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Capítulo 5: A segunda geração do sistema de transmissão de dados

Este capítulo trata da redefinição do projeto do sistema que está sendo implementado, chamado de sistema TaT (Tomada a Tomada), descrevendo as limitações do projeto desenvolvido até então, as soluções encontradas e resultados obtidos.
As limitações da codificação DTMF, instabilidade e complexidade dos circuitos que implementam cada função do transmissor e necessidade de ajuste de ganho do detector de sinal a cada mudança das características da rede elétrica, levaram a uma reformulação do hardware que implementa a transmissão de dados.

5.1: Definição do campo de aplicação

Já foi dito em parágrafos anteriores que este projeto se destina à automação residencial, dando suporte ao tráfego de informações discretas em uma residência ou mesmo outra área pequena, através da rede elétrica já disponível. Mas a maneira como esta solução será apresentada ao usuário final, o morador, precisa ser esclarecida.

O objetivo global é implementar o sistema sob a forma de módulos que possam ser acoplados às aplicações, servindo de interface entre estas e a rede elétrica. As aplicações seriam integradas aos módulos por uma pequena empresa, e comercializadas sob a forma de pacotes prontos. O pacote básico conterá uma central de controle, que pode ser ligada a um computador pessoal, ou independente, como um painel de botões com um display.

Outros pacotes podem conter atuadores e sensores residenciais, como interruptores, dimmers e sensores de presença.

A equipe que trabalha neste projeto desenvolveu a central de controle que utiliza um PC (Personal Computer) e alguns atuadores e sensores paralelamente ao desenvolvimento do sistema TaT, integrando-os a este ao fim do projeto.

5.2: Busca de uma nova codificação

O ponto mais importante a ser tratado foi a limitação do esquema de codificação, não compatível com a sincronização da transmissão com a passagem por zero da rede. Nova pesquisa bibliográfica foi realizada em busca de um sistema eficiente de codificação, que fosse também simples de implementar e a um baixo custo.

A modulação em amplitude é sensível demais à atenuação de sinal e a ruídos, necessitando de controladores de ganho no detector de sinal, o que nos levou a escolha de um tipo de sinalização binária baseada em freqüência ou fase.

A sinalização baseada em fase (PSK – Phase Shift Keying) é bastante robusta, nela cada “0” é representado por uma defasagem da portadora em 180 graus, e cada “1” como uma ausência da defasagem, mas necessita de um circuito PLL (Phase Locked Loop) de detecção. O circuito PLL é um controlador integrador onde o erro corresponde à diferença de fase entre o sinal captado e um sinal de referência. Mas sua confecção e ajuste são muito difíceis.

A modulação QAM (Quadrature Amplitude Modulation), que combina a modulação ASK com vários níveis de amplitude e PSK com várias fases, é ainda mais eficiente. É a codificação utilizada em modems, atualmente, capazes de transmitir 56kbps em uma linha que permite freqüência máxima de 2,4kHz (linha telefônica comum).

Mas esta modulação exige processamento digital de sinais.
Escolheu-se então a codificação baseada em sinalização por mudança de freqüência ou FSK (Frequency Shift Keying), esta exige que duas freqüências portadoras sejam definidas, e o chaveamento entre elas define os níveis lógicos “0” e “1”, mas pode ser implementada de forma mais simples e é tão eficiente quanto PSK.

5.2.1: Diagrama em blocos do codificador

A codificação FSK é apenas uma das variantes da modulação FM, e em geral quando se fala de modulação FM se faz referência a uma portadora que varia pouco em relação a sua freqüência central, de forma que filtros e circuitos de sintonia são dimensionados para uma freqüência única. Esta pequena variação de freqüência é
difícil de perceber, e exige circuitos ativos, como o PLL (anteriormente citado), detectores de quadratura, discriminadores de fase, etc.

Todos estes circuitos são de construção bastante complexa, e sua aplicação se justifica em casos em que a transmissão deve estar dentro de um estreito limite de freqüências, com variações de ±1% em relação à freqüência base. No entanto, até o momento, não existe nenhuma restrição ao uso de variações maiores, uma vez que o meio físico em questão não possui outros sistemas de comunicação competindo por bandas de transmissão.

Então uma solução mais prática foi adotada, o uso de duas portadoras de freqüência próxima a 100kHz, onde a sinalização de bits é feita alternando a portadora entre as duas. O maior afastamento das freqüências escolhidas (80 e 120kHz) possibilita a identificação destas com filtros simples.

O diagrama em blocos do circuito codificador, que implementa este chaveamento encontra-se abaixo:
 

Figura 10: Diagrama do codificador FSK

O sistema assim configurado é tão simples quanto o anterior, com a diferença que a codificação utilizada não é afetada pelas limitações de ‘janelas de transmissão’ e nível de sinal.