DETECCION ó DEMODULACION

Transcripción

1 DETECCION ó DEMODULACION Principios básicos : El proceso de separación de la señal moduladora ( información ) y la portadora, contenidas en la señal modulada se denomina demodulación ó detección. Este es llevado a cabo en una etapa llamada demoduladora ó detectora, presente en receptores de radio, TV o comunicaciones en general. Dicho proceso diferirá de acuerdo al metodo con el cual la portadora fue modulada : AM, FP, etc. Demoduladores de AM : En gral. se los conoce como detectores de envolvente y pueden emplear uno o más diodos, un transistor o constituir un CI ( pues adoptan montajes más elaborados ). Acción detectora : En un sistema de comunicaciones en AM, donde la onda de RF modulada a la entrada del detector posee valor medio cero para un ciclo de la onda moduladora de AF, el cambio promedio de la corriente en el mismo durante igual período es cero. Si la onda modulada de RF es rectificada, la mitad de la onda es eliminada, y el cambio promedio en la corriente para cada ciclo ya no será cero. Los cambios en la corriente serán similares a la señal de AF que modula la portadora de RF en el transmisor. Debido a que los dispositivos electromecánicos usados para producir sonidos audibles no pueden responder a las rápidas variaciones de la corriente de una señal de RF, es necesario remover la componente de RF (FI) para demodular la onda de AF. Es decir, si consideramos una tensión de RF de amplitud constante v = V. cos ωt aplicada a la entrada del detector, una corriente pulsante comenzará a fluir a través del diodo, con una amplitud de pico invariante en el tiempo. Figuras 2(a) y 2(b). El valor medio de esta última está representado en la figura por Idc. Luego, si se aplica una señal de RF modulada en la entrada del detector, aparece en el circuito una corriente pulsante id cuya amplitud pico varía en el tiempo exactamente como la envolvente de la tensión de entrada. Figs. 3 (a) y (b). La corriente media rectificada Idc en éste caso variará en el tiempo exactamente como la envolvente de la onda modulada, o sea, como la señal de AF superpuesta sobre la portadora de RF. Sus variaciones son idénticas en todo aspecto, excepto en su intensidad, a las variaciones de la corriente representadas por la envolvente.

2 Características de un detector : Si bien existe una variedad de dispositivos activos y circuitos que pueden ser usados como detectores, todos comparten ciertos factores que son los que determinan el tipo de detector a ser usado : Sensibilidad Capacidad de manejo de señal Fidelidad de reproducción a)detector a diodo : La mayoría de los receptores de AM utilizan detectores de envolvente a diodo que, mediante circuitos sencillos, reproducen con buena linealidad la envolvente de la onda de AM. Los detectores de éste tipo se usan tambien como detectores de video en receptores en TV y en ciertos tipos de voltímetros electrónicos que responden al valor pico de la onda en medición. La detección de la onda de AM involucra generalmente dos operaciones : 1) Rectificación de la onda modulada 2) Eliminación de la componente de RF de la onda modulada (FI) En la figura 4 se ilustra el circuito de un detector de amplitud de diodo tipo serie, ya que la carga RL y el diodo se conectan en serie. El principio de operación se puede explicar desde el punto de vista temporal o espectral. Análisis temporal del principio de operación : Supóngase que en la entrada del detector está presente una señal armónica, la cual tiene una amplitud que varía lentamente, como se muestra en la figura 5 (línea punteada) vi = Vi cos (ωp.t ) Si se tiene el semiciclo positivo de vi entonces el diodo de la figura 4 conduce y el capacitor CL empieza a cargarse. La constante de tiempo de carga τc del capacitor CL está determinada por la capacitancia CL y la resistencia de conducción del diodo. Conforme se cargue CL el voltaje de salida Vd crece y tiende a abrir al diodo. De acuerdo con la Fig.4 se tiene: ed = vi - Vd Y en el tiempo t = t1: vi =Vd y por lo tanto ed = 0. A partir de t1 el diodo se abre (vi < Vd) y el condensador CL empieza a descargarse a través de RL. La constante de tiempo de descarga del condensador Td es: τd = RL.CL >> τc Por esta razón la descarga de CL es mucho más lenta que su carga. La descarga del condensador CL continúa hasta el tiempo t = t2. En este momento ed =0, a partir de tl el diodo D nuevamente conduce y el

3 condensador se empieza a cargar. Como resultado de la serie de cargas y descargas, en la salida del detector se genera el voltaje detectado Vd, el cual tiene una componente pulsante con frecuencia fp. Si se considera que id en los detectores prácticos es mucho mayor que el periodo de la portadora, la amplitud de los pulsos es pequeña. Análisis espectral de la operación del detector : En la figura 6 se muestra la característica de la corriente del diodo cuando la amplitud de la portadora en la entrada del detector es constante. El voltaje en el diodo es ed = vi - Vd La ecuación anterior implica que Vd en la salida del detector determina una polarización inversa del diodo, la cual se superpone a vi. La corriente a través del diodo id fluye cuando el diodo conduce y tiene la forma de pulsos senoidales con ángulo de corte θ < 90. Esta corriente contiene una componente directa Ido, la cual genera una caída de voltaje en el resistor RL. Vd = Ido. RL Las componentes de la corriente id con frecuencias fp, 2fp, 3fp,..., se van a tierra a través del capacitor CL. Si vi tiene modulación de amplitud, entonces Vd cambia de acuerdo a la envolvente del voltaje de entrada. En esta condición, el voltaje de polarización del diodo también cambia siguiendo la misma ley. Características del diodo detector: Las ventajas del detector a diodo son : Habilidad para manejar señales de entrada por encima de 1 V. Puede ser operado tanto como detector lineal que como de potencia Baja distorsión y por ende buena linealidad Adaptabilidad para aplicaciones con circuitos simples para control automático de ganancia La desventaja del detector a diodo es que cuando el diodo está conduciendo el circuito consume potencia y por lo tanto se reduce el Q del circuito resonante de salida de la etapa previa de FI asi como la ganacia y selectividad del detector. Circuito práctico : La elección de la cte. de tiempo τd es un compromiso entre mínimo ripple de FI a la salida del detector y la distorsión mínima en la señal de audio recuperada. Además, el valor escogido de RL determina la carga que presenta el detector al tanque de salida de la etapa de FI. Si el producto RL.CL es muy grande, Vd tiene solamente los máximos de la onda modulada, ya que CL no puede descargarse lo suficientemente rápido para seguir a vi y aparece una distorsión conocida como diagonal o recorte negativo : Si es muy pequeño, casi no se obtiene salida de audio. La cte. de tiempo τd debe ser mayor que el período de la portadora. Para obtener un mejor filtrado sin peligro del recorte diagonal, se usa el circuito de la figura 7 :

4 El circuito usa multifiltrado para prevenir que la señal de FI alcance la salida. La resistencia de carga del diodo está conformada por R1 y R2 ; La salida, sin embargo, es tomada solamente de R2. Los circuitos de filtro consisten en R1-C1 y R2-C2. El filtro adicional R2-C2, sin embargo, reduce la salida útil del circuito debido a la caída de tensión sobre R1. Las funciones de C3 son dos : 1) Acoplar la señal de salida a la resistencia de carga R3 2) Bloquear la componente de contínua de la señal de salida que se trnansmite a la etapa siguiente para evitar corrimientos indeseables del punto Q de la etapa de audio. Cuando una señal de AGC es requerida, puede ser provista agregando R4 y C4. La selección de R1, R2 y R3 es un compromiso entre la eficiencia de detección y el posible efecto de la no linealidad del diodo. Con una señal grande de entrada y una RL / rd grande para linealizar la curva v - i del diodo, puede lograrse una distorsión menor al 1 a 2 por ciento. En el estudio anterior el diodo se ha supuesto ideal. En la práctica, la relación de la resistencia de carga RL al valor promedio de la resistencia del diodo en polarización directa rd debe mantenerse del orden de 50 o más para lograr una alta eficiencia de detección ηd, la que se define como la relación del voltaje rectificado de salida Vod ( o valor máximo del voltaje de la señal de fb en la salida Vom ) al valor máximo Vim del voltaje modulado de entrada (o valor máximo de la componente de baja frecuencia o envolvente de la señal de entrada). Para RL >> rd tenemos: ηd = Vod / Vim El valor de ηd varía de 50 a 100 por ciento. La resistencia de entrada del circuito detector a diodo para RL > 50 rd, está dada por Rin = 0.5 RL b) Detector con transistor:

5 La figura 8 ilustra un detector transistorizado usado en la configuración emisor común. En éste circuito el último transformador de FI se acopla con el circuito B-E del transistor, el cual está polarizado aproximadamente al corte ( con señal de entrada cero ) por R1, R2 y Vcc. C2 es un capacitor de by-pass de señales de RF para R2, tal que la tensión de polarización establecida por R1, R2 y Vcc se mantenga en un valor fijo. La operación del circuito es estabilizada por el resistor R3 y por el capacitor de by-pass C3 que desacopla la AF y la RF de la corriente sobre R3 para prevenir degeneración. A veces, en lugar de C3 se ponen dos capacitores, uno para AF que evita que el detector falle en ese rango de frecuencias y tenga una Gc pobre y el otro para RF. El resistor R4 sirve como carga para la próxima etapa y C4 actua como by-pass de alguna señal de FI derivandola a tierra. También se puede usar para derivar la tensión de audio de alta frecuencia no deseada ( soplido o ruido heterodino muy agudo ) que perjudicaría la recepción de señales muy débiles. Con el transistor polarizado cerca ó en el corte, para señal de entrada cero, los semiciclos positivos de la señal modulada de FI ponen al al transistor en conducción en la porción lineal de la curva característica, y los semiciclos negativos de la señal de entrada lo llevan al corte ( no fluye corriente de base o de colector ). Así, la rectificación de la señal de entrada es efectuada en el circcuito base emisor. Pequeños cambios en la corriente de base producidos por las variaciones, en el semiciclo positivo, de la señal de RF de entrada provocan cambios proporcionalmente mucho mayores en la corriente entre C y E ; consecuentemente, una reproducción amplificada de la señal moduladora de AF aparece sobre el resistor de carga R4. El capacitor C5 elimina el nivel de referencia de corriente contínua y tambien bloquea la tensión contínua desde la etapa siguiente. La acción del circuito puede adicionalmente ser explicada analizando las curvas características del transistor. Estas indican que el corte ocurre cuando Vbe = 0.2 V, por lo tanto, la polarización fija provista por R1, R2 y Vcc debería ser de aproximadamente 0.2 V. Control Automático de Ganancia ( AGC ó CAG ) : El control automático de ganancia es necesario en receptores de AM y TV en virtud del amplio rango de señales que se encuentran en los terminales de antena, al sintonizar el receptor a diferentes canales. Para evitar sorecargas ( y distorsión excesiva ) en el mezclador, se requiere la reducción de la ganacia en la etapa de RF cuando se reciben señales fuertes. En las etapas de FI es deseable un CAG para evitar sobrecarga y mantener una entrada de señal razonablemente constante al detector, para obtener en éste una operación óptima y conservar constante la salida de audio. Como la buena operación del mezclador es función crítica del punto Q, no se aplica generalmente voltaje CAG a la etapa mezcladora. Además de su función de control de ganancia, el voltaje CAG se puede usar para activar un medidor de sintonía ó medidor S, un circuito silenciador y a otros dispositivos. Cuando el control de ganancia afecta en última instancia la salida de sonido de un radio-receptor u otro dispositivo reproductor de sonido, el termino Control Automático de volumen ( AVC ) es usado algunas veces en lugar de control automático de ganancia. El voltaje para CAG se puede obtener directamente del detector de envolvente a diodo. La siguiente figura ilustra básicamente de donde se extrae dicha tensión:

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