diseño de un robot explorador para tuberias de alcantarillado con

UNIVERSIDAD DE PAMPLONA
FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRÓNICA
PROYECTO DE TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR POR TITULO DE
INGENIERO MECATRÓNICO
TITULO:
DISEÑO DE UN ROBOT EXPLORADOR PARA TUBERIAS DE
ALCANTARILLADO CON CAMARA INTEGRADA
AUTOR: HUGO GUERRERO PABON
TEL: 3115435858
Email: [email protected]
[email protected]
DIRECTOR: ING. EDWIN MAURICIO SEQUEDA ARENAS
[email protected]
PAMPLONA
COLOMBIA
MODALIDAD: DIPLOMADO
COMITÉ DE GRADO
CALIFICACION: EXCELENTE
PAMPLONA NORTE DE SANTANDER
2007
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA
FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRÓNICA
PROYECTO DE TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR POR TITULO DE
INGENIERO MECATRÓNICO
TITULO:
DISEÑO DE UN ROBOT EXPLORADOR PARA TUBERIAS DE
ALCANTARILLADO CON CAMARA INTEGRADA
AUTOR: HUGO GUERRERO PABON
TEL: 3115435858
Email: [email protected]
[email protected]
DIRECTOR: ING. EDWIN MAURICIO SEQUEDA ARENAS
[email protected]
PAMPLONA
COLOMBIA
MODALIDAD: DIPLOMADO
COMITÉ DE GRADO
JURADOS: ING. EDUARDO RODRIGUEZ
ING. JOSE DEL CARMEN PEÑA
CALIFICACION: EXCELENTE
PAMPLONA NORTE DE SANTANDER
2007
2
DEDICATORIA
A mis padres Pedro Julio Guerrero Rodríguez y Mary Pabón Navarro y hermanos
Juan Bautista, Yaqueline y Ezequiel por su apoyo incondicional para que pudiese
terminar mi carrera profesional.
A mi novia Eliana Kimberly Álvarez Martínez por su apoyo sentimental durante la
realización de este proyecto.
3
AGRADECIMIENTOS
Al Señor JESUCRISTO, que es el Todo Poderoso, que me dió muchas fuerzas en
los momentos difíciles de mi carrera y a sí pude terminar unas de mis grandes
metas que un día me propuse.
A todos mis amigos, me queda muy difícil nombrarlos a cada uno
manuscrito; a mis familiares en Arauca como en los Santanderes.
A mis suegros y a mis cuñados gracias por ser mis amigos.
4
en este
RESUMEN
Este proyecto consiste en el diseño de un robot explorador con un sistema RF
(Radiofrecuencia), basado en el principio de la operación de radio control para
robot teleoperados, el robot esta comprendido por un sistema de control y otro de
supervisión o exploración, en interiores de tuberías de alcantarillado que
comprende un diámetro mínimo de 8 pulgadas (20,32 cm.).
Se han realizado varias propuestas para solucionar la problemática de control y
supervisión, donde se destaca el sistema simplex de transmisión basado en
módulos asequibles en el mercado internacional, a costos permisible para
personas de nuestro país que estén interesados en el desarrollo de este tipo de
prototipos.
El sistema simplex consiste en dos módulos AUREL (transmisor y receptor), que
trabajan a una frecuencia de 914.5 MHz, en FSK es decir en modulación digital,
una antena de marca MaxStream wireless de referencia A09-HBSM-P5I ó A09HSM-7. También posee un PIC de la familia 16f8xx que se implementará con fines
de manejar y controlar el robot.
El robot HEXPLOBOT está diseñado en el software solid Edge, donde se puede
crear con versatilidad dicho prototipo y dimensionar a escalar apropiadas para tal
fin.
HEXPLOBOT contará con un sistema de radio control y una cámara para
capturar de imágenes desde el interior de las tuberías a supervisar, para después
tomar los correctivos necesarios. Este robot será muy interesante por su propósito
y la tecnología a implementar en él.
Otra propuesta de solución es un sistema RF full duplex (transceiver) que posee
transmisión RS 232 para ser operado desde el entorno VISUAL BASIC desde un
PC portátil. También posee un microcontrolador que estará encargado de recibir
las órdenes desde el operador para procesarla y controlar el robot.
Estos transceiver trabajan a una frecuencia de 902 a 928 MHZ, una potencia de
transmisión de 1W máximo, y la transmisión TTL RS 232 puede variarse desde
9600 hasta 115200 bps.
Este trabajo también posee un marco teórico sobre transmisores y receptores muy
detallados donde trata cada una de las características principales de los mismos,
tipos de modulación y amplificadores de potencia.
5
ABSTRACT
This project consists of the design of an exploratory robot with a system RF (Radio
frequency), based on the principle of the operation of radio control for teleoperados
robot, the robot this included/understood by a control system and another one of
supervision or exploration, in interiors of sewage system pipes that
include/understand a minimum diameter of 8 inches (20.32 cm.).
Several proposals have been made to solve problematic of control and the
supervision, where the system stands out simplex of transmission based on
reasonable modules in the international market, to costs permissible for people of
our country which they are interested in the development of this type of prototypes.
The system simplex consists of two modules AUREL (transmitting and receiving),
that work to a 914,5 frequency of MHz, in FSK that is to say, in digital modulation,
an antenna of mark MaxStream wireless of reference A09-HBSM-P5I ó A09-HSM7 . Also 16f8xx has a PIC of the family that will be implemented with aims to handle
and to control the robot.
Robot HEXPLOBOT is designed in software solid Edge, where it is possible to be
created with versatility this prototype and to be determine the proportions to climb
appropriate for such aim. HEXPLOBOT will count on a system of radio control and
a camera of where it will be possible to be captured images from the interior of the
pipes to supervise, later to take corrective the necessary ones.
This robot will be very interesting by its intention and the technology to implement
in him. Another proposal of solution is a system RF full duplex (to transceiver) that
has transmission RS 232 to be operated from VISUAL surroundings BASIC from a
portable PC. Also it has a microcontroller who will be in charge to receive the
orders from the operator to process it and to control the robot.
This transceiver they work to a frequency of 902 to 928 MHZ, a maximum power of
transmission of 1W, and transmission TTL RS 232 can be varied from 9600 to
115200 bps. This work also has a theoretical frame on transmitters and receivers
very detailed where it deals with each one the basic characteristic’s of such, types
of modulation and amplifiers of power.
6
CONTENIDO
Pág.
INTRUDUCION
OBJETIVOS
16
1. GENERALIDADES Y CONCEPTOS BÁSICOS
17
1.1. TIPOS DE ANTENAS
17
1.1.1. Antenas Omnidireccionales
17
1.1.1.1. Definición
17
1.1.1.2 Antena isotrópica
17
1.1.1.3. Antenas omnidireccionales reales
18
1.1.2. Antenas direccionales
19
1.1.2.1. Definición
19
1.1.2.2. Antena direccional normal
19
1.2. PARAMETROS DE DISEÑO
22
1.2.1. El espectro radioeléctrico
23
1.2.2. Potencia de emisión
23
1.2.3. Sensibilidad
24
1.2.4. Distorsión e interferencias
24
1.3. EL TRANSMISOR
25
1.3.1. Tipos de transmisores
25
1.3.1.1. Transmisores homodinos o de modulación directa
25
1.3.1.2. Transmisores heterodinos
26
1.3.1.2.1. Ventajas con respecto al transmisor homodino
26
1.3.1.3. Parámetros característicos
27
1.3.1.3.1. Frecuencia de transmisión
28
7
1.3.1.3.2. Estabilidad de Frecuencia
28
1.3.1.3.3. Señal en banda base
29
1.3.1.3.4. Tipo y profundidad de modulación
30
1.3.1.3.5. Ancho de banda
30
1.3.1.3.6. Emisiones no deseadas
31
1.3.1.3.7. Potencia de emisión
31
1.3.1.3.8. Rendimiento
33
1.3.1.3.9. Fidelidad
33
1.4. EL RECEPTOR
34
1.4.1. Cualidades de un receptor
34
1.4.1.1. Sensibilidad
34
1.4.1.2. Selectividad
34
1.4.1.3. Sensitividad
34
1.4.1.4. Fidelidad
35
1.4.1.5. Margen dinámico
35
1.4.2. Tipos de receptores
35
1.4.2.1. Receptor homodino
35
1.4.2.2. Receptor superheterodino
36
1.4.2.3. Receptor de doble conversión de frecuencia
37
1.4.2.4. Selectividad de un receptor
38
1.4.2.5. Ruido en un receptor
39
1.4.2.6. Sensibilidad de un receptor
40
1.5. AMPLIFICADORES RF DE POTENCIA
41
1.5.1. Clasificación de los amplificadores de potencia
42
1.5.1.1. Clase A
42
1.5.1.2. Clase B
43
1.5.1.3. Clase C
44
1.5.1.4. Clase D
44
1.5.2. Adaptadores de impedancia
45
8
1.5.3. Circuito de polarización
48
1.6. MODULACIÓN
51
1.6.1. Principios de modulación
51
1.6.1.1. Modulación de Amplitud (AM)
52
1.6.1.2. Modulación de Frecuencia (FM).
56
1.7. FILTROS DE ONDA ACÚSTICA SUPERFICIAL
60
1.8 INTERFACES FÍSICAS Y MEDIOS DE TRANSMISIÓN
63
1.8.1. Standard RS232:
63
1.9. TIPOS DE OBSTÁCULOS Y PÉRDIDA DE SEÑAL
65
1.9.1. Modelo basado en el número de muros y suelos (simplificado)
67
19.2. Modelo ITU-R
67
2. DISEÑO DEL PROTOTIPO
68
2.1. DISEÑO MECÁNICO DE HEXPLOBOT
70
2.2. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL Y SUPERVISION
74
2.2.1 (TX-9M50PF01, RX-9L50FM705F)
74
2.2.2 Módulos de RF 9Xtend
85
CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFIA
ANEXOS
9
FIGURAS
Figura
Pág.
Figura 1. Diagrama de radiación de una antena isotrópica
17
Figura 2. Diagrama de radiación de una antena omnidireccional
18
Figura 3. Cantidad de energía radiada en un ángulo de 45 grados
19
Figura 4. Radiación de una direccional real
21
Figura 5. Espectro radioeléctrico
22
Figura 6. Esquema general de un transmisor
25
Figura 7. Esquema de un transmisor homodino
26
Figura 8. Esquema transmisor heterodino
27
Figura 9. Bandas de frecuencias en comunicaciones
28
Figura 10. Esquema de modulaciones más frecuentes
30
Figura 11. Potencia máxima de un amplificador de RF
32
Figura 12. Esquema de un receptor
34
Figura 13. Esquema de un receptor homodino
35
Figura 14. Esquema de bloque de un receptor superheterodino
37
Figura 15. Receptor con doble conversión de frecuencia
38
Figura 16. Contribución al ruido de la banda imagen
39
Figura 17. Esquema de un amplificador clase A con BJT
42
Figura 18. Circuito equivalente en pequeña señal
43
Figura 19. Esquema de un amplificador clase B con BJT complementarios
43
Figura 20. Esquema de un amplificador clase C con BJT
44
Figura 21. Amplificador clase D
45
Figura 22. Circuito equivalente
45
Figura 23. Situación de la red adaptadora de impedancia en el amplificador
de Potencia
46
Figura 24. Impedancia de carga conectada a un generador real
47
10
Figura 25. Circuito equivalente de salida en pequeña señal del amplificador,
Junto con una posible red adaptadora de impedancia
47
Figura 26. Circuito de polarización pasiva (Microwave Office)
48
Figura 27. Circuito de polarización activa (Microwave Office)
49
Figura 28. Generación de una onda Modulada
52
Figura 29. Señales, moduladora, portadora, señal modulada.
53
Figura 30. Análisis frecuencial
54
Figura 31. Modulación de frecuencia
56
Figura 32. Influencia de la amplitud de la moduladora
57
Figura 33. Influencia de la frecuencia de la moduladora
58
Figura 34.Circuito equivalente de un filtro mecánico
60
Figura 35.Filtro SAW, onda superficial
60
Figura 36. Filtro SAW, dedos metálicos
60
Figura 37. Niveles de Tensión RS232
63
Figura 38. Pozo con rampa de 45 grados de inclinación. (Diseño desarrollado
en solid edge)
67
Figura 39. Pozo con rampa de 25 grados de inclinación. (Diseño
desarrollado en solid edge)
68
Figura 40. Pozo critico sin rampa. (Diseño desarrollado en solid edge)
68
Figura 41. Espacio útil del tubo para el diseño.
69
Figura 42. Prototipo diseñado en Solid Edge.
69
Figura 43. Vista frontal
70
Figura 44. Vista de planta.
70
Figura 45. Servomotor.
72
Figura 46. Cortante en el eje de transmisión.
73
Figura 47. Esquema de funcionamiento del sistema de transmisión.
74
Figura 48. Diagramas de flujo para el control del robot
76
Figura 49. Modelo de transmisión y recepción
77
11
Figura 50. Diagrama de bloques del receptor RX-9L50fm70sf
77
Figura 51. a: dimensiones mecánica; b: modulo RF RX-50FM70SF
78
Figura 52. Especificaciones técnicas
78
Figura 53. Modulo transmisor TX-9M50PF01
79
Figura 54. Diagrama de bloques del transmisor.
79
Figura 55. Dimensiones mecánicas transmisor.
80
Figura 56. Especificaciones técnicas.
80
Figura 57. Cámara inalámbrica con receptor LCD.
82
Figura 58. Control remoto diseñado en Solid Edge.
84
Figura 59. Conexión de la antena en el receptor.
84
Figura 60. Modulo RF 9Xtend
85
Figura 61. Rendimientos de potencia 9Xtend
86
Figura 62. Tipos de conector
90
Figura 63. Numeración de los pines
91
Figura 64. Conexión con el PC
92
Figura 65. Modelos de Antenas.
92
Figura 66. Cámara inalámbrica ECW-309
93
Figura 67. Entorno Microsoft Visual estudio 2005
94
12
GLOSARIO
EHF: (Extremely High Frequency), Extremadamente Alta Frecuencia.
fm : Frecuencia de modulación.
HF: (High Frequency), Alta Frecuencia.
LF: (Low Frequency), Baja Frecuencia.
MF: (Medium Frequency), Media Frecuencia.
VLF: (Very low frequency), Muy Baja Frecuencia.
VHF: (Very High Frequency), Muy Alta Frecuencia.
UHF: (Ultra High Frequency), Ultra Alta Frecuencia.
VLF: (Very low frequency), Muy Baja Frecuencia.
SHF: (Super High Frequency), Super Alta Frecuencia.
VLF: (Very low frequency), Muy Baja Frecuencia.
FSK: (frequency shift Keying), Modulación digital de frecuencia
Banda base: Línea de comunicaciones con un ancho de banda pequeño de forma
que sólo es capaz de soportar un único canal de comunicación.
Bandwidth: (ancho de banda) Técnicamente es la diferencia, en hertzios (Hz),
entre la frecuencia más alta y la más baja que admite un canal de transmisión. Sin
embargo, este término se usa mucho más a menudo en informática para definir la
máxima cantidad de datos que puede ser enviada en un periodo de tiempo
determinado a través de un circuito de comunicación dado.
Host: (sistema central) Ordenador que permite a los usuarios comunicarse con
otros sistemas o nodos de una red. Los usuarios se comunican ejecutando
programas de aplicación en el host, tales como el correo electrónico.
13
Interface: (interfaz) 1. Conexión entre dos componentes de "hardware" entre dos
aplicaciones, o entre un usuario y una aplicación. 2. Dentro del mundo de Java se
utiliza para definir la estructura de un conjunto de métodos que podrán ser
implementados por otras clases; únicamente definen la forma de relación de los
métodos (parámetros de llamada, resultados devueltos), dejando la
implementación de su comportamiento interior a aquellas clases que decidan
incorporar el interfaz.
14
INTRODUCCION
Existen muchas circunstancias en las cuales no es conveniente emplear personas
para la realización de algunas labores debido al alto riesgo a que ellos se
exponen; por esta razón se han desarrollado diversas herramientas o equipos que
permiten reemplazar al hombre al realizar estas operaciones a distancia. Dentro
de estos equipos se encuentran los móviles teleoperados también conocidos como
robots a pesar de no ser autónomos en sí mismos.
Los robots teleoperados son aquellos controlados por un usuario a distancia desde
una estación remota. Dada su gran utilidad, se han empleado en diversos campos.
Este tipo de manejo supone una ventaja desde el punto de vista de la protección y
seguridad del usuario, ya que en caso de realizar trabajos en ambientes inseguros
o inestables o con sustancias potencialmente peligrosas, como químicos o
explosivos, no se arriesga su integridad física.
En el desarrollo de robots teleoperados se involucra la electrónica, las
comunicaciones, el control, y la visión por computador.
La robótica es una ciencia o rama de la tecnología, que estudia el diseño y
construcción de máquina capaces de desempeñar tareas realizadas por el ser
humano o que requieren del uso de inteligencia, una área interdisciplinaria
formada por la ingeniería mecánica, electrónica e informática.
La mecánica comprende tres aspectos: diseño mecánico de la máquina, análisis
estático y análisis dinámico.
La electrónica le permite al robot trasmitir la información que se le entrega,
coordinando impulsos eléctricos que hacen que el robot realice los movimientos
requeridos por la tarea.
La informática provee de los programas necesarios para lograr la coordinación
mecánica requerida en los movimientos del robot, dar un cierto grado de
inteligencia a la máquina, es decir adaptabilidad, autonomía y capacidad
interpretativa y correctiva.
En la actualidad la ayuda de la robótica ha hecho posible que los robots lleguen a
lugares inaccesibles por el hombre y cumplan con mayor precisión las tareas
encomendadas.
Utilizando estos conceptos se pretende resolver el problema de inaccesibilidad del
hombre en ciertos lugares, como por ejemplo, las tuberías. Para esto se
desarrollará un robot autónomo con la capacidad de reconocer obstrucciones y
reconstruir la trayectoria realizada.
15
OBJETIVOS
General
Diseñar un robot explorador, con un sistema de radio control (RF).
Específicos
Estudiar el estado del arte
Manejar la herramienta computacional Microwave Office.
Establecer la frecuencia a implementar en el diseño.
Diseñar un prototipo en la herramienta computacional Solid Edge.
16
1. GENERALIDADES Y CONCEPTOS BÁSICOS
1.1. TIPOS DE ANTENAS
En este primer apartado se define los dos tipos básicos de antenas:
Omnidireccionales y Direccionales. También se explica el funcionamiento básico
de la antena Parabólica, que a pesar de ser un caso particular de antena
direccional tiene suficiente interés para ser explicada aparte.
1.1.1. Antenas Omnidireccionales
1.1.1.1. Definición
Se define una antena omnidireccional como aquella que es capaz de radiar
energía prácticamente en todas direcciones.
1.1.1.2. Antena isotrópica
Para explicar mejor de qué se trata he hecho este esquema que intenta ser un
diagrama de radiación de la antena. Un diagrama de radiación sirve para
determinar la energía radiada en cada dirección del espacio. Si analizamos esta
antena se observará que en los planos verticales (x, z) e (y, z) la cantidad de
energía radiada es exactamente la misma en todas las direcciones. Tenemos lo
mismo para el plano horizontal (x, y). Esto nos indica que esta antena podrá enviar
o recibir señal con las mismas condiciones esté en la posición que esté. Esta
antena recibe el nombre de antena isotrópica.
Figura 1. Diagrama de radiación de una antena isotrópica.
(“tomado pdf conceptos básicos sobre antenas”)
17
1.1.1.3. Antenas omnidireccionales reales
El uso habitual hace que una antena omnidireccional no emita exactamente en
todas direcciones, sino que tiene una zona donde irradia energía por igual (por
ejemplo el plano horizontal). Por ejemplo no nos puede interesar emitir o recibir
señal de la parte que está exactamente encima de la antena, imaginémonos la
antena de radio del coche: difícilmente se tendrá la fuente de señal exactamente
encima de la antena, así que favorecemos la emisión o recepción en otras
direcciones (como puede ser el plano horizontal) en detrimento de otras (el plano
vertical). Nos puede parecer una frivolidad despreciar un rango tan grande de
direcciones, pero se tendrá en cuenta la distancia entre la antena emisora y
nuestra antena receptora se dará cuenta que el ángulo respecto al plano
horizontal de la antena es muy pequeño. Se tendrá en cuenta también que en el
plano horizontal sí que el comportamiento es totalmente omnidireccional. En el
siguiente esquema se observará este comportamiento, Se fijará que la cantidad de
señal enviada en dirección z es 0, en cambio la que se envía en las direcciones x
e y es máxima, y entre los dos límites hay una graduación.
Figura 2. Diagrama de radiación de una antena omnidireccional. (“tomado pdf conceptos básicos
sobre antenas”)
Se podrá determinar la cantidad de energía en un ángulo de 45º sobre la vertical
trazando una línea en el gráfico y determinando la longitud del vector respecto del
18
máximo (si el gráfico está normalizado el máximo siempre será 1). Ver en la
próxima figura 3).
Figura 3. Cantidad de energía radiada en un ángulo de 45 grados. (“tomado pdf conceptos básicos
sobre antenas”)
1.1.2. Antenas direccionales
1.1.2.1. Definición
Las antenas direccionales son aquellas que han sido concebidas y construidas
para favorecer que la mayor parte de la energía sea radiada en una dirección en
concreto. Puede darse el caso en que se desee emitir en varias direcciones, pero
siempre estaremos hablando de un número de direcciones determinado donde se
encontrarán el lóbulo principal y los secundarios.
1.1.2.2. Antena direccional normal
Con las antenas direccionales se descubre el término de lóbulo principal, se trata
de la dirección donde se proyectará la mayor parte de la energía. Como es
imposible hacer una antena que radie en una sola dirección se interesará saber
qué rango de direcciones (o abertura) recibirá el mayor porcentaje de energía. Se
interesará que el lóbulo principal sea lo más estrecho posible, así se ganará en
19
direccionalidad, pero esto repercute directamente en el coste económico de la
antena.
También se tendrá, por el simple hecho de trabajar en un medio físico no ideal, un
número determinado de lóbulos secundarios. Estos lóbulos proyectarán energía
en direcciones que no son la deseada, o en caso de recepción nos captarán
señales que no provienen directamente de nuestra fuente, captando ecos y
reflexiones o interferencias de otras fuentes. Normalmente nos interesará una
relación entre el lóbulo principal y los secundarios lo más grande posible.
Para entender como puede afectar eso se usará el ejemplo de antena direccional
que más hemos visto: la antena de recepción de televisión del tejado de nuestra
casa. Esta antena se compone de una barra con unas espinas horizontales y
detrás de todo tiene otras dos barras con espinas en una disposición de V. La
disposición horizontal de esas espinas se debe a la polarización de la señal, en
Inglaterra por ejemplo serian verticales, esto depende de cómo se emite la señal.
La barra central se encarga de recibir la señal, esta barra apunta directamente al
repetidor de televisión más próximo, cuanto más alineada está la antena con el
repetidor mejor es la calidad de la señal que se recibe, entonces se tendrá el
lóbulo principal apuntando directamente al repetidor. Las dos barras de la parte de
atrás de la antena puesta en forma de V son reflectores, y se encargan de
aprovechar mejor la señal que nos llega, es una manera de utilizar la forma de la
antena a nuestro favor. La antena también puede recibir señal desde la parte de
atrás, se imagina, por ejemplo en medio de una ciudad donde nuestra antena
apunta al repetidor pero detrás tenemos un edificio que refleja la señal y la
devuelve a la antena, como esta señal habrá recorrido una distancia mayor que el
señal que llega directamente por la parte de delante de la antena, el nuevo señal
no coincidirá del todo con el original, así se formará el molesto efecto de imagen
doble. Una buena manera de solucionar este problema es haciendo que la señal
reflejada sea muy débil respecto a la original, y esto se consigue consiguiendo una
relación muy alta entre el lóbulo principal (delante) y el lóbulo secundario (detrás),
claro que para esto se deberá gastar más dinero en una antena de más calidad.
Otra de las finalidades de las antenas direccionales es la confidencialidad. Si se
difunde nuestra información en todas direcciones cuando realmente sólo se quiere
llegar a un punto se corre más peligro de que los datos confidenciales puedan ser
captados por alguien que no le interesa. Otra aplicación importante es para evitar
la saturación de frecuencias, ya que si se usa una frecuencia en un camino muy
recto entre dos antenas direccionales lo que se consigue es dejar el resto de
espacio disponible para usar esa misma frecuencia.
20
Figura 4. Radiación de una direccional real.
(“tomado pdf conceptos básicos sobre antenas”)
21
1.2. PARAMETROS DE DISEÑO
1.2.1. El espectro radioeléctrico:
El concepto de “Espectro Radioeléctrico” se ha puesto de moda desde que existe
una importante competencia por su uso como canal de comunicaciones, y estos
han empezado a recaudar grandes sumas por su administración y concesión de
licencias. Actualmente la mayoría de los sistemas de radiocomunicaciones
trabajan en las bandas de frecuencia inferiores a 5 GHz, aunque la división y
asignación del espectro a los diversos sistemas está establecida hasta las
frecuencias de ondas milimétricas.
Las frecuencias de radio comunicaciones se extienden desde valores tan bajos
como algunos Khz. en VLF (very low frequency, muy bajas frecuencias) hasta
cientos de GHz en las bandas milimétricas. En este amplio margen, la tecnología
usada en el diseño y construcción de componentes electrónicos es muy diversa,
con al menos dos fronteras que se paran la electrónica digital y de baja
frecuencia de la llamada electrónica de Radiofrecuencia o RF y de las microondas.
Aunque estas fronteras no son rígidas y evolucionan deprisa en el tiempo, impone
un cambio importante en la forma de trabajar: analizar, diseñar y construir los
componentes de un sistema.
Figura 5. Espectro radioeléctrico.
(Electrónica de Comunicaciones.)
El margen inferior de frecuencia está dominado cada vez más por la electrónica
digital. Con los circuitos integrados digitales es posible implementar funciones de
procesos de señal de forma muy simple. En este margen el software sustituye al
hardware en los procesos más usuales (filtrado, conversión, detección y
22
modulación de señales), quedando para los circuitos convencionales apenas los
procesos de amplificación de potencia a de bajo ruido. La aplicación de
componentes electrónicos discretos en los márgenes más bajos de frecuencia
estás únicamente justificada por una reducción de precios en la electrónica de
consumo.
En el margen típico de RF (3 MHz a 3 GHz), en los diez últimos años, se ha
desarrollado un gran número de nuevas técnicas y materiales aplicados a la
construcción
de circuitos. Se han desarrollados
nuevos materiales
semiconductores y su procesado para llagar a los circuitos integrados analógicos,
de forma que el diseño de circuitos convencionales de componentes concentrados
se hacen cada vez más innecesarios. Los materiales cerámicos, tanto los
piezoeléctricos como los de alta constante dieléctrica, permiten conseguir filtros de
reducido tamaño y fácil integración. La combinación, en un mismo chip de silicio,
de circuitos analógicos y digitales permite una gran versatilidad en el diseño de
bloques completos de un transmisor o receptor.
1.2.2. Potencia de emisión:
Un parámetro muy importante en la especificación de los componentes y sistemas
de RF es el nivel de potencia de trabajo. A diferencia de los circuitos lógicos y de
baja frecuencia, los niveles de impedancia que relacionan las tensiones y
corrientes en cada punto del circuito suelen tomar valores próximos a una
impedancia de referencia. Típicamente esta impedancia es de 50 O, aunque en
determinadas aplicaciones puede tomar otros valores. Existen varias razones que
aconsejan esta relación, entre ellas el uso de líneas de transmisión, las
limitaciones en las impedancias de entrada o salida de diversos componentes de
alta frecuencia y las características de las antenas y filtros.
En los transmisores, uno de los elementos más críticos es el amplificador de
potencia de salida. La capacidad de general potencia deseada con el rendimiento
necesario y con mínima distorsión es lo que determina en muchos casos un
trasmisor. En sistemas radioeléctricos es la potencia de emisión la que define
normalmente el alcance del enlace, el tamaño mínimo de las antenas o la
capacidad de compensar efectos de desvanecimiento. Otro aspecto cada vez más
importante en el diseño de sistemas de transmisión es el consumo y el
rendimiento, ya sea por la limitación que se supone en la temperatura de trabajo
de los componentes por las limitaciones en el suministro de energía, sobre todo
en los sistemas portátiles.
23
1.2.3. Sensibilidad:
El parámetro más importante de los receptores es la sensibilidad o potencia
mínima de entrada para el correcto funcionamiento del sistema. La sensibilidad
viene impuesta por el nivel de ruido e interferencias que acompaña a la señal
deseada y que estará determinado en función del sistema por su relación (S/N+I).
En este caso la potencia de ruido generada en el propio receptor es un parámetro
de primera importancia, que viene determinado por la temperatura equivalente de
ruido o la figura de ruido. Este parámetro depende básicamente de los
componentes de RF más próximos a la antena.
En la mayoría de los casos los niveles relativos de potencia se indica en
decibelios (dB) y los niveles absolutos de potencia en dB relativos a un milivatio
(dBm).
1.2.4. Distorsión e interferencias:
El diseño básico de los sistemas de RF parte de la suposición de que los
componentes que lo forman tienen una respuesta lineal e invariante en el tiempo a
las señales de entrada. El análisis se basa en la respuesta temporal o espectral
de los componentes que forman el sistema, independientemente de los niveles de
potencia en cada punto.
Uno de los problemas cada vez más importante en sistemas de
radiocomunicaciones es el producido por las interferencias generadas en
procesos de distorsión no lineal de señales, ya sean del propio sistema de
comunicaciones o de sistema que comparten parte del espectro radioeléctrico.
24
1.3. EL TRANSMISOR
La función de un transmisor en un sistema de comunicaciones es la de formar la
señal a transmitir sobre la frecuencia portadora. Para ello un transmisor debe
generar la señal portadora, con la estabilidad adecuada, modularla con la señal
que contiene la información y filtrarla limitando el ancho de banda a la banda
necesaria para su transmisión, generando de este modo el mínimo de
interferencias con otros sistemas.
Independientemente del tipo de señal que se desee transmitir; el esquema general
de un transmisor contiene:
Figura 6. Esquema general de un transmisor.
(Electrónica de Comunicaciones.)
1.3.1. Tipos de transmisores:
Se pueden distinguir dos conjuntos; según se realice la modulación sobre la
frecuencia final de emisión (transmisores homodinos) o sobre una frecuencia
intermedia (transmisores heterodinos).
1.3.1.1. Transmisores homodinos o de modulación directa:
En un transmisor homodino o de modulación se realiza directamente sobre la
portadora, de forma que la señal a la salida se filtra en la banda de transmisión y
se envía a la antena. Aunque se utiliza para cualquier tipo de modulación, en la
práctica es más frecuente verlo en la modulación de amplitud. Esta coincidencia
es debida a que la modulación directa de la portadora es más fácil en frecuencias
bajas, donde los moduladores son más fáciles de implementar, y las aplicaciones
de AM son las que más se utilizan en esas frecuencias.
25
Problemas:
• El filtrado posterior a la modulación, si la frecuencia de emisión es variable,
este filtro ha de ser también variable, con lo que aumenta su complejidad.
• Es fácil encontrar este esquema homodino en transmisores con frecuencia
fija de transmisión.
Usos:
• Servicio de telegrafía marítimo, con algunas modificaciones.
• Transmisores de AM con modulación a nivel alto.
Figura 7. Esquema de un transmisor homodino.
(Electrónica de Comunicaciones.)
1.3.1.2. Transmisores heterodinos:
En un transmisor heterodino la portadora sobre la que se produce la modulación
es de frecuencia diferente de la de emisión. La conversión de una frecuencia en
otra se hace a través de un circuito conversor de frecuencia, permitiendo trasladar
una señal en el espacio de la frecuencia un valor fijo, sin modificar el tipo y la
profundidad de la modulación.
1.3.1.2.1. Ventajas con respecto al transmisor homodino:
• Puede mantener constante la frecuencia sobre la que se hace la
modulación, aunque la frecuencia de emisión cambie. Este cambio se
puede hacer sobre la frecuencia del segundo oscilador.
• La amplificación hasta los valores de emisión se hacen sobre dos o más
frecuencias diferentes, evitando posibles realimentaciones entre los
distintas etapas amplificadoras.
26
•
Se puede conseguir un mejor filtrado de la señal modulada sobre una
frecuencia fija y de un valor normalizado.
Figura 8. Esquema transmisor heterodino. (Electrónica de Comunicaciones.)
1.3.1.3. Parámetros característicos:
Las especificaciones de un transmisor dependen mucho de la señal a transmitir,
del tipo de modulación, frecuencia portadora, potencia de transmisión, y
aplicaciones del sistema de comunicaciones.
1.3.1.3.1. Frecuencia de transmisión:
Con el término frecuencia de portadora o frecuencia de transmisión, se hace
referencia a la frecuencia de la señal radioeléctrica en ausencia de modulación; no
existe salida alguna del transmisor en ausencia de modulación.
La frecuencia correspondiente al oscilador o combinación de oscilador sobre los
que se produce la modulación se denomina frecuencia característica.
El valor de la frecuencia de portadora en una transmisión está determinada por el
canal, el alcance deseado, la banda asignada, y otros.
En el caso de un sistema de radiocomunicaciones, que ha de compartir con otros
sistemas el medio natural de propagación, la frecuencia asignada depende mucho
de la aplicación, ancho de banda de la transmisión, alcance y cobertura deseada.
Actualmente se utilizan sistemas de radio comunicaciones con frecuencias de
portadora desde valores muy bajos (VLF), hasta infrarrojos, para cada aplicación
puede de finirse bandas más o menos optimas.
27
Una de las características más importantes de la frecuencia portadora es su
estabilidad.
Figura 9. Bandas de frecuencias en comunicaciones.
(Electrónica de Comunicaciones.)
1.3.1.3.2. Estabilidad de Frecuencia.
•
Estabilidad a corto plazo:
Se refiere a variaciones de la frecuencia o fase de la portadora en periodos
muy cortos de tiempo y normalmente se analiza como ruido de fase asociado
al oscilador. Para señales moduladas se consideran como ruido el que incide
en la banda de frecuencia de modulación (fm).
•
Estabilidad a largo plazo:
Es lo que normalmente se entiende por estabilidad de una frecuencia, y se
refiere a las variaciones del valor medio de la frecuencia, medidos en tiempos
largos comparados con las constantes de tiempo utilizadas en la modulación.
28
Normalmente ambos criterios de estabilidad van unidos en un oscilador, de forma
que en un oscilador poco ruidoso es también estable; de los osciladores más
estables utilizados en transmisores de radioeléctricos es el de cristal de cuarzo,
que se usa bien directamente como patrón de frecuencia en circuitos
sintetizadores.
1.3.1.3.3. Señal en banda base:
El tipo de señal a transmitir impone muchos criterios de diseño de un transmisor.
Los parámetros de mayor interés de esta señal son:
Su distribución espectral de potencia y en particular su ancho de banda, el nivel
medio o componente de continua, que puede ser nula, el valor cuadrático medio
(valor eficaz) y el valor máximo (valor pico). También se puede hacer una
distinción entre señales analógicas y digitales.
Las señales analógicas se definen por una serie de parámetros que tomarán
valores diferentes, aunque se pueden caracterizar mediante los conceptos de
señales aleatorias variables en el tiempo x(t); que se resume en:
•
•
•
•
•
•
•
•
Valor medio o componente continua: < x(t)>
Potencia media : Pb = < x²(t)>
Valor eficaz: xef = Pb½
Nivel máximo o de pico de la señal: xmax.
Función de distribución estadística: F(x)
Función de correlación: R(t ) = < x(t)*x(t- t )>
Función de distribución espectral de potencia: S(f) = [R(t )]
Banda ocupada por la señal en banda base: W
1.3.1.3.4. Tipo y profundidad de modulación.
El tipo de modulación caracteriza de forma muy importante la señal a transmitir en
un sistema de comunicaciones y condiciona el diseño de los subsistemas y no
sólo el modulador y demodulador propiamente dichos:
•
•
La modulación lineal (AM, DBL, QAM, BLW, BLU, ASK…)
La modulación angular (FM, PM, FSK, PSK…)
29
Figura 10. Esquema de modulaciones más frecuentes. (Electrónica de Comunicaciones.)
1.3.1.3.5. Ancho de banda.
Una portadora modulada es una señal con diversas componentes de diferente
frecuencia y que puede limitarse en el espectro a una anchura de banda dada sin
sufrir una distorsión importante.
A efectos prácticos se identifica la anchura de banda como la diferencia entre los
valores de las frecuencias más alta y más baja de las componentes significativas
contenidas en la señal.
También se puede especificar; de forma más cuantitativa, como la banda que
concentra el 90% de la señal de la potencia de la señal modulada.
•
Anchura de banda necesaria: es la anchura de banda que precisa el sistema
para asegurar la transmisión de la información a la velocidad requerida en
condiciones específicas.
30
•
Anchura de banda ocupada: es una anchura de banda tal que por debajo de
su frecuencia inferior y por encima de la superior se emita potencias medias
iguales o inferiores cada una a un porcentaje dado de la potencia media total
emitida.
1.3.1.3.6. Emisiones no deseadas:
En los procesos de generación de la portadora, modulación y amplificación de la
señal obtenida, se generan señales no deseadas.
•
Radiación no deseada: es la radiación en frecuencias situadas fuera de la
banda necesaria, cuyo nivel puede reducir sin afectar a la transmisión de la
información correspondiente.
•
Radiación armónica: radiación no esencial en frecuencias múltiplos enteros
de los comprendidos en la banda ocupada.
•
Radiación parasita: radiación no esencial y no armónica. Normalmente son
independiente del valor de la portadora o frecuencia característica de una
emisión.
1.3.1.3.7. Potencia de emisión
En general la potencia de un transmisor radioeléctrico se refiere al valor medio de
la potencia en un ciclo de radio frecuencia suministrada por el trasmisor a la línea
de alimentación de antena.
•
Potencia de portadora: es el valor medio de la potencia suministrada a la
línea de alimentación de la antena, durante un ciclo de RF, en ausencia de
modulación.
•
Potencia media de un transmisor radioeléctrico: es la obtenida al promediar
la potencia entregada por el transmisor en un tiempo suficientemente grande
comparado con el periodo correspondiente a la componente de la frecuencia
más baja que exista en la señal de modulación.
•
Potencia en la cresta de la envolvente: es la potencia suministrada por el
trasmisor durante un ciclo de radiofrecuencia coincidiendo con el valor máximo
de la envolvente de modulación.
El termino potencia de pico se utiliza para designar la potencia instantánea
máxima, que difiere del valor anterior.
31
La forma más general de establecer la potencia de emisión de un transmisor es
midiendo la potencia radiada por la antena en sistemas de radio o entrega a la
línea en sistemas de cables. Esta medida tiene en cuenta las pérdidas por
desadaptación de impedancias o disipadas en la antena.
PIRE=PmediaGantena
PIRE o EIRP: Potencia Isótropa Radiada Equivalente.
El nivel de potencia de los transmisores está limitado en la práctica por los
dispositivos del transmisor: amplificadores y osciladores, formados generalmente
con componentes de estado sólido (FET, transistores bipolares, diodos Gun,
Diodos IMPATT, otros). Además, la potencia máxima que puede transmitir los
dispositivos disminuye con la frecuencia. En la tabla se presentan las potencias
máximas que pueden transmitir distintos dispositivos y su frecuencia de trabajo.
La potencia de emisión es uno de los parámetros más importantes de un
transmisor e influye mucho en su diseño, componentes a utilizar y precios.
Los niveles actuales de potencia media en un transmisor de comunicaciones
oscilan entre valores de algunos milivoltios para sistemas de corto alcance como
redes locales o muy directivos, hasta algunos megavatios en grandes
transmisores de radiodifusión.
Figura 11. Potencia máxima de un amplificador de RF. (Electrónica de Comunicaciones.)
32
1.3.1.3.8. Rendimiento:
Otro de los parámetros importantes del transmisor es el rendimiento de las etapas
de potencia, el cociente entre la potencia entregada a la antena o a la línea de
transmisión y la suministrada por la fuente de alimentación.
El rendimiento total de un transmisor, ?t está determinado en gran medida por el
rendimiento del amplificador de potencia de salida.
En los transmisores de alta potencia, el rendimiento determina la cantidad de
energía eléctrica consumida y aparece la rentabilidad de transmisor.
En los transmisores de baja potencia el rendimiento determina también el tamaño
y el peso de la fuente de alimentación la estructura de los disipadores y la vida
media de las baterías si no se alimentan directamente por la red.
Dado que la potencia máxima disipada por el componente activo es uno de los
parámetros característicos de los dispositivos de potencia, el rendimiento obtenido
por el amplificador determina la potencia disipada y en definitiva la potencia
máxima de RF capaz de transmitir, si se considera constante disipada.
PS = ?PDC = (?/1-?)*Pd
PS: Potencia transmitida.
PDC: Potencia de alimentación en continua.
Pd: Potencia disipada.
1.3.1.3.9. Fidelidad
La señal transmitida ha sufrido un conjunto de transformaciones:
Modulación, amplificación y filtrado y en cada uno de estos pasos se produce una
cierta distorsión de la información original de la señal.
Al comparar la señal recibida en un receptor ideal sin ruido con la señal original se
puede establecer criterios de calidad que define la fidelidad del transmisor.
Dado que los niveles de potencia que maneja un transmisor suelen ser mucho
mayores que las de un receptor, los problemas asociados a la distorsión no lineal.
33
1.4. EL RECEPTOR
Las funciones del receptor en un sistema de comunicaciones se puede resumir en
seleccionar, amplificar y demodular la señal deseada, separándola en lo posible
del resto de las señales y del ruido que la acompañan.
Figura 12. Esquema de un receptor. (Electrónica de Comunicaciones.)
1.4.1. Cualidades de un receptor:
1.4.1.1. Sensibilidad: capacidad de recibir señales débiles. Se mide como tensión
en la entrada necesaria para obtener una relación determinada entre señal y ruido
a la salida.
1.4.1.2. Selectividad: capacidad de rechazar frecuencias indeseadas. Se mide
como cociente de potencias de entrada de las señales de frecuencias indeseadas
y de la deseada que generan la misma señal de salida.
1.4.1.3. Sensitividad: La sensitividad o sensibilidad de un receptor es el nivel
mínimo de señal de RF que puede detectarse en la entrada del receptor y todavía
producir una señal de información remodulada utilizable. Es algo arbitrario, lo que
constituye una señal de información utilizable. Generalmente, la relación de señal
a ruido y la potencia de la señal en la salida de la sección de audio se utilizan para
determinar la calidad de una señal recibida y si se puede utilizar o no.
La sensitividad de un receptor generalmente se indica en microvoltios de señal
recibida.
La sensitividad del receptor se llama umbral del receptor. La mejor forma de
mejorar la sensitividad de un receptor es reducir el nivel de ruido. Esto se puede
lograr reduciendo la temperatura, el ancho de banda del receptor, o mejorando la
figura de ruido del receptor.
34
1.4.1.4. Fidelidad: capacidad de reproducir las señales de banda base para una
distorsión especificada.
1.4.1.5. Margen dinámico: cociente entre niveles máximos y mínimos de potencia
de entrada que garantiza funcionamiento correcto del receptor.
1.4.2. Tipos de receptores:
Existen distintos criterios para clasificar los receptores; los más utilizados en la
práctica son los que se refieren al tipo0 de servicio, a la forma de sintonía, tipo de
señal que reciben, a la forma de modulación y a la forma de separar la señal de
las interferencias.
Esta última clasificación es la más importante desde el punto de vista del diseño
de sistemas.
• Por el servicio al que se destina: receptores telegráficos, telefónicos, de
radiodifusión, de televisión, de comunicaciones móviles, y otros.
• Por la forma de sintonía: de sintonía fija, si funcionan a una sola
frecuencia (radioenlaces del servicio fijo). De sintonía discreta, si pueden
recibir en un número discreto de canales (televisión y servicios móviles).
De sintonía continua si la frecuencia puede tomar cualquier valor en la
banda de RF (algunos receptores de radiodifusión).
• Por el tipo de señal que reciben: digitales y analógicas.
• Por la forma de modulación: de amplitud (AM, DBL, BLU, ASK…), de
frecuencia (FM, FSK…) y de fase (PM, PSK, QPSK…).
• Por la forma de amplificar y seleccionar la señal deseada: receptor
homodino, receptor superheterodino y receptores que utilizan más de una
conversión de frecuencia.
1.4.2.1. Receptor homodino
La señal captada por la antena se selecciona y se amplifica directamente hasta el
nivel conveniente para que el demodulador funcione correctamente. Se demodula
y a continuación se amplifica la señal extraída en la banda base original, hasta el
nivel exigido por el dispositivo de representación.
Figura 13. Esquema de un receptor homodino. (Electrónica de Comunicaciones.)
35
En la práctica este tipo de receptor es muy poco utilizado en sistemas de
comunicaciones, dados los graves inconvenientes que posee a la hora de
conseguir una buena selectividad por el filtrado directo de la señal de RF, pues es
muy difícil obtener filtros estrechos en RF que definan la banda de frecuencia
deseada con precisión, sobre todo si el receptor es de sintonía variable.
El otro inconveniente que presenta los receptores homodinos es la dificultad de
conseguir altas ganancias (> 80 dB) en la amplificación a una sola frecuencia. El
problema más importante es la aparición de inestabilidades en el receptor, debido
a realimentaciones por radiación, por los circuitos de polarización o por las
uniones a masa, produciendo oscilaciones en el amplificador.
1.4.2.2. Receptor superheterodino
En un receptor superheterodino la frecuencia de señal en RF se traslada,
mediante mezcla con el tono puro y constante de un oscilador, a una frecuencia
diferente (normalmente menor que la de RF), llamada frecuencia intermedia. En la
frecuencia intermedia es donde se realiza el filtrado y selección de la banda
deseada antes de alcanzar el detector. De este modo, la amplificación puede
hacerse en dos etapas a frecuencias diferentes, logrando así una mayor
estabilidad en el conjunto.
Si reconsidera el proceso de mezcla como un producto, en el tiempo, de las
señales de entrada en RF y del oscilador local (OL).
Señal de RF: vs (t ) = Vs a(t ) cos(ω0t + φ (t ) )
Señal de OL: v0 (t ) = V0 cos(ω0t )
kVsV0
a (t )[cos((ωs + ω0 )t + φ (t )) + cos((ωs − ω0 )t + φ (t ))]
2
Se puede apreciar que en la mezcla se producen dos señales, un a
correspondiente a la suma y otra a la diferencia de las frecuencias de RF y OL.
Ambas contienen la misma modulación de amplitud y fase, que corresponde a la
contenida en la señal de RF. Normalmente, la frecuencia intermedia seleccionada
es inferior a la de la entrada de RF, por lo que se toma la diferencia y se rechaza
la otra en el filtro de FI.
Señal de FI: vi (t ) =
36
La misión del filtro de FI es seleccionar el canal deseado, rechazando los canales
adyacentes. El conjunto formado por el mezclador, el oscilador y los filtros de
salida de frecuencia intermedia toma el nombre de conversor de frecuencia del
receptor superheterodino. La relación entre la frecuencia de entrada y la
frecuencia intermedia será:
fi = f s ± f0
Figura 14. Esquema de bloque de un receptor superheterodino.
(Electrónica de Comunicaciones.)
1.4.2.3. Receptor de doble conversión de frecuencia
En muchos casos es necesario diseñar receptores con más de una conversión si
se quiere obtener una buena selectividad con filtros no muy complicados o en
banda se sintonía muy amplia.
• Receptor con una relación muy grande entre la frecuencia portadora y la
anchura de banda final( f s lB > 5000 )
En este caso suele utilizarse una doble conversión hacia abajo (down
converters), con una primera frecuencia intermedia inferior a la de RF ( f s > f i1 ), y
una segunda frecuencia intermedia inferior a la primera ( f i1 > f i 2 ),
seleccionándose siempre como frecuencia de salida el conversor la diferencia de
las frecuencias de entrada a cada mezclador. En este caso se cumple que la
frecuencia de salida es siempre menor que la de entrada, de forma que se puede
poner:
fi1 = fs − f01
• Receptores con un margen relativo de sintonía muy amplio ( f smáx f s min > 30 )
37
Cuando la relación entre las frecuencias máximas y mínimas del margen de
sintonía es muy grande, si se mantiene fija la frecuencia intermedia en un valor
inferior a f s min , la frecuencia intermedia será muy pequeña y supondrá un difícil filtrado de
la banda imagen a f smáx , formado un receptor con doble conversión hacia arriba o
conversión superior (up converters), con la primera frecuencia intermedia por encima de la
señal ( f s < f i1 ), la banda imagen es muy fácil de eliminar.
f i1 = f 01 ± f s
f i 2 = f i1 − f 02
Figura 15. Receptor con doble conversión de frecuencia.
(Electrónica de Comunicaciones.)
1.4.2.4. Selectividad de un receptor
La selectividad se define como la aptitud del receptor para separar la señal
deseada o seleccionada en el proceso de sintonía, de los potenciales
interferencias en otra frecuencia.
Una forma de cuantificar esta aptitud consiste en comparar los niveles necesarios
de dos señales a frecuencias diferentes (canal deseada y canal adyacente), para
que los niveles que cada una genera a la salida del proceso de filtrado sean
iguales (punto de entrada al detector). Puede así obtenerse una curva que nos
dad la potencia de la señal interferentes en función de su frecuencia ( f y ) o de la
diferencia de frecuencias entre señal e interferencia ( ∆f = f y − f s ), denominada
curva de selectividad.
Normalmente la potencia se expresa en dB respecto de la potencia mínima de
señal.
p( f y )
p( f s )
= S ( f y − f s ) = S (∆f )
38
En las proximidades de la frecuencia de RF la selección la define el producto de
las funciones de transferencia de los filtros del receptor. Para evitar problemas es
conveniente limitar la banda final lo antes posible en la última frecuencia
intermedia el que define más claramente la curva selectividad.
1.4.2.5. Ruido en un receptor
Figura 16. Contribución al ruido de la banda imagen.
(Electrónica de Comunicaciones.)
Si ser considera el receptor de la figura 16, en el que la banda final de ruido está
definida por el filtro asociado al amplificador de FI, la potencia de ruido a la salida
del filtro de FI (entrada del demodulador) procede por una parte de la parte de la
banda de señal y por otra de la banda imagen, al menos el correspondiente a las
etapas previas al mezclador.
• Ruido procedente da la banda de RF (antena y etapa RF)
• Ruido procedente de la banda imagen (antena y etapa RF)
• Ruido procedente del mezclador
• Ruido procedente del amplificador de FI
1.4.2.6. Sensibilidad de un receptor
La sensibilidad se define como el nivel máximo de señal necesario a la entrada del
receptor para que en el detector el nivel de potencia y la relación señal a ruido
satisfagan la correspondiente especificación de calidad.
Se aprecia entonces que son dos las condiciones que deben tenerse en cuenta
para determinar la sensibilidad de un receptor.
Pmín39
(g) =
P0
gt
Donde
Pmín (g ) =sensibilidad (limitada por la ganancia).
P0 = potencia mínima necesaria en el detector.
g t = ganancia total del receptor.
40
1.5. AMPLIFICADORES RF DE POTENCIA:
El amplificador de potencia (PA) es la última etapa del emisor. Tiene la misión de
amplificar la potencia de la señal (no necesariamente la tensión) y transmitirla a la
antena con la máxima eficiencia. En eso se parecen a los amplificadores de baja
frecuencia, pero aquí la distorsión o falta de linealidad puede no ser importante.
DISEÑO DEL AMPLIFICADOR
Pasos básicos para el diseño de un amplificador
Antes de empezar a realizar el diseño de un amplificador de cualquier tipo se han
de definir unos objetivos, de manera que se conozcan las características que ha
de tener, ganancia, punto de compresión a 1dB, ruido, intermodulación,... A
continuación se ha de decidir que finalidad tendrá dentro del sistema del que
forme parte, será de transmisión, recepción, de bajo ruido, de alta potencia. Y
seguidamente determinar de qué clase será, A, B, AB, C,... Una vez decididos
estos factores el siguiente paso es escoger un transistor adecuado, decidir un
punto de trabajo apropiado y diseñar una red de polarización. Seguidamente es
importante estudiar su estabilidad por si es necesario añadir algún elemento para
mejorarla.
El siguiente paso es empezar a realizar la red de adaptación tanto de entrada
como de salida. Y realizar unas primeras simulaciones del comportamiento del
circuito. Si se comprueba que no se están cumpliendo los objetivos deseados, por
ejemplo, en cuanto a ganancia o ancho de banda, siempre se pueden intentar
mejorar las redes de adaptación. Si el problema es que queremos que amplifique
en una zona concreta la solución pasa por diseñar filtros, paso bajo, paso alto,
paso banda en función de las necesidades. Por último se necesita desacoplar la
señal de RF de la de continua, para no afectar a nuestro circuito ni a circuitos que
estén cerca, para ello hay que introducir varios elementos, como bobinas,
condensadores, líneas de transmisión, de choque o desacoplo.
Una vez hechos todos los pasos se realiza una simulación y después de observar
todos los parámetros que nos habíamos fijado como objetivos, se puede realizar
un tunning de las redes de adaptación para poder mejorar los resultados. De
manera que el amplificador queda finalmente diseñado.
41
1.5.1. Clasificación de los amplificadores de potencia
Los amplificadores de potencia tradicionales emplean dispositivos activos (BJT o
MOSFET) que se comportan como fuentes de corriente controladas por tensión.
Estos se clasifican atendiendo a la fracción del periodo de la señal en que los
dispositivos permanecen en conducción. Si la entrada es una función sinusoidal,
su argumento se incrementa 360º a cada periodo de señal. La fracción del periodo
en que los dispositivos conducen se mide por el semiángulo de conducción, ?, que
está comprendido entre 0 y 180º.
Se definen tres clases:
Clase A ?= 180º (conducen siempre)
Clase B ? = 90º (conducen medio periodo)
Clase C ? < 90º (conducen menos de medio periodo)
1.5.1.1. Clase A:
En este tipo de amplificador el elemento activo está siempre en zona activa si es
un BJT, o en saturación si se trata de un MOSFET. De todos es el que produce
menos distorsión, pero también el que tiene menor rendimiento.
Su esquema es similar al de un amplificador de pequeña señal. De las
configuraciones básicas se elige la EC (SC si es con MOSFET) porque tiene
mayor ganancia en potencia. El circuito con BJT se muestra en la figura. La única
diferencia respecto al EC básico es que se ha sustituido la resistencia de colector
por una inductancia de gran valor para mejorar el rendimiento.
Figura 17. Esquema de un amplificador clase A con BJT. (Tomado de apuntes SEC. UIB).
42
Figura 18. Circuito equivalente en pequeña señal (Tomado de apuntes SEC. UIB).
1.5.1.2. Clase B:
En el amplificador clase B los elementos activos están en zona activa si es un
BJT, o en saturación si se trata de un MOSFET, la mitad del tiempo en cada ciclo
de la señal. Es posible utilizar el mismo esquema del clase A que se muestra en la
figura correspondiente, pero ahora con VBB ˜ 0.7, de forma que el BJT sólo
conduce cuando vi > 0. En este caso es imprescindible poner en paralelo con RL
un circuito LC sintonizado que elimina todos los armónicos y deja pasar a la carga
únicamente la componente fundamental. Sin embargo el amplificador clase B que
vamos a analizar es otro, se trata del que utiliza dos transistores complementarios.
En este caso no es necesario poner un circuito LC sintonizado en paralelo con RL.
Figura 19. Esquema de un amplificador clase B con BJT complementarios.
(Tomado de apuntes SEC. UIB).
43
1.5.1.3. Clase C:
En esta clase de amplificadores el elemento activo conduce un tiempo t1– t2 en
cada periodo T = 2p /? o, de forma que el semiángulo de conducción, definido
como 2?? = ? o(t1– t2) sea inferior a p /2.
En el clase B ?? = p /2, mientras que ?? = p en el clase A.
Su esquema es similar al del clase A pero en este caso es imprescindible poner
en paralelo con RL un circuito LC sintonizado.
Figura 20. Esquema de un amplificador clase C con BJT.
(Tomado de apuntes SEC. UIB).
1.5.1.4. Clase D:
Este es el tipo básico de amplificador en que los transistores trabajan en
conmutación, pasan del estado de corte al de conducción y viceversa de forma
instantánea.
La señal de entrada, vin, debe ser cuadrada y de suficiente amplitud para llevar los
transistores alternativamente de corte a saturación (de corte a zona lineal si son
MOSFETs). Trabajando en este modo el transistor se puede asimilar a un
interruptor ideal (abierto en corte, cerrado en saturación). Al reemplazar los
transistores por interruptores resulta el circuito equivalente.
44
Figura 21. Amplificador clase D.
(Tomado de apuntes SEC. UIB).
Figura 22. Circuito equivalente
(Tomado de apuntes SEC. UIB).
1.5.2. Adaptadores de impedancia:
Generalmente, los amplificadores de potencia llevan una red adaptadora de
impedancia entre el transistor de salida y la carga.
El objetivo es doble: primero que la impedancia vista desde el colector del
transistor tenga el valor adecuado a la potencia de salida deseada, y segundo,
45
minimizar las perdidas de potencia debidas a los elementos parásitos del
transistor.
En el amplificador clase A, B o C sin adaptador la amplitud máxima de vo que se
puede lograr es VCC y la máxima potencia que se puede entregar a la carga es
2
1 VCC
S0 =
2 RL
Por ejemplo si VCC = 5 V y RL = 50 O, que es típica de una antena, la máxima
potencia de salida será de 0.25 W. Esta potencia se puede aumentar empleando
una red adaptadora de impedancia para conseguir que la impedancia reflejada de
RL en colector del transistor sea menor.
Figura 23. Situación de la red adaptadora de impedancia en el amplificador de potencia.
(Tomado de apuntes SEC. UIB).
Cuando queremos extraer la máxima potencia de un generador con una
determinada impedancia de salida, Zo,
debemos hacer que la impedancia de
carga ZL esté adaptada:
ZL = Zo*.
46
No es este el caso, aquí la impedancia de carga está fijada, para que toda la
potencia del generador vaya a la carga y no se disipe en su resistencia interna
debemos hacer que
Zo >> ZL.
Figura 24. Impedancia de carga conectada a un generador real.
(Tomado de apuntes SEC. UIB).
La resistencia de salida de los transistores en baja frecuencia es muy alta,
funcionan como fuentes de corriente casi ideales, pero en alta frecuencia no es tan
alta debido la capacidad de salida. En amplificadores RF es necesario compensar
esta capacidad, esta es la otra función de la red adaptadora.
Existe una gran variedad de redes adaptadoras de impedancia aunque a este nivel
sólo emplean bobinas, condensadores y transformadores en su construcción.
Figura 25. Circuito equivalente de salida en pequeña señal del amplificador, junto con una posible
red adaptadora de impedancia.
(Tomado de apuntes SEC. UIB).
La impedancia Z2 es
+ ( jω L 2 R L )
jω C 1
Si el circuito L2C1 está sintonizado a la frecuencia de trabajo (), entonces Z2 es
equivalente a una capacidad C1 en paralelo con una resistencia de valor L2/RLC1
Z
2
=
1
47
Ahora el condensador Co queda en paralelo con C1 y con L1. Eligiendo L1 para que
el circuito L1 (Co + C1) esté sintonizado a la frecuencia de trabajo, es decir que
presente una impedancia infinita a esa frecuencia, la impedancia equivalente que
ve el generador de corriente es la resistencia L2/RLC1 (ro es mucho más grande y
se puede despreciar).
Por ejemplo, si elegimos L2 = 100C1 y RL = 50 O, la impedancia de carga se
transforma en 2 O. Con VCC = 5 V la potencia que se puede tener ahora a la salida
son 6.25 W. Claro que el transistor debe ser capaz de suministrar la corriente
necesaria. En la práctica se parte de un determinado transistor de potencia y se
diseña la red adaptadora de impedancia para conseguir la máxima potencia de
salida.
1.5.3. Circuito de polarización
Para que un transistor funcione se debe polarizar, es decir, se ha de alimentar con
fuentes de voltaje y resistencias. Por tanto, una vez escogido el punto de trabajo y
la alimentación, el siguiente paso es diseñar el circuito de polarización que permita
trabajar al transistor en la zona deseada. Existen dos tipos de circuito, activo y
pasivo.
Un circuito de polarización pasivo sería, por ejemplo:
Figura 26. Circuito de polarización pasiva (Microwave Office)
48
En este tipo de circuitos se corre un riesgo, ya que el punto de trabajo depende
tanto de la temperatura como de la corriente que consume el transistor, de manera
que si éste, por algún motivo, empieza a consumir más potencia o hay cambios en
la temperatura, el punto de trabajo variará y, por tanto, el transistor ya no se estará
alimentando correctamente y el circuito dejará de funcionar como estaba previsto.
Otro tipo de circuito de polarización que se puede utilizar es el activo, que permite
prevenir los problemas que se han comentado anteriormente. Un ejemplo sería:
Figura 27. Circuito de polarización activa (Microwave Office)
La simulación de este circuito se encuentra en el ANEXO 1
En este tipo de circuitos se utiliza un transistor de baja frecuencia, funcionando en
corriente continua, que actúa de circuito estabilizador. En realidad, desde el punto
de vista de corriente continua, actúa como una fuente de corriente constante, de
manera que siempre proporcionará la misma corriente y el punto de trabajo no se
verá afectado. Si la corriente de drenador de nuestro transistor aumenta, la tensión
emisor- base del transistor de baja frecuencia también (porque la tensión en la
49
base está fijada por el divisor de tensión, punto B). De manera que la corriente de
colector bajará, al igual que la tensión en C, que en consecuencia hará disminuir la
corriente de puerta de nuestro transistor, que implicará la disminución de la
corriente de drenador de éste. Esta “reacción en cadena” explica el efecto
estabilizador de este tipo de circuito de polarización.
Podemos pensar que el transistor que ha de actuar como fuente de corriente
puede llegar a consumir más y variar su punto de trabajo, pero hemos de tener en
cuenta que este transistor no es de potencia, por tanto su consumo es mínimo ya
que su única función es actuar como fuente de corriente.
50
1.6. MODULACIÓN
Se entiende por telecomunicación la transmisión de información a distancia de
manera uni o bidireccional.
La información que se puede transmitir puede ser muy variada y suele ser: sonido,
imagen o datos. Para poder realizar la transmisión de esta, necesitamos
convertirla en una señal eléctrica.
Mediante un DAC (convertidor digital analógico) o un ADC (convertidor analógico
digital) se podrá realizar la conversión de la señal.
Siempre, lo que se transmite, son señales eléctricas que tendrán unas
características de amplitud (tensión) i frecuencia.
La señal se puede transmitir empleando soportes físicos como el cable o la fibra
óptica o bien con soportes no físicos como son las ondas electromagnéticas.
Las señales eléctricas generadas (sonido, vídeo y datos) son de una frecuencia
muy baja y no es viable su transmisión a través de ondas electromagnéticas. En el
caso de señal de TV (audio y vídeo) solo se podrá enviar uno de sus
componentes. Por lo tanto con estos condicionantes la transmisión no es factible,
para solucionar estos problemas se puede recurrir a la modulación de la señal.
La modulación consiste en la transformación de una señal para poder transmitirla
a distancia i simultanearla con otras. El receptor deberá poder demodular la señal
para recuperar la información original
1.6.1. Principios de modulación.
Básicamente se puede decir que modular es modificar una señal de entrada en
función de otra (portadora) para conseguir los requisitos necesarios para su
transmisión. La portadora ha de tener unos valores de amplitud y frecuencia
superiores a la señal de entrada. La frecuencia suele ser mucho mayor para hacer
posible su transmisión a través de las ondas electromagnéticas.
Las características de la portadora susceptibles de ser modificadas son:
- Amplitud (AM Modulación de amplitud)
- Frecuencia (FM Frecuencia modulada)
- Fase (PM Modulación de fase)
En determinadas aplicaciones se puede actuar sobre dos de los parámetros
simultáneamente, son modulaciones más complejas.
1.6.1.1. Modulación de Amplitud (AM).
La señal de la moduladora (señal de entrada) controla la amplitud de la portadora.
La frecuencia se mantiene constante y corresponde a la de la portadora. Este
51
procedimiento permite que varias señales de entrada (moduladoras) modulen
portadoras de diferentes frecuencias y así poder transmitir informaciones múltiples
sin interferirse entre ellas.
Si las frecuencias portadoras son lo suficiente elevadas, no hay ningún
impedimento para que la vía de transmisión sean las ondas electromagnéticas.
Generación.
La generación de una onda modulada en AM se realiza empleando un modulador.
En este caso se empleará un amplificador de ganancia controlada por tensión, en
la entrada aplicaremos la señal de alta frecuencia (portadora) y en la entrada
correspondiente al control de ganancia la señal moduladora (señal que se quiere
transmitir).
Figura 28. Generación de una onda Modulada
(Conceptos básicos II modulación)
El funcionamiento del circuito será el siguiente:
- La frecuencia de la señal de salida será siempre la de la portadora.
- Si la señal moduladora tiene un valor de 0 Volts, la ganancia tendrá un valor
unidad y en la salida del amplificador tendremos una señal de amplitud igual a la
portadora.
- Si la señal moduladora tiene un valor positivo, aumenta la ganancia del
amplificador y en la salida tendremos una señal de amplitud superior a la de la
portadora.
- Si la señal moduladora tiene un valor negativo, disminuye la ganancia del
amplificador y en la salida tendremos una señal de amplitud inferior a la de la
portadora.
52
Figura 29. Señales, moduladora, portadora, señal modulada.
(Conceptos básicos II modulación)
Índice de Modulación.
Este valor expresa en % la relación entre el nivel de la moduladora y la portadora
sin modular.
m =
A1
* 100
A0
El índice de modulación puede variar entre 0 y 100%, Cuando no hay señal
moduladora, el índice será 0 (A1=0), Si la amplitud de la señal moduladora es
igual a la de la señal portadora el índice será del 100% (A1= A0).
Hemos de tener en cuenta que generalmente la señal a transmitir presenta
variaciones en su amplitud, si el índice de modulación es muy elevado puede
ocurrir que se genere una distorsión debido a problemas de sobremodulación.
Análisis frecuencial.
Analizando espectralmente la señal modulada en AM se tendrá:
- Aplicando al modulador, una señal moduladora de amplitud 0 Volts, solo aparece
una línea espectral correspondiente a la frecuencia de la portadora.
- Aplicando al modulador una señal moduladora de frecuencia constante,
aparecen 2 líneas adicionales una a cada lado de la portadora separada de ella el
valor de la frecuencia introducida. Por ejemplo si la portadora es de 100 KHz y la
moduladora es de 1 khz, se tendrá una línea a 99 KHz, la línea correspondiente a
la portadora 100 KHz y una tercera línea correspondiente a 101 KHz. Estas líneas
siempre simétricas i de nivel idéntico son las bandas laterales superior e inferior.
53
Figura 30. Análisis frecuencial.
(Conceptos básicos II modulación)
Aplicando al modulador una señal moduladora de frecuencia no constante (por
ejemplo señal de audio) que abarca hasta los 20 KHz, las bandas laterales
pasarán a ser espacios de esta anchura en vez de líneas.
Las bandas laterales llevan la información a transmitir de manera duplicada, es
decir, cada una de ellas lleva toda la información a transmitir.
El nivel de las bandas laterales es variable y depende del índice de modulación
(m) y del nivel de la moduladora. Su valor es M a 0/2.
Ancho de banda de transmisión.
Al margen de frecuencias necesarias para transmitir una información se le
denomina ancho de banda. Siendo modulada la transmisión el ancho de banda
será superior al de la banda base.
En el ejemplo anterior se ha visto que para transmitir una banda base de 20 khz,
necesitamos el doble de banda para la transmisión.
Frecuencias de transmisión
La modulación de amplitud se puede aplicar a cualquier frecuencia portadora tanto
a bajas frecuencias (AM comercial) como a altas frecuencias (TV). Las
modulaciones de amplitud en el ámbito de radiodifusión comercial están divididas
en tres bandas de frecuencias relativamente bajas. Esto es debido a que se
mantiene la estructura original de este medio de comunicación, ya que en su inicio
no era factible trabajar con frecuencias muy altas y se opto por bandas que
tuviesen unas buenas características de propagación de señal, tanto directa como
indirectamente.
Ondas largas: de 200 KHz a 400 KHz
54
Ondas medias: de 500 KHz a 1600 KHz
Ondas cortas: de 5 MHz a 25 MHz
Las bandas utilizadas en TV son:
Banda I: de 48 MHz a 65 MHz
Banda III: de 175 MHz a 222 MHz
Banda IV-V: de 471 MHz a 820 MHz
La modulación de amplitud queda limitada a las transmisiones comerciales, debido
a la gran cantidad de potencia que necesita el transmisor. Hay modulaciones de
AM especiales con la finalidad de estrechar la banda de transmisión.
Otras modulaciones AM
El principal inconveniente de la transmisión AM es la cantidad de potencia inútil
que se consume para transmitir la portadora, que no contiene ningún tipo de
información. Por eso en base a los principios de modulación AM se crean
variantes que tienden a eliminar consumo de energía.
Se debe tener en cuenta, que en todos estos casos, el aparato receptor a de
poder demodular la señal que recibe.
Modulación en doble banda lateral (DBL).
Consiste en una modulación AM en la cual se suprime la línea espectral
correspondiente a la portadora, esta supresión se hace empleando moduladores
especiales (Balanceantes, equilibrados o en anillo) que entregan la señal
modulada sin portadora.
Modulación en banda lateral única (BLU).
En una modulación AM podemos eliminar una de las bandas laterales, sin perder
la información correspondiente a la transmisión, con esto conseguimos un ancho
de banda menor y ahorramos parte de la potencia necesaria para transmitir.
Modulación en banda vestiginal.
Este procedimiento se emplea en la transmisión de TV, permite el paso de una
banda lateral completa y una parte (vestigio) de la otra. O sea, que recorta parte
de una banda lateral.
1.6.1.2. Modulación de Frecuencia (FM).
La modulación de frecuencia consiste en hacer variar la frecuencia de la portadora
en función de la señal moduladora. Estas variaciones han de ser proporcionales a
la amplitud de la señal a transmitir (moduladora).
55
Generación.
Para generar una modulación en FM partimos de una señal portadora, la señal
que queremos transmitir, llamada moduladora y un circuito modulador.
El funcionamiento del circuito es el siguiente:
-La frecuencia de la señal de salida no será siempre la de la portadora.
-Si la señal moduladora tiene un valor de 0 Volts, en la salida tendremos una señal
de frecuencia igual a la portadora.
-Si la señal moduladora tiene un valor positivo, en la salida tendremos una señal
de frecuencia proporcional superior a la de la portadora.
- Si la señal moduladora tiene un valor negativo, en la salida tendremos una señal
de frecuencia proporcional inferior a la de la portadora.
-Es importante destacar que la frecuencia de la moduladora no afecta a la
variación de frecuencia de la señal modulada, únicamente influye en la velocidad a
la que se produce la variación.
Figura 31. Modulación de frecuencia
(Conceptos básicos II modulación)
Espectro de la frecuencia en FM.
En AM se producen 2 bandas laterales, una a cada lado de la frecuencia
portadora, con una separación igual al valor de la moduladora. Matemáticamente
56
se puede demostrar que en FM, el número de bandas laterales que aparecen es
teóricamente, infinito.
La amplitud de estas bandas es decreciente y pueden despreciarse a partir de
cierto valor. El número de bandas significativas es directamente proporcional a la
amplitud de la señal moduladora e inversamente proporcional a su frecuencia.
Según todo esto, para determinar el ancho de banda de una emisión en FM, será
necesario considerar más factores que en AM y por tanto su estudio y
comprensión es mucho más complejo.
Influencia de la amplitud de la moduladora.
Como hemos comentado anteriormente, el número de bandas significativas es
directamente proporcional a la amplitud de la señal moduladora.
No siempre una banda lateral FM es decreciente respecto de la anterior, aunque el
conjunto del espectro si que tiene tendencia a cero.
Es necesario fijar un valor de desviación, es decir un nivel de amplitud máxima
para todas las emisiones de FM de una misma banda con el fin de unificar los
anchos de banda. En FM comercial este valor es de ±75 KHz en torno de la
frecuencia de reposo de la portadora.
Figura 32. Influencia de la amplitud de la moduladora.
(Conceptos básicos II modulación)
Influencia de la frecuencia de la moduladora.
A efectos de aparición de bandas laterales, estas son
proporcionales al valor de la frecuencia de la señal moduladora.
57
inversamente
Figura 33. Influencia de la frecuencia de la moduladora
Índice de modulación.
Dado que el ancho de banda en FM depende tanto de la amplitud como de la
frecuencia de la moduladora, se define el índice de modulación como la relación
entre ellos, es decir el cociente entre la desviación de frecuencia y la frecuencia
modulada.
m=
∆f
fm
Este parámetro da una idea del número de bandas laterales presentes en una
modulación y es la base para calcular el ancho de banda ocupada.
Ancho de banda de transmisión.
El proceso matemático, para calcular el ancho de banda, es muy complejo, el
resultado se puede resumir en forma de tablas de valores. Según esto, en una
transmisión en FM comercial, con una desviación máxima de ± 75 KHz y unas
frecuencias moduladoras entre 50 y 15.000 Hz resulta:
La utilización de índices de modulación muy pequeños, limitando la desviación
máxima y la frecuencia de la portadora, permite reducir el número de bandas
laterales a una por lado (m inferior a 0,3). Esto representa un ancho de banda
menor, equivalente al ocupado por una transmisión de AM, pero con las ventajas
de FM. Aunque esto significa una perdida de calidad es valido para
comunicaciones en banda estrecha (NFM) empleadas Walkies-talkies, teléfonos
sin hilos etc.
58
1.7. FILTROS DE ONDA ACÚSTICA SUPERFICIAL.
Los filtros de onda acústica superficial (SAW) se desarrollaron por primera vez en
los años sesenta, pero no estuvieron disponibles comercialmente hasta los años
setenta.
Los filtros SAW utilizan la energía acústica en lugar de la energía electromecánica
para proporcionar un rendimiento excelente, para la filtración precisa del pasabandas. En esencia, los filtros SAW atrapan o guían las ondas acústicas a lo largo
de una superficie. Pueden operar a frecuencias centrales hasta de varios gigahertz
y anchos de banda hasta de 50 MHz con más exactitud y confiabilidad que su
predecesor, el filtro mecánico, y lo hacen a un costo menor. Los filtros SAW tienen
las características de un roll-over excesivo y normalmente atenúan las frecuencias
fuera de su pasabandas entre 30 y 50 dB más que las señales dentro de su pasa
bandas. Los filtros SAW se utilizan en receptores superheterodinos con conversión
sencilla o múltiple para filtros de RF y de IF, y en sistemas de bandas laterales
únicas para la multitud de aplicaciones de filtrado.
Un filtro SAW consiste en transductores diseñados con película delgada de
aluminio depositada en la superficie de un material de cristal semiconductor que
exhibe el efecto piezoeléctrico. Esto resulta en una deformación física (vibración)
en la superficie del sustrato. Estas vibraciones varían con la frecuencia de la señal
aplicada, pero viajan a lo largo de la superficie del material a la velocidad del
sonido. Con los filtros SAW, se aplica una señal eléctrica oscilante, a través de
una pequeña pieza de cristal semiconductor, que es parte de una superficie plana,
más grande, como se muestra en la figura 45. El efecto piezoeléctrico causa que
vibre el material de cristal. Estas vibraciones tienen la forma de energía acústica,
que viaja a lo largo de la superficie del sustrato hasta que alcance un segundo
cristal en el lado opuesto, donde la energía acústica se convierte nuevamente en
energía eléctrica.
Para proporcionar la acción del filtro, se deposita una hilera de dedos metálicos
espaciados con precisión, en la superficie plana del sustrato, como se muestra en
la figura 46. Los centros de los dedos están espaciados a la mitad o un cuarto de
la longitud de onda de la frecuencia central deseada. Conforme las ondas
acústicas viajan a través de la superficie del sustrato, se reflejan hacia un lado y
otro, mientras que chocan sobre los dedos. Dependiendo de la longitud de onda
acústica y los espacios entre los dedos, parte de la energía reflejada atenúa y
cancela la energía de la onda incidente (esto se llama interferencia destructiva),
mientras que parte de la energía la ayuda (interferencia constructiva). Las
frecuencias exactas de la energía acústica que se cancelan dependen de los
59
espacios que hay entre los dedos. El ancho de banda del filtro se determina por el
grosor y el número de dedos.
El filtro SAW básico es bidireccional. O sea, la mitad de la potencia se difunde
hacia el transductor de salida mientras que la otra mitad se difunde hacia el final
del sustrato de cristal y se pierde. Por reciprocidad, la mitad de la potencia se
pierde por el transductor de salida. En consecuencia, los filtros SAW tienen una
pérdida de inserción relativamente alta.
Este defecto puede superarse hasta cierto grado, utilizando una estructura más
compleja llamada transductor unidireccional, que lanza la onda acústica en una
sola dirección.
Figura 34.Circuito equivalente de un filtro mecánico
Figura 35.Filtro SAW, onda superficial
Figura 36. Filtro SAW, dedos metálicos
60
Los filtros SAW son inherentemente muy robustos y confiables. Debido a que sus
frecuencias de operación y las respuestas del pasa-bandas se establecen por el
proceso fotolitográfico, no requiere de complicadas operaciones de sintonización
ni lo pierden a través de un periodo de tiempo. Las técnicas de procesamiento de
obleas utilizadas para el semiconductor en la fabricación de los filtros SAW
permiten la producción de grandes volúmenes de dispositivos económicos y
reproducibles. Por último, su excelente capacidad de rendimiento se logra con un
tamaño y peso reducidos en forma significativa, en comparación con las
tecnologías competitivas.
La principal desventaja de los filtros SAW es su pérdida de inserción
extremadamente alta, que suele encontrarse entre 25 y 35 dB. Por esta razón, los
filtros SAW no pueden utilizarse para filtrar señales de bajo nivel. Los filtros SAW
también muestran un tiempo mucho mayor de retardo que sus contrapartes
electrónicas (aproximadamente 20,000 veces más largo). En consecuencia, los
filtros SAW a veces se utilizan para las líneas de retardo
61
1.8 INTERFACES FÍSICAS Y MEDIOS DE TRANSMISIÓN
1.8.1. Standard RS232:
La comunicación realizada con el puerto serie es una comunicación asícrona. Para
la sincoronización de una comunicación se precisa siempre de una línea adicional
a través de la cual el emisor y el receptor intercambian la señal del pulso. Pero en
la transmisión serie a través de un cable de dos líneas esto no es posible ya que
ambas están ocupadas por los datos y la masa. Por este motivo se intercalan
antes y después de los datos informaciones de estado según el protocolo RS-232.
Esta información es determinada por el emisor y receptor al estructurar la
conexión mediante la correspondiente programación de sus puertos serie. Esta
información puede ser la siguiente:
Bit de paridad.- con este bit se pueden descubrir errores en la transmisión. Se
puede dar paridad par o impar. En la paridad par, por ejemplo, la palabra de datos
a transmitir se completa con el bit de paridad de manera que el número de bits 1
enviados se par.
Bit de parada.- indica la finalización de la transmisión de una palabra de datos. El
protocolo de transmisión de datos permite 1, 1.5 y 2 bits de parada.
Bit de inicio.- cuando el receptor detecta el bit de inicio sabe que la transmisión
ha comenzado y es a partir de entonces que debe leer la transmisión ha
comenzado y es a partir de entonces que debe leer las señales de la línea a
distancias concretas de tiempo, en función de la velocidad determinada.
RS-232
La interfaz RS-232 dispone de hasta 25 líneas que están orientadas a la
comunicación de dos equipos PC (DTE) a través de módems (DCE). En este caso
se utilizarán para la conexión de los equipos PC prescindiendo de los módems.
Para ello de las 25 líneas que posee se han utilizado sólo las siguientes:
Línea de transmisión de datos (TxD).- línea por la que el DTE (PC) envía los
datos.
Línea de recepción de datos (RxD).- línea por la que el DTE (PC) recibe los
datos.
DTE preparado (DTR).- línea por la que el DTE (PC) indica al DCE (módem) que
está activo para comunicarse con el módem.
DCE preparado (DSR).- línea por la que el DCE (módem) indica al DTE (PC) que
está activo para establecer la comunicación.
Petición de envío (RTS).- con esta línea, el DTE (PC) indica al DCE (módem) que
está preparado para transmitir datos.
Preparado para enviar (CTS).- tras un RTS, el DCE (módem) pone esta línea en
1 lógico, tan pronto como está preparado para recibir datos.
Masa.- necesaria para que tenga lugar la transmisión.
Estas líneas son controladas mediante la programación de los registros de la
UART ("Universal Asynchronus Receiver Transmitter"), que es un chip
62
especial para la entrada y salida de caracteres y, sobre todo, para la conversión
de palabras de datos en las correspondientes señales del puerto serie.
Niveles de Tensión RS232
Figura 37. Niveles de Tensión RS232
• Los “1” lógicos se representan con niveles de tensión negativos.
• Los “0” lógicos se representan con niveles de tensión positivos.
• En una comunicación Asincrónica se necesitan bits de Start y de Stop.
• Los bits de Paridad se utilizan para verificar la integridad de la información.
6 - Señales de test del canal. Antes de intercambiar datos la integridad del canal
debe ser verificada y la tasa de bits seteada al máximo valor soportado por el
canal.
Conexión de las líneas.
Para hacer posible la comunicación entre dos equipos PC se han interconectado
las descritas anteriormente. La conexión ha sido realizada de la siguiente manera:
(PC1) RxD <================== TxD (PC2)
(PC1) TxD ==================> RxD (PC2)
(PC1) DTR ==================> DSR (PC2)
(PC1) DSR <================== DTR (PC2)
(PC1) RTS ==================> CTS (PC2)
(PC1) CTS <================== RTS (PC2)
(PC1) MASA =================== MASA (PC2)
63
1.9. TIPOS DE OBSTÁCULOS Y PÉRDIDA DE SEÑAL
OBSTRUCION
Espacio abierto
Ventana (con tintel no metálico)
Ventana (con tintel metálico)
Pared ligera (pared árida)
Pared intermedia (madera)
Pared gruesa (15 cm. Centro sólido)
Pared muy gruesa (30 cm. Centro sólido)
Suelo/interior (centro sólido)
PERDIDA ADICIONAL(dB)
0
3
5-8
5-8
10
15-20
20-25
15-20
En entornos cerrados los niveles de señal fluctúan en mayor medida que en
entornos abiertos. Esta diferencia se explica en el hecho de que en una
localización específica, el campo eléctrico se forma por un número mucho mayor
de componentes indirectos que en el caso de un entorno abierto. Los modelos de
propagación indoor difieren de los modelos de propagación tradicionales en dos
aspectos:
•
•
Las distancias cubiertas son mucho más pequeñas.
El componente variable del entorno es mucho mayor para separaciones
más pequeñas entre transmisor.
Los modelos empíricos se basan en la extrapolación estadística de resultados a
partir de medidas realizadas sobre el terreno. Las influencias propias del entorno
son tenidas en cuenta de manera implícita en su conjunto, sin ser reconocidas
cada una de ellas de manera aislada., siendo ésta la principal ventaja de estos
modelos. Por el contrario, su precisión depende no solo de la precisión de las
medidas sino de la similitud entre el entorno donde fueron llevadas a cabo las
medidas y el entorno a analizar.
Como la mayoría de los modelos de propagación a gran escala, el modelo del
espacio libre predice que la potencia recibida decae como función de la distancia
de separación entre el transmisor y receptor elevada a alguna potencia. La
potencia recibida en el espacio libre por una antena receptora, la cual está
separada de la antena transmisora una distancia d, está dada por la ecuación de
Friis:
Pr (d ) =
Pt Gt G y λ2
(4π )2 d 2 L
64
Donde:
Pr(d) –Potencia recibida; la cual es función de la separación T-R (transmisor______receptor).
Pt
–Potencia transmitida.
Gt
–Ganancia de antena transmisora.
Gr
–Ganancia de la antena receptora
?
– longitud de onda en metros.
d
–La distancia de separación de T-R en metros.
L
–Pérdidas del sistema no achacables a la propagación
La ganancia de la antena está dada por:
4πAe
λ2
La apertura efectiva Ae se relaciona con el tamaño físico de la antena y con la
frecuencia de la portadora mediante:
c
λ=
f
G=
Los valores de Pt y Pr deben ser expresados en las mismas unidades, y Gt y Gr
son cantidades adimensionales. Las pérdidas L son usualmente debidas a la
atenuación de la línea de transmisión, a las pérdidas por filtros, y a las pérdidas de
la antena en los sistemas de comunicación. Cuando L=1 significa que no hay
pérdidas en el sistema.
Las pérdidas por trayectoria representan la atenuación de la señal como una
cantidad positiva medida en dB, y se definen como la diferencia entre la potencia
radiada efectiva y la potencia recibida. Puede o no incluir el efecto de ganancia de
las antenas; cuando se incluyen la ecuación es la siguiente:
 G G λ2 
P 
PL(dB ) = 10. log t  = −10. log t 2r 2 
 Pr 
 (4π ) d 
Cuando la ganancia de las antenas es excluida, se asume que tiene ganancia
unitaria y la ecuación se convierte en:
P
PL(dB ) = 10. log t
 Pr
 λ2 


 = −10. log
2 2 

 (4π ) d 
65
La ecuación de Friis muestra que la potencia de la señal recibida se atenúa de
acuerdo al cuadrado de la distancia entre el transmisor y el receptor, lo que implica
que decae 20 dB/década.
Cuando se conoce la potencia recibida en una distancia de referencia d0, la
ecuación siguiente puede utilizarse para calcular la potencia recibida en una
distancia más lejana:
Pr (d) = Pr (d0) + 20 log(d 0 /d)
La misma ecuación expresada como perdida de trayecto sería:
PL (d) = PL(d 0 ) + 20 log (d/d 0 )
1.9.1. Modelo basado en el número de muros y suelos (simplificado).
Caracteriza la perdida de trayecto en interior por un exponente fijo de 2 (como en
el espacio libre) y unos factores de pérdida relacionados con el número de suelos
y muros que atraviesa la línea recta entre emisor y receptor.
L = L1 + 20.log(r) + n f a f + n w a w
Donde
r = distancia en metros en línea recta
L1 = perdida de referencia con r=1 metro
af = atenuación por cada suelo que atraviesa
aw = atenuación por cada muro que atraviesa
nf = número de suelos que atraviesa
nw = número de muros que atraviesa.
19.2. Modelo ITU-R
Es similar al anterior pero sólo tiene en cuenta explícitamente el número de
suelos. Las pérdidas en el mismo piso por atravesar muros, se incluyen
implícitamente cambiando el exponente en la perdida de trayecto.
LT = L1 + 20. log10 ( f c [MHz ]) + 10. log10 (r [m]) + L f n f − 28
66
2. DISEÑO DEL PROTOTIPO.
HEXPLOBOT es un robot móvil pequeño que gracias a sus características, es de
múltiples aplicaciones (exploración de zonas peligrosas o inaccesibles para el
hombre, como tuberías, conductos de aires, cuevas, otras…).
Para este proyecto HEXPLOBOT su aplicación especifica es el estudio y
supervisión de interiores de tuberías de alcantarillado.
La supervisión esta comprendida en encontrar taponamiento en la tubería del
alcantarillado, roturas y agrietamientos de las mismas provocando posibles fugas y
así efectuar una pronta solución.
En la red del alcantarillado de la ciudad de Pamplona se emplean tuberías que
pueden variar desde 8,00 pulgadas (20,32 cm.) hasta 32 pulgadas (81,28 cm.) de
diámetro; además existen unos pozos recolectores cada 50 metros o 100 metros,
algunos de estos poseen dentro de ellos rampas que conectan las tuberías que
varían desde un ángulo de inclinación de 10 grados hasta 45 grados y en los
pozos mas críticos no existe dicha rampa.
Figura 38. Pozo con rampa de 45 grados de inclinación. (Diseño desarrollado en solid edge)
67
Figura 39. Pozo con rampa de 25 grados de inclinación. (Diseño desarrollado en solid edge)
Figura 40. Pozo critico sin rampa. (Diseño desarrollado en solid edge)
HEXPLOBOT
mecánico.
sólo se desplazara de forma horizontal, debido a su diseño
El robot será dirigido mediante radio frecuencia.
Se establecen dos propuestas a desarrollar:
68
•
Estación de control por ordenador personal (PC), el cual recibe la imagen
enviadas desde el robot (mini cámara inalámbrica) y estas podrá enfocarse o
girarse gracias a un servomotor, empleando el software Visual Basic.
•
Estación móvil con una botonera portátil de donde se puede dirigir el robot y
observar las imágenes transmitidas por la cámara inalámbrica.
2.1. DISEÑO MECÁNICO DE HEXPLOBOT
El robot esta diseñado para ser introducido en tuberías de diámetros no inferiores
a 8 pulgadas, diseño versátil.
Figura 41. Espacio útil del tubo para el diseño.
Figura 42. Prototipo diseñado en Solid Edge.
(Vista ISO)
69
Figura 43. Vista frontal
Figura 44. Vista de planta.
70
Por la formula: C = A 2 + B 2 se pude de terminar el lado del rectángulo, para
encontrar el valor del área disponible para que el robot pueda ingresar al tubo.
A = B = 10.16cm. = radio del tubo.
C=
(10.16)2 + (10.16) 2
C = 14.36 ≈ 14cm.
El área disponible de trabajo es de 206 cm2.
Se hará, uso de servomotores para el desplazamiento del robot con las siguientes
especificaciones:
Marca:
Referencia:
Modelo:
Fuerza de salida:
Velocidad:
Suministro de energía:
Velocidad:
Fuerza de salida:
Peso:
Corriente de drenaje:
Dimensiones:
HOBBICO.
HCAC0210.
CS-80 Dual BB
275 oz.-In.
0.19 oz. sec.
4.8 V
6.0 V
0.19 sec.
0.14 sec.
275 oz.-In.
334 oz.-In.
(20 kg.-cm.)
(24 kg.-cm.).
153 g.
8 mA. Libre, 700 mA. Con carga.
(66*30*57.6 mm.).
Figura 45. Servomotor.
Esfuerzo cortante en el eje del servomotor.
En promedio el peso del robot va hacer de 10 kg; donde se ubicará en el centro
del robot idealmente (centroide). Se hará el cálculo de un eje para desarrollar y
encontrar el cortante promedio en el eje.
71
Figura 46. Cortante en el eje de transmisión.
F = V = 2 .5 k . g * 9 .8 m s 2
V = 24 N
τ prom =
V
A
A = π (0.5mm ) 2 = 0.785 mm 2 = 0.00785 m 2
τ
prom
=
24 N
= 30 . 557
0 . 00785 m 2
N
m2
72
[Pa ]
2.2. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL Y SUPERVISION
PLATAFORMA DE
CONTROL
RECEPTOR CON
LCD
TRANSMISOR DE
RADIOFRECUENCIA
RECEPTOR DE
RADIOFRECUENCIA
TRANSMISOR CAMARA
INALAMBRICA
ROBOT EXPLORADOR
Figura 47. Esquema de funcionamiento del sistema de transmisión.
En el diseño del control por medio del sistema RF hay que tener en cuenta las
siguientes consideraciones:
Pp = pérdidas de propagación.
D = distancia de separación de Tx y Rx
Pa = pérdidas adicionales.
Se debe estudiar para cada solución en particular, las pérdidas y demás factores
que son necesarios en una transmisión de RF.
2.2.1 (TX-9M50PF01, RX-9L50FM705F)
Esta propuesta consiste principalmente de dos módulos que son de fácil
adquisición en el mercado. El TX y RX de AUREL, trabajan a una frecuencia de
914.5 MHz. Estos serán empleados para el control del robot explorador
(HEXPLOBOT), son módulos que trabajan en modulación de Angulo FSK.
73
Se empleará la siguiente ecuación para determinar el nivel de señal que llega al
equipo receptor:
S r = G se − Pce − Pae + G ae − P p + G ar − Pcr − Par − Pa
S r = Nivel de señal que llega al equipo receptor.
Gse = ganancia de salida del equipo transmisor.
Pce = perdidas cables del equipo transmisor.
Pae = perdidas de conectores equipo transmisor.
Gae = ganancia de la antena equipo transmisor.
Pp = perdidas de propagación.
Pcr = perdidas por cables del equipo receptor.
Par = perdidas conectores equipo receptor.
Pa = perdidas adicionales.
Pérdidas de propagación:
Pp = 20 log10 (d / 1000) + 20 log10 ( f *1000) + 32.45
PP = pérdida de propagación en decibelios (dB).
d = distancia en metros.
f = frecuencia en GHz.
32.45 es constante.
Resumida queda así:
Pp = 20 log10 (d ) + 20 log10 ( f ) + 32.45
PP = perdida de propagación en decibelios (dB).
d = distancia en kilómetros.
f = frecuencia en MHz.
74
INICIO
LEER (MICRO PARA
TRANSMITIR)
RB0=1
Enviar código ASCII 1
El robot se desplaza de
frente
RB1=1
Enviar código ASCII 2
El robot gira a la derecha
TRANS
MISOR
RB2=1
Enviar código ASCII 3
El robot gira a la izquierda
RB3=1
Enviar código ASCII 4
El robot se desplaza hacia atrás
RB4=1
Enviar código ASCII 5
L a cámara gira a la derecha
(servo)
RB5=1
Enviar código ASCII 6
L a cámara gira a la izquierda
(servo)
75
RECEPTOR RF
LEER (MICRO DEL ROBOTT)
SI
HEXPLOBOT
SE DESPLAZA
DE FRENTE
COLOCA EN 5
VOLT RD0 Y RD1
ASCII=1
NO
SI
COLOCA EN 5
VOLT RD0 Y 0
VOLT RD1
ASCII=2
HEXPLOBOT SE
DESPLAZA A LA
DERECHA
NO
ASCII=3
SI
COLOCA EN 5
VOLT RD1 Y 0
VOLT RD0
HEXPLOBOT SE
DESPLAZA A LA
IZQUIERDA
COLOCA EN 5
VOLT RD3Y RD4
HEXPLOBOT SE
DESPLAZA HACIA
ATRAS
COLOCA EN 5
VOLT RD4
GIRA LA CAMARA
A LA DERECHA
NO
ASCII=4
SI
NO
SI
ASCII=5
NO
ASCII=6
SI
COLOCA EN 5
VOLT RD4
GIRA LA CAMARA
A LA DERECHA
NO
HEXPLOBOT
(MOTORES Y
SERVO)
Figura 48. Diagramas de flujo para el control del robot
76
Figura 49; modelo de transmisión y recepción
RX-9L50FM70SF
Figura 50. Diagrama de bloques del receptor RX-9L50fm70sf
(Data sheet)
Descripción:
Receptor superheterodino de modulación de datos digitales. Trabaja a una
frecuencia de 914.5 MHz.
Pin a pin compatible con todo receptor FSK AUREL.
Alta selectividad y sensibilidad obtenida por el filtro SAW.
Este es usado en conjunto con el transmisor TX-9M50PF01.
Modulación: FM (FSK)
fuente de alimentación: +5V
Corriente: 7 mA.
Frecuencia: 914.5 MHz
Sensitividad: -111 dBm
R.F. Bandwidth: 600 KHz
Bit rate: 9600 bps
tamaño: 44.95x17.5x9.3 mm
77
Dimensiones mecánicas:
(a)
(b)
Figura 51. a: dimensiones mecánica; b: modulo RF RX-50FM70SF
(Data sheet)
Figura 52. Especificaciones técnicas
(Data sheet)
78
TX-9M50PF01
Figura 53. Modulo transmisor TX-9M50PF01
(Data sheet)
Descripción:
Modulo Transmisor SAW con antena externa, para aplicaciones con modulación
FSK, con datos digitales de una frecuencia RF de 914.5 MHz.
Modulación: FM (FSK)
Fuente de alimentación: +5V
Corriente: 14 mA.
Frecuencia: 914.50 megaciclos.
De potencia de salida: 1 mW.
Modulación cuadrada de la onda: 10 kilociclos.
Índice binario: 9600 BPS.
Tamaño: 39x17.5x5 milímetro.
Diagrama de bloque
Figura 54. Diagrama de bloques del transmisor.
79
Dimensiones mecánicas:
Figura 55. Dimensiones mecánicas transmisor.
(Data sheet)
Especificaciones técnicas
Figura 56. Especificaciones técnicas.
(Data sheet)
80
Para este caso se tiene que:
d = 100 mts.
f = 0.9145 GHz.
Si se remplaza queda:
Pp = 20 log10 (100 / 1000) + 20 log10 (0.9145 *1000) + 32.45
Pp = 20 log10 (100 / 1000) + 91.673
Pp = −20 + 91.673
PP =71.673 dB
Además se tiene:
S r = ?.
Gse = 1mW=0dB.
Pce = 1 dB.
Pae = 1 dB.
Gae = 2 dB.
Pp = 71.673 dB.
Pcr = 1 dB.
Par = 1 dB.
Pa = 20 dB pérdidas adicionales por estar bajo suelo a más de 30 cm.
Si remplazamos en:
S r = 0 − 1 − 1 + 2 − 71 . 673 + 2 − 1 − 1 − 20
S r =91.673 dB.
Se posee un receptor con una sensitividad de -111 dB.
Si establece una diferencia entre -91.673-(-111)= 19.327 dB. Mayor que la que se
necesita para realizar una conexión segura.
81
Rendimiento:
Ps 0.001W
η=
=
= 0.014 *100 = 1.4%
PDC
0.70W
η
) * Pd
1 −η
Ps
Pd =
η
(
)
1 −η
0.001W
0.001W
Pd =
=
= 0.0704W
0.014
0.01419
)
(
1 − 0.014
Ps = (
Cámara a color y receptor con pantalla LCD
Figura 57. Cámara inalámbrica con receptor LCD.
Características
Cámara color vía radio monitor; inalámbrica y monitor inalámbrico, emisión a
2,4Ghz y 250mW de potencia de transmisión. El receptor es inalámbrico y además
tiene una pantalla portátil en la que visualizar las imágenes de nuestra cámara.
Especificaciones cámara
- Tamaño cada cámara 25x35x15mm.
- Peso cada cámara 40 gr.
- Micrófono integrado
- Rango de alcance de 200m 'en visión recta', puede penetrar paredes y
82
obstáculos pero el alcance varía.
- Sensor imagen cámara CMOS color con 380 líneas de resolución
- Iluminación mínima 3 Lux.
- Salida Video PAL: 628*582 50Hz
Especificaciones receptor
- Definición LCD 480X240
- Receptor inalámbrico integrado
- Salida/entrada video y audio
- Alimentación con 4 pilas AA o adaptador DC 5V
- Dimensiones 148X96X26.5 mm.
Pp = 20 log10 (100 / 1000) + 20 log10 (2.4 *1000) + 32.45
Pp = 20 log10 (100 / 1000) + 67.604 + 32.45
Pp = 80.0542 dB.
Sr = ?
Gse = 250 mW. = 23.979 dB.
Pce = 0 dB.
Pae = 0 dB.
Gae = 0 dB.
Pp = 80.0542 dB.
Pcr = 0 dB.
Par = 0 dB.
Pa = 20 dB pérdidas adicionales por estar bajo suelo a más de 30 cm.
S r = 23 . 979 − 0 − 0 + 0 − 80 . 0542 + 0 − 0 − 0 − 20
S r = -76.0752 dB.
Desarrollo:
Como los módulos son digitales, se facilita trabajar con un microcontrolador en el
transmisor y otro en el receptor que será el encargado de dirigir el robot.
Se hará con el siguiente procedimiento:
Seis interruptores el cual se desempeñarán; cuatro de control de desplazamiento
del robot HEXPLOBOT y los otros dos el direccionamiento de la cámara de video.
83
Figura 58. Control remoto diseñado en Solid Edge.
CONEXIÓN DE LA ANTENA EN RX
Figura 59. Conexión de la antena en el receptor.
(Data sheet)
Características:
1. n° of turns 8
2. internal diameter ø 3 mm
84
3. thread diameter ø 0,5 mm
TABLA DE PRESUPESTO
DISPOSITIVO
RX-8L50FM70SF
Transmisor Aurel
cámara color vía radio monitor
Antena
total
PRECIO(EUROS)
25.00
17,00
184.44
10.50
236.94*
DISTRIBUIDOR
Futura elettronica
Futura elettronica
seguridadplus
MaxStream
* En pesos colombianos es de 663.432 pesos m.c.
El costo total, con los 4 servomotores 1.000.000 pesos. (250.000 pesos c/uno)+
300.000 pesos en el polímero (PVC) para el chasis del HEXPLOBOT+ 663.432
pesos de los módulos de RF.
Para un gran total de 1963432 de pesos colombianos.
2.2.2 Módulos de RF 9Xtend
9Xtend el módulo del OEM RF fue dirigido para proporcionar a OEM una solución
fácil de utilizar del RF que proporciona la entrega confiable de datos críticos entre
los dispositivos alejados. El módulo transfiere una secuencia de datos serial
asincrónica estándar, funciona dentro del ISM la banda de frecuencia de 900
megaciclos y sostiene rendimiento de procesamiento de hasta 115.2 datos de
Kbps.
1 Watt – 900 MHz – Módulos versión OEM de Gran Alcance fabricados por
MaxStream, Inc.
Figura 60. Modulo RF 9Xtend
(Data sheet)
85
Rendimiento de Gran Alcance
Alcance para ambientes interiores/zonas urbanas: hasta 3000' (900 m)
Alcance en Línea de Visión para ambientes exteriores (con antena dipolo):
Hasta 40 millas (64 Km.)
Potencia de Salida de Transmisión:
1mW - 1W (software seleccionable) hasta 4 Watts EIRP con antena de 6 Db
Sensibilidad del Receptor:
-110 dBm (@9600 bps)
Velocidad de Proceso y Transferencia de Datos:
9600/115200 bps (software seleccionable)
Permite modos como Transferencia de Datos,
Acuse de Recibos, Reconocimientos y Transmisiones Múltiples
Relación de Precio con Rendimiento.
Debido a las innovaciones incluidas en el diseño de los Módulos XTend se
obtuvieron beneficios en la calidad final del producto del rango de 2 á 8 veces
sobre los Módulos de la competencia. Esto ha permitido que los usuarios de las
versiones OEM y los integradores puedan cubrir mayores extensiones de campo
usando pocos dispositivos.
Adicionalmente, los Módulos XTend son fáciles de usar y, de allí que, el costo del
desarrollo de un sistema de datos se reduzca enormemente.
Sensibilidad del Receptor.
Los Módulos de MaxStream ‘escuchan’ lo que otros no pueden; por eso es que los
Módulos suministran alcances mas grandes y confiabilidad en los enlaces
inalámbricos.
Los Módulos XTend superan a otros módulos de más alto costo, debido en gran
parte a que, el incremento de alcance obtenido es logrado con una sensibilidad
superior del Receptor
Baja Potencia de Consumo
Para aplicaciones donde la cantidad de Potencia juega un rol importante, Varios
modos power-down disponibles. El Shutdown pin realiza consumo de corriente
bajo de 1 uA.
86
Rendimiento:
Potencia de Salida en Transmisión: 1 mW - 1 W (0 - 30 dBm)
Alcance en ambientes interiores / zonas urbanas (con una antena dipolo de 2.1
dB): hasta 900 m.
Velocidad del Proceso y Transferencia de Datos 9,600 bps 115,200 bps
Régimen RF de datos 10,000 bps 125,000 bps
Sensibilidad del Receptor -110 dBm, -100 dBm
Requerimientos de Potencia:
Corriente de Recepción 80 mA
Pin de cierre de Power-Down < 1 µA
Pin Power-Down en modo ‘sueño’ 147 µA
Modo power-down cíclico 16.0 seg 0.3 - 0.8 mA
Modo power-down cíclico 8.0 seg 0.4 - 1.4 mA
Modo power-down cíclico 4.0 seg 0.6 - 2.6 mA
Modo power-down cíclico 2.0 seg 0.9 - 4.8 mA
Modo power-down cíclico 1.0 seg 1.6 - 8.7 mA
Trabajo en Red y Seguridad
Secuencia de Operación ISM 902 - 928 MHz
Espectro Amplio FHSS (Espectro Amplio mediante Saltos en Frecuencia)
Modulación FSK (Vinculación por desplazamiento de frecuencia)
Topologías permitidas en la Red: Punto a Punto (no hay dependencia
Amo/Esclavo), Igual a igual Punto a Multipunto, Bajadas múltiples.
Figura 61. Rendimientos de potencia 9Xtend
(Data sheet)
87
Rendimiento:
Ps=10mW;
Alimentación
V= 5V
Corriente: 140 mW.
η=
Ps 0.010W
=
= 0.0142 *100 = 1.4%
PDC 0.140W
η
Ps = (
) * Pd
1 −η
Ps
Pd =
η
(
)
1 −η
0.010W
0.010W
Pd =
=
= 0.704W
0.0142
.01419
)
(
1 − 0.0142
Ps=100 mW;
Alimentación
V= 5V.
Corriente: 270 mW.
η=
Ps 0.100W
=
= 0.0742 *100 = 7.4%
PDC
1.35W
η
) * Pd
1 −η
Ps
Pd =
η
(
)
1 −η
0.100W
0.100W
Pd =
=
= 1.3W
0.0742
0.075W
(
)
1 − 0.0742
Ps = (
88
Ps=1 W;
Alimentación
V= 5V.
Corriente: 730 mW
η=
Ps
1W
=
= 0.2739 *100 = 27.3%
PDC 3.65W
η
) * Pd
1 −η
Ps
Pd =
η
(
)
1 −η
1W
1W
Pd =
=
= 2.6W
0.2739
0.0377W
(
)
1 − 0.2739
Ps = (
Figura 62. Tipos de conector
(Data sheet)
89
Número de pin:
Figura 63. Numeración de los pines
(Data sheet)
1:
GND
2:
VCC I; Power: 2.8 - 5.5 VDC
3:
GPO2 / RX LED
RX LED: RX LED: El pin se conduce arriba durante la
recepción de los datos del RF; si no, el pin se conduce bajo. Referir al comando
del CD [p24] de permitir.
4:
TX_PWR Transmitir la energía: Fijar los pulsos bajo durante la transmisión
del RF
5:
DI; Datos en: Datos seriales que entran en el módulo
6:
DO; Datos hacia fuera: Datos seriales que salen del módulo
7:
SHDN; Parada: El pin se conduce arriba durante la operación y bajo
durante parada.
8:
GPI2 / SLEEP; SUEÑO: Por el defecto, el SUEÑO no es utilizado.
9:
GPO1 / CTS / RS-485 TX_EN; CTS (Claro-a-Enviar): < omitir (CS=0) >
cuando el pin se conduce bajo, el anfitrión del UART se permite para enviar datos
seriales al módulo. RS-485 transmiten permiten: Para configurar este pin para
permitir la mitad RS-485 y comunicaciones full-duplex.
10:
GPI1 / RTS / CMD; RTS (Solicitar-a-Enviar): Por el defecto, no es utilizado.
CMD (comando): Por el defecto, CMD no es utilizado
11:
CONFIG / RSSI
Configuración: El pin se puede utilizar como método de
reserva para entrar en modo de comando durante ciclo inicial.
Recibir el indicador de la fuerza de la señal: Por el defecto, el pin es utilizado como
RSSI PWM hecho salir después en la conclusión de la puesta bajo tensión.
Los pines 12 al 20 no se conectan.
Para este caso se tiene que:
Calculos:
d = 100 mts.
90
f = 0.902 GHz.
Si se remplaza queda:
Pp = 20 log10 (100 / 1000) + 20 log10 (0.902 *1000) + 32.45
Pp = 20 log10 (100 / 1000) + 91.554
Pp = −20 + 91.554 dB.
PP =71.554 dB
Además se tiene:
S r = ?.
Gse = 10mW = 10dB.
Pce = 1 dB.
Pae = 1 dB.
Gae = 2 dB.
Pp = 71.554 dB.
Pcr = 1 dB.
Par = 1 dB.
Pa = 20 dB pérdidas adicionales por estar bajo suelo a más de 30 cm.
Si remplaza en:
S r = 10 − 1 − 1 + 2 − 71 . 554 + 2 − 1 − 1 − 20
S r =81.554 dB.
La sensibilidad del Xtend en modo de Rx es de -110 dB.
Si establece la diferencia -81.554-(-110) = 28.446 dB; es decir que tiene un
alcance normal para 100 mts.
Si se trabaja a una potencia de Tx = 100mW = 20 dB
Con la misma frecuencia: 0.902 GHz.
91
S r = 20 − 1 − 1 + 2 − 71 . 554 + 2 − 1 − 1 − 20
S r = 71.554 dB.
Si establece la diferencia -71.554-(-110) = 38.446 dB
Si se trabaja a una potencia de Tx = W = 29.9999 dB
Con la misma frecuencia: 0.902 GHz.
S r = 29 . 999 − 1 − 1 + 2 − 71 . 554 + 2 − 1 − 1 − 20
S r = 61.555 dB.
Si establece la diferencia -61.55-(-110) = 48.445 dB
Conexión con el PC:
Figura 64. Conexión con el PC
(Data sheet)
Antenas:
900 MHz whip (1/2- onda & 1/4- onda)
Figura 65. Modelos de Antenas.
(Data sheet)
Cámara ECW-309.
Sofisticada cámara inalámbrica a color, la cual transmite imágenes de excelente
calidad y además sonido en tiempo.
92
(a)
(b)
Figura 66. Cámara inalámbrica ECW-309
Especificaciones:
Dispositivo de imagen: 1/3" 1/4" Image Sensors.
Sistema: PAL/CCIR NTSC/EIA.
Píxeles Efectivos: PAL: 628X582 NTSC: 510X492.
Área de Imagen: 178(H)x494(v).
Resolución Horizontal: 380 TV Lines.
Frecuencia de escaneo: PAL/CCIR: 50HZ NTSC/EIA: 60HZ.
Iluminación mínima: 3LUX
Sensitivity: +18DB-AGL ON-OFF.
Sensibilidad: +18DB-AGL ON-OFF.
Nivel de salida: 50MW.
Frecuencia de salida: 1.2G/2.4G.
Asignación de salidas: Audio, Video.
Transmisión linear: de 50 a 100 metros.
Voltaje: DC+9V.
Amperaje: 300mA.
93
Disipación de voltaje: = 640MW.
Método de recepción: Modulación electrónica de frecuencia.
Sensibilidad de recepción: +18DB.
Recepción de frecuencia: 1.2G/2.4G.
Que recibe La Señal: Audio y video.
Entorno desde el PC
Figura 67. Entorno Microsoft Visual estudio 2005
Esta dividida en tres bloque que componen lo siguiente:
Bloque 1: comprende la visualización por medio de la cámara inalámbrica con tres
(3) botones; INICIAR CAMARA: como su nombre lo indica es la encargada de
que la visión de la cámara se active. PARAR CAMARA: detiene las imágenes
vista des de la cámara. GUARDAR IMAGEN: permite capturar la imagen
mostrada en la pantalla de Visual.
Bloque 2: contiene cuatro (4) botones; ADELANTE: permite un avance el robot en
dirección de frente de forma recta. ATRÁS: permite que HEXPLOBOT se
desplace hacia atrás o retroceda; IZQUIERDA Y DERECHA: permite que el
explorador se desplace en las direcciones correspondiente.
94
Y Bloque 3: importante como los demás, corresponden dos (2) botones;
OBSERVAR ARRIBA Y OBSERVAR ABAJO: estos dos botones fueron
diseñados con el propósito de girar la cámara en caso de que no halla un enfoque
perfecto y así poder obtener una mejor vista de la tubería.
La programación en Visual estudio es la siguiente:
Tabla de presupuestos
DISPOSITIVO
2 módulos RF 9xtend
Cámara inalámbrica
Antena
total
PRECIO(dolares)
(179) 358
63
15
DISTRIBUIDOR
MaxStream
MaxStream
436*
*en pesos colombianos es de 872.000 pesos
El costo total, con los 4 servomotores 1.000.000 pesos. (250.000 pesos c/uno)+
300.000 pesos en el polímero (PVC) para el chasis del HEXPLOBOT+ 872.000
pesos de los módulos de RF 9xTend.
Para un gran total de 2.172.000 pesos colombianos.
95
CONCLUSIONES
Se ha conocido sobre el funcionamiento de los sistemas RF (radio frecuencia), y
cada una de las partes que interactúan en estos; saber que lo comprenden dos
grandes partes que son de vital importancia para que halla una transmisión
positiva como son un receptor y un emisor.
Se estudiaron los diferentes tipos y formas de modulaciones para poder escoger
de los módulos y dispositivos necesarios en el diseño del sistema RF.
El estudio del estado del arte lleva a escoger diversa soluciones para el problema
propuesto con desempeños superiores en rendimiento, economía y poder obtener
una mayor eficiencia en el producto desarrollado.
Saber que las comunicaciones han tenido un desarrollo impresionante en las
últimas décadas gracias al avance de la tecnología digital.
Como Ingeniero Mecatrónico se debe desarrollar conocimientos de
Telecomunicaciones debido a que muchos de los robots implementados hoy en
día poseen esta tecnología, tales como el propuesto en este trabajo. Y no solo hay
implementación de Telecomunicaciones en estos prototipos, también podemos
encontrar en redes de Control Industrial y Procesos.
El desarrollo de un modelo o prototipo en el software Solid Edge, permite que se
realice con mayor versatilidad el robot que se desea construir, es un software muy
importante en el momento de emprender un diseño de tal magnitud donde se
puede crear a escala o en medidas reales y esto permite observar todo el proceso
de creación del proyecto; además se puede obtener todas las perspectivas de
diseño como base fundamental en su desarrollo.
En el mercado internacional y nacional hay muchos productos que como
ingenieros se pueden estudiar y usar para dar soluciones positivas a las
problemáticas de la sociedad tal como la supervisión de tuberías de alcantarillado
de una ciudad.
También se observó que en el instante de transmitir una señal de RF se debe
tener en cuenta muchos factores importantes tales como pérdidas por
obstrucciones u obstáculos que producen atenuaciones en la señal transmitida y
que pueden afectar el rendimiento del sistema.
96
Un buen diseño lleva un estudio minucioso de cada una de las partes que lo
componen, tales como mecánica, electrónica y telecomunicaciones áreas que
cubren la creación del proyecto.
97
BIBLIOGRAFÍA
Cerón A. Desarrollo de un Robot Móvil teleoperado. IEEE Colombian Workshop on
Robotics and Automation 2005.
Sierra Manuel, Galocha Belén, Fernández José. Electrónica de Comunicación.
Universidad Politécnica de Madrid. Prentice Hall. Madrid, 2004.
http://www.aurelwireless.com/wireless/uk/site_search.asp
http://www.laipac.com/transceptores-rf.htm.
http://www.nxp.com/acrobat_download/literature/9397/75015689.pdf.
http://www.mouser.com/catalog/630/5.pdf.
http://www.seguridadplus.com.
http://www.futuranet.it.
http://www.maxstream.net/products/xtend/oem-rf-module.php.
http://dev.emcelettronica.com/proyectos/ipercode/es/
http://guillermoliberto.tripod.com/paginamemo/guiilermo_liberto_martinez.html
http://www.maxstream.net
http://hwagm.elhacker.net/htm/conexiones.htm
http://atenea.unicauca.edu.co/~vmondrag/ejemplo.htm
http://ceres.ugr.es/~alumnos/redrs232/fisica.htm
98
ANEXO 1
POLARIZACION ACTIVA
Simulación en Microwave Circuito de polarización activa
99
ANEXO 2
POLARIZACION PASIVA
Simulación en Microwave Circuito de polarización pasiva
100
ANEXO 3
ANTENA CON CONECTOR SMA PLUG (902-928 MHZ)
101
ANEXO 4
ANTENA CON CONECTOR RPSMA (902-928 MHZ)
ANEXO 5
102
DATA SHEET TX-9M50PF01
103
104
ANEXO 6
DATA SHEET RX-9M50FM70SF
105
106
ANEXO 7
DATA SHEET MODULO RF 9XTEND
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
ANEXO 8
LINEAS DE PROGRAMA DEL ENTORNO GRAFICO VISAUL BASIC 2005
Imports System.Runtime.InteropServices
Public Class Form1
Inherits System.Windows.Forms.Form
#Region " Windows Form Designer generated code "
Public Sub New()
MyBase.New()
'This call is required by the Windows Form Designer.
InitializeComponent()
'Add any initialization after the InitializeComponent() call
End Sub
'Form overrides dispose to clean up the component list.
Protected Overloads Overrides Sub Dispose(ByVal disposing As Boolean)
If disposing Then
If Not (components Is Nothing) Then
components.Dispose()
End If
End If
MyBase.Dispose(disposing)
End Sub
'Required by the Windows Form Designer
Private components As System.ComponentModel.IContainer
'NOTE: The following procedure is required by the Windows Form Designer
'It can be modified using the Windows Form Designer.
'Do not modify it using the code editor.
Friend WithEvents picCapture As System.Windows.Forms.PictureBox
Friend WithEvents lstDevices As System.Windows.Forms.ListBox
Friend WithEvents btnStart As System.Windows.Forms.Button
Friend WithEvents btnSave As System.Windows.Forms.Button
Friend WithEvents btnStop As System.Windows.Forms.Button
Friend WithEvents IZQUIERDA As System.Windows.Forms.Button
Friend WithEvents ADELANTE As System.Windows.Forms.Button
Friend WithEvents ATRAS As System.Windows.Forms.Button
Friend WithEvents DERECHA As System.Windows.Forms.Button
Friend WithEvents GroupBox1 As System.Windows.Forms.GroupBox
Friend WithEvents GroupBox2 As System.Windows.Forms.GroupBox
Friend WithEvents ABAJO As System.Windows.Forms.Button
Friend WithEvents ARRIBA As System.Windows.Forms.Button
Friend WithEvents Sp As System.IO.Ports.SerialPort
Friend WithEvents sfdImage As System.Windows.Forms.SaveFileDialog
<System.Diagnostics.DebuggerStepThrough()> Private Sub InitializeComponent()
Me.components = New System.ComponentModel.Container
Me.picCapture = New System.Windows.Forms.PictureBox
Me.lstDevices = New System.Windows.Forms.ListBox
126
Me.btnStart = New System.Windows.Forms.Button
Me.btnSave = New System.Windows.Forms.Button
Me.btnStop = New System.Windows.Forms.Button
Me.sfdImage = New System.Windows.Forms.SaveFileDialog
Me.IZQUIERDA = New System.Windows.Forms.Button
Me.ADELANTE = New System.Windows.Forms.Button
Me.ATRAS = New System.Windows.Forms.Button
Me.DERECHA = New System.Windows.Forms.Button
Me.GroupBox1 = New System.Windows.Forms.GroupBox
Me.GroupBox2 = New System.Windows.Forms.GroupBox
Me.ARRIBA = New System.Windows.Forms.Button
Me.ABAJO = New System.Windows.Forms.Button
Me.Sp = New System.IO.Ports.SerialPort(Me.components)
CType(Me.picCapture, System.ComponentModel.ISupportInitialize).BeginInit()
Me.GroupBox1.SuspendLayout()
Me.GroupBox2.SuspendLayout()
Me.SuspendLayout()
'
'picCapture
'
Me.picCapture.BorderStyle = System.Windows.Forms.BorderStyle.Fixed3D
Me.picCapture.Location = New System.Drawing.Point(12, 24)
Me.picCapture.Name = "picCapture"
Me.picCapture.Size = New System.Drawing.Size(529, 343)
Me.picCapture.TabIndex = 0
Me.picCapture.TabStop = False
'
'lstDevices
'
Me.lstDevices.Location = New System.Drawing.Point(18, 48)
Me.lstDevices.Name = "lstDevices"
Me.lstDevices.Size = New System.Drawing.Size(184, 56)
Me.lstDevices.TabIndex = 1
Me.lstDevices.Visible = False
'
'btnStart
'
Me.btnStart.Location = New System.Drawing.Point(12, 373)
Me.btnStart.Name = "btnStart"
Me.btnStart.Size = New System.Drawing.Size(106, 32)
Me.btnStart.TabIndex = 3
Me.btnStart.Text = "INICIAR CAMARA"
'
'btnSave
'
Me.btnSave.Anchor = CType((System.Windows.Forms.AnchorStyles.Bottom Or
System.Windows.Forms.AnchorStyles.Right), System.Windows.Forms.AnchorStyles)
127
Me.btnSave.Location = New System.Drawing.Point(403, 375)
Me.btnSave.Name = "btnSave"
Me.btnSave.Size = New System.Drawing.Size(132, 32)
Me.btnSave.TabIndex = 4
Me.btnSave.Text = "GUARDAR IMAGEN"
'
'btnStop
'
Me.btnStop.Location = New System.Drawing.Point(206, 373)
Me.btnStop.Name = "btnStop"
Me.btnStop.Size = New System.Drawing.Size(112, 32)
Me.btnStop.TabIndex = 5
Me.btnStop.Text = "PARAR CAMARA"
'
'sfdImage
'
Me.sfdImage.FileName = "Webcam1"
Me.sfdImage.Filter = "Bitmap|*.bmp"
'
'IZQUIERDA
'
Me.IZQUIERDA.Location = New System.Drawing.Point(6, 40)
Me.IZQUIERDA.Name = "IZQUIERDA"
Me.IZQUIERDA.Size = New System.Drawing.Size(96, 41)
Me.IZQUIERDA.TabIndex = 6
Me.IZQUIERDA.Text = "IZQUIERDA"
Me.IZQUIERDA.UseVisualStyleBackColor = True
'
'ADELANTE
'
Me.ADELANTE.Location = New System.Drawing.Point(108, 19)
Me.ADELANTE.Name = "ADELANTE"
Me.ADELANTE.Size = New System.Drawing.Size(96, 41)
Me.ADELANTE.TabIndex = 7
Me.ADELANTE.Text = "ADELANTE"
Me.ADELANTE.UseVisualStyleBackColor = True
'
'ATRAS
'
Me.ATRAS.Location = New System.Drawing.Point(108, 66)
Me.ATRAS.Name = "ATRAS"
Me.ATRAS.Size = New System.Drawing.Size(96, 41)
Me.ATRAS.TabIndex = 8
Me.ATRAS.Text = "ATRAS"
Me.ATRAS.UseVisualStyleBackColor = True
'
'DERECHA
128
'
Me.DERECHA.Location = New System.Drawing.Point(210, 40)
Me.DERECHA.Name = "DERECHA"
Me.DERECHA.Size = New System.Drawing.Size(96, 41)
Me.DERECHA.TabIndex = 9
Me.DERECHA.Text = "DERECHA"
Me.DERECHA.UseVisualStyleBackColor = True
'
'GroupBox1
'
Me.GroupBox1.Controls.Add(Me.ADELANTE)
Me.GroupBox1.Controls.Add(Me.IZQUIERDA)
Me.GroupBox1.Controls.Add(Me.ATRAS)
Me.GroupBox1.Controls.Add(Me.DERECHA)
Me.GroupBox1.Location = New System.Drawing.Point(12, 411)
Me.GroupBox1.Name = "GroupBox1"
Me.GroupBox1.Size = New System.Drawing.Size(313, 114)
Me.GroupBox1.TabIndex = 10
Me.GroupBox1.TabStop = False
Me.GroupBox1.Text = "CONTROL ROBOT"
'
'GroupBox2
'
Me.GroupBox2.Controls.Add(Me.ABAJO)
Me.GroupBox2.Controls.Add(Me.ARRIBA)
Me.GroupBox2.Location = New System.Drawing.Point(331, 411)
Me.GroupBox2.Name = "GroupBox2"
Me.GroupBox2.Size = New System.Drawing.Size(210, 114)
Me.GroupBox2.TabIndex = 11
Me.GroupBox2.TabStop = False
Me.GroupBox2.Text = "CONTROL CAMARA"
'
'ARRIBA
'
Me.ARRIBA.Location = New System.Drawing.Point(6, 40)
Me.ARRIBA.Name = "ARRIBA"
Me.ARRIBA.Size = New System.Drawing.Size(96, 41)
Me.ARRIBA.TabIndex = 7
Me.ARRIBA.Text = "OBSERVAR ARRIBA"
Me.ARRIBA.UseVisualStyleBackColor = True
'
'ABAJO
'
Me.ABAJO.Location = New System.Drawing.Point(108, 40)
Me.ABAJO.Name = "ABAJO"
Me.ABAJO.Size = New System.Drawing.Size(96, 41)
Me.ABAJO.TabIndex = 8
129
Me.ABAJO.Text = "OBSERVAR ABAJO"
Me.ABAJO.UseVisualStyleBackColor = True
'
'Form1
'
Me.AutoScaleBaseSize = New System.Drawing.Size(5, 13)
Me.ClientSize = New System.Drawing.Size(547, 530)
Me.Controls.Add(Me.GroupBox2)
Me.Controls.Add(Me.GroupBox1)
Me.Controls.Add(Me.btnStop)
Me.Controls.Add(Me.btnSave)
Me.Controls.Add(Me.btnStart)
Me.Controls.Add(Me.lstDevices)
Me.Controls.Add(Me.picCapture)
Me.Name = "Form1"
Me.StartPosition = System.Windows.Forms.FormStartPosition.CenterScreen
Me.Text = "HEXPLOBOT"
CType(Me.picCapture, System.ComponentModel.ISupportInitialize).EndInit()
Me.GroupBox1.ResumeLayout(False)
Me.GroupBox2.ResumeLayout(False)
Me.ResumeLayout(False)
End Sub
#End Region
Const WM_CAP As Short = &H400S
Const WM_CAP_DRIVER_CONNECT As Integer = WM_CAP + 10
Const WM_CAP_DRIVER_DISCONNECT As Integer = WM_CAP + 11
Const WM_CAP_EDIT_COPY As Integer = WM_CAP + 30
Const WM_CAP_SET_PREVIEW As Integer = WM_CAP + 50
Const WM_CAP_SET_PREVIEWRATE As Integer = WM_CAP + 52
Const WM_CAP_SET_SCALE As Integer = WM_CAP + 53
Const WS_CHILD As Integer = &H40000000
Const WS_VISIBLE As Integer = &H10000000
Const SWP_NOMOVE As Short = &H2S
Const SWP_NOSIZE As Short = 1
Const SWP_NOZORDER As Short = &H4S
Const HWND_BOTTOM As Short = 1
Dim iDevice As Integer = 0 ' Current device ID
Dim hHwnd As Integer ' Handle to preview window
Declare Function SendMessage Lib "user32" Alias "SendMessageA" _
(ByVal hwnd As Integer, ByVal wMsg As Integer, ByVal wParam As Integer, _
<MarshalAs(UnmanagedType.AsAny)> ByVal lParam As Object) As Integer
Declare Function SetWindowPos Lib "user32" Alias "SetWindowPos" (ByVal hwnd As
Integer, _
ByVal hWndInsertAfter As Integer, ByVal x As Integer, ByVal y As Integer, _
ByVal cx As Integer, ByVal cy As Integer, ByVal wFlags As Integer) As Integer
Declare Function DestroyWindow Lib "user32" (ByVal hndw As Integer) As Boolean
130
Declare Function capCreateCaptureWindowA Lib "avicap32.dll" _
(ByVal lpszWindowName As String, ByVal dwStyle As Integer, _
ByVal x As Integer, ByVal y As Integer, ByVal nWidth As Integer, _
ByVal nHeight As Short, ByVal hWndParent As Integer, _
ByVal nID As Integer) As Integer
Declare Function capGetDriverDescriptionA Lib "avicap32.dll" (ByVal wDriver As Short,
_
ByVal lpszName As String, ByVal cbName As Integer, ByVal lpszVer As String, _
ByVal cbVer As Integer) As Boolean
Private Sub Form1_Load(ByVal sender As System.Object, ByVal e As
System.EventArgs) Handles MyBase.Load
LoadDeviceList()
If lstDevices.Items.Count > 0 Then
btnStart.Enabled = True
lstDevices.SelectedIndex = 0
btnStart.Enabled = True
Else
lstDevices.Items.Add("No Capture Device")
btnStart.Enabled = False
End If
btnStop.Enabled = False
btnSave.Enabled = False
picCapture.SizeMode = PictureBoxSizeMode.StretchImage
End Sub
Private Sub LoadDeviceList()
Dim strName As String = Space(100)
Dim strVer As String = Space(100)
Dim bReturn As Boolean
Dim x As Integer = 0
'
' Load name of all avialable devices into the lstDevices
'
Do
'
' Get Driver name and version
'
bReturn = capGetDriverDescriptionA(x, strName, 100, strVer, 100)
'
' If there was a device add device name to the list
'
If bReturn Then lstDevices.Items.Add(strName.Trim)
x += 1
Loop Until bReturn = False
End Sub
131
Private Sub OpenPreviewWindow()
Dim iHeight As Integer = picCapture.Height
Dim iWidth As Integer = picCapture.Width
'
' Open Preview window in picturebox
'
hHwnd = capCreateCaptureWindowA(iDevice, WS_VISIBLE Or WS_CHILD, 0, 0,
640, _
480, picCapture.Handle.ToInt32, 0)
'
' Connect to device
'
If SendMessage(hHwnd, WM_CAP_DRIVER_CONNECT, iDevice, 0) Then
'
'Set the preview scale
'
SendMessage(hHwnd, WM_CAP_SET_SCALE, True, 0)
'
'Set the preview rate in milliseconds
'
SendMessage(hHwnd, WM_CAP_SET_PREVIEWRATE, 66, 0)
'
'Start previewing the image from the camera
'
SendMessage(hHwnd, WM_CAP_SET_PREVIEW, True, 0)
'
' Resize window to fit in picturebox
'
SetWindowPos(hHwnd, HWND_BOTTOM, 0, 0, picCapture.Width,
picCapture.Height, _
SWP_NOMOVE Or SWP_NOZORDER)
btnSave.Enabled = True
btnStop.Enabled = True
btnStart.Enabled = False
Else
'
' Error connecting to device close window
'
DestroyWindow(hHwnd)
btnSave.Enabled = False
End If
End Sub
Private Sub btnStart_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As
System.EventArgs) Handles btnStart.Click
iDevice = lstDevices.SelectedIndex
OpenPreviewWindow()
132
End Sub
Private Sub ClosePreviewWindow()
'
' Disconnect from device
'
SendMessage(hHwnd, WM_CAP_DRIVER_DISCONNECT, iDevice, 0)
'
' close window
'
DestroyWindow(hHwnd)
End Sub
Private Sub btnStop_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As
System.EventArgs) Handles btnStop.Click
ClosePreviewWindow()
btnSave.Enabled = False
btnStart.Enabled = True
btnStop.Enabled = False
End Sub
Private Sub btnSave_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As
System.EventArgs) Handles btnSave.Click
Dim data As IDataObject
Dim bmap As Image
'
' Copy image to clipboard
'
SendMessage(hHwnd, WM_CAP_EDIT_COPY, 0, 0)
'
' Get image from clipboard and convert it to a bitmap
'
data = Clipboard.GetDataObject()
If data.GetDataPresent(GetType(System.Drawing.Bitmap)) Then
bmap = CType(data.GetData(GetType(System.Drawing.Bitmap)), Image)
picCapture.Image = bmap
ClosePreviewWindow()
btnSave.Enabled = False
btnStop.Enabled = False
btnStart.Enabled = True
If sfdImage.ShowDialog = DialogResult.OK Then
bmap.Save(sfdImage.FileName, Imaging.ImageFormat.Bmp)
End If
End If
End Sub
Private Sub Form1_Closing(ByVal sender As Object, ByVal e As
System.ComponentModel.CancelEventArgs) Handles MyBase.Closing
If btnStop.Enabled Then
ClosePreviewWindow()
133
End If
End Sub
Private Sub ADELANTE_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As
System.EventArgs) Handles ADELANTE.Click
Try
Sp.Close() 'Por Seguridad si el puerto esta abierto
Sp.PortName = "COM1" 'puerto escogido
Sp.BaudRate = 9600 'velocidad en baudios
Sp.Parity = IO.Ports.Parity.None 'la paridad
Sp.DataBits = 8 '8 bits
Sp.StopBits = IO.Ports.StopBits.One 'bit parada
Sp.Open() 'Abrir puerto
Sp.Write("1") 'escribe 1 en el puerto
Sp.Close() ' Cerrar puerto
Catch ex As System.Exception
MessageBox.Show(ex.Message) '
End Try
End Sub
Private Sub ATRAS_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As
System.EventArgs) Handles ATRAS.Click
Try
Sp.Close() 'Por Seguridad si el puerto esta abierto
Sp.PortName = "COM1" 'puerto escogido
Sp.BaudRate = 9600 'velocidad en baudios
Sp.Parity = IO.Ports.Parity.None 'la paridad
Sp.DataBits = 8 '8 bits
Sp.StopBits = IO.Ports.StopBits.One ' bit parada
Sp.Open() 'Abrir puerto
Sp.Write("2") 'escribe 2 en el puerto
Sp.Close() ' Cerrar puerto
Catch ex As System.Exception
MessageBox.Show(ex.Message) '
End Try
End Sub
Private Sub IZQUIERDA_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As
System.EventArgs) Handles IZQUIERDA.Click
Try
Sp.Close() 'Por Seguridad si el puerto esta abierto
Sp.PortName = "COM1" 'puerto escogido
Sp.BaudRate = 9600 'velocidad en baudios
Sp.Parity = IO.Ports.Parity.None 'la paridad
Sp.DataBits = 8 '8 bits
Sp.StopBits = IO.Ports.StopBits.One ' bit parada
Sp.Open() 'Abrir puerto
Sp.Write("3") 'escribe 3 en el puerto
Sp.Close() ' Cerrar puerto
Catch ex As System.Exception
134
MessageBox.Show(ex.Message) '
End Try
End Sub
Private Sub DERECHA_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As
System.EventArgs) Handles DERECHA.Click
Try
Sp.Close() 'Por Seguridad si el puerto esta abierto
Sp.PortName = "COM1" 'puerto escogido
Sp.BaudRate = 9600 'velocidad en baudios
Sp.Parity = IO.Ports.Parity.None 'la paridad
Sp.DataBits = 8 '8 bits
Sp.StopBits = IO.Ports.StopBits.One ' bit parada
Sp.Open() 'Abrir puerto
Sp.Write("4") 'escribe 4 en el puerto
Sp.Close() ' Cerrar puerto
Catch ex As System.Exception
MessageBox.Show(ex.Message) '
End Try
End Sub
Private Sub ARRIBA_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As
System.EventArgs) Handles ARRIBA.Click
Try
Sp.Close() 'Por Seguridad si el puerto esta abierto
Sp.PortName = "COM1" 'puerto escogido
Sp.BaudRate = 9600 'velocidad en baudios
Sp.Parity = IO.Ports.Parity.None 'la paridad
Sp.DataBits = 8 '8 bits
Sp.StopBits = IO.Ports.StopBits.One ' bit parada
Sp.Open() 'Abrir puerto
Sp.Write("5") 'escribe 5 en el puerto
Sp.Close() ' Cerrar puerto
Catch ex As System.Exception
MessageBox.Show(ex.Message) '
End Try
End Sub
Private Sub ABAJO_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As
System.EventArgs) Handles ABAJO.Click
Try
Sp.Close() 'Por Seguridad si el puerto esta abierto
Sp.PortName = "COM1" 'puerto escogido
Sp.BaudRate = 9600 'velocidad en baudios
Sp.Parity = IO.Ports.Parity.None 'la paridad
Sp.DataBits = 8 '8 bits
Sp.StopBits = IO.Ports.StopBits.One ' bit parada
Sp.Open() 'Abrir puerto
Sp.Write("6") 'escribe 6 en el puerto
Sp.Close() ' Cerrar puerto
135
Catch ex As System.Exception
MessageBox.Show(ex.Message) '
End Try
End Sub
End Class
136