ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE
TELECOMUNICACIN
Estudio comparativo entre los mtodos de transmisin de AM
completa utilizando amplificadores de potencia en clase C y los que
utilizan PWM
Calin Olariu 6/13/2011
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA
Modulacin por amplitud (AM)El proceso de modulacin significa
utilizar sistemticamente la seal de informacin (lo que quiere
transmitir) para modificar algn parmetro de la seal portadora. La
seal portadora es en general slo una sinusoide simple, una sola
frecuencia (vara en el tiempo como una onda senoidal). Para modular
la seal solo se necesita variar de forma sistemtica uno de los tres
parmetros de la seal: la frecuencia, la amplitud o la fase. Por lo
tanto, el tipo de modulacin puede ser categorizado como AM:
modulacin por amplitud FM: modulacin por frecuencia PM: modulacin
por fase
Nota: Las caractersticas de AM son muy similares a las de FM y
as los trminos se usan a menudo indistintamente.
La modulacin analgica vara el parmetro de la portadora
continuamente, con la seal de modulacin. La modulacin digital
cambia el parmetro de portadora entre un nmero limitado de valores
discretos de acuerdo con la seal digital aplicada a la entrada. Una
onda portadora es modelada como una onda senoidal simple:
donde la frecuencia de radio (en Hz) viene dada por:
Las constantes y representan la amplitud de la portadora y la
fase inicial, y se introducen por la generalidad. Por simplicidad
sin embargo, sus respectivos valores se puede establecer en 1 y 0.
Sea m(t) representar una forma de onda arbitrario que es el mensaje
a transmitir, y que la constante M representa su mayor magnitud.
Por ejemplo:
As, el mensaje podra ser slo un simple tono de audio de
frecuencia
En general se supone que
y que
A continuacin, la modulacin por amplitud se crea mediante la
formacin del producto:
representa la amplitud de la compaa area que es una constante.
Para este ejemplo sencillo, y (t) puede ser manipulado
trigonomtrica en la forma de equivalente siguientes:
Por lo tanto, la seal modulada tiene tres componentes, una onda
portadora y dos ondas sinusoidales (conocido como bandas
laterales), cuyas frecuencias estn ligeramente por encima y por
debajo de Observe tambin que la opcin A = 0 elimina la componente
de portadora, pero deja las bandas laterales. Ese es el modo de
transmisin DSBSC (Double Side Band Supressed Carrier). Para generar
portadora completa de doble banda lateral, debemos elegir:
Espectro
Fig.2: The (2-sided) spectrum of an AM signal
Para obtener ms formas generales de m(t), la trigonometra no es
suficiente. Pero si el trazo superior de la figura muestra el
espectro de frecuencias de m(t), a continuacin, el trazo de abajo
representa la portadora modulada. Hay dos grupos de componentes:
uno en las frecuencias positivas (centrado en c +) y uno en
frecuencias negativas (centrado en c -). Cada grupo est formado por
las dos bandas laterales y un componente en la mitad que representa
la energa la frecuencia portadora. Slo tenemos que estar
preocupados con las frecuencias positivas. Los negativos son un
artefacto matemtico que no contiene ninguna informacin adicional.
Por lo tanto, vemos que el espectro de una seal de AM se compone
bsicamente de su origen (2 caras) del espectro desplazado a la
frecuencia de la portadora. La figura es el resultado de calcular
la transformada de Fourier: el uso de los siguientes pares de
transformacin:
Potencia y eficiencia espectralCuando hablamos de las
frecuencias positivas, el ancho de banda de transmisin de la AM es
el doble de el ancho de banda de la seal original (banda base) por
que las bandas laterales positivos y negativos se desplazan hasta
la frecuencia portadora. El ancho de banda de las seales de AM se
puede predecir fcilmente utilizando la frmula ya conocida:
BW = 2 fmPor lo tanto, DSB-AM es espectralmente ineficiente, lo
que significa que menos estaciones de radio se pueden acomodar en
una banda de emisin dada. Los mtodos de supresin de diversas formas
de AM pueden ser fcilmente entendidos el diagrama en la Figura 2.
Con la portadora suprimida no habr energa en el centro de un grupo.
Y con una banda lateral suprimida, el "grupo va tener el mismo
ancho de banda de las frecuencias positivas de La eficiencia de la
potencia del transmisor de DSB-AM es relativamente baja (alrededor
del 33%, porque al menos dos tercios de la energa se concentra en
la seal portadora). La ventaja de este sistema es que los
receptores son ms baratos de producir. Las formas de AM con las
portadoras suprimidas tienen 100% de eficiencia de potencia, ya que
no hay potencia que se pierde mediante la portadora que no
transmite ninguna informacin, pero los receptores requieren
circuitos ms complejos para la demodulacin y por lo tanto ms caros.
Para radiodifusin, donde los transmisores son pocos, pero los
receptores son muchos, se prefiere la transmisin completa de AM
(DSB-AM) para poder utilizar los receptores baratos. Pero
normalmente,
El index de modulacionSe puede definir como la medida de la
variacin de la amplitud mxima de la portadora. Al igual con otros
ndices de modulacin, esta cantidad, tambin llamado profundidad de
modulacin, indica como la variable modulada vara alrededor de su
nivel "original". Para AM, se refiere a las variaciones de la
amplitud de la portadora y se define como:
siendo la amplitud de la seal modulador y
- la amplitud
As que si h=0.5, la amplitud de la portadora vara en un 50% por
encima y por debajo de su nivel no modulada, y para h = 1.0 que
vara en un 100%. Las variaciones de la seal modulada con el
porcentaje de modulacin se muestran a continuacin. En cada imagen,
la amplitud mxima es mayor que en la imagen anterior. Tenga en
cuenta que la escala se cambia de una imagen a otra. Los valores de
A = 1, y M = 0.5, producen una y(t) representada en el grfico con
la etiqueta "modulacin del 50%".
Fig3 : Modulation depth
Otras formas de la seal AMSi la portadora es slo parcialmente
suprimida, va a resultar una seal con doble banda lateral y
portadora reducida (DSBRC). Las seales DSBSC y DSBRC van a
necesitar una regeneracin de la portadora (por un oscilador de
frecuencia, por ejemplo) para ser demodulada, usando tcnicas de
convencionales. Se logra una mejora de la eficiencia del ancho de
banda pero con un costo - el transmisor y el receptor van a tener
mayor complejidad - por suprimir completamente tanto la portadora
como una de las bandas laterales. Esta es la modulacin por banda
lateral nica (SSB-AM), ampliamente utilizada en radio por los
aficionados debido a su uso eficiente de la energa y del ancho de
banda. Una forma simple de AM a menudo utilizada para las
comunicaciones digitales es on-off keying, un tipo de
amplitude-shift keying, y los datos binarios se representan como la
presencia o ausencia de una onda
portadora. Esto es comnmente utilizado en las frecuencias de
radio para transmitir el cdigo Morse, conocido como operacin de
onda continua (CW).
Mtodos de demodulacin AMLa forma ms simple de demodulador AM
consiste en un diodo que est configurado para actuar como detector
de envolvente. Este tipo de demodulacin funciona correctamente slo
si el ndice de modulacin es menor que 1, es decir M / A < 1, por
que para ndices ms altos la envolvente de la seal modulada no va
reproducir la seal modulator, va estr distorsionada. Otro tipo de
demodulador, el detector de producto, puede proporcionar una mejor
calidad de demodulacin, pero con un coste que va subir debido la
complejidad de la circuitera aadida.
Modos de modular AM:Los diseos de circuitos de demodulacin se
pueden dividir en nivel bajo y alto.
Figure 3. Basic types of amplitude-modulation radio
transmitters.
Nivel altoCon modulacin de alto nivel, la modulacin se produce
en la etapa final del amplificador donde la portadora est en su
mxima amplitud. Una onda sinusoidal de radio-frecuencia de la
portadora se genera en el oscilador controlado por cristal, que
tambin puede incluir una fase de amortiguacin del amplificador
(fase de buffer-amplifier). La onda portadora se amplifica en un
amplificador de potencia clase C de radio-frecuencia hasta que
tiene una suficiente fuerza para ser introducido en el modulador.
La seal que se transmite es luego introducido en el amplificador de
potencia de audio-frecuencia clase B, y la intensidad de la seal se
incrementa hasta que es suficiente para ser introducido en el
modulador (amplificador de radio-frecuencia clase C). Como es
evidente en la figura 3, la salida del modulador se introduce en la
antena. La salida es rica en armnicos y utilizando un filtro
sintonizado una amplitud bastante no distorsionada puede ser
obtenida, con una eficiencia de alrededor del 80% - como relacin
entre la potencia de transmisin de la seal AM y la potencia
consumida (que no debe confundirse con la eficiencia del 33% de
DSB-AM, que se refiere al potencia de la banda lateral que contiene
informacin con respecto a la potencia de la seal AM completa. Un
transmisor tpico de onda media opera a una potencia de alrededor de
50 100 kW para difusin.
VentajasUna de las ventajas de la utilizacin de amplificadores
de clase C en un transmisor de radiodifusin de AM es que slo la
etapa final tiene que ser modulada, y que todas las primeras etapas
pueden funcionar a un nivel constante. Sin embargo, en muchos de
los diseos para obtener una mejor calidad de AM, la penltima etapa
de RF deber estar tambin modulada.
DesventajasUn amplificador de audio grande ser necesario para la
modulacin, por lo menos igual a la potencia de la salida del
transmisor. Tradicionalmente, la modulacin se aplica utilizando un
transformador de audio, y esto puede ser voluminoso. El
acoplamiento directo desde el amplificador de audio tambin es
posible (conocido como un arreglo cascode), aunque en general esto
requiere una gran fuente de DC de alto voltaje (por ejemplo 30 V o
ms), que no es adecuado para las unidades mviles.
Nivel bajoAqu una pequea etapa de audio se utiliza para modular
una etapa de baja potencia; luego, la salida de esta etapa se
amplifica mediante un amplificador lineal de RF. Amplificadores de
banda ancha de potencia se utilizan para mantener las bandas
laterales de las ondas moduladas. En este arreglo, la modulacin se
realiza a baja potencia. Para amplificarlo, usamos un amplificador
de potencia de banda ancha en la salida. La onda portadora se
genera como antes y se amplifica a continuacin, pero no a un nivel
tan alto como en el sistema que acabamos de describir. La seal que
se transmite se amplifica en el amplificador de potencia de
audiofrecuencia, pero, de nuevo, el nivel de potencia es mucho
menor que en el caso de la modulacin de alto nivel. Despus de la
modulacin, la portadora y las bandas laterales se amplifican en un
amplificador de potencia de clase B. Esto eleva el nivel de
potencia a la requerida para la radiacin de la antena.
VentajasLa ventaja de utilizar un amplificador lineal de RF es
que las etapas ms pequeas y que son las primeras pueden ser
moduladas, y slo requiere un pequeo amplificador de audio.
DesventajasAmplificadores lineales (Clase A y B) tienen un
rendimiento bajo (alto consumo de energa en comparacin con la
potencia de la seal til debido los componentes activos -
transistores, tubos - trabajando en la clase A o B, aparece una
disipacin alta de potencia (calor corriente por tensin) Un enfoque
que conecta las ventajas de la modulacin de bajo nivel con la
eficiencia de una cadena de amplificadores de potencia de Clase C
es el de organizar un sistema de feedback para compensar la
distorsin sustancial de la envolvente AM. Un detector simple a la
salida del transmisor (que puede ser poco ms que un diodo) recupera
la seal de audio, y esto es utilizado como un feedback negativo
para la etapa de modulador de audio. La cadena global luego acta
como un amplificador lineal aunque el amplificador de RF conserva
la eficiencia de clase C. Este mtodo es ampliamente utilizado en la
transmisores de media potencia, como radiotelfonos AM.
Modulacion por pulsosLos mtodos que generalmente se denominan
modulacin por pulsos estn estudiados intensivamente y se utilizan
en la prctica. Un estudio de este tema es un poco complicado por
que est en el estado de desarrollo. Cuando se utilizan los pulsos
en lugar de una onda sinusoidal, un gran nmero de mtodos de
modulacin posibles estn disponibles. En la figura. 4 se muestra un
grfico para explicar ciertos tipos de modulacin por pulsos. Las
seales sinusoidales de modulacin se muestran por conveniencia. En
la modulacin por amplitud de pulsos (PAM), los datos se toman
mediante las muestras a intervalos regulares, y se transmiten los
pulsos de la misma anchura, pero de diferente amplitud de
transmisin. El receptor debe medir la amplitud (o la tensin) de
cada pulso y luego reproducir el voltaje de la seal modulador. En
la modulacin por duracin de pulsos (PDM), o modulacin por longitud
de pulsos (PLM), o modulacin por ancho de pulsos (PWM), la seal se
muestrea peridicamente, y se transmiten pulsos cuya duracin,
longitud o anchura vara con la magnitud instantnea de la seal. El
receptor debe medir el tiempo en que los pulsos llegan y
reconstruir la seal original de modulacin utilizando estas
medidas.
Figure 4 . Approximate shapes and arrangements of signals in
pulse modulation with the sinusoidal waves shown as dotted
curves.
En modulacin por posicin de pulsos (PPM), la amplitud de los
pulsos y su anchura se mantienen constantes, pero el momento en que
se transmiten depende de la magnitud instantnea de la seal. El
receptor debe medir el tiempo de llegada de la seal y reconstruir
la seal original de la modulacin utilizando esta informacin. En la
modulacin por frecuencia de pulsos (PFM), la frecuencia de
repeticin del pulsos es muy variada. En la modulacin por pulsos
codificados (PCM), modulacin por cuenta de pulsos, el rango de la
amplitud de la seal de modulacin se divide en una serie de niveles
discretos, y estas son muestradas a intervalos regulares. Los
pulsos que tienen la informacin son transmitidos en grupos, cada
grupo para cada muestra y uno o mas pulsos de un grupo son omitidos
para codificar la informacin de las amplitudes instantneos . Esto
es en la actualidad el sistema ms importante. El receptor debe
acentuar la presencia o ausencia de los pulsos individuales dentro
de un grupo y reconstruir la seal de modulacin.
Modulacion de ancho de pulsos (PWM) Introduccin a la modulacin
por tiempo de pulsosEn la modulacin por tiempo de pulsos, la seal
que se transmite es muestreado como en la modulacin por amplitud de
pulso (PAM). En la modulacin por tiempo de pulsos, la amplitud del
pulso se mantiene constante, mientras que la posicin de pulso o el
ancho de pulso se hace proporcional a la amplitud de la seal en el
instante de muestreo. Hay dos tipos de modulacin tiempo de pulsos:
la modulacin por ancho de pulso (PWM) y modulacin por posicin de
pulsos (PPM).
PWMLa modulacin por ancho de pulso es tambin conocida como
modulacin por duracin de pulsos (PDM). Tres variaciones de
modulacin por ancho de pulso son posibles. En una variacin, el
primer borde del pulso se mantiene constante y el cambio de ancho
de pulso con la seal se mide con respecto al borde. En otra
variacin, el borde de la cola se mantiene constante y con respecto
a ella se mide el ancho de pulso. En la tercera variacin, el centro
del pulso se mantiene constante y los cambios del ancho de pulso
aparecen a cada lado del centro del pulso. Esto se ha ilustrado en
la figura dibujada a continuacin.
La seal de modulacin est en su pico positivo en el punto (A) y
en su pico negativo en (B). En la figura (a), el primer borde del
pulso se mantiene constante y el ancho de pulso se mide desde el
borde. Como se muestra, el ancho de pulso es mximo correspondiente
a un punto (A), mientras que es mnima en el punto (B). En la figura
(b), el borde de la cola del pulso se mantiene constante y el ancho
de pulso se mide desde el final del pulso. Igual que antes, el
ancho de pulso es mximo correspondiente al pico positivo de la seal
de modulacin y mnima en el pico negativo. En la figura (c), el
centro del pulso se mantiene constante y el pulso se extiende a
ambos lados del centro del pulso, dependiendo de la seal de
modulacin.
El espectro de PWMCon una seal sinusoidal de modulacin con
frecuencia fm, el espectro de la senal PWM consiste en la seal de
frecuencia fm, junto con varios armnicos. Esto se muestra en la
figura dibujada a continuacin.
Uso de los amplificadores audio de potencia en PWMUna tecnologa
completamente nueva para la amplificacin de sonido ha ido
evolucionando durante los ltimos 15-20 aos, que tiene un claro
beneficio sobre los topologas muy usadas hoy en dia, de Clase A,
AB. Estamos hablando Clase D. El beneficio es principalmente su
alta eficiencia energtica. La figura 5 muestra las curvas tpicas de
la eficiencia frente a la potencia de salida de los amplificadores
de clase AB y D. La eficiencia mxima terica de los AMPs de Clase D
es de 100%, y ms del 90% es posible en la prctica. Tenga en cuenta
que esta eficiencia es alta con respecto a unos niveles de potencia
muy moderados hasta saturacin, mientras que el mximo del 78% en la
Clase B se obtiene en el inicio de la saturacin. Una eficiencia de
menos del 50% se realiza en el uso prctico de las seales musicales.
La eficiencia a potencia alta del amplificador PWM se traduce en un
menor consumo de energa para una potencia de salida dada, sino, ms
importante, reduce drsticamente los requisitos para el disipador de
calor. Cualquier persona que ha construido o ha visto un
amplificador de audio de alta potencia se ha dado cuenta de que
extrusiones de aluminio grandes son necesarias para mantener los
componentes relativamente frios. La carga en el transformador de
energa tambin se reduce considerable, lo que permite el uso de un
transformador pequeo para la misma potencia.
Figure 5 - Efficiency Comparison for Class-D and Class-AB
PWM normalmente se genera mediante la comparacin de la seal de
entrada con una onda triangular, como se muestra en la Figura 6. La
onda triangular define tanto la amplitud de entrada para la
modulacin completa y la frecuencia de conmutacin.
Figure 6 - Basic PWM Generation La figura 7 muestra una seal PWM
tpica modulada por una onda sinusoidal. Tenga en cuenta que est
diseado para que las seales entre -1 y 1 V producir ciclo de
trabajo de 0% a 100%, el 50% correspondiente a la entrada de 0V. La
salida digital utiliza los niveles estndar de la lgica, donde 0 V
es una lgica "0" y 5V es una lgica "1". Debido a esto digitalizacin
de la seal, amplificadores PWM son a veces errneamente denominados
amplificadores digitales, aunque todo el proceso es mucho ms
analgico que digital.
Figure 7 - Aspect of a PWM modulated signal Tenga en cuenta que
para una correcta representacin de la seal, la frecuencia de la
onda PWM de referencia debe ser mucho mayor que la frecuencia de
entrada mxima. Tras la teorema de Nyquist, necesitamos al menos dos
veces esa frecuencia, pero los diseos de baja distorsin utilizan
factores mucho mayores (entre 5 y 50). El espectro de una seal PWM
tiene un componente de baja frecuencia que es una copia del
espectro de seales de entrada, pero tambin contiene componentes
alrededor de la frecuencia de conmutacin (y sus armnicos) que deben
ser eliminados para reconstruir la seal original de modulacin. Un
filtro de potencia de paso bajo es necesario para lograrlo. En
general, un filtro LC pasivo se utiliza, porque es (casi) sin
prdidas y la disipacin es muy pequea o nula. Aunque siempre tiene
que haber algunas prdidas, en la prctica, estos son mnimos.
CONCLUSIONES Caracteristicas/Tipo de modulacion AM(DSB-AM)
Portadora Sinusoidal Naturaleza de la modulacion Analogica Espectro
(ancho de banda) DSB-AM portadora + 2 BL-
Eficiencia
Utilizacion
33% Putil/Pemitida - AMPclase C: 80%Pemitida/ >90%
Putil/Pconsumida Pconsumida DSB-AM con AMPs - AMPs audio de
potencia en clase C con gran eficiencia radiodifusion -
Transmisiones A/V a travez de FO - Fuente switch-mode
PWM Pulsos rectangulares Analogica Senal de frecuencia fm con
armonicos a multiples de fs(f sample) 100%(teoricamente)
