CONGRESO NACIONAL DE INSTRUMENTACION TRANSMISOR INALÁMBRICO DE AUDIO Y VIDEO

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1 TRANSMISOR INALÁMBRICO DE AUDIO Y VIDEO F. J. Rivera López, E. Tepichín Rodríguez, C. G. Treviño Palacios Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, Apdo. Postal 5 y 26, Pue RESUMEN Se presenta el diseño y construcción de un transmisor inalámbrico de audio y video para los canales 2 y 6 de televisión comercial. Este transmisor es usado para evaluar un sistema de telecomunicación óptico de multiplexaje por división de longitud de onda. ABSTRAC The design and construction of a wireless audio and video transmitter for channels 2 and 6 of commercial television is shown. This transmitter is applied to evaluate an optical WDM telecommunication systems. INTRODUCCIÓN Estamos interesados en diseñar un sistema de comunicación que transmita una señal optica multiplexada o WDM (del acrónimo en ingles Wavelenght Division Multiplexing) teniendo como objetivo distribuir diferentes longitudes de onda a altas velocidades y a diferentes destinos utilizando pantallas de cristal líquido como rejillas dinámicas. Como primera etapa se diseñó y construyó un transmisor de audio y video que es usado para evaluar el sistema de comunicación. El sistema propuesto tiene la ventaja de poder controlar las variables que lo constituyen, lo que tiene mayor versatilidad que las señales entregadas por sistemas comerciales, como son las videograbadoras. En nuestro diseño se ha incluido una antena para transmitir de forma inalámbrica las señales de audio y video lo que permite ampliar el área de aplicaciones. El sistema consta de cinco módulos. El primero de ellos es un transmisor de frecuencia modulada (FM), constituido por un circuito limitador, un filtro pasa bajas, un circuito de pre-énfasis y un circuito modulador de frecuencia. El segundo módulo es para el tratamiento de la señal de video y está constituido por el circuito de acoplamiento y el acondicionamiento en amplitud de la misma. El tercer módulo sirve para el multiplexaje de las señales y se encarga de sumar la señal portadora de FM y la señal de video en banda base. El cuarto módulo contiene los osciladores de radiofrecuencia. Finalmente, el quinto módulo es un transmisor de amplitud modulada (AM) donde se trata la construcción del modulador y su transmisión inalámbrica. Los módulos mencionados anteriormente interactúan de la siguiente manera: el módulo transmisor de FM y el módulo de tratamiento de la señal de video entregan una señal portadora de 4.5 MHz modulada en frecuencia y una señal de video compuesta al módulo de multiplexaje donde son sumadas. La señal multiplexada se aplica al transmisor de AM, y finalmente, se irradia la señal de RF con la información de audio y video por la antena. Para lograr nuestro objetivo, en la sección 2 se muestra el diseño y caracterización del modulador de frecuencia. En la sección 3 se muestra como realizar un acoplamiento y un amplificador variable de la señal de video compuesta. En la sección 4 se muestra como realizar la suma y bifurcación de las señales sumadas. En la sección 5 se muestra como configurar dos circuitos osciladores de RF trabajando en el tercer armónico del cristal usado. En la sección 6 se muestra como configurar el modulador de AM y la antena para transmitir la señal. En la sección 7 se comentan los resultados. Y finalmente en la sección 8 se dan las conclusiones generales Dirección permanente: Universidad Tecnológica de la Mixteca, Apdo. Postal 7, Huajuapan de León, Oax

2 2 TRANSMISOR DE FM La parte principal de éste transmisor es el modulador de FM basado en el circuito integrado MC376 [] que es un circuito oscilador controlado por voltaje (VCO, por sus siglas en inglés). En la Fig. 2 se muestra la configuración del circuito del modulador completo. Los amplificadores operacionales CLC44 [2] se alimentan con ± 6V. Fig. 2 Configuración del modulador FM. Los siguientes datos son dados por el fabricante, para obtener la frecuencia de la portadora deseada, Z pin7 = 2.0 KΩ, C 2 =.0 nf, C C 4 =, () 5 C = C2 + C4. (2) Se realizan los cálculos para obtener la portadora de 4.5 MHz. A partir de la Ec. (3) se calcula el valor de C f c =, (3) 2π L C C =, (4) L ( 2πf ) c 2 2

3 donde, f c = frecuencia central o frecuencia de portadora, L = inductancia, C = capacitancia. Para f c = 4.5 MHz, L = 8.2 µh C = 52 pf C 2 = 68 pf y C 4 = 30 pf, C 3 es una capacitancia variable, su función principal es realizar pequeños ajustes a la capacitancia C 2. Su rango de valores está comprendido entre 20 y 60 pf. En la Fig. 3 se muestra la caracterización del VCO. Fig. 3 Caracterización del modulador VCO. De la Fig. 3 se obtiene la función de transferencia del VCO en su región lineal, f V ( )MHz = = 0.35 (3.2 2)V MHz V. (5) Este resultado determina el máximo valor de voltaje de entrada al modulador con.2 Vpp para trabajar en la región lineal con una desviación de frecuencia pico a pico de 350 KHz. Este valor es importante porque a partir de él se obtiene la sensibilidad del modulador, como se muestra en la Ec. (6), f MHz radmhz K = 2π = 2π[ rad] (6) V V V A la entrada del VCO debe aplicarse un voltaje máximo 400 mv pp para no tener desplazamientos mayores de 50 KHz [3], ésa es la función del circuito limitador, que después de pasar la señal de tono por el filtro pasabajas y por el circuito de pre-énfasis, el voltaje resultante no exceda los 400 mv pp. Una vez caracterizado el modulador de FM se aplica su señal de salida, junto con la señal de video compuesta en banda base, al circuito de multiplexaje. En la siguiente sección se muestra el tratamiento de la señal de video compuesta. 3

4 3 TRATAMIENTO DE LA SEÑAL DE VIDEO El módulo de tratamiento de la señal de video trata sobre el acoplamiento de la misma y su paso por un amplificador, para acondicionarla en amplitud y aplicarla posteriormente a el módulo de multiplexaje. En la Fig. 4 se muestra el diagrama. 4 MULTIPLEXAJE Fig. 4 Circuito de tratamiento de la señal de video compuesta. En la Fig. 5 se muestra el circuito que realiza la operación de multiplexaje por división de frecuencia y la bifurcación de la señal multiplexada para modular en amplitud a dos señales de RF. Antes de sumar las señales de información, se hacen pasar por un amplificador operacional CLC44 bajo la configuración seguidor para igualar las impedancias de entrada. Fig. 5 Diagrama del circuito multiplexor y bifurcador de la señal multiplexada. El circuito sumador tiene la siguiente función de salida, 4

5 = + R5 R2 R3 R R3 o V + V. (7) R4 R + R2 R3 R2 + R R3 V 2 Eligiendo R = R 2 = R 3 = KΩ y R 4 = R 5 /2 = 250 Ω, el voltaje de salida queda como Vo = V + V2, el resultado buscado, sumar dos señales. Ya se tienen las señales que modularán en amplitud a las señales portadoras de RF. En la siguiente sección se muestra como obtener las señales portadoras 5 OSCILADORES DE RF Para transmitir la señal de audio y video en los canales 2 y 6, es necesario tener una señal portadora estable en frecuencia, tal estabilidad la otorga un oscilador a cristal, sin embargo, no se pueden adquirir comercialmente cristales que oscilen a y MHz, frecuencias de transmisión del canal 2 y canal 6, respectivamente [4]. Tal problema se resolvió adquiriendo cristales de MHz, y MHz, el primero se usa como reloj en tarjetas para PC; el segundo se usa como cristal transmisor para el canal 35 de banda civil (CB, por sus siglas en inglés). Se les hizo oscilar en su tercer armónico adquiriendo las frecuencias de 55.3 MHz y MHz para transmitir en el canal 2 y canal 6 de TV, respectivamente. La configuración de los circuitos osciladores se muestran en la Fig. 6 [5]. Fig. 6 Circuitos osciladores trabajando en su tercer armónico a) a MHz b) a 55.3 MHz. El valor de 55.3 MHz es muy cercano a la frecuencia para transmitir en el canal 2 de TV, sin embargo, MHz es.85 MHz inferior a la frecuencia del canal 6 de TV. Los receptores de TV están diseñados con un circuito de control automático de frecuencia o también llamado de sintonía fina, éste nos permite que las señales transmitidas puedan ser reproducidas satisfactoriamente, a pesar de que la señal portadora no tenga el valor adecuado de frecuencia de transmisión. Se recomienda que cada oscilador tenga su propia fuente de voltaje. Hasta aquí se tienen las señales modulantes y las señales portadoras, por tanto, hace falta la construcción del modulador en amplitud, tema que se trata en la siguiente sección. 5

6 6 MODULADOR DE AM PARA RF Para cada canal se debe construir un modulador de AM de bajo nivel [6], se polariza el circuito como si fuera un amplificador de colector común en dc, y el análisis de amplificación como si fuera un amplificador de emisor común en ac. L 2 se construye con 6 vueltas de alambre magneto calibre 22 con núcleo de aire y 0.5 cm de diámetro. En la Fig. 8 se muestra el diagrama del modulador. Fig. 8 Modulador de AM de bajo nivel. La antena usada es de las llamadas de conejo, se desarmó para obtener dos monopolos, sin embargo, su longitud física no es la adecuada para propagar las ondas de radiofrecuencia deseadas, por tanto, se usó una bobina variable L 3, con núcleo de ferrita, para hacer resonar al monopolo corto. El inductor variable con núcleo de ferrita se construyó con 60 vueltas de alambre magneto calibre 26 acomodadas en tres capas y un núcleo de ferrita de 0.5cm de diámetro para la señal de portadora de MHz; para 55.3 MHz la bobina se construyó con 35 vueltas de alambre magneto calibre 26 acomodadas en dos capas. Las ecuaciones usadas para hacer resonar a los monopolos cortos son [7], λ L( µ H) = Zo Cot( βh) y (8) 885 = Ho Ho Zo 60 ln ln, (9) a 2 λ 6

7 donde, L = Valor del inductor en microhenrios, λ = Longitud de onda de la señal portadora, Z o = 2π Impedancia característica de la antena, β = = Constante de onda, H = Altura eléctrica =.05 H o, λ H o = Altura física =.028m, a = Diámetro promedio del monopolo = 0.275cm. En la siguiente sección se muestran todos los módulos trabajando conjuntamente. 7 RESULTADOS En la Fig. 9 y 0 se muestran la transmisión inalámbrica de una señal de audio y video. En la TV de atrás de la Fig. 9 se observa la recepción de la señal en el canal 6, y en la TV cercana al transmisor la recepción de la señal por el canal 2. En la TV que reproduce la señal transmitida por el canal 2 se observa un fondo morado, esto se debe a que en la localidad donde se realizaron las pruebas de transmisión, existe una repetidora que transmite en el mismo canal, por tal razón existe una señal de interferencia que provoca este efecto, sin embargo, se puede recuperar y reproducir la señal de información del canal 2. Como la frecuencia para el canal 6 está libre, la TV puede reproducir satisfactoriamente la señal a pesar de que tiene más de MHz de desplazamiento respecto a la frecuencia portadora a la que se debe transmitir. En la Fig. 0 se transmite una señal de audio y video sólo para el canal 6. Fig. 8 Transmitiendo una señal de audio y video simultáneamente por el canal 2 y en el canal 6 7

8 8 CONCLUSIONES Fig. 9 Transmitiendo una señal de audio y video sólo por el canal 6 de TV. Se logró el diseño y construcción del transmisor inalámbrico de audio y video en formato NTSC. Este transmisor puede ajustarse para transmitir también en formato PAL. Para ello, sólo debe ajustarse la señal portadora de FM a 5.5 MHz y usar una señal de video en banda base del mismo formato. A la señal de salida del sistema transmisor se le puede tratar para acondicionarla y poderla transmitir por cable coaxial o por fibra óptica, de esta manera no se generarían señales de interferencia para usuarios de las señales comerciales. El siguiente paso será aplicar la señal de RF aun transmisor electro-óptico para modular las señales portadoras de luz del sistema WDM que se desea construir. AGRADECIMIENTOS Uno de los autores, (FJRL), agradece el apoyo otorgado por el Dr. Modesto Seara Vázquez, Rector de la Universidad Tecnológica de la Mixteca, para realizar una estancia en el INAOE. Este trabajo fue parcialmente apoyado por CONACyT a través del PY E. 8

9 9 REFERENCIAS [] W. Tomasi, Sistemas de comunicaciones electrónicas, (Ed. Prentice Hall, México), 257, (996). [2] National Semiconductor Corporation, Comlinear CLC44 Quad, Low-power Monolithic Op Amp, pp. -4, http\ [3] F. G. Stremler, Introducción a los sistemas de comunicación, (Ed. Addison-Wesley Iberoamericana, USA), 37, (990). [4] Idem [3] pp. 702, 703. [5] R. F. Graf, Circuitos osciladores, (Ed. Paraninfo, España), 63, (999). [6] Idem [] pp [7] A. García, Cálculo de antenas, (Ed. Alfaomega-marcombo, España), 49-53, (992). 9

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