Moduladores y Demoduladores AM

• Modulación AM– Convencional– DSB-SC– SSB– VSB

• Demodulacion – Detector de envolvente– Detección coherente

Modulación AM convencional

• Diagrama de bloques.

• Sumador y amplificador son implementados generalmente mediante circuitos lineales.

• Sin embargo, el multiplicador es implementado mediante un dispositivo no-lineal.

• Matemáticamente un dispositivo no lineal ofrece una respuesta polinomica de tipo: y(x)=a0+a1x+a2x2+a3x3+…

• Por tanto si una señal sinusoidal (o señal aproximada mediante serie de Fourier) ingresa por el dispositivo no-lineal, este en la salida producirá los siguientes componentes de frecuencia:– Nivel DC– Componentes de las frecuencias originales– Componentes de suma o resta de las frecuencias originales– Componentes armónicas de las frecuencias originales.

( )cos 2 cf tπ

Acm(t) s(t)

Modulación AM convencional

• Ejemplo: dos señales sinusoidales con frecuencias fc (portadora) y fi(mensaje) son procesadas por el dispositivo no lineal. Este produce el grafico siguiente:

Modulación AM convencional (cont..)

• Forma de Onda AM• La amplitud varia

según los cambios de amplitud de la señal inteligencia (mensaje).

Porcentaje de Modulación

Espectro de una señal AM-DSB

Modulación AM DSB-SC

• Diagrama de Bloques

• Otra forma de generar un señal AM DSB-SC consiste en usar dos

moduladores AM convencionales. (modulador balanceado)

• Con este sistema se consigue cancelar la componente de portadora. La razón de usar este sistema es que los sistemas AM convencionales son mas sencillos de implementar mediante electrónica (dado que conllevan una componente DC que resulta de la polarizacion de los transistores).

( )cos 2 cf tπ

Acm(t) s(t)

AM DSB

AM DSB

+-

( )cos 2c cA f tπ

m(t)

- m(t)

( )( ) 2 ( ) cos 2c cs t A m t f tπ= ⋅

Circuitos para Generar DSB-SC

• Modulador Balanceado (ring modulator o lattice modulator).

• Diseño que conecta cuatro diodos de características idénticas en una configuración de anillo, a fin de obtener una señal DSB-SC.

Amplitud portadora > amplitud moduladora

Conducción es determinada por la polaridad de la Portadora,Junto a la señal moduladora se determinara que diodo(A o D) conduce mas

Espectro de una señal AM-DSB-SC

Generación de AM SSB

• Existen algunos métodos:– Método de Fase– Método de Filtro– Método Weaver– Método de Cuadratura

• El método de Filtro es el mas utilizado debido a su desempeño adecuado y a que el método de fase es mas complejo.

• Sin embargo existen dispositivos integrados (IC) que implementan el método de fase.

Método de Filtro

- fc fc

- fc fc

- fc fc

filtro

AM DSB-SC

USSB

Filtro de banda lateralSuperior o inferior

Característica del Filtro en SSB

• El filtro en SSB es de tipo paso-banda.• Los tipos de filtro usados son: los de cristal, cerámicos y SAW

(Surface Acoustic Wave usados en TV y radar por su alto Q).• Los filtros de cristal tienen un Q de hasta 50000, son mejores que

los de LC.• El circuito equivalente de un filtro de cristal se muestra a

continuación.

Capacitor que evita el paso de frecuencias no deseadasBasado en cancelación de voltajes sobre Cp y C1 (notch effect)

shunt

Circuito resonantecristal

Método de Fase

• Este método ofrece las siguientes ventajas ante el método de filtro:1. Se puede cambiar fácilmente de banda lateral

superior a inferior (cambio de signo).2. SSB puede ser generado inmediatamente no son

necesarios moduladores balanceados intermedios.3. No son necesarios filtros con factores Q elevados.

• Este método utiliza el llamado Filtro de Hilbert que es nada mas que un desfasador de 90º. Es decir si una señal coseno ingresa a este sistema la salida será una señal seno.

Diagrama de Modulador SSB usando método de fase.

+±

Σ

90º desfase

90º desfase

( )cos 2 cf tπ

( )m t ( )m t%

( )s t

SSB

Modulación AM VSB

• Para generar dicha señal, primero generamos una señal AM DSB-SC para luego aplicar un filtro vestigial paso banda.

miercoles

Respuesta en Magnitud del Filtro VSB

Aplicación en TV

• (a) Señal de TV transmitida

• (b) Característica Espectral del Filtro VSB del receptor de TV.

Demodulacion AM

• Concepto Básicos– Demodulacion– Sintonización, Selectividad y Sensitividad

• Detectores– No coherente– Coherente o sincrono

• Sistemas de Recepción– Homodinos– Heterodinos– Frecuencia de Imagen

• Demodulacion SSB

Conceptos Básicos

• Modulación?– Un proceso que realiza el acople de la señal

mensaje con el canal de transmisión. – La forma de hacerlo es usando una señal

llamada portadora.• Demodulacion

– El proceso inverso del anterior. Se extrae la señal mensaje de la portadora. Por tanto, se elimina el efecto de la portadora en la señal recibida.

Conceptos Básicos

Sintonización (“tuning”)• Es el proceso realizado en el receptor donde se trata de aceptar cierta banda de frecuencias que

incluyan a la portadora y aquellas de banda lateral, evita la interferencia con otras bandas o estaciones de comunicación y minimiza el ruido captado.

• Sistemas de radio primitivos utilizan el principio TRF (tuned radio frequency) que consiste en sintonizar o acoplar las tres etapas de un receptor: RF amp, detección y Audio amp, con el fin de captar una señal de audio.

• Este proceso es lento, tedioso y propenso a errores. La forma de realizarlo era mediante uso de capacitores variables.

Conceptos Básicos

Sensitividad• La habilidad de un receptor de captar una señal y

amplificarla hasta un valor aceptable.• Otra definición es la siguiente: La capacidad de un

receptor de captar señales débiles de un transductor.• Este parámetro se mide en unidades de potencial

electrico (voltaje) o potencia (mW, µW, dBm) con referencia a cierto valor Señal vs. Ruido (S/N).

• La sensitividad de un receptor se determina por la cantidad de ganancia provista (amplificacion) y la cantidad de ruido que agrega el receptor.

Conceptos Básicos

Selectividad• El grado en que un receptor puede diferenciar entre la señal

deseada y otras señales.• La forma de diferenciar es con respecto a las frecuencias de operación.• En AM por ejemplo la señal mensaje ocupa un ancho de banda de 15KHz, si

usamos AM convencional el ancho de banda de la señal AM es el doble o sea 30KHz, por tanto la selectividad optima de una radio debería ser de 30KHz.

• Si este valor de selectividad es mayor digamos: 40KHz, entonces señales de otras bandas (emisoras) se insertan en el receptor interfiriendo con nuestra emisora elegida.

• Si la selectividad es menor a la optima, ejemplo: 10Khz, entonces parte de la señal mensaje se perdería y se presentara distorsiones en el audio desmejorando la “fidelidad”.

• Los receptores TRF sufren de problemas de selectividad.• Por tanto el ancho de banda de operación es importante y los circuitos que

implementan la recepción deben estar acordes a estos requerimientos.• La selectividad es un parámetro que se basa en las características de los

filtros y amplificadores.

Detectores AM

• Detector de envolvente

• Circuito que produce una señal proporcional a la envolvente real de la señal de entrada.

• Si tenemos una señal definida como:

• Siendo g(t)>0 la salida del detector será:

• Donde K es una constante de proporcionalidad

• Una forma de implementar el detector de envolvente es usando un dispositivo no lineal, tal que afecte la mitad de un ciclo de una señal oscilatoria diferente a la de la otra mitad.

[ ]( ) cos ( )cg t t tω φ+

( )ov K g t= ⋅

Detector no lineal

Detector de diodo

• La señal AM aparece un circuito de “sintonía” LC1, con esto acoplamos a la portadora (emisora) deseada.

• Lo que hace el diodo es limitar la señal AM recibida a solo los valores positivos.

• Finalmente tenemos un filtro paso bajo RC2. Este remueve frecuencias RF de la señal recuperada.

• La característica de C2 es de cargarse rápidamente cuando el diodo (ON) y descargarse en R cuando el diodo (OFF). Esto se debe a que la resistencia del diodo es menor que R.

• La elección de R y C2 dependerá de que cumpla con la condición:

2

1

2 cB fRCπ

= =

Detector de diodo

• Ventajas– Pueden manejar señales de alta potencia.– Distorsión aceptable en aplicaciones AM (audio).– Altamente eficientes.– Pueden proporcionar niveles DC, que a su vez sirven

para implementar AGC (Automatic Gain Control).

• Desventajas– La potencia es absorbida por el diodo, reduciendo el

Q (filtro) y por ende la selectividad.– No hay amplificación alguna en el detector de diodo.

Detector de diodo

• Tipos mas comunes:– Aplicaciones sencillas, cualquier diodo.– LF, HF, y VHF: 1N914 y 1N4148.– Altas frecuencias (alta capacidad de

conmutación): diodos PIN (Point Contact – baja capacitancia).

– PIN diodes: manejan hasta 40GHz (1N23, 1N34).

• ESPECIFICACION IMPORTANTE:Voltage Sensitivity: V/mW o mV/mW

Detectores AM

Detección coherente• Usa un circuito mezclador (mixer) que

convierte hacia abajo (down-conversion) o traslada en frecuencia una señal de entrada paso banda a banda base.

• El mixer es básicamente un dispositivo no lineal que multiplica dos señales.

• Este es implementado mediante un diodo o transistor.

Detección coherente

( )cos 2 cf tπ θ+

FILTRO PASO BAJO

Vi(t) Vo(t)V1(t)

( )

( )

La señal pasobanda es:

( ) ( )cos ( ) , siendo R(t) la envolvente real y (t) la fase,

recordando que la expresion de la envolvente compleja de una señal paso banda es:

( ) ( ) ( ) ( )

i c

j t

V t R t t t

g t R t e x t jy tφ

ω φ φ= +

= = + = [ ] [ ]

( )1

( )cos ( ) ( )sin ( )

A la salida del mixer:

( )cosi c

R t t j R t t

v V t t

φ φ

ω θ

+

= +

[ ] [ ]

[ ] [ ]{ }

1

c

( )

1 1( ) ( )cos ( ) ( )cos 2 ( )

2 2El filtro paso bajo elimina la componente RF (2 ),

nos queda entonces la componente de down-conversion:

1 1( ) ( )cos ( ) Re ( )

2 21

( ) Re ( )2

c

j to

o

v t R t t R t t t

v t R t t R t e

v t g t e

φ θ

φ θ ω φ θ

ω

φ θ −

−

= − + + +

= − = ⋅

= { }jθ

CASO 1: Sincronizacion de Frecuencia

Debido a que la frecuencia de portadora de la señal recibida es

igual a la frecuencia del oscilador local, entonces se dice que el

receptor esta sincronizado en fre

[ ]

{ } [ ]{ }( ) 2

cuencia o "sintonizado".

CASO 2: Sincronizacion de Fase

Si la fase del oscilador local =0º entonces:

1 1( )cos ( ) ( )

2 2

En cambio si =90º,

1 1Re ( ) Re ( ) cos ( ) ( )sin ( )

2 21

o

jj t jo

o

v R t t x t

v R t e e R t t jR t t e

v

πφ θ

θ

φ

θ

φ φ −−

= =

= = +

= [ ]{ }

[ ]

1Re ( )cos ( ) ( )sin ( ) ( ) ( )sin ( )

2 21

( )2

Para cualquier otro valor de , tenemos:

1( )cos ( )

2

o

o

R t t jR t t j R t t

v y t

v R t t

φ φ φ

θ

φ θ

+ ⋅ − =

=

= −

In-phase

Quadrature

Detección coherente AM

• AM convencional• La señal envolvente es:

• Como m(t) es una señal real, el detector coherente y en fase con la portadora produce:

[ ]( ) 1 ( ) ( ) cos ( ), donde (t)=0cg t A m t R t tφ φ= + =

[ ]1 1( ) 1 ( )

2 2o cv x t A m t= = +

Costas Loop

• El detector coherente es de mucha utilidad en la recepción de señales, sin embargo tiene una desventaja:– Debe presentar coherencia o sincronía en fase y en frecuencia para

poder demodular la señal recibida.• En sistemas de comunicación, la señal transmitida se propaga a

través de un medio y este se comporta como un sistema lineal variante en el tiempo, el resultado es que la señal al propagarse cambia su fase, debido a las distancias que recorre, además, si el transmisor presenta excursiones en la frecuencia de portadora o en caso de sistemas móviles este se acerca o aleja del receptor, entonces se presentaran cambios en la frecuencia.

• Hay algunos métodos para mantener coherencia en fase y frecuencia, uno de ellos es el Costas loop.– Básicamente es un sistema realimentado que compara la diferencia de

fase entre el oscilador local y la señal modulada, y luego trata de minimizar dicho error o diferencia ajustando la frecuencia de oscilación de un dispositivo llamado VCO (oscilador controlado por voltaje).

Costas Loop (DSB-SC)

ProductModulator

ProductModulator

Accos(2πfct+φ)m(t)

LPF

LPF

PhaseDiscriminatorVCO

-90o

cos(2πfct+φ´(V))

sin(2πfct+φ´(V))

V=sin2(φ− φ´)/8

Objetivo: mantener ∆φ≈0

.5Accos(φ− φ´)m(t)

.5Acsin(φ− φ´)m(t)

∆φ´(V)

V≈∆φ0

DSBSC Demodulator

Ref.: Prof. A.Goldsmith, Stanford Univ. EE179

Discriminador de fase

• Basicamente es un multiplicador junto a un filtro paso bajo (como integrador).

LPF

.5Accos(φ− φ´)m(t)

.5Acsin(φ− φ´)m(t)

Demodulacion SSB

• La detección es similar a DSB-SC es decir se aplica un detector de producto o coherente (oscilador y mezclador).

• Una desventaja es el denominado “BFO drift” (beat frequency oscillator) produciendo el síndrome del “Pato Donald”

• Se resuelve esto si se usan frecuencias fijas estándar (oscilador de cristal), de lo contrario debe haber un circuito de control de frecuencia basado en una señal piloto.

Sistemas de Comunicación

• Receptor homodino• Receptor super-heterodino• Sintonización super-heterodina• Frecuencias de imagen

Receptor Homodino

• También llamado “Zero-IF” o “Conversión Directa”.

• Un esquema de este receptor es:

• El sistema demodula directamente la señal en RF (paso banda) a una señal paso bajo (envolvente) sin procesamiento en bandas de frecuencias intermedias (IF: BW<f<fc)

Demod

AMP AMP

RF AUDIO

Filtro Paso bandaRF

Detector AM, FM, o digital

Receptor Super-heterodino

• Heterodinacion– Básicamente significa: generar una nueva frecuencia al mezclar dos o mas señales mediante

un dispositivo no lineal.• El receptor super-heterodino emplea técnicas de conversión hacia arriba o hacia

abajo (up or down-conversion) para trasladar la frecuencia de operación a una banda de frecuencia determinada llamada “banda de frecuencia intermedia” o IF.

• Luego se extrae el mensaje o información (demodulacion) usando un detector adecuado.

• Un diagrama de dicho receptor es:

Demod

AMP AMP

RF SEÑAL PASO BAJO

Filtro Paso bandaRF

Filtro Paso bandaIF

fLO

fc fIF

OSCILADOR LOCAL

SINTONIZACION A veces aquí se incluye un amplificador de alta ganancia

Receptor super-heterodino

• Este receptor básicamente toma el concepto del detector coherente, pero a diferencia de este traslada la frecuencia de portadora a otra banda llamada IF.

• La selección de la frecuencia intermedia se basa en las siguientes consideraciones:– Debe ser un valor tal que permita tener amplificadores de alta

ganancia, estables y económicos.– Dicha frecuencia (IF) debe ser de un valor bajo para que se

puedan tener valores Q adecuados en los filtros, con esto se eliminan la interferencia de otros canales y se minimiza el ruido.

– La frecuencia IF debe ser de un valor alto para que la respuesta de imagen en el receptor sea lo mas mínima posible.

• Respuesta de imagen: es la recepción de señales no deseadas localizadas en la frecuencia de imagen debido a una atenuación insuficiente en el filtro RF.

Frecuencias de Imagen

• Llamadas también frecuencias interferentes.• Son señales que provienen del proceso de mezcla o

mixing realizado en los receptores super-heterodinos, debido a la respuesta no lineal (polinomica) de los componentes usados (mixers o multiplicadores).

• Proviene de las mezclas de las señales de entrada y sus armónicos y la señal del oscilador local y sus armónicos.

,m n c LOf n f m f= ⋅ ± ⋅

Frecuencias de Imagen

• Determine la frecuencia de imagen del receptor de doble conversion.

|fc+flo|=50MHz|fc-flo|=10MHz

IF s LOf n f m f= ⋅ ± ⋅Si m=n=1, e IF=10Mhz,Entonces, si fs = 40MHz Este será un “spur” o imagen

Frecuencia de Imagen

• Determinar la frecuencia de imagen del receptor (down converter)

IF@1MhzUna señal extraña a 22MHz es“spur” o imagen

Frecuencia de Imagen

• Determinar la frecuencia de imagen del receptor siguiente (up converter)

IF@40MHz

Una señal extraña a 110MHz puede producir un “spur” a 40MHzPero el filtro del amplificador RF impide el paso de dicha señal

Referencias

• Modern Electronic Communications, Gary Miller, Prentice Hall.

• Digital and Analog Communication Systems 6th Ed, Leon W. Couch, Prentice Hall.

• Communications Systems, Simon Haykin, Wiley.