COMUNICACIONES COMUNICACIONES I. ESCUELA DE INGENIERIA ELCTRONICA-UPTC
Laboratorio Comunicaciones I. Practica 1. Transmisor AM. David Alejandro Chaparro, Julio Cesar Rodríguez @uptc.edu.co
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RESUMEN: En el presente informe analizamos la modulación en onda continua, primordialmente toda la teoría de comunicaciones, relacionada con la modulación en amplitud. Se implementara un transmisor de AM describiendo sus partes fundamentales; con un oscilador de 1230 KHz de onda portadora, hasta el modulador de producto para obtener la señal de onda modulada. Además de las consideraciones y ajustes en el proceso de comunicación.
I.
INTRODUCCION
El objetivo de un sistema de comunicación es transmitir señales que contienen información a través de un canal de comunicación que separa el transmisor del receptor. A partir de la invención invención de la radio y las comunicaciones, comunicaciones, se han diseñado circuitos que permiten transmitir información de un sitio a otro. la modulación en amplitud ha sido de gran acogida por su simplicidad en el momento de ser implementada, aunque presenta desventajas de tipo espectral respecto a su ancho de banda. La modulación se realiza en el extremo de trasmisión del sistema de comunicación, donde interactúan la señal mensaje y una onda portadora que modifica sis características características dependiendo de la señal mensaje. Inicialmente se muestra el marco teórico correspondiente a la transmisión de señales por medio de la mostrando el análisis, matemático correspondiente en el dominio de la frecuencia. Luego se continúa con el diseño implementado, como transmisor de am. Y por último se muestran y analizan los resultados encontrados, así como las dificultades encontradas en el desarrollo d e la práctica.
• •
Protoboard. Resistencias, Resistencias, Condensadores, Cables, otros
IV. MARCO TEORICO La modulación se define como el proceso de transformar información de su forma original a una forma mas adecuada para la transmisión. La modulación modulación se realza en el trasmisor en un circuito llamado modulador; el cual puede ser en amplitud o de manera angular. La modulación en amplitud es el proceso de cambiar de una portadora de frecuencia relativamente alta de acuerdo con la amplitud de la señal modulante (información). Considerar la portadora sinusoidal dada por la ecuación (1), donde Ac es la amplitud de la portadora y Fc es la frecuencia de la portadora. Por conveniencia asumimos que la fase de la portadora es cero. c (t) = Ac cos (2π (2 πfct)
(1)
Sea m (t) la señal banda base que contiene la información. La señal c (t) es independiente de m (t). La modulación de amplitud (AM) se define como el proceso en el cual la amplitud de la portadora c(t) varia en torno a un valor medio de forma lineal con la señal banda base m(t) según la ecuación (2), donde ka es una constante denominada sensibilidad en amplitud del modulador s (t) = Ac [1 + kam(t)] cos(2π cos(2πfct)
(2)
Si suponemos que Ac es igual a la unidad y m (t) es la señal de la figura 1, se pueden d ar dos casos:
II. OBJETIVOS • Diseñar e implementar un sistema sistema que permita la transmisión de señales por medio de modulación de amplitud. • Implementar un oscilador oscilador que permita la generación de la señal portadora. • Implementar un modulador modulador que permita realizar el producto de la señal portadora y la señal mensaje. mensaje.
III. MATERIALES • •
Generador de Señale XR2206. Modulador de producto AD633.
Figura 1. Señal moduladora
• Si |kam(t)| |kam(t)| < 1 se tiene la la señal modulada de la Figura 2
TRANSMISOR AM - INFORME DE LABORATORIO 1.
la transformada de Fourier de la señal modulada S(f) dada por la ecuación (4) se pu ede ver en la Figura 5.
Figura 2. Señal modulada sin sobremodulacion.
• Si |kam (t)| > 1 se tiene la señal modulada de la Figura 3. Fig. 5. Espectro de la señal modulada
De la Figura 5 se puede destacar lo siguiente:
Figura 3. Señal modulada con sobremodulacion
Se puede observar que para qu e la envolvente de la señal siga la forma de la señal banda base m (t) se deben satisfacer dos condiciones: • Que |kam (t)| < 1. Esto asegura que 1 + kam (t) es siempre positivo y podemos expresar la envolvente de la señal s(t) como Ac [1 + kam (t)]. Cuando |kam(t)| > 1 debido a que la sensibilidad en amplitud ka es demasiado grande, la señal AM se dice que esta sobre modulada, resultado que la fase de la señal AM se invierte siempre que 1+kam(t) cambia de signo. Lo que va a dar lugar a una distorsión en la envolvente. Es evidente ver que si no hay sobre modulación hay una relación univoca entre la envolvente de la señal AM y la señal moduladora. El valor absoluto máximo de kam (t) multiplicado por cien se denomina porcentaje de modulación. • La frecuencia de la portadora fc sea mucho mayor que la componente frecuencial superior de m(t), según la ecuación (3), donde W es el ancho de banda de m (t). Si esto no se satisface, la envolvente no seguirá a la señal moduladora [2]. Fc >> W (3).
• Para frecuencias positivas la parte del espectro por encima de fc y para frecuencias negativas la parte del espectro por debajo de −fc se denomina banda lateral superior (USB: Upper SideBand) y para frecuencias positivas la parte del espectro por debajo de fc y para frecuencias negativas la parte del espectro por encima de −fc se denomina banda lateral inferior (LSB: Lower SideBand). La condición fc > W asegura que las bandas laterales inferiores (la positiva y la negativa) no se solapen. • Para frecuencias positivas, la componente frecuencial superior es fc + W y la inferior fc − W. La diferencia entre ambas define el ancho de banda de transmisión de la señal AM que se representa mediante BT y viene dado por la ecuación (5). BT = 2W
(5)
V. PROCEDIMIENTO
Para el presente trasmisor AM se basa en el esquema mostrado en la figura 6, que corresponde a un modulador de producto.
Calculando ahora la transformada de Fourier de la señal modulada de la ecuación (2) se tiene la ecuación (4). S(f) = Ac/2[δ(f − fc) + δ(f + fc)] + kaAc/2 [M(f − fc) + M(f − fc)] (4) Si suponemos que la transformada de Fourier de la señal moduladora M(f) tiene la forma de la figura 4, observando el ancho de pulso de la señal.
Fig. 4. Espectro de la señal moduladora
Figura 6. Transmisor AM.
En donde la señal de banda base es la señal de audio que se va a transmitir, la portadora es un oscilador a la frecuencia de transmisión y la onda modulada de DSB-SC es el producto de las señales anteriormente mencionadas. Basados en tres etapas fundamentales; la primera la generación de la onda portadora que para el caso es de 1250KHz. La segunda se refiere al modulador de producto; y la tercera se debe a una amplificación de la señal modulada, su implementación se explicara a continuación.
A. Oscilador de 1250 KHz. Debido a la alta frecuencia de transmisión requerida se utiliza el oscilador CI XR-2206, debido a la frecuencia de
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operación de algunos amplificadores operacionales y a la complejidad de su montaje con puente de wien. El XR-2206 es un circuito integrado generador de funciones monolíticas capaz de producir señales de alta calidad tales como seno, cuadrada, triangular, rampas, y formas de onda pulso de alta estabilidad y precisión. Las formas de onda de salida pueden ser a la vez la amplitud y la frecuencia modulada por una tensión externa. La frecuencia de operación puede ser seleccionada externamente en un rango de 0,01 Hz a más de 1MHz. El circuito es ideal para aplicaciones de comunicación, instrumentación y aplicaciones que requieren de un generador de funciones con tono sinusoidal, la generación de AM, FM, o FSK. Se compone de cuatro bloques funcionales; un oscilador controlado por tensión (VCO), un multiplicador analógico y seno-conformador; un buffer amplificador de ganancia unitaria; y un conjunto de conmutadores de corriente. El VCO produce una frecuencia de salida proporcional a una corriente de entrada, que se fija por una resistencia de las terminales de temporización a tierra. Con dos pasadores de sincronización, dos frecuencias de salida discreta se pueden producir de forma independiente para aplicaciones de generación de FSK utilizando el pin de control de entrada de FSK. Esta entrada controla los interruptores de corriente que seleccionan una de las corrientes de resistencia de los tiempo y la encamine a la VCO. La Figura 7 muestra la conexión del circuito para generar una salida sinusoidal. El potenciómetro, R1, proporciona la sintonización de la frecuencia deseada. La oscilación de salida máxima es mayor que V + / 2, y la distorsión típica (THD) es <2,5%. Si se desea menor distorsión de la onda sinusoidal, ajustes adicionales se pueden proporcionar como se describe en la siguiente sección.
Figura 8. Oscilador a 1230KHz con XR-2206.
Observación: no se implementó una frecuencia de 1250KHz debido a que experimentalmente se encontraron en algunos radios de AM emisoras trabajando en ese rango de frecuencia.
B. Modulador de producto. Para el caso del modulador de producto se utilizó el circuito integrado multiplicador AD633. El AD633 es un multiplicador de bajo costo que comprende un núcleo translineal, una referencia Zener, y un amplificador de salida de ganancia unitaria conectado con un nod o de suma accesible. La figura 9 describe el interior de este chip con un diagrama de bloques funcional. Los diferenciales entradas X e Y se convierten a la diferencia de las corrientes de convertidores de voltaje a corriente.
Figura 9. Diagrama de bloques funcional AD633
Figura 7. Circuito para la generación de la señal seno
La frecuencia de oscilación, fo, se determina por el condensador de temporización externa, C, a través de pines 5 y 6, y por la resistencia de temporización, R, conectada a cualquiera Pin 7 u 8. La frecuencia se da como:
Aunque esta se puede ajustar variando R o C. En la figura 8 se observa la respuesta del oscilador con una frecuencia de 1230 KHz y la amplitud para la prueba es de 1.15vpp.
El producto de estas corrientes es generado por el núcleo multiplicador. Una referencia Zener proporciona un factor de escala global de 10 V. La suma de (X × Y) / 10 + Z se aplica entonces al amplificador de salida. El amplificador sumador nodo Z permite al usuario añadir dos o más salidas del multiplicador, convertir el voltaje de salida a una corriente, y configurar diversas funciones de cálculo analógicos. La Figura 10 muestra las conexiones básicas para la multiplicación. Las entradas X e Y normalmente tienen sus nodos conectados a tierra negativos, pero son completamente diferenciales, y en muchas aplicaciones las entradas conectadas a tierra pueden ser invertidos (para facilitar la interconexión con señales de una p olaridad particular, mientras que el logro de algunos polaridad de salida deseada) o ambos pueden estar no invertidos
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C. Amplificador Av=10
.
Como ya se mencionó, el modulador de producto tiene una reducción de 10; por lo cual, se implementa un amplificador Av =10 para la señal modulada. En la figura 14 se observa el amplificador no inversor implementado y la conexión con el modulador. El oscilador se muestra por medio de un generador de señales en el diagrama pero su interconexión se mostró anteriormente.
Figura 10. Conexión básica del multiplica dor.
Como se observa en la figura 10, la salida del multiplicador se divide en 10 por lo cual, es necesario amplificar la señal modulada a la misma cantidad de la reducción. Dicha configuración se d escribirá más adelante. En la figura 11, se observa la respuesta obtenida por medio de simulador IsisProteus 8; allí se puede apreciar la onda modulada (color azul) en AM. En este caso la onda portadora (color rojo) es modificada de acuerdo a la banda base o señal mensaje. Para este caso la señal mensaje es una señal tomada desde el generador de funciones del simulador.
Figura 12. Transmisor AM con amplificador.
VI. CONCLUSIONES
La frecuencia seleccionada inicialmente presento interferencias con otras emisoras. Esto se presentó en algunos receptores de radio debido a la dificultad en la sintonización de la frecuencia de portadora. Este problema se presentó en algunos radios; por lo que se seleccionó otra frecuencia cercana a lo pedido. Figura 11. Simulación transmisor AM.
En la figura 12, se observa la respuesta real del sistema visto desde el oscilospio. Para este caso obtenemos la señal modulada; por medio de una señal mensaje provista desde el generador de señales, nótese como la señal de portadora se modifica en amplitud de acuerdo a la señal banda base
Se tuvieron problemas al implementar el oscilador con el puente de wien; ya q ue no generaba la frecuencia deseada por el contrario se observaba una frecuencia menor, por lo que se debió recurrir al CI XR-2206. El oscilador presento problemas de amplitud a frecuencias altas, esto se debía a la precisión de potenciómetro de amplitud en el CI. Se debe tener una buena relación entre las amplitudes de las señales; se observó que una amplitud muy grande en portadora saturaba la señal modulada perdiéndose parte de la señal; a su vez, al ser la amplitud de la señal mensaje muy pequeña se perdía parte de la información en los cruces por cero, lo que se evidencia en la figura 12. Se observó que al ser la frecuencia de banda base muy grande se presentan perdidas de cruce por cero.
Figura 12. Transmisor AM con banda base desde el generador
Finalmente en la figura 13 obtenemos la señal modulada con una entrada de audio, en este caso dicha señal se amplifica 10 veces. Obsérvese como a pesar de que la señal de audio no es una señal propiamente periódica y que no se presenta de manera habitual como un seno desde el generador; se observa que la portadora se modifica de acuerdo a los armónicos de banda base.
Al no cumplirse la condición de |kam (t)| < 1 en los cruces por cero se presentaron trasnlapaciones; aunque no se verifico la sensibilidad de transmisión si se observó dicha translapacion. Debido a que la salida del multiplicador dividía la señal en 10, se tuvo que amplificar y se escogió un amplificador no inversor con ganancia de 11 por diseño.
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Al seleccionar una frecuencia muy cercana a emisoras locales el mensaje no se mantenía constante y se perdía intermitentemente. Se observó que a frecuencias muy altas se generaban armónicos en la señal, si la amplitud iba decreciendo conforme aumenta el número de armónicos. Se logró implementar un transmisor AM usando un módulo de producto con una señal de audio como mensaje y una señal portadora de 1230KHz.
REFERENCIAS
HAYKING. Simon. Sistemas de comunicacion. Cuarte Edicion. 2002 TOMASI, Wayne. Sistemas de comunicaciones electrónicas, comunicaciones. Caurta edicion SAVANT . C.J. Diseño Electronico. Tercera edicion .2001 MALVINO . Albert Paul Principios de Electronica. Sexta Edicion. 2000 http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/A/D/6/3/AD633. shtml http://lmi.bwh.harvard.edu/papers/pdfs/2002/martinfernandezCOURSE02.pdf
