Capítulo 11. Parámetros característicos y tipos de transmisores. Esquema básico funcional. Amplificador

Transcripción

1 Capítulo 11 Parámetros característicos y tipos de transmisores 1 Esquema básico funcional Fuente de de señal Modulador Amplificador Filtro paso banda Antena Sintetizador de de frecuencia Funciones Básicas Generación de la señal Síntesis de portadora Modulación Amplificación 2 Transmisores 1

2 Parámetros característicos de un transmisor Señal a transmitir o señal de banda base. Tipo y profundidad de modulación. Frecuencia de transmisión. Banda necesaria y Banda ocupada Emisiones no deseadas. Potencia de emisión. Rendimiento. Fidelidad. 3 Señal de banda base. Valor medio o componente continua x(t) Potencia media P b = x 2 (t) Valor eficaz x ef =P b 1/2 Nivel máximo o de pico de la señal x máx =1. Función de distribución estadística. F(x) Función de correlación. R(τ)= x(t)x(t-τ) Distribución espectral de potencia. S(f)=F[R(τ)] Banda ocupada por la señal en banda base. W Frecuencia máxima de la banda base f m 4 Transmisores 2

3 Tipo y profundidad de modulación Forma de mod. AM DBL BLU I-Q PM FM ASK (QAM) PSK FSK Forma en el tiempo ) = A[ 1 mx ( t) ] cos ( ω pt ) ) Ax ( t ) cos ( ω pt ) [ x ( t ) cos ( ω t ) ~ p x ( t ) sin ( ω pt )] [ x1 ( t ) cos ( ω pt ) ± x ( t ) sin ( ω pt )] = A cos ( ω t + φ x ( )) v( t + v( t = v ( t ) = A ± v ( t ) = A 2 v ( t ) t p máx t v ( t ) = A cos ω + pt 2π f máx x ( t ) dt v ( t ) = Ap ( t ) cos ω 0 t p ( t ) = 0,1 p ( t ) = { 1, + 1} ( ) { } ( ω t ) P ( ) = { 1, 1} v ( t ) = Ap ( t ) cos t + ( ω p t + 2π f p ( t ) dt ) v( t ) = A cos máx p Índice de mod. m φ f/f m 1 π/2 f/f b Banda ocupada 2f m 2f m f m 2f m 2f m ( φ+1) 2(f m + f) f b f b f b +2 f 5 Banda ocupada y emisiones espurias Banda Anchura de banda necesaria para asegurar la transmisión de la información. Anchura de banda ocupada que contiene un porcentaje dado de la potencia media total emitida. Radiación no esencial Radiación armónica o en frecuencias múltiplos enteros de la portadora. Radiación parásita no armónica. 6 Transmisores 3

4 Distribución espectral de potencia en AM 0dB dB/Dec 0dB dB/Dec Modelo de AM para audio -100 Bt 67dB/Dec 2Bt Límite de emisión AM 7 Distribución espectral de potencia de un transmisor. 8 Transmisores 4

5 Frecuencia de transmisión Portadora o característica Estabilidad a corto plazo Estabilidad a largo plazo Depende de la aplicación Medio Alcance En radio suele estar asignada y adjudicada 9 Bandas de frecuencia en comunicaciones. Nombre más común VLF LF Onda larga MF Onda Media HF Onda Corta VHF Métricas UHF Decimétricas SHF, Microondas Centimétricas Milimétricas Sub-milimétricas Infrarrojo lejano Infrarrojo Frecuencia Long. de onda 3-30kHz km kHz 1-10km 0.3-3MHz 100m-1km 3-30MHz m MHz 1-10m 300MHz-3GHz 10cm-1m 3-30GHz 1-10cm GHz 1-10mm 300GHz-3THz 0.1-1mm 3THz-300THz 1-100µm Alcance sobre la tierra Global km km km 10 4 Km(Ionosfera) km km km 10 5 km (Espacio) 10-30km 10 4 km (Espacio) <10km 10 4 km (Espacio) <10Km 10 4 km (Espacio) Tipo de señal y modulación Y aplicaciones Radiotelegrafía (ASK) Difusión global Radiodifusión de audio AM Telefonía naval Radiodifusión de audio AM Radiodifusión de audio AM, BLU por Ionosfera Radiodifusión. Audio FM y TV, Comunicación Punto a Punto Difusión TV, Radioenlaces fijos y por satélite. Telefonía móvil. Enlaces fijos y por satélite. Distribución TV por satélite. Radar. Sistemas Militares. Radiotelescopios Enlaces por satélite y entre satélites. Experimental. Investigación. Comunicaciones de banda ancha por fibra óptica y laser 10 Transmisores 5

6 Potencia de emisión Potencia de portadora. Valor medio de la potencia en ausencia de modulación. Potencia media. Es la obtenida al promediar la potencia entregada por el transmisor en un tiempo grande. Potencia en la cresta de la envolvente. Es la potencia media en un ciclo de radiofrecuencia para el valor máximo de la envolvente. PIRE ó EIRP (Potencia Isotrópica Radiada Equivalente). Es la densidad de potencia radiada en una dirección por unidad de ángulo sólido. EIRP(dBm) = Prad (dbm) + Dantena (dbi) = Ptx (dbm) + G antena (dbi) 11 Potencia en amplificadores de RF FRECUENCIA COMPONENTES DE ESTADO SOLIDO P. MEDIA P. DE PICO VÁLVULAS DE VACIO P. MEDIA P. DE PICO 3 MHz 1kW (Bipolar) 1000 kw (Triodo) 30 MHz 300 W(Bipolar) 500 kw(triodo) 300 MHz 100 W(Bipolar) 200kW(Triodo, TWT) 20MW 1 GHz 50 W (Bipolar) 300 W 30 kw(twt) 20MW 3 GHz 30 W(FET) 20 kw(twt) 10MW(Magnetrón) 10 GHz 10 W(FET) 10 kw (Klystron) 1 MW 30 GHz 1 W(FET) 2 kw (Klystron) 200 kw 100 GHz 300 mw(inpat) 100 W (Klystron) 10 kw 12 Transmisores 6

7 Rendimiento. P s =Potencia de señal P d =Potencia disipada P DC =Potencia suministrada en DC P s = ηp DC η = Pd 1 η CLASE Rendimiento P s /P d Linealidad A Muy buena B Buena C Muy mala D Muy mala E Muy mala 13 Fidelidad Distorsión Distorsión en el proceso de modulación. Distorsión en amplificador de potencia. Señales espurias dentro de la banda de señal. Mezcla de señales en transmisores con multiplexación de canales. Distorsión de tercer orden en amplificadores y conversores. 14 Transmisores 7

8 Transmisor homodino con modulación a bajo nivel MOD x(t) Genera la señal modulada en baja potencia sobre la portadora final. Amplifica de forma lineal (AM ) Amplifica de forma no lineal (FM ) Filtra armónicos y espurios de modulación. 15 Transmisor homodino con modulación a nivel alto MODULADOR x(t) Genera y amplifica la portadora. Genera y amplifica la señal de modulación. Modula en alto nivel en un modulador lineal de alto rendimiento. Filtra armónicos y espurios de modulación. 16 Transmisores 8

9 Transmisor Heterodino f 1 f 1 +f 2 MOD X(t) f 2 Genera la señal modulada en baja potencia sobre una frecuencia intermedia. Amplifica de forma lineal. Traslada la señal a la frecuencia de emisión en un conversor. Amplifica de forma lineal o no lineal hasta la potencia de emisión Filtra armónicos y espurios de modulación y conversión. 17 Control de ganancia en un transmisor X(t) MOD P 1 P2 C.A.G. Det. C.A.G. Det. Controla el nivel de la señal de modulación para mantener el índice de modulación adecuado. Controla posibles variaciones de la ganancia de la cadena amplificadora y de conversión para asegurar el punto de trabajo de los amplificadores de potencia y la potencia de emisión. 18 Transmisores 9

10 Preguntas de Test P 11.1 La Potencia Isótropa Radiada Equivalente (PIRE) se obtiene... a) Multiplicando la potencia entregada a la antena por la ganancia de la antena. b) Multiplicando la potencia entregada a la antena por la ganancia del amplificador de salida. c) Dividiendo la potencia entregada a la antena por la ganancia de la antena. d) Dividiendo la potencia entregada a la antena por la ganancia del amplificador de potencia. P 11.2 Una razón para introducir control automático de ganancia en un transmisor es: a) Asegurar que la potencia radiada no supera los límites legales permitidos. b) Asegurar que los amplificadores de potencia trabajan siempre en su punto óptimo. c) Evitar la aparición de arcos eléctricos en los circuitos de potencia de salida. d) Conseguir una potencia de pico lo más baja posible. 19 Preguntas de Test P 11.3 La Potencia Isótropa Radiada Equivalente (PIRE o EIRP) es una medida de: a) La potencia total que radia la antena del transmisor. b) La potencia que el transmisor entrega a la antena supuesta adaptación perfecta de impedancias. c) La potencia que radiaría una antena isótropa para generar la misma intensidad de radiación d) La densidad de potencia que produce una antena isótropa que se alimenta con la potencia del transmisor. P 11.4 Los ecos en un sistema de transmisión por radio generan una distorsión en la señal que a) Es una distorsión lineal y se puede compensar con un ecualizador adecuado. b) Es una distorsión no lineal que no puede compensarse. c) Sólo afecta a los sistemas digitales de alta velocidad. d) Supone una generación de armónicos a frecuencias múltiplos de la portadora. 20 Transmisores 10

11 Preguntas de Test P 11.5 En el diseño de las etapas de potencia de una transmisor con modulación de AM para transmisión de audio, la linealidad en la respuesta debe mantenerse hasta un nivel de potencia dado por: a) La potencia de portadora sin modulación. b) La potencia media para una modulación sinusoidal con m= 1. c) La potencia media con una modulación de audio típica.. d) La potencia de cresta de envolvente para una modulación de audio típica. P 11.6 Las bandas de frecuencia de microondas... a) Corresponden a frecuencias de 30 a 300 GHz. b) Se utilizan para difusión con alcance global c) Se utilizan para sistemas de reflexión ionosférica. d) Se pueden utilizar para comunicaciones por satélite. 21 Preguntas de Test P 11.7 Un transmisor homodino a) La portadora sobre la que se produce la modulación es de frecuencia diferente a la de emisión. b) Son la mayor parte de los transmisores profesionales. c) La modulación se realiza directamente sobre la portadora. d) Se utiliza sobre todo para modulaciones de FM. P 11.8 El control automático de ganancia a) Se utiliza únicamente en receptores. b) Asegura un nivel de señal, independiente de la fuente que genere la señal en cada caso. c) Se suele aplicar en las etapas de frecuencia intermedia. d) Ninguna de las respuestas anteriores es correcta. 22 Transmisores 11

12 Preguntas de Test P 11.9 La anchura de banda ocupada a) Es la anchura que precisa el sistema para asegurar la transmisión de información a la velocidad y con la calidad requerida en condiciones especificadas. b) Es la banda de frecuencias asignada al servicio en cuestión. c) Es la banda de frecuencias tal que fuera de dicha banda las potencias medias emitidas se encuentren por debajo de un porcentaje dado de la potencia total emitida. d) Ninguna respuesta es corecta. P Las potencias máximas de un amplificador de RF a) Son menores en los componentes de estado sólido que en las válvulas de vacío. b) Aumentan al aumentar la frecuencia. c) Son mayores en las válvulas de vacío, y a frecuencias altas. d) Ninguna respuesta es correcta. 23 Ejercicio 11.2 El esquema de un transmisor en 2.5 GHz con modulación en QPSK responde al diagrama de la figura, en el que se aprecia que la modulación se realiza en una frecuencia intermedia y se obtiene la frecuencia final en un conversor. Las especificaciones del transmisor se resumen en la lista siguiente : Potencia de transmisión P 0 =1w Potencia a la salida del modulador P m =0dBm Ancho de banda B=8MHz Frecuencia intermedia F i =400MHz Frecuencia portadora. Variable entre 2.46 y 2.50 GHz con saltos de 4MHz FI RF Osc. 0/90 + Modulador Sintetizador 0 dbm 30 dbm 24 Transmisores 12

13 Ejercicio Determine la frecuencia del sintetizador y la frecuencia central y ancho de banda de los filtros si consideramos que los dos son filtros fijos. Si el filtro de RF es de sintonía simple, Qué nivel de rechazo se obtiene para la banda no deseada a la salida del conversor?. (3p) 2. Se dispone de amplificadores integrados, filtros y de conversores con las siguientes especificaciones : Amplificador de FI de banda ancha (10 a 500MHz) Ganancia 10dB Punto de compresión a 1 db 20dBm Punto de intersección de 3 er orden 30dBm Conversor : Pérdidas 8dBm Punto de compresión a 1 db 20dBm Amplificador de RF (2.4 a 2.6GHz) Ganancia 15dB Punto de compresión a 1 db 35dBm Punto de intersección de 3 er orden 45dBm Filtros : Perdidas en el filtro de FI 5dB 25 Pérdidas en el filtro de RF 3dB Ejercicio 11.2 Dibuje un esquema del transmisor en el que se incluyan los diferentes amplificadores (puede usar tantos como sea necesario) y los niveles de potencia en cada uno, de forma que se asegure la potencia de salida. Cual de ellos limitará el punto de intersección de 3 er orden del conjunto, es decir, la peor relación P/I 3? Cual es el punto de intersección de 3 er orden del transmisor medido a su salida?. (4p) 3. La síntesis de frecuencia para el conversor se hace mediante un PLL que utiliza como referencia un oscilador a 20MHz. Dibuje un esquema de un sintetizador con divisores fijo y programable, teniendo en cuenta que los divisores programables no funcionan por encima de 60MHz. Proponga una solución con un mezclador dentro del PLL, que elimine la necesidad de utilizar divisores fijos. (3p) 26 Transmisores 13

14 Ejercicio 11.3 En la figura se muestra el esquema de bloques de un transmisor de AM con modulación a bajo nivel, en el que se distinguen el modulador, una conversión a la frecuencia de transmisión y el amplificador de potencia. La frecuencia de salida debe ser sintonizable entre 600 y 1200 KHz. La potencia media a la salida debe ser de 50w. La señal de banda base normalizada (x(t)) posee valor medio nulo y una potencia media x 2 (t) =0.2. El modulador DBL puede considerarse como un mezclador con pérdidas de 10dB en la conversión de banda base a cada una de las bandas laterales. f 0 Atenuador L (db) Banda Base Modulador DBL 50 W f 1 27 Ejercicio Determine la atenuación del atenuador para conseguir un nivel de modulación del 100% si la potencia media de señal a la entrada del modulador es de 15 dbm y la potencia a la salida del oscilador es de 10 mw. Cuál es la potencia a la salida del sumador? 2. Determine un valor adecuado del margen de frecuencia del oscilador (F1) si la modulación se realiza en 455 KHz. Cuál es la misión del filtro paso banda de salida? Puede definir un filtro fijo que cumpla la misión indicada?. Determine la banda de paso en el caso de que su contestación sea afirmativa. 3. Obtenga la ganancia total en el proceso de amplificación si el mezclador tiene unas pérdidas de 6 db y el filtro de 3 db. Qué tipo de amplificador de potencia pondría a la salida? Indique aproximadamente el rendimiento que espera y explique en qué se basa para dicha estimación. 28 Transmisores 14

15 Ejercicio 11.4 Se desea analizar la etapa de potencia de un transmisor, que responde al esquema de la figura, con las siguientes características: Banda : 350 a 446 MHz. (frecuencias extremas de la banda del servicio). Número de canales: 480 Modulación FM: B FM =180 khz. 0.01mW X1(t) MOD f1=25mhz fol1 C1 C2 C160 L=24 db BLOQUE 1 A1 A1 X480(t) MOD C161 C162 C320 C321 C322 C480 L=24 db L=24 db A1 A1 A1 A1 L=6 db A2 100 mw por canal f1=25mhz fol mW 29 Ejercicio 11.4 Se dispone de los siguientes elementos: Amplificadores A1: G=29 db P 1dB =36.5 dbm P I3 =48 dbm Amplificadores A2: G=ajustable entre 12 y 15 db P 1dB =48.5 dbm P I3 =61 dbm Filtro final: L=1 db 1. Calcule las frecuencias portadoras y los OL asociados a cada canal (suponga que los valores de OL son menores que los de portadora) (1p). 2. Indique las potencias en cada punto del bloque 1 así como la capacidad o no de los amplificadores para funcionar correctamente con los niveles de potencia calculados (2p) 3. Seleccione la ganancia del amplificador A2 para que se cumplan las especificaciones del transmisor, admitiendo variaciones de potencia de salida respecto a la nominal de ±1 db(2p) 4. Calcule el valor de C/I a la salida de los amplificadores A1 y A2, sin realizar la aproximación de número de canales elevado. (3p) 5. Estime un valor por exceso para la P I3 del transmisor (2p) 30 Transmisores 15