FM Radio

Transmissores de FM

Moduladores
Transmissores
MODULADORES

Há dois tipos de moduladores de FM - direto e indireto. FM Direto envolve a variação da freqüência da portadora diretamente pela entrada moduladora. FM indireto envolve diretamente a alteração da fase da portadora baseada na entrada (esta é de fato uma forma de modulação de fase direta).

A modulação direta é geralmente realizada pela variação de uma capacitância em um oscilador LC ou pela alteração da corrente de carga aplicada a um capacitor.

O primeiro método pode ser realizado pelo uso de um diodo inversamente polarizado, visto que a capacitância desse diodo varia com a tensão aplicada. Um diodo varactor é especificamnete designado para este propósito. A Figura 1 mostra um modulador de freqüência direto o qual utiliza um diodo varactor.

Este circuito desvia a freqüência do cristal oscilador usando o diodo. R1 e R2 desenvolve uma tensão CC através do diodo que se inverte as polarizações. A tensão através do diodo determina a freqüência das oscilações. As entradas positivas aumentam a polarização inversa, diminuiem a capacitância do diodo e deste modo aumentam a freqüência de oscilação. Igualmente, as entradas negativas diminuem a freqüência de oscilação.

O uso de um cristal oscilador significa que a forma de onda de saída é muito estável, mas este não é apenas o caso se os desvios da freqüência se mantiverem muito reduzidos. Sendo assim, o modulador de diodo  varactor pode apenas ser utilizado em aplicações limitadas.

O segundo método do FM direto envolve o uso de um oscilador de tensão controlada, o qual está ilustrado na figura 2.

O capacitor repetidamente carrega e descarrega sob o controle do regulador de corrente. A quantidade de corrente fornecida por este módulo é determinada por vIN e pelo resistor R. Visto que a quantidade de corrente determina a taxa de carga do capacitor, o resistor efetivamente controla o período da saída. A capacitância C também controla a taxa de carga. A tensão do capacitor é a entrada ao Schmitt trigger o qual altera o modo do regulador de corrente quando se alcança uma certa corrente crítica (threshold). A tensão do capacitor então se dirige na direção oposta, gerando uma onda triangular. A saída do Schmitt trigger fornece a saída de onda quadrada. Esses sinais podem, em seguida, ser filtrados a baixa passagem para produzir um sinal de FM senoidal.

A maior limitação do oscilador de tensão controlada é que ele pode apenas funcionar para pequeno alcance de  freqüências. Por exemplo, o  CI 566 VCO funciona apenas com freqüências de até 1MHz.

Um circuito de diodo varactor para FM indireto é mostrado na figura 3.

O sinal modulador varia a capacitância do diodo, o qual depois altera o desvio de fase incorrido pela entrada da portadora e deste modo altera a fase do sinal de saída. Por causa do desvio da fase da portadora, o sinal resultante tem uma freqüência que é mais estável do que no caso do FM direto.
TRANSMISSORES

Conforme anteriormente afirmado, se um cristal oscilador for utilizado para produzir o sinal da portadora, a freqüência não pode variar muito (esta é uma caracterísitca  do cristal oscilador). Assim sendo, os cristais osciladores não podem ser utilizados  em radiodifusão de FM, mas outros osciladores podem sofrer mudança na freqüência da oscilação. Um circuito de controle automático de freqüencia  (AFC) é utilizado conjuntamente com um oscilador sem cristal para assegurar que o desvio da freqüência seja mínimo.

Figura 4 mostra um transmissor de FM direto Crosby que contém um laço (loop) de AFC. O modulador de freqüência mostrado pode ser um VCO desde que a freqüência do oscilador seja mais baixa do que a freqüência de transmissão real. Neste exemplo, a freqüência central do oscilador é 5.1MHz a qual é multiplicada por 18 antes da  transmissão para dar ft = 91.8MHz.

Quando a freqüência é multiplicada, assim também são os  desvios de fase e freqüência. Portanto, a freqüência moduladora de entrada óbviamente não é alterada, por isso o índice de modulação é multiplicado por 18. O desvio máximo da freqüência na saída é de  75kHz, portanto o desvio máximo permitido na saída do modulador é 
Visto que a entrada máxima de freqüência é fm = 15kHz para radiodifusão de FM, o índice de modulação deve ser 
O índice de modulação na antena então é = 0.2778 x 18 = 5.

O laço de AFC  visa aumentar a estabilidade da saída sem utilizar um cristal oscilador no modulador.

O sinal modulado da portadora é misturado com um sinal de referência do cristal em um dispositivo não-linear. O filtro de faixa de passagem estabelece a diferença de frequência entre o oscilador fundamental  e o oscilador a cristal e este sinal é alimentado no discriminador de freqüência. O discriminador de freqüência produz uma tensão proporcional à diferença entre a freqüência de entrada e sua freqüência  resonante. Sua freqüência resonante é 2MHz, a qual permitirá detectar as variações de baixa freqüência na portadora.

A tensão de saída do discriminador de freqüência é adicionada à entrada moduladora para corrigir os desvios de freqüência na saída.  O filtro de baixa passagem assegura que o discriminador de freqüência não corresponda ao desvio de freqüência no sinal de FM (por meio disso evitar que a entrada moduladora seja completamente cancelada).

Os transmissores indiretos não têm necessidade de um circuito AFC porque a freqüência do cristal não é diretamente variada. Isto significa que os transmissores indiretos produzem uma saída muito estável, visto que a freqüência do cristal nãovaria com as condições de operação.

Figura 5 mostra o diagrama de blocos de um transmissor indireto de FM Armstrong. Este funciona utilizando um modulador de amplitude de portadora suprimida e adicionando uma portadora de fase desviada a este sinal. O efeito deste é mostrado na figura 6, onde o sinal cor-de-rosa é a saída e o sinal azul a entrada de AM. A saída experimenta a modulação de fase e de amplitude. A modulação de amplitude pode ser reduzida pelo uso de uma portadora muito maior do que o sinal de crista da amplitude, conforme mostrado na figura 7. Portanto, isto reduz a quantidade de variação de fase.

A desvantagem deste método é o desvio de fase limitado que ele pode produzir. O resto da figura 5 mostra o desvio da freqüência à faixa de radiodifusão de FM através da multiplicação da freqüência (por um fator de 72), desvio de  freqüência e multiplicação de freqüência novamente. Este também multiplica a quantidade de  desvio de fase na antena, parmitindo a desvio de fase necessário ser produzido por uma pequena variação da fase na saída do modulador.

Observe que um modulador de fase pode ser usado como um modulador de freqüência se o sinal de entrada estiver integrado com respeito ao tempo (veja a seção Princípios de FM ). 

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