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Terabits de informação cruzam o mundo a cada segundo, transportando voz, dados, imagens ou vídeo, passando por fibras ópticas, enlaces de rádio, cabos, ou via satélite. Não importando o meio, os conceitos de transmissão envolvidos são basicamente os mesmos: atenuação, distorção, atraso de grupo, interferência intersimbólica, relação energia por bit/ruído etc. Por envolver a maioria dos conceitos e ter diferentes aplicações, o rádio digital foi escolhido para ser analisado em detalhe.

O diagrama de blocos de um transmissor e receptor estão desenhados na figura 1.

Visão Geral


Em uma placa de circuitos digitais contendo portas lógicas os sinais obedecem ao padrão TTL, ou seja, possuem um nível DC e bordas abruptas de subida e descida, confinando a energia de um bit em uma janela finita no tempo (figura 2).Esse confinamento no tempo implica em uma grande ocupação do espectro.



Na transmissão de sinais, principalmente por rádio, há outros usuários transmitindo informações em canais adjacentes, o que, portanto, obriga cada usuário a usar uma parcela limitada do espectro de frequências para que todos possam realizar suas transmissões sem interferência. Essa limitação em frequência (banda ocupada pelo sinal) provoca um espalhamento da energia do pulso no domínio do tempo (figura 3).


Outro conceito importante é que símbolos, não bits, são transmitidos, e que os mesmos podem significar mais de um bit, dependendo do tipo de modulação. Devido ao espalhamento da energia no tempo, parte da energia de um símbolo invade a janela de tempo de outros símbolos posteriores, podendo causar uma detecção errada dos valores dos mesmos, o que é chamado de interferência intersimbólica (IIS).


Nyquist criou alguns critérios que se obedecidos minimizam a IIS, sendo o principal, o seguinte:


“O símbolo tem seu formato tal que possui amplitude não nula no seu instante de amostragem, e possui amplitude nula nos instantes de amostragem dos outros símbolos.”


Vários tipos de pulsos seguem esta regra, porém, para minimizar os problemas de jitter são escolhidos pulsos que possuem um rápido decaimento da amplitude no tempo, sendo na prática utilizado o pulso cujo espectro é comumente chamado de “cosseno levantado” (figura 4).




Em transmissão ponto a ponto, onde os equipamentos transmissor e receptor são sempre do mesmo fabricante, a distribuição da filtragem do sinal é livre, tendo como única preocupação que na detecção o sinal possua o espectro do cosseno levantado.


Em transmissão do tipo telefonia celular, onde o transmissor (ERB / telefone móvel) é de um fabricante e o receptor (telefone móvel / ERB) é de outro fabricante convencionou-se dividir a filtragem igualmente entre os dois equipamentos, assim a função de transferência do transmissor é raiz quadrada do cosseno levantado e a do receptor também.


Os Elementos do Rádio Digital


Cada bloco será agora descrito seguindo a mesma sequência do sinal, partindo da interface digital até o estágio de RF para o transmissor e do estágio de RF até a interface digital para o receptor.


O Transmissor


Conversor de interface

O rádio se conecta com outros equipamentos através da interface digital. Em telecomunicações esta interface é padronizada, podendo ter várias taxas de bits (2, 34, 140, 155 Mb/s), tendo suas especificações descritas na recomendação G.703 do ITU – T. A figura 5 mostra um exemplo de conversão do sinal de entrada codificado em HDB – 3 para níveis TTL (circuito interno). Os níveis lógicos internos ao rádio são definidos exclusivamente pelo fabricante do equipamento.



Módulo Lógico Digital

Dotado de um microprocessador, este módulo processa uma grande quantidade de informações, tanto do sinal quanto do equipamento. Por parte deste último, são geradas informações de potência do sinal transmitido, consumo da fonte de alimentação, nível do sinal de RF recebido, falha de módulos/ placas, entre outras. No processamento do sinal são geradas informações de taxa de erro de bits e alarmes de falha. Essas informações são adicionadas às informações que vêm de outros rádios e são encaminhadas para o centro de gerência da operadora de telecomunicações.


O módulo formador do quadro tem essa função, transformar em um único feixe de bits a informação do usuário, as informações de gerência, de canal de serviço (utilizado pelas operadoras para comunicação entre as estações) e mais alguns bits de controle utilizados pelo próprio rádio.


As principais funções desses bits de controle são a “palavra de alinhamento de quadro” do rádio para que no receptor o equipamento tenha condições de separar cada uma das informações, e os “bits de paridade” para controle da taxa de erro de bits, a principal medida de desempenho do sistema.


É claro que para ser possível transportar tanta informação a mais, a taxa de bits interna do rádio é superior à da interface de dados de entrada, conforme indica a figura 6.



Também é função deste módulo o embaralhamento dos bits (“scrambler”), o que garante o espalhamento espectral do sinal transmitido, independente do seu conteúdo. Finalmente, o separador de sinais divide o feixe de bits de maneira alternada em dois feixes, I e Q, e realiza a conversão de níveis do sinal conforme o esquema de modulação. Adotando neste exemplo a modulação 64 QAM, cada feixe (I ou Q) apresenta oito níveis diferentes de sinal, sendo quatro níveis positivos e quatro níveis negativos, cada nível representando três bits, sendo que níveis vizinhos diferem de apenas um bit.Veja a figura 7.



Após a conversão de nível, o sinal é filtrado para limitar a banda do mesmo antes da modulação.


O Modulador



O esquema genérico de um modulador QAM está representado na figura 8. O oscilador de FI, na frequência de 70 MHz ou 140 MHz, é modulado em amplitude pelo feixe I, e o mesmo defasado de 90 graus é modulado pelo feixe Q. Estes dois sinais são somados, resultando na constelação de símbolos da modulação digital (figura 9).



Deve-se notar que a diferença entre símbolos vizinhos (pontos da constelação) é de apenas um bit. Esta representação é escolhida para minimizar a taxa de erros de bits.


Misturador de Subida

O misturador de subida converte o sinal modulado da frequência de FI para a frequência de RF. O canal de RF a ser utilizado determina a frequência do oscilador local e a banda de passagem do filtro de imagem. Este filtro e o uso de misturadores balanceados reduzem o nível do sinal do oscilador local que “vaza” na saída do misturador (figura10).



Estágio de Potência

Como o próprio nome diz, este estágio amplifica o sinal para os níveis de alta potência que alimentarão a antena e o propagarão pela atmosfera até a antena receptora. Quanto mais complexa a modulação digital (número de pontos da constelação) maiores as exigências de linearidade dos sistemas de transmissão para uma correta detecção de bits (baixa taxa de erro). Os amplificadores são elementos não lineares quando operam com grandes sinais (figura11).



Há duas maneiras de se caracterizar a não linearidade de amplificadores: pelo ponto de intersecção de terceira ordem, ou pelo ponto de compressão de 1 dB do ganho (figura12).



Se a modulação escolhida para o rádio for complexa, por exemplo 64 QAM, ela exige um grau de linearidade maior do sistema, o que só pode ser atingido com o amplificador operando 10 dB abaixo do ponto de 1 dB de compressão, seria necessário construir um amplificador de 10 W para transmitir a potência de 1 W!


Quanto maior a potência, mais caro é o amplificador e maiores são as dificuldades para implementá-lo. Para contornar este problema pode-se utilizar um dispositivo chamado prédistorcedor.


A ideia por trás desse dispositivo é adicionar à entrada do amplificador um sinal intermodulado controlado, com uma fase tal que quando o sinal for amplificado, na saída tem-se o cancelamento dos sinais f’ e f’’ (figura 13 a e figura 13 b), ou seja, o sinal gerado internamente pela intermodulação do amplificador (fs’ e fs’’) e o sinal de saída gerado pela amplificação do sinal de entrada (fe’ e fe’’) estão em oposição de fase (figura 14).



Com este dispositivo seria possível transmitir um sinal de 1 W utilizando-se um amplificador de apenas 2 W, mas com uma baixa intermodulação na saída.


Filtro de Saída

Este filtro possui duas funções: a primeira seria eliminar do sinal a ser irradiado qualquer espúrio ou sinal que possa causar interferência em outros canais, e a segunda seria permitir a combinação de sinais de diferentes rádios em diferentes frequências (canais de transmissão) em um mesmo guia de onda para serem transmitidos em uma mesma antena, conforme ilustra a figura 15.



O Receptor


O receptor praticamente possui um diagrama de blocos na ordem inversa do transmissor. Outra diferença é que em alguns casos utiliza-se um segundo receptor (e uma segunda antena: “a antena diversidade de espaço”) chamado “receptor diversidade” em rotas que possuem problemas de programação denominados “fading seletivos”. Estes “fading seletivos” ocorrem quando o sinal transmitido é refletido em alguma superfície e atinge a antena receptora após algum atraso (por ter percorrido um caminho mais longo), conforme exemplifica a figura 16.



Como a distância entre as antenas é muito maior que a altura relativa à superfície de reflexão, o ângulo é extremamente pequeno e a diferença de atraso entre os dois percursos é da ordem de 2 a 5 nanossegundos. O resultado da combinação dos dois sinais na antena receptora atua como o filtro desenhado na figura 17.



Nas frequências onde a diferença de atraso equivale à diferença de fase de 180° o sinal sofre forte atenuação, já nas frequências em que a diferença de fase equivale a 0° o sinal sofre um reforço. Nos casos de forte atenuação, o espectro do sinal recebido é fortemente distorcido.(Figura 18)



Para complicar ainda mais o problema, a diferença de atraso varia com as condições de propagação atmosférica fazendo com que a atenuação (ou o “fading”) varie em frequência e amplitude ao longo do tempo.


Para resolver este problema utiliza-se uma segunda antena (diversidade de espaço) a uma altura diferente de tal maneira que o “fading” não ocorra na mesma frequência simultaneamente nas duas antenas.


O Filtro de Canal


Este filtro determina a frequência do sinal a ser processado pelo receptor. Conforme a figura 19, o mesmo também permite que se selecione o sinal correto a partir do sinal combinado recebido pela antena. Este filtro também é responsável pela rejeição da frequência imagem.



Amplificador de Baixo Ruído

O sinal sofre uma forte atenuação quando se propaga pela atmosfera e é captado pela antena receptora. O nível do mesmo na entrada do receptor pode variar de – 70 a – 30 dBm.


Além do sinal, a antena receptora capta o ruído atmosférico e entrega-o também ao receptor. O grande inimigo para a correta detecção dos bits no demodulador é o ruído que é adicionado ao sinal. O amplificador de baixo ruído tem como missão amplificar o sinal para níveis maiores de potência, adicionando o mínimo ruído possível. O desempenho deste amplificador em relação ao ruído que o mesmo adiciona ao sinal é dado por sua “Figura de Ruído” em dB (ou temperatura de ruído em Kelvin). Quanto menor este número, melhor o amplificador.


A Figura de Ruído expressa a degradação da relação sinal/ruído da entrada para a saída do amplificador quando a temperatura de ruído do sinal de entrada é T0 (290 K). (Figura 20).








Na prática, não é apenas o ruído amplificador que é significativo na degradação do sinal. Todos os demais estágios do receptor contribuem com algum ruído na degradação do sinal a ser demodulado.


Para efeito de cálculo do sistema, todos os ruídos de estágios posteriores são representados somente na entrada do receptor (figura de ruído do receptor). A expressão matemática para cálculo de figura de ruído total para um sistema de múltiplos estágios com ganho Gj e figura de ruído Fj é dada na figura 21.



Nesta expressão, os valores de Fj são lineares.






E para se obter o valor de FTOTAL em dB:




Atenuador Variável de RF

O atenuador variável de RF tem como função evitar que intermodulações ocorram no misturador de descida. Para executar essa tarefa, este estágio controla o seu nível máximo de saída, limitando-o em um valor definido em projeto, por exemplo – 30 dBm. (Figura 22).



Internamente, um diodo detecta o nível de saída através de um acoplador direcional e um circuito de controle ajusta a corrente de polarização dos diodos PIN que atuam como atenuadores variáveis (figura 23).



Misturador de Descida

Este estágio é composto na realidade de três componentes: o misturador propriamente dito, o filtro imagem (que possui função semelhante à descrita no transmissor, porém, neste caso ele filtra o sinal antes do misturador) e o oscilador local, cuja frequência depende do canal a ser demodulado. Normalmente, são utilizados misturadores balanceados que apresentam boa rejeição de O.L e RF na saída de FI, porém há sempre um “vazamento”. (Veja figura 24).



Filtro de FI

Este filtro determina a seletividade do rádio e a sua banda de ruído. Cabe a ele eliminar qualquer vazamento de O.L. ou de RF para o estágio de FI, e também filtrar os sinais de canais adjacentes que não foram totalmente eliminados pelo filtro de canal do estágio de RF (figura 25).



Controle Automático de Ganho (CAG)

Para a correta demodulação do sinal, o mesmo deve ter um nível constante na entrada do demodulador. Portanto, o ganho deste estágio é controlado dinamicamente para que o nível de saída do mesmo seja constante. Isto é realizado monitorando-se o nível de saída e um circuito de controle ajusta os atenuadores internos deste estágio (configuração parecida com a da figura 26).



Circuito Combinador

Atente para as figuras 27 e 28. O circuito combinador faz a soma dos sinais do rádio principal e diversidade no estágio de FI. Para compensar a diferença de atraso entre os sinais (a antena diversidade está numa altura menor e, portanto, mais próxima do rádio) é colocada uma linha de retardo, na realidade um cabo coaxial longo o suficiente, no circuito de diversidade para equalizar o atraso. Internamente o combinador possui um circuito que realiza também a equalização de fase antes de somar os dois sinais. Na saída se obtém um sinal com espectro sem “fadings profundos” (figura 29).






Demodulador


O demodulador converte o sinal modulado (constelação QAM) nos dois feixes de dados correspondentes às subportadoras I e Q. Para isso é preciso, através de um PLL, recuperar estas subportadoras (figura 30).



Lógica Digital

Circuitos comparadores de nível identificam os níveis dos sinais (I e Q) e, conforme o resultado, geram a sequência de bits do feixe I e do feixe Q (a figura 31 apresenta apenas o feixe I, de maneira análoga se obtém o feixe Q).



Aplicando a lógica reversa do circuito do transmissor, os feixes I e Q são combinados em um único feixe e os bits de informação do quadro do rádio são entregues ao microprocessador para informações de gerência e controle, conforme foi explicado anteriormente. (Figura 32).


Os bits de paridade contidos no quadro do rádio são analisados e a paridade do quadro recalculada. Caso haja alguma discrepância nos resultados, esta é reportada à gerência do rádio como erro de bit na recepção do sinal. Este recurso é muito importante no monitoramento do desempenho do sistema.


Conversor de Interface

Finalmente, o feixe de bits recebido é convertido do nível lógico interno (TLL ou ECL) para o padrão ITU G.703 na interface de saída do rádio.Veja a figura 33.



Conclusão


A teoria de transmissão digital pode ser aplicada para os mais diversos meios de propagação, o que muda são as técnicas para solução dos problemas. Os equipamentos de transmissão e recepção apresentam diagramas de blocos semelhantes, onde os elementos realizam funções inversas.


Apenas os sinais na interface de acesso (G.703) são padronizados. Os níveis lógicos internos, o formato do quadro do rádio e o sinal irradiado possuem formato proprietário, o que obriga o usuário a comprar um par TX / RX de um mesmo fornecedor. Quanto mais complexo o tipo de modulação (número de pontos da constelação) maior a dificuldade de implementação dos circuitos, maiores as exigências de linearidade, potência e baixo ruído e a suscetibilidade a erros, porém, menor a banda ocupada.


Nas transmissões por rádio o resultado final não depende só do equipamento. O meio de transmissão (a atmosfera) também tem forte influência. Ruído atmosférico, atenuação, interferências, “fadings seletivos” são algumas das anomalias causadas pelo meio.


Equalizadores adaptativos, rádio diversidade de espaço, pré- distorcedores e controle de potência são algumas das técnicas utilizadas para otimizar o desempenho, que em toda a transmissão digital é medido pela taxa de erros de bits.



* Matéria originalmente publicada na revista Saber Eletrônica; Ano: 47; N° 460; Mar / Abr – 2012