quarta-feira, 7 de abril de 2021

Multiplex - Como funciona o FM estéreo

Os equipamentos de som encontrados no mercado normalmente utilizam, entre os seus vários circuitos eletrônicos, um estágio denominado "Decodificador Multiplex", cuja função é permitir a reprodução dos sinais transmitidos em FM estéreo.

Os decodificadores multiplex geralmente empregam um circuito integrado bastante difundido, o "1310" (LM1310, CA1310, MC1310, entre outros).

O que é um sinal Multiplex

O sinal multiplex (ou apenas MPX) nasceu de uma necessidade: transmitirem-se ao mesmo tempo, através de uma única portadora de RF, as informações correspondentes aos canais esquerdo ("E") e direito ("D") de um sistema de áudio estereofônico.

Na época em que ele foi concebido, já havia a transmissão em FM monofônica e, portanto, o número de possuidores de receptores de rádio para esse tipo de emissão era muito grande.

Para que houvesse a chamada compatibilidade, ou seja, para que os receptores de FM monofônicos pudessem captar e reproduzir, logicamente em um só canal (recepção em mono), um sinal transmitido em FM estéreo, então foi desenvolvida a "Codificação Estéreo Multiplex".

Na figura 1 mostramos a constituição do sinal multiplex. Ele possuí basicamente, três componentes. A primeira delas está indicada por Sinal Soma (E + D), com uma faixa de frequência que vai desde 30 Hz, até cerca de 15 KHz. Esse sinal contém a informação completa de áudio, pois corresponde aos canais esquerdo (E) e direito (D) juntos, ou seja, trata-se do sinal que iria modular a portadora de RF do transmissor, caso tivéssemos uma emissão em FM monofônica.

Figura 1

A seguir há um sinal piloto de 19 KHz, com amplitude relativa de apenas 10%. A sua frequência é bastante estável, pois no transmissor ele é gerado por um circuito controlado a cristal.

Por fim existem duas faixas laterais, uma de 23 KHz até 37,97 KHz e outra de 38,03 KHz até 53 KHz resultantes da modulação de 38 KHz (obtida dos 19 KHz através de um dobrador), pelo Sinal Diferença (E - D). O processo utilizado é o AM-DSB/SC (modulação em amplitude com duas faixas laterais e supressão da sub-portadora de 38 KHz).

Em resumo numa transmissão FM estéreo, o sinal multiplex (ou apenas MPX), mostrado na figura 1, é que irá modular, em frequência, a portadora de RF do transmissor. Caso seja utilizado um receptor FM monofônico, o aparelho aproveitará apenas o sinal soma (E + D). Ao contrário se for empregado um receptor FM estéreo, o aparelho aproveitará todo o sinal MPX.

Localização do decodificador MPX em um receptor FM estéreo

Isto é mostrado, resumidamente, no diagrama em blocos da figura 2. O sinal de RF, captado pela antena, é injetado no sintonizador de FM, formado pelos estágios amplificador de RF, oscilador local e misturador. O sinal resultante (FI de 10,7 MHz) é amplificado, limitado e demodulado, quando então será recuperado o sinal MPX da figura 1.

Figura 2

É neste ponto que entra em ação o Decodificador MPX mencionado atrás. A sua função será de início, fazer a decodificação do sinal MPX, ou seja, recuperar os sinais soma (E + D) e diferença (E - D); isto é realizado com o auxilio do tom piloto de 19 KHz, presente no sinal MPX. Por fim, o decodificador MPX fornecerá, em suas saídas, as informações correspondentes aos canais "E" e "D" do sistema de áudio estereofônico.

Se o sinal soma for adicionado ao sinal diferença, teremos:

(E +D) + (E - D) = 2E

Por outro lado, se o sinal diferença passar por um inversor de fase (180º) e depois for adicionado ao sinal soma, teremos:

- (E - D) + (E + D) = 2D

Todas essas operações são realizadas pelo decodificador MPX. O fator "2" exerce apenas uma influência na amplitude dos sinais. O importante, contudo, é que foram recuperadas as informações correspondentes aos canais "E" e "D" do sistema de áudio estereofônico.

O integrado "1310"

Os primeiros estágios decodificadores MPX, quer valvulados, quer transistorizados, faziam uso de vários circuitos sintonizados LC, o que representava um sério problema na fase dos ajustes e calibração.

Com o aparecimento dos circuitos integrados, os decodificadores MPX sofreram uma grande simplificação, ao ponto de dispensarem por completo o emprego de bobinas, tanto fixas como ajustáveis.

Os CIs utilizados, atualmente, nos decodificadores MPX aproveitam uma técnica conhecida há muitos anos, chamada "Elo de fase sincronizada", ou apenas PLL ( do inglês Phase Locked Loop), mas cujo emprego só foi possível graças aos constantes aprimoramentos introduzidos nos processos de fabricação dos circuitos integrados.

Um CI bastante utilizado em nosso meio, e que emprega a técnica PLL para a decodificação dos sinais MPX, é o conhecido "1310". Ele é produzido por vários fabricantes de semicondutores, conforme ilustra a tabela 1.

Tabela 1 - Alguns fabricantes do CI "1310", equivalentes pino a pino

Os integrados "1310" são dispositivos monolíticos, bipolares, de silício. Eles são encapsulados em plástico e possuem 14 terminais, os quais estão dispostos na configuração DUPLO EM LINHA, ou apenas DIL (do inglês Dual In Line). Isto está indicado na figura 3.

Os decodificadores MPX com CI "1310", além de não utilizarem bobinas, apresentam outras vantagens, como: baixa distorção, um único ajuste (feito através de um simples trimpot) e, talvez a principal delas, que é o uso de poucos componentes externos (resistores e capacitores), o que permite a realização de montagens bastante compactas.

Figura 3

O CI "1310" visto por dentro

Apresentamos agora o diagrama em blocos simplificado do integrado que estamos analisando.

Basicamente, a sua estrutura interna pode ser dividida em três partes, as quais foram delimitadas por linhas tracejadas, na figura 4, e identificadas pelas letras maiúsculas "A", "B", "C".

A parte indicada pela letra "A" é o que se conhece por regenerador da sub-portadora de 38Khz. Como já foi dito, durante a transmissão a sub-portadora de 38Khz é suprimida. Assim, na recepção ela deverá ser regenerada (ou restaurada), a fim de possibilitar a decodificação do sinal MPX.

O estágio indicado por V.C.O. é um oscilador controlado por tensão (do inglês Voltage Controlled Oscillator), que trabalha na frequência de 76 Khz. Em seguida existem dois estágios divisores por dois. O sinal assim obtido é aplicado ao comparador de fase, juntamente com o sinal piloto, também de 19 Khz, extraído do sinal MPX de entrada (acoplado capacitivamente entre os pinos "3" e "11" do CI).

A função do comparador de fase é produzir um sinal que, depois de filtrado pelo L.P.F. ou filtro passa-baixas (do inglês Low Pass Filter) e amplificado, é transformado em uma tensão CC que irá controlar o V.C.O., fazendo com que ele fique "amarrado" (ou sincronizado) com o sinal piloto enviado pela emissora, de modo a proporcionar uma decodificação correta do sinal MPX. Quando isto ocorrer, o sinal de 19 Khz, fornecido pelo segundo divisor, estará em quadratura (diferença de fase igual a 90º) com o sinal piloto de 19 Khz da emissora.

O CI fornece, no seu pino "10", um sinal de onda quadrada em 19 Khz, com cerca de 3Vpp, que poderá ser utilizado para monitoração durante o ajuste do V.C.O.

A segunda parte do CI que estamos analisando, indicada pela letra "B", contém os estágios necessários para comandar duas chaves eletrônicas (comutador estéreo).

Uma parcela de tom piloto de 19 Khz é aplicada a um comparador de nível, juntamente com um sinal de 19 Khz (em fase) fornecido por um terceiro divisor por dois. Quando o piloto contido no sinal MPX de entrada exceder um nível pré-determinado, o comparador de nível produzirá um sinal que depois de filtrado por um outro L.P.F., será transformado em uma tensão CC que irá excitar um estágio disparador (Schmitt Trigger), de modo a acionar as duas chaves eletrônicas. A primeira delas fará com que o sinal de 38 Khz (saída do primeiro divisor por 2), que corresponde à sub-portadora regenerada pelo sistema PLL, seja enviada ao estágio decodificador MPX, com a fase correta para uma perfeita decodificação. A outra chave eletrônica conectará o pino "6" do CI à massa, de modo a excitar um LED externo (indicador de recepção em estéreo).

Se a recepção for em FM mono, o sinal piloto de 19 Khz não estará presente, o estágio disparador não será excitado e as chaves eletrônicas permanecerão abertas. Nesta situação, o estágio decodificador MPX enviará, para as saídas (pinos "4" e "5"), a mesma informação de áudio.

Por outro lado, se a recepção for em estéreo, e o sinal piloto tiver um nível adequado para permitir uma decodificação perfeita, livre de distorções, então as chaves eletrônicas serão acionadas. Como resultado da decodificação, nos pinos "4" e "5" do CI aparecerão as informações correspondentes aos canais "E" e "D", respectivamente.

A terceira parte do CI, identificada pela letra "C", contém um amplificador de áudio, um decodificador MPX propriamente dito, e um regulador de tensão.

O amplificador de AF recebe em sua entrada (pino "2"), o sinal MPX fornecido pelo demodulador de FM. Ele atua como um separador (ou Buffer) para o decodificador MPX, e fornece um sinal amplificado (cerca de 3 vezes) para os estágios comparadores. O acoplamento entre os pinos "3" e "11" é feito por um capacitor externo.

O regulador de tensão (entrada no pino "1") fornece as tensões de alimentação para os diversos estágios do integrado, proporcionando uma operação estável.

Figura 4 - Diagrama em blocos interno do CI "1310"

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