Como funciona a modulação de sinal

Para entender como funciona a transferência de dados sem fio, precisamos entender:

• O que é frequência?

• Representação de tempo de sinal de informação/dados

representação de frequência, por que é importante?

• Como funcionam os filtros?

• Banda de frequência de comunicação FCC

• modulação e demodulação

Esses são os tópicos que você pode ter aprendido em cursos universitários, que envolvem uma quantidade muito grande de conhecimento. Uma apresentação anterior em PowerPoint que preparei para alunos que não são de engenharia no grupo de projeto sênior incluía esses tópicos - esperava-se que os alunos fossem capazes de descobrir termos como "900 MHz" ou "2,4 GHz" ou "salto de frequência" quando falávamos sobre eles. Este artigo é limitado em tamanho, é difícil explicar esses tópicos de forma completa e completa, ignorando muitos detalhes envolvidos em cursos profissionais e apenas fornecendo uma descrição conceitual da transmissão sem fio.

O que é frequência?

Frequência é um termo que descreve com que frequência uma oscilação ocorre ou se repete, medida em Hertz (Hz) ou o recíproco de um segundo. Se oscilar 60 vezes por segundo, sua frequência é 60Hz. Neste artigo, vamos nos concentrar nas ondas de áudio (oscilações da pressão do ar) e em como elas viajam de uma estação de rádio para o rádio do seu carro (ou qualquer estação de rádio AM) em frequências na casa das centenas de kilohertz. Qualquer onda tem uma frequência, assim como a luz. Ondas de luz e outras ondas de frequência mais alta (como raios X, raios gama, micro-ondas) são geralmente expressas em termos de comprimento de onda, não de frequência. Por exemplo, a luz verde tem um comprimento de onda de cerca de 400 nanômetros. A figura a seguir mostra a relação entre as unidades de onda progressiva:

​Unidade básica de onda senoidal

Assumindo uma velocidade de sinal constante, o comprimento de onda e a frequência podem ser convertidos, mas isso está além do escopo deste artigo. Sinais de informação de complexidade variada se enviado um sinal de onda senoidal pura (chamado "tom"). Não carrega nenhuma informação real e não soa bem. A figura abaixo é uma imagem de uma onda senoidal, com o tempo no eixo X e a tensão no eixo Y, que é um sinal de referência de 150 Hz.

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Sinal de tom único (domínio do tempo)

Então, por que olhar para esta imagem? Vejamos os sinais de complexidade crescente no domínio do tempo. Este é um sinal de tom duplo (dois tons sobrepostos). Esta onda senoidal é a mesma da onda senoidal anterior, mas com outra onda senoidal de frequência dupla (300 Hz) adicionada.

Sinal de tom duplo (domínio do tempo)

Então, como é um sinal que consiste em vários tons de diferentes frequências?

Múltiplos sinais de áudio (domínio do tempo)

Fica mais bugado. A única informação real que você pode ver neste gráfico é o nível de tensão em um determinado momento. Essa é a natureza da informação e é extremamente importante - mas também complica a análise e dificulta a compreensão de como a modulação funciona. Para isso, você pode querer plotar o sinal de uma forma diferente (domínio da frequência). Ele mostra a intensidade do sinal em uma faixa de frequências. Vamos dar uma olhada. Por que o espectro de frequência de um sinal é importante? Transformar um grande número de sinais no domínio da frequência requer operações matemáticas sofisticadas. O trabalho é difícil, computacionalmente intensivo e requer prática repetida para dominar. Eu até mesmo envolvo periodicamente esses sinais importantes para praticar minhas habilidades de conversão. De qualquer forma, vamos ver como os três sinais acima podem ser representados nesta forma (ignorando a derivação intermediária aqui). Em vez de plotar a tensão do sinal versus o tempo, plotamos a potência do sinal versus a frequência.

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Sinal de tom único (domínio de frequência)

Sinal de áudio duplo (domínio de frequência)

Múltiplos sinais de áudio (domínio de frequência)

Observe os picos óbvios no gráfico? Essa é a representação matemática de uma onda senoidal em uma frequência específica (eixo X). Idealmente, esses picos devem ser infinitamente estreitos (largura) e infinitamente altos, mas devido ao estado da arte do software Spice que estou usando, não é perfeito. Este sinal é chamado de sinal de pulso. Para uma descrição detalhada deste sinal, leia aqui! Para este áudio, vemos um pico no domínio da frequência, em 150 Hz. Considerando que um sinal de tom duplo tem dois picos no domínio da frequência, em 150 Hz e 300 Hz. Os sinais multi-áudio são basicamente não interpretáveis ​​no domínio do tempo, e os muitos picos pequenos no sinal do domínio do tempo são compostos da superposição de múltiplos pontos de frequência.

Um último exemplo, um sinal de áudio real. Como mostra a foto abaixo, sampleei a música "White Room (White Room)" do cantor Cream por 15 segundos. Não se preocupe com a duração do sinal, nenhum dos microfones foi danificado durante o solo de guitarra de Eric Clapton.

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Sinais de áudio É assim que a maioria dos sinais se parece, especialmente sinais analógicos. Os sons de pessoas e instrumentos não são tocados em frequências discretas, seu conteúdo de frequência é distribuído em toda a faixa de frequência (embora algum conteúdo seja quase inaudível). Essa faixa está entre 3Hz e 20kHz, que é aproximadamente a faixa de frequência que o ouvido humano pode ouvir. As frequências mais baixas são mais baixas e as frequências mais altas são mais altas. A escala do eixo Y é expressa em dB e dB representa uma proporção sem unidades. Essencialmente, quanto maior o valor dB, maior o sinal nessa frequência. Teoricamente, podemos representar este sinal analógico como a soma de um número infinito de sinais de áudio. filtro! Felizmente, uma representação gráfica do domínio da frequência pode fornecer alguma ajuda no projeto do filtro. Existem quatro tipos de filtros, incluindo:

• Filtro passa-baixo: Todas as frequências acima da frequência de corte são filtradas.

• Filtro passa-alto: todas as frequências abaixo da frequência de corte são filtradas.

• Filtro passa-banda: Todas as frequências fora de um determinado intervalo da "frequência central" são filtradas.

• Filtro de parada de banda: Todas as frequências dentro de uma certa distância da "frequência central" são filtradas.

De cima para baixo: filtro passa-banda, filtro passa-baixa, filtro passa-alta

O ponto "3dB" é onde a saída do sinal cai aproximadamente 30%. dB é uma escala logarítmica:

x[dB]=10*log(x[linear])

x[linear]=10^(x[dB]/10)

Com base nesta fórmula, x[linear]=0,7, o x[dB] correspondente é de cerca de -3,0dB, 0,7 é 70%, ou seja, o sinal é atenuado em 30% e a frequência correspondente é chamada de corte frequência do filtro. Um exemplo prático é o som de um carro, que pode incluir um "crossover" com um filtro especial que muda as frequências baixas para o woofer e as frequências altas para o tweeter. Isso é muito importante para receptores sem fio.

Banda de frequência de comunicação FCC

A FCC e outras organizações internacionais concordam que, se alguém tiver permissão para usar qualquer frequência à vontade, isso inevitavelmente levará ao caos absoluto. Portanto, diferentes faixas de frequência devem ser alocadas para diferentes usuários. Por exemplo, diferentes bandas de frequência são alocadas para rádio FM, rádio AM, WiFi, telefone celular, comunicação marítima, controle de tráfego aéreo, rádio amador, walkie-talkie, comunicação militar, rádio policial e outras aplicações. Ah, e nem mencionamos satélites ou comunicações espaciais! É uma bagunça, felizmente a FCC ajuda a administrá-la. Se você estiver curioso, faça uma pesquisa no Google e encontrará um diagrama mais detalhado imediatamente.

Tabela de Alocação de Espectro da FCC

A FCC reservou algumas bandas de frequência para uso pessoal em pequena escala, uso amador e outras aplicações gerais de "banda ISM" (industrial, científica, médica). Esta é a banda de frequência operacional para WiFi, walkie-talkies, sensores sem fio e outros dispositivos de comunicação. Vamos discutir frequência novamente! A faixa de audição do ouvido humano é de 20Hz a 20kHz. Se nossa estação AM é de 680kHz, como as torres de rádio alteram o som para essa frequência? Como evita a interferência com outras estações? Como o receptor converte a frequência do sinal de volta para a faixa audível?

modulação

Vamos deixar o domínio da frequência e voltar ao domínio do tempo. Só para reiterar: nossa discussão foi muito simplista e deixou muitos detalhes de fora! Isso é apenas para obter um resultado conceitual. A razão para isso é que as representações matemáticas funcionam melhor no domínio do tempo, enquanto as representações gráficas funcionam melhor no domínio da frequência.

O trabalho da modulação é converter um sinal de baixa frequência (informação) para alta frequência (portadora). A ideia é simples: multiplique sua mensagem por uma portadora de alta frequência, digamos 680kHz, e isso é transmissão AM! Espere um minuto, é realmente tão simples? Vejamos algumas relações matemáticas. Neste exemplo, θ é a mensagem (conteúdo audível) e φ é a portadora (por exemplo, frequência de transmissão AM).

O texto na imagem é bilíngüe em chinês e inglês

Se o nosso sinal AM for expresso em uma fórmula, isso envolve a multiplicação de vários sinais, o que é difícil de imaginar no domínio do tempo ou no domínio da frequência, porque vemos apenas como é o áudio. Mas a correspondência acima nos diz: a multiplicação de dois sinais pode ser representada pela adição de dois sinais! Agora, podemos plotar facilmente o sinal multiplicado no domínio da frequência.

Tom único (150Hz) modulado na portadora (1000Hz)

Neste diagrama, estamos multiplicando um áudio de 150Hz por uma portadora de 1000Hz. A tabela acima mostra dois sinais de meia potência em 1000-150 e 1000+150Hz, ou seja, em 850Hz e 1150Hz. Então, como cada uma de nossas sílabas se comporta quando modulada?

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Som modulado para 700kHz

Como esperado, vimos dois sinais. Um é portador + informação e o outro é portador - informação (repare até como está invertido). Este é um diagrama aproximado do espectro AM e do conteúdo do sinal.

Demodulação Agora chegamos ao receptor. Todos os sinais começam na antena, e olhando todos os sinais ao mesmo tempo, é uma bagunça. A antena capta muitos dados, mas não cabe a ela separá-los, isso é função do sintonizador e de outros hardwares. O princípio da demodulação do sinal é exatamente o mesmo da modulação, o que é muito conveniente! Para converter nosso sinal de áudio de volta para "banda base" e enviá-lo ao alto-falante, podemos multiplicar todo o sinal pela portadora novamente.

Esta fórmula contém uma grande lista de funções matemáticas, parênteses e variáveis ​​de frequência. Mas está certo, e derivamos quatro sinais disso:

• 1/4 sinal de potência, (2*portadora + mensagem)

• 1/4 sinal de potência, (informações)

• 1/4 sinal de potência, (2*informações da operadora)

• 1/4 sinal de potência, (-info)

Vamos ignorar esse termo envolvendo frequências negativas, que é um artefato matemático que costuma surgir quando discutimos a modulação e as operações envolvidas. Os dois sinais no dobro da portadora (assumindo que a portadora é muito maior que a mensagem, eles são quase idênticos) podem ser filtrados com um filtro passa-baixo. Um filtro passa-baixo bloqueia todo o conteúdo de alta frequência do sinal, deixando-nos apenas com a informação original. Usamos amplificadores para amplificar a informação original e enviá-la aos alto-falantes. tão legal! Aqui está uma imagem dele, mas atrasada um pouco para trás. Conclusão O objetivo deste artigo é fornecer uma visão geral de alto nível de como os sinais de rádio são transmitidos e modulados. Ao multiplicar vários sinais de áudio (ou banda base) com diferentes sinais de alta frequência (portadoras), podemos transmitir com sucesso vários fluxos de dados no mesmo canal sem interferir uns nos outros. Multiplique novamente com a onda portadora, converta o sinal modulado de volta para a banda base e, em seguida, limpe e amplifique o sinal com um filtro passa-baixo e amplificador, para que possamos ouvir todos os tipos de belos sons!

Fonte: Teste Digital See More

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Original: How Signal Modulation Works - RFASK Radio Frequency Questions

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