Universidad Santa María

Demodulador de FM, Multiplicador de frecuencia programable, Regenerador de portadora y Decodificador de tono

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Anlev Rodríguez 18402402

06/04/2011

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ÍndiceDEMODULADOR FM--------------------------------------------------------------------------------3

DETECTOR DE PENDIENTE--------------------------------------------------------------4

DISCRIMINADOR FOSTER-SEELEY-----------------------------------------------------4

DETECTOR DE RELACIÓN----------------------------------------------------------------6

DETECTOR CON PLL-----------------------------------------------------------------------8

MULTIPLICADOR DE FRECUENCIA-----------------------------------------------------------10

REGENERADOR DE PORTADORA-------------------------------------------------------------12

LAZO DE COSTAS-------------------------------------------------------------------------12

REMODULADOR--------------------------------------------------------------------------13

DECODIFICADOR DE TONO---------------------------------------------------------------------14

CONCLUSIÓN----------------------------------------------------------------------------------------16

BIBLIOGRAFÍA-------------------------------------------------------------------------------------17

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Demodulador FMLos demoduladores de FM son circuitos electrónicos dependientes de la frecuencia, es decir que están diseñados para producir un voltaje de salida directamente proporcional (o afectado “directamente por”) a la frecuencia instantánea en su entrada. La función de transferencia para un demodulador FM es la siguiente cuando trabaja en su intervalo lineal:

K=V (volts )f (Hz )

Donde K es la función de transferencia. Esta función refleja la respuesta del sistema (que es inicialmente inerte) ante un impulso como señal de entrada. A continuación se muestra en la gráfica dónde está el circuito demodulador en un sistema de demodulación de FM.

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Se puede observar que el circuito demodulador es una parte de todo un sistema dedicado a la recepción de señales FM. Entre los circuitos demoduladores más comunes están los llamados “discriminadores de frecuencia con circuito sintonizado” como son el detector de pendiente, el discriminador de Foster-Seeley y el detector de relación. El funcionamiento del detector de pendiente es básico para todos los discriminadores de frecuencia con circuito sintonizado.

Detector de pendiente : En el detector de pendiente el circuito sintonizado (La y Ca) produce un voltaje de salida que es proporcional a la frecuencia de entrada. El voltaje máximo de salida se presenta en la frecuencia de resonancia fc del circuito tanque, y su salida disminuye en forma proporcional a la desviación de la frecuencia respecto a fo. El circuito está diseñado de modo que la frecuencia intermedia fc quede en el centro la parte más lineal de la curva de voltaje en función de frecuencia. Así, el circuito sintonizado convierte las variaciones de frecuencia en variaciones de amplitud. Los elementos Di Ci Ri

forman un detector sencillo de picos que convierte las variaciones de amplitud en un voltaje de salida que varía con rapidez igual a la de los cambios de frecuencia, y cuya amplitud es proporcional a la magnitud de los cambios de frecuencia.

Discriminador Foster-Seeley : El discriminador de fase, más comúnmente denominado discriminador Foster-Seeley, convierte en tensiones de audio las variaciones de frecuencia o fase de las ondas FM que entran en el receptor. Debido a que el circuito también es sensible a las variaciones de amplitud de la onda de FM, es necesaria una etapa limitadora que preceda inmediatamente al discriminador. Los bobinados primario y secundario de T1 se sintonizan a la frecuencia central de FI. Este método de sintonización simplifica enormemente el ajuste del circuito y proporciona una mayor linealidad.

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El Foster-Seeley funciona basándose en el principio de que dos tensiones de ca (corriente alterna) en serie se suman vectorialmente. Esto significa que la relación de fases entre las dos tensiones es un factor importante al determinar la tensión combinada. La tensión total resultante de dos tensiones de corriente alterna en serie viene determinada por la relación de fase entre las dos tensiones. La entrada al circuito Foster-Seeley es una señal de FI, a través de una etapa limitadora, que varía en +-75kHz, según un índice de audio. La salida del circuito es la señal de audio detectada. Cuando ambos diodos conducen, se producen tensiones iguales pero de polaridad opuesta en los bornes de R1 y R2, las tensiones tienden a anularse y la salida es 0 V. Sin embargo, si D1 conduce con más fuerza, la salida es una tensión positiva, y si es D2 el que más conduce, la salida es una tensión negativa. Por tanto, la señal de salida de audio puede recuperarse cuando se dan las siguientes condiciones:

1. Ambos diodos conducen exactamente igual a fc.

2. El diodo D1 es más conductor a frecuencias por encima de fc.

3. El diodo D2 es más conductor a frecuencias por debajo de fc.

Por medio del transformador, la señal de FI de entrada se acopla desde la bobina primaria L1 hasta la bobina secundaria con toma central L2-L3. Debido a esta configuración con toma central, la tensión V2 que se genera en L2 está desfasada 180° con respecto a la tensión V3 inducida en L3. La conducción de D1 está controlada por V2, y V3 controla la conducción de D2. Recuérdese que estas dos tensiones son iguales en amplitud pero están desfasadas 180° en fc (frecuencia central del circuito). La señal de FI de entrada está también capacitivamente acoplada a L4 por medio de C2. En L4 se genera la tensión V4 que también controla la conducción de ambos diodos. La configuración del circuito es tal

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que V4 está 90° adelantada a V3 y 90° retrasada con respecto a V2. Sin embargo, esto sólo es cierto cuando la señal de FI está en su frecuencia central. Por esta razón, la cantidad de corriente que conduce D1 está determinada por V2 y V4, y la cantidad que conduce D2 está determinada por V3y V4. El resultado Es una tensión de salida cero para la frecuencia de entrada de fc. Puesto que el circuito resonante paralelo resuena a fc, Xl es igual (y anula) a Xc, y el circuito resonante aparece resistivo. Sin embargo, por encima de fc, Xl es mayor que Xc. Así pues, la reactancia neta hace que la fase de V2 se aproxime más a la fase de V4, mientras que V3 se desfasa más con respecto a V4. Este cambio de fase significa que V4 tiende a sumarse a V2 y restarse a de V3, lo que hace que D1 conduzca con más intensidad que D2. Este hecho produce una oscilación de tensión de salida positiva cada vez que la señal de salida FI oscila por encima de fc. A frecuencias por debajo de fc, Xc es mayor que Xl y la reactancia neta varía la fase de V2 y V3 en dirección contraria. En este caso, V4 tiende a sumarse a V3 y a restarse de V2. El diodo D2 conduce con más intensidad que el diodo D1, produciendo una tensión de salida negativa. Así pues, cada vez que la señal de FI oscila por debajo de fc, la salida tiene una tensión oscilante negativa. Gracias a esta oscilación de la tensión de salida positiva-negativa, el discriminador produce una onda sinusoidal de salida. Así pues, la señal recuperada es una reproducción de la señal moduladora original.

Detector de relación : El detector de relación es muy similar al discriminador Foster-Seeley, pero presenta una gran ventaja sobre este y frente al detector de pendiente: es relativamente inmune frente a las variaciones de amplitud en su señal de entrada (no necesita ser precedido por una etapa limitadora).

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A simple viste es casi idéntico al discriminador Foster-Seeley, pero uno de sus diodos (D2) se invierte y la corriente Id puede pasar en torno al lazo más externo del circuito. Así, después de varios ciclos de la señal de entrada, el capacitor en paralelo Cs se carga a más o menos al voltaje máximo a través del devanado secundario de T1. La reactancia de Cs es baja y Rs tan sólo es un camino de cd (corriente directa) para la corriente del diodo. Por consiguiente, la constante de tiempo para Cs y Rs es lo suficientemente larga como para que los rápidos cambios de amplitud de la señal de entrada, debidos al ruido térmico u otra señal de interferencia, pasen a tierra y no tengan efecto sobre el voltaje promedio a través de Cs. Entonces, C1 y C2 se cargan y descargan en forma proporcional a los cambios de frecuencia en la señal de entrada, y son relativamente inmunes a las variaciones de amplitud. También, el voltaje de salida para un detector de relación se toma con respecto a tierra, y para las polaridades del diodo que se mostraron en la figura del circuito del detector de relación, el voltaje promedio de salida es positivo. En la resonancia, el voltaje de salida se divide por igual entre C1 y C2, y se redistribuye de acuerdo a como se desvía la frecuencia de entrada sobre o debajo de la resonancia. Por lo anterior, los cambios de Vsal se deben a la relación cambiante de voltajes a través de C1 y C2, mientras que el voltaje total está fijado por Cs.

La curva de respuesta en frecuencia de la salida para el detector de relación se muestra a continuación:

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Se ve que en la resonancia, Vsal no es igual a 0V, sino más bien a la mitad del voltaje a través de los devanados secundarios de T1.

Detector con PLL: Otro tipo de demodulador es el de detector con PLL (phase-locked loops o lazo de seguimiento de fase). La señal del PLL proporciona la señal demodulada. Existen muchas variaciones según la aplicación, pero estos detectores suelen estar en circuitos integrados que, además, contienen los amplificadores de RF y frecuencia intermedia. Algunos son una radio de FM completa (TDA7000).

Si bien el funcionamiento del PLL es complejo, el funcionamiento de un demodulador con PLL es más sencillo. En la siguiente figura se puede observar la composición de un circuito integrado PLL XR-2212:

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Para verlo de una forma más simple, el funcionamiento del PLL puede describirse a través del siguiente diagrama de bloques:

Después de haber fijado la frecuencia, el VCO rastrea los cambios de frecuencia en la señal de entrada, manteniendo un error de fase en la entrada del comparador de fases

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(también conocido como detector de fase). Por consiguiente, si la entrada al PLL es una señal desviada de FM, y la frecuencia natural del VCO es igual a la FI central, el voltaje de corrección que se produce en la salida del comparador de fases, y se retroalimenta a la entrada del VCO, es proporcional a la desviación de frecuencia y es, por consiguiente, la señal de información demodulada.

Multiplicador de frecuenciaUn multiplicador de frecuencias es un circuito que multiplica la frecuencia y la fase de una señal de entrada por un número entero n. Estos circuitos se usan cuando no se puede conseguir un oscilador a la frecuencia requerida con suficiente estabilidad o cuando no se puede conseguir la modulación a la frecuencia portadora necesaria, con lo que se modula a una frecuencia más baja y posteriormente se multiplica por el factor necesario hasta alcanzar la frecuencia de emisión.

Un esquema simplificado del multiplicador de frecuencia es el siguiente:

Consiste en un transistor polarizado en zona de corte excitado por una señal de entrada y sintonizado al armónico n-ésimo de wp, siendo n el factor de multiplicación deseado. Como el transistor está polarizado en corte, si la señal de entrada posee un nivel lo suficientemente elevado, por el colector circularán impulsos de frecuencia fundamental fp

(de portadora) y con un alto contenido de armónicos. Si el circuito de salida (CL) está sintonizado al armónico n-ésimo, entonces la tensión de salida será la siguiente:

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V s=Vn cos(nwp+nφ)

Esta señal tiene una frecuencia central de valor nfp modulada por la misma señal moduladora que tenía la señal de entrada al multiplicador pero con una desviación de frecuencia n veces superior a la de entrada.

También se puede multiplicar frecuencias con el uso del PLL, se puede lograr de 2 maneras:

Mediante el enganche a un armónico de la señal de entrada. Inserción de un contador (divisor digital de frecuencia) en el lazo.

El enganche a un armónico es muy sencillo y puede, usualmente, lograrse fijando la frecuencia de operación libre del VCO a un múltiplo de la frecuencia de entrada y permitiendo que el PLL se enganche. Una limitación de este método, sin embargo, es que el rango del enganche1 disminuye a medida que se usan, para el enganche, armónicos sucesivamente más altos y más débiles. Esto limita el rango práctico de enganche con armónicos a múltiplos de, aproximadamente, diez.

Para múltiplos más grandes, el segundo método es más deseable. Aquí, el lazo se rompe entre el VCO y el comparador de fase y se inserta un contador. En este caso, el tono fundamental de la frecuencia dividida del VCO es enganchado a la frecuencia de entrada, de modo que el VCO está realmente funcionando a un múltiplo de la frecuencia de en-trada. La cantidad de multiplicación es determinada por el contador. Una aplicación práctica evidente, de esta propiedad de multiplicación, es el uso del PLL en sintetizadores de frecuencia de amplio rango. En aplicaciones de multiplicación de frecuencia, es importante tomar en cuenta que el comparador de fase es realmente un mezclador y que su salida contiene componentes de suma y diferencia de frecuencia. El componente de diferencia de frecuencia es DC y es la tensión de error, que acciona el VCO para mantener el PLL enganchado.

Las componentes de suma de frecuencia (de los cuales el fundamental es el doble de la frecuencia de la señal de entrada) si no son bien filtrados, inducirán una señal de FM incidental sobre la salida del VCO. Esto ocurre debido a que el VCO está funcionando a muchas veces la frecuencia de la señal de entrada y la componente de suma de frecuen-cia, que aparece en la tensión de control al VCO, causa una variación periódica de su frecuencia alrededor del múltiplo deseado. Para multiplicación de frecuencia, gene-ralmente es necesario filtrar muy fuertemente para eliminar este componente de suma de frecuencia.

1 El rango de frecuencias sobre las cuales el PLL puede mantener su enganche con una señal entrante es definido como el rango de enganche del sistema.

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El resultado, por supuesto, es un rango de captura2 reducido y una respuesta más su-bamortiguada de transitorios del lazo.

Regenerador de portadora

Cuando una señal digital atraviesa un canal, la señal recibida por el receptor está degradada debido a los efectos de la distorsión y el ruido. La regeneración es un procedimiento que nos permite recuperar una señal idéntica a la del emisor (como se observa en la figura de abajo) mediante el uso del regenerador. Este procedimiento, es solo aplicable a señales de línea digitales.

Principio de regeneración: El principio de Regeneración, implica la detección de la señal de línea que se recibe y la creación de una nueva señal con forma rectangular limpia para su transmisión (como se ve en la figura). Además, también es necesario extraer la señal de reloj de sincronismo a partir de la señal de línea emitida.

En los sistemas de portadora suprimida, se requieren métodos complicados de recuperación de portadora.

Lazo de costas: También llamado método de lazo de cuadratura, usa dos (2) lazos paralelos de rastreo (I y Q) al mismo tiempo para obtener el producto de los componentes

2 La banda de frecuencias sobre las cuales el PLL puede adquirir enganche con una señal entrante se conoce como el rango de captura del sistema, y nunca es mayor que el rango de enganche.

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I y Q de la señal que activa al VCO. El lazo I enfasado usa al oscilador controlado por voltaje (VCO) como un PLL, y el lazo Q de cuadratura usa una señal de VCO desplazada 90°. Una vez que la frecuencia del VCO es igual a la de la portadora suprimida, el producto de la señales I y Q producirá un voltaje de error proporcional a cualquier error de fase en el VCO. El voltaje de error controla la fase y, en consecuencia, la frecuencia del VCO.

Remodulador: Otro método para recuperar una portadora de fase y frecuencias coherentes es el del remodulador, que se ve en la siguiente figura:

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Este remodulador produce un voltaje de error de lazo que es proporcional al doble del error de fases entre la señal de entrada y la señal del VCO. El remodulador tiene un tiempo de adquisición más corto que el lazo de costas.

Otros circuitos de recuperación de portadora, para técnicas de codificación más grandes que binarias, se parecen a los de BPSK (estos casos), excepto que se usan circuitos que elevan la señal de referencia a la cuarta, octava y otras potencias mayores.

Decodificador de tonos

Para aumentar la sensación de realidad del sonido recibido por el oyente aparece la radiodifusión estereofónica, que consiste básicamente en recoger el sonido de la escena por medio de micrófonos situados en los lados izquierdo (L) y derecho (R) de la misma.

La codificación estereofónica debe cumplir 2 requisitos:

Codificar y transmitir los canales R y L de sonido de la escena. Codificarlos de tal forma que un receptor monofónico pueda seguir recibiendo

toda la información por un único canal (compatibilidad).

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Para conseguir estos objetivos, la señales que se codifican no son directamente L y R, sino 2 señales mezclas de ambas: L+R y L-R. La señal suma será la que el receptor monofónico recibirá como señal única y será la señal que, junto con la señal diferencia, permitirá al receptor estéreo decodificar L y R.

Para poder demodular L-R sincrónicamente en recepción se debe insertar la portadora. Además de servir para demodular, este tono piloto indicará al receptor estéreo que la transmisión que está recibiendo es estéreo.

Otra de las aplicaciones de los PLL son los decodificadores de tono que usan el principio de que si el ancho de banda del lazo de un PLL es pequeño sólo se podrá tener una indicación de sujeción si la frecuencia de entrada es muy próxima al centro de la frecuencia natural del VCO. Por lo tanto, para detectar un tono la frecuencia central del VCO debe estar ajustada a dicho tono, por lo que vamos a necesitar un PLL para cada uno de los tonos que queramos detectar.

En la siguiente figura se puede observar un decodificador de doble tono utilizando 2 PLL:

En este, la salida sólo se pone en alta cuando en la entrada están presentes ambos tonos; de este modo, son menos probables los disparos fortuitos por señales falsas.

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ConclusiónLa tecnología FM ha existido desde hace muchas décadas y aun hoy día se sigue usando. Con la aplicación de nuevas técnicas para su emisión y recepción, esta forma de modulación se ha mantenido en uso para la transmisión de radio y audio en televisión.

Con la llegada de los circuitos integrados, la eficiencia de estos sistemas aumentó a la par que el tamaño de los dispositivos disminuye, ya que se puede tener un decodificador de FM en un PLL haciendo que el sistema en conjunto de recepción de FM sea más pequeño. Por otra parte, los regeneradores de portadora se presentan como una gran ayuda para obtener la información del emisor con una calidad S/N muy superior a los sistemas que usan amplificador, como se puede observar en el siguiente cuadro:

La tecnología FM seguirá siendo utilizada por mucho tiempo más, debido a que es un método bastante confiable para la transmisión analógica de señales (a través del aire) y logra cubrir largas distancias a bajos costos, pero con un ancho de banda menor que otros sistemas más costosos.

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Bibliografía

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