Electrónica de Comunicaciones CONTENIDO RESUMIDO: 1- Introducción 2- Osciladores 3- Mezcladores. 4- Lazos enganchados en fase (PLL). 5- Amplificadores.

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

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

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

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

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

6 Demodulación de AM con detector de pico (I) + - v dp R v pAM + C D ATE-UO EC dem AM 05 v dp

7 Demodulación de AM con detector de pico (II) v pAM ATE-UO EC dem AM 06 v pAM v dp + - R v pAM + C D Detector de pico + - C2C2 Amplificador de banda base R2R2 v pAM C1C1 R1R1 Filtro pasa altos + - v dpsc

8 Demodulación de AM con detector de pico (III) Cálculo del detector de pico (I) Condición de diseño:  p envolvente  p RC   Por tanto: d[  v AM (  m t)] dt p envolvente = -  v AM (  m t) RC p RC = + - v dp R + C D v pAM (  m t,  p t)  -V p ·  m ·m·sen(  m t)  -V p ·[1 + m·cos(  m t)]/(RC)   -R·C·  m ·m·sen(  m t)  -[1 + m·cos(  m t)]  ATE-UO EC dem AM 07 Ecuaciones: v pAM (  m t,  p t) =  v AM (  m t)·cos(  p t)  v AM (  m t) = V p ·[1 + m·cos(  m t)] v pAM (  m t,  p t) RC  v AM (  m t)

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

10 + - v dp Filtro pasa altos + - v dpsc Detector de pico + V cc G D S 1:n R C D C1C1 R1R1 Amplificador de FI (o de RF) LmLm CRCR Demodulación de AM con detector de pico (V) Realización práctica de un detector de pico de media onda v pAM v dp v dpsc v pAM + - ATE-UO EC dem AM 09

11 Demodulación de AM con detector de pico (VI) Realización práctica de un detector de pico de onda completa ATE-UO EC dem AM 10 v dp v pAM  v pAM  v dpsc + - + - v dp Filtro pasa altos Detector de pico + V cc G D S 1:n R C D1D1 C1C1 R1R1 Amplificador de FI (o de RF) LmLm CRCR v pAM + - D2D2 + -

12 Demodulación de AM con detector coherente (I) Principio de operación ATE-UO EC dem AM 11 Señales de entrada: v pAM (  m t,  p t) = V p ·[1 + v m (  m t)]·cos(  p t) v o (  o t) = V o ·cos(  o t +  ) Salida del mezclador: Recuerdese: cosA·cosB = 0,5[cos(A+B) + cos(A-B)] v mez = k·0,5·V p ·[1 + v m (  m t)]·V o ·[cos[(  p +  o )t +  ] + cos[(  o -  p )t +  ]] Salida del filtro: v f = k·0,5·V p ·[1 + v m (  m t)]·V o ·[cos[(  o -  p )t +  ]] Si la señal del oscilador coincide en frecuencia y fase con la portadora, es decir,  o =  p y  = 0º, entonces: v f = k·0,5·V p ·[1 + v m (  m t)]·V o que es proporcional a v m (  m t) + una componente de continua, que se elimina como en el detector de envolvente ¿Cómo conseguir  o =  p y  = 0º? v f Mezclador v pAM (  m t,  p t) v o (  o t) v mez

13 Demodulación de AM con detector coherente (II) Recuperación de la portadora ATE-UO EC dem AM 12 v f = k·0,5·V p ·[1 + v m (  m t)]·V o v fca = k·0,5·V p ·V o ·v m (  m t) v pAM (  m t,  p t) Mezclador v o (  p t)  = 0º v f v mez V = k(  ) PLL v fca

14 Demodulación de AM con detector coherente (III) Principales formas de onda con  = 0º Mezclador v pAM v o v mez v f v o (  p t) v pAM (  m t,  p t) v mez (  m t, 2  p t) v f (  m t) ATE-UO EC dem AM 13 Moduladora con nivel de continua

15 Demodulación de AM con detector coherente (IV) Principales formas de onda con  = 90º Mezclador v pAM v o v mez v f v o (  p t) v pAM (  m t,  p t) ATE-UO EC dem AM 14 v mez (  m t, 2  p t) vfvf Como el valor medio de v mez es cero, no se obtiene la moduladora por filtrado

16 Demodulación de DSB con detector coherente (I) Principio de operación ATE-UO EC dem AM 15 Señales de entrada: v pDSB (  m t,  p t) = V p ·v m (  m t)·cos(  p t) v o (  o t) = V o ·cos(  o t +  ) Salida del mezclador: Recuerdese: cosA·cosB = 0,5[cos(A+B) + cos(A-B)] v mez = k·0,5·V p ·v m (  m t)·V o ·[cos[(  p +  o )t +  ] + cos[(  o -  p )t +  ]] Salida del filtro: v f = k·0,5·V p ·v m (  m t)·V o ·[cos[(  o -  p )t +  ]] Si la señal del oscilador coincide en frecuencia y fase con la portadora, es decir,  o =  p y  = 0º, entonces: v f = k·0,5·V p ·V o ·v m (  m t) que es proporcional a v m (  m t) ¿Cómo conseguir  o =  p y  = 0º? v f Mezclador v pDSB (  m t,  p t) v o (  o t) v mez

17 Demodulación de DSB con detector coherente (II) Recuperación de la portadora ATE-UO EC dem AM 16 Si elevamos al cuadrado la portadora modulada DSB obtenemos: [v pDSB (  m t,  p t)] 2 = [V p ·v m (  m t)] 2 ·[cos(  p t)] 2 = = 0,5·[V p ·v m (  m t)] 2 ·[1 + cos(2  p t)] Existe una componente de frecuencia doble. A esta frecuencia se engancha el PLL y su frecuencia de salida se divide por 2 v pDSB (  m t,  p t) Mezclador v o (  p t)  = 0º v f v mez PLLx2x2 22

18 Demodulación de DSB con detector coherente (III) Principales formas de onda con  = 0º Mezclador v pDSB v o v mez v f v o (  p t) ATE-UO EC dem AM 17 Moduladora v pDSB (  m t,  p t) v mez (  m t, 2  p t) v f (  m t)

19 Demodulación de DSB con detector coherente (IV) Principales formas de onda con  = 90º Mezclador v pDSB v o v mez v f v o (  p t) ATE-UO EC dem AM 18 v pDSB (  m t,  p t) v mez (  m t, 2  p t) v f (  m t) Como el valor medio de v mez es cero, no se obtiene la moduladora por filtrado

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

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

22 Demodulación de SSB con detector coherente (III) Principales formas de onda con  o =  p y  = 0º Mezclador v pUSB v o v mez v f v o (  p t) ATE-UO EC dem AM 21 Moduladora v f (  m t) v mez (  m t, (2  p +  m )t) v pUSB (  m t,  p t)

23 Demodulación de SSB con detector coherente (IV) Principales formas de onda con  o   p y  = 0º Mezclador v pUSB v o v mez v f v o (  o t) ATE-UO EC dem AM 22 Moduladora v pUSB (  m t,  p t) v mez ((  p -  o +  m )t, (  p +  o +  m )t) v f ((  p -  o +  m )t) Señal demodulada Dependiendo de la aplicación puede o no ser importante esta discrepancia

24 Demodulación de SSB con detector coherente (V) Problema: ¿qué pasa si hay una señal interferente en la frecuencia de la banda lateral no utilizada (banda imagen)? ATE-UO EC dem AM 23 Mezclador v pUSB1 v o v mez v f + v pUSB2 Señales de entrada: v pUSB1 (  m1 t,  p1 t) = V p1 ·cos(  p1 +  m1 )t v pUSB2 (  m2 t,  p2 t) = V p2 ·cos(  p2 +  m2 )t v o (  o t) = V o ·cos(  o t +  ) Salida del mezclador: v mez = k·0,5·V p1 ·V o ·[cos[(  p1 +  o +  m1 )t +  ] + cos[(  p1 -  o +  m1 )t -  ]] + k·0,5·V p2 ·V o ·[cos[(  p2 +  o +  m2 )t +  ] + cos[(  p2 -  o +  m2 )t -  ]] Salida del filtro: v f = k·0,5·V p1 ·V o ·[cos[(  p1 -  o +  m1 )t -  ]] + k·0,5·V p2 ·V o ·[cos[(  p2 -  o +  m2 )t -  ]] Supongamos  o =  p1 y  = 0º, entonces: v f = k·0,5·V p1 ·V o ·cos(  m1 t) + k·0,5·V p2 ·V o ·cos((  p1 –  p2 -  m2 )t) Luego existe una componente indeseada a la salida del filtro

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

26 Demodulación de SSB con detector coherente (VII) ¿Como eliminar una señal interferente en la frecuencia de la banda lateral no utilizada (banda imagen)? ATE-UO EC dem AM 25 Por filtrado de la portadora modulada Usando un mezclador con rechazo de banda imagen (estructura I/Q) Filtrado de la portadora modulada v pUSB1 v pUSB2 Amplificador de FI Detector coherente Amplificador de banda base v o Filtro de banda base Filtro a cristal +  p1 0  p2 v pUSB1 v pUSB2 Filtro a cristal

27 Demodulación de SSB con mezclador con rechazo de banda imagen (estructura I/Q), (I) ATE-UO EC dem AM 26 Supongamos  o =  p1 y  = 0º, entonces (igual que en ATE-UO EC dem AM 23 ): v f1 = k·0,5·V p1 ·V o ·cos(  m1 t) + k·0,5·V p2 ·V o ·cos((  p1 –  p2 -  m2 )t) Procediendo de igual forma con el mezclador de abajo, pero teniendo en cuenta el desfase de 90º en la señal del oscilador, queda: v f2 = k·0,5·V p1 ·V o ·cos(  m1 t -  /2) + k·0,5·V p2 ·V o ·cos((  p2 –  p1 +  m2 )t -  /2) = k·0,5·V p1 ·V o ·sen(  m1 t) - k·0,5·V p2 ·V o ·sen((  p1 -  p2 -  m2 )t) Señal USB/LSB v f1 v o v pUSB1 + v pUSB2  /2 -/+ v f2 v f2 ’ vsvs

28 ATE-UO EC dem AM 27 Retrasamos otros 90º v f2 para obtener v f2 ’ y queda: v f2 ’ = k·0,5·V p1 ·V o ·sen(  m1 t -  /2) - k·0,5·V p2 ·V o ·sen((  p1 -  p2 -  m2 )t -  /2) = - k·0,5·V p1 ·V o ·cos(  m1 t) + k·0,5·V p2 ·V o ·cos((  p1 -  p2 -  m2 )t) = - k·0,5·V p1 ·V o ·cos(  m1 t) + k·0,5·V p2 ·V o ·cos((  p2 -  p1 +  m2 )t) Como v f1 = k·0,5·V p1 ·V o ·cos(  m1 t) + k·0,5·V p2 ·V o ·cos((  p2 -  p1 +  m2 )t), entonces: v s = v f1 - v f2’ = k·V p1 ·V o ·cos(  m1 t) La opción de suma es para LSB No aparece la componente de frecuencia  p1 -  p2 -  m2, que es la señal interferente Demodulación de SSB con mezclador con rechazo de banda imagen (estructura I/Q), (II)

29 ATE-UO EC dem AM 28 Dificultad tecnológica: realizar el desfasador de banda base Señal USB/LSB  /2 -/+ v f2 v f2 ’ vsvs Señal USB/LSB v f1 v o  /2 -/+ v f2 v f2 ’ vsvs 11 22 Se construyen dos cadenas de desfasadores  1 y  2, con circuitos con amplificadores operacionales, tal que:  2 -  1 =  /2 en toda la banda base Demodulación de SSB con mezclador con rechazo de banda imagen (estructura I/Q), (III)

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

31 ATE-UO EC dem AM 30 Tipos de modulaciones digitales de amplitud (I) Modulación digital de amplitud, (Amplitude Shift Keying, ASK). También On-off Keying, OOK y Continuous wave, CW Modulación Demodulación Moduladora 000110 Portadora sin modular Portadora modulada en ASK

32 ATE-UO EC dem AM 31 Tipos de modulaciones digitales de amplitud (II) Modulación digital de amplitud en cuadratura, (Quadrature Amplitude, Modulation, QAM) Modulación Demodulación 000011 I 000011 Q Portadoras sin modular Portadora modulada en QAM Moduladoras 110000110000

33 Demodulación de ASK ATE-UO EC dem AM 32 Con detector de pico Con detector coherente + - v dp R + C D v pASK Mezclador v o (  p t)  = 0º v f v mez PLL v pASK v o (  p t) v pASK v mez vfvf

34 Demodulación de radiotelegrafía al oído ATE-UO EC dem AM 33 Con detector coherente o detector de batido  O  p pero  O  p Mezclador v f v mez v pASK v o (  O t) v o (  o t) v pASK v mez vfvf

35 Demodulación de QAM con detector coherente I/Q ATE-UO EC dem AM 34 v f1 v pQAM  /2 v f2 v mez1 v o (  p t) Recuperada de la portadora v mez2 v pQAM v o (  p t) v o (  p t-  /2) v mez1 v mez2 I 000011 v f1 000011 Q v f2