UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS LABORATORIO DE TELECOMUNICACIONES
2006-I
MODULACIÓN AM I.
OBJETIVO: -
Comprobar en forma práctica los principios de la modulación y demodulación AM
-
Análisis espectral de sistemas de AM de doble banda y banda lateral
-
Determinación del patrón XY e índice de modulación.
II. FUNDAMENTO TEÓRICO MODULACIÓN ANALÓGICA O DE ONDA CONTINUA (CW) Es el proceso por el cual un parámetro de una señal senoidal de alta frecuencia se hace variar en forma proporcional al mensaje f(t). Con la modulación los mensajes se trasladan a altas frecuencias permitiendo su transmisión por radiofrecuencia (RF) o su adaptación al medio de transmisión. En todo proceso de modulación se presentan las siguientes señales: a) Señal modulante. Señal moduladora o de Banda Base. Es la señal de información o mensaje a transmitir. En general es de bajas frecuencias y es limitada en banda mediante un filtro pasabajos. Ej. Las señales de laboratorio de un generador de señales, señales de audio producidas en una radioemisora, etc. b) Señal Portadora. Señal sinusoidal de alta frecuencia, dada por la forma de onda: fc(t) = A Sen(wct + φ). Usando esta señal se logra desplazar a frecuencias superiores la señal modulante. c) Señal Modulada. Señal de alta frecuencia que se obtiene de la variación de la amplitud ( A ), frecuencia ( wc ) o fase ( φ ) de la señal portadora de acuerdo con las características de la señal moduladora. Es típicamente la señal que se transmite. Entre las señales moduladas más comunes tenemos: AM, FM, FSK, etc. d) Señal Demodulada. La demodulación es el proceso mediante el cual se recupera la señal original de banda base o mensaje, a partir de la señal modulada. La señal demodulada es la señal resultante del proceso de demodulación.
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Importancia de la modulación: La modulación es muy importante en el desarrollo de sistemas de telecomunicación: Receptor
Emisor
λ/4 m(t)
Transductor
f(t)
Modulador CW
λ
c = 4 4f
Canal
Antena
Antena
Demodulador CW
Transductor
~ (t ) m
conector
conector 8
c = 3 x 10 m/s
f = frecuencia en Hz,
Gracias a la modulación es posible la radio comunicación. En el medio aire se requieren antenas de aprox. λ/4 de tamaño (λ = longitud de onda) para que la radiación sea eficiente. Como en general las señales producidas por el hombre son de bajas frecuencias se necesitarían antenas de grandes dimensiones para su propagación. Para transmitir un tono de voz de 4 KHz, se necesitaría una antena de λ/4 = 18.75 km, irrealizable para la transmisión por radio. Sin embargo si usamos modulación con una portadora de 1 MHz se necesitaría antenas de λ/4 = 75m para transmitir el tono de voz de 4 KHz por radio frecuencia. MODULACIÓN EN AMPLITUD (AM) Es el proceso por el cual se varía la amplitud de la señal portadora senoidal de alta frecuencia de acuerdo con la forma de onda de la señal modulante. Es la modulación más sencilla y fácil de entender. Su principal aplicación es la radiodifusión AM comercial, que transmite señales de audio con una calidad aceptable, alcance regional y a frecuencias entre los 540 a 1600
KHz, rango en el cual se obtiene el mejor
desempeño posible. En el siguiente esquema se puede observar lo descrito anteriormente:
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En la experiencia del laboratorio, tanto nuestra señal modulante como nuestra portadora serán señales senoidales, las cuales serán obtenidas de un generador de señales. Se obtendrán, de esta forma, las siguientes formas de onda: Señal Portadora 1
0 -1 0
0.1
0.2 0.3 Tim e (second)
0.4
0.5
0.2 0.3 Tim e (second)
0.4
0.5
0.2 0.3 Tim e (sec ond)
0.4
0.5
Señal Portadora o Mensaje(Banda Base) 1
0 -1 0
0.1
Onda Modulada en Amplitud 1
0
-1
0
0.1
DEMODULACIÓN O DETECCIÓN DE AM Proceso usado para recuperar la señal de información, a partir de cualquier tipo de señal AM modulada. Hay 2 tipos de detección: •
Demodulación síncrona o coherente requiere en el receptor una portadora de frecuencia y fase totalmente sincronizada con la portadora del transmisor. Este tipo de detección es complejo y costoso por lo que sólo se usa en la demodulación de señales AM sin portadora presente.
•
Demodulación por detección de envolvente o no coherente no requiere en el receptor de una portadora sincronizada. Basta un dispositivo simple que detecte la envolvente de la señal modulada AM. Sólo se usa en señales AM con portadora presente.
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Otras técnicas de modulación AM La AM comercial no es la una única forma de modulación en amplitud. Existen varias técnicas, siendo las principales las que se describen a continuación:
Doble banda
AM
Con portadora
Sin portadora
AM-DSB-LC
AM-DSB-SC
•
Se transmite onda modulada más portadora no modulada.
•
La portadora genera un nivel DC que permite recuperar la información mediante un detector de envolvente.
•
•
Se deja de transmitir la portadora para obtener mayor eficiencia en el consumo de potencia del transmisor.
•
No es posible realizar detección de envolvente.
Es la técnica utilizada en la radiodifusión AM comercial.
AM-SSB-RC
AM-SSB-SC
Se transmite una sola banda lateral y la portadora.
•
Se transmite una sola banda lateral y sin portadora.
•
Como la portadora se atenúa al filtrar una banda, esta técnica se conoce como modulación de una sola banda con portadora residual.
•
También es conocida como modulación de banda lateral única AM-BLU.
Banda única
•
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Índice de modulación (m) Es uno de los parámetros más utilizados en el análisis de los sistemas AM con portadora presente. El índice “m” expresa el grado de modulación de la portadora y se define por la siguiente relación:
m=
D−d D+d
D
d
D = amplitud pico a pico de la señal AM d = separación mínima entre los envolventes de AM Usando el modo XY con la señal modulante en X y la señal AM en Y, se obtiene el patrón XY con sus bases mayor y menor que miden ‘D’ y ‘d’ respectivamente. En el límite de la detección por envolvente la señal AM es 100% modulada y el patrón XY se vuelve triangular. DESCRIPCIÓN DE MÓDULOS AM Descripción del Modulo 736 201, Transmisor con frecuencia de portadora de 20 kHz Con el modulo 736 201, se pueden generar una variedad de señales AM, por ejemplo: AM con doble banda lateral, AM con banda lateral única, cada uno con o sin portadora y modulación AM en cuadratura. Además este modulo se utiliza para la experimentación de un sistemas de multiplexación en la frecuencia de 2 canales. La siguiente tabla muestra los bloques que la constituyen. Elemento
Símbolo
Modulador
Comentario
Modulador AM
El filtro de entrada determina la frecuencia de corte máxima de señal modulante fNmax = fg = 3.4 kHz.
Filtro pasa bajo 0...3.4kHz
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Se utiliza para la generación de la señal SSB-AM. En este modulo se suprime la Filtro pasa banda
banda lateral inferior, pasando solo la banda de 20.3 kHz a 23.4 kHz.
Oscilador
Genera la señal de reloj maestra, es cuadrada. f0=160 kHz
Divisor de frecuencia
fo/8
Convertidor de
Convierte la señal cuadrada de 20 kHz a una señal senoidal de 20 kHz que se utiliza como portadora para la modulación.
onda cuadrada a senoidal
Amplificador
Divide la frecuencia del oscilador maestro para generar la frecuencia de la portadora.
Σ
Se utiliza para transmitir tanto la información como un tono piloto para la demodulación.
Desfasador
ϕ
Sirve para hacer pruebas de corrimiento de fase de la portadora con el tono piloto utilizado en la demodulación.
Atenuador
- 30 dB
sumador
Convertidor de
Generalmente el tono piloto es de baja potencia (amplitud).
Se utiliza para hacer pruebas de modulación con una onda cuadrada bipolar.
polar a bipolar
Tabla 1: Elementos del Modulador AM
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Descripción del Modulo 736 221, Receptor a 20 kHz Este modulo funciona como demodulador síncrono. Contiene los siguiente bloques: Elemento
Símbolo
Demodulador
Comentario
Demodulador AM
Filtro pasa bajo de salida, frecuencia de corte: 3.4 kHz.
Filtro pasa bajo 0...3.4kHz
Primera
etapa
del
demodulador.
Frecuencia de paso: 20.3 kHz a 23.4 kHz. Filtro pasa banda
Es utilizado por el circuito de recuperación de portadora.
Divisor de frecuencia
fo/8
Parte del circuito de recuperación de portadora con PLL. El tono piloto es de 160 kHz. Produce la frecuencia de 20 kHz para la demodulación sincronía.
VCO
Parte fundamental del circuito de recuperación de portadora. Forma parte del circuito PLL junto con el filtro pasa bajos.
Oscilador controlado por voltaje (VCO) Limitador /
Parte del circuito de recuperación de portadora.
comparador
Tabla 2: Elementos del Demodulador AM
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+15 V
+ 15 V
+15 V
(+5 V)
(+5 V)
Del generador de funciones
CARRIER ON
OFF CH2
CH2
Al osciloscopio Ch2 Al osciloscopio Ch1
0...3.4kHz
USB
USB
0...3.4kHz
fo/8
CARRIER RECOVERY
PLL
Σ
fo/8
VCO
ϕ
PILOT TONE
- 30 dB
P HAS E COMP .
f 0=160 kHz
0V - 15 V
f 0=160 kHz
0V
0V
-15 V
-15 V 736 201
736 221
Figura A: Esquema de modulación AM
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2 Resistencias 4.7 K 1 Resistencia 1 K 1 Resistencia 150 ohm 2 Potenciómetros 10 K 1 Potenciómetro 100 K 1 Módulo 736 201 Transmisor a 20 kHz 1 Módulo 736 221 Receptor a 20 kHz 1 Módulo 736 211 Transmisor a 16 kHz 1 Módulo 736 231 Receptor a 16 kHz 1 Fuente de poder o de alimentación + 15V - 1 Osciloscopio Tektronix con opción FFT - 1 Generador de funciones Tektronix CFG - Cables y conectores. -
III. MATERIAL REQUERIDO: -
1 1 1 2 1 1 1 1 2 1 1 2 2 1
CI XR2206 Diodo 1N4148 ó 1N4149 Condensador 100 Condensadores 0.001 Condensador 0.01 Condensador 0.1 Condensador 0.5 Condensador 1 Condensadores 4.7 Condensador 10 Condensador 22 Resistencias 100 Resistencias 10 Resistencia 6.8
pF µF µF µF µF µF µF µF µF K K K
Códigos de condensadores
Código de colores
1
101 = 10 x 10 pF = 100 pF = 0.1 nF 102 = 10 x 102 pF = 103 pF = 1 nF 103 = 10 x 103 pF = 104 pF = 0.01 µF 104 = 10 x 104 pF = 105 pF = 0.1 µF 153 = 0.015 µF 223 = 0.022 µF 502 = 5 nF
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Negro Marrón Rojo Naranja Amarillo Verde Azul Violeta Plomo Blanco
IV. ACTIVIDADES A REALIZAR: Nº
DESCRIPCIÓN
DURACIÓN
PUNTAJE
1
Prueba de entrada
15 min
4 ptos
2
AM convencional
20 min
3 ptos
3
Detector de envolvente
20 min
3 ptos
4
Módulos de trabajo
20 min
3 ptos
5
Matlab
INF
-
6
Cuestionario
INF
-
Informe Final de laboratorio (INF)
(7 puntos)
Cada grupo deberá presentar un informe impreso una semana después de haberse realizado la experiencia. En él se evaluará dos aspectos: Desarrollo del trabajo en Matlab. Debe presentar las pantallas de los resultados y sistemas correspondientes y los archivos de simulink de extensión .m Desarrollo del cuestionario de investigación formulado, en el cual se evaluará tanto la rigurosidad en resolver las preguntas como la capacidad de síntesis. Al inicio del siguiente laboratorio se realizará una breve sustentación individual del contenido del informe presentado.
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HOJA DE DATOS - MODULACIÓN AM
APELLIDOS Y NOMBRES:
CODIGOS:
PROCEDIMIENTO 1: MODULADOR AM CONVENCIONAL 1) Fije la fuente de poder a 15 V DC. Luego arme el circuito de la figura 1. Usando el generador aplique una señal senoidal menor a 1 Khz y 2 Vpp y compruebe en el osciloscopio el funcionamiento del circuito. Apunte el valor de frecuencia elegido así como el gráfico del resultado con valores de f y V obtenidos. + 15 VDC
Seno P2 P1 3 10 K
2
0.001 µF
10 K
22 µF
+
5
1
1
6
2
XR-2206
4.7 µF
14
4 3
77
12
10
+
AM
150 Ω
14 13
4.7 K 6.8 K
P3
100 K 4.7 K
10 µF
100 K
+
10 K 1 µF
+ 1K
FIGURA 1 2) ¿Cómo afecta a la señal modulante senoidal si varía el potenciómetro P1? Anote sus observaciones. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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3) Retire la señal modulante y mida la amplitud y la frecuencia de la portadora a la salida. Grafique su forma de onda y espectro correspondiente Dominio de la frecuencia
Dominio del Tiempo
Comentarios:..................................................................................................................................................... 4) Grafique las formas de onda y el espectro de la señal modulada AM. Dominio de la frecuencia
Dominio del Tiempo
5) Si varía el potenciómetro P2 se observará como cambia la forma de onda y el patrón XY de la señal AM. Obtenga un valor de índice de modulación. Patrón XY
Señal de entrada y salida
f =...................
D =........................
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d =........................
im =..........................
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6) Fije a 200 Hz la onda modulante y obtenga en forma práctica y teórica la
mínima
frecuencia
de
portadora necesaria para una modulación sin distorsión usando el potenciómetro P3 de 100 K del pin 7. AM
Señal modulante
7) Que observa gráficamente en la salida al variar los siguientes parámetros: o
Variando la Frecuencia de Portadora:
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------o
Variando la Amplitud de Portadora:
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------AM (variando fp)
o
AM (variando A)
Variando la Frecuencia de la Señal Modulante:
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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o
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Variando la Amplitud de la Señal Modulante:
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------AM (variando mp)
AM (variando fm)
DETECTOR DE ENVOLVENTE: 1) Ensamble el circuito de la figura 2 y acóplelo a la salida AM del circuito de la Figura 1.
Generador AM 2
A
0.001 µF
B
1N4148
C3 = 4.7 µF C
D Salida demodulada
100 K
R2 = 100 K
C2 = 0.01 µF
FIGURA 2
2) Obtener las formas de onda en los puntos: A, B. C y D Punto A
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Punto B
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2006-I Punto D
Punto C
3) Retire el condensador C2, anote sus observaciones. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4) ¿Que funciones cumplen los siguientes elementos: Diodo, C3, R2 y C2? Diodo: -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------C3: -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------R2: -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------C2: -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------6) Cambie el condensador C2 por un valor de 100 pF y observe la señal de salida demodulada. ¿Qué ocurre? Repita este paso para valores de 0.1 µF y 0.5 µF ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Salida demodulada 1
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Salida demodulada 2
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7) Varíe la frecuencia de la portadora en el 1er circuito en todo el rango posible e indique qué distorsiones ocurren y a que valores de frecuencia de portadora. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------8) Obtenga un i.m. > 1 (sobre modulación) en el 1er circuito y observe que ocurre a la salida del detector. Anote y grafique. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Salida demodulada 1
Salida demodulada 2
9) Observaciones y conclusiones -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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MODULACIÓN AM (MÓDULOS): 1. Implemente el diagrama de la figura A alimentando correctamente los paneles 736201 (Modulador AM) y 736221 (Demodulador AM). 2. Conecte a la entrada del modulador AM una señal senoidal de 2Vpp y 2KHz y verifique que se recupere la señal a la salida del demodulador AM. Si no es así consulte al profesor del curso. 3. Verificado lo anterior, usando el osciloscopio observe la portadora y la señal modulante ¿Cómo se obtiene la portadora a partir del oscilador de 160 KHz? ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Portadora
Señal modulante
4. Con el switch en la posición ON en el modulador AM observe la señal AM-DSB-LC en el tiempo y la frecuencia (use la opción FFT del osciloscopio). Luego usando el modo XY del osciloscopio: mensaje en canal 1 (eje X) y señal AM en canal 2 (eje Y) observe el patrón XY correspondiente. Varíe gradualmente la frecuencia modulante hasta obtener un patrón XY bien definido. Grafique: Espectro AM-DSB-LC
Señal AM-DSB-LC
BW =
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2006-I Patrón XY AM-DSB-LC
D =...................... d =.…………….. m =..........................
¿Cómo afecta a la señal AM y al patrón XY al aumentar gradualmente la amplitud de la señal modulante?. Describa los patrones XY y las respectivas formas de onda AM. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5. Con el switch en la posición ON en el modulador AM observe la señal AM-SSB-RC después del filtro USB en el tiempo y la frecuencia (use la opción FFT del osciloscopio). Luego observe el patrón XY. Varíe gradualmente la frecuencia modulante hasta obtener un patrón XY bien definido. ¿Cómo afecta el filtro pasa banda a la señal AM del punto 1? ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Espectro AM-SSB-RC
Señal AM-SSB-RC
BW =
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Patrón XY AM-SSB-RC
6. Con el switch en la posición OFF en el modulador AM observe la señal AM-DSB antes del filtro USB en el tiempo y la frecuencia (use la opción FFT del osciloscopio). Luego observe el patrón XY. Varíe gradualmente la frecuencia modulante hasta obtener un patrón XY bien definido. Espectro AM-DSB-SC
Señal AM-DSB-SC
Patrón XY AM-DSB-SC
BW =
7. Con el switch en la posición OFF en el modulador AM observe la señal AM-BLU después del filtro USB en el tiempo y la frecuencia (use la opción FFT del osciloscopio). Luego observe el patrón XY. Varíe gradualmente la frecuencia modulante hasta obtener un patrón XY bien definido.
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¿Por qué la señal BLU consta de un solo tono de frecuencia?. Justifique en función del espectro de frecuencias. Espectro AM-BLU
Señal AM-BLU
Patrón XY AM-BLU
8. Obtenga y observe la señal demodulada AM a la salida del demodulador AM para c/u de las señales AM vistas en el laboratorio. Bosqueje sólo una de ellas.
Señal demodulada AM
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Parte Opcional: 9. Obtenga y observe la señal demodulada AM a la salida del demodulador AM si una de las señales AM vistas en el laboratorio tiene problemas de ruido. Consulte al profesor del curso sobre éste procedimiento. Señal AM + ruido
Patrón XY AM + ruido
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Espectro AM + ruido
Señal demodulada AM + ruido
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V. MATLAB: Señales y ruido (Simulink/Sources)
Æ Sine Wave
Step
Dispositivos de salida (Simulink/Sinks y Simulink Extras/Additional Sinks) Æ Scope
Operadores (Simulink/Math)
Æ
Æ
Band-Limited White Noise
Pulse Generator
Averaging Averaging Power Spectral Spectrum Density Analyzer
1 Gain
Filtros (DSP Blockset/Filtering /Filters desing)
XY Graph
Signal Generator
fir1 Digital FIR Filter Design
Sum
Sum
butter Digital IIR Filter Design
Product
fir2
butte
Inverse-FFT FIR Analog Filter Filter Design
Usando el ‘simulink’ de Matlab y considerando un simple time de 0.01 para todas las señales efectuar lo siguiente: 1. Implemente un modulador DSB-SC para una f(t) senoidal entre 2 y 4 rad/seg y una portadora de 16 ó 20 rad/seg. Obtenga la forma de onda y el espectro de DSB-SC. Verifique teóricamente. 2. Con f(t) en X y DSB-SC en Y observe y muestre el patrón XY. Comente. 3. Detección de DSB-SC. Indique tipo de detección. Considere FPB: Digital FIR Filter Desing de orden 50 y Lower band 0.01. 4. Lo mismo que c) pero con ruido blanco de canal de 0.1 mW. 5. Lo mismo que c) pero con un tono interferente en vez de ruido. 6. Lo mismo que c) pero con un error de frecuencia ∆ω de 2 rad/seg en la portadora local en el receptor, en caso de usar detección síncrona. Comente. 7. Implemente el sistema AM-DSB siguiendo los pasos desde a) hasta f). 8. Implemente el sistema AM-VSB (-SC) siguiendo los pasos desde a) hasta f). VI. CUESTIONARIO: 1. ¿Qué es modulación? ¿Se puede transmitir una señal de voz sin modular? ¿Porqué? 2. Explique las leyes que ha estudiado y ha visto aplicadas en las experiencias 3. Calcule en forma teórica las potencias de portadora y bandas laterales en ambos casos de modulación AM: DSB-SC y DSB 4. Explique cómo se genera una señal en cada punto del detector de envolvente en A, B, C y D. 5. Explique que tipos detallas pueden presentarse en un detector de envolvente y a que se deben. 6. Usando el esquema de modulador balanceado explique como es la detección síncrona para una señal AM-DSB-SC 7. Conclusiones y observaciones.
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