TRABAJO PRÁCTICO Nº 9 RECEPCIÓN DE FM

Objeto

El objeto del presente trabajo práctico es:
♦Analizar las características del receptor de FM y comprender los principios de la demodulación.
♦Analizar las mejoras que se pueden introducir al proceso de la demodulación para recuperar la señal del mensaje con la más baja distorsión armónica.
♦Investigar una solución técnica de un sistema receptor de FM comercial.
♦A partir de la simulación con software aplicado analizar el proceso de demodulación de un detector de cuadratura
♦Extraer conclusiones analizando las aplicaciones de sistemas de demodulación angular.

Software aplicado:

♦ Multisim (versión 7).

♦Mathcad

Desarrollo práctico
1. Investigar y analizar una solución comercial de un sistema receptor de FM SUPERHETERODINO Estéreo, de doble conversión que trabaja en la banda Broadcasting.
Buscar algún circuito del receptor realizando el siguiente análisis técnico:

a) Dibuje el diagrama en bloques del receptor suponiendo que se utiliza un detector de cuadratura.

b) Dibujar el circuito esquemático marcando cada uno de los bloques.

c) Características funcionales más importantes de cada bloque que forma el sistema.

2. Se sintoniza una emisora cuya frecuencia de portadora está en 104,2 MHz.
Determinar la frecuencia de trabajo del oscilador local suponiendo que la primera conversión se efectúa a 10,.7MHz

3. Si la segunda conversión se efectúa a una frecuencia de 455 KHz ¿Cuál será la frecuencia de trabajo del oscilador local? ¿Cuáles serían las posibles frecuencias imágenes?

4. Si el receptor tuviese una etapa de audio estéreo, partiendo de la señal de transmisión explique cómo podría obtener la información del canal derecho y la del canal izquierdo. Dibuje el decodificador de FM estéreo.

5. A continuación analizaremos el circuito detector de cuadratura:

En primer lugar analizaremos la respuesta en frecuencia del detector de fase del detector de cuadratura, por lo tanto dibujaremos el circuito de la figura 2, y utilizando el instrumento Bode Plotter realizaremos una representación de la respuesta en frecuencia de la ganancia y la fase.

figura 2:

6. Utilizando el multisim dibuje el circuito de la fig. 3 demodulador FM

a). Introduzca una señal modulada en FM con las siguientes características amplitud de la portadora 250 mV, frecuencia 455 KHz, índice de modulación mf=1, frecuencia modulante 5KHz.

b). Exprese matemáticamente la señal modulada y utilizando Mathcad grafique el espectro en frecuencia de las bandas laterales significativas.

7. Realice la representación en el dominio del tiempo de la señal de entrada y de salida del filtro pasa bajo de salida.

a) Graficar utilizando el programa Grapher la señal del osciloscopio de entrada del filtro pasa bajo. Completar los factores de escalas del osciloscopio utilizadas en la medición.

b) Graficar utilizando el programa Grapher la señal del osciloscopio de salida del filtro pasa bajo. Completar los factores de escalas del osciloscopio utilizadas en la medición.

8. En este punto analizaremos los resultados del proceso de la demodulación.

a) Mediante la utilización de software aplicado realizaremos el análisis de Fourier de la señal de salida, para comprobar el contenido armónico de la distorsión en la señal demodulada. Para ello elegiremos en la barra de herramientas del Mutisim el menú Simulate analyses, Fourier Análisis.

b) Calcular el valor de distorsión armónica THD.

9. Escriba la expresión matemática de la señal en la carga y realice una descripción del funcionamiento del circuito, justificando matemáticamente el proceso de la demodulación.

El demodulador extrae la señal de información original, de la forma de onda de IF compuesta, multiplicando a dos señales en cuadratura (90° fuera de fase). Un detector de cuadratura utiliza un desplazador de fase de 90° y un detector de porducto para demodular las señales de FM.
Ci es un capacitor de alta reactancia que, cuando se coloca en serie con un circuito tanque (R0, L0 y C0), produce un desplazamiento en fase de 90° con la frecuencia central de IF. El circuito tanque se sintoniza a la frecuencia central de IF y produce un desplazamiento de fase adicional (q) que es proporcional a la desviación de frecuencia. La señal de entrada de IF (vi) se multiplica por la señal en cuadratura (v0), en el detector de producto, y produce una señal de salida que es proporcional a la desviación de frecuencia. A la frecuencia resonante, la impedancia del circuito tanque es resistiva. Sin embargo, las variaciones en la frecuencia en la señal de IF producen un desplazamiento adicional de fase positiva o negativa. Por lo tanto, el voltaje de salida del detector de producto es proporcional a la diferencia de fase entre las dos señales de entrada.
Su expresión matemática es:

Sustituyendo en la identidad trigonométrica para el producto de una onda seno y coseno de igual frecuencia nos da:

Se filtra la segunda armónica, dejando:

10. Redacte las conclusiones finales del TP haciendo una síntesis sobre los resultados obtenidos en el mismo.

En este trabajo practico lo que hicimos fue analizar las caracteristicas de varios receptores de FM y vimos como es demodulación y sus diversas variaciones de tal, respecto de cada demodulador y configuración. Por ejemplo, al comienzo observamos algunas ventajas/desventajas y vimoes el circuito de un circuito superheterodino con el TDA7000.

Tambien observamos como recuperar la señal del mensaje con la mas baja distorción armónica. Por otra parte, a partir de la simulación con el Multisim analizamos el proceso de demodulación en un circuito detector de cuadratura. Luego aprendimos los circuitos PLL y sus aplicaciones.

TRABAJO PRÁCTICO Nº 8 TRANSMISIÓN DE FM

Objeto

El objeto del presente trabajo práctico es :
♦Comprender los principios de la modulación angular y analizar las frecuencias instantáneas de la modulación de fase "PM" y de la modulación de frecuencia "FM".
♦Analizar los diferentes casos de modulación de frecuencia, banda angosta NBFM, y banda ancha WBFM y determinar el rango de variación de la portadora modulada.
♦Determinar la representración espectral de la modulación utilizando software aplicado y medir el ancho de anda.

♦A partir de los valores obtenidos de potencia determine el valor del rendimiento o eficiencia de modulación del sistema.
♦Realizar la construcción de un circuito modulador, basado en un circuito oscilador con diodo de capacidad variable (Varicap o varactor).
♦Utilizando analizador de espectros adquirir y medir el espectro de las bandas laterales significativas a la salida del modulador y determinar la potencia transmitida, y el ancho de banda del canal ocupado variando las señales de audio.
♦Extraer conclusiones analizando los resultados de las simulaciones y aplicaciones prácticas de sistemas de modulación angular.

Instrumentos a utilizar:

El alumno deberá especificar todas las características técnicas del instrumental utilizado en el desarrollo del presente trabajo práctico, completando la siguiente tabla que se ejemplifica a continuación:

Software aplicado:

• Multisim (versión 7).
• Mathcad

Desarrollo práctico

1. La ecuación siguiente representa una señal modulada en ángulo:
Encontrar:
a) La potencia de la señal modulada.

b) La máxima desviación en frecuencia ▲f

c) La máxima desviación en fase

d) El ancho de banda

e) El diagrama en bloques del modulador utilizado.

2. Una portadora de alta frecuencia es modulada por una señal modulante :

vm (t)=Vm cos (wm.t)

Suponiendo que se modula en banda ancha expresar:
a) El ancho de banda ocupado por la señal en función kf, vm y fm, aprovechando la relación entre la desviación en frecuencia y wm.

b) Si la misma portadora ahora es modulada en fase por la misma señal modulante, expresar el ancho de banda ocupado en función de kp, vm y fm.

c) Sobre la base de los resultados de a y b, ¿cuál de los dos sistemas presenta una mayor variación de BW ocupado si se duplica la frecuencia de la señal modulante?

3. Se modula en frecuencia una portadora de 10 MHz y 20 dBm, con las señales modulantes que se describen a continuación:
Si la constante de modulación del modulador es kf=2KHz/V
Calcular para cada caso, utilizando software aplicado:

1) La expresión general de vFM(t).

2) El espectro en frecuencia para las bandas laterales significativas.
3) El ancho de banda de la señal de FM.

4) La potencia de la señal de FM transmitida, suponiendo Rnor= 50 ohm.

4. A continuación ensayaremos un circuito modulador, basado en un circuito oscilador con diodo de capacidad variable (Varicap o varactor).
En el oscilador LC de dos terminales, la realimentación se obtiene externamente del circuito sintonizado. Los mismos presentan una resistencia negativa, tal que, en condiciones de equilibrio, anulan el efecto de la resistencia real del tanque resonante.
En esta práctica utilizaremos un circuito oscilador LC del tipo Hartley que mediante un diodo de capacidad variable convertiremos a este circuito en un modulador de FM por método directo en banda de broadcasting.

a) Armar el circuito de acuerdo a la distribución de componentes que se representa en la siguiente placa impresa en escala 1 a 1, (en la hoja adjunta está el PCB para realizar la transferencia sobre la placa de cobre).
Circuito a utilizar:

b) Conectar la fuente de alimentación de 9 V, y verificar la polarización del circuito.
Anotar los valores de polarización y trazar la recta de carga estática del transistor.
Listado de componentes:

C1 = 100 nf

R1 = 1 K

U1 = TL 081

C2 = 1 f x 50 V

R2 = 1,8 K

D1 = BB 106

C3 = 4,7 nf

R3 = 10 K

Q1 = 2 N 2222

C4 = 10 nf

R4 = 2,7 K

Micrófono Electret

C5 = 68 pf

R5 = 1,5 M

J3 = Conector batería

C6 = 10 f x 16 V

R6 = 82 K

J2 = Antena

C7 = 8,2 pf

R7 = 47 K

C8 = 18 pf

R8 = 22 K

C9 = Trimer verde

R9 = 100 

C10 = 33 pf

C11 = 1 nf

5. Graficar el espectro de la portadora sin modulación obtenido a la salida del transmisor con el analizador de espectros. Efectuar y adquirir la medición de la señal con el instrumento digital. Completar las escalas utilizadas en la medición.
Determinar el rango de variación del oscilador, ajustando el Trimer C9.

Frec.de expansion:1000KHz/div

Resolucion de BW:3KHz/div

Nivel de ref.:0dBm


6. Introducir al modulador de FM una señal modulante vimod (t) con un generador de funciones, senoidal de amplitud 200 mVpp y frecuencia 3000 Hz.
Efectuar y adquirir la medición de la señal con el osciloscopio digital. Completar los factores de escalas del osciloscopio utilizadas en la medición

FEV:50mV/div
FEH:100uSeg/div

7. Graficar el espectro con modulación obtenido a la salida del modulador con el analizador de espectros. Efectuar y adquirir la medición de la señal con el instrumento digital. Completar las escalas utilizadas en la medición.
Medir el ancho de banda del canal modulado sin distorsión.

frec. de expansion:20KHz/div

resolucion de BW:3 KHz

Nivel de ref:0 dBm

BW:50KHz

8. Repetir 6 y 7 pero introduciendo al modulador de FM una señal modulante vimod (t) con un generador de funciones, senoidal de amplitud 200 mVpp y frecuencia 15000 Hz.
Efectuar y adquirir la medición de la señal con el osciloscopio digital. Completar los factores de escalas del osciloscopio utilizadas en la medición.

FEV:50mV/div
FEH:25uSeg/div

BW:80KHz

Graficar el espectro con modulación obtenido a la salida del modulador con el analizador de espectros. Efectuar y adquirir la medición de la señal con el instrumento digital. Completar las escalas utilizadas en la medición.

Frec de expansion:20KHz/div
Resolucion de BW:3KHz
Nivel de ref:0dBm


9. Reemplazar el GAF por el micrófono y verificar la modulación de voz sin distorsión sobre un receptor de FM comercial. Como recomendación trate de sintonizar el receptor a una frecuencia en la cual no se esté trasmitiendo un programa, y calibrar el transmisor ajustando el trimer a esa frecuencia portadora. Analizar los resultados obtenidos a la entrada y a la salida del sistema cuando es transmitida una señal en banda vocal modulada en frecuencia.

10. Redacte las conclusiones finales del TP haciendo una síntesis sobre los resultados obtenidos en el mismo. Y realice los siguientes análisis que se detallan a continuación:

a) Realice una simulación asistida por PC de la etapa de audio y grafique la respuesta en frecuencia.

b) Realice el análisis del circuito en continua y verifique los valores obtenidos en forma práctica.

c) De acuerdo a las mediciones de frecuencia de oscilación determine el valor del inductor del circuito resonante.

d) Realice una simulación de la respuesta en frecuencia asistida por PC de la red reglamentación del circuito del circuito oscilador y grafique el diagrama de Bode de módulo y fase en escala logarítmica.

e) ¿Cuánto vale la ganancia de tensión a la frecuencia de oscilación?

f) ¿Cuál es el desfasaje introducido por la red de realimentación a la frecuencia de oscilación?

g) ¿Qué sucede en el espectro cuando varía la frecuencia del generador de modulante?

TP 7 "APLICACIONES EN LOS SISTEMAS AMPLITUD MODULADA CON PORTADORA SUPRIMIDA(AMSC, SSB, QAM,FDMA)"

Objeto

El objeto del presente trabajo práctico es:
-Analizar los métodos que permiten obtener una banda lateral única SSB partiendo de una señal modulada en doble banda.
-A partir de los valores obtenidos de potencia determine el valor del rendimiento o eficiencia de modulación del sistema.
-Aplicando métodos de detección sincrónica recuperar el mensaje transmitido.
-Analizar las técnicas de transmisión de modulación de AM en cuadratura QAM.
-Estudiar los procesos de modulación y demodulación en los enlaces que utilizan acceso por acceso multicanalización de división de frecuencia FDMA.
-Extraer conclusiones analizando las aplicaciones de sistemas de portadora suprimida

Software aplicado:
Multisim (versión 7).
Mathcad

Desarrollo práctico

1. En un Transmisor de SSB (Banda Lateral Única) que utiliza el método de desviación de
frecuencia para obtener una LSB (Banda Lateral Inferior) posee un filtro el cual tiene una
frecuencia de corte superior de 522,2 KHz.
Si la mínima frecuencia de audio de la banda base es de 800 Hz y la BW de información
es 3 KHz:
a) Realice un diagrama espectral y determine ¿a qué frecuencia opera el
generador de portadora?

b) ¿Cuál es la frecuencia de corte inferior del filtro?

c) ¿Cuál es la máxima frecuencia de audio transmitida?

d) Dibuje un esquema en bloques del Transmisor.

e) Si ahora se efectúa una segunda conversión con 16 MHz, calcular la frecuencia
de corte inferior y superior de la BLS.

f) Con los valores de los generadores de portadora de la primera y segunda
conversión, realice un diagrama espectral para obtener la USB (Banda Lateral Superior).

g) ¿Cuántos KHz esta desplazada la USB (Banda Lateral Superior) del punto f de
la LSB (Banda Lateral Inferior) en la banda de transmisión?

2. Una señal cosenoidal de 2V y de F=2 KHz, se transmite utilizando un modulador por
desviación de fase con una portadora suprimida de 0,8 MHz. y una amplitud de 5V,
suponiendo K del modulador KM = 0,5 [1/V].
Averiguar:
a) El esquema del modulador utilizado.

b) La tensión vBLU(t).

c) El espectro en frecuencia de la señal de salida.

d) Suponiendo que la impedancia de carga es de 50 ohm, averiguar la potencia
en W y dBm.

3. Se quiere transmitir una señal de audio de 10 dBm con frecuencia de 5000 Hz. por el
sistema de Weaver para lo cual se tiene un TX que posee un sistema de doble
conversión teniendo como frecuencias intermedias 250 KHz. y 7500 KHz con amplitud
unitaria y los moduladores tienen K=2/v. Respectivamente.
a) Dibujar el esquema del TX.

b) Utilizando Mathcad representar el espectro en frecuencia para el caso en
que se transmita por la USB (BLS) a la salida de cada bloque que interviene en el
proceso de la obtención de la banda lateral única.

espectro 2=3

espectro 4=5

espectro 6=7

espectro 8

c) Calcular la potencia de salida, sobre una carga normalizada.

4. Es posible transmitir simultáneamente dos señales diferentes en la misma portadora.
Las dos señales modulan portadoras de la misma frecuencia pero con fase en
cuadratura tal como se muestra en la fig.1

Demuestre que se pueden recobrar las señales mediante detección sincrónica de la señal
recibida con portadoras de la misma frecuencia pero con fase en cuadratura.
a) Utilizando software aplicado dibujar el Modem QAM Utilizando los subcircuitos MA_2800
y SSD3801, los cuales son moduladores DSB basados en multiplicadores analógicos de
cuatro cuadrantes como núcleo de procesamiento (llamada celda de Gilbert) tal como se
representa en la figura 2.

En el subcircuito MA_2800 las entradas del circuito son:
OSCPOS: Entrada positiva de la señal proveniente del oscilador de portadora.
OSCNEG: Entrada negativa de la señal proveniente del oscilador portadora.
VMPOS: Entrada positiva de la señal modulante.
VMNEG: Entrada negativa de la señal de modulante.
Los otros cuatro terminales son:
VCC: Alimentación positiva
VEE: Alimentación negativa.
GND: Tierra
OUT: Salida

Por otra parte los detectores sincrónicos SSD3801 las entradas del circuito son:
IN: Entrada de la señal QAM proveniente del circuito sumador lineal.
Vpos: Alimentación positiva
Vneg: Alimentación negativa.
OUT: Salida

5. a) Introducir al modulador del canal “I” (pata OSCPOS y OSCNEG) una señal con un
generador senoidal, de amplitud 50 mVp y frecuencia 100KHz. De la misma forma colocar a
la entrada del modulador del canal”Q” la misma señal pero con la fase en cuadratura es
decir 50 mVp, frecuencia 100KHz, fase 90°.
Graficar ambas señales utilizando el programa Grapher las dos señales del osciloscopio.
Completar los factores de escalas del osciloscopio utilizadas en la medición.

FEV1:20 mV/DIV

FEV2: 500m V/DIV

FEH: 20 µs/DIV

6. a) Introducir al modulador del canal “I” (pata VMPOS y VMNEG) una señal con un
generador senoidal, de amplitud 200 mVp y frecuencia 3400 Hz, y otra señal a la entrada del
modulador del canal ”Q” de 200 mVp y frecuencia 300 Hz.
Observar con el osciloscopio la señal obtenida a la salida de cada modulador de canal y
verificar el ajuste del control de anulación de portadora hasta lograr el máximo de simetría
en todos los picos máximos de la señal modulada. Graficar la señal modulada en doble
banda lateral utilizando el programa Grapher.
Completar los factores de escalas del osciloscopio utilizadas en la medición.

FEV1:20mV/DIV

FEV2:20mV/DIV

FEH:1ms/DIV

b) Medir la señal resultante de la modulación de la suma de componentes en cuadratura
VQAM. Graficar esta señal modulada utilizando el programa Grapher.
Completar los factores de escalas del osciloscopio utilizadas en la medición.

FEV1: 200m V/DIV

FEH: 500 µs/DIV

c) Expresar matemáticamente utilizando Mathcad cada una de las señales obtenidas a la
salida de cada modulador de canal, y la señal suma de componentes en cuadratura VQAM.

7. En esta parte del presente T.P. analizaremos los procesos de la demodulación
de QAM, para ello utilizaremos los subcircuitos SSD3801 X3 para el canal I y el
X4 para el canal Q.
Estos circuitos son detectores sincrónicos, los cuales al utilizar una señal de
sincronismo con la misma frecuencia y fase de la portadora original separan las
componentes I y Q demodulando de esta manera la señal QAM.
a) Conectar a la entrada de sincronismo del subcircuito X3 una señal senoidal de
de amplitud 50 mVp y frecuencia 100KHz. Repetir a la entrada de sincronismo
del subcircuito X4 la misma señal pero con la fase en cuadratura es decir 50
mVp, frecuencia 100KHz, fase 90°.
b) Graficar la señal de salida de cada uno de los circuitos SSD3801 utilizando el
programa Grapher. Completar los factores de escalas del osciloscopio
utilizadas en la medición.

FEV1: 500m V/DIV

FEV2:200mV/DIV

FEH: 1ms/DIV

c) Justificar matemáticamente lo realizado en forma practica en el proceso de la
detección sincrónica y utilizando Mathcad realice la representación espectral
con escala en dBm de estas señales.

8. A continuación se aplica las señales de componentes separadas a las etapas U1
y U2 que son filtros activos de segundo orden con una estructura denominada
“Múltiple Realimentación o MFB”.Para comprender el funcionamiento del sistema
desarrollaremos el siguiente procedimiento práctico:
a) Con el uso del software aplicado dibuje los circuitos en el Multisim y simule el
funcionamiento de los filtros MFB pasa bandas de salida realizando una
representación de la respuesta en frecuencia de la ganancia y la fase utilizando
el instrumento el Bode Plotter.

b) Realice la representación en el dominio del tiempo de las señales de salida

Voi(t) y Voq(t) utilizando el programa Grapher. Completar los factores de escalas
del osciloscopio utilizadas en la medición.

FEV1:2 V/DIV

FEV2: 2 V/DIV

FEH: 2ms/DIV

Mediante la utilización de software aplicado realizaremos el análisis de Fourier de
las señales de las salidas, para comprobar el contenido armónico de la distorsión en
la señal demodulada.
Elegiremos en la barra de herramientas del Mutisim el menú Simulate analyses,
Fourier Analysis

c) Utilizando el programa Grapher grafique el espectro en el nodo de salida de
cada una de estas señales (tome como componentes de análisis hasta la vigésima armónica). Con el valor de cada una de las componentes resultantes del espectro de salida realice el cálculo de la distorsión armónica total.

9. Implementar un sistema de transmisión utilizando técnicas de portadora
suprimida que permita transmitir un GRUPO primario de la jerarquía del FDMA
(considere que todos los canales son telefónicos con un BW = 4 KHz).
a) Dibujar el diagrama en bloques del sistema propuesto (Multiplexor y
demultiplexor).

b) Calcular el BW total de transmisión y realizar esquema espectral del sistema.

10.Redacte las conclusiones finales del TP haciendo una síntesis sobre los
resultados obtenidos en el mismo.