electrónica de comunicaciones - gr.ssr.upm.es

Cu

rso

20

19

-20

Electrónica de Comunicaciones

Plan 2010

José M. Fernández González

José L. Fernández Jambrina (coordinador)

Belén Galocha Iragüen

Miguel Salas Natera

Pablo Sánchez Olivares

Javier Gismero Menoyo (coordinador del laboratorio)

José Ignacio Alonso Montes

Carlos Gustavo Moreno Pérez

Presentación de la asignatura

Contexto en el plan 2010

Programa

Desarrollo de las clases

Laboratorios

Ejercicios de autoevaluación

Examen final

Bibliografía

Tutorías y horas de consulta

Mostrar la estructura real de los subsistemas de

RF en sistemas de comunicaciones.

Estudiar las limitaciones de los subsistemas

actuales y su especificación.

Buscar la configuración electrónica más

adecuada a cada una de las funciones de un

sistema.

Diseñar subsistemas de aplicación real con

componentes de mercado.

Objetivos de la asignatura

Electrónica de Comunicaciones en el plan de estudios

-Teoría de la

Comunicación (TECM,2º,2 semestre,

6 ECTS) 95000021

• Modulaciones analógicas y digitales

-Sist. de Transmisión (STRA, 3º, 1 semestre, 4.5 ECTS) 95000030

-Tratamiento digital de

señales (TDSÑ, 3º, 1 semestre, 6 ECTS)

95000028

- Radiación

y propagación(RDPR, 3º, 1 semestre, 3 ECTS) 95000035

Análisis y Diseño

de Circuitos (ADCT, 2º, 2 semestre,

3 ECTS) 95000029

• Teoría general de circuitos

-Electrónica e

Instrumentación

Básicas (EINB, 2º, 1

semestre, 4.5 ECTS) 95000014

-Electrónica

Analógica (ELAN, 2º, 2

semestre, 3 ECTS) 95000020

Electrónica

de Comunicaciones (ECOM, 3º, 2 semestre, 4.5 ECTS)

95000037

PROGRAMA Por temas – Tema 1: Introducción 3h

1.1 Presentación de la asignatura

1.2 Esquemas de transmisores y receptores homodinos y heterodinos

– Tema 2: Distorsión y Ruido 6h

2.1 Distorsión lineal y no lineal

2.2 Introducción a la mezcla de frecuencias

2.3 Ruido electrónico

– Tema 3: Mezcladores, Moduladores y Demoduladores lineales 7h

3.1 Mezcladores

3.2 Modulación y demodulación lineal

– Tema 4: Osciladores, PLL, Sintetizadores, Moduladores y Demoduladores de frecuencia 12h

4.1 Principios básicos de osciladores (OL) de RF

4.2 Lazos enganchados en fase (PLL)

4.3 Sintetizadores de frecuencia

4.4 Modulación y demodulación angular con PLL

– Tema 5: Amplificadores y Filtros 4h

5.1 Amplificadores de RF

5.2 Amplificadores de potencia

5.3 Filtros de RF

– Tema 6: Transmisores y Receptores 6h

• Esquemas y análisis de receptores

• Esquemas y análisis de transmisores

38h

Las clases se distribuirán a razón de 3 horas semanales durante 13 semanas, aproximadamente.

PROFESORADO DE TEORÍA:

– José Luis Fernández Jambrina (coordinador), despacho C-419.

» Lugar: Aula A122

» M: 10:00-12:00; J: 10:00-11:00

– Belén Galocha Iragüen, despacho C-410.

» Lugar: Aula B4

» M: 10:00-11:00; X: 09:00-11:00

– José Manuel Fernández González, despacho C-416.

» Lugar: Aula B10

» M: 10:00-12:00; J: 10:00-11:00

– Miguel Alejandro Salas Natera, despacho C-411.

» Lugar: Aula B3

» X: 11:00-13:00; V: 13:00-14:00

– Pablo Sánchez Olivares, despacho C-416.

» Lugar: Aula B2

» M: 18:00-19:00; X: 15:00-17:00

Clases de teoría curso 2019-2020

• 4 PRÁCTICAS

• 1 h. Introducción teórica + 3 h. laboratorio OBLIGATORIAS

• 8 TURNOS (5 horarios: MT, XT, JT, VT, VM). Formación de turnos a través

de MOODLE. Se avisará con antelación al periodo de elección de turno.

• Martes, Miércoles, Jueves, Viernes por la tarde (15-19 horas, 7 turnos).

• Viernes por la mañana (9-13 horas, 1 turno).

• Puestos de 2 alumnos. Los puestos deberán estar asignados antes del 27 de

FEBRERO 2020 (pasar por A306-L o correo a [email protected]).

• Evaluación:

1. Realización de las prácticas y entrega de las MEMORIAS DE LAS

PRÁCTICAS.

2. ¡ES NECESARIO HACER TODAS LAS PRÁCTICAS!

3. El Laboratorio tendrá un peso del 25% de la NOTA FINAL de la

asignatura.

Prácticas de laboratorio curso 2019-2020


Prácticas de laboratorio

– Práctica 1 Analizador de Espectros

– Práctica 2 Modulaciones lineales

– Práctica 3 PLLs y Sintetizadores de Frecuencia

– Práctica 4 Transceptor heterodino

Los guiones de las prácticas (necesarios para la realización de las mismas)

estarán disponibles en MOODLE a través de la página web en

www.gmr.ssr.upm.es/www2/ECOM (accesible desde MOODLE).

En esa misma página se puede acceder al calendario de prácticas para los

distintos turnos así como a documentación adicional.

A los alumnos repetidores que YA HAYAN SUPERADO las prácticas, se les

mantiene la evaluación continua de las mismas. NO es necesario que repitan las

prácticas por lo que NO DEBEN ELEGIR TURNO (el listado aparecerá en

MOODLE, antes de abrirse el periodo de elección de turno).

Para conocer la nota deben ponerse en contacto con el coordinador del

laboratorio.

Los alumnos que NO están en esa lista deben repetir el laboratorio.

Repetidores con las prácticas superadas que quieran repetirlas: contactar con el

coordinador.

Coordinador del laboratorio: Javier Gismero ([email protected]),

despacho C-420.


http://www.gmr.ssr.upm.es/www2/ECOM

mailto:[email protected]

PROFESORADO DEL LABORATORIO:

– Javier Gismero (coordinador del laboratorio), despacho C-420.

– José Ignacio Alonso, despacho C-422.

– Carlos Gustavo Pérez Moreno, despacho C-428.

– Fernando Ibáñez Urzaiz, despacho C-407.

MATERIAL

– Guión de la práctica (disponible en web)

– Móvil (para realizar fotografías de las medidas)

AULAS INTRODUCCIÓN TEÓRICA

– A122. Turnos de tarde (15-16 horas)

– A123. Turno de mañana (9-10 horas)


Ejercicios de autoevaluación (MOODLE)

Plantearemos CINCO EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIÓN

relacionados con los temas de la asignatura.

Los ejercicios son similares entre sí, pero diferentes y con datos diferentes

para cada alumno.

Hay que realizar esos ejercicios A TRAVÉS DEL MOODLE de la

asignatura en una fecha previamente fijada y con un tiempo limitado.

– La duración para realizar la autoevaluación será de 45 minutos, que empezarán a

contar a partir del instante en el que el estudiante acceda al ejercicio.

– La autoevaluación constará de 10 preguntas tipo test o problemas cortos, que se

generarán aleatoriamente y por tanto, serán diferentes para cada alumno.

– Para las preguntas tipo test, cada respuesta incorrecta restará 1/3 de su valor máximo.

– El ejercicio de autoevaluación se podrá realizar en el momento que se desee a lo largo de

un día completo.

En el momento que se termine el plazo, se cerrará el ejercicio de

autoevaluación y se pasará la calificación a listas.

– IMPORTANTE: El ejercicio se cerrará por completo a las 23:59 del día fijado. Por tanto, si quiere

contar con el tiempo máximo para la realización del mismo deberá acceder antes de las 23:14.

La calificación de los EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIÓN

supondrá un 25% de la nota final de la asignatura en la

CONVOCATORIA ORDINARIA (JUNIO).

– Cada ejercicio de autoevaluación supondrá un 5% de la nota final de la

asignatura.

Las calificaciones de los EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIÓN

de curso NO se guardan/aplican en la CONVOCATORIA

EXTRAORDINARIA (JULIO) NI SE GUARDAN PARA AÑOS

SUCESIVOS.


Temario del ejercicio de autoevaluación Fecha

1 Tema 1 y 2: Introducción (Tx y Rx), Distorsión y

Ruido

Lunes 24/02/2020

2 Tema 3: Mezcladores, Modulación y

demodulación lineal.

Lunes 16/03/2020

3 Tema 4: Osciladores, PLLs, Sintetizadores de

frecuencia, Modulación y demodulación angular.

Martes 14/04/2020

4 Tema 5: Amplificadores, Filtros. Lunes 27/04/2020

5 Tema 6: Transmisores (Tx) y receptores (Rx) de

RF.

Lunes 11/05/2020

• El ejercicio se podrá realizar a lo largo de todo el día.

• La duración límite del ejercicio será 45 minutos.

• Son FECHAS ORIENTATIVAS!!! (podrían variar ligeramente)


Examen final ordinario (CONTINUA)

Convocado para el día: 25 de MAYO de 2020 a las 16h

Examen final ordinario JUNIO

Ejercicio de teoría (40%)

» Tipo test. 20/25 cuestiones con 4 respuestas a elegir una.

» Tiempo estimado 30min.

» No se permite consulta de libros o apuntes.

Ejercicios prácticos (60%)

» Ejercicios de análisis o diseño.

» Tiempo estimado 1h:30m

» Se permite la consulta del libro editado para la asignatura, libros editados por el

Departamento de Publicaciones en años anteriores o fotocopias de los mismos.

» No se permite la consulta de ejercicios, apuntes o de otros tipos de documentos.

El conjunto supone un 50% de la NOTA FINAL de la asignatura.

Se exige una puntuación mínima de un 3/10 del examen ordinario

final (JUNIO) para poder hacer media con ejercicios de autoevaluación.

Examen final ordinario (RENUNCIA CONTINUA)

Convocado para el día: 25 de MAYO de 2020 a las 16h

Examen final ordinario JUNIO

Ejercicio de teoría (40%)

» Tipo test. 20/25 cuestiones con 4 respuestas a elegir una.

» Tiempo estimado 30min.

» No se permite consulta de libros o apuntes.

Ejercicios prácticos (60%)

» Ejercicios de análisis o diseño.

» Tiempo estimado 1h:30m

» Se permite la consulta del libro editado para la asignatura, libros editados por

el Departamento de Publicaciones en años anteriores o fotocopias de los

mismos.

» No se permite la consulta de ejercicios, apuntes o de otros tipos de

documentos.

El conjunto supone un 75% de la NOTA FINAL de la asignatura.

Renuncia a evaluación continua

Se puede renunciar a evaluación continua por petición

vía MOODLE antes del 17 de febrero de 2020.

El estudiante deberá completar en el MOODLE de la

asignatura la tarea titulada “Renuncia a la evaluación

continua” antes del 17 de febrero de 2020.

Advertencia

Las INFRACCIONES de normas de examen,

intercambio de documentación entre alumnos,

suplantación, etc., supondrán la apertura de

expediente disciplinario.

Resumen de calificación

Evaluación continua

Evaluación por prueba final

ൢൡ

𝐴𝑢𝑡𝑜𝑒𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛: 5 × 5% = 25%

ቅ𝑇𝑒𝑠𝑡: 40%

𝑃𝑟𝑜𝑏𝑙𝑒𝑚𝑎𝑠: 60%= 𝐸𝑥𝑎𝑚𝑒𝑛 ≥ 3 : 50%

𝑇𝑒𝑜𝑟í𝑎: 75%

ሽ𝑃𝑟á𝑐𝑡𝑖𝑐𝑎𝑠: 4 × 6.25% = 𝐿𝑎𝑏𝑜𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑜: 25%

𝑁𝑜𝑡𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙: 100%

ൡቅ

𝑇𝑒𝑠𝑡: 40%𝑃𝑟𝑜𝑏𝑙𝑒𝑚𝑎𝑠: 60%

= 𝐸𝑥𝑎𝑚𝑒𝑛 ≥ 3 : 75%

ሽ𝑃𝑟á𝑐𝑡𝑖𝑐𝑎𝑠: 4 × 6.25% = 𝐿𝑎𝑏𝑜𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑜: 25%𝑁𝑜𝑡𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙: 100%

IMPORTANTE:

– Es necesario realizar todas las prácticas.

– Calificación mínima del examen final para aprobar: 3p sobre 10p.

Avisos La calificación final de teoría en la convocatoria

extraordinaria (JULIO) está basada sólo en el

examen, NO valorándose los EJERCICIOS DE

AUTOEVALUACIÓN.

La calificación del laboratorio está condicionada

a la realización de TODAS las prácticas.

El examen extraordinario de JULIO se regirá

por las mismas normas que el ordinario con

renuncia a continua.

Información

Tablón de anuncios– No...

Páginas web– Pagina de teoría http://www.gr.ssr.upm.es/ecom

– Página del laboratorio www.gmr.ssr.upm.es/www2/ECOM/

Moodle de UPM

http://www.gr.ssr.upm.es/ecom

http://www.gr.ssr.upm.es/ecom

http://www.gr.ssr.upm.es/

Bibliografía

M. Sierra-Pérez, B. Galocha, J.L. Fernandez y M. Sierra Castañer“Electrónica de Comunicaciones” Editorial Prentice Hall. 2003.

H.C. Krauss, C.W. Bostian, F.H. Raab. “Estado Sólido en Ingenieríade Radiocomunicaciones”. Ed. Limusa. 1984

R. Best. “Phase Locked Loops” Ed. Wiley. 1976

Miller. “Basic Electronic Communication” Prentice Hall

Wolaver. “Phase Loop Circuit Design” Ed. Prentice Hall.

Erst. “Receiving System Design” Ed. Prentice Hall. 1992.

S.A. Maas. “Microwave Mixers” Artech House 1993.

F.M. Gardner “ Phaselock Techniques” Ed. Wiley 1979.

Equivalencia de temas

Título del tema Temario Libro

Introducción a los sistemas RF 1 1

Procesos de distorsión y ruido 2 2

Procesos de mezcla 3 6

Modulación/ demodulación lineal 3 9

Osciladores de RF 4.1 3

Lazos enganchados en fase (PLL) 4.2 4

Sintetizadores 4.3 5

Modulación y demodulación de fase y frecuencia 4.4 10

Amplificadores de RF 5.1 7

Filtros de RF 5.2 8

Receptores 6.1 12

Transmisores 6.2 11

Horas de Clase y de Consulta

Grupo Grupo 31.2 Grupo 32 Grupo 33/34 Grupo 35 Laboratorio

Aula B3 B4 B10/A122 B2 A306-L

Horario Mierc. 11-13

Viern. 12-13

Martes 10-11

Mierc. 9-11

Martes 10-12

Jueves 10-11

Martes 18-19

Mierc 15-17

Según grupos

Profesor Miguel Salas

Natera

Belén

Galocha

Iragüen

José Manuel

Fernández

Jambrina/José

Luis

Fernández

Jambrina

Pablo

Sánchez

Olivares

Javier Gismero

Menoyo/

José Ignacio

Alonso Montes/

Carlos Gustavo

Moreno Pérez

Despacho C-411 C-410 C-416/C-419 C-416 C429/C422/C40

7

Tutoría

Profesorado y consultas

Profesor Despacho Correo electrónico

Miguel Salas Natera C-411 [email protected]

José Manuel Fernández

GonzálezC-416 [email protected]

José Luis Fernández Jambrina C-419 [email protected]

Belén Galocha Iragüen C-410 [email protected]

Pablo Sánchez Olivares C-416 [email protected]

Javier Gismero Menoyo C-420 [email protected]

José Ignacio Alonso Montes C-422 [email protected]

Carlos Gustavo Moreno Pérez C-407 [email protected]

Sistemas de

Comunicaciones

Por Radio

En banda base

Sobre portadora

Por Línea

Sistemas de RF en comunicacionesClasificación de los sistemas de comunicaciones según el medio de

transmisión utilizado: Fibra óptica

Cable coaxial

Propagación en espacio libre

Aire

Banda base (BB)

Ejemplo: La voz humana

𝒇 = 𝟐𝟓𝟎𝑯𝒛 − 𝟑𝒌𝑯𝒛

Ejemplo: Antenas

𝒇 = 𝟓𝟎𝟎𝑴𝑯𝒛 − 𝟏𝟎𝟎𝑮𝑯𝒛

Modulación sobre portadora

Bloques de un Sistema de Comunicaciones

Transmisor Canal ReceptorFuentePresen-

tación

Ruido

Distorsión

RuidoOscilador

Oscilador

Banda base (BB)

Ejemplo: La voz humana

𝒇 = 𝟐𝟓𝟎𝑯𝒛 − 𝟑𝒌𝑯𝒛Banda base (BB)

Ejemplo: El altavoz

Mercado de la:

Telefonía móvil

Comunicaciones por satélite

Clasificación de las perturbaciones (la señal se va deformando a medida que se propaga): Distorsión: lineal (de amplitud y de fase) y NO lineal (armónicos, saturación 𝑃𝑠𝑎𝑡. 𝑃1𝑑𝐵 , Producto de intermodulación de 3º orden

(PI3)).

Interferencia: perturbación aditiva procedente de otros sistemas.

Ruido: perturbación aleatoria aditiva independiente de la señal (excluidas las demás perturbaciones, se considera que el ruido engloba al

resto de posibles perturbaciones de origen electromagnético que sufre la señal). Procedencia: ruido captado por la antena, ruido

generado por el receptor.

Causas de ruido: ruido térmico de la tierra, ruido flicker (semiconductores), ruido impulsivo, ruido atmosférico, ruido cósmico, ruido

industrial.

Distorsión

Interferencias

Principales bloques/fases de un sistema de comunicaciones:

En Recepción (RX) se trabaja con niveles de señal de recepción de -80 a -100 𝑑𝐵𝑚.

En Transmisión (TX) se trabaja con niveles de señal de transmisión de 𝑚𝑊 hasta 𝑊.

Sistemas de ComunicacionesEjemplo: tarjeta WLAN con dos transceptores (Tx/Rx) y un receptor (Rx)

TRX #1

RX #3

TRX #2

Transmisor AnalógicoTransmisor Digital

Transmisor

Técnicas digitales o analógicas

Fuente

Reloj

Codificado

Fuente

Fuente

Codificado

Codificado

Mult

iple

xad

oModulación IF/RF Amp

Osc. Osc.

Modulación sobre

Portadora

OL

Banda base (BB)

Ejemplo: La voz

Antena

transmisora

Transmisión (TX): subsistemas analógicos y digitales

Tema 3:

mezclador/conversión

Tema 5:

Amplificadores

Tema 3 y 4:

modulación/demodulación

Tema 4: OL, PLL

Receptor Analógico Receptor Digital

Receptor

Técnicas digitales o analógicas

Reloj

Decodificado

Recepción

Decodificado

Decodificado

Mult

iple

xad

o

DemodulaciónRF/IFAmp

Osc. Osc.

Recepción

Recepción

Demodulación

sobre PortadoraOL

Banda base (BB)

Ejemplo: El altavoz

Antena

receptora

Recepción (RX): subsistemas analógicos y digitales

Tema 3:

mezclador/conversiónTema 5:

Amplificadores

Tema 3 y 4:

modulación/demodulación

Tema 4: OL, PLL

Frecuencias

Circuitos

Integrados

Digitales

(DSP, FPGA)

Circuitos

Integrados

Analógicos

(RFIC)

Circuitos de

Componentes

Discretos

10 a

100MHz

2 a

20GHz

MicroondasMilimétricasUHF

VHFHF

Onda Corta

Onda Media

1

KHz

1

THz

Óptica

Circuitos

Ópticos

Circuitos con

Líneas de

Transmisión

Ejemplos:

OL = Osciladores

PLL = Lazos enganchados en fase

Partes del Programa

Subsistemas de

Comunicaciones

Componentes

de RFProcesos

de Señal

Fuente

de señalModulador Amp. Amp. Antena

Oscilador 1 Oscilador 2

Canal de radiofrecuencia

Antena Amp. Amp.Demo-

dulador

Sistema

de Pre-

sentación


Ruido

Ruido

Interferencias

Distorsión

Distorsión

TX

RX

Tema 1: Introducción a los sistemas RF

(3horas=3t)

OL

OL

𝒇𝑭𝑰

Banda base (BB)

Ejemplo: La voz

Banda base (BB)

Ejemplo: El altavoz

𝒇𝑶𝑳

𝒇𝑹𝑭

𝒇𝑹𝑭𝒇𝑭𝑰

𝒇𝑶𝑳

Arquitectura de transceptores (transmisores Tx y receptores Rx)

Modulación

sobre portadora

Conversión

de frecuencia

Conversión

de frecuencia

Demodulación

sobre portadora



Fuente





dulador

Sistema

de Pre-

sentación


Ruido

Ruido

Interferencias

Distorsión

Distorsión

TX

RX

Tema 2: Procesos de distorsión, mezcla y ruido

(6horas= 3t+3p)

𝒇𝑭𝑰

𝒇𝑶𝑳

𝒇𝑹𝑭


𝒇𝑶𝑳

Banda base (BB)

Ejemplo: La voz

Banda base (BB)

Ejemplo: El altavoz

Perturbaciones como distorsión y ruido

Fuente





dulador

Sistema

de Pre-

sentación


Ruido

Ruido

Interferencias

Distorsión

Distorsión

TX

RX

Tema 3: Mezcladores, Modulación/ demodulación lineal

(7horas=4t+2p)

AM, DBL, BLU, I-Q

ASK

Banda base (BB)

Ejemplo: La voz

Banda base (BB)

Ejemplo: El altavoz

𝒇𝑭𝑰

𝒇𝑶𝑳

𝒇𝑹𝑭


𝒇𝑶𝑳

Circuitos moduladores y demoduladores

Modulación

con portadora

Conversión

de frecuencia

Conversión

de frecuencia

Demodulación

con portadora

Tema 3: Mezcladores, Modulación/ demodulación lineal

(7horas=4t+2p)

MX

Funciones:

Imperfecciones:

Mezclador

Modulador

Cambian una característica (amplitud, frecuencia o fase) de la señal

monocromática de RF de acuerdo con la información contenida en la señal de

banda base.

• Traslada la información desde banda base a la banda de transmisión

(conversión superior) o de la banda de transmisión a la banda base

(mezcla).

• El desplazamiento en frecuencia lo marca una frecuencia de referencia

obtenida de un oscilador local.

• En general se utiliza una banda de frecuencia intermedia en el proceso.

• Idealmente produce una traslación pura de frecuencias manteniendo el

resto de las características espectrales de la señal.

𝑓𝑟𝑒𝑓 𝑜 𝑓𝑂𝐿

• Pérdidas de inserción

• Ruido

• Introducción de frecuencias no deseadas

MOD

AM, DBL, BLU, I-Q

ASK

Fuente





dulador

Sistema

de Pre-

sentación


Ruido

Ruido

Interferencias

Distorsión

Distorsión

TX

RX

PM, FM

PSK, FSK

OL

OL

Banda base (BB)

Ejemplo: La voz

Banda base (BB)

Ejemplo: El altavoz

𝒇𝑭𝑰

𝒇𝑶𝑳

𝒇𝑹𝑭


𝒇𝑶𝑳

Modulación

sobre portadora

Conversión

de frecuencia

Conversión

de frecuencia

Demodulación

sobre portadora

Tema 4: Osciladores de RF, Lazos enganchados en fase (PLL),

Sintetizadores y modulación/demodulación de frecuencia y fase

(12horas=6t+4p)

Genera la energía de

microondas que:

Imperfecciones:

• Actuará de soporte de la información (transmisión).

• Suministra la referencia para un traslado de frecuencia

(conversión).

• Idealmente monocromático, pudiéndose variar la frecuencia con

algún elemento de control.

• Estabilidad en frecuencia (ruido de fase): a largo plazo y a corto plazo.

• Ruido de amplitud.

• Frecuencias espurias.

Oscilador

Modulador

Cambian una característica (amplitud, frecuencia o fase) de la señal

monocromática de RF de acuerdo con la información contenida en la señal de

banda base.MOD

PM, FM

PSK, FSK

OL

𝑓𝑂𝐿

Tema 4: Osciladores de RF, Lazos enganchados en fase (PLL),

Sintetizadores y modulación/demodulación de frecuencia y fase

(12horas=6t+4p)

Fuente





dulador

Sistema

de Pre-

sentación


Ruido

Ruido

Interferencias

Distorsión

Distorsión

TX

RX

Tema 5: Amplificadores de RF, de potencia y filtros de RF

(4horas=3t+1p)

Ampli. FI

Ampli. de

potenciaBanda base (BB)

Ejemplo: La voz

Banda base (BB)

Ejemplo: El altavoz

Filtro de

RF

LNA

𝒇𝑭𝑰

𝒇𝑶𝑳

𝒇𝑹𝑭


𝒇𝑶𝑳

Ampli. FI

Filtro de

FI

Diseño de amplificadores de RF y de potencia de acuerdo a las especificaciones de

cada etapa.

Diseño de filtros de acuerdo a las especificaciones de cada etapa.

Tema 5: Amplificadores de RF, de potencia y filtros de RF

(4horas=3t+1p)

LNA = Low Noise Amplifier

AGC =Automatic Gain Control Amplifier

PA = Power Amplifier

APC = Amplifier Power Control

Amplificador

Filtro

Funciones:

Imperfecciones:

• Amplificación de señales de bajo nivel (recepción) y aumento de la

potencia suministrada por el oscilador (transmisión). Las características

son muy distintas en cada caso.

• Idealmente introduce una constante multiplicativa en el espectro de la

señal.

• En recepción: ruido, linealidad

• En transmisión: linealidad, eficiencia

BPF

Separan los canales que soportan las distintas señales.

Limitan la banda de ruido.

Rechazan frecuencias no deseadas.

Se realizan de formas muy variadas.

Fuente





dulador

Sistema

de Pre-

sentación


Ruido

Ruido

Interferencias

Distorsión

Distorsión

TX

RX

Tema 6: Transmisores y Receptores de RF

(6horas=4t+2p)



Banda base (BB)

Ejemplo: La voz

Banda base (BB)

Ejemplo: El altavoz

TX

RX

Portadora

Portadora

Fuente





dulador

Sistema

de Pre-

sentación


Ruido

Ruido

Interferencias

Distorsión

Distorsión

TX

RX

Bloques de un sistema de comunicaciones

OL

OL

𝒇𝑭𝑰

Banda base (BB)

Ejemplo: La voz

Banda base (BB)

Ejemplo: El altavoz

𝒇𝑶𝑳

𝒇𝑹𝑭


𝒇𝑶𝑳

Lo que no veremos de manera explícita…se ven en otras asignaturas!

• El tratamiento de la señal antes del modulador y después del demodulador (en sistemas

actuales, a partir del ADC).

• Caracterización de antenas.

• Caracterización del canal.

Modulación

con portadora

Conversión

de frecuencia

Conversión

de frecuenciaDemodulación

sobre portadora

ESQUEMAS DE TRANSMISIÓN

Fuente de señal

Fuente de señal ModuladorModulador

Sintetizadorde

frecuencia

Sintetizadorde

frecuencia

Amplificador Filtropasobanda

Filtropaso

bandaAntenaAntena

Funciones Básicas: forma la señal a transmitir sobre la

frecuencia de portadora (generada por el sintetizador de frecuencia)

• Generar la señal en banda base: (1)

• Generar la frecuencia de portadora y síntesis de

portadora (2)

• Realizar la modulación (3)

• Amplificar la señal (4)

• Eliminar la banda NO necesaria Filtro (5)

• Radiar la señal al espacio libre

(1)

(2)

(3) (4) (5)

TRANSMISOR (Tx)

Banda

Base

(BB)

Antena

Transmisora

(Portadora)

Por ejemplo: Una portadora de

𝑓𝑝=3MHz modulada en FM por un

tono de 𝑓𝑚 = 3 𝑘𝐻𝑧 y con una

desviación máxima de ∆𝑓 = 30 𝑘𝐻𝑧

𝒇𝒎

𝒇𝒑

𝑚𝑊 hasta 𝑊

SEÑAL DE BANDA BASE 𝑥 𝑡 Se denomina BANDA BASE el conjunto de señales que NO sufren ningún

proceso de modulación a la salida de la fuente que las origina, es decir son

señales que son transmitidas en su frecuencia original.

– Valor medio o componente continua x(t)

– Potencia media Pb=x2(t)

– Valor eficaz xef=Pb1/2

– Nivel máximo o de pico de la señal |x|máx=1.

– Función de distribución estadística: F(x)

t

x(t)Señal arbitraria

en banda base en

el dominio del

tiempo como por

ejemplo una

señal de voz

¿Como sería una señal periódica en el dominio del tiempo?

Señal de banda base = señal

moduladora 𝑥 𝑡 en banda

base es la señal que contiene

la información a transmitir.

Distribución espectral de potencia: X(f)

Banda ocupada por la señal en banda base: W

Frecuencia máxima de la banda base: fm, max

Fuente de señal


Sintetizadorde

frecuencia

Sintetizadorde

frecuencia

Amplificador Filtropaso

banda

Filtropaso

bandaAntenaAntena

fm,min

f

X(f)

0

fm, max

Banda Base

W

(1) GENERACIÓN DE LA SEÑAL -

SEÑAL DE BANDA BASE (BB)

Señal arbitraria (no periódica) en

banda base en el dominio de la

frecuencia como por ejemplo el

espectro de un canal de voz

(teléfono móvil) en banda base

que ocupa una banda W=2 kHz

¿Cual sería el espectro de una señal periódica en banda base del estilo 𝑥 𝑡 = 𝐴 𝑡 𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑚𝑡 + 𝜑 𝑡 ?

Señal de Banda

Base (BB)

Señal de banda base = señal

moduladora 𝑥 𝑡 en banda

base es la señal que

contiene la información a

transmitir.

(Portadora)

(2) SÍNTESIS DE PORTADORA –

GENERADOR DE PORTADORA

Oscilador de frecuencia portadora

Capacidad de salto en frecuencia

Estabilidad Portadora f0

f0

Fuente de señal


Sintetizadorde

frecuencia

Sintetizadorde

frecuencia


banda

Filtropaso

bandaAntenaAntena

Señal de

Banda Base

arbitraria

Señal de Banda Base arbitraria

(periódica) 𝑥 𝑡 también

llamada señal moduladora

¿Si la señal de banda base es periódica cual sería el espectro del estilo 𝑥 𝑡 = 𝐴 𝑡 𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑚𝑡 + 𝜑 𝑡 ?

fm, maxfm,min

W

Portadora

(3) MODULACIÓN

Portadora f0

f

Fuente de señal


Sintetizadorde

frecuencia

Sintetizadorde

frecuencia


banda

Filtropaso

bandaAntenaAntena

𝐵𝑅𝐹 = ancho de banda de la señal RF

Señal

modulada

Señal

modulada

Señal modulada

Por ejemplo: Una portadora de

𝑓0=3MHz modulada por una

señal arbitraria (no periódica)

en banda base de banda W.

Señal de

Banda base

Portadora

𝑣 𝑡 = 𝐴 𝑡 𝑐𝑜𝑠 𝜔0𝑡 + 𝜑 𝑡

• Genera la señal modulada sobre la portadora 𝑓0• Modulación de la amplitud 𝐴 𝑡• Modulación de la fase 𝜑 𝑡

Señal de

Banda Base

arbitraria

fm, maxfm,min

W

0

a) TRANSMISOR HOMODINO CON

MODULACIÓN A BAJO NIVELTransmisor Homodino: la modulación se realiza directamente sobre la frecuencia de emisión 𝒇𝒆

MOD

x(t)

Señal de banda base

(Señal moduladora 𝑥 𝑡 )

Señal moduladaPortadora 𝑓𝑒 𝑓𝑒±𝑓𝑚 ≈ 𝑓𝑒

Si señal periódica 𝑓𝑚Si señal arbitraria (no periódica)

𝑓𝑚,𝑚𝑖𝑛 𝑦 𝑓𝑚,𝑚𝑎𝑥 𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎 𝑢𝑛𝑎 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑊

𝑓𝑚 es baja →𝑣𝑜𝑧: 𝑓𝑚,𝑚𝑎𝑥 = 2 𝑘𝐻𝑧

• Genera la señal modulada en baja potencia sobre

frecuencia de emisión 𝑓𝑒.

• Amplifica de forma lineal (AM…)

• Amplifica de forma no lineal (FM…)

• Filtra armónicos y espurios debido al modulador.

𝑓𝑒

x(t)

MOD

MODULADOR

•Modula en alto nivel en un modulador de alto rendimiento.

•Filtra armónicos y espurios debido al modulador.

b) TRANSMISOR HOMODINO CON

MODULACIÓN A NIVEL ALTOTransmisor Homodino: la modulación se realiza directamente sobre la frecuencia de emisión 𝒇𝒆

Señal moduladaPortadora 𝑓𝑒


(Señal moduladora 𝑥 𝑡 )

𝑓𝑒

• Genera y amplifica la frecuencia de

emisión 𝑓𝑒.

• Genera y amplifica la señal de

modulación (señal moduladora 𝑥 𝑡 )

𝑓𝑒±𝑓𝑚 ≈ 𝑓𝑒

𝑓𝑚 es baja →𝑣𝑜𝑧: 𝑓𝑚,𝑚𝑎𝑥 = 2 𝑘𝐻𝑧

MOD

X(t)

f1

f2

f1+f2


(Señal moduladora)Típico: señal periódica 𝑥 𝑡 =

𝐴 𝑡 𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑚𝑡 + 𝜑 𝑡

FI RF

OL

fRF= 𝑓𝐹𝐼 ± 𝑓𝑂𝐿

c) TRANSMISOR HETERODINOTransmisor Heterodino: la modulación se realiza en frecuencia 𝒇𝒑 que es

diferente de la de emisión (que aquí es 𝒇𝑹𝑭)

•Genera la señal modulada en baja potencia sobre una frecuencia intermedia 𝑓𝐹𝐼.

•Traslada la señal 𝑓𝐹𝐼 (≈ 𝑓𝑝) a la frecuencia de emisión 𝑓𝑅𝐹 en un conversor.

•Amplifica la señal hasta la potencia de emisión 𝑓𝑅𝐹.

•Filtra armónicos y espurios debido al modulador y conversor.

Portadora fRF

𝑓𝑚

𝑓𝑝𝑓𝑝

𝑓𝐹𝐼 ≈ 𝑓𝑝

𝑓𝑶𝑳

ESQUEMA BÁSICO DEL RECEPTOR (Rx)

DemoduladorAmplificadorFiltro

paso

banda

Filtro

RFAntenaAntena

de señal

Amplificador

Banda base

Funciones de un receptor (Rx)

•Amplificación: aumentar el nivel de señal, amplificar la señal hasta

el nivel de entrada al demodulador.

•Filtrado: separar la señal de la interferencia y ruido, eliminar

interferencias y ruido que llegan al sistema receptor.

•Demodulación: obtener la señal original en banda base, demodular

la portadora para obtener la señal de banda base.

Ejemplo: LNA Banda Base (BB)

-80 a -100 𝑑𝐵𝑚

CRITERIOS DE CALIDAD Selectividad: capacidad de sintonizar la banda de frecuencia de interés, capacidad

de rechazar las señales RF no deseadas, se mide en términos de potencia de señal no

deseada e interferente que produce el mismo nivel a la entrada del detector.

– Capacidad de eliminar señales potencialmente interferentes. (filtrado,

intermodulación,…).

Sensibilidad: capacidad de recibir señales de muy baja potencia, nivel mínimo de

señal que es capaz de detectar con la calidad deseada, está limitado por ruido o por

ganancia.

– Potencia mínima de entrada para el correcto funcionamiento del sistema, viene

impuesta por el nivel de ruido e interferencias que acompañe a la señal deseada.

– Nivel mínimo de señal que es capaz de detectar con la calidad deseada. (ruido,

ganancia,..).

Fidelidad: capacidad de recibir y demodular la señal sin distorsión o con un nivel

de distorsión no superior al especificado.

– Capacidad de recibir y demodular la señal sin distorsión. (distorsión lineal y no

lineal, señales espurias, demodulación, etc.).

DEMDEM

Ventajas: •NO aparecen frecuencias interferentes

NO hay mezclador/conversor de

frecuencia

•Sencillez

•Bajo costo

Amplificación

RF

Filtrado

RF

Demodulación Nivel BB Filtrado BB

Aplicaciones: Aplicaciones de banda ancha (relativa)

Equipos militares como alertadores de radar

Equipos de laboratorio

Receptores de frecuencia (LF (30-300kHz), MF (300kHz-3MHz), HF (3-30 MHz))

RFLNA

Inconvenientes:•Difícil filtrado en RF si fp/B>100 →

𝐵

𝑓𝑝< 0.01 →

banda relativa por debajo del 1% necesita un

filtro muy selectivo muy caro

•Alta ganancia en los amplificadores de RF con

posibilidad de oscilación (Problema!).

a) RECEPTOR HOMODINO NO tiene mezclador de frecuencia, ni frecuencia intermedia 𝒇𝑭𝑰

La demodulación se realiza directamente sobre la frecuencia de recepción (que aquí es 𝒇𝑹𝑭).

𝑓𝑅𝐹

𝑓𝑅𝐹

DEMDEM

Amplificación

RF

Filtrado FI Demodulación

Conversión de frecuencia

Amplificación

FI

La etapa FI proporciona alta ganancia y buen filtrado

(selectividad)

La señal RF se traslada mediante mezcla con un

tono puro (OL) a la frecuencia intermedia 𝑓𝐹𝐼.

Ventajas:

• El filtrado se hace sobre una frecuencia más baja se

realiza en 𝑓𝐹𝐼 más fácil de realizar el filtrado

•Se amplifica en dos etapas de diferente frecuencia (𝑓𝑅𝐹 y

𝑓𝐹𝐼) reparto de ganancia entre las etapas de RF y de FI

menos posibilidad de oscilación mayor estabilidad

más fácil de obtener altas ganancias

Inconvenientes:

•Proceso de mezclas aparecen señales

interferentes, mezclas no deseadas

debido a la presencia del mezclador

•Es más complejo y caro.

•Hay que eliminar la banda imagen 𝑓𝑌

𝑓𝑅𝐹𝑓𝐹𝐼 = 𝑓𝑅𝐹 ± 𝑓𝑂𝐿

𝐵𝐹𝐼

𝐵𝑅𝐹

𝑓𝑂𝐿

b) RECEPTOR HETERODINO 𝒇𝑶𝑳 𝒆𝒔 𝒇𝒊𝒋𝒂

La demodulación se realiza en frecuencia 𝒇𝑭𝑰 que es diferente a la de recepción (que aquí es 𝒇𝑹𝑭)

𝑓𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜𝑅𝐹𝑓𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜𝐹𝐼

𝑓𝐹𝐼

𝑓𝑅𝐹

𝑓𝑅𝐹 𝑓𝐹𝐼

BANDAS ESPURIAS Y BANDA IMAGEN 𝑓𝑦ruido del demodulador

RF

fs

Filtro de rechazo

de banda imagen

Interferencias y ruido

Filtro de RF muy selectivo muy caro

DEMDEM

Ventajas:

• El filtrado se hace sobre una frecuencia más baja.

• Se amplifica en dos etapas de diferente frecuencia.

• Mejora de la selectividad.

•Mejora de la sensibilidad.

Amplificación

RF

Filtrado FI Demodulación

Conversión de frecuencia

Amplificación

FI

La etapa FI proporciona alta ganancia y buen filtrado

(selectividad)

c) RECEPTOR SUPERHETERODINO

Receptores sintonizables Analizador de espectro, receptores de radiodifusión FM comercial,

receptor TV

Es un receptor heterodino sintonizable donde se varia 𝒇𝑶𝑳 y 𝒇𝒄𝑭𝒊𝒍𝒕𝒓𝒐 𝑹𝑭

Inconvenientes:

•Proceso de mezclas aparecen

señales interferentes, mezclas no

deseadas.

•Es más complejo y caro.

•Hay que eliminar la banda imagen 𝑓𝑦.

La señal RF se traslada mediante mezcla con un

tono puro (OL) a la frecuencia intermedia 𝑓𝐹𝐼.

𝒇𝑶𝑳es variable

Filtro RF: 𝒇𝒄 𝒇𝒊𝒍𝒕𝒓𝒐 𝑹𝑭 es variable

Facilita la amplificación y se

mejora la selectividad

𝑓𝑅𝐹𝑓𝐹𝐼 = 𝑓𝑅𝐹 ± 𝑓𝑂𝐿

𝐵𝐹𝐼

𝑓𝑂𝐿 variable

𝐵𝑅𝐹

𝒇𝒄𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒍 𝒇𝒊𝒍𝒕𝒓𝒐𝑹𝑭 variable

𝑓𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜𝐹𝐼

𝑓𝑅𝐹

𝑓𝑅𝐹 𝑓𝐹𝐼 𝑓𝐹𝐼

BANDAS ESPURIAS Y BANDA IMAGEN 𝑓𝑦 ruido de

conversor de frecuencia mezclador (MX) y Oscilador local (OL)

RF Filtro RF Importancia del filtro RF

FIBanda Imagen

Filtro de rechazo

de banda imagen

OLB< BRF<4fFI

BFI= B

Filtro de frecuencia

intermediaElimina la banda

imagen antes del

mezclador

Filtro FI

𝑓𝐹𝐼 = 𝑓𝑅𝐹 ± 𝑓𝑂𝐿

𝑓𝑚,𝑛 = 𝑛𝑓𝑂𝐿 ±𝑚𝑓𝑅𝐹 = 𝑛𝑓𝑂𝐿 ±𝑚𝑓𝑦

𝑓𝑦 = 𝑓𝑅𝐹 ± 2𝑓𝐹𝐼 = 2𝑓𝑂𝐿 ± 𝑓𝑅𝐹 Imagen de 𝑓𝑅𝐹 con respecto a 𝑓𝑂𝐿

Ancho de banda de la señal recibida (salida=señal de banda base) 𝐵𝑅𝑋

Imagen de 𝑓𝑅𝐹 con respecto a 𝑓𝑂𝐿𝑓𝑌 = 𝑓𝑅𝐹 ± 2𝑓𝐹𝐼

𝑓𝐹𝐼 = 𝑓𝑅𝐹 − 𝑓𝑂𝐿 𝑓𝑌 = 2𝑓𝑂𝐿 − 𝑓𝑅𝐹 𝑓𝑂𝐿 𝑓𝑅𝐹 ⇒ 𝐴𝑞𝑢𝑖 𝑓𝑅𝐹 > 𝑓𝑂𝐿 𝑓𝐹𝐼 = 𝑓𝑅𝐹 + 𝑓𝑂𝐿

Frecuencia intermedia:

Mezclas espurias:

Banda Imagen:

DEMODULACIÓN

FI

BB Filtro de

Frecuencia

Intermedia

BFI= Bmodulación

Filtro de Banda base

𝑓𝑌 = 𝑓𝑅𝐹 ± 2𝑓𝐹𝐼

Ejemplo: Receptor Superheterodino

Diagrama de bloques de un receptor:

Ejemplo

Consideremos un receptor de AM sintonizable (ejemplo: Radio AM) en la banda

de 600 a 1200 kHz, para el que se ha elegido una frecuencia intermedia de 450

kHz. Determine la frecuencia del oscilador y la correspondiente banda imagen.

DET.DET.

fRF=600 a 1200kHz

BRF=100kHz BFI=20kHz

fFI=450kHz

fOL

Ejemplo: Opción OL Superior

Opción OL Superior: 𝑓𝑂𝐿 = 𝑓𝑠 + 𝑓𝐼𝐹

𝑓𝑠 =1200⋮

600kHz ⇒ 𝑓𝑂𝐿 =

1650⋮

1050kHz ⇒ 𝑓𝑦 =

2100⋮

1500kHz

Detalles:

• Τmax(𝑓𝑂𝐿) min(𝑓𝑂𝐿) = 1.571• Banda imagen fuera de la banda de

señal.

Separación mínima: 300 kHz

𝑓𝑠

𝑓𝑂𝐿

Ejemplo: Opción OL Inferior

Opción OL Inferior: 𝑓𝑂𝐿 = 𝑓𝑠 − 𝑓𝐼𝐹

𝑓𝑠 =

1200⋮

900⋮

600

kHz ⇒ 𝑓𝑂𝐿 =

750⋮

450⋮

150

kHz ⇒ 𝑓𝑦 =

300⋮0⋮

300

kHz

Detalles:

• Τmax(𝑓𝑂𝐿) min(𝑓𝑂𝐿) = 5• El oscilador local coincide con la

frecuencia intermedia para 𝑓𝑠 = 900 kHz• El oscilador local coincide con la imagen

a 𝑓𝑠 = 675 kHz a𝑓𝑂𝐿 = 𝑓5 = 225 kHz• Banda imagen fuera de la banda de señal.

Separación mínima: 300 kHz

𝑓𝐼𝐹 = 450 𝑘𝐻𝑧

𝑓𝑠

𝑓𝑂𝐿

𝑓𝑠 = 675 𝑘𝐻𝑧

𝑓𝑂𝐿 = 225 𝑘𝐻𝑧

Receptor de banda estrecha

DET.DET.

Consideremos un receptor de BPSK que recibe una sonda de espacio profundo en

3GHz con una banda de trabajo de 100Hz. Establecer una frecuencia intermedia y

definir los filtros del receptor.

Receptor de un equipo de medida

DET.DET.

Consideremos un receptor de un analizador de espectros que debe funcionar entre

10MHz y 20 GHz. Establecer una o más frecuencias intermedias y definir los filtros

del receptor.

electrónica de comunicaciones - gr.ssr.upm.es

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