MODULACIÓN AM Las señales de información deben

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INGENIERÍA ELECTRÓNICA
MODULACIÓN AM
Las señales de información deben ser transportadas entre un transmisor y un
receptor sobre algún medio de transmisión. Sin embargo, las señales de
información no se encuentran preparadas, en la mayoría de los casos, para
transmitirse; así se hace necesario transformar la información de su forma
original a una forma más adecuada para la transmisión cambiando una
propiedad o parámetro de una señal (portadora) en forma proporcional a la
señal de información. Esto es lo que se conoce como proceso de modulación.
El tipo de dependencia de estas señales define el tipo de modulación. En la
modulación de amplitud (AM), se hace variar la amplitud de una señal senoidal,
con frecuencia y fase fijas, en proporción a una señal dada (mensaje).
El propósito de esta experiencia es aplicar los conceptos fundamentales de la
transmisión AM así como el manejo y descripción de los diferentes tipos de
transmisión AM.
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1
MODULACIÓN AM
EXPERIENCIA N° 1
I. OBJETIVO:
Describir cada técnica de modulación AM en los dominios del tiempo y la
frecuencia, analizar su comportamiento frente a la interferencia y el ruido,
además comparar el trabajo realizado con resultados obtenidos usando el
Simulink de Matlab.
II. SUSTENTO TEÓRICO:
La modulación de amplitud (AM) es el proceso por el cual se varía la
amplitud de una señal portadora senoidal de alta frecuencia de acuerdo con
la forma de onda de la señal modulante (información o mensaje).
Para entender mejor el proceso de la modulación observaremos el caso
particular de la AM comercial:
AM Comercial
La principal aplicación que tiene la modulación de amplitud es la
radiodifusión comercial, en la cual se puede transmitir señales de audio con
una calidad aceptable y un alcance regional. La AM comercial transmite
ondas electromagnéticas con frecuencias del orden de los cientos de kHz o
kilociclos ya que es el rango de frecuencias en el cual se obtiene el mejor
desempeño posible. En el Perú la AM comercial se encuentra entre los 540
KHz a 1600 KHz,
A continuación se describe el proceso de modulación AM y el rol de cada
una de las señales que intervienen:
• Imaginemos una señal de audio, producida en una radioemisora. Esta
será nuestra señal modulante o mensaje.
• Como sabemos, en todo proceso de modulación estará presente una
señal de alta frecuencia conocida como portadora.
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• La modulación AM hará que la portadora varíe su amplitud de acuerdo a
la forma de onda de la señal modulante, y el resultado será la señal
modulada AM. Esta es la señal que es transmitida por una emisora, y
luego captada en un receptor AM.
Espectro de Frecuencias de AM
Habíamos señalado que la AM comercial se transmite en el rango de 540 KHz
a 1600 KHz,, es decir, que en esta porción del espectro electromagnético
encontraremos distintas señales AM una a continuación de otra, con una banda
de guarda o separación preestablecida necesaria para disminuir interferencias.
Observemos el comportamiento en el dominio de la frecuencia de las tres
señales que intervienen en la modulación AM:
•
La señal modulante o mensaje en AM es de bajas frecuencias y es limitada
a un determinado ancho de banda mediante el uso de un filtro.
•
La portadora es un tono senoidal de alta frecuencia.
•
La señal modulada AM viene dada por el espectro de la señal modulante
trasladada a la frecuencia de la portadora.
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MODULACIÓN AM
F
f AM (t )
t
-(? c - ? m)
- ?c
kF( 0)
(w
2
-(? c +? m)
? c- ? m
? c = frecuencia de la portadora.
? m = frecuencia máxima del mensaje
En la experiencia del laboratorio, tanto nuestra señal modulante como
nuestra ortadora serán señales senoidales, las cuales serán obtenidas de
un generador de señales. Se obtendrán, de esta forma, las siguientes
formas de onda:
Señal Portadora
1
0
-1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.3
0.4
0.5
0.3
0.4
0.5
Señal Portadora o Mensaje(Banda Base)
1
0
-1
0
0.1
0.2
Onda Modulada en Amplitud
1
0
-1
0
4
0.1
0.2
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?c
? c -? m
w
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Técnicas AM
Sin embargo, no hay una única forma de realizar modulación en amplitud, sino
que existen varias técnicas, siendo las principales las que se describen a
continuación:
Doble banda
AM
Con portadora
Sin portadora
AM-DSB-LC
AM-DSB-SC
•
Se transmite onda modulada
más portadora no modulada.
•
La portadora genera un nivel
DC que permite recuperar la
información mediante un
detector de envolvente.
•
Es la técnica utilizada en la
radiodifusión AM comercial.
•
Se deja de transmitir la
portadora para obtener
mayor eficiencia en el
consumo de potencia del
transmisor.
•
No es posible realizar
detección de envolvente.
•
La detección es síncrona.
Banda única
AM-SSB-RC
AM-SSB-SC
•
Se transmite una sola banda
lateral y la portadora.
•
Se transmite una sola banda
lateral y sin portadora.
•
Como la portadora se a tenúa •
al filtrar una banda, esta
técnica se conoce como
modulación de una sola
banda con portadora residual.
También es conocida como
modulación de banda lateral
única AM-BLU.
•
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5
MODULACIÓN AM
Índice de modulación (m)
El índice “m” expresa el grado de modulación de la portadora. Se define por
la relación:
m=
D −d
D +d
D
d
D = amplitud pico a pico de la señal AM
d = separación mínima entre los envolventes de AM
Usando el modo XY con la señal modulante en X y la señal AM en Y, se
obtiene el patrón XY con sus bases mayor y menor que miden ‘D’ y ‘d’
respectivamente. En el límite de la detección por envolvente la señal AM es
100% modulada y el patrón XY se vuelve triangular.
DEMODULACION O DETECCION DE AM
Proceso usado para recuperar la señal de información, a partir de cualquier
tipo de señal AM modulada. Hay 2 tipos de detección:
•
Demodulación síncrona o coherente requiere en el receptor una
portadora de frecuencia y fase totalmente sincronizada con la portadora
del transmisor. Este tipo de detección es complejo y costoso por lo que
sólo se usa en la demodulación de señales AM sin portadora presente.
•
Demodulación por detección de envolvente o no coherente no
requiere en el receptor una portadora sincronizada con el transmisor.
Basta un dispositivo simple que detecte la envolvente de la señal
modulada AM. Sólo se usa en señales AM con portadora presente.
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A continuación se muestra el esquema de un sistema AM con detección de
envolvente:
f (t )
f DSB(t )
m
R’
r(t )
~
f (t)
Línea de Tx
R
C
C’
k cos(ωct )
f DSB(t ) = k (1 + mf (t )) cos ωct ↔ FDSB(ω ) =
km
( F (ω + ωc ) + F (ω − ωc)) + kπ (δ (ω + ωc) + δ (ω − ωc))
2
III. MATERIAL REQUERIDO:
1
1
1
1
1
1
1
1
IV.
736 20 CF TRANSMITE R 20 KHZ (MODULADOR AM) ó
736 21 CF TRANSMITER 16 KHZ (MODULADOR AM)
736 29 SSB / DSB RECEPTOR (DEMODULADOR AM)
736 31 NOISE-SOURCES (GENERADOR DE RUIDO)
736 32 TRANSMISSION LINE (SUMADOR)
Generador de señales
Fuente de alimentación +/- 15V, 3A.
Osciloscopio digital
Conectores
DESCRIPCIÓN DE MÓDULOS
MODULADOR AM
(736 20 ó 736 21)
El panel contiene en la entrada un filtro FPB de 0,3 a 3,4 Khz. La señal
proveniente del generador de 160 Khz (señal piloto) pasa por el divisor de
frecuencia y luego por el convertidor de señales (cuadrada a senoidal) para
generar una portadora senoidal de 20 ó 16 Khz, que se mezcla en el
modulador con la señal de entrada, para obtener un tipo de señal AM.
DEMODULADOR AM (736 29)
El panel contiene un demodulador, un filtro FPB de 0.3 a 3.4 Khz, además
del generador (oscilador de cristal) de 20Khz, que posibilita la detección
síncrona.
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MODULACIÓN AM
MÓDULOS AM
+15 V
+15 V
+5 V
+5 V
AM LC
AM SC
Demodulador
AM
Señal
Filtro Pasa
Banda
160 Khz
f
Out
0.3 - 3.4 Khz
Filtro Pasa
Banda
Modulador
AM
20.3 - 23.4 Khz
16.3 - 19.4 Khz
0.3 - 3.4 khz
Cristal
Oscilador
Filtro Pasa
Banda
+
+
f/N
Cristal
Oscilador
20 Khz
0V
0V
-15 V
-15 V
Modulador AM
736 20 / 736 21
Demodulador AM
FIGURA1
8
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736 29
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CONEXIÓN AM
REPOSICIÓN
+15VD C
Señal
REPOSICIÓN
+5V D C
FIGURA 2
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MODULACIÓN AM
CONEXIÓN AM CON RUIDO
+15 V
+5 V
REPOSICIÓN
+15VDC
White Noise
G
REPOSICIÓN
+5VDC
FIGURA 3
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Pink Noise
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HOJA DE LABORATORIO
MODULACIÓN AM
APELLIDOS Y NOMBRE:
CÓDIGOS:
1. Implemente el diagrama de la figura 2 alimentando correctamente los
paneles 73620 ó 73621 (Modulador AM) y 73629 (Demodulador AM).
Antes de energizar consulte al Jefe de Práctica.
2. Conecte a la entrada del modulador AM una señal senoidal de 2Vpp y 2KHz
y verifique que se recupere la señal a la salida (punto 6) del demodulador
AM. Si no es así consulte al Jefe de Práctica.
3. Verificado lo anterior, usando el osciloscopio registre las siguientes señales:
Portadora
(inserte gráfica)
Señal modulante
(inserte gráfica)
¿Cómo se obtiene la portadora a partir del oscilador de 160 KHz?
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11
MODULACIÓN AM
MODULACIÓN AM-DSB-LC
4.
Con el switch en la posición LC en el modulador AM observe la señal AMDSB-LC (punto 1) en el tiempo y la frecuencia (use la opción FFT del
osciloscopio). Luego usando el modo XY del osciloscopio con la señal
mensaje en el canal 1 (eje X) y la señal AM en canal 2 (eje Y) observe el
patrón XY correspondiente. Varíe gradualmente la frecuencia modulante
hasta obtener un patrón XY bien definido. Grafique:
Señal AM-DSB-LC
(inserte gráfica)
D = ......................
d = .……………..
m =..........................
Espectro AM-DSB-LC
(inserte gráfica)
BW =
Patrón XY AM-DSB-LC
(inserte gráfica)
D = ......................
d = .……………..
m =..........................
¿Cambia el índice de modulación ‘m’ al variar la frecuencia
modulante?. Justifique.
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¿Cómo afecta a la señal AM y al patrón XY al aumentar
gradualmente la amplitud de la señal modulante?. Describa los
patrones XY y las respectivas formas de onda AM.
MODULACIÓN AM-DSB-SC
5.
Regrese a la señal sinusoidal original de 2Vpp y 2KHz y con el switch en
la posición SC en el modulador AM observe la señal AM-DSB-SC (punto
1) en el tiempo y la frecuencia. Luego observe el patrón XY
correspondiente. Grafique.
Señal AM-DSB-SC
(inserte gráfica)
Espectro AM-DSB-SC
(inserte gráfica)
BW =
Patrón XY AM-DSB-SC
(inserte gráfica)
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13
MODULACIÓN AM
MODULACIÓN AM-SSB-RC
6.
Regrese a la frecuencia original de 2KHz y el switch en la posición LC en
el modulador AM. Observe la señal AM-SSB-RC (punto 2) en el tiempo y
la frecuencia. Luego observe el patrón XY (cambie la frecuencia para
obtener un patrón bien definido). Grafique.
Señal AM-SSB-RC
(inserte gráfica)
Espectro AM-SSB-RC
(inserte gráfica)
BW =
Patrón XY AM-SSB-RC
(inserte gráfica)
¿Cómo afecta el filtro pasa banda a la señal AM del punto 1?
¿Cómo cambia el patrón XY al aumentar gradualmente la frecuencia
modulante?. ¿Tiene sentido calcular el índice de modulación?.
Justifique.
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MODULACIÓN BLU (AM-SSB-SC)
7.
Regrese a la señal sinusoidal original de 2Vpp y 2KHz y con el switch en
la posición SC en el modulador AM observe la señal BLU (punto 2) en el
tiempo y la frecuencia. Luego observe el patrón XY correspondiente.
Grafique.
Señal BLU (Banda Lateral Única)
(inserte gráfica)
Espectro BLU
(inserte gráfica)
BW =
Patrón XY BLU
(inserte gráfica)
¿Por qué la señal BLU consta de un solo tono de frecuencia?.
Justifique en función del espectro de frecuencias.
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15
MODULACIÓN AM
DEMODULACIÓN AM
8.
Obtenga nuevamente la señal AM-DSB-LC (punto 1) para 2 Vpp y 2 KHz
de la señal mensaje senoidal. Conecte a la entrada (punto 3) del
demodulador AM. Observe la salida demodulada AM (punto 6). Ahora
retire el cable que conecta el punto 4 con la portadora local del transmisor
y conecte los puntos 4 y 5 (portadora del demodulador AM). Grafique.
Detección AM-DSB-LC con portadora local del modulador AM
(inserte gráfica)
Detección AM-DSB-LC con portadora local del demodulador AM
(inserte gráfica)
¿Qué diferencias observa entre la señal demodulada con la portadora
del Tx y la demodulada con la portadora del Rx?. Sustente su
respuesta teóricamente.
Verifique la demodulación AM para las otras técnicas AM. Comente.
INTERFERENCIA Y RUIDO EN AM
9.
16
Implemente el diagrama de la figura 3 (agregue los módulos de
‘generador de ruido’ y de ‘línea de transmisión’). Efectúe el análisis del
efecto aditivo de ruido en cada señal AM para cada tipo de ruido (blanco,
rosado o flicker) conectado al módulo de línea de transmisión (punto 4).
Anote sus observaciones y registre los efectos de ruido para una señal AM
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en la frecuencia (punto 5) y para
correspondiente en el tiempo (punto 8).
la
salida
AM
demodulada
Un tipo de ruido (blanco, rosado o flicker) en el tiempo y en la
frecuencia
(inserte gráfica)
Efecto aditivo de un tipo de ruido (blanco, rosado o flicker) en el
tiempo y en la frecuencia
(inserte gráfica)
Observaciones:
10. Usando otro generador de señales genere un tono interferente entre 12 y
24 KHz y de 100 mV de amplitud. Conecte al punto 4 de la figura 3 en
vez del ruido. Observe el efecto del tono interferente en la frecuencia
(punto 5) y en el tiempo (punto 8):
Efecto del tono interferente en el tiempo
(inserte gráfica)
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MODULACIÓN AM
Efecto del tono interferente en la frecuencia
(inserte gráfica)
Observaciones:
SIMULACIÓN EN MATLAB
Herramientas a usar
Señales y ruido:
(Sources)
Sine Wave
Signal
Generator
Band-Limited
White Noise
Dispositivos de salida
(Blocksets&Toolboxes / Simulink Extras / Additional Sinks)
(Sinks)
Scope
Averaging
Power Spectral
Density
XY Graph
Filtros
(Blocksets&Toolboxes / DSP Blocksets / Filters / Filters Designs)
fir1
butter
Digital FIR
Filter Design
Digital IIR
Filter Design
Operadores
(Linear)
1
Gain
18
Sum
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Producto
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Usando el ‘simulink’ de Matlab y considerando un sample time de 0.01 para
todas las señales efectuar lo siguiente:
1. Implemente un modulador DSB-SC para una f(t) senoidal entre 2 y 4
rad/seg y una portadora de 16 ó 20 rad/seg. Obtenga la forma de onda y
el espectro de DSB-SC. Verifique teóricamente.
2. Con f(t) en X y DSB-SC en Y obtenga el patrón XY. Comente.
3. Con ruido blanco de 0.1 mW efectúe la detección de AM DSB SC.
Considere FPB: Digital FIR Filter Desing de orden 50 y Lower band 0.01
4. Con un tono interferente en ve z de ruido, efectúe la detección DSB-SC.
5. Usando una portadora local en el receptor con ∆ω de 2 rad/seg observe
la señal DSB-SC demodulada. Comente.
6. Implemente el sistema AM-DSB (repita los pasos de 1 a 5)
7. Implemente el sistema AM-SSB (repita los pasos de 1 a 5)
8. Implemente el sistema AM-BLU (repita los pasos de 1 a 5)
Presente todo los archivos de Matlab en disquete y copie los diagramas
completos de cada simulación en el espacio correspondiente. Todo el trabajo
debe presentarse junto con el informe final.
V INFORME FINAL
1.
Compare cada técnica AM vista en el laboratorio tanto en el tiempo
como en la frecuencia. Haga una tabla considerando 6 bases de
comparación. De una explicación teórica y práctica.
2.
¿Cuál es la utilidad del método del patrón XY?. Describa los patrones
de 2 técnicas de AM vistos en el laboratorio.
3.
En un medio con ruido altamente nocivo ¿Qué medidas tomaría con el
fin de lograr una mayor SNRo?. Haga consideraciones de costobeneficio.
4.
Describa el efecto de interferencia de un solo tono sobre uno de los
tipos de AM vistos en el laboratorio. Explique.
5.
Investigue cómo funciona la radiodifusión AM comercial.
6.
Conclusiones y observaciones.
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