns dos principais tipos de modulação, principalmente as usadas em Telecom e TI.