CICLO I / 2016 UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE ESTUDIOS TECNOLÓGICOS COORDINACIÓN DE ELECTRÓNICA GUÍA DE LABORATORIO Nº 08 NOMBRE DE LA PRACTICA : Modulación en Frecuencia (2da Parte) LUGAR DE EJECUCIÓN: Laboratorio de Telecomunicaciones(Edificio 3) TIEMPO ESTIMADO: 3 Horas ASIGNATURA: Sistemas de Comunicaciones I DOCENTE(S): William Argueta / Edward Arévalo / Luis Kelman Belloso I. OBJETIVOS Analizar la demodulación en frecuencia estudiando el funcionamiento del detector de FM de Foster-Seely y el detector de FM de relación. II. INTRODUCCIÓN TEÓRICA Circuitos Demoduladores de Frecuencia Para la detección de señales moduladas en frecuencia se han utilizado diferentes tipos de soluciones circuitales, algunas en desuso y otras actualmente utilizadas, por ejemplo: Discriminador Travis: se basa sobre la variación de la amplitud, en función de la frecuencia, introducida por un circuito resonante. La variación de la amplitud se detecta mediante diodo. Discriminador Foster-Seely: se basa sobre la variación de fase, en función de la frecuencia, introducida por un circuito resonante. La señal modulada original y la desfasada se suman de manera adecuada, y la señal que resulta se detecta mediante diodo. Entre los demoduladores todavía utilizados se pueden citar: Detector de Relación: tiene un funcionamiento análogo al del discriminador Foster-Seely, pero es insensible a las variaciones de amplitud de la señal modulada. Detector en Cuadratura: se utiliza en los circuitos integrados. La señal de FM directa y la misma señal desfasada de 90º se multiplican entre sí: la señal que resulta es proporcional a la desviación de frecuencia de la señal de FM de entrada. Detector de PLL: constituye una de las aplicaciones del Phase Locked Loop (Lazo de amarre en fase) y es, con respecto a los circuitos anteriores, menos sensible al ruido. Limitador de Amplitud Los demoduladores de frecuencia generalmente son sensibles a las variaciones de amplitud de la señal de FM de entrada; por lo tanto, la salida del demodulador no depende sólo de la variación de frecuencia de la señal de salida, sino también de su eventual variación de amplitud (causada por ejemplo por el ruido o por disturbios de cualquier género). Para minimizar este inconveniente, se inserta un circuito limitador antes del demodulador. Las curvas características del limitador ideal de un limitador real se muestran en la figura 1. En el primer caso, la amplitud de la señal de salida es constante para cualquier amplitud de la señal de entrada; en el segundo caso, la amplitud de salida permanece constante sólo si la señal de entrada sobrepasa un valor mínimo. 1
Figura 1. Característica del limitador: a) Ideal b) Real Discriminador Foster-Seely En la figura 2 se muestra un típico ejemplo de discriminador Foster-Seely. La señal de FM se acopla por inducción resonante L2-C2, sintonizado en la frecuencia central de la señal modulada. La misma señal es llevada también, a través de C1, a la toma central de L2. Los diodos D1 y D2, con sus respectivos filtros de paso bajo C-R, constituyen dos detectores de envolvente. Figura 2. Discriminador Foster Seely Considérese Fo la frecuencia a la cual está sintonizado el circuito L2-C2. El funcionamiento del circuito se analizará en tres situaciones: 1) Frecuencia instantánea f de la señal de FM de entrada igual a Fo 2) Frecuencia instantánea de entrada mayor que Fo 3) Frecuencia instantánea de entrada menor que Fo f = Fo En los dos secundarios de L2 se suman dos tensiones (figura 3a). Una es la inducida mediante L1 por la señal de entrada V FM, la otra es la señal de entrada acoplada directamente mediante C1. Ya que está en la frecuencia de resonancia, la tensión inducida V ind será desfasada de 90º con respecto a la tensión V FM ; en cambio, la tensión acoplada directamente mediante C1 puede considerarse, si la reactancia de C1 es pequeña con respecto a la frecuencia de la señal, en fase con la V FM de la entrada. Las tensiones que llegan a D1 y D2 son la suma vectorial de V FM y de ±V ind / 2 y tienen la misma amplitud pero de signo opuesto. La tensión de salida Vo, que es la suma de las dos señales detectadas, en este caso será nula. 2
f > Fo Cuando la frecuencia instantánea de la señal de FM de entrada es superior a Fo, el circuito resonante L2-C2 tiene un comportamiento inductivo y se obtiene el diagrama vectorial de la figura 3b. Las tensiones en los diodos tienen en este caso amplitudes diferentes y la tensión que resulta en la salida será positiva. f < Fo Cuando la frecuencia instantánea de la señal de FM de entrada es inferior a Fo, el circuito resonante L2-C2 tiene un comportamiento capacitivo y se obtiene el diagrama vectorial de la figura 3c. Las tensiones en los diodos tienen todavía amplitudes diferentes, pero la tensión que resulta en la salida será negativa. Figura 3. Diagrama de las Fases La desventaja principal del demodulador Foster-Seely es que detecta también variaciones de amplitud de la señal de entrada, ya que la amplitud de las tensiones V D1 y V D2 en los diodos depende también de la señal de entrada. Esta desventaja se minimiza en el detector de relación. Discriminador de Relación En la figura 4 se muestra un típico ejemplo circuital de discriminador de relación. El funcionamiento del circuito, en lo que se refiere al acoplamiento de la señal de FM a los dos circuitos de detección y los diagramas vectoriales, es semejante a lo ya visto para el discriminador Foster Seely. El condensador C5, de valor elevado, tiene la finalidad de reducir notablemente las fluctuaciones de amplitud de la tensión V ab, causadas por variaciones de amplitud de la señal de entrada. De esta manera la tensión de salida V o no sufrirá debido a variaciones de amplitud no deseadas. Figura 4. Discriminador de Relación 3
III. MATERIALES Y EQUIPO Nº Requerimientos Cantidad 1 Módulos T10A-T10D 1 2 Fuente de Alimentación ±12V 1 3 Osciloscopio con puntas 1 IV. PROCEDIMIENTO PARTE I. DEMODULADOR FOSTER-SEELY Formas de Onda de la Señal Demodulada 1. Realizar las conexiones entre los módulos T10A y T10D como se muestra en la figura 1.1. Suministrar la alimentación de ±12V a los módulos y efectuar las predisposiciones siguientes: VCO1: desviador en 500kHz, LEVEL en alrededor de 1Vpp y FREQ en 450kHz aproximadamente Demodulador de frecuencia en modo Foster-Seely (puentes en posición FS) FUNCTION GENERATOR: sinusoidal (J1), LEVEL en alrededor de 100mVpp y FREQ en 500Hz aproximadamente Figura 1.1. Conexiones para observar formas de Onda de la Señal Demodulada 2. Conectar el osciloscopio en el punto 16 del módulo T10A (señal moduladora) y en el punto 20 del módulo T10D (señal detectada). 4
3. Si la frecuencia central del discriminador y la frecuencia portadora de la señal de FM coinciden, se obtendrán dos señales similares a las de la figura 1.2. Observar que la señal demodulada tiene componente continua nula. Variar la amplitud de la señal de FM y comprobar que varíe la amplitud también de la señal detectada. 4. Aumentar la frecuencia de la portadora y observar que a la señal detectada se le superpone una tensión positiva. Aumentando aún más la frecuencia, la señal detectada presenta una distorsión similar a la de la figura 1.3a (en estas condiciones se opera en una zona no lineal del discriminador). 5. Disminuir la frecuencia de la portadora y observar un comportamiento simétrico con respecto al caso anterior (figura 1.3b). 6. Volver a llevar la frecuencia de la portadora a su valor correcto (450kHz). Aumentar la amplitud de la señal moduladora (LEVEL del FUNCTION GENERATOR), de modo que se genere una señal de FM con desviación de frecuencia superior a la zona lineal del discriminador. Se obtendrá una señal detectada muy distorsionada, similar a la de la figura 1.3c. Figura 1.2 Figura 1.3 PARTE II. DEMODULADOR DE RELACIÓN 7. Repetir el procedimiento de la primera parte, pero predisponiendo el demodulador de frecuencia en modo Relación (puentes en posición R). Extraer la señal detectada entre el punto 21 y tierra. 8. Cuando se analizan las formas de onda de la señal detectada, es posible comprobar la función del condensador electrolítico (C5 de la figura 4 en la introducción teórica) de la manera siguiente: Desconectar el condensador del circuito (desconectar el relativo puente), variar la amplitud de la señal de FM y comprobar que varíe también la amplitud de la señal detectada; Conectar el condensador y comprobar que ahora las variaciones de amplitud de la señal detectada se hayan reducido notablemente. PARTE III. CIRCUITO LIMITADOR 9. Conectar la salida del VCO1 (punto 19 del módulo T10A) en la entrada del Limitador (punto 5 del módulo T10D). Predisponer el VCO1 de la manera siguiente: Desviador en 500kHz y FREQ en alrededor de 450kHz 10. Conectar el osciloscopio en la entrada y en la salida del Limitador (punto 5, entre 6 y 7). Aumentar de manera gradual la amplitud de la señal de entrada. Comprobar que la amplitud de la señal de salida al principio aumente (hasta un nivel de entrada de alrededor de 200mVpp) y luego se establezca entorno a un valor de alrededor de 1.5Vpp. 11. Insertar el Limitador antes del Discriminador de Relación o del Discriminador Foster-Seely (figura 3.1, ejemplo con discriminador Foster-Seely). Variar la amplitud de la señal de FM y comprobar que, para amplitudes superiores a unos 200mVpp, la amplitud de la señal detectada permanezca constante. 5
Figura 3.1. Aplicación del Circuito Limitador V. ANÁLISIS DE RESULTADOS Presente a su docente un reporte de laboratorio que contenga sus conclusiones sobre la práctica realizada, así como los resultados que se obtuvieron a lo largo del desarrollo de la misma. 6