Telecomunicaciones I Telecomunicaciones Transmisin en Amplitud Modulada Unidad

Telecomunicaciones I Telecomunicaciones Transmisión en Amplitud Modulada Unidad II Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 1

Telecomunicaciones I Contenido de la Unidad • • Introducción Fundamentos de amplitud modulada Porcentaje de la modulación Análisis AM Circuitos para generar AM Sistemas de transmisión AM Medidas de transmisión Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 2

Telecomunicaciones I Unidad II Introducción Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 3

Telecomunicaciones I ¿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. • La señal portadora podrá ser referida mejor como señal de radio frecuencia (RF) Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 4

Telecomunicaciones I Fundamentos de amplitud modulada • Si combinamos, de forma lineal, dos ondas senoidales de diferentes frecuencias, como si fuesen una señal inteligente y una portadora, el resultado sería apenas una suma algebraica de sus amplitudes como se muestra a seguir. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 5

Telecomunicaciones I Adición lineal de dos ondas senoidales Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 6

Telecomunicaciones I Consideraciones • La señal resultante de la suma lineal no es apta para transmisión. • Si se transmitiera, el receptor solo detectaría la señal de la portadora, ya que la señal de baja frecuencia no puede propagarse eficientemente como onda de radio. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 7

Telecomunicaciones I 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 Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 8

Telecomunicaciones I Combinación no lineal Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 9

Telecomunicaciones I 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 Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 10

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Telecomunicaciones I 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 • Nota que hay una alteración en la fase de 180° Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 12

Telecomunicaciones I Ecuación AM • La ecuación para la forma de onda AM (envoltura) será: • El producto de la forma de onda de la portadora y de la señal inteligente producirá la suma y la diferencia de las dos frecuencias Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 13

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Telecomunicaciones I 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 • Lo que se muestra hasta aquí es una modulación de la portadora con una señal inteligente puramente senoidal, pero en la mayoría de los sistemas, la señal inteligente es una forma de onda más compleja que contiene múltiples componentes de frecuencias. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 15

Telecomunicaciones I Modulación por una banda de frecuencias inteligentes • Por ejemplo, la voz humana tiene componentes desde 200 Hz a 3 k. Hz, si se usara esta señal para modular, se generarían una banda grande de frecuencias a los lados de la portadora • Ambas bandas que se generan reciben el nombre de banda lateral inferior y banda lateral superior. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 16

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Telecomunicaciones I Ejemplo • Una portadora de 1. 4 MHz es modulada por una señal de música cuyas componentes de frecuencia van de los 20 Hz a los 10 k. Hz. Determina el rango de frecuencias generadas por la banda lateral inferior y superior Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 18

Telecomunicaciones I Solución • La banda lateral superior: – 1, 400, 000 Hz + 20 Hz = 1, 400, 020 Hz – 1, 400, 000 Hz + 10, 000 Hz = 1, 410, 000 Hz • La banda lateral inferior: – 1, 400, 000 Hz - 10, 000 Hz = 1, 390, 000 Hz – 1, 400, 000 Hz - 20 Hz = 1, 399, 980 Hz Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 19

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Telecomunicaciones I 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 Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 21

Telecomunicaciones I Espectro de frecuencias de una onda AM (DSBFC) Amplitud Portadora Banda lateral inferior LSB Banda lateral superior USB Frecuencias del lado inferior Frecuencias del lado superior Frecuencia fc - fi (max) Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 fc fc + fi (max) 22

Telecomunicaciones I 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 = 2 fi(max) • Para propagación de ondas de radio, la portadora y todas las frecuencias dentro de las bandas laterales deben ser lo bastante elevadas como para poder propagarse lo suficiente a través de la atmósfera. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 23

Telecomunicaciones I Ejemplo • Para un modulador DSBFC de AM con frecuencia de portadora de 100 k. Hz y una señal inteligente con frecuencia máxima de 5 k. Hz determina: a) Límites de frecuencia de las bandas laterales b) Ancho de banda c) Frecuencias de lado superior e inferior, que se producen cuando la señal inteligente es un tono de frecuencia única de 3 k. Hz d) Trazar el espectro de frecuencias de salida Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 24

Telecomunicaciones I 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. • El concento de suma de fasores ayuda en la compresión de cómo la portadora y las bandas laterales se combinan para forma la onda AM y servirá de ayuda para entender otros conceptos en comunicaciones Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 25

Telecomunicaciones I Representación fasorial de una onda AM Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 26

Telecomunicaciones I Unidad II Coeficiente de modulación y porcentaje de modulación Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 27

Telecomunicaciones I 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: Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 28

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Telecomunicaciones I 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: • Este método es más conveniente cuando se usa para soluciones gráficas, como las que presenta el osciloscopio. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 30

Telecomunicaciones I Consideraciones • Si la señal moduladora es una onda senoidal pura de una sola frecuencia, y el proceso de modulación es simétrico (es decir, las diferencias positiva y negativa de amplitud de la envolvente son iguales), entonces se puede deducir los siguiente: Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 31

Telecomunicaciones I Amplitudes máxima de las frecuencia superior e inferior • De las ecuaciones anteriores podemos deducir las amplitudes de las frecuencias superior e inferior Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 32

Telecomunicaciones I • • Ejemplo: Para la figura, determinar: a) b) c) d) e) • 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 Considera que en la figura Em es Ei Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 33

Telecomunicaciones I Sobremodulación • La sobremodulación sucede cuando una señal inteligente excede la señal modulada lo que producirá un porcentaje de modulación mayor al 100%. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 34

Telecomunicaciones I Efectos de la sobremodulación • La brecha producida por la sobremodulación se denomina sideband splatter, este efecto resulta en la transmisión de frecuencias fuera del ancho de banda normal separado para esa radio (ancho de banda excesivo), esta es una condición inaceptable y cusa interferencias severas en otras estaciones. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 35

Telecomunicaciones I Unidad II Análisis de AM Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 36

Telecomunicaciones I Valor instantáneo de la onda AM • El valor instantáneo de la onda AM está definido por: • Como vemos (e) es el resultado del producto de dos ondas senoidales. Este producto puede ser expandido con la ayuda de una relación trigonometrica: Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 37

Telecomunicaciones I Valor instantáneo de la onda AM • Lo que resultará en: a c b • 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 m. Ec/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. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 38

Telecomunicaciones I Valor instantáneo de la onda AM • En el caso de que la portadora sea modulada por una señal senoidal pura, puede demostrarse que al 100% de modulación, la amplitud de la frecuencia superior e inferior en la mitad de la amplitud de la portadora. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 39

Telecomunicaciones I Ejemplo • Determina la potencia máxima de las bandas laterales si la salida de la portadora es de 1 k. W y calcula la potencia total transmitida. • Solución: – La potencia máxima de las bandas laterales es cuando m=1, o sea el porcentaje de modulación es 100%, en esa situación la amplitud de las frecuencias de ambos lados es ½ de la amplitud de la portadora. Ya que la potencia es proporcional al cuadrado del voltaje, cada banda lateral tendrá ¼ de la potencia de la portadora, o sea, ¼ x 1 k. W, o 250 W. Así, la potencia total de las bandas será 250 W x 2 = 500 W y la potencia total transmitida será 1 k. W + 500 W = 1. 5 k. W. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 40

Telecomunicaciones I 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 de la portadota (k. W) Potencia en una banda lateral (W) Potencia total en las bandas laterales (W) Potencia total transmitida (k. W) 1. 0 1 250 500 1. 5 0. 5 1 62. 5 125 1. 125 Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 41

Telecomunicaciones I Importancia de usar un alto porcentaje de modulación • Aunque el total de potencia transmitida solo haya caído de 1. 5 k. W a 1. 125 k. W, la transmisión efectiva pasa a tener ¼ de fuerza con 50% de modulación. • Por estas consideraciones, la mayoría de los transmisores AM mantienen una modulación en el 90 y 95% como un compromiso entre la eficiencia y el riesgo de caer en la sobre modulación. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 42

Telecomunicaciones I Relación para cálculo de la potencia Esta ecuación puede ser modificada para usar la corriente en vez de la potencia, esta relación puede ser más útil, ya que la corriente es un parámetro más fácil de medir en la antena de un transmisor. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 43

Telecomunicaciones I 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 k. W y con un 95% de modulación. ¿Cuánto de su potencia de transmisión es señal inteligente (bandas laterales)? (R=15. 5 k. W) • La corriente de una antena de AM es de 12 A cuando no hay modulación, pero aumenta a 13 A cuando existe modulación, calcula el %m (R=59%). Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 44

Telecomunicaciones I En caso de que la portadora sea modulada por más de una señal senoidal el coeficiente de modulación efectivo será dado por: Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 45

Telecomunicaciones I ejemplo • Un transmisor con una potencia de portadora de 10 k. W, transmite 11. 2 k. W cuando está modulada con un única señal senoidal. Calcula el coeficiente de modulación si la portadora es modulada simultáneamente por otra señal senoidal con 50% de modulación, calcula la potencia total transmitida. (R: m = 0. 49, Pt = 12. 45 k. W). Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 46

Telecomunicaciones I Circuitos para generar AM • Como definimos inicialmente AM es generada por la combinación de las frecuencias de la portadora y de la señal inteligente en un dispositivo no lineal. Los diodos tienen áreas no lineales, pero no son usados ya que son elementos pasivos y no ofrecen ganancias. Los transistores ofrecen operaciones no lineales (apropiadamente polarizados) y proveen amplificación, lo que los hace ideales para este tipo de aplicación. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 47

Telecomunicaciones I Simple modulación con transistor Una de los dos áreas no lineales deben ser usadas para generar AM Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 48

Telecomunicaciones I 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. • Se puede obtener también la modulación por colector o por emisor. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 49

Telecomunicaciones I 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: – La modulación se hace en el elemento final de la etapa final, donde la señal portadora tiene su amplitud máxima y por eso requieren de una señal inteligente de mayor amplitud para lograr un porcentaje de modulación razonable. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 50

Telecomunicaciones I 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. • Una desventaja obvia de la modulación de bajo nivel se presenta en la aplicaciones de gran potencia, donde todos los amplificadores que siguen a la etapa moduladora deben ser amplificadores lineales, lo cual es extremadamente ineficiente. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 51

Telecomunicaciones I 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. – Los tubos al vacio son aun la mejor opción para algunas aplicaciones que requieren salidas con alta frecuencia y alta potencia Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 52

Telecomunicaciones I Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 53

Telecomunicaciones I 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. • La modulación de bajo nivel permite usar una señal inteligente de baja potencia, pero las siguientes etapas deben usar pocos pero eficientes configuraciones lineales (no clase C), esta configuración por lo general ofrece una solución más económica. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 54

Telecomunicaciones I Modulador por emisor Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 55

Telecomunicaciones I 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. La ganancia de voltaje para un modulador por emisor se describe con la ecuación: Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 56

Telecomunicaciones I • Considerando que el sin (2πfmt) va desde un valor máximo de +1 hasta uno mínimo de -1. Esto reduce a: Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 57

Telecomunicaciones I 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 k. Hz con amplitud de 5 m. V y una señal inteligente de 1000 Hz, determina lo siguiente: a) Ganancia máxima y mínima de voltaje b) Amplitudes máximas y mínimas en la salida (Vsal) c) Trazar la envolvente de la AM de salida Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 58

Telecomunicaciones I Solución Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 59

Telecomunicaciones I Sistemas de Transmisión AM Unidad 2 Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 60

Telecomunicaciones I Sistemas de transmisión AM • La sección anterior abordó el análisis y algunos circuitos para generar AM, estos circuitos son solo un elemento de un sistema de transmisión, es importante tener un panorama completo de una unidad de transmisión. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 61

Telecomunicaciones I Diagrama en bloques de un transmisor AM Modulador de alto nivel Oscilador (carrier) Buffer Amplificador Señal inteligente Modulator driver Amplificador Modulador de bajo nivel Amplificador de potencia lineal Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 62

Telecomunicaciones I 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). • La etapa que genera la modulación AM es denominada Amplificador Modulado. Esta etapa es la salida para moduladores de alto nivel, pero en sistemas de bajo nivel seguirán uno o varios amplificadores lineales (amplificadores de clase A o B). Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 63

Telecomunicaciones I 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 – Se usan para transmisiones de alta potencia y propagación a grandes distancias. Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 64

Telecomunicaciones I Medidas de Transmisión • Varias técnicas de medición están disponibles para verificar el desempeño de un transmisor, las más comunes son: – Patrones trapezoidales – Medidores de AM – Analizadores de espectro – Medida de la distorción de las armónicas Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 65

Telecomunicaciones I Ejemplo general • Para el modulador AM (multisim fig. 2 -33) • Con una portadora de potencia de 5 k. W, determinar: – – – Frecuencia de portadora Espectro de frecuencia generado Ancho de banda Coeficiente y porcentaje de modulación Voltajes de la portadora y de la señal modulante (máximos y mínimos) – Potencia total transmitida Universidad de Montemorelos Ing. Jorge Manrique © 2007 66