Experimental Setup

Manejo de programas de simulación y de equipos de laboratorio: osciloscopio digital, generador de señales de RF y analizador de espectro.

II. Objetivos

Comprobar experimentalmente las características principales de las técnicas de modulación de AM DSBFC y FM: formas de onda, ancho de banda, espectro de frecuencias y patrones de medición.

III. Marco Teórico

Las técnicas de modulación analógicas de AM y FM son las más utilizadas en el campo de la radiodifusión. En el caso de la AM, la sencillez del circuito demodulador aún lo hacen atractivo en los sistemas de punto a zona. El costo de los receptores es muy barato y continúa en la preferencia de los usuarios, a pesar de las desventajas que posee. En la modulación de AM el parámetro de la portadora que es afectado por la señal moduladora es su amplitud y la expresión matemática que la define es:

t f t f Em Ec t

Vam( ) sen 2 m sen2 c (1)

Donde el primer término representa la amplitud de la portadora modulada, en el que Em es la amplitud máxima de la señal moduladora y fm su frecuencia, expresadas en volt y Hz respectivamente.

Un sencillo desarrollo de la expresión nos permite determinar la conformación del espectro. En la siguiente figura se ilustra su representación en el campo de la frecuencia, así como los principales parámetros que la caracterizan.

Fig. No 2.5.1

Donde m es el índice de modulación, parámetro que nos indica la relación de amplitudes entre las señales moduladora y portadora a través de la siguiente relación:

Ec Em

m (2)

En términos de potencia en una señal modulada en AM, las relaciones entre los niveles de portadora y bandas laterales se expresan mediante la siguiente expresión:

Pc m Pc m Pc m Pc P_AM 4 4 2 1 2 2 2 (3)

El primer término representa la potencia de la portadora mientras que los dos que le siguen representan la potencia en cada banda lateral. Un sencillo análisis de la expresión suponiendo un 100% de modulación, es decir, m=1, nos indica que en la potencia de salida de una señal de AM, las 2/3 partes corresponden a la potencia de la portadora, mientras que solo 1/3 es de información, que si consideramos que se repite, entonces sería de 1/6 de la potencia total. Este es un punto que nos indica la pobre eficiencia, en términos de potencia de una señal de AM, resuelta más tarde por la BLU.

En la práctica la modulación de AM puede ser realizada fundamentalmente en dos puntos de un transmisor: en bajo nivel o en alto nivel. En la Fig. No 1 se presenta la posibilidad de actuar en estos dos puntos.

Fig.2.5.2

La modulación en bajo nivel se realiza como su nombre lo indica en la parte del transmisor donde los niveles de potencia son muy bajos y tiene la ventaja de que la potencia requerida por el circuito modulador es muy pequeña, esto facilita la linealidad de la operación y demanda que los elementos que conforman el modulador no demanden requerimientos de potencia altos. La desventaja de esta técnica radica en que después que se realiza la modulación se necesitan pasos de amplificación lineales para evitar la distorsión armónica y por tanto atenta contra la eficiencia del transmisor

En alto nivel la modulación se realiza en el paso final. En este punto los niveles de potencia exigidos son muy altos, recuerde que la potencia de modulación es una parte considerable de la potencia de salida y por tanto en este caso las exigencias de la etapa moduladora son mayores. La ventaja fundamental es que se pueden usar etapas no lineales con altos valores de eficiencia. En el caso de una estación transmisora normal, con salida que puede oscilar entre 10kW y 50kW, esta última técnica es la más recomendada, quedando la primera para dar soluciones a problemáticas de aplicación muy específica.

Fig.2.5.3

En el modulador de bajo nivel la señal moduladora incide sobre la ganancia del amplificador. Como se nota en la figura la inyección de la señal moduladora por el emisor cambia la polarización y por tanto varía la corriente, haciendo esto que cambie la resistencia dinámica de emisor y por tanto la ganancia que presenta el amplificador a la señal de RF aplicada a la base.

Del circuito:

(4) Para:

Para una condición de senwmt 0, entonces, Ie Iem ín. Por tanto cambia la resistencia

dinámica de emisor y la ganancia se hace ahora mínima. El transformado utilizado

Re 7 . 0 Rth t Vmsenw Vth Ie m

como modulador puede ser cualquiera que se utilice como excitador del paso de salida en un receptor de AM transistorizado convencional. Los requerimientos del transistor deben satisfacer fundamentalmente la frecuencia de operación de portadora y la ganancia de corriente, esta última alrededor de 100 sería un valor típico. El circuito autopolarizado debe satisfacer las condiciones especificadas por el fabricante y la red paso alto RC a la salida limitarse a dejar pasar las variaciones de amplitud de la portadora.

Un ejemplo de circuito modulador de alto nivel se presenta en la Fig.2.5.4

Fig.2.5.4

En este caso el voltaje de suministro cambia según la inyección de la moduladora y por tanto la amplitud de la señal a la salida, ahora:

De esta forma tendremos a la salida una señal de alta frecuencia cuya amplitud está cambiando al ritmo de la señal moduladora.

Este principio de la modulación de alto nivel es el utilizado actualmente en todas las estaciones de radiodifusión del país. En qué puntos radica la diferencia con respecto a los esquemas convencionales que generalmente se presentan en los libros de texto: 1. La frecuencia de la portadora se genera a partir de un oscilador a cristal o un

sintetizador de frecuencias con la particularidad de que la frecuencia inicial es mucho mayor que la de la portadora. Para lograr la frecuencia de la portadora se debe realizar un procedimiento de división.

2. La frecuencia del oscilador es utilizada para conformar un circuito de modulación PWM de la moduladora y aplicar un proceso de amplificación clase D, buscando de esta forma obtener altos grados de eficiencia y compacticidad en el tamaño de la sección moduladora que realiza el proceso de modulación del transmisor en la etapa final.

3. El paso final opera en clase D o conmutada con el objetivo de alcanzar altos valor de eficiencia y la modulación se realiza en la etapa de salida. Generalmente se utilizan varios módulos para distribuir la potencia final del transmisor, esto hace que los trabajos de mantenimiento se limiten solo al chequeo de módulos independientes.

4. Después de realizada la combinación de potencia aportada por cada módulo se realiza un procedimiento de filtrado para eliminar las componentes armónicas de alta frecuencia y quedarnos solo con la de la portadora.

IV. Técnica Operatoria

La realización de la práctica consiste de varios pasos:

i. Selección de la variante por parte del estudiante. La selección del esquema circuital queda a libre selección, siempre teniendo en cuenta que satisfaga los requisitos y las componentes que pueden ser adquiridas.

ii. Comprobación de la operación de la variante seleccionada con ayuda de un programa de simulación. Para este caso se deben hacer variaciones en los parámetros del programa que permitan validar dentro de que limites opera correctamente el modulador seleccionado.

iii. Montaje del circuito en el laboratorio, comprobación de su funcionamiento y evaluación por parte del profesor encargado. iv. Utilice al analizador de espectro para comprobar el cambio en la

posición de la portadora y bandas laterales cuando la señal moduladora es un simple tono.

v. Elaboración de un informe donde se presenten los resultados de la programación y el montaje realizado. Debe reflejar una discusión crítica de los resultados obtenidos experimentalmente con los esperados y análisis de errores cometidos.

La selección del programa de simulación es criterio del estudiante. A continuación presentamos un ejemplo que puede servir como referencia para la realización de la práctica de laboratorio El circuito es básicamente un esquema de oscilador Colpitts, donde la modulación actúa sobre la ganancia del oscilador, mediante el control de la corriente de base. Se utilizan las expresiones ya conocidas de frecuencia y ganancia de la red de realimentación para satisfacer el criterio de Barkhausen. Es un modulador de bajo nivel y a excepción del presentado en el marco teórico que requiere de un oscilador externo aquí se realiza sobre el propio oscilador. Los resultados de un programa de simulación se presentan en la Figs.2.5.5y 2.5.6

Es importante señalar que en el diseño del oscilador la selección del transistor debe satisfacer los requisitos de frecuencia de operación y las recomendaciones del fabricante en cuanto a su aplicación específica. Esto no quiere decir que no pueda ser utilizado un transistor de propósitos generales, el ECG 123AP es un ejemplo que satisfacen varios transistores. Los capacitores utilizados se recomiendan de mica o cerámica, nunca debe usar de papel ni poliéster. Los resistores se recomiendan que sean de carbón, por sus

características no inductivas, aunque si la frecuencia no es muy alta del orden cientos de kHz se pueden emplear del tipo metalizadas.

Fig.2.5.5

Fig.2.5.6

V. Preguntas de Comprobación

2) Para una modulación de 100%, ¿Cuál es la relación entre amplitudes de voltaje de las frecuencias laterales y de la portadora.

3) ¿Cuál es la relación entre la frecuencia de la señal moduladora y el ancho de banda en un sistema convencional de AM?

4) En un transmisor de AM de radiodifusión, explique las diferencias que se imponen en la selección de las etapas de potencia cuando se realiza la modulación en bajo nivel y cuando se hace en alto nivel.

5) Describa físicamente como se realiza la modulación de AMJ en alto nivel por colector.

6) Explique como debe realizar las conexiones a un osciloscopio para medir el índice de modulación de una portadora modulada en AM por un tono, usando un patrón trapezoidal.

7) En una señal de AM DSBSC determine el % de potencia de salida que constituye información útil.

8) En una señal de AM DSBFC determine el % de potencia de salida que constituye información útil y compárela con la pregunta 7.

9) Una señal de AM tiene 100V pico, 40 kHz de portadora, modulado por un tono de 10 kHz con un índice de modulación del 50%

 Dibuje la señal de manera precisa sobre un periodo de 0.2 mseg

 Dibuje el espectro de frecuencias, incluyendo la frecuencia y voltaje de cada una de las componentes

 Escriba la expresión matemática que define esta señal, donde se presenten las componentes de portadora y bandas laterales

 ¿Qué ancho de banda es necesario para transmitir esta señal de AM?

 Calcule la potencia desarrollada a través de una carga de 50Ω a la frecuencia de la portadora, una de las bandas laterales y la potencia total.

 ¿Qué cantidad de potencia puede ser ahorrada si se transmite solo una banda lateral sin portadora?

10) ¿Cómo determina Ud. el índice de modulación en caso de que la moduladora tenga carácter complejo?

VI. Bibliografía

Ing. Hiram del Castillo Sabido (2011) Material en soporte magnético. Conferencia No 9 Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, W. Tomasi, Cap. 3, Págs. 102-143

Electronic Communication Techniques, Paul H. Young, Cap. 5, Págs. 133-144. Ed 1999, Prentice Hall

Estado Sólido de Ingenieria de Radiocomunicaciones, Krauss, Cap. 8. Ed. 1994

2.6 Practica: Modulación de FM