quarta-feira, 15 de janeiro de 2020

A transmissão AM não morreu... na verdade ela nunca existiu...

Ao longo dos anos, os radioamadores tem se utilizado de várias modalidades de transmissão. No passado, as regras e regulamentos permitiam o uso de certos tipos de modulação, especificamente em certas frequências. Infelizmente, porém, tais regras tornaram pouco claros os fatos atuais relacionados à modulação. Um bom uso do espectro requer uma cuidadosa seleção das modalidades de transmissão e, para tal, precisamos entender suas características.

A mais simples das modalidades é AM; quando a radiotelefonia foi inventada, ela empregava modulação em amplitude. Acreditou-se durante um bom tempo, e isso perdura um pouco até hoje, que AM consistisse da variação da potência de portadora transmitida, de acordo com o sinal de áudio. Na verdade, para se entender AM, só é preciso compreender o princípio de operação dos misturadores. Sempre que dois sinais são aplicados a um misturador, vão aparecer na saída os dois sinais originais, e também a soma e a diferença dos mesmos. Desse modo, se um sinal de 1MHz for misturado com outro de 1 kHz, a saída será constituída por quatro frequências: 1MHz, 1kHz, 0,999MHz e 1,001MHz.


E é exatamente isso o que acontece em um transmissor AM: o sinal portador passa por um misturador, juntamente com o sinal de áudio; este não chega a antena, por ser de frequência baixa demais, mas o mesmo não acontece com os sinais soma e diferença (ou bandas laterais), que são transmitidos. Assim, toda informação é transportada pelas bandas laterais, já que a portadora é invariável.

No receptor, aplica-se o mesmo processo ao sinal composto: as bandas laterais misturam-se com a portadora, produzindo frequências audíveis. É óbvio que a portadora, na transmissão, não tem nenhuma utilidade, podendo ser eliminada. E como as bandas laterais são idênticas, uma delas também pode ser dispensada, resultando numa grande economia de largura de banda.

A largura de banda para AM é igual ao dobro da maior frequência moduladora; para a voz humana, esse valor é de 6kHz. Já a largura de banda para SSB (single side band — banda lateral única), sem portadora, é igual à maior frequência moduladora menos a menor frequência moduladora, que no mesmo exemplo dá 2,7kHz. Essa economia permite que mais estações transmissoras ocupem o mesmo espaço no espectro.

O sinal da portadora é regenerado no receptor sempre que se utiliza a transmissão de portadora suprimida. Se a portadora for transmitida, ela se fará notar sob a forma de uma frequência audível em qualquer sinal AM próximo de sua influência; esse efeito de heterodinagem causava uma tremenda interferência na época em que AM era a modalidade dominante de transmissão e ainda hoje inferniza a vida dos adeptos da faixa do cidadão. Além disso, não é nada agradável saber que a maior parte da potência de saída do transmissor está sendo gasta na portadora. Em AM, ela deve ter uma amplitude maior que a soma das bandas laterais, quando se quer aproveitar 100% de modulação. E além de causar QRM, a portadora ajuda a aquecer o "shack" e a reduzir a vida útil dos componentes eletrônicos. É sabido, também, que um transmissor SSB de 200W é bem mais leve que seu correspondente em AM, decorrência de menores exigências sobre o equipamento.

Modulação em Frequência?


Mais recentemente, os radioamadores aderiram a uma modalidade chamada "modulação em frequência". Da mesma forma que AM não consiste de uma portadora com amplitude variável, FM é frequentemente descrita como uma portadora de frequência variável, e mais uma vez cometeu-se o mesmo erro. Modulação, na verdade, consiste na produção de bandas laterais, e não na manipulação de um sinal portador.

Qual a largura de banda ocupada pela FM? Na modulação AM DSB (Banda lateral dupla), ela é o dobro da máxima frequência modulante, mas em FM ela é bem maior que seu equivalente em AM. Isto porque a transmissão FM é composta por uma portadora, cuja amplitude varia, e várias bandas laterais. A qualidade superior de reprodução de áudio em FM e sua limitação de ruído mais aperfeiçoada são devidas à redundância inerente à mesma.

Bandas laterais em AM x envoltória efetiva. O sentido da banda lateral indica a fase.

Vamos examinar um sinal de FM e vejamos como "funciona". Antes, porém, um par de definições: índice de modulação é a variação da portadora dividida pela frequência de áudio que ocasionou tal variação. E razão de desvio é igual ao maior desvio dividido pela maior frequência de modulação. A razão de desvio indica a maior variação ocorrida.

Desvio? Não é lá muito fácil de explicar. Trata-se da variação aparente na frequência da portadora, extrapolada do efeito de se reduzir a frequência moduladora para zero. Na verdade, é uma característica bem menos útil do que pensamos, pois a frequência da portadora não varia: a frequência média é que é variada pela modulação, assim como a amplitude média de um sinal AM sofre os efeitos da modulação, pelo acréscimo das bandas laterais.

Na transmissão AM, as duas bandas laterais estão em fase. E como apresentam as mesmas variações ao mesmo tempo, a frequência aparente da envoltória não varia. Já em FM as bandas laterais estão defasadas e, por isso, em qualquer instante da transmissão, ou as bandas laterais inferiores ou as superiores dispõe de mais potência; portanto, o sinal varia em frequência.

Essa relação de fase cria alguns efeitos interessantes. Como a amplitude total não varia, é possível gerar tantas bandas laterais quantas quisermos, o que vai resultar em maior redundância e, consequentemente, maior fidelidade e precisão na reprodução. A potência da portadora é distribuída por todas as bandas laterais, alcançando o nível nulo em vários níveis do índice de modulação. É possível medir o desvio de um sinal banda larga pela determinação do número de vezes que a portadora cai a zero, quando a modulação é elevada.

FM banda estreita x FM banda larga

Para se determinar a fase relativa e a potência de cada banda lateral, é preciso recorrer a um conceito matemático chamado "Função de Bessel". Consultando os gráficos de Bessel, pode-se observar o comportamento dessas bandas (cada banda lateral significativa começa a subir rapidamente em um dado índice). Esses gráficos podem ser usados no cálculo da largura de banda de um sinal de FM, conhecidos o índice de modulação e as frequências. Pode-se utilizar também o método simplificado: largura de banda é igual a duas vezes o desvio mais o dobro da máxima frequência moduladora.

Função de Bessel mostrando amplitude e fase de várias bandas laterais.

A relação de fase entre bandas laterais é complexa, mas um fator é entendido facilmente: as bandas ímpares estão sempre defasadas entre si (essa diferença se verifica entre as bandas superiores e inferiores), enquanto as pares estão sempre em fase. Os sinais de AM possuem apenas um conjunto de bandas laterais, as ímpares, que estão sempre em fase. Uma diferença crucial, que se torna importante na modulação de fase.

A modulação de fase é similar à modulação em frequência, com uma grande diferença funcional: a resposta em frequência de FM é linear, ou seja, sinais de mesma amplitude produzem a mesma variação. PM, por seu lado, apresenta uma resposta crescente em áudio, com maiores frequências gerando maiores variações, a uma taxa de 6dB/8ª; em suma, a variação em PM é diretamente proporcional à frequência moduladora.

A modulação de fase pode ser usada como FM se a resposta de áudio for corrigida. A FM de comunicações, como aquela usada por radioamadores, é na verdade PM em muitos casos, com uma resposta de áudio que cresce ao longo da faixa. Isso leva o nome de pré-enfase, empregada em muitos sistemas de transmissão por FM. Na transmissão comercial, ela começa aos 400 Hz, elevando-se de 17dB aos 15kHz, a extremidade superior da faixa. Até mesmo gravadores magnéticos e discos fonográficos se utilizam da pré-ênfase, pelo fato do ruído ser linear em relação à frequência, fazendo com que a maior parte dele se localize na gama dos agudos. Os receptores dispõem de circuitos de de-ênfase, que restauram o balanço tonal e reduzem o ruído, ao mesmo tempo.

A pré-ênfase é necessária em FM por outra razão: como a qualidade da recepção depende do índice de modulação, e este cai com a elevação da frequência moduladora, a pré ênfase ajuda a manter o índice da gama dos agudos alto o suficiente para sobrepujar ruídos e interferências.

Um dos grandes benefícios da redundância de FM é o efeito de captura, através do qual um certo sinal pode cobrir completamente outro mais fraco, na mesma frequência. E isto funciona com ruído também, já que um sinal de FM plenamente "silenciador" pode estar apenas 3dB acima de outro totalmente ilegível, com um bom detector e uma taxa de desvio de mais ou menos 5, que é a padrão da transmissão comercial. Porém, se o desvio for reduzido, o efeito de captura resulta atenuado. A FM de banda estreita, como a que é utilizada nas repetidoras de 2 metros, possui um efeito de captura bastante reduzido, com sua taxa de desvio de 1,6 (5kHz de desvio e 3kHz de modulação.

Mas a modulação em fase revela quão parecidas são, na realidade, à transmissão AM e a FM banda estreita. Gera-se PM ao se deslocar a fase de uma portadora e o deslocamento de 1 radiano equivale a um índice de modulação unitário; na prática, entretanto, somente metade disso pode ser obtido com um modulador de fase e transmissão de boa qualidade deve apresentar um deslocamento menor. Aceitando o fato de que um modulador de fase só produz deslocamento suficiente para um conjunto de bandas laterais significativas, pode-se então utilizar o método de modulação Armstrong, desenvolvido pelo próprio inventor da FM, Edwin Armstrong.

Armstrong sabia que PM e AM diferiam principalmente na relação de fase, e produziu então um sinal com dupla banda lateral em um modulador balanceado, deslocou-o de 90 graus e reinstalou a portadora. O resultado, desde que a portadora tivesse potência suficiente, era PM. Esse sistema tem sido utilizado em transmissores comerciais, mas a multiplicação de frequência necessária é excessiva. Na transmissão em banda larga, a FM direta é bem mais simples. E observe que não há pretensão de se deslocar a frequência da portadora por meio do método de Armstrong.

Recepção de FM


A forma mais simples de se receber AM emprega um diodo demodulador. E a melhor forma emprega um detector síncrono, que tira proveito da redundância das duas bandas laterais; mas não é ainda uma prática muito comum. Os detectores a diodo não funcionam em FM, jé que as bandas laterais cancelam mutuamente as variações de amplitude e frequências de batimento. Assim, para se detectar FM inventou-se um sistema diferente: o discriminador.

O discriminador compara a quantidade de sinal acima da frequência central com aquela que está abaixo da mesma, e a tensão resultante vai refletir a modulação. O detector de razão é uma variação do discriminador que cancela automaticamente as variações de amplitude, tais como AM e ruído.

Um sistema mais recente se utiliza de um "phase-locked loop" (PLL ou laço fechado por fase). O PLL é uma parte de grande necessidade para o detector síncrono de AM, onde suas vantagens tornam obsoleto o velho sistema a diodo. No caso de FM o detector PLL tenta "travar" um oscilador na frequência de entrada, que parece variar com o valor médio das bandas laterais (ele age como se realmente existisse uma portadora variável). A vantagem mais importante está no fato de que o sistema PLL não precisa receber todo o sinal de FM, bastando apenas as primeiras duas bandas laterais de cada lado para que o "travamento" seja efetuado. Ao receber um sinal banda larga como se fosse banda estreita, o receptor pode dividir ruídos e interferências entre as bandas laterais dos extremos, às custas do silenciamento da banda larga. O detector PLL, além disso, segue os desvios com menor distorção que o discriminador, sem a necessidade de circuito de controle de frequência.

Frequência em modulação x desvio. (A) modulação em fase,
(B) FM direta, (C) pré-enfase de compromisso.

Então, o que é CW?


Já vimos que a portadora não varia em amplitude na transmissão AM e não varia em frequência, na FM. Vamos então aplicar nossos conhecimentos de telefonia AM tipo A3 na telegrafia tipo A1, ou seja, na boa e velha CW (onda contínua).

CW não passa de uma forma de AM, exibindo portanto largura de banda e bandas laterais. Estas são produzidas pelo chaveamento, já que uma variação na amplitude efetiva sempre gera bandas laterais. A largura de banda de um transmissor CW é determinada pelo filtro da chave manipuladora; se o tempo de subida do transmissor é curto (no caso de uma manipulação rápida), poderão surgir "clicks", que são bandas laterais mais amplas que o necessário. Por outro lado, se aquele tempo for extenso, os "dis" (pontos, na transmissão telegráfica) serão prejudicados por uma codificação rápida. Ao contrário do que se pensa, a velocidade de manipulação não afeta a largura de banda. Mas a velocidade potencial de manipulação sim e, por isso, um novato não deveria utilizar tão pouca filtragem de chaveamento como um operador Morse com prática.

Como CW é uma forma de AM (modulada por ondas quadradas, por assim dizer), conclui-se que o chaveamento (modulação) não deveria afetar a portadora. Eis aqui uma sequência lógica, verdadeira à sua maneira:

1. Na transmissão AM convencional, a amplitude da portadora não é afetada pela modulação. Formam-se as bandas laterais, responsáveis pelo transporte da informação; a amplitude composta da portadora + bandas laterais varia com o acréscimo e subtração da portadora e das próprias bandas.

2. Considere uma transmissão AM por modulação de grade (no caso de equipamento valvular): quando a forma de onda moduladora estiver em seu ponto mais negativo, a grade modulada alcança o ponto de saída nula no estágio; e em seu nível mais positivo, a válvula fornece a máxima saída. Tal sistema produz uma portadora e bandas laterais da maneira descrita acima.

3. Considere agora uma onda quadrada alimentando o estágio modulador: durante metade do ciclo, a válvula estará completamente cortada e durante a outra, conduz plenamente. A regra principal da transmissão AM permanece: portadora não-modulada pelas bandas laterais; o elevado conteúdo harmônico da onda quadrada produz amplas bandas laterais. Suavizando-se a forma de onda através de um filtro passa-baixas, na modulação, obtém-se uma redução na largura das bandas laterais.

4. Substitua essa onda quadrada por um sinal telegráfico. Permanecem as bandas laterais e a portadora intacta, mesmo a válvula ficando cortada durante boa parte do sinal. Isto é comum em CW; mesmo com o manipulador em descanso, a portadora continua ali.

Porém, você sabe tão bem quanto eu que assim que a chave é acionada, a portadora desaparece, certo? Mas instale agora um filtro estreito para CW (de 40Hz, digamos) e tente manipular rapidamente; você notará que a manipulação ficará suavizada, se não obliterada, pela ação do filtro. Isso pode ser melhorado através de um projeto bem preciso do filtro, mas tal ação é inerente em qualquer largura de banda, pelo fato das bandas laterais superiores estarem sendo cortadas pelo filtro. Se a largura de banda fosse teoricamente reduzida a uma fração de hertz, o sinal iria oscilar durante vários segundos. Estreitando o filtro ao infinito, teremos a portadora infinitamente presente; as bandas laterais estariam próximas à portadora e defasadas em relação a ela.

Caso você esteja completamente confuso agora, lembre-se apenas de que a onda portadora é somente um conceito matemático e, como muitos deles, transporta pouquíssima informação para qualquer um de nós.

— Artigo original em inglês:

73 Magazine (May 1976) page 110
AM is not Dead -- It Never Existed at All 
Fred R. Goldstein WA1WDS
https://archive.org/details/73-magazine-1976-05/page/n111



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