PROYECTO TERMINAL

YDISEÑO DE TRAN;SSMZSOR DE FRECUENCLA MODULADA"

Alumnos: Ertndira Olivia Juárez Vera Enrique Rodriguez de la Colina Mario Antonio 6ayardo Turner /& , f C . Y ¿ 7 I i & 4 , i c A.

I FEBRERO, 95

1. INTRODUCCI~N

2. TEMAS RELACIONADOS

2.1. FRECUENCIA MODULADA

2.2. DEENFASIS-PREENFASIS

2.3. SINTETIZADORES DE RADIOFRECUENCIA

2.4. DIVISORES PROGRAMABLES

2.5. OSCILADORES CONTROLADOS POR VOLTAJE (VCO)

2.6. PRINCIPALES TRANSMISORES DE RADIO

2.7. CIRCUITOS OSCILADORES DE.. 2.7. l. CRISTAL 2.7.2. FREC. VARIABLE .

3. DESARROLLO DEL PROYECTO 3. l. DISEÑO

3.1 .l. TRANSMISOR

3.1.2. TARJETA ANALISIS POR BLOQUES: PLL, SINTETIZADOR, ETAPA DE POTENCIA

3.2. PRESENTAClbN Y ACABADOS

3.3. MANUAL TÉCNICO BÁSICO 3.3.1. MODO DE USO DEL TRANSMISOR 3.3.2. ESPECIFICACIONES DEL TRANSMISOR 3.3.3. ESPECIFICACIONES DE LA ANTENA UTILIZADA 3.3.4. ACLARACIONES Y RESTRICCIONES

3.4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES

3.5. IMPACTO SOCIAL

4. RECEPC16N Y ANTENAS 4.1 LA RECEPCI~N 4.2 LAS ANTENAS 4.3 ANTENAS PARA LA RECEPC16N DE FM

5. AP~NDICES

I. INTRODUCCI~N

La necesidad de comunicación en el hombre siempre ha estado latente, y en nuestros días, es imposible concebir un mundo en el que no existan las telecomunicaciones en todas sus variantes. La radiodifusión desde su aparición ha sido uno de los medios de comunicación más populares en el mundo entero de ahí la idea de enfocar nuestro proyecto a los sistemas de radio, un sistema que nos pueda proporcionar una comunicación confiable y a un bajo costo se planteó enfoque casero; es decir no se aspúó a construir una enorme transmisora que maneje miles de Watts en potencia radiada así como, grandes y costosas instalaciones, ya que se pretendió que lo utilizaran pequeños grupos o instituciones con necesidades de mediana distanciay con pocas posibilidades económicas.

En especial se pensó en un transmisor de frecuencia modulada, ya que la banda de frecuencia destinada a este tipo de modulación todavía puede ser explotada en la ciudad de México y no se diga en provincia o un medio rural. FM presenta una muy buena calidad de recepción además de que hoy en día mucha gente cuenta con receptores comerciales de FM lo que facilita el objetivo de comunicación con un bajo costo y un gran número de radioescuchas.

Otro de los objetivos planteados para la elaboración de este proyecto fue el crear un equipo portátil, de sencillo mantenimiento y fácil de instalar, pues no se requieren conocimientos técnicos para conectarlo.

De antemano podemos decir que el proyecto tendrá una gran aceptación ya que representa una gran herramienta en muchas áreas. Por mencionar algunas de l a s áreas de aplicación tenemos lo académico, cultural, comercial, emergencias; en fin, en todo lo que la comunicación radiofónica nos ha beneficiado desde su aparición.

Por liltimo podemos decir que la aportación que le proporciona al estudiante es

muchisima, ya que abre muchos de los campos de estudio de la ingeniería electrónica y permite que se apliquen conocimientos tanto teóricos como prácticos, así como de creativjdad para el diseño de las tarjetas. del ensamblado y acabados. Introduce al estudiante en un camp tan

amplio que le llevara un largo tiempo en conocer. Pero sobre todo, existe la satisfacción de ver fuacionando el transmisor, y estar conscientes de que su uso lleva implícita una gran responsabilidad, civil y legal.

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2 TEMAS RELACIONADOS 2.1 Frecuencia modulada (FM)

Si se consigue una onda que porte la información en forma de variaciones de fiecuencia, tendremos la frecuencia modulada. Esta variación se define como máxima desviación en frecuencia y la velocidad con la que se produce dicha variación es directamente proporcional a la fiecuencia moduladora. El valor máximo de esta profundidad de modulación se ha estandarizado en k75 kHz. Esta variación no es constante, sino que cambia por ser función de la amplitud instantánea de la moduladora.

En la modulación de frecuencia, la amplitud portadora permanece constante, sea cual here la frecuencia y amplitud de la señal moduladora.

En este tipo de modulación, las bandas laterales aparecen como múltiplos enteros de la fYecuencia moduladora y se sitúan a y b o s lados de la portadora. Su número depende del índice de modulación, que en este caso se define como el cociente entre la desviación de la frecuencia central de la uortadora v la frecuencia de modulación.

La frecuencia modulada puede descomponerse en varias-componentes. Del estudio de la seifal modulada resulta que, en teoría, se producen un número infinito de componentes laterales. El ancho de banda es, por consiguiente, infinito, contrariamente a lo que ocurre con AM, en la que son sólo dos bandas de un ancho determinado.

Sin embargo, un estudio más detallado de las componentes nos permite ver que en la práctica su amplitud decrece rhpidamente según se alejan de la frecuencia de la portadora. Tomando un número relativamente pequeilo de las mismas, puede recuperarse suficiente donnación como para regenerar la sefial con un detenninado grado de fidelidad. Cuanto mayor número de componentes laterales se tomen, mejor calidad de reproducción obtendremos y el ancho de banda necesitado será mayor.

Analizando el compromiso entre ancho de banda (o lo que es lo mismo, número de canales que se permiten en una banda determinada) y calidad sonora, se deduce que con una desviación tipica de *75 kHz es preciso un ancho de banda de 255 kHz para conseguir una buena reproducción de la seiial o r i p a l (que llega hasta 15 kHz). Pero con 185 kHz no se

puede apreciar prácticamente distorsión alguna.

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Estos hechos dieron lugar a las separaciones pormalizadas entre canales de 200 lcEb en EE.UU. y 300 lcHz en Europa. La dihión de la espreofonía en FM alteró algo la normativa: en Europa se puede mantener la separación, pero en&E.UU. se alternan los canales, con lo que el ancho de separación queda de 400 kHz.

En FM no ocurre como en amplitud modulada, en donde la mayor parte de la potencia transmitida se utilizaba para la portadora, sin condqir información útil. Ahora la potencia que se gasta en la emisión se distribuye por toda la baqda .entre, todas l a s componentes, de forma que solo en el caso de que no se module, toda la potqncia se mpleará en la portadora.

Con la normatividad actual, propuesta por el C C R (Comité Consultivo Internacional de Radio comunicaciones), sólo la FM está en condiciones de emitir programas estereofbnicos. Aunque en EE.UU. y México se realizan emisiones qmimentales de A.M. estereofónica.

La modulación de frecuencia y la de fase no son independientes, la frecuencia no puede variar sin v+ar la fase y viceversa. La variación derla. frecuencia dé una senoidal continua en proporción a la amplitud de una sefial moduladora $e,llama modulación en frecuencia (FM). Como ya vimos anteriormente, esto es un ejempls de modulación en ángulo al igual que modulación en fase (PM). La frecuencia instantánea esla derivada en el tiempo de la fase, por lo que la PM y la FM están estrechamente relacionadas.

En la generación de FM hay una conver$ón de amplitud a frecuencia y una de frecuencia a frecuencia. La desviacibn de frecuencia pico es una medida de la primera y la frecuencia moduladora de la segunda, recalcando la relación se llama indice de modulacidn d

1

El valor de la d determina las características eqxctrales de la sefial FM. Para los valores de d por debajo de 0.2, la densidad espectral de una sefid de FM consiste en dos bandas laterales sobre una gran portadora lo que se conoce como m de banda angosta. Los detalles de espectrales para valores mayores de d llamados FM de banda ancha, y dependen de cada seaal moduladora en particular porque la generación de FM - no es hea l . El ancho de banda total puede agroximarsc agregando el doble de la desviación - de kcuencia Dim al doble del anchQ de banda de la sd id moduladora (regla de CARSON).

. . ,

. .

Cuando una send modulada es aplicada a un modulador de FM, la frecuencia de la portadora se incrementa durante un medio ciclo de le sefid modulada y se decrernenta durante el medio ciclo de la polaridad opuesta. El cambio enlla fiecuencia de la portadora ("desviación

de frecuencia") es proporcional a la amplitud instantánea de la señal modulada. La desviación es pequeña cuando la amplitud instantánea de la señal modulada es pequeña y es la más grande cuando la señal modulada alcanza un pico ya sea positivo o negativo.

I&TODOS DE FRECUENCIA MODULADA FM DIRECTA

Un circuito simple y satisfactorio para producir FM en un transmisor amateur es el modulador de reactancia. Este es un tubo de vacío o transistor conectado a un circuito tanque oscilador de Radio Frecuencia (RX).

El voltaje de audio introduce através del estrangulamiento de la frecuencia de radio variaciones en la transconductancia de el transistor y así variaciones de la comente drenada en RF.

El oscilador de modulación usualmente puede asegurar un alto orden de estabilidad de portadora en relativamente bajas frecuencias. Los multiplicadores de frecuencia son usados para aumentar la frecuencia hasta la frecuencia deseada. Un modulador de reactancia puede ser conectado a un oscilador de cristal. La sensibilidad del modulador (el cambio de h u e n c i a por unidad de cambio del voltaje modulado) sería dependiente de la transconductancia del transistor modulador. Esto se incrementa cuando la resistencia es hecha- mhs pequeiia en comparación con' la capacitancia. Esto también se incrementa con un aumento en el radio de inductancia en el circuito tanque oscilador. Sin embargo para más alta estabilidad de portadora es recomendable usar un capacitor más grande en el circuito tanque, que pemita la desviación deseada y que sea almacenada mientras se guardan los limites de la operación lineal.

Un cambio en cualquiera de los voltajes del transistor modulador, causará un cambio en la comente de drenaje en RF y consecuentemente un cambio en la frecuencia. Sin embargo es recomendable utilizar una fuente regulada de poder para el modulador como oscilador.

FM INDIRECTA

El amplificador de voz que nutre al moddador, es de diseilo ordinario, con la excepción de que la potencia no es tomada de é1 y que, el voltaje de audio requerido por la entrada del modulador es pequeño. (solo un volt o dos para el transistor). Un segundo estado de amplificación consiste en Z transistores bipolares, ambos acoplados por resistencias, para esto será más que suficiente con un cristal cerám.ico o un micrófono dinámico de alta impedancia. Muchas formas de procesamiento de voz producen útiles mejoras en el funciormniento de sistemas de FM.

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El proceso de recortar algunos armónicos de alto orden, los cuales pasan, através de las etapas del modulador podrían crear no deseados lados de banda. Sin embargo un filtro de audio paso bajas, con una fiecuencia de corte entre 2.5 y 3kHz se coloca por necesidad en la salida de un recortador. Un exceso de corte puede causar distorsiones severas de las sdales de voz. Para reducir la cantidad de ruido en algunos sistemas de comunicación de FM se puede utilizar

una red de audio llamada preédasis, proporcionando una atenuación de las fiecuencias bajas de audio, dando uniforme propagación de la energía en la banda de audio. La preénfasis aplicada a un transmisor de FM dará la emisión de las características de desviación que presenta la PM.

2.2 DEÉNFASIS -PREÉNFASIS Resulta que para las señales de voz y música, la mayor parte de la energía se concentra

en las fiecuencias más bajas, sin embargo en la demodulación las seÍiales de ruido cfecen

parabólicamente con la frecuencia, creando un sistema deficiente, ya que la densidad de seilial espectral es menor que la densidad de potencia espectral del ruido. Para remediar esto se acentúan las componentes de alta frecuencia. de la señal de entrada al transmisor, antes que se introduzca el ruido. En la salida del demodulador de FM se efectúa la operación inversa llamada deénfasis.

Cuando se utiliza la técnica de preénfacis-deédasis, y si las componentes de alta frecuencia se acentúan demasiado, el ancho de banda del espectro de FM crecerá a menos que se reduzca t d cancelando la ventaja. Haciendo análisis se llega a la conclusi6n de que lo msS adecuado es utilizar una combinación de modulación PM y FM. Entonces se necesita un filtro constante para bajas frecuencias pero que en las altas se comporte como derivador.

I

PREENFASIS Wl=l/RlC

W

w l w2

T DEENFASIS

Wl=l/R3C

w l La elección de wl y w2 determina las componentes que se usarán. Se propone que para f=wl/U es la frecuencia en la cual la seW se reduce en 3dB, para radiodifusión sc toman 2.1kHz (rc=75 Os) y se supone que la densidad espectral disminuye con gran rapidez más alii

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c

de esta fiecuencia. La elección de fZ=w2/28 se hace un poco por arriba de la mayor frecuencia de audio que se va a transmitir.

Para aumentar la relación señahuido se utiliza el llamado dénfmis. El preénfmis tiene lugar en el emisor y consiste en aumentar en 6 dl3 las altas fiecuencias de la sefial de idormación.

Esto nos permitirá colocar un filtro en el receptor, llamado de deénfmis, que atenúa estos mismos 6 dB. Con ello se consigue una mejora en la relación señdruido de 10 a 12 dB.

La constante de tiempo de estos filtros debe ser la misma, tanto en el emisor como en el receptor, y está normalizada a 75 mseg para Europa y se reducen a 25 mseg para emisiones codificadas con Dolby.'

2.3 SINTETIZADORES DE RADIO FRECUENCIA

Si se requiere cambiar la frecuencia de operación de radio los osciladores de los receptores y transmisores locales deben ser capaces de cambiar su fiecuencia.

Los circuitos analógicos conocidos como osciladores de fiecuencia variable del inglés ("Variable Frecuency Oscilator" -VFO) llenaban los requerimientos hasta que los sinktizadores de lazos de fase cerrada en inglés ("phase-locked-loop" -PLL) representaron una técnica alternativa factible. Los PLL son controles digitales de síntesis de pasos lineales de fiecuencia, de este modo los PLL, tienen precisión en la fiecuencia debido a un oscilador de cristal que sime de referencia. Estos atributos no se pueden implementar con un VFO analógico tradicional.

Un segundo tipo de sintetizadores digitales que ha encontrado camino en los equipos de aficionados se llama director digital en inglés ("Direct Digital Synthesizer" ODDS). Los DDS e híiridos de configuraciones DDS con PLL abren un fmtástico campo para el d i d o de sintetizadores.

La= tecnología digtal ofrece muchas ventajas para el control en sintetizadores, las frecuencias pueden ser "rastreadas o sintonizadas" manualmente o através de coddícadores ópticos que rotan, o electrónicamente, através de contadores ascendentesdecendentes.

'SISTEMA DE REDUCC16N DE RUIDO MAS EXTENDIDO PARA APLICAC16N EN MAGNET6FONOS. EL DOLBY A SE UTILIZA EN EQUIPOS PROFESIONALES, MIENTRAS QUE EL DOLBY B SE UTILIZA EN FM PARA AFICIONADOS.

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El "número" de VFO's permitidos en un circuito de radio se limita solo por el número de direcciones de la memoria digital que se utiliza en el sintetizador de radio. El operador puede rastrear, sintonizar o programar una frecuencia y luego guardarla con un número digital en una localidad de memoria. Estas ventajas pueden tenerse en los sistemas DDS y PLL.

El diseño de los sintetizadores de radio frecuencia es como cualquier otro problema de ingeniería, para que sea óptimo se realiza basado en convenios. En suma, muchas discusiones que envuelven un problema de ingeniería tienen implícita una discusión debida a normas o acuerdos internacionales. Por ejemplo el DDS no es un remplazo de sintetizadores PLL, como un desarmador no es un remplazo de un martillo. Esta es simplemente una mejor técnica en algunos aspectos, pero no para todos los que involucra el diseño de sintetizadores.

Una breve comparación de las técnicas respectivas de las arquitecturas de los sintetizadores DDS y PLL ayudará a esclarecer las ventajas y desventajas de ambos.

La tabla No. 1 siguiente muestra algunas de las primeras consideraciones para el d i d o de sintetizadores PLL y DDS.

>

PLL Híirido DDS Y PLL DDS

1.RFSOLUCION DE FREC.

3 .COSTO 3. RUIDO DE FASE

2. CONSUMO DE POTENCIA 2. PUREZA ESPECTRAL 2. PONER A TEMPO

1 .ESTABILIDAD 1 .ANCHO DE BANDA

4. T M O >

TABLA No. 1 En los sintetizadores PLL se permite disminuir el tamairo de paso a cambio de un tiempo

más largo de operación, o en un incremento del ruido de fase. Bajos ruidos de fase usualmente resultan de altos tiempos o altos tamdos de paso. Por supuesto, PLL's que producen menos ruido de fase, pueden ser construidos, si el tamaño es más grande, además de que el costo y el consumo de potencia se hacen mayores.

El DDS ha generado gran revuelo porque las desventajas asociadas con los PLL desaparecen. El ruido de fase para fines prácticos desaparece. El tiempo de colocación se establece tipicamente por el ancho de banda de un filtro anti-"alias"; es decir, un filtro eIiminador de ruidos de intermodulación o empalme, usualmente este tiempo se mide en nanosegundos. La fiecuencia de resoluciones se determina por un acumulador de fase he un bit

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con la resolución tipica dada en fracciones de un hertz, cada una dentro del intervalo Ultra High Frecuency (UHF). De este modo esas tres especificaciones son mutuamente independientes.

La mayor limitación de la arquitectura de los DDS esta en la velocidad del reloj, la cual determina el ancho de banda y la calidad de la conversión digital-analógica (DAC) lo que usualmente determina la respuestas de frecuencias espurias.

Un reloj de más baja velocidad permite una más alta resolución en la conversión digital- analógica. Como con los PLL; el costo, el consumo de potencia y el tamaño pueden permitir un compromiso menor entre las dos especificaciones.

LAZOS DE FASE CERRADA PLL (PHASE LOCKED LOOP SYNTESIZERS)

..,

Una de las técnicas más utilizadas para sintetizadores de frecuencia es la llamada indirecta. En este método se utilizan los PLL. La descripción de indirecta se refiere al hecho de que la frecuencia de salida es generada por la estabilización de un oscilador controlado por voltaje (VCO).

A continuación se muestra un sencillo sintetizador PLL en un diagrama a bloques.

FRECUENCLA DE REFERENCIA

FIG. 2 -Cinco clcrncntos forman cl l a : un VCO. un dvlsor progrmblc, un dctcctor dc fasc. un filtro dc

l u o , y una frecuencia dc rcfcrcncla.

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El propósito de los sintetizadores PLL es el tomar la señal que viene del VCO, dividir la frecuencia por medio de un integrador, y comparar ese resultado con una fiecuencia de referencia precisa y estable en un detector de fase. El detector de fase tiene una salida eléctrica que indica diferencias de fase positivas o negativas. La salida del detector de fase es retroalimentada hacía el VCO pasando a través de un filtro. El trabajo del circuito es ajustar la salida de el detector de fase a cero automáticamente. Eso significa que la salida del divisor programable esta precisamente sobre la frecuencia de referencia. Esto puede ser descrito matemáticamente como:

F=NFr

donde F es la frecuencia dc salida, N es el valor del divisor programable, el cual siempre es un integrador y Fr es la frecuencia de referencia.

Dependiendo de la frecuencia de referencia, la comparación de la fase puede darse a gran velocidad. Las correcciones de frecuencia se pueden hacer en tal porcentaje que desviaciones de frecuencia pequeñas y rápidas tales como los ruidos de fase se puedan corregir. Una corrección del control de voltaje puede ser hecho solamente una vez cada ciclo de la frecuencia de referencia. Así que, l a s correcciones en la salida del detector de fase no son una funcibn continua, más bien es una función muestreada. La frecuencia de muestre0 es igual a la fkecuencia de referencia.

Esa seiial se filtra para remover algunos componentes de la energía de la frecuencia de referencia. No todas las fiecuencias de energía se pueden remover, lo que permanece se admite por el control de voltaje del VCO. Cualquier variación de frecuencia del control de voltaje modula al VCO. Esta modulación provoca bandas laterales. Esas bandas laterales no solo aparecen de las frecuencias removidas de la portadora en la frecuencia de referencia, sino también de armódcos de la misma frecuencia. La cantidad de energía de referencia que es aplicada al VCO es una función del circuito filtro y del detector de fase.

El circuito de filtro tiene un efecto que no solo se debe a l a s bandas laterales de el sintetizador PLL, sino también al tiempo y naturaleza del mame.

2.4 DIVISORES PROGRIMABLES

Los divisores programables se constituyen generalmente por contadores de circuitos integrados. Los contadores pueden ser binarios o decimales dependiendo del origen de la información programada. Los contadores binarioj se utilizan para programación de microprocesadores, donde hay una salida binaria. Para sistemas simples, donde la información se capta por medio de conmutadores mecánicos un codificador programable binario-decimal (BCD) es suficiente. Entonces, los divisores programabIes binarios y BCD se usan en sistemas sintetizadores.

La fig3 presenta un divisor programable usando un contador programable BCD.

La fig4 muestra un dikisor basado en un contador sincrono descendente.

PROCRAMACI6N DE LAS m D A S

EN1

1 I l l I

SAL

11

2.5 OSCILADORES CONTROLADOS POR VOLTAJE

Los VCO usados para PLL pueden ser prácticamente cualquier circuito oscilador típico,

hecho con un diodo varactor, que con un circuito sintonizador permite controlar el voltaje. -

La fig 5. (siguiente) muestra un oscilador Colpitts el cual tiene un diodo varactor.

El VCO no solo provee la salida de el sintetizador, sino que también proporciona control

para el divisor programable. Usualmente muchos buffers amplifican estados que se usan para

aislar al VCO de la salida del sintetizador tan bien hecho como el divisor progamable. Los

cambios en la carga del VCO pueden causar la generación de un no deseado ruido de fase.

El nivel de ruido de un sintetizador dependerá en gran medida del diseño del VCO. Un

método para reducir el ruido de fase del VCO es el utilizar dos dodos varactores encontrados

como se muestra en la fig5 (anterior).

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Esas correcciones en el voltaje de RF en el circuito sintonizador del VCO se realizan en

el diodo varactor y evitan el cambio en el voltaje de sintonía ver.

fig.6

WRX

I

I

-

13

2.6 PRINCIPALES TIPOS DE TRANSMISORES DE RADIO

Algunos transmisores y receptores modernos contienen solamente componentes de estado sólido, pero todad8 en la práctica se utilizan circuitos híbridos que contienen una mezcla de tubos de vacío y semiconductores de estado activo. Normalmente, las unidades tienen transistores, diodos y circuitos integrados sobre los conductores de estado sólido de los transmisores. Pero uno, Erecuentemente se encontrará con un manejador de etapa previa conductor hecho con válvulas de vacío que se usar5 para proporcionar potencia de RF a un amplificador de tubo de vacío.

La principal ventaja de utilizar tubos de vacío es que son menos susceptibles a daííos por exceso de corriente o problemas en la carga. Sin embargo con un diseílo apropiado de los manejadores de etapa previa de estado sólido y de los amplificadores de potencia, se podria dar inmunidad de la fallas en la salida que pudieran producir daííos, proporcionando un circuito de protección agregado en el transmisor.

Un amplificador de estado sólido .es ligeramente más dificil de diseíiar y tiene un funcionamiento mejor que el del tubo de vacío con potencia equivalente. Eso es a causa de que la pureza de las emisiones sea más dificil de conseguir cuando un transistor de estado sólido se utiliza para potencia. Los transistores generan considerablemente más armónicos de energía que los tubos, y son propensos a sus propias oscilaciones en bajas frecuencias en inglés ("low Erecuency" -LF), a muy bajas frecuencias ("very low fiecuencies" -VLF) y a fiecuencias de audio, a menos de que se realice un buen diseño. Esto no es tan necesario para el disefio con tubos de vacío. Si uno ignora esos problemas y se concentra principalmente en el costo de los transistores estos tienen ventaja sobre los tubos. Otra ventaja es que los transistores pueden hacerse funcionar con bajos niveles de voltaje, por lo que se pueden operar con la batería de un cam0 o una pila fotovoltaica, en cambio los tubos de vacío necesitan alto voltaje para su funcionamiento por lo que se requiere una estación fija o especial para operar con ellos.

Cuando el voltaje requerido es de A.C., el costo resulta similar, pues se compara el alto voltaje con necesidad media de comente por los tubos, contra la necesidad de los transistores de bajo voltaje con alta comente. Los niveles de potencia de salida son superiores a los 150 watts, los transistores para amplificar potencia han llegado a ser caros porque son complejos los requerimientos para los circuitos reguladores. Esto es porque la mayoría dc lo s aficionados utilizan tubos de vacío en alta potencia (HF) y (VHF) para la amplificación. Ya que el número de transistores de potencia requeridos y las combinaciones necesarias para generar un 1KW llegan a ser mucho más caros que los hechos con tubos de vacío para una potencia similar.

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Los radios transmisores para frecuencias mayores a 5OMHz eran un mundo aparte de los demás aparatos de radio transmisión, en la actualidad esa brecha se ha reducido considerablemente gracias al progreso de los equipos.

Los transmisores básicos constan la mayoría de un solo estado, este es controlado por un cristal, y es diseñado para ondas continuas. Este tipo de transmisores no es especialmente adecuado para el uso en el aire porque es muy ineficiente, además es propenso a generar un chillido de onda continua a menos que la seña1 sea baja. Pero el mismo circuito es enteramente aceptado cuando es seguido de una etapa de acoplamiento (un.buf€er amplificador).

fig. 7

D a VFO

. P V t R f C . I

Q * l Z V

o

FIG. 7

FIG 7 V F O CON BUFFER Y BUFFER AMPLIFICADOR

15

L

f ig . 8 - Ejemplo de un transmisor de cstado solido de onda continua

16

c

2.7 CIRCUITOS OSCILADORES

2.7.1. CRISTAL

Muchos cristales de un oscilador simple pueden ser seleccionados por un medio mecánico, y un switch debe estar apuntando en la dirección de la RF. A esto se le pueden imponer algunas restricciones cuando se trazan los equipos. Los switches mecánicos normalmente requieren que sean operados desde un panel frontal de un transmisor o receptor. Ese tipo de fonnato complica las operaciones remotas. Además, los swiches directores pueden introducir reactancias no deseadas en el cristaI de1 circuito. Una mejor técnica se muestra en el circuito de l a fig. 10 donde D l y D2 (diodos) son dos switches de alta velocidad hechos de silicio, utiIizados para seleccionar dos o más cristales desde un punto remoto.

"

* o 2 1 > I I > f

fig. 10 - SC muestra un metodo parr wlccctonar cntm vano* cristales por medio

de dos diodos Dl 1' D? ut i l ludos como swichcs.

17

c "

2.7.2 FRECUEXCIA VARI.4BLE La teoría y aplicación general de un osciiador de frecuencia variable es similar a la que se

utiliza en las aplicaciones de un VCO. Algunas consideraciones que se aplican a transmisores también se aplican a receptores. Generalmente el gabinete de un transmisor es mayor que el de un receptor, esto es porque por lo regular se disipa más potencia en el transmisor que en el receptor, por l o que hay que poner gran cuidado en el oscilador hablando de estabilidad. Se necesita una temperatura de compensación para los capacitores en la porción que determina la frecuencia de el oscilador para niveles fuera de factor de estabilidad. fig. 10 y fig. 1 1

FIG. 11 - DIAGRAMAS A BLOQUES DE VARIOS

ESPEC:FICOS DE GENERADORES DE TRANSMISORES aUE UTILIZAN HETCDOS

FRECUENCIA x-:. - .. * / I . . -

c c

Fig. 11- cliagmrna 3 hluquc3 dc varios transmisores que utilizan rnrtodor especlficor para generar frecuencia

j A A h

i N T

6 * I Z V

m

r p ' " '

Fig 13 En el diagrama ( A ) se muestra un oscilador controlado por transistor, mientras quc

tn el (B) se ilustra un tipo de oscilador controlado por cristal

19

50ohms, entrada de alta impedancia, red de peénfasis, y una potencia de salida de 15OmW con el objetivo de acoplarse a una etapa de mayor potencia.

Para facilitar el entendimiento del circuito y posteriormente poderle dar un mantenimiento más rápido, se dividió en bloques, estos constan de las partes del circuito que estarían en cada tarjeta, haciendo un diseño de tipo modular. El primer bloque que se diseño fue el de la etapa de preédasis, el control de modulación y el VCO (oscilador controlado por voltaje), como se puede observar (fig. 14) la P & A C ~ ~ etapa tiene señal de alta frecuencia por lo que se necesito tener mucho cuidado en aislar ei circuito proporcionándole una tierra a su alrededor bastante amplia. Se procuró tener los componentes separados a una distancia considerable y cuando se trataba de inductores y capacitorcs tener arreglos en los que su posición en la tarjeta fuera de un ángulo de 90 grados entre ellos. esto con el objeto de no crear comentes inducidas de una bobina a otra o de alguna capacitancia a un inductor, en las pistas se procuró no tener puntas en las curvas y terminales, tratando de que fueran redondas y no muy bruscas, además las pistas se hicieron lo más grueso posible. Todas estas consideraciones se llevaron a cabo sin afectar considerablemente el tamaño final de la tarjeta.

El segundo bloque se adapta al primero por medio de cable coaxial con conector femenino y va directo a lo que sena el PLL (Phase Locked Loop) sin contar el VCO que quedó en la tarjeta anterior o bloque anterior. En esta segunda m e t a se tiene un divisor de frecuencia que esta compuesto de un contador CMOS, el cual se va a programar con el objetivo de cambiar la frecuencia de operación de nuestro transmisor, que para nuestras pruebas se colocó en 90.1 MHz. La salida seleccionada del contador o divisor nombrado en el dibujo con la etiqueta de " 9 n " se va a un multiplicador que esta hecho a base de compuertas de tecnología TTL, a este mismo multiplicador le llega la salida de un oscilador de cristal que también se divide con otro contador denominado con l a etiqueta de "Om" mostrado en el diagrama a bloques de la fig. 14.

Posteriormente la señal de salida del multiplicador de frecuencia se pasa por un filtro pasa bajas y después a un sumador, en el cual se va a comparar nuestra seiial con un voltaje de referencia, que es controlado por un potenciometro de precisión aterrizado. Ya una vez comparado estos niveles de voltaje se retroalimenta la señal a la entrada del VCO. Para el &señ0 de esta segunda etapa se puede utilizar algún paquete de programación que a parhr de un hagrama esquemático se genere un diagrama de la tageta en base a un algoritmo de autoruta, pero en nuestro caso se hizo manualmente para perfeccionar detalles que después beneficiarían en tamaño y colocacion de componentes en base a nuestras necesidades de acoplamiento con las demás metas.

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DESARROLLO DEL PROYECTO

3.1 DISEÑO:

Las condiciones para comprar o diseñar un transmisor están fundamentadas en algunas condiciones básicas por ejemplo en el costo de componentes y topología, la apariencia de uno profesional contra uno que se vea de hechura casera, el conocimiento y la satisfacción ganadas al construirlo, el peso de un equipo hecho contra uno simplificado comercialmente. El juicio debe ser ajustado a cada necesidad o persona. Los transmisores caseros son por lo general más simples de dar mantenimiento que los comerciales porque el constructor conoce bien el trazo de los circuitos y cada estado de las funciones. Además el costo de las refacciones para uno casero es menor que para uno construido comercialmente. Pero lo más grande de construir uno casero, es el gran conocimiento adquirido y la satisfacción de oírse en el aire.

Para el diseño de nuestro proyecto se tomaron en cuenta varios factores que se irán aclarando en los puntos siguientes de este trabajo, por ejemplo la fabricación de la tarjeta, que implica el paquete de computadora utilizado para hacer los trazos y otros problemas a resolver de diseño que se plantearán en el punto 3.1.2. "TARJETA"

3.1.1.TRANSMISOR

El problema se atacó tomando en cuenta que se debería de obtener un transmisor que fuera portátil, económico, de gran fidelidad, pero se pretendía tener una mediana potencia para estar dentro de los h t e s legales para la comunicación de FM.

'El por qué del FM?, bueno la razón principal es que existen frecuencias aún no explotadas por ninguna transmisora comercial en la ciudad de México. y mucho menos en zonas rurales de nuestro país. Otra razón es la buena recepción que se obtiene de una seaal modulada de FM a media distancia.

Los factores más importantes para nosotros fueron el lograr un diseño económico pero que tuviera una muy buena transrmsión. esto se logro analizando varios tipos de circuitos de los cuales salieron los primeros protonpos de nuestro bseño, basados en transmisores utilizando PLL ya explicado en la primera parte de este trabajo. Además para logar la fidelidad y estabilidad del transmisor se tomó un margen de error de *75 M a impedancia de salida de

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CONTROL

I ENTRADA

AUDIO

ANTENA VCO

do 22 MHz

o 27 MHz

I POTENCIA

1x1 4

I FILTRO

PASA

BAJAS

Fig. 14- DIAGRAMA A BLOQUES DEL TRANSMISOR

1

22

En los primeros modelos para el diseño de la segunda etapa se tenían algunos problemas para la parte de división hecha con contadores ya que se pretendía utilizar contadores binarios de 8 bits de tecnología TTL, ya que estos presentan gran versatilidad y bajo costo, pero se requeria de una cierta lógica para inicializar a los contadores, esto implican un aumento considerable de componentes y por lo tanto un aumento en el costo, para esta lógica de control se penso en un diseño en base a cartas ASM pero el simple hecho de necesitar una memoria EEPROM nos colocaba en el mismo problema del aumento en costo. Por lo anterior se optó por utilizar un contador de tecnologia CMOS de 12 bits el CD4040B con Io que se facilita el diseño de la tageta y disminuye su tamaiio considerablemente.

De la salida del VCO viene una señal que tiene un intervalo aproximado que va desde los 22MHz los 27MHz. esta frecuencia se &vide como ya se indicó por el divisor ” fn” que tiene valores que corren desde 880 hasta 1040 esto nos da un resultado de 25KHz lo que implica una resolución de 0.2MHz en el sintonizador de frecuencia del transmisor, este sintonizador se programa solo por los &señadores, para.que en el caso de comercialización el usuario no tenga que manejar variables complicadas y solo goce de los beneficios de su transmisor. El resultado de la división se multiplica con la salida dei oscilador de cristal con un arreglo circuital retroalimentado como el que se muestra en la figura 15, el cual ya fue dividido por un contador TF191. Una vez multiplicadas l a s dos señales se pasa por un simple circuito de filtraje de altas frecuencias y un sumador que tiene en su otra entrada un voltaje de referencia.

P

fig. 15

23

Comentando la parte que conforma la tercera etapa o %eta, se puede decir que contiene un multiplicador de frecuencia, con el objetivo de elevar la frecuencia gracias a los armónicos generados, este m-dtiplicador tiene un factor 4, que se logra' con los multiplicadores de frecuencia de factor dos. fig 16

Por último se tiene la etapa de potencia en la que se probaron varios tipos de transistores, ya que no se pensó nunca en utilizar tubos de vacío para el diseño, por la desventaja que tienen de no ser portátiles, tener menos vida útil, además de que los requerimientos de potencia no son tan grandes ya que se pretende radiar un área de aproximadamente 5 K m en condiciones ideales, esto es, con una buena colocación de la antena de la cual se hablará más adelante, condiciones de clima optimas, que en realidad tienen un factor de atenuación muy pequeño por manejarse frecuencias abajo de los 500 M H z . Considerando estas variables se estima que con una potencia efectiva de taQación de 4Watts es más que suficiente para satisfacer los objetivos planteados.

3.1.2. TARJETA

E¡ diseño de la tarjeta fue una buena experiencia en el sentido de buscar la manera más económica y que nos ofreciera mayor ventaja sin requerir equipo muy sofisticado y meterse en problemas de fabricación. Por lo anterior se llego al acuerdo de hacer un diseño de una sola capa, con material fácil de consegur y herramienta casera en su mayoría. El primer problema a resolver íüe el paquete a utilizar para hacer los trazos de las tagetas. Bueno el diagrama esquemático de los componentes se elaboró en "ORCAD" fig.17(PAG.27) en este paquete computacional se heron añadiendo mejoras que consisten en filtros supresores de ruido, capacitancias para eliminar componentes de muy alta frecuencia que pudieran producir ruido de intermodulación o espurias no deseadas, y en general todas las modificaciones que se llevaron a cabo.

Para hacer el diagrama PCB en la elaboración de la tqeta se probó con un paquete llamado "PCAD" el cual dio buenos resultados por la gran variedad de opciones que se pueden manejar, teniéndose la gran desventaja de que cuenta con un sistema de protección con llave de acceso, por m e t a "Hardware " lo que limito su uso a horarios restnngidos asi como una PC en especial. por este motivo se buscaron otras alternativas hasta que se optó por el paquete "TANGO PCB" fig. 18 (PAG 28) el cual tiene ventanas de trabajo agradables al usuario, buena dotación de componentes en sus librerías, así como parámetros tecnicos, facilidad para imprimir los diapamas.

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El segundo problema a resolver fue el de los acabados que se tuvieron que dar a las tarjetas con la finalidad de que funcionaran al primer intento. Primero, la revisión minuciosa de la impresión del diagrama para llevarla posteriormente a su reproducción fotocromática (fotolito) la cual tuvo un tiempo de entrega de aproximadamente 24 horas, luego el horneado para estampar el negativo en la placa de cobre con recubrimiento de fibra de vidrio, previamente limpiada y lijada (con lija de agua de la más delgada) tratando de no rayar la superficie. Después se le aplicó el cloruro fémco, hasta que solo queden l a s pistas de cobre deseadas. Los orificios se hicierw con taladro de mano cuidando no dañar los bordes de cobre, por liltimo el montaje de los componentes en la tageta y la colocación de l a s tarjetas en el chasis (caja metálica) así como los conectores, estos puntos se tratarán con más detalle posteriormente. Ya en el montaje final se cuido bien el aislamiento entre las etapas así como a interferencias de campos magnéticos externos al transmisor. Otro punto que hay que destacar en el montaje es el de cuidar el calentamiento de los dispositivos semiconductores utilizados, ya que estos son susceptibles a la temperatura produciendo cambios bruscos en su funcionamiento.

3.2 PRESENTACIóN Y ACABADOS

La presentación se basó en 2 puntos basicamente, que fuera fácil de conectar para el usuario, es decir, que no exista posibilidad de error a la hora de hacer las conexiones, evitando polaridades o conectores parecidos para funciones distintas, la otra h e la resistencia a un trato duro por parte del usuano. tratando de que fuera portátil y con el menor número posible de piezas separables, en este caso cables. En segundo plano está la estética, por lo que se colocó una ventana con displa,.'s que indicaban la fiecuencia de transmisión, así como un led indicador de encenhdo-apagado, además se cuido el acabado aplicándole pintura a la caja metálica, así como soportes de hule. El transmisor lleva con sigo una fuente regulada de voltaje de la cual se darán especificaciones en el punto número 3.3.2.

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-

I

VIC. 1 6 (‘!RCI!ITO V~lLTIPLIC.SDOR DE FRECUENCLI

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FlC.18 TRAZO DEL CIRCI'TTO I5IPRESO. PRIhIER BLOQtTE

3.3 MANUAL TÉCNICO BÁSICO

3.3.1. MODO DE USO DEL TRANSMISOR

El transmisor diseñado opera en la banda de radio conocida como FM (frecuencia modulada) y la frecuencia de operación en la que se fijó es de 90. l M H z , la cual puede ser modificada por los diseñadores. (no por el usuario). Para la recepción basta con tener cualquier equipo comercial de radio que tenga la banda de FM.

Este transmisor se alimenta, es decir obtiene su fuente de energía de una fbente regulada de voltaje, que se proporciona con el mismo y de la cual se darán algunos datos técnicos. (consultar el punto 3.3.2. de este manual).

Se recomienda al usuario familiarizarse con las partes de equipo antes de intentar la instalación ver fig. 19

Fuente regulada de voltaje -------------- ( punto No. 1)

Tablero indicador de frecuencia-------- ( punto No. 3)

Lntenuptor de apagado-encendido--------( punto No 4)

Conexión de entrada de au&o-"----- ( punto No 5)

Conexión hacía la antena ------------ ( punto No 6)

Entrada de la fuente al transmisor ------- ( punto No 8)

Encehdo-apagado de la fuente----------- ( punto 340 9 )

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TRANSMISOR FM

ANTENA

AU

Fig. 19

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1. La fuente regulada (No. 1) se debe conectar del extremo de la clavija a un enchufe de casa "común y corriente " 120Volts de A.C. ver fig.' punto 7. El otro extremo debe ir a la parte trasera del transmisor (punto No. 8)

2. En la entrada de audio (No. 5) debe conectarse Io que se quiera transmitir al aire por ejemplo: tornamesa, reproductora de cassettes o discos compactos, micrófono, consola de efectos, etc.

3. IMPORTANTE conectar la ANTENA (No. 6) antes de encender la fuente Y el transmisor . cable coaxial.

4. Encender transmisor (No. 4) y fuente (No. 9) ya se tiene salida al aire, debe darse un margen de aproximadamente 15 minutos para que la frecuencia 90.1 MHz se estabilice.

3.3.2 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL TRANSMISOR

TRANSMISOR :

FRECUENCIA DE OPERACIóN 90.1 MHz ERROR EN FREC. DE OPER4CIdN

5 A 30 GRADOS CENTIGRADoS TEMPERATURA DE OPERAClON 15 M W T O S TIEMPO DE ESTABILEACION DE FREC. 12Voltios - 3 Amperios ALIMENTACIóN (salida de la fuente) PARA CABLE COAXIAL. CONECTOR ANTENA CONECTOR RCA-JACK ENTRADA DE AUDIO 4 Watts POTENCLA DE SALDA 50 Ohms IMPEDANCIA DE SALIDA +I+ 75 KHz

1

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3.3.3. ESPECIFICACIONES DE LA ANTENA UTILIZADA.

Para operar el transmisor se puede utilizar cualquier tipo de antena especificada para FM. En nuestro caso se utilizó un dip010 como se muestra en las figuras .201 (a) y (b).

I

20.(a)

La antena utilizada puede operar de una forma direccional o como un radiador que para fines prácticos podríamos decir que es isotópico, claro con lugares de mayor densidad de potencia radiada efectiva que otros, ya que este no es un radiador ideal. El patrón de radiación para las dos configuraciones se muestra en l a s fig. 2 1 (a) y (b).

21.(a) 2 I .(b)

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Para la colocación de la antena hay que tener en cuenta algunas consideraciones como por ejemplo: el colocarse en un lugar alto, no obstaculizado por paredes o árboles, tener cuidado de no instalarlo en tomas de agua o tuberías ya que podría convertirse en un excelente pararrayos. Por lo general los enrejados metálicos, muy comunes en las azoteas de los edificios "tendederos de ropa" pueden llegar a causar interferencia así como cables de alta tensiirn, procurar no instalar la antena cerca de estos lugares. Hemos estimado que la diferencia de transmisión entre una antena bien instalada, tomando estas sencillas consideraciones y una que no se ha instalado adecuadamente, puede disminuir su eficiencia en un 30% aproximadamente. Lo que implica una atenuación alrededor de 1.5dB.

3.3.4. ACLARACIONES Y RESTRICCIONES

El transmisor puede ser mejorado en todos los aspectos, pero siendo objetivos, la principal mejora que se le podría hacer por el momento, es el obtener mayor potencia de salida a un menor costo, ya que obviamente se puede mejorar el diseño colocando componentes de mayor calidad lo que repercutiría en el costo.

Se puede garantizar su buen funcionamiento, siempre y cuando se sigan l a s consideraciones anteriores. No se deberán conectar las partes de manera distinta a como se estipuló en la seccion 3 .3 . l . ya que muy probablemente se dañe el equipo, recordando el conectar la antena antes de encender los aparatos ver sección 3.3.1 -

En cuanto 8 l a s restricciones de uso, se debe respetar las frecuencias asignadas por la S.C:T. así como todas l a s normas de comunicaciones vigentes, quedando el uso de este transmisor en responsabilidad exclusiva de los usuarios. deslindando de esta a los diseñadores, ya que este es un protonpo con fines exclusivamente didácticos.

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3.4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES

En general se cumplieron los objetivos planteados, claro está que existen aún muchos retos por alcanzar en cuanto a mejoras técnicas, funcionales, estéticas, económicas que sin duda serán más fáciles de alcanzar día con &a, gracias a los rápidos progresos en la ciencia y tecnología.

Para evaluar el proyecto se utilizaron los aparatos proporcionados por la Universidad, como son contadores de frecuencia, analizador de espectros, osciloscopio, con los cuales se hicieron pruebas en las que se obtuvieron excelentes resultados en cuanto a nitidez auditiva se refiere. Esto se comprobó transmitiendo un tono puro sacado de un generador de funciones, además se hicieron varias pruebas en donde se dejó operando el equipo por más de 24 horas c$ntinuas, sin presentar ninguna anomalía. Las mediciones para evaluar el alcance de la transmisión se hicieron en varios lugares de la ciudad, logándose resultados satisfactorios aun con prototipos de prueba no definitivos, para estas pruebas se utilizo un analizador de espectros en frecuencia, receptores con simonía analógica y digital, como también receptores portsltiles como los llamados "walkman". Lugares con condiciones adversas como son: saturación de edificios altos en los alrededores, una no óptima instalación de la antena, ya que había enrejados a menos de 2 metros y a mayor altura, cables de alta tensión cercanos, el estar en una zona con alta interferencia (zona de Polanco en la ciudad de México) teniendo a menos de 5OOrnetros una estación de radio de más de l o 0 0 Watts de potencia radiada, se logró el no tener interferencia perceptible con nuestro aparatos de medición, a pesar de que otros equipos electrónicos comerciales, de marcas reconocidas internacionalmente presentaban interferencia considerable, este resultado para nosotros h e realmente alentador.

Con la calidad de transmisión alcanzada, en estas condiciones de operación, se puede garantizar una muy buena transmisión en zonas rurales.

3.5 IMPACTO SOCIAL

El impacto social observado fue. de una gran aceptación por parte de los usuarios. unas de l a s pruebas se hicieron en la UA$l-Xochmulco, donde se trabajo con comp&eros estudtantes de comunicaciones "locutores" cretindose ahí los primeros pasos para lograr una estación de rad10 1 W / ó de nuestra comurudad unjversitana. la mayoria de los alumnos de dicho plantel mostraron gran interés en el proyecto, además de admiración. Otras pruebas realizadas

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heron hechas por jóvenes en SOLIDARIDAD quienes al igual que los anteriores mostraron gran interés en el proyecto. Por estos motivos creemos que este proyecto tiene grandes perspectivas; para fines educativos, de entretenimiento o comerciales. Para Uegar a obtener más satisfacciones se puede pensar en un proyecto para la fabricación en sene de estos prototipos y su comercialización. Además existen un sin fin de proyectos afines a este, que se presentarán en este trabajo más adelante ver sección 4.

Por liltimo se puede concluir que pua fines didácticos este proyecto abarca varias áreas de investigación que pueden preparar convenientemente al estudiante o aficionado en la rama de radiQ comunicaciones de FM, como también en el manejo de equipo de medición, conectores, e instalación de antenas para sistemas en general.

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4. R E C E ~ I ~ N Y ANTENAS

En una transmisión de radio las ondas pueden transmitirse de tres formas que suelen denominarse onda de tierra, vía espacio y vía visual.

En principio, las ondas de radio se desplazan en línea recta, por lo que dos puntos quedan enlazados cuando esthn uno a la vista del otro. El término visual se debe entender respecto a las ondas de radio.

Por otro lado, también puede propagarse sobre la superficie de la tierra siguiendo su relieve. Esta es la denominada vía tierra, que se atenúa con la distancia debido a la frecuencia de transmisión, así como a las características eléctricas de la superficie terrestre. El alcance práctico depende mucho de la frecuencia, de la forma en que disminuye conforme aumenta la frecuencia. Entonces, son las bandas de frecuencia más baja las que se benefician con esta forma de propagación. Las emisoras de onda larga (OL) se reciben con facilidad en todo el continente. Por encima de 1,600 kHz sólo se realizan comunicaciones locales (menos de 50 Km de alcance).

Finalmente, la señal de radio puede llegar al receptor viajando por el aire vía espacio. La atenuación es relativamente pequeña y consecuentemente, el alcance puede ser elevado. Además, las capas de la ionosfera se comportan, en determinadas ocasiones, como reflectores, no las ondas en el espacio. Este proceso de reflexión en la ionosfera y en la tierra se puede repetir varias veces, consiguiéndose un gran alcance. En la banda de onda media (OM) la onda vía espacio regresa a la tierra durante la noche, pero no durante el día. Además hay que contar con que las emisiones radiadas con fiecuencia superior a un cierto valor no se reflejan, sino que atraviesan la ionosfera y se pierden en el espacio. El valor de esta frecuencia critica no es fijo, siendo mayor durante el día que durante la noche. Por esta razón, las emisoras que transmiten en las bandas de 16 a 3 I m (de longitud de onda) se reciben mejor durante el día que durante la noche, mientras que en el resto de las bandas de onda corta (OC) ocurre todo lo contrario.

En FM no podemos contar con la vía terrestre, pues las altas frecuencias se atenúan en seguida. Por otra parte, la onda vía espacio no se refleja en la ionosfera y escapa al exterior. La única forma de comunicación es la onda via visual. con lo que el alcance es muy limitado. Superado un cierto valor de potencia de emisión, el alcance sólo depende de las alturas respectivas de l a s antenas de emisión y recepción.

3 6 -

4.1 LA RECEPCI~N

La onda electromagnética que se propaga a través de cualquier medio (terrestre, visual o espacio) tiene que ser recogida para demodulada. No hay ningún problema si la recepción tiene lugar de forma directa o indirecta. Pero si recibimos la misma señal por varios trayectos o caminos distintos se produce una interferencia que se traduce en un aumento de distorsión y de ruidos parásitos. Para evitar la recepción por trayectoria múltiple es preciso colocar una antena suficientemente sensible y direccional. Las ondas de radio son campos electromagnéticos que se forman alrededor de los conductores de alta frecuencia y se desplazan en todas direcciones a una velocidad aproximada a la de la luz.

Estos campos electromagnéticos presentan unas líneas de h e m perpendiculares @H a la dirección del desplazamiento así como perpendiculares entre sí. El plano que contiene las líneas de fuerza se denomina fiente de onda. Si estas líneas son perpendiculares a la tierra la polarización es vertical y la antena debe de ser horizontal. En caso de polarización horizontal la antena será vertical. El tipo de polarización circular se utiliza exclusivamente en satélites de comunicaciones.

Cuando el fiente de onda incide perpendicularmente al plano de la antena, se induce una tensión que se transfiere al receptor en forma de tensión con la misma fiecuencia que la de emisión.

4.2 LAS ANTENAS

El eslabón más importante en la cadena de emisión y recepción es la antena pues de ella depende la calidad de la transmisión. Realmente cualquier hilo conductor puede servir de antena y de hecho están realizando esta función continuamente; lo que sucede es que, debido a sus dimensiones, no suelen ser muy buenas antenas. Para que un conductor pueda considerarse como una antena, lo primero que se debe hacer es cbmensionarlo adecuadamente para la seAal con la que vaya a emplearse. Normalmente se tiene en cuenta su longtud de onda (f).

f=c / f...

Recordemos que el cociente entre su fiecuencia nos da como resultado su

la velocidad de propagación de una onda (la de la l u z ) y longitud de onda.

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Segun se relacione la longtud tisica de una antena con la longmd de onda de la señal de radio a recibir nos encontraremos con dos grupos de antenas: las periódicas y las aperiodcas.

Las antenas penodicas tienen una longtud comparable a la longtud de onda que han de emitir o recibir, o a un submúltiplo entero de ésta. Esto permite a la antena resonar con la frecuencia de la se i Ia l que trata multiplicándose su efectividad.

El tamdo fisico de las antenas aperiódicas no guarda relación alguna con la longitud de onda de las señales que capta y. por lo general, son de un tamailio mucho más reducido que ésta.

Observemos la interesante propiedad de l a s antenas que les permite comportarse de forma idéntica, tanto en recepción como en emisión. Esto indica que todo lo dicho para antenas de recepción es igualmente válido para las de emisión, aunque éstas son por lo general mucho más

sofisticadas y de mejor calidad.

4.3 ANTENAS PAR4 LA RECEPCIóN DE FM

Mientras que para onda media (OM) la antena exterior era fácilmente substituible por una interior al propio equipo. para la FM se hace imprescindible la utilización de una antena exterior. puesto que en la banda de 87 a 108 MHz las longitudes de onda varían de 2.78 a 3.45 m, las antenas periódms no van a ser excesivamente grandes.

El recolector de ondas más simple consiste en un dipolo, que consta de dos elementos conductores aislados elPctncamente entre si y puestos uno a continuación del otro. Un dipolo que cubra toda la banda de FM puede tener una longitud aproximada de 1.47 m. El dipolo tiene unas caractensticas de directividad muy acusadas. La máxima. sensibilidad se obtiene en la dirección perpendicular a la antena (en los dos sentidos), disminuyendo según el ángulo de incidencia de las ondas se acerca al eje longitudinal de la antena, en el que la recepción es nula.

Otro tipo de antena muy utilizado en las recepciones de FM es el dipolo doblado, plegado o antena trombón, constituido por un dipolo normal doblado por sus extremos. En cualquier caso es preciso orientar el plano del dipolo perpendicularmente al emisor y colocarlo en posición paralela al suelo.

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La directividad es una característica muy importante em una antena y a veces puede ser interesante aumentar este parámetro. En un dipolo podemos aumentar eí grado de hectividad y la ganancia mediante los denominados elementos pasivos. Se llaman así para distingurlos del dipolo o elemento activo. que es el que realmente recoge l a s radiaciones.

El elemento pasivo más utilizado es el llamado reflector, que consta de una varilla ligeramente más larga que el dipolo y dispuesta paralelamente a éI a una distancia de un cuarto de longtud de onda (es decir. unos 0.78 m).

Otro elemento es el director, que es también rectilíneo y paralelo al dipolo, aunque algo más corto. Con estos dos elementos se puede mejorar la ganancia (hasta unos 9dB) y la direccionalidad o directividad (en unos 16 dB).

La conexión de la antena al receptor deberá hacerse con el cable coaxial o biíilar de igual impedancia que la antena y sujetarse a la entrada seiralada con esta m i s m a impedancia de 3000hms (entrada simétrica) o 75 Ohms (entrada simétrica) del receptor. .

En el caso de que el aparato no posea una entrada apropiada se adaptará la impedancia mediante un transformador simétrico-asimétrico (bulum), que es reversible.

Al orientar la antena debe tenerse en cuenta el tipo, es decir, si se trata de una direccional o una omnidireccional. El sistema más correcto sería conectar un analizador de espectros o un medidor de campo a la antena y recorrer toda la banda de FM. Para eliminar el efecto multiruta, saturaciones, etc., se cambia la orientación de la antena girándola sobre su eje vertical. En la recepción de emisoras locales potentes es suficiente con un simple dipolo interior de 300 Ohms

Como, por lo general, no disponemos de un analizador de espectros ni de un medidor de campo, se utiliza el indicador de señal del propio sintonizador como nivel de referencia. Igualmente se puede hacer un barrido de toda la banda de FM corrigiendo la posición de la antena para conseguir la recepción más perfecta, sin parásitos y equilibrada.

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5. APÉNDICES

A ) RECEPTORES Y SINTONWADORES

En la actualidad se hace distinción entre estos dos conceptos. El sintonizadot (tuner) es un elementos que recoge la señal de alta tiecuencia la demodula y la convierte a frecuencia de audio. Aquí termina la función del sintonizador que entrega esta señal al amplificador exterior. El receptor (receiver), en cambio, dispone del amplificador integrado en el mismo aparato.

Nos limitaremos a describir el funcionamiento de los diversos sintonizadores, aunque

Muchos han sido los criterios de diseiío utilizados en los sintonizadores (en un principio podan considerarse fuertemente ligados a una etapa amplificadora) desde el origen de la radio. La más sencilla de todas consistía en una antena (no encontraremos ninguno sin ella), un circuito resonante sintonizado a la frecuencia deseada y un rectificador como detector. La salida del detector se lleva al auricular que hace la función de altavoz. Su funcionamiento es tan simple que N siguiera requiere alimentación exterior. Lógicamente su selectividad y sensibilidad son muy pobres y sólo pueden escucharse con el auricular. Para elevar esta sensibilidad se utilizaron una o más etapas de amplificación de alta fiecuencia. Tendremos así un receptor de amplificación directa o de radio frecuencia sintonizada. Pero no se conseguía mejorar la selectividad.

emplearemos indistintamente ambos términos.

Posteriormente los receptores regenerativos y superregenerativos mejoraron aún más la sensibilidad. Pero el gran paso hacia la mejora de la selectividad se dio con el receptor heterodino. Consiste en un receptor que utiliza un oscilador de frecuencia ajustable (oscilador local), cuya salida se mezcla con la señal proveniente de la antena o del amplificador de RF. El producto de la mezcla son dos señales, una de frecuencia Merencia de las concurrentes y otra diferencia de las mismas. Si hacemos que la fiecuencia del oscilador local sea exactamente la misma que la de la señal recibida, la seiial resultante de la diferencia será, precisamente, la modulación contenida en la onda de radio (al ser las frecuencias del mismo valor el resultado de la diferencia es cero y sólo se obtiene la información desada de la onda moduladora). La señal suma se elimina con la ayuda de un filtro conveniente. Si el oscilador local es de buena calidad se consigue una apreciable selectividad.

También podemos citar los llamados receptores rejZex. en los que los pasos amplificadores se utilizan indistintamente para alta fiecuencia y aucbo. Este tipo de receptor consigue un cierto &OKO de componentes.

PARTES DE UN SINTONUADOR DE FM

Cuando se trata de recibir seiiales en FM el sintonizador tiene un. disefio mucho más cuidadoso. La frecuencia de emisión es más elevada y, además, se transmite en Alta Fidelidad, lo cual debe asegurar una sene de prestaciones mínimas. La sedal recibida en la antena se filtra con un paso de banda variable y se amplifica. El circuito resonante que forma el condensador variable y la inductancia tiene una selectividad que depende de su resistencia interna y reactancia. Conforme más pequeña sea la resistencia con la que carguemos este filtro, menor será su selectividad. Aparece pues un efecto de degradación que incrementa el ancho de banda.

En la actualidad todavía se siguen empleando con fiecuencia los condensadores de armadura móvil con dieléctrico de aire. Una de las razones es que este condensador presenta una impedancia mucho mayor que los diodos varicaps. Cuando se utilizan varicaps, la resistencia es menor, con lo que disminuye la resistencia de carga, el factor de calidad del filtro y lógicamente su selectividad.

Los diodos varicap presentan también otros problemas como pueden s e r su inestabilidad ante variaciones de temperatura o la no linealidad en la variación de su capacidad. Su ventaja más importante, que permite múltiples posibilidades, es que se puede gobernar fácilmente con tensión continua.

Si el amplificador asociado al filtro es del tipo MOS, con una elevada resistencia equivalente de entrada, no existen problemas en el tratamiento de grandes o pequeñas señales de antena, pero si los elementos activos son bipolares, cargarán excesivamente el filtro y se saturarán con señales más pequeñas que con semiconductores MOS. Este tipo de semiconductor permite también variar su propia ganancia, con lo que no sólo puede amplificar sino también atenuar.

En la actualidad es dificil encontrar sintonizadores de Alta Fidelidad que no contengan elementos MOS entre sus amplificadores selectivos de entrada y/o en el conversor, debido a las razones ya especificadas.

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La frecuencia intermedia en FM es de 10.7 MHz. por tanto. la frecuencia de1 oscilador l o c a l sera igual a la fkecuencia a sintonizar más la frecuencia intermedia. Es importantisimo que la frecuencia del oscilador local se mantenga constante en el tiempo o. en caso contrario, el receptor se puede desintonizar o perder la señal de la emisora. Esta deriva o dr$t debe ser inferior a *20 kHz (equivalente a M.02% de la frecuencia media en FM) en un buen receptor. lo cual es bastante dificil de conseguir.

Para eliminar este inconveniente existe el llamado control automático de fkecuencia (CM), que toma la tensión de error generada en el discriminador al desplazarse el oscilador local y se aplica a un varicap colocado en paralelo con el condensador variable del oscilador local. Así se consigue desplazarlo nuevamente a su fiecuencia original.

Este sistema requiere de la ayuda de circuitos de muy elevada precisión y uno de los más

utilizados es el llamado circuito cerrado de fase o bucle de enganche de fase (en inglés, Phase Locked Loop, PLL, ya antes mencionado)..

Para sintonizar una nueva emisora es preciso desconectar el CAF si no queremos pasar por alto emisoras débiles o anular el fimcionamiento del sistema.

En general, la deriva del oscilador local es más importante al conectar el aparato, pero suele disminuir rápidamente a los 15 ó 20 minutos de su puesta en marcha.

En los sistemas con varicap la tensión de control que se utiliza para cambiar la sintonía puede corregirse en función de la temperatura para compensar su efecto negativo. Para suplir la pérdida de selectividad que tienen los varicaps respecto al sistema con condensador de armadura móvil deben añadirse más etapas selectivas de entrada, pudiendo llegar a igualar l a s prestaciones, aunque con mayor complejidad.

Tanto el sistema de condensador variable como el de varicaps son analógicos: la frecuencia de sintonía se elige de forma continua entre los extremos de la banda, pero como las emisoras trans&en en una frecuencia fija y concreta, no es necesario que se puedan sintonizar todos y cada uno de los infinitos valores de frecuencia.

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APÉNDICE B

ETAPA DE FRECUENCIA INTERVEDIA (F1)

En el esquema general ya conocemos el funcionamiento hasta los filtro-amplificadores de frecuencia intermedia. Estos filtros pasobanda tienen una frecuencia central de 10.7 MHz y un ancho de banda variable, según sea para recepciones monofónicas (180 kHz) o estereofónicas (260 k H z ) . El rechazo de frecuencias espúreas, alias y armónicos permite que el receptor sintonice solamente la emisora dcceada y elimine l a s demás.

Esta propiedad se evalúa en dB y es necesario hacer una distinción entre espúreas, sin relación con la frecuencia intermedia, y armónicos, cuya fiecuencia es múltiplo o divisor entero de los 10.7 MHz. Estos inconvenientes se ponen de manifiesto cuando, por ejemplo, se sintonizan dos emisoras a la vez. La señal que interfiere sobre la emisora que queremos escuchar debería de ser muy fuerte, pues ha tenido que superat el rechazo de los filtros sintonizados de entrada y el rechazo propio de la fiecuencia intermedia, en total unos 90 ó 100 dB de atenuación. La superposición de las emisoras se debe a que la frecuencia de la indeseable coinciden con la espúrea de los filtros de FI y esta atenuación no se produce en la realidad.

Si observa&os las diferencias entre un filtro ideal y otro real veremos que el último se ensanchaba por su base, por lo tanto si una emisora de los canales adyacentes tuviera suficiente potencia podría sumarse a la recepción. Según el ancho de banda del filtro de FI se pueden sintonizar simultáneamente emisoras adyacentes si las señales son fuertes.

Cuando tenemos una buena selectividad, lo que quiere decir que el ancho de banda es sufkientemente estrecho y estable, aunque situemos emisoras en canales adyacentes no se recibirán simultáneas a nuestra recepción. Esta selectividad es importantisima cuando se trata de dist inguir canales ad) acentes en zonas donde proliferan las emisoras, pero no lo es tanto en zonas rurales de escasa difusión radiofónica.

Resumiendo, la selechvidad del canal adyacente se debe casi exclusivamente a la calidad del filtro de FI, pues el ancho de banda de los pasos sintonizados de entrada es de 1.5 a 3 MHz. Estos son más importantes en cuanto al rechazo de la frecuencia de alias y espúreas, evitando producir diferentes FI que darían lugar a la excepción simultánea de varias emisoras si coinciden con las espúreas de los filtros de FI como vimos.

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Así. los más recientes disedos disponen de sistemas de búsqueda automática y electrónica de emisoras y el más completo control digtal con mando a distancia programación. Esto es posible gracias a la sintonia digtal.

El proceso podria ser el sigutente: se selecciona una fiecuencia de sintonía, el microprocesador contenido en el aparato genera una tensión que conresponde a la frecuencia seleccionada de forma que si hay una emisora retransmitiendo en dicha frecuencia, la sedal pasará a la etapa siguiente.

El sintonizador lleva circuitos internos que son capaces de generar o (<sintetizan, una señal de la fiecuencia deseada (esta parte del receptor recibe el nombre de sintetizador) cuyo valor se mantiene perfectamente constante. El sintonizador así equipado sustituye el oscilador local por el sintetizador y por ello se le denomina sintonizador sintetizado.

Los aparatos equipados con la sintonía digital incorporan un visualizador a LEDs en el que se muestra la fiecuencia a la que se está sintonizando. Este visualizador muestra el valor de la fiecuencia con 4 6 5 dígitos que varían en saltos de 100 kHz. Esto es suficiente, ya que los canales de FM están separados 200 6 300 kHz según sea Europa o EE.UU.

Es muy importante que en los filtros de FI no se introduzca ningin desfase ni retraso de la portadora. pues afectaría &rectamente la decodificación de FM estéreo, disminuyendo su

efecto.

LIMITADORES

En AM los ruidos parásitos se s u m a n alterando la amplitud de la portadora durante la emisión. Esto puede suceder siempre que tenga lugar un enlace de radio, pero en FM este hecho no afecta a la mformación, ya que está codificada en la variación de frecuencia. Los limitadores se encargan de recortar la envolvente y se intercalan entre los filtros de FI; además de recortar la amplitud la fijan a un nivel constante que permite aprovechar mejor el rechazo de los filtros de FI.

CONTROL AUTOMÁnCO DE GANANCIA (CAG)

El CAG es también útil es los receptoies de FM y sus funciones son muy similares a l a s que desempeñan en los receptores de A M . Sirve para evitar la saturación. de los pasos de entrada, mantener un nivel de mezcla óptimo entre el oscilador y la sefial de entrada y estabilizan el nivel de señal en la frecuencia intermedia. Junto a los limitadores ayuda a obtener el nivel óptimo de fimcionamiento de los filtros de FI.

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APkNDICE C

DEMODULADORES

El detector o demodulador es la etapa encargada de extraer la información contenida en la señal, ya sea en amplitud o en frecuencia. Los demoduladores uhlizados en transmisión FM pueden ser de varios tipos:

D E T E ~ O R DISCRIMINADOR

El detector discriminador es el primer tipo de demodulador que se utilizó en FM y su fhcionamiento básico se debe a los desfases entre tensión y comente producidos al variar los 10.7 MHz en un filtro sintonizado. Al realizar la comparación mediante una detección en amplitud es necesario mantener un nivel de entrada constante, además de estar muy bien limitada la señal de FI para evitar cualquier modulación parásita. Este sistema está en desuso en la actualidad.

EL DEMODULADOR DE RELACIdN

Su funcionamiento es muy similar al anterior, pero mejora el rechazo de parásitos al efectuar la detección en oposición y también mejora la relación señahuido.

DETECTOR DE COINCIDENCIA

El detector de coincidencia tiene un buen rechazo a los parásitos, pero aun así se necesita una buena limitación. Es algo sensible a las modulaciones de amplitud. El sistema consiste en desfasar una parte de la señal y sumarla a la anterior. Si no hay dif'erencia de fase en la seaal de FI la tensión de salida permanece invariable, pero si estaba modulada en fiecuencia aparece en la salida la variación instantánea de frecuencia o, lo que es lo mismo, la señal demodulada. Es un sistema muy difhdido por su precisión.

DETEC~OR POR CONTEO DE IMPULSOS

Aunque es el sistema más imperfecto, también es el de más simple construcción. Se basa en un doble cambio de FI mediante un circuito RC que produce una FI de 200 kHz. Esto implica una pérdida de rechazo para las frecuencias de alias y no se suele utilizar en Alta Fidelidad.

DEMODUWDOR POR PLL

Este demodulador se basa en las características del PLL. La seiial de FI se conecta al comparador de fase y la tensión de error se filtra para hacer oscilar al VCO. Esta señal de error es &rectamente la señal de baja fiecuencia demodulada. Aunque el circuito PLL data de 1930. no se difundió asta 1972 gracias a la producción masiva de circuitos integrados PLL.

LA CODIFICACIÓN MULTIPLEX

Es este el nombre que se da al sistema de transmisión de seaales FM estereofónicas debido a la simultaneidad con la que se emiten varias informaciones por un mismo canal de radio. La información básica a transmitir está formada por dos señales distintas e independientes: los dos canales del sistema estéreo, el izquierdo (I) y el derecho (D).

El primer requisito es hacer pasar estas señales por filtros que eliminan todas las frecuencias parásitas superiores a 15 kHz. Así se evitan posibles distorsiones de la futura sefial multiplex.

Después del filtrado. las señales se dingen a dos circuitos. Uno de ellos entrega a su salida la sefial suma de ambos canales (I + D), que constituye la señal monofónica y a la que llamaremos M.

El otro efectúa la resta entre los canales (I - D), que llamaremos E y que será necesaria para la correcta regeneración de la información.

El transmisor deberá enviar las dos señales, M y E, una (M) para que un receptor monofónico reciba la información completa y la otra (E) por ser imprescindible en la transmisión estéreo.

Para aumentar la relación señaVruido se utiliza el llamado énfmis, ya citado, en el punto ,

2.2. El preénfmis tiene lugar en el emisor y consiste en aumentar en 6 dB las altas frecuencias de la señal de información.

Esto nos permitira colocar un filtro en el receptor. el de clethfuw. que atenúa estos mismos 6 dB. Con ello se consigue una mejora en la relación señalirnido de 10 a 12 d B .

La constante de tiempo de estos filtros debe ser la misma tanto en el emisor como en el receptor. y está normalizada a 75 mseg para Europa y se reducen a 25 mseg para emisiones codficadas con Dolby.

Un receptor monofónico tratará la señal multiplex como si hera monofónica y consecuentemente aplicará el der'nfmrs adecuado. El transmisor estéreo debe realizar preénfasis de la señal M, pero también habra de hacerlo con la seiial E para que el receptor estéreo pueda recomponer con perfección la seial origmal.

Por otra parte, el transmisor genera dos seiiales de 19 y 38 kHz respectivamente. Esta última se modula en amplitud con la señal E en doble banda lateral (DBL), de forma que el resultado son dos bandas laterales iguales conteniendo la información estereofónica y simétricas respecto a la fiecuencia de 38 kHz.

Esta señal se conoce con el nombre de subportadora. La seiial así compuesta contiene frecuencias comprendidas entre 23 y 53 kHz.

Finalmente, un circuito mezcla las señales M y piloto de 19 kHz, y todo con la señal DBL anteriormente conseguida. La señal resultante y definitiva de la mezcla contiene frecuencias de O a-53 kHz. Esta señal multiplex es la que se modula en frecuencia y se emite.

Un sintonizador preparado para recibir la señal multiplex no difiere apenas de uno normal. Sólo en la etapa de FI se prevé un mayor ancho de banda de paso para no atenuar ni deformar la información estéreo. El demodulador también h c i o n a normalmente, excepto que se de mejor linealidad y permite una mayor excursión de frecuencia para mhkizar la distorsión.

La salida del demodulador se envía al decodificador estéreo de la señal multiplex. Este circuito consta de una sene de filtros que separan las tres informaciones básicas contenidas en la señal demodulada: la señal mono (M), la piloto (19 kHz) y la estéreo (E).

Cuando el filtro de la señal piloto no detecta sefial alguna, el decodificador interpreta que la señal es monofónica. En este caso envía la señal M a los dos canales, después de aplicarle el

correspondiente &nfuw. Adernis, anula cualquier sedal que no sea M para evitar posibles interferencias.

Si se detecta la piloto de 19 kHz, el decodificador entiende que la señal es estéreo y debe tratarse adecuadamente.

En primer lugar, es necesario encender un piloto luminoso que da a conocer al usuario que se da esta circunstancia. A continuación, se aplica el deénfmis adecuado a cada una de l a s señales.

De uno de los filtros ya se obtiene la señal monofónica directamente. Para obtener la seiial E, el decodrficador obtiene una señal de frecuencia 38 kHz doblando la frecuencia piloto de 19 kHz (que para eso se envía), Esta sefial se mezcla con l a s dos bandas laterales, formándose una onda modulada en amplitud que a continuación se demodula para obtener la seiral estereofónica E.

Con las dos señales separadas, E y M, se procede a obtener los dos canales mediante la suma y resta de aqbas:

M + E = ( I + D ) + ( I - D ) = 2 1 M - E = ( I + D ) - ( I - D ) = 2 D

El factor 2 sólo afecta a la amplitud de la señal y no a su frecuencia. Estas seiiates se envían a l a s respectivas salidas después de ser preamplificadas para conseguir un cierto nivel de señal.

En general este sistema de decodificación puede adquirir muy diversas formas, pero la más extendida por sus buenos resultado es la que se basa es un PLL.

El oscilador controlado por la tensión (VCO) se ajusta a m a frecuencia propia de 76 kHz lo más precisa posible (con una tolerancia de *lo Hz). Esta frecuencia, que es el cuádruplo de la frecuencia piloto (4 x 19 kHz), se consigue con una tensión de error adecuada, corrigiendo las posibles fluctuaciones tanto del propio PLL como de la emisora.

Una vez obtenida la señal piloto y comparando su fiecuencia se puede generar una subportadora exactamente igual, en fase y en frecuencia, a la utilizada para modular la señal E

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durante la emisión. evitando la generación de frecuencias alias por intmodulacih que harían imposible la correcta separación entre canales.

Los circuitos PLL son perfectos para wopiam Frecuencias. Para evitar intermodulaciones con los osciladores de borrado (de magnetocintas) deben eliminarse las componentes de 19.38 kHz y canales subsidiarios (SCA), que van mezcladas con las Males de ambos canales. En caso contrario el efecto es muy molesto y consiste en un tono fijo .producto de la intermodulación, el cual entra en las firecuencias audibles.

Los filtros qué se utilizan tienen un ancho de banda perfectamente plano hasta 15 kHz, donde inician una pendiente muy pronunciada que debe rechazar los 19 kHz con suficiente selectividad. Un buen receptor debe atenuar la señal piloto 40 dB y la subportadora de 38 kHz unos 60 dB.

OTROS SISTEhz4S DE CODIFICACI6N

El sistema multiplex no es el ímico sistema para codificar la s d a l de FM estéreo, pero

Otros sistemas que se podrían utilizar son: hoy día es el único que se utiliza con plenas garantías de éxito.

- El sistema cuadrafbnico CD-4, que no es compatible con la EM porque este sistema discreto necesita un paso de banda de 45 kHz y el ancho de banda m h o para los canales de FM es de 15 kHz.

- Los métodos matrrciales SQ, basados en una codificación de fase, son compatibles con la emisión de FM. Este sistema es cuadrafónico (aunque totalmente compatible con la recepción estéreo y monofónica) y se incluye en el canal derecho una composición en módulo y fase de los canales anterior y posterior derecho más izquierdo posterior, mientras que el canal izquierdo se modulan el anterior y posterior izquierdo más el derecho posterior. Se consigue así limitar la frecuencia máxima a 15 kHz con lo que se facilita la compatibilidad con FM.

Existen otros sistemas de codificación en estéreo, basados en reductores de ruido específicos, o sistemas poco desarrollados que no son compatibles con la reproducción estándar de FM y, por lo tanto, su aplicación es muy restringida.

4

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APÉNDICE D CARACTERÍSTICAS DE LOS SINTONIZADORES

La sensibilidad es quizás el parámetro más difundido en un receptor FM. La sensibilidad se podría definir. a pandes razgos. como aquel valor de señal a la entrada del sintonizador que produce a su salida un determinado efecto. Antiguamente el efecto que se esperaba era una determinada potencia de salida, pero en la actualidad lo que se busca es la calidad de esta sefial de salida. En FM este valor se suele dar referido respecto a un cierto valor de la relación señaYruido en la salida. La cifra debe darse sobre los 300 W de la toma de antena, si se da sobre 75 6 60 W (como indican l a s normas DIN) el resultado será la mitad del que se obtendría sobre 300 W.

Existen varias formas de expresar la sensibilidad estas dependen de los valores concretos de relación señdruido. Así, la sensibilidad útil es aquel valor que proporciona una relación sefidruido de 30 dB. También puede .definirse la sensibilidad eficaz, más importaute qae la anterior, que se refiere a 50 dB de sefidruido. Este valor es más útil en Alta Fidelidad, ya que una recepción con 30 dB de señahuido no puede considerarse de suficiente calidad.

'a- .

En cualquier caso, cuanto menor sea la cifra más sensible será el sintonizador y podrá captar señales más débiles para convertirlas en sonido.

Todos los sintonizadores de FM actuales son del tipo superheterodino. Como es sabido, la selectividad de este tipo de sintonizador depende fundamentalmente de la etapa de fiewencia intermedia (FI). En el diseño de esta etapa aparece un compromiso entre la calidad del sonido estereofónico, con lo que el ancho de banda debe ser suficientemente grande, y el rechazo a los canales adyacentes, con lo que la banda pasante debe ser estrecha. Mejorar un parámetro puede significar empeorar el otro.

La cifra Ó p h a podría ser de 225.250 kHz. En EE.UU. las emisoras estéreo dejan canales libres entre sí. Por éSta y otras razones se suelen dar dos cifras de selectividad. La selectividad de canal adyacente es el rechazo a una interferencia situada a 200 kHz de la portadora sintonizada. Es una característica importantísima en zonas con saturación de emisiones.

La selectividad del canal alterno es el rechazo a una interferencia situada a 400 ktJz de la portadora sintonizada, tanto en el canal adyacente como en el alterno. Cuanto mayor sea el parámetro, expresado en dB, mejor será su selectividad.

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Tambien puede darse la selectividad a una frecuencia no sintonizada más el doble de la FI. Es lo que se llama rechazo a la fiecumcia de alias.

Será más selectivo el receptor que presente una mayor relación de supresión en A M . Esto indicará el rechazo a señales modulares en amplitud. ya sea accidentalmente (recuérdese la modulación de los parásitos) o debidas a emisoras de AM con armónicos que interfieran la FM. SrrVe para medir el efecto de los limitadores.

En resumen. la selectivihd es la habilidad del receptor para sintonizar una emisora y r e c h a r todas las demás.

El silenciador muting es un dispositivo que, a partir de un cierto nivel de recepción hasta la recepción nula, inhibe el inicio de salida en el detector de FM. Es muy útil para eliminar el ruido entre estaciones y para rechazar emisoras sin un mínimo de potencia. La acción de este filtro también contribuye a dar una idea de la calidad del receptor: cuanto mayor sea su umbral mejor será el receptor.

La medida de la deriva en frecuencia del oscilador local es muy interesante, pues indica el grado de correlación entre los filtros sintonizados de la entrada y éste. El efecto más visible es un desplazamiento del medidor de sintonía del receptor. Si el desplazamiento adquiere valores elevados se producen aumentos de distorsión, mala separación entre canales y, a veces, la pérdida total de la emisora.

El control automático de frecuencia (CM) crea una realimentación negativa de la seiial, desde el discriminador hasta el oscilador local, para compensar la deriva en fiecuencia.

La deriva en fiecuencia muestra cuál es la máxima desviación con respecto a la frecuencia sintonizada que el C M puede compensar.

El rechazo de SCA es la característica que nos indica la habilidad del sintonizador para eliminar la modulación SCA. Esta modulación lo es en frecuencia y se codifica en emisiones privadas. El valor debe ser lo más elevado posible.

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15(28.?) 4(1?.2) 2(11.2)

VALORACI&N DE LAS CARACTERÍSTICAS

Para hacer una correcta ponderación del receptor, desde el punto de vista fimcional y dejando a un lado la valoración o influencia, que no siempre es despreciable, del acabado externo más o menos estético, la nacionalidad del fabricante, la marca del receptor y sobre todo su precio, vamos a establecer unos márgenes globales en l a s características de un sintonizador.

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Para clasificar un modelo en concreto que tenga sus características repartidas en 2 ó 3 p p o s se puede utilizar como complemento otra tabla donde se ponderan l a s características según la utilización concreta que se le vaya a dar al receptor.

Además de las caractensticas funcionales. podemos observar qué posibilidades de manejo tiene un receptor. 1 P F

b; ! En frecuencia modulada es imprescindible un indicador de sintonia que puede ser

analógico con indicación central y se acostumbra que sea un miliamperimetro de bobina móvil I

con indicación mediante aguja, o bien, se puede utilizar una indicación luminosa por cambio de color o también por punto luminoso central.

!

Es muy conveniente disponer además de un medidor para la potencia de recepción, tal como se vio en el apartado de recepción y antenas.

El mando de sintonía debe ser muy preciso. En el caso de ser mecánico su desmultiplicación debe ser importante para facilitar la sintonía; no debe tener ambigüedad en el lugar que se sintoniza (no debe existir retrocesos al dejar el botón de sintonía). Si la sintonía es electrónica, mediante pulsador, su precisión dependerá de los saltos de frecuencia por lo que es conveniente un ajuste fino de sintonía.

El sistema más preciso de indicación consiste en utilizar un contador en el oscilador local, que indique directamente la frecuencia en MHz para FM o en kHz para AM.

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NOTA: La valoración está hecha de menor a mayor, por lo tanto, la característica de más importancia es el No. 1. Cuando se repite el número es para indicar igual valor y debe estudiarse en conjunto.

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A N E X O S

El Concepto del h g u l o Generalizado y de la Modulación .Angular

En las seilales de AM, la amplitud de una portadora se modula mediante una sefial m([), y por lo tanto, el contenido de mformación m([) se encuentra en las variaciones de la amplitud de la portadora. Ya que una seilal senoidal se describe mediante tres parámetros -amplitud, frecuencia y fase- existe una posibilidad de conducir la misma mformación al variar ya sea la frecuencia y una fase de la portadora. Sin embargo, por definición, una onda senoidal tiene una frecuencia y una fase constantes y, por lo tanto, la variación de cualquiera de estos parámetros parece contradecir la definición de onda senoidal. Ahora tenemos que extender el concepto de senoide a una función generalizada cuya frecuencia y fase pueden variar con el tiempo.

En la modulación en frecuencia, se desea variar la frecuencia de la portadora en proporción a la sefial moduladora m(?). Esto significa que la fiecuencia de la portadora va cambiando continuamente cada instante. A primera vista, esto no tiene mucho sentido ya que para defínir una frecuencia se debe tener una señal senoidal cuando menos a través de un ciclo con la misma frecuencia. Este problema nos hace recordar la introducción del concepto de velocidad instantánea en el área de mecánica. Estamos acostumbrados a pensar que la velocidad es constante a través de un intervalo y no podemos siquiera imaginar que puede variar cada instante. Pero la idea gradualmente se va fijando. Sin embargo, nunca olvidamos el asombro y la sorpresa que nos causó la idea cuando se presentó por primera vez. Una experiencia similar aguarda al estudiante con el concepto defrecuencia instantánea.

Consideremos una señal senoidal generalizada p(?) expresada como. Ga(t) = A cos qr)

Concepto de frecuencia instantanea

donde q t ) es el ángulo genera1i:ado y es una fimción de t . La figura muestra un caso hpotktico de qt). Para una senoide ,4 cos (act + eo), el ángulo generalizado es wCt + do, Esta es una línea recta con pendiente wc y ordenada al origen eC , cp, p se muestra en la figura. Para el caso hpotético, qt) es tangencia1 al ángulo (act + eo) a través de un pequeiio intervalo AI. El p ~ t o crucial es que a través de este pequeño intervalo, la señal dl) = A cos q t ) y la seniode A cos ( o p eo) son idénticas; esto es,

Ciertamente hay justificación al decir que a través de ese pequeiio intervalo At, la fiecuencia de p(t) , es wc . Ya. que (ac t + 80) es tangencial a qt) dentro del intervalo, la fiecuencia de p ( t ) es la pendiente de su ángulo q t ) en el mismo intervalo. Podemos generalizar este concepto para cada instante y decir que la fiecuencia instantánea o, en cualquier instante t es la pendiente de qt) en t. Así, para p(t) en la ecuación

Podemos ver ahora la posibilidad de transmitir la información ángulo 8 de una portadora. Estas técnicas de modulación, donde el

de m(t) haciendo variar el árigulo de la portadora se

hace variar de alguna manera con una señal moduladora m(t). se conocen como modulación angular o modulación exponencial. Existen dos posibilidades simples: modulación en fase (MP) y modulación en frecuencia (EM). En M P , el ángulo elf) se hace variar linealmente con m( t):

en donde kp es una constante y o, es la frecuencia portadora. Suponiendo que 80 = O sin pérdida de generalidad

e ( 2 ) = act + k,m( t )

La onda M p que resulta es

pMP ( 1 ) = A co{cv,t + k,m(t)]

P

La fiecuencia instantánea q ( f ) resulta de

de 0, ( t ) = - = O, + k,m(t)

dt

Por lo tanto, en la modulación en fase, la frecuencia instantánea oi varía linealmente cnn la derivada de la seilal moduladora. Si la frecuencia instantánea ai se hace variar linealmente con la seilal moduladora, tendremos modulación en frecuencia. Así, en FM, la frecuencia instantánea ai es

0, ( t ) = O, + k p ( t )

en donde kf es una constante. El ángulo 6(r) es ahora

= -m [a, + k p ( a ) p a

= u,? + k , I f m m( a)da

Hemos supuesto aquí que el término constante 61(t) es igual a cero sin pCrdida de generalidad. La onda FM es

De las ecuacisnes anteriores, es evidente que la MP y FM no sólo son muy similares, sino que son inseparables. De hecho, al observar una portadora modulada en ángulo, no hay manera de decir si es FM o MP, ya que una onda MP correspondiente a m(t) y una onda FM correspondiente a

""""-""_"_""""""""""-"""""""""" I I I I

I

I

, I I

L I . L v

h a m/ t) j Modulador

v de fase I

I I I

J I

I I I I :"""""""""""""""""""""""""""""

Modulador de frecuencia

I

I I I I

I I I I I I Modulador

rnlt); L ; 11 cPPM(t) mltl d r I r - i r

I

I I I I I I I

I

I I I

1 I

I I frecuencia dt de

. I -

L""""""""""-""""""""""""""""""l

Modulador de fase

La modulacidn en fase y la modulaci6n en frecuencia son inseparables.

m(t) es la onda MP que corresponde a f m( a)&, --

En la práctica, uno de los métodos de generación de FM (el sistema Armstrong de F" indirecta) realmente integra a m(t) y la usa para modular en fase a una portadora.

En realidad, la FM y la MP se pueden considerar como casos especiales de modulación exponencial para los cuales la ondea modulada M t ) es

en donde k es una constante y h(t) es la respuesta de impulso unitario de un sistema lineal invariante en el tiempo. Si h(t)=6(?), tenemos MP, y si h(t)=u(t), tendremos FM. No existe razón para restringimos solamente a estos casos. Para un funcionamiento óptimo, h(t) no es S(?) (MP) ni h(t) no es 6(t) (MP) ni u(t) (FM) sino es algo más, dependiendo del espectro de la señal moduladora y de las características del canal.

BIBLIOGRAFIA

CRISTAL OSCILLATOR CIRCUITS Robert J. Matthys

Eo. JOHN WILEY & SONS

enero 1983

THE ARRL HANDBOOK

FOR RADIO AMATEURS

17" Ed. THE AMERICAN RADIO RELAY LEAGUE

1993 ,

SISTEMAS DE COMUNICACIóN B.P. LATHI

1' Ed. " E N C A N A . 1986

FREQUENCY SYNTHESIZERS

THEORY AND DESING VAOIM MANASSWSCH

3. Eo. JOHN WILEY 61 SONS

POPULAR ELECTRONICS MAGAZZINE Vol. 12 - NO. 2

February 1995