Transmisores

Electrónica de Comunicaciones
Curso 2009-2010
Capítulo 11
Parámetros característicos y
tipos de transmisores
1
Esquema básico funcional
Fuente
Fuente
de
deseñal
señal
Modulador
Modulador
Sintetizador
Sintetizador
de
de
frecuencia
frecuencia
Amplificador
Filtro
Filtro
paso
paso
banda
banda
Antena
Antena
Funciones Básicas
•Generación de la señal
•Síntesis de portadora
•Modulación
•Amplificación
2
Transmisores
1
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Curso 2009-2010
Parámetros característicos de un
transmisor
Señal a transmitir o señal de banda base.
Tipo y profundidad de modulación.
Frecuencia de transmisión.
Banda necesaria y Banda ocupada
Emisiones no deseadas.
Potencia de emisión.
Rendimiento.
Fidelidad.
3
Señal de banda base.
Valor medio o componente continua ⟨x(t)⟩
Potencia media Pb=⟨x2(t)⟩
Valor eficaz xef=Pb1/2
Nivel máximo o de pico de la señal xmáx=1.
Función de distribución estadística.
Función de correlación.
Transmisores
R(τ)=⟨x(t)x(t-τ)⟩
Distribución espectral de potencia.
F(x)
S(f)=F[R(τ)]
Banda ocupada por la señal en banda base. W
Frecuencia máxima de la banda base fm
4
2
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Tipo y profundidad de modulación
Forma
de mod.
Forma en el tiempo
Índice
Banda
de mod. ocupada
v ( t ) = A [1 + mx ( t ) ]cos (ω p t )
AM
v ( t ) = Ax ( t ) cos (ω p t )
v ( t ) = A [x ( t ) cos (ω p t ) ± ~
x ( t ) sin (ω p t )]
DBL
BLU
[
m
2fm
1
2fm
1
fm
]
v ( t ) = A x1 ( t ) cos (ω p t ) ± x 2 ( t ) sin (ω p t ) 1
I-Q
v ( t ) = A cos (ω p t + ∆ φ máx x ( t ) )
PM
v ( t ) = A cos  ω p t + 2 π ∆ f máx

FM
ASK
(QAM)
PSK
v ( t ) = Ap ( t ) cos (ω 0 t )
v ( t ) = Ap ( t ) cos (ω p t )
(
−∞
x ( t ) dt 

∆φ
2fm(∆φ
∆φ+1)
∆φ
∆f/fm
2(fm+∆
∆f)
p ( t ) = {0 ,1} 1
fb
P ( t ) = {− 1, + 1} π/2
fb
v ( t ) = A cos ω p t + 2π ∆ f máx
FSK
∫
t
2fm
p ( t ) = {− 1, + 1}
∫ p ( t )dt )
∆f/fb
fb+2∆
∆f
5
Banda ocupada y emisiones espurias
•
Banda
•
•
•
Anchura de banda necesaria para asegurar la
transmisión de la información.
Anchura de banda ocupada que contiene
un
porcentaje dado de la potencia media total emitida.
Radiación no esencial
•
•
Radiación armónica o en frecuencias múltiplos enteros
de la portadora.
Radiación parásita no armónica.
6
Transmisores
3
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Distribución espectral de potencia en AM
0dB
0dB
-11
-40
60dB/Dec
-28
133dB/Dec
-100
-4000
-100 -10 10
100
4000
Modelo de audio para AM
67dB/Dec
Bt
2Bt
Límite de emisión AM
7
Distribución espectral de potencia
de un transmisor.
8
Transmisores
4
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Frecuencia de transmisión
Portadora o característica
Depende de la aplicación
Estabilidad a corto plazo
Estabilidad a largo plazo
Medio
Alcance
En radio suele estar asignada y adjudicada
9
Bandas de frecuencia en comunicaciones.
Nombre más
común
VLF
Frecuencia
Alcance sobre la
Tipo de señal y modulación
Long. de onda
tierra
Y aplicaciones
3-30kHz
Global
Radiotelegrafía (ASK) Difusión
10-100km
global
LF
30-300kHz
1000-3000km
Radiodifusión de audio AM
Onda larga
1-10km
Telefonía naval
MF
0.3-3MHz
300-1000km
Radiodifusión de audio AM
Onda Media
100m-1km
HF
3-30MHz
100-300km
Radiodifusión
Onda Corta
10-100m
104Km(Ionosfera)
de audio AM, BLU por Ionosfera
VHF
30-300MHz
30-100km
Radiodifusión. Audio FM y TV,
Métricas
1-10m
Comunicación Punto a Punto
UHF
300MHz-3GHz
30-100km
Difusión TV, Radioenlaces fijos y
Decimétricas
10cm-1m
por satélite. Telefonía móvil.
SHF, Microondas
3-30GHz
30-100km
Enlaces fijos y por satélite.
Centimétricas
1-10cm
105km (Espacio) Distribución TV por satélite. Radar.
Milimétricas
30-300GHz
10-30km
Sistemas Militares.
1-10mm
104km (Espacio)
Radiotelescopios
Enlaces por satélite y entre satélites.
Sub-milimétricas 300GHz-3THz
<10km
Experimental. Investigación.
0.1-1mm
104km (Espacio)
Infrarrojo lejano
Infrarrojo
3THz-300THz
<10km
Comunicaciones de banda ancha por
10
104km (Espacio)
fibra óptica y laser
1-100µm
Transmisores
5
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Curso 2009-2010
Potencia de emisión
•
•
•
•
Potencia de portadora. Valor medio de la potencia en
ausencia de modulación.
Potencia media. Es la obtenida al promediar la
potencia entregada por el transmisor en un tiempo
grande.
Potencia en la cresta de la envolvente. Es la
potencia media en un ciclo de radiofrecuencia para el
valor máximo de la envolvente.
PIRE ó EIRP (Potencia Isotrópica Radiada
Equivalente). Es la densidad de potencia radiada en
una dirección por unidad de ángulo sólido.
EIRP(dBm) = Prad (dBm) + D antena (dBi) = Ptx (dBm) + G antena (dBi)
11
Potencia en amplificadores de RF
FRECUENCIA
COMPONENTES DE
ESTADO SOLIDO
P. MEDIA
P. DE PICO
VÁLVULAS DE VACIO
P. MEDIA
P. DE PICO
3 MHz
1kW (Bipolar)
1000 kW (Triodo)
30 MHz
300 W(Bipolar)
500 kW(Triodo)
300 MHz
100 W(Bipolar)
200kW(Triodo, TWT)
20MW
1 GHz
50 W (Bipolar)
30 kW(TWT)
20MW
3 GHz
30 W(FET)
20 kW(TWT)
10 GHz
10 W(FET)
10 kW (Klystron)
30 GHz
1 W(FET)
2 kW (Klystron)
200 kW
100 GHz
300 mW(INPAT)
100 W (Klystron)
10 kW
300 W
10MW(Magnetrón)
1 MW
12
Transmisores
6
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Rendimiento.
Ps =Potencia de señal
Pd =Potencia disipada
PDC =Potencia suministrada en DC
Ps = η PDC =
η
Pd
1−η
CLASE
R en d im ien to
P s /P d L in ea lidad
A
B
C
D
E
1 0 -5 0
5 0 -7 3
8 0 -9 0
8 5 -9 5
9 0 -9 5
0.1 -1
1-2 .5
4-1 0
5-2 0
9-2 0
M u y b u en a
B u en a
M u y m ala
M u y m ala
M u y m ala
13
Fidelidad
Distorsión
Distorsión en el proceso de modulación.
Distorsión en amplificador de potencia.
Señales espurias dentro de la banda de señal.
Mezcla de señales en transmisores con
multiplexación de canales.
Distorsión de tercer orden en amplificadores y
conversores.
14
Transmisores
7
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Transmisor homodino con
modulación a bajo nivel
MOD
x(t)
•Genera la señal modulada en baja
potencia sobre la portadora final.
•Amplifica de forma lineal (AM…)
•Amplifica de forma no lineal (FM…)
•Filtra armónicos y espurios de
modulación.
15
Transmisor homodino con modulación
a nivel alto
MODULADOR
•Genera y amplifica la portadora.
x(t)
•Genera y amplifica la señal de
modulación.
•Modula en alto nivel en un
modulador lineal de alto rendimiento.
•Filtra armónicos y espurios de
modulación.
16
Transmisores
8
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Curso 2009-2010
Transmisor Heterodino
f1
f1+f2
MOD
X(t)
f2
•Genera la señal modulada en baja potencia sobre una frecuencia
intermedia.
•Amplifica de forma lineal.
•Traslada la señal a la frecuencia de emisión en un conversor.
•Amplifica de forma lineal o no lineal hasta la potencia de emisión
17
•Filtra armónicos y espurios de modulación y conversión.
Control de ganancia en un transmisor
P1
X(t)
P2
MOD
C.A.G.
Det.
C.A.G.
Det.
•Controla el nivel de la señal de modulación para mantener el
índice de modulación adecuado.
•Controla posibles variaciones de la ganancia de la cadena
amplificadora y de conversión para asegurar el punto de trabajo
de los amplificadores de potencia y la potencia de emisión.
18
Transmisores
9
Electrónica de Comunicaciones
Curso 2009-2010
Preguntas de Test
P 11.1 La Potencia Isótropa Radiada Equivalente (PIRE) se obtiene...
a)
b)
c)
d)
Multiplicando la potencia entregada a la antena por la ganancia de la
antena.
Multiplicando la potencia entregada a la antena por la ganancia del
amplificador de salida.
Dividiendo la potencia entregada a la antena por la ganancia de la
antena.
Dividiendo la potencia entregada a la antena por la ganancia del
amplificador de potencia.
P 11.2 Una razón para introducir control automático de ganancia en un
transmisor es:
a)
b)
c)
d)
Asegurar que la potencia radiada no supera los límites legales
permitidos.
Asegurar que los amplificadores de potencia trabajan siempre en su
punto óptimo.
Evitar la aparición de arcos eléctricos en los circuitos de potencia de
salida.
Conseguir una potencia de pico lo más baja posible.
19
Preguntas de Test
P 11.3 La Potencia Isótropa Radiada Equivalente (PIRE o EIRP) es una medida
de:
a)
b)
c)
d)
La potencia total que radia la antena del transmisor.
La potencia que el transmisor entrega a la antena supuesta adaptación
perfecta de impedancias.
La potencia que radiaría una antena isótropa para generar la misma
intensidad de radiación
La densidad de potencia que produce una antena isótropa que se alimenta
con la potencia del transmisor.
P 11.4 Los ecos en un sistema de transmisión por radio generan una distorsión en
la señal que…
a)
b)
c)
d)
Transmisores
Es una distorsión lineal y se puede compensar con un ecualizador
adecuado.
Es una distorsión no lineal que no puede compensarse.
Sólo afecta a los sistemas digitales de alta velocidad.
Supone una generación de armónicos a frecuencias múltiplos de la
portadora.
20
10
Electrónica de Comunicaciones
Curso 2009-2010
Preguntas de Test
P 11.5 En el diseño de las etapas de potencia de una transmisor con modulación de
AM para transmisión de audio, la linealidad en la respuesta debe mantenerse
hasta un nivel de potencia dado por:
a)
b)
c)
d)
La
La
La
La
potencia
potencia
potencia
potencia
de portadora sin modulación.
media para una modulación sinusoidal con m= 1.
media con una modulación de audio típica..
de cresta de envolvente para una modulación de audio típica.
P 11.6 Las bandas de frecuencia de microondas...
a)
b)
c)
d)
Corresponden a frecuencias de 30 a 300 GHz.
Se utilizan para difusión con alcance global
Se utilizan para sistemas de reflexión ionosférica.
Se pueden utilizar para comunicaciones por satélite.
21
Preguntas de Test
P 11.7 Un transmisor homodino
a)
b)
c)
d)
La portadora sobre la que se produce la modulación es de frecuencia
diferente a la de emisión.
Son la mayor parte de los transmisores profesionales.
La modulación se realiza directamente sobre la portadora.
Se utiliza sobre todo para modulaciones de FM.
P 11.8 El control automático de ganancia
a)
b)
c)
d)
Se utiliza únicamente en receptores.
Asegura un nivel de señal, independiente de la fuente que genere la señal
en cada caso.
Se suele aplicar en las etapas de frecuencia intermedia.
Ninguna de las respuestas anteriores es correcta.
22
Transmisores
11
Electrónica de Comunicaciones
Curso 2009-2010
Preguntas de Test
P 11.9 La anchura de banda ocupada
a)
b)
c)
d)
Es la anchura que precisa el sistema para asegurar la transmisión de
información a la velocidad y con la calidad requerida en condiciones
especificadas.
Es la banda de frecuencias asignada al servicio en cuestión.
Es la banda de frecuencias tal que fuera de dicha banda las potencias
medias emitidas se encuentren por debajo de un porcentaje dado de la
potencia total emitida.
Ninguna respuesta es corecta.
P 11.10 Las potencias máximas de un amplificador de RF
a)
b)
c)
d)
Son menores en los componentes de estado sólido que en las válvulas de
vacío.
Aumentan al aumentar la frecuencia.
Son mayores en las válvulas de vacío, y a frecuencias altas.
Ninguna respuesta es correcta.
23
Ejercicio 11.2
El esquema de un transmisor en 2.5 GHz con modulación en QPSK responde al
diagrama de la figura, en el que se aprecia que la modulación se realiza en una
frecuencia intermedia y se obtiene la frecuencia final en un conversor. Las
especificaciones del transmisor se resumen en la lista siguiente :
Potencia de transmisión
P0=1w
Potencia a la salida del modulador
Pm=0dBm
Ancho de banda
B=8MHz
Frecuencia intermedia
fi=400MHz
Frecuencia portadora.
Variable entre 2.46 y 2.50 GHz con saltos de 4MHz
FI
Osc.
0/90
RF
+
Sintetizador
0 dBm
Modulador
Transmisores
30 dBm
24
12
Electrónica de Comunicaciones
Curso 2009-2010
Ejercicio 11.2
1. Determine la frecuencia del sintetizador y la frecuencia central y ancho de banda de los
filtros si consideramos que los dos son filtros fijos. Si el filtro de RF es de sintonía simple,
¿Qué nivel de rechazo se obtiene para la banda no deseada a la salida del conversor?
(3p)
2. Se dispone de amplificadores integrados, filtros y de conversores con las siguientes
especificaciones :
Amplificador de FI de banda ancha (10 a 500MHz)
Ganancia
10dB
Punto de compresión a 1 dB
20dBm
Punto de intersección de 3er orden
30dBm
Conversor :
Pérdidas
8dB
Punto de compresión a 1 dB
20dBm
Amplificador de RF (2.4 a 2.6GHz)
Ganancia
15dB
Punto de compresión a 1 dB
35dBm
Punto de intersección de 3er orden
45dBm
Filtros :
Perdidas en el filtro de FI
5dB
25
Pérdidas en el filtro de RF
3dB
Ejercicio 11.2
Dibuje un esquema del transmisor en el que se incluyan los diferentes amplificadores
(puede usar tantos como sea necesario) y los niveles de potencia en cada uno, de
forma que se asegure la potencia de salida. ¿Cual de ellos limitará el punto de
intersección de 3er orden del conjunto, es decir, la peor relación P/I3? ¿Cual es el punto
de intersección de 3er orden del transmisor medido a su salida? (4p)
3. La síntesis de frecuencia para el conversor se hace mediante un PLL que utiliza
como referencia un oscilador a 20MHz. Dibuje un esquema de un sintetizador con
divisores fijo y programable, teniendo en cuenta que los divisores programables no
funcionan por encima de 60MHz. Proponga una solución con un mezclador dentro del
PLL, que elimine la necesidad de utilizar divisores fijos. (3p)
26
Transmisores
13
Electrónica de Comunicaciones
Curso 2009-2010
Ejercicio 4 Sept. 2006
Un teléfono móvil UMTS que posee las siguientes características:
•Banda del enlace descendente: 2110 – 2170 MHz
•Banda del enlace ascendente: 1920 – 1980 MHz
•Separación entre portadoras: 5 MHz
•Número de portadoras: 12
•Ancho de banda de cada canal: 4500 kHz.
•Frecuencia intermedia: 70 MHz
•Modulación: QPSK
Se quiere diseñar el transmisor del teléfono siguiendo el esquema de la figura, en la que todos los
filtros son de sintonía fija.
P0 = −10 dBm L = 12.5dB
A1
L = 5dB
P1dB = 5 dBm
L = 5dB
A2
MOD
I/Q
F2
70MHz
fOL
27
Ejercicio 4 Sept. 2006
Con independencia de la posición del oscilador local con respecto a la
banda deseada:
1. Calcule las bandas que pueden ocupar los productos de mezcla no
deseados de primer orden. (3p)
2. Diseñe el filtro F2 como tipo Chebyshev con un rizado de 0.5 dB
de forma que cualquiera de los productos anteriores quede
atenuado 60dB (orden del filtro) (4p)
3. Especifique la ganancia de los amplificadores A1 y A2 para que la
potencia a la salida sea 1W (3p)
28
Transmisores
14
Electrónica de Comunicaciones
Curso 2009-2010
Ejercicio 4 Sept. 2006
L(dB)
10
100
5
90
4
3
80
70
60
50
2
40
30
20
n=1
10
0
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Log(ω’-1)
Respuesta de atenuación en la banda atenuada del filtro de Chebyshev ε=0.5dB
Transmisores
29
15