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A Onda Eletromagnética

Introdução aos Receptores de Rádio AM/FM- Wilson Carvalho de Araújo

A Onda Eletromagnética

Na comunicação via rádio, as informações são convertidas em sinal elétrico, amplificadas e tratadas convenientemente para depois serem lançadas ao ar (meio de transmissão).

O sinal elétrico que chega à antena transmissora varia de acordo com as informações codificadas. Este sinal elétrico, por sua vez, provoca o surgimento de um campo elétrico e um campo magnético. Esses campos, por serem provocados por um sinal variável, também serão variáveis (variação esta, correspondente ao sinal elétrico).

Um campo elétrico variável provoca o surgimento de um campo magnético também variável, e a variação de um campo magnético provoca o surgimento de um campo elétrico (corrente elétrica induzida). Se gerarmos inicialmente um sinal elétrico variável, cria-se a seqüência:

que se propaga no espaço com a velocidade de 300.0 Km/s e é denominada onda eletromagnética. Sabendo-se a freqüência dessa onda, podemos determinar seu comprimento segundo a fórmula:

λ=c velocidade da luz (m/s)

ffreqüência (Hz)

Sua propagação se dá de uma forma tal que a direção de propagação do vetor campo elétrico seja sempre perpendicular a do campo magnético.

A posição da antena transmissora define o posicionamento do campo elétrico no espaço, definindo o tipo de polarização da onda (vertical ou horizontal) e a posição da antena receptora (que também deve obedecer essa polarização para que se obtenha o rendimento máximo).

A Portadora RF:

Sinais de baixa freqüência, como a faixa de áudio (AF - Audio Frequency - 20Hz a 20KHz), tem pouco alcance numa transmissão. Verificamos, também, que freqüências maiores atravessam o meio ambiente com maior facilidade e com menor dispersividade que as baixas freqüências (maior direcionalidade).

Para transmitir sinais de baixa freqüência, como áudio, a grandes distâncias, torna-se necessário introduzir características de altas freqüências nestes sinais para que atravessem o meio de transmissão com a maior facilidade possível.

A solução encontrada foi gerar um sinal na faixa de RF (Radio Frequency - ondas acima de 30KHz) e moldar este sinal com as características das informações que se deseja transmitir. Este sinal de RF é denominado portadora (pois serve de transporte às informações) e o processo de moldagem dessa portadora é denominado modulação. No receptor de rádio a portadora é detectada e a informação original (AF) é demodulada (extraída da portadora).

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Para classificar as ondas eletromagnéticas temos as seguintes denominações:

faixa nome significado aplicação 3KHz a 30KHzVLFVery Low Frequenciescomunicação embarcação-costa, sonares.

30KHz a 300KHzLFLow Frequenciesnavegação marítima.

300KHz a 3MhzMFMedium Frequenciesnavegação, radiodifusão AM-OM, telegrafia, radioamadorismo.

3MHz a 30MHzHFHigh Frequenciesradiodifusão AM-OC, radioamadorismo, televisores, uso industrial e científico.

30MHz a 300MHzVHFVery High Frequenciesradioamadorismo, TV, radiodifusão FM, aviação.

300MHz a 3GHzUHFUltra High Frequenciesradioamadorismo, metereologia, TV, telefonia, radar (aeroportos).

3GHz a 30GHzSHFSuper High Frequenciesradares, radialtímetros, satélites.

30GHz a 300GHzEHFExtremally High Frequenciessatélites, uso experimental, uso governamental.

Propagação das Ondas Eletromagnéticas:

Em função da faixa de freqüências a ser transmitida, podemos dividir os tipos de propagação das ondas em três grandes grupos:

•Ondas terrestres: onde a superfície da Terra se comporta como um condutor para a onda eletromagnética; são características das freqüências inferiores a 3MHz (VLF, LF e MF).

••••Ondas espaciais (ionosféricas): onde o princípio de propagação encontra-se na reflexão da onda nas camadas ionosféricas; ocorre entre 2MHz e 30MHz, característico principalmente das comunicações em HF.

••••Ondas de visada direta: onde a propagação se dá apenas em linha reta, sujeita aos fenômenos de reflexão, difração e absorção em obstáculos; ocorre em freqüências acima de 30MHz (VHF, UHF, SHF e EHF).

A Ionosfera:

A comunicação de rádio a longas distâncias é, em grande parte, viável graças a ionosfera (entre aproximadamente 90Km e 320Km de altitude). A ionosfera não é uniforme, por isso é subdividida, para efeito de análise, em camadas - algumas delas instáveis. A radiação ultravioleta proveniente do sol ioniza cada camada de forma a atribuir-lhes características que possibilitam a reflexão e absorção das ondas de rádio.

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Analisando separadamente cada camada, podemos compreender melhor a ionosfera e também a grande variação de qualidade e alcance na recepção por ondas de rádio.

Localizada a cerca de 100 Km acima da superfície da Terra, é considerada a camada útil mais baixa da ionosfera. Nesta camada os íons recombinam-se rapidamente, dando origem a um grande número de partículas neutras, que não refletem as ondas de rádio. Por esse motivo, a camada E só tem utilidade durante o dia, sendo mais ativa ao meio dia, normalmente; após o pôr-do-sol, ela praticamente desaparece.

A comunicação pela camada E costuma ocorrer num único "salto" do sinal, cobrindo distâncias entre 650Km e 2000Km.

Localizada a 280 Km de altitude, é a principal responsável pelas comunicações a longas distâncias. Durante o dia divide-se em duas áreas distintas, batizadas F1 e F2. Ficam a 225 Km e 320 Km de altura, respectivamente, nos dias em que o nível de ionização está elevado; após o cair do sol voltam a se recombinar em uma só camada.

A máxima distância permitida pela camada F, num único "salto", é de 4000 Km, aproximadamente. A grande altitude da região F faz com que a recombinação de íons e elétrons em partículas neutras ocorra muito lentamente. O nível de ionização começa a diminuir no fim da tarde, tornando-se progressivamente mais fraco, até atingir seu nível mais baixo pouco antes do nascer do sol.

Fica logo abaixo da camada E e, ao invés de auxiliar as comunicações, acaba por "absorver" transmissões com freqüências inferiores a aproximadamente 8 MHz. No entanto, a maior freqüência absorvível e o próprio nível de absorção vão depender da ionização, que por sua vez é função da distância em relação ao sol. Essa camada costuma ser bastante ativa em torno do meio dia, no alto verão, sendo muito menos intensa no inverno.

Existem muitos fatores que influenciam a ionosfera e sua capacidade de refletir sinais de rádio. Os principais são citados a seguir:

São fenômenos cíclicos que surgem na superfície solar, com períodos médios de 1 anos entre as quantidades mínima e máxima, embora o ciclo possa variar de 9 a 13 anos.

Durante a parte "fraca" do ciclo, a ionosfera resulta pouco ativa e a recepção em ondas curtas (de 2300 KHz a 30 MHz) passa pela sua pior fase. Ao contrário, quando o sol exibe um bom número de manchas, a ionosfera está bastante ativa e as comunicações são eficientes.

É um fenômeno que se divide em dois tipos principais: luz ultravioleta e partículas carregadas. A luz percorre a distância até a Terra em aproximadamente 8 minutos e seus efeitos sobre a ionosfera são breves. As partículas, ao contrário, deslocam-se a uma velocidade bem inferior, levando várias horas até ter algum efeito sobre as comunicações - Tal como maior absorção pela camada D e a produção de auroras. Esses efeitos costumam ter uma periodicidade de 27 dias, que é o tempo de rotação do sol.

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É perfeitamente possível que um sinal dê mais de um "salto" antes de atingir o receptor. Apesar de as reflexões terrestres e a absorção ionosférica atenuarem a intensidade do sinal, comunicações de até meia volta ao mundo tornam-se possíveis pelos trajetos de "saltos" múltiplos. Por outro lado, os níveis de sinal costumam ser menores e sofrem mais distorções e atenuação que os sinais de "salto" único.

É o ângulo com que a onda eletromagnética é irradiada em relação ao solo. ângulos mais baixos exibem uma distância de "salto" superior a da que deixa a antena com ângulos altos. Convém acrescentar, no entanto, que esse efeito é determinado não só pelo ângulo com que o sinal atinge a ionosfera, mas também a sua freqüência.

Podemos concluir então que o sol é um dos principais fatores a determinar a possibilidade e a qualidade das comunicações via rádio (principalmente em HF), fora das recessões locais. As condições de propagação, além disso, variam de acordo com ciclos bastante evidentes, tais como a hora do dia e as estações do ano. Existem ainda alterações menos óbvias, provocadas na ionosfera pela atividade solar, manchas solares e outras irradiações.

Esses e diversos outros fatores devem ser considerados ao selecionar uma freqüência que irá nos fornecer o trajeto ideal de comunicação.

Faixas de radiodifusão em ondas curtas (OC)Faixas de radiodifusão em HF freqüência (KHz)faixa (metros)freqüência (MHz)faixa (metros) 2300 - 29451201,8 - 2160 3200 - 3400903,5 - 480 3900 - 4000757 - 7,340 4750 - 50606014 - 14,3520 5950 - 62004921 - 21,4515 7100 - 73004127 - 29,610

9500 - 977531 11700 - 1197525 15100 - 1545019 17700 - 1790016 21450 - 2175013 25600 - 2610011

Sistemas de Modulação

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AM (Amplitude Modulation)

Sempre que a radiação eletromagnética é utilizada como meio de transmissão (portadora), deve-se imprimir a informação sobre ela, alterando um ou mais parâmetros da mesma (modulação). Se nos restringirmos à modulação alanógica, existem dois tipos principais: modulação em amplitude (AM) e modulação angular. A modulação em amplitude pode, ainda, ser subdivididos em vários tipos, a saber as principais:

• DSB (double side band); • VSB (vestigial side band);

• DSB/SC (doble side band / supressed carrier);

• SSB (single side band).

Na modulação AM/DSB a informação é usada para variar a amplitude da portadora de RF de tal forma que na ausência de modulação, a portadora continua a ser irradiada em determinado nível. Por outro lado, na modulação máxima a amplitude da portadora chega a assumir um valor nulo.

Em AM-DSB percebemos que a envoltória da portadora modulada corresponde a variação do sinal modulador, com um "lado" idêntico ao sinal modulador (envelope positivo) e outro com uma defasagem de 180º em relação a informação (envelope negativo).

Matematicamente, o sinal AM/DSB é expresso por:

informação: em(t) = Em.cosωmt portadora: eo(t) = Eo.cosωot portadora modulada: e(t) = [em(t)+Eo].cosωot

ou, sendo m =Em  e(t) = (1+m.cosωmt).Eo.cosωot

Eo onde:m = índice de modulação;

Eo = nível máximo da portadora sem modulação; Em = nível máximo do sinal modulador (informação).

O índice de modulação (m) representa o grau de modificação que o sinal modulador provoca na portadora e pode variar entre zero (sem modulação) e 1 (modulação máxima), enquanto o parâmetro conhecido como nível de modulação é representado em porcentagens (100% corresponde ao índice de modulação unitário). Nos transmissores comerciais o nível de modulação gira em torno de 30%.

Graficamente, o índice de modulação pode ser determinado como mostra a figura ao lado, pela forma de onda e pelo método trapezoidal:

índice de modulação:m = B - A
B +A

O método do trapézio consiste em injetar o sinal modulado no eixo vertical do osciloscópio e, desligando-se a varredura, injetar no eixo horizontal o sinal modulante (informação), compondo os dois sinais e apresentando o "trapézio".

Sistemas de Modulação

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Retornando e desenvolvendo a equação dada temos:e(t) = Eo.cosωot+m.cosωmt.Eocosωot
* recordemos a passagem matemática:cos(a).cos(b) = 1 cos(a+b) + 1 cos(a-b)

2 de onde tiramos a expressão final da modulação AM/DSB:

2

e(t) = Eo.cosωot + 1 m.Eo.cos(ωm+ωo)t + 1 m.Eo.cos(ωm-ωo)t onde temos:

Eo.cosωot= portadora sem modulação

1 m. Eo.cos(ωm+ωo)t= banda lateral superior 2

1 m. Eo.cos(ωm-ωo)t = banda lateral inferior 2

Como podemos verificar pela expressão, a informação de baixa freqüência está presente nas duas bandas laterais, simetricamente dispostas acima e abaixo da portadora.

Como a informação está presente nas duas bandas laterais, há um desperdício de espectro de freqüências e de potência de irradiação, pois além de uma só banda ser necessária (contém toda informação), grande parte da potência é irradiada pela portadora, que não contém informação.

A modulação AM/DSB é a mais antiga forma de transmissão e a de implementação mais fácil e barata, tanto para modulação como demodulação. É pois, o tipo de modulação mais empregado até hoje.

••••Modulador síncrono a diodo:

É um modulador apropriado para aplicações onde se deseje linearidade, alto índice de modulação e baixo sinal de saída; é usado em moduladores de vídeo para microcomputadores, videogames e videocassetes.

Sistemas de Modulação

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Seu princípio de funcionamento é baseado no fato de que um sinal amostrado por uma função do tipo "chave síncrona" gera uma série de harmônicos, que podem ser convenientemente recuperados por uma filtragem passa-faixas.

O transformador de RF e os capacitores formam um circuito sintonizado na freqüência da portadora (RF) que retira as raias necessárias para formar o DSB.

•modulador com oscilador a cristal:

Neste tipo de circuito temos um oscilador a transistor trabalhando na freqüência determinada pelo cristal. O potencial de alimentação é variado pela entrada de modulação fazendo com que o nível do sinal do oscilador (RF) varie de acordo com a informação (AF).

• modulador quadrático:

No modulador quadrático o transistor é polarizado na região exponencial de forma a aproximá-la de uma parábola (função quadrática).

Um derivado direto do AM-DSB é a modulação AM-VSB (vestigial side band). A princípio foi uma alternativa para diminuir a largura de faixa (espectro) ocupada pelo DSB mantendo a simplicidade de obtenção e demodulação; é gerado a partir de um sinal completo AM-DSB onde uma das bandas laterais é filtrada, nestas condições, uma das bandas é transmitida por completo e a outra, apenas uma parte. A modulação em AM-VSB encontra aplicação na transmissão da informação de vídeo dos sistemas de televisão comerciais.

AM-DSB/SC (Supressed Carrier):

Como o próprio nome sugere, nessa modalidade de transmissão utiliza-se apenas as bandas laterais, dispensando a portadora.

A supressão da portadora implica em uma grande economia de energia. Em contrapartida, como podemos ver pela figura, a envoltória não reproduz a forma de onda do sinal modulador, dificultando a detecção.

Sistemas de Modulação

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A expressão matemática que representa o sinal DSB/SC é dado pelo produto dos sinais de AF [em(t)] e RF [eo(t)], ou seja: e(t) = Em cosωmt . Eo cosωot

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temos então: e(t) = Eo.Em.[ 1 cos(ωm+ωo)t + 1 cos(ωm-ωo)t ] onde percebemos apenas a presença das bandas laterais.

••••Modulador em ponte:

Vemos neste circuito que quando a portadora polariza diretamente os diodos da ponte, o sinal modulador é aterrado, cancelando sua amplitude neste instante; quando a portadora polariza os diodos da ponte reversamente o sinal modulador passa sem problemas.

Como o chaveamento dos diodos ocorre à frequência da portadora, o sinal obtido possui sua frequência e certa semelhança com o sinal modulador (veja figura ao lado), sendo rico em harmônicos e, onde um simples circuito sintonizado termina de compor a modulação em DSB-SC.

É importante notar que, neste tipo de circuito, se os diodos não forem perfeitamente iguais haverá um "resíduo de portadora" a ser considerado na saída.

•••• Modulador balanceado:

Entre os circuitos moduladores DSB/SC, o mais eficiente é o modulador simétrico balanceado, disponível sob a forma de CI's em várias versões.

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