Capítulo 12. Receptores

Transcripción

1 Capítulo 12. Receptores Parámetros característicos y tipos de receptores Esquema Tipos de receptores Frecuencias intererentes Elección de la recuencia intermedia Selectividad de un receptor Sensibilidad y ruido en receptores Margen dinámico Control Automático de Ganancia. 2 Receptores 1

2 Esquema básico del receptor Antena Antena Ampliicador Filtro Filtro paso banda RF Demodulador Ampliicador Banda de señal base Funciones de un receptor Ampliicar la señal hasta el nivel de entrada al demodulador Eliminar intererencias y ruido que llegan al sistema receptor Demodular la portadora para obtener la señal de banda base 3 Parámetros de un Receptor Frecuencia de portadora. Señal de banda base. Tipo y proundidad de modulación. Ancho de banda de recepción. Protección contra intererencias. Ruido de recepción. Sensibilidad. Fidelidad. 4 Receptores 2

3 Criterios de calidad Selectividad: Capacidad de eliminar señales potencialmente intererentes. (iltrado, intermodulación, ) Sensibilidad: Nivel mínimo de señal que es capaz de detectar con la calidad deseada. (ruido, ganancia,..) Fidelidad: Capacidad de recibir y demodular la señal sin distorsión. (distorsión lineal y no lineal, señales espurias, demodulación, etc.) 5 Tipos de receptor Por el esquema de conversiones Homodino Superheterodino Varias etapas de mezcla Por la orma sintonía Fija Discreta Continua Por la modulación AM, DBL, BLU. FM, FSK, PSK. QAM. Por la recuencia de portadora. LF, MF HF, VHF, UHF Microondas... Por el tipo de señales de banda base Analógicas Digitales Por el servicio. Audio Teleonía Radiodiusión Vídeo Datos.. 6 Receptores 3

4 Receptor Homodino DEM Ampliicación Filtrado Demodulación Nivel BB Filtrado BB Ventajas Sencillez Bajo costo Inconvenientes Diícil iltrado en RF si p /B>1 Alta ganancia en los ampliicadores de RF con posibilidad de oscilación. 7 Receptor Heterodino Conversión de recuencia DEM Ampliicación Ampliicación Filtrado Demodulación Ventajas El iltrado se hace sobre una recuencia más baja. Se ampliica en dos etapas de dierente recuencia. Inconvenientes Es más complejo y caro. Hay que eliminar la banda imagen. 8 Receptores 4

5 Bandas espurias y banda imagen Imagen = s ±2 FI FI B FI = B Banda Imagen Filtro de recuencia intermedia OL RF B< B RF <4 FI Filtro de rechazo de banda imagen s s s s + 9 Receptor de doble conversión Conversión de recuencia RF FI1 FI2 Demodulación Ampliicación s i1 = s - 1 i2 = i1-2 DEM DEM OL1 Ampliicación OL2 Filtrado Ventajas Una conversión con dos saltos permite eliminar mejor la banda imagen. Inconvenientes Es más complejo y caro. 1 Receptores 5

6 Doble conversión hacia abajo FI2 FI1 OL2 OL1 Filtro de rechazo banda imagen I1-2 2 s s 11 Receptor de conversión superior RF FI1 FI2 DEM DEM s i1 = s + 1 ó i2 = i1-2 OL1 i1 = 1 - s > s OL2 Ventajas Permite eliminar mejor la banda imagen en receptores con sintonía en márgenes muy grandes Inconvenientes Es más complejo y caro. 12 Receptores 6

7 Doble conversión hacia arriba FI2 Filtro de rechazo banda imagen OL1 OL2 FI1 I1-2 s 1 2 s Potenciales intererencias Mezclas que generan la recuencia intermedia: Mezclas armónicas de la señal. i s m ± n = n ±1 ± m = m, n n s s m ± 1 = n ± 1 i Mezclas armónicas de las intererencias. n m 1 m y = ± i ± m = m, n n y = n 1 i ± m m y i 14 Receptores 7

8 2 y / ,1 9,5 4,2 7,4 5,3 3,2 6,3 4,4 1,1 1,5 Carta de productos intererentes ,5 7,4 6,4 8,5 5,3 4,3 7,5 8,5 5,4 6,4 6,5 7,5 6,5 5,4 4,3 3,3 4,4 5,5 1,1 2,2 3,2 2,1 ( n,m) ,1 4,5 2,2 3,4 2,3 1,2 3,3 4,4,1 5,5 y = n m 1 ± m i ,5 3,4 2,4 3,5 2,3 1,3 2,5 3,5 1,4 2,4 1,5 2,5 1,5 1,4 1,3,3,4,5,1,2 1,2 1, i / 15 Ejemplo 12.2 Consideremos un receptor sintonizable en la banda de 6 a 12 khz, para el que se ha elegido una recuencia intermedia de 45 khz. El Oscilador toma valores por encima de la señal entre 15 y 165 khz. Calcule las posibles recuencias intererentes RF =6 a 12kHz I =45kHz DET. B RF =1kHz B FI =2kHz OL =15 a 165kHz 16 Receptores 8

9 EJEMPLO 12.2 Y / 3,2 2, ,2 s =6 Imagen 1.2 s =9 1 1,1 2,2 s = i / i i i = = = 45 = = = ,1 2,2 2,3 1,2 2,3 1,2 1,3,1 3,3 17 Productos de mezcla Frecuencia Intermedia Frecuencia Señal Frecuencia Osc Local m n Señal m s + n 18 Receptores 9

10 Frec. intererentes normalizadas y = n 1 i + m m 2.2 Frecuencias intererentes Frecuencia Intermedia Frecuencia Señal Frecuencia Osc Local Fi/Fo m n y/o i/o 1,-1 1,1 2,-1 1,-2 2,1 2,-2 2,2 3,-1 3,1 3,-2 3,2 2,-3 2,3 4,-1 4,1 19 Productos de mezcla Tipo de intererencia s =6kHz s =9kHz s =12kHz m=1, n=1 (imagen) m=2, n= m=3, n= m=3, n= m=2, n= m=3, n= Receptores 1

11 Elección de la recuencia intermedia La recuencia intermedia no debe coincidir con la de señal. La recuencia intermedia no debe coincidir con el oscilador local. La relación entre el valor de la recuencia intermedia y el ancho de banda de la señal no debe ser muy grande. Posibilitar el rechazo de las recuencias intererentes y en particular la banda imagen. La recuencia intermedia debe coincidir con uno de los valores normalizados. 21 Selectividad Capacidad de separar una señal intererente de la señal deseada. Se cuantiica como la relación de potencia que debe haber entre la señal intererente (P y ) y la señal deseada (P S ), para que ambas produzcan la misma señal en el demodulador. P ( y = S( y - s )= S( s ) P s( ) s Se incluye el nivel de señal intererente que produce a la salida intermodulación superior a la admitida en la banda deseada. Se incluye el nivel de señal intererente que bloquea el receptor por saturación de algún componente. y ) 22 Receptores 11

12 EJEMPLO 12.4 Consideremos el receptor mostrado en la igura, que posee una recuencia intermedia de 45 khz, una recuencia de RF sintonizable entre 6 y 12 khz y una banda de recepción inal, correspondiente a una emisión de AM de radiodiusión, de 2 khz. Para este ejemplo supondremos que se sintoniza el extremo inerior de la banda (s= 6 khz). RF =6 a 12kHz I =45kHz DET. B RF =1kHz B FI =2kHz OL =15 a 165kHz 23 Filtro de RF Se estima un nivel mínimo de señal de RF a la entrada de 5 µv de pico (sensibilidad) para el correcto uncionamiento del receptor. El iltro de RF consta de una sola etapa LC, de sintonía mecánica, con un ancho de banda entre puntos de -3dB de 1 khz. Su respuesta se muestra en la igura siguiente: db khz 24 Receptores 12

13 Filtro de FI El ampliicador de RF tiene 4 db de ganancia en tensión y nivel de saturación a la salida de 1.v pico. El iltro de FI, que deine la banda inal de modulación, está ormado por un iltro activo de 3 etapas (orden_3), centrado en 45 khz y con 2 khz de banda a -3 db. Su respuesta se presenta en la siguiente igura. db khz 25 Selectividad El mezclador presenta un aislamiento a la recuencia intermedia de 2 db, una atenuación de 15 db para las mezclas espurias 2 o ±3 Y y no presenta rechazo a la recuencia imagen. Se pide dibujar la curva de selectividad y bloqueo en recuencia. Penetración FI Bloqueo Espurio Selectividad 26 Receptores 13

14 Sensibilidad Nivel mínimo de señal a la entrada de un receptor para un correcto uncionamiento: Nivel de señal en el demodulador superior a la especiicada. Relación señal a ruido + distorsión en el demodulador superior a la especiicada. 27 Sensibilidad (P min ) Limitaciones por ganancia de la cadena ampliicadora P min ( g) = Po g Pn (S/N) Limitaciones por ruido de antena y del receptor Pmin ( N) / ( S N ) Pn = Pmin RX g DEM Po g= Ganancia de la cadena ampliicadora. P n = Potencia equivalente de ruido a la entrada incluido el ruido de antena P = Nivel mínimo de señal a la entrada del demodulador. (S/N) = Nivel mínimo de la relación señal a ruido en el demodulador. 28 Receptores 14

15 Ganancia y ruido en un receptor superheterodino. T ay T as Banda Señal T 1s g 1s Banda Imagen T 1y g 1y g 2s g 2y T 3 g 3 B DEM g=g 1s g 2s g 3 P n =k(t e +T a )B Subíndice s se reiere a la banda de señal Subíndice y se reiere a la banda imagen T e = T 1s +T 1y g g 1y 1s T a g g 2y 2s = T + T g as SSB 1s +T T 3 + g g ay g g 1y 1s g g 2y 2s 29 1s 2s Ruido en la banda imagen FI B FI = B Banda Imagen Filtro de recuencia intermedia OL RF s - y =2 - s s 3 Receptores 15

16 Receptor con rechazo de banda imagen g 1y = Filtro de rechazo ó g 2y = Mezclador con rechazo de banda imagen FI Filtro de recuencia intermedia Banda Imagen OL RF Filtro de rechazo de banda imagen s - y s T e =T 1s T + g SSB 1s T3 + g g 1s 2s y T = T a as 31 Receptor sin rechazo de banda imagen g 1y =g 1s Igual ganancia en imagen g 2y =g 2s Mezclador sin rechazo de banda imagen T ay =T as y T 1y =T 1s Iguales temperaturas de antena y recepción. FI Filtro de recuencia intermedia Banda Imagen OL RF s - y s T SSB 3 Te = 2 T1 s + + y Ta = 2 g1s g1s g2s T T as 32 Receptores 16

17 Especiicación de Sensibilidad Especiicación en tensión (V) Tensión eicaz en bornes de la antena en C.A. V mín ( µ V) ó 2 Log(V mín( µ V)) (dbµ V) (E) Campo eléctrico eicaz de la onda que incide sobre la antena *. mín E mín ( µ V/m) ó 2 Log( E ( µ V/m)) (dbµ V/m) Relación entre ambas: V mín L eq =Longitud equivalente de la antena * (se supone adaptación perecta de polarización) = E mín L eq 33 Sensibilidad en tensión Es típica de recuencias bajas (<1MHz) La impedancia de entrada a los receptores es alta comparada con la impedancia de antena. Las pérdidas por desadaptación son altas. El ruido más importante del sistema es el debido a la antena. 25 Log(T) Z ent >>Z a 2 R.Cósmico R. Industrial R. Atmosérico Receptor R. Industrial (Mínimo) R. Atmosérico (Máximo) R. Cósmico (MHz) Receptores 17

18 Especiicación de Sensibilidad Especiicación de la sensibilidad en potencia (P) Potencia disponible en la antena o generador equivalente. <S> Densidad de potencia de la onda incidentes sobre la antena. Pmín ( µ W) ó 1log(P mín (mw)) (dbm) < S > mín (µµwm ) ó 1log( < S > mín (mw/ m )) (dbm/ m ) Relación entre ambas: P mín A eq =Supericie equivalente o eectiva de recepción * (se supone adaptación perecta de polarización) =<S> mín A eq 35 Sensibilidad en potencia Es típica de recuencias altas (>1MHz) La impedancia de entrada a los receptores está adaptada a la impedancia de la antena Las pérdidas por desadaptación son bajas. El ruido más importante del sistema es el debido al receptor. Z ent =Z a * Receptor 36 Receptores 18

19 Especiicación de Sensibilidad G/T : Ganancia sobre ruido Es una orma de especiicar la sensibilidad como lujo de potencia en la antena G a es la ganancia de la antenata, Ga, Aeq T es la temperatura de ruido equivalente del sistema a la entrada del receptor o salida Pn de la antena RX 4πA = eq G a = 2 T T a + T e λ Pmin g r, Te (S/N) DEM 37 Especiicación de Sensibilidad Para una relación S/N dada en el demodulador. Para una banda B de recepción Para una longitud de onda λ S A S N Pmin gr = P g n r Pmin = = kbt G 4πkB ( / T ) = = ( S ) a G 2 T λ N min kbt 1 S eq min Ta, Ga, Aeq Pn Pmin La relación G/T es inversamente proporcional a la sensibilidad en lujo de potencia <S> RX gr, Te (S/N) DEM 38 Receptores 19

20 Margen dinámico Se denomina margen dinámico a la relación entre la potencia máxima y la potencia mínima de entrada al receptor. MD RX MD RX Pi = P, max i, min ( mw ) ( mw ) ( db) = P ( dbm) P ( dbm) i, max i, min La potencia mínima está deinida por la sensibilidad La potencia máxima está limitada por distorsión, saturación o máximo nivel especiicado en el demodulador. 39 Elementos de distorsión. DEM P max Deinida por la distorsión. - Intermodulación en RF - Saturación y distorsión en FI - Distorsión en el demodulador P min Deinida por la sensibilidad. - Nivel de señal en el demodulador - Relación señal ruido en el demodulador 4 Receptores 2

21 Control automático de ganancia. CAG DEM Det CAG Reduce la ganancia de los ampliicadores al aumentar la potencia media detectada. Mantiene la linealidad del sistema a corto plazo. 41 Variación de ganancia con el nivel de señal RF FI PUNTO DE MEDIDA GANANCIA MÁXIMA P mín MD DETECTOR DETECTOR P máx CAG Pi mín Pi máx (dbm) MARGEN DINÁMICO ENTRADA GANANCIA MÍNIMA AMPLIFICADOR FI MEZCLADOR AMPLIFICADOR RF La ganancia inicia su reducción en las etapas inales de FI, donde más potencia existe. Dependiendo del margen de ganancia a reducir, se incluye un control en la etapas de FI e incluso en las de RF. Los niveles de potencia en cada punto no deben superar los niveles obtenidos para saturación o intermodulación. 42 Receptores 21

22 Ganancia y potencia de salida en unción de la potencia de entrada P G máx P o máx P o mín MARGEN DINÁMICO DETECTOR GANANCIA G mín MARGEN DINÁ MICO DEL RECEPTOR P i P i mín P i máx G (db)= Po, min(dbm)- Pi min(dbm) G ( db) = P ( dbm) P ( dbm) max, min o, max i, min G = MD RX MD det ector 43 Circuitos de control de ganancia Control de ganancia por polarización de ampliicadores. 44 Receptores 22

23 Circuitos de control de ganancia Control de ganancia por polarización de ampliicadores. 45 Circuitos de control de ganancia Control de ganancia por polarización de ampliicadores. 46 Receptores 23

24 Circuitos de control de ganancia Atenuador de diodos PIN controlado por tensión 47 Filtros de CAG En general deben eliminar la portadora y modulación y obtener un valor medio de la señal. Tiempo de integración T>1/ m(mín) En modulaciones angulares no hay variaciones de potencia con la modulación. En AM las variaciones de potencia pueden ser importantes y conviene que los tiempos de integración sean altos. Muchas veces se intenta obtener una indicación del valor de portadora independiente de la modulación En DBL y BLU existen nulos de potencia en los silencios de modulación, lo que puede activar la ganancia eliminando todo control y produciendo eectos de altos niveles iniciales de señal. En estos casos se trabaja con dos tiempos de iltrado. Tiempo de activación rápido, que ajusta de orma rápida el nivel de ganancia cuando se inicia la modulación ( aparece señal) Tiempo de desactivación lento, que mantiene el control de ganancia un tiempo largo cuando se ha producido un silencio ( no hay señal de entrada) 48 Receptores 24

25 Preguntas de Test P 12.1 La degradación de la relación señal-ruido en un receptor es igual a su igura de ruido: a) Siempre b) Solo si la antena tiene una temperatura de antena nula. c) Solo si la antena tiene una temperatura de antena igual a 29K. d) Solo si o la temperatura de ruido equivalente del receptor es 29K. P 12.2 Cuando eliminamos el iltro de RF en un receptor superheterodino, aumenta el ruido porque: a) Se multiplica por dos la contribución del ruido de antena. b) Se multiplica por dos la contribución al ruido de la antena y el ampliicador de RF. c) Se multiplica por dos el ruido de la antena, el ampliicador de RF y el conversor. d) Se multiplican por dos todas las contribuciones de ruido del receptor. 49 Preguntas de Test P 12.3 El margen dinámico de un receptor en db se obtiene como la dierencia en dbm de: a) La potencia máxima de entrada y la ganancia del receptor. b) La potencia mínima de entrada y la potencia de ruido equivalente. c) La máxima potencia de entrada y la potencia máxima en el detector.. d) La máxima potencia de entrada y la mínima potencia de entrada. P 12.4 Que se entiende por bloqueo de un receptor? a) La pérdida de sintonía por derivas de la recuencia del oscilador local. b) La pérdida de ganancia por saturación debida a intererencias. c) La modulación de señales por una intererencia de muy alto nivel. d) La reducción de ganancia que permite aumentar el margen dinámico. 5 Receptores 25

26 Preguntas de Test P 12.5 La sensibilidad de un receptor depende sobre todo de: a) La potencia de ruido en la banda de entrada al sistema. b) La ganancia de los ampliicadores de RF. c) La ganancia de los ampliicadores de FI. d) La sensibilidad del demodulador. P 12.6 La banda imagen en un receptor superheterodino es: a) La banda de recuencias que se genera por mezcla de la FI y el OL. b) La recuencia de señales generadas en el mezclador que deben iltrarse en RF. c) Una banda de recuencias que mezclada con el OL produce la FI. d) Las recuencias de señales producidas por la mezcla de 2 OL - RF. 51 Preguntas de Test P 12.7 Que se entiende por penetración a la recuencia intermedia en un receptor superheterodino? a) Es la relación entre la potencia de una señal intererente en FI que satura el receptor y la potencia máxima de señal. b) Es la relación entre la potencia generada en la recuencia intermedia a la entrada del detector y la potencia mínima de señal en antena. c) Es la relación de las potencias de entrada en la recuencia de FI y en la de RF que dan la misma potencia en el detector. d) Es la relación entre la potencia de una señal intererente en FI que satura el receptor y la potencia mínima de señal a la entrada. P 12.8 Una misión del ampliicador de RF en un receptor superheterodino es. a) Mejorar la igura de ruido del receptor. b) Permitir una mejor adaptación entre la antena y el conversor de recuencia. c) Evitar que se sature el ampliicador de FI por exceso de ganancia. d) Eliminar la banda imagen. 52 Receptores 26

27 Preguntas de Test P 12.9 En un receptor superheterodino, la banda imagen es una banda a) De señales que mezcladas con el Oscilador Local generan señales en la banda de FI. b) De señales producidas por la intermodulación de tercer orden del ampliicador de RF. c) De señales que se generan por la mezcla del Oscilador Local con la FI. d) Espuria que se elimina con mezcladores doblemente equilibrados. P 12.1 El control automático de ganancia aumenta el margen dinámico de un receptor porque... a) Aumenta la ganancia de los ampliicadores al aumentar la potencia de entrada. b) Disminuye la ganancia de los ampliicadores al aumentar la potencia de entrada. c) Disminuye la ganancia de los ampliicadores para señales uera de la banda de interés d) Aumenta la ganancia de los ampliicadores al aumentar el ruido de 53 entrada. Ejercicio 12.3 El receptor del sistema para comunicaciones con el satélite UPM/LB SAT, que unciona a 4 Mhz, responde al siguiente esquema: T a =T T a =T G=2 db F=3 db RF RF COMBINADOR L 1 =3dB L 2 =3.5dB RF G=15 db F=5 db L=6.5 db F=6.5 db K= W/K/Hz T =29 K FI G=4 db F=7.5 db Detector Sabiendo que el ruido procedente de las dos antenas se suma en potencia a la salida del combinador, mientras que la señal procedente de las dos antenas se suma en tensión, se pide: 54 Receptores 27

28 Ejercicio 12.3 a) Elegir razonadamente un valor para la recuencia intermedia sabiendo que el ancho de banda de la señal recibida es de 2 khz. Compruebe que es suiciente con emplear una única FI en el RX. b) Elegir razonadamente un valor para el ancho de banda del iltro de RF. c) Calcular la potencia de ruido a la entrada del detector. Considere que los ampliicadores de antena son idénticos y que el combinador se comporta como un atenuador a temperatura T, independiente para cada rama. d) Calcule la sensibilidad (nivel de señal en bornes de cada antena), para que la relación S/N a la entrada del detector sea mayor o igual que 15 db. 55 Ejercicio 12.4 En la igura se presenta el receptor de un sistema de red de área local vía radio que trabaja en la banda de 2.46 a 2.54 GHz, con canalización de 8 MHz y modulación de espectro ensanchado. El sistema permite el uso simultáneo de hasta 1 canales. 1. Calcule la igura de ruido del receptor, suponiendo los iltros sin pérdidas, y determine la sensibilidad del receptor para conseguir que la relación (S/N) a la entrada del demodulador sea mejor que db. (4p) 2. Determine la potencia máxima a la salida del ampliicador de RF que produce un ruido de intermodulación tal que C/I 4 db. Obtenga la máxima potencia de entrada por cada canal en las condiciones anteriores, supuestos todos los canales de la misma potencia (3p) 3. Se desea un margen dinámico de entrada de 6 db. Cuál es el margen de control de ganancia? Cómo se reparte este control entre los ampliicadores 56 Receptores 28

29 Ejercicio 12.4 F=5 db G=3 db G=3 db T a =3K P 1dB = dbm PI3=1dBm F=1 db L=8 db F=8 db G=68 db DEM K= W/K/H z T =29 K B=1MHz FI=45 MHz B FI =8 MHz P sat = dbm 57 Ejercicio 12.5 El receptor de la igura trabaja en la banda de 6 MHz. Se trata de un receptor superheterodino con una única etapa de conversión a recuencia intermedia, cuyo valor es 1.7 MHz. 1. Se trata de un receptor con rechazo de la banda imagen?. Razone su respuesta 2. Calcule la relación S/N en los puntos A, B y C del receptor. 3. Calcule la sensibilidad del receptor para que la relación S/N en la entrada del detector supere los 15 db. 4. Calcule el margen dinámico del receptor. 58 Receptores 29

30 Ejercicio 12.5 T a =T L=2 db T ísica =T F=8 db L=8 db K= W/K/H z T =29 K Cable A B RF FI C F=3 db F=8 db G=15 db G=3 db B RF =2MHz B FI =15 khz P 1dB =1 dbm P 1dB =1 dbm Detector 59 Receptores 3