Unidad 2 - telecoTelecomunicaciones
Contenido de la Unidad
Unidad II
¿Qué es modulación?
La modulación puede ser definida como el proceso de introducir una señal inteligente de baja frecuencia en una señal portadora de alta frecuencia.
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Fundamentos de amplitud modulada
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Adición lineal de dos ondas senoidales
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Consideraciones
La señal resultante de la suma lineal no es apta para transmisión.
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El método
La forma usada para combinar la señal inteligente con la señal de la portadora es usar un dispositivo no lineal.
La combinación de ambas señales en un dispositivo no lineal producirán:
Un nivel dc
Componentes de cada uno de las dos frecuencias originales
Componentes debidas a la suma y la diferencia de las frecuencias originales
Armónicas de las dos frecuencias originales
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Combinación no lineal
Resultado
Como resultado de la combinación no lineal se obtiene lo visto en la diapositiva anterior
Las componente de frecuencia obtenidas son:
(fc – fi) es llamada de lower-side frecuency
fc es llamada carrier frecuency (frecuencia de portadora)
(fc + fi) es llamada de upper-side frecuency
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Modulación AM
En base a lo visto anteriormente, se puede concluir que tanto la parte superior como la parte inferior de la envoltura de una forma de onda AM es una réplica de la amplitud y de la frecuencia de la señal inteligente
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Ecuación AM
La ecuación para la forma de onda AM (envoltura) será:
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Consideraciones
La envoltura (envolvente) resulta de una combinación no lineal de la portadora con dos señales de menor nivel de amplitud y espaciados igualmente en frecuencia de ambos lados de la portadora
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Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007
Modulación por una banda de frecuencias inteligentes
Por ejemplo, la voz humana tiene componentes desde 200Hz a 3kHz, si se usara esta señal para modular, se generarían una banda grande de frecuencias a los lados de la portadora
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Ejemplo
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Solución
1,400,000 Hz + 10,000 Hz = 1,410,000 Hz
La banda lateral inferior:
1,400,000 Hz - 20Hz = 1,399,980 Hz
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AM - DSBFC
Aunque hay varias clases de modulación de amplitud, la que probablemente se usa con más frecuencia es la AM de portadora de máxima potencia y doble banda lateral
DSBFC (doble-sideband full carrier), también llamado AM convencional o simplemente AM
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Espectro de frecuencias de una onda AM (DSBFC)
fc
Portadora
Frecuencia
Amplitud
Ancho de banda para AM - DSBFC
El ancho de banda (BW) de una onda DSBFC de AM es igual a la diferencia entre la frecuencia máxima del lado superior y la mínima del lado inferior, o también, igual a doce veces la frecuencia máxima de la señal inteligente (señal modulante):
BW = 2fi(max)
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Ejemplo
Para un modulador DSBFC de AM con frecuencia de portadora de 100 kHz y una señal inteligente con frecuencia máxima de 5 kHz determina:
Límites de frecuencia de las bandas laterales
Ancho de banda
Frecuencias de lado superior e inferior, que se producen cuando la señal inteligente es un tono de frecuencia única de 3 kHz
Trazar el espectro de frecuencias de salida
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Representación fasorial de una onda AM
Con una señal inteligente de frecuencia única, la envolvente de AM se obtiene de la suma vectorial de la portadora y de las frecuencias del lado superior e inferior.
Las dos frecuencias laterales se combinan y producen una resultante que se combina con el vector de la portadora.
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Representación fasorial de una onda AM
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Unidad II
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Coeficiente y porcentaje
Un término que describe la cantidad de cambio de amplitud (modulación) que hay en una forma de onda AM es el coeficiente de modulación (m).
El porcentaje de modulación, es simplemente el coeficiente de modulación expresado como porcentaje.
La definición matemática del coeficiente es:
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Otra forma para obtener m
El mismo resultado puede ser obtenido si se utiliza el valor pico a pico máximo de la onda AM (B), señalado en el punto w y el valor mínimo pico a pico (A) , señalado con el punto x, que resulta en la siguiente ecuación:
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Consideraciones
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Amplitudes máxima de las frecuencia superior e inferior
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Ejemplo:
Amplitud máxima de las frecuencias de lado superior e inferior
Amplitud máxima de la portadora no modulada
Cambio máximo de amplitud de la envolvente
Coeficiente de modulación
Porcentaje de modulación
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Sobremodulación
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Efectos de la sobremodulación
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Unidad II
Valor instantáneo de la onda AM
El valor instantáneo de la onda AM está definido por:
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Valor instantáneo de la onda AM
Lo que resultará en:
Esta ecuación prueba que la onda AM contiene en estos tres términos: a) la portadora, b) la banda superior y c) la banda inferior.
También prueba que la amplitud instantánea de las frecuencias laterales es mEc/2
Concluye también que el ancho de banda requerido para la transmisión de AM es el doble de la máxima frecuencia de la señal inteligente.
a
c
b
Valor instantáneo de la onda AM
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Ejemplo
Determina la potencia máxima de las bandas laterales si la salida de la portadora es de 1kW y calcula la potencia total transmitida.
Solución:
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Importancia de usar un alto porcentaje de modulación
Es importante usar un alto porcentaje de modulación, mientras se asegure que no ocurrirá efectos de sobremodulación. Las bandas laterales son las que contienen la información y tienen mayor potencia al acercarse al 100% de modulación.
Mira la tabla comparativa para el ejemplo anterior usando 100% y 50% de modulación:
m
Potencia en una banda lateral (W)
Potencia total en las bandas laterales (W)
Potencia total transmitida (kW)
Importancia de usar un alto porcentaje de modulación
Aunque el total de potencia transmitida solo haya caído de 1.5 kW a 1.125 kW, la transmisión efectiva pasa a tener ¼ de fuerza con 50% de modulación.
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Relación para cálculo de la potencia
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Ejemplo
Una portadora de 500 W es modulada a un nivel de 90%. Determina la potencia total transmitida. (R=702.5 W)
Una estación transmisora de AM opera en su máxima salida permitida de 50 kW y con un 95% de modulación. ¿Cuánto de su potencia de transmisión es señal inteligente (bandas laterales)? (R=15.5 kW)
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Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007
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ejemplo
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Circuitos para generar AM
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Simple modulación con transistor
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Explicación del circuito
Este circuito opera sin polarización en la base y solo depende de los picos positivos de ei y ec para polarizar el transistor en la primera región no lineal. Es necesario ajustar apropiadamente los niveles de ei y ec para una buena operación, para esto los niveles deben ser bajos y la señal inteligente debe ser la mitad de la potencia de la portadora (o menos) para un 100% de modulación (o menos).
En el colector hay un circuito de resonancia en paralelo, sintonizado en la frecuencia de la portadora, es usado para sintonizar en la tres frecuencia deseadas, las bandas e inferior y la de la portadora, las otras frecuencias generadas por la modulación serán filtradas por este circuito.
En la practica, hay varias maneras de obtener la modulación de amplitud, en el ejemplo que se vio la señal inteligente fue inyectada en la base, de esta forma se obtiene la modulación de base.
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Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007
Moduladores de Alto y de Bajo Nivel
En un transmisor, el lugar donde se hace la modulación determina si el circuito es un transmisor de bajo o de alto nivel.
Modulación de bajo nivel:
Ésta se hace antes del elemento de salida de la etapa final del transmisor, en otras palabras, antes del colector del transistor de salida, o si es un transistor FET sería antes del drenaje.
Modulación de alto nivel:
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Ventajas y desventajas
Una ventaja de la modulación de bajo nivel es que se requiere menos potencia de señal moduladora para lograr modulación de alto porcentaje.
Con la modulación de alto nivel, el amplificador final de señal inteligente debe suministrar toda la potencia de banda lateral, que podría ser hasta 33% de la potencia total de transmisión.
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Criterio
La decisión del proyectista de usar un modulador de bajo o alto nivel será en términos de la potencia de salida requerida.
Para aplicaciones de alta potencia como una transmisión de radio normal, donde la salida es medida en kilowatts en vez de watts, la modulación de alto nivel es la mejor opción.
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Resumiendo
La modulación de nivel alto requiere una señal inteligente de alta potencia para producir la modulación pero permite una amplificación eficiente de la portadora.
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Modulador por emisor
Modulador por emisor
En la figura anterior se muestra un amplificador de clase A que se puede usar para la modulación AM
Este modulador tiene dos entradas una para la portadora y otra para la señal inteligente, cuando no hay señal inteligente presente, el circuito funciona como un amplificador lineal de clase A, y la salida no es más que la portadora por la ganancia
Cuando existe una señal modulante (inteligente), el amplificador funciona en forma no lineal y se produce la multiplicación de las señales
La señal moduladora varía la ganancia del amplificador con tasa senoidal igual a su frecuencia.
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Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007
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Ejemplo
Para un modulador AM de bajo nivel, con un coeficiente de modulación de 0.8, una ganancia de voltaje en reposo de 100, una frecuencia de portadora de 500 kHz con amplitud de 5mV y una señal inteligente de 1000 Hz, determina lo siguiente:
Ganancia máxima y mínima de voltaje
Amplitudes máximas y mínimas en la salida (Vsal)
Trazar la envolvente de la AM de salida
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Solución
Sistemas de Transmisión AM
Sistemas de transmisión AM
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Oscilador
(carrier)
Buffer
Amp.
Amplificador
Modulado
Amplificador
Elementos del transmisor
El oscilador genera la señal de la portadora, el oscilador es seguido por un amplificador “buffer” que provee una alta impedancia de carga para minimizar desvíos del oscilador, también provee suficiente ganancia para excitar el amplificador modulador, puede ser un amplificador de una etapa o de varias etapas, las que sean necesarias para drivear la etapa posterior.
El amplificador de la señal inteligente recibe la señal del transductor de entrada (por lo general un micrófono) .
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Transmisores de AM
Transmisores de bajo nivel
Los transmisores de bajo nivel se usan principalmente en sistemas de baja potencia y baja capacidad, como intercomunicaciones inalámbricas, unidades de control remoto, localizadores de personas y radioteléfonos de corto alcance.
Transmisores de alto nivel
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Medidas de Transmisión
Varias técnicas de medición están disponibles para verificar el desempeño de un transmisor, las más comunes son:
Patrones trapezoidales
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Ejemplo general
Con una portadora de potencia de 5 kW, determinar:
Frecuencia de portadora
Coeficiente y porcentaje de modulación
Voltajes de la portadora y de la señal modulante (máximos y mínimos)
Potencia total transmitida