Electrónica de Comunicaciones

Transcripción

1 Elecrónica de Comunicaciones Capíulo Modulación n y demodulación de fase y frecuencia Índice Procesos de modulación n no lineal Modulación n de fase Modulación n con PLL Modulación n de frecuencia Modulación n con PLL Modulación PSK Modulación FSK Deecor FM de Cuadraura Demodulación FM con PLL Demodulación de fase con PLL Deecores digiales de fase y frecuencia

2 Modulación n no lineal Modulación n de fase [ Φ( ] Acos[ ω + ( )] v( Acos p φ φ( K v ( φmaxx( m m Modulación n de frecuencia v( AcosΦ( Acosω p+ φ( [ ] [ ] φ( πk f vm ( d π f max xm( d d φ( f ( f p+ f p+ K Fvm( f p+ fmaxx( π d 3 Modulación n no lineal con una función n coseno Modulación n de fase con x( )cos( cos(ω m [ ω + φ cos( ω )] v( Acos max f ( f + fmax cos( ω p p Modulación n de frecuencia con x( )cos( cos(ω m f max v( Acos ω p + sin( ωm fm m m f φ f ( max m φ sin max ( ω m f max f m 4

3 Modulación n de fase con función n de ransferencia variable Xal f p Φ v m ( v(acos[ω p + φ(] φ(k m v m ( K m consane de conversión del modulador de fase 5 Modulación n de frecuencia Xal f p v m ( f K F consane de conversión del modulador de frecuencia v(acos[ω p + φ(] φ( πk F vm( d d φ( f ( K Fvm( π d 6

4 Modulación n indireca de FM ( K B x( d v i v m Bx m ( Moduladora H(s)K i /s Modulador de fase Salida v( Circuio inegrador v Xal f p [ p m i d] ( Acosω + K K B x( 7 Modulación n de fase con PLL x m ( φ ( s) H( s) ( s) V M + φ ( s) r Kd DF + VCO v( K N K φe máx ( rad V) m / d φ N máx N H(s) ω m 8

5 Modulación n FM sobre un V.C.O. v(v DC +V m x m ( f K m v v m CHOQUE DE RF f(v) ELEMENTO ACTIVO DEL L C d SALIDA f OSCILADOR V DC v 9 Ejemplo. Oscilador conrolado por varacor f CC d π L C + C d + C C π L d C pf L CnF C d V c V +V M Kd 5 C 3. V 6 d df π L pf + C C d V K d dv

6 VCO conrolado por la ransconducancia de un FET X m ( CHOQUE V dd SALIDA DE RF C Elemeno R acivo del oscilador V in ( C R V dd V in ( V gs I p g m V gs X V I s D - j jω g R C ω C m eq Esabilización n de poradora con PLL X m ( DF VCO V FM ( H(s) H e (s) N f ( s) K H ( s) v ( s) H( s) f ( s) m e m + r ω m

7 Modulador BPSK por muliplicación. Poradora 3 4 Señal BPSK Señal digial 3 Codificación n diferencial OR-EX P( D(-T) D(-T) P( D( D( T Cada vez que aparece un cero hay un cambio de signo 4

8 Modulación n DBPSK Modulador equilibrado V(D(V p Cos(ω p 8 V p Cos(ω p D(± 5 Modulación n QPSK Demuliplexor P( R bi/seg MOD BPSK Señal en fase x( π/ Señal modulada QPSK Señal de enrada R bi/seg R bi/seg Q( MOD BPSK Señal en cuadraura 6

9 Esados en una modulación n DQPSK,,. 9., 8,,,.,.,, 7, 7 Modulación n FSK Moduladora V FM ( VCO 8

10 Modulación n FSK con divisores de frecuencia N V FM ( Conrol 9 Modulación n FSK con conmuadores PLL Nf V FM ( Mf PLL Moduladora

11 Problema 3: Febrero 7 Se quiere analizar un sisema ranscepor (ransmisor y recepor) de Blueooh para comunicaciones inalámbricas enre ordenadores poráiles. El sisema propueso esá basado en el circuio inegrado ML75LA de OKI Semiconducors, y su esquema de bloques es el siguiene: ML75LA DEMOD BB (RX) PLL Modulador FSK BB (TX) Problema 3: Febrero 7 El funcionamieno del disposiivo es el siguiene: el sisema iene una única anena y un único filro que funcionan ano en ransmisión como en recepción. El conmuador de salida del circuio ML75LA selecciona la rama de ransmisión o la de recepción. El recepor es superheerodino siendo el primer elemeno un amplificador de bajo nivel de ruido (LNA), al que le sigue un mezclador con rechazo de banda imagen (IRM). A coninuación esán el filro de frecuencia inermedia y el amplificador de ganancia variable. La señal de oscilador local de enrada al mezclador IRM la genera el propio PLL de la rama de ransmisión, acivando el conmuador de la rama de ransmisión. El ransmisor es homodino, y consa de un modulador FSK basado en un VCO esabilizado con un PLL sineizador de frecuencia, un amplificador de baja señal y un amplificador de poencia.

12 Prob. 3: Febrero 7. Diseño del PLL Los daos generales del sisema son: Banda de paso del filro de enrada:.4 a.5 GHz Frecuencias poradoras: 4 a 48 MHz con salos de MHz. Nóese que en ransmisión y en recepción se uiliza la misma banda de frecuencia. Frecuencia inermedia: MHz El sisema de especro ensanchado funciona en modo salo de frecuencia con una velocidad de salo de 6 salos/sg El sineizador debe generar las frecuencias para ransmisión y recepción. En ransmisión genera las señales poradoras, que luego son moduladas en frecuencia a ravés del VCO, mienras que en recepción genera las señales de oscilador local de enrada al mezclador (oscilador local inferior) 3 Prob. 3: Febrero 7. Diseño del PLL. Si se dispone de un oscilador a crisal de 6 MHz, dibuje un esquema del PLL sineizador, basado en un divisor de doble módulo con P3, un filro lead lag acivo y un deecor de fase frecuencia, y diga qué frecuencias debe sineizar ano para ransmisión como para recepción. (p). Calcule la frecuencia de referencia y los valores de los disinos divisores fijos y programables del esquema. (p) 3. Sabiendo que el salo se ha producido cuando el error de frecuencia es menor de ±75 khz, calcule el valor de ωn para ξ.7 para que un salo enre dos frecuencias consecuivas se produzca en un iempo de 5 µsg. (p) 4

13 Prob. 3: Febrero 7. Diseño del PLL.5 f.o ( ) f r.5 ξ. 77 φ o ( ) ω.4 ξω n ξ ξ ω n ξω n Error de frecuencia para un salo de frecuencia Error de fase para un salo de frecuencia 5 Prob. 3: Febrero 7. Diseño del PLL 4. Modifique el esquema del sineizador de frecuencia para que funcione como modulador FSK. Qué señal moduladora hay que inroducir, y en qué puno se inroduce? Cuando rabaja en recepción, qué señal hay que inroducir en la puera anerior? (p) 5. Si la señal moduladora ocupa una banda de 5 khz a 7 khz, evalúe si ese circuio funciona de manera correca como modulador FM. Si la desviación de frecuencia en el modulador es de ±75 khz, calcule el error de fase máximo que se produce cuando el modulador pasa de ransmiir un a ransmiir un y valore si el modulador funciona correcamene. (3p) 6

14 Esquema general de un deecor de FM por conversión n FM-AM v ( V ou V in V f Ax m ( RF/FI Limiador Discriminador de ampliud Conversor FM-AM ( + mn( ) cos ω + π f x ( d v( A p máx m Deecor de AM X m ( Señal de modulación normalizada n( Ruido de ampliud normalizado 7 Deecor de cuadraura K pv( Bv( A K pb cos ω p+ π f máx xm ( d cos ω p( ) + π f máx xm( d A K pb vs ( cos ω p máx v( ( ) + π f x ( m d Si: <</f m Si: ω p π/ v s ( π/ v ( A K Bπ f x( s p máx 8

15 Reardo de grupo y función n de ransferencia de fase. v en ( H(ω) v sal ( Fase de la función de ransferencia φ arg [ H( ω) ] Arg[H(ω)] Tiempo de reardo de grupo dφ dω d arg dω [ H( ω) ] π/ f f 9 Circuios desfasadores L s (grande) C s (pequeño) V L C R V V L C R V a) b) ω p Qω + pcr C L Ls ω p L + ( C C ) s Q R L ω p π φ π φ Q πf p QB D 3 f FM p 3

16 Deecor por línea l de reardo v( L v Arg[H(ω)] DIVISOR DE POTENCIA L π/ ωl φ ω v v s ( Para L(n+)λ/4 n+ T 4 π φ ± π/ f p f 3 Deecor de FM con una red enganchada en fase. v f K max ( s) H( s) x( s) v ( f FM /K v ) x m ( f r (f p + f FM x m ( DETECTOR DE FASE V.C.O. f ( H(ω) Banda de FM 3

17 Deecor de fase con PLL v ( s) K H ( s) x( s) d φmax e ( φk d ) x m ( φ r (ω p + φx m ( DETECTOR DE FASE V.C.O. φ (ω p H(ω) Banda de PM 33 Deecor de FSK V V - V V f p f V f Recuperación de reloj f Enrada de FI F Reloj F Comparador de nivel y recuperador de información Banda base 34

18 Deecor coherene de FSK f r (f p + f max p( f p + f max Deecor de nivel p( f p - f max Sínesis de Frecuencia Recuperación de reloj 35 Decodificación n BPSK diferencial T D( D(-T) p(d(*d(-t) D( D(-T) p( 36

19 Demodulador para BPSK Diferencial p(± Comparador p(cos(ω p p(*p(- ) Banda base DF, π/ p(- )sin(ω p 37 Bucle de Cosas para deección n de BPSK p(sen(ω p +φ i ) D E A p(cos(φ i- φ ) v 8 G p ( sin i ( ( φ φ )) sen(ω p +φ ) º/9º cos(ω p +φ ) B sen[(φ i- φ )] G F V.C.O. C p(sen(φ i- φ ) v -π/4 π/4 φ 38

20 Bucle de Cosas para deección n de BPSK discreizado D p(cos(φ i- φ ) E + - Signo[p(cos(φ i- φ )] p(sen(ω p +φ i ) A sen(ω p +φ ) º/9º V.C.O. G Signo[sen[(φ i- φ )]] F cos(ω p +φ ) B C + - Signo[p(sen(φ i- φ )] p(sen(φ i- φ ) 39 Forma de las señales en el bucle de Cosas f f f p θ e V + V c V - 4

21 Bucle de Cosas para deección n de QPSK discreizado D E + - p( F p(sen(ω p +φ i )+ q(cos(ω p +φ i ) A sen(ω p +φ ) º/9º V.C.O. +/- cos(ω p +φ ) B C + G - q( 4 Ejercicio.5 El esquema de la figura represena demodulador de BPSK mediane un bucle de cosas. La señal de enrada corresponde a una poradora de 8 MHz modulada en BPSK con P(±, y una velocidad de ransmisión de 4. Mb/s. El VCO es un oscilador LC con varacor que puede oscilar enre 7 y 9 MHz con ensiones de conrol enre y 5 V. V R K K º º 9º Filro V Filro V.C.O. Filro F(s) K V R(A P( Sen(ω p+θ r) V (B Sen(ω p+θ ) Ecuaciones de inerés. cos( x)cos( y) sen( x)sen( y) sen( x)cos( y) τ ξ ω n ( cos( x+ y) + cos( x y) ) ( cos( x+ y) + cos( x y) ) ( sen( x+ y) + sen( x y) ) πk K v τ ωd n 4

22 Ejercicio.5. Cuál debe ser la frecuencia de core de los filros paso bajo que siguen al primer conversor en ambas ramas (filro)? Describa la forma que oma la ensión de salida en el iempo para cada una de las ramas. (punos y ). Suponga muliplicadores ideales (consane de muliplicación igual a la unidad y ensiones de enrada ABv). El conjuno de los dos mezcladores y el muliplicador forman un deecor de fase cuya ensión de salida es proporcional a la diferencia de fase enre la poradora de enrada y la señal del VCO. Deermine esa consane del deecor. Suponga que el error de fase es pequeño. 3. El filro que sigue al segundo conversor (filro) es el filro de lazo del PLL que permie enganchar en fase el demodulador. Si se uiliza un filro lead-lag acivo, deermine las consanes del filro para conseguir una pulsación propia de 6. 4 rad/s y una consane de amoriguamieno de ξ Indique el puno de salida de la ensión deecada. 43 Problema 3: Febrero 7 Se quiere analizar un sisema ranscepor (ransmisor y recepor) de Blueooh para comunicaciones inalámbricas enre ordenadores poráiles. El sisema propueso esá basado en el circuio inegrado ML75LA de OKI Semiconducors, y su esquema de bloques es el siguiene: ML75LA DEMOD BB (RX) PLL Modulador FSK BB (TX) 44

23 Problema 3: Febrero 7 El funcionamieno del disposiivo es el siguiene: el sisema iene una única anena y un único filro que funcionan ano en ransmisión como en recepción. El conmuador de salida del circuio ML75LA selecciona la rama de ransmisión o la de recepción. El recepor es superheerodino siendo el primer elemeno un amplificador de bajo nivel de ruido (LNA), al que le sigue un mezclador con rechazo de banda imagen (IRM). A coninuación esán el filro de frecuencia inermedia y el amplificador de ganancia variable. La señal de oscilador local de enrada al mezclador IRM la genera el propio PLL de la rama de ransmisión, acivando el conmuador de la rama de ransmisión. El ransmisor es homodino, y consa de un modulador FSK basado en un VCO esabilizado con un PLL sineizador de frecuencia, un amplificador de baja señal y un amplificador de poencia. 45 Prob. 3: Febrero 7. Diseño del Demodulador Los daos generales del sisema son: Banda de paso del filro de enrada:.4 a.5 GHz Frecuencias poradoras: 4 a 48 MHz con salos de MHz. Nóese que en ransmisión y en recepción se uiliza la misma banda de frecuencia. Frecuencia inermedia: MHz El sisema de especro ensanchado funciona en modo salo de frecuencia con una velocidad de salo de 6 salos/sg El demodulador esá basado en un demodulador analógico de FM con PLL. Teniendo cuena que la señal en banda base ocupa desde 5 khz hasa 7 khz y que la desviación de frecuencia es de ±75 khz, se pide que: 46

24 Prob. 3: Febrero 7. Diseño del Demodulador. Dibuje un esquema del PLL correspondiene indicando el puno de salida de la señal demodulada. (3p). Razone unos valores para la consane de amoriguamieno,, y la pulsación propia,, del bucle para una correca demodulación. (3p) 3. Calcule el error de fase cuando la poradora esá modulada con una señal de 7 khz y una desviación de ±75 khz. Indique si el resulado es olerable u obligaría a omar algún ipo precaución o rediseño del demodulador. (4p) 47 Pregunas de Tes P. Se uiliza la modulación digial de fase binaria (BPSK) en forma diferencial porque... a) Permie una reducción en el ancho de banda de ransmisión. b) Las fases de y 8º no se pueden disinguir de forma absolua en el deecor. c) Evia la aparición de salos bruscos de fase que desenganchan el deecor. d) Permie uilizar deecores más sencillos. P.3 Un VCO modulador de frecuencia debe engancharse a una señal de referencia con un PLL porque: a) La modulación de frecuencia se inyeca con la señal de referencia b) Es necesario dividir la frecuencia para que la fase de salida varíe poco. c) La esabilidad en frecuencia del VCO es mala. d) Se filra mejor la señal de modulación. 48

25 Pregunas de Tes P.4 La banda de la función de ransferencia de un PLL modulador de FM debe ser: a) Mayor que la máxima frecuencia de modulación. b) Menor que la mínima frecuencia de modulación. c) Mayor que la mínima frecuencia de modulación. d) Menor que la máxima frecuencia de modulación. P.5 Un modulador de FM mediane un PLL inyeca la señal moduladora en: a) La enrada al deecor de fase en la rama realimenada. b) La enrada del deecor de fase en la rama principal. c) La enrada del VCO. d) La salida del divisor de frecuencia que sigue al VCO. P.6 La principal venaja de un circuio PLL como modulador de FM frene a un oscilador de frecuencia variable (VCO) simple, es: a) Que el circuio PLL posee mayor ganancia de conversión en el proceso de modulación. b) Que se consigue una mejor linealidad con grandes desviaciones de frecuencia. c) Que la poencia de salida puede ser mucho más ala sin necesidad de amplificar. d) Que la esabilidad de la poradora a largo plazo puede ser mucho mejor. 49 Pregunas de Tes P.7 Un demodulador de FM mediane un PLL obiene la ensión proporcional a la frecuencia en: a) La enrada al deecor de fase en la rama realimenada. b) La enrada del deecor de fase en la rama principal. c) A la enrada de conrol del VCO. d) A la salida del divisor de frecuencia que sigue al VCO. P.8 El bucle de cosas para BPSK es un circuio enganchado en fase (PLL) que a) Recupera la poradora generando el segundo armónico de la señal de enrada b) Deeca el error de fase por mezcla de las componenes en cuadraura. c) No necesia uilizar códigos diferenciales. d) Sólo funciona para señales de banda laeral única. 5

26 Pregunas de Tes P.9 El deecor de FM de cuadraura por línea de reardo incluye una línea de longiud igual : a) Una longiud de onda b) Media longiud de onda c) Un cuaro de longiud de onda d) Un ocavo de longiud de onda. P. La desviación máxima de frecuencia en un deecor de FM con un PLL esá limiada por: a) La banda del filro paso bajo del lazo del PLL. b) La banda de la función de ransferencia en frecuencia del PLL. c) La máxima variación de frecuencia que admia el VCO. d) El facor de calidad del circuio resonane del VCO. 5