Como funciona o "Sistema de FM Multiplex"

O sinal multiplex (ou apenas MPX) nasceu de uma necessidade: transmitirem-se ao mesmo tempo, através de uma única portadora de RF, as informações correspondentes aos canais esquerdo (E) e direito (D) de um sistema de áudio estereofônico.

Na época em que ele foi concebido, já havia a transmissão em FM monofônico e, portanto, o número de possuidores de receptores de rádio para esse tipo de emissão era muito grande.

Para que houvesse a chamada compatibilidade, ou seja, para que os receptores de FM monofônicos pudessem captar e reproduzir, logicamente em um só canal (recepção em mono), um sinal transmitido em FM estéreo, foi desenvolvida a Codificação Estéreo Multiplex.

Na figura 1 mostramos a constituição do sinal multiplex. Ele possui, basicamente, três componentes. A primeira delas está indicada por Sinal Soma (E + D), com uma faixa de frequência que vai desde 30 Hz, até cerca de 15 kHz. Esse sinal contém a informação completa de áudio, pois corresponde aos canais esquerdo (E) e direito (D) juntos, ou seja, trata-se do sinal que iria modular a portadora de RF do transmissor, caso tivéssemos uma emissão em FM monofônica.

A seguir há um sinal piloto de 19 kHz, com amplitude relativa de apenas 10%. A sua frequência é bastante estável, pois no transmissor ele é gerado por um circuito controlado a cristal.

Por fim existem duas faixas laterais, uma de 23 kHz até 37,97 kHz e outra de 38,03 kHz até 53 kHz resultantes da modulação de 38 kHz (obtida dos 19 kHz através de um dobrador), pelo Sinal Diferença (E – D). O processo utilizado é o AM-DSB/SC (modulação em amplitude com duas faixas laterais e supressão da sub-portadora de 38 kHz.

Figura 1 — Constituição do sinal multiplex (ou "MPX").

Em resumo, numa transmissão FM estéreo, o sinal multiplex (ou apenas sinal MPX), mostrado na figura 1, é que irá modular, em frequência, a portadora de RF do transmissor. Caso seja utilizado um receptor FM mono, o aparelho aproveitará apenas o sinal soma (E + D). Ao contrário se for empregado um receptor FM estéreo, o aparelho aproveitará todo o sinal MPX.

Localização do decodificador MPX em um receptor FM estéreo

A figura 2 mostra, resumidamente, o diagrama em blocos de um receptor FM estéreo. O sinal de RF, captado pela antena, é injetado no sintonizador (ou Tuner) de FM, formado pelos estágios amplificador de RF, oscilador local e misturador. O sinal resultante (FI de 10,7 MHz) é amplificado, limitado e demodulado, quando então será recuperado o sinal MPX.

Figura 2 — Localização de decodificador MPX em um receptor FM estéreo.

É nesse ponto que entra em ação o DECODIFICADOR MPX. A sua função será de início, fazer a decodificação do sinal MPX, ou seja, recuperar os sinais soma (E + D) e diferença (E – D); isto é realizado com o auxílio do tom piloto de 19 kHz, presente no sinal MPX. Por fim, o decodificador MPX fornecerá, em suas saídas, as informações correspondentes aos canais "E" e "D" do sistema de áudio estereofônico.

Se o sinal soma for adicionado ao sinal diferença, teremos:

(E + D) + (E – D) = E + D + E – D = 2E.

Por outro lado, se o sinal diferença passar por um inversor de fase (180º) e depois for adicionado ao sinal soma, teremos:

– (E – D) + (E + D) = –E + D + E + D = 2D.

Todas essas operações são realizadas pelo decodificador MPX. O fator "2" exerce apenas uma influência na amplitude dos sinais. O importante, contudo, é que foram recuperadas as informações correspondentes aos canais "E" e "D" do sistema de áudio estereofônico.

O integrado "1310"

Os primeiros estágios decodificadores MPX, quer valvulados, quer transistorizados, faziam uso de vários circuitos sintonizados LC, o que representava um sério problema na fase dos ajustes e calibração.

Com o aparecimento dos circuitos integrados, os decodificadores MPX sofreram uma grande simplificação, ao ponto de dispensarem por completo o emprego de bobinas, tanto fixas como ajustáveis.

Os circuitos integrados utilizados atualmente, nos decodificadores MPX aproveitam uma técnica conhecida há muitos anos, chamada "Elo de Fase Sincronizada", ou apenas PLL (do inglês Phase Locked Loop), mas cujo emprego só foi possível graças aos constantes aprimoramentos introduzidos nos processos de fabricação dos circuitos integrados.

Um CI bastante utilizado em nosso meio, e que emprega a técnica PLL para a decodificação dos sinais MPX, é o conhecido "1310". Ele é produzido por vários fabricantes de semicondutores, conforme ilustra a tabela 1.

Tabela 1 — Alguns fabricantes do "1310", equivalentes pino a pino.

Os integrados "1310" são dispositivos monolíticos, bipolares, de silício. Eles são encapsulados em plástico e possuem 14 terminais, os quais estão dispostos na configuração "Duplo em Linha", ou apenas DIL (do inglês Dual In Line). Isto está indicado na figura 3.

figura 3 — Pinagem do circuito integrado "1310" (CI visto por cima).

Os decodificadores MPX com CI "1310", além de não utilizarem bobinas, apresentam outras vantagens, como: baixa distorção, um único ajuste (feito através de um simples trimpot) e, talvez a principal delas, que é o uso de poucos componentes externos (resistores e capacitores), o que permite a realização de montagens bastante compactas.

O circuito integrado "1310" visto por dentro

Apresentamos agora o diagrama em blocos simplificado do integrado que estamos analisando.

Basicamente, a sua estrutura interna pode ser dividida em três partes, as quais foram delimitadas por linhas tracejadas, na figura 4, e identificadas pelas letras maiúsculas "A", "B" e "C".

Figura 4 — Diagrama em blocos interno do circuito integrado "1310".

A parte indicada pela letra "A" é o que se conhece por regenerador da sub-portadora de 38 kHz. Como já foi dito, durante a transmissão a sub-portadora de 38 kHz é suprimida. Assim, na recepção ela deverá ser regenerada (ou restaurada), a fim de possibilitar a decodificação do sinal MPX.

O estágio indicado por V.C.O. é um Oscilador controlado por tensão (do inglês Voltage Controlled Oscillator), que trabalha na frequência de 76 kHz. Em seguida existem dois estágios divisores por dois. O sinal assim obtido é aplicado ao comparador de fase, juntamente com o sinal piloto, também de 19 kHz, extraído do sinal MPX de entrada (acoplado capacitivamente entre os pinos "3" e "11" do CI.

A função do comparador de fase é produzir um sinal que, depois de filtrado pelo L.P.F. ou filtro passa-baixas (do inglês Low Pass Filter) e amplificado, é transformado em uma tensão CC que irá controlar o V.C.O., fazendo com que ele fique "amarrado" (ou sincronizado) com o sinal piloto enviado pela emissora, de modo a proporcionar uma decodificação correta do sinal MPX. Quando isto ocorrer, o sinal de 19 kHz, fornecido pelo segundo divisor, estará em quadratura (diferença de fase igual a 90º) com o sinal piloto de 19 kHz da emissora.

O circuito integrado fornece, no seu pino "10", um sinal de onda quadrada em 19 kHz, com cerca de 3Vpp, que poderá ser utilizado para monitoração durante o ajuste do V.C.O.

A segunda parte do CI que estamos analisando, indicada pela letra "B", contém os estágios necessários para comandar duas chaves eletrônicas (comutador estéreo).

Uma parcela do tom piloto de 19 kHz é aplicada a um comparador de nível, juntamente com um sinal de 19 kHz (em fase) fornecido por um terceiro divisor por dois. Quando o sinal piloto contido no sinal MPX de entrada exceder um nível pré-determinado, o comparador de nível produzirá um sinal que depois de ser filtrado por um outro L.P.F., será transformado em uma tensão CC que irá excitar um estágio disparador (Schmitt Trigger), de modo a acionar as duas chaves eletrônicas. A primeira delas fará com que o sinal de 38 kHz (saída do primeiro dividida por 2), que corresponde a sub-portadora regenerada pelo sistema PLL, seja enviada ao estágio decodificador MPX, com a fase correta para uma perfeita decodificação. A outra chave eletrônica conectará o pino "6" do CI à massa, de modo a excitar um LED externo (indicador de recepção em estéreo).

Se a recepção for em FM mono, o sinal piloto de 19 kHz não estará presente, o estágio disparador não será excitado e as chaves eletrônicas permanecerão abertas. Nesta situação, o estágio decodificador MPX enviará, para as saídas (pinos "4" e "5"), a mesma informação de áudio.

Por outro lado, se a recepção for em estéreo, e o sinal piloto tiver um nível adequado para permitir uma decodificação perfeita, livre de distorções, então as chaves eletrônicas serão acionadas. Como resultado da decodificação, nos pinos "4" e "5" do CI aparecerão as informações correspondentes aos canais "E" e "D", respectivamente.

A terceira parte do CI, identificada pela letra "C", contém um amplificador de áudio, um decodificador MPX propriamente dito, e um regulador de tensão.

O amplificador de AF recebe em sua entrada (pino "2"), o sinal MPX fornecido pelo demodulador de FM. Ele atua como um separador (ou Buffer) para o decodificador MPX, e fornece um sinal amplificado (cerca de 3 vezes) para os estágios comparadores. O acoplamento entre os pinos "3" e "11" é feito por um capacitor externo.

O regulador de tensão (entrada no pino "1") fornece as tensões de alimentação para os diversos estágios do integrado, proporcionando uma operação estável.

Análise de um circuito comercial com integrado "1310"

Na figura 5 apresentamos o esquema elétrico de um circuito decodificador estéreo multiplex, com o integrado "1310" utilizados em muitos equipamentos comerciais.

Figura 5 — Circuito típico de um decodificador estéreo multiplex com integrado "1310".

O sinal multiplex (MPX), proveniente da saída do estágio demodulador de FM, é aplicado à entrada do CI "1310" (pino "2") através do capacitor eletrolítico C1 (2,2µF ou 4,7µF).

O acoplamento entre a saída do estágio amplificador de AF (pino "3") e a entrada do estágio detetor de fase (pino "11"), ambos contidos no "1310" é feito por C6, um capacitor de poliéster metalizado (± 10%) de 0,047µF (ou 47nF). Esse valor de capacitância é o suficiente para permitir apenas a passagem do sinal piloto de 19 kHz presente no sinal MPX de entrada.

Os capacitores C2 e C3, junto com o resistor R2, conectados entre os pinos "12" e "13", constituem o filtro de malha. C2 (0,47µF ou 470nF) e C3 (0,22µF ou 220nF) são de poliéster metalizado, ± 10%, R2 é de 1KΩ.

Entre o pino "14" e a massa é conectado a rede RC do oscilador de 76 kHz. Ela é constituída por C7, R4 e TP1. Como este oscilador controlado por tensão (VCO) possui um coeficiente de temperatura negativo, ou seja, a sua frequência diminui com o aumento da temperatura, a rede RC externa é escolhida de modo a compensar essa variação. Assim, para a posição C7 utilizamos um capacitor de styroflex ou de polistirol cujo valor é de 470pF. O valor de R4 está entre 15KΩ e 18KΩ, dependendo da procedência do CI. O trimpot TP1 é de 4,7KΩ. Tanto C7 como R4 devem possuir uma baixa tolerância (± 5%) a fim de não ultrapassarem a faixa de ajuste proporcionada por TP1.

Os resistores R5 (pino "5", canal direito) e R6 (pino "4", canal esquerdo) são os resistores de carga para as saídas do estágio decodificador MPX contido no "1310".

Os seus valores dependem da tensão de alimentação (no pino "1"): quanto maiores, tanto mais elevado será o ganho de tensão do circuito; dependendo da origem do circuito integrado, R5 e R6 podem ter valores entre 2,7KΩ e 5 KΩ (para Vcc entre +8V e +16V, aproximadamente). Em conjunto com os capacitores C8 e C9 (poliéster metalizado, ± 10%), respectivamente, eles proporcionam a de ênfase padrão de 75µs, para os sinais de AF (canal direito e canal esquerdo). Para uma tensão de alimentação de +14,4V, os valores recomendados são de 3,3KΩ, para os resistores, e 0,022µF (ou 22nF), para os capacitores.

O eletrolítico C4, entre os pinos "8" e "9", é usado para filtrar o sinal de saída do estágio comparador de nível do sinal piloto. O valor desse capacitor deve ser de 2,2µF. Valores maiores poderão provocar o chaveamento incorreto do comutador estéreo na presença de um sinal monofônico muito intenso, ou até mesmo de ruído. Por outro lado, valores menores de capacitância ocasionarão um atraso no chaveamento entre os modos mono e estéreo.

O capacitor eletrolítico C5 (470µF) mais o resistor R1 (470Ω) formam um filtro para a tensão +Vcc.

O diodo zener D2 só é utilizado em auto rádios. Ele é escolhido de modo que a sua tensão zener seja um pouco inferior à máxima tensão de alimentação permitida para o circuito integrado. Por exemplo, se o fabricante do "1310" especificar que Vcc máx. = +18V, utilizaremos neste caso, Vz = 16V. Assim, se aparecer algum transiente de tensão na linha de VCC, provocado pela buzina, pelo sistema de ignição do veículo, etc, o zener irá conduzir, absorvendo tal transiente. Em outras palavras, D2 atua como um protetor para o CI "1310".

O resistor R3 limita a intensidade da corrente através do LED D1, quando o pino "6" é chaveado internamente à massa pelo comutador estéreo. Dependendo do fabricante, o "1310" tem uma capacidade de excitação entre 75mA e 100mA através do seu pino "6".

O consumo de corrente do "1310" é por volta de 13mA, em "mono", e 13,3mA, em "estéreo". A mínima tensão de alimentação permissível é cerca de 8V; valores inferiores provocarão uma relação sinal/ruído pobre e instável.

Circuitos adicionais para operação em "mono"

Quando o sinal MPX entregue ao decodificador tiver um nível muito reduzido, a relação sinal/ruído diminuirá e a reprodução será ruidosa. Para evitar tal inconveniente, a solução consiste em fazer com que o comutador estéreo do "1310" não seja chaveado diante de uma situação desse tipo, com o que o circuito irá operar no modo "mono", reproduzindo o mesmo sinal em ambos os canais (pinos "4" e "5"), sem ruídos.

Uma das maneiras utilizadas para evitar que o comutador estéreo do "1310" seja acionado, consiste em aterrar o seu pino "8". Isso é conseguido através de uma chave MONO-ESTÉREO, que existe no painel do aparelho (ver figura 6). Quando o sinal captado pela antena for muito fraco, a referida chave, pressionada, conectará o pino "8" do "1310" à massa; então o circuito irá trabalhar em "mono", evitando-se, desse modo, que ele seja disparado aleatoriamente por ruídos.

Figura 6 — Utilização de uma chave para comutação "mono/estéreo", associada ao "1310".

Em alguns equipamentos de som para uso doméstico (receivers) normalmente são utilizados circuitos mais elaborados, os quais desempenham a mesma função da chave MONO-ESTÉREO indicada na figura 6, mas que trabalham de uma forma automática.

Um exemplo típico é o "Inibidor de Estéreo", apresentado na figura 7.

Para a função de amplificador, limitador e demodulador do sinal de FI-FM (10,7 MHz) é utilizado um circuito integrado do tipo "3089" (CA3089E, µA3089, LM3089, TDA1200, HA1137W, etc.). Esse CI possui, no pino "13", uma saída que fornece um nível CC positivo em relação à massa. A tensão nesse ponto será tanto mais elevada quanto mais intenso for o sinal de RF-FM captado pela antena do aparelho. Na condição "sem sinal", ela será de aproximadamente 0,5V; já na condição de "máximo sinal", teremos entre 5,0V e 6,0V. O pino "13" normalmente alimenta um "micro amperímetro" em série com um resistor limitador de corrente, o qual funciona como um medidor de sintonia (ou intensidade de sinal) para recepções em FM. Em nosso caso particular, a tensão disponível, no pino "13" do "3089" também será empregada para excitar o circuito inibidor de estéreo, conforme analisaremos a seguir.

Figura 7 — Utilização de um circuito inibidor de estéreo associado ao "1310".

Quando o nível do sinal de RF-FM, captado for superior a um limite pré-determinado, a tensão cc no pino "13" do "3089" sendo aplicada à base de T1 via R1, fará com que esse transístor conduza, aterrando a base de T2. Consequentemente, a resistência entre o pino "8" do "1310" e a massa será muito alta (T2 estará cortado), de modo que o circuito decodificador irá trabalhar normalmente (operação em "estéreo").

Caso o nível do sinal de RF-FM caia abaixo do limite mencionado, a tensão cc no pino "13" do integrado "3089" diminuirá, fazendo com que T1 passe para o estado de corte. Com isso, a junção base-emissor de T2 será polarizada no sentido direto (via R3), esse transístor irá conduzir, e o pino "8" do "1310" será conectado à massa, via resistor R5. Nesta situação o circuito decodificador será chaveado automaticamente para trabalhar em "mono". Em outras palavras, dizemos que a operação em "estéreo" foi inibida.

O trimpot TP1 permite ajustar o limiar de funcionamento do circuito inibidor de estéreo.

Como os auto-rádios normalmente são submetidos à condições muito distintas no que se refere ao nível do sinal captado, o circuito da figura 7 não é indicado.

Uma alternativa é apresentada na figura 8. Trata-se de um circuito que, utilizado em conjunto com um detetor de relação (demodulador de FM), executa um controle automático na resposta de frequência para o sinal MPX.

Figura 8 — Circuito de controle automático da resposta de frequência para o sinal MPX, para uso com o "1310".

A tensão desenvolvida no ponto "A" do detetor de relação será tanto mais negativa quanto mais intenso for o sinal de RF-FM captado pela antena do receptor.

Assim para sinais de alto nível, o transístor T1 ficará cortado via R3 (a sua base estará negativa em relação ao emissor), e o sinal MPX presente no ponto "B" não sofrerá nenhuma influência (a reprodução será feita normalmente em "estéreo").

Ao contrário, para sinais de baixo nível a tensão no ponto "A" será cada vez menos negativa. Então o transístor T1 começará a conduzir cada vez mais (a sua junção base-emissor será polarizada no sentido direto, via R4). Quanto menor a resistência oferecida entre emissor e coletor de T1, tanto mais os componentes de alta frequência do sinal MPX (ponto "B") serão desviadas para a massa, via capacitor C4.

Em outras palavras, quando o sinal captado for fraco, o circuito em questão irá atenuar a amplitude do sinal piloto de 19 kHz a tal ponto, que o comutador estéreo, contido no "1310", não será acionado. Consequentemente, a reprodução ocorrerá em "mono". Tal circuito também evita que ruídos na região dos 19 kHz disparem, aleatoriamente, o comutador estéreo mencionado atrás.

Ainda com referência à figura 8, o resistor R1 e o capacitor C1 formam um filtro para 10,7 MHz. O conjunto C2 e R2 é uma rede compensadora de fase para o sinal MPX.

Circuitos adicionais para comutação AM/FM

Em muitos auto-rádios, com o intuito de facilitar a comutação das faixas de sintonia, os projetistas costumam utilizar o amplificador de áudio interno ao "1310", também para os sinais de AF fornecidos pelo detetor de AM. Um exemplo típico é mostrado na figura 9. O pino "2" do integrado recebe tanto o sinal MPX do demodulador de FM, como o sinal de AF do detetor de AM.

Figura 9 — Utilização de uma chave para comutação AM-FM, associada ao "1310".

Durante as recepções em AM (ondas médias ou ondas curtas), o comutador estéreo do "1310" deve ser inibido. Isto é conseguido aplicando-se uma tensão CC positiva no seu pino "9", via chave AM-FM (na posição AM), resistor R2 e diodo D1 (o integrado "1310" também permite essa possibilidade, além daquela analisada nas figuras "7" e "8", para o seu pino "8"). Com esse artifício, o sinal de áudio fornecido pelo detetor de AM aparecerá simultaneamente nos pinos "4" e "5" do "1310", e será reproduzido em ambos os canais.

Também durante as recepções em AM, para evitar que as harmônicas do sinal de 76 kHz interfiram no sinal captado, o V.C.O. do "1310" deve ser desativado. Um modo de se conseguir isto consiste em aplicar uma tensão CC positiva no pino "14" do integrado, via resistor R3 e diodo D2 (figura 9).

Alguns fabricantes recomendam, para desativar o V.C.O., conectar o pino "14" à massa, via resistor de 2,2KΩ ou de 3,3KΩ.

Tanto D1 como D2, no circuito da figura 9, têm a função de diodos isoladores.

Ajuste do V.C.O. sem instrumental

1. Sintonizar corretamente uma emissora que esteja transmitindo em estéreo.
2. Mover o cursor do trimpot TP1 até que o LED indicador de estéreo se acenda.
3. Deslocar a sintonia do aparelho para um determinado sentido, até o LED se apagar.
4. Retocar o ajuste em TP1, fazendo com que o LED se acenda novamente.
5. Deslocar a sintonia do aparelho para o outro sentido, e verificar qual o melhor ponto de ajuste do trimpot.

Ajuste do V.C.O. com instrumental

Para um ajuste preciso do V.C.O. interno ao "1310", recomendamos o uso de um frequêncimetro e de um gerador de sinais em FM.

A sequência das operações é a seguinte:

1. Conectar o gerador de RF aos terminais de antena do aparelho, via adaptador de impedâncias.
2. Conectar o pino "10" do integrado "1310", via resistor de 100KΩ, à entrada do frequencímetro.
3. Ajustar o gerador de RF em 98 MHz (modulado com 400 Hz ou 1 kHz, a 30%).
4. Sintonizar o sinal do gerador no aparelho que está sendo ajustado.
5. Desligar a modulação do gerador (deixar só a portadora de RF).
6. Ajustar o trimpot do V.C.O. (TP1 na figura 5) para uma leitura de 19000 ±20 Hz no frequencímetro.

Pesquisa de defeitos

A pesquisa de defeitos em aparelhos que utilizam decodificador MPX com integrado "1310", poderá ser realizada com o auxílio de um osciloscópio e de um gerador de sinais FM-estéreo.

Se injetarmos nos terminais de antena do aparelho sob teste, um sinal de 100 MHz modulado por um sinal MPX com apenas o canal esquerdo (E = 1 kHz; D = 0), no pino "2" do "1310" deveremos observar a forma de onda apresentada na figura 10A. Caso isto não ocorra, alguma das etapas anteriores (demodulador de FM, amplificador/limitador de FI ou sintonizador de FM) estará com problemas.

Figura 10 — Formas de onda dos sinais fornecidos pelo "1310".

No pino "3" do "1310" deverá ser observado o mesmo sinal representado na figura 10A, porém com uma amplitude cerca de três vezes maior.

No pino "10" estará disponível uma onda quadrada (figura 10C) com amplitude igual a 3Vpp.

Já o sinal presente no pino "14" (figura 10B) deverá ter uma amplitude próxima a 3,5Vpp.

Se a separação estiver correta, um sinal de 1 kHz deverá aparecer no pino "4" (canal esquerdo), com a máxima amplitude e praticamente nenhum sinal deverá estar presente no pino "5" (canal direito). Ver formas de onda nas figuras 10D e 10E.

Caso apenas o canal direito seja modulado por 1 kHz, então a forma de onda mostrada na figura 10D deverá aparecer no pino "5" do "1310" agora quase nenhum sinal será observado no pino "4".

Se todos os sinais mencionados atrás estiverem presentes nos correspondentes pinos do integrado "1310", e o aparelho continuar inoperante, então uma pesquisa deverá ser realizada nas etapas de AF (pré-amplificador, excitador e estágios de potência).