ELECTRONICA APLICADA 2012

Transcripción

1 Departamento de Electrónica ELECTRONICA APLICADA 2012 M O D U L A C I Ó N AM / FM Footprints on the sands of time are not made by sitting down. - unknown

2 El propósito de cualquier sistema de comunicación es la transmisión de información (voz, video, datos) desde una fuente hacia un receptor a través de un medio o canal. El canal para la transmisión pueden ser alambres como en la comuniación alambrada (líneas de telefono, cables de televisión) o el espacio libre (aire) como en las comuniaciones inalámbricas (radioo y TV comercial, telefonos celulares, otros) Las señales de radio son ondas electromagnéticas que son enviadas desde un transmisor a uno o más receptores. Todas las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz y pueden tener diferentes longitudes de onda y frecuencias. Las señales de radio ocupan ciertos rangos del espectro de frecuencias electromagnético.

3 Region Frequency Range (f) / Hz Wavelength Range (l) / m Sources Uses Sparks or alternating current Radio, television, mobile cause a radio antennae to phones, magnetic resonance oscillate the atoms within it imaging to the correct frequency Radio waves < 109 > 10-1 Microwaves Atoms or molecules are Cooking, long oscillated within klystron communication, and magnetron tubes terrain mapping distance radar, Infrared Heating and drying, night Oscillation of atoms or vision cameras, remote molecules due to the controls, satellite remote absorption of heat energy sensing Visible 7.5 x x x x 10-7 Oscillation due to heat What the typical eye and film energy or electron can see transitions within an atom Ultraviolet x 10-7 Electron transitions within an atom Photochemicals, photoelectric effects, hardening casts in medicine X-rays Electron transitions or braking Medicine, crystallography, astrophysics, remote sensing Gamma Rays > 1019 < Nuclear transitions Nuclear research, geophysics, mineral exploration.

4 El espectro de RF está comprendido entre las ondas de baja frequencia que podríamos oir si las ondas electromagnéticas fueran convertidas en ondas de presión de aire (20Hz a 20KHz) y las ondas EM de alta frecuencia que producen luz infraroja y visible.

5 Son ondas electromagnéticas con frecuencias comprendidas en el rango 535KHz 1605KHz. La AM se obtiene modulando la señal de audio original mediante el cambio de la amplitud de la señal portadora, la cual es demodulada en el receptor para recuperar la señal de audio original. A cada canal AM le es asignado un rango de frecuencias, típicamente de aproximadamente 10KHz de ancho. La estación usa aproximadamente solo 2.5KHz a cada lado del punto central debido a los problemas de interferencia que pueden aparecer. Por consiguiente, el ancho de banda de un canal AM es típicamente de 5KHz. El rango musical del oído humano es aproximadamente 20KHz y esa es la razón por la cual el sonido AM suena imperfecto.

6 Teóricamente, pueden existir ( )/10 = 107 estaciones de AM en un área. En la práctica, el número de estaciones es mucho más bajo. Las señales AM pueden ser reflejadas hacia la tierra por la ionosfera, de forma tal que las señales pueden alcanzar unintencionalmente lugares ubicados a miles de kilómetros. Las reflexiones desde la ionosfera se incrementan durante la noche. Las señales AM desde una estación poderosa en una ciudad pueden ser recibidas en otra ciudad, la cual puede estar en otro país. La transmisión AM comúnmente se encuentra sujeta a regulaciones tales como el uso de antenas direccionales o uso de una potencia reducida durante la noche o incluso la no transmisión en la noche.

7 La FM (frequency modulation) es uno de los tipos principales de transmisión. La modulación de frecuencia usualmente toma lugar en un rango de frecuencias que va de 88 a 108 MHz. En la FM la señal de audio original es utilizada para cambiar (modular) la frecuencia de la señal portadora. A cada canal FM le es asignado un rango de frecuencias, tipicamente de aproximadamente 200KHz de ancho y el punto medio del rango de operación del canal es utilizado con propositos de identificación. Pueden existir un maximo de 100 estaciones [(108-88)/0.2=100] El ancho de banda de la FM puede facilmente cubrir el rango musical del oido humano (aprox. 20KHz), y es por eso que el sonido de la FM es mucho mejor que la AM. A altas frecuencias, las señales FM pasan la ionosfera sin reflejarse, tanto durante el día como en la noche. En otras palabras, la FM opera por linea de vista lo cual limita el áea de cobertura. El área de cobertura depende de la altura de la antena de transmisión. En los limites del area de cobertura o cuando la señal es bloqueada por los edificios o montañas, la calidad de la FM es deteriorada.

8 Modulación es el proceso de variar alguna característica de una forma de ona periodica mediante una señal externa. Las frecuencias de la voz (aproximadamente Hz) están contenidas en el espectro de frecuencias de audio, 10 20,000Hz. La señal de audio es impresa en la portadora de RF ya que es impráctico transmitir frecuencias del rango audible debido a su excesiva longitud de onda. Se puede variar la amplitud, la frecuencia, la fase, etc., lo cual da lugar a diferentes tipos de modulación.

9 La modulación de amplitud es el proceso de combinar señales de audio y señales de radio frecuencia de tal forma que la amplitud de la señal de rf varía de acuerdo a la señal de audio.

10 La modulación de frecuencia en el cual la frecuencia de señal portadora varía de acuerdo a una señal externa. Una señal FM permanece constante en amplitud y cambia solamente en frecuencia.

11 La modulación FSK es considerada una forma de FM. Es un modo de transmisión digital comunmente utilizadas en aplicaciones de radio teletype. En un estado, la frecuencia de la portadora cambia en una determinada cantidad llamada mark. En el otro estado es llamado space

12 La modulación PSK es similar a la FSK excepto que la fase, no la frecuencia, es desplazada. La principal ventaja de la PSK es que la misma puede ser lograda en una etapa de amplificación.

13 La modulación de pulso es lograda variando las características de una serie de pulsos. Puede ser realizada variando la amplitud, la duración, la frecuencia o posición de los pulsos. La modulación de pulso es especialmente adecuada para sistemas de comunicación que incorporan multiplexación por division de tiempo.

14 El diagrama de bloques muestra como luce un transmisor AM simple. El micrófono convierte la frecuencia de audio de entrada a una señal eléctrica. El driver y modulador amplifican la señal de audio al nivel requerido para modular la portadora completamente. La señal es entonces aplicada al amplificador de potencia (pa). El amplificador de potencia combina la portadora de radio frecuencia y la señal moduladora para producir la señal AM para transmisión.

15 En la modulación de amplitud (AM), utilizamos la amplitud de una señal de audio para modular la amplitud de una señal portadora, lo que significa que la amplitud de la portadora será variada con la amplitud de la señal de audio.

16 Sea la señal de audio Am cos(2πfmt) y Sea la señal portadora Ac cos(2πfct) XAM(t) = [ADC + Am cos(2πfmt] Ac cos(2πfct) XAM(t) = ADC Ac [1 + m cos(2πfmt] cos(2πfct) m = Am/ADC, índice de modulación ADC : magnitud señal DC Am : amplitud señal de audio Ac : amplitud señal portadora fm : frecuencia señal de audio fc : frecuencia señal portadora

17 La ecuación puede reescribirse de la siguiente manera: XAM(t) = (1/2) ADC Ac m {cos[2π(fc + fm) t ] + cos[2π(fc f m) t ]} + ADC Ac cos(2πfc t) El primer término representa señales dobles de banda lateral; el segundo término representa la señal portadora. Dado que la señal de audio está escondida en las bandas laterales y que la señal portadora no contiene mensaje alguno, la potencia es consumida en la portadora durante la transmisión de una señal AM. Por esta razón, la eficiencia de la transmisión en AM es más baja que la modulación DSB-SC, pero su circuito de demodulación es mucho más simple.

18 ASIGNACIÓN

19 El índice de modulación es un parámetro importante en la ecuación. La definición es la siguiente: m Amplitud de la señal de audio x 100 % Am x 100% Magnitud de la señal DC ADC Generalmente, la magnitud de la señal DC no es fácil de medir, por consiguiente expresamos el índice de modulación en otra forma: m Emax Emin Emax Emin x 100% Donde Emax y Emin como se muestra en la figura son Emax = Ac + Am y Emin = Ac - Am

20 Sabemos que en la amplitud modulada, la señal de audio está escondida en la bandas laterales, de forma tal que si las bandas laterales se vuelven más fuertes, la eficiencia de la transmisión mejora. A partir de la ecuación, sabemos que las bandas laterales son proporcionales al índice de modulación. Es decir, entre mayor el índice de modulación, mejor la eficiencia de transmisión. Normalmente m 1. Si m es mayor que 1, tenemos lo que se llama sobre modulación.

21 El objetivo del demodulador de amplitud es capturar la envolvente de la señal modulada en amplitud. 1. Detector de diodo para AM (asíncrono) + +

22

23 El circuito es un detector asíncrono típico. Funciona de la siguiente forma: Rectifica la señal modulada AM y obtiene una señal positiva de media onda Después la señal es pasada a través de un LPF y se obtiene la envolvente Posteriormente se elimina la componente DC, la señal de audio es recuperada

24 2. Detector de producto para AM El demodulador de AM puede ser implementado utilizando un modulador balanceado. Este tipo de demodulador es llamado detector asíncrono o detector de producto. XAM(t) = ADC [1 + m cos(2πfmt] [Ac cos(2πfct)] Xc(t)= Ac cos(2πfct)

25 rep X out (t) kx c (t) X AM ( t) k A DC A c2 [1 mcos(2 f m t)]cos 2 (2 f c t) ka DC A c2 k A DC A c2 ka DC A c2 mcos(2 f m t) [1 mcos(2 f m t]cos[2(2 f c t)] k representa la ganancia del modulador balanceado. En la ecuación anterior: el primer término es la señal DC el segundo término es la señal de audio y el tercer término es el segundo armonico de la señal modulada AM. Si podemos extraer el segundo término de Xout(t) usando un filtro pasa bajos como se muestra en la figura, entonces podemos obtener la señal AM demodulada o señal de audio.

26 El circuito muestra un detector de producto implementado con el modulador balanceado MC VR1 controla la magnitud de entrada de la señal portadora 2. VR2 controla la magnitud de entrada de la señal AM 3. C7, C9 y R8 forman un filtro paso bajo para remover el tercer término (no deseado) 4. La componente DC, el primer término de la ecuación, puede ser bloqueada por C10

27

28 3. Receptor superheterodino AM En electrónica, un receptor superheterodino es un receptor de ondas de radio que utiliza un proceso de mezcla de frecuencias o heterodinación para convertir la señal recibida en una frecuencia intermedia fija, que puede ser más convenientemente elaborada (filtrada y amplificada) que la frecuencia de radio de la portadora original. Prácticamente todos los receptores modernos de radio y televisión utilizan el principio superheterodino.

29 En los receptores domésticos de AM (Amplitud Modulada), la frecuencia intermedia es de 455 o 470 KHz; en los receptores de frecuencia modulada (FM), generalmente es de 10,7 MHz. Los receptores superheterodinos mezclan o heterodinan una frecuencia generada en un oscilador local (Floc), contenido en el receptor, con la señal entrante en antena (Fant). De esta heterodinación resultan dos frecuencias: una superior (Fant + Floc) y otra inferior (Fant - Floc) a la frecuencia entrante. Una de ellas, normalmente la inferior, es elegida como FI (frecuencia intermedia), filtrada con un filtro de alto Q factor de calidad, amplificada y posteriormente detectada o demodulada para obtener la audiofrecuencia que se oirá, después de ser convenientemente amplificada, a través de un altavoz. El usuario sintoniza el receptor mediante el ajuste de la frecuencia del oscilador local (Floc) y la sintonización de las señales entrantes (Fant). En la mayoría de los receptores estos ajustes se realizan de forma simultánea, actuando sobre un condensador variable con dos secciones en tándem, esto es, acopladas en el mismo eje. Una de las secciones de este condensador forma parte del circuito oscilador local y la otra del de sintonía de la señal entrante, de tal forma que cuando se varía la frecuencia sintonizada en la entrada, se varía también la frecuencia del oscilador local, manteniendo constante la diferencia entre ambas, que es la Frecuencia intermedia (FI). A este efecto se le denomina arrastre.

30

31 Un receptor procesa la señal modulada y entrega, como salida, una reproducción de la señal original. La señal puede entonces ser aplicada a un dispositivo de reproducción, tal como un parlante. Para ser útil, un receptor debe realizar ciertas funciones básicas. Estas funciones son recepción, selección, detección, y reproducción. Recepción La recepción ocurre cuando una onda electromagnética transmitida pasa a través de la antena receptora e induce un voltaje en la antena. Selección La selección es la habilidad para distinguir la frecuencia de una estación particular de todas las frecuencias de las otras estaciones que aparecen en la antena. Detection Detección es la extracción de la señal moduladora de la señal de radio frecuencia. Los circuitos que realizan esta función son llamados detectores. Diferentes formas de modulación requieren diferentes circuitos detectores. Reproduction La reproducción es la acción de convertir las señales eléctricas en ondas sonoras que pueden ser interpretadas por el oido.

32 Entender las características de los receptores es obligatorio para determinar las condiciones operacionales y para la comparación de los mismos. Características importantes de los receptores son la sensibilidad, el ruido, la selectividad, y la fidelidad. Es una medida de la habilidad del receptor para reproducir señales débiles. Entre más débil la señal que puede ser aplicada y que todavía produzca una cierta relación señal a ruido (S/N), mejor la sensibilidad del receptor. Usualmente, la sensibilidad es especificada como la intensidad de la señal en microvoltios necesaria para causar una relación S/N de 10 decibelios. Todos los receptores generan ruido. El ruido es el factor limitante sobre la mínima señal que el receptor puede procesar y todavía producir una salida útil. Expresado en decibelios, es una indicación sobre el grado en el cual un circuito se desvía del ideal; una figura de ruido de 0 decibelios es ideal. La selectividad es la habilidad del receptor para distinguir entre una señal a la frecuencia deseada y señales a frecuencias adyacentes. El grado de selectividad es determinado por la agudeza de la resonancia a la cual los componentes que determinan la frecuencia (filtros pasabanda) han sido construidos y sintonizados. La fidelidad es la habilidad del receptor para reproducir la señal de entrada exactamente. En general, entre más ancha la banda de paso, mayor la fidelidad.

33 Una buena selectividad requiere una banda de paso angosta. Buena fidelidad requiere una banda de paso ancha para amplificar las frecuencias más alejadas de las bandas laterales. Conociendo lo anterior, podemos darnos cuenta de que la mayoría de receptores son un compromiso entre una buena selectividad y una alta fidelidad.

34

35

36 Modulation of radio waves The information transmitted by the many radio and TV stations is very similar. They all need to broadcast information with the same frequencies (20 Hz to Hz - the range of human hearing) and amplitudes. If they did so, then we would not hear any of them clearly. All the different signals from the different stations would interfere with each other and we would receive a jumbled mess. To avoid this problem, each station is assigned a particular broadcast frequency (the carrier wave) onto which they superimpose the data they wish to transmit using the frequencies in a narrow band either side of the carrier frequency. This range of frequencies is known as the band width of that radio station, while the carrier wave frequency is the tuning frequency - the one we turn our dial to receive that station. Circuitry in the receivers decode the information and process it into the appropriate sound wave frequencies. Receivers can be tuned to pick up the carrier wave, and because no two radio stations have the same carrier wave, they should not interfere with each other. In fact, they still do a little some times because there are so many stations using a limited range of the electromagnetic spectrum, that the carrier waves of different stations are not very different to the carrier waves of other stations. Circuitry in the receiver subtracts the carrier wave from the combined signal, interprets the frequency or amplitude variations in the signal wave and produces the sounds we hear from our radios or TV. This process is known as demodulation. Advantages and Disadvantages of AM and FM radio transmission AM uses a much narrower range of frequencies than FM, so many more AM stations fit into the limited radio bandwidth of the electromagnetic spectrum. However, it is much easier for circuitry in receivers to filter out variations in amplitude in an incoming FM signal than it is to filter out frequency variations in an incoming AM signal, so FM reception is usually much clearer than AM reception. For this reason, it is the preferred way to broadcast music - hence TV music concerts with "simulcast FM radio sound".