Frequência modulada

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Um sinal moduladora (a primeira) pode transmitir-se modulando uma onda portadora em AM (a segunda) ou FM (a terça), entre outras.

Veja-se também: Síntese por modulación de frequências

Em telecomunicações, a frequência modulada (FM) ou modulación de frequência é uma modulación angular que transmite informação através de uma onda portadora variando sua frequência (contrastando esta com a amplitude modulada ou modulación de amplitude (AM), em onde a amplitude da onda é variada enquanto sua frequência se mantém constante). Em aplicações analógicas, a frequência instantânea do sinal modulada é proporcional ao valor instantâneo do sinal moduladora. Dados digitais podem ser enviados pela deslocação da onda de frequência entre um conjunto de valores discretos, uma modulación conhecida como FSK.

A frequência modulada é usada comummente nas radiofrequências de muito alta frequência pela alta fidelidade da radiodifusión da música e a fala (veja-se Rádio FM). O som da televisão analógica também é difundido por médio de FM. Um formulário de banda estreita utiliza-se para comunicações de voz na rádio comercial e nas configurações de aficionados. O tipo usado na radiodifusión FM é geralmente chamado ampla-FM ou W-FM (das siglas em inglês "Wide-FM"). Na rádio de duas vias, a banda estreita ou N-FM (das siglas em inglês "Narrow-FM") é utilizada para poupar banda estreita. Ademais, utiliza-se para enviar sinais ao espaço.

A frequência modulada também se utiliza nas frequências intermediárias da maioria dos sistemas de vídeo analógico, incluindo VHS, para registar a luminancia (alvo e negro) do sinal de video. A frequência modulada é o único método factible para a gravação de video e para recuperar da fita magnética sem a distorsión extrema, como os sinais de vídeo com uma grande variedade de componentes de frequência - de uns poucos hercios a vários megahercios, sendo também demasiado ampla para trabalhar com equalisers com a dívida ao ruído electrónico embaixo de -60 dB. A FM também mantém a fita no nível de saturación, e, por tanto, actua como uma forma de redução de ruído do audio, e um simples corrector pode enmascarar variações na saída da reprodução, e que a captura do efeito de FM elimina através de impressão e pré-eco. Um piloto de tom contínuo, se acrescenta-se ao sinal - que se fez em V2000 ou video 2000 e muitos formatos de alta banda - pode manter o tremor mecânico baixo controle e ajudar ao tempo de correcção.

Dentro dos avanços mais importantes que se apresentam nas comunicações, o mejoramiento de um sistema de transmissão e recepção em características como a relação sinal – ruído, sem dúvida é um dos mais importantes, pois permite uma maior segurança nas mesmas. É bem como o passo de Modulación em Amplitude (A.m.), à Modulación em Frequência (F.M.), estabelece um importante avanço não só no mejoramiento que apresenta a relação sinal ruído, senão também na maior resistência ao efeito do desvanecimiento e à interferência, tão comuns na.m.

A frequência modulada também se utiliza nas frequências de audio para sintetizar som. Está técnica, conhecida como síntese FM, foi popularizada a princípios dos sintetizadores digitais e se converteu em uma característica regular para várias gerações de cartões de som de computadores pessoais.

Aplicações em rádio

Dentro das aplicações de F.M. encontra-se a rádio, em onde os receptores empregam um detector de FM e exibem um fenómeno chamado efeito de captura, em onde o sintonizador é capaz de receber o sinal mais forte das que transmitem na mesma frequência. No entanto, a falta de selectividad pelos desvios de frequência causa que um sinal seja repentinamente tomado por outra de um canal adjacente. Outra das características que apresenta F.M., é a de poder transmitir sinais estereofónicas, e entre outras de suas aplicações encontram-se a televisão, como sub-portadora de som; em microfones inalámbricos; e como ajuda em navegação aérea.

Um exemplo de modulación de frequência. O diagrama superior mostra o sinal moduladora superpostas à onda portadora. O diagrama inferior mostra o sinal modulada resultante.

Edwin Armstrong apresentou seu estudo: "Um Método de redução de Moléstias na Rádio Mediante um Sistema de Modulación de Frequência", que descreveu pela primeira vez à FM, dantes de que a secção nova-iorquina do Instituto de Engenheiros de Rádio o 6 de novembro de 1935. O estudo foi publicado em 1936.^[1]

A FM de onda longa (W-FM) requer um maior largo de banda que a modulación de amplitude para um sinal moduladora equivalente, mas a sua vez faz ao sinal mais resistente ao ruído e a interferência. A modulación de frequência é também mais resistente ao fenómeno do desvanecimiento, muito comum na AM. Por estas razões, a FM foi escolhida como o regular para a transmissão de rádio de alta fidelidade, resultando no termo "Rádio FM" (ainda que por muitos anos a BBC a chamou "Rádio VHF", já que a radiodifusión em FM usa uma parte importante da banda VHF).

Os receptores de rádio FM empregam um detector para sinais FM e exibem um fenómeno chamado efeito de captura, onde o sintonizador é capaz de receber o sinal mais forte das que transmitam na mesma frequência. No entanto, o desvio de frequência ou falta de selectividad pode causar que uma estação ou sinal seja repentinamente tomada por outra em um canal adjacente. O desvio de frequência geralmente constituiu um problema em receptores velhos ou baratos, enquanto a selectividad inadequada pode afectar a qualquer aparelho.

Um sinal FM também pode ser usada para transportar um sinal estereofónica (veja FM estéreo) Não obstante, isto se faz mediante o uso de multiplexación e demultiplexación dantes e após o processo da FM. Compõe-se um sinal moduladora (em banda baseie) com a soma dos dois canais (esquerdo e direito), e se añande um tom piloto a 19 kHz. Se modula a seguir um sinal diferencia de ambos canais a 38 kHz em dupla banda lateral, e se lhe acrescenta à moduladora anterior. Deste modo consegue-se compatibilidade com receptores antigos que não sejam estereofónicos, e ademais a implementação do demodulador é muito singela.

Uma amplificación de conmutación de frequências radiais de alta eficiência pode ser usada para transmitir sinais FM (e outros sinais de amplitude constante). Para uma força de sinal dada (medida na antena do receptor), os amplificadores de conmutación utilizam menos potência e custam menos que um amplificador linear. Isto lhe dá à FM outra vantagem sobre outros esquemas de modulación que requerem amplificadores lineares, como a AM e a QAM.

Outras aplicações

A modulación de frequência encontra aplicação em grande quantidade de sistemas de comunicação. Aparte da FM de radiodifusión, entre 88 e 108 MHz, a separação entre dois canais adjacentes é de 200 kHz e o desvio de frequência Δf=75 kHz. a FM vem-se utilizando principalmente nas seguintes aplicações:

Televisão:
- Subportadora de som: A informação de som modula em frequência a subportadora de som, que posteriormente se une às restantes componentes do sinal de TV para modular em AM a portadora do canal correspondente e se filtra para obter a banda lateral vestigial. O som NICAM é digital e não segue este processo.
- SECAM: O sistema de televisão em cor SECAM modula a informação de cor em FM.
Microfones inalámbricos: Devido à maior insensibilidad ante as interferências, os microfones inalámbricos têm vindo utilizando a modulación de frequência.
Ajudas à navegação aérea. Sistemas como o DVOR (VOR Doppler), simulam uma antena giratória que, por efeito Doppler, modula em frequência o sinal transmitido.

Tecnologia

Modulador de FM

A modulación de uma portadora sobre FM, ainda que pode-se realizar de várias formas, resulta um problema delicado como precisam-se duas características contrapostas: estabilidade de frequência e que o sinal moduladora varie a frequência. Por isso, a solução simples de aplicar o sinal moduladora a um oscilador controlado por tensão (VCO) não é satisfatória.

Modulación do oscilador. Em oscilador estável, controlado com um cristal piezoeléctrico, acrescenta-se um condensador variável com o sinal moduladora (varactor). Isso varia ligeiramente a frequência do oscilador em função do sinal moduladora. Como a excursión de frequência que se consegue não costuma ser suficiente, se leva o sinal de saída do oscilador a multiplicadores de frequência para atingir a frequência de radiodifusión eleita.
Moduladores de fase. Um modulador de FM pode-se modelar exactamente como um modulador de PM com um integrador à entrada do sinal moduladora.
Modulador com PLL. Volta a ser o VCO, mas agora sua saída se compara com uma frequência de referência para obter um sinal de erro, de maneira que se tem uma realimentación negativa que minimiza dito erro. O sinal de erro filtra-se para que seja insensible às variações dentro do largo de banda do sinal moduladora, já que estas variações são as que modulan a saída do VCO. Este método impôs-se com a chegada dos PLL integrados já que tem passado de ser o mais complexo e caro a ser muito económico. Apresenta outras vantagens, como é poder mudar de frequência para passar de um canal a outro e mantém coerentes todas as frequências do sistema...

Demodulador de FM

Também é mais complexo que o de AM. Utilizam-se sobretudo dois métodos:

Discrimidador reactivo. Baseia-se em levar o sinal de FM a uma reactancia, normalmente bobinas acopladas, de forma que sua impedancia varie com a frequência. O sinal de saída aparece, então, modulada em amplitude e detecta-se com um detector de invólucro. Existiam vávulas específicas para esta tarefa, consistentes em um duplo-diodo-triodo. Os dois diodos formam o detector de invólucro e o triodo amplifica o sinal, melhorando a relação sinal/ruído.
Detector com PLL. O sinal do PLL proporciona o sinal demodulada. Existem muitas variações segundo a aplicação, mas estes detectores costumam estar em circuitos integrados que, ademais, contêm os amplificadores de RF e frequência intermediária. Alguns são uma rádio de FM completa (TDA7000).

Equação Característica

$F_{fm}= \cos[w_ct + {\alpha}+ k_f \int f_{(t)} dt]$

Largo de banda

Ao invés que no caso de Amplitude Modulada, que se concentra na frequência portadora e duas bandas laterais, o largo de banda de um sinal de FM se estende indefinidamente, se cancelando somente em certos valores de frequência discretos. Quando o sinal moduladora é uma sinusoide o espectro de potência que se tem é discreto e simétrico respecto da frequência da portadora, a contribuição da cada frequência ao espectro do sinal modulada tem que ver com as funções de Bessel de primeira espécie J_n.

Através da regra de Carson é possível determinar o largo de banda que se requer para transmitir um sinal modulada em FM (ou PM).

Referências

↑ Armstrong, E. H. (Maio de 1936). «[Expressão errónea: operador < inesperado A Method of Reducing Disturbances in Rádio Signaling by a System of Frequency Modulation]». Proceedings of the IRE (IRE) 24 (5): pp. 689-740.