UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRES DE FEBRERO Trabajo Práctico Nº 312 ªModulación Angularº
Comunicaciones Agustín Arias 08/11/2012
PROBLEMA N 1: Dada la siguiente forma de onda modulada en FM: ( ) Calcular: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Potencia normalizada de la portadora sin modular. (Pot. media) Poten cia normalizada de la onda modulada. (Pot. media) Máxima desviación de fase. Máxima de sviación de frecuencia. BW. y N . de bandas laterales. Si la amplitud de la modulant e se reduce en 100 veces y la frecuencia varía a 5 KHz, cual es el nuevo BW (ancho de banda), cual es la potencia media normalizada de la portadora modulada ( ) Solución: 1. En primera instancia definimos la potencia de una señal FM según: ò| ( )| Entonces, la potencia normalizada de la portadora sin modular será: ⌋ 2. Una de las principales características que tiene este tipo de modulación es que la potencia de la señal se mantiene constante, haya o no haya mensaje. Por lo tanto, la potencia de la señal modulada será exactamente igual que la sin modular del punto anterior: ⌋ 3 . El desvío de fase ( ( ) ) es: ( Por lo tanto, el máximo desvío será cuando ( ) ) ( ) valga uno: 4. Sabiendo que:
Donde Se deduce que la máxima desviación de frecuencia es 5. El ancho de banda (B.W. ) para señales de FM se define de la siguiente manera (Regla de Carson)1: ( ) Donde ( ) es el número de bandas laterales significativas, y se define como: ( ) Siendo ( ) según la calidad de transmisión. En este caso consideramos . Entonces, el número de bandas laterales significativas será: ( ) Y el ancho de banda: ( ) 6. Al reducir 100 veces la amplitud de la señal modulante, el desvío de frecuencia t ambién se verá reducido esa cantidad ya que el mismo es directamente proporcional a la amplitud de dicha señal: Definimos entonces los tres nuevos parámetros: 1 La regla de Carson es una regla general conocida en telecomunicaciones referente al ancho de banda, y que establece que aproximadamente toda la potencia (~98%) de una señal consistente en una portadora senoidal modulada en frecuencia está compr endida dentro de un ancho de banda (alrededor de la frecuencia portadora) de ( ) ; ( ) ( ) ; { donde ( ) es la desviación máxima de la frecuencia instantánea f(t) (que es un efecto de modular en frecuencia, al igual que en Amplitud Modulada (AM) se define el índi ce de modulación respecto a la amplitud) respecto a la portadora fc (asumiendo que xm(t) está normalizada en el rango ±1), y donde fm es el ancho de banda de la señal m oduladora (que se define "en banda base" y es el mismo para la señal modulada). (F uente: Wikipedia)
FM de banda angosta (NBFM) Dado que en este caso tenemos una señal modulada en FM de banda angosta (NBFM). Para este tipo de señales, el espectro resultante solo co ntiene componentes de frecuencia en , por lo tanto el ancho de banda será: Como ya mencionamos anteriormente, la potencia en FM es constante con y sin modu lación, por lo tanto: ⌋ Se aprecia claramente que la potencia solo depende de la amp litud de la portadora, por lo tanto en este caso se mantiene invariante. PROBLEMA N 2: Teniendo en cuenta que en la radiodifusión de FM se ha reglamentado el uso de una desviación de frecuencia de 75 KHz y una señal modulante cuya frecuencia puede variar entre 30 y 15000 Hz. Determinar: 1. El ancho de banda necesario pa ra este tipo de transmisión, teniendo en cuenta que se desea una alta calidad de r ecepción. 2. Comprobar que toda la banda de frecuencia posible de la señal modulante , produzca un BW de señal modulada que cumpla con las especificaciones Solución: 1. Para calcular el ancho de banda que necesita una transmisora de FM que cumple co n los requisitos reglamentados, debemos analizar lo que ocurre cuando la señal mod ulante es de frecuencia mínima (30 Hz) y cuando es de frecuencia máxima (15 KHz). Pa ra esto calculamos el y el : Ahora calculamos el ancho de banda para los valores de Regla de Carson: y utilizando la
⌋ ⌋ ( ) 2. Como se puede apreciar en el punto anterior, el mayor ancho de banda necesari o es de 210 KHz, y se corresponde al que implica una de 15 KHz. Dado que por nor mativa el ancho de banda para transmisoras de FM comercial no puede superar los 200 KHz, lo que se hace es filtrar en alta frecuencia a la señal (filtro para señale s de gran potencia). Para cumplir con la norma, la frecuencia máxima de la señal mod uladora ( ) debería ser: PROBLEMA N 3: Dibujar la representación temporal de una portadora modulada para los casos de AM, FM, y PM ( ) si la señal modulante es una onda: 1. Diente de sierra 2 . Sinusoidal Solución: 1. Diente de sierra Modulación en Amplitud (AM): Fig.1: Modulación en AM con diente de sierra. Arriba: Señal portadora. Centro: Señal m oduladora (Diente de sierra). Abajo: Señal modulada (AM)
Modulación en Frecuencia (FM): Fig.2: Modulación en FM con diente de sierra. Arriba: Señal moduladora (Diente de si erra). Abajo: Señal modulada (FM) Modulación de Fase (PM): Fig.3: Modulación en PM con diente de sierra. Arriba: Señal moduladora (Diente de si erra). Abajo: Señal modulada (PM)
2. Sinusoidal Modulación en Amplitud (AM): Fig.4: Modulación en AM con señal sinusoidal Arriba: Señal portadora. Centro: Señal modu ladora (Sinusoidal). Abajo: Señal modulada (AM) Modulación en Frecuencia (FM): Fig.5: Modulación en FM con señal sinusoidal Arriba: Señal portadora. Centro: Señal modu ladora (Sinusoidal). Abajo: Señal modulada (FM)
Modulación de Fase (PM): Fig.6: Modulación en PM con señal sinusoidal Arriba: Señal portadora. Centro: Señal modu ladora (Sinusoidal). Abajo: Señal modulada (PM) PROBLEMA N 4: Se dispone de un generador de señal cosenoidal ( ) ( ), cuya frecuenci a puede adoptar tres valores diferentes: fm1= 0,1kHz; fm2 =1 kHz y fm3 = 5 kHz. Dicha señal será utilizada para realizar un ensayo sobre un modulador de FM, con una constante del modulador al cual se aplica alternadamente cada uno de los tonos. Luego se repite el mismo ensayo sobre un modulador de PM cuya constante es . Se solicita: 1. Comparar el ancho de banda B necesario para cada modulador en cada uno de los tres casos. Extraer conclusiones. 2. Determinar para que frecuencia modulante los B son iguales. 3. Considerando este último caso, B iguales, determin ar las expresiones de la onda modulada en frecuencia y fase en el caso de utiliz ar una portadora con las siguientes características: ( ) ( ) Solución: 1. En primer lugar vamos a definir las ecuaciones necesarias para calcular el ancho de banda necesario para los dos tipos de moduladores, FM y PM.
Como se definió en el Problema N 1, el factor en FM se calcula como: El ancho de banda B se definió según la Regla de Carson como: ( Reemplazando ) ( ) Para el caso de PM, el factor se obtiene según: Luego, el ancho de banda será: Por lo tanto, para los 3 casos de cada modulador se obtienen los siguientes resu ltados: ANCHO DE BANDA [B] X1(t)0,1 kHz X2(t)1 kHz X3(t)5 kHz MODULADOR FM MODULADOR PM 60,2 KHz 800 Hz 62 KHz 8 KHz 70 KHz 40 KHz Estos resultados reflejan una característica muy clara y distintiva entre ambos si stemas de modulación: La relación entre frecuencia de la señal modulante y el ancho de banda necesario para transmitirla es completamente distinta en PM con respecto a FM. Mientras que en FM el ancho de banda varía entre 60,2 KHz y 70 KHz (diferenc ia de 9,8 KHz) para señales de entre 100 Hz y 5 KHz, en PM el ancho de banda varía e ntre 800 Hz y 40 KHz (diferencia de 39,2 KHz) para el mismo rango de frecuencia de la señal modulante. Esto se debe a la naturaleza de cada tipo de modulación ya qu e se ve claramente que el ancho de banda en PM aumenta de forma lineal con la fr ecuencia de la señal moduladora, tal como lo indica la definición de este tipo de seña les.
Por su parte, las señales de FM varían su frecuencia de forma no lineal, según la inte gral de la modulante, motivo por el cual el ancho de banda sufre alteraciones más pequeñas que en el caso de PM. 2. Los valores y serán iguales cuando se cumpla que: Por lo tanto, la frecuencia de la señal modulante será . 3. Utilizando entonces , ob tenemos y : , y su ancho de banda Por lo tanto se obtienen: ( ( ) ) Claramente se aprecia que debido a que los anchos de banda de cada tipo de modul ación son iguales, sus también lo son, por lo tanto las expresiones de y coinciden. PROBLEMA N 5: Una señal de ángulo modulado tiene un amplitud unitaria y frecuencia 50 Hz. Se solicita: 1. Si la modulación utilizada es FM. Determinar el factor de mult iplicación N necesario para producir un , cuando la frecuencia de la señal de entrad a es de 100 Hz. 2. Ídem para PM. para una entrada senoidal de
Solución: 1. Debido a que la señal de entrada (modulante) tiene amplitud unitaria, e l incremento N necesario para será: ⌋ ⌋ ⌋ 2. Para el caso de PM, se debe considerar la frecuencia de la señal modulante (50 Hz), ya que el desvío máximo de frecuencia en este caso se define como: ⌋ Por lo tanto para el valor de N se calcula del siguiente modo: ⌋ ⌋ ( ) Estos resultados indican la clara dependencia que tiene el valor del desvío máximo d e frecuencia en PM con la frecuencia del mensaje, y que dicha dependencia es lin eal (duplicar la frecuencia conlleva a disminuir a la mitad el valor de N). Esto no ocurre con FM ya que el desvío máximo de frecuencia solo depende de y de la ampl itud del mensaje. PROBLEMA N 6: Con el objeto de realizar un ensayo sobre tres transmisores con modu lación angular, se utiliza la señal de prueba senoidal ( ) ( ) con tres valores dife rentes de amplitud y frecuencia. En la tabla siguiente se muestra el ancho de ba nda B utilizado por cada transmisor en función de la amplitud y la frecuencia de l a señal modulante.
Determinar en cada caso si el sistema es de banda angosta o ancha e identificar el tipo de modulación de ángulo (FM o PM) Solución: Para poder identificar qué tipo de transmisor es cada uno, hay que tener e n cuenta que la constante de demodulación es fija en cada equipo, por lo tanto al conocer el ancho de banda que utiliza cada uno según la frecuencia y la amplitud d e la señal modulante es posible identificarlos. Recordamos las ecuaciones para el ancho de banda de FM, PM y NBFM: ( ) ( ) ( ) ( ) Ahora se elige uno de estos tres tipos de modulaciones y se evalúa en qué transmisor la constante de demodulación se mantiene invariable a los cambios de frecuencia y amplitud de la señal modulante. Evaluamos para el transmisor 3: Se observa que de FM. se mantiene constante en cada caso, por lo tanto el transmisor 3 es
Evaluamos para el transmisor 2: En este caso el valor de PM. se mantiene invariante, por lo tanto el transmisor 2 es de Para el transmisor 1 se cumple que , entonces el mismo es de NBFM.
