Princípios de Comunicação - Guia Rápido

A palavra comunicação surge da palavra latina “commūnicāre”, que significa “compartilhar”. A comunicação é a etapa básica para a troca de informações.

Por exemplo, um bebê no berço comunica com um choro que precisa da mãe. Uma vaca muge alto quando está em perigo. Uma pessoa se comunica com a ajuda de um idioma. A comunicação é a ponte para compartilhar.

Communication pode ser definido como o processo de troca de informações por meios como palavras, ações, signos, etc., entre dois ou mais indivíduos.

Necessidade de comunicação

Para qualquer ser vivo, enquanto coexiste, ocorre a necessidade de troca de algumas informações. Sempre que surgir a necessidade de troca de informações, alguns meios de comunicação devem existir. Embora o meio de comunicação possa ser qualquer coisa, como gestos, sinais, símbolos ou uma linguagem, a necessidade de comunicação é inevitável.

A linguagem e os gestos desempenham um papel importante na comunicação humana, enquanto os sons e as ações são importantes para a comunicação animal. No entanto, quando alguma mensagem precisa ser transmitida, uma comunicação deve ser estabelecida.

Partes do sistema de comunicação

Qualquer sistema que fornece comunicação consiste em três partes importantes e básicas, conforme mostrado na figura a seguir.

• o Senderé a pessoa que envia a mensagem. Pode ser uma estação transmissora de onde o sinal é transmitido.

• o Channel é o meio pelo qual os sinais de mensagem viajam para chegar ao destino.

• o Receiveré a pessoa que recebe a mensagem. Pode ser uma estação receptora onde o sinal transmitido é recebido.

O que é um sinal?

Transmitir uma informação por alguns meios, como gestos, sons, ações, etc., pode ser denominado como signaling. Portanto, um sinal pode ser umsource of energy which transmits some information. Este sinal ajuda a estabelecer a comunicação entre um emissor e um receptor.

Um impulso elétrico ou uma onda eletromagnética que viaja uma distância para transmitir uma mensagem pode ser denominado como um signal em sistemas de comunicação.

Dependendo de suas características, os sinais são classificados principalmente em dois tipos: Analógico e Digital. Os sinais analógicos e digitais são classificados posteriormente, conforme mostrado na figura a seguir.

Sinal analógico

Um sinal de variação contínua no tempo, que representa uma quantidade variável no tempo, pode ser denominado como um Analog Signal. Este sinal continua variando com o tempo, de acordo com os valores instantâneos da grandeza que o representa.

Exemplo

Consideremos, uma torneira que enche um tanque de 100 litros de capacidade em uma hora (6h às 7h). A porção de enchimento do tanque varia com o tempo variável. O que significa que, após 15 minutos (6h15), a parte do quarto do tanque fica cheia, enquanto às 6h45, 3/4 do tanque está cheio.

Se você tentar representar graficamente as porções variáveis ​​de água no tanque, de acordo com o tempo variável, ficaria semelhante à figura a seguir.

Como a resultante mostrada nesta imagem varia (aumenta) com o tempo, esta time varying quantitypode ser entendido como quantidade analógica. O sinal que representa esta condição com uma linha inclinada na figura, é umAnalog Signal. A comunicação baseada em sinais analógicos e valores analógicos é chamada deAnalog Communication.

Sinal digital

Um sinal que é discreto por natureza ou que não é contínuo em forma pode ser denominado como um Digital signal. Este sinal possui valores individuais, denotados separadamente, que não são baseados nos valores anteriores, como se fossem derivados naquele determinado instante de tempo.

Exemplo

Vamos considerar uma sala de aula com 20 alunos. Se sua freqüência em uma semana for plotada, seria semelhante à figura a seguir.

Nesta figura, os valores são indicados separadamente. Por exemplo, a assiduidade da aula na quarta-feira é de 20 e no sábado é de 15. Estes valores podem ser considerados individualmente e separadamente ou de forma discreta, daí serem chamados dediscrete values.

Os dígitos binários que têm apenas 1s e 0s são geralmente denominados como digital values. Portanto, os sinais que representam 1s e 0s também são chamados dedigital signals. A comunicação baseada em sinais digitais e valores digitais é chamada deDigital Communication.

Sinal Periódico

Qualquer sinal analógico ou digital, que repete seu padrão ao longo de um período de tempo, é chamado de Periodic Signal. Este sinal tem seu padrão continuado repetidamente e é fácil de ser assumido ou calculado.

Exemplo

Se considerarmos uma máquina em uma indústria, o processo que ocorre um após o outro é um procedimento contínuo e repetido. Por exemplo, adquirir e classificar a matéria-prima, processar o material em lotes, embalar uma carga de produtos um após o outro etc., siga um determinado procedimento repetidamente.

Tal processo, seja considerado analógico ou digital, pode ser representado graficamente como segue.

Sinal Aperiódico

Qualquer sinal analógico ou digital, que não repete seu padrão durante um período de tempo, é chamado de Aperiodic Signal. Este sinal tem seu padrão continuado, mas o padrão não se repete e não é tão fácil de ser assumido ou calculado.

Exemplo

A rotina diária de uma pessoa, se considerada, consiste em muitos tipos de trabalhos que levam diferentes intervalos de tempo para diferentes trabalhos. O intervalo de tempo ou o trabalho não se repete continuamente. Por exemplo, uma pessoa não vai escovar os dentes continuamente de manhã à noite, isso também com o mesmo período de tempo.

Tal processo, seja considerado analógico ou digital, pode ser representado graficamente como segue.

Em geral, os sinais que são usados ​​em sistemas de comunicação são de natureza analógica, que são transmitidos em analógico ou convertidos em digital e depois transmitidos, dependendo da necessidade.

Mas para que um sinal seja transmitido à distância, sem o efeito de quaisquer interferências externas ou adição de ruído e sem desaparecer, ele deve passar por um processo denominado Modulation, que é discutido no próximo capítulo.

Um sinal pode ser qualquer coisa como uma onda sonora que surge quando você grita. Este grito pode ser ouvido apenas até uma certa distância. Mas para que a mesma onda viaje por uma longa distância, você precisará de uma técnica que acrescente força a esse sinal, sem perturbar os parâmetros do sinal original.

O que é modulação de sinal?

Um sinal de transporte de mensagem deve ser transmitido à distância e para estabelecer uma comunicação confiável, ele precisa ter a ajuda de um sinal de alta freqüência que não deve afetar as características originais do sinal de mensagem.

As características do sinal de mensagem, se alteradas, a mensagem nele contida também se altera. Portanto, é necessário cuidar do sinal de mensagem. Um sinal de alta frequência pode viajar até uma distância maior, sem ser afetado por distúrbios externos. Temos a ajuda desse sinal de alta frequência, que é chamado decarrier signalpara transmitir nosso sinal de mensagem. Esse processo é simplesmente chamado de modulação.

Modulation é o processo de alteração dos parâmetros do sinal da portadora, de acordo com os valores instantâneos do sinal modulante.

Necessidade de modulação

Os sinais de banda base são incompatíveis para transmissão direta. Para tal sinal, para viajar distâncias maiores, sua força deve ser aumentada modulando com uma onda portadora de alta freqüência, que não afeta os parâmetros do sinal modulante.

Vantagens da modulação

A antena usada para transmissão, tinha que ser muito grande, se a modulação não foi introduzida. O alcance da comunicação fica limitado porque a onda não pode viajar para uma distância sem ser distorcida.

A seguir estão algumas das vantagens de implementar modulação nos sistemas de comunicação.

• O tamanho da antena é reduzido.
• Não ocorre mistura de sinal.
• O alcance da comunicação aumenta.
• Ocorre multiplexação de sinais.
• Ajustes na largura de banda são permitidos.
• A qualidade da recepção melhora.

Sinais no processo de modulação

A seguir estão os três tipos de sinais no processo de modulação.

Mensagem ou sinal modulante

O sinal que contém uma mensagem a ser transmitida é chamado de message signal. É um sinal de banda base, que precisa passar por um processo de modulação para ser transmitido. Portanto, também é chamado demodulating signal.

Carrier Signal

O sinal de alta frequência que tem uma certa fase, frequência e amplitude, mas não contém informações, é chamado de carrier signal. É um sinal vazio. Ele é usado apenas para transportar o sinal para o receptor após a modulação.

Sinal Modulado

O sinal resultante após o processo de modulação, é chamado de modulated signal. Este sinal é uma combinação do sinal de modulação e do sinal da portadora.

Tipos de modulação

Existem muitos tipos de modulações. Dependendo das técnicas de modulação utilizadas, elas são classificadas conforme mostrado na figura a seguir.

Os tipos de modulações são amplamente classificados em modulação de onda contínua e modulação de pulso.

Modulação de onda contínua

Na modulação de onda contínua, uma onda senoidal de alta frequência é usada como onda portadora. Isso é dividido em modulação de amplitude e ângulo.

• Se a amplitude da onda portadora de alta frequência for variada de acordo com a amplitude instantânea do sinal modulante, essa técnica é chamada de Amplitude Modulation.

• Se o ângulo da onda portadora for variado, de acordo com o valor instantâneo do sinal modulante, essa técnica é chamada de Angle Modulation.

  A modulação de ângulo é dividida em modulação de frequência e fase.

  • Se a frequência da onda portadora for variada, de acordo com o valor instantâneo do sinal modulante, essa técnica é chamada de Frequency Modulation.

  • Se a fase da onda portadora de alta frequência é variada de acordo com o valor instantâneo do sinal modulante, essa técnica é chamada de Phase Modulation.

Modulação de pulso

Na modulação de pulso, uma sequência periódica de pulsos retangulares é usada como onda portadora. Isso é dividido em modulação analógica e digital.

Dentro analog modulation técnica, se a amplitude, duração ou posição de um pulso é variada de acordo com os valores instantâneos do sinal de modulação da banda base, essa técnica é chamada de Pulse Amplitude Modulation (PAM) ou Pulse Duration/Width Modulation (PDM/PWM), ou Pulse Position Modulation (PPM).

Dentro digital modulation, a técnica de modulação usada é Pulse Code Modulation (PCM)onde o sinal analógico é convertido em forma digital de 1s e 0s. Como o resultante é um trem de pulso codificado, isso é chamado de PCM. Isso é desenvolvido comoDelta Modulation (DM), que será discutido nos capítulos subsequentes. Portanto, PCM é uma técnica em que os sinais analógicos são convertidos em formato digital.

Em qualquer sistema de comunicação, durante a transmissão do sinal, ou durante a recepção do sinal, algum sinal indesejado é introduzido na comunicação, tornando-a desagradável para o receptor, questionando a qualidade da comunicação. Essa perturbação é chamada deNoise.

O que é ruído?

O ruído é um unwanted signalque interfere com o sinal de mensagem original e corrompe os parâmetros do sinal de mensagem. Essa alteração no processo de comunicação, faz com que a mensagem seja alterada. É mais provável que seja inserido no canal ou no receptor.

O sinal de ruído pode ser entendido dando uma olhada no exemplo a seguir.

Portanto, entende-se que o ruído é algum sinal que não tem padrão e nenhuma frequência ou amplitude constante. É bastante aleatório e imprevisível. Normalmente, são tomadas medidas para reduzi-lo, embora não possa ser completamente eliminado.

Os exemplos mais comuns de ruído são -

• Hiss som em receptores de rádio

• Buzz som em meio a conversas telefônicas

• Flicker em receptores de televisão, etc.

Efeitos do ruído

O ruído é um recurso inconveniente que afeta o desempenho do sistema. A seguir estão os efeitos do ruído.

O ruído limita a faixa operacional dos sistemas

O ruído indiretamente coloca um limite no sinal mais fraco que pode ser amplificado por um amplificador. O oscilador no circuito do mixer pode limitar sua frequência por causa do ruído. A operação de um sistema depende da operação de seus circuitos. O ruído limita o menor sinal que um receptor é capaz de processar.

O ruído afeta a sensibilidade dos receptores

A sensibilidade é a quantidade mínima de sinal de entrada necessária para obter a saída de qualidade especificada. O ruído afeta a sensibilidade de um sistema receptor, o que eventualmente afeta a saída.

Tipos de ruído

A classificação do ruído é feita em função do tipo de fonte, do efeito que mostra ou da relação que tem com o receptor, etc.

Existem duas maneiras principais de produzir ruído. Um é através de algunsexternal source enquanto o outro é criado por um internal source, dentro da seção do receptor.

Fonte externa

Este ruído é produzido pelas fontes externas que podem ocorrer no meio ou canal de comunicação, normalmente. Este ruído não pode ser totalmente eliminado. A melhor maneira é evitar que o ruído afete o sinal.

Exemplos

Os exemplos mais comuns deste tipo de ruído são -

• Ruído atmosférico (devido a irregularidades na atmosfera).

• Ruído extraterrestre, como ruído solar e ruído cósmico.

• Ruído industrial.

Fonte Interna

Este ruído é produzido pelos componentes do receptor durante o funcionamento. Os componentes dos circuitos, devido ao funcionamento contínuo, podem produzir poucos tipos de ruído. Esse ruído é quantificável. Um projeto de receptor adequado pode diminuir o efeito desse ruído interno.

Exemplos

Os exemplos mais comuns deste tipo de ruído são -

• Ruído de agitação térmica (ruído Johnson ou ruído elétrico).

• Ruído de disparo (devido ao movimento aleatório de elétrons e lacunas).

• Ruído em tempo de trânsito (durante a transição).

• Ruídos diversos são outro tipo de ruído que inclui tremulação, efeito de resistência e ruído gerado pelo mixer, etc.

A relação sinal-ruído

Signal-to-Noise Ratio (SNR) é o ratio of the signal power to the noise power. Quanto maior o valor de SNR, maior será a qualidade da saída recebida.

A relação sinal-ruído em diferentes pontos pode ser calculada usando as seguintes fórmulas -

$$ Input \: SNR = (SNR) _I = \ frac {Average \: power \: of \: modulating \: signal} {Average \: power \: of \: noise \: at \: input} $$

$$ Saída \: SNR = (SNR) _O = \ frac {Média \: potência \: de \: demodulado \: sinal} {Média \: potência \: de \: ruído \: em \: saída} $$

Figura de mérito

A proporção de output SNR to the input SNR pode ser denominado como o Figure of merit (F). É denotado porF. Ele descreve o desempenho de um dispositivo.

$$ F = \ frac {(SNR) _O} {(SNR) _I} $$

Figura de mérito de um receptor é -

$$ F = \ frac {(SNR) _O} {(SNR) _C} $$

É assim porque, para um receptor, o canal é a entrada.

Para analisar um sinal, ele deve ser representado. Esta representação em sistemas de comunicação é de dois tipos -

• Representação de domínio de frequência, e
• Representação no domínio do tempo.

Considere dois sinais com frequências de 1 kHz e 2 kHz. Ambos são representados no domínio do tempo e da frequência, conforme mostrado na figura a seguir.

A análise no domínio do tempo fornece o comportamento do sinal ao longo de um determinado período de tempo. No domínio da frequência, o sinal é analisado como uma função matemática em relação à frequência.

A representação do domínio da frequência é necessária onde o processamento do sinal, como filtragem, amplificação e mixagem, é feito.

Por exemplo, se um sinal como o seguinte for considerado, entende-se que há ruído nele.

A frequência do sinal original pode ser 1 kHz, mas o ruído de certa frequência, que corrompe este sinal, é desconhecido. Porém, quando o mesmo sinal é representado no domínio da frequência, usando um analisador de espectro, ele é plotado conforme mostrado na figura a seguir.

Aqui, podemos observar alguns harmônicos, que representam o ruído introduzido no sinal original. Conseqüentemente, a representação do sinal ajuda na análise dos sinais.

A análise no domínio da frequência ajuda a criar os padrões de onda desejados. Por exemplo, os padrões de bits binários em um computador, os padrões de Lissajous em um CRO, etc. A análise no domínio do tempo ajuda a compreender esses padrões de bits.

Dentre os tipos de técnicas de modulação, a principal classificação é Modulação de Ondas Contínuas e Modulação de Pulso. As técnicas de modulação de onda contínua são divididas emAmplitude Modulation e Angle Modulation.

Uma onda contínua continua sem intervalos e é o sinal de mensagem da banda base, que contém a informação. Esta onda deve ser modulada.

De acordo com a definição padrão, “A amplitude do sinal portador varia de acordo com a amplitude instantânea do sinal modulante”. Ou seja, a amplitude do sinal da portadora que não contém informação varia conforme a amplitude do sinal, a cada instante, que contém informação. Isso pode ser bem explicado pelas seguintes figuras.

A onda modulante que é mostrada primeiro é o sinal de mensagem. A próxima é a onda portadora, que é apenas um sinal de alta frequência e não contém informações. Enquanto o último é a onda modulada resultante.

Pode-se observar que os picos positivo e negativo da onda portadora, estão interligados com uma linha imaginária. Esta linha ajuda a recriar a forma exata do sinal de modulação. Esta linha imaginária na onda portadora é chamada deEnvelope. É o mesmo que o sinal de mensagem.

Expressão Matemática

A seguir estão as expressões matemáticas para essas ondas.

Representação das ondas no domínio do tempo

Deixe o sinal de modulação ser -

$$ m (t) = A_mcos (2 \ pi f_mt) $$

Deixe o sinal da portadora ser -

$$ c (t) = A_ccos (2 \ pi f_ct) $$

Onde A_m = amplitude máxima do sinal modulante

A_c = amplitude máxima do sinal portador

A forma padrão de uma onda modulada em amplitude é definida como -

$$ S (t) = A_c [1 + K_am (t)] cos (2 \ pi f_ct) $$

$$ S (t) = A_c [1+ \ mu cos (2 \ pi f_mt)] cos (2 \ pi f_ct) $$

$$ Onde, \ mu = K_aA_m $$

Índice de modulação

Uma onda portadora, depois de modulada, se o nível modulado for calculado, essa tentativa é chamada de Modulation Index ou Modulation Depth. Ele afirma o nível de modulação que uma onda portadora sofre.

Os valores máximo e mínimo do envelope da onda modulada são representados por A _max e A _min respectivamente.

Vamos tentar desenvolver uma equação para o Índice de Modulação.

$$ A_ {max} = A_c (1+ \ mu) $$

Uma vez que, em A _max o valor de cos θ é 1

$$ A_ {min} = A_c (1- \ mu) $$

Uma vez que, em A _min, o valor de cos θ é -1

$$ \ frac {A_ {max}} {A_ {min}} = \ frac {1+ \ mu} {1- \ mu} $$

$$ A_ {max} - \ mu A_ {max} = A_ {min} + \ mu A_ {min} $$

$$ - \ mu (A_ {max} + A_ {min}) = A_ {min} -A_ {max} $$

$$ \ mu = \ frac {A_ {max} -A_ {min}} {A_ {max} + A_ {min}} $$

Conseqüentemente, a equação para o Índice de modulação é obtida. µdenota o índice de modulação ou profundidade de modulação. Isso geralmente é denotado em porcentagem chamada dePercentage Modulation. É a extensão da modulação indicada em porcentagem e é indicada porm.

Para uma modulação perfeita, o valor do índice de modulação deve ser 1, o que significa que a profundidade da modulação deve ser 100%.

Por exemplo, se este valor for menor que 1, ou seja, o índice de modulação é 0,5, então a saída modulada seria semelhante à figura a seguir. É chamado de submodulação. Essa onda é chamada deunder-modulated wave.

Se o valor do índice de modulação for maior que 1, ou seja, 1,5 ou mais, então a onda será um over-modulated wave. Seria semelhante à figura a seguir.

Conforme o valor do índice de modulação aumenta, a portadora experimenta uma reversão de fase de 180 °, o que causa bandas laterais adicionais e, portanto, a onda fica distorcida. Essa onda supermodulada causa interferência, que não pode ser eliminada.

Largura de banda da modulação de amplitude

A largura de banda é a diferença entre as frequências mais baixas e mais altas do sinal.

Para onda modulada em amplitude, a largura de banda é dada por

$$ BW = f_ {USB} -f_ {LSB} $$

$$ (f_c + f_m) - (f_c-f_m) $$

$$ = 2f_m = 2W $$

Onde W é a largura de banda da mensagem

Conseqüentemente, ficamos sabendo que a largura de banda necessária para a onda modulada em amplitude é o dobro da freqüência do sinal modulado.

No processo de Modulação de Amplitude ou Modulação de Fase, a onda modulada consiste na onda portadora e em duas bandas laterais. O sinal modulado possui as informações em toda a banda, exceto na frequência da portadora.

Banda lateral

UMA Sidebandé uma banda de frequências, contendo energia, que são as frequências mais baixas e mais altas da frequência portadora. Ambas as bandas laterais contêm as mesmas informações. A representação da onda modulada em amplitude no domínio da frequência é mostrada na figura a seguir.

Ambas as bandas laterais da imagem contêm as mesmas informações. A transmissão de tal sinal que contém uma portadora junto com duas bandas laterais pode ser denominada comoDouble Sideband Full Carrier sistema, ou simplesmente DSB-FC. Ele é plotado conforme mostrado na figura a seguir.

No entanto, essa transmissão é ineficiente. Dois terços da energia estão sendo desperdiçados na transportadora, que não traz nenhuma informação.

Se esta portadora for suprimida e a energia economizada for distribuída para as duas bandas laterais, tal processo é denominado Double Sideband Suppressed Carrier sistema, ou simplesmente DSBSC. Ele é plotado conforme mostrado na figura a seguir.

Agora, temos uma ideia que, como as duas bandas laterais carregam a mesma informação duas vezes, por que não podemos suprimir uma banda lateral. Sim, isso é possível.

O processo de suprimir uma das bandas laterais, junto com a portadora e transmitir uma única banda lateral é chamado de Single Sideband Suppressed Carrier sistema, ou simplesmente SSB-SC ou SSB. Ele é plotado conforme mostrado na figura a seguir.

Este sistema SSB-SC ou SSB, que transmite uma única banda lateral, tem alta potência, pois a potência alocada para a portadora e a outra banda lateral é utilizada na transmissão deste Single Sideband (SSB).

Portanto, a modulação feita usando esta técnica SSB é chamada de SSB Modulation.

Modulação de banda lateral - vantagens

As vantagens da modulação SSB são -

• A largura de banda ou o espaço de espectro ocupado é menor do que os sinais AM e DSB.

• A transmissão de mais número de sinais é permitida.

• O poder é salvo.

• Sinal de alta potência pode ser transmitido.

• Menos ruído está presente.

• O desvanecimento do sinal é menos provável de ocorrer.

Modulação de banda lateral - desvantagens

As desvantagens da modulação SSB são -

• A geração e detecção do sinal SSB é um processo complexo.

• A qualidade do sinal é afetada, a menos que o transmissor e receptor SSB tenham uma excelente estabilidade de frequência.

Modulação de banda lateral - Aplicativos

As aplicações da modulação SSB são -

• Para requisitos de economia de energia e requisitos de baixa largura de banda.

• Em comunicações móveis terrestres, aéreas e marítimas.

• Em comunicações ponto a ponto.

• Em comunicações de rádio.

• Em televisão, telemetria e comunicações de radar.

• Em comunicações militares, como rádio amador, etc.

No caso da modulação SSB, quando uma banda lateral é passada pelos filtros, o filtro passa banda pode não funcionar perfeitamente na prática. Como resultado, algumas informações podem ser perdidas.

Portanto, para evitar essa perda, é escolhida uma técnica, que é um compromisso entre DSB-SC e SSB, chamado como Vestigial Sideband (VSB)técnica. A palavra vestígio que significa “uma parte” da qual o nome é derivado.

Faixa lateral vestigial

Ambas as bandas laterais não são necessárias para a transmissão, pois é um desperdício. Mas uma única banda, se transmitida, leva à perda de informações. Portanto, essa técnica evoluiu.

Vestigial Sideband Modulation ou VSB Modulation é o processo onde uma parte do sinal é chamada de vestigeé modulado, junto com uma banda lateral. Um sinal VSB pode ser plotado conforme mostrado na figura a seguir.

Junto com a banda lateral superior, uma parte da banda lateral inferior também está sendo transmitida nesta técnica. Uma faixa de proteção de largura muito pequena é colocada em cada lado do VSB para evitar as interferências. A modulação VSB é usada principalmente em transmissões de televisão.

Largura de banda de transmissão

A largura de banda de transmissão da onda modulada VSB é representada como -

$$ B = (f_ {m} + f_ {v}) Hz $$

Onde,

f_m = Largura de banda da mensagem

f_v = Largura da faixa lateral vestigial

Modulação VSB - Vantagens

A seguir estão as vantagens do VSB -

• Altamente eficiente.

• Redução da largura de banda.

• O projeto do filtro é fácil, pois não é necessária alta precisão.

• A transmissão de componentes de baixa frequência é possível, sem dificuldade.

• Possui boas características de fase.

Modulação VSB - Desvantagens

A seguir estão as desvantagens do VSB -

• A largura de banda quando comparada ao SSB é maior.

• A demodulação é complexa.

Modulação VSB - Aplicação

A aplicação mais proeminente e padrão do VSB é para a transmissão de television signals. Além disso, essa é a técnica mais conveniente e eficiente quando o uso da largura de banda é considerado.

O outro tipo de modulação na modulação de onda contínua é o Angle Modulation. Modulação angular é o processo no qual a frequência ou a fase da portadora varia de acordo com o sinal de mensagem. Isso é dividido em modulação de frequência e fase.

• Modulação de frequência é o processo de variar a frequência do sinal da portadora linearmente com o sinal de mensagem.

• Modulação de fase é o processo de variar a fase do sinal da portadora linearmente com o sinal de mensagem.

Vamos agora discutir esses tópicos com mais detalhes.

Modulação de frequência

Na modulação de amplitude, a amplitude da portadora varia. Já na Modulação em Freqüência (FM), a freqüência do sinal da portadora varia de acordo com a amplitude instantânea do sinal modulante.

A amplitude e a fase do sinal da portadora permanecem constantes, enquanto a frequência da portadora muda. Isso pode ser melhor compreendido observando as figuras a seguir.

A frequência da onda modulada permanece constante como a frequência da onda portadora quando o sinal de mensagem está em zero. A frequência aumenta quando o sinal de mensagem atinge sua amplitude máxima.

O que significa que, com o aumento da amplitude do sinal de modulação ou mensagem, a frequência da portadora aumenta. Da mesma forma, com a diminuição da amplitude do sinal modulante, a frequência também diminui.

Representação Matemática

Deixe a frequência portadora ser f_c

A frequência na amplitude máxima do sinal de mensagem = f_c + Δf

A frequência na amplitude mínima do sinal de mensagem = f_c - Δf

A diferença entre a frequência modulada FM e a frequência normal é denominada como Frequency Deviation e é denotado por Δf.

O desvio da frequência do sinal da portadora de alto para baixo ou de baixo para alto pode ser denominado como o Carrier Swing.

Swing da portadora = 2 × desvio de frequência

= 2 × Δf

Equação para FM WAVE

A equação para a onda FM é -

$$ s (t) = A_ccos [W_ct + 2 \ pi k_fm (t)] $$

Onde,

A_c = a amplitude da portadora

w_c = frequência angular da portadora = 2πf_c

m(t) = sinal de mensagem

FM pode ser dividido em Narrowband FM e Wideband FM.

Narrowband FM

Os recursos do Narrowband FM são os seguintes -

• Essa modulação de frequência possui uma largura de banda pequena.

• O índice de modulação é pequeno.

• Seu espectro consiste em portadora, USB e LSB.

• Isso é usado em comunicações móveis, como polícia sem fio, ambulâncias, táxis, etc.

Wideband FM

Os recursos do Wideband FM são os seguintes -

• Esta modulação de frequência tem largura de banda infinita.

• O índice de modulação é grande, ou seja, maior que 1.

• Seu espectro consiste em uma portadora e um número infinito de bandas laterais, que estão localizadas ao seu redor.

• Isso é usado em aplicativos de transmissão de entretenimento, como rádio FM, TV, etc.

Modulação de Fase

Na modulação de frequência, a frequência da portadora varia. Mas emPhase Modulation (PM), a fase do sinal portador varia de acordo com a amplitude instantânea do sinal modulante.

A amplitude e a frequência do sinal da portadora permanecem constantes, enquanto a fase da portadora muda. Isso pode ser melhor compreendido observando as figuras a seguir.

A fase da onda modulada possui infinitos pontos onde a mudança de fase em uma onda pode ocorrer. A amplitude instantânea do sinal modulante, muda a fase da portadora. Quando a amplitude é positiva, a fase muda em uma direção e se a amplitude for negativa, a fase muda na direção oposta.

Relação entre PM e FM

A mudança de fase, muda a frequência da onda modulada. A frequência da onda também muda a fase da onda. Embora eles sejam parentes, seu relacionamento não é linear. A modulação de fase é um método indireto de produção de FM. A quantidade de mudança de frequência, produzida por um modulador de fase, aumenta com a frequência de modulação. Um equalizador de áudio é empregado para compensar isso.

Equação para PM Wave

A equação para a onda PM é -

$$ s (t) = A_ccos [W_ct + k_pm (t)] $$

Onde,

A_c = a amplitude da portadora

w_c = frequência angular da portadora = 2πf_c

m(t) = sinal de mensagem

A modulação de fase é usada em sistemas de comunicação móvel, enquanto a modulação de frequência é usada principalmente para transmissão FM.

Multiplexing é o processo de combinar vários sinais em um sinal, em um meio compartilhado.

• O processo é chamado de analog multiplexing se esses sinais forem de natureza analógica.

• Se os sinais digitais são multiplexados, é chamado de digital multiplexing.

A multiplexação foi desenvolvida pela primeira vez na telefonia. Vários sinais foram combinados para enviar por meio de um único cabo. O processo de multiplexação divide um canal de comunicação em vários canais lógicos, atribuindo a cada um um sinal de mensagem diferente ou um fluxo de dados a ser transferido. O dispositivo que faz multiplexação pode ser chamado deMUX.

O processo inverso, ou seja, extrair o número de canais de um, que é feito no receptor, é denominado como demultiplexing. O dispositivo que faz a demultiplexação é chamado deDEMUX.

As figuras a seguir ilustram o conceito de MUX e DEMUX. Seu uso principal é no campo das comunicações.

Tipos de multiplexadores

Existem basicamente dois tipos de multiplexadores: analógico e digital. Eles são divididos em FDM, WDM e TDM. A figura a seguir dá uma ideia detalhada sobre essa classificação.

Existem muitos tipos de técnicas de multiplexação. De todos eles, temos os principais tipos com classificação geral, mencionados na figura acima. Vamos dar uma olhada neles individualmente.

Multiplexação Analógica

As técnicas de multiplexação analógica envolvem sinais de natureza analógica. Os sinais analógicos são multiplexados de acordo com sua frequência (FDM) ou comprimento de onda (WDM).

Multiplexação por divisão de frequência

Na multiplexação analógica, a técnica mais usada é Frequency Division Multiplexing (FDM). Essa técnica usa várias frequências para combinar fluxos de dados, para enviá-los em um meio de comunicação, como um único sinal.

Example - Um transmissor de televisão tradicional, que envia vários canais por meio de um único cabo, usa FDM.

Wavelength Division Multiplexing

A multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) é uma técnica analógica, na qual muitos fluxos de dados de diferentes comprimentos de onda são transmitidos no espectro de luz. Se o comprimento de onda aumenta, a frequência do sinal diminui. Um prisma que pode transformar diferentes comprimentos de onda em uma única linha pode ser usado na saída do MUX e na entrada do DEMUX.

Example - As comunicações de fibra óptica usam a técnica WDM, para mesclar diferentes comprimentos de onda em uma única luz para a comunicação.

Multiplexação Digital

O termo digital representa os bits discretos de informação. Assim, os dados disponíveis estão na forma de quadros ou pacotes, que são discretos.

Multiplexação por divisão de tempo (TDM)

No TDM, o período de tempo é dividido em slots. Essa técnica é usada para transmitir um sinal em um único canal de comunicação, atribuindo um slot para cada mensagem.

De todos os tipos de TDM, os principais são TDM síncronos e assíncronos.

TDM síncrono

No TDM síncrono, a entrada é conectada a um quadro. Se houver 'n' número de conexões, o quadro será dividido em 'n' intervalos de tempo. Um slot é alocado para cada linha de entrada.

Nesta técnica, a taxa de amostragem é comum para todos os sinais e, portanto, a mesma entrada de relógio é fornecida. O MUX aloca osame slot para cada dispositivo em todos os momentos.

TDM assíncrono

No TDM assíncrono, a taxa de amostragem é diferente para cada um dos sinais e um clock comum não é necessário. Se o dispositivo alocado, por um intervalo de tempo não transmite nada e fica ocioso, então esse intervalo éallotted to another dispositivo, ao contrário do síncrono.

Este tipo de TDM é usado em redes de modo de transferência assíncrona.

Demultiplexer

Demultiplexadores são usados ​​para conectar uma única fonte a vários destinos. Este processo é o reverso da multiplexação. Conforme mencionado anteriormente, ele é usado principalmente nos receptores. DEMUX tem muitos aplicativos. É usado em receptores nos sistemas de comunicação. É usado em unidades aritméticas e lógicas em computadores para fornecer energia e passar comunicação, etc.

Os demultiplexadores são usados ​​como conversores serial para paralelo. Os dados seriais são fornecidos como entrada para DEMUX em intervalos regulares e um contador é anexado a ele para controlar a saída do demultiplexador.

Tanto os multiplexadores quanto os demultiplexadores desempenham um papel importante nos sistemas de comunicação, tanto nas seções de transmissor quanto de receptor.

A multiplexação por divisão de frequência é usada em receptores de rádio e televisão. O principal uso do FM é para comunicações de rádio. Vamos dar uma olhada na estrutura do transmissor FM e do receptor FM, juntamente com seus diagramas de blocos e funcionamento.

Transmissor FM

O transmissor FM é a unidade completa que recebe o sinal de áudio como entrada e fornece ondas moduladas FM para a antena como uma saída a ser transmitida. O transmissor FM consiste em 6 estágios principais. Eles são ilustrados na figura a seguir.

O funcionamento do transmissor FM pode ser explicado a seguir.

• O sinal de áudio da saída do microfone é dado ao pré-amplificador que aumenta o nível do sinal de modulação.

• Este sinal é então passado para o filtro passa-altas, que atua como uma rede pré-ênfase para filtrar o ruído e melhorar a relação sinal-ruído.

• Este sinal é posteriormente passado para o circuito modulador FM.

• O circuito oscilador gera uma portadora de alta frequência, que é fornecida ao modulador junto com o sinal modulante.

• Vários estágios do multiplicador de frequência são usados ​​para aumentar a frequência de operação. Mesmo assim, a potência do sinal não é suficiente para transmitir. Portanto, um amplificador de potência RF é usado no final para aumentar a potência do sinal modulado. Esta saída modulada FM é finalmente passada para a antena para ser transmitida.

Requisitos de um receptor

Um receptor de rádio é usado para receber sinais da banda AM e da banda FM. A detecção deAM é feito pelo método chamado como Envelope Detection e a detecção de FM é feito pelo método chamado como Frequency Discrimination.

Esse receptor de rádio tem os seguintes requisitos.

• Deve ser rentável.

• Deve receber sinais AM e FM.

• O receptor deve ser capaz de sintonizar e amplificar a estação desejada.

• Deve ter a capacidade de rejeitar as estações indesejadas.

• A demodulação deve ser feita em todos os sinais da estação, seja qual for a frequência portadora.

Para que esses requisitos sejam atendidos, o circuito do sintonizador e o circuito do mixer devem ser muito eficazes. O procedimento de mixagem de RF é um fenômeno interessante.

Mixagem RF

A unidade de mistura de RF desenvolve um Intermediate Frequency (IF) para o qual qualquer sinal recebido é convertido, de modo a processar o sinal de forma eficaz.

O RF Mixer é um estágio importante no receptor. Dois sinais de frequências diferentes são obtidos onde um nível de sinal afeta o nível do outro sinal, para produzir a saída mista resultante. Os sinais de entrada e a saída resultante do mixer são ilustrados nas figuras a seguir.

Quando dois sinais entram no mixer RF,

• A primeira frequência de sinal = F₁

• A segunda frequência de sinal = F₂

Então, as frequências de sinal resultantes = (F₁ + F₂) e (F₁ - F₂)

Um mixer de dois sinais de frequências diferentes é produzido na saída.

Se isso for observado no domínio da frequência, o padrão se parece com a figura a seguir.

O símbolo de um mixer RF se parece com a figura a seguir.

Os dois sinais são misturados para produzir um sinal resultante, onde o efeito de um sinal afeta o outro sinal e ambos produzem um padrão diferente, conforme visto anteriormente.

Receptor FM

O receptor FM é a unidade completa que recebe o sinal modulado como entrada e produz o sinal de áudio original como saída. Os rádios amadores são os primeiros receptores de rádio. No entanto, eles têm desvantagens, como baixa sensibilidade e seletividade.

Selectivity é a seleção de um determinado sinal enquanto rejeita os outros. Sensitivity é a capacidade de detectar um sinal de RF e demodulá-lo com o nível de potência mais baixo.

Para superar essas desvantagens, super heterodynereceptor foi inventado. Este receptor FM consiste em 5 fases principais. Eles são mostrados na figura a seguir.

Seção de sintonizador RF

O sinal modulado recebido pela antena é primeiro passado para o tuner circuitatravés de um transformador. O circuito do sintonizador nada mais é do que um circuito LC, que também é chamado deresonant ou tank circuit. Seleciona a freqüência desejada pelo receptor de rádio. Ele também ajusta o oscilador local e o filtro de RF ao mesmo tempo.

Mixer RF

O sinal da saída do sintonizador é dado ao RF-IF converter, que atua como um mixer. Possui um oscilador local, que produz uma frequência constante. O processo de mixagem é feito aqui, tendo o sinal recebido como uma entrada e a frequência do oscilador local como a outra entrada. A saída resultante é uma mistura de duas frequências [(f ₁ + f ₂ ), (f ₁ - f ₂ )] produzida pelo misturador, que é chamada deIntermediate Frequency (IF).

A produção de IF auxilia na demodulação de qualquer sinal de estação com qualquer frequência portadora. Portanto, todos os sinais são traduzidos para uma frequência de portadora fixa para seletividade adequada.

Filtro IF

O filtro de frequência intermediário é um filtro passa-banda, que passa a frequência desejada. Ele elimina quaisquer componentes indesejados de alta frequência presentes nele, bem como o ruído. O filtro IF ajuda a melhorar oSignal to Noise Ratio (SNR).

Demodulator

O sinal modulado recebido agora é demodulado com o mesmo processo usado no lado do transmissor. A discriminação de frequência é geralmente usada para detecção de FM.

Amplificador de áudio

Este é o estágio de amplificador de potência que é usado para amplificar o sinal de áudio detectado. O sinal processado recebe força para ser eficaz. Este sinal é passado para o alto-falante para obter o sinal de som original.

Este receptor super heteródino é bem utilizado devido às suas vantagens, como melhor SNR, sensibilidade e seletividade.

Ruído em FM

A presença de ruído também é um problema no FM. Sempre que um sinal de interferência forte com frequência mais próxima do sinal desejado chega, o receptor bloqueia esse sinal de interferência. Esse fenômeno é chamado deCapture effect.

Para aumentar o SNR em frequências de modulação mais altas, um circuito passa-alto chamado preemphasis, é usado no transmissor. Outro circuito chamadode-emphasis, o processo inverso de pré-ênfase é usado no receptor, que é um circuito passa-baixo. Os circuitos de pré-ênfase e não-ênfase são amplamente usados ​​no transmissor e receptor FM para aumentar efetivamente o SNR de saída.

Até agora, discutimos sobre modulação de onda contínua. Agora é hora de sinais discretos. oPulse modulationtécnicas, lida com sinais discretos. Vamos ver como converter um sinal contínuo em um sinal discreto. O processo chamado Amostragem nos ajuda nisso.

Amostragem

O processo de conversão de sinais de tempo contínuos em sinais de tempo discretos equivalentes pode ser denominado como Sampling. Um certo instante de dados é continuamente amostrado no processo de amostragem.

A figura a seguir indica um sinal de tempo contínuo x(t) e um sinal amostrado x_s(t). Quandox(t) é multiplicado por um trem de impulso periódico, o sinal amostrado x_s(t) é obtido.

UMA sampling signal é um trem periódico de pulsos, tendo unit amplitude, amostrado em intervalos iguais de tempo T_s, que é chamado de Sampling time. Esses dados são transmitidos em instantes de tempoT_s e o sinal da portadora é transmitido no tempo restante.

Taxa de amostragem

Para discretizar os sinais, a lacuna entre as amostras deve ser corrigida. Essa lacuna pode ser denominada comosampling period T_s.

$$ Amostragem \: Frequência = \ frac {1} {T_s} = f_s $$

Onde,

T_s = o tempo de amostragem

f_s = a frequência de amostragem ou taxa de amostragem

Teorema de Amostragem

Ao considerar a taxa de amostragem, um ponto importante a respeito de quanto a taxa deve ser, deve ser considerado. orate of sampling deve ser tal que os dados no sinal de mensagem não sejam perdidos nem sobrepostos.

o sampling theorem afirma que, “um sinal pode ser reproduzido exatamente se for amostrado na taxa f_s que é maior ou igual a duas vezes a frequência máxima W. ”

Simplificando, para a reprodução eficaz do sinal original, a taxa de amostragem deve ser duas vezes a frequência mais alta.

Que significa,

$$ f_s \ geq 2W $$

Onde,

f_s = a frequência de amostragem

W é a frequência mais alta

Esta taxa de amostragem é chamada de Nyquist rate.

O teorema da amostragem, que também é chamado de Nyquist theorem, fornece a teoria da taxa de amostragem suficiente em termos de largura de banda para a classe de funções que são limitadas por banda.

Para o sinal de tempo contínuo x(t), o sinal de banda limitada no domínio da frequência, pode ser representado como mostrado na figura a seguir.

Se o sinal for amostrado acima da taxa de Nyquist, o sinal original pode ser recuperado. A figura a seguir explica um sinal, se amostrado a uma taxa superior a 2w no domínio da frequência.

Se o mesmo sinal for amostrado a uma taxa inferior a 2w, o sinal amostrado se parecerá com a figura a seguir.

Podemos observar a partir do padrão acima que a sobreposição de informações é feita, o que leva à confusão e perda de informações. Este fenômeno indesejado de sobreposição é chamado deAliasing.

O aliasing pode ser referido como "o fenômeno de um componente de alta frequência no espectro de um sinal, assumindo a identidade de um componente de baixa frequência no espectro de sua versão amostrada".

Conseqüentemente, a amostragem do sinal é escolhida para estar na taxa de Nyquist, conforme declarado no teorema de amostragem. Se a taxa de amostragem for igual a duas vezes a frequência mais alta (2W).

Que significa,

$$ f_s = 2W $$

Onde,

f_s = a frequência de amostragem

W é a frequência mais alta

O resultado será como mostrado na figura acima. A informação é substituída sem qualquer perda. Portanto, esta é uma boa taxa de amostragem.

Após a modulação de onda contínua, a próxima divisão é a modulação de pulso. A modulação de pulso é dividida em modulação analógica e digital. As técnicas de modulação analógica são classificadas principalmente em modulação de amplitude de pulso, modulação de duração de pulso / modulação de largura de pulso e modulação de posição de pulso.

Modulação de amplitude de pulso

Pulse Amplitude Modulation (PAM) é um esquema de modulação analógica no qual a amplitude da portadora de pulso varia proporcionalmente à amplitude instantânea do sinal de mensagem.

O sinal modulado por amplitude de pulso seguirá a amplitude do sinal original, à medida que o sinal traça o caminho de toda a onda. No PAM natural, um sinal amostrado na taxa de Nyquist é reconstruído, passando-o por um eficienteLow Pass Frequency (LPF) com frequência de corte exata

As figuras a seguir explicam a modulação de amplitude de pulso.

Embora o sinal PAM seja passado por um LPF, ele não pode recuperar o sinal sem distorção. Portanto, para evitar esse ruído, a amostragem de topo plano é feita conforme mostrado na figura a seguir.

Flat-top samplingé o processo no qual o sinal amostrado pode ser representado em pulsos para os quais a amplitude do sinal não pode ser alterada em relação ao sinal analógico a ser amostrado. Os topos da amplitude permanecem planos. Este processo simplifica o projeto do circuito.

Modulação de largura de pulso

Pulse Width Modulation (PWM) ou Pulse Duration Modulation (PDM) ou Pulse Time Modulation (PTM) é um esquema de modulação analógica em que a duração ou largura ou tempo da portadora de pulso varia proporcionalmente à amplitude instantânea do sinal de mensagem.

A largura do pulso varia neste método, mas a amplitude do sinal permanece constante. Limitadores de amplitude são usados ​​para tornar a amplitude do sinal constante. Esses circuitos cortam a amplitude, a um nível desejado e, portanto, o ruído é limitado.

As figuras a seguir explicam os tipos de modulações de largura de pulso.

Existem três variações de PWM. Eles são -

• Sendo a borda dianteira do pulso constante, a borda traseira varia de acordo com o sinal de mensagem.

• Sendo a borda posterior do pulso constante, a borda dianteira varia de acordo com o sinal de mensagem.

• Sendo o centro do pulso constante, a borda de ataque e a borda de fuga variam de acordo com o sinal de mensagem.

Esses três tipos são mostrados na figura acima, com slots de temporização.

Modulação de posição de pulso

Pulse Position Modulation (PPM) é um esquema de modulação analógica no qual a amplitude e a largura dos pulsos são mantidas constantes, enquanto a posição de cada pulso, em relação à posição de um pulso de referência, varia de acordo com o valor amostrado instantâneo do sinal de mensagem.

O transmissor deve enviar pulsos de sincronização (ou simplesmente pulsos de sincronização) para manter o transmissor e o receptor em sincronismo. Esses pulsos de sincronização ajudam a manter a posição dos pulsos. As figuras a seguir explicam a modulação de posição de pulso.

A modulação da posição de pulso é feita de acordo com o sinal modulado por largura de pulso. Cada trilha do sinal modulado por largura de pulso se torna o ponto de partida para pulsos no sinal PPM. Portanto, a posição desses pulsos é proporcional à largura dos pulsos PWM.

Vantagem

Como a amplitude e largura são constantes, a potência manipulada também é constante.

Desvantagem

A sincronização entre o transmissor e o receptor é imprescindível.

Comparação entre PAM, PWM e PPM

A comparação entre os processos de modulação acima é apresentada em uma única tabela.

PAM	PWM	PPM
A amplitude é variada	A largura é variada	A posição é variada
A largura de banda depende da largura do pulso	A largura de banda depende do tempo de subida do pulso	A largura de banda depende do tempo de subida do pulso
A potência do transmissor instantâneo varia com a amplitude dos pulsos	A potência do transmissor instantâneo varia com a amplitude e largura dos pulsos	A potência do transmissor instantâneo permanece constante com a largura dos pulsos
A complexidade do sistema é alta	A complexidade do sistema é baixa	A complexidade do sistema é baixa
A interferência de ruído é alta	A interferência de ruído é baixa	A interferência de ruído é baixa
É semelhante à modulação de amplitude	É semelhante à modulação de frequência	É semelhante à modulação de fase

Até agora, passamos por diferentes técnicas de modulação. O que resta édigital modulation, que se enquadra na classificação de modulação de pulso. A modulação digital tem Pulse Code Modulation (PCM) como classificação principal. Ele ainda é processado para modulação delta e ADM.

Modulação de código de pulso

Um sinal é modulado por Código de Pulso para converter suas informações analógicas em uma seqüência binária, ou seja, 1s e 0s. A saída de umPulse Code Modulation (PCM)será semelhante a uma sequência binária. A figura a seguir mostra um exemplo de saída PCM em relação aos valores instantâneos de uma dada onda senoidal.

Em vez de um trem de pulso, o PCM produz uma série de números ou dígitos e, portanto, esse processo é denominado digital. Cada um desses dígitos, embora em código binário, representa a amplitude aproximada da amostra do sinal naquele instante.

Na modulação por código de pulso, o sinal de mensagem é representado por uma sequência de pulsos codificados. Este sinal de mensagem é obtido representando o sinal de forma discreta em tempo e amplitude.

Elementos básicos do PCM

A seção do transmissor de um circuito modulador de código de pulso consiste em Sampling, Quantizing e Encoding, que são realizados no analog-to-digital converterseção. O filtro passa-baixo antes da amostragem evita o aliasing do sinal de mensagem.

As operações básicas na seção receptora são regeneration of impaired signals, decoding, e reconstructiondo trem de pulso quantizado. A figura a seguir é o diagrama de blocos do PCM que representa os elementos básicos das seções do transmissor e do receptor.

Filtro passa-baixo (LPF)

Este filtro elimina os componentes de alta frequência presentes no sinal analógico de entrada que é maior do que a frequência mais alta do sinal de mensagem, para evitar o aliasing do sinal de mensagem.

Sampler

Este é o circuito que utiliza a técnica que ajuda a coletar os dados da amostra em valores instantâneos do sinal de mensagem, de forma a reconstruir o sinal original. A taxa de amostragem deve ser maior que o dobro do componente de frequência mais altoW do sinal de mensagem, de acordo com o teorema de amostragem.

Quantizador

Quantizar é um processo de redução dos bits excessivos e de confinamento dos dados. A saída amostrada quando fornecida ao Quantizer, reduz os bits redundantes e comprime o valor.

Codificador

A digitalização do sinal analógico é feita pelo codificador. Ele designa cada nível quantizado por um código binário. A amostragem feita aqui é o processo de amostragem e retenção. Essas três seções funcionarão como um conversor analógico para o digital. A codificação minimiza a largura de banda usada.

Repetidor Regenerativo

A saída do canal tem um circuito repetidor regenerativo para compensar a perda de sinal e reconstruir o sinal. Também aumenta a força do sinal.

Decodificador

O circuito decodificador decodifica a forma de onda codificada por pulso para reproduzir o sinal original. Este circuito atua como odemodulator.

Filtro de Reconstrução

Depois que a conversão digital para analógico é feita pelo circuito regenerativo e pelo decodificador, um filtro passa-baixa é empregado, chamado de filtro de reconstrução, para recuperar o sinal original.

Conseqüentemente, o circuito do modulador de código de pulso digitaliza o sinal analógico fornecido, o codifica e faz uma amostra dele. Em seguida, ele transmite de forma analógica. Todo esse processo é repetido em um padrão reverso para obter o sinal original.

Existem poucas técnicas de modulação que são seguidas para construir um sinal PCM. Essas técnicas comosampling, quantization, e companding ajudam a criar um sinal PCM eficaz, que pode reproduzir exatamente o sinal original.

Quantização

A digitalização de sinais analógicos envolve o arredondamento dos valores que são aproximadamente iguais aos valores analógicos. O método de amostragem escolhe alguns pontos no sinal analógico e, em seguida, esses pontos são unidos para arredondar o valor para um valor quase estabilizado. Esse processo é chamado deQuantization.

A quantização de um sinal analógico é feita discretizando o sinal com vários níveis de quantização. Quantização é a representação dos valores amostrados da amplitude por um conjunto finito de níveis, o que significa a conversão de umcontinuous-amplitude sample dentro de discrete-time signal.

A figura a seguir mostra como um sinal analógico é quantizado. A linha azul representa o sinal analógico, enquanto a vermelha representa o sinal quantizado.

Tanto a amostragem quanto a quantização resultam na perda de informações. A qualidade de uma saída do Quantizer depende do número de níveis de quantização usados. As amplitudes discretas da saída quantizada são chamadas derepresentation levels ou reconstruction levels. O espaçamento entre dois níveis de representação adjacentes é chamado dequantum ou step-size.

Companding em PCM

A palavra Companding é uma combinação de Comprensagem e Expanding, o que significa que faz ambos. Esta é uma técnica não linear usada no PCM que comprime os dados no transmissor e expande os mesmos dados no receptor. Os efeitos de ruído e diafonia são reduzidos com o uso dessa técnica.

Existem dois tipos de técnicas de Companding.

Técnica de Companding A-law

• A quantização uniforme é alcançada em A = 1, onde a curva característica é linear e não há compressão.

• A-law tem mid-rise na origem. Portanto, ele contém um valor diferente de zero.

• O compressão / expansão A-law é usado para sistemas de telefonia PCM.

• A lei-A é usada em muitas partes do mundo.

Técnica de Companding µ-law

• A quantização uniforme é alcançada em µ = 0, onde a curva característica é linear e não há compressão.

• µ-law possui o meio do piso na origem. Portanto, ele contém um valor zero.

• O compressão / expansão µ-law é usado para sinais de voz e música.

• µ-law é usado na América do Norte e no Japão.

PCM diferencial

As amostras altamente correlacionadas, quando codificadas pela técnica PCM, deixam informações redundantes para trás. Para processar essa informação redundante e ter um melhor resultado, é uma decisão sábia tomar os valores amostrados previstos, assumidos de suas saídas anteriores, e resumi-los com os valores quantizados.

Esse processo é denominado como Differential PCM técnica.

A taxa de amostragem de um sinal deve ser maior do que a taxa de Nyquist, para obter uma melhor amostragem. Se este intervalo de amostragem em um PCM diferencial (DPCM) for reduzido consideravelmente, a diferença de amplitude de amostra para amostra é muito pequena, como se a diferença fosse1-bit quantization, então o tamanho do passo é muito pequeno, ou seja, Δ (delta).

O que é modulação Delta?

O tipo de modulação, onde a taxa de amostragem é muito maior e em que o tamanho do passo após a quantização é de menor valor Δ, tal modulação é denominada como delta modulation.

Características da modulação delta

• Uma entrada sobre-amostrada é usada para fazer uso total de uma correlação de sinal.

• O projeto de quantização é simples.

• A sequência de entrada é muito maior do que a taxa de Nyquist.

• A qualidade é moderada.

• O design do modulador e do demodulador é simples.

• A aproximação em escada da forma de onda de saída.

• O tamanho do passo é muito pequeno, ou seja, Δ (delta).

• A taxa de bits pode ser decidida pelo usuário.

• Requer uma implementação mais simples.

A modulação delta é uma forma simplificada da técnica DPCM, também vista como esquema DPCM de 1 bit. Conforme o intervalo de amostragem é reduzido, a correlação do sinal será maior.

Modulador Delta

o Delta Modulatoré composto por um quantizador de 1 bit e um circuito de atraso junto com dois circuitos de verão. A seguir está o diagrama de blocos de um modulador delta.

Uma forma de onda aproximada em escada será a saída do modulador delta com o tamanho do passo como delta (Δ) A qualidade de saída da forma de onda é moderada.

Demodulador Delta

O demodulador delta é composto por um filtro passa-baixas, um circuito de verão e um retardo. O circuito preditor é eliminado aqui e, portanto, nenhuma entrada presumida é fornecida ao demodulador.

A seguir está o diagrama de blocos para o demodulador delta.

O filtro passa-baixo é usado por muitos motivos, mas o mais importante é a eliminação de ruído para sinais fora da banda. O erro de tamanho do passo que pode ocorrer no transmissor é chamadogranular noise, que é eliminado aqui. Se não houver ruído presente, a saída do modulador será igual à entrada do demodulador.

Vantagens do DM sobre DPCM

• Quantizador de 1 bit
• Projeto muito fácil de modulador e demodulador

No entanto, existem alguns noise in DM e a seguir estão os tipos de ruído.

• Inclinação sobre distorção de carga (quando Δ é pequeno)
• Ruído granular (quando Δ é grande)

Modulação Delta Adaptativa

Na modulação digital, encontramos alguns problemas para determinar o tamanho do passo, que influencia a qualidade da onda de saída.

O tamanho de passo maior é necessário na inclinação acentuada do sinal de modulação e um tamanho de passo menor é necessário onde a mensagem tem uma inclinação pequena. Como resultado, os mínimos detalhes são perdidos. Portanto, seria melhor se pudéssemos controlar o ajuste do tamanho do passo, de acordo com nossa necessidade, a fim de obter a amostra da maneira desejada. Este é o conceito deAdaptive Delta Modulation (ADM).

A Modulação Digital oferece mais capacidade de informação, alta segurança de dados, disponibilidade mais rápida do sistema com comunicação de ótima qualidade. Assim, as técnicas de modulação digital têm uma demanda maior, por sua capacidade de transmitir maiores quantidades de dados do que as analógicas.

Existem muitos tipos de técnicas de modulação digital e podemos até usar uma combinação dessas técnicas também. Neste capítulo, iremos discutir as técnicas de modulação digital mais proeminentes.

Amplitude Shift Keying

A amplitude da saída resultante depende dos dados de entrada se deve ser um nível zero ou uma variação de positivo e negativo, dependendo da frequência da portadora.

Amplitude Shift Keying (ASK) é um tipo de modulação de amplitude que representa os dados binários na forma de variações na amplitude de um sinal.

A seguir está o diagrama da forma de onda modulada ASK junto com sua entrada.

Qualquer sinal modulado possui uma portadora de alta frequência. O sinal binário quando ASK é modulado, fornece um valor zero para a entrada LOW e fornece a saída da portadora para a entrada HIGH.

Chaveamento de mudança de freqüência

A frequência do sinal de saída será alta ou baixa, dependendo dos dados de entrada aplicados.

Frequency Shift Keying (FSK)é a técnica de modulação digital em que a frequência do sinal da portadora varia de acordo com as mudanças digitais discretas. FSK é um esquema de modulação de frequência.

A seguir está o diagrama da forma de onda modulada FSK junto com sua entrada.

A saída de uma onda modulada FSK é de alta frequência para uma entrada binária HIGH e baixa para uma entrada binária LOW. Os binários 1s e 0s são chamadosMark e Space frequencies.

Phase Shift Keying

A fase do sinal de saída muda dependendo da entrada. Estes são principalmente de dois tipos, nomeadamente BPSK e QPSK, de acordo com o número de deslocamentos de fase. O outro é o DPSK que muda a fase de acordo com o valor anterior.

Phase Shift Keying (PSK)é a técnica de modulação digital na qual a fase do sinal da portadora é alterada pela variação das entradas de seno e cosseno em um determinado momento. A técnica PSK é amplamente usada para LANs sem fio, biometria, operações sem contato, juntamente com comunicações RFID e Bluetooth.

PSK é de dois tipos, dependendo das fases em que o sinal é alterado. Eles são -

Chaveamento de mudança de fase binária (BPSK)

Isso também é chamado de 2-phase PSK (ou) Phase Reversal Keying. Nessa técnica, a portadora de onda senoidal leva duas reversões de fase, como 0 ° e 180 °.

BPSK é basicamente um esquema de modulação DSB-SC (Double Sideband Suppressed Carrier), sendo a mensagem a informação digital.

A seguir está a imagem da onda de saída modulada BPSK junto com sua entrada.

Modificação de mudança de fase em quadratura (QPSK)

Esta é a técnica de chaveamento de mudança de fase, na qual a portadora de onda senoidal realiza quatro reversões de fase, como 0 °, 90 °, 180 ° e 270 °.

Se este tipo de técnica for estendido ainda mais, o PSK pode ser feito por oito ou dezesseis valores também, dependendo da necessidade. A figura a seguir representa a forma de onda QPSK para entrada de dois bits, que mostra o resultado modulado para diferentes instâncias de entradas binárias.

QPSK é uma variação do BPSK e também é um esquema de modulação DSB-SC (Double Sideband Suppressed Carrier), que envia dois bits de informação digital por vez, chamado de bigits.

Em vez da conversão de bits digitais em uma série de fluxos digitais, ele os converte em pares de bits. Isso diminui a taxa de bits de dados para a metade, o que permite espaço para os outros usuários.

Chaveamento de mudança de fase diferencial (DPSK)

Em DPSK (Differential Phase Shift Keying), a fase do sinal modulado é deslocada em relação ao elemento de sinal anterior. Nenhum sinal de referência é considerado aqui. A fase do sinal segue o estado alto ou baixo do elemento anterior. Esta técnica DPSK não precisa de um oscilador de referência.

A figura a seguir representa a forma de onda do modelo DPSK.

É visto na figura acima que, se o bit de dados for BAIXO, ou seja, 0, então a fase do sinal não é revertida, mas continua como estava. Se os dados forem ALTOS, ou seja, 1, a fase do sinal é invertida, como com NRZI, invertida em 1 (uma forma de codificação diferencial).

Se observarmos a forma de onda acima, podemos dizer que o estado HIGH representa um M no sinal de modulação e o estado LOW representa um W no sinal de modulação.

A palavra binária representa dois bits. M simplesmente representa um dígito que corresponde ao número de condições, níveis ou combinações possíveis para um determinado número de variáveis ​​binárias.

Este é o tipo de técnica de modulação digital usada para transmissão de dados em que em vez de um bit, dois ou more bits are transmitted at a time. Como um único sinal é usado para transmissão de vários bits, a largura de banda do canal é reduzida.

Equação M-ária

Se um sinal digital for dado em quatro condições, como níveis de tensão, frequências, fases e amplitude, então M = 4.

O número de bits necessários para produzir um determinado número de condições é expresso matematicamente como

$$ N = \ log_ {2} M $$

Onde,

N é o número de bits necessários.

M é o número de condições, níveis ou combinações possíveis com N bits.

A equação acima pode ser reorganizada como -

$$ 2 ^ {N} = M $$

Por exemplo, com dois bits, 2² = 4 condições são possíveis.

Tipos de técnicas M-árias

Em geral, (M-ary) técnicas de modulação multinível são usadas em comunicações digitais como as entradas digitais com mais de dois níveis de modulação permitidos na entrada do transmissor. Portanto, essas técnicas são eficientes em termos de largura de banda.

Existem muitas técnicas de modulação M-ário diferentes. Algumas dessas técnicas modulam um parâmetro do sinal da portadora, como amplitude, fase e frequência.

M-ário ASK

Isso é chamado M-ary Amplitude Shift Keying (M-ASK) ou M-ary Pulse Amplitude Modulation (PAM).

A amplitude do sinal da portadora assume M Niveis diferentes.

Representação de M-ário ASK

$$ S_m (t) = A_mcos (2 \ pi f_ct) \: \: \: \: \: \: \: A_m \ epsilon {(2m-1-M) \ Delta, m = 1,2 .... M } \: \: \: e \: \: \: 0 \ leq t \ leq T_s $$

Este método também é usado no PAM. Sua implementação é simples. No entanto, o M-ário ASK é suscetível a ruído e distorção.

FSK M-ário

Isso é chamado de M-ary Frequency Shift Keying.

A frequência do sinal da portadora assume M Niveis diferentes.

Representação de FSK M-ário

$$ S_ {i} (t) = \ sqrt {\ frac {2E_ {s}} {T_ {S}}} \ cos \ lgrupo \ frac {\ Pi} {T_ {s}} (n_ {c} + i) t \ rgroup \: \: \: \: 0 \ leq t \ leq T_ {s} \: \: \: e \: \: \: i = 1,2 ..... M $$

onde $ f_ {c} = \ frac {n_ {c}} {2T_ {s}} $ para algum inteiro fixo n.

Isso não é suscetível a ruído tanto quanto ASK. O transmitidoMnúmero de sinais são iguais em energia e duração. Os sinais são separados por $ \ frac {1} {2T_s} $Hz tornando os sinais ortogonais entre si.

Desde a Mos sinais são ortogonais, não há aglomeração no espaço do sinal. A eficiência da largura de banda de um FSK M-ário diminui e a eficiência energética aumenta com o aumento de M.

M-ário PSK

Isso é chamado de Manipulação de mudança de fase M-ário.

o phase do sinal da portadora, assume M Niveis diferentes.

Representação de M-ário PSK

$$ S_ {i} (t) = \ sqrt {\ frac {2E} {T}} \ cos (w_ {0} t + \ emptyset_ {i} t) \: \: \: \: 0 \ leq t \ leq T_ {s} \: \: \: e \: \: \: i = 1,2 ..... M $$

$$ \ emptyset_ {i} t = \ frac {2 \ Pi i} {M} \: \: \: onde \: \: i = 1,2,3 ... \: ... M $$

Aqui, o envelope é constante com mais possibilidades de fase. Este método foi usado durante os primeiros dias da comunicação espacial. Possui melhor desempenho do que ASK e FSK. Erro mínimo de estimativa de fase no receptor.

A eficiência da largura de banda do M-ário PSK diminui e a eficiência energética aumenta com o aumento de M. Até agora, discutimos diferentes técnicas de modulação. A saída de todas essas técnicas é uma sequência binária, representada como 1s e 0s. Essas informações binárias ou digitais têm muitos tipos e formas, que serão discutidos mais adiante.

A informação é a fonte de um sistema de comunicação, seja analógico ou digital. Information theory é uma abordagem matemática para o estudo da codificação da informação junto com a quantificação, armazenamento e comunicação da informação.

Condições de ocorrência de eventos

Se considerarmos um evento, existem três condições de ocorrência.

• Se o evento não ocorreu, existe uma condição de uncertainty.

• Se o evento acabou de ocorrer, há uma condição de surprise.

• Se o evento ocorreu, há um tempo atrás, existe a condição de haver algum information.

Portanto, esses três ocorrem em momentos diferentes. A diferença nestas condições, ajuda-nos a ter um conhecimento das probabilidades de ocorrência dos eventos.

Entropia

Quando observamos as possibilidades de ocorrência de um evento, seja o quão surpreendente ou incerto ele seria, significa que estamos tentando ter uma ideia sobre o conteúdo médio das informações da fonte do evento.

Entropy pode ser definido como uma medida do conteúdo médio de informação por símbolo de fonte. Claude Shannon, o "pai da Teoria da Informação", deu uma fórmula para isso como

$$ H = - \ sum_ {i} p_i \ log_ {b} p_i $$

Onde $ p_i $ é a probabilidade de ocorrência do número do caractere ide um determinado fluxo de caracteres eb é a base do algoritmo usado. Portanto, isso também é chamado deShannon’s Entropy.

A quantidade de incerteza remanescente sobre a entrada do canal após observar a saída do canal é chamada de Conditional Entropy. É denotado por $ H (x \ arrowvert y) $

Fonte Discreta Sem Memória

Uma fonte da qual os dados estão sendo emitidos em intervalos sucessivos, que é independente de valores anteriores, pode ser denominada como discrete memoryless source.

Esta fonte é discreta, pois não é considerada para um intervalo de tempo contínuo, mas em intervalos de tempo discretos. Esta fonte é destituída de memória, uma vez que é renovada a cada instante do tempo, sem considerar os valores anteriores.

Código Fonte

De acordo com a definição, “Dada uma fonte discreta sem memória de entropia $ H (\ delta) $, o comprimento médio da palavra-código $ \ bar {L} $ para qualquer codificação de origem é limitado como $ \ bar {L} \ geq H (\ delta) $ ”.

Em palavras mais simples, a palavra-código (por exemplo: o código Morse para a palavra QUEUE é -.- ..-. ..-.) É sempre maior ou igual ao código-fonte (QUEUE no exemplo). O que significa que os símbolos na palavra de código são maiores ou iguais aos alfabetos no código-fonte.

Codificação de Canal

A codificação do canal em um sistema de comunicação, introduz redundância com um controle, de modo a melhorar a confiabilidade do sistema. A codificação de origem reduz a redundância para melhorar a eficiência do sistema.

A codificação do canal consiste em duas partes de ação.

• Mapping sequência de dados de entrada em uma sequência de entrada de canal.

• Inverse mapping a sequência de saída do canal em uma sequência de dados de saída.

O objetivo final é que o efeito geral do ruído do canal seja minimizado.

O mapeamento é feito pelo transmissor, com o auxílio de um codificador, enquanto o mapeamento inverso é feito no receptor por um decodificador.

Uma classe coletiva de técnicas de sinalização é empregada antes de transmitir um sinal para fornecer uma comunicação segura, conhecida como Spread Spectrum Modulation. A principal vantagem da técnica de comunicação de espalhamento espectral é evitar a “interferência”, seja ela intencional ou não.

Os sinais modulados com essas técnicas são difíceis de interferir e não podem ser bloqueados. Um intruso sem acesso oficial nunca tem permissão para quebrá-los. Portanto, essas técnicas são usadas para fins militares. Esses sinais de espectro espalhado são transmitidos em baixa densidade de potência e têm uma grande variedade de sinais.

Sequência de Pseudo-Ruído

Uma sequência codificada de 1s e 0s com certas propriedades de autocorrelação, chamada de PseudoNoise coding sequenceé usado em técnicas de espalhamento espectral. É uma sequência de comprimento máximo, que é um tipo de código cíclico.

Sinal de banda estreita

Os sinais de banda estreita têm a intensidade do sinal concentrada, conforme mostrado no espectro de frequência na figura a seguir.

Aqui estão as características dos sinais de banda estreita -

• A banda de sinais ocupa uma faixa estreita de frequências.
• A densidade de potência é alta.
• A distribuição de energia é baixa e concentrada.

Embora os recursos sejam bons, esses sinais estão sujeitos a interferências.

Espalhe sinais de espectro

Os sinais de espectro espalhado têm a intensidade do sinal distribuída conforme mostrado na figura do espectro de frequência a seguir.

Aqui estão as características dos sinais de espectro espalhado -

• A banda de sinais ocupa uma ampla faixa de frequências.
• A densidade de potência é muito baixa.
• A energia está espalhada.

Com esses recursos, os sinais de espectro de propagação são altamente resistentes a interferência ou bloqueio. Uma vez que vários usuários podem compartilhar a mesma largura de banda de espectro espalhado sem interferir uns com os outros, eles podem ser chamados demultiple access techniques.

As técnicas de acesso múltiplo de espectro espalhado usam sinais que têm uma largura de banda de transmissão cuja magnitude é maior do que a largura de banda RF mínima necessária.

Os sinais de espectro de propagação podem ser classificados em duas categorias -

• Espectro de difusão com salto de frequência (FHSS)
• Espectro de propagação de sequência direta (DSSS)

Espectro de dispersão saltado de frequência

Esta é a técnica de salto de frequência, onde os usuários são obrigados a alterar as frequências de uso, de um para outro em um intervalo de tempo especificado, por isso é chamado de frequency hopping.

Por exemplo, uma frequência foi atribuída ao remetente 1 por um determinado período de tempo. Agora, depois de um tempo, o emissor 1 salta para a outra frequência e o emissor 2 usa a primeira frequência, que era usada anteriormente pelo emissor1. Isso é chamado defrequency reuse.

As frequências dos dados são saltadas de uma para outra para fornecer uma transmissão segura. A quantidade de tempo gasto em cada salto de frequência é chamada deDwell time.

Espectro de propagação de sequência direta

Sempre que um usuário deseja enviar dados usando essa técnica DSSS, cada bit dos dados do usuário é multiplicado por um código secreto, denominado código de chip. estechipping codenada mais é do que o código de propagação que é multiplicado pela mensagem original e transmitido. O receptor usa o mesmo código para recuperar a mensagem original.

Este DSSS também é chamado de Code Division Multiple Access (CDMA).

Comparação entre FHSS e DSSS / CDMA

Ambas as técnicas de espectro de propagação são populares por suas características. Para ter um entendimento claro, vamos dar uma olhada em suas comparações.

FHSS	DSSS / CDMA
Múltiplas frequências são usadas	Única frequência é usada
É difícil encontrar a frequência do usuário em qualquer instante de tempo	A frequência do usuário, uma vez atribuída, é sempre a mesma
A reutilização de frequência é permitida	A reutilização de frequência não é permitida
O remetente não precisa esperar	O remetente tem que esperar se o espectro estiver ocupado
A potência do sinal é alta	A potência do sinal é baixa
É mais forte e penetra através dos obstáculos	É mais fraco em comparação com FHSS
Nunca é afetado por interferência	Pode ser afetado por interferência
É mais barato	É caro
Esta é a técnica mais usada	Esta técnica não é freqüentemente usada

Vantagens do Spread Spectrum

A seguir estão as vantagens do Spread Spectrum.

• Eliminação de cross-talk
• Melhor saída com integridade de dados
• Efeito reduzido de esmaecimento multipercurso
• Melhor segurança
• Redução de ruído
• Coexistência com outros sistemas
• Distâncias operatórias mais longas
• Difícil de detectar
• Difícil de demodular / decodificar
• Mais difícil de bloquear os sinais

Embora as técnicas de espalhamento espectral tenham sido originalmente projetadas para usos militares, agora estão sendo amplamente utilizadas para fins comerciais.

As técnicas de comunicação digital discutidas até agora levaram ao avanço no estudo das comunicações óticas e via satélite. Vamos dar uma olhada neles.

Fibra ótica

Uma fibra óptica pode ser entendida como um guia de onda dielétrico, que opera em frequências ópticas. O dispositivo ou tubo, se dobrado ou terminado para irradiar energia, é chamado dewaveguide, em geral. A imagem a seguir mostra vários cabos de fibra óptica.

A energia eletromagnética viaja por ele na forma de luz. A propagação da luz, ao longo de um guia de ondas, pode ser descrita em termos de um conjunto de ondas eletromagnéticas guiadas, chamadas demodes do guia de ondas.

Princípio de trabalho

Um parâmetro óptico fundamental sobre o qual se deve ter uma ideia, ao estudar a fibra óptica é Refractive index. Por definição, “A razão entre a velocidade da luz no vácuo e a da matéria é o índice de refraçãondo material. ” É representado como -

$$ n = \ frac {c} {v} $$

Onde,

c= a velocidade da luz no espaço livre = 3 × 10 ⁸ m / s

v = a velocidade da luz em material dielétrico ou não condutor

Geralmente, para um raio de luz viajante, reflectionocorre quando n ₂ <n ₁ . A curvatura do raio de luz na interface é o resultado da diferença na velocidade da luz em dois materiais que possuem índices de refração diferentes. A relação entre esses ângulos na interface pode ser denominada comoSnell’s law. É representado como -

$$ n_1sin \ phi _1 = n_2sin \ phi _2 $$

Onde,

$ \ phi _1 $ é o ângulo de incidência

$ \ phi _2 $ é o ângulo refratado

n ₁ e n ₂ são os índices de refração de dois materiais

Para um material opticamente denso, se a reflexão ocorre dentro do mesmo material, esse fenômeno é chamado de internal reflection. O ângulo de incidência e o ângulo de refração são mostrados na figura a seguir.

Se o ângulo de incidência $ \ phi _1 $ for muito maior, então o ângulo refratado $ \ phi _2 $ em um ponto se torna Π / 2. Refração adicional não é possível além deste ponto. Portanto, esse ponto é chamado deCritical angle $\phi _c$. Quando o ângulo de incidência $ \ phi _1 $ é maior do que o ângulo crítico, a condição paratotal internal reflection é satisfeito.

A figura a seguir mostra esses termos claramente.

Um raio de luz, se passado por um vidro, nessa condição, é totalmente refletido de volta para o vidro, sem que a luz escape da superfície do vidro.

Partes de uma fibra

A fibra óptica mais comumente usada é single solid di-electric cylinder de raio ae índice de refração n ₁ . A figura a seguir explica as partes de uma fibra óptica.

Este cilindro é conhecido como Coreda fibra. Um material dielétrico sólido envolve o núcleo, que é chamado deCladding. O revestimento tem um índice de refração n ₂ que é menor que n ₁ .

O revestimento ajuda em -

• Reduzindo perdas por espalhamento.
• Adiciona resistência mecânica à fibra.
• Protege o núcleo da absorção de contaminantes de superfície indesejados.

Tipos de fibras ópticas

Dependendo da composição do material do núcleo, existem dois tipos de fibras comumente usadas. Eles são -

• Step-index fiber - O índice de refração do núcleo é uniforme e sofre uma mudança abrupta (ou degrau) no limite do revestimento.

• Graded-index fiber - O índice de refração do núcleo é feito para variar em função da distância radial do centro da fibra.

Ambos são divididos em -

• Single-mode fiber - Eles estão entusiasmados com o laser.

• Multi-mode fiber - Eles estão entusiasmados com LED.

Comunicações de fibra ótica

O sistema de comunicação de fibra óptica é bem compreendido pelo estudo de suas partes e seções. Os principais elementos de um sistema de comunicação de fibra óptica são mostrados na figura a seguir.

Os componentes básicos são o transmissor de sinal de luz, a fibra óptica e o receptor de detecção de foto. Os elementos adicionais, como conectores e conectores de fibra e cabo, regeneradores, divisores de feixe e amplificadores ópticos são empregados para melhorar o desempenho do sistema de comunicação.

Vantagens Funcionais

As vantagens funcionais das fibras ópticas são -

• A largura de banda de transmissão dos cabos de fibra óptica é maior do que os cabos de metal.

• A quantidade de transmissão de dados é maior em cabos de fibra óptica.

• A perda de potência é muito baixa e, portanto, útil em transmissões de longa distância.

• Os cabos de fibra óptica fornecem alta segurança e não podem ser interceptados.

• Os cabos de fibra óptica são a forma mais segura de transmissão de dados.

• Os cabos de fibra óptica são imunes a interferências eletromagnéticas.

• Eles não são afetados por ruído elétrico.

Vantagens Físicas

As vantagens físicas dos cabos de fibra óptica são -

• A capacidade desses cabos é muito maior do que os cabos de fio de cobre.

• Embora a capacidade seja maior, o tamanho do cabo não aumenta como acontece no sistema de cabeamento de fio de cobre.

• O espaço ocupado por esses cabos é muito menor.

• O peso desses cabos FOC é muito mais leve do que os de cobre.

• Como esses cabos são dielétricos, não há risco de faíscas.

• Esses cabos são mais resistentes à corrosão do que os cabos de cobre, pois são dobrados facilmente e são flexíveis.

• A matéria-prima para a fabricação de cabos de fibra óptica é o vidro, mais barato que o cobre.

• Os cabos de fibra óptica duram mais do que os cabos de cobre.

Desvantagens

Embora a fibra óptica ofereça muitas vantagens, elas têm as seguintes desvantagens -

• Embora os cabos de fibra óptica durem mais, o custo de instalação é alto.

• O número de repetidores deve ser aumentado com a distância.

• Eles são frágeis se não forem colocados em uma bainha de plástico. Portanto, é necessária mais proteção do que as de cobre.

Aplicações de fibra óptica

As fibras ópticas têm muitas aplicações. Alguns deles são os seguintes -

• Usado em sistemas telefônicos

• Usado em redes de cabos submarinos

• Usado em link de dados para redes de computadores, sistemas CATV

• Usado em câmeras de vigilância CFTV

• Usado para conectar bombeiros, polícia e outros serviços de emergência.

• Usado em hospitais, escolas e sistemas de gerenciamento de tráfego.

• Eles têm muitos usos industriais e também usados ​​em construções pesadas.

UMA satellite é um corpo que se move em torno de outro corpo em um caminho matematicamente previsível chamado de Orbit. Um satélite de comunicação nada mais é do que uma estação repetidora de microondas no espaço que é útil em telecomunicações, rádio e televisão, juntamente com aplicativos de Internet.

UMA repeateré um circuito que aumenta a força do sinal que recebe e o retransmite. Mas aqui este repetidor funciona como umtransponder, que muda a faixa de freqüência do sinal transmitido, a partir do recebido.

A frequência com que o sinal é enviado para o espaço é chamada Uplink frequency, enquanto a frequência com que é enviada pelo transponder é Downlink frequency.

A figura a seguir ilustra esse conceito claramente.

Agora, vamos dar uma olhada nas vantagens, desvantagens e aplicações das comunicações por satélite.

Comunicação por satélite - vantagens

Existem muitas vantagens nas comunicações por satélite, como -

• Flexibility

• Facilidade na instalação de novos circuitos

• As distâncias são facilmente percorridas e o custo não importa

• Possibilidades de transmissão

• Cada canto da terra está coberto

• O usuário pode controlar a rede

Comunicação via satélite - Desvantagens

A comunicação por satélite tem as seguintes desvantagens -

• Os custos iniciais, como custos de segmento e lançamento, são muito altos.

• Congestionamento de frequências

• Interferência e propagação

Comunicação por satélite - Aplicações

A comunicação por satélite encontra suas aplicações nas seguintes áreas -

• Em radiodifusão.

• Em transmissão de TV, como DTH.

• Em aplicativos da Internet, como fornecimento de conexão à Internet para transferência de dados, aplicativos GPS, navegação na Internet, etc.

• Para comunicações de voz.

• Para o setor de pesquisa e desenvolvimento, em diversas áreas.

• Em aplicações e navegações militares.

A orientação do satélite em sua órbita depende das três leis chamadas de leis de Kepler.

Leis de Kepler

Johannes Kepler (1571-1630), o cientista astronômico, deu 3 leis revolucionárias a respeito do movimento dos satélites. O caminho seguido por um satélite em torno de seu principal (a Terra) é umellipse. A elipse tem dois focos -F1 e F2, a terra sendo um deles.

Se a distância do centro do objeto a um ponto em seu caminho elíptico for considerada, o ponto mais distante de uma elipse do centro é chamado de apogee e o ponto mais curto de uma elipse do centro é chamado de perigee.

Kepler 1 ^st Lei

1 de Kepler ^st lei estabelece que, “a cada gira planeta em torno do Sol em uma órbita elíptica, com o sol como um de seus focos”. Dessa forma, um satélite se move em um caminho elíptico com a Terra como um de seus focos.

O semi-eixo maior da elipse é denotado como 'a'e semi-eixo menor é denotado como b. Portanto, a excentricidade e deste sistema pode ser escrita como -

$$ e = \ frac {\ sqrt {a ^ {2} -b ^ {2}}} {a} $$

• Eccentricity (e) - É o parâmetro que define a diferença na forma da elipse em vez de um círculo.

• Semi-major axis (a) - É o maior diâmetro desenhado unindo os dois focos ao longo do centro, que toca ambos os apogeu (pontos mais distantes de uma elipse do centro).

• Semi-minor axis (b) - É o menor diâmetro traçado pelo centro que toca ambos os perígeos (pontos mais curtos de uma elipse a partir do centro).

Eles estão bem descritos na figura a seguir.

Para um caminho elíptico, é sempre desejável que a excentricidade esteja entre 0 e 1, ou seja, 0 <e <1 porque se e torna-se zero, o caminho não terá mais a forma elíptica, mas será convertido em um caminho circular.

^2ª Lei de Kepler

A ^2ª lei de Kepler afirma que, "Para intervalos iguais de tempo, a área coberta pelo satélite é igual em relação ao centro da Terra."

Isso pode ser entendido observando a figura a seguir.

Suponha que o satélite cubra p1 e p2 distâncias, no mesmo intervalo de tempo, então as áreas B1 e B2 abrangidos em ambos os casos, respectivamente, são iguais.

^3ª Lei de Kepler

A ^3ª lei de Kepler afirma que “O quadrado do tempo periódico da órbita é proporcional ao cubo da distância média entre os dois corpos.”

Isso pode ser escrito matematicamente como

$$ T ^ {2} \: \ alpha \: \: a ^ {3} $$

Que implica

$$ T ^ {2} = \ frac {4 \ pi ^ {2}} {GM} a ^ {3} $$

Onde $ \ frac {4 \ pi ^ {2}} {GM} $ é a constante de proporcionalidade (de acordo com a Mecânica Newtoniana)

$$ T ^ {2} = \ frac {4 \ pi ^ {2}} {\ mu} a ^ {3} $$

Onde μ = constante gravitacional geocêntrica da Terra, ou seja, Μ = 3,986005 × 10 ¹⁴ m ³ / s ²

$$ 1 = \ left (\ frac {2 \ pi} {T} \ right) ^ {2} \ frac {a ^ {3}} {\ mu} $$

$$ 1 = n ^ {2} \ frac {a ^ {3}} {\ mu} \: \: \: \ Rightarrow \: \: \: a ^ {3} = \ frac {\ mu} {n ^ {2}} $$

Onde n = o movimento médio do satélite em radianos por segundo

O funcionamento orbital dos satélites é calculado com a ajuda dessas leis de Kepler.

Junto com isso, há uma coisa importante que deve ser observada. Um satélite, quando gira em torno da Terra, sofre uma força de tração da Terra que é a força gravitacional. Além disso, ele experimenta alguma força de atração do sol e da lua. Conseqüentemente, existem duas forças agindo sobre ele. Eles são -

• Centripetal force - A força que tende a desenhar um objeto em movimento em uma trajetória, em direção a si mesmo é chamada de centripetal force.

• Centrifugal force - A força que tende a empurrar um objeto em movimento em uma trajetória, para longe de sua posição, é chamada de centrifugal force.

Portanto, um satélite deve equilibrar essas duas forças para se manter em sua órbita.

Órbitas terrestres

Um satélite, quando lançado ao espaço, precisa ser colocado em uma determinada órbita para fornecer um caminho particular para sua revolução, de modo a manter a acessibilidade e servir ao seu propósito seja científico, militar ou comercial. Essas órbitas que são atribuídas a satélites, em relação à terra, são chamadas deEarth Orbits. Os satélites nessas órbitas são da TerraOrbit Satellites.

Os tipos importantes de órbitas terrestres são -

• Órbita terrestre geo-síncrona

• Órbita Terrestre Média

• Órbita terrestre baixa

Satélites de órbita terrestre geossíncrona

UMA Geo-Synchronous Earth Orbit (GEO)satélite é aquele que é colocado a uma altitude de 22.300 milhas acima da Terra. Esta órbita é sincronizada com umside real day(ou seja, 23 horas e 56 minutos). Esta órbita podehave inclination and eccentricity. Pode não ser circular. Esta órbita pode ser inclinada nos pólos da Terra. Mas parece estacionário quando observado da Terra.

A mesma órbita geo-síncrona, se for circular e no plano do equador, é chamada de geo-stationary orbit. Esses satélites são colocados a 35.900kms (igual ao geossíncrono) acima do equador da Terra e continuam girando em relação à direção da Terra (oeste para leste). Esses satélites são considerados estacionários em relação à Terra e, portanto, o nome indica.

Os satélites de órbita terrestre geo-estacionária são usados ​​para previsão do tempo, TV via satélite, rádio via satélite e outros tipos de comunicações globais.

A figura a seguir mostra a diferença entre as órbitas geo-síncronas e geoestacionárias. O eixo de rotação indica o movimento da Terra.

Note- Cada órbita geo-estacionária é uma órbita geo-síncrona. Mas toda órbita geo-síncrona NÃO é uma órbita geoestacionária.

Satélites de órbita terrestre média

Medium Earth Orbit (MEO)as redes de satélites orbitarão a distâncias de cerca de 8.000 milhas da superfície da Terra. Os sinais transmitidos por um satélite MEO percorrem uma distância mais curta. Isso se traduz em maior intensidade do sinal na extremidade receptora. Isso mostra que terminais de recepção menores e mais leves podem ser usados ​​na extremidade de recepção.

Como o sinal está viajando por uma distância menor de e para o satélite, há menos atraso na transmissão. Transmission delay pode ser definido como o tempo que leva para um sinal viajar até um satélite e voltar para uma estação receptora.

Para comunicações em tempo real, quanto menor o atraso de transmissão, melhor será o sistema de comunicação. Por exemplo, se um satélite GEO requer 0,25 segundos para uma viagem de ida e volta, o satélite MEO requer menos de 0,1 segundos para completar a mesma viagem. MEOs opera na faixa de frequência de 2 GHz e acima.

Satélites de baixa órbita terrestre

Os satélites de Low Earth Orbit (LEO) são classificados principalmente em três categorias, a saber, pequenos LEOs, grandes LEOs e Mega-LEOs. LEOs orbitarão a uma distância de 500 a 1000 milhas acima da superfície da Terra.

Essa distância relativamente curta reduz o atraso de transmissão para apenas 0,05 segundos. Isso reduz ainda mais a necessidade de equipamentos de recepção sensíveis e volumosos. Os pequenos LEOs operarão na faixa de 800 MHz (0,8 GHz). Os Big LEOs operam na faixa de 2 GHz ou acima, e os Mega-LEOs operam na faixa de 20-30 GHz.

As frequências mais altas associadas a Mega-LEOs se traduz em mais capacidade de transporte de informações e rende a capacidade de esquema de transmissão de vídeo em tempo real e com baixo atraso.

A figura a seguir mostra os caminhos de LEO, MEO e GEO.