CAPÍTULO 10 - TÉCNICAS DE MODULAÇÃO

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CAPÍTULO X - TÉCNICAS DE MODULAÇÃO
1. INTRODUÇÃO
	A palavra MODEM é a contração das palavras Modulador e DEModulador. Modulação, em geral, é um processo em que alguma característica de um sinal (portadora) é modificada pela ação de outro sinal (sinal modulante). A modulação, e conseqüentemente a demodulação, é necessária sempre que o sinal a ser transmitido não possui características compatíveis com as do meio de transmissão a ser utilizado. O processo de demodulação consiste em extrair do sinal modulado a informação transmitida, em sua forma original (a menos de imperfeições que possam ser introduzidas no meio de transmissão).
	Em comunicação de dados o meio de transmissão mais utilizado é a Rede Pública de Telefonia, que possui características apropriadas para a transmissão de sinais de voz. Como a informação a ser transmitida está na forma digital devemos adaptá-la a este meio. Esta adaptação é efetuada através da modulação. Assim, o sinal digital a ser transmitido irá modular uma portadora senoidal (ou seja, a informação agora está na forma analógica), gerando um sinal modulado com características melhor adaptadas ao meio. Na recepção, o sinal digital original é recuperado (a menos de possíveis erros que possam vir a ocorrer). A figura abaixo ilustra esta idéia.
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Figura 1 - Sistema de Comunicação de Dados.
2. TÉCNICAS DE MODULAÇÃO
	Existem várias técnicas de modulação de uma portadora senoidal por um sinal digital. Neste ítem, apresentaremos as principais técnicas utilizadas para transmissão de dados via canal telefônico.
2.1. FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK)
	Na modulação FSK o sinal modulante (digital) provoca desvios na freqüência de uma portadora senoidal. Se o sinal digital é binário (pode assumir apenas dois valores -0 e 1 por exemplo), o sinal modulado ficará chaveando entre duas freqüências (f1 correspondendo ao nível 0 de entrada e f2 correspondendo ao nível 1). A figura 2 ilustra esta idéia.
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Figura 2 - Modulação FSK.
	O sinal FSK apresenta uma grande facilidade de modulação e demodulação. No entanto, o mesmo apresenta um desempenho inferior a outras técnicas de modulação (PSK e QAM).
2.2. PHASE SHIFT KEYING (PSK)
	Na modulação PSK a freqüência da portadora não é modificada, a informação digital é “transportada” na fase da mesma. Esse sistema de modulação apresenta desempenho superior à modulação FSK; sendo porém, de implementação mais complexa. Vamos descrever agora, as várias formas de modulação PSK utilizadas:
2.2.1. BINARY PHASE SHIFT KEYING (BPSK)
	Quando o sinal modulante é um sinal digital binário, o sinal de saída “chaveará” entre duas fases acompanhando o sinal de entrada. A forma mais usual de implementação da modulação BPSK é termos fases de 0o e de 180o (inversão de fase de um estado para outro), uma fase associada ao nível 0 e outra ao nível 1. Este sistema é também denominado PRK (Phase Reversal Keying). A figura a seguir ilustra a modulação BPSK.
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Figura 3 - Modulação PSK.
2.2.2. QUATERNARY PHASE SHIFT KEYING (QPSK)
	Esta técnica, também chamada de PSK em quadratura, corresponde a um sinal M - PSK com M = 4. Neste caso, o sinal de saída pode assumir 4 fases diferentes, acompanhando o sinal de entrada. Se o sinal de entrada for binário (só assume dois níveis), o mesmo deve ser agrupado em DIBITS (conjunto de dois bis). A cada um dos 4 dibits possíveis está associado uma fase do sinal de saída. A figura 4 ilustra a idéia da técnica QPSK.
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				Entrada Binária		Fase da Saída
				 0	 0			 - 135o
				 0 	 1			 - 45o
				 1	 0			 +135o
				 1 	 1			 + 45o
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Figura 4 - Modulação QPSK.
2.2.3. DIFERENTIAL PHASE SHIFT KEYING (DPSK)
	Para demodulação do sinal PSK (BPSK ou QPSK) há necessidade de termos no receptor um sinal de referência perfeitamente em fase com a portadora (sinal coerente em fase). Esta característica faz com que a complexidade do receptor aumente de forma acentuada. Para “escaparmos” desta exigência podemos trabalhar com um sistema de modulação diferencial, que permite a implementação do receptor de uma forma mais simples.
	No sistema diferencial a referência de fase é sempre o bit anterior. Ou seja, a cada momento a entrada do sinal é comparada com a saída anterior, que é armazenada com o retardo de um bit. Se o bit de entrada é 0 o sinal de saída está 180o defasado em relação a saída referente ao bit anterior, se o bit de entrada for 1 o sinal de saída atual está em fase com o sinal de saída anterior. A figura a seguir ilustra a idéia:
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DADO DE ENTRADA�
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SAÍDA / PORTA XNOR�
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FASE DE SAÍDA�
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Figura 5 - Modulação DPSK.
	O receptor DPSK compara a fase do enésimo e do enésimo -1 bit. Se as fases são iguais, uma lógica 1 é gerada (+ 5V), caso contrário gera-se uma lógica 0 (0V). Para o caso anterior, partindo-se de uma fase inicial de referência de 180o teríamos:
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2.2.4. DIFERENCIAL QUATERNATY PSK (DQPSK)
	O sistema DQPSK é também um sistema diferencial, o que leva às mesmas vantagens discutidas no ítem anterior. Neste sistema o sinal de entrada é agrupado em dibits e a cada um dos quatro dibits está associado uma mudança de fase. No padrão CCITT V.22 modos I a IV essas mudanças são:
	DIBIT		DESLOCAMENTO DE FASE
	 00			+ 90o
	 01			 0o
	 10			+ 180o
	 11			+ 270o
	A figura a seguir ilustra a idéia da modulação DQPSK.
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Figura 6 - Modulação DQPSK.
2.3. QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION (QAM)
	Na modulação QAM a informação está contida na fase e na amplitude do sinal modulado. Vamos tecer alguns comentários sobre a modulação 16 QAM, que é utilizada no padrão CCITT V.22 bis.
	Na modulação 16 QAM, os dados de entrada são agrupados em grupos de 4 (QUADRIBIT) bis, o que origina 16 combinações possíveis de entrada. O sinal de saída (modulado) varia tanto em amplitude quanto em fase, segundo o sinal de entrada, podendo assumir uma das 16 condições mostradas abaixo, por exemplo:
	ENTRADA		SAÍDA 16 QAM
	 0000		0,311V - 135o
	 0001		0,850V - 165o
	 0010		0,311V - 45o
	 0011		0,850V - 15o
	 0100		0,850V - 105o
	 0101		1,161V - 135o
	 0110		0,850V - 75o
	 0111		1,161V - 45o
	 1000		0,311V + 135o
	 1001		0,850V + 175o
	 1010		0,850V + 45o
	 1011		0,850V + 15o
	 1100		0,850V + 105o
	 1101		1,161V + 135o
	 1110		0,850V + 75o
	 1111		1,161V + 45o
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3. COMPARAÇÃO ENTRE AS VÁRIAS TÉCNICAS DE MODULAÇÃO
	Vamos agora comparar o desempenho das várias técnicas descritas acima, de forma a nos orientar na escolha de uma delas.
3.1. LARGURA DE FAIXA MÍNIMA E EFICIÊNCIA DE LARGURA DE FAIXA
	A eficiência de largura de faixa é definida como:
	EFIC. DE BW = (TAXA DE TRANSM. - BPS) / (LARG. DE FAIXA MÍN.)
	Este parâmetro é geralmente normalizado para 1 Hz de largura de faixa, indicando desta forma o número de bis que podem ser transmitidos para cada Hz de largura de faixa.
	Agora, veremos como calcular a largura de faixa mínima necessária para transmissão, em cada uma das técnicas de modulação:
a) BPSK: BW = (f1 - f2) + fb onde,
	f1 = freq. relativa a nível 1
	f2 = freq. relativa a nível 0
	fb = freq. de bis (taxa de bis)
b) BPSK : BW = fb
c) QPSK : BW = fb/2
d) 16 QAM: BW = fb/4
	Vamos agora, determinar a eficiência de largura de faixa para cada uma das técnicas:
a) FSK: EFIC. = fb/[(f1
- f2) + fb] < 1
	Por exemplo, para o padrão V.21 temos (f1 - f2) = 200 Hz e fb = 300 BPS. Assim, EFIC. = 0,6.
	Para o padrão V.23 modo 2 temos (f1 - f2) = 800 Hz e fb = 1200 BPS, levando a EFIC. = 0,6.
	Ainda, para o padrão V.23 modo 1 temos (f1 - f2) = 400 Hz e fb = 600 Hz, resultando novamente em EFIC. = 0,6.
	Podemos ver assim, que a eficiência de transmissão para os padrões CCITT que se utilizam de modulação FSK é de 0,6. Se utilizassemos f1 + f2 menor, teríamos uma maior eficiência de largura de faixa e conseqüentemente um melhor aproveitamento do canal de transmissão. Entretanto, o fato de termos f1 - f2 pequeno dificulta a implementação do MODEM. Assim, uma solução de compromisso entre uma maior eficiência de largura de faixa e complexidade de implementação é adotada. Este compromisso implica em termos (f1 - f2) = (2/3)fb.
b) BPSK: Nesta técnica temos EFIC. = fb/fb = 1
c) QPSK: Aqui, EFIC. = fb/(fb/2) = 2
d) 16 QAM: Neste tipo de modulação temos EFIC. = fb/(fb/4) o que resulta em EFIC. = 4
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4. CONCLUSÕES: Como já havíamos dito, o principal meio de transmissão utilizado em comunicação de dados é a Rede Pública de Telefonia. O canal telefônico possui uma largura de faixa de 3 Khz. Assim, temos uma limitação da taxa de bis que pode ser utilizada para cada uma das técnicas de modulação.
	Para a modulação FSK, teríamos uma taxa máxima teórica de 3 Khz x 0,6 = 1.800 bits/s. Entretanto, a máxima taxa que se pode utilizar na prática não atinge este valor. Os padrões CCITT que operam em FSK utilizam 300 BPS full-duplex (Obs.: Na transmissão full-duplex pode haver transmissão de dados nos dois sentidos simultaneamente. Desta forma, o espectro deve ser dividido para o canal de ida e o canal de volta, levando a máxima taxa teórica para 900 bits/s por canal) e 600 ou 1200 BPS half-duplex (com canal de retorno em 75 BPS).
	Para transmissão dos dados em 1200 BPS full-duplex vemos que a modulação FSK não pode ser utilizada, pos a máxima taxa teórica que esta modulação suporta é de 900 bits/s por canal (para uma transmissão full-duplex). Por isso, o padrão V.22 que trabalha neste modo (1200 BPS full - duplex) utiliza a técnica de modulação DQPSK.
	Teoricamente poderíamos utilizar esta técnica de modulação em uma transmissão a 2400 BPS full-duplex (já que o limite teórico é de 3000 BPS full-duplex). Entretanto, devido a limitação de implantação dos MODEMs, já a 2400 BPS full-duplex o padrão CCITT V.22 bis utiliza a técnica de modulação 16 QAM.
	Finalmente, vemos que a necessidade de velocidade na transmissão dos bis imposta pelo sistema será um dos parâmetros a ser utilizado na definição da técnica de modulação a ser utilizada.
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5. COMPARANDO PSK x QAM:
5.1. QPSK x 4-QAM:
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5.2. 8-PSK x 8-QAM:
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QAM - 2o EXEMPLO:
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QAM - 3o EXEMPLO:
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6. TAXA DE ERRO DE BIT x MODULAÇÃO:
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	Digital Modulation And Radio Systems
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7. PADRÕES DE MODULAÇÃO:
7.1. CCITT V.21:
	- Modem assíncrono -300 BPS
	- Modulação FSK
	- Dois fios - Full-Duplex
	- Linha comutada e dedicada (opcional)
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Figura 7 - Costelações e espectro V.21
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7.2. CCITT V.22:
	- Modem síncrono/assíncrono
	- 1.200 BPS - Full-Duplex -2 fios
	- Modulação DQPSK
	- Linha comutada ou dedicada (ponto-a-ponto)
	- Equalização fixa
	- Scrambler
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Figura 8 - Constelação de espectro V.22
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7.3. CCITT V.22 BIS:
	- Modem síncrono
	- 2.400 BPS - Full-Duplex -2 fios
	- Modulação 16 QAM
	- Linha comutada ou dedicada (ponto-a-ponto)
	- Equalização fixa ou adaptativa
	- Scrambler
	- Portadoras: 1200 & 2400 Hz
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Figura 9 - Constelações e espectro V.22 BIS
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7.4. CCITT V.23:
	- Modem assíncrono
	- 1.200 BPS - Half-Duplex -2 fios
	- Canal de retorno a 75 BPS
	- Modulação FSK
	- Linha comutada
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Figura 10 - Constelações e espectro V.23
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7.5. CCITT V.26:
	- Modem síncrono
	- 2400 BPS - Full-Duplex -4 fios
	- Linha dedicada (ponto-a-ponto ou multiponto)
	- Modulação DQPSK
	- Canal de retorno (75 BPS - FSK)
	- Portadora: 1800 Hz
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Figura 11 - Constelações e espectro V.26
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7.6. CCITT V.26 BIS:
	- Modem síncrono
	- 2400 BPS - Half-Duplex -2 fios
	- Linha comutada
	- Modulação DQPSK
	- Fall-Back para 1200 BPS
	- Equalização fixa
	- Canal de retorno
	- Portadora: 1800 Hz
7.7. CCITT V.26 TER:
	- Modem síncrono/assíncrono
	- 2400 BPS - Half ou Full-Duplex -2 fios
	- Linha comutada ou dedicada (ponto-a-ponto)
	- Modulação DQPSK
	- Cancelamento de eco
	- Fall-Back para 1200 BPS
	- Equalização fixa ou adaptativa
	- Scrambler
	- Portadora: 1800 Hz
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7.8. CCITT V.27:
	- Modem síncrono
	- 4800 BPS - Full-Duplex a 4 fios ou Half a 2 fios
	- Linha dedicada
	- Modulação 8PSK
	- Equalização manual
	- Scrambler
	- Portadora: 1800 Hz
	- Canal de retorno
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Figura 12 - Constelações e espectro V.27
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7.9. CCITT V.27 BIS:
	- Modem síncrono
	- 4800 BPS - Full-Duplex a 4 fios ou Half a 2 fios
	- Linha dedicada
	- Modulação 8PSK
	- Fall-Back para 2400 BPS
	- Equalização adaptativa
	- Scrambler
	- Portadora: 1800 Hz
	- Canal de retorno
7.10. CCITT V.27 TER:
	- Modem síncrono
	- 4800 BPS - Half-Duplex -2 fios
	- Linha comutada
	- Modulação 8PSK
	- Fall-Back para 2400 BPS
	- Equalização adaptativa
	- Scrambler
	- Portadora: 1800 Hz
	- Canal de retorno
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7.11. CCITT V.29:
	- Modem síncrono
	- 9600 BPS - Full-Duplex -4 fios
	- Linha privada (ponto-a-ponto)
	- Modulação 16QAM
	- Fall-Back para 7200 e 4800 BPS
	- Equalização adaptativa
	- Scrambler
	- Portadora: 1700 Hz
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Figura 13 - Constelações e espectro V.29
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7.12. CCITT V.32:
	- Modem síncrono
	- 9600 BPS - Full-Duplex -2 fios
	- Linha comutada ou privada (ponto-a-ponto)
	- Modulação: Trelis Coded Modulation
	- Cancelamento de eco
	- Equalização adaptativa
	- Scrambler
	- Portadora: 1800 Hz
8. PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO DOS MODEMS:
8.1. TRANSMISSOR:
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8.1.1. CODIFICADOR:
	- Altera o código dos dados a serem transmitidos: Podemos utilizar codificação de Gray ou codificação diferencial, para facilitar a transmissão ou minimizar efeitos de erros.
8.1.2. SCRAMBLER:
	- Altera o padrão dos dados a serem transmitidos através de um embaralhamento pseudo-aleatório, de modo a garantir um número de transições 0 - 1 suficientes para permitir a recuperação do clock pelo receptor.
8.1.3. MODULADOR:
	- Modifica as características do sinal de modo a adaptá-lo ao meio de transmissão. A técnica de modulação utilizada depende da taxa de transmissão e do canal de comunicação utilizado.
8.1.4. FILTRO:
	- Limita o espectro do sinal à banda passante do canal de comunicação.
8.1.5. AMPLIFICADOR:
	- Ajusta o nível do sinal transmitido ao máximo permitido pela linha. Este nível não deve exceder uma média de -13 dBm0, de acordo com a recomendação V.2 do CCITT.
8.1.6. CLOCK:
	- Pode ser gerado no modem (e enviado para o terminal) ou gerado pelo terminal (e enviado para o modem).
8.2. RECEPTOR:
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	- Além dos blocos cujas funções são inversas àquelas implementadas no transmissor, temos a função de recuperação de clock, que permite a demodulação e detecção do sinal; e a função de equalização, que pode ser fixa para modems de velocidade mais baixa, com 	ajuste manual para modems de média velocidade e com ajuste automático para modems 	mais sofisticados.
	- Os blocos apresentados
acima (para Tx e Rx) não aparecem em todos os modems. Àqueles de velocidade mais baixa (particularmente os assíncronos) não possuem circuitos derecuperação de clock, codificadores e decodificadores, Scrambler e Descrambler. Além disso, como esses modems normalmente utilizam modulação FSK, seus circuitos de modulação e demodulação são mais simples.
9. FACILIDADES DE TESTE:
9.1. LOOP ANALÓGICO LOCAL:
	- Tem por objetivo testar o modem local. O sinal proveniente do terminal de dados é codificado, decodificado e retorna ao terminal, ao mesmo tempo em que o sinal proveniente da linha de transmissão é equalizado e novamente transmitido para a linha.
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9.2. LOOP DIGITAL LOCAL:
	- Tem como objetivo avaliar o ETD local e o cabo de interface. O teste em Loop digital local faz com que o modem local forneça um retorno do sinal digital proveniente do ETD e ao mesmo tempo um retorno de dados para o modem remoto.
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9.3. LOOP ANALÓGICO REMOTO:
	- Tem como objetivo verificar o funcionamento do modem local e da linha de transmissão. O teste em Loop analógico remoto faz com que o sinal proveniente do terminal de dados ao decodificador volte ao terminal de dados ao mesmo tempo em que o sinal proveniente da linha de transmissão é equalizado e novamente transmitido para a linha.
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9.4. LOOP DIGITAL REMOTO:
	- Tem como objetivo verificar o funcionamento do sistema: Modem local, linha de transmissão e modem remoto. O teste em Loop digital remoto faz com que o sinal transmitido pelo modem local passe pela linha de transmissão, entre no modem remoto, seja equalizado, decodificado, codificado novamente e retorne ao modem local através da linha de transmissão. Ao mesmo tempo, o sinal digital proveniente do ETD remoto retorna ao ETD remoto.
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10. MODEMS DIGITAIS (CÓDIGOS DE LINHA):
	- Os equipamentos denominados modems digitais, na verdade, implementam, normalmente, algum tipo de código de linha, não constituíndo desta forma, ao meu ver, um modem na definição aqui feita.
	- Os modems digitais não são prodronizados e possuem taxa de transmissão máxima que depende da distância a ser alcançada.
	- A transmissão é feita em banda base, sendo adequados apenas para uso urbano.
	- São mais simples e econômicos que os modems analógicos.
	- Os códigos de linha tem por objetivo adequar o espectro do sinal às características da linha (mantendo-o em banda base) e, também, garantir um número mínimo de transições para extração do sinal de clock.
	- Os códigos mais importantes são: AMI, HDB3, CMI e Manchester Diferencial.
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11. BIBLIOGRAFIA
1) MARTIM, James. Systems Analysis for Data Transmission. Prentice-Hall Inc, New Jersey, 	1972.
2) BARTEE, Thomas C. Data Communications, Net Works, and Systems. Haward W. Sams & 	Co., Indiana, 1985.
3) TOMASI, Wayne. Advanced Electronic Communications Systems. Prentice-Hall Inc. New 	Jersey, 1987.
4) FEHER, Dr. Kamilo. Digital Communications, Satellite/Earth Station Engineering. Prentice-Hall 	Inc, New Jersey, 1983.
5) OETTING, John D.. “A Comparison of Modulation Techniques for Digital Rádio”. IEEE 	Transactions on Communications, Vol. COM-27, No 12, December, 1979.
6) NYMAN, H. et ali. “Evolución de los Módems de Datos”. Comunicaciones Eléctricas, Vol. 57, 	No 3, 1982.
7) MUNICH, Steve. “Using Single-Chip Modems”. Communications International, October, 1984.
8) COX, Chris. “The Art of Modem Design”. Communications Systems Worldwide, February, 	1988.
9) PLAGA, Lorraine J.. “A General Analysis of Two FSK Modem Demodulators”. IEEE 	Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-28, No 4, November, 1982.
10) SHAPIRO, Garry R. et al. “A Full Duplex 1200/300 Bit/s Single-Chip CMOS Modem”. IEEE 	Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-20, No 6, December, 1985.
11) HANSON, Kerry et ali. “A 1200 Bit/s QPSK Full Duplex Modem”. IEEE Journal of Solid-State 	Circuits, Vol. SC-19, No 6, December, 1984.
12) Manuais Técnicos AMD (American Micro Devices). CHIPs AM 7910, AM 7911 e AM 79CV14.
CEDETEC												� PÁGINA �28�