electronica aplicada 2012 -...

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFacultad de Electrotecnia y Computación

Departamento de Electrónica

ELECTRONICA APLICADA2012

Footprints on the sands of time are not made by sitting down.- unknown

MODULACI

ÓN

AM / FM


A Méndez Dpto. Electrónica

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 puedenser alambres como en la comuniación alambrada (líneas de telefono, cables de televisión) o el espaciolibre (aire) como en las comuniaciones inalámbricas (radioo y TV comercial, telefonos celulares, otros)

Las señales de radio son ondaselectromagnéticas que son enviadas desde untransmisor a uno o más receptores.

Todas las ondas electromagnéticas viajan a lavelocidad de la luz y pueden tener diferenteslongitudes de onda y frecuencias.

Las señales de radio ocupan ciertos rangos delespectro de frecuencias electromagnético.



RegionFrequency

Range (f) / HzWavelengthRange (l) / m

Sources Uses

Radio waves < 109 > 10-1

Sparks or alternating currentcause a radio antennae to

oscillate the atoms within itto the correct frequency

Radio, television, mobilephones, magnetic resonanceimaging

Microwaves 1011 – 109 10-3 – 10-1

Atoms or molecules areoscillated within klystron

and magnetron tubes

Cooking, long distancecommunication, radar,terrain mapping

Infrared 1014 – 1011 10-7 – 10-3

Oscillation of atoms ormolecules due to the

absorption of heat energy

Heating and drying, nightvision cameras, remotecontrols, satellite remotesensing

Visible7.5 x 1014

– 4.3 x 1014

4 x 10-7

– 7 x 10-7

Oscillation due to heatenergy or electron

transitions within an atom

What the typical eye and filmcan see

Ultraviolet 1016 – 1014 10-8

– 7 x 10-7

Electron transitions withinan atom

Photochemicals,photoelectric effects,

hardening casts in medicine

X-rays 1019 – 1016 10-11

– 10-8

Electron transitions orbraking

Medicine, crystallography,astrophysics, remote sensing

Gamma Rays > 1019 < 10-11 Nuclear transitionsNuclear research, geophysics,

mineral exploration.



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



Son ondas electromagnéticas con frecuencias comprendidas en el rango 535KHz – 1605KHz. La AM seobtiene 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 unrango de frecuencias, típicamente deaproximadamente 10KHz de ancho.

La estación usa aproximadamentesolo 2.5KHz a cada lado del puntocentral debido a los problemas deinterferencia que pueden aparecer.

Por consiguiente, el ancho de bandade un canal AM es típicamente de5KHz.

El rango musical del oído humano esaproximadamente 20KHz y esa es larazón por la cual el sonido AM suenaimperfecto.



Teóricamente, pueden existir (1605-535)/10 = 107 estaciones de AM en un área. En la práctica, elnúmero de estaciones es mucho más bajo.

Las señales AM pueden ser reflejadas hacia la tierra por la ionosfera, de forma talque las señales pueden alcanzar unintencionalmente lugares ubicados a miles dekilómetros. Las reflexiones desde la ionosfera se incrementan durante la noche.

Las señales AM desde una estación poderosa en una ciudad pueden ser recibidasen otra ciudad, la cual puede estar en otro país.

La transmisión AM comúnmente se encuentra sujeta a regulaciones tales como eluso de antenas direccionales o uso de una potencia reducida durante la noche oincluso la no transmisión en la noche.



La FM (frequency modulation) es uno de los tipos principales de transmisión. La modulación defrecuencia usualmente toma lugar en un rango de frecuencias que va de 88 a 108 MHz. En la FM laseñal 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 puntomedio del rango de operación del canal es utilizado con propositosde identificación.

Pueden existir un maximo de 100 estaciones [(108-88)/0.2=100]

El ancho de banda de la FM puede facilmente cubrir el rangomusical del oido humano (aprox. 20KHz), y es por eso que elsonido de la FM es mucho mejor que la AM.

A altas frecuencias, las señales FM pasan la ionosfera sinreflejarse, tanto durante el día como en la noche. En otraspalabras, la FM opera por linea de vista lo cual limita el áea decobertura.

El área de cobertura depende de la altura de la antena detransmisión. En los limites del area de cobertura o cuando la señales bloqueada por los edificios o montañas, la calidad de la FM esdeteriorada.



Modulación es el proceso de variar alguna característica de una forma de ona periodica mediante unaseñal externa. Las frecuencias de la voz (aproximadamente 110 – 3000 Hz) están contenidas en elespectro de frecuencias de audio, 10 – 20,000Hz.

La señal de audio es impresa en la portadora de RF ya que es impráctico transmitir frecuencias delrango 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 demodulación.



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



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



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



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



La modulación de pulso es lograda variando las características de una serie de pulsos. Puede serrealizada variando la amplitud, la duración, la frecuencia o posición de los pulsos. La modulación depulso es especialmente adecuada para sistemas de comunicación que incorporan multiplexación pordivision de tiempo.



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



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



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

fm : frecuencia señal de audio

fc : frecuencia señal portadora

Ac : amplitud señal portadora



XAM(t) = (1/2) ADC Ac m {cos[2π(fc + fm) t ] + cos[2π(fc – f m) t ]} + ADC Ac cos(2πfc t)

La ecuación puede reescribirse de la siguiente manera:

El primer término representa señalesdobles de banda lateral;

el segundo término representa laseñal portadora.

Dado que la señal de audio está escondidaen las bandas laterales y que la señalportadora no contiene mensaje alguno, lapotencia es consumida en la portadoradurante la transmisión de una señal AM.

Por esta razón, la eficiencia de latransmisión en AM es más baja que lamodulación DSB-SC, pero su circuito dedemodulación es mucho más simple.



ASIGNACIÓN



El índice de modulación es unparámetro importante en la ecuación.La definición es la siguiente:

100% x%100xDCseñalladeMagnitudaudiodeseñalladeAmplitudm

AA

DC

m

Generalmente, la magnitud de la señal DC no es fácil de medir, porconsiguiente expresamos el índice de modulación en otra forma:

100% xmEEEE

minmax

minmax

Donde Emax y Emin como se muestra en lafigura son Emax = Ac + Am y Emin = Ac - Am



Sabemos que en la amplitud modulada, la señal de audio está escondida en la bandas laterales, de forma talque si las bandas laterales se vuelven más fuertes, la eficiencia de la transmisión mejora. A partir de laecuación , sabemos que las bandas laterales son proporcionales al índice de modulación. Es decir, entremayor 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.



El objetivo del demodulador de amplitud es capturar la envolvente de la señal modulada en amplitud.

1. Detector de diodo para AM (asíncrono)

++

--



El circuito es un detector asíncrono típico. Funciona de la siguiente forma:

Rectifica la señal modulada AM y obtiene una señal positiva de mediaonda

Después la señal es pasada a través de un LPF y se obtiene laenvolvente

Posteriormente se elimina la componente DC, la señal de audio es recuperada



2. Detector de producto para AM

El demodulador de AM puede ser implementado utilizando un modulador balanceado. Este tipo dedemodulador es llamado detector asíncrono o detector de producto.

XAM(t) = ADC [1 + m cos(2πfmt] [Ac cos(2πfct)]

Xc(t)= Ac cos(2πfct)


rep


t)]ft]cos[2(2fmcos(21[2

AkAt)fmcos(22

AAk2

AkA

t)f2(t)]cosfmcos(21[AAk

t)(X(t)kX(t)X

cm

2cDC

m

2cDC

2cDC

c2

m2cDC

AMcout

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 pasabajos como se muestra en la figura, entonces podemos obtener laseñal AM demodulada o señal de audio.



El circuito muestra un detector de producto implementado con el modulador balanceado MC1496.

1. 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



3. Receptor superheterodino AMEn electrónica, un receptor superheterodino es un receptor de ondas de radio que utiliza un procesode mezcla de frecuencias o heterodinación para convertir la señal recibida en una frecuenciaintermedia fija, que puede ser más convenientemente elaborada (filtrada y amplificada) que lafrecuencia de radio de la portadora original. Prácticamente todos los receptores modernos de radio ytelevisión utilizan el principio superheterodino.



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 receptoressuperheterodinos mezclan o heterodinan una frecuencia generada en un oscilador local (Floc), contenidoen 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, normalmentela 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 receptormediante 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 uncondensador variable con dos secciones en tándem, esto es, acopladas en el mismo eje. Una de lassecciones de este condensador forma parte del circuito oscilador local y la otra del de sintonía de la señalentrante, de tal forma que cuando se varía la frecuencia sintonizada en la entrada, se varía también lafrecuencia del oscilador local, manteniendo constante la diferencia entre ambas, que es la Frecuenciaintermedia (FI). A este efecto se le denomina “arrastre”.

Recepción

La recepción ocurre cuando una onda electromagnética transmitida pasa a través de la antena receptora einduce un voltaje en la antena.

Selección

La selección es la habilidad para distinguir la frecuencia de una estación particular de todas lasfrecuencias 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 querealizan esta función son llamados detectores. Diferentes formas de modulación requieren diferentescircuitos detectores.

Reproduction

La reproducción es la acción de convertir las señales eléctricas en ondas sonoras que pueden serinterpretadas por el oido.

Un receptor procesa la señal modulada y entrega, como salida, una reproducción de la señal original. Laseñal 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.

Entender las características de los receptores es obligatorio para determinar las condicionesoperacionales y para la comparación de los mismos. Características importantes de los receptores son lasensibilidad, el ruido, la selectividad, y la fidelidad.

Es una medida de la habilidad del receptor para reproducir señales débiles. Entre más débil la señal quepuede ser aplicada y que todavía produzca una cierta relación señal a ruido (S/N), mejor la sensibilidaddel receptor. Usualmente, la sensibilidad es especificada como la intensidad de la señal en microvoltiosnecesaria 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 receptorpuede procesar y todavía producir una salida útil. Expresado en decibelios, es una indicación sobre elgrado 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 yseñales a frecuencias adyacentes. El grado de selectividad es determinado por la agudeza de laresonancia a la cual los componentes que determinan la frecuencia (filtros pasabanda) han sidoconstruidos 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.

Una buena selectividad requiere una banda de paso angosta. Buena fidelidad requiere una banda depaso 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 buenaselectividad y una alta fidelidad.



Modulation of radio wavesThe information transmitted by the many radio and TV stations is very similar. They all need tobroadcast information with the same frequencies (20 Hz to 20 000 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 fromthe 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) ontowhich they superimpose the data they wish to transmit using the frequencies in a narrow band eitherside 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 thatstation. Circuitry in the receivers decode the information and process it into the appropriate sound wavefrequencies.Receivers can be tuned to pick up the carrier wave, and because no two radio stations have the samecarrier wave, they should not interfere with each other. In fact, they still do a little some times becausethere are so many stations using a limited range of the electromagnetic spectrum, that the carrierwaves 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 oramplitude variations in the signal wave and produces the sounds we hear from our radios or TV. Thisprocess is known as demodulation.

Advantages and Disadvantages of AM and FM radio transmissionAM uses a much narrower range of frequencies than FM, so many more AM stations fit into the limitedradio bandwidth of the electromagnetic spectrum. However, it is much easier for circuitry in receivers tofilter out variations in amplitude in an incoming FM signal than it is to filter out frequency variations in anincoming AM signal, so FM reception is usually much clearer than AM reception. For this reason, it isthe preferred way to broadcast music - hence TV music concerts with "simulcast FM radio sound".

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