Objeto
El objeto del presente trabajo práctico es:
- Analizar las características del receptor de FM y comprender los principios dela demodulación.
- Analizar las mejoras que se pueden introducir al proceso de la demodulación para recuperar la señal del mensaje con la más baja distorsión armónica.
- Investigar una solución técnica de un sistema receptor de FM comercial.
- A partir de la simulación con software aplicado analizar el proceso de demodulación de un detector de cuadratura
- Extraer conclusiones analizando las aplicaciones de sistemas de demodulación angular.
Desarrollo práctico
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.
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.
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.
FEV: ____1____V/DIV
FEH: ___200_____us/DIV
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.
FEV: ___10_____V/DIV
FEH: ____200____us/DIV
fig 3
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.
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.
FEV: ____1____V/DIV
FEH: ___200_____us/DIV
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.
FEV: ___10_____V/DIV
FEH: ____200____us/DIV
fig 3
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.
