Electrónica de Comunicaciones
Manuel Sierra Pérez Belén Galocha Iragüen José Luis Fernández Jambrina Manuel Sierra Castañer •
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Electrónica de Comunicaciones
Electrónica de Comunicaciones
Manuel Sierra Pérez Belén Galocha Iragu¨en José Luis Fernández Jambrina Manuel Sierra Castañer Universidad Politécnica de Madrid
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Datos de catalogaciÜn bibliogrØfica
SIERRA PÉREZ, M.; GALOCHA IRAGÜEN, B.; FERNÁNDEZ JAMBRINA, J. L. y SIERRA CASTAÑER, M. Electrónica de Comunicaciones
PEARSON EDUCACIÓN, S.A., Madrid, 2003 ISBN eBook: 978-84-832-2981-1 Materia: Electrónica 621.3 Formato 195 # 250
Páginas: 416
Todos los derechos reservados. Queda prohibida, salvo excepción prevista en la Ley, cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública y transformación de esta obra sin contar con autorización de los titulares de propiedad intelectual. La infracción de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual ( arts. 270 y sgts. Código Penal). DERECHOS RESERVADOS 5 2003 por PEARSON EDUCACIÓN, S.A. Ribera del Loira, 28 28042 MADRID
SIERRA PÉREZ, M.; GALOCHA IRAGÜEN, B.; FERNÁNDEZ JAMBRINA, J. L. y SIERRA CASTAÑER, M. Electrónica de Comunicaciones
ISBN: 84-205-3674-1 Depósito legal: M. PRENTICE HALL es un sello editorial autorizado de PEARSON EDUCACIÓN, S.A. Equipo editorial: Editora: Isabel Capella Técnico editorial: Marta Caicoya Equipo de producción: Dirección: José Antonio Clares Técnico: José Antonio Hernán Diseño de cubierta: Equipo de diseño de PEARSON EDUCACIÓN, S.A. Composición: COPIBOOK, S.L. Impreso por: IMPRESO EN ESPAÑA - PRINTED IN SPAIN Este libro ha sido impreso con papel y tintas ecológicos
A M . Jesús, Ángel, Teresa y Charo a
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Contenido
PRÓLOGO ............................................................................................................................................... xiii CAPÍTULO 1. Introducción a los sistemas de radiofrecuencia ...................................................... 1.1. Modulación de portadoras ............................................................................... 1.2. Diagrama de un sistema de radiofrecuencia ................................................... 1.3. Parámetros de diseño ....................................................................................... El espectro radioeléctrico ................................................................................ Potencia de emisión ......................................................................................... Sensibilidad ...................................................................................................... Distorsión e interferencias ............................................................................... 1.4. Sistemas analógicos y sistemas digitales ........................................................ 1.5. El entorno docente de la electrónica de RF ................................................... 1.6. Organización del libro ..................................................................................... 1.7. Bibliografía .......................................................................................................
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CAPÍTULO 2. Procesos de distorsión y ruido en RF ...................................................................... 2.1. Características de la distorsión ........................................................................ 2.2. Distorsión lineal ............................................................................................... Distorsión de amplitud ..................................................................................... Linealidad de fase. Medios dispersivos .......................................................... Ecos y reflexiones múltiples ............................................................................ 2.3. Distorsión no lineal. Modelo polinómico ....................................................... Saturación y distorsión armónica .................................................................... Intermodulación de tercer orden con dos tonos .............................................. Procesos no lineales en cascada ...................................................................... Intermodulación de tercer orden con N tonos ................................................ 2.4. Distorsión no lineal en señales moduladas ..................................................... Transmodulación .............................................................................................. Conversión AM-PM .........................................................................................
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Contenido
2.5. Ruido ................................................................................................................ Ruido generado por un dipolo ......................................................................... Ruido en un cuadripolo ................................................................................... Ruido equivalente de una cadena de cuadripolos ........................................... Ejercicios propuestos .................................................................................................
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CAPÍTULO 3. Osciladores .................................................................................................................. 3.1. Principio de funcionamiento de un oscilador ................................................. 3.2. Parámetros característicos de un oscilador ..................................................... Frecuencia. Margen y forma de sintonía ........................................................ Estabilidad de un oscilador .............................................................................. Potencia, rendimiento y nivel de armónicos ................................................... Pulling .............................................................................................................. Pushing ............................................................................................................. Deriva de frecuencia con la temperatura ........................................................ Espectro de ruido. Estabilidad a corto plazo .................................................. Estabilidad a largo plazo ................................................................................. 3.3. Ruido de fase de un oscilador. Modelo de Leeson ........................................ 3.4. Tipos de osciladores ......................................................................................... Osciladores LC ................................................................................................. Osciladores de cristal de cuarzo ...................................................................... Oscilador de resonancia serie .......................................................................... Oscilador de resonancia paralelo ..................................................................... 3.5. Osciladores controlados por tensión (VCO) ................................................... Oscilador controlado por varactor ................................................................... Apéndice 3.1. Especificaciones del diodo varactor MV104 .................................... Ejercicios propuestos .................................................................................................
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CAPÍTULO 4. Lazos enganchados en fase (PLL) ............................................................................ 77 4.1. Introducción ...................................................................................................... 78 Aplicaciones ..................................................................................................... 78 Frecuencia y fase instantáneas ........................................................................ 78 4.2. Estudio de un PLL ideal .................................................................................. 79 Detector de fase ideal ...................................................................................... 80 Filtro del bucle ................................................................................................. 80 VCO ideal ......................................................................................................... 80 Funciones de transferencia del lazo ................................................................ 80 4.3. Especificaciones ............................................................................................... 83 Procesos de enganche ...................................................................................... 83 Respuesta en régimen permanente .................................................................. 84 Respuestas transitorias ..................................................................................... 86 Filtrado del ruido de fase ................................................................................. 86 4.4. Influencia del filtro .......................................................................................... 89 PLL de orden 1 ................................................................................................ 89 PLL de orden 2 tipo 1 ..................................................................................... 91 PLL de orden 2 tipo 2 ..................................................................................... 92 4.5. Detectores de fase ............................................................................................ 99 Multiplicador analógico ................................................................................... 99 Detector digital de onda cuadrada ................................................................... 101
Contenido
Detector digital biestable ................................................................................. Detector digital de fase frecuencia .................................................................. Bomba de carga ............................................................................................... Ejercicios propuestos .................................................................................................
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CAPÍTULO 5. Sintetizadores de frecuencia con PLL ..................................................................... 5.1. Definiciones ...................................................................................................... 5.2. Sintetizador básico ........................................................................................... 5.3. Configuraciones de sintetizadores ................................................................... Sintetizador con divisor programable .............................................................. Sintetizador con divisores fijo y programable ................................................ Sintetizador con divisor de doble módulo ...................................................... Sintetizador con mezclador .............................................................................. 5.4. Ruido de fase en sintetizadores ....................................................................... 5.5. Filtrado de la frecuencia de referencia ........................................................... 5.6. Circuitos integrados sintetizadores .................................................................. 5.7. Otros sintetizadores .......................................................................................... Apéndice 5.1. Especificaciones de los sintetizadores LMX2315/LMX2320/ LMX2325 ........................................................................................ Ejercicios propuestos .................................................................................................
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CAPÍTULO 6. Mezcla y conversión de frecuencia .......................................................................... 6.1. El mezclador básico ......................................................................................... 6.2. Especificaciones de un mezclador ................................................................... Frecuencia de funcionamiento ......................................................................... Pérdidas de conversión .................................................................................... Impedancias nominales y adaptación .............................................................. Aislamiento ....................................................................................................... Mezclas espurias .............................................................................................. Ruido de un mezclador .................................................................................... 6.3. Dispositivos utilizados como mezcladores ...................................................... Diodos de barrera Schottky ............................................................................. Diodos varactores ............................................................................................. Transistores bipolares ....................................................................................... Transistores de efecto de campo ..................................................................... Circuitos integrados ......................................................................................... 6.4. Circuitos mezcladores ...................................................................................... Mezclador simple ............................................................................................. Mezclador equilibrado ..................................................................................... Mezclador doblemente equilibrado ................................................................. Mezclador con rechazo de imagen .................................................................. Ejercicios propuestos .................................................................................................
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CAPÍTULO 7. Amplificadores de RF ................................................................................................ 7.1. Parámetros de un amplificador de RF ............................................................ Función de transferencia .................................................................................. Impedancias nominales. Reflexión .................................................................. Banda de trabajo .............................................................................................. Temperatura de ruido. Figura de ruido ...........................................................
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Contenido
Banda de ruido ................................................................................................. Estabilidad ........................................................................................................ Respuesta no lineal de un amplificador .......................................................... 7.2. Amplificadores sintonizados ............................................................................ Circuito de sintonía simple .............................................................................. 7.3. Amplificadores multietapa de sintonía simple ................................................ Amplificadores de sintonía fija ....................................................................... Amplificadores de sintonía escalonada ........................................................... 7.4. Amplificadores de banda ancha ...................................................................... Amplificadores realimentados ......................................................................... Amplificadores distribuidos ............................................................................. 7.5. Amplificadores de potencia ............................................................................. 7.6. Amplificadores de potencia lineales ................................................................ Amplificadores clase A .................................................................................... Amplificadores clase B .................................................................................... 7.7. Amplificadores no lineales .............................................................................. Amplificadores clase C .................................................................................... Amplificadores clase C saturados ................................................................... Amplificadores de alto rendimiento ................................................................ Amplificadores clase D .................................................................................... Amplificadores clase E .................................................................................... Apéndice 7.1. Ecuaciones de la ganancia de un amplificador .............................. Apéndice 7.2. Circuitos de adaptación ................................................................... Ejercicios propuestos .................................................................................................
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CAPÍTULO 8. Filtros pasivos de RF ................................................................................................. 8.1. Tipos de filtro. Respuesta en frecuencia ......................................................... 8.2. Transformación de frecuencia ......................................................................... 8.3. Filtros de cavidades ......................................................................................... Diseño de filtros de cavidades ......................................................................... Cavidades más utilizadas ................................................................................. 8.4. Efectos de las pérdidas en el filtrado .............................................................. Apéndice 8.1. Funciones de atenuación en filtros paso bajo ................................ Apéndice 8.2. Ecuaciones de diseño de filtros de cavidades ................................ Ejercicios propuestos .................................................................................................
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CAPÍTULO 9. Modulación y demodulación lineal ........................................................................... 9.1. Modulación de Amplitud (AM) ....................................................................... Modulación AM por mezcla ............................................................................ Modulación AM con amplificadores de ganancia variable ............................ 9.2. Modulación en Doble Banda Lateral (DBL) .................................................. 9.3. Modulación en Banda Lateral Única (BLU) .................................................. Modulación en BLU por desfasaje .................................................................. Modulación en BLU por filtrado ..................................................................... 9.4. Modulación I&Q .............................................................................................. 9.5. Modulación con señales digitales .................................................................... Modulación ASK .............................................................................................. Modulación QAM ............................................................................................
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Contenido
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9.6. Detección AM .................................................................................................. Detección de envolvente .................................................................................. Detección coherente de AM ............................................................................ 9.7. Detección DBL ................................................................................................. 9.8. Detección BLU ................................................................................................. 9.9. Detección I&Q ................................................................................................. 9.10. Detección de señales digitales ......................................................................... Detección ASK con detector de envolvente ................................................... Detección ASK con detector coherente .......................................................... Detección QAM ............................................................................................... 9.11. Recuperación de reloj ...................................................................................... Apéndice 9.1. Especificaciones de moduladores y demoduladores I&Q .................. Ejercicios propuestos ...................................................................................................
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CAPÍTULO 10. Modulación y demodulación de fase y frecuencia ............................................... 10.1. Procesos de modulación no lineal ................................................................. 10.2. Modulación de fase ........................................................................................ Modulación con varactor ............................................................................... Modulador Armstrong .................................................................................... Distorsión en modulación de fase ................................................................. Modulación de fase con PLL ........................................................................ 10.3. Modulación de frecuencia .............................................................................. Modulación indirecta de frecuencia .............................................................. Modulación con VCO .................................................................................... Estabilización con PLL .................................................................................. 10.4. Modulación PSK ............................................................................................ Modulación BPSK .......................................................................................... Codificación BPSK diferencial ...................................................................... Modulación QPSK ......................................................................................... 10.5. Modulación FSK ............................................................................................ Moduladores FSK lineales ............................................................................. Moduladores FSK digitales ........................................................................... 10.6. Demodulación FM ......................................................................................... Detección FM por discriminador ................................................................... Circuitos limitadores ................................................................................ Discriminadores de FM ........................................................................... Detector de FM de cuadratura ....................................................................... Desfasadores con células RLC ................................................................ Desfasador con línea de retardo .............................................................. Demodulación FM con PLL .......................................................................... 10.7. Demodulación PM con PLL .......................................................................... 10.8. Demodulación FSK ........................................................................................ Detector FSK no coherente ........................................................................... Detector FSK coherente ................................................................................. 10.9. Demodulación PSK ........................................................................................ Demodulador para PSK diferencial ............................................................... Bucle elevador al cuadrado ........................................................................... Bucle de Costas para demodulación PSK ..................................................... Bucle de Costas para demodulación QPSK ..................................................
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Contenido
Apéndice 10.1. Modulador FM BH1414 ROHM .................................................... 289 Ejercicios propuestos ................................................................................................... 291
CAPÍTULO 11. Transmisores ............................................................................................................. 11.1. Tipos de transmisores .................................................................................... Transmisores homodinos o de modulación directa ...................................... Transmisores heterodinos ............................................................................... 11.2. Parámetros característicos .............................................................................. Frecuencia de transmisión ............................................................................. Señal en banda base ....................................................................................... Tipo y profundidad de modulación ............................................................... Ancho de banda ............................................................................................. Emisiones no deseadas ................................................................................... Potencia de emisión ....................................................................................... Rendimiento ................................................................................................... Fidelidad ......................................................................................................... 11.3. Niveles de potencia en el transmisor. Control automático de ganancia ...... Ejercicios propuestos .................................................................................................
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CAPÍTULO 12. Receptores ................................................................................................................. 12.1. Tipos de receptores ........................................................................................ Receptor homodino ........................................................................................ Receptor superheterodino ............................................................................... Receptor de doble conversión de frecuencia ................................................ 12.2. Frecuencias interferentes ................................................................................ 12.3. Elección de la frecuencia intermedia ............................................................ 12.4. Selectividad de un receptor ........................................................................... 12.5. Ruido en un receptor ..................................................................................... 12.6. Sensibilidad de un receptor ........................................................................... 12.7. Margen dinámico de un receptor .................................................................. 12.8. Control automático de ganancia .................................................................... Circuitos para control de polarización .......................................................... Atenuadores a diodo ...................................................................................... Apéndice 12.1. Transceptor de radioaficionados MARK-V (YAESU) ................ Apéndice 12.2. Transceptor superheterodino W-CDMA ....................................... Ejercicios propuestos .................................................................................................
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EJERCICIOS ........................................................................................................................................... 1. Sintetizador de frecuencias ................................................................................... 2. Modulación lineal .................................................................................................. 3. Detector de FM ..................................................................................................... 4. Transmisor ............................................................................................................. 5. Receptor 1 ............................................................................................................. 6. Receptor 2 ............................................................................................................. 7. Diseño del sistema de televisión digital por satélite DVB-S ..............................
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SOLUCIONES A LAS PREGUNTAS DE TEST ................................................................................ 391 ACRÓNIMOS .......................................................................................................................................... 395 ÍNDICE ..................................................................................................................................................... 399
Prólogo
Estamos en una época de cambios muy rápidos en las prestaciones de los componentes, el uso de nuevos materiales y en la integración de circuitos dentro de la electrónica de radiofrecuencia y microondas. Todo esto hace que sea cada vez más necesario un punto de vista de sistema añadido a la Electrónica de Comunicaciones, por lo que en este libro se ha incluido una fuerte componente de sistema al estudio de los circuitos clásicos de radiofrecuencia. Es seguro que en unos pocos años las técnicas de diseño cambiarán de forma muy importante, por lo que tendremos también que cambiar nuestras técnicas docentes y los contenidos del libro. Pero esa es una tarea que intentaremos ver cuando llegue el momento. Este libro nace como la etapa final de una serie de apuntes y notas de cátedra que inició el profesor Mercader en los años ochenta, al hacerse cargo de la asignatura del mismo nombre, en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid. Desde aquella época, las cosas han cambiado mucho en la Electrónica de Comunicaciones, no sólo por la generalización de los procesos digitales en los sistemas de comunicaciones, sino por la aparición constante de nuevos componentes, destacando entre ellos los circuitos integrados de radiofrecuencia y microondas. Estos cambios nos han obligado a un proceso continuo de actualización de la asignatura que, claramente, no termina con este libro y que habrá que continuar en el futuro. El libro está dedicado a los alumnos de Ingeniería de Telecomunicación, ajustándose bastante al programa de la asignatura que actualmente se imparte en la Universidad Politécnica de Madrid y que coincide en gran parte con los programas establecidos en otras universidades, tanto nacionales como de otros países. Ésta es la razón de que se incluya en el texto un gran número de ejercicios y preguntas dirigidos a ayudar a los estudiantes en su proceso de preparación y asimilación de la asignatura. Se incluye también un primer capítulo que introduce al temario posterior, delimita la materia en el amplio campo de las comunicaciones y presenta una larga lista bibliográfica para los más comprometidos en el tema. Los autores agradecemos el esfuerzo dedicado a esta asignatura por los profesores que nos precedieron y de los que hemos tomado muchas ideas para la elaboración del libro. En particular nuestro agradecimiento a D. Luis Mercader, precursor del actual programa de Electrónica de Comunicaciones y a los profesores que han contribuido a darle forma: D. José Manuel Riera, D. Juan de la Calle, D. Félix García y Dña. Raquel Pérez. Nuestro agradecimiento también a las diferentes firmas comerciales que nos han permitido utilizar su documentación como parte del libro. Los autores
Introducción a los sistemas de radiofrecuencia 1.1. Modulación de portadoras 1.2. Diagrama de un sistema de radiofrecuencia 1.3.
Parámetros de diseño
1.4. Sistemas analógicos y sistemas digitales 1.5.
El entorno docente de la electrónica de RF
1.6.
Organización del libro
1.7.
Bibliografía
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Electrónica de comunicaciones
En los últimos años se ha producido un fuerte desarrollo de las aplicaciones basadas en radiocomunicaciones. Este desarrollo ha estado generado por importantes avances de miniaturización de los circuitos de radiofrecuencia y de los sistemas digitales, aprovechando la unión de ambas tecnologías. La amplia difusión de aplicaciones de gran mercado, sobre todo la telefonía móvil y las comunicaciones por satélite, han permitido a su vez un desarrollo más rápido y con productos cada vez más baratos. Por otro lado, la limitación del espectro de radio obliga a emisiones cada vez más controladas, extendiéndose a bandas de frecuencia más altas y con procesos de modulación más eficientes y más protegidos contra distorsiones o interferencias. La inclusión de inteligencia en los sistemas de comunicaciones es cada día más importante, al permitir unir servicios diferentes dentro de varios estándares de comunicaciones que operan en varias bandas de frecuencia, de forma que el usuario considera el sistema como un elemento único. Así se empiezan a ver sistemas de comunicaciones que combinan telefonía móvil con transmisión de datos e imágenes, incluyendo sistemas de radiolocalización o de identificación. La tendencia a corto plazo será obtener un sistema único de servicios de comunicaciones personales, que opere con muchos sistemas de forma simultánea o consecutiva y que utilice la radio como canal principal de transmisión.
1.1. Modulación de portadoras Los sistemas de comunicaciones trabajan con información en forma de señales electrónicas que ocupan una banda limitada del espectro, por la naturaleza de la señal y por el filtrado previo a la transmisión. La transmisión de estas señales se puede realizar en banda base o modulando una portadora. La elección entre una u otra forma de transmisión dependerá del canal disponible y la necesidad de compartir dicho canal con otros sistemas de comunicaciones o con otras señales. La transmisión en banda base se realiza casi siempre sobre canales formados por líneas de transmisión, y sigue ofreciendo una forma adecuada de transmisión en muchos sistemas, tanto analógicos como digitales. Los sistemas más actuales en este tipo de transmisión son las redes de área local para sistemas informáticos. Cuando se utiliza el canal radioeléctrico, es muy difícil la transmisión de señales en banda base. Primero porque el tamaño de las antenas debe ser, al menos, del orden de un cuarto de longitud de onda (j /4 donde j % c/ f con c % 3·108 m/s) para que su eficiencia sea alta. Esta condición elimina la posibilidad de transmitir señales de frecuencia baja que aparecen en la banda base de muchos sistemas. Por otra parte, la banda relativa que puede transmitirse en un sistema dado suele ser pequeña ( B/ f aa 1), limitando la banda en las portadoras de frecuencia más baja. En estas condiciones se hace imprescindible trasladar la información a otra zona del espectro diferente de la banda base, a través de los diversos tipos de modulación que se suponen ya conocidos por los lectores. Cuando se desea conseguir una mayor eficiencia del medio de transmisión y transmitir varias señales de forma simultánea, se puede trabajar con varias portadoras de forma simultánea en lo que se denomina acceso múltiple por división en frecuencia (FDMA). Es indudable que en estos casos se hace necesaria la conversión de las señales de banda base a diferentes bandas de frecuencia más alta. El objetivo primordial de un sistema de comunicaciones es el de reproducir, en el punto de recepción, la señal original lo más fielmente posible al coste mínimo. En todos aquellos sistemas de comunicaciones que comparten el medio de transmisión con otras señales o sistemas, es importante minimizar la banda ocupada por cada canal y limitar la potencia transmitida para evitar la interferencia en otros sistemas. El coste en estos sistemas se mide entonces en la forma de banda ocupada, además del coste real de los equipos e instalaciones.
