PROYECTO TERMINAL

PROYECTO TERMINAL
YDISEÑODE TRANSMISOR
DE FRECUENCU MODULADA.”
/
Asesor: Ing. Juan Carlos SánchLz García
Alumnos:
Eréndira Ohia Juárez Vera
Enrique Rodrfguez de la Colina
Mario Antonio Bayardo Turner
FEBRERO, 95
i
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d
1. INTRODUCCI~N
2. TEMAS RELACIONADOS
2.1. FRECUENCIA MODULADA
2.2. DEENFASIS-PREENFASIS
2.3. SINTETIZADORES DE RADIOFRECUENCIA
2.4. DIVISORES PROGRAMABLES
2.5. OSCILADORES CONTROLADOS POR VOLTAJE (VCO)
2.6. PRINCIPALES TRANSMISORES DE RADIO
2.7. CIRCUITOS OSCILADORES DE..
2.7.1. CRISTAL
2.7.2. FREC. VARIABLE,
3. DESARROLLO DEL PROYECTO
3.1. DISENO
3.1.1. TRANSMISOR
ANÁLISIS POR BLOQUES: PLL, SINTETIZADOR, ETAPA DE POTENCIA
3.1.2. TARJETA
3.2. PRESENTACIÓN Y ACABADOS
3.3. MANUAL TÉCNICO BÁSICO
3.3.1. MODO DE USO DEL TRANSMISOR
3.3.2. ESPEClFlCAClONES DEL TRANSMISOR
3.3.3. ESPECIFICACIONES DE LA ANTENA UTILIZADA
3.3.4. AC LARACIONES Y RESTRICCIONES
3.4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES
3.5. IMPACTO SOCIAL
4. RECEPCIÓN Y ANTENAS
4.1 LA RECEPCI~N
4.2 LAS ANTENAS
4.3 ANTENAS PARA LA RECEPCIÓN DE FM
5. APÉNDICES
1. INTRODUCCI~N
La necesidad de comunicación en el hombre siempre ha estado latente, y en nuestros
días, es imposible concebir un mundo en el que no existan las telecomunicaciones en todas sus
variantes. La radiodifusión desde su aparición ha sido uno de los medios de comunicación más
populares en el mundo entero de a h i la idea de enfocar nuestro proyecto a los sistemas de radio,
un sistema que nos pueda proporcionar una comunicación confiable y a un bajo costo se
planteó enfoque casero; es decir no se aspiró a construir una enorme transmisora que maneje
miles de Watts en potencia radiada así como, grandes y costosas instalaciones, ya que se
pretendió que lo utilizaran pequeños grupos o instituciones con necesidades de mediana
distancia y con pocas posibilidades económicas.
En especial se pensó en un transmisor de frecuencia modulada, ya que la banda de
frecuencia destinada a este tipo de modulación todavía puede ser explotada en la ciudad de
México y no se diga en provincia o un medio rural. FM presenta una muy buena calidad de
recepción además de que hoy en día mucha gente cuenta con receptores comerciales de FM lo
que facilita el objetivo de comunicación con un bajo costo y un gran número de radioescuchas.
Otro de los objetivos planteados para la elaboración de este proyecto fue el crear un
equipo portátil, de sencillo mantenimiento y fácil de instalar, pues no se requieren
conocimientos técnicos para conectarlo.
De antemano podemos decir que el proyecto tendrá una gran aceptación ya que representa
una gran herramienta en muchas áreas. Por mencionar algunas de las áreas de aplicación
tenemos lo académico, cultural, comercial, emergencias; en fui, en todo lo que la comunicación
radiofónica nos ha beneficiado desde su aparición.
Por último podemos decir que la aportación que le proporciona al estudiante es
muchisima, ya que abre muchos de los campos de estudio de la ingeniería electrónica y permite
que se apliquen conocimientos tanto teóricos como prácticos, así como de creatividad para el
diseño de las tarjetas, del ensamblado y acabados. Introduce al estudiante en un campo tan
amplio que le llevara un largo tiempo en conocer. Pero sobre todo, existe la satisfacción de ver
funcionando el transmisor, y estar conscientes de que su uso lleva implícita una gran
responsabilidad, civil y legal.
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2 TEMAS RELACIONADOS
2.1 Frecuencia modulada (FM)
Si se consigue una onda que porte la información en forma de variaciones de frecuencia,
tendremos la frecuencia modulada. Esta variación se define como máxima desviación en
frecuencia y la velocidad con la que se produce dicha variación es directamente proporcional a
la frecuencia moduladora. El valor máximo de esta profundidad de modulación se ha
estandarizado en *75 kHz. Esta variación no es constante, sino que cambia por ser función de
la amplitud instantánea de la moduladora.
En la modulación de frecuencia, la amplitud portadora permanece constante, sea cual
fuere la frecuencia y amplitud de la señal moduladora.
En este tipo de modulación, las bandas laterales aparecen como múltiplos enteros de la
frecuencia moduladora y se sitúan a ambos lados de la portadora. Su número depende del
índice de modulación, que en este caso se define como el cociente entre la desviación de la
frecuencia central de la portadora y la frecuencia de modulación.
La frecuencia modulada puede descomponerse en varias componentes. Del estudio de la
señal modulada resulta que, en teoría, se producen un número infínito de componentes
laterales. El ancho de banda es, por consiguiente, infinito, contrariamente a lo que ocurre con
AM,en la que son sólo dos bandas de un ancho determinado.
Sin embargo, un estudio más detallado de las componentes nos permite ver que en la
práctica su amplitud decrece rápidamente según se alejan de la frecuencia de la portadora.
Tomando un número relativamente pequeño de las mismas, puede recuperarse suficiente
información como para regenerar la señal con un determinado grado de fidelidad. Cuanto
mayor número de componentes laterales se tomen, mejor calidad de reproducción obtendremos
y el ancho de banda necesitado será mayor.
Analizando el compromiso entre ancho de banda (o lo que es lo mismo, número de
canales que se permiten en una banda determinada) y calidad sonora, se deduce que con una
desviación tipica de *75 kHz es preciso un ancho de banda de 255 kHz para conseguir una
buena reproducción de la señal original (que llega hasta 15 kHz). Pero con 185 kHz no se
puede apreciar prácticamente distorsión alguna.
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Estos hechos dieron lugar a las separaciones normalizadas entre canales de 200 kI-k en
EE.UU. y 300 kHz en Europa. La difúsión de la estereofonía en FM alteró algo la normativa:
en Europa se puede mantener la separación, pero en EE.UU. se alternan los canales, con lo que
el ancho de separación queda de 400 kJ&.
En FM no ocurre como en amplitud modulada, en donde la mayor parte de la potencia
tmnsmitida se utilizaba para la portadora, sin conducir información Útil. Ahora la potencia que
se gasta en la emisión se distribuye por toda la bauda entre todas las componentes, de forma
que solo en el caso de que no se module, toda la potencia se empleará en la portadora.
Con la normatividad actual, propuesta por el CCIR (Comité Consultivo Internacional de
Radio comunicaciones), sólo la FM está en condiciones de emitir programas estereofónicos.
Aunque en EE.UU. y México se realizan emisiones experimentales de A.M. estereofónica.
La modulación de frecuencia y la de fase no son independientes, la frecuencia no puede
variar sin variar la fase y viceversa. La variación de la frecuencia de una senoidal continua en
proporción a la amplitud de una señal moduladora se llama modulación en frecuencia (FM).
Como ya vimos anteriormente, esto es un ejemplo de modulación en ángulo al igual que
modulación en fase (PM). La frecuencia instantánea es la derivada en el tiempo de la fase, por
lo que la PM y la FM están estrechamente relacionadas.
En la generación de FM hay una conversión de amplitud a frecuencia y una de
frecuencia a frecuencia. La desviación de frecuencia pico es una medida de la primera y la
frecuencia moduladora de la segunda, recalcando la relación se llama índice de modulación d
El valor de la i determina las características espectrales de la señal FM. Para los valores
de d por debajo de 0.2, la densidad espectral de una señal de FM consiste en dos bandas
laterales sobre una gran portadora lo que se conoce como FM de banda angosta. Los detalles de
espectrales para valores mayores de d llamados FM de banda ancha, y dependen de cada señal
moduladora en particular porque la generación de FM no es lineal. El ancho de banda total
puede aproximarse agregando el doble de la desviación de frecuencia pico al doble del ancho
de banda de la señal moduladora (regla de CARSON).
Cuando una señal modulada es aplicada a un modulador de FM, la frecuencia de la
portadora se incrementa durante un medio ciclo de la señal modulada y se decrementa durante
el medio ciclo de la polaridad opuesta. El cambio en la frecuencia de la portadora ("desviación
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de frecuencia") es proporcional a la amplitud instantánea de la señal modulada. La desviación
es pequeña cuando la amplitud instantánea de la señal modulada es pequeña y es la más grande
cuando la señal modulada alcanza un pico ya sea positivo o negativo.
MÉTODOS
DE FRECUENCIA MODULADA
FM DIRECTA
Un circuito simple y satisfactorio para producir FM en un transmisor amateur es el
modulador de reactancia. Este es un tubo de vacío o transistor conectado a un circuito tanque
oscilador de Radio Frecuencia (RF).
El voltaje de audio introduce através del estrangulamiento de la frecuencia de radio
variaciones en la transconductarxia de el transistor y así variaciones de la comente drenada en
RF.
El oscilador de modulación usualmente puede asegurar un alto orden de estabilidad de
portadora en relativamente bajas frecuencias. Los multiplicadores de frecuencia son usados
para aumentar la frecuencia hasta la frecuencia deseada. Un modulador de reactancia puede ser
conectado a un oscilador de cristal. La sensibilidad del modulador (el cambio de frecuencia por
unidad de cambio del voltaje modulado) sena dependiente de la transconductancia del
transistor modulador. Esto se incrementa cuando la resistencia es hecha más pequeña en
comparación con la capacitancia. Esto también se incrementa con un aumento en el radio de
inductancia en el circuito tanque oscilador. Sin embargo para más alta estabilidad de portadora
es recomendable usar un capacitor más grande en el circuito tanque, que permita la desviación
deseada y que sea almacenada mientras se guardan los limites de la operación lineal.
Un cambio en cualquiera de los voltajes del transistor modulador, causará un cambio en
la corriente de drenaje en RF y consecuentemente un cambio en la frecuencia. Sin embargo es
recomendable utilizar una fuente regulada de poder para el modulador como oscilador.
FM INDIRECTA
El amplificador de voz que nutre al modulador, es de diseño ordinario, con la excepción
de que la potencia no es tomada de él y que, el voltaje de audio requerido por la entrada del
modulador es pequeño. (solo un volt o dos para el transistor). Un segundo estado de
amplificación consiste en 2 transistores bipolares, ambos acoplados por resistencias, para esto
será más que suficiente con un cristal cerámico o un micrófono dinámico de alta impedancia.
Muchas formas de procesamiento de voz producen Útiles mejoras en el funcionamiento de
sistemas de FM.
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El proceso de recortar algunos armónicos de alto orden, los cuales pasan através de las
etapas del modulador podrían crear no deseados lados de banda. Sin embargo un filtro de audio
paso bajas, con una fkuencia de corte entre 2.5 y 3kHz se coloca por necesidad en la salida de
un recortador. Un exceso de corte puede causar distorsiones severas de las señales de voz.
Para reducir la cantidad de ruido en algunos sistemas de comunicación de FM se puede utilizar
una red de audio llamada preénfasis, proporcionando una atenuación de las frecuencias bajas de
audio, dando uniforme propagación de la energía en la banda de audio. La preénfasis aplicada a
un transmisor de FM dará la emisión de las características de desviación que presenta la PM.
2.2 DEÉNFASIS-PIU&NFASIS
Resulta que para las señales de voz y música, la mayor parte de la energía se concentra
en las frecuencias más bajas, sin embargo en la demodulación las señales de ruido crecen
parabólicamente con la fiecuencia, creando un sistema deficiente, ya que la densidad de señal
espectral es menor que la densidad de potencia espectral del ruido. Para remediar esto se
acentúan las componentes de alta frecuencia. de la señal de entrada al transmisor, antes que se
introduzca el ruido. En la salida del demodulador de FM se efectúa la operación inversa
llamada deénfasis.
Cuando se' utiliza la técnica de preénfacis-deénfasis, y si las componentes de alta
frecuencia se acentúan demasiado, el ancho de banda del espectro de FM crecerá a menos que
se reduzca td cancelando la ventaja. Haciendo análisis se llega a la conclusión de que lo más
adecuado es utilizar una combinación de modulación PM y FM. Entonces se necesita un filtro
constante para bajas frecuencias pero que en las altas se comporte como derivador.
R3
---L
DEENFASIS
Wl=l/R3C
PREENFASiS
Wl=l/RlC
W2=l/R2C
wl
T
w2
wl
La elección de w l y w2 determina las componentes que se usarán. Se propone que para
f=w1/2d es la frecuencia en la cual la señal se reduce en 3dB, para radiodifusión se toman
2. lkHz (rc=75 Os) y se supone que la densidad espectral disminuye con gran rapidez m á s allá
6
de esta frecuencia. La elección de t2=w2/2B se hace un poco por arriba de la mayor fiecuencia
de audio que se va a transmitir.
Para aumentar la relación señdruido se utiliza el llamado dénfmis. El preénfmis tiene
lugar en el emisor y consiste en aumentar en 6 dB las altas frecuencias de la señal de
información.
Esto nos permitirá colocar un filtro en el receptor, llamado de deénfmis, que atenúa estos
mismos 6 dB. Con ello se consigue una mejora en la relación señal/ruidode 10 a 12 dB.
La constante de tiempo de estos filtros debe ser la misma, tanto en el emisor como en el
receptor, y está normalizada a 75 mseg para Europa y se reducen a 25 mseg para emisiones
codificadas con Dolby.
2.3 SINTETIZADORES DE RADIO FRECUENCIA
Si se requiere cambiar la frecuencia de operación de radio los osciladores de los
receptores y transmisores locales deben ser capaces de cambiar su frecuencia.
Los circuitos analógicos conocidos como osciladores de frecuencia variable del inglés
("Variable Frecuency Oscilator" -VFO) llenaban los requerimientos hasta que los sintetizadores
de lazos de fase cerrada en inglés ("phase-locked-loop'' -PLL) representaron una técnica
alternativa factible. Los PLL son controles digitales de síntesis de pasos lineales de frecuencia,
de este modo los PLL, tienen precisión en la frecuencia debido a un oscilador de cristal que
sirve de referencia. Estos atributos no se pueden implementar con un VFO analógico
tradicional.
Un segundo tipo de sintetizadores digitales que ha encontrado camino en los equipos de
aficionados se llama director digital en inglés ("Direct Digital Synthesizer" -DDS). Los DDS e
híbridos de configuraciones DDS con PLL abren un fantástico campo para el diseño de
sintetizadores.
La tecnología digtal ofrece muchas ventajas para el control en sintetizadores, las
frecuencias pueden ser "rastreadas o sintonizadas" manualmente o através de codificadores
ópticos que rotan, o electrónicamente, através de contadores ascendentes-decendentes.
'SISTEMA DE REDUCCIÓN DE RUIDO MAS EXTENDIDO PARA APLICACIÓN EN MAGNETÓFONOS. EL
DOLBY A SE UTILIZA EN EQUIPOS PROFESIONALES, MIENTRAS QUE EL DOLBY B SE UTILIZA EN FM
PARA AFICIONADOS.
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El "número" de VFO's permitidos en un circuito de radio se limita solo por el número de
direcciones de la memoria digital que se utiliza en el sintetizador de radio. El operador puede
rastrear, sintonizar o programar una frecuencia y luego guardarla con un número digital en una
localidad de memoria. Estas ventajas pueden tenerse en los sistemas DDS y PLL.
El diseño de los sintetizadores de radio frecuencia es como cualquier otro problema de
ingeniería, para que sea óptimo se realiza basado en convenios. En suma, muchas discusiones
que envuelven un problema de ingeniería tienen implícita una discusión debida a normas o
acuerdos internacionales. Por ejemplo el DDS no es un remplazo de sintetizadores PLL, como
un desarmador no es un remplazo de un martillo. Esta es simplemente una mejor técnica en
algunos aspectos, pero no para todos los que involucra el diseño de sintetizadores,
Una breve comparación de las técnicas respectivas de las arquitecturas de los
sintetizadores DDS y PLL ayudará a esclarecer las ventajas y desventajas de ambos.
La tabla No.1 siguiente muestra algunas de las primeras consideraciones para el diseño de
sintetizadores PLL y DDS.
PLL
DDS
Hí%ridoDDS Y PLL
1.RESOLUCION DE FRLC
1.ANCHO DE BANDA
1 .ESTABILIDAD
2.PONER A TIEMPO
2. PUREZA ESPECTRAL
2. CONSUMO DE POTENCIA
3. RUIDO DE FASE
3.COSTO
4.TAMAÑO
El DDS ha generado gran revuelo porque las desventajas asociadas con los PLL
desaparecen. El ruido de fase para fmes prácticos desaparece. El tiempo de colocación se
establece típicamente por el ancho de bancia de un filtro anti-"alias"; es decir, un filtro
eliminador de ruidos de intermodulación o empalme, usualmente este tiempo se mide en
nanosegundos. La frecuencia de resoluciones se determina por un acumulador de fase de un bit
a
con la resolución típica dada en fracciones de un hertz, cada una dentro del intervalo Ultra High
Frecuency (UHF). De este modo esas tres especificaciones son mutuamente independientes.
La mayor limitación de la arquitectura de los DDS esta en la velocidad del reloj, la cual
determina el ancho de banda y la calidad de la conversión digital-analógica (DAC) lo que
usualmente determina la respuestas de frecuencias espurias.
Un reloj de más baja velocidad permite una más alta resolución en la conversión digitalanaiógica. Como con los PLL; el costo, el consumo de potencia y el tamaño pueden permitir
un compromiso menor entre las dos especificaciones.
LAZOS DE FASE CERRADA
PLL (PHASE LOCKED LOOP SYNTESIZERS)
-l
Una de las técnicas más utilizadas para sintetizadores de frecuencia es la llamada
indirecta. En este método se utilizan los PLL. La descripción de indirecta se refiere al hecho de
que la frecuencia de salida es generada por la estabilización de un oscilador controlado por
voltaje (VCO).
A continuación se muestra u11 sencillo sintetizador PLL en un diagrama a bloques.
FRECUENCIA
DE
REFERENCIA
I
h
I
FRECUENClA
SALIDA
SELECClOHAOA
FIG.2 -Cinco clcrncntos forman cl lazo: un VCO, un divisor programablc, un dctcctor de fasc, un filtro dc
lazo, y
una ficcuencia de rcfcrcncia.
9
El propósito de los sintetizadores PLL es el tomar la señal que viene del VCO, dividir la
frecuencia por medio de un integrador, y comparar ese resultado con una frecuencia de
referencia precisa y estable en un detector de fase. El detector de fase tiene una salida eléctrica
que indica diferencias de fase positivas o negativas. La salida del detector de fase es
retroalimentada hacía el VCO pasando a través de un ñltro. El trabajo del circuito es ajustar la
salida de el detector de fase a cero automáticamente. Eso significa que la salida del divisor
programable esta precisamente sobre la frecuencia de referencia. Esto puede ser descrito
matemáticamente como:
F=NFr
donde F es la frecuencia d: salida, N es el valor del divisor programable, el cual siempre
es un integrador y Fr es la frecuencia de referencia.
Dependiendo de la frecuencia de referencia, la comparación de la fase puede darse a gran
velocidad. Las correcciones de frecuencia se pueden hacer en tal porcentaje que desviaciones
de frecuencia pequeñas y rápidas tales como los ruidos de fase se puedan corregir. Una
corrección del control de voltaje puede ser hecho solamente una vez cada ciclo de la frecuencia
de referencia. Así que, las correcciones en la salida del detector de fase no son una fwición
continua, más bien es una función muestreada. La frecuencia de muestre0 es igual a la
frecuencia de referencia.
Esa señal se filtra para remover algunos componentes de la energía de la frecuencia de
referencia. No todas las frecuencias de energía se pueden remover, lo que permanece se admite
por el control de voltaje del VCO. Cualquier variación de frecuencia del control de voltaje
modula al VCO. Esta modulación provoca bandas laterales. Esas bandas laterales no solo
aparecen de las frecuencias removidas de la portadora en la frecuencia de referencia, sino
también de armónicos úe la misma frecuencia. La cantidad de energía de referencia que es
aplicada al VCO es una función del circuito filtroy del detector de fase.
El circuito de filtro tiene un efecto que no solo se debe a las bandas laterales de el
sintetizador PLL, sino también al tiempo y naturaleza del amarre.
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2.4 DIVISORES PROGRIhIABLES
Los divisores prograrnables se constituyen generalmente por contadores de circuitos
integrados. Los contadores pueden ser binarios o decimales dependiendo del origen de la
información programada. Los contadores binarios se utilizan para programación de
microprocesadores, donde hay una salida binaria. Para sistemas simples, donde la información
se capta por medio de conmutadores mecánicos un codificador programable binario-decimal
(BCD) es suficiente. Entonces, los divisores progamables binarios y BCD se usan en sistemas
sintetizadores.
La fig3 presenta un divisor programable usando un contador programable BCD.
PROGRAMACION DE U
S ENTRAOAS
La fig.4 muestra un divisor basado en un contador sincrono descendente.
PROGRAMACIÓN DE LAS ENTRADAS
ENT 0-
11
c
I k
c
2.5 OSCILADORES CONTROLADOS POR VOLTAJE
Los VCO usados para PLL pueden ser prácticamente cualquier circuito oscilador típico,
hecho con un diodo varactor, que con un circuito sintonizador permite controlar el voltaje.
-
La fig 5. (siguiente) muestra un oscilador Colpitts el cual tiene un diodo varactor.
El VCO no solo provee la salida de el sintetizador, sino que también proporciona control
para el divisor programable. Usualmente muchos buffers amplifican estados que se usan para
aislar al VCO de la salida del sintetizador tan bien hecho como el divisor programable. Los
cambios en la carga del VCO pueden causar la generación de un no deseado mido de fase.
El nivel de ruido de un sintetizador dependerá en gran medida del diseño del VCO. Un
método para reducir el ruido de fase del VCO es el utilizar dos diodos varactores encontrados
como se muestra en la fíg.5 (anterior).
12
,
Esas correcciones en el voltaje de RF en el circuito sintonizador del VCO se realizan en
el diodo varactor y.evitan el cambio en el voltaje de sintonía ver.
fig.6
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Lsi>I
A
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2.6 PRINCIPALES TIPOS DE TR4NSMISORES DE RADIO
Algunos transmisores y receptores modernos contienen solamente componentes de estado
sólido, pero todavía en la práctica se utilizan circuitos híbridos que contienen una mezcla de
tubos de vacío y semiconductores de estado activo. Normalmente, las unidades tienen
transistores, diodos y circuitos integrados sobre los conductores de estado sólido de los
transmisores. Pero uno, frecuentemente se encontrará con un manejador de etapa previa
ccmiuctor hecho con válvulas de vacío que se usara para proporcionar potencia de RF a un
amplificador de tubo de vacío.
La principal ventaja de utilizar tubos de vacío es que son menos susceptibles a daños por
exceso de corriente o problemas en la carga. Sin embargo con un diseño apropiado de los
manejadores de etapa previa de estado sólido y de los amplificadores de potencia, se podría dar
itununidad de la fallas en la salida que pudieran producir daños, proporcionando un circuito de
protección agregado en el transmisor.
Un amplificador de estado sólido es ligeramente más dificil de diseñar y tiene un
funcionamiento mejor que el del tubo de vacío con potencia equivalente. Eso es a causa de que
la pureza de las emisiones sea más dificil de conseguir cuando un transistor de estado sólido se
utiliza para potencia. Los transistores generan considerablemente más armónicos de energía que
los tubos, y son propensos a sus propias oscilaciones en bajas frecuencias en inglés ("low
frecuency" -LF), a muy bajas frecuencias ("very low frecuencies" -VLF) y a frecuencias de
audio, a menos de que se realice un buen diseño. Esto no es tan necesario para el diseño con
tubos de vacío. Si uno ignora esos problemas y se concentra principalmente en el costo de los
transistores estos tienen ventaja sobre los tubos. Otra ventaja es que los transistores pueden
hacerse funcionar con bajos niveles de voltaje, por lo que se pueden operar con la batería de un
carro o una pila fotovoltaica, en cambio los tubos de vacío necesitan alto voltaje para su
funcionamiento por lo que se requiere una estación fija o especial para operar con ellos.
Cuando el voltaje requerido es de A.C.,el costo resulta similar, pues se compara el alto
voltaje con necesidad media de comente por los tubos, contra la necesidad de los transistores
de bajo voltaje con alta comente. Los niveles de potencia de salida son superiores a los 150
watts, los transistores para amplificar potencia han llegado a ser caros porque son complejos los
requerimientos para los circuitos reguladores. Esto es porque la mayoría de los aficionados
utilizan tubos de vacío en alta potencia (HF)y (VHF)para la amplificación. Ya que el número
de transistores de potencia requeridos y las combinaciones necesarias para generar un 1KW
llegan a ser mucho más caros que los hechos con tubos de vacío para una potencia similar.
14
I
.
Los radios transmisores para frecuencias mayores a 5OMHz eran un mundo aparte de los
demás aparatos de radio transmisión, en la actualidad esa brecha se ha reducido
considerablemente gracias al progreso de los equipos.
Los transmisores básicos constan la mayoría de un solo estado, este es controlado por un
cristal, y es diseñado para ondas continuas. Este tipo de transmisores no es especialmente
adecuado para el uso en el aire porque es muy ineficiente, además es propenso a generar un
chillido de onda continua a menos que la señal sea baja. Pero el mismo circuito es enteramente
aceptado cuando es seguido de una etapa de acoplamiento (un buffer amplificador).
fig. 7
+9V(RCG.l
O
+I2V
FIC.7VFO CON BUFFER Y BUFFER AMPLIFICADOR
15
nLTñO
osc.
RECnFNMoR
DEYEDUONM
-0AtlT
+I2
I
v
I
5 6L
fig. 8 - Ejemplo de un transmisor de estado solido dc onda continua.
LOS VALORES DE U S CAPACITANCM SE E N C U E H T W
EN MICROFAMDIOS A MENOS raw SE INDIQUE,
LAS
RESISTENCIASEN OHMS. TOWS LOS LOS CAPACITORES
SON C E R h l C O S Y U S RESlSTENClAS DE 1M-WATT. 3%M
PLACA DE METALlCA A MENOS QUE SE ESPECIFIQUE OTRA
COSA
0-
BUFFER
3JO
'P?
HPO CER
**A
LI
+S A +8
dBm
*
I
c4
Fig. 9
o o1
=TOMA
-AL
- Diagrama rsquematico de un VFO Hartley de propósito generaL
El circuiío hinciona adcxuadammte a en un irdcrvalo de fiwxcncia entrr 2.5
los cornponcnta que M rnueSbM d a fig9 es(a m
C1- 1üOpF N W CERAMIC0
C2-82pF N W CERAh4lCO
C3-126pF NPO CERAMIC0
U- 366pF CAPACITOR
a IOhflIz. El intervalo de siníonia con
e 5.0 a 5.5hliiz
L1- - T U
M-IE
E S U A L T U X J L O U E IC(
C-0
T o I o c y i L WuclWU *COO% 4.D U W * O O Y A -U MI U E L T U
Q6- JFET, MPF-l02,2N4416 O SIMILAR DE
PRoe6SrrO GRAL
QICOIiIWERTA DUAL MOSFET,40673,
3N140 O SIMILAR
TZ-TRANSFORMADOR DE FERRITA I 8 WELT.
DE PRIMARIO. S V. SEC. DE AUMBRE
ESMALTADO CON CENTRO FTJ743
21- COMPUERTA 2 V k S DE FERRITA DEL
Q7. FBs3-101 O SIMILAR
2.7 CIRCUITOS OSCILADORES
2.7.1. CRISTAL
Muchos cristales de un oscilador simple pueden ser seleccionados por un medio
mecánico, y un switch debe estar apuntando en la dirección de la RF. A esto se le pueden
imponer algunas restricciones cuando se trazan los equipos. Los switches mecánicos
normalmente requieren que sean operados desde un panel frontal de un transmisor o receptor.
Ese tipo de fonnato complica las operaciones remotas. Adeinás, los swiclics directores pueden
introducir reactancias no deseadas en el cristal del circuito. Una mejor técnica se muestra en el
rircuito de la fig. 10 donde D 1 y D2 (diodos) son dos switches de alta velocidad hechos de
-1
silicio, utilizados para seleccionar dos o mas cristales desde un punto remoto.
USi
Y2
-
fig. 10 Se muestra un mttodo p a r a seleccionar entre varios cristales por medio
de dos diodos D1 Y D2 u t i l i u d o J como swicher
17
2.7.3 FRECUENCiA VARI.4BLE
La teoría y aplicación general de un oscilador de frecuencia variable es similar a la que se
utiliza en las aplicaciones de un VCO. Algunas consideraciones que se aplican a transmisores
también se aplican a receptores. Generalmente el gabinete de un transmisor es mayor que el de
un receptor, esto es porque por lo regular se disipa más potencia en el transmisor que en el
receptor, por lo que hay que poner gran cuidado en el oscilador hablando de estabilidad. Se
necesita una temperatura de compensación para los capacitores en la porción que determina la
frecuencia de el oscilador para niveles fuera de factor de estabilidad. fig. 10 y fig. 1 1
-
FIG. 11 DIAGRAMAS A BLOQUES DE VARIOS
TRANSMISORES Q U E UTILIZAN HETODOS
ESPECIFICOS DE GENERAWRES DE
FRECUENCIA
I.1.
25:
1
I.
/-
r
Fig. 11- diagrama a bloques de varios transmisores que utilizan métodos especificos para generar frecuencia
FIG. 12 DIAGRAMA A BLOQUES M UN TIPO DE TRANSMISOR DE SIMPLE BANDA LAERAI. (SSB)
BAL ’OD.
SC 0
.
FILTRO
>>
<,
t
A
l
VFO. HET.GEN
O SlNlETWWR
Fig. 12 d¡8gr:irnii
u bloques
de un t n n s m i s o r de una banda laten1 de tipo heterodino
IS
3 5 u-I
¿
+izv
35
MI(,
-O*z,ov
Fig 13 En el diagrama (A) se muestra un osciiador controlado por transistor, mientras que
n el (B) se ilustra un tipo de osciiador controlado por cristal
19
50ohms, entrada de alta impedancia, red de peénfasis, y una potencia de salida de 1 5 h W con
el objetivo de acoplarse a una etapa de mayor potencia.
Para facilitar el entendimiento del circuito y posteriormente poderle dar un mantenimiento
más rápido, se dividió en bloques, estos constan de las partes del circuito que estarían en cada
tarjeta, haciendo un diseño de tipo modular. El primer bloque que se diseño fue el de la etapa
de preénfasis, el control de modulación y el VCO (oscilador controlado por voltaje), como se
puede observar (fig. 14) la prhera etapa tiene señal de alta frecuencia por lo que se necesito
tener mucho cuidado en aislar el circuito proporcionándole una tierra a su alrededor bastante
amplia. Se procuró tener los componentes separados a una distancia considerable y cuando se
trataba de inductores y capacitores tener arreglos en los que su posición en la tageta fuera de un
ángulo de 90 grados entre ellos, esto con el objeto de no crear corrientes inducidas de una
bobina a otra o de alguna capacitancia a un inductor, en las pistas se procuró no tener puntas en
las curvas y terminales, tratando de que fueran redondas y no muy bruscas, además las pistas se
hicieron lo más p e s o posible. Todas estas consideraciones se llevaron a cabo sin afectar
considerablemente el tamaño final de la tarjeta.
El segundo bloque se adapta al primero por medio de cable coaxial con conector femenino
y va directo a lo que sería el PLL (Phase Locked Loop) sin contar el VCO que quedó en la
tarjeta anterior o bloque anterior. En esta segunda tarjeta se tiene un divisor de frecuencia que
esta compuesto de un contador CMOS, el cual se va a programar con el objetivo de cambiar la
frecuencia de operación de nuestro transmisor, que para nuestras pruebas se colocó en 90.1
MHz. La salida seleccionada del contador o divisor nombrado en el dibujo con la etiqueta de "
On" se va a un multiplicador que esta hecho a base de compuertas de tecnología TTL, a este
mismo multiplicador le llega la salida de un oscilador de cristal que también se divide con otro
contador denominado con la etiqueta de "Om"mostrado en el diagrama a bloques de la fig. 14.
Posteriormente la señal de salida del multiplicador de frecuencia se pasa por un filtro
pasa bajas y después a un sumador, en el cual se va a comparar nuestra señal con un voltaje de
referencia, que es controlado por un potenciometro de precisión aterrizado. Ya una vez
comparado estos niveles de voltaje se retroalimenta la señal a la entrada del VCO. Para el
diseño de esta segunda etapa se puede utilizar algún paquete de programación que a partir de un
diagrama esquemático se genere un diagrama de la tarjeta en base a un algoritmo de autoruta,
pero en nuestro caso se hizo manualmente para perfeccionar detalles que después beneficiarían
en tamaño y colocación de componentes en base a nuestras necesidades de acoplamiento con
las demás tarjetas.
21
c
-
DESARROLLO DEL PROYECTO
3.1 DISEÑO:
Las condiciones para comprar o diseñar un transmisor están fundamentadas en algunas
condiciones básicas por ejemplo en el costo de componentes y topología, la apariencia de uno
profesional contra uno que se vea de hechura casera, el conocimiento y la satisfacción ganadas
al construirlo, el peso de un equipo hecho contra uno simplificado comercialmente. El juicio
debe ser ajustado a cada necesidad o persona. Los transmisores caseros son por lo general más
simples de dar mantenimiento que los comerciales porque el constructor conoce bien el trazo de
los circuitos y cada estado de las funciones. Además el costo de las refacciones para uno casero
es menor que para uno construido comercialmente. Pero lo más grande de construir uno casero,
es el gran conocimiento adquirido y la satisfacción de oírse en el aire.
Para el diseño de nuestro proyecto se tomaron en cuenta varios factores que se irán
aclarando en los puntos siguientes de este trabajo, por ejemplo la fabricación de la taqeta, que
implica el paquete de computadora utilizado para hacer los trazos y otros problemas a resolver
de diseño que se plantearán en el punto 3.1.2. "TARTETA"
3.1.1. TRANSMISOR
El problema se atacó tomando en cuenta que se debería de obtener un transmisor que
fuera portátil, económico, de gran fidelidad, pero se pretendía tener una mediana potencia para
estar dentro de los límites legales para la comunicación de FM.
'El por qué del FM?, bueno la razón principal es que existen íkecuencias aún no
explotadas por ninguna transmisora comercial en la ciudad de México, y mucho menos en
zonas rurales de nuestro país. Otra razón es la buena recepción que se obtiene de una señal
modulada de FM a media distancia.
Los factores más importantes para nosotros fueron el lograr un diseño económico pero
que tuviera una muy buena transmisión, esto se logró analizando varios tipos de circuitos de los
cuales salieron los primeros prototipos de nuestro diseño, basados en transmisores utilizando
PLL ya explicado en la primera parte de este trabajo. Además para lograr la fidelidad y
estabilidad del transmisor se tomó un margen de error de st75 KHZ, impedancia de salida de
20
f
veo
do 22 MHz
CONTROL
DE
a 27MHz
1
MODULACION
22
c
w
I
ANTENA
\
En los primeros modelos para el diseño de la segunda etapa se tenían algunos problemas
para la parte de división hecha con contadores ya que se pretendía utilizar contadores binarios
de 8 bits de tecnología TTL, ya que estos presentan gran versatilidad y bajo costo, pero se
requería de una cierta lógica para inicializar a los contadores, esto implican un aumento
considerable de componentes y por lo tanto un aumento en el costo, para esta lógica de control
se penso en un diseño en base a cartas ASM pero el simple hecho de necesitar una memoria
EEPROM nos colocaba en el mismo problema del aumento en costo. Por lo anterior se optó
por utilizar un contador de tecnología CMOS de 12 bits el CD4040B con 10 que se facilita el
diseño de la tageta y disminuye su tamaño considerablemente.
De la salida del VCO viene una señal que tiene un intervalo aproximado que va desde los
22MHz los 27MHz. esta frecuencia se divide como ya se indicó por el divisor "+n" que tiene
valores que corren desde 880 hasta 1040 esto nos da un resultado de 25KHz lo que implica una
resolución de 0.2MHz en el sintonizador de fiecuencia del transmisor, este sintonizador se
programa solo por los diseñadores, para que en el caso de comercialización el usuario no tenga
que manejar variables complicadas y solo goce de los beneficios de su transmisor. El resultado
de la división se multiplica con la salida del oscilador de cristal con un arreglo circuital
retroalimentado como el que se muestra en la figura 15, el cual ya fiie dividido por un contador
TF191. Una vez multiplicadas las dos señales se pasa por un simple circuito de filtraje de aim
frecuencias y un sumador que tiene en su otra entrada un voltaje de referencia.
V+
P
fig. 15
23
Comentando la parte que conforma la tercera etapa o meta, se puede decir que contiene
un multiplicador de frecuencia, con el objetivo de elevar la frecuencia gracias a los armónicos
generados, este muitiplicador tiene un factor 4, que se logra con los multiplicadores de
frecuencia de factor dos. fig 16
Por último se tiene la etapa de potencia en la que se probaron varios tipos de transistores,
ya que no se pensó nunca en utilizar tubos de vacío para el diseño, por la desventaja que tienen
de no ser portátiles, tener menos vida útil, además de que los requerimientos de potencia no
sr3n tan grandes ya que se pretende radiar un área de aproximadamente 5 K m en condiciones
ideales, esto es, con una buena colocación de la antena de la cual se hablará más adelante,
condiciones de clima optimas, que en realidad tienen un factor de atenuación muy pequeño por
manejarse frecuencias abajo de los 500 MHz. Considerando estas variables se estima que con
una potencia efectiva de radiación de 4Watts es más que suficiente para satisfacer los objetivos
planteados.
3.1.2. TARJETA
El diseño de la tarjeta fue una buena experiencia en el sentido de buscar la manera más
económica y que nos ofreciera mayor ventaja sin requerir equipo muy sofisticado y meterse en
problemas de fabricación. Por lo anterior se llego al acuerdo de hacer un diseño de una sola
capa, con material fácil de conseguir y herramienta casera en su mayoría. El primer problema a
resolver fue el paquete a utilizar para hacer los trazos de las tarjetas. Bueno el diagrama
esquemático de los componentes se elaboró en "ORCAD" fig.17(PAG.27) en este paquete
computacional se fueron añadiendo mejoras que consisten en filtros supresores de ruido,
capacitancias para eliminar componentes de muy alta frecuencia que pudieran producir ruido de
intermodulación o espurias no deseadas, y en general todas las modificaciones que se llevaron a
cabo.
Para hacer el diagrama PCB en la elaboración de la tarjeta se probó con un paquete
llamado "PCAD"el cual dio buenos resultados por la gran variedad de opciones que se pueden
manejar, teniéndose la gran desventaja de que cuenta con un sistema de protección con llave de
acceso, por taqeta "Hardware " lo que limitó su uso a horarios restringidos así como una PC en
especial, por este motivo se buscaron otras alternativas hasta que se optó por el paquete
"TANGO PCB" fig.18 (PAG 28) el cual tiene ventanas de trabajo agradables al usuario, buena
dotación de componentes en sus librerías, así como parámetros técnicos, facilidad para
imprimir los diagramas.
24
El segundo problema a resolver fue el de los acabados que se tuvieron que dar a las
m e t a s con la finalidad de que funcionaran al primer intento. Primero, la revisión minuciosa de
la impresión del diagrama para llevarla posteriormente a su reproducción fotocromática
(fotolito) la cual tuvo un tiempo de entrega de aproximadamente 24 horas, luego el homeado
para estampar el negativo en la placa de cobre con recubrimiento de fibra de vidrio,
previamente limpiada y lijada (con lija de agua de la más delgada) tratando de no rayar la
superficie. Después se le aplicó el cloruro férrico, hasta que solo queden las pistas de cobre
deseadas. Los orificios se hiciersn con taladro de mano cuidando no dañar los bordes de cobre,
por último el montaje de los camponentes en la tarjeta y la colocación de las tarjetas en el
chasis (caja metálica) así como los conectores, estos puntos se tratarán con más detalle
posteriormente. Ya en el montaje final se cuido bien el aislamiento entre las etapas así como a
interferencias de campos magnéticos externos al transmisor. Otro punto que hay que destacar
en el montaje es el de cuidar el calentamiento de los dispositivos semiconductores utilizados, ya
que estos son susceptibles a la temperatura produciendo cambios bruscos en su hcionamiento.
3.2 PRESENTACIÓN Y ACABADOS
La presentación se basó en 2 puntos basicamente, que fuera fácil de conectar para el
usuario, es decir, que no exista posibilidad de error a la hora de hacer las conexiones, evitando
polaridades o conectores parecidos para funciones distintas, la otra fue la resistencia a un trato
duro por parte del usuario, tratando de que fuera portátil y con el menor número posible de
piezas separables, en este caso cables. En segundo plano está la estética, por lo que se colocó
una ventana con display's que indicaban la frecuencia de transmisión, así como un led
indicador de encendido-apagado, además se cuido el acabado aplicándole pintura a la caja
metálica, así como soportes de hule. El transmisor lleva con sigo una fuente regulada de voltaje
de la cual se darán especificaciones en el punto número 3.3.2.
25
c
-
26
LZ
I.,
I
r-
...
I
-
FIG.18 TRAZO DEL CIRCUITO IMPRESO, PRIAIER BLOQUE
28
3.3 MANUAL TÉCNICO BÁSICO
3.3.1. MODO DE USO DEL TRANSMISOR
El transmisor diseñado opera en la banda de radio conocida como FM (frecuencia
modulada) y la frecuencia de operación en la que se fijó es de 90.1MHz, la cual puede ser
modificada por los diseñadores. (no por el usuario). Para la recepción basta con tener cualquier
equipo comercial de radio que tenga la banda de FM
Este transmisor se alimenta, es decir obtiene su fuente de energía de una fuente regulada
de voltaje, que se proporciona con el mismo y de la cual se darán algunos datos técnicos.
(consultar el punto 3.3.2. de este manual).
Se recomienda al usuario familiarizarse con las partes de equipo antes de intentar la
instalación ver fig. 19
Fuente regulada de voltaje ---------------(punto No. 1)
Tablero indicador de frecuencia--------- ( punto No. 3)
Interruptor de apagado-encendido--------(punto No 4)
Conexión de entrada de audio---------- (puntoNo 5)
Conexión hacía la antena -------------
(puntoNo 6 )
Entrada de la fuente al transmisor -------(puntoNo 8)
Encedido-apagado de la fbente------------ ( puntoNo 9)
29
TRANSMISOR FM
ANTENA
F i g . 19
30
c
-
1. La fuente regulada (No. I) se debe conectar del extremo de la clavija a un enchufe de
casa "común y comente " 120Volts de A.C. ver fig. punto 7. El otro extremo debe ir a la
parte trasera del transmisor (punto No. 8)
2. En la entrada de audio (No. 5) debe conectarse lo que se quiera transmitir al aire por
ejemplo: tornamesa, reproductora de cassettes o discos compactos, micrófono, consola de
efectos, etc.
3. IMPORTANTE conectar la ANTENA Pdo. 6) antes de encender la fuente Y el
transmisor. cable coaxial.
4. Encender transmisor (No. 4) y fuente (No. 9) ya se tiene salida al aire, debe darse uí1
margen de aproximadamente 15 minutos para que la Fecuencia 90.1 MHz se estabilice.
3.3.2 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL TRANSMISOR
TRANSMISOR :
FRECUENCIA DE OPERACIbN
ERROR EN FREC.DE OPERACI~N
MPEDANCLA DE SALIDA
POTENCIA DE SALIDA
ENTRADA DE AUDIO
CONECTOR ANTENA
ALIMENTACIbN (salida de la fuente)
TIEMPO DE ESTABILIZACIÓN DE FREC.
TEMPERATURA DE OPERACIÓN
90.1 MHz
+b 15 KHz
50
Ohms
4 Watts
CONECTOR RCA-JACK
PARA CABLE COAXIAL
12v01ti0s - 3 Ampelios
15 MINUTOS
5 A 30 GRADOS CENTÍGRADOS
3.3.3. ESPECIFICACIONES DE LA ANTENA UTILIZADA.
Para operar el transmisor se puede utilizar cualquier tipo de antena especificada para FM.
En nuestro caso se utilizó un dipolo como se muestra en las figuras 201 (a) y (b).
20.(a)
La antena utilizada puede operar de una forma direccional o como un radiador que para
fines prácticos podríamos decir que es isotópico, claro con lugares de mayor densidad de
potencia radiada efectiva que otros, ya que este no es un radiador ideal. El patrón de radiación
para las dos configuraciones se muestra en las fig. 2 1 (a) y (b).
I
I
I
I/
I
2 i.(a)
21.(b)
32
Para la colocación de la antena hay que tener en cuenta algunas consideraciones como por
ejemplo: el colocarse en un lugar alto, no obstaculizado por paredes o árboles, tener cuidado de
no instalarlo en tomas de agua o tuberías ya que podría convertirse en un excelente pararrayos.
Por lo general los enrejados metálicos, muy comunes en las azoteas de los edificios "tendederos
de ropa" pueden llegar a causar interferencia así como cables de alta tensión, procurar no
instalar la antena cerca de estos lugares. Hemos estimado que la diferencia de transmisión entre
una antena bien instalada, tomando estas sencillas Consideraciones y una que no se ha instalado
adecuadamente, puede disminuir su eficiencia en un 30% aproximadamente. Lo que implica
una atenuación alrededor de 1SdB.
3.3.4. ACLARACIONES Y RESTRICCIONES
El transmisor puede ser mejorado en todos los aspectos, pero siendo objetivos, la principal
mejora que se le podría hacer por el momento, es el obtener mayor potencia de salida a un
menor costo, ya que obviamente se puede mejorar el diseño colocando componentes de mayor
calidad lo que repercutiría en el costo.
Se puede garantizar su buen funcionamiento, siempre y cuando se sigan las
consideraciones anteriores. No se deberán conectar las partes de manera distinta a corno se
estipuló en la sección 3.3.1. ya que muy probablemente se dañe el equipo, recordando el
conectar la antena antes de encender los aparatos ver sección 3.3.1.
En cuanto a las restricciones de uso, se debe respetar las fiecuencias asignadas por la
S.C:T. así como todas las normas de comunicaciones vigentes, quedando el uso de este
transmisor en responsabilidad exclusiva de los usuarios, deslináando de esta a los diseñadores,
ya que este es un prototipo con fines exclusivamente dicíácticos.
33
3.4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
En general se cumplieron los objetivos planteados, claro está que existen aún muchos
retos por alcanzar en cuanto a mejoras técnicas, funcionales, estéticas, económicas que sin duda
serán más fáciles de alcanzar día con día, gracias a los rápidos progresos en la ciencia y
tecnología.
,
Para evaluar el proyecto se utilizaron los aparatos proporcionados por la Universidad,
como son contadores de frecuencia, analizador de espectros, osciloscopio, con los cuales se
hicieron pruebas en las que se obtuvieron excelentes resultados en cuanto a nitidez auditiva se
refiere. Esto se comprobó transmitiendo un tono puro sacado de un generador de funciones,
además se hicieron varias pruebas en donde se dejó operando el equipo por más de 24 horas
continuas, sin presentar ninguna anomalía. Las mediciones para evaluar el alcance de la
transmisión se hicieron en varios lugares de la ciudad, lográndose resuitados satisfactorios aun
con prototipos de prueba no definitivos, para estas pruebas se utilizo un analizador de espectros
en frecuencia, receptores con sintonía analógica y digital, como también receptores portátiles
como los llamados "walkman". Lugares con condiciones adversas como son: saturación de
edificios altos en los alrededores, una no Óptima instalación de la antena, ya que había
enrejados a menos de 2 metros y a mayor altura, cables de alta tensión cercanos, el estar en una
zona con alta interferencia (zona de Polanco en la ciudad de México) teniendo a menos de
500metros una estación de radio de más de 1000 Watts de potencia radiada, se logró el no tener
interferencia perceptible con nuestro aparatos de medición, a pesar de que otros equipos
electrónicos comerciales, de marcas reconocidas internacionalmente presentaban interferencia
considerable, este resultado para nosotros fue realmente alentador.
Con la calidad de transmisión alcanzada, en estas condiciones de operación, se puede
garantizar una muy buena transmisión en zonas rurales.
3.5 IMPACTO SOCIAL
El impacto social observado h e , de una gran aceptación por parte de los usuarios, unas
de las pruebas se hicieron en la UAM-Xochimilco, donde se trabajo con compañeros
estudiantes de comunicaciones "locutores" creándose ahí los primeros pasos para lograr una
estación de radio 100% de nuestra comunidad universitaria, la mayoría de los alumnos de dicho
plantel mostraron gran interés en el proyecto, además de admiración. Otras pruebas realizadas
34
fueron hechas por jóvenes en SOLIDAMDAD quienes al igual que los anteriores mostraron
gran interés en el proyecto. Por estos motivos creemos que este proyecto tiene grandes
perspectivas; para &es educativos, de entretenimiento o comerciales. Para llegar a obtener más
satisfacciones se puede pensar en un proyecto para la fabricación en serie de estos prototipos y
su comercialización. Además existen un sin fin de proyectos afines a este, que se presentarán
en este trabajo más adelante ver sección 4.
Por último se puede concluir que para fines didicticos este proyecto abarca varias áreas
de investigación que pueden preparar convenientemente al estudiante o aficionado en la rama
de: radio comunicaciones de FM, como también en el manejo de equipo de medición,
conectores, e instalación de antenas para sistemas en general.
35
4. RECEPCI~NY ANTENAS
En una transmisión de radio las ondas pueden transmitirse de tres formas que suelen
denominarse onda de tierra, vía espacio y vía visual.
En principio, las ondas de radio se desplazan en línea recta, por lo que dos puntos quedan
enlazados cuando están uno a 1% \ i s h del otro.El término visual. se debe entender respecto a las
ondas de radio.
Por otro lado, también pcede propagarse sobre la superficie de la tierra siguiendo su
relieve. Esta es la denominada vía tierra, que se atenúa con la distancia debido a la frecuencia
de transmisión, así como a las caractensticas eléctricas de la superficie terrestre. El alcance
práctico depende mucho de la frecuencia, de la forma en que disminuye codome aumenta la
frecuencia. Entonces, son las bandas de frecuencia más baja las que se benefician con esta
forma de propagación. Las emisoras de onda larga (OL) se reciben con facilidad en todo el
continente. Por encima de 1,600 kHz sólo se realizan comunicaciones locales (menos de 50 Km
de alcance).
Finalmente, la señal de radio puede llegar al receptor viajando por el aire vía espacio. La
atenuación es relativamente pequeña y consecuentemente, el alcance puede ser elevado.
Además, las capas de l a ionosfera se comportan, en determinadas ocasiones, como reflectores,
no las ondas en el espacio. Este proceso de reflexión en la ionosfera y en la tierra se puede
repetir varias veces, consiguiéndose un gran alcance. En la banda de onda media (OM) la onda
vía espacio regresa a la tierra durante la noche, pero no durante el día. Además hay que contar
con que las emisiones radiadas con frecuencia superior a un cierto valor no se reflejan, sino que
atraviesan la ionosfera 1 se pierden en el espacio. El valor de esta fiecuencia crítica no es fijo,
siendo mayor durante el dia que durante la noche. Por esta razón, las emisoras que transmiten
en las bandas de 16 a 3 I m (de longitud de onda) se reciben mejor durante el día que durante la
noche, mientras que en el resto de las bandas de onda corta (OC) ocurre todo lo contrario.
En FM no podemos contar con la vía terrestre, pues las altas fiecuencias se atenúan en
seguida. Por otra parte, la onda vía espacio no se refleja en la ionosfera y escapa al exterior. La
única forma de comunicación es la onda vía visual, con lo que el alcance es muy limitado.
Superado un cierto valor de potencia de emisión, el alcance sólo depende de las alturas
respectivas de las antenas de emisión y recepción.
36
4.1 L A RECEPCIÓN
La onda electromagnética que se propaga a través de cualquier medio (terrestre, visual o
espacio) tiene que ser recogida para demodulada. No hay ningún problema si la recepción tiene
lugar de forma directa o indirecta. Pero si recibimos la misma señal por varios trayectos o
caminos distintos se produce una interferencia que se traduce en un aumento de distorsión y de
ruidos parásitos. Para evitar la recepción por trayectoria múltiple es preciso colocar una antena
suficientemente sensible y direcciond. Las ondas de radio son campos electromagnéticos que
se forman alrededor de los conductores de alía frecuencia y se desplazan en todas direcciones a
una velocidad aproximada a la de la luz.
Estos campos electromagnéticos presentan unas líneas de fuerza perpendiculares @H a la
dirección del desplazamiento así como perpendiculares entre sí. El plano que contiene las líneas
de fuerza se denomina frente de onda. Si estas líneas son perpendiculares a la tierra la
polarización es vertical y la antena debe de ser horizontal. En caso de polarización horizontal la
antena será vertical. El tipo de polarización circular se utiliza exclusivamente en satélites de
comunicaciones.
Cuando el frente de onda incide perpendicularmente a l plano de la antena, se induce una
tensión que se transfiere al receptor en forma de tensión con la misma fiecuencia que la de
emisión.
4.2 LASANTENAS
El eslabón más importante en la cadena de emisión y recepción es la antena, pues de ella
depende la calidad de la transmisión. Realmente cualquier hilo conductor puede servir de
antena y de hecho están realizando esta función continuamente; lo que sucede es que, debido a
sus dimensiones, no suelen ser muy buenas antenas. Para que un conductor pueda considerarse
como una antena, lo primero que se debe hacer es dimensionarlo adecuadamente para la señal
con la que vaya a emplearse. Normalmente se tiene en cuenta su longitud de onda (f).
f=cI f...
Recordemos que el cociente entre la velocidad de propagación de una onda (la de la luz) y
su frecuencia nos da como resultado su longitud de onda.
37
Según se relacione la longitud fisica de una antena con la longitud de onda de la señal de
radio a recibir nos encontraremos con dos grupos de antenas: las periódicas y las aperiódicas.
Las antenas periódicas tienen una longitud comparable a la longitud de onda que han de
emitir o recibir, o a un submúltiplo entero de ésta. Esto permite a la antena resonar con la
frecuencia de la señal que trata, multiplicándose su efectividad.
El tamaño fisico de las antenas aperiódicas no guarda relación alguna con la longitud de
onda de las señales que capta y, por lo general, son de un tamaño mucho más reducido que ésta.
Observemos la interesante propiedad de las antenas que les permite comportarse de forma
idéntica, tanto en recepción como en emisión. Esto indica que todo lo dicho para antenas de
recepción es igualmente válido para las de emisión, aunque éstas son por lo general mucho más
sofisticadas y de mejor calidad.
4.3 ANTENAS
PARA LA RECEPCIÓN D E FM
Mientras que para onda media (OM) la antena exterior era fácilmente substituible por una
interior al propio equipo, para la FM se hace imprescindible la utilización de una antena
exterior. puesto que en la banda de 87 a 108 MHz las longitudes de onda varían de 2.78 a 3.45
m, las antenas periódicas no van a ser excesivamente grandes.
El recolector de ondas más simple consiste en un dipolo, que consta de dos elementos
conductores aislados eléctricamente entre sí y puestos uno a continuación del otro. Un dipolo
que cubra toda la banda de FM puede tener una longitud aproximada de 1.47 m.El dipolo tiene
unas características de directividad muy acusadas. La máxima sensibilidad se obtiene en la
dirección perpendicular a la antena (en los dos sentidos), disminuyendo según el ángulo de
incidencia de las ondas se acerca al eje longitudinal de la antena, en el que la recepción es nula.
Otro tipo de antena muy utilizado en las recepciones de FM es el dipolo doblado, plegado
o antena trombón, constituido por un dipolo normal doblado por sus extremos. En cualquier
caso es preciso orientar el plano del dipolo perpendicularmente al emisor y colocarlo en
posición paralela al suelo.
38
c
-
La directividad es una característica muy importante en una antena y a veces puede ser
interesante aumentar este parámetro. En un dipolo podemos aumentar el grado de directividad y
la ganancia mediante los denominados elementos pasivos. Se llaman así para distinguirlos del
dipolo o elemento activo, que es el que realmente recoge las radiaciones.
El elemento pasivo más utilizado es el llamado reflector, que consta de una varilla
ligeramente más larga que el dipolo y dispuesta paralelamente a e1 a una distancia de un cuarto
de longitud de onda (es decir, unos 0.78 m).
Otro elemento es el director, que es también rectilíneo y paralelo al dipolo, aunque algo
más corto. Con estos dos elementos se puede mejorar la ganancia (hasta unos 9dB) y la
direccionalidad o directividad (en unos 16 dB).
La conexión de la antena al receptor deberá hacerse con el cable coaxial o bifilar de igual
impedancia que la antena y sujetarse .a la entrada señalada con esta misma impedancia de
3000hms (entrada simétrica) o 75 Ohms (entrada asimétrica) del receptor.
I
En el caso de que el aparato no posea una entrada apropiada se adaptará la impedancia
mediante un transformador simétrico-asimétrico (balum), que es reversible.
Al orientar la antena debe tenerse en cuenta el tipo, es decir, si se trata de una direccional
o una omnidireccional. El sistema más correcto sería conectar un analizador de espectros o un
medidor de campo a la antena y recorrer toda la banda de FM. Para eliminar el efecto multiruta,
saturaciones, etc., se cambia la orientación de la antena girándola sobre su eje vertical. En la
recepción de emisoras locales potentes es suficiente con un simple dipolo interior de 300 Ohms
Como, por lo general, no disponemos de un analizador de espectros ni de un medidor de
campo, se utiliza el indicador de señal del propio sintonizador como nivel de referencia.
Igualmente se puede hacer un barrido de toda la banda de FM corrigiendo la posición de la
antena para conseguir ia recepción más perfecta, sin parásitos y equilibrada.
39
c
e
También podemos citar los llamados receptores reflex, en los que los pasos amplificadores
se utdizan indistintamente para alta frecuencia y audio. Este tipo de receptor consigue un cierto
ahorro de componentes.
PARTES DE UN SINTONIZADOR DE F
M
Cuando se trata de recibir sefiales en Fh4 el sintonizador tiene un diseño mucho más
cuidadoso. La frecuencia de emisión es más elevada y, además, se transmite en Al& Fidelidad,
lo cual debe asegurar una serie de prestaciones mínimas. La señal recibida en la antena se filtra
con un paso de banda variable y se amplifica. El circuito resonante que forma el condensador
variable y la inductancia tiene una selectividad que depende de su resistencia interna y
reactancia. Conforme más pequeña sea la resistencia con la que carguemos este filtro, menor
será su selectividad. Aparece pues un efecto de degradación que incrementa el ancho de banda.
En la actualidad todavía se siguen empleando con frecuencia los condensadores de
armadura móvil con dieléctico de aire. Una de las razones es que este condensador presenta
una impedancia mucho mayor que los diodos varicaps. Cuando se utilizan varicaps, la
resistencia es menor, con lo que disminuye la resistencia de carga, el factor de calidad del filtro
y lógicamente su selectividad.
Los diodos varkap presentan también otros problemas como pueden ser su inestabilidad
ante variaciones de temperatura o la no lineaiidad en la variación de s u capacidad. Su ventaja
más importante, que permite múltiples posibilidades, es que se puede gobernar fácilmente con
tensión continua.
Si el amplificador asociado al filtro es del tipo MOS, con una elevada resistencia
equivalente de entrada no existen problemas en el tratamiento de grandes o pequeñas señales
de antena, pero si los elementos activos son bipolares, cargarán excesivamente el filtro y se
saturarán con señales más pequeñas que con semiconductores MOS. Este tipo de
semiconductor permite también variar su propia ganancia, con lo que no sólo puede amplificar
sino también atenuar.
En la actualidad es dificil encontrar sintonizadores de Alta Fidelidad que no contengan
elementos MOS entre sus amplificadores selectivos de entrada y/o en el conversor, debido a las
razones ya especificadas.
La frecuencia intermedia en FM es de 10.7 MHz, por tanto, la fiecuencia del oscilador
local será i@ a la fiecuencia a sintonizar más la frecuencia intermedia. Es importantísimo que
la frecuencia del oscilador local se mantenga constante en el tiempo o, en caso contrario, el
receptor se puede desintonizar o perder la señal de la emisora. Esta deriva o drft debe ser
inferior a *20 kHz (equivalente a &0.02% de la frecuencia media en FM) en un buen receptor,
lo cual es bastante difícil de conseguir.
Para eliminar este inconveniente existe el llamado control automático de fkecuencia
(CAF),que toma la tensión de error generada en el discriminador al desplazarse el oscilador
local y se aplica a un varicap colocado en paralelo con el condensador variable del oscilador
local. Así se consigue desplazarlo nuevamente a su fiecuencia original.
Este sistema requiere de la ayuda de circuitos de muy elevada precisión y uno de los más
utilizados es el llamado circuito cerrado de fase o bucle de enganche de fase (en inglés, Phase
Locked Loop, PLL, ya antes mencionado).
Para sintonizar una nueva emisora es preciso desconectar el CAF si no queremos pasar
por alto emisoras débiles o anular el funcionamiento del sistema,
En general, la deriva del oscilador local es más importante al conectar el aparato, pero
suele disminuir rápidamente a los 15 ó 20 minutos de su puesta en marcha.
En los sistemas con varicap la tensión de control que se utiliza para cambiar la sintonía
puede corregirse en función de la temperatura para compensar su efecto negativo. Para suplir la
pérdida de selectividad que tienen los varicaps respecto al sistema con condensador de
armadura móvil deben añadirse más etapas selectivas de entrada, pudiendo llegar a igualar las
prestaciones, aunque con mayor complejidad.
Tanto el sistema de condensador variable como el de varicaps son analógicos: la
fiecuencia de sintonía se elige de forma continua entre los extremos de la banda, pero como las
emisoras transmiten en una fiecuencia fija y concreta, no es necesario que se puedan sintonizar
todos y cada uno de los infinitos valores de fiecuencia.
En el esquema general ya conocemos el funcionamiento hasta los filtro-amplificadores de
frecuencia intermedia. Estos filtros pasobanda tienen una frecuencia central de 10.7 MHz y un
ancho de banda variable, según sea para recepciones monofónicas (180 kHz) o estereofónicas
(260 kHz). El rechazo de frecuencias espúreas, alias y armónicos permite que el receptor
sintonice solamente la emisora deseada y elimine las demás.
Esta propiedad se evaiúa en dB y es necesario hacer una distinción entre espúreas, sin
relación con la frecuencia intermedia, y armónicos, cuya fi-ecuenciaes múltiplo o divisor entero
de los 10.7 MHz. Estos inconvenientes se ponen de manifiesto cuando, por ejemplo, se
sintonizan dos emisoras a la vez. La señal que interfiere sobre la emisora que queremos
escuchar debería de ser muy fuerte, pues ha tenido que superar el rechazo de los filtros
sintonizados de entrada y el rechazo propio de la frecuencia intermedia, en total unos 90 ó 100
dB de atenuación. La superposición de las emisoras se debe a que la frecuencia de la indeseable
coinciden con la espúrea de los filtros de FI y esta atenuación no se produce en la realidad.
Si observamos las diferencias entre un filtro ideal y otro real veremos que el último se
ensanchaba por su base, por lo tanto si una emisora de los canales adyacentes tuviera suficiente
potencia podría sumarse a la recepción. Según el ancho de banda del filtro de FI se pueden
sintonizar simultáneamente emisoras adyacentes si las señales son fuertes.
Cuando tenemos una buena selectividad, lo que quiere decir que el ancho de banda es
suficientemente estrecho y estable, aunque situemos emisoras en canales adyacentes no se
recibirán simultáneas a nuestra recepción. Esta selectividad es importantisima cuando se trata
de distinguir canales adyacentes en zonas donde proliferan las emisoras, pero no lo es tanto en
zonas rurales de escasa dtusión radiofónica.
Resumiendo, la selectividad del canal adyacente se debe casi exclusivamente a la calidad
del filtro de FI, pues el ancho de banda de los pasos sintonizados de entrada es de 1.5 a 3 MHz.
Estos son más importantes en cuanto al rechazo de la frecuencia de alias y espúreas, evitando
producir diferentes FI que darían lugar a la excepción simultánea de varias emisoras si
coinciden con las espúreas de los filtros de FI como vimos.
Así, los más recientes diseños disponen de sistemas de búsqueda automática y electrónica
de emisoras y el más completo control digital con mando a distancia, programación. Esto es
posible gracias a la sintonía digital.
El proceso podría ser el siguiente: se selecciona una frecuencia de sintonía, el
microprocesador contenido en el aparato genera una tensión que conesponde a la frecuencia
seleccionada de forma que si hay una emisora retransmitiendo en dicha frecuencia, la señal
pasará a la etapa siguiente.
El sintonizador lleva circuitos internos que son capaces de generar o «sintetizan> una
señal de la frecuencia deseada (esta parte del receptor recibe el nombre de sintetizador) cuyo
valor se mantiene perfectamente constante. El sintonizador así equipado sustituye el oscilador
local por el sintetizador y por ello se le denomina sintonizador sintetizado.
e
Los aparatos equipados con la sintonía digital incorporan un Msualizador a LEDs en el
que se muestra la frecuencia a la que se está sintonizando. Este visualizador muestra el valor de
la frecuencia con 4 ó 5 dígitos que varían en saltos de 100 kHz.Esto es suficiente, ya que los
canales de FM están separados 200 Ó 300 kHz según sea Europa o EE.UU.
Es muy importante que en los filtros de FI no se introduzca ningún desfase niretraso de la
portadora, pues afectaría directamente la decodificación de FM estéreo, disminuyendo su
efecto.
LIMITADORES
En AM los ruidos parásitos se suman alterando la amplitud de la portadora durante la
emisión. Esto puede suceder siempre que tenga lugar un enlace de radio, pero en FM este hecho
no afecta a la información, ya que está codificada en la variación de frecuencia. Los limitadores
se encargan de recortar la envolvente y se intercalan entre los filtros de FI; además de recortar
la amplitud la fijan a un nivel constante que permite aprovechar mejor el rechazo de los filtros
de FI.
CONTROL AUTOMÁTICO DE GANANCIA (CAG)
El CAG es también útil es los receptores de FM y sus funciones son muy similares a las
que desempeñan en los receptores de AM. Sirve para evitar la saturación de los pasos de
entrada, mantener un nivel de mezcla óptimo entre el oscilador y la señal de entrada y
estabilizan el nivel de señal en la frecuencia intermedia. Junto a los limitadores ayuda a obtener
el nivel óptimo de funcionamiento de los filtros de FI.
APÉNDICE c
DEMODULADORES
El detector o demodulador es la etapa encargada de extraer la información contenida en la
señal, ya sea en amplitud o en frecuencia. Los demoduladores utilizados en transmisión FM
pueden ser de varios tipos:
DETECTOR DISCRIMINADCR
El detector discriminador es el primer tipo de demodulador que se utilizó en FM y su
funcionamiento básico se debe a los desfases entre tensión y comente producidos al variar los
10.7 MHz en un filtro sintonizado. Al realizar la comparación mediante una detección en
amplitud es necesario mantener un nivel de entrada constante, además de estar muy bien
limitada la señal de FI para evitar cualquier modulación parásita. Este sistema está en desuso en
la actualidad.
EL DEMODULADOR
DE RELACIdN
Su funcionamiento es muy similar al anterior, pero mejora el rechazo de parásitos ai
efectuar la detección en oposición y también mejora la relación señal/ruido.
DETECTOR
DE COIKCIDENCIA
El detector de coincidencia tiene un buen rechazo a los parásitos, pero aun así se necesita
una buena limitación. Es algo sensible a las modulaciones de amplitud. El sistema consiste en
desfasar una parte de la señal y sumarla a la anterior. Si no hay diferencia de fase en la señal de
FI la tensión de salida permanece invariable, pero si estaba modulada en frecuencia aparece en
la salida la variación instantánea de frecuencia o, lo que es lo mismo, la señal demodulada. Es
un sistema muy difundido por su precisión.
DETECTORPOR CO'tTEO DE IMPULSOS
Aunque es el sistema más imperfecto, también es el de más simple construcción. Se basa
en un doble cambio de FI mediante un circuito RC que produce una FI de 200 kHz. Esto
implica una pérdida de rechazo para las frecuencias de alias y no se suele utilizar en Alta
Fidelidad.
DEMODULADOR
POR PLL
Este demodulador se basa en las características del PLL. La señal de FI se conecta al
comparador de fase y la tensión de error se filtra para hacer oscilar al VCO. Esta señal de error
es directamente la señal de baja frecuencia demodulada. Aunque el circuito PLL data de 1930,
no se difundió asta 1972 gracias a la producción masiva de circuitos integrados PLL.
LACODIFICACI~NMULTIPLEX
Es este el nombre que se da al sistema de transmisión de señales FM estereofónicas
debido a la simultaneidad con la que se emiten varias informaciones por un mismo canal de
radio. La información básica a transmitir está formada por dos señales distinías e
independientes: los dos canales del sistema estéreo, el izquierdo (I) y el derecho (D).
El primer requisito es hacer pasar estas señales por filtros que eliminan todas las
frecuencias parásitas superiores a 15 kHz.Así se evitan posibles distorsiones de la futura señal
multiplex.
Después del filtrado, las señales se dirigen a dos circuitos. Uno de ellos entrega a su salida
la señal suma de ambos canales (I + D), que constituye la señal monofónica y a la que
llamaremos M.
El otro efectúa la resta entre los canales (I
para la correcta regeneración de la información.
- D),que llamaremos E y que será necesaria
El transmisor deberá enviar las dos señales, M y E, una (M)para que un receptor
monofónico reciba la información completa y la otra (E) por ser imprescindible en la
transmisión estéreo.
Para aumentar la relación señal/ruidose utiliza el llamado énfasis, ya cirado, en el punto
2.2.El preénfasis tiene lugar en el emisor y consiste en aumentar en 6 dB las altas frecuencias
de la señal de información.
47
Esto nos permitirá colocar un filtro en el receptor, el de deénfasis, que atenúa estos
mismos 6 dB.Con ello se consigue una mejora en la relación señdruido de 10 a 12 dl3.
La constante de tiempo de estos filtros debe ser la misma, tanto en el emisor como en el
receptor, y está normalizada a 75 mseg para Europa y se reducen a 25 mseg para emisiones
codificadas con Dolby.
Un receptor monofónico tratará la señal multiplex como si fuera monofónica y
consecuentemente aplicará el deénfasis adecuado. El transmisor estéreo debe realizar preénfasis
de la seaal M,pero también habrá de hacerlo con la señal E para que el receptor estéreo pueda
recomponer con perfección la señal original.
Por otra parte, el transmisor genera dos señales de 19 y 38 kHz respectivamente. Esta
última se modula en amplitud con la señal E en doble banda lateral (DBL), de fonna que el
resultado son dos bandas laterales iguales conteniendo la información estereofónica y
simétricas respecto a la frecuencia de 38 kHz.
Esta señal se conoce con el nombre de subportadora. La señal así compuesta contiene
frecuencias comprendidas entre 23 y 53 kHz.
Finalmente, un circuito mezcla las señales M y piloto de 19 kHz,y todo con la señal DBL
anteriormente conseguda. La señal resultante y definitiva de la mezcla contiene frecuencias de
O a 53 kHz.Esta señal multiplex es la que se modula en frecuencia y se emite.
Un sintonizador preparado para recibir la señal multiplex no difiere apenas de uno
normal. Sólo en la etapa de FI se prevé un mayor ancho de banda de paso para no atenuar ni
deformar la información estéreo. El demodulador también funciona normalmente, excepto que
se de mejor linealidad y permite una mayor excursión de frecuencia para minimizar la
distorsión.
La salida del demodulador se envía al decodificador estéreo de la señal multiplex. Este
circuito consta de una serie de filtros que separan las tres informaciones básicas contenidas en
la señal demodulada: la señal mono (M), la piloto (19 kHz) y la estéreo (E).
Cuando el filtro de la señal piloto no detecta señal alguna, el decodificador interpreta que
la señal es monofónica. En este caso envía la señal M a los dos canales, después de aplicarle el
correspondiente deénfasis. Además, anula cualquier señal que no sea M para evitar posibles
interferencias.
Si se detecta la señal piloto de 19 kHz, el decodificador entiende que la señal es estéreo y
debe tratarse adecuadamente.
En primer lugar, es necesario encender un piloto luminoso que da a conocer al usuario
que se da esta circunstancia. A continuación, se aplica el deénfasis adecuado a cada una de las
señales.
De uno de los filtros ya se obtiene la señal monofónica directamente. Para obtener la señal
E, el decodificador obtiene una señal de frecuencia 38 kHz doblando la frecuencia piloto de 19
kHz (que para eso se envía). Esta señal se mezcla con las dos bandas laterales, formándose una
onda modulada en amplitud que a continuación se demodula para obtener la señal estereofónica
E.
Con las dos señales separadas, E y M, se procede a obtener los dos canales mediante la
suma y resta de ambas:
M + E = (I + D)+ (I - D) = 21
M - E = ( I + D)- (I - D ) = 2 D
El factor 2 sólo afecta a la amplitud de la señal y no a su frecuencia. Estas señales se
envían a las respectivas salidas después de ser preamplificadaspara conseguir un cierto nivel de
señal.
En general este sistema de decodificación puede adquirir muy diversas formas, pero la
más extendida por sus buenos resultado es la que se basa es un PLL.
El oscilador controlado por la tensión (VCO)se ajusta a una frecuencia propia de 76 kHz
lo más precisa posible (con una tolerancia de h10 Hz). Esta frecuencia, que es el cuádruplo de
la frecuencia piloto (4 x 19 kHz), se consigue con una tensión de error adecuada, corrigiendo
las posibles fluctuaciones tanto del propio PLL como de la emisora.
Una vez obtenida la señal piloto y comparando su frecuencia se puede generar una
subportadora exactamente igual, en fase y en frecuencia, a la utilizada para modular la señal E
49
durante l a emisión, evitando la generación de frecuencias alias por intermodulación que harían
imposible la correcta separación entre canales.
Los circuitos PLL son perfectos para ((copian) fiecuencias. Para evitar intermodulaciones
con los osciladores de borrado (de magnetocintas) deben eliminarse las componentes de 19.38
kHz y canales subsidiarios (SCA), que van mezcladas con las señales de ambos canales. En
caso contrario el efecto es muy molesto y consiste en un tono fijo producto de la
intermodulación, el cual entra en las eecuencias audibles.
Los filtros que se utilizan tienen un ancho de banda perfectamente plano hasta 15 kHz,
donde inician una pendiente muy pronunciada que debe rechazar los 19 kHz con suficiente
selectividad. Un buen receptor debe atenuar la señal piloto 40 dB y la subportadora de 38 kHz
unos 60 dB.
OTROS SISTEMAS DE CODIFICACI6N
El sistema multiplex no es el Único sistema para codificar la señal de FM estéreo, pero
hoy día es el único que se utiliza con plenas garantías de éxito.
Otros sistemas que se podrían utilizar son:
que no es compatible con la FM porque este sistema
discreto necesita un paso de banda de 45 kHz y el ancho de banda máximo para los canales de
FM es de 15 kHz.
- El sistema cuudrujznico CD-4,
- Los métodos mutriciales SQ, basados en una codificación de fase, son compatibles con
la emisión de FM. Este sistema es cuadrafijnico (aunque totalmente compatible con la
recepción estéreo y monofónica) y se incluye en el canal derecho una composición en módulo y
fase de los canales anterior y posterior derecho más izquierdo posterior, mientras que el canal
izquierdo se modulan el antenor y postenor izquierdo más el derecho posterior. Se consigue así
limitar la frecuencia máxima a 15 kHz con'lo que se facilita la compatibilidad con FM.
Existen otros sistemas de codificación en estéreo, basados en reductores de ruido
específicos, o sistemas poco desarrollados que no son compatibles con la reproducción estándar
de FM y, por lo tanto, su aplicación es muy restringida.
50
APkNDICE ID
CARACTEI~STICASDE LOS SINTONIZADORES
La sensibilidad es quizás el parámetro más difundido en un receptor FM. La sensibilidad
se podría definir, a grandes razgos, como aquel valor de señal a la entrada del sintonizador que
produce a su salida un determinado efecto. Antiguamente el efecto que se esperaba era una
determinada potencia de salida, pero en la actualidad lo que se busca es la calidad de esta señal
de salida. En FM este valor se suele dar referido respecto a un cierto valor de la relación
señalíruido en la salida. La cifra debe darse sobre los 300 W de la toma de antena, si se da
sobre 75 ó 60 W (como indican las normas DIN)el resultado será la mitad del que se obtendría
sobre 300 W.
i
Existen varias formas de expresar la sensibilidad estas dependen de los valores concretos
de relación señalíruido. Así, la sensibilidad útil es aquel valor que proporciona una relación
señal/ruido de 3 0 dE3. También puede definirse la sensibilidad eficaz, más importante que la
anterior, que se refiere a 50 dB de señal/ruido. Este valor es más Útil en Alta Fidelidad, ya que
una recepción con 30 dB de señal/ruido no puede considerarse de sufíciente calidad.
En cualquier caso, cuanto menor sea la cifra más sensible será el sintonizador y podrá
captar señales más débiles para convertirlas en sonido.
Todos los sintonizadoresde FM actuales son del tipo superheterodino. Como es sabido, la
selectividad de este tipo de sintonizador depende fundamentalmente de la etapa de frecuencia
intermedia (FI). En el diseño de esta etapa aparece un compromiso entre la calidad del sonido
estereofónico, con lo que el ancho de banda debe ser suficientemente grande, y el rechazo a los
canales adyacentes, con lo que la banda pasante debe ser estrecha. Mejorar un parámetro puede
significar empeorar el otro.
La cifra óptima podría ser de 225.250 kHz. En EE.UU. las emisoras estéreo dejan canales
libres entre sí. Por ésta y otras razones se suelen dar dos cifras de selectividad. La selectividad
de canal adyacente es el rechazo a una interferencia situada a 200 kHz de la portadora
sintonizada. Es una característica importantísima en zonas con saturación de emisiones.
La selectividad del canal aiterno es el rechazo a una interferencia situada a 400 kHz de la
portadora sintonizada, tanto en el canal adyacente como en el alterno. Cuanto mayor sea el
parámetro, expresado en dB, mejor será su selectividad.
51
También puede darse la selectividad a una frecuencia no sintonizada más el doble de la
FI. Es lo que se llama rechazo a la frecuencia de alias.
Será más selectivo el receptor que presente una mayor relación de supresión en AM. Esto
indicará el rechazo a señales modulares en amplitud, ya sea accidentalmente (recuérdese la
modulación de los parásitos) o debidas a emisoras de AM con armónicos que interfieran la FM.
Sirve para medir el efecto de los limitadores.
En resumen, la selectividad es la habilidad del receptor para sintonizar urn emisora y
rechazar todas las demás.
El silenciador muting es un dispositivo que, a partir de un cierto nivel de recepción hasta
la recepción nula, inhibe el inicio de salida en el detector de FM. Es muy útil para eliminar el
ruido entre estaciones y para rechazar emisoras sin un mínimo de potencia. La acción de este
filtro también contribuye a dar una idea de la calidad del receptor: cuanto mayor sea su umbral
mejor será el receptor.
La medida de la deriva en frecuencia del oscilador local es muy interesante, pues indica el
grado de correlación entre los filtros sintonizados de la entrada y éste. El efecto más visible es
un desplazamiento del medidor de sintonía del receptor. Si el desplazamiento adquiere valores
elevados se producen aumentos de distorsión, mala separación entre canales y, a veces, la
pérdida total de la emisora.
El control automático de frecuencia (CAF)crea una realimentación negativa de la señal,
desde el discriminador hasta el oscilador local, para compensar la deriva en frecuencia.
La deriva en frecuencia muestra cuál es la máxima desviación con respecto a la frecuencia
sintonizada que el CAF puede compensar.
El rechazo de SCA es la característica que nos indica la habilidad del sintonizador para
eliminar la modulación SCA. Esta modulación lo es en frecuencia y se codifica en emisiones
privadas. El valor debe ser lo más elevado posible.
52
e
O
Rechazo de la frecuencia alias en
Rechazo de fiecuencia intermedia en
53
VALORACI~N
DE LAS CARACTEI~STICAS
Para hacer una correcta ponderación del receptor, desde el punto de vista funcional y
dejando a un lado la valoración o influencia, que no siempre es despreciable, del acabado
externo más o menos estético, la nacionalidad del fabricante, la marca del receptor y sobre todo
su precio, vamos a establecer unos márgenes globales en las características de un sintonizador.
Para clasificar w modelo en concreto que tenga sus características repddas en 2 ó 3
grupos se puede utilizar como complemento otra tabla donde se ponderan las características
según la utilización concreta que se le vaya a dar al receptor.
Además de las características funcionales, podemos observar qué posibilidades de manejo
tiene un receptor.
En frecuencia modulada es imprescindible lifp indicador de sintonía que puede ser
analógico con indicación central y se acostumbra que sea un miliamperímetro de bobina móvil
con indicación mediante aguja, o bien, se puede utilizar una indicación luminosa por cambio de
color o también por punto luminoso central.
Es muy conveniente disponer además de ufl medidor para la potencia de recepción, tal
como se vio en el apartado de recepción y antenas.
El mando de sintonía debe ser muy preciso. En el caso de ser mecánico su
desmultiplicación debe ser importante para facilitar la sintonía; no debe tener ambigüedad en el
lugar que se sintoniza (no debe existir retrocesos al dejar el botón de sintonía). Si la sintonía es
electrónica, mediante pulsador, su precisión dependerá de los saltos de frecuencia por lo que es
conveniente un ajuste fino de sintonía.
El sistema más preciso de indicación consiste en utilizar un contador en el oscilador local,
que indique directamente la fiecuencia en MHz para FM o en kHz para AM.
55
NOTA: La valoración está hecha de menor a mayor, por lo tanto, la característica de más
importancia es el No. 1. Cuando se repite el número es para indicar igual valor y debe
estudiarse en conjunto.
56
c
O
ANEXOS
El Concepto del h g u l o Generalizado y de la Modulación Angular
En las señales de AM, la amplitud de una portadora se modula mediante una señal m(t), y
por lo tanto, el contenido de información m(t) se encuentra en las variaciones de la amplitud de
la portadora. Ya que una señal senoidal se describe mediante tres parámetros -amplitud,
frecuencia y fase- existe una posibilidad de conducir la misma información al variar ya sea la
frecuencia y una fase de la portadora. Sin embargo, por definición, una onda senoidal tiene una
frecuencia v una fase constantes y, por lo tanto, la variación de cualquiera de estos parámetros
parece contradecir la definición de onda senoidal. Ahora tenemos que extender el concepto de
senoide a una función generalizada cuya frecuencia y fase pueden variar con el tiempo.
En la modulación en frecuencia, se desea variar la frecuencia de la portadora en
proporción a la señal moduladora m(t). Esto significa que la frecuencia de la portadora va
cambiando continuamente cada instante. A primera vista, esto no tiene mucho sentido ya que
para definir una frecuencia se dehe tener una señal senoidal cuando menos a través de un ciclo
con la misma frecuencia. Este problema nos hace recordar la introducción del concepto de
veZocidÜd instantánea en el área de mecánica. Estamos acostumbrados a pensar que la
velocidad es constante a través de un intervalo y no podemos siquiera imaginar que puede
variar cada instante. Pero la idea gradualmente se va fijando. Sin embargo, nunca olvidamos el
asombro y la sorpresa que nos causó la idea cuando se presentó por primera vez. Una
experiencia similar aguarda al estudiante con el concepto de frecuencia instantánea.
Consideremos una señal senoidal generalizada p(t) expresada como.
p(t) = A cos €(t>
Concepto d e frecuencia instantánea
donde 6(t) es el ángulo generalizado y es una función de t. La figura muestra un caso
hipotético de el?).Para una senoide A cos (o,?+ Oo),el ángulo generalizado es oct + Bo. Esta
es una línea recta con pendiente o,y ordenada al origen Oc , cp, p se muestra en la figura. Para
el caso hipotético, 6ft) es tangencial al ángulo (o,t + So) a través de un pequeño intervalo A?.
El puiito crucial es que a través de este pequeño intervalo, la señal p(?) = A cos 6ft) y la
seniode A cos (w,t+Bo) son idénticas; esto es,
9 ( t ) = A cos(w,t
+ e, )
t , 00,
Ciertamente hay justificación al decir que a través de ese pequeño intervalo At, la
frecuencia de p(t) , es oc . Ya que (o,t + eo)es tangencial a 6(?) dentro del intervalo, la
frecuencia de p(t) es la pendiente de su ángulo 6ft) en el mismo intervalo. Podemos generalizar
este concepto para cada instante y decir que la frecuencia instantánea aien cualquier instante t
es la pendiente de @?) en t. Así, para q(?) en la ecuación
d9
wi ( t ) = dt
Podemos ver ahora la posibilidad de transmitir la información de m(?)haciendo variar el
ángulo 0 de una portadora. Estas técnicas de modulación, donde el ángulo de la portadora se
hace variar de alguna manera con una señal moduladora m(t). se conocen como modulación
angular o modulación exponencial. Existen dos posibilidades simples: modulación en f m e
(MP) y modulación en frecuencia (Fu).En MP, el ángulo 6(?)se hace variar linealmente con
m(t):
e(t) = w,t
+ 9, + k,m(r)
en donde k,, es una constante y w
, es la frecuencia portadora. Suponiendo que
pérdida de generalidad
e ( t ) = W,t
+k,m(t)
La onda MP que resulta es
eo= O sin
pMp
( t ) = Aco{w,t
+ k,m(t)]
La frecuencia instantánea mi(?)
resulta de
de
dt
O, ( t ) = -= O,
+ k&t)
Por l o tanto, en la modulación en fase, la frecuencia instantánea mi varía linealmente con
la derivada de la señal moduladora. Si la frecuencia instantánea mi se hace variar linealmente
con la señal moduladora, tendremos modulación en frecuencia. Así, en FM, la frecuencia
instantánea mi es
O,( t ) = O ,
+k p (i )
en donde kfes una constante. El ángulo
= o,t
+k
fm
qt)es ahora
m( a)da
Hemos supuesto aquí que el término constante 6ft) es igual a cero sin pérdida de
generalidad. La onda FM es
De las ecuaciones anteriores, es evidente que la MP y FM no sólo son muy similares, sino
que son inseparables. De hecho, al observar una portadora modulada en ángulo, no hay manera
de decir si es FM o MP, ya que una onda MP correspondiente a m(t) y una onda FM
correspondiente a
m(t) es la onda MP que corresponde a
f m( a)da.
-Q
En la práctica, uno de los métodos de generación de FM (el sistema Armstrong de FM
indirecta) realmente integra a m(t) y la usa para modular en fase a una portadora.
En realidad, la FM y la MP se pueden considerar como casos especiales de modulación
exponencial para los cuales la ondea modulada RM(t) es
p&)
= A COS[,,f
+
qmm(a)h(t - a)&]
en donde k es una constante y h(t) es la respuesta de impul,, unitario de un sistema lineal
invariante en el tiempo. Si h(t)=S(t), tenemos MP, y si h(t)=u(t), tendremos FM. No existe
razón para restringimos solamente a estos casos. Para un funcionamiento óptimo, h(t) no es S(t)
(MP) nih(t) no es S(t) (MP) niu(t) (FM) sino es algo más, dependiendo del espectro de la señal
moduladora y de las características del canal.
BIBLlOGRAFlA
CRISTAL OSCILLATOR CIRCUITS
Robert J. Matthys
ED. J O H N WILEY & SONS
enero 1983
THE ARRL HANDBOOK
FOR RADIO AMATEURS
17" Ed. THE AMERICAN RADIO RELAY LEAGUE
1993
SISTEMAS DE COMUNICACI~N
B.P. LATHI
1" Ed.INTERAMERICANA
1986
FREQUENCY SYNTHESIZERS
THEORY AND DESING
VADIM
MANASCEWITCCH
3 * ED. J O H N WILEY & S O N S
POPULAR ELECTRONICS MAGAZZINE
Vol. 12 -NO.
2
February 1995
I