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ESCUELA POLITÉCNICANACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍAELÉCTRICA
TESIS DE GRADO
"EQUIPO DIDÁCTICO PARA MODULACIÓN Y
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE:
INGENIERO ELÉCTRICO EN LA ESPECIALIZACIÓN
DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
EDWIN I. VELASCO CORRALES
QUITO -ECUADOR
AGOSTO -1998
-
ML gratitud para todas y cada una de las personas
que han colaborado para alcanzar este objetivo. En
especial para mis padres por toda una vida de
sacrificio por mi educación/ a Doris por todo su amor
y comprensión, y sobre todo al Creador.
-
1
Agradezco a la "Fundación Investigación y• -' - *—
Desarrollo - FTD" que represerítaaa ;;por el/lng...-./"^ - .
>-'
Fernando Echeverría T. propuso/dingióí y facilitó* el• .. • • -
t¡,
uso de equipo de laboratorio para el rdesarrollp de
este trabajo. > -
-
Dedicado a: Graciela, Humberto/ Ddids'"VT^ - ' , •»' "
Germánico/ Maggir Marty/ Nancy/ Javier:1 .
-
* ~.w; ,¿s%;^
Certifíco que el presente trabajo ha sido desarrollado 'en
su
totalidad por Edwin Velasco C. , . .
..... ...... ''7ING. FERNANDO ECHEVERRÍA -
DIRECTOR DE TESIS
-
ÍNDICE DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN iOBJETIVO.... _.iii
CAPITULO I 1OBJETIVO DE CAPITULO I 21.1 GENERALIDADES '. 31.2
MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN EN AMPLITUD , 61.3 MODULACIÓN Y
DEMODULACIÓN EN FRECUENCIA...... 101.4 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN EN
FASE ...;... 121.5 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO
131.6 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN POR POSICIÓN DE PULSO 16REFERENCIAS
BIBLIOGRÁFICAS CAPITULO I ,.19
CAPITULO II 20OBJETIVO CAPÍTULO H 212.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
PROPUESTO 222.2 ESPECIFICACIONES PROPUESTAS PARAEL EQUIPO
.'...28
CAPITULO m 33OBJETIVO CAPÍTULO III 343.1 ETAPA DE GENERACIÓN DE
SEÑAL MODULANTE 353.2 ETAPA DE GENERACIÓN DE SEÑAL PORTADORA...
383.3 ETAPA PARA MODULACIÓN EN AMPLITUD 413.4 ETAPA PARA MODULACIÓN
EN FRECUENCIA 543.5 ETAPA DE MODULACIÓN EN FASE 613.6 ETAPAPWM
....643.7 ETAPAPPM 703.8 FUENTE DE POLARIZACIÓN ....74REFERENCIAS
BIBLIOGRÁFICAS CAPITULO m 76
CAPÍTULO IV 77OBJETIVO CAPÍTULO IV 784.1 RESULTADOS OBTENIDOS :
794.2 INSTRUCCIONES PARA UTILIZACIÓN DE EQUIPO 954.3 CONSTRUCCIÓN
DEL EQUIPO 1044.4 FOTOGRAFÍAS DE EQUIPO Y SEÑALES OBTENIDAS
110REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS CAPITULO IV... ...114
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 115
BIBLIOGRAFÍA 117
ANEXO A INFORMACIÓN TEÓRICA , 118
-
ÍNDICE ANALÍTICO
INTRODUCCIÓN „, ~ : „ » „.„ iOBJETIVO. »« — üi
CAPITULO L „ » 1OBJETIVO DE CAPITULO I « 21.1 GENERALIDADES „
_..3
1.1.1 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN 31.1.2 TIPOS DE MODULACIÓN
ANALÓGICA .....4
1.2 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN EN AMPLITUD 61.2.1 MODULACIÓN EN
AMPLITUD [ AM/GC ] 61.2.2 DOBLE BANDA LATERAL [AM7DBL] 61.2.3
DEMODULACIÓN AM , 8
1.2.3.1 DEMODULACIÓN SINCRÓNICA 81.2.3.2 DEMODULACIÓN
ASINCRÓNICA........ 8
13 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN EN FRECUENCIA 101.3.1 MODULACIÓN EN
FRECUENCIA (FM) 101.3.2 DEMODULACIÓN FM 111.3.3 DESCRIPCIÓN Y
FUNCIONAMIENTO DEL PLL .11
1.4 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN EN FASE „ „ 121.4.1 MODULACIÓN EN
FASE ( PM ) 121.4.2 DEMODULACIÓN PM 13
1.5 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO „„ 131.5.1
MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO (PWM) 141.5.2 DEMODULACIÓN PWM 15
1.6 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN POR POSICIÓN DE PULSO 161.6.1
GENERACIÓN DE PPM .....161.6.2 DEMODULACIÓN PPM 17
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS CAPITULO I „ „ 19
CAPITULO U „ . , „ „ „ 20OBJETIVO CAPÍTULO EL.... » « „ „ „.
212.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA PROPUESTO „ 22
2.1.1 FUNCIONES DE CADA BLOQUE DEL SISTEMA 222.1.2 GENERADOR DE
MODULANTE ,. 222.1.3 GENERADORDE PORTADORA, RELOJ Y MODULADOR
FM..... ....232.1.4 MODULADOR AMGC Y MODULADOR AM/DBL.... 232.1.5
MODULADORPM 232.1.6 MODULADORPWM 232.1.7 MODULADORPPM ...242.1.8
DETECTOR AM 242.1.9 MULTIPLICADOR ANALÓGICO 242.1.10 DETECTOR FM
252.1.11 DETECTORPM 252.1.12 FILTRO PASA BAJOS 252.1.13 FUENTE DE
POLARIZACIÓN ....262.1.14 DIAGRAMA DE BLOQUES GENERAL 26
2.2 ESPECIFICACIONES PROPUESTAS PARA EL EQUIPO . 282.2.1
GENERADOR DE MODULANTE 282.2.2 GENERADOR DE PORTADORA, RELOJ Y
MODULADOR FM 282.2.3 MODULADOR AM/GC Y MODULADOR AM/DBL 28
-
2.2.4 MODULADORPM 4 292.2.5 MODULADORPWM 292.2.6 MODULADORPPM
292.2.7 DETECTOR AM 302.2.8 MULTIPLICADOR ANALÓGICO 302.2.9
DETECTOR FM 302.2.10 DETECTORPM 302.2.11 FILTROS PASA BAJOS
312.2.12 FUENTE DE POLARIZACIÓN 312.2.13 TABLA RESUMEN DE
CARACTERÍSTICAS PROPUESTAS 32
CAPITULO m...» » « » „. 33OBJETIVO CAPÍTULO m. , 343.1 ETAPA DE
GENERACIÓN DE SEÑAL MODULANTE 353.2 ETAPA DE GENERACIÓN DE SEÑAL
PORTADORA. ..... „ „ 3833 ETAPA PARA MODULACIÓN EN AMPLITUD „ „
41
3.3.1 MULTIPLICADOR ANALÓGICO 413.3.2 ETAPA AM/DBL 45
5.5.2.7 MODULADOR AM/DBL 453.3.2.2 DEMODULADORAM/DBL
.....473.3.2.3 FILTRO PASA BAJOS -.49
3.3.3 ETAPA AM/GC 515.5.5J MODULADORAM/GC. 513.3.3.2 DEMODULADOR
AM/GC. 53
3.4 ETAPA PARA MODULACIÓN EN FRECUENCIA 543.4.1 MODULADORENFM
553.4.2 DEMODULADOR FM 57
3.5 ETAPA DE MODULACIÓN EN FASE .„.„ „ „ ......613.5.1
MODULADOR. PM 613.5.2 DEMODULADÓRPM 64
3.6 ETAPAPWM 643.6.1 MODULADORPWM 643.6.2 ESTRUCTURA DE
CITEMPORIZADOR ..653.6.3 DEMODULACIÓN PWM 68
3.7 ETAPAPPM. « 703.7.1 -MODULADORPPM 713.7.2 DEMODULACIÓN PPM
73
3.8 FUENTE DE POLARIZACIÓN « ~..74REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CAPITULO HI «... «» 76
CAPÍTULO IV » ...77OBJETIVO CAPÍTULO IV . « 784.1 RESULTADOS
OBTENIDOS » 79
4.1.1 GENERADOR DE MODULANTE 794.1.2 GENERADOR DE PORTADORA
794.1.3 ETAPA DE AMPLITUD MODULAD A .80
4.1.3.1 ETAPA AM/GC. 804.1.3.2 AM/DBL. 81
4.1.4 ETAPA DE FRECUENCIA MODULAD A 824.1.5 ETAPA PARA
MODULACIÓN EN FASE 844.1.6 ETAPA DE MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO
864.1.7 ETAPA DE MODULACIÓN POR POSICIÓN DE PULSO 874.1.8
CARACTERÍSTICAS DE EQUIPO DIDÁCTICO 894.1.9 DIAGRAMA ORCUTTAL
DEEQIOTO 92
4.2 INSTRUCCIONES PARA UTILIZACIÓN DE EQUIPO 954.2.1 FUENTES Y
ALIMENTACIÓN 95
-
4.2.2 ETAPA AMPLITUD MODULADA 974.2.2J ÁM'DOBLEBANDA LATERAL
974.2.2.2 AM GRAN PORTADORA 97
4.2.3 ETAPA DE FRECUENCIA MODULADA,. 984.2.4 ETAPA DE MODULACIÓN
EN FASE 984.2.5 ETAPA DE MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO. 984.2.6
ETAPA DE MODULACIÓN POR POSICIÓN DE PULSO .....994.2.7 DIAGRAMAS DE
CONEXIÓN INDIVIDUALES 100
43 CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO » „.„« _.1044.4 FOTOGRAFÍAS DE EQUIPO
Y SEÑALES OBTENIDAS „. 110REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS CAPITULO IV
«114
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES „. 115
BIBLIOGRAFÍA ~ « 117
ANEXO A. INFORMACIÓN TEÓRICA 118
-
ÍNDICE DE FIGURAS
CAPITULO IFigura 1.1. Diagrama de bloques. .3
Figura 1.2. Formas de onda en Modulación AM7GC y AM/DBL...
....4
Figura 1.3. Formas de onda en Modulación en Frecuencia FMy Fase
PM 5
Figura 1.4. Ejemplos deformas de onda en Modulaciones PWMy PPM.
5
Figura 1.5. Modulaciones en amplitud 7
Figura 1.6. Demodulaciónde AM.... ....9
Figura 1.7. Modulación Angular 10
Figura 1.8. Estructura del PLL.... , 11
Figura 1.9. Márgenes de trabajo del PLL 12
Figura 1.10. Tipos de PWM. 14
Figura 1.11. Modulación PWM. , 75
Figura 1.12. Pulso PPM... .'. 16
Figura 1.13. Modulador PPM : 16
Figura 1.14. Formas de Onda en generación PPM. .77
CAPITULO HFigura 2.1. Diagrama de bloques del equipo 27
CAPITULO III
Figura 3.1. Circuito Integrado ECG 864 35
Figura 3.2. Generador de Funciones 36
Figura 3.3. Generador de Modulante 37
Figura 3.4. Generador de Portador a .39
Figura 3.5. Circuito Diferencial. 41
Figura 3.6. Multiplicador Analógico ......42
Figura 3.7. Diagrama internoLM1496 , 44
Figura 3.8. Sistema didáctico básico AM/DBL 45
Figura 3.9. . Modulador AM/DBL 46
Figura 3.10. Circuito Multiplicador Analógico 48
Figura 3.11. Circuito de filtro pasa bajos. 49
Figura 3.12. Mallas en filtro activo de segundo orden 50
Figura 3.13. Diagrama de bloques de etapa didáctica AM/GC 57
Figura 3.14. Circuito Detector AM/GC... - 53
-
Figura 3.15. Formas de Onda en Detector AM/GC.. .....55
Figura 3.16. Sistema didáctico FM. 54
Figura 3J7. Arreglo de fuente de corriente interna del CI8038
55
Figura 3.18. Obtención de FM 56
Figura 3.19. Circuito Modulador de FM. 57
Figura 3.20 Lazo Asegurado deFase (PLL) ..55
Figura 3.21. Comportamiento PLL 59
Figura 3,22. Circuito Demodulador de FM 60
Figura 3.23. Sistema Didáctico PM. 61
Figura 3:24. Circuito'Modulador en Fase 62
Figura 3.25. Método de obtención de Modulación en Fase 63
Figura 3.26. Sistema PWM. , 65
Figura 3.27. Timer 556. 66
Figura 3.28. Circuito Modulador PWM - 67
Figura 3.29. Formas de Onda en Modulador PWM. 68
Figura 3.30. Filtro adicional 69
Figura 3.31. Sistema didáctico PPM.....: 71
Figura 3.32. Circuito Generador de Pulsos. 72
Figura 3.33. Funcionamiento del circuito PPM 72
Figura 3.34. Circuito Fuente ., 74
CAPITULO IV
Figura 4.1. Medición de índice de Modulación AM..... 80
Figura 4.2. Medición de índice de Modulación FM... 83
Figura 4.3. Forma de onda PM. 55
Figura 4.4. Medición de índice de Modulación PWM. ..86
Figura 4.5. Señal PPM. 88
Figura 4.6. Diagrama total de equipo 93
Figura 4.7. Conectar Interno 94
Figura 4.8. Carátula de Equipo 96
Figura 4.9. Diagrama de conexión etapa AM/GC demodulación
Asincrónica. .......100
Figura 4.10. Diagrama de conexión etapa AM/GC demodulación
Sincrónica 100
Figura 4JL Diagrama de conexión etapa AM/DBL.... ..101
Figura 4.12. Diagrama de conexión etapa FM. ..101
Figura 4.13. Diagrama de conexión etapa PM. - 102
-
Figura 4.14. Diagrama de conexión etapa PPM 102
Figura 4.15. Diagrama de conexión etapaPWM Demodulación
Asincrónica 103
Figura 4J6. Diagrama de conexión etapa PWM. Demodulación
Sincrónica 103
Figura 4.17. Elementos de tarjeta fuente 105
Figura 4.18. Rutas de fuente de polarización.. , 105
Figura 4.19. Siluetas de tarjeta principal 106
Figura 4.20 Rutas de laparte superior tarjeta madre 107
Figura 4.21. Rutas de laparte inferior tarjeta madre 108
Figura 4.22. Construcción de punto de conexión 109
Figura 4.23. Construcción de punto de visualización 109
Figura 4.24. Fotografía equipo didáctico 110
Figura 4.25. Foto Modulación AM/GC. 111
Figura 4.26. Foto Modulación M47DBL 111
Figura 4.27. Foto SeñalModuladaFM. 112
Figura 4.28. Foto Modulación PM. 772
Figura 4.29. Foto Modulación PWM. , 775
Figura 4.30. Foto Señal Modulada PPM. 773
-
ÍNDICE DE TABLAS
CAPITULO H
TABLA 2.1. Descripción de valores propuestos de funcionamiento
32
CAPITULO IV
TABLA 4.1. Resultados de Generador de Modulante. 79
TABLA 4.2. Resultados de Generador de Portadora, 80
TABLA 4.3. Resultados etapa AM/GC. 81
TABLA 4.4. Resultados etapa ÁM/DBL 82
TABLA 4.5. Resultados etapa FM 83
TABLA 4.6. Resultados etapaPM. ........85
TABLA 4.7. Resultados etapaPWM. 87
TABLA 4.8. Resultados etapaPPM. 88
TABLA 4.9. Resumen de características de Equipo didáctico.
90
TABLA 4.10. Descripción y funciones de interruptores de equipo
didáctico 95
TABLA 4JL Conexiones en ÁM/DBL 97
TABLA 4.12. Conexiones en AM7GC. .....97
TABLA 4.13. Conexiones FM. 98
TABLA 4.14 Conexiones en PM. 98
TABLA 4.15 Conexiones en PWM. 99
TABLA 4.16 Conexiones en PPM. 99
-
INTRODUCCIÓN
El problema de transmitir información entre dos puntos o entre
un punto y varios destinos
obligó al desarrollo de los denominados Sistemas de
Comunicación, éstos se encargan de
procesar la información de modo que puede ser recuperada en el
lugar de destino
procurando la menor presencia de distorsión. Parte esencial de
todo sistema de
Comunicación es el Modulador (en la fuente de información) y el
Demodulador (en el
receptor). El primero es él o los circuitos que someten la
información a un proceso
denominado Modulación que facilita la transmisión del mensaje,
el segundo es el circuito
que lleva a cabo el proceso inverso a la modulación, es decir,
la Demodulación entregando
como resultado la información original en el receptor.
Los procesos de Modulación y Demodulación, son esenciales en
todos los Sistemas de
Comunicaciones, porque del desempeño de ellos dependerá en gran
manera la calidad de
la señal en el receptor que debe ser la mejor posible. Es así
como, en la formación de un
ingeniero Eléctrico en la especialización de Electrónica y
Telecomunicaciones debe ser
fundamental el estudio de todos los Procesos de Modulación y
Demodulación posibles.
Ante esa necesidad, este trabajo trata en parte de proporcionar
al estudiante o a quien
interese, de una herramienta de estudio de varios procesos de
Modulación y
Demodulación Analógica reunidos en un solo equipo de pruebas. Al
construir este equipo
se proporciona un medio de visualizar el comportamiento concreto
de las señales
Moduladas.
Esta necesidad no es nueva dentro de la Escuela Politécnica
Nacional, es por eso que en el
año de 1977 el Ing. Fernando Echeverría Troya ya construyó un
prototipo que cumplió el
objetivo educativo mencionado utilizando para ello los elementos
disponibles en esa época
1 (en su mayoría elementos discretos). Consiente del avance de
los procesos tecnológicos
de integración de circuitos y de la disponibilidad de los
circuitos en el mercado nacional,
Fernando Echeverría propuso cumplir nuevamente el objetivo
educativo pero incorporando
1 Echeverría Troya, Fernando, " Circuitos para Modulación v
Demodulación" Tesis,
Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador, 1977.
-
el estudio de la Modulación en Fase y favoreciendo la
utilización de Circuitos que
reflejen el avance del que se hablaba anteriormente. Es decir,
se cumple el mismo objetivo
didáctico pero utilizando los medios de los que se dispone en la
actualidad. Ha sido
entonces el mismo precursor de la idea original quien ha
dirigido, asesorado y propuesto el
presente trabajo de tesis: el Ing. Fernando Echeverría
Troya.
De los muchos tipos de Modulación que se pueden aplicar a la
señal de información, se
utilizan en el presente trabajo los siguientes tipos de
Modulación Analógica: Modulación
en Amplitud con Gran Portadora (AM), Modulación en Amplitud de
Doble Banda Lateral
con Portadora Suprimida (AM/DBL), Modulación en Frecuencia (FM),
Modulación en
Fase (PM), Modulación por Ancho o Duración de Pulso (PWM) y
Modulación por
Posición de Pulso (PPM).
Dado que el objetivo de este trabajo es facilitar la comprensión
del comportamiento de los
procesos de Modulación y Demodulación antes mencionados, no es
necesario el utilizar
valores de frecuencia de portadora similares a los utilizados en
el ambiente comercial
(AM y FM), sino mejor escoger valores que no obstaculicen el
cumplimiento del objetivo
educativo.
El Capítulo I proporciona la base teórica sobre la cual se
desarrollan los procesos de
Modulación y Demodulación utilizados, dado que el presente
trabajo no es un tratado
teórico de la Modulación Analógica, se evita profundizar en la
teoría prefiriéndose la
experiencia en los procesos ya mencionados. Para quien desee
analizar minuciosamente
las bases teóricas, se incluye el Anexo A mismo que muy
probablemente satisfaga
cualquier duda.
El Capítulo n establece las características y los componentes
que el Equipo Didáctico
debe contener, se llega a generar un diagrama de bloques general
y una tabla general de
características del sistema.
El Capítulo HI describe y sustenta el funcionamiento de los
circuitos elegidos para
obtener los diferentes tipos de Modulación y Demodulación
Analógica, además se
explican los bloques que conforman un sistema básico de
comunicación utilizando cada
uno de los tipos de Modulación.
El Capítulo IV proporciona los resultados obtenidos de los
diseños (en tablas y
fotografías) y la información de que procedimientos se siguen
para utilizar el equipo.
El Anexo B contiene información sobre como se construyó el
equipo y los diagramas de
rutas de las tarjetas electrónicas diseñadas.
ii
-
OBJETIVO
El objetivo principal del presente trabajo es el diseño y
construcción de un Equipo
Didáctico que contenga varios circuitos Moduladores y
Demoduladores en los siguientes
tipos de Modulación analógica: ÁM/GC, AMDBL, FM, PM, PWM y
PPM.
Al ser un equipo Didáctico, se traía de facilitar la comprensión
del funcionamiento de los
bloques (circuitos) que conforman sistemas de Comunicaciones que
utilizan dichos tipos
de Modulación, una forma de alcanzar ese objetivo es la de
pennitir la visualización de las
diferentes señales que se presentan durante el proceso de
Modulación y Demodulación
respectivo, es decir que se puede ver y medir, la Modulante, la
Modulada, la señal
Demodulada, utilizando entonces un Osciloscopio de Rayos
Catódicos, se puede analizar
todas estas señales para de ese modo comprender mejor el
comportamiento de los sistemas
analizados al igual que medir los distintos índices de
modulación obtenidos.
Se busca describir de la mejor manera posible el funcionamiento
de los Circuitos
utilizados para que de ese modo se aplique el conocimiento
teórico a la práctica. Esa
relación entre la teoría y la práctica se verifica en la
determinación de los parámetros de
los procesos de Modulación como por ejemplo 1 medición de los
índices de Modulación.
Se procura obtener un equipo de dimensiones manejables
estableciendo para ellos una
política de ahorro de elementos, esto significa que en el equipo
final se incluye el mínimo
de circuitos necesario para estudiar cada tipo de Modulación y
demodulación
individualmente, lográndose de ese modo también un abaratamiento
en el costo total del
equipo.
ni
-
CAPITULO I
MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN ANALÓGICA
CONTENIDO:OBJETIVO DE CAPITULO I
1.1 GENERALIDADES.
1.1.1 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN..1.1.2 TIPOS DE MODULACIÓN
ANALÓGICA
1.2 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN EN AMPLITUD.
1.2.1 MODULACIÓN EN AMPLITUD [AM7GC]1.2.2 DOBLE BANDA LATERAL [
AM7DBL ].1.2.3 DEMODULACIÓN AM
1.2.3.1 DEMODULACIÓN SINCRÓNICA.7.2.5.2 DEMODULACIÓN
ASINCRÓNICA
1.3 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN EN FRECUENCIA.
1.3.1 MODULACIÓN EN FRECUENCIA (FM ).1.3.2 DEMODULACIÓN FM.1.3.3
DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL PLL.
1.4 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN EN FASE.
1.4.1 MODULACIÓN EN FASE (PM ).1.4.2 . DEMODULACIÓN PM
1.5 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO.
1.5.1 MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO ( PWM ),1.5.2 DEMODULACIÓN
PWM.
1.6 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN POR POSICIÓN DE PULSO
1.6.1 GENERACIÓN DE PPM.1.6.2 DEMODULACIÓN PPM
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS CAPITULO I.
-
2
OBJETIVO DE CAPITULO I
En este primer capítulo se proporcionan las nociones básicas
sobre la teoría en la que se
sustentan los tipos de Modulación/Demodulación tratados en este
trabajo : Modulación en
Amplitud ( AM/GC y AM/DBL ), Modulación en Frecuencia ( FM ),
Modulación en Fase (
PM), Modulación por Posición de Pulso (PPM) y Modulación por
Ancho de Pulso ( PWM)
. Dado que la naturaleza del equipo es permitir visualizar las
formas de onda y la
manipulación de señales, no es necesario el llevar a cabo un
análisis teórico exhaustivo de los
tipos de modulación y sus demodulaciones, sino más bien ilustrar
lo que la teoría sobre cada
uno de los procesos enseña. Es así como este breve tratamiento
teórico se apoya en el Anexo
A, el cual contiene una visión teórica detallada de los
procesos, se recomienda al lector
interesado en el tratamiento matemático profundo de estos temas,
referirse a dicho anexo.
1 En general, para conservar la notación utilizada en la gran
mayoría de tratados sobre Comunicaciones,las siglas escogidas para
determinar cada tipo de modulación provienen de sus nombres en
Inglés. Así:Amplitude Modulaíion AM, Frequency Modulation FM,
Pílase Modulation PM, Pulse PositrónModulaüon PPM, Pulse Width
Modulation PWM. Esta notación se utilizará a lo largo de todo
elpresente trabajo.
-
1.1 GENERALIDADES.
LL1 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN,
En términos generales, Modulación es el proceso mediante el cual
se varía un parámetro de
uña señal llamada " Portadora ", en función de otra señal
denominada " Modulante " (Ver
figura 1.1). El proceso inverso, es decir, la recuperación de la
información contenida en un
parámetro de la Portadora, se denomina "demodulación". La señal
resultante del proceso de
modulación toma nombre de " Señal Modulada". A la señal
Modulante se la identifica
utilizando varios términos, entre ellos: señal de información,
Información, Banda Base y en el
presente trabajo también se utiliza el nombre Audiofrecuencia
debido al rango de frecuencias
generadas internamente.
MODULANTE
PORTADORA
PROCESODEMODULACIÓN
MODULADA
MODULADAPROCESODEDEMODULACIÓN
PORTADORA
MODULANTE
Figura 1.1. Diagrama de bloques explicativo sobre los procesos
de Modulación,
Demodulación y ¡os nombres de las señales que intervienen en
dichos procesos.
En general es necesario que la frecuencia de la Señal Portadora
sea mayor o igual a dos veces
la máxima frecuencia de la Señal Modulante para evitar que se
produzca superposición entre
los espectros de la Modulante y el de la Señal Modulante tomando
de ese modo la señal
Modulada irrecuperable de acuerdo al Criterio de Nyquist o
Teorema del Muestréo.
El presente trabajo se centra en la construcción de circuitos de
Modulación Analógica, En
esencia, la Modulación Analógica se caracteriza por la
dependencia directa entre las señales
Modulante y Modulada diferenciándose de esa manera de la
Modulación Digital en donde la
-
4relación entre la Información transmitida y la señal Modulada
está dada por un Código el cual
constituye el único nexo entre las dos señales antes
mencionadas, de no poseer el código en el
Receptor sería imposible recuperar la información deseada.
1.1.2 TIPOS DE MODULACIÓN ANALÓGICA
Existen tres tipos de modulación analógica: Modulación Continua
y Modulación Analógica
de Pulso [1]. A su vez la Modulación Continua se la divide en
dos: Modulación Lineal o en
Amplitud y la Modulación Exponencial o Angular.
• Modulación Lineal es aquella en la que el espectro
electromagnético de la señal
modulada conserva las características que tenía el espectro de
la señal modulante. El
parámetro de la Portadora que cambia en función de la Modulante
es la Amplitud, entre
estas tenemos los siguientes: AM7GC o AM [Modulación en Amplitud
con Gran
Portadora], AM/DBL [Modulación en Amplitud de Doble Banda
Lateral con Portadora
Suprimida], AM/BLU [Modulación en Amplitud de Banda Lateral
única], AM/BLV
[Modulación en Amplitud de Banda Lateral Vestigial]. En adelante
al referirse a los tipos
de modulación en amplitud antes mencionados, se omitirán las dos
primeras letras que
indican modulación en amplitud [AM] excepto en AM7GC donde se
excluye generalmente
las siglas GC. Ver figura 1.2.
Ho du. 1 ein/C- e
Seña.!
Señal AH/GC
Señ.a.1 JLHt/DBL
Figura 1.2 Formas de onda en Modulación AM7GC y AM/DBL. Se lia
utilizado ima
Señal Modulante Triangular y ima Señal Portador a Senoidal.
• La Modulación Angular implica que el parámetro de la señal
portadora que variará en
función de la señal modulante es la frecuencia o la fase. En
este tipo de modulación, el
-
espectro de la señal modulada difiere del espectro de la señal
modulante o banda base, en
esta clase de modulación están: PM [Modulación en Frecuencia] y
PM [Modulación en
Fase]. Ver figura 1.3.
SeñalKo du 1 arre e
Port-aciora
Sefia.1 Señal FU
Señal PH
Figura 1.3 Formas de onda en Modulación en Frecuencia FM y Fase
PM con
Modulante Cuadrada y Portadora Senoidal.
• En la Modulación de Pulso, la información es transmitida
usando un tren de pulsos cuyas
características como: amplitud, duración y posición, cambian en
función de la señal
modulante [2]; pertenecen a esta clase de modulación entre
otras: PAM [Modulación por
Amplitud de Pulso], PPM [Modulación por Posición de Pulso] , PWM
[ Modulación por
Duración o Ancho de Pulso ]. Ver figura 1.4.
fl»
PWM
PPM
TJinTLTLÍLJLJLJl«I u , n , o . n , n ,n ,n .u , n .
Figura 1.4 Ejemplos deformas de onda en Modulaciones PWM y PPM.
Nótese que en
PWM el ancho del pulso cambia de acuerdo a la amplitud defft) y
en PPM, cambia la
posición del pulso con respecto a los puntos de Reloj
(maestreo).
-
1.2 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN EN AMPLITUD.
En general, el término Modulación en Amplitud implica que
mediante algún proceso, la
amplitud de la portadora varia en función de la señal modulante
; existen a su vez, varias
posibilidades dentro de este tipo de modulación, sin embargo se
analizará el marco teórico tan
solo de los dos tipos de modulación en Amplitud que se utilizan
en el equipo construido: AM
Gran Portadora (AM/GC) con doble polaridad y AM Doble Banda
Lateral (DEL) como inicio
de la comprensión de la Modulación en Banda Lateral Única
(BLU).
L2.1 MODULACIÓN EN AMPLITUD [ AM/GC J
Este tipo de Modulación en Amplitud se caracteriza por generar
una componente situada a la
misma frecuencia de la señal Portadora de ahí el nombre AM\GC
[AM Gran Portadora].
Matemáticamente, la forma de la serial Modulada S(t) es: [3]
S(t) = Ap[l + m,f(t)]. eos (w/) [1.1] -
Donde: Áp = amplitud de la señal portadora, f(t) — señal
modulante,
wp = frecuencia portadora , m — índice de modulación, '
En el Anexo A, pg 3 se puede apreciar el análisis del espectro
de una Señal modulada en
AM/GC, se detecta la presencia de dos bandas laterales :
superior e inferior y una
componenete a la frecuencia portadora. Ver gráfico 1 . 5.
L2.2 DOBLE BANDA LATERAL [AM/DBL I
Sabiendo que lo importante de la modulación es la información a
ser transmitida , misma que
está contenida en las bandas laterales de la señal modulada, al
eliminar de la señal Modulada
AM/GC la componente localizada al valor de la Portadora, no se
afecta la información que se
desea transmitir sino que se mejora el rendimiento del proceso
de modulación total . Es así,
como se genera otro sistema de modulación en amplitud conocido
como: AM de Doble Banda
Lateral con Portadora Suprimida o simplemente Doble Banda
Lateral [ DBL ], luego se puede
eliminar una de las dos bandas laterales del espectro en DBL (
ya que tan solo se necesita una
de ellas para recuperar la información ) dando lugar a la
Modulación llamada Banda Lateral
Única (BLU) . En resumen, la modulación DBL se diferencia de la
AM/GC estudiada en el
punto 1.2.1 por la ausencia de componente a la frecuencia
portadora. Matemáticamente, la
1 Se define como índice de Modulación en AM a la relación entre
la Amplitud de la ModulanteAm
(Am) a la Amplitud de la Portadora (Ap), así: m = -r—Ap
-
forma de la señal modulada DBL es la siguiente:
Sft) = Ap.fft). eos -WP t [1.2]
donde: Ap = amplitud de la señal portadora, f(t) = señal
modulante, wp = frecuencia
portadora.
Para comprender mejor la diferencia entre los dos tipos de
Modulación en Amplitud citados
anteriormente, en la figura 1.5 se ilustra el comportamiento en
el tiempo de una señal
Modulante cualquiera que ha sido sometida a los dos tipos de
Modulación mencionados.
La característica principal evidente que resulta de la ausencia
o no de la Portadora es la forma
de la Envolvente 1 la cual en el caso de AM/GC toma valores solo
positivos o solo negativos
mientras que en AM7DBL cambia de polaridad de acuerdo a la señal
Modulante.
SeñalHodulante Señal AM/GC
Sft.) = Ap[l + rtif (t)]cosAH/GC
wp-fmti
SeñalPortadora Señal AK/DBL DEL = Ap eos T*p t, .
/ V
Figura 1.5 Modulaciones en amplitud. Ejemplos de formas de onda
en Modulación en
Amplitud: AM/GCyAM/DBL
Esta distinción permite el uso de un circuito más sencillo para
recuperar la información
transmitida en AM/GC.
1 Envolvente es la forma que toman los contornos positivo y
negativo de una señal modulada enAM/GC . En una onda modulada en
AM/GC, la envolvente positiva o la envolvente negativa de laseñal
Modulada es similar a la señal Modulante.
-
L2.3 DEMODULACIÓN AM
Como se anotó anteriormente, la Demodulación no es mas que el
proceso inverso a la
Modulación, es decir, permite recuperar la señal Modulante
incorporada en la señal Modulada.
Este concepto es válido para todos los tipos de Modulación,
En el presente trabajo se utilizan dos tipos de procesos de
Demodulación : Demodulación
Sincrónica y Demodulación Asincrónica.
1.2.3.1 DEMODULACIÓN SINCRÓNICA.
Este tipo de Demodulación, necesita en el receptor una señal de
la misma fase y frecuencia
que la Portadora, es indispensable la presencia de dicha señal
debido a que el proceso consiste
en la multiplicación analógica de la señal Modulada cori la
Portadora para luego someter ese
producto a un filtro pasa bajos. Matemáticamente de la operación
anterior se obtiene lo
siguiente:
= 4> (l + mf(t)} eos2 copt [ 13 ]
[1.4]
Como se puede observar en la ecuación [1.4] , se han generado
tres términos: el primero es
una componente DC, el otro a baja frecuencia y el tercero
frecuencia doble de la portadora.
Es el segundo término el que contiene la información
transmitida, de manera que basta filtrar
la señal resultante total para recuperar la señal modulante.
Debido a la naturaleza del proceso, se lo puede utilizar para
demodular tanto AM7GC como
AMDBL . Para el caso de DBL, debido a la forma del espectro de
una señal modulada en
DBL el cual carece de componente a la frecuencia de portadora,
la demodulación puede ser
llevada a cabo únicamente utilizando Demodulación Sincrónica
1.2.3.2 DEMODULACIÓN ASINCRÓNICA
El término Asincrónico implica que no se necesita en el receptor
de una señal de la misma
frecuencia y fase que la portadora, siendo por lo tanto más
práctico que el caso de la Detección
Sincrónica, la simplicidad relativa de este detector, se refleja
en el tamaño de los circuitos
utilizados para el efecto.
Este proceso consiste en rectificar la señal Modulada y luego
filtrarla para recuperar así la
-
información, mas detalle sobre el circuito en cuestión en el
capítulo 3.
Este demodulador necesita que la señal modulada tenga su
envolvente ya sea positiva o
negativa, pero no puede ser positiva y negativa porque en ese
caso la señal obtenida ya no será
el reflejo de la información transmitida.
Justamente esta condición es cumplida por la modulación AM/GC,
donde, nunca la amplitud
de la señal Modulante es mayor que la Amplitud de la señal
Portadora, lográndose así, que la
envolvente de la señal AM tome valores solo positivos o solo
negativos pero no los dos a la
vez. Entonces este proceso de demodulación es perfecto para
AM/GC. El circuito detector de
envolvente pico se utilizó mucho en los receptores de radio
debido a su simplicidad y la
necesidad de pocos elementos para su construcción, para filtrar
la señal resultante de la
detección, tan solo se puede utilizar como filtro pasa bajos una
red RC.
En la figura 1.6 se comparan las señales resultantes de un
detector sincrónico y de un
asincrónico. El primero usado con una señal modulada en AM/GC y
el otro con una señal
AM/DBL.
SeñalModulante
SeñalPortadora
Señal AM/GC
Señal AH/DBL
SeñalRectificada
Señal Resultantede Multiplicación.
Señal Filtrada
( Modulante )
Señal Filtrada
[ Modulante )
Figura .1.6 Demodulación de AM. Formas de onda en Demodulación
Asincrónica y
Demodulación Sincrónica, se lian utilizado Modulante Triangular
y Portadora Senoidal.
-
101.3 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN EN FRECUENCIA.
1.3.1 MODULACIÓN EN FRECUENCIA (FM).
Tanto la Modulación en Frecuencia como la Modulación en Fase
pertenecen al tipo de
modulación llamada Angular, mencionada en el punto 1.1.3.
En FM la forma de la señal modulada es la siguiente:
[1-5]
donde: Ap = amplitud de la señal portadora,^ = señal modulante,
¿sp = frecuencia portadora.,
Kf = es la máxima desviación de frecuencia , Oo~ Fase inicial de
portadora
En la modulación en frecuencia el ángulo de fase de la señal
portadora varía linealrnente con
la integral de la señal modulante. En la figura 1.7 se ilustra
las formas de onda esperadas al
Hodulant-e Portadora
Señal FH
S(í) =
Señal PH
COSÍ ÜJy t
Figifra 1.7 Modulación Angular. Ejemplo de la variación de la
Señal Portadora sometida a
modulación en Frecuencia (FM) y en Fase (PM). Se ha utilizado
Modulante cuadrada y
Portadora Senoidal Además se incluye las formas matemáticas
correspondientes.
Modular en Frecuencia la señal indicada.
-
1113.2 DEMODULACIÓN FM.
En general existen varias técnicas de demodulación FM, y así
mismo varios circuitos que se
pueden utilizar para ello, sin embargo, de esta variedad se ha
escogido el más versátil, práctico
y fácil de utilizar, el PLL [Phase looked loop] o Lazo Asegurado
de Fase.
La teoría sobre el PLL es conocida desde hace mucho tiempo, sin
embargo, en la actualidad
debido avance en las técnicas de construcción de circuitos
integrados, ya es posible utilizar
cómodamente este circuito. No incluye en su estructura ningún
tipo de bobina facilitándose de
esa manera su utilización y diseño.
En el diagrama de bloques de la figura 1.8 se muestran los
elementos que forman un PLL. De
las varias aplicaciones que tiene el PLL, se tratará la manera
de utilizar el PLL como
demodulador EM.
1.3.3 DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL PLL. [4]
Sea una frecuencia de referencia cualquiera. Si su valor
coincide con el valor de ft , el
oscilador VCO tiene como señal de error de entrada igual a O
V.
fr'COMPARADOR ]DE L
« FASE J
r~L
/\o
>J
FIUROPASA |BAJOS J
Figura 1,8. Estructura del PLL. Diagrama de bloques de los
componentes de un PLL
típico.
Esta señal de OV. es generada por el comparador de fase para fo
igual a la frecuencia de
referencia y un ángulo de desfase de 90 grados.
Suponiendo que la frecuencia de referencia aumenta de valor. Al
no haber cambiado la
Frecuencia del VCO, la señal de error se hace negativa, lo que
obliga el VCO a oscilar a una
frecuencia mayor, sin embargo, el desfase inicial entre las
señales de entrada del Comparador
se va a mantener, lo que sostiene al VCO en dicha frecuencia de
oscilación, solo que con un
desfase mayor que 90 grados. El ángulo de desfase que
corresponda al semiperíodo por
-
12aumento de frecuencia, incrementado en 90 grados.
El mismo efecto, solo que con aumento de señal de error, y por
tanto de disminución de la del
VCO, ocurrirá cuando la referencia disminuya su frecuencia, por
lo que el VCO oscilará a la
misma frecuencia que la de referencia, pero desfasados un cierto
número de grados por debajo
de 90 grados. En consecuencia el PLL funciona como un seguidor
de señal, sincronizándose
con ésta. Sin embargo, este circuito no puede sincronizarse con
cualquier frecuencia, sino que
a partir de la fo del VCO, se distinguen unos márgenes
denominados , Margen de
sincronismo y Margen de captura, siendo mayor el primero de
ellos.
Por lo tanto, suponiendo el circuito desincronizado, para que el
PLL se enganche o sincronice
con la frecuencia de referencia, se necesita que el valor de
esta se halle comprendida entre los
valores denominados Margen de Captura. (Ver figura 1.9) . Una
vez que el circuito se ha
enganchado o asegurado con la frecuencia de referencia, el PLL
oscilará siguiendo esta
frecuencia mientras que ésta se mantenga dentro del Margen de
Sincronismo , siendo este más
amplio que el de captura.
d.e
Figura 1.9 Márgenes de trabajo del PLL . El comportamiento del
PLL depende de la
frecuencia de la señal entrante. De acuerdo al valor de la
frecuencia puede encontrarse en
los rangos de funcionamiento ilustrados.
1.4 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN EN FASE.
L4.1 MODULACIÓN EN FASE (PM ).
En la modulación en fase , la frecuencia instantánea de la señal
modulada respecto a la
portadora, es directamente proporcional a la amplitud de la
señal modulante, así se obtiene una
señal Modulada en Fase cuya forma es la siguiente:
-
13
Ae es la máxima desviación de fase que puede tener la portadora
con respecto a su valor
central debida a la máxima amplitud de la señal modulante y se
expresa en radianes.
G)Pt + @o es la fase de la portadora sin modulación,
1.4.2 DEMODULACIÓN PM
El método de demodulación utilizado en la presente tesis se basa
en la operación del
Multiplicador Analógico.
Las dos señales a multiplicar son: la Modulada PM y la
Portadora, se entiende que la primera
de ellas presenta una fase cambiante en función de la Modulante
.
El resultado de la multiplicación será de la forma:
5(0 = A cos( co pt}.* .Am sen( co p
5(0 = K {sen( ^,) + sen( 20 ^ r ^ - ^ ,[1.7]
El primer término resultante de la multiplicación para valores
pequeños de Oí se puede
considerar senQí^ Oí y la fase instantánea a su vez es una
función de la serial Modulante, de
manera que para recuperar la información, se debe aislar dicho
término mediante un filtro pasa
bajos que eliminará las componentes de alta frecuencia
resultantes de la multiplicación
analógica.
Dado que para la detección de la señal PM se necesita de una
señal de igual frecuencia que la
Portadora, este proceso que se utiliza en el presente trabajo es
Sincrónico.
1.5 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN POR ANCHO DEPULSO.
En capítulos anteriores, se trataron los dos primeros tipos de
Modulación Analógica
mencionados en el punto 1.1.3; en este subcapítulo y en el
posterior se analiza dos ejemplos
del tercer tipo de Modulación Analógica: la Modulación Analógica
por Pulsos.
En la Modulación por Pulsos, la principal característica es la
forma de la serial Modulada. En
los anteriores tipos de modulación, la Modulada, en todo el
proceso mantenía la forma
sinusoidal o una forma continua en el tiempo, sin embargo, en el
presente caso, la información
está incorporada en una portadora cuadrada (tren de pulsos )
.
En general en los sistemas de Modulación Análoga de Pulso, en
lugar de tener una frecuencia
-
14portadora, se tiene la denominada" Frecuencia de Muestreo
".
Se conoce como frecuencia de muestreo, a la rapidez con que se
toman muestras de la señal
modulante para su posterior evaluación de acuerdo al sistema de
modulación por pulso
utilizado.
La frecuencia de muestreo debe satisfacer el llamado "Teorema
del Muestreo " [5], enunciado
que especifica el mínimo valor de la frecuencia de muestreo de
una señal cuya frecuencia es
fm, para que la información modulada, sea recuperable,
específicamente, el Teorema
establece que para una modulante cuya frecuencia ssfm [ señal
maestreada ] , se necesita
una frecuencia de muestreo de por lo menos : 2.fm para que la
información pueda ser
recuperada,
I.5.I MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO (PWM).
Como se desprende del nombre PWM [Pulse With Modulation -
Modulación por Ancho de
Pulso], en este sistema de modulación analógica la información
está contenida en el ancho del
pulso transmitido. A partir de un ancho de pulso inicial, cuya
amplitud y período es constante
para serial Modulante cero, se ocasionará el cambio de su
duración [ancho], de acuerdo a la
amplitud y frecuencia de la señal modulante.
De acuerdo al lado del pulso que varía, se pueden dar tres tipos
de PWM [6]: PWM de borde
delantero, de borde trasero y de doble borde. En la figura 1.10
a se visualiza perfectamente la
diferencia entre estos tres tipos de PWM representada por el
lado punteado del pulso. Es el
lado punteado el que varía en función de la señal Modulante
incrementando o disminuyendo el
ancho del pulso inicial.
-h
Figura LIO. Tipos de PWM. Tres tipos de PWM: a) de borde,
delantero, b) doble
borde, c) borde trasero
-
15En el presente trabajo, se tratará el tipo de PWM en el que
varía el lado derecho . En el gráfico
1.11 constan: la señal modulante, los puntos de muestreo [ señal
de reloj ], y la señal
modulada en PWM de lado derecho el cual es el que se utiliza en
el equipo didáctico.
El proceso de Modulación PWM consiste en la evaluación de la
señal modulante, en los
puntos de reloj, y de acuerdo al valor de la modulante en ese
pequeño intervalo de tiempo, se
determina un ancho de pulso correspondiente en la señal
transmitida.
A cada valor de amplitud de modulante, le corresponde uno y solo
uno de ancho de pulso. A
esta variación continua del ancho del pulso, en función de la
amplitud de la modulante, se
f(t) Punios de prueba
PWM
Figura 1.11 Modulación PWM. Variación del ancho de pulso PWM en
función de la
Señal modulante fft)
debe que el sistema PWM sea analógico, a pesar de que tan solo
se transmitan pulsos de
valores de amplitud fijos.
Dado que el análisis del espectro de frecuencia de PWM, se
dificulta excesivamente debido a
la naturaleza pulsante de la señal transmitida, si el lector
desea mayor información sobre el
estricto tratamiento matemático del tema, puede ver el Anexo A
pg. 15. Del análisis del
espectro de una señal PWM, se nota que la resultante contiene
una componente de la señal
modulante en baja frecuencia y sucesivas componentes moduladas
en fase. [7]
L5.2 DEMODULACIÓN PWM.
Dado que el espectro de frecuencias de la señal modulada en PWM
contiene una componente
a baja frecuencia, no se necesita un proceso sincrónico para la
demodulación de la
información sino que es posible recuperar la modulante tan solo
utilizando un proceso de
detección asincrónico, para el caso analizado entonces, basta
utilizar filtrado [ filtro pasa
bajos]. Por lo tanto, para demodular una señal modulada en PWM,
basta aplicarla a un filtro
-
16pasa bajos.
1.6 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN POR POSICIÓN DE PULSO
Así como PWM, la Modulación por Posición de Pulso [PPM], es del
tipo de Modulación
Análoga por Pulso. En PPM, es transmitido un pulso de amplitud y
duración fijas (Figura 1.12
) pero cuya posición respecto a una señal de referencia, cambia
en función de la señal
Modulante [8].
t
Figura 1.12 Pulso PPM Diagrama de pulso de ancho y amplitud fija
cuya posición
cambia en función de la Modulante
A partir de la señal PWM, se puede obtener PPM. Justamente, éste
es el método de generación
de PPM utilizado en el presente trabajo
L 6.1 GENERACIÓN DE PPM,
Uno de los métodos utilizados para obtener PPM, se sirve de una
etapa previa de PWM. Para
obtener PPM a partir de PWM, se puede utilizar un circuito
generador de pulsos de amplitud y
duración fija, esto, en el siguiente diagrama de bloques [figura
1.13], se describe un sistema
de generación PPM típico. [9]
f(t)Modulador
PWM
Generador
de Pulsos*
Figura 1.13 Modulador PPM. Diagrama de bloques de Modulador PPM
sobre la
base de un generador de Pulsos
Se presentan en la figura 1.14, la serial Modulante, la Onda PWM
y la resultante PPM. Es
-
17importante notar que en PPM se evita transmitir la parte del
pulso PWM que no contiene
información, y por el contrario se transmite solo aquella parte
que cambia en función de la
señal modulante.
Este ahorro de señal transmitida es importante porque es también
ahorro de potencia de
PWM
PPM
LJLJLJLILLLJLU ,Figura 1.14 Formas de Onda en generación PPM.
Señales en el proceso de
Generación de PPM utilizando un generador de pulsos fijos, f(t)
es la modulante, PWM
es la Señal Modulada en PWMy PPM es la señal modulada en PPM
transmisión, tema que en nuestro análisis no es muy
determinante, sin embargo en sistemas de
alta potencia, seguramente que lo es.
Considerando el objetivo principalmente práctico de la tesis, se
ha omitido en éste capítulo el
análisis matemático extenso de la Modulación PPM ; se sugiere al
lector interesado en dicho
análisis de PPM, ver el Anexo A pg. 15.
Para objeto del presente estudio y aplicación puramente
práctica, basta saber que el espectro
de la señal moduladajen PPM, no contiene una componente a la
frecuencia modulante, por
tanto, al igual que en AM/DBL, no es posible recuperar la
información por simple filtrado, por
el contrario se verifica que la señal PPM es la suma infinita de
componentes enteras de la
frecuencia de reloj cada una de ellas moduladas en fase.
1.6.2 DEMODULACIÓN PPM
Como se dijo en el final del punto anterior, es imposible
recuperar la información codificada
en PPM por simple filtrado Así mismo se dijo en el punto
anterior que una señal PPM está
-
18compuesta de varias componentes cada una de ellas moduladas en
fase, en virtud de eso3 para
la demodulación PPM se puede utilizar un procedimiento similar
al ya descrito para la
demodulación en Fase utilizando para ello el multiplicador
analógico, en el que se ingresarán
la señal modulada PPM por un lado y una señal con la frecuencia
que la portadora por el otro ,
de ese modo, se obtienen varias componentes una de las cuales es
función de la Modulante y
. se la puede aislar utilizando un nitro pasa bajos, lográndose
recuperar la información inicial.
Mayor información sobre este proceso se la puede encontrar en el
capítulo 3, en la descripción
del funcionamiento del Demodulador PPM.
-
19
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS CAPITULO I
[1] Strembier, Ferrel G, " Sistemas de Comunicación", pg. 21.1.,
Fondo Educativo
Interamericano, México DF., México ,1985.
[2] Tomado de Anexo A, pg. 10. El Anexo A de la presente obra
constituye el soporte teórico
de las afirmaciones hechas en el Capítulo 1. Se ha elaborado el
Anexo A tomando material de
la siguiente obra: "Reference Data Radio Engineers". Capítulo
21; Modulation, ITT.
[3] Tomado de Anexo A, página 2.
[4] Montesinos Ortuño, Jesús, "Comunicaciones Analógicas y
Digitales", pgs. 50-53,
Editorial PARANINFO, 1990.
[5] Anexo A, pg. 11.
[6] Fink, Donald G., "Electronics Engineer's Handbook". pg.
14.29, Editorial Me Graw
HilL, USA, 1975.
[7] Anexo A, pg 16.
[81 Fink, Donald G., "Electronics En.gineer's Handbook", pg.
14.29, Editorial Me Graw
HíU, USA, 1975.
[9] Fink, Donald G., "Electronics Engineer's Handbook", pg.
14.29, Editorial Me Graw
Bill, USA, 1975.
-
CAPITULO II
DESCRIPCIÓN FUNCIONAL Y DE BLOQUES
DEL SISTEMA
CONTENIDO:
OBJETIVO CAPITULO IL
2.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA PROPUESTO.
2.1.1 FUNCIONES DE CADA BLOQUE DEL SISTEMA.2.1.2 GENERADOR DE
MODULANTE.2.1.3 GENERADOR DE PORTADORA, RELOJ Y MODULADOR FM.2.1.4
MODULADOR AM7GC Y MODULADOR AM/DBL.2.1.5 MODULADOR PM.2.1.6
MODULADÓRPWM.2.1.7 MODULADOR PPM.2.1.8 DETECTOR AM.2.1.9
MULTIPLICADOR ANALÓGICO.2.1.10 DETECTOR FM2.1.11 DETECTOR PM2.1.12
FILTRO PASA BAJOS2.1.13 FUENTE DE POLARIZACIÓN2.1.14 DIAGRAMA DE
BLOQUES GENERAL.
2.2 ESPECIFICACIONES PROPUESTAS PARA EL EQUIPO.
2.2.1 GENERADOR DE MODULANTE.2.2.2 GENERADOR DE PORTADORA, RELOJ
Y MODULADOR FM2.2.3 MODULADOR AM/GC Y MODULADOR AM/DBL.2.2.4
MODULADOR PM.2.2.5 MODULADOR PWM.2.2.6 MODULADOR PPM.2.2.7 DETECTOR
AM.2.2.8 MULTIPLICADOR ANALÓGICO.2.2.9 DETECTOR FM2.2.10 DETECTOR
PM2.2.11 FILTROS PASA BAJOS2.2.12 FUENTE DE POLARIZACIÓN2.2.13
TABLA RESUMEN DE CARACTERÍSTICAS PROPUESTAS.
20
-
21OBJETIVO CAPÍTULO EL
El capítulo u propone los componentes que deberían constituir el
Equipo Didáctico para
Modulación y Demodulación Analógica para cumplir el objetivo
total del presente trabajo
así:
En la parte 2.1 se describen las funciones de cada bloque
constitutivo del equipo
propuesto. Al final del punto se propone un diagrama de bloques
en donde se reúnen todos
los bloques o circuitos que deben conformar el equipo total.
En la parte 2.2, se describen las especificaciones eléctricas
propuestas de trabajo de cada
uno de ios bloques del equipo. Al final de este punto, se ha
elaborado una tabla que
contiene el total de las especificaciones electrónicas de los
circuitos que forman el equipo
didáctico.
-
22
2.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA PROPUESTO.
El sistema propuesto tiene como objetivo básico el obtener un
equipo didáctico que sirva
como herramienta de estudio de varios procesos de Modulación y
Demodulación Analógica
utilizando un solo módulo, tratando de aprovechar al máximo el
uso de las diferentes etapas
que lo constituyan, buscando de ese modo disminuir el costo
total del equipo.
El equipo que se propone, debe tener como componentes internos
todos los elementos
necesarios para realizar observaciones y análisis de laboratorio
en cinco tipos de Modulación
Analógica (AM/GC, AM/DBL, PM, EM, PWM, y PPM ), requiriéndose
como elemento
externo tan solo de un Osciloscopio de Rayos Catódicos (ORC)
como instrumento de
visualización y medida de las diferentes señales que intervienen
en los procesos estudiados.
Se considera que se debe favorecer la utilización de Circuito
Integrados como un reflejo del
avance de la tecnología en la Integración de Circuitos. De
manera que si bien todos los
procesos de Modulación y Demodulación se los puede obtener con
el uso de elementos
discretos1, de preferencia se espera utilizar dichos Circuitos
Integrados (CFs).
Tomando en cuenta el objetivo de abaratar costos y de ahorro de
etapas, se propone que no se
repitan los circuitos que cumplan un mismo papel más de una vez
o el mínimo de veces
necesario para poder realizar observaciones de todos los tipos
de modulaciones antes
mencionados.
Considerando el objetivo didáctico de la tesis, no se propone la
utilización de las frecuencias
usuales en Radiodifusión AM o FM, sino que se utilizaría valores
en el rango de
Audiofrecuencia para la Modulante y 200 KHz para la
Portadora.
2.2.1 FUNCIONES DE CADA BLOQUE DEL SISTEMA.
Considerando los distintos tipos de Modulación y Demodulación
propuestos para el
equipo se estima que el sistema debe tener los siguientes
componentes:
2.1.2 GENERADOR DE MODULANTE.
En este bloque se generaría internamente la señal para ser
utilizada en todos los procesos
propuestos como señal modulante o de información, la cual debe
ser recuperada luego de ser
modulada y demodulada utilizando cualquiera de las etapas
disponibles en el equipo. Se
propone a ser utilizado como generador de Modulante algún
Circuito Integrado disponible en
Echeverría Troya F. "Circuitos para Modulación y Demodulación",
Tesis, Escuela PolitécnicaNacional, Quito, 1977.
-
23el mercado como Generador de Formas de Onda. Ademas de la
Señal Interna, se propone
permitir la utilización de una Señal Externa para que sirva como
Modulante.
2.1.3 GENERADOR DE PORTADORA, RELOJ Y MODULADOR FM.
En este bloque en cambio se generaría internamente la segunda
señal necesaria en todo
proceso de modulación: la señal Portadora descrita en el
Capítulo I Se espera que
aprovechando un Circuito Integrado adecuado, se logre obtener en
el mismo bloque, tanto la
señal Portadora como la señal cuadrada a la frecuencia de
Maestreo o de Reloj de la señal
modulante (para el caso de las modulaciones PWM y PPM) . Así
mismo, tomando en cuenta
el objetivo de economizar etapas, se podría tratar de obtener en
la misma etapa la Modulación
en Frecuencia.
2.1.4 MODULADOR AM/GC Y MODULADOR AM/DBL.
Como se señaló en el primer capítulo \e los dos tipos de señal
Modulada
tanto AM/GC como AM/DBL se obtienen de la 'multiplicación de la
Portadora con la
respectiva Modulante según el caso. Pues bien, aprovechando esta
única operación necesaria
para los dos tipos de Modulación, se pretende utilizar un único
circuito multiplicador
analógico para obtener los dos tipos de modulación, es decir, se
espera utilizar un
multiplicador analógico trabajando como modulador AM/GC y
también como modulador
AM/DBL.
2.1.5 MODULADOR PM.
Como se explicó en el Capítulo 1 punto 1.4, la Modulación en
Fase (PM) implica la
manipulación de dicho parámetro en la serial Portadora en
función de la Señal de Información.
Se espera obtener en este bloque, la variación de la fase de la
Portadora Sinusoidal en función
de la amplitud y frecuencia de la Señal Modulante, dicha
variación debe ser continua.
2.1.6 MODULADOR PWM.
Considerando las facilidades en el procedimiento necesario para
su obtención, se espera
obtener en este bloque la Modulación por Ancho de Pulso del tipo
Lado derecho, es decir, que
tan solo el lado derecho del pulso" rectangular de la portadora
cambiaría en función de la Señal
Modulante. Para obtener la variación del ancho del pulso, se
propone la utilización de un
circuito temporizador funcionando en el modo monoestable.
1 Capítulo 1, punto 1.2 Modulación y Demodulación en
Amplitud.
-
24Si bien, la frecuencia de Reloj se espera será generada por el
mismo integrado que genera la
Portadora permitiendo su variación, es conveniente fijar el
diseño del Modulador para trabajar
de modo óptimo en la máxima frecuencia de la Portadora eso es
200 KHz.
2.1.7 MODULADOR PPM.
Se propone en este caso ser utilizado para obtener PPM, la
configuración descrita en la parte
teórica del presente trabajo.
Dicho proceso utiliza como primer paso la generación de PWM y
luego la utilización de una
circuito generador de pulsos sincronizado con el flanco negativo
de los pulsos PWM.
Si bien la manera propuesta de obtener PPM no es novedosa, se
justifica tomando en cuenta el
objetivo de ahorro de elementos en los procesos de Modulación,
de ese modo, se puede pensar
en obtener los dos tipos de modulación utilizando un solo
Circuito Integrado.
2.1.8 DETECTOR AM.
Para evitar la utilización de un elevado número de elementos en
la construcción de un
Detector de AM el cual permita recuperar la información de la
portadora AM/GC, se sugiere
utilizar el circuito básico de un detector y con el uso de
elementos discretos.
La entrada de este bloque, es la señal Modulada en AM, y la
salida es la detección de la
información para luego ser recuperada definitivamente utilizando
el filtro pasa bajos. Este
proceso debido a las características del sistema de Modulación
utilizado es utilizado tan solo
paraAM/GC.
2.L9 MULTIPLICADOR ANALÓGICO.
Como se estudió en el capítulo anterior u, la multiplicación de
dos señales es un proceso muy
frecuente en los procesos de demodulación. La multiplicación
provoca la aparición de las
frecuencias suma y diferencia de las dos señales multiplicadas,
este efecto se aprovecha tanto
para obtener Modulaciones como para obtener demodulaciones.
La operación descrita matemáticamente como simple multiplicación
de dos funciones, se la
puede obtener, utilizando un Circuito Multiplicador Analógico
cuyos componentes más
importantes están integrados dentro de un solo CI, utilizando
elementos sencillos se puede
variar el comportamiento del multiplicador.
1 Ver Capítulo 1, Gráfico 1.13: Modulador PPM, del presente
trabajo.u Ver Capítulo 1, punto 1.2.3.1 Demodulación
Sincrónica.
-
25En el equipo, se propone la utilización de un circuito
integrado el cual, realiza la función de
multiplicar dos señales ingresadas por las entradas indicadas en
el bloque, en su salida presenta
dicha operación. Esta operación se utilizaría para la
Demodulación DBL, AM\GC y PPM. En
el caso de AMVGC, se recupera la información de dos maneras, la
una a través del
multiplicador y la otra utilizando el detector señalado en el
numeral anterior. A pesar de que
en el diagrama de bloques 2.1, se indican dos multiplicadores
analógicos y un detector de fase,
en realidad se espera construir un solo circuito Multiplicador
Analógico que satisfaga todas
esas necesidades.
Además el multiplicador se usaría en el proceso de demodulación
de Fase en donde cumple el
papel de Detector de fase entre las señales Portadora y la
Serial Modulada PM
2.L10 DETECTOR FM
Como circuito Detector de Frecuencia se propone la utilización
de un circuito descrito en
páginas anteriores: el Laso Asegurado de Fase (P1L) , se espera
obtener a la salida del mismo
la señal Modulante ya sea generada internamente o de forma
externa. Se espera que mediante
la utilización de un solo Circuito Integrado se logre construir
el detector de FM centrado a una
frecuencia de trabajo fija.
Se ha elegido como circuito propuesto para como detector de
frecuencia al PIL debido a que
en su estructura no presenta inductancias de ningún tipo y se
encuentra disponible en el
mercado como un Circuito Integrado.
2.1.11 DETECTOR PM
En el punto 2.1.8, se trataron las aplicaciones de un circuito
Multiplicador Analógico, entre
ellas se nombró la posibilidad de utilizarlo como Detector de
Fase. Tomando en cuenta el
objetivo de ahorro .de etapas y la idea de evitar la
construcción excesiva de etapas repetitivas,
obliga a que se construya un solo multiplicador el cual serviría
también como detector de Fase.
2.1.12 FILTRO PASA BAJOS
Un filtro en general tiene como función discriminar las
frecuencias que aparecen a su salida,
en el caso particular del Filtro Pasa Bajos [FPB], a la salida
solo aparecen las frecuencias cuyo
valor es inferior o igual a un máximo definido como la
Frecuencia de Corte del filtro.
Este circuito es muy importante y necesario en general en todos
los sistemas de demodulación,
1 Capítulo 1, punto 1.3.3 Descripción y funcionamiento de
PLL.
-
26de igual manera en los que se desea elaborar en el equipo
propuesto. En general el Filtro Pasa
Bajos se utilizaría como la etapa final de todas las etapas de
modulación y demodulación
permitiendo recuperar adecuadamente la señal Modulante.
Considerando uno de los objetivos de la tesis, el cual se
refiere a la utilización óptima de los
circuitos necesarios en los procesos de Modulación -
Demodulación, y sabiendo que el Filtro
Pasa Bajos es necesario en todos los procesos de Demodulación,
es lógico que tan solo se
plantee la utilización de un único filtro pasa bajos el cual
será utilizado para todos los tipos de
Modulación implementados.
2.1.13 FUENTE DE POLARIZACIÓN.
A partir de una alimentación de 110 Yac (normales en cualquier
toma corriente), se pretende
obtener todos los voltajes de polarización necesarios en el
equipo propuesto.
Se espera que como máximo se deba utilizar dos voltajes de
polarización, mediante los cuales
se logre la independencia total del equipo y evitar la
utilización de fuentes de polarización
externa.
2.L14 DIAGRAMA DE BLOQUES GENERAL.
Considerando los bloques antes descritos, se propone el
siguiente diagrama de bloques para el
Equipo Didáctico para Modulación y Demodulación Analógica: (Ver
gráfico. 2.1 ) Se
recuerda que los dos Multiplicadores Analógicos y el Detector de
Fase son un solo circuito.
Además se ha ilustrado los valores de frecuencia y formas de
onda sugeridos para el equipo y
que se han adelantado en los puntos anteriores.
-
27
FUENTE DEPOLARIZACIÓN
200Hz-20 KHz
AV / \f GENERADOR ̂
DE MODULANTE,
GENERADOR
DE PORTADORA
MODULADOR
FM
RELOJ
ftftfb
( MODULADOR
\M Y DBL
MODULADOR
P M
MODULADOR
PWM
MODULADOR
PPM
4-M
DETECTORA M
MULTIPLICADOR
. ANALÓGICO
DETECTOR
FM J
( DETECTOR
~H DE FASE
MULTIPLICADOR
L ANALÓGICO
MODULANTE
20KH3
FILTRO
PASA BAJOS
Figura 2.1. Diagrama de bloques del equipo. Cada circuito
diseñado se representa por
un bloque específico, además se incluyen las conexiones
necesarias para el
funcionamiento de cada etapa.
-
28
2.2 ESPECIFICACIONES PROPUESTAS PARA EL EQUIPO.
2.2.1 GENERADOR DE MODULANTE.
En el equipo a construirse, se espera generar internamente la
señal Modulante sea como una
sinusoide, una onda triangular o como onda cuadrada todas a la
vez a una frecuencia desde
200 Hz a 20 KHz, y también permitir el ingreso de una señal
externa para ser utilizada como
Modulante. Además de la variación de la. frecuencia, se
permitiría variar la Amplitud de la
señal Modulante en el rango 0 - 2 Vpp para todos los tipos de
Señal que se generen
internamente. Debido a que no se necesita para cumplir el
objetivo de la tesis de valores
elevados de potencia, la potencia de consumo del Generador de
Modulante sería en el orden de
los 10 mW.
2.2.2 GENERADOR DE PORTADORA, RELOJ Y MODULADOR FM.
Se ha escogido como Frecuencia de Portadora el valor de 200 KHz
el mismo que se encuentra
lo suficientemente alejado del máximo valor de modulante (20
KHz), dicho valor sería el
utilizado en todas las etapas de Modulación/Demodulación
construidas en el equipo.
Además de solamente generar las señales antes mencionadas, se
permite la variación tanto de
la frecuencia (25 KHz - 200 KHz), como de la Amplitud de la
Portadora Senoidal (O Ypp -
1.5 Vpp) al igual que la potencia del generador de Modulante, no
es necesaria la utilización de
alta potencia para cumplir el objetivo de la tesis, por lo tanto
se propone también para esta
etapa la baja potencia (10 mW).
En cuanto a la modulación en FM , se espera obtener una
variación de la frecuencia de la
portadora de 50 KHz con lo que se lograría un índice de
modulación para la Modulación Tonal
que varía entre 2.5 y 250.
2.2.3 MODULADOR AM/GC Y MODULADOR AM/DBL.
La frecuencia a la cual se sugiere debe trabajar este
multiplicador es: 200 KHz para la entrada
de portadora y 20 KHz para la entrada de señal modulante, en
cuanto a la amplitud de la señal
multiplicada, se pretende alcanzar un voltaje de salida máximo
de 2 Vpp.
Tomando en cuenta el trabajo previo del Ingeniero Femando
Echeverría, se espera que en el
bloque Modulador AM/DBL y AM/GC se permitan obtener dos salidas
Moduladas en
Amplitud, la primera en fase con la Portadora y la Segunda
presentando inversión de fase (fase
negativa) con respecto a la misma.
-
29El índice de modulación esperado es: O < m < 2. Al igual
que todas las etapas de este trabajo,
la potencia de consumo pretendida de la etapa no excede 0.1
W.
2.2.4 MODULADOR PM.
Se propone elaborar el Modulador en Fase para que funcione a la
frecuencia máxima que se
puede obtener del Generador de Portadora (200 KHz), permitiendo
la mayor variación de fase
posible teniendo en cuenta los valores máximos de amplitud que
se obtienen en el Generador
de Modulante.
La forma de la Señal Portadora que se espera modular en fase es
Sinusoidal. Se espera obtener
una variación de la Fase de la Portadora O < PPM < 0.7
radianes.
Al igual que todas las etapas de este trabajo, la potencia de
consumo pretendida de la etapa no
excede 0.1 W.
2.2.5 MODULADORPWM.
La frecuencia de Reloj generada por el mismo integrado que
genera la Portadora, es variable,
sin embargo, es conveniente fijar el diseño del Modulador para
trabajar de modo óptimo en la
máxima frecuencia de la Portadora, eso es, 200 KHz, a partir de
ese valor se genera la
variación de ancho de pulso de acuerdo a las amplitudes
obtenidas en el generador interno de
Modulante.
Los niveles de amplitud de salida del Modulador PWM varían entre
+Vcc para el nivel alto y O
V. para el nivel bajo. Se espera obtener una variación de 'ancho
de pulso de 1 us. Para al valor
máximo de amplitud de Modulante correspondiendo ppv/M=0.2..
La forma de la Señal Portadora Cuadrada utilizada para PWM, se
propone tenga como tiempo
en alto = 2.5 us, y en bajo 2.5 us.
2.2.6 MODULADOR PPM.
Así como para el Modulador en PWM se fijó por conveniencia la
frecuencia de trabajo óptima
el valor de 200 KHz, del mismo modo, al ser el Modulador PPM un
complemento del inicial
PWM también se considera como óptima frecuencia de trabajo dicho
valor, sin embargo, se
debe tener muy en cuenta que tanto PWM como PPM puede funcionar
también en valores
cercanos al valor fijado como óptimo.
El ancho del pulso que variará su posición en función de la
Modulante se propone sea de lus o
menos, y la amplitud de la Señal PPM esperada es + Vcc - OV.
Debido a la forma de obtener
-
30PPM a partir de PWM, la variación de la posición del pulso
sería de 1 us correspondiendo un
índice de modulación ppM^0.6 radianes. .
2.2.7 DETECTOR AM.
La entrada de este bloque, .es la señal Modulada en AM, y la
salida es la detección de la
información para luego ser recuperada definitivamente utilizando
el filtro pasa bajos. Este
proceso debido a las características del sistema de Modulación
sería utilizado tan solo para
AM7GC.
El proceso de Detección sugerido es independiente de la
frecuencia y por lo tanto, bien puede
funcionar para valores de frecuencia de Portadora menores a 200
KHz.
2.2.8 MULTIPLICADOR ANALÓGICO.
Como ya se adelantó, el circuito propuesto para realizar la
multiplicación debe ser utilizado en
varios procesos de Modulación y Demodulación por lo que sus
características de diseño se
deben sujetar a las necesidades de todos los tipos de
demodulación en los que se lo utilice.
Así como los otros bloques, la potencia de consumo de esta etapa
sería de alrededor 0,1 W, y
el voltaje de salida sería de 2 Vpp, mientras que la frecuencia
de trabajo del mismo también
debe abarcar hasta los 200 KHz.
2.2.9 DETECTOR FM
Se ha considerado para la Detección EM un CIPLL en su
configuración como Demodulador
EM. Además se ha sugerido como frecuencia central de detección
\l valor de 200 KHz , por
ser el máximo valor de la Portadora.
Se espera obtener voltajes de señal Demodulada de EM de 1 Vpp,
en todo el rango de
frecuencia de Modulante.
2.2.10 DETECTOR PM
Al observar el diagrama de bloques 2.1, se ha dibujado como
bloque independiente a un
Detector de Fase, sin embargo como ya se explicó en el punto
2.2.8, es el Circuito
Multiplicador Analógico el que se utilizaría como detector de
fase.
El resultado de la multiplicación de la Señal Portadora con la
Señal Modulada PM es una
función de la Modulante, luego se puede aislar de este producto
la componente a baja
1 Ver Capítulo 1, punto 1.3.3 Descripción y ñincionamiento del
PLL.
-
frecuencia mediante la utilización de un filtro pasa bajos.
Se espera que el detector de variación de fase perita recuperar
o detectar la Señal Modulante
en todo el rango de frecuencias disponibles en el equipo.
2.2.11 FILTROS PASA BAJOS
La frecuencia de corte escogida para el primer filtro es igual a
la máxima frecuencia que
entrega el Generador de Modulante (20KHz), mientras que la
frecuencia de corte del Segundo
filtro disponible es menor . El grado del filtro tomando en
cuenta la relativa cercanía entre la
Portadora y la máximo Modulante debería ser tres. Para alcanzar
con mayor facilidad el filtro
deseado se propone ? así como en las demás etapas del equipo, la
utilización de elementos
activos e integrados.
2.2.12 FUENTE DE POLARIZACIÓN.
A partir de una alimentación de 110 Yac (normales en cualquier
toma comente)., se propone la
utilización de dos voltajes de polarización +Ycc(10Y)
y-Vcc(-lOV).
Se sugiere para la polarización de los circuitos del equipo una
fuente interna la cual pueda
entregar valores de voltaje DC desde +/- 12Y hasta +/- 1Y para
permitir la calibración a gusto
y conveniencia de las fuentes de polarización para los Circuitos
Integrados y demás elementos
de la tesis.
Se estima que la fuente en total pueda entregar hasta 100 mA con
lo cual perfectamente se
podrían polarizar todos los circuitos del equipo didáctico.
Definitivamente, para construir la fuente, se ha planea utilizar
dos Circuitos Integrados
Reguladores de Yoltaje el primero de -J-12Y y el segundo de
-12Y. Luego simplemente se
manipularía estos voltajes para poderlos hacer variables. Dado
que la fuente de polarización
sería interna, todas las conexiones necesarias para la
polarización de los elementos del equipo
se realizarían dentro del equipo.
Además se sugiere que se trate de simplificar el diseño de la
fuente con la utilización de un
transformador reductor.
-
32
2.2.13 TABLA RESUMEN DE CARACTERÍSTICAS PROPUESTAS.
TABLA 2.1. Descripción de valores propuestos de
funcionamiento.
BLOQUE
GeneradorModulante
GeneradorPortadora
AM7GC
AM7DBL
FM
PWM
PPM
PM
FPB.
FUENTES
AMPLITUD
0 - 2 Vpp
0-1.5Vpp
2Vpp
2 Vpp
1.5 Vpp
+Vcc- 0 V.
+Vcc- 0 V
3 Vpp
Av=l
0 -+/-12Vdc
FRECUENCIAKHz
200 Hz - 20 KHz.
25K- 200 KHz.
200
200 KHz
150-250 KHz
200 KHz
200 KHz
200 KHz.
fc=20KHz.
VARIACIÓNPARÁMETRO
0
-
CAPITULO III
DESCRIPCIÓN Y DISEÑO DE ETAPAS
CONTENIDO:
OBJETIVO CAPÍTULO UL
3.1 ETAPA DE GENERACIÓN DE SEÑAL MODULANTE
3.2 ETAPA DE GENERACIÓN DE SEÑAL PORTADORA.
3.3 ETAPA PARA MODULACIÓN EN AMPLITUD
3.3.1 MULTIPLICADOR ANALÓGICO.3.3.2 ETAPA AMDBL
3.5.2.7 MODULADORAM/DBL3.3.2.2 DEMODULADORÁM/DBL3.3.2.3 FILTRO
PASA BAJOS
3.3.3 ETAPA AM/GC.3.3.3.1 MODULADOR AM/GC.3.3.3.2 DEMODULADOR
AM/GC.
3.4 ETAPA PARA MODULACIÓN EN FRECUENCIA
3.4.1 MODULADOR EN EM3.4.2 DEMODULADOR PM
3.5 ETAPA DE MODULACIÓN EN FASE
3.5.1 MODULADOR PM3.5.2 DEMODULADOR PM
3.6 ETAPA PWM
3.6.1 MODULADOR PWM.3.6.2 ESTRUCTURA DE CITEMPORIZADOR.3.6.3
DEMODULACIÓN PWM.
3.7 ETAPA PPM.
3.7.1 MODULADORPPM3.7.2 DEMODULACIÓN PPM
3.8 FUENTE DE POLARIZACIÓN.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS CAPITULO
33
-
34
OBJETIVO CAPITULO
En el presente capítulo se describen todos los circuitos
incluidos en el Equipo didáctico para
Modulación y Demodulación.
Se ha introducido en este capítulo una definición de etapa
buscando mantener una misma
forma de tratamiento de los distintos de procesos de Modulación
y Demodulación
construidos. De ese modo, al referirse a una etapa cualquiera,
se abarca al total de circuitos
necesarios para las observaciones en dicha forma o tipo de
Modulación.
Este tratamiento adoptado para la descripción y el diseño de
cada una de las formas de
Modulación permite el análisis de un Sistema Total (básico) de
comunicación en AM/GC,
AM7DBL, KM, PM PWM o PPM, de no haberse utilizado este método,
se habría perdido la
noción de Sistema de Comunicación, y en su lugar primaría el
simple análisis individualizado
de cada uno de los circuitos construidos en el equipo sin tomar
en cuenta que dichos circuitos
tienen su razón de ser en función de un gran objetivo, el de
comunicación de datos, en este
caso específico de Audiofrecuencia.
-
35
3.1 ETAPA DE GENERACIÓN DE SEÑAL MODULANTE.
Para generar la Señal Modulante se ha utilizado el CI ICL8038 o
NTE864 o ECG864
[Generador de Formas de Onda de Precisión] [1] .Este CI permite
generar ondas de varias
frecuencias y formas, entre ellas: sinusoidal, triangular.,
diente de sierra, cuadrada. La forma de
onda a utilizarse, es criterio del usuario y depende de la
necesidad del mismo.
Dado que el CI ECO 864 se utiliza tanto para generar la Señal
Portadora como la Señal
Modulante, a continuación se describe el funcionamiento interno
del mismo. Para el efecto se
analiza la figura 3.1 la cual presenta en bloques las partes del
CI.
Vcc
- Vcc o GND
Figura 3.1 Circuito Integrado ECG 864. Diagrama explicativo de
los componentes
internos del Circuito Integrado ECG 864.
El CI 864 está compuesto internamente de dos fuentes de comente
de valores I y 21, las cuales
alimentan al capacitor externo C, la conexión de una u otra
fuente está gobernada por la
salida de un Flip — ñop, el cual a su vez, cambia su estado en
función de las salidas de dos
comparadores cuyas entradas dependen del nivel de voltaje sobre
el mismo capacitor C.
Suponiendo como estado inicial al interruptor abierto, el
voltaje sobre el capacitor C, debido al
efecto de la fuente de corriente de valor I (mirar figura 3.2),
crece linealmente en el tiempo
hasta alcanzar un nivel de 2/3 Vcc instante en el cual cambia la
salida de uno de los
comparadores resultando también un cambio en el estado de la
salida del Flip ñop, por lo que
-
el interruptor que hasta el momento se encontraba abierto,
cambia a cerrado permitiendo que
la fuente de corriente de valor 21, descargue linealmente al
Capacitor C, dicha descarga se
lleva a cabo a un valor de corriente resultante de: -21 +1 = -I
(igual a la comente de carga), esa
es la razón por la cual la forma de onda resultante sobre el
capacitor externo C sea una Señal
Triangular simétrica, la descarga se efectua.hasta el valor-de
1/3 Vcc, cuando el voltaje sobre
el capacitor C de la figura 3.1 llega a dicho voltaje, la salida
de uno de los comparadores
cambia ocasionando un cambio de estado del F/P y, por tanto la
desconexión del interruptor,
de ese modo termina el ciclo de generación de la onda
triangular, este ciclo se ilustra en la
figura 3.2.
Vcc
2/3 Ycc
1/3 Vcc
ti Í2 Í3 t
Figura 3.2 Generador Funciones. Comportamiento del voltaje sobre
capacitor de
carga en el CI 8038para dos valores distintos de Magnitud de
Corriente de carga.
Si el valor de la corriente de carga se disminuye (en figura 3.2
1\ I2)9 además
considerando que los niveles máximo y mínimo de Voltaje de
cambio de carga a descarga
sobre el capacitor se mantienen, el tiempo que le toma al
voltaje el alcanzar dichos valores
es superior al tiempo inicial (t2-ti debido a Ii) porque la
comente es menor, se logra de ese
modo disminuir el período de la señal triangular (t3-ti) y por
tanto la frecuencia de la Señal
Generada.
Para obtener FM se puede cambiar la magnitud de la corriente de
carga del Capacitor en
función de la señal Modulante, así la frecuencia de salida es
proporcional a la Modulante,
este método es el utilizado para generar FM en el presente
equipo.
-
Ingresando la Señal triangular obtenida de ese modo a un
amplificador de corriente, ya se
tiene la Salida Triangular del Circuito Integrado (pin3). Luego,
se ingresa la señal
triangular a una red no lineal convertidora senoidal (fabricante
no proporciona mayor
información sobre como funciona la red no lineal) para obtener
así la onda Senoidal, la
cual se presenta en el pin 2. La salida cuadrada se obtiene
directamente del Flip flop y a
través de un amplificador de corriente (buffer) adecuado se
presenta en salida a Colector
abierto (pin 9).
Para Generar la Señal Modulante se ha utilizado el circuito de
la figura 3.3, en donde se
controla la frecuencia de la señal de salida cambiando el valor
del potenciómetro K2 del
circuito, dicho potenciómetro proporciona un voltaje DC en el
pin 8 de CI, que a su vez,
determina las magnitudes de corriente de carga y descarga del
capacitor GI? de la figura 3.3,
variando de este modo la frecuencia del circuito. La variación
de la frecuencia de salida se da
en torno a la frecuencia de trabajo fijada con los valores fijos
de R33, R34 y C17.
+10
2 68uF
MODULANTEEXTERNA
8 MODULANTE
LF347
Controlde
Amplitud de
Modulante
Figura 3.3. Generador de Modulante. Circuito que permite
variación de frecuencia y
amplitud de la Modulante en sus tres formas: Triangular,
senoidal y cuadrada
Se ha utilizado básicamente el circuito propuesto como Generador
de Audio por el fabricante,
sin embargo, se le han hecho varios cambios que permiten
facilitar el control de frecuencia,
-
38recortar la salida cuadrángula^ permitir variación de la
amplitud y admitir el ingreso de una
señal externa.
Dado que la salida senoidal del CI utilizado presenta una
relativamente alta impedancia de
salida (Ro = 1K^> )5 se debe incluir en el circuito un
Amplificador seguidor de voltaje para
incrementar la capacidad de manejo de corriente, esto utilizando
el CI LF347N [Cuatro
amplificadores operacionales JEET], los valores de Ro para el
Amplificador operacional son4
en efecto inferiores.
La red formada por el potenciómetro R31 y la resistencia R32
permite eliminar la distorsión de
la salida en bajas frecuencias. El diodo DI, baja la
polarización del CI, permitiendo que el
voltaje de barrido que controla la frecuencia de oscilación del
generador (pin 8), pueda
alcanzar valores tales para lograr la frecuencia de 20 KHz. La
forma inicial de onda cuadrada
entregada por el ICL8038 toma los valores de +VCC y -VCC, dichos
valores son excesivos
para el equipo, por lo que se los ha recortado utilizando la red
formada por los diodos Zener y
las resistencias R35 y R36.
Los selectores SI, S2 y S3 permiten escoger la forma de onda de
la señal Modulante en el
equipo entre Senoidal, triangular y cuadrada, además a través de
S3 se permite el ingreso de
una señal extema y también de la posibilidad de eliminar la
Salida Modulante (OFF).
En realidad, el interruptor SI y el S2 son uno solo de doble
contacto de modo que se activa la
salida cuadrada solo cuando se la necesita.
Los elementos: R2 (Control de frecuencia), la entrada MODULANTE
EXTERNA, la salida
titulada como MODULANTE, SI, S2, S3, R75 (Potenciómetro), se
encuentran en la parte
superior del equipo (exterior), al alcance del operador del
equipo.
3.2 ETAPA DE GENERACIÓN DE SEÑAL PORTADORA.Para el caso del
Generador de Portadora, se na utilizado la configuración de la
figura 3.4, la
que permite mediante el potenciómetro doble (Control de
Frecuencia), cambiar la frecuencia
de oscilación del elemento y del mismo modo con el potenciómetro
Rl 8, se puede variar su
amplitud. Las dos fuentes de comente que se incluyen en el
diagrama 3.1, fijan sus valores de
corriente en función de las resistencias colocadas entre los
pines 4 (Ra) y 5 (Rb) con respecto a
Vcc. A través de R^ * se carga el capacitor CI 8 (gráfico 3.4),
y a través de R^, se descarga dicho
capacitor, luego si se cambia alguno de estos valores se
cambiará también el valor de las
* En el circuito construido se cumple que R* = R16 + R42 + AR40
y Rb = R17+R41+AiR40.
-
39magnitudes de las comentes antes mencionadas con lo que se
puede cambiar también el valor
de la frecuencia del circuito.
Se tiene a disposición tres formas de onda a la salida del
generador (sinusoidal, cuadrada y
triangular), la primera se utiliza como Portadora en AM, DBL; EM
y PM, la segunda como
señal de reloj para PPM y PWM, y la tercera como señal básica
para generar la señal de
Sincronismo.
Utilizando la relación que resulta del calculo de comentes en el
CI, se obtiene para la
10v O
R39
7
81P* C192 0.47u1
> R75> 9K>[2
da
<
4
>
4
101
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K1t
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I ^^
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ICL8038
=14320K
VCC
OK Salí.
"•GK < MODFV
<
<
1] —
1 — f"VÍ
2 0.1UF PPVCC
R80 <10K /
4c SINC
2 i/1 Ql
R19 2N3904
U4B
PORTADOR;
LF347
Figura 3.4 Generador de Portadora. Diagrama circuital del
Generador de Portadora
frecuencia en esta configuración la siguiente ecuación:
[3.1]
En la relación [3.1] R es Ra o Rb (para valores de Ra = Rb), y
Ci es el capacitor de carga y
descarga del circuito 3.3 (C18).
Fijando el valor del capacitor sin tomar valores demasiado
grandes y sirviéndose de algún
elemento disponible.
-
40Sea Cl= 1.5 nF y f = 200 KHz.
Entonces: R=1KQ.
Dado que la frecuencia va a ser variable, se toma como valor
fijo mínimo R = 1KQ calculado
porque la frecuencia es inversamente proporcional al valor de R,
por lo tanto el máximo f será
200 KHz y mediante el potenciómetro se puede disminuir ese
valor.
El valor más cercano de potenciómetro superior a 1K es 10K, de
manera que para evitar el
abandono de la zona frecuencias de trabajo normales, se asegura
que el valor del
potenciómetro no exceda en ningún punto de su variación al
1KQ.
El potenciómetro R40 indicado en el circuito, sirve para
asegurar la simetría de la onda
generada porque compensa pequeñas diferencias de valor entre Ra
y Rb que luego se reflejaría
como desbalance en la simetría de la onda triangular de carga y
descarga del capacitor Ci (C18
en circuito figura 3.4).
Dado que la salida sinusoidal del Generador tiene una alta
Irnpedancia de Salida (Ro^lKn),
se debe incluir un Amplificador Seguidor de Voltaje para
incrementar la capacidad de dicha
salida. Además de las Señales antes mencionadas, se genera
también utilizando este CI: la
Señal de Reloj (pin 9) salida en Colector común y la Señal de
Sincronización a través del
transistor a partir de la señal triangular entregada por el
CI.
Para la salida de reloj, la resistencia R39 limita la Comente de
salida del mismo y el
interruptor S4 activa o desactiva la antes mencionada
salida.
En lo que a la salida de Sincronismo se refiere, el transistor
Ql utiliza la salida triangular del
Circuito Integrado para generar una salida cuadrada
independiente de la señal de reloj, dicha
señal puede ser utilizada como señal de sincronismo de un
elemento externo (por ejemplo un
Osciloscopio). El transistor Ql se polariza utilizando el
Potenciómetro R19 y la resistencia
R20, además se elimina la componente de Voltaje continuo de la
salida Triangular del CI
mediante el capacitor C38.
Los elementos: POT16 - POT17 (en realidad tienen perilla de giro
común por lo que cambian
su valor simultáneamente), R18 (potenciómetro), S4, Salidas:
RELOJ, MODFM,
PORTADORA, SINCOUT.
Según datos del fabricante, el CI ICL 8038 puede generar hasta
una frecuencia máxima de
300KÜZ, sin embargo, en el rango de frecuencias que se utiliza
para el equipo construido
(200KHz), todavía se consideran despreciables o muy pequeñas la
distorsión de la salida y la
-
41no linealidad de la salida del Generador con respecto al
voltaje de control, si bien se pueden
llegar a los valores límites frecuencia de trabajo, las salidas
generadas no presentan buenas
características para su tratamiento.
3.3 ETAPA PARA MODULACIÓN EN AMPLITUD
La etapa de Modulación en Amplitud (AM); al igual que todas la
otras etapas, excepto las de
generación de señales, comprende tanto la modulación como la
demodulación en alguno de
los cinco tipos de modulación, en este caso AM, por lo tanto,
utilizando correctamente esta "
etapa ", el usuario del presente trabajo puede estudiar tanto la
modulación como la
demodulación en Amplitud.
Como se explicó en el capítulo 1, el término AM es muy general y
comprende a su vez varios
tipos de Modulación en Amplitud, en el presente trabajo, de
todas esas variaciones de AM, se
ha utilizado dos tipos de Modulación en Amplitud: AM7GC y
AM/DBL.
3.3,1 MULTIPLICADOR ANALÓGICO.
Debido a su utilización en los posteriores tipos de modulación
en amplitud, es conveniente
tratar el funcionamiento del Multiplicador Analógico LM 1496.
Para comprender el
funcionamiento del circuito multiplicador, se estudia primero el
comportamiento del circuito
diferencial de la figura 3.5 [2].
Id !c2
V
2 KVbe1 1 Vbe2
\^
lo
Figura 3.5. Circuito Diferencial. Corrientes de colector en el
Amplificador
diferencial y los voltajes base emisor presentes.
Partiendo de las ecuaciones de la Comente de Colector en función
del voltaje Base-emisor
de la juntura se tiene para los dos tran
