PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ INGENIERÍA ELECTRÓNICA MODULACIÓN AM

Transcripción

1 MODULACIÓN AM Las señales de información deben ser transportadas entre un transmisor y un receptor sobre algún medio de transmisión. Sin embargo, las señales de información no se encuentran preparadas, en la mayoría de los casos, para transmitirse; así se hace necesario transformar la información de su forma original a una forma más adecuada para la transmisión cambiando una propiedad o parámetro de una señal (portadora) en forma proporcional a la señal de información. Esto es lo que se conoce como proceso de modulación. El tipo de dependencia de estas señales define el tipo de modulación. En la modulación de amplitud (AM), se hace variar la amplitud de una señal senoidal, con frecuencia y fase fijas, en proporción a una señal dada (mensaje). El propósito de esta experiencia es aplicar los conceptos fundamentales de la transmisión AM así como el manejo y descripción de los diferentes tipos de transmisión AM. LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253 1

2 MODULACIÓN AM EXPERIENCIA N 1 I. OBJETIVO: Describir cada técnica de modulación AM en los dominios del tiempo y la frecuencia, analizar su comportamiento frente a la interferencia y el ruido, además comparar el trabajo realizado con resultados obtenidos usando el Simulink de Matlab. II. SUSTENTO TEÓRICO: La modulación de amplitud (AM) es el proceso por el cual se varía la amplitud de una señal portadora senoidal de alta frecuencia de acuerdo con la forma de onda de la señal modulante (información o mensaje). Para entender mejor el proceso de la modulación observaremos el caso particular de la AM comercial: AM Comercial La principal aplicación que tiene la modulación de amplitud es la radiodifusión comercial, en la cual se puede transmitir señales de audio con una calidad aceptable y un alcance regional. La AM comercial transmite ondas electromagnéticas con frecuencias del orden de los cientos de khz o kilociclos ya que es el rango de frecuencias en el cual se obtiene el mejor desempeño posible. En el Perú la AM comercial se encuentra entre los 540 KHz a 1600 KHz, A continuación se describe el proceso de modulación AM y el rol de cada una de las señales que intervienen: Imaginemos una señal de audio, producida en una radioemisora. Esta será nuestra señal modulante o mensaje. Como sabemos, en todo proceso de modulación estará presente una señal de alta frecuencia conocida como portadora. 2 LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253

3 La modulación AM hará que la portadora varíe su amplitud de acuerdo a la forma de onda de la señal modulante, y el resultado será la señal modulada AM. Esta es la señal que es transmitida por una emisora, y luego captada en un receptor AM. Espectro de Frecuencias de AM Habíamos señalado que la AM comercial se transmite en el rango de 540 KHz a 1600 KHz,, es decir, que en esta porción del espectro electromagnético encontraremos distintas señales AM una a continuación de otra, con una banda de guarda o separación preestablecida necesaria para disminuir interferencias. Observemos el comportamiento en el dominio de la frecuencia de las tres señales que intervienen en la modulación AM: La señal modulante o mensaje en AM es de bajas frecuencias y es limitada a un determinado ancho de banda mediante el uso de un filtro. La portadora es un tono senoidal de alta frecuencia. La señal modulada AM viene dada por el espectro de la señal modulante trasladada a la frecuencia de la portadora. LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253 3

4 MODULACIÓN AM f AM (t) kf(0) 2 F (w t -(? c -? m) -? c -(? c+? m)? c-? m? c? c-? m w? c = frecuencia de la portadora.? m = frecuencia máxima del mensaje En la experiencia del laboratorio, tanto nuestra señal modulante como nuestra ortadora serán señales senoidales, las cuales serán obtenidas de un generador de señales. Se obtendrán, de esta forma, las siguientes formas de onda: Señal Portadora Señal Portadora o Mensaje(Banda Base) Onda Modulada en Amplitud LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253

5 Técnicas AM Sin embargo, no hay una única forma de realizar modulación en amplitud, sino que existen varias técnicas, siendo las principales las que se describen a continuación: AM Con portadora Sin portadora Doble banda AM-DSB-LC Se transmite onda modulada más portadora no modulada. La portadora genera un nivel DC que permite recuperar la información mediante un detector de envolvente. Es la técnica utilizada en la radiodifusión AM comercial. AM-DSB-SC Se deja de transmitir la portadora para obtener mayor eficiencia en el consumo de potencia del transmisor. No es posible realizar detección de envolvente. La detección es síncrona. Banda única AM-SSB-RC Se transmite una sola banda lateral y la portadora. Como la portadora se atenúa al filtrar una banda, esta técnica se conoce como modulación de una sola banda con portadora residual. AM-SSB-SC Se transmite una sola banda lateral y sin portadora. También es conocida como modulación de banda lateral única AM-BLU. LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253 5

6 MODULACIÓN AM Índice de modulación (m) El índice m expresa el grado de modulación de la portadora. Se define por la relación: D d m = D + d D d D = amplitud pico a pico de la señal AM d = separación mínima entre los envolventes de AM Usando el modo XY con la señal modulante en X y la señal AM en Y, se obtiene el patrón XY con sus bases mayor y menor que miden D y d respectivamente. En el límite de la detección por envolvente la señal AM es 100% modulada y el patrón XY se vuelve triangular. DEMODULACION O DETECCION DE AM Proceso usado para recuperar la señal de información, a partir de cualquier tipo de señal AM modulada. Hay 2 tipos de detección: Demodulación síncrona o coherente requiere en el receptor una portadora de frecuencia y fase totalmente sincronizada con la portadora del transmisor. Este tipo de detección es complejo y costoso por lo que sólo se usa en la demodulación de señales AM sin portadora presente. Demodulación por detección de envolvente o no coherente no requiere en el receptor una portadora sincronizada con el transmisor. Basta un dispositivo simple que detecte la envolvente de la señal modulada AM. Sólo se usa en señales AM con portadora presente. 6 LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253

7 A continuación se muestra el esquema de un sistema AM con detección de envolvente: ~ f (t) r (t ) f ( t ) fdsb(t) R m Línea de Tx R C C kcos( ω t) c f DSB km ( t) = k(1 + mf ( t))cosωct FDSB( ω) = ( F( ω + ωc) + F ( ω ωc)) + kπ ( δ ( ω + ωc) + δ ( ω ωc)) 2 III. MATERIAL REQUERIDO: CF TRANSMITER 20 KHZ (MODULADOR AM) ó CF TRANSMITER 16 KHZ (MODULADOR AM) SSB / DSB RECEPTOR (DEMODULADOR AM) NOISE-SOURCES (GENERADOR DE RUIDO) TRANSMISSION LINE (SUMADOR) 1 Generador de señales 1 Fuente de alimentación +/- 15V, 3A. 1 Osciloscopio digital Conectores IV. DESCRIPCIÓN DE MÓDULOS MODULADOR AM ( ó ) El panel contiene en la entrada un filtro FPB de 0,3 a 3,4 Khz. La señal proveniente del generador de 160 Khz (señal piloto) pasa por el divisor de frecuencia y luego por el convertidor de señales (cuadrada a senoidal) para generar una portadora senoidal de 20 ó 16 Khz, que se mezcla en el modulador con la señal de entrada, para obtener un tipo de señal AM. DEMODULADOR AM (736 29) El panel contiene un demodulador, un filtro FPB de 0.3 a 3.4 Khz, además del generador (oscilador de cristal) de 20Khz, que posibilita la detección síncrona. LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253 7

8 MODULACIÓN AM MÓDULOS AM +15 V +5 V +15 V +5 V AM LC AM SC Señal Filtro Pasa Banda khz Modulador AM Filtro Pasa Banda Khz Khz Demodulador AM Filtro Pasa Banda Khz Out Cristal Oscilador 160 Khz f f/n + + Cristal Oscilador 20 Khz 0 V 0 V -15 V -15 V Modulador AM / Demodulador AM FIGURA1 8 LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253

9 CONEXIÓN AM REPOSICIÓN +15VDC Señal REPOSICIÓN +5VDC FIGURA 2 LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253 9

10 MODULACIÓN AM CONEXIÓN AM CON RUIDO +15 V +5 V REPOSICIÓN +15VDC G White Noise REPOSICIÓN +5VDC FIGURA 3 Pink Noise 10 LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253

11 HOJA DE LABORATORIO MODULACIÓN AM APELLIDOS Y NOMBRE: CÓDIGOS: 1. Implemente el diagrama de la figura 2 alimentando correctamente los paneles ó (Modulador AM) y (Demodulador AM). Antes de energizar consulte al Jefe de Práctica. 2. Conecte a la entrada del modulador AM una señal senoidal de 2Vpp y 2KHz y verifique que se recupere la señal a la salida (punto 6) del demodulador AM. Si no es así consulte al Jefe de Práctica. 3. Verificado lo anterior, usando el osciloscopio registre las siguientes señales: Portadora Señal modulante Cómo se obtiene la portadora a partir del oscilador de 160 KHz? LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253 11

12 MODULACIÓN AM MODULACIÓN AM-DSB-LC 4. Con el switch en la posición LC en el modulador AM observe la señal AM- DSB-LC (punto 1) en el tiempo y la frecuencia (use la opción FFT del osciloscopio). Luego usando el modo XY del osciloscopio con la señal mensaje en el canal 1 (eje X) y la señal AM en canal 2 (eje Y) observe el patrón XY correspondiente. Varíe gradualmente la frecuencia modulante hasta obtener un patrón XY bien definido. Grafique: Señal AM-DSB-LC D =... d =... m =... Espectro AM-DSB-LC BW = Patrón XY AM-DSB-LC D =... d =... m =... Cambia el índice de modulación m al variar la frecuencia modulante?. Justifique. 12 LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253

13 Cómo afecta a la señal AM y al patrón XY al aumentar gradualmente la amplitud de la señal modulante?. Describa los patrones XY y las respectivas formas de onda AM. MODULACIÓN AM-DSB-SC 5. Regrese a la señal sinusoidal original de 2Vpp y 2KHz y con el switch en la posición SC en el modulador AM observe la señal AM-DSB-SC (punto 1) en el tiempo y la frecuencia. Luego observe el patrón XY correspondiente. Grafique. Señal AM-DSB-SC Espectro AM-DSB-SC BW = Patrón XY AM-DSB-SC LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253 13

14 MODULACIÓN AM MODULACIÓN AM-SSB-RC 6. Regrese a la frecuencia original de 2KHz y el switch en la posición LC en el modulador AM. Observe la señal AM-SSB-RC (punto 2) en el tiempo y la frecuencia. Luego observe el patrón XY (cambie la frecuencia para obtener un patrón bien definido). Grafique. Señal AM-SSB-RC Espectro AM-SSB-RC BW = Patrón XY AM-SSB-RC Cómo afecta el filtro pasa banda a la señal AM del punto 1? Cómo cambia el patrón XY al aumentar gradualmente la frecuencia modulante?. Tiene sentido calcular el índice de modulación?. Justifique. 14 LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253

15 MODULACIÓN BLU (AM-SSB-SC) 7. Regrese a la señal sinusoidal original de 2Vpp y 2KHz y con el switch en la posición SC en el modulador AM observe la señal BLU (punto 2) en el tiempo y la frecuencia. Luego observe el patrón XY correspondiente. Grafique. Señal BLU (Banda Lateral Única) Espectro BLU BW = Patrón XY BLU Por qué la señal BLU consta de un solo tono de frecuencia?. Justifique en función del espectro de frecuencias. LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253 15

16 MODULACIÓN AM DEMODULACIÓN AM 8. Obtenga nuevamente la señal AM-DSB-LC (punto 1) para 2 Vpp y 2 KHz de la señal mensaje senoidal. Conecte a la entrada (punto 3) del demodulador AM. Observe la salida demodulada AM (punto 6). Ahora retire el cable que conecta el punto 4 con la portadora local del transmisor y conecte los puntos 4 y 5 (portadora del demodulador AM). Grafique. Detección AM-DSB-LC con portadora local del modulador AM Detección AM-DSB-LC con portadora local del demodulador AM Qué diferencias observa entre la señal demodulada con la portadora del Tx y la demodulada con la portadora del Rx?. Sustente su respuesta teóricamente. Verifique la demodulación AM para las otras técnicas AM. Comente. INTERFERENCIA Y RUIDO EN AM 9. Implemente el diagrama de la figura 3 (agregue los módulos de generador de ruido y de línea de transmisión ). Efectúe el análisis del efecto aditivo de ruido en cada señal AM para cada tipo de ruido (blanco, rosado o flicker) conectado al módulo de línea de transmisión (punto 4). Anote sus observaciones y registre los efectos de ruido para una señal AM 16 LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253

17 en la frecuencia (punto 5) y para la salida AM demodulada correspondiente en el tiempo (punto 8). Un tipo de ruido (blanco, rosado o flicker) en el tiempo y en la frecuencia Efecto aditivo de un tipo de ruido (blanco, rosado o flicker) en el tiempo y en la frecuencia Observaciones: 10. Usando otro generador de señales genere un tono interferente entre 12 y 24 KHz y de 100 mv de amplitud. Conecte al punto 4 de la figura 3 en vez del ruido. Observe el efecto del tono interferente en la frecuencia (punto 5) y en el tiempo (punto 8): Efecto del tono interferente en el tiempo LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253 17

18 MODULACIÓN AM Efecto del tono interferente en la frecuencia Observaciones: SIMULACIÓN EN MATLAB Herramientas a usar Señales y ruido: (Sources) Sine Wave Signal Generator Band-Limited White Noise Dispositivos de salida (Blocksets&Toolboxes / Simulink Extras / Additional Sinks) (Sinks) Scope XY Graph Averaging Power Spectral Density Filtros (Blocksets&Toolboxes / DSP Blocksets / Filters / Filters Designs) fir1 butter Digital FIR Filter Design Digital IIR Filter Design Operadores (Linear) 1 Gain Sum Producto 18 LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253

19 Usando el simulink de Matlab y considerando un sample time de 0.01 para todas las señales efectuar lo siguiente: 1. Implemente un modulador DSB-SC para una f(t) senoidal entre 2 y 4 rad/seg y una portadora de 16 ó 20 rad/seg. Obtenga la forma de onda y el espectro de DSB-SC. Verifique teóricamente. 2. Con f(t) en X y DSB-SC en Y obtenga el patrón XY. Comente. 3. Con ruido blanco de 0.1 mw efectúe la detección de AM DSB SC. Considere FPB: Digital FIR Filter Desing de orden 50 y Lower band Con un tono interferente en vez de ruido, efectúe la detección DSB-SC. 5. Usando una portadora local en el receptor con ω de 2 rad/seg observe la señal DSB-SC demodulada. Comente. 6. Implemente el sistema AM-DSB (repita los pasos de 1 a 5) 7. Implemente el sistema AM-SSB (repita los pasos de 1 a 5) 8. Implemente el sistema AM-BLU (repita los pasos de 1 a 5) Presente todo los archivos de Matlab en disquete y copie los diagramas completos de cada simulación en el espacio correspondiente. Todo el trabajo debe presentarse junto con el informe final. V INFORME FINAL 1. Compare cada técnica AM vista en el laboratorio tanto en el tiempo como en la frecuencia. Haga una tabla considerando 6 bases de comparación. De una explicación teórica y práctica. 2. Cuál es la utilidad del método del patrón XY?. Describa los patrones de 2 técnicas de AM vistos en el laboratorio. 3. En un medio con ruido altamente nocivo Qué medidas tomaría con el fin de lograr una mayor SNRo?. Haga consideraciones de costobeneficio. 4. Describa el efecto de interferencia de un solo tono sobre uno de los tipos de AM vistos en el laboratorio. Explique. 5. Investigue cómo funciona la radiodifusión AM comercial. 6. Conclusiones y observaciones. LABORATORIO DE COMUNICACIONES IEE253 19