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Universidad Tecnológica de Puebla
Comunicaciones I Manual de asignatura
Carrera
Electricidad y Electrónica Industrial
Programa 2004
M. C. Griselda Saldaña González
Carrera de Electricidad y Electrónica Industrial M. C. Griselda Saldaña González Comunicaciones I
Universidad Tecnológica de Puebla M en C. Griselda Saldaña González Página 2
Créditos Elaboró: C. Dr. Griselda Saldaña González Revisó: Revisión ortográfica, formato y estilo: Lic. José Luis Catzalco León Autorizó: Ing. Marcos Espinosa Martínez
Carrera de Electricidad y Electrónica Industrial M. C. Griselda Saldaña González Comunicaciones I
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Medidas de seguridad
El técnico electrónico trabaja con electricidad, dispositivos electrónicos, motores y
otras máquinas rotatorias. Tiene que usar frecuentemente herramientas de mano y
mecánicas para construir los prototipos de nuevos dispositivos a realizar experimentos.
Utiliza instrumentos de prueba para medir las características eléctricas de los
componentes, dispositivos y sistemas electrónicos.
Estas tareas son interesantes e instructivas, pero pueden presentar ciertos riesgos
si se efectúan descuidadamente. Por consiguiente es esencial que el estudiante aprenda
los principios de seguridad en cuanto comienza su carrera y que practique estos ejercicios
en toda su actividad subsiguiente de trabajo.
La realización del trabajo en condiciones de seguridad requiere seguir
deliberadamente un procedimiento apropiado para cada labor. Antes de emprender una
tarea, el técnico debe tener perfecto conocimiento de lo que tiene que hacer y de cómo ha
de hacerlo. Debe planear su labor, colocar en el banco de trabajo limpiamente y de
manera ordenada las herramientas, equipo e instrumentos que ha de necesitar. Debe
quitar todos los objetos extraños y apartar los cables todo lo posible de manera segura.
Cuando trabaje en máquinas rotatorias o cerca de ellas debe tener bien sujeto y
abrochado su traje de trabajo, de modo que no pueda ser enganchada ninguna parte de
él.
Las tensiones de línea (de energía) deben ser aisladas de tierra por medio de un
transformador de separación o de aislamiento. Las tensiones de línea de energía pueden
matar, por lo que no deben ponerse en contacto con ellas las manos ni el cuerpo. Se
deben comprobar los cables o cordones de línea antes de hacer uso de ellos, y si su
aislamiento está roto o agrietado no se deben emplear estos cables. El alumno debe
evitar el contacto directo con cualquier fuente de tensión. Medir las tensiones con una
mano en el bolsillo. Usar zapatos con suela de goma o una alfombra de goma cuando se
trabaja en el banco de experimentación. Cerciorarse de que las manos están secas y que
no se está de pie sobre un suelo húmedo cuando se efectúan pruebas y mediciones en un
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circuito activo, o sea conectado a una fuente de tensión. Desconectar ésta antes de
conectar los instrumentos de prueba en un circuito activo.
Utilizar enchufes o clavijas de seguridad en los cables de línea de las herramientas
mecanizadas y equipos no aislados (clavijas con tres patas polarizadas). No anular la
propiedad de seguridad de estas clavijas utilizando adaptadores no conectados a tierra.
No invalidar ningún dispositivo de seguridad, tal como un fusible o un disyuntor,
cortocircuitándolo o empleando un fusible de más amperaje del especificado por el
fabricante. Los dispositivos de seguridad están destinados a protegerle a usted y a su
equipo.
UN COMPORTAMIENTO JUICIOSO Y CON SENTIDO COMÚN EN EL
LABORATORIO SERÁ GARANTÍA DE SEGURIDAD Y HARÁ SU TRABAJO
INTERESANTE Y FRUCTÍFERO.
PRIMEROS AUXILIOS.
Si ocurre un accidente, desconecte inmediatamente la red o línea de energía.
Comunique inmediatamente el accidente a su instructor.
Una persona accidentada debe permanecer acostada hasta que llegue el médico,
y bien arropado para evitar la conmoción. No intentar darle agua ni otros líquidos si está
inconsciente y asegurarse de que nada pueda causarle aún más daño. Se le cuidará
solícitamente manteniéndola en postura cómoda hasta que llegue el médico.
RESPIRACIÓN ARTIFICIAL.
Una conmoción eléctrica fuerte puede causar un paro respiratorio. Hay que estar
preparado para practicar la respiración artificial inmediatamente, si esto ocurre. Se
recomiendan dos técnicas:
1. Respiración de boca a boca, que se considera la más eficaz.
2. Método de Schaeffer.
Estas instrucciones no están destinadas a desanimarle, sino a advertirle de los
riesgos que se pueden presentar en el trabajo de un técnico electrónico.
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Índice
Créditos ............................................................................................................... 2 Medidas de seguridad ....................................................................................... 3 Índice ................................................................................................................... 5 Contenido ............................................................................................................ 7 I. Introducción a las Comunicaciones Analógicas ................................. 8 1.1. INTRODUCCIÓN...................................................................................................8 1.2. Espectro electromagnético...................................................................... 10 1.2.1. FRECUENCIAS DE TRANSMISIÓN. ..................................................... 11 1.3. ANCHO DE BANDA Y CAPACIDAD DE INFORMACIÓN...................... 12 1.4. RUIDO EN LAS COMUNICACIONES .................................................... 14
II. Análisis y Transmisión de Señales Analógicas ................................ 17 2.1. SEÑALES ............................................................................................. 17 2.1.1. ANÁLISIS DE SEÑALES POR EL MÉTODO DE FOURIER (ANÁLISIS ARMÓNICO)....................................................................................................... 17 2.2 TEOREMA DEL MUESTREO. ................................................................ 17 2.2.1 TEOREMA DE FOURIER. ...................................................................... 20 2.2.2. SERIE EXPOENCIAL DE FOURIER ...................................................... 24 2.2.3. TRANSFORMADA DE FOURIER........................................................... 28 III. Modulación de señales continuas....................................................... 31 3.1. MODULACIÓN........................................................................................ 31 3.1.1. ¿POR QUÉ SE MODULA?..................................................................... 32 3.1.2. ¿CÓMO SE MODULA? .......................................................................... 36 3.1.3. ¿QUÉ TIPOS DE MODULACIÓN EXISTEN?......................................... 36 3.1.4. ¿CÓMO AFECTA EL CANAL A LA SEÑAL?.......................................... 36 3.1.5. ¿QUÉ RELACIÓN EXISTE ENTRE LA MODULACIÓN Y EL CANAL? . 37 3.1.6. DEFINICIONES DE TÉRMINOS BÁSICOS UTILIZADOS EN LAS TELECOMUNICACIONES: ................................................................................ 37 3.2. TRANSMISIÓN DE FM, AM, INTERFERENCIA Y RUIDO. .................... 40 3.2.1. FM CONTRA AM. ................................................................................... 41 3.3. MODULACIÓN EN AM. .......................................................................... 41 3.4. MODULACIÓN EN FM ........................................................................... 42 3.5. Fuentes de Señales no Deseadas .......................................................... 43 3.5.1. Fuentes de Ruido.................................................................................... 44 3.5.1.1 RUIDO TÉRMICO (THERMAL NOISE). ................................................. 44 3.5.1.2 RUIDO DE CHOQUE (SHOT NOISE). ................................................... 45 3.5.1.3 RUIDO ATMOSFÉRICO (ATMOSPHERIC NOISE). .............................. 45
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3.6. FUENTES DE INTERFERENCIA............................................................ 45 3.6.1 Otros Tipos de Interferencia.................................................................... 46 3.6.1.1 INTERFERENCIA DE CANALES ADYACENTES. ................................. 46 3.6.1.2. EFECTO DE CAPTURA ........................................................................ 46
PRÁCTICA 1 ..................................................................................................... 47 PRÁCTICA 2 ..................................................................................................... 50 PRÁCTICA 3 ..................................................................................................... 52 IV. Sistemas de Radiofrecuencia............................................................... 54 4.1. RECEPTORES Y TRANSMISORES DE RF ........................................... 54 4.1.1. Sensitividad. ............................................................................................ 55 4.1.2. Un Receptor Superheterodino. ................................................................ 55 4.2. AMPLIFICADOR RF. ............................................................................... 57 4.2.1 Mezclador / Convertidor. ......................................................................... 58 4.3. ¿QUÉ ES UNA ESTACIÓN REPETIDORA?........................................... 59 PRÁCTICA 4 INTRODUCCIÓN A PSPICE .............................................................................. 68 V. Comunicaciones Por Microondas......................................................... 72 5.1. ¿QUÉ SON LAS MICROONDAS?............................................................ 72 5.2. COMUNICACIÓN VÍA MICROONDAS..................................................... 73 5.3. ANTENAS Y TORRES DE MICROONDAS.............................................. 73 5.4. APLICACIONES DE LAS MICROONDAS................................................ 75 VI. Sistemas de Comunicación Satelital ................................................... 77 6.1. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LAS DISTINTAS ORBITAS ........ 80 6.1.1 LAS BANDAS DE FRECUENCIAS......................................................... 83 PRÁCTICA 5 TELÉFONO CELULAR ...................................................................................... 84 VII. Comparación, Avances y Tendencias ................................................. 86 Prácticas de laboratorio................................................................................... 87
BIBLIOGRAFÍA................................................................................................ 103
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Contenido
Horas Teoría Práctica Total Página
I Introducción a las Comunicaciones Analógicas 2 3 5 8
II Análisis y Transmisión de Señales Analógicas 3 6 9 17
III Modulación de Señales Continuas 3 6 9 31
IV Sistemas de Radiofrecuencia 4 12 16 54
V Comunicaciones por Microondas 4 11 15 72
VI Sistemas de Comunicación Satelital 4 12 16 77
VII Comparación, Avances y Tendencias 2 3 5 86 Manual de prácticas y ejercicios 87 BIBLIOGRAFIA 103
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I Introducción a las
Comunicaciones Analógicas
1.1. INTRODUCCIÓN.
Saber en la Teoría (2 hrs.)
Se puede decir formalmente que la transmisión de información tiene
aproximadamente un siglo y medio. Con los siguientes datos se da una idea general de la
evolución de las comunicaciones.
1831: Se descubre la ley de inducción magnética por Faraday (se producen efectos
eléctricos a distancia sin relación galvánica).
1887: Descubrimiento de la propagación de las ondas electromagnéticas por Hertz.
1901: Primera comunicación transatlántica por Marconi e inicios de la telegrafía.
1906: Invención del “tríodo”: se pudo producir y amplificar una onda electromagnética.
1915: Primera comunicación transpacífica con un relay a Honolulu.
1920: Descubrimiento de la ionosfera entre 80 y 300 Km. de altitud. Las ondas
electromagnéticas de frecuencias superiores a 30 Mhz. y con reflexiones hacen posibles
la comunicación.
Años 30: Invención de la televisión.
Años 40: Invención del radar.
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Años 50: Relación “troposferita”: Las ondas son reflejadas por las perturbaciones de las
capas bajas de la atmósfera terrestre.
Años 60: Primeros satélites geoestacionarios y no geoestacionarios.
Las comunicaciones analógicas se componen de tres principales etapas: Un
transmisor que contiene como dispositivo de entrada una fuente de información, y el
objetivo del transmisor es procesar la señal eléctrica proporcionada por la fuente de
información, para que ésta sea acoplada de manera eficiente al medio de transmisión.
El medio de transmisión es el canal a través del cual viaja la información en forma
de ondas electromagnéticas desde el transmisor, hasta el receptor.
El receptor tiene como objetivo principal, captar parte de la potencia emitida por el
transmisor al medio de transmisión y procesarla para que el dispositivo de salida pueda
reproducir la información enviada por el transmisor. Por lo que se puede afirmar que el
dispositivo de salida de todo receptor es el dispositivo reproductor de información.
De forma ideal, la información reproducida por el dispositivo de salida del receptor
tiene que ser una réplica perfecta de la información. Lo anterior requiere que el sistema
de comunicaciones desde la fuente hasta el dispositivo reproductor de información se
comporte como un circuito lineal, invariante en el tiempo, con un ancho de banda infinito
(o resistivo) y sin ruido. Una representación en forma de caja negra de un sistema ideal de
comunicación se muestra en la Figura 1.1.
Figura 1.1. Esquema de un sistema de comunicaciones
Sistema de Comunicaciones
Fuente de Información
Sin ruido, lineal, invariante en el tiempo y resistivo
Dispositivo reproductor de la Información
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Este sistema ideal de comunicaciones no se puede obtener físicamente, ya que
como se estudiará más adelante. Todo medio de transmisión agrega ruido, es
paramétrico, introduce atenuación y su ancho de banda es finito.
Estas degradaciones, que introducen el transmisor y receptor (equipo terminal) así
como el medio de transmisión, hacen que la información reproducida por el dispositivo de
salida no sea una replica fiel de la información proporcionada por la fuente. A causa de
esto, por un lado, al transmisor se le puede agregar otra finalidad importante: procesar a
la señal que contiene la información de forma tal que se reduzca (o minimice) el efecto de
las degradaciones introducidas por el equipo terminal y por el medio de transmisión; por
otro lado, es posible establecer los objetivos principales en el proceso de modernización o
de desarrollo de nuevos sistemas de comunicación.
5.2. ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
El objetivo de un sistema electrónico de comunicaciones es transferir información
entre dos o más lugares, cuyo nombre común es estaciones. Esto se logra convirtiendo la
información original a energía electromagnética, para transmitirla a continuación a una o
más estaciones receptoras, donde se reconvierte a su forma original. La energía
electromagnética se puede propagar en forma de voltaje o corriente, a través de un
conductor o hilo metálico, o bien en forma de ondas de radio emitidas hacia el espacio
libre, o como ondas luminosas a través de una fibra óptica.
La frecuencia no es más que la cantidad de veces que sucede un movimiento
periódico, como puede ser una onda senoidal de voltaje o de corriente, durante
determinado periódo. Cada inversión completa de la onda se llama ciclo.
Figura 1. 2. Espectro Electromagnético de Frecuencias
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1.2.1 Frecuencias de Transmisión.
El espectro electromagnético de frecuencias total, donde se muestran los lugares
aproximados de diversos servicios, se observa en la figura 1.2. Este espectro de
frecuencias va desde las subsónicas (unos pocos hertz) hasta los rayos cósmicos (1022
Hz.).
El espectro de frecuencias se divide en subsecciones o bandas. Cada banda tiene
un nombre y sus límites. En los Estados Unidos, las asignaciones de frecuencias para
radio propagación en el espacio libre son realizadas por la Comisión Federal de
Comunicaciones (FCC). Por ejemplo, la banda de emisión comercial en FM tiene
asignadas las frecuencias de 88 MHz a 108 MHz. Las frecuencias exactas asignadas a
transmisores específicos que funcionan en las diversas clases de servicio se actualizan y
alteran en forma constante, para cumplir con las necesidades de comunicaciones en una
nación.
El espectro total útil de radiofrecuencias (RF) se divide en bandas de frecuencias
más angostas, a las que se dan nombres y números descriptivos, y algunas de ellas se
subdividen a su vez en diversos tipos de servicios. Las designaciones de banda según el
Comité Consultivo Internacional de Radio (CCIR) se muestran en la tabla1.1.
Tabla 1.1. Designaciones de banda CCIR
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Cuando se manejan ondas de radio se acostumbra usar unidades de onda y no de
frecuencia. La longitud de onda es la distancia que ocupa en el espacio un ciclo de una
onda electromagnética, es decir, la distancia entre los puntos correspondientes en una
onda repetitiva. La longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia de la
onda, y directamente proporcional a su velocidad de propagación. Se supone que la
velocidad de propagación de la energía electromagnética en el espacio libre es 3x108 m/s.
La relación entre frecuencia, velocidad y longitud de onda se expresa en forma
matemática como sigue:
frecuenciavelocidadlongitud =
fc
=λ
donde
=λ Longitud de onda (metros por ciclo)
=c Velocidad de la luz (300, 000, 000 metros por segundo)
=f Frecuencia (hertz)
5.2. ANCHO DE BANDA Y CAPACIDAD DE INFORMACIÓN.
Las dos limitaciones más importantes en el funcionamiento de un sistema de
comunicaciones son el ruido y el ancho de banda. El ruido se describirá más adelante en
este capítulo. El ancho de banda de una señal de información no es más que la diferencia
entre las frecuencias máxima y mínima que pueden pasar por el canal (es decir, son su
banda de paso).
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El ancho de banda de un canal de comunicaciones debe ser suficientemente grande (ancho) para pasar todas las frecuencias importantes de la frecuencia. En otras
palabras, el ancho de banda del canal de comunicaciones debe ser igual o mayor que el
ancho de banda de la información. Como regla general, un canal de comunicaciones no
puede propagar una señal que contenga una frecuencia que cambie con mayor rapidez
que la amplitud de banda del canal.
La teoría de la información es el estudio a mayor profundidad del uso eficiente del
ancho de banda para propagar información a través de sistemas electrónicos de
comunicaciones. Esta teoría se puede usar para determinar la capacidad de información
de un sistema de comunicaciones. La capacidad de información es una medida de la
cantidad de información que se puede transferir a través de un sistema de
comunicaciones en determinado tiempo. La cantidad de información que se puede
propagar en un sistema de transmisión es una función del ancho de banda y del tiempo
de transmisión.
R. Hartley, de los Bell Telephone Laboratories, desarrolló la relación entre el ancho
de banda, el tiempo de transmisión y la capacidad de información. La ley de Hartley sólo
establece que mientras más amplio sea el ancho de banda y mayor sea el tiempo de
transmisión, se podrá enviar más información a través del sistema. La ley de Hartley es:
I ∝ B x t
Siendo
I = capacidad de información
B = acho de banda del sistema (Hertz)
t = tiempo de transmisión (segundos)
Posteriormente, C. E. Shannon (también de Bell Telephone Laboratories) publicó
un trabajo donde relacionó la capacidad de información de un canal de comunicaciones
en bits por segundo (bps), con el ancho de banda y la relación de señal a ruido. La
expresión matemática del límite de Shannon de capacidad de información es:
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +=
NSBI 1log2
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es decir: ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +=
NSBI 1log32.3 10
donde =I capacidad de información (bits por segundo)
=B ancho de banda (Hertz)
=NS
Relación de potencia de señal a ruido (sin unidades)
1.4. Ruido en las Comunicaciones.
De una forma genérica por ruido se debe entender a toda aquella oscilación
electrónica que no forma parte de la señal útil y tiene la potencialidad de degradar la
calidad de su recepción. Al ruido se le puede clasificar empleando varios parámetros: por
el lugar de origen en Interno y Externo; por su ancho de banda, De Banda Angosta y De
Banda Ancha; por su carácter temporal, en Pulsante y Continuo; por sus propiedades, en
Aleatorio y Determinístico.
Por el lugar de su generación al ruido se clasifica en ruido externo u oscilaciones
interferentes y en ruido interno o propio. El ruido externo se genera fuera del sistema de
comunicación y es independiente de su funcionamiento. A diferencia del ruido propio que
se genera dentro del sistema y depende del funcionamiento de éste.
1.4.1 Ruido Externo u Oscilaciones Interferentes.
Un gran número de actividades humanas y fenómenos de la naturaleza actúan
como fuentes potenciales de oscilaciones interferentes. Por lo cual, éstas se pueden aún
subclasificar en fuentes naturales y fuentes artificiales o creadas por la actividad humana.
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Fuentes Naturales. Las fuentes naturales de oscilaciones interferentes están
relacionadas con fenómenos que incluyen cargas eléctricas estáticas, en movimiento,
campos magnéticos, etc., los cuales se pueden generar dentro o fuera de la atmósfera
terrestre. Una clasificación de éstas y las más importantes se dan en la figura 1.3.
.
Figura 1. 3 Principales Fuentes Naturales de Ruido Externo
Fuentes Artificiales. Las fuentes artificiales de ruido externo u oscilaciones
interferentes están relacionadas con la actividad humana que involucra dispositivos,
aparatos y sistemas que emplean energía eléctrica para su funcionamiento.
Existen algunas fuentes que su función primordial es radiar energía
electromagnética al espacio, a estás se les denomina fuentes intencionales de
oscilaciones interferentes y dentro de este grupo entran todos los transmisores de
cualquier sistema de radiocomunicación.
Otras fuentes requieren generar energía electromagnética para realizar su función
fundamental pero no radiarla, a estas fuentes se les denomina no intencionales y
ejemplos de éstas son los hornos de microondas, equipo de diatermia, etc.
Un último grupo de fuentes no requieren de generar energía electromagnética para
realizar su función fundamental pero de manera incidental la emiten al espacio, a estas
fuentes se les denomina incidentales y ejemplos de éstas son: computadoras, teléfonos,
fotocopiadoras, licuadoras, sistemas de alumbrado, automóviles, etc.
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Una representación simplificada de las diferentes fuentes artificiales se de en la
figura 1.4.
Figura 1.4 Clasificación de las fuentes artificiales
1.4.2 Ruido Interno o Propio.
Todo equipo terminal de los sistemas de comunicación emplea conductores,
resistores y transistores, los cuales generan oscilaciones aleatorias, y éstas dependen de
la física del funcionamiento de los dispositivos. Como en lo fundamental el ruido propio
tiene fuerte impacto en la recepción de la señal, el análisis que se hace en esta sección
está íntimamente relacionado con el ruido propio de los receptores. Entre los principales
tipos de ruido propio están: térmico, de disparo, de baja frecuencia y de alta frecuencia.
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II Análisis y Transmisión de
Señales Analógicas 2.1. SEÑALES.
Saber en la Teoría (3 hrs.) 2.1.1 Análisis de señales por el método de Fourier (análisis armónico).
La excitación sinusoidal de circuitos o sistemas lineales permite determinar la
respuesta de ellos, pues la señal de excitación está definida en cada uno de sus puntos.
Por el contrario, la excitación no sinusoidal de un sistema impide determinar su
respuesta, pues aunque la señal de excitación puede estar bien definida, sus puntos de
discontinuidad no permiten determinar el comportamiento del sistema. El diente de sierra
es ejemplo típico de la excitación no sinusoidal.
El análisis de Fourier establece que cualquier señal no sinusoidal periódica se
puede expresar como suma de un número infinito o finito de funciones sinusoidales.
Ahora bien, recordamos que el principio de superposición, al que obedecen todos los
sistemas lineales, específica que cuando un sistema queda sometido a un conjunto de
excitaciones, la salida total del sistema (respuesta) es la suma de las respuestas a cada
una de las excitaciones individuales. En consecuencia, el análisis de Fourier y el teorema
de superposición proporcionan un método para determinar la respuesta de sistemas
lineales sometidos a excitaciones no sinusoidales. De aquí la importancia del análisis de
las formas de onda por el método de Fourier.
2.2 TEOREMA DEL MUESTREO.
El teorema de muestreo establece la frecuencia mínima de muestreo (fs) que se
puede usar en determinado sistema. Para que una muestra se reproduzca con exactitud
en el receptor, se debe muestrear cuando menos dos veces cada ciclo de la señal
analógica de entrada (fa). En consecuencia, la frecuencia mínima de muestreo es igual al
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doble de la frecuencia máxima de la entrada de audio. Si (fs) es menor que (fa), se
producirá distorsión. A esta distorsión se le llama distorsión por alias, o por doblez en la
imagen. La frecuencia de muestreo mínima de Nyquist es:
fs ≥2fa
en donde fs = frecuencia mínima de muestreo de Nyquist (Hertz)
fa = máxima frecuencia que se debe muestrear (Hertz)
Sea s(t) una señal que admite la transformada de Fourier y con banda rigurosamente
limitada. Figura 2.1.(C):
S(f) = 0 para f≥2B
Sea s(nT) la serie obtenida por el muestreo periódico de s(t). De esta serie se puede
reconstruir perfectamente la señal S(t) con tal que la frecuencia de muestreo F=1/T no sea
inferior al doble del ancho de banda, es decir:
F≥2B
Figura 2.1 Los espectros de U(f), S(f) e Y(f)
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Un simple control intuitivo del teorema anterior puede efectuarse considerando la
figura 2.1, en donde se representa el espectro de una señal muestreada con frecuencia
F= 1.5B Figura 2.1 (B) (En este caso para hacer más clara la figura no se consideró la
“atenuación” introducida por el espectro del impulso fundamental real).
Como se puede observar claramente, las repeticiones de S(f) no están separadas,
sino que están solapadas. Ya que para la reconstrucción de s(t) se puede utilizar un filtro
de paso bajo ideal [figura 2.1 (C)], se observa que la señal obtenida mediante la
reconstrucción tiene un espectro S1(f) [figura 2.1(D)] diferente que el espectro de la señal
de partida [figura 2.1 (A)]. Por consiguiente, en este caso no se puede ciertamente afirmar
que se haya reconstruido perfectamente la señal.
Cuando la frecuencia de muestreo es mayor que 2B (se trata del caso que se muestra en
la Figura 2.2) Se observa claramente que un filtro ideal de paso bajo, con banda pasante
F/2, logra extraer perfectamente el mismo espectro de la señal de partida, obteniendo así
la reconstrucción de s(t).
También la condición de banda limitada de la señal s(t) tiene que ser comprobada,
en caso contrario, por cuanto alta sea la frecuencia de muestreo F, habrá siempre parte
del espectro S(f) (sintonizado en torno a F) solapando a la parte del espectro que tiene
que extraerse del filtro, alterando de este modo la reconstrucción de s(t).
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Figura 2.2. Espectros de la señal
2.2.1. Teorema de Fourier.
El teorema de Fourier establece que cualquier señal f(t) se puede representar en
términos de señales sinusoidales en cualquier intervalo (to, to+To) en donde wo es la
frecuencia angular de la señal periódica que se forma con base en f(t) en el intervalo To, la
cual se puede representar por la serie trigonométrica:
)cos(
...2.......2coscos)(
02010
020102010
tsennwbtnwaa
twsenbtsenwbtwatwaatf
n n ++=
=++++++=
∑∞
=
(1)
para )( 000 Tttt +<<
donde
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T
w Π=
20
La ecuación (1) constituye la representación de f(t) como serie trigonométrica de
Fourier en el intervalo )( 000 Ttt +< . Las constantes nn baa ,,0 se calculan con:
∫+
=00
0
)(1
00
Tt
t
dttfT
a (2a)
∫+
=00
0
00
cos)(2 Tt
tn tdtnwtf
Ta (2b)
∫+
=00
0
00
)(2 Tt
tn tdtsenwtf
Tb (2c)
0a es el valor promedio de f(t) en el intervalo )( 000 Ttt +< es decir, es la componente de
corriente directa de f(t) en ese intervalo. El límite inferior 0t de las tres integrales es
arbitrario. Nótese que 0nw es la frecuencia de cada uno de los términos sinusoidales de la
serie.
La representación compacta de la serie trigonométrica de Fourier es:
)cos()( 010 nn n tnwCCtf ϕ++= ∑∞
= (3)
en donde 00 aC = (4a)
22nnn baC +=
(4b)
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⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−= −
n
nn a
b1tanϕ (4c)
Ejemplo:
Encontrar las componentes trigonométricas de Fourier de la onda rectangular de la
Figura 2.3. en el intervalo (0, 2π ).
Figura 2.3 Onda Rectangular
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Figura 2.4 a) Componentes Trigonométricas de una Onda Rectangular b) Onda
Resultante
En la Figura 2.4 a) se graficaran: la componente de CD, la primera, tercera y
quinta armónicas de f(t). En la Figura 2.4 b), se graficara la resultante de la suma de estas
cuatro componentes.
Obsérvese que con sólo 4 términos se obtiene buena aproximación a la onda
rectangular. Adicionando más términos, la señal resultante se aproxima más a la onda
rectangular; se dice que la serie converge a la forma esperada. Como en este ejemplo se
trata de una onda que no es físicamente realizable, su serie de Fourier no converge a la
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forma esperada en las vecindades de los puntos de discontinuidad. Para que esto ocurra,
se necesita sumar un número infinito de términos.
Ejercicios: Determine la serie trigonométrica de Fourier de cada una de las señales periódicas de la
Figura 2.5.
Figura 2.5
2.2.2. Serie exponencial de Fourier.
La señal f(t) también se puede expresar en términos de componentes
exponenciales en el intervalo To. Esta expresión es:
),()( 0000 TttparaeFtf tjnw
n n += −∞
−∞=∑ (5)
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En donde, de nuevo, T
w Π=
20 pero ahora n toma valores desde -∞ hasta ∞ , sin
excluir el cero nF constituye ahora los coeficientes de la serie exponencial de Fourier que
se calculan con:
dtetfT
FTt
t
tjnwn ∫
+−=
00
0
0)(1
0
(6)
La ecuación (9) constituye la representación de f(t) mediante la serie exponencial
de Fourier en el intervalo )( 000 Ttt +< . Es una suma discreta de exponenciales
complejas de frecuencias positivas y negativas )( 0nw± . Debido a que resulta muy
interesante, a continuación se hará la demostración de las ecuaciones (5,6).
Considerando las fórmulas de Euler:
2cos
θθ
θj
ee j −
+= y
jeesen
jj
2
θθ
θ−
−=
y sustituyendo estas expresiones en la ecuación (1)
jeebeeaatf
tjnwtjnw
nn
tjnwtjnw
n 22)(
0000
10
−∞
=
− −+
++= ∑
∑∞
=−
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ ++−+=
1000 )(
21)(
21)(
ntjnw
nntjnw
nn ejbaejbaatf
llamando:
)(21
nnn jbaF −= (7a)
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)(21*
nnn jbaF += (7b)
y [ ]∑∞
=−++=
1*
000)(
ntjnw
ntjnw
n eFeFatf
Esta ecuación se puede simplificar con base en las ecuaciones. (2b y c) para
,nn bya de la siguiente manera: Nótese que si n toma valores negativos, ,nn aa =−
en tanto que nn bb =− . Así, de 7a.
0a se suprime, pues queda incluida en la sumatoria desde menos hasta más infinito. Es
decir, si en (2b) hacemos n = 0 se obtiene 0a y en (6) obtenemos F0, esto es:
Para la demostración de Fn considérese la expresión obtenida:
)(21
nnn jbaF −=
Sustituyendo los valores de na y nb (ecuación 2b y c) en esta expresión:
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La serie trigonométrica de Fourier y la exponencial no son dos tipos diferentes sino
dos formas diferentes de expresar la misma serie. Los coeficientes de una serie se
pueden obtener a partir de los de la otra. Así, sumando y restando las ecuaciones 7a y 7b
se tiene:
Ejemplo: Obtener la serie exponencial de Fourier de la señal de la Figura 2.6.
Figura 2.6
Obtenemos que
(8)
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Nótese que 2nπ es la frecuencia de cada una de las componentes exponenciales.
Ejercicio:
Encontrar las componentes exponenciales de Fourier de la onda exponencial de la onda
seno rectificado de la Figura 2.7.
Figura 2.7
2.2.3. Transformada de Fourier.
La función F(w) definida por dtetfwF jwt∫∞
∞−
−= )()( se conoce como la integral de
Fourier o transformada de Fourier de f(t), y la operación de integración se simboliza
frecuentemente por F ; esto es:
[ ] dtetfwFtfF jwt∫∞
∞−
−== )()()( (9)
Análogamente −F es el símbolo que se utiliza para indicar la operación inversa o sea
obtener f(t) cuando )(wF esta dado; esto es:
[ ] dwewFwFFtf jwt∫∞
∞−
−− == )(21)()( 1π
(10)
y f(t), se denomina transformada inversa de Fourier de )(wF . Las ecuaciones (9) y (10) se
conocen a menudo como par de transformada de Fourier.
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La transformada directa, ecuación (9), establece que conociendo f(t) basta con
someterla a la operación indicada (integral de Fourier) para encontrar su espectro F(w).
Es decir, especificada f(t) en el tiempo se puede calcular su representación en el dominio
de la frecuencia.
Ejemplo:
Obtener la expresión analítica para el espectro del pulso aperiódico f(t) de la siguiente
figura 2.8.
Figura 2.8
Utilizando la fórmula de integración correspondiente:
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Por la fórmula del sen(A ± B); ambos numeradores valen cos2w, así:
Ejercicio
Calcular la transformada de Fourier de la señal aperiódica )12()( −−= tBtfπ
de
la siguiente Figura 2.9.:
Figura 2.9
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III Modulación de señales
contínuas
3.1. MODULACIÓN.
Saber en la Teoría (3 hrs.)
Muchas señales de entrada no pueden ser enviadas directamente hacia el canal,
como vienen del transductor. Para eso se modifica una onda portadora, cuyas
propiedades se adaptan mejor al medio de comunicación en cuestión, para representar el
mensaje.
Definiciones:
"La modulación es la alteración sistemática de una onda portadora de acuerdo con
el mensaje (señal modulada) y puede ser también una codificación"
"Las señales de banda base producidas por diferentes fuentes de información no
son siempre adecuadas para la transmisión directa a través de un a canal dado. Estas
señales son en ocasiones fuertemente modificadas para facilitar su transmisión."
Una portadora es una senoide de alta frecuencia, y uno de sus parámetros (tal
como la amplitud, la frecuencia o la fase) se varía en proporción a la señal de banda base
s(t). De acuerdo con esto, se obtiene la modulación en amplitud (AM), la modulación en
frecuencia (FM), o la modulación en fase (PM). La figura 3.1. muestra una señal de banda
base s(t) y las formas de onda de AM y FM correspondientes. En AM la amplitud de la
portadora varia en proporción a s(t), y en FM, la frecuencia de la portadora varía en
proporción a s(t).
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Figura 3.1 Modulación de una señal de Banda Base
Es interesante hacer hincapié en que muchas formas de comunicación no
eléctricas también encierran un proceso de modulación, y la voz es un buen ejemplo.
Cuando una persona habla, los movimientos de la boca ocurren de una manera más bien
lenta, del orden de los 10 Hz, que realmente no pueden producir ondas acústicas que se
propaguen. La transmisión de la voz se hace por medio de la generación de tonos
portadores, de alta frecuencia, en las cuerdas vocales, tonos que son modulados por los
músculos y órganos de la cavidad oral. Lo que el oído capta como voz, es una onda
acústica modulada, muy similar a una onda eléctrica modulada.
3.1.1 ¿Por qué Se Modula? Existen varias razones para modular, entre ellas:
• Facilita la PROPAGACIÓN de la señal de información por cable o por el aire.
• Ordena el RADIOESPECTRO, distribuyendo canales a cada información distinta.
• Disminuye DIMENSIONES de antenas.
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• Optimiza el ancho de banda de cada canal.
• Evita INTERFERENCIA entre canales.
• Protege a la Información de las degradaciones por RUIDO.
• Define la CALIDAD de la información trasmitida.
Modulación para facilidad de radiación: Una radiación eficiente de energía
electromagnética requiere de elementos radiadores (antenas) cuyas dimensiones físicas
serán por lo menos de 1/10 de su longitud de onda. Pero muchas señales, especialmente
de audio, tienen componentes de frecuencia del orden de los 100 Hz. o menores, para lo
cual necesitarían antenas de unos 300 Km. de longitud si se radiaran directamente.
Utilizando la propiedad de traslación de frecuencias de la modulación, estas señales se
pueden sobreponer sobre una portadora de alta frecuencia, con lo que se logra una
reducción sustancial del tamaño de la antena. Por ejemplo, en la banda de radio de FM,
donde las portadoras están en el intervalo de 88 a 108 MHz, las antenas no deben ser
mayores de un metro.
Donde λ es la longitud de onda en mts.
c es la velocidad de la luz (3 x 10 8 m/s)
f es la frecuencia en Hz.
Modulación para reducir el ruido y la interferencia: Se ha dicho que es imposible
eliminar totalmente el ruido del sistema. Y aunque es posible eliminar la interferencia,
puede no ser práctico. Por fortuna, ciertos tipos de modulación tiene la útil propiedad de
suprimir tanto el ruido como la interferencia. La supresión, sin embargo, ocurre a un cierto
precio; generalmente requiere de un ancho de banda de transmisión mucho mayor que el
de la señal original; de ahí la designación del ruido de banda ancha. Este convenio de
ancho de banda para la reducción del ruido es uno de los intereses y a veces
desventajosos aspectos del diseño de un sistema de comunicación.
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Modulación por asignación de frecuencia: El propietario de un aparato de radio o
televisión puede seleccionar una de varias estaciones, aún cuando todas las estaciones
estén transmitiendo material de un programa similar en el mismo medio de transmisión.
Es posible seleccionar y separar cualquiera de las estaciones, dado que cada una tiene
asignada una frecuencia portadora diferente. Si no fuera por la modulación, solo operaría
una estación en un área dada. Dos o más estaciones que transmitan directamente en el
mismo medio, sin modulación, producirán una mezcla inútil de señales interferentes.
Modulación para multicanalización: A menudo se desea transmitir muchas señales
en forma simultánea entre dos puntos. Las técnicas de multicanalización son formas
intrínsecas de modulación, permiten la transmisión de múltiples señales sobre un canal,
de tal manera que cada señal puede ser captada en el extremo receptor. Las aplicaciones
de la multicanalización comprenden telemetría de datos, emisión de FM estereofónica y
telefonía de larga distancia. Es muy común, por ejemplo, tener hasta 1,800
conversaciones telefónicas de ciudad a ciudad, multicanalizadas y transmitidas sobre un
cable coaxial de un diámetro menor de un centímetro.
Modulación para superar las limitaciones del equipo: El diseño de un sistema
queda generalmente a la disponibilidad de equipo, el cual a menudo presenta
inconvenientes en relación con las frecuencias involucradas. La modulación se puede
usar para situar una señal en la parte del espectro de frecuencia donde las limitaciones
del equipo sean mínimas o donde se encuentren más fácilmente los requisitos de diseño.
Para este propósito, los dispositivos de modulación se encuentran también en los
receptores, como ocurre en los transmisores.
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Figura 3.2 Asignación de Espectro de Frecuencia
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3.1.2. ¿Cómo se Modula?
Frecuentemente se utilizan dispositivos electrónicos SEMICONDUCTORES con
características no lineales (diodos, transistores, bulbos), resistencias, inductancias,
capacitores y combinaciones entre ellos. Estos realizan procesos eléctricos cuyo
funcionamiento es descrito de su representación matemática.
s(t) = A sen (wt + @ )
donde:
A es la amplitud de la portadora (volts)
w es la frecuencia angular de la portadora (rad/seg)
@ ángulo de fase de la portadora (rad)
3.1.3. ¿Qué Tipos de Modulación Existen? Existen básicamente dos tipos de modulación: la modulación ANALÓGICA, que se
realiza a partir de señales analógicas de información, por ejemplo la voz humana, audio y
video en su forma eléctrica y la modulación DIGITAL, que se lleva a cabo a partir de
señales generadas por fuentes digitales, por ejemplo una computadora.
• Modulación Analógica: AM, FM, PM
• Modulación Digital: ASK, FSK, PSK, QAM
3.1.4. ¿Cómo Afecta el Canal a la Señal? Depende del medio o canal, ya que hay unos mejores que otros, aunque también
depende del tipo de modulación y aplicación. Los principales efectos que sufre la señal al
propagarse son:
• Atenuación
• Desvanecimiento
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• Ruido Blanco aditivo
• Interferencia externa
• Ruido de fase
• Reflexión de señales
• Refracción
• Difracción
• Dispersión
3.1.5. ¿Qué Relación Existe Entre la Modulación y el Canal? El canal influye fuertemente en la elección del tipo de modulación de un sistema de
comunicaciones, principalmente debido al ruido.
CANAL: Ruido, Distorsión, Interferencia y Atenuación.
MODULACIÓN: Inmunidad al ruido, Protege la calidad de la información, evita
interferencia.
3.1.6. Definiciones de Términos Básicos Utilizados en las Telecomunicaciones:
Sistema de transmisión de datos: El conjunto de componentes que hacen posible
la conducción de señales de datos, en uno o en varios sentidos, utilizando para ello, vías,
las generales de telecomunicación.
Señal: Cualquier evento que lleve implícita cierta información.
Canal: Medio por el cual se transmite la información.
Transductor: Dispositivo que convierte algún tipo de energía en una señal
eléctrica.
Decibel: Unidad para medir la intensidad relativa de una señal, tal como potencia,
voltaje, etc. El número de decibeles es diez veces el logaritmo (base 10) de la relación de
la cantidad medida al nivel de referencia.
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Modulación: Proceso mediante el cual se utiliza la señal de banda base para
modificar algún parámetro de una señal portadora de mayor frecuencia.
Señal portadora: Señal senoidal de alta frecuencia a la cual usualmente se hace que varíe
alguno de sus parámetros (amplitud, frecuencia, fase), en proporción a la señal de banda
base.
Modulación en Amplitud (AM): En este tipo de modulación, el parámetro de la
portadora que varía es su amplitud.
Modulación en Frecuencia (FM): En este tipo de modulación, el parámetro de la
portadora que varía es su frecuencia.
Modulación en Fase (PM): En este tipo de modulación, el parámetro de la
portadora que varía es su fase.
Señal de banda base: La señal eléctrica que se obtiene directamente desde la
fuente del mensaje (no tiene ningún tipo de modulación).
Señal Analógica: Aquella señal cuya forma de onda es continua.
Señal Digital: Aquella señal cuya forma de onda es discreta.
Periodo: Es el tiempo requerido para un ciclo completo de una señal eléctrica o
evento.
Frecuencia: Representa el número de ciclos completos por unidad de tiempo de
una señal eléctrica. Se expresa generalmente en Hertz (ciclos/segundo).
Longitud de Onda: Es la longitud en metros que existe entre cresta y cresta de
una señal eléctrica. La longitud de onda es igual a la velocidad de la luz entre la
frecuencia.
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Donde: λ es la longitud de onda en mts.
c es la velocidad de la luz (3x108 mts/seg)
f es la frecuencia (1Hertz=1/seg)..
Atenuación: Disminución gradual de la amplitud de una señal, pérdida o
reducción de amplitud de una señal al pasar a través de un circuito o canal, debida a
resistencias, fugas, etc. Puede definirse en términos de su efecto sobre el voltaje,
intensidad o potencia. Se expresa en decibeles sobre unidad de longitud.
Filtro pasa baja: Es un arreglo de componentes electrónicos que sólo deja pasar
las frecuencias menores a la frecuencias de corte.
fc =
Donde: fc es la frecuencia de corte en Hz.
R es la resistencia en ohms, y
C es la capacitancia en faradios.
Filtro Pasa Alta: Es un arreglo de componentes electrónicos que sólo deja pasar
las frecuencias mayores a la frecuencias de corte.
Filtro Pasa Banda: Circuito que sólo permite el paso de las frecuencias
comprendidas en cierta banda y que al mismo tiempo atenúa en alto grado todas las
frecuencias ajenas a esta banda.
Ancho de Banda del Canal: Es el rango de frecuencias que éste puede transmitir
con razonable fidelidad.
Ancho de Banda de una Señal: Es el rango de frecuencias que contienen la
mayor cantidad de potencia de la señal.
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Limitaciones de los Canales de Comunicación: Ruido, y la Capacidad del
canal.
Ruido: Toda energía eléctrica que contamina la señal deseada (ruido térmico,
ruido eléctrico, interferencia, distorsión, etc.)
Interferencia: Es cualquier perturbación en la recepción de una señal en forma
natural o artificial (hecha por el hombre) causada por señales indeseables.
Relación Señal a Ruido: Relación de la potencia de la señal deseada a la
potencia de ruido en un punto específico y para unas condiciones específicas en un punto
dado.
Capacidad del Canal: Índice de transmisión de información por segundo. Está
dado por la ecuación de Shannon:
Donde: C es la capacidad del canal en bps.
B es el ancho de banda en Hz
S/R es la relación señal a ruido en dB.
Espectro Radioeléctrico: Gama de frecuencias que permite la propagación de las
ondas electromagnéticas. La asignación de estas frecuencias está estandarizada por
organismos internacionales.
3.2. TRANSMISIÓN DE FM, AM, INTERFERENCIA Y RUIDO.
Como se ha visto anteriormente el término relación señal a ruido, la señal viene
siendo la información deseada en una transmisión, y el ruido viene siendo como la
información no-deseada. Generalmente las señales no deseadas son clasificadas como
ruido.
De aquí en adelante vamos a emplear el término ruido para señales no deseadas
de fuentes naturales, y el término interferencia para señales no deseadas de fuentes
hechas por el hombre. (Aunque existe interferencia también por fuentes naturales).
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3.1.3. FM contra AM.
Los receptores de FM tienen menor ruido que los receptores de AM. La razón es
que existe mayor ruido e interferencia en la señal portadora modulada en amplitud, y los
sistemas FM están diseñados para eliminar las señales no deseadas de la portadora en
amplitud modulada.
3.3. MODULACIÓN EN AM.
Como se observa en la figura 3.3., la información de entrada varía la amplitud de la
señal portadora. La frecuencia portadora se mantiene constante. Las señales transmitidas
inducen un voltaje en la antena receptora, el receptor amplifica la señal y detecta las
variaciones en amplitud en la señal, y reproduce la información transmitida en la salida del
receptor.
Note que cualquier señal de interferencia que varíe la amplitud de la portadora del
receptor se convierte en una señal en la salida del receptor de AM. Es importante notar
que en la transmisión de TV, las señales de video (imagen) se modulan en la amplitud
portadora.
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Figura 3.3. Transmisión y Recepción en AM
3.4. MODULACIÓN EN FM .
En la figura 3.4. se muestra la transmisión y recepción en FM. La entrada de la
información varía la frecuencia de una portadora transmitida. La frecuencia de la
portadora se mantiene constante. Las señales transmitidas inducen un voltaje en la
antena receptora, el receptor amplifica la señal, manda las señales a través de un
limitador y discriminador, y reproduce la información transmitida en la salida del receptor.
Como se muestra el limitador/discriminador corta las portadoras arriba y abajo
para eliminar las variaciones en amplitud. Las señales no deseadas causan una variación
en la portadora del receptor en amplitud de la antena receptora. Estas no aparecerán en
la salida del receptor ya que están no varían la frecuencia de la portadora recibida. Esto
es porque la transmisión en FM es esencialmente libre de interferencia y ruido, con
respecto a la portadora modulada en amplitud.
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Figura 3.4. Transmisión y Recepción en FM
3.5. FUENTES DE SEÑALES NO DESEADAS
Como se observa en la figura 3.5., las señales pueden ser tanto de fuentes
internas como externas. Las fuentes internas usualmente están presentes de un modo u
otro exista señal o no, y no cambian abruptamente a menos que suceda algo extraño
dentro del equipo o en las interconexiones.
Las fuentes externas tienen dos formas para ser introducidas dentro del sistema.
Una es a través de la antena y la otra es a través de la potencia de entrada. Las señales
no deseadas pueden estar, o no, presentes todas las veces. Estas pueden ocurrir
momentáneamente, intermitentemente o periódicamente.
Es importante cuando se trata de eliminar las señales no deseadas para conocer si
están entrando al sistema de fuentes externas o si están presentes sin cualquier entrada
externa.
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Figura 3.5 Fuentes de Señales
3.5.1 Fuentes de Ruido.
3.5.1.1 Ruido Térmico (Thermal Noise).
Todos los objetos cuya temperatura esta por encima del cero absoluto (0 grados
Kelvin) generan ruido eléctrico en forma aleatoria debido a la vibración de las moléculas
dentro del objeto. Este ruido es llamado ruido térmico. La potencia de ruido generada
depende sólo de la temperatura del objeto, y no de su composición. Ya que ésta es una
propiedad fundamental, el ruido frecuentemente es definido por su temperatura
equivalente de ruido. La temperatura de ruido puede darse tanto en grados Kelvin como
en decibeles. A continuación se presenta una fórmula para convertir grados Kelvin a dB.
T (dB)= 10*log10(1+K/120)
Donde:
T es la temperatura equivalente de ruido en dB
K es la temperatura en grados Kelvin
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La temperatura de el aire alrededor de nosotros es aproximadamente 300º K (27º
C), y la temperatura del sol es muy alta (alrededor de 5,700º K). Es posible construir un
amplificador cuya temperatura equivalente de ruido esté por debajo de su actual
temperatura, y para así agregar el menor ruido posible al receptor.
Los amplificadores de bajo ruido (Low Noise Amplifier LNA) de los sistemas de satélite
fueron clasificados en temperatura equivalente de ruido para indicar su ruido térmico.
3.5.1.2 Ruido de Choque (Shot Noise).
Los diodos limitados por la temperatura, los cuales virtualmente incluye a todos los
semiconductores, generan ruido de choque cuando la corriente es pasada a través del
diodo. El ruido resultante se debe a la corriente que es pasada por él en forma de
partículas discretas (electrones) y un impulso es generado por el paso de cada partícula.
El ruido es proporcional a la corriente. La corriente cero es igual al ruido térmico.
3.5.1.3 Ruido Atmosférico (Atmospheric Noise).
Existe un ruido que es interceptado por la antena llamado ruido atmosférico. El
ruido atmosférico es muy alto para bajas frecuencias, y decrece cuando se incrementa la
frecuencia. Está presente en toda la banda de radiodifusión AM y éste no puede ser
eliminado con el amplificador y el diseño de la antena. El ruido atmosférico decrece
bastante en frecuencias de TV y FM.
3.6. FUENTES DE INTERFERENCIA.
La interferencia básicamente es hecha por el hombre excepto por condiciones
atmosféricas y del clima. La más notable son las descargas eléctricas (rayos). A
continuación se mencionan algunos ejemplos de fuentes de interferencia:
• Sistema de encendido de vehículos.
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• Motores eléctricos, líneas de alta tensión.
• Luces de neón y fluorescentes.
• Computadoras.
Otros tipos de transmisión, tales como la radio amateur o CB (Banda Civil), radio
de la policía y otros servicios públicos, inclusive otras estaciones de FM o TV.
Generalmente las fuentes que radian señales periódicas e intermitentes son
llamadas fuentes de impulso. Algunos ejemplos son: interruptores eléctricos, luces de
neón destellando, encendido de automóvil, rayos, etc. Los impulsos son de corta duración
(microsegundos) y frecuentemente tienen amplitudes más grandes que la señal que está
siendo recibida. La interferencia puede ser radiada como interferencia electromagnética
(EMI), o conducida sobre las líneas eléctricas, en el caso del equipo con alimentación de
Corriente alterna (AC).
3.6.1. Otros Tipos de Interferencia.
3.6.1.1 Interferencia de Canales Adyacentes.
La interferencia de canales adyacentes es muy común en áreas metropolitanas
donde las estaciones (de AM o FM por ejemplo) son asignadas en frecuencias muy
cercanas. En esas áreas donde la congestión de canales existe, los efectos pueden ser
minimizados (si las estaciones están en diferentes direcciones) usando un rotor para
orientar la antena para la mínima interferencia.
3.6.1.2. Efecto de captura.
Los sistemas FM exhiben un fenómeno llamado "efecto de captura", por lo cual la
señal más fuerte de dos adyacentes elimina a la más débil. Cuando se trata de sintonizar
una señal débil, inmediatamente aparece la señal más fuerte. Reduciendo la amplitud
(potencia) de la señal más fuerte afectara menos a la señal débil. Existe una sola forma
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de cambiar el efecto de captura, ésta es, moviendo o rotando la antena, o obtener una
antena más direccional y apuntarla hacia la estación más débil. En este artículo hemos
hablado sobre la eliminación de señales no deseadas, y encontramos que éstas pueden
entrar al receptor y por la antena misma. La mejor manera para eliminar estas señales es
remover la fuente. Si esto no es posible es recomendable proteger (blindar) o hacer uso
de filtros.
PRÁCTICA 1 MODULADOR BALANCEADO.
Saber Hacer en la Práctica (2hrs.)
OBJETIVO: Obtener una señal modulada en amplitud (AM).
Modulador balanceado. Para que realmente se obtenga la eficiencia en el
empleo de la potencia se requiere que el modulador no genere una componente con
frecuencia igual a la frecuencia de la portadora. Todo modulador debe ser un circuito no
lineal ya que en una de sus entradas se tiene a la portadora, en la otra a la señal
moduladora y en la salida a la portadora modulada, la cual contiene nuevas componentes
(las laterales) que no están presentes en la entrada. Para asegurar que en la salida aparezca cualquier componente excepto una que
tenga una frecuencia idéntica a la de la portadora, se requiere que ésta última se
introduzca en modo común éste debe ser balanceado. Lo cual significa que todo
modulador de amplitud donde el espectro de la portadora modulada no contenga una
componente con frecuencia fp debe ser balanceado. Lo cual significa que en todos los
sistemas de una sola banda lateral se emplean moduladores balanceados. La modulación
de amplitud implica trasladar el espectro de la señal de banda base alrededor de la
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frecuencia de la portadora pero sin distorsionarlo, para esto se requiere que el modulador
se comporte como no lineal para la portadora y lineal para la señal modulante, lo cual
exige que se comporte como paramétrico y lineal para la señal de banda base.
Material Necesario:
• Modulo T10B
• Fuente de limentación de ±12 Vcc
• Osciloscopio.
Desarrollo Experimental.
Armar el circuito que se muestra en el siguiente diagrama:
figura 3.6.
El circuito integrado que contiene LM1496 está constituido por un cuádruple
amplificador diferencial, gobernado por una limenta etapa diferencial. La señal de salida
está constituida por una constante que multiplica el producto de las dos señales de
entrada CARRIER y SIGNAL. El trimmer NULL CARRIER permite balancear o
desbalancear el circuito; en el primer caso la salida es limentació el producto de las
señales de entrada y el circuito funciona como modulador balanceado; en el segundo
caso la salida contiene también una componente fija de la señal CARRIER y el circuito
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funciona como modulador de limenta. El trimmer RV2 regula la limenta de la salida,
que se extrae del emisor del limentaci.
Mostrar Resultados.
Figura 3.7.
Conclusiones:
a) Señal portadorta b) Señal modulante c) Señal modulada
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PRÁCTICA 2 MODULADOR DE ANILLO
Saber Hacer en la Práctica (2 hrs.)
OBJETIVO: Que el alumno observe la señal modulada en AM.
El modulador de anillo utiliza diodos para llevar a cabo la función de limentació.
Debido a la acción de los diodos, en un primer medio ciclo de la portadora cos wct la
señal de entrada pasa intacta hacia la entrada del filtro. En el siguiente medio ciclo, la
señal de entrada pasa de nuevo intacta pero con la inversión de 1800 C en su polaridad.
Material necesario:
• Modulo T10B
• Fuente de limentación de ±12 Vcc
• Osciloscopio
Desarrollo experimental.
La señal portadora se aplica entre las tomas centrales de los dos transformadores
(puntos 6-7) y la señal moduladora se aplica al primario del primer transformador (puntos
4-5). Los puentes J1-J2 permiten insertar el par de diodos, de modo que se pase de un
modulador balanceado (de 2 diodos) a un modulador en anillo (de 4 diodos). El trimmer
RV3 permite desbalancear el funcionamiento del modulador, para simular un
funcionamiento incorrecto del circuito.
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Figura 3.8.
Mostrar Resultados.
Figura 3.9.
a) b)
c)
Conclusiones:
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PRÁCTICA 3 MODULADOR DE FASE Y FRECUENCIA.
Saber Hacer en la Práctica (2 hrs.)
OBJETIVO: Que el alumno observe la señal modulada en fase (PM) y modulada
en frecuencia (FM).
Material necesario:
• Modulo T10B
• Fuente de alimentación de ±12 Vcc
• Osciloscopio
El modulador propiamente está constituido por un amplificador de FET con carga
resonante; la señal moduladora de baja frecuencia varía, a través del diodo Varicap, la
frecuencia central del circuito (455 Khz. en ausencia de señal moduladora). Esto introduce
una variación de fase en la señal de RF aplicada a la entrada. El amplificador operacional,
cuando está conectado, integra la señal de baja frecuencia de manera que se obtenga del
modulador de fase una modulación de frecuencia.
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Figura 3.10.
Mostrar Resultados:
Conclusiones:
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IV Sistemas de Radiofrecuencia
Saber en la Teoría (4 hrs.)
Los sistemas de radiofrecuencia contienen en general una parte transmisora y otra
receptora. Primero se analizan las partes de un transmisor de radiofrecuencia las cuales
son muy semejantes a la parte receptora y se mencionan en los siguientes puntos:
• La antena
• Un circuito mezclador
• Un diodo rectificador
• Un dispositivo rectificador que convierte los impulsos eléctricos.
Un receptor debe: Recibir, amplificar y demodular una señal de RF.
Funciones de la sección de RF:
• Detector
• Limitar las bandas del espectro total de RF a una banda específica.
• Amplificar las señales recibidas.
La sección RF establece el nivel mínimo para la señal de RF que el receptor puede
detectar y demodular.
4.1. RECEPTORES Y TRANSMISORES DE RF.
La figura 4.1. muestra la realización de un transmisor básico, el cual no es muy
recomendable en términos de calidad, ruido y sensitividad.
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Figura 4.1 Transmisor Básico
Para lograr entender algunos términos de radiofrecuencia nos detendremos para
explicar lo referente a sensitividad. Es un término de comunicaciones muy usado.
4.1.1. Sensitividad.
Es la habilidad del receptor al recibir señales débiles para amplificarse.
Sensitividad es la señal mínima de entrada en la antena que resulta de obtener una señal
de 20dB mayor que el ruido en el detector de las terminales de salida. La sensitividad se
define usualmente en microvolts y se relaciona con los sistemas señal a ruido, por
ejemplo.
Sensitividad = 3µV por S/N =20 dB
4.1.2. Un Receptor Superheterodino.
Heterodino: Significa mezclar las frecuencias juntas, en un dispositivo no lineal ó
trasladar una frecuencia a otra utilizando mezclas no lineales.
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Es uno de los receptores de radio más populares y con un sistema muy básico
especialmente en 1930, este tipo llega a emitir señales de AM, FM, señales de
radioaficionados, televisión, radar, sistemas satelitales, etc.
La antena llega a interceptar señales electromagnéticas y luego viajan por el transmisor,
claro que para transmitir cualquier tipo de señal es necesario considerar la potencia de la
señal en la parte transmisora y receptora.
No Coherente 1. - Ganancia más grandes mejor Sensitividad.
2. - Mejor rechazo a la frecuencia imagen.
3. - Mejor relación señal a ruido.
4. - Mejor selectividad.
Sección de RF: Preselector y el amplificador de RF pueden ser circuitos separados, o un solo
circuito combinado.
El preselector es un filtro Pasa Banda de sintonización amplia, con una frecuencia
central ajustable.
Mezclador / convertidor: Incluye una etapa de oscilador de RF (conocida como L.
O. oscilador Local) y una etapa de mezclador / convertidor: (llamada 1er detector). El
objetivo del mezclador es convertir las frecuencias de R. F. a I. F. Realiza el heterodinaje.
Sección de I. F.: Consiste en una serie de amplificadores y uno o varios filtros
pasa-banda. En esta etapa se logra la mayor parte de la selectividad y la ganancia del
receptor. La frecuencia central y el BW de IF son fijas, para todas las estaciones de A.M.
es la misma (450 KHZ a 460 KHZ). Es más fácil y más barato construir amplificadores
estables de alta ganancia.
Sección de detector: Demodulador de AM, aunque en este caso la fc= 45KHZ, IF.
El L.O. está diseñado de tal forma que su frecuencia de oscilación siempre está por
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encima o por debajo de la portadora de RF en una cantidad igual a la frecuencia central
de IF. El ajuste para la frecuencia central del preselector y el ajuste para la frecuencia del
LO están sintonizados en banda (los dos ajustes están mecánicamente unidos, un solo
ajuste cambia las dos frecuencias simultáneamente).
Inyección Lateral Superior: fco = fc+fIF AM comercial
Inyección Lateral Inferior: fco = fc-fIF
El diagrama general de un radiorreceptor de AM es el siguiente:
Figura 4.2 Radiorreceptor General de AM.
4.2. AMPLIFICADOR RF.
La señal de la antena la recibe un amplificador de RF. La señal de la antena debe
tener un bajo nivel de ruido para que el receptor la pueda percibir. Aun así todos los
amplificadores agregan un nivel de ruido a la señal. Algunos receptores se enuncian a
continuación:
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4.2.1 Mezclador / Convertidor.
Su función es reducir las frecuencias de RF a frecuencias intermedias (IF) para
A.M. 450KHZ a 460KHZ. Incluye:
• Oscilador de RF u oscilador Local (L.O.)
• Mezclador no lineal
Sección de IF Su función es amplificar y seleccionar (selectividad).
Detector de A.M.
Su función es realizar la demodulación y recuperar la información.
Sección de Audio Su función es elevar la señal recuperada a un nivel utilizable.
Parámetros de un Receptor de A. M.
Se utilizan para evaluar la habilidad de un receptor para demodular con éxito una
señal de RF:
• Selectividad: Es la medida de un receptor para aceptar una banda de frecuencias
y rechazar las otras. En A. M. comercial, BW de cada transmisor = 10KHZ, fc±
5KHZ. BW del pasa-banda del receptor = 10KHZ.
• Mejora del Ancho de Banda, -Sensitividad, -Rango Dinámico, -Fidelidad, -Pérdida
por Inserción, -Temperatura de Ruido y Temperatura equivalente de ruido.
Hay dos tipos básicos de receptores de Radio:
• Coherentes o Síncronos.
• No coherentes o Asíncronos o Detección de envolvente.
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4.3. ¿QUÉ ES UNA ESTACIÓN REPETIDORA?
El repetidor es un conjunto transmisor-receptor capaz de recibir y transmitir
simultáneamente una señal de radio. Un repetidor simple consistiría, pues en un receptor
con su salida de audio acoplada a la entrada de micro de un transmisor. Naturalmente, se
requiere de un circuito adicional para activar automáticamente el transmisor cuando en la
entrada del receptor aparece una señal a repetir; de esta manera, por débil que sea la
señal inicia su función el dispositivo.
Hay que notar que la transmisión y recepción simultáneas se realizan con
frecuencias diferentes; para la banda de 144 MHz, asignada a radioaficionados, la
separación establecida por las normas IARU, es de 600 kHz en 144 y de 1.6 MHz o 7.6
MHz en las bandas de UHF 432 MHz.
Los transmisores que normalmente integran el repetidor son de frecuencia
modulada, su excursión de frecuencia no sobrepasa generalmente los 10 kHz; las normas
de excursión en la banda de radioaficionados son de 6 kHz como máxima desviación
establecida por la IARU, y los canales mantienen una separación de 25 kHz en VHF y de
25 y 50 kHz en UHF.
Comercialmente se fabrican repetidores para los enlaces comerciales o estatales;
las frecuencias de trabajo asignadas a éstos son generalmente más espaciadas que las
de los radioaficionados, lo cual facilita su instalación.
Uno de los principales problemas es el de desensibilización del receptor, conocida
en la práctica por interacción, y debida a la reducción de sensibilidad en el receptor a
causa de la proximidad del campo RF generado por el transmisor. Este inconveniente es
menos acusado cuando la separación de frecuencias es mayor.
El repetidor va a necesitar elementos adicionales para subsanar este fenómeno y,
van a jugar un papel muy importante los filtros de cavidades resonantes, los diplexores,
etc. El conocimiento modular del repetidor es del todo imprescindible, la siguiente figura
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(fig. 4.3.) muestra el diagrama completo del repetidor, faltando únicamente el sistema de
alimentación.
Figura 4.3 Diagrama de bloques del repetidor.
La parte superior es la sección receptora, y la inferior es la sección transmisora. En
el conjunto de los bloques que constituyen el receptor observamos que la señal recibida
por la antena pasa al primer paso amplificador de RF; éste la amplifica convenientemente
y la entrega al mezclador; el oscilador local genera la frecuencia para la mezcla y el
resultado será una nueva frecuencia que se constituye la frecuencia intermedia FI.
La señal FI pasa por un filtro a cristal donde sufre una atenuación y, por
consiguiente, volveremos a aumentar su nivel con el módulo amplificador de FI; después
pasa al discriminador de FM, el cual tiene una doble función: primera, convierte la mayor
parte de la señal en una de baja frecuencia audible en el altavoz del receptor y segunda,
como se ve en el diagrama modular, utiliza el nivel de ruido generado por el circuito en
ausencia de señal, para activar el módulo silenciador, el cual, a su vez, controla al
conmutador automático del transmisor TAP (transmisor activado por portadora).
El conjunto del transmisor lo constituye básicamente un oscilador controlado a
cristal y un modulador en fase. La señal generada por el oscilador es amplificada por un
paso sintonizado. Este circuito está diseñado convenientemente para la separación entre
pasos, por lo que se le denomina separador; a él le sigue la cadena de multiplicación de
frecuencia para aumentar la frecuencia hasta el límite deseado. Un transmisor tiene tantos
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pasos separadores como cambios de frecuencia sean necesarios para alcanzar la
frecuencia final de transmisión, y un paso final de potencia, seguido de una red de filtro
paso bajo para la reducción de armónicas y señales no deseadas; en la práctica también
esta red sirve para el acoplamiento de impedancias con la antena.
El siguiente diagrama (Figura 4.4.) muestra las diferentes partes del receptor.
Figura 4.4. Diagrama de bloques del receptor del repetidor.
La primera es el amplificador de RF y constituye la primera etapa que recibe las
señales de radio captadas por la antena; en los repetidores esta sección es de primordial
importancia. En lo que a la elección de circuitos se refiere deben tenerse en cuenta dos
de las características principales: sensibilidad y selectividad. La sensibilidad viene
expresada por la relación señal - ruido, el ruido puede ser externo o interno.
El ruido externo en zonas superiores a los 100 MHz es bajo, porque cuando
aumenta la frecuencia disminuye el ruido que generan los parásitos atmosféricos,
industriales o de otra índole; el ruido interno lo genera el mismo paso amplificador.
Normalmente el repetidor se instala en zonas tranquilas, alejadas de ruidos externos, por
lo que estos raramente perturban la recepción de señales débiles; por consiguiente, es
imprescindible reducir el ruido interno a niveles lo más bajos posible. La recepción será
tanto mejor cuando menor sea el ruido generado por el propio amplificador.
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En cuanto a la selectividad, los pasos sintonizados hacen que disminuya la
sensibilidad y para reducir al mínimo la pérdida de ésta, en los amplificadores de RF de
VHF - UHF se emplean filtros helicoidales que proporcionan un alto grado de selectividad
sin pérdidas elevadas. Cuanto más estrecha sea la banda de paso en RF conseguida,
mejor se evitan las modulaciones cruzadas, interferencias de toda índole, desensibilidad
por señales fuertes próximas a la frecuencia de sintonía, etc. Usando un buen paso
amplificador de RF muy sensible y selectivo se consigue que el repetidor funcione
satisfactoriamente.
A la salida de este paso amplificador de RF, la señal entra en el circuito conversor
donde se mezcla con la señal del oscilador local. Ambas frecuencias se combinan y la
diferencia entre ellas tiene un valor constante; este proceso es lo que se llama
heterodinaje y el circuito puede proyectarse para una determinada frecuencia que
constituirá la FI. Normalmente se utiliza la frecuencia de 10.7 MHz debido a que existe
una gran diversidad de filtros selectivos normalizados a esta frecuencia. Todo mezclador
introduce una pérdida en la conversión que, con el ruido del amplificador de FI siguiente,
determina el ruido total del receptor.
Las etapas osciladora y multiplicadora que suministran la señal para la mezcla,
deberán estar lo más exentas posible de frecuencias espurias que pueden provocar
batidos y nuevas señales compuestas, las cuales pueden entrar otra vez en el paso de
entrada sintonizado o interferir la propia sintonía del receptor, además de aumentar el
nivel de salida de ruido del mezclador. Varios problemas de este tipo se solventan con
circuitos trampa para armónicos no deseados; varios casos de señales compuestas se
han eliminado con un circuito trampa en serie a la salida del multiplicador.
La amplificación de FI, en el receptor del repetidor, generalmente es clásica,
puesto que no necesita ningún dispositivo que lo diferencie de cualquier receptor de FM.
Cuando el receptor capta una señal fuerte, el aparato se silencia, es decir, desaparece el
ruido de fondo. La sensibilidad de cualquier receptor de FM debe ser tal que la señal de
entrada requiera un nivel de 0.2 µ V o menos para producir el silencio.
Es importante lograr una amplificación de FI exenta de ruido propio. Cualquiera
que sea el circuito utilizado conviene emplear filtros de cristal para conseguir una buena
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selectividad. Cada marca de filtro tiene su propia impedancia característica de manera
que, si se hacen substituciones, se tendrá en cuenta el cambio de los valores de
adaptación.
La etapa detectora de FM la constituye generalmente el discriminador. Aunque
existe una gran variedad de circuitos detectores de FM, últimamente han proliferado los
circuitos integrados que realizan varias funciones y simplifican bastante el circuito, pero en
la práctica es recomendable utilizar discriminadores clásicos en los receptores de
repetidor, con el fin de reducir al mínimo el ruido.
El discriminador es un circuito sintonizado en que una variación de la frecuencia de
entrada provoca una variación de fase que produce un aumento de amplitud en uno de los
lados del secundario, mientras que en el otro lado produce una disminución y la diferencia
entre ambas tensiones variables después de la rectificación es la tensión de audio.
Es importante un buen ajuste del discriminador ya que así aumentara la calidad de
audio de las señales repetidas y aparecerán con la misma potencia de audio. Para alinear
bien es imprescindible utilizar un voltímetro con conmutador inversor o que tenga el cero
en el centro de la escala. Se conecta el voltímetro a la salida del discriminador, estando
aplicada a su entrada la señal de un generador de RF sintonizado a la frecuencia del
receptor.
Variando el núcleo de la bobina se obtendrá una tensión cero, pero cuando la
frecuencia se aleja de la central en sentido positivo unos 10 kHz, aparecerá en el
voltímetro una tensión positiva mientras que el ajustarla en sentido contrario aparecerá
una tensión negativa.
El primario del transformador debe ajustarse de manera que, por ejemplo, si existe
una disminución de 5 kHz con respecto a la frecuencia central aparecen dos voltios
positivos; en cambio un aumento de 5 kHz debe producir una tensión de 2 voltios
negativos. Los dos ajustes son interactivos, así que habrá que repetirlos algunas veces
hasta que sean lo más simétricos posible.
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Del discriminador parten dos señales derivadas: una para el conmutador de la
señal de audio, a fin de obtener, una vez amplificada, la señal audio que reproduce el
altavoz monitor; otra para el silenciador, circuito compuesto por uno o varios pasos de
amplificación. El ruido está básicamente generado por el discriminador, y su nivel se
puede controlar con un potenciómetro, que actúa sobre la sensibilidad del circuito
activador, el cual conmuta y enmudece la entrada del amplificador de BF.
En ausencia de señal, el circuito silenciador enmudece el amplificador de audio,
disparando automáticamente el circuito conmutador. Cuando aparece una señal en la
antena, el discriminador la envía directamente al circuito de BF.
Esta conmutación de la señal de BF para silenciar el ruido en ausencia de
portadora también sirve para activar simultáneamente otro circuito que se denomina TAP
(transmisor activado por portadora). Un relevador o conmutador electrónico se activa
automáticamente al transmisor cuando aparece una portadora e inicia la función el
repetidor.
El amplificador de audio es un circuito ordinario de BF, pero no es aconsejable
emplear en su diseño circuitos integrados porque ofrecen más seguridad los pasos finales
de transistores comerciales de BF, en el aspecto de descargas atmosféricas. Ahora
veremos el transmisor, en la siguiente figura (4.5.) observamos el diagrama de bloques
del transmisor.
Figura 4.5 Diagrama de Transmisión Básico.
El primer circuito que genera la señal es el oscilador a cristal, y es necesario
tenerlo muy en cuenta, ya que cualquier inestabilidad en él resulta multiplicada con la
frecuencia. Tiene importancia su constitución mecánica y su disposición eléctrica, y
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conviene que esté alejado de partes que generan calor para evitar cualquier
desplazamiento de frecuencia por efecto térmico; especialmente los componentes que lo
polarizan deben ser de absoluta fiabilidad.
Algunos circuitos modulan la frecuencia en este paso a base de aplicar tensión a
un diodo varicap; cuando varía la amplitud de la frecuencia audio cambia la capacidad y
éste hace que la frecuencia varíe por encima o por debajo de la frecuencia del cristal,
produciendo de este modo la modulación de frecuencia; no obstante, es preferible que el
oscilador cumpla solamente su función y que la modulación se efectúe en el siguiente
paso tal como se describe en la figura anterior.
La modulación de fase genera un cambio de la frecuencia instantánea durante el
tiempo en que se desplaza la fase y el valor de la desviación es directamente proporcional
a la frecuencia de la señal moduladora. El amplificador separador sirve para la adaptación
de impedancias entre pasos y recorte de las frecuencias armónicas no deseables; se
trata, pues, de un acoplador de pasos y filtro a la vez, y suministra el paso multiplicador de
frecuencia una señal exenta de frecuencias espurias.
El paso amplificador de potencia debe estar previsto de un filtro de paso bajo para
mantener los niveles de armónicos y de señales espurias dentro de los límites
establecidos; además debe estar provisto de un dispositivo protector para evitar que una
posible subida de energía reflejada originada por una eventual avería física en cables,
filtros o antena, destruya el transistor final de potencia.
Para reducir la desensibilización del receptor a causa de la proximidad del
transmisor, a menudo se separan las dos antenas, transmisora y receptora, pero
generalmente esto no da buenos resultados, pues el receptor continúa teniendo falta de
sensibilidad. Estos problemas se solucionan de modo definitivo con el empleo de
cavidades resonantes de los cuales existen varios tipos. Se trata de un filtro de alto Q
para sintonía de paso de banda, es decir, sintonizado a la frecuencia del receptor, que
solamente dará paso a ésta, rechazando las que estén por encima o por debajo de la
frecuencia sintonizada.
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Con más de una cavidad se mejorara la selectividad del receptor. También se
emplean en el transmisor para impedir que se radien señales espurias que puedan
interferir a otros servicios. Otro tipo de cavidad es la que tiene un circuito trampa y está
sintonizada a la frecuencia de transmisión, colocada a la entrada del receptor producirá
una buena atenuación de la señal del transmisor, ya que ésta señal caerá en la trampa,
dando paso a las demás señales hacia el receptor. Si además de estas cavidades tipo
trampa, disponemos delante del receptor de un paso de doble sintonía, es decir, un
circuito trampa y otro de paso de banda, el efecto de rechazo se duplica.
El empleo de cavidades de doble sintonía ha hecho posible que, combinando
varias, se pueda emitir y recibir con una sola antena. Al conjunto de estos bloques se les
denomina duplexores.
La antena es una parte muy importante en la instalación del repetidor ya que de
ella depende en parte que la cobertura del mismo sea proyectada; utilizando antenas
apropiadas en cada caso, obtendremos los resultados esperados. El tipo más adecuado
para coberturas en todas las direcciones es obvio que es el de las antenas
omnidireccionales; normalmente la polarización utilizada es la vertical porque facilita la
instalación de las antenas en los móviles.
Las antenas para repetidores deben reunir varias características importantes. En
cuanto a sus propiedades físicas, la antena debe ser robusta, para soportar grandes
vendavales en invierno cuando esté ubicada en un lugar montañoso donde la nieve y el
hielo sean su principal enemigo debido a la formación de hielo en ella, lo cual aumenta la
superficie que opone al viento y termina por partirse, de esto tiene mucha experiencia el
personal de mantenimiento de repetidores de montaña.
En cuanto a sus características eléctricas, la antena debe estar cortocircuitada a
tierra para descargar las corrientes estáticas o de chispas atmosféricas cercanas. Para
cubrir distancias cortas en repetidores de ámbito local es preferible usar antenas de ¼ de
onda, que, por ser pequeñas, son más consistentes que las antenas de ganancia.
La mayoría de los repetidores están diseñados para la máxima cobertura posible a
grandes distancias; esto requiere de que estén bien ubicados en un punto lo más elevado
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posible y el empleo de antenas de considerable ganancia. Los dos tipos más comunes
son las formaciones de dipolos apilados y las colineales apiladas en un mástil que son
dos buenas antenas para la larga distancia. Debido a las pérdidas que introduce también
tiene mucha importancia el tipo de línea de transmisión que se emplee en los repetidores
hacia antenas.
Operación a través de estaciones relevadoras automáticas.
Uno de los modos de comunicación que más popularidad ha adquirido en los
últimos años es el que se efectúa en las bandas de VHF y UHF empleando estas
estaciones relevadoras automáticas, popularmente conocidas como repetidores.
Este modo de efectuar comunicaciones presenta la ventaja del tamaño compacto
delos equipos transceptores de baja potencia, cuyo alcance o rango es ampliado por un
equipo transmisor – receptor automático instalado en un edificio alto o en una montaña.
El equipo automático recibe de la señal de un transmisor pequeño y la retransmite
automáticamente logrando así ampliar el rango de comunicación confiable del equipo que
empleamos para transmitir. La efectividad de la repetidora depende del lugar donde está
instalada y su altura sobre el nivel promedio del terreno.
Para dar una idea de las relaciones de cobertura podemos considerar que un
equipo portátil de uso manual con un watt de potencia tiene un radio de 2 a 5 Km, y si
operamos a través de una repetidora el alcance será de 30 a 100 Kms.
Una estación repetidora opera en lo que se denomina "operación dúplex", es decir
recibe en una frecuencia y transmite en otra; generalmente dentro de la misma banda de
aficionados.
La separación entre las frecuencias de recepción y transmisión de la estación
repetidora se denomina "offset"; pudiendo ser negativo o positivo, ya sea que la
frecuencia de recepción sea menor o mayor que la frecuencia de transmisión de la
repetidora.
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El modo de emisión más común empleado para la operación a través de
repetidoras es la frecuencia modulada de banda angosta, donde la desviación de la
frecuencia de la portadora en función de la señal de audio es de ± 7.5 kHz, es decir, el
ancho de canal de comunicaciones es de 15 kHz.
Enseguida mencionamos algunos consejos para la operación de estaciones
repetidoras:
• Nunca se debe llamar CQ a través de una repetidora, simplemente hay que dar el
distintivo de llamada, saludar, y decir que se queda a la escucha. Siempre
utilizando el código fonético internacional.
• Cuando operemos a través de repetidoras nuestras intervenciones deberán ser
concisas y breves, evitando monólogos o discursos que aburran a nuestros
interlocutores, evitando que otros aficionados participen. La mayoría de los
repetidores tienen un relevador de tiempo que corta la retransmisión de la señal
después de 90 ó 120 segundos; por lo tanto nuestra conversación deberá ser
expresada en ese lapso y dejar de transmitir para que se restablezca el relevador.
• Es recomendable que antes de hablar se deje un espacio de tiempo, para permitir
así la entrada al repetidor de otras estaciones.
• Es recomendable utilizar la mínima potencia necesaria para tener un acceso
correcto a la estación repetidora.
PRÁCTICA 4 INTRODUCCIÓN A PSPICE
Saber Hacer en la práctica (12hrs.)
OBJETIVO: Que el alumno se familiarice con el ambiente de simulación de
PSPICE.
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Material necesario.
• Una computadora con Windows 98, 2000, XP
• Software PSIPICE
Spice surge a mediados de los años 70 en la Universidad de California, en
Berkleley, programa capaz de resolver las ecuaciones que caracterizan un circuito, a
través de descripción del mismo. El nombre de Spice deriva de las iniciales de “Simulation
Program Integrated Circuit Emphasis”, que viene a resumir la filosofía con que fue creado.
Desarrollo experimental.
EJERCICIO 1. Análisis del punto de polarización de un circuito.
El objetivo de este ejercicio es obtener el punto de trabajo (o de polarización) del
siguiente circuito:
a) Realice el análisis teórico del punto de polarización, obteniendo la tensión en los
nodos A y B, y la corriente I.
b) Introduzca el esquemático del circuito, netlist.
c) Realice la simulación.
* Punto de Operación
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* V1 1 0 5V R1 1 2 1K R2 2 0 2k .OP .END
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Conclusiones: EJERCICIO 2. Filtro Pasivo RCL.
El objetivo de este ejercicio es ver el comportamiento en frecuencia de un filtro
pasabanda.
a) Realice el análisis teórico de la respuesta del sistema.
b) Introduzca el esquemático del circuito, netlist.
c) Realice la simulación.
*FILTRO
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V1 2 0 AC 1 R1 1 0 1k C1 2 3 400n L1 3 1 100m .AC DEC 100 10 1MEG .PROBE .END
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Conclusiones:
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V Comunicaciones
por Microondas
5.1. ¿QUÉ SON LAS MICROONDAS?
Saber en la Teoría (4 hrs.)
Las microondas son ondas electromagnéticas de la misma naturaleza que las
ondas de radio, luz visible o rayos X. Lo que diferencia a cada una de las ondas del
espectro electromagnético es su frecuencia (o de forma equivalente su longitud de onda).
Cuando se piensa en comunicación de datos generalmente se piensa en
comunicación a través de cable, debido a que la mayoría de nosotros tratamos con este
tipo de tecnología en nuestro día a día. Haciendo a un lado las complicadas redes
cableadas también tenemos la llamada COMUNICACIÓN INALÁMBRICA muy
comúnmente a nuestro alrededor.
La Comunicación de data inalámbrica en la forma de microondas y enlaces de
satélites son usados para transferir voz y data a larga distancia. Los canales inalámbricos
son utilizados para la comunicación digital cuando no es económicamente conveniente la
conexión de dos puntos vía cable; además son ampliamente utilizados para interconectar
redes locales (LANS) con sus homólogas redes de área amplia (WANS) sobre distancias
moderadas y obstáculos como autopistas, lagos, edificios y ríos. Los enlaces vía satélite
permiten no sólo rebasar obstáculos físicos sino que son capaces de comunicar
continentes enteros y barcos, rebasando distancias sumamente grandes.
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Los sistemas de satélites y de microondas utilizan frecuencias que están en el
rango de los MHz y GHz, usualmente utilizan diferentes frecuencias para evitar
interferencias pero comparten algunas bandas de frecuencias.
5.2. COMUNICACIÓN VÍA MICROONDAS.
Básicamente un enlace vía microondas consiste en tres componentes
fundamentales: El Transmisor, El receptor y El Canal Aéreo. El Transmisor es el
responsable de modular una señal digital a la frecuencia utilizada para transmitir. El Canal
Aéreo representa un camino abierto entre el transmisor y el receptor, y como es de
esperarse el receptor es el encargado de capturar la señal transmitida y llevarla de nuevo
a señal digital.
El factor limitante de la propagación de la señal en enlaces de microondas es la
distancia que se debe cubrir entre el transmisor y el receptor, además esta distancia debe
ser libre de obstáculos. Otro aspecto que se debe señalar es que en estos enlaces, el
camino entre el receptor y el transmisor debe tener una altura mínima sobre los
obstáculos en la vía, para compensar este efecto se utilizan torres para ajustar dichas
alturas.
5.3. ANTENAS Y TORRES DE MICROONDAS.
La distancia cubierta por enlaces microondas puede ser incrementada por el uso
de repetidoras, las cuales amplifican y redireccionan la señal, es importante destacar que
los obstáculos de la señal pueden ser salvados a través de reflectores pasivos. Las
siguientes figuras 5.1 y 5.2 muestran como trabaja un repetidor y como se ven los
reflectores pasivos.
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Figura 5.1 Esquema de un Repetidor
Figura 5.2 Reflectores Pasivos
La señal de microondas transmitidas es distorsionada y atenuada mientras viaja
desde el transmisor hasta el receptor, estas atenuaciones y distorsiones son causadas
por una pérdida de poder dependiente a la distancia, reflexión y refracción debido a
obstáculos y superficies reflectoras, y a pérdidas atmosféricas.
Región de las Microondas:
Gama de Ondas Límite Inferior (GHz) Límite Superior
(GHz)
Ondas decimétricas 0.3 3
Centrimétricas 3 30
Milimétricas 30 300
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5.4. APLICACIONES DE LAS MICROONDAS.
Sin duda podemos decir que el campo más valioso de aplicación de las
microondas es el ya mencionado de las comunicaciones, desde las que pudiéramos
denominar privadas, pasando por las continentales e intercontinentales, hasta llegar a las
extraterrestres.
En este terreno, las microondas actúan generalmente como portadoras de
información, mediante una modulación o codificación apropiada. En los sistemas de radar,
cabe citar desde los empleados en armamento y navegación, hasta los utilizados en
sistemas de alarma; estos últimos sistemas suelen también basarse en el efecto
DOPPLER o en cambios que sufre la razón de onda estacionaria (SWR) de una antena,
pudiendo incluso reconocerse la naturaleza del elemento de alarma. Sistema automático
de puertas, medida de velocidad de vehículos, etc.
Otro gran campo de aplicación es el que se pudiera denominar científico. En
radioastronomía ocurre que las radiaciones extraterrestres con frecuencia comprendidas
entre 10 Mhz y 10Ghz pueden atravesar el filtro impuesto por la atmósfera y llegar hasta
nosotros.
Entre estas radiaciones están algunas de tipo espectral, como la línea de 1420
OH, y otras de tipo continuo debidas a radiación térmica, emisión giromagnética,
sincrotónica, etc. La detección de estas radiaciones permite obtener información de la
dinámica y constitución del universo. En el estudio de los materiales (eléctricos,
magnéticos, palmas) las microondas se pueden utilizar bien para la determinación de
parámetros macroscópicos, como son la permitividad eléctrica y la permeabilidad
magnética, para el estudio directo de la estructura molecular de la materia mediante
técnicas espectroscópicas y de resonancia.
En el campo médico y biológico utilizan las microondas para la observación de
cambios fisiológicos significativos de parámetros del sistema circulatorio y respiratorio.
Es imposible hacer una enumeración exhaustiva de aplicaciones que, aparte de
las ya citadas, pueden ir desde la mera confección de juguetes hasta el control de
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procesos o funcionamiento de computadores ultra rápidos. Quizá el progreso futuro de las
microondas está en el desarrollo cada día mayor, de los dispositivos a estado sólido, en
los cuáles se consigue una disminución de precio y tamaño que puede llegar a niveles
insospechados; estos sistemas son la combinación de los generadores a
semiconductores con las técnicas de circuitería integrada, fácilmente adaptables a la
producción en masa.
Sin embargo no todo son beneficios; un crecimiento incontrolado de la utilización
de las microondas, puede dar lugar a problemas no sólo de congestión del espectro,
interferencias, etc., sino también de salud humana; este último aspecto no está lo
suficientemente estudiado, como se deduce del hecho de que los índices de peligrosidad
sean marcadamente diferentes de unos países a otros.
La absorción de radiación de RF o microondas en un medio material trae
aparejado un efecto de calentamiento, de manera que la intensidad de la radiación podría
medirse por el incremento de la temperatura. La intensidad de la radiación se denomina
irradiancia y se expresa en W/m2. La densidad de potencia o irradiancia puede calcularse
de los vectores campo eléctrico E y campo magnético H según un producto vectorial.
En términos generales la densidad de potencia es calculada en función del campo
eléctrico. Entre los instrumentos destinados a la medición de este campo se cuenta con el
diodo rectificador, el bolómetro y el termopar.
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VI Sistemas de Comunicación
Satelital
Saber en la Teoría (4 hrs.)
La tecnología de comunicaciones basada en el empleo de satélites, que ya tiene
muchos años y está suficientemente consolidada, resulta sumamente eficaz para
determinadas aplicaciones en donde se necesita cubrir amplias zonas, con un coste
relativamente bajo dado que es un sistema de difusión, o proporciona un gran ancho de
banda.
Frente a los sistemas tradicionales que emplean satélites en órbita geoestacionaria
y se utilizan fundamentalmente para aplicaciones de difusión y VSAT, está empezando a
surgir toda una serie de otros nuevos que, situados en unas órbitas más bajas, están
revolucionando el mundo de las telecomunicaciones al ofrecer una amplia y variada gama
de servicios (MSS/Servicios Móviles por Satélite) con independencia de la localización de
los usuarios, sirviendo en muchas ocasiones de complemento a las redes terrestres ya
desplegadas, donde éstas resultan insuficientes o no pueden operar.
En la actualidad empiezan a tener un gran auge los sistemas de comunicaciones
móviles vía satélite, gracias al gran desarrollo de la tecnología y al gran mercado potencial
que estos sistemas parecen tener.
Una manera muy sencilla de clasificar los diversos sistemas de satélites de
comunicaciones es por la altura a la que se encuentran. Este aspecto es un factor clave
para determinar cuantos satélites necesita un sistema para conseguir una cobertura
mundial y la potencia que debe tener (la potencia necesaria para emitir desde un órbita
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baja es muy inferior a la necesitada en casos de mayor altura de la órbita y dado cierto
ancho de haz de la antena del satélite, el área de cobertura del mismo será mucho menor
estando en una órbita de poca altura que en otra de mayor altura).
Tipos de órbitas. La clasificación de los sistemas en función de la órbita en que
se ubican es la siguiente:
GEO
Abreviatura de Órbita Terrestre Geosíncrona. Los satélites GEO orbitan a 35.848
kilómetros sobre el ecuador terrestre. A esta altitud, el periodo de rotación del satélite es
exactamente 24 horas y, por lo tanto, parece estar siempre sobre el mismo lugar de la
superficie del planeta. Esta órbita se conoce como órbita de Clarke, en honor al escritor
Arthur C. Clarke, que escribió por primera vez en 1945 acerca de la posibilidad de cubrir
toda la superficie terrestre con sólo tres satélites.
El principal problema que se presenta es el retraso (latencia) de 0,24 segundos,
aunque en la práctica resulta algo más, debido a la distancia que debe recorrer la señal
desde la tierra al satélite y del satélite a la tierra. Así mismo, los GEO necesitan obtener
unas posiciones orbitales específicas alrededor del ecuador para mantenerse lo
suficientemente alejados unos de otros (unos 800 o 1.600 kilómetros. o uno o dos grados,
para las bandas K y C respectivamente) dada la resolución de las antenas receptoras,
siendo la ITU y la FCC (en los Estados Unidos) los organismos encargados de administrar
estas posiciones.
MEO
Los satélites de órbita terrestre media, también denominados ICO, se encuentran a
una altura comprendida entre los 10.000 y 20.000 kilómetros. A diferencia de los GEO, su
posición relativa respecto a la superficie terrestre no es fija. Al estar a una altitud menor,
se necesita un número mayor de satélites para obtener cobertura mundial, pero la latencia
se reduce sustancialmente. En la actualidad no existen muchos satélites MEO, y los que
hay, se utilizan fundamentalmente para posicionamiento (localización GPS).
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LEO
Las órbitas terrestres de baja altura prometen un ancho de banda extraordinario y
una latencia reducida (unas pocas centésimas de segundo). Los LEO orbitan
generalmente por debajo de los 5.000 kilómetros, y la mayoría de ellos se encuentran
mucho más abajo, entre los 500 y los 1.600 kilómetros, con planes para lanzar
constelaciones de cientos de satélites que abarcarán todo el planeta.
Existen tres tipos de LEO, que manejan diferentes cantidades de ancho de banda.
Los LEO pequeños están destinados a aplicaciones de bajo ancho de banda (de decenas
a centenares de kbit/s), como los buscapersonas, e incluyen a sistemas como OrbComm.
Los grandes LEO pueden manejar buscapersonas, servicios de telefonía móvil y algo de
transmisión de datos (de cientos a miles de kbit/s). Los LEO de banda ancha (también
denominados megaLEO) operan en la franja de los Mbit/s y entre ellos se encuentran
SkyBridge y Teledesic.
Nombre Orbita Satélites
operativos Servicios ofrecidos
Globalstar B-LEO 48 Voz (GSM), Datos,
Fax, Paging
GPS
ICO Globa MEO 10 Voz, Datos, Fax,
Paging
Iridium B-LEO 66 Voz (GSM), Datos,
Fax, Paging
Odissey MEO 12 Voz (GSM), Datos,
Fax, Paging
SkyBridge Broadband LEO 80 Bucle local de
Banda Ancha
Teledesic Broadband LEO 288 Servicios de Banda
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Ancha
Algunos de los principales sistemas de GEO, MEO, y LEO que están en servicio,
próximamente, cada uno de ellos, contará con un número potencial de usuarios en torno a
los 20 millones en un plazo de cuatro años.
6.1. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LAS DISTINTAS ÓRBITAS.
De los tres tipos mencionados anteriormente, los dos más utilizados y de mayor
importancia comercial son los LEO y los GEO.
Los satélites geoestacionarios se encuentran a una altitud de unos 36.000
kilómetros sobre el ecuador, siendo ésta la única órbita que permite que el satélite
mantenga una posición fija con relación a la Tierra. A esta altura, las comunicaciones a
través de un GEO presentan una latencia mínima de transmisión de ida y retorno de casi
medio segundo, incluyendo los retardos provocados por las diversas pasarelas y
conversiones que deben sufrir los datos.
Esta latencia es la fuente de molestias en muchas de las llamadas internacionales,
impidiendo que se pueda entender la conversación y deformando el matiz personal de la
voz. Esto, que puede ser una incomodidad en una conversación telefónica, puede ser
insostenible para aplicaciones en tiempo real en donde se requiere una respuesta
inmediata, viéndose afectados muchos protocolos de datos, entre ellos el IP de Internet.
Dos proyectos muy interesantes son Iridium y Teledesic; mientras el primero está
orientado principalmente a proporcionar telefonía GSM y cuenta con una licencia B-2, el
segundo lo está además a dar servicios de banda ancha ("Internet in the sky"). Con un
sistema LEO una zona cambia de satélite cada 20 minutos y con uno MEO se tardan unas
dos horas, con lo que la probabilidad de que una llamada se complete en ese periodo es
mayor y, por tanto, se ofrece mayor seguridad ya que no se necesita hacer traspaso de
una unidad a otra.
Por ejemplo, La red Teledesic consistirá en 288 satélites operacionales, situados
en 12 planos orbitales, cada uno con 24 satélites. Para hacer un uso eficiente del espectro
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de radio las frecuencias se asignan dinámicamente y se reusan muchas veces dentro de
la huella de cada satélite. Dentro de un área circular de 100 kms de radio, la red Teledesic
puede soportar un flujo de datos de hasta 500 Mbit/s hacia y desde el terminal de usuario;
además, soporta ancho de banda bajo demanda, lo que permite al usuario elegir la
capacidad que necesita, pagando sólo por ella, y a la red dar soporte a un mayor número
de ellos.
Los satélites LEO también presentan problemas, como es el de la posible
saturación de las órbitas y en algunos sectores se ha mostrado cierta preocupación por la
gran cantidad de satélites que podrían juntarse en una porción relativamente pequeña del
espacio, ya que son numerosos los satélites LEO y MEO proyectados para lanzarse
(1.000 hasta el 2004), pero esto no parece un problema real ya que la zona de órbitas de
baja altura, parte de la atmósfera terrestre hasta una zona de alta radiación conocida
como el "cinturón de Van Allen", son 900 kilómetros de distancia que pueden albergar una
cantidad inmensa de órbitas donde podrían colocarse más de 60.000 satélites.
La vida de un satélite oscila entre los 5 y los15 años, en función del combustible
que se necesita para corregir su posición y mantenerlo en la órbita correcta, tanto más
cuanto menor es la altura. Así, con los LEO debe tenerse en cuenta una política de
sustitución de satélites con cierta periodicidad y a diferencia de los GEO, que cuando
acaban su vida útil se desplazan a una órbita de estacionamiento unos pocos kilómetros
más alejada de lo normal, los LEO entran en la atmósfera y se desintegran.
Un satélite GEO aparece como inmóvil para un usuario, proyectando un haz fijo
que cubre una zona muy amplia, por lo que las antenas de seguimiento son estáticas,
pero los satélites MEO y LEO se desplazan a gran velocidad y resultan visibles durante
pocas horas o minutos antes de que desaparezca en el horizonte (ángulo de elevación
mínimo). Esto complica en gran medida el posicionamiento de la antena, si es una
parábola ya que si se trata de la de un teléfono móvil no pasa, y el trabajo para mantener
activo el enlace. El problema de la antena lo resuelve una tecnología denominada antena
de array en fase que, a diferencia de una antena parabólica normal que sigue
mecánicamente el rastro del satélite, es un dispositivo que contiene diversas antenas más
pequeñas que pueden seguir a varios satélites sin moverse físicamente, por medio de las
señales levemente diferentes recibidas por el conjunto de antenas.
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Figura 6.1 Aplicaciones de los satélites
El problema de mantener un enlace activo cuando el satélite desaparece cada
poco tiempo se soluciona manteniendo como mínimo dos satélites a la vista en todo
momento (muchos LEO pretenden mantener constantemente tres satélites a la vista) de
forma que se inicia un nuevo enlace antes de cortar el existente con el satélite de
poniente. En este caso, el satélite que gestiona la conexión debe ser capaz de realizar el
traspaso (handover) a otro, que se encuentre en mejor posición, y así sucesivamente, en
un proceso que debe resultar transparente y sin pérdida de calidad para el usuario, lo que
implica disponer de una red inteligente y de un software de control muy potente.
Por ejemplo, la conmutación necesaria para encaminar una llamada se puede
realizar entre satélites (es el caso de Iridium) descendiendo a la Tierra en el punto más
adecuado para establecer la conexión con el usuario, con lo cual, en el caso más
extremo, bastaría un único gateway para la interconexión con otras redes, o hacerla por
medio de las estaciones terrestres, lo que es un proceso más lento pero que no elude el
uso de las infraestructuras existentes y el control que sobre éstas ejercen los operadores
establecidos en cada país, evitando así un uso monopolista de la red.
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La topología de las redes basadas en satélites LEO es dinámica. Cada satélite
guarda la misma posición relativa a otros satélites en su plano orbital, mientras que su
posición y retardo de propagación relativo a la Tierra y a otros satélites cambia
continuamente y en forma predecible. Estos cambios en la topología de la red se traducen
en colas de paquetes acumulados en los satélites y cambios del tiempo de espera para
transmitir al siguiente satélite.
Desde el punto de vista de la red una gran constelación de nodos de conmutación
entrelazados ofrece ventajas en términos de calidad de servicio, seguridad y capacidad.
La malla fuertemente interconectada proporciona un robusto diseño que tolera fallos y
que, automáticamente, se adapta a cambios de topología y a nodos y enlaces
congestionados o averiados, pero requiere una fuerte sincronización entre todos sus
elementos, un factor que resulta muy crítico.
6.1.1 Las Bandas de Frecuencias.
Un sistema de este tipo se puede emplear para múltiples aplicaciones, como
puede ser el servicio telefónico, la radiodifusión de TV, transmisión de datos, servicios de
emergencia y de localización GPS, etc., cada uno de ellos utiliza una de las bandas de
frecuencias que tiene asignadas y las aplicaciones más comunes suelen ser las
unidireccionales (difusión punto-multipunto) ya que en este caso los terminales son más
simples y económicos.
Cuando se trata de satélites de comunicaciones, la porción del espectro
radioeléctrico que van a utilizar determina prácticamente todo: la capacidad del sistema, la
potencia de emisión y el precio. La ventaja de las frecuencias elevadas (las bandas Ku y
Ka) es que permiten a los transmisores enviar más información por segundo, pero
necesitan más potencia para evitar los bloqueos, mayores antenas y equipos más caros.
Diferentes longitudes de onda poseen propiedades diferentes y así, las longitudes
de onda largas pueden recorrer grandes distancias y atravesar o rodear obstáculos, pero
cuanto mayor sea la frecuencia y, por tanto, menor la longitud de onda, más fácilmente
pueden verse afectadas.
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Cuando las frecuencias son lo suficientemente altas (decenas de GHz), las ondas
pueden ser detenidas por la vegetación o las gotas de lluvia, provocando el fenómeno
denominado "rain fade" y para superarlo se necesita bastante más potencia, lo que
implica retransmisores más potentes o antenas más enfocadas, lo que provoca que el
precio del satélite aumente. Concretamente, las bandas más utilizadas en los sistemas de
satélites son la L, Ku y Ka.
PRÁCTICA 5 TELÉFONO CELULAR
Saber Hacer en la Práctica (12 Hrs.)
OBJETIVO: Identificar las características de la señal de un teléfono celular.
Modulador balanceado. Para que realmente Teléfono celular.
Material Necesario:
• Un teléfono celular
• Multímetro
• Osciloscopio
Desarrollo Experimental a) Medir las características de un teléfono celular.
b) Potencia de la antena.
c) Frecuencia de las señales generadas.
d) Visualización de la señal en el osciloscopio.
PREGUNTAS:
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1.- ¿Cuáles son los tipos de onda que genera el sonido?
R = Senoidales, es decir, tienen una amplitud y un periodo.
2.- ¿Cuáles son los tipos de satélites que existen, según sus orbitas de funcionamiento?
R = GEO, LEO y MEO.
3.- ¿Cuáles son las bandas de frecuencia más utilizadas para las comunicaciones
satelitales?
R = Banda de frecuencia L y K (Ku y Ka)
4.- ¿Cómo se llama el centro de control satelital mexicano?
R = Mexsat.
5.- ¿La potencia que genera un teléfono celular con respecto a cualquier electrodoméstico
es mayor o menor?
R = Menor.
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VII Comparación, Avances y
Tendencias
Saber en la Teoría (2 hrs.)
Es natural que para cada necesidad humana de comunicación sean necesarias
ciertas especificaciones que se acoplararán de manera más efectiva a nuestra
comunicación. Es por ello que al comparar dichos sistemas es necesario retomar sus
ventajas y desventajas en su espectro de frecuencia que es donde las señales trabajan.
Sistemas de radiofrecuencia vs. Microondas (Ver capítulos sistemas de microondas y sistemas de radiofrecuencia)
Sistemas de microondas vs. Satélites (Ver capítulos sistemas de microondas y sistemas satelitales)
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Prácticas de laboratorio
PRÁCTICA 1.A. MODULACIÓN DE AMPLITUD
OBJETIVOS
• Analizar los principales parámetros de una señal modulada en amplitud
• Controlar el funcionamiento de un modulador
• Efectuar las mediciones características en un modulador de amplitud
• Analizar el espectro de una señal modulada en amplitud.
Material precisado:
• Modulos T10A-T10B
• Fuente de alimentación de ± 12 Vcc.
• Osciloscopio
Ejercicio 1: Funcionamiento del modulador. 1. Realizar las conexiones entre los módulos T10A y T10B, como se muestra en la figura
1 suministrar la alimentación de ± 12V a los módulos y efectuar las predisposiciones
siguientes:
• FUNTION GENERADOR: sinusoidal (J1); LEVEL en unos 0.5 Vpp y FREQ. en 1
KHz. aprox.
• VCO2: LEVEL en 1 Vpp aprox. y FREQ en unos 450KHz;
• BALANCED MODULATOR 1: CARRIER NULL totalmente girado en el sentido de
las agujas del reloj o en el sentido contrario, de modo que se “desbalancee” el
modulador y se obtenga en la salida una señal AM de portadora no suprimida;
OUT LEVEL en posición intermedia.
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2. Conectar el osciloscopio en las entradas del modulador (puntos 2 y 1) y detectar la
señal moduladora y la señal portadora (fig. 2.a, b)
3. Desplazar la sonda del punto 1 al punto 3 (salida del modulador), donde se detecta la
señal modulada en amplitud (fig. 2.c). observar que la envolvente de la señal
modulada corresponde a la forma de onda de la señal moduladora.
4. Variar la frecuencia y la forma de onda de la señal moduladora y controlar las tres
condiciones siguientes: porcentaje de modulación inferior a 100% (Fig. 2.c), igual a
100% (Fig. 2.d), superior a 100% (sobremodulación, Fig. 2.e).
5. Variar la frecuencia y la forma de onda de la señal moduladora luego controlar las
correspondientes variaciones de la señal modulada.
6. Variar la amplitud de la señal moduladora y observar que la señal modulada puede
resultar saturada o en sobremodulación.
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Figura 1.
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Figura 2.
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PRÁCTICA 2.A. ÍNDICE DE MODULACIÓN
1. Predisponer los módulos de la misma manera que en el punto 1 de la práctica anterior.
2. Utilizando el osciloscopio, medir (Fig. 3):
• la amplitud B de la señal moduladora (punto 2 del modulo T10B);
• las amplitudes H y h de la señal modulada, y la amplitud C de la envolvente
de la señal modulada (punto 3 del módulo T10B).
3. Calcular la constante k del modulador, equivalente a: K =c/b. se obtiene un valor un
poco superior a 1.
4. Calcular la amplitud A de la Portadora, equivalente a:
A =2
hH +
5. Calcular el índice de modulación “m”, equivalente a :
M = hhhH
+−
* 100
Figura 3.
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PRÁCTICA 3.A. LINEALIDAD DEL MODULADOR 1. Predisponer losa módulos de la misma manera que en el punto 1 de la práctica 1.
2. Predisponer el osciloscopio en X-Y (X = 0.2V / div, Y = 1V/div). Conectar la señal
moduladora (2 del modulo T10B) en el eje X y la señal modulada (3 del módulo T10B)
en el eje Y.
3. En la pantalla se detecta un trapecio similar al de la Fig. 4(a), que proporciona la
marcha de la envolvente de la señal modulada en función de la amplitud de la señal
moduladora. Este método de visualización permite destacar eventuales no
linealidades o distorsiones de la señal modulada. Aumenta la amplitud de la señal
moduladora y observar como se visualizan la saturación y la sobremodulación de la
señal modulada (Fig. 4(b)).
Figura 4.
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PRÁCTICA 4.A. ESPECTRO DE LA SEÑAL DE AM.
1. Realizar las conexiones entre los módulos T10A y T10B, como se muestra en la Fig.
5. suministrar la alimentación de ± 12 V a los módulos y efectuar las
predisposiciones siguientes:
• Función generador: sinusoidal (j1), LEVEL en unos 0.5 Vpp y FREQ. en alrededor de 10 KHz;
• VCO2: LEVEL en 1 Vpp aprox. y freq. En unos 450 KHz;
• VCO1: LEVEL En alrededor de 2 Vpp, desviadores 1500 KHz y Fraq. En unos
900 KHz; • SEP: DEPTH girado casi totalmente en el sentido contrario a las agujas del reloj; • RF DETECTOR: LEVEL girado totalmente en el sentido contrario de las agujas
del reloj • BALANCED MODULATOR1: CARRIER NULL girado totalmente en el sentido de
las agujas del reloj o en el sentido contrario, de modo que se obtenga en la salida una señal de AM; OUT LEVEL en posición intermedia;
• BALANCED MODULATOR2: CARRIER NULL en posición central, de modo que
se haga funcionar el circuito como ventilador de frecuencia (modulador balanceado con portadora suprimida) y OUT LEVEL en posición intermedia;
• Trimmer del CERAMIC FILTER girado toptalmente en el sentido de las agujas
del reloj.
2. Predisponer el osciloscopio en X-Y (X= 0.2 V/div, Y = 50mV/div). Conectar el
generador SEP (del módulo T10A) en el eje X y la señal detectada (3 del módulo
T10A) en el eje Y.
3. Variar la frecuencia de la portadora (VC02) hasta que en el osciloscopio se obtenga
una representación similar a la de la Fig. 6 para obtener la mejor forma de onda
ajustar: la desviación del generador SEP (DEPTH), la banda pasante del filtro
cerámico (capacidad variable) y el CARRIER NULL del modulador balanceado 2.
4. La forma de onda representa el espectro de la señal de AM, constituido por la
portadora y las 2 bandas laterales.
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5. Variare la frecuencia, la amplitud y la forma de onda de la señal moduladora, luego
analizar la variación del espectro .
Figura 5.
Figura 6.
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PRÁCTICA 5.A. MODULACIÓN DE AMPLITUD
OBJETIVOS
• Funcionamiento del detector de envolvente.
• Distorsiones de la señal detectada: ripple y distorsión por corte diagonal
• Rendimiento de detección
• Funcionamiento del detector de AM síncrono.
Material precisado
• Módulos T10A-T10B-T10C
• Fuente de alimentación de ± 12Vcc.
EJERCICIO 1 FORMAS DE ONDA DEL DETECTOR DE LA ENVOLVENTE.
Se utiliza la señal de AM generada a través de los módulos T10A y T10B.
1. realiza las conexiones entre los módulos T10A y T10B y T10C como se muestra en la
Fig. 7
2. en el modulo T10C conectar solo los apuntes siguientes: J3, J5, J6, J8, J10 y J12;
conectar la salida del modulador (3 del módulo T10B) con la entrada del amplificador
de FI (12 del módulo T10C).
3. suministrar la alimentación de ± 12V a los módulos T!0A y T10B y efectuar las
predisposiciones siguientes:
• FUNCTION GENERADOR: sinusoidal (J1), LEVEL en unos 0.5 Vpp y FREQ. En 1
KHZ aprox.
• VCO2: LEVEL en unos 200 mVpp y FREQ. En 450 KHZ aprox:
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• BALANCED MODULATOR 1: CARRIER NULL totalmente girado en el sentido de
las agujas del reloj o en sentido contrario, de modo que se “desvancee” el
modulador y se obtenga en la salida una señal de AM de portadora no suprimida;
regular OUT LEVEL de modo que se obtenga en la salida un aseñal de AM. De 15
–mVpp de amplitud aproximadamente.
Figura 7
4. Conectar el osciloscopio antes y después del diodo detector (puntos 15 y 17 del
módulo T10C) y examinar la señal de AM y la señal detectada (Fig. 8).
5. Controlar que la señal detectada siga la marcha de la envolvente de la señal de AM.
6. Desplazar el puente de J8 s J9 y controlar qur ahora se detecte la envolvente
negativa. Volver a poner el puente en J8.
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EJERCICIO 2 RENDIMIENTO DE DETECCIÓN. A través de las formas de onda detectadas anteriormente es posible calcular el
rendimiento de detección, definido como la relación entre la amplitud de la señal
detectada y la amplitud de la envolvente de la señal AM, evaluada antes del diodo. Se
obtiene un valor de 01.8 aproximadamente.
EJERCICIO 3
EFECTO DE LA CONSTANTE DE TIEMPO R*C.
1. Los valores de R y C insertados después del diodo detector son respectivamente R7
= 22 KΩ y C7 = 4.7 nF. Mantener el osciloscopio conectado en 15 y 17 y aumentar la
frecuencia de la señal moduladora, llevándola a 10 KHz. Observar la distorsión por
corte diagonal en la señal detectada.
2. Reducir la profundidad de modulación (reducir la amplitud de la señal moduladora) y
controlar que la señal detectada logre seguir correctamente la envolvente de la señal
de AM.
3. volver a llevar en alrededor del 50% la Profundidad de modulación y sustituir C7 (4.7
nF) con C6 (1 nF). La distorsión por corte diagonal se reduce, pero aumenta el ripple
superpuesto a la señal detectada.
Figura 8.
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EJERCICIO 4 DETECTOR DE AM SÍNCRONO.
1. Realizar las conexiones entre los módulos T10A y T10B, como se muestra en la Fig. 9
suministrar la alimentación de ± 12 V a los módulos efectuar las predisposiciones
siguientes:
• FUNTION GENERADOR: Sinusoidal (j1), LEVEL en alrededor de 0.5 Vpp y freq.
En unos 10 KHz.
• VC02: LEVEL en 1 Vpp aprox y Freq. En unos 450KHz;
• BALANCED MODULATOR 1: CARRIER NULL totalmente girado en el sentido de
las agujas del reloj o en el sentido contrario, de modo que se obtenga en la salida
una señal de AM; OUT LEVEL en posición intermedia.
• BALANCED MODULATOR 2: CARRIER NULL en posición central, de modo wque
se haga funcionar el circuito como convertidor de frecuencia (modulador
balanceado con Portadora suprimida); OUT LEVEL en posición intermedia.
• Conectar el osciloscopio en la entrada del modulador (punto 16 balanced
modulator 2) y en la salida (punto 17). La forma de onda detectada en la salida
(Fig. 10) es el resultado del producto entre la señal de AM y la portadora, que en
las aplicaciones reales se genera localmente en el receptor. Observar que esta
forma de onda está constituida por una frecuencia el doble de la portadora, a la
cual se superpone la forma de onda de la señal moduladora.
• El filtro de paso bajo suprime la componente de alta frecuencia, suministrando una
señal detectada limpia. Ya que el filtro tiene una frecuencia de corte de 3400 Hz,
todas las frecuencias superiores son atenuadas.
• Aumentar la profundidad de modulación de la señal de AM y comprobar que la
señal detectada siga siempre exactamente la envolvente. No hay distorsión por
corte diagonal.
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Figura 9.
Figura 10.
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PRÁCTICA 6.A. MODULACIÓN DE LA BANDA LATERAL ÚNICA (BLU).
Material Precisado:
• Modulo T10B-T10B
• Fuente de alimentación de +- 12 Vcc
• Osiloscopio
• Frecuencimetro
EJERCICIO 1 FILTRO CERÁMICO
EL filtro cerámico montado en el modulo T10B presenta las características principales
siguientes:
• Frecuencia central : 455KHz
• Ancho de banda a -3 dB : 4.5 KHz +- 1KHZ
• Impedancia de entrada y salida : 3 KΩ
• Capacidad de acoplamiento : 56 pF
Curva de respuesta del filtro detectada con un generador de barrido.
La curva de respuesta (o repuesta en frecuencia) de un genérico cuadripolo se
determina aplicando en la entrada una señal de frecuencia variable y detectando la
amplitud de la señal de salida. La atenuación del cuadripolo, medida a distintas
frecuencias, está dada por: A₧ vo/vi y, en decibelios: AdB₧ 20. log (Vo/Vi)
La representación de la atenuación en función de la frecuencia determina la curva
de respuesta del cuadripolo.
1. Realizar las conexiones entre los módulos T10A y T10B, como se muestra en la
Fig.11. Suministrar la alimentación de +- 12 V a los módulos y efectuar las
predisposiciones siguientes:
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• VCO1: desviador en 500 KHz, , LEVEL en alrededor de 2 vpp y FREQ: EN
450KHZ aprox.
• CEramic filter: RV en el máximo (girado en el sentido de las agujas del reloj)
• Sweep: DEPTH casi en el mínimo.
• Osciloscopio en X-Y (eje X en 0.5 V/div; eje Y en 200 mV/div)
2. Conectar el eje X del osciloscopio en el punto X AXIS del generador SWEEP.
Conectar el eje Y del osciloscopio en la salida del filtro cerámico.
3. Ajustar la frecuencia central del VCO1 y la amplitud del SWEEP (DEPTH), para
obtener en el osciloscopio una curva similar a la de la Fig.12
4. Variar la capacidad de acoplamiento CV y controlar las tres condiciones siguientes:
la curva de respuesta se vuelve mas estrecha (CV<56 pF), la respuesta es achatada
(CV=56 pF) y la respuesta presenta 2 picos de resonancia (CV>56 pF)
5. Variar la resistencia RV y controlar que varia, paro muy poco, también la
frecuencia central del filtro. Al disminuir RV, desciende también la amplitud de la señal de
salida.
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Figura 11.
Figura. 12
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BIBLIOGRAFÍA
Para saber más consulte los libros:
1.- Oppenheim Alan V., Willsky Alan S., Young Ian T. Señales y sistemas,
Prentice Hall.
2.- Couch Leon W., Sistemas de Comunicación Digitales yAanálogos, 5ª edición,
Prentice Hall, 1998.
3. - Shoenbeck Robert J., Electronic Communications, Modulation and
Transmission, 2ª edición, Merril,1992.
4.- Manual de ELETTRONICAVENETA, Modulación analógica, Módulos T10A-B-
C-D/EV, Volumen ½., Teoría y ejercicios.
5.-Manual de ELETTRONICAVENETA, Analizador de espectros.