Laboratório de Princípios de Telecomunicações

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Laboratório de Princípios de Telecomunicações chega ao mercado editorial para preencher uma lacuna na bibliografia acerca do desenvolvimento de práticas laboratoriais em telecomunicações no Brasil.eu estilo didático e acessível tem como objetivo possibilitar a comprovação e experimentação prática dos conceitos básicos dessa disciplina.s quatro partes da obra abordam os temas mais centrais em Telecomunicações: Sinais, Filtros e Ruídos (Parte I), Moduladores de Onda Contínua (Parte II), Moduladores Pulsados (Parte III) e Introdução a Sistemas de Comunicações (Parte IV).O conteúdo desta obra é facilmente adaptável aos laboratórios equipados, ainda que de forma parcial, já existentes nas instituições de ensino do país, visto que contempla o uso de materiais e equipamentos simples, encontrados em qualquer contexto laboratorial.sta constante consideração das possibilidades didáticas da abordagem prática do conhecimento torna incontestável a importância deste livro.

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Parte I - 1. Análise de Sinais

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PRÁTICA 1

ANÁLISE DE SINAIS

OBJETIVO

◗ Analisar diferentes tipos de sinais no domínio do tempo e da frequência.

TEORIA

Introdução

Um sinal pode ser definido como função de uma ou mais variáveis independentes e transporta informação a respeito de determinado sistema físico. Sinais podem ser unidimensionais ou multidimensionais. Um sinal é dito unidimensional quando depende de apenas uma variável independente. Um sinal é dito multidimensional quando depende de mais de uma variável independente. Por exemplo, um sinal de voz pode ser representado matematicamente como uma função do tempo e, por isso,

é unidimensional. Uma imagem pode ser representada matematicamente como função de duas coordenadas espaciais, sendo, portanto, bidimensional. Além dessas, existem inúmeras classificações para sinais.

Classificação de sinais

O sinal carrega a informação a ser transmitida, por isso é importante ter conhecimento sobre ele. Existem diversas formas de classificação de sinais baseadas em diferentes recursos.

 

Parte I - 2. Filtro Passa-baixas

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PRÁTICA 2

FILTRO PASSA-BAIXAS

OBJETIVOS

◗ Entender o comportamento de um filtro passa-baixas.

◗ Verificar experimentalmente o funcionamento de um filtro passa-baixas de primeira ordem.

TEORIA

Filtros são circuitos eletrônicos que têm a propriedade de atuar na amplitude e fase de um sinal, quando a frequência do mesmo varia. Os filtros podem ser passivos ou ativos.

Filtros passivos são implementados a partir de componentes, como resistores, capacitores e indutores, e não amplificam o sinal de saída.

Filtros ativos são implementados a partir de componentes passivos, como resistores, capacitores e indutores e com amplificadores operacionais, podendo amplificar o sinal de saída.

Aqui, serão abordados filtros passivos devido à facilidade de sua implementação.

Os filtros podem ser classificados em quatro tipos:

Passa-baixas.

Passa-altas.

Passa-faixa.

Rejeita-faixa.

Independentemente do tipo do filtro, existem frequências críticas que determinam suas características de operação como: faixa de passagem, faixa de transição e faixa de atenuação. A faixa de passagem é aquela na qual o sinal de saída sofre uma atenuação máxima de 3 dB. Para um filtro passa-baixas, o fim dessa faixa é definido pela frequência de corte. A faixa de atenuação corresponde à faixa de frequência na qual a atenuação é elevada, no mínimo superior a 20 dB. Por fim, a faixa de transição é a faixa de frequência compreendida entre a frequência de corte

 

Parte I - 3. Filtro Passa-altas

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PRÁTICA 3

FILTRO PASSA-ALTAS

OBJETIVOS

◗ Entender o comportamento de um filtro passa-altas.

◗ Verificar experimentalmente o funcionamento de um filtro passa-altas de primeira ordem.

TEORIA

Um filtro passa-altas é caracterizado por iniciar a faixa de passagem, ou seja, a faixa com atenuação máxima de 3 dB, na frequência de corte (fc). Assim, sinais com frequência abaixo de fc são fortemente atenuados, enquanto sinais acima de fc sofrem atenuação máxima de 3 dB.

A Figura 3.1 ilustra o bloco que simboliza um filtro passa-altas.

A Figura 3.2 ilustra o módulo da resposta em frequência para um filtro passa-altas.

1

0,8

Av

0,6

0,4

0,2

Ve

Vs

0

Figura 3.1 Módulo da resposta em frequência de um filtro passa-altas.

–0,2

100

102

104

106

108

1010

Frequência (Hz)

Figura 3.2 Diagrama de blocos de um filtro passa-altas.

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Siqueira Campos 003.indd 20

 

Parte I - 4. Filtro Passa-faixa

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PRÁTICA 4

FILTRO PASSA-FAIXA

OBJETIVOS

◗ Entender o comportamento de um filtro passa-faixa.

◗ Verificar experimentalmente o funcionamento de um filtro passa-faixa de segunda ordem.

TEORIA

Um filtro passa-faixa é caracterizado por permitir a passagem de sinais com frequências dentro de uma certa faixa e rejeita (atenua) sinais com frequências fora dessa faixa. Esse tipo de filtro possui duas frequências de corte: a inferior e a superior.

Diferentemente dos filtros passa-baixas e passa-altas, o filtro passa-faixa tem algumas definições. Uma delas é a largura de banda, simplesmente a diferença entre a frequência de cortes superior e inferior. Outra é a frequência de ressonância, ou seja, a frequência central da faixa de passagem (largura de banda). Por fim, tem o fator de qualidade, a relação entre a frequência de ressonância e a largura de banda.

A Figura 4.1 ilustra o módulo da resposta em frequência para um filtro passa-faixa.

1

 

Parte I - 5. Filtro Rejeita-faixa

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PRÁTICA 5

FILTRO REJEITA-FAIXA

OBJETIVOS

◗ Entender o comportamento de um filtro rejeita-faixa.

◗ Verificar experimentalmente o funcionamento de um filtro rejeita-faixa de segunda ordem.

TEORIA

Um filtro rejeita-faixa é aquele em que, praticamente, sinais de todas as frequências passam inalterados por ele, mas atenua fortemente sinais dentro de uma faixa específica de frequências. Ele é o oposto de um filtro passa-faixa.

A Figura 5.1 ilustra o módulo da resposta em frequência para um filtro rejeitafaixa.

1

0,8

BW

Av

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0,2

0 fc1

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102

fc2

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1010

Frequência (Hz)

Figura 5.1 Módulo da resposta em frequência de um filtro rejeita-faixa.

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30

PR Á T IC A 5

A Figura 5.2 ilustra o bloco que simboliza um filtro rejeita-faixa.

Existem diversas formas de implementar filtros rejeita-faixa. Uma delas é conectar em paralelo um filtro passa-altas e um filtro passa-baixas, como ilustrado na Figura 5.3.

 

Parte I - 6. Análise de Ruído

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PRÁTICA 6

ANÁLISE DE RUÍDO

OBJETIVO

◗ Analisar ruído branco e ruído rosa no domínio do tempo e da frequência.

TEORIA

Introdução

É inegável a importância dos modernos sistemas de comunicação para diversas atividades, como economia, ciência, entre outras. Isso decorre da enorme quantidade de informações geradas em locais diferentes daqueles nos quais elas são utilizadas.

Informações transitam pelo mundo inteiro, programas de rádio e TV são transmitidos para milhares de pessoas e tudo isso a uma velocidade muito grande.

Em termos gráficos, uma cadeia de comunicação pode ser representada por três elementos essenciais: a fonte de informação, o sistema de comunicação e o destino, conforme ilustrado na Figura 6.1.

A fonte de informações é a origem da mensagem ou informação transmitida, a qual pode apresentar-se na forma de voz, vídeo ou dados. O destino é onde a informação será utilizada. O sistema de informação transportará a informação da fonte até o destino, preservando ao máximo suas características originais.

 

Parte I - 7. Filtragem de Ruído Branco

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PRÁTICA 7

FILTRAGEM DE RUÍDO

BRANCO

OBJETIVOS

◗ Analisar o efeito do ruído aditivo gaussiano branco em um sinal no domínio do tempo e da frequência.

◗ Analisar o efeito da filtragem desse ruído em um sinal no domínio do tempo e da frequência.

TEORIA

Introdução

Alguns tipos de ruídos são produzidos por componentes ativos dos circuitos de sistemas de telecomunicações. Esse tipo de ruído é também chamado de ruído interno, e uma preocupação no projeto de sistemas de telecomunicações nas faixas de VHF, UHF e micro-ondas é reduzir esse ruído.

Normalmente, esse tipo de ruído é randômico, e não há uma relação ordenada entre amplitude e tempo, tornando difícil a supressão desse tipo de ruído. Um sinal que pode ser usado para estudar o efeito do ruído em sistemas de comunicações é o ruído aditivo gaussiano branco (Additive White Gaussian Noise

— AWGN), por apresentar características estatísticas semelhantes as do ruído randômico. A Figura 7.1 ilustra o ruído AWGN.

 

Parte I - 8. Osciladores Harmônicos

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PRÁTICA 8

OSCILADORES

HARMÔNICOS

OBJETIVOS

Entender o princípio de funcionamento de um oscilador.

Entender os critérios para que um circuito eletrônico opere como oscilador.

Observar na prática os conceitos de um oscilador harmônico.

Verificar experimentalmente o funcionamento de um oscilador harmônico.

TEORIA

Introdução

Circuitos osciladores são bastante utilizados em diversas aplicações, como geradores de sinais, equipamentos de medição, radiotransceptores, equipamentos de áudio etc. Os osciladores podem ser classificados em dois grupos:

• Osciladores lineares ou sintonizados.

• Osciladores não lineares ou de relaxação.

Os osciladores sintonizados são projetados usando a teoria de sistemas, empregando transistores e/ou amplificadores operacionais. Estes circuitos são comumente denominados osciladores harmônicos, por gerarem ondas senoidais puras. Os osciladores de relaxação são implementados por meio do emprego de dispositivos biestáveis, como portas lógicas e flip-flops, carregando e descarregando capacitores, gerando ondas triangulares, quadradas, dente de serra, pulsadas, entre outras.

 

Parte II - 9. Modulador AM-DSB

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PRÁTICA 9

MODULADOR AM-DSB

OBJETIVOS

◗ Observar na prática os conceitos da modulação AM-DSB.

◗ Verificar experimentalmente o funcionamento de um modulador AM-DSB síncrono a diodo.

TEORIA

Noções sobre modulação

A capacidade do ser humano de ouvir ou captar ondas sonoras está limitada a uma faixa que vai de 20 Hz a 20 kHz. Fisicamente, seria impossível transmitir sinais nessa faixa de frequência por antenas e/ou fibras ópticas. Tomando como exemplo a antena, tem-se que as dimensões físicas da mesma são proporcionais ao comprimento de onda do sinal a ser transmitido, que é dado pela Equação 9.1:

λ=

c f

(9.1)

em que λ é o comprimento de onda do sinal, c é a velocidade da luz no vácuo (3 × 108 m/s) e f é a frequência do sinal.

Suponha que se deseja transmitir um sinal de 100 kHz. O comprimento de onda desse sinal é de 3 km. Fisicamente, seria impossível a construção de uma antena dessa ordem de grandeza. Dessa forma, pode-se ver a impossibilidade da transmissão direta.

 

Parte II - 10. Demodulador AM-DSB

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PRÁTICA 10

DEMODULADOR AM-DSB

OBJETIVOS

◗ Observar na prática os conceitos da demodulação AM-DSB.

◗ Verificar experimentalmente o funcionamento de um demodulador AM-DSB síncrono a diodo.

TEORIA

Noções sobre demodulação AM-DSB

Assim como os moduladores AM-DSB podem ser do tipo síncrono ou quadrático, os demoduladores também podem. O princípio de funcionamento do demodulador síncrono é o mesmo do modulador. Ele utiliza uma chave sincronizada com a frequência da portadora. A Figura 10.1 ilustra o diagrama de blocos de um demodulador síncrono.

A chave síncrona deve ser implementada com algum elemento não linear, como diodos ou transistores. O filtro passa-baixas é um circuito RC simples. Se observarmos a forma de onda da Figura 10.2, veremos que o sinal modulante (informação) forma uma envoltória (ou envelope) na portadora. Assim, para recuperarmos o sinal modulante, basta detectarmos uma das duas envoltórias. Talvez essa simplicidade na demodulação seja o motivo do sinal AM-DSB ter se tornado tão popular.

 

Parte II - 11. Modulador AM-DSB/SC

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PRÁTICA 11

MODULADOR AM-DSB/SC

OBJETIVOS

◗ Observar na prática os conceitos da modulação AM-DSB/SC.

◗ Verificar experimentalmente o funcionamento de um modulador AM-DSB/SC.

TEORIA

Noções sobre modulação AM-DSB/SC

Esse tipo de modulação surgiu como uma tentativa de economizar a potência utilizada pela portadora no sistema AM-DSB, que é, no mínimo, 67% da potência total do sinal modulado. Na modulação AM-DSB/SC, o princípio da economia de potência é a supressão da portadora, fazendo com que a potência do sinal modulado seja destinada às raias laterais que contêm a informação. A obtenção desse sinal ocorre por meio do produto de dois sinais cossenoidais, que gera outro par de cossenoides.

Assim, na modulação AM-DSB/SC, tem-se: e(t) = Ke0(t) em(t)

(11.1)

em que K é a constante do circuito modulador, que permite que a multiplicação de duas tensões resulte em outra tensão. Daí: e(t) = K Em cos (ωmt) E0 cos (ω0t)

(11.2)

A Equação 11.2 pode ser reescrita da seguinte maneira: e(t ) =

 

Parte II - 12. Demodulador AM-DSB/SC

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PRÁTICA 12

DEMODULADOR AM-DSB/SC

OBJETIVOS

◗ Observar na prática os conceitos da demodulação AM-DSB/SC.

◗ Verificar experimentalmente o funcionamento de um demodulador

AM-DSB/SC.

TEORIA

Noções sobre demodulação AM-DSB/SC

Como pode ser visto na Figura 12.1, o sinal modulado AM-DSB/SC sofre uma inversão de fase de um semiciclo para o outro de acordo com o sinal modulante.

Essas inversões de fase impedem que a demodulação AM-DSB/SC seja feita apenas com uma detecção de envoltória. Na verdade, essa demodulação depende da presença da portadora gerada localmente no demodulador, com as mesmas características (fase, amplitude e frequência) que a portadora gerada no transmissor, para que seja implementada.

Considere o sinal modulado AM-DSB/SC como descrito na Equação 12.1: e(t ) =

K Em E0

K Em E0 cos[(ω 0 + ω m )t ] + cos[(ω 0 − ω m )t ]

2

2

(12.1)

em que K é a constante do circuito modulador, que permitiu que a multiplicação de duas tensões resultasse em outra tensão.

 

Parte II - 13. Modulador FM Faixa Estreita

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PRÁTICA 13

MODULADOR FM

FAIXA ESTREITA

OBJETIVOS

◗ Observar na prática os conceitos da modulação FM faixa estreita.

◗ Verificar experimentalmente o funcionamento de um modulador FM faixa estreita.

TEORIA

Noções sobre modulação FM faixa estreita

Uma vez esgotadas todas as alterações possíveis na amplitude da portadora, os pesquisadores da época voltaram suas atenções para as variações na frequência ou fase. Essas variações são conduzidas de forma bastante semelhante e, por isso, tratadas pela forma genérica de modulação angular. Uma onda modulada em frequência (Frequency Modulation — FM) tem frequência instantânea, linearmente proporcional ao valor instantâneo do sinal modulante, enquanto uma onda modulada em fase (Phase Modulation — PM) tem fase instantânea, linearmente proporcional ao valor instantâneo do sinal modulante.

Por alterarem somente frequência ou fase, as modulações angulares não alteram a amplitude da portadora, mas sim seu ângulo, ou argumento da função cosseno.

 

Parte II - 14. Modulador FM Faixa Larga

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PRÁTICA 14

MODULADOR FM

FAIXA LARGA

OBJETIVOS

◗ Observar na prática os conceitos da modulação FM faixa larga.

◗ Verificar experimentalmente o funcionamento de um modulador FM faixa larga.

TEORIA

Noções sobre modulação FM faixa larga

Relembrando a modulação FM de uma forma geral, temos que a expressão do sinal modulado pode ser dada por: e(t) = E0 cos(ω 0t) cos[β sen (ωmt)] − E0 sen (ω 0t) sen[β sen (ωmt)]

(14.1)

A análise do sistema FM faixa larga será feita a partir da Equação 14.1. As aproximações feitas para o sinal FM faixa estreita não são válidas para esse caso.

Assim, é necessário encontrar uma solução para as funções cos[β sen (ωmt)] e sen[β sen (ωmt)]. Essas equações transcendentais são desenvolvidas em séries compostas pelas funções de Bessel ponderadas dadas por: cos[β sen (ωmt)] = J0 (β ) + 2J2 (β ) cos(2 ωmt) + 2J4 (β ) cos(4 ωmt) + … (14.2) e sen[β sen (ωmt)] = 2J1 (β ) sen (ωmt) + 2J3 (β ) sen (3 ωmt) + 2J5 (β ) sen (5 ωmt)… (14.3)

 

Parte II - 15. Demodulador FM

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PRÁTICA 15

DEMODULADOR FM

OBJETIVOS

◗ Observar na prática os conceitos da demodulação FM.

◗ Verificar experimentalmente o funcionamento de um demodulador FM com detector de inclinação.

TEORIA

Noções sobre demodulação FM

Demoduladores FM podem ser implementados usando discriminadores de frequência, através do método digital, ou usando circuitos PLL (Phased Locked

Loop). Um demodulador FM usando um discriminador de frequência é um circuito que converte frequências em variações de amplitude, produzindo em sua saída uma tensão linearmente proporcional à frequência de entrada, se na entrada de um discriminador é injetada a onda FM. A Figura 15.1 ilustra o diagrama de blocos de um discriminador de frequência.

O limitador de amplitude na entrada do discriminador serve para eliminar variações de amplitude do sinal modulado. Uma aproximação das características do discriminador ideal pode ser obtida utilizando-se um derivador seguido de um detector de envoltória. O sinal na saída do derivador tem a forma de um sinal

 

Parte III - 16. Portadora Pulsada

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PRÁTICA 16

PORTADORA PULSADA

OBJETIVOS

◗ Analisar as características de uma portadora pulsada no domínio do tempo e da frequência.

◗ Analisar o efeito do ciclo de trabalho pulsado nas componentes de frequência.

TEORIA

A modulação em sistemas pulsados consiste na utilização de uma onda portadora do tipo trem de pulsos que possui um conjunto de características que permitem maior variedade dos possíveis tipos de modulação, comparada com uma portadora senoidal.

Vamos caracterizar a onda portadora e definir a nomenclatura adotada para os parâmetros desse sinal. A Figura 16.1 ilustra os principais parâmetros a serem considerados em uma portadora do tipo trem de pulsos.

Os conceitos de amplitude (E0) e período (T) são semelhantes aos de uma portadora senoidal. Existem conceitos novos relativos à portadora trem de pulsos. O primeiro é a duração do pulso (τ0), que é o tempo no qual o pulso permanece com amplitude E0. Outro conceito importante é o de posição do pulso (δ ), utilizada para comparação de duas ondas trem de pulsos. Por fim, uma definição importante para a onda trem de pulsos é o ciclo de trabalho (d), ou duty cycle, dado como: d(%) =

 

Parte III - 17. Osciladores de Relaxação

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PRÁTICA 17

OSCILADORES DE

RELAXAÇÃO

OBJETIVOS

◗ Entender os conceitos básicos sobre osciladores de relaxação.

◗ Verificar experimentalmente o funcionamento de um oscilador de relaxação.

TEORIA

Osciladores são circuitos que, a partir de uma fonte de alimentação de corrente contínua, geram em sua saída um sinal alternado. No caso dos osciladores de relaxação, os sinais gerados em suas saídas são ondas triangulares e/ou ondas quadradas. A maioria dos osciladores de relaxação baseia-se no princípio de carga e descarga de um capacitor, mas também pode ser usado o acúmulo ou a diminuição de corrente em um indutor.

Osciladores de relaxação podem ser implementados com transistores, amplificadores operacionais, ou com circuitos integrados (CIs) próprios para isso.

Além desses elementos, são utilizados resistores, capacitores (ou indutores). Um dos CIs mais comuns utilizados em osciladores de relaxação é o CI 555, e sua principal aplicação como oscilador é como relógio (clock) ou como gerador de portadora pulsada.

 

Parte III - 18. Modulador por Amplitude de Pulso

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PRÁTICA 18

MODULADOR POR

AMPLITUDE DE PULSO

OBJETIVOS

◗ Observar na prática os conceitos da modulação por amplitude de pulso

(Pulse Amplitude Modulation — PAM).

◗ Verificar experimentalmente o funcionamento de um modulador PAM.

TEORIA

Noções sobre modulação PAM

A modulação PAM consiste em transformar um sinal analógico em um sinal amostrado instantaneamente através de pulsos retangulares. Assim, esta técnica toma um sinal analógico, amostra-o e gera uma série de pulsos baseados no resultado da amostragem.

Ao recuperar ou demodular o sinal modulado pretende-se obter a informação do sinal original. Esta informação pode ser obtida com perda de qualidade, mas não com perda de inteligibilidade. Para que isto ocorra é preciso preparar o trem de pulsos de modo que este produza uma amostragem do sinal de acordo com o teorema de amostragem.

Esta modulação isoladamente não possui muitas aplicações em telecomunicações, mas é importante quando trabalha conjuntamente com outras técnicas, tal como o PCM.

 

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