Trabajo Práctico N° 9

Recepción de FM

1. Investigar y analizar una solución comercial de un sistema receptor de FM SUPERHETERODINO Estéreo, de doble conversión que trabaja en la banda Broadcasting.
Buscar algún circuito del receptor realizando el siguiente análisis técnico:

a) Dibuje el diagrama en bloques del receptor suponiendo que se utiliza un detector de cuadratura.b) Dibujar el circuito esquemático marcando cada uno de los bloques.c) Características funcionales más importantes de cada bloque que forma el sistema.

Es elegida una FI de entre 400KHz y 500KHz; y 10,5MHz - 30 MHz para los receptores de frecuencias medias.
Se calcula el valor de la selectividad para filtrar las bandas laterales junto con la FI.
Se separa la FI de la modulación mediante un detector, el cual puede ser de AM o FM.
Los bloques siguientes, que son el filtro de salida del covnersor y el amplificador de Frecuencia Intermedia, se sintonizan a una frecuencia de FI.
La banda de FM oscila entre 88MHz y 108MHz.
El valor de la FI es de 10,7MHz y el del BW es de 200KHz en la primera etapa del receptor de doble conversión.
Puede aparecer modulación en amplitud a la salida del amplificador de FI como resultado del ruido del canal.
Una vez que se pasa el bloque limitador, ya se eliminó la modualción de amplitud originada por el ruido del canal. Usualmente, el limitador se encuentra entre etapas del amplificador de FI, pero por una cuestión de simplicidad en el dibujo, se lo ha ubicado al final.
Sólo resulta necesaria la utilización del limitador en caso de que el detector de FM sea sensible a la modulación de amplitud. Si usáramos un PLL, el uso del limitador no tendría sentido alguno.
La antena capta la frecuencia de la emisora deseada además de todas las demás frecuencias de la banda. El circuito resonante de la antena es el que selecciona la emisora deseada de entre todas esas frecuencias por medio de una sección del tándem doble, atenuando las demás. Esta señal es enviada al circuito conversor en forma de señal de antena.
Separado del resto, se construye un oscilador compuesto por la otra sección del tándem. Éste oscila a una frecuencia de 455KHz más que la señal de antena. Se envía esta señal al conversor como señal de modulación de resistencia, o como es llamada generalmente, señal del oscilador local. El conversor realiza el producto de modulación de las dos señales, generándose así una poliarmónica, de la cual se extrae la señal diferencia con un filtro de 455KHz compuesto por varias etapas. Esta señal recibe el nombre de Frecuencia Intermedia (FI).
El circuito de antena es un amplificador sintonizado a la frecuencia de la emisora que se desea recibir. Para tal motivo, debe ser posible ajustarlo entre 530KHz y 1,6MHz.
Los receptores poseen una antena denominada antena de ferrite, la cual es interna. Es una bovina enrollada sobre un cilindro de ferrite de entre 100cm y 25cm de largo y 8mm a 12mm de diámetro. Mientras mayor sea el volumen de la antena, mayor será el campo electromagnético capturado por la misma.
El oscilador local oscila a una frecuencia de entre 98,7MHz y 118,7MHz.

d) Recomendaciones a tener en cuenta en el proceso de diseño e industrialización.

Es posible conseguir una sensibilidad considerablemente alta con el receptor superheterodino, debido a la gran amplificación de las tres etapas amplificadoras de FI y el amplificador de antena. Las amplificaciones calculadas en veces se multiplican, y podemos calcular que una amplificación de 100 es completamente normal en promedio para un amplificador sintonizado. Juntando tres etapas, conseguimos una amplificación total de 100*100*100=1000000, lo que significa que para una salida del diodo detector de 2V o 3V, la sensibilidad de la radio será de 2μV o 3μV.
En la realidad se da que el conversor posee una pérdida de conversión, por lo que es normal tener sensibilidades del orden de los 10μV.
Esto significa que se podrán escuchar emisoras muy lejanas a nuestra ubicación, o emisoras de baja potencia, pero también implica que las emisoras que se encuentren a corta distancia puedan saturar a los amplificadores de FI, causando que la radio funcione con distorsión.

e) Especificaciones finales del sistema.

La señal de radio requiere ser sensible sólo a una estrecha gama de frecuencias durante la mayor parte del trayecto.
La única parte que necesita ser sensible a una más amplia gama de frecuencias es la anterior a la etapa conversora, es decir, la comprendida entre la antena y el conversor.
Una buena ventaja es que se evitan los acoplamientos indebidos entre pasos, por capacidades consideradas parásitas que se generan por cales y pistas de circuito impreso. Esto se consigue porque se utiliza una frecuencia constante.
Se cree que el futuro del diseño del superheterodino está en la arquitectura de radio definida por software, donde el procesamiento de la FI luego del filtro inicial de FI se ejecuta con software.
El receptor superheterodino es un equipo en el que todas las frecuencias que se reciben son convertidas a una frecuencia más baja previo a la detección.
Tiene altas prestaciones: Alta sensibilidad y excelente selectividad en frecuencia.
Es común algunas veces usar más de una FI para superar obstáculos tales como el fenómeno que recibe el nombre de frecuencia imagen o respuesta imagen.
En estos casos, es necesario que la primera parte del receptor sea sensible a una banda de 1MHz a 30MHz, la etapa siguiente a 5MHz (1era FI) y la última parte a 50KHz (2da FI). Se utilizan dos conversores, y al receptor diseñado de esta manera se lo llaa superheterodino de doble conversión. Es frecuente la elección de 10,7MHz para la 1era FI y 455KHz para la 2da. Para conseguir 455KHz partiendo de los 10,7MHz, se mezcla la 1era FI con una señal proveniente de un oscilador local fijo a 10,245MHz. Esta frecuencia generalmente viene fijada por un cristal de cuarzo, el cual le otorga mayor estabilidad. Además, existen superheterodinos de triple, y cuádruple conversión.

2. Se sintoniza una emisora cuya frecuencia de portadora está en 104,2 MHz. Determinar la frecuencia de trabajo del oscilador local suponiendo que la primera conversión se efectúa a 10,7MHz.3. Si la segunda conversión se efectúa a una frecuencia de 455 KHz ¿Cuál será la frecuencia de trabajo del oscilador local? ¿Cuáles serían las posibles frecuencias imágenes?4. Si el receptor tuviese una etapa de audio estéreo, partiendo de la señal de transmisión explique cómo podría obtener la información del canal derecho y la del canal izquierdo. Dibuje el decodificador de FM estéreo.5. A continuación analizaremos el circuito detector de cuadratura:

-En primer lugar analizaremos la respuesta en frecuencia del detector de fase del detector de cuadratura, por lo tanto dibujaremos el circuito de la figura 2, y utilizando el instrumento Bode Plotter realizaremos una representación de la respuesta en frecuencia de la ganancia y la fase.6. Utilizando el multisim dibuje el circuito de la fig. 3 demodulador FM.a). Introduzca una señal modulada en FM con las siguientes características amplitud de la portadora 250 mV, frecuencia 455 KHz, índice de modulación mf=1, frecuencia modulante 5KHz.b). Exprese matemáticamente la señal modulada y utilizando Mathcad grafique el espectro en frecuencia de las bandas laterales significativas.7. Realice la representación en el dominio del tiempo de la señal de entrada y de salida del filtro pasa bajo de salida.

a) Graficar utilizando el programa Grapher la señal del osciloscopio de entrada del filtro pasa bajo. Completar los factores de escalas del osciloscopio utilizadas en la medición.b) Graficar utilizando el programa Grapher la señal del osciloscopio de salida del filtro pasa bajo. Completar los factores de escalas del osciloscopio utilizadas en la medición.8. En este punto analizaremos los resultados del proceso de la demodulación.

a) Mediante la utilización de software aplicado realizaremos el análisis de Fourier de la señal de salida, para comprobar el contenido armónico de la distorsión en la señal demodulada. Para ello elegiremos en la barra de herramientas del Mutisim el menú Simulate analyses, Fourier Análisis.b) Calcular el valor de distorsión armónica THD.9. Escriba la expresión matemática de la señal en la carga y realice una descripción del funcionamiento del circuito, justificando matemáticamente el proceso de la demodulación.

Expresión matemática de la señal en la carga:La señal de información original es extraída por un modulador de FM en cuadratura, en la forma de onda de IF compuesta, multiplicando a dos señales en cuadratura (90° fuera de fase). Un detector de cuadratura utiliza un desplazador de fase de 90° y un detector de producto, para demodular las señales de FM. El desplazador de fase de 90° produce una señal que está en cuadratura con las señales de IF recibidas. El circuito sintonizado convierte las variaciones de frecuencia a variaciones de fase y el detector de producto multiplica las señales de IF recibidas por la señal de IF desplazadas en fase.
El voltaje de salida del detector de producto es proporcional a la diferencia de fase entre las dos señales de entrada. Se expresa matemáticamente como:Si lo sustituimos en la identidad trigonométrica para el producto de una onda seno y coseno de frecuencias iguales obtenemos:Y luego de filtrar la segunda armónica, queda:10. Redacte las conclusiones finales del TP haciendo una síntesis sobre los resultados obtenidos en el mismo.

Dando una mirada más detenida a los resultados obtenidos tras estos procedimientos, notamos que si aumentamos el índice de modulación, disminuye la potencia de la portadora aumentando así la potencia de las bandas laterales.
Los receptores que se utilizan para las señales de modualción angular son cfasi idénticos a los de la recepción AM, exceptuando el método para extraer la información de audio en la forma de onda IF compuesta.
La tensión a la salida de audio es directamente proporcional a la desviación de fase en la entrada de los receptores FM. Como la modulación en freciencia y de fase pueden darse con cualquier sistema de modulación angular, las señales de FM pueden ser demoduladas por los receptores de PM, y viceversa. Como conclusión final, podemos asegurar que los receptores con sus respectivas etapas sirven pueden ser utilizados para ambas señales.

Trabajo Práctico N° 8

Transmisión de FM

Objeto
El objeto del presente trabajo práctico es :

• Comprender los principios de la modulación angular y analizar las frecuencias instantáneas de la modulación de fase "PM" y de la modulación de frecuencia "FM".
• Analizar los diferentes casos de modulación de frecuencia, banda angosta NBFM, y banda ancha WBFM y determinar el rango de variación de la portadora modulada.
• Determinar la representración espectral de la modulación utilizando software aplicado y medir el ancho de banda.
• A partir de los valores obtenidos de potencia determine el valor del rendimiento o eficiencia de modulación del sistema.
• Realizar la construcción de un circuito modulador, basado en un circuito oscilador con diodo de capacidad variable (Varicap o varactor).
• Utilizando analizador de espectros adquirir y medir el espectro de las bandas laterales significativas a la salida del modulador y determinar la potencia transmitida, y el ancho de banda del canal ocupado variando las señales de audio.
• Extraer conclusiones analizando los resultados de las simulaciones y aplicaciones prácticas de sistemas de modulación angular.

Instrumentos a utilizar

El alumno deberá especificar todas las características técnicas del instrumental utilizado en el desarrollo del presente trabajo práctico, completando la siguiente tabla que se ejemplifica a continuación:Software aplicado:

• Multisim (versión 7).
• Mathcad

Introducción teórica
En el oscilador LC de dos terminales, la realimentación se obtiene externamente del circuito sintonizado. Los mismos presentan una resistencia negativa, tal que, en condiciones de equilibrio, anulan el efecto de la resistencia real del tanque resonante.
En esta práctica utilizaremos un circuito oscilador LC del tipo Hartley que mediante un diodo de capacidad variable convertiremos a este circuito en un modulador de FM por método directo en banda de broadcasting.
El siguiente circuito muestra el diagrama esquemático de este Oscilador.
El amplificador transistorizado proporciona la amplificación necesaria para una ganancia unitaria a la frecuencia de resonancia. El capacitor de acoplamiento Cc proporciona la ruta para la realimentación positiva, y L1 C1 forman el circuito tanque que determina la frecuencia de salida.
La figura (b) muestra el circuito equivalente en corriente continua y la figura (c) es el circuito equivalente en alterna.
En el arranque inicial del oscilador aparecen un número importante de armónicas en el colector y se acoplan mediante C2 al circuito tanque. El ruido inicial proporciona la energía necesaria para cargar a C1. Una vez que este capacitor este cargado parcialmente empieza la acción del oscilador.
El circuito tanque solamente oscilará de manera eficiente a su frecuencia de resonancia.

A continuación analizaremos el diodo de capacidad variable (Varactor o Varicap):
Toda tensión inversa provoca un aumento de la zona de carga espacial de una juntura, denominada capacidad de "transición".
Esta capacidad varía con la tensión inversa aplicada según la siguiente fórmula:
Donde:
Co = cap. con polarización nula.
Vr = tensión inversa aplicada.
Yo = potencial de contacto.
g = constante que depende del gradiente de impureza.

La zona de depleción se halla entre la zona la p y la zona n. Las regiones p y n son como las placas de un capacitor, y la zona de depleción es como el dieléctrico. Cuando un diodo se polariza en inversa la anchura de la zona depleción aumenta. Como la zona de depleción se ensancha cuando la tensión inversa aumenta, la capacidad disminuye.
El resultado es que la capacidad está controlada por la tensión.
A frecuencias más altas, el Varicap actúa igual que un capacitor variable.
Es decir, que se puede representar una juntura en inversa como:
Mientras, en un diodo convencional, el efecto capacitivo es indeseable, aquí se utiliza como reactancia variable.
(Varicap).
Rs = resistencia de contacto.

El hecho que Cd, sea función de la tensión inversa aplicada, permite implementar un modulador de frecuencia, al conectar el diodo en paralelo con el circuito tanque de un oscilador, y variar dicha tensión a la señal modulante:
La tensión inversa instantánea v(t) es la suma de una tensión continua de polarización Vo, y la señal modulante vm(t).
Co representa todas las capacitancias parásitas posibles (capacitancia distribuida del inductor, de salida del transistor oscilador y del conexionado).

A continuación haremos la descripción del circuito modulador.
Este circuito está formado por dos etapas, una de ellas es un preamplificador para micrófono, y la otra un oscilador del tipo LC con diodo de capacidad variable de manera y coma explicamos conseguimos un modulador de FM por método directo.

La etapa de entrada del modulador es un amplificador operacional TL 081, se encuentra
en configuración inversora con una ganancia de tensión suficiente para amplificar la
señal que entrega el micrófono electret.
El capacitor C1 desacopla la tensión continua de polarización del micrófono, R3 y C3
conforman un filtro pasa altos, el cual funciona realzando los agudos (altas frecuencias).
Ya que el amplificador no utiliza una fuente partida, el divisor resistivo R4 – R1, R2 sube
el offset a la mitad del valor máximo de salida (para que no recorte).
El circuito modulador por método directo utiliza un transistor NPN como oscilador Hartley
de alta frecuencia (VHF) modulado en frecuencia, tal como muestra el siguiente circuito
esquemático:
Este oscilador tiene la frecuencia dada por C8+C9 y L1.
La inductancia L1 está grabada en la plaqueta de circuito impreso, y su punto medio se encuentra conectado a masa a través del capacitor C1.
La salida del preamplificador operacional inyecta la señal de audio en el diodo varicap, el cual es capaz de modificar la frecuencia de transmisión siguiendo las variaciones de amplitud de la señal captada por el micrófono, obteniéndose una señal de FM, capaz de ser recibida en cualquier receptor de FM en una frecuencia entre 88Mhz y 108Mhz.
Los capacitores C4 y C6 desacoplan al oscilador de los ruidos provenientes de la fuente de alimentación y C2 le da estabilidad a la etapa de entrada.
El capacitor C5 cumple la función de reinyectar la corriente a la base del transistor y el capacitor C7 cumple funciones de capacitor de acople de RF.
El CHRF de 1µH impide (a modo de filtro) que la alterna se derive en la fuente de alimentación. Ni el capacitor C5 ni el CHRF cumplen funciones en la red de oscilación del circuito.
Para obtener mayor precisión en las mediciones se le ha colocado una carga en este caso capacitiva por tratarse de una antena de corta longitud.
R6 de valor elevado, impide, que las bajas resistencias internas del generador de señal modulante y de la batería carguen en exceso al circuito oscilante.
La frecuencia de trabajo del sistema oscilante estará dada por:Resulta evidente, que la variación de frecuencia, no es función lineal de la tensión aplicada, introduciéndose una inevitable distorsión en el proceso. Debido a ello, deberá limitarse la señal modulante a un valor tal que la distorsión introducida no supere un valor admisible preestablecido.

Desarrollo práctico

1. La ecuación siguiente representa una señal modulada en ángulo:Encontrar:
a) La potencia de la señal modulada.b) La máxima desviación en frecuencia f.c) La máxima desviación en fase .d) El ancho de banda.e) El diagrama en bloques del modulador utilizado.
2. Una portadora de alta frecuencia es modulada por una señal modulante :

vm (t)=Vm cos (wm.t)

Suponiendo que se modula en banda ancha expresar:
a) El ancho de banda ocupado por la señal en función kf, vm y fm, aprovechando la relación entre la desviación en frecuencia y wm.b) Si la misma portadora ahora es modulada en fase por la misma señal modulante, expresar el ancho de banda ocupado en función de kp, vm y fm.c) Sobre la base de los resultados de a y b, ¿cuál de los dos sistemas presenta una mayor variación de BW ocupado si se duplica la frecuencia de la señal modulante?El sistema que presenta una mayor variación de BW ocupado si se duplica la frecuencia de la señal modulante es la modulación de fase.

3. Se modula en frecuencia una portadora de 10 MHz y 20 dBm, con las señales modulantes que se describen a continuación:Si la constante de modulación del modulador es kf = 4 KHz/V
Calcular para cada caso, utilizando software aplicado:

1) La expresión general de vFM(t).
2) El espectro en frecuencia para las bandas laterales significativas.
3) El ancho de banda de la señal de FM.
4) La potencia de la señal de FM transmitida, suponiendo Rnor= 50 ohm.

a)
b)
c)
d)4. A continuación ensayaremos un circuito modulador, basado en un circuito oscilador con diodo de capacidad variable (Varicap o varactor).
En el oscilador LC de dos terminales, la realimentación se obtiene externamente del circuito sintonizado. Los mismos presentan una resistencia negativa, tal que, en condiciones de equilibrio, anulan el efecto de la resistencia real del tanque resonante.
En esta práctica utilizaremos un circuito oscilador LC del tipo Hartley que mediante un diodo de capacidad variable convertiremos a este circuito en un modulador de FM por método directo en banda de broadcasting.

Circuito a utilizar
a) Armar el circuito de acuerdo a la distribución de componentes que se representa en la siguiente placa impresa en escala 1 a 1, (en la hoja adjunta está el PCB para realizar la transferencia sobre la placa de cobre).b) Conectar la fuente de alimentación de 9 V, y verificar la polarización del circuito.
Anotar los valores de polarización y trazar la recta de carga estática del transistor.
Listado de componentes:Recta de carga estática:5. Graficar el espectro de la portadora sin modulación obtenido a la salida del transmisor con el analizador de espectros. Efectuar y adquirir la medición de la señal con el instrumento digital. Completar las escalas utilizadas en la medición.
Determinar el rango de variación del oscilador, ajustando el Trimer C9.Frec. de Expansión = 2500 KHz/Div

Resolución de BW = 3 KHz.

Nivel de Referencia = 0 dBm.

fp = 98,35 MHz.
fstart = 85 MHz.
fstop = 110 MHz.

6. Introducir al modulador de FM una señal modulante vimod (t) con un generador de funciones, senoidal de amplitud 200 mVpp y frecuencia 3000 Hz.
Efectuar y adquirir la medición de la señal con el osciloscopio digital. Completar los factores de escalas del osciloscopio utilizadas en la medición.7. Graficar el espectro con modulación obtenido a la salida del modulador con el analizador de espectros. Efectuar y adquirir la medición de la señal con el instrumento digital. Completar las escalas utilizadas en la medición.Frec. de Expansión = 80 KHz/Div

Resolución de BW = 3 KHz.

Nivel de Referencia = 0 dBm.

fp = 97,95 MHz.
fstart = 97,4 MHz.
fstop = 98,2 MHz.

Medir el ancho de banda del canal modulado sin distorsión.

75 KHz.

8. Repetir 6 y 7 pero introduciendo al modulador de FM una señal modulante vimod (t) con un generador de funciones, senoidal de amplitud 200 mVpp y frecuencia 15000 Hz.
Efectuar y adquirir la medición de la señal con el osciloscopio digital. Completar los factores de escalas del osciloscopio utilizadas en la medición.Graficar el espectro con modulación obtenido a la salida del modulador con el analizador de espectros. Efectuar y adquirir la medición de la señal con el instrumento digital. Completar las escalas utilizadas en la medición.Frec. de Expansión = 45 KHz/Div

Resolución de BW = 3 KHz.

Nivel de Referencia = 0 dBm.

fp = 97,84 MHz.
fstart = 97,6 MHz.
fstop = 98,05 MHz.

BW = 90 KHz.

9. Reemplazar el GAF por el micrófono y verificar la modulación de voz sin distorsión sobre un receptor de FM comercial. Como recomendación trate de sintonizar el receptor a una frecuencia en la cual no se esté trasmitiendo un programa, y calibrar el transmisor ajustando el trimer a esa frecuencia portadora. Analizar los resultados obtenidos a la entrada y a la salida del sistema cuando es transmitida una señal en banda vocal modulada en frecuencia.

10. Redacte las conclusiones finales del TP haciendo una síntesis sobre los resultados obtenidos en el mismo. Y realice los siguientes análisis que se detallan a continuación:

a) Realice una simulación asistida por PC de la etapa de audio y grafique la respuesta en frecuencia.
Diagrama del circuito eléctrico:
Respuesta en frecuencia:
b) Realice el análisis del circuito en continua y verifique los valores obtenidos en forma práctica.
c) De acuerdo a las mediciones de frecuencia de oscilación determine el valor del inductor del circuito resonante.
d) Realice una simulación de la respuesta en frecuencia asistida por PC de la red reglamentación del circuito del circuito oscilador y grafique el diagrama de Bode de módulo y fase en escala logarítmica.
e) ¿Cuánto vale la ganancia de tensión a la frecuencia de oscilación?
f) ¿Cuál es el desfasaje introducido por la red de realimentación a la frecuencia de oscilación?
g) ¿Qué sucede en el espectro cuando varía la frecuencia del generador de modulante?