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Electrónica de Comunicaciones

Electrónica de Comunicaciones. CONTENIDO RESUMIDO: 1- Introducción 2- Osciladores 3- Mezcladores. 4- Lazos enganchados en fase (PLL). 5- Amplificadores de pequeña señal para RF. 6- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos. 7- Amplificadores de potencia para RF.

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Electrónica de Comunicaciones

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  1. Electrónica de Comunicaciones CONTENIDO RESUMIDO: 1- Introducción 2- Osciladores 3- Mezcladores. 4- Lazos enganchados en fase (PLL). 5- Amplificadores de pequeña señal para RF. 6- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos. 7- Amplificadores de potencia para RF. 8- Demoduladores de amplitud (AM, DSB, SSB y ASK). 9- Demoduladores de ángulo (FM, FSK y PM). 10- Moduladores de amplitud (AM, DSB, SSB y ASK). 11- Moduladores de ángulo (PM, FM, FSK y PSK). 12- Tipos y estructuras de receptores de RF. 13- Tipos y estructuras de transmisores de RF. 14- Transceptores para radiocomunicaciones ATE-UO EC dem AM 00

  2. Amplificador de FI (o de RF) Amplificador de banda base Demodulador Portadora modulada Información (moduladora) 7- Demoduladores de amplitud (AM, DSB, SSB y ASK). Idea fundamental: Obtener la forma de onda de la moduladora (información) de la portadora modulada, normalmente convertida a una frecuencia intermedia. ATE-UO EC dem AM 01

  3. Modulación Moduladora Portadora sin modular Portadora modulada en AM Demodulación Tipos de modulaciones analógicas de amplitud (I) Modulación de amplitud, portadora completa (AM) ATE-UO EC dem AM 02

  4. Modulación Moduladora Portadora sin modular Portadora modulada en DSB Demodulación Tipos de modulaciones analógicas de amplitud (II) Modulación en doble banda lateral, portadora suprimida (DSB, DBL) ATE-UO EC dem AM 03

  5. Modulación Moduladora Portadora sin modular Portadora modulada en USB Demodulación Tipos de modulaciones analógicas de amplitud (III) Modulación en banda lateral única, portadora suprimida (SSB, BLU). Banda Lateral Superior (USB, BLS) Una portadora de Banda Lateral Inferior (LSB, BLI) tendría el mismo aspecto (cambiaría la frecuencia) ATE-UO EC dem AM 04

  6. D + + R vdp C vpAM - vdp vpAM Demodulación de AM con detector de pico (I) ATE-UO EC dem AM 05

  7. D C1 R2 + + + + C2 vpAM vdpsc R vdp C R1 - vpAM - - Amplificador de banda base Detector de pico Filtro pasa altos vdp vpAM vdpsc vpAM Demodulación de AM con detector de pico (II) ATE-UO EC dem AM 06

  8. d[vAM(mt)] dt + penvolvente = + D R vdp C -vAM(mt) RC vpAM(mt, pt) pRC = - vpAM(mt, pt) vAM(mt) RC Demodulación de AM con detector de pico (III) Cálculo del detector de pico (I) Ecuaciones: vpAM(mt, pt) = vAM(mt)·cos(pt) vAM(mt) = Vp·[1 + m·cos(mt)] Condición de diseño: penvolventepRC Por tanto: -Vp·m·m·sen(mt)-Vp·[1 + m·cos(mt)]/(RC) -R·C·m·m·sen(mt)-[1 + m·cos(mt)] ATE-UO EC dem AM 07

  9. Demodulación de AM con detector de pico (IV) Cálculo del detector de pico (II) Partimos de: -R·C·m·m·sen(mt)-[1 + m·cos(mt)] Por tanto: R·C 1 + m·cos(mt)]/[m·m·sen(mt)] Buscamos el mínimo valor del término de la derecha, que corresponde a cos(mt) = -m Sustituyendo: R·C 1 – m2]1/2/(m·m) El peor caso será: R·C 1 – mmax2]1/2/(m max·mmax) Si m = 1 entonces la expresión anterior no se puede cumplir. Se toma mmax = 0,99. vpAM(mt, pt) ATE-UO EC dem AM 08

  10. + Vcc C1 + + + D vdpsc R vdp vpAM C R1 CR - - Lm - 1:n vpAM vdp D vdpsc G S Amplificador de FI (o de RF) Demodulación de AM con detector de pico (V) Realización práctica de un detector de pico de media onda Filtro pasa altos Detector de pico ATE-UO EC dem AM 09

  11. Detector de pico C1 + Vcc + + + D1 R vdp vdpsc vpAM C R1 - - - + CR Filtro pasa altos Lm vpAM 1:n - D2 D G S vpAM vdp vdpsc Amplificador de FI (o de RF) vpAM Demodulación de AM con detector de pico (VI) Realización práctica de un detector de pico de onda completa ATE-UO EC dem AM 10

  12. Mezclador vmez vpAM(mt, pt) vo(ot) Demodulación de AM con detector coherente (I) Principio de operación Recuerdese: cosA·cosB = 0,5[cos(A+B) + cos(A-B)] vf Señales de entrada: vpAM(mt, pt) = Vp·[1 + vm(mt)]·cos(pt) vo(ot) = Vo·cos(ot + ) Salida del mezclador: vmez = k·0,5·Vp·[1 + vm(mt)]·Vo·[cos[(p + o)t + ] + cos[(o - p)t + ]] Salida del filtro: vf = k·0,5·Vp·[1 + vm(mt)]·Vo·[cos[(o - p)t + ]] Si la señal del oscilador coincide en frecuencia y fase con la portadora, es decir,o = py = 0º, entonces: vf = k·0,5·Vp·[1 + vm(mt)]·Voque es proporcional a vm(mt) + unacomponente de continua, que se elimina como en el detector de envolvente ¿Cómo conseguiro = py = 0º? ATE-UO EC dem AM 11

  13. vpAM(mt, pt) Mezclador vfca vf vmez PLL vo(pt)  = 0º V = k() Demodulación de AM con detector coherente (II) Recuperación de la portadora vf = k·0,5·Vp·[1 + vm(mt)]·Vo vfca = k·0,5·Vp·Vo·vm(mt) ATE-UO EC dem AM 12

  14. vpAM(mt, pt) Mezclador vf vmez vo(pt) vpAM vmez(mt, 2pt) vo vf(mt) Demodulación de AM con detector coherente (III) Principales formas de onda con  = 0º Moduladora con nivel de continua ATE-UO EC dem AM 13

  15. vpAM(mt, pt) Mezclador vf vmez vo(pt) vpAM vmez(mt, 2pt) vo vf Demodulación de AM con detector coherente (IV) Principales formas de onda con  = 90º Como el valor medio de vmez es cero, no se obtiene la moduladora por filtrado ATE-UO EC dem AM 14

  16. Mezclador vf vmez vpDSB(mt, pt) vo(ot) Demodulación de DSB con detector coherente (I) Principio de operación Recuerdese: cosA·cosB = 0,5[cos(A+B) + cos(A-B)] Señales de entrada: vpDSB(mt, pt) = Vp·vm(mt)·cos(pt) vo(ot) = Vo·cos(ot + ) Salida del mezclador: vmez = k·0,5·Vp·vm(mt)·Vo·[cos[(p + o)t + ] + cos[(o - p)t + ]] Salida del filtro: vf = k·0,5·Vp·vm(mt)·Vo·[cos[(o - p)t + ]] Si la señal del oscilador coincide en frecuencia y fase con la portadora, es decir,o = py = 0º, entonces: vf = k·0,5·Vp·Vo·vm(mt) que es proporcional a vm(mt) ¿Cómo conseguiro = py = 0º? ATE-UO EC dem AM 15

  17. vpDSB(mt, pt) Mezclador vf vmez vo(pt)  = 0º 2 x2 PLL Demodulación de DSB con detector coherente (II) Recuperación de la portadora Si elevamos al cuadrado la portadora modulada DSB obtenemos: [vpDSB(mt, pt)]2 = [Vp·vm(mt)]2·[cos(pt)]2 = = 0,5·[Vp·vm(mt)]2·[1 + cos(2pt)] Existe una componente de frecuencia doble. A esta frecuencia se engancha el PLL y su frecuencia de salida se divide por 2 ATE-UO EC dem AM 16

  18. vpDSB(mt, pt) Mezclador vo(pt) vf vmez vpDSB vmez(mt, 2pt) vo vf(mt) Demodulación de DSB con detector coherente (III) Principales formas de onda con  = 0º Moduladora ATE-UO EC dem AM 17

  19. vpDSB(mt, pt) Mezclador vmez vo(pt) vf vpDSB vo vmez(mt, 2pt) vf(mt) Demodulación de DSB con detector coherente (IV) Principales formas de onda con  = 90º Como el valor medio de vmez es cero, no se obtiene la moduladora por filtrado ATE-UO EC dem AM 18

  20. Mezclador vf vmez vpUSB(mt, pt) vo(ot) Demodulación de SSB con detector coherente (I) Principio de operación (explicado para USB) La explicación se hace para una modulación de un tono único, cos(m)t . Se puede hacer para todo el espectro con la transformada de Hilbert cosA·cosB = 0,5[cos(A+B) + cos(A-B)] Señales de entrada: vpUSB(mt, pt) = Vp·cos(p + m)t vo(ot) = Vo·cos(ot + ) Salida del mezclador: vmez = k·0,5·Vp·Vo·[cos[(p + o + m)t + ] + cos[(p - o + m)t - ]] Salida del filtro: vf = k·0,5·Vp·Vo·[cos[(p - o + m)t - ]] Si la señal del oscilador coincide en frecuencia y fase con la frecuencia característica (la portadora suprimida), es decir,o = py = 0º, entonces: vf = k·0,5·Vp·Vo·cos(mt) que es proporcional al tono de modulación cos(m)t ATE-UO EC dem AM 19

  21. Demodulación de SSB con detector coherente (II) Preguntas: • ¿Cómo conseguiro = py = 0º? • ¿Qué pasa si no se cumple? Respuestas: • Para conseguir o = py = 0º hay que enviar una señal “piloto” de la portadora. No siempre se hace esto. • La señal demodulada vf = k·0,5·Vp·Vo·[cos[(p - o + m)t - ]] tiene otra frecuencia y está desfasada, pero no se cancela como en los otros casos No es tan grave. ATE-UO EC dem AM 20

  22. vpUSB(mt, pt) Mezclador vo(pt) vf vmez vpUSB vmez(mt, (2p + m)t) vo vf(mt) Demodulación de SSB con detector coherente (III) Principales formas de onda con o = p y  = 0º Moduladora ATE-UO EC dem AM 21

  23. vpUSB(mt, pt) Mezclador vf vmez vo(ot) vpUSB vo vmez((p - o + m)t, (p + o + m)t) vf((p - o + m)t) Demodulación de SSB con detector coherente (IV) Principales formas de onda con o p y  = 0º Dependiendo de la aplicación puede o no ser importante esta discrepancia Señal demodulada Moduladora ATE-UO EC dem AM 22

  24. vpUSB1 Mezclador vf vmez + vo vpUSB2 Demodulación de SSB con detector coherente (V) Problema: ¿qué pasa si hay una señal interferente en la frecuencia de la banda lateral no utilizada (banda imagen)? Señales de entrada: vpUSB1(m1t, p1t) = Vp1·cos(p1 + m1)t vpUSB2(m2t, p2t) = Vp2·cos(p2 + m2)t vo(ot) = Vo·cos(ot + ) Salida del mezclador: vmez = k·0,5·Vp1·Vo·[cos[(p1 + o + m1)t + ] + cos[(p1 - o + m1)t - ]] + k·0,5·Vp2·Vo·[cos[(p2 + o + m2)t + ] + cos[(p2 - o + m2)t - ]] Salida del filtro: vf = k·0,5·Vp1·Vo·[cos[(p1 - o + m1)t - ]] + k·0,5·Vp2·Vo·[cos[(p2 - o + m2)t - ]] Supongamos o = p1y = 0º, entonces: vf = k·0,5·Vp1·Vo·cos(m1t) + k·0,5·Vp2·Vo·cos((p1 – p2 - m2)t) Luego existe una componente indeseada a la salida del filtro ATE-UO EC dem AM 23

  25. Vp1 k·0,5·Vp1·Vo Vp2 k·0,5·Vp2·Vo 0 p2 p1 m1 (p1-p2-m2) (p2+m2) (p1+m1) 0 k·0,5·Vp1·Vo Vp1 Vp2 k·0,5·Vp2·Vo p2 p1 0 m1 (p2+m2) (p1+m1) 0 (p1-p2-m2) Demodulación de SSB con detector coherente (VI) Con un tono único: Con un espectro: Señal no inteligible ATE-UO EC dem AM 24

  26. Detector coherente Filtro a cristal vpUSB1 + Filtro de banda base vo Amplificador de FI Amplificador de banda base vpUSB2 vpUSB1 Filtro a cristal vpUSB2 p1 p2 0 Demodulación de SSB con detector coherente (VII) ¿Como eliminar una señal interferente en la frecuencia de la banda lateral no utilizada (banda imagen)? • Por filtrado de la portadora modulada • Usando un mezclador con rechazo de banda imagen (estructura I/Q) Filtrado de la portadora modulada ATE-UO EC dem AM 25

  27. vpUSB1 vf1 Señal USB/LSB vo + -/+ vs /2 vf2’ /2 vf2 vpUSB2 Demodulación de SSB con mezclador con rechazo de banda imagen (estructura I/Q), (I) Supongamos o = p1y = 0º, entonces (igual que en ATE-UO EC dem AM 23): vf1 = k·0,5·Vp1·Vo·cos(m1t) + k·0,5·Vp2·Vo·cos((p1 – p2 - m2)t) Procediendo de igual forma con el mezclador de abajo, pero teniendo en cuenta el desfase de 90º en la señal del oscilador, queda: vf2 = k·0,5·Vp1·Vo·cos(m1t - /2) + k·0,5·Vp2·Vo·cos((p2 – p1 + m2)t - /2) = k·0,5·Vp1·Vo·sen(m1t) - k·0,5·Vp2·Vo·sen((p1 - p2 - m2)t) ATE-UO EC dem AM 26

  28. Demodulación de SSB con mezclador con rechazo de banda imagen (estructura I/Q), (II) Retrasamos otros 90º vf2 para obtener vf2’ y queda: vf2’ = k·0,5·Vp1·Vo·sen(m1t - /2) - k·0,5·Vp2·Vo·sen((p1 - p2 - m2)t - /2) = - k·0,5·Vp1·Vo·cos(m1t) + k·0,5·Vp2·Vo·cos((p1 - p2- m2)t) = - k·0,5·Vp1·Vo·cos(m1t) + k·0,5·Vp2·Vo·cos((p2 - p1 + m2)t) Comovf1 = k·0,5·Vp1·Vo·cos(m1t) + k·0,5·Vp2·Vo·cos((p2 - p1 + m2)t), entonces: vs =vf1 - vf2’ = k·Vp1·Vo·cos(m1t) La opción de suma es para LSB No aparece la componente de frecuencia p1-p2-m2, que es la señal interferente ATE-UO EC dem AM 27

  29. Señal USB/LSB -/+ vs Dificultad tecnológica: realizar el desfasador de banda base vf2’ /2 vf2 Se construyen dos cadenas de desfasadores 1 y 2, con circuitos con amplificadores operacionales, tal que: 2 - 1 = /2 en toda la banda base vf1 1 Señal USB/LSB vo -/+ vs /2 vf2’ 2 vf2 Demodulación de SSB con mezclador con rechazo de banda imagen (estructura I/Q), (III) ATE-UO EC dem AM 28

  30. Error con relación a un desfase relativo de 90º 1 -/+ (con distintos valores de componentes) 2 Ejemplo de esquema real de desfasadores de audio para demodulador de SSB con mezclador con rechazo de banda imagen (obtenidos del ARRL Handbook 2001) ATE-UO EC dem AM 29

  31. Modulación 0 1 0 1 0 0 Moduladora Portadora sin modular Portadora modulada en ASK Demodulación Tipos de modulaciones digitales de amplitud (I) Modulación digital de amplitud, (Amplitude Shift Keying, ASK). También On-off Keying, OOK y Continuous wave, CW ATE-UO EC dem AM 30

  32. Modulación 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 I 0 1 0 1 0 0 Q 1 0 0 0 1 0 Moduladoras Portadoras sin modular Portadora modulada en QAM Demodulación Tipos de modulaciones digitales de amplitud (II) Modulación digital de amplitud en cuadratura, (Quadrature Amplitude, Modulation, QAM) ATE-UO EC dem AM 31

  33. + + D R vdp C vpASK - vpASK Mezclador vf vo(pt) vmez vpASK vo(pt)  = 0º PLL vmez vf Demodulación de ASK • Con detector de pico • Con detector coherente ATE-UO EC dem AM 32

  34. Mezclador vf vpASK vmez vpASK vo(ot) vo(Ot) vmez vf Demodulación de radiotelegrafía al oído Con detector coherente o detector de batido Op peroOp ATE-UO EC dem AM 33

  35. vf1 vmez1 vpQAM vpQAM vo(pt) vo(pt) Recuperada de la portadora /2 vo(pt-/2) vmez2 vf2 vmez1 vf1 I 0 1 0 1 0 0 vmez2 vf2 Q 1 0 0 0 1 0 Demodulación de QAM con detector coherente I/Q ATE-UO EC dem AM 34

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