quarta-feira, 13 de novembro de 2019

Banda Lateral Única ou SSB

Os princípios básicos da geração, transmissão e recepção dos sinais SSB.


A modulação em banda lateral única, ou SSB (Single Side Band), apresenta nítidas vantagens na comunicações, sendo uma das mais importantes a economia do espectro de frequências, já tão congestionado. Quando comparada à modulação AM convencional, conclui-se que a modulação SSB ocupa apenas metade do espaço do espectro, proporcionando o dobro de canais em uma determinada porção da faixa de frequências. Um bom exemplo disso é a Faixa do Cidadão, em torno dos 27 MHz, onde cabem atualmente 80 canais de AM, enquanto em SSB este valor se duplica para 160 canais.

A modulação SSB, além disso, é muito mais eficiente que a modulação AM. Nesta, grande parte da potência fica concentrada na portadora de RF; em contraste, a modulação SSB suprime a portadora e concentra a maior parte da potência no sinal de uma das bandas laterais, que transporta as informações. Isto, aliado à maior imunidade quanto à variação seletiva de nível de sinal, fornece uma "potência de fala" superior a qualquer outro tipo de modulação.


As bases da modulação SSB


Para que se possa transmitir um sinal à distância, a informação é sobreposta a um sinal de RF. Este serve de "portador" (daí o nome de "portadora", dado à frequência de RF) para a informação de baixa frequência. A comunicação bem sucedida depende da utilização adequada das propriedades da portadora, assim como do emprego eficiente da energia transmitida.

A informação pode ser sobreposta à portadora de RF modificando-se (ou modulado-se) a mesma, como resultado da variação de sua frequência, sua amplitude ou ambas. A técnica da frequência modulada (FM), da amplitude modulada (AM) e da frequência e amplitude moduladas simultaneamente (AM/FM), podem tomar uma grande variedade de formas.

A modulação AM, em sua forma básica, é talvez a mais fácil de se produzir. Nesse caso, para se imprimir uma modulação de áudio-frequência (AF) em uma portadora de RF, faz-se variar a amplitude da portadora, de acordo com a amplitude instantânea do sinal de AF, num processo conhecido como "misturação". Na figura 1, as formas de onda de áudio e da portadora são combinadas para produzir o sinal modulado de RF, visto da parte inferior da ilustração.Observe que a amplitude pico-a-pico relativa do sinal modulado varia conforme a amplitude relativa do sinal modulador de áudio.

Figura 1 - Na modulação em amplitude (AM), uma frequência de áudio é combinada com
uma frequência de RF, de forma a produzir uma forma de onda, cuja envoltória varia,
em frequência e amplitude, conforme o sinal de áudio.


Matematicamente falando, o sinal de amplitude modulada contém várias frequências discretas, para cada combinação de portadora e áudio. Como se pode ver na figura 2A, o resultado da modulação consiste, basicamente, dos dois sinais originais, áudio e portadora, além de dois sinais adicionais, cujas frequências são o resultado da soma e da diferença dos sinais de AF e RF. Chamadas de "frequências laterais", essas duas frequências adicionais encontram-se igualmente espaçadas, uma em cada lado da frequência da portadora de RF (existem, na verdade, uma série de outras frequências adicionais, inclusive as harmônicas das entradas e saídas e os resultados de suas "misturações"; entretanto, tais frequências podem ser consideradas quase que desprezíveis e assim ignoradas, em nossa análise).

Figura 2 - Em "A", componentes do sinal de AM e, em "B", do sinal SSB.


Quando o sinal de áudio varia em frequência e amplitude, como é o caso da voz, as frequências laterais seguem-no religiosamente, produzindo aquilo que é chamado de "bandas laterais", em ambos os lados da frequência portadora. As bandas laterais formam a envoltória característica da forma de onda modulada e contém toda a informação original do sinal de áudio, sendo uma a imagem perfeita da outra. Com uma modulação de 100%, a portadora exige o dobro da potência total das duas bandas laterais juntas, sem carregar informação informação alguma. Além disso, já que as duas bandas laterais são exatamente iguais, apenas uma delas é necessária para que a comunicação aconteça. Analisando todos esses fatores, em conjunto, verifica-se que a potência remanescente, depois de retirada a parcela exigida pela portadora, deve ser dividida, ainda, entre as duas bandas laterais, o que reserva para cada uma delas somente 25% da potência total, nas melhores condições de modulação. Assim, a informação útil ficará com um quarto da potência total, no máximo.

Na comunicação SSB, uma das bandas laterais e a portadora são eliminadas. Feito isto, o sinal de áudio ainda mantém sua amplitude e frequência originais. A informação de frequência é transmitida como a diferença entre a referência da portadora e as frequências laterais. A informação de amplitude é caracterizada pela própria amplitude das frequências laterais. Assim, uma das bandas laterais de uma onda modulada em amplitude pode transportar o sinal de áudio, caso a frequência de referência da portadora original esteja disponível. A supressão da portadora e de uma das bandas laterais permite que toda a potência seja concentrada apenas no sinal que leva a informação (veja a figura 2B), multiplicando a eficiência da comunicação, enquanto exige a metade da banda de frequências normalmente requerida, em AM.

Um fato interessante sobre o sinal SSB é que ele simplesmente desaparece, na ausência de modulação (em AM, ao contrário, a portadora está presente, independentemente da modulação). Em outras palavras, a portadora tem suas bandas laterais apenas durante a modulação. Em SSB, a filtragem de todos os componentes, exceto uma das bandas laterais, faz com que esta desapareça quando cessa a modulação.

O excitador SSB

Ao contrário da AM convencional, o sinal SSB é produzido, geralmente, a um nível baixo de potência, em um estágio separado do transmissor, conhecido como "excitador". A saída do excitador é transformada, em um misturador, na frequência de transmissão desejada, a qual é depois amplificada até o nível requerido de potência (veja a figura 3).

Figura 3 - Diagrama de blocos básico de um transmissor SSB


O modulador balanceado, um certo tipo de misturador que suprime a portadora na saída, é um elemento básico do excitador SSB. A figura 4 mostra os tipos básicos de modulador balanceado: paralelo, série e em anel (ou duplamente balanceado); os tipos paralelo e série podem conter 2 ou 4 diodos, estes últimos sendo chamados de moduladores "ponte".

Figura 4 - Tipos de moduladores balanceados, utilizados em SSB.


A operação de um modulador balanceado pode ser visualizada como um sinal de áudio sendo ativado e desativado ao ritmo (ou seja, frequência) da portadora de RF. Se o modulador estiver balanceado, a portadora é cancelada e somente permanecem as duas bandas laterais, na saída; esse balanceamento é atingido pelo "casamento" preciso dos diodos, através de ajuste. Assim, em um circuito perfeitamente projetado e "casado", a supressão da portadora pode chegar aos 50 dB.

O modulador em anel proporciona uma boa supressão de portadora, com tensões maiores na saída e menor quantidade de produtos indesejáveis resultantes da misturação, em relação aos moduladores série e paralelo.

Após obter-se um sinal de dupla banda lateral (DSB - Double Side Band), com portadora suprimida, no modulador balanceado, é preciso agora remover uma dessas bandas, por meio de filtragem. Essa não é uma tarefa muito simples, devido ao fato das duas bandas laterais estarem bastante próximas entre si, em frequência. Assim, por exemplo, se a menor frequência moduladora for igual a 300 Hz, as bandas laterais estarão espaçadas de apenas 600 Hz. Portanto, a filtragem deve ser efetuada por um filtro com um Q (fator de mérito) elevado, uma banda de passagem estreita e inclinações abruptas. Na figura 5A, foi efetuada uma comparação entre um filtro ideal, um filtro de cristal ou cerâmica com múltiplos polos e um filtro LC convencional. Pelas curvas apresentadas, é óbvio que a escolha normal em SSB recai no filtro de cristal ou cerâmico.

Figura 5 - Em "A", comparação entre os filtros LC, cristal ou ou cerâmico e o ideal.
Em "B", alguns blocos de um excitador SSB.

Já que o filtro é projetado para uma frequência fixa, é preciso usar algum método que permita a seleção entre a banda lateral superior e a inferior. Pode-se, nesse caso, empregar dois filtros dispendiosos; no entanto, é preferível, por ser mais simples e econômico, chavear a frequência portadora no modulador balanceado. A título de exemplo, vamos imaginar que a saída do filtro deva ser a banda lateral superior; sendo assim, o oscilador da portadora pode ter sua frequência elevada de uma quantia fixa (3 kHz, em geral), de modo que o sinal correspondente à banda lateral inferior esteja na frequência do filtro. Como o oscilador da portadora é controlado a cristal, a mudança da banda lateral superior para a inferior, e vice-versa, pode ser executada facilmente, pela comutação de cristais, como mostra a figura 5B.

O excitador "fasador" constitui um outro tipo que pode ser encontrado em equipamentos SSB. Ele possui dois moduladores balanceados e dois sistemas de desvio de fase, sendo um para o sinal de áudio e outro para a portadora. As saídas dos moduladores são combinadas de tal forma, que uma das bandas laterais resulta reforçada e a outra suprimida. Tal processo requer um crítico fasamento para cada frequência, caso não haja uma transformação de frequência. Uma outra desvantagem está em sua complexidade, que é bem maior que aquela do método por filtro.

Conversão de frequência


Já que os requisitos da filtragem obrigam o excitador a trabalhar em uma frequência fixa, deve-se utilizar um dispositivo que faça a conversão da saída do excitador para a frequência de operação. O conversor consiste num misturador, com uma saída sintonizada e um oscilador, o qual pode tanto ser fixo como variável, dependendo das necessidades. O misturador produz a soma e a diferença dos sinais do excitador e do oscilador, e a saída sintonizada do misturador fornece apenas a frequência de transmissão.

Para melhor visualizar esse processo, observe a figura 6. Ali, um sinal SSB de 9 MHz, misturado a uma frequência do oscilador, igual a 19 MHz, dá origem às frequências de 10 e 28 MHz, respectivamente a diferença e a soma das outras duas. A saída sintonizada permite apenas a passagem do sinal de 28 MHz, que adquiriu a modulação SSB do sinal de 9 MHz. Esse sinal pode agora ser amplificado e transmitido.

Figura 6 - Estágio típico de conversão


A conversão de 9 para 28 MHz é conhecida como "conversão elevadora". De maneira similar, a "conversão redutora" pode ser utilizada para converter os 9 MHz em, digamos, 7 MHz. Se uma determinada faixa de frequências, tal como a de 28 a 28,5 MHz, é a que interessa, pode-se empregar cristais comutáveis de 19 a 19,5 MHz no conversor. Isto entretanto, pode se tornar problemático, caso muitas frequências sejam necessárias. Frequentemente, um oscilador de frequência variável (VFO) toma o lugar no conversor, de forma a permitir uma cobertura contínua de uma determinada faixa de frequências. N exemplo dado, um VFO com uma banda de 500 kHz, cobrindo desde os 19 até os 19,5 MHz, pode servir, devendo porém, ser suficientemente estável para detectar qualquer variação em frequência.

O conversor proporciona duas escolhas para a frequência do oscilador, que irão produzir a saída desejada. Seguindo o exemplo já fornecido, um oscilador de 37 MHz iria originar as frequências de 28 e 46 MHz. A escolha entre essas duas frequências vai depender de uma série de fatores, que inclui a estabilidade do oscilador, a eficiência do oscilador, a estabilidade do cristal e o custo. Se a diferença de frequências (37 - 9 MHz) for a escolhida, irá ocorrer uma inversão da banda lateral, o que significa que, se a saída do excitador (9 MHz) é a banda lateral superior, a saída do conversor será a banda lateral inferior (28 MHz). Tal fenômeno não ocorre quando a soma de frequências é escolhida.

Amplificadores lineares


Assim que o sinal SSB, em sua frequência final, é gerado, deve ser amplificado para alcançar o nível adequado de saída. Tanto os sinais SSB como os de AM podem sofrer severas distorções, devidas as quaisquer não linearidades dos amplificadores de potência. Em um transmissor de AM, esse problema é geralmente evitado, modulando-se a portadora no estágio final de RF. Essa modulação em "nível elevado" não pode ser empregada num transmissor SSB, onde um sinal de baixo nível, saído do excitador, deve ser bastante amplificado. Por tal razão, é muito importante que os estágios amplificadores sejam extremamente lineares, de modo a limitar a distorção ao mínimo.

A distorção criada pelas imperfeições do amplificador pode aparecer juntamente com o sinal SSB e em torno do mesmo, a níveis apreciáveis de potência. Tal distorção é produzida de maneira similar àquela do misturador. Ilustrando, podemos imaginar um sinal de teste, com as frequências de 500 e 900 Hz, sendo aplicado à entrada de áudio, utilizando-se um sinal da banda lateral superior, igual a 1000 kHz; sendo assim, a modulação irá aparecer em 1000,5 e 1000,9 kHz.

 Na figura 7, estão representados os resultados de menor ordem da distorção, produzidos devido à combinação harmônica. Observe que alguns desses componentes situam-se dentro da banda de passagem normal, enquanto outros estão adjacentes a ela. Tais componentes indesejáveis podem causar séria interferência aos canais contíguos e, em casos extremos, até deslocar frequências.

Figura 7 - Componentes de distorção, criados por não-linearidades do amplificador
de RF, juntamente com as frequências normais de transmissão.


Existe, ainda, uma outra fonte de distorção, que pode ser confundida com a falta de linearidade do amplificador de potência: trata-se da distorção criada na entrada de áudio, devido ao excessivo ceifamento ou à excessiva compressão, nos estágios de áudio, ou, também, devido à sobremodulação.

Aquele sinal de teste com duas frequências pode também ser utilizado para determinar a potência de um sinal SSB. Na figura 8, pode-se observar a forma de onda de um sinal SSB com duas frequências; o sinal está especificado sob a forma PEP (peak envelope power - potência do pico da envoltória) e é formado por dois componentes de igual amplitude. O valor PEP pode ser calculado, elevando-se ao quadrado o valor RMS da tensão de pico da envoltória (Ep), e dividindo o resultado pelo valor da resistência de crga (R). Matematicamente: Ep2 / R.

Figura 8

No caso do sinal com duas frequências, o valor PEP é igual ao dobro da potência média dissipada pela carga.

Recebendo sinais SSB


O receptor SSB é similar a qualquer outro receptor super-heteródino (veja a figura 9). Do mesmo modo que se verifica nos receptores AM, as não linearidades dos amplificadores de RF ou FI irão causar distorções.

Figura 9 - Receptor SSB básico

E a distorção causada pela sobrecarga do amplificador é reduzida pelo controle automático de ganho (CAG).

Esse estágio, o CAG, deve ser projetado diferentemente, no caso da recepção SSB, pois ao contrário do AM, onde a portadora existe, mesmo sem modulação, o sinal SSB desaparece completamente na ausência da mesma, conforme já havíamos visto. Por tal razão, o CAG deve reduzir rapidamente o ganho do amplificador, ao detectar um forte sinal SSB, e , por outro lado, deve poder aumentá-lo muito lentamente, quando o sinal desaparece. Essa resposta tipo operação rápida / "desoperação" lenta compensa as pequenas pausas que sempre existem durante uma conversa. Em certos receptores, o tempo de "sustentação" do CAG pode ser ajustado à vontade.

O amplificador de RF, o misturador e o oscilador local são semelhantes àqueles encontrados em receptores AM. O amplificador de FI, entretanto, pode ter uma banda passante bem mais estreita, já que o sinal de SSB, como foi visto, tem uma "largura" que é menos da metade daquela de um sinal AM. Ao se reduzir a banda de passagem da FI, ganha-se ainda na redução de potência total de ruído entregue ao detector. Normalmente, a frequência do oscilador local é selecionada de forma que o filtro mecânico ou a cristal, de Q elevado, do excitador, possa servir também como filtro de FI.

A demodulação SSB é radicalmente diferente da detecção AM, pois, como já sabemos, o sinal SSB varia em frequência a partir de uma referência, dependendo da frequência do sinal modulador. Como essa referência era originalmente suprida pela portadora de RF, é preciso simulá-la novamente, no receptor, de forma a criar algo com que comparar a frequência do sinal SSB. Portanto, o receptor deve injetar uma portadora simulada em seu detector, por intermédio de um oscilador de reinserção de portadora ou um oscilador de frequência de batimento. Este último é geralmente controlado a cristal, de modo a manter um elevado grau de estabilidade.

A frequência do oscilador de batimento depende da própria frequência do sinal (em outras palavras, se ele é da banda lateral superior ou da banda lateral inferior). No caso de banda lateral superior, a frequência desse oscilador deve ser menor que a frequência do sinal; com a banda lateral inferior, tal frequência deve ser maior que a frequência do sinal. O processo de comutação de cristais muda a frequência do oscilador de batimento, desde a extremidade inferior da banda passante de FI até a extremidade superior, para receber a banda lateral superior ou inferior.

O verdadeiro processo de detecção pode ocorrer em um detector integrador tipo AM, após a inclusão do sinal do oscilador de batimento. No entanto, pode-se obter uma detecção de muito maior qualidade com um detector de produto (alguns exemplos desse detector estão na figura 10).

Figura 10 - Dois tipos de detector de produto, empregados em demodulação do sinal SSB.

A qualidade do sinal de áudio recebido depende, em grande parte, de quão próxima está a portadora reinserida da frequência da portadora original. Para permitir que haja um pequeno desvio ou desalinhamento entre o sinal transmitido e o oscilador local e de batimento, do receptor, é preciso incluir, no mesmo, um meio que possibilite que um deles, ou ambos, sejam calibrados. O "trimmer" empregado nesses dois osciladores recebe vários nomes, o mais popular sendo "controle de sintonia fina" e, no caso dos tranceptores da Faixa do Cidadão, "clarifier" (clarificador). Em alguns receptores mais sofisticados, tal função é desempenhada por um controle automático de frequência, semelhante, em função, ao CAF empregado nos receptores de FM. Sem a presença desse tipo de controle, seja manual ou automático, as mensagens recebidas seriam ininteligíveis.

Concluindo

O uso da modulação SSB oferece vantagens reais na comunicação moderna. Especialmente nas altas frequências, a modulação SSB conserva um valioso espaço no espectro. Nos casos em que a potência total de saída é limitada por lei, a SSB concentra toda a potência no sinal útil de informação, proporcionando uma maior gama de comunicação e maior confiabilidade. Se, por outro lado, a potência máxima for limitada pelas válvulas ou transístores da saída, a modulação SSB proporcionará uma elevação da eficiência total. De fato, pode-se demonstrar facilmente que, comparado a um sistema de transceptor AM, o sistema SSB, empregando componentes similares, pode proporcionar um aumento efetivo de 9 dB no desempenho do conjunto.

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