INSTITUTO TECNOLOGICO DE TLAHUAC
INTEGRANTES: VELASCO GARCIA IRVIN YOALI VALDIVIA NUÑEZ JORGE ALVARADO DECTOR JUAN JOSE MATERIA:
TELECOMUNICACIONES
FECHA:
27/11/2013
TRABAJO:
INFORME DE TRANSMISOR TRANSMISOR FM
TRANSMISOR FM
1. INTRODUCCCIÓN Definiciones Importantes. Onda: Es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vacío
(ejemplo clásico de esto son las ondas que produce tirar una piedra a un estanque). Pues bien, las ONDAS SONORAS (que utilizan el aire como medio de propagación y van a una velocidad aproximada de 300 metros por segundo) tienen la virtud de estimular el oído humano y generar la sensación sonora. Evidentemente, no todas las ondas pueden ser percibidas por el oído humano, el cual es sensible únicamente a aquellas cuya frecuencia (número de ciclos que efectúa una onda por unidad de tiempo) está comprendida entre los 20 y los 20.000 Hz. Ejemplo claro, es el sonido producido por los silbatos para perros que al tener una frecuencia superior a 15.000 Hz no es oído por las personas y sí por estos animales que oyen esas frecuencias. De todas formas, oímos mejor (distinguimos más) las frecuencias medias, luego las bajas y por último las agudas o altas. Longitud de onda: Es igual a la velocidad de propagación dividida entre la frecuencia de la onda. Como la
velocidad de propagación de las ondas es casi constante (depende del medio de propagación, etc. por ejemplo en el aire es de 300 metros por segundo) a mayor frecuencia, menor es la longitud de la onda y por tanto más difícil son las interferencias. Espectro de frecuencias:
Para FM, se utiliza el rango concreto de las Frecuencias Muy Altas (VHF Very High Frecuency). Ese rango utilizado es de 87.500 Hz hasta 108.000 Hz. La señal de radio frecuencia (RF) que es transmitida por la antena y que llega a nuestro receptor se llama PORTADORA. Cuando sólo está emitiendo el excitador (no ponemos música), se le denomina PORTADORA ESTACIONARIA. Cuando mandamos información (música) obtenemos la PORTADORA MODULADA. A la acción que produce esto, se le llama MODULACIÓN. La modulación se produce en un circuito llamado MODULADOR. Uno de los métodos de modulación que se utilizan es: la onda senoidal varía al ritmo de frecuencia de audio, y se superpone a la portadora de RF para transmitir la información. Existe MODULACIÓN DE AMPLITUD (AM), en la que se varía la amplitud de la portadora y MODULACIÓN DE FRECUENCIA (FM), que varía la frecuencia de la portadora. En resumen, el excitador crea una portadora modulada en frecuencia (el oscilador crea una portadora que se une a la audiofrecuencia), se envía a la antena, y ésta, crea un campo magnético y otro campo electrostático a su alrededor, que radian la energía a la atmósfera, donde existen diferentes partículas que tienen carga, y por reflexión, “reenvían” las ondas radioeléctricas, y así llega a nuestro receptor que por un
proceso inverso convierte la radiofrecuencia en frecuencia audible para el ser humano. 2. FRECUENCIA MODULADA.
Señal Moduladora (Datos)
Señal Portadora
Señal Modulada En telecomunicaciones, la frecuencia modulada (FM) o modulación de frecuencia es una modulación angular que transmite información a través de una onda portadora variando su frecuencia (contrastando esta con la amplitud modulada o modulación de amplitud (AM), en donde la amplitud de la onda es variada mientras que su frecuencia se mantiene constante). En aplicaciones analógicas, la frecuencia instantánea de la señal modulada es proporcional al valor instantáneo de la señal moduladora. Datos digitales pueden ser enviados por el desplazamiento de la onda de frecuencia entre un conjunto de valores discretos, una modulación conocida como FSK. La frecuencia modulada es usada comúnmente en las radiofrecuencias de muy alta frecuencia por la alta fidelidad de la radiodifusión de la música y el habla (véase Radio FM). El sonido de la televisión analógica también es difundido por medio de FM. Un formulario de banda estrecha se utiliza para comunicaciones de voz en la radio comercial y en las configuraciones de aficionados. El tipo usado en la radiodifusión FM es generalmente llamado amplia-FM o W-FM (de la siglas en inglés "Wide-FM"). En la radio de dos vías, la banda estrecha o N-FM (de la siglas en inglés "Narrow-FM") es utilizada para ahorrar banda estrecha. Además, se utiliza para enviar señales al espacio.
La frecuencia modulada también se utiliza en las frecuencias intermedias de la mayoría de los sistemas de vídeo analógico, incluyendo VHS, para registrar la luminancia (blanco y negro) de la señal de video. La frecuencia modulada es el único método factible para la grabación de video y para recuperar de la cinta magnética sin la distorsión extrema, como las señales de vídeo con una gran variedad de componentes de frecuencia - de unos pocos hercios a varios megahercios, siendo también demasiado amplia para trabajar con equalisers con la deuda al ruido electrónico debajo de -60 dB. La FM también mantiene la cinta en el nivel de saturación, y, por tanto, actúa como una forma de reducción de ruido del audio, y un simple corrector puede enmascarar variaciones en la salida de la reproducción, y que la captura del efecto de FM elimina a través de impresión y pre-eco. Un piloto de tono continuo, si se añade a la señal - que se hizo en V2000 o video 2000 y muchos formatos de alta banda - puede mantener el temblor mecánico bajo control y ayudar al tiempo de corrección. La frecuencia modulada también se utiliza en las frecuencias de audio para sintetizar sonido. Está técnica, conocida como síntesis FM, fue popularizada a principios de los sintetizadores digitales y se convirtió en una característica estándar para varias generaciones de tarjetas de sonido de computadoras personales. En un comienzo, y para emisoras de radio, sólo se emitía en AM, por diversas cuestiones técnicas, entre las que podemos citar que con un sólo transmisor abarcaban bastante territorio. Un inconveniente importante de la modulación en amplitud es la presencia de interferencias y estáticos, además si la amplitud de la señal transmitida aumenta, también aumenta la amplitud del ruido. Los sistemas FM requieren mayor anchura de banda y se demuestra que la relación señal/ruido de la señal transmitida aumenta, es decir, aumenta la calidad de la señal.
La frecuencia de portadora de un transmisor de FM se denomina FRECUENCIA CENTRAL O DE REPOSO. Cuando es aplicada una señal moduladora, la magnitud de la variación de frecuencia por encima o por debajo de la frecuencia de reposo se denomina DESVIACIÓN DE FRECUENCIA. La variación total entre los valores mínimo y máximo de frecuencia se llama EXCURSIÓN U OSCILACIÓN DE PORTADORA.
3. PARTES DE UN TRANSMISOR ANTENA El funcionamiento de la antena es sencillo. Desde el emisor llega corriente y la antena crea un campo magnético y otro campo electrostático a su alrededor que radian la energía al espacio. Existen varios tipos de antena que se clasifican de diferentes formas según sus caracteristicas: tipo de dirección (direccional, onmidireccional...) por cantidad de dipolos que tengan (un dipolo, bipolar), etc CABLE El cable es un elemento esencial para un buen aprovechamiento de la potencia del emisor. Debe ser de calidad, es decir apantallado, y lo menos largo posible para evitar pérdidas. El emisor, el cable y la antena deberan estar acopladas para evitar estacionarias grandes (ondas que rebotan en antena y vuelven a emisor) . EMISOR En realidad se llaman transmisores o excitadores (este último nombre se utiliza si después de él, existe un amplificador de potencia). Existen transmisores de estado sólido (más frecuentes) o a válvulas. Un excitador de frecuencia modulada, básicamente hace lo siguiente: crea una señal portadora continua que, con las variaciones de audio provenientes del compresor, que a su vez provienen de la mesa de mezclas, forman una portadora modulada en frecuencia que manda hacia la antena y esta hacia la atmósfera.
4. FUNCIONAMIENTO DE UN TRANSMISOR FM Diagrama de Bloques
Oscilador 1
Oscilador 2 Antena
Mezclador Micrófono
Amplificador
Modulador FM
Amplificador
El micrófono es el dispositivo encargado de transformar la potencia de la voz (ondas de presión) en una señal eléctrica. La voz humana tiene tonos entre 300Hz y 5KHz, y por tanto la señal eléctrica a la salida del micrófono ocupa un ancho de banda desde 300Hz a 5KHz. Existen principalmente dos tipos de micrófonos; los magnéticos y los de condensadores. Ambos funcionan de forma similar, a través de la presión de la voz se deforma una membrana que hace variar las propiedades eléctricas del componente en cuestión (la inductancia en el caso de un micrófono magnético y la capacidad en el caso de un micrófono condensador). La primera etapa de amplificación es la encargada de amplificar la señal para poder atacar las etapas siguientes. La señal proveniente del micrófono es un a señal con poca potencia que necesita ser amplificada antes de entrar en el modulador. La señal a la salida de la etapa amplificadora ocupa el mismo rango de frecuencias ya que en esta etapa no se produce translación frecuencial.
La señal se desea transmitir con modulación FM, es decir, modulada en frecuencia. Para ello hace falta introducir la señal en una etapa de modulación junto con un tono proveniente del Oscilador 1. La señal proveniente de micrófono actúa como moduladora y la señal del Oscilador 1 será la portadora. El espectro de frecuencias de la señal a la salida de la etapa de modulación se encuentra centrado a la frecuen cia de la portadora (Oscilador 1) y ocupa en torno a esta frecuencia un ancho de aproximadamente 5KHz. La figura ilustra el espectro de frecuencia de las señales a la salida del micrófono, a la salida de la primera etapa de amplificación y a la salida de la etapa de modulación.
5KHz
P
300Hz
F_osc1
5KHz
f
El bloque posterior al modulador, el mezclador , tiene como objetivo elevar la frecuencia de la señal transmitida hasta un valor libre donde podamos transmitir. El espectro frecuencial está regulado por las Administraciones Públicas que conceden licencias de utilización. Así, de 88MHz hasta los 108MHz se reserva para las emisoras de radio con modulación FM, en torno a los 900MHz se encuentran los canales de telefonía móvil GSM, a 1575MHz el GPS, etc. El espectro de frecuencia de la señal a la salida del Mezclador es el mismo que a la salida del modulador pero trasladado un valor igual que la frecuencia del Oscilador 2. En la figura se muestra de forma esquemática el espectro de frecuencia a la salida de la etapa de modulación, el espectro del Oscilador 2 y de la salida del Mezclador.
P
5KHz
5KHz
F_osc1
F_osc2
F_osc2 + F_osc1
f
A través de la frecuencia de la señal del Oscilador 2 se puede seleccionar en qué canal se desea transmitir dentro del rango entre 88MHz y 108MHz que se tiene reservado. El amplificador de salida permite dotar a la señal de potencia suficiente para cubrir el rango de alcance que se desea. Para aumentar el rango de alcance de un transmisor de FM habrá que conseguir aumentar la potencia con la que se emite, es decir, aumentar la ganancia del amplificador a la salida. Acoplador de antena , circuito que provee un medio de transferir la máxima energía desde el amplificador
final hasta la antena.
La antena es el elemento que transforma las señales eléctricas que se encuentran contenidas en el interior del circuito en ondas electromagnéticos que viajan por el aire. Este dispositivo radia la información al exterior. Esquema circuital:
Antena
Modulador, mezclador y a mplificador de salida
Pto 3 R3 C6
C2
L1
R4
R6
Pto 4 C7 R5
TR1
C1
+ C3 TR2 C5 + Micrófono
C4
R2
R1
P1
Pto 5
Amplificador de señal Micrófono y acondicionador de señal
En resumen, un transmisor consta de un oscilador que genera la señal, uno o más pasos intermedios y un amplificador de potencia que está conectado a la antena a través de un circuito de acoplo. TIPOS DE MODULADORES Y TRANSMISORES FM
Moduladores de FM directos
La FM directa es la modulación angular en la cual la frecuencia de la portadora varía (es desviada)
directamente por la señal modulante. Con la FM directa, la desviación de frecuencia instantánea es directamente proporcional a la amplitud de la señal modulante. La figura 6-14 muestra un diagrama esquemático para un generador de FM simple (aunque altamente impráctico) y directo. El circuito tanque (L y C m ) es la sección para determinar la frecuencia para un oscilador LC estándar. El capacitor del micrófono es un transductor que convierte la energía acústica a energía mecánica, la cual se usa para variar la distancia, entre las placas de Cm y, consecuentemente, cambiar su capacitancia. Conforme Cm varía, la frecuencia de resonancia varía. Por lo tanto, la frecuencia de salida del oscilador varía directamente con la fuente de sonido externa. Esta es la FM directa porque la frecuencia del oscilador se cambia directamente por la señal modulante y la magnitud del cambio de frecuencia es proporcional a la amplitud del voltaje de la señal modulante.
Moduladores de diodo varactor
El diagrama esquemático para un generador de FM más práctico y directo que usa un diodo varactor para desviar la frecuencia de un oscilador de cristal. R1 y R2 desarrollan un voltaje de c.c. que invierte el diodo varactor polarizado VD1 y determinan la frecuencia de reposo del oscilador. El voltaje de la señal modulante externa agrega y resta del nivel de c.c. polarizado, lo cual cambia la capacitancia del diodo y p or lo tanto la frecuencia de oscilación. Los cambios positivos de la señal modulante incrementan la polarización inversa sobre VD1, la cual disminuye su capacitancia e incrementa la frecuencia de la oscilación. Al contrario, los cambios negativos de la señal modulante disminuyen la frecuencia de la oscilación. Los moduladores de FM de diodo varactor, son extremadamente populares, porque son fáciles de usar, confiables y tienen la estabilidad de un oscilador de cristal. Sin embargo, debido a que se usa un cristal, la desviación de frecuencia pico se limita a valores relativamente pequeños. Consecuentemente, se usan principalmente para las aplicaciones de banda angosta (índice bajo) por ejemplo en un radio móvil semi duplex.
Modulador de reactancia de fm
La siguiente figura muestra un diagrama esquemático para un modulador de reactancia por que el usando un JFET como dispositivo activo. Esta configuración del circuito se llama modulador de reactancia por que el JFET observa como una carga de reactancia variable al circuido tanque LC. La señal modulante varía en la reactancia de Q1, lo cual causa un cambio correspondiente en la frecuencia resonante del circuito tanque del oscilador. El capacitor C que está en serie con el resistor de compuerta, tiene un valor muy pequeño de manera tal que su reactancia sea muy grande con respecto a R . Como la corriente de drenaje es directamente proporcional a la tensión de compuerta, está en fase con ella. La tensión en R es prácticamente toda la tensión de drenaje y por ser resistivas las ramas de R y del tanque en resonancia, la corriente a través de R está en fase con la tensión. La corriente a través de C, en cambio, adelanta 90º con respecto de la corriente de C. En resumen la tensión de drenaje se encuentra 90º desfasada con la corriente de drenaje, por lo que el JFET visto desde la carga se comporta como un capacitor.
Moduladores de FM directos de circuito integrado lineal
Los osciladores de voltaje controlado de circuito integrado lineal y gen erador de funciones pueden generar una forma de onda de salida de FM directa que se realiza relativamente estable, exacta y directamente proporcional a la señal modulante de entrada. La desventaja principal de usar LIC VCO y generaciones de funciones, para la modulación FM directa, es su baja potencia de salida de información y la necesidad de varios componentes externos adicionales para que funcionen, tales como capacitores para tomar el tiempo, resistores para la determinación de frecuencia y filtros para el abastecimiento de potencia.
Transmisores de FM directos Los transmisores de FM directos producen una forma de onda de salida, en la cual la desviación de frecuencia es directamente proporcional a la señal modulante. Consecuentemente, el oscilador de la portadora debe desviarse directamente. Por lo tanto, para los sistemas de FM de índice mediano y alto, el
oscilador no puede ser un cristal, porque la frecuencia a la cual el cristal oscila no puede variarse de manera significativa. Como resultado, la estabilidad de los osciladores en los transmisores de FM directos frecuentemente no puede llenar las especificaciones. Para superar este problema, se utiliza un control de frecuencia automática (AFC) Un circuito de AFC compara la frecuencia de la portadora del oscilador sin cristal con un oscilador de cristal de referencia y, entonces, produce un voltaje de corrección propo rcional a la diferencia entre las dos frecuencias. El voltaje de corrección se regresa al oscilador de la portadora para compensar automáticamente cualquier movimiento que pueda haber ocurrido. Transmisor directo de FM de Crosby.
La figura muestra el diagrama en bloques para un transmisor de banda de radiodifusión comercial. Esta configuración en particular llamada transmisor directo de FM de Crosby e incluye un circuito de AFC (automatic frequency control) El modulador de frecuencia puede ser un modulador de reactancia o un oscilador de voltaje controlado. La frecuencia de descanso de la portadora es la frecuencia de salida no modulada del oscilador principal (fc) Para el transmisor mostrado en la figura 6 -21, la frecuencia central del oscilador principal fc = 5.1 MHz, el cual se multiplica por 18, en tres etapas (3 x 2 x 3), para producir una frecuencia de portadora de transmisión final f1 = 91.8 MHz. En este momento, se deben notar tres aspectos de la conversión de frecuencia. Primero, cuando la frecuencia de una portadora de FM se multiplica, sus desviaciones de frecuencia y de fase se multiplican también. Segundo, la proporción en la cual la portadora se desvía (es decir, la frecuencia de la señal modulante, fm) no se afecta por el proceso de multiplicación. Por lo tanto, el índice de modulación también se multiplica. Tercero, cuando una portadora de modulación angular es heterodinada con otra frecuencia en un mezclador no lineal, la portadora puede convertirse hacia arriba o abajo, dependiendo del filtro de pasa-bandas de salida. Sin embargo, la desviación de frecu encia, desviación de fase y la razón de cambio no se afectan por el proceso de heterodinaje (mezcla).
Transmisor de FM MC1376: (a)diagrama esquemático; (b) curva de respuesta de frecuencia de salida vs. Entrada Por lo tanto, para el transmisor mostrado, las desviaciones de frecuencia y de fase, en la salida del modulador, también se multiplican por 18. Para lograr la máxima desviación de frecuencia emitida a las estaciones de banda de radiodifusión de FM en la antena (75 kHz), la desviación en la salida del modulador debe ser: f=75KHz/18=4166,7Hz
y el índice de modulación debe ser m=4166,7 Hz/ m f
Para la máxima frecuencia de señal modulante permitida, fm = 15 kHz, m=4166.7Hz/15.000Hz=0,2778 Por lo tanto, el índice de modulación en la antena es m = 0.2778(18) = 5 el cual es la relación de desviación para los transmisores de radiodifusión de FM comercial con una señal modulante de 15 kHz.
Transmisor de FM directo de Crosby
Circuito AFC. El propósito del circuito AFC (automatic Frequency control) es lograr una estabilidad casi de
cristal de la frecuencia de la portadora de transmisión sin utilizar un cristal en el oscilador de la portadora. Con la AFC, la señal de la portadora se mezcla con la señal de salida de un oscilador de cristal de referencia en un dispositivo no lineal, convirtiendo en forma descendente la frecuencia y, después, regresándola a la entrada de un discriminador de frecuencia. Un discriminador de frecuencia es un dispositivo selector de frecuencia, cuyo voltaje de salida es proporcional a la diferencia, entre la frecuencia de entrada y su frecuencia resonante (la operación del discriminador se explica en otra parte del curso) Para el transmisor mostrado en la figura 6-21, la salida del duplicador f 2 = 30.6 MHz, que está mezclada con una frecuencia de cristal de referencia controlada fr= 28.6 MHz, para producir una frecuencia de diferencia fd=2 MHz . El
discriminador es un circuito Q (de banda angosta) sintonizado, relativamente alto, que reacciona sólo a las frecuencias cerca de su frecuencia central (2 MHz en este caso) Por lo tanto, el discriminador responde a los cambios a largo plazo y frecuencia baja, en la fr ecuencia central de la portadora debido al arrastre d e la frecuencia del oscilador principal y a que el filtro de pasa-bajos no responde a la desviación de frecuencia producida por la señal modulante. Si el discriminador respondiera a la desviación de frecuencia el circuito de retroalimentación cancelaría la desviación y, por lo tanto, removería la modulación de la onda de FM (este efecto se llama borrado) El voltaje de corrección de c.c. se agrega a la señal modulante para ajustar automáticamente la frecuencia central del oscilador principal, para compensar el arrastre de baja frecuencia. Transmisor de FM directa de circuito de fase cerrada.
La figura 6-22 muestra un transmisor de FM de banda ancha que utiliza un circuito de fase cerrada para lograr una estabilidad de cristal de un oscilador maestro VCO y, al mismo tiempo, generar una señal de salida de FM de banda ancha de índice alto. La frecuencia de salida de VCO se divide por N y se retroalimenta al comparador de fase PLL, en donde se compara a una frecuencia de cristal de referencia estable. El comparador de fase genera un voltaje de corrección que es proporcional a la diferencia entre las dos frecuencias. El voltaje de corrección se agrega a la señal modulante y se aplica a la entrada del VCO. El voltaje de corrección ajusta la frecuencia central del VCO a su valor correcto. Nuevamente, el filtro pasabajos previene los cambios en la frecuencia de salida del VCO, debido a que la señal modulante no se convierte a voltaje, y se retroalimenta al VCO y borra la modulación. El filtro pasabajos también previene que el circuito se adhiera a una frecuencia lateral.
Transmisor de FM de circuito de PLL
Moduladores de FM indirectos La FM indirecta es una modulación angular en la cual la frecuencia de la portadora se desvía indirectamente por la señal modulante. La FM indirecta se logra cambiando directamente la fase de la portadora y es, por lo tanto, una forma de modulación en fase directa. La fase instantánea de la portadora es directamente proporcional a la señal modulante. La figura 6-20 muestra un diagrama esquemático para un modulador de FM indirecto. El modulador consiste de un diodo varactor VD, en serie con una red inductiva (bobina sintonizable L, y el resistor R) La red combinada, serie-paralelo, aparece como un circuito resonante en serie a la frecuencia de salida del oscilador de cristal. Una señal modulante se aplica a VD,, el cual cambia su capacitancia y, consecuentemente, el ángulo de fase de la impedancia visto por la portadora varía, lo cual resulta en un desplazamiento en fase correspondiente en la portadora. El desplazamiento en la fase es directamente proporcional a la amplitud de la señal modulante. Una ventaja del FM indirecto es que se usa un oscilador de cristal con búfer para la fuente de la señal de la portadora. Consecuentemente, los transmisores de FM indirectos son más estables en la frecuencia que sus contrapartes directas. Una desventaja es que las características de capacitancia vs voltaje de un diodo varactor no son lineales. En realidad, se parecen bastante a una función de raíz cuadrada. Consecuentemente, para minimizar la distorsión en la forma de onda modulada, la amplitud de la señal modulante debe mantenerse bastante pequeña, lo cual limita la desviación de fase a valores pequeños y sus usos a las aplicaciones de banda angosta de índice bajo.
Diagrama esquemático de un modulador de FM indirecto
Transmisores de FM indirectos
Los transmisores de FM indirectos producen una forma de onda de salida, en la cual la desviación de fase es directamente proporcional a la señal modulante. Consecuentemente, el oscilador de la portadora no se desvía directamente. Por lo tanto, el oscilador de la portadora puede ser un cristal, ya que el oscilador, por sí mismo, no es el modulador. Como resultado, la estabilidad de los osciladores con transmisores de FM indirectos pueden llenar las esp ecificaciones del FCC sin utilizar un circuito de AFC. Transmisor FM indirecto de Armstrong. Con la FM indirecta, la señal modulante desvía directamente la
fase de la portadora, la cual cambia indirectamente la frecuencia. La figura 6-23 muestra el diagrama a
bloques para un transmisor de FM indirecto de Armstrong de banda ancha. La fuente de la portadora es un cristal. Por lo tanto, los requerimientos de estabilidad para la frecuencia de la portadora establecida por la FCC, se pueden lograr sin usar un circuito de AFC. Con un transmisor de Armstrong, una portadora de frecuencia relativamente baja (fc) se cambia de fase 0° (fc') y se alimenta a un modulador balanceado, en donde se mezcla con la señal modulante de entrada (fm) La salida del modulador balanceado es una onda portadora de doble banda lateral con portadora suprimida que se combina, con la portadora original en una red de combinación, para producir una forma de onda modulada en fase con índice bajo.
Bibliografía:
www.electronicacompleta.com
www.telsatbolivia.com
www.forosdeelectronica.com
www.elo.utfsm.cl
