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DEMODULACION ANGULAR Introducción Los receptores que se utilizan para las señales de modulación angular son muy similares a los que se usan para la recepción de AM o SSB convencional, excepto por el método utilizado para extraer la información de audio de la onda de FI compuesta. En los receptores de FM la tensión a la salida del detector de audio es directamente proporcional a la desviación de frecuencia en su entrada. Con los receptores de PM, la tensión a la salida del detector de audio es directamente proporcional a la desviación de fase en su entrada. Debido a que la modulación de frecuencia y de fase ocurre con cualquiera de los sistemas de modulación angular, las señales de FM pueden demodularse por los receptores de PM y viceversa. Por lo tanto, los circuitos usados para demodular las señales de FM y de PM se describen en forma genérica como “Receptores de FM”. En los sistemas de AM convencional, la señal modulante se imprime en la portadora en la forma de variaciones de amplitud. Sin embargo, el ruido introducido en el sistema también produce cambios en la amplitud de la envolvente. Por lo tanto, el ruido no puede eliminarse de la forma de onda compuesta sin también eliminar una parte de la señal de información. Con la modulación angular, la información se imprime en la portadora en la forma de variaciones de frecuencia o fase. Por lo tanto, con los receptores de modulación angular, las variaciones de amplitud causadas por el ruido pueden eliminarse de la forma de onda compuesta simplemente limitando (recortando los picos del envolvente ente antes de la detección). Con la modulación angular se logra una mejora en la relación señal-a-ruido durante el proceso de demodulación. Por lo tanto, el funcionamiento del sistema, en presencia de ruido, se puede mejorar al limitarlo. Esencialmente, esta es la ventaja principal de la modulación angular sobre la AM convencional. Los propósitos de este apunte son introducir al estudiante en las configuraciones y circuitos básicos de receptor utilizados para la recepción y demodulación de señales de FM y de PM, así como a la descripción del funcionamiento y describir como difieren de la AM convencional o de los receptores de banda lateral única. Además, se describen varios sistemas de comunicaciones de FM, incluyendo la FM de dos sentidos (TWO WAY RADIOS). RECEPTORES DE FM La figura 1 muestra un diagrama de bloques simplificado para un receptor de FM superheterodino de doble conversión. Es muy similar a un receptor de AM convencional. Las etapas de RF mezclador y de FI son casi idénticas a las que se usan en los receptores de AM, aunque los receptores de FM generalmente tienen más amplificación de FI. Sin embargo, la etapa del detector de audio es bastante diferente a las utilizadas en los receptores de AM. El detector (le envolvente (pico) utilizado en los receptores de AM convencionales se reemplaza por un limitador, discriminador de frecuencia y red de deénfasis. El circuito del limitador y red de deénfasis contribuyen a la mejora en la relación de S/N. Para los receptores de banda de radiodifusión de FM, el primer valor de FI es relativamente alto (generalmente 10,7 MHz), el segundo valor de FI es una frecuencia relativamente baja (nominalmente 455 kHz). Demoduladores de FM Los demoduladores de FM son circuitos dependientes de la frecuencia que producen una tensión de salida directamente proporcional a la frecuencia instantánea en su entrada (V salida = K f, en donde K está en volt por hertz y es la función de transferencia para el demodulador y f es la diferencia, entre la frecuencia de entrada y la frecuencia central del demodulador). Se usan varios circuitos para demodular las señales de FM. Los más comunes son el detector de pendiente, discriminador de Foster-Seeley, detector de relación, demodulador de PLL detector en cuadratura. El detector de pendiente, discriminador de Foster-Seeley y el detector de relación son todos formas de discriminadores de frecuencia de circuito sintonizado. Los discriminadores de frecuencia de circuito sintonizado convierten de FM a AM y después demodulan la envolvente de AM con detectores de picos convencionales.

Detector de pendiente. La figura 2a muestra el diagrama esquemático para un detector de pendiente unilateral, que es la forma más sencilla de discriminador de frecuencia de circuito sintonizado. Su circuito

es básico para todos los discriminadores de frecuencia de circuito sintonizado. El circuito sintonizado La y Ca produce una tensión de salida que es proporcional a la frecuencia de entrada. La tensión máxima de salida se dará para la frecuencia resonante del circuito tanque (f 0) y

disminuirá a medida que la frecuencia de entrada de desplaza por encima o por debajo de f 0. El circuito está diseñado para que la frecuencia central de FI caiga en la zona más lineal de la curva de tensión de salida versus frecuencia de entrada. Cuando la frecuencia intermedia se desvía por encima de f C, la tensión de salida aumenta, y cuando la frecuencia de FI se desvía por debajo de fC, la tensión de salida disminuye. Por lo tanto, el circuito sintonizado convierte las variaciones de frecuencia en variaciones de amplitud de tensión (conversión de FM a AM). Di, Ci y Ri componen el detector de pico que convierte las variaciones de amplitud a una tensión de salida que varía en una proporción igual a los cambios de frecuencia de entrada. Detector de pendiente balanceado. La figura 3 muestra el diagrama esquemático para de un detector de pendiente balanceado, conformado por dos detectores de pendiente unilaterales conectados en paralelo y alimentados 180º fuera de fase. La inversión de fase se consigue al conectar el centro del bobinado secundario del transformador T1 a masa, como referencia común de los circuitos sintonizados La, Ca y Lb, Cb. Estos realizan la conversión de FM a AM y los detectores de pico D 1, C1, R1 y D2, C2, R2, recuperan la información de la envolvente.

El circuito sintonizado superior La-Ca se sintoniza a una frecuencia fa que está por encima de la frecuencia central de FI (aprox 1,33*f o sea 1,33 x 75 KHz= 100 KHz). El circuito sintonizado inferior Lb-Cb se sintoniza a fb que está por debajo de la frecuencia central de FI en una cantidad igual. De esta manera, la frecuencia central de FI cae a la mitad de las frecuencias de los dos circuitos sintonizados, por lo tanto a la frecuencia central de FI, la tensión de salida de los dos circuitos sintonizados son iguales en amplitud, pero opuestas en polaridad. Consecuentemente, la tensión de salida rectificada a través de R1 y R2, cuando se suman, producen una tensión de salida diferencial de 0 Volt. Cuando la FI se desvía por encima de la resonancia, el circuito sintonizado superior produce una tensión de salida más alta que el circuito tanque inferior y la V salida se hace positiva. Cuando la FI se desvía por debajo de la resonancia, la tensión de salida del circuito tanque inferior es más grande que la que entrega el circuito tanque superior, y V salida se hace negativa. La curva de respuesta en frecuencia es la

mostrada en figura 3 (b). Aunque el detector de pendiente es el más sencillo, tiene varias desventajas: es alineal, dificultoso para sintonizar y sensible a las variaciones de amplitud. El detector de pendiente balanceado se alinea, en forma práctica, inyectándole una frecuencia igual a FI y sintonizando los capacitares variables hasta obtener 0 volt a la salida. Discriminador de Foster-Seeley. Su diagrama esquemático puede verse en la figura 4 (a) y su respuesta en frecuencia en la figura 4 (b).

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La relación tensión de salida versus frecuencia es mucho más lineal que la del detector de pendiente y debido a que hay un solo circuito tanque, resulta mucho más fácil de sintonizar. Como detector de pendiente, este discriminador también responde a las variaciones de amplitud por lo que

deberá precederse de un circuito limitador para evitar distorsiones indeseadas. Detector de relación. El detector de relación tiene una ventaja principal, sobre el detector de pendiente y el discriminador de Foster-Seeley, para la demodulación de FM; un detector de relación es relativamente inmune a las variaciones de amplitud en su señal de entrada. La figura 5 (a) muestra el diagrama esquemático para un detector de relación. Como el discriminador de Foster-Seeley, el detector de relación tiene un circuito sintonizado sencillo en el secundario del transformador. Por lo tanto, la operación de un detector de relación es muy similar al discriminador de Foster-Seeley. La figura 5(b) muestra la curva de respuesta de la frecuencia de salida para el detector de relación. Puede observarse que en resonancia, V salida no es igual a 0 V, más bien, es la mitad de la tensión a través de los bobinados secundarios de T1. Debido a que el detector de relación es relativamente inmune a las variaciones de amplitud, se selecciona frecuentemente sobre el discriminador. Sin embargo, un discriminador produce una curva de respuesta de tensión versus frecuencia más lineal. Demodulador de FM de circuito de fase cerrada. Desde el desarrollo de los circuitos integrados lineales, la demodulación de FM puede conseguirse muy fácilmente con un circuito de fase cerrada (PLL). RADIODIFUSIÓN DE FM EN ESTÉREO

Hasta 1961, todas las transmisiones de banda de radiodifusión de FM comercial eran monoaurales. Es decir, un solo canal de audio de 50 Hz a 15 kHz componía todo el espectro de frecuencias de información de voz y música. Este solo canal de audio modulaba una portadora de alta frecuencia y se transmitía a través de un canal de comunicación de FM, con un ancho de banda de 200 kHz. Con la transmisión mono, cada parlante en el receptor reproduce exactamente la misma información. Es posible separar las frecuencias de información con parlantes especiales, tales como woofers para las frecuencias bajas y tweeters para las frecuencias altas. Sin embargo, es imposible separar en forma espacial el sonido monoaural. Toda la señal de información suena como si viniera de la misma dirección (es decir, de una fuente puntual). En 1961, la FCC (en USA) autorizó la transmisión estereofónica para la banda de radiodifusión de FM comercial. Con la transmisión estereofónica, la señal de información se divide en forma espacial, en dos canales de audio de 50 Hz a 15 KHz (uno izquierdo y otro derecho). La música que se origina en el lado izquierdo se reproduce sólo en el parlante izquierdo y la música que se origina en el lado derecho se reproduce sólo en el parlante derecho. Por lo tanto, con la transmisión estereofónica, es posible reproducir música con una directividad única y dimensión en forma espacial, que antes era posible en vivo (es decir, de una fuente extendida). Además, con la transmisión estéreo, es posible separar música o sonido por calidad tonal, tales como percusión, cuerdas, trompetas, etcétera. Una preocupación principal de la FCC, antes de autorizar la transmisión estereofónica, era su compatibilidad con los receptores monoaurales. La transmisión estéreo no podía afectar la recepción mono. Además, los receptores monoaurales deben poder recibir la transmisión estéreo como monoaural sin ninguna degradación perceptible en la calidad del programa. Además, los receptores estereofónicos tenían que recibir la programación en estéreo con una separación casi perfecta (40 dB o más) entre los canales izquierdo y derecho. El espectro de audio de FM original se muestra en la figura 21a. El canal de audio se extiende de 50 Hz a 15 kHz.

En 1955, la FCC autorizó la transmisión de subportadora bajo la denominación SCA (Autorización de Comunicaciones Subsidiarias). SCA se utilizó para emitir música ininterrumpida a suscriptores privados, como las grandes tiendas, restaurantes, oficinas y centros médicos equipados con receptores SCA especiales. Esta es la música a la que a veces nos referimos como "música funcional". Originalmente, la subportadora de la SCA tenía un rango de 25 a 75 kHz, pero desde entonces fue estandarizada en 67 kHz. La subportadora y sus bandas laterales asociadas se convierten en parte de la señal total que modula a la portadora principal. En el receptor, la subportadora se demodula junto con el canal principal, pero no se puede escuchar debido a su alta frecuencia. El proceso de colocar dos o más canales independientes uno al lado del otro en el dominio de frecuencia (amontonando los canales) y después modulando una única portadora de alta frecuencia, con la señal combinada, se llama multicanalización por división de Página 5 de 10

frecuencia (FDM). Con la radiodifusión estereofónica de FM, tres canales de voz o música son multicanalizados en división de frecuencia a la portadora de FM. La figura 21b muestra el espectro total de la frecuencia de la banda base para la radiodifusión de FM antes de 1961 (la banda base compuesta abarca todo el espectro de la señal modulante). El canal de audio principal permaneció en 50 Hz a 15 Hz, mientras que un canal SCA adicional se traslada en frecuencia a la banda de 60 kHz a 74 kHz. La subportadora SCA puede ser una transmisión de banda lateral única o doble AM o FM con una máxima frecuencia de la señal modulante de 7 kHz. Sin embargo, la modulación SCA de la portadora principal es una de FM de banda angosta, de índice bajo y, consecuentemente, es una transmisión de calidad mucho más baja que el canal de FM principal. El total de la desviación de frecuencia permaneció en 75 kHz con 90% (67,5 kHz), reservado para el canal principal y 10% (7,5 kHz), reservado para SCA. La figura 21c muestra el espectro de frecuencia de la banda base de FM como quedó desde 1961. Abarca el canal estéreo de 50 Hz a 15 kHz, más una división de frecuencia con canal estéreo adicional multicanalizado en una señal de banda base compuesta, con un piloto de 19 KHz. Los tres canales son: (1) los canales de audio izquierdo (I) más el derecho (D) (el canal estéreo I + D), (2) los canales de audio izquierdo más el derecho invertidos (el canal estéreo I - D) y (3) la subportadora SCA y sus bandas laterales asociadas. El canal estéreo I + D ocupa la banda de 0 a 15 KHz (esencialmente es la información no alterada de audio I y D combinada). La amplitud del canal de audio I - D modula una subportadora de 38 kHz y produce el canal estéreo I - D, el cual es una señal de doble banda lateral con portadora suprimida que ocupa la banda de 23 a 53 KHz, usada sólo en la transmisión estéreo de FM. Las transmisiones SCA ocupan el espectro de la frecuencia de 60 a 74 KHz. La información contenida en los canales estéreo I + D e I - D es idéntica, excepto por su fase. Con este esquema, los receptores mono pueden demodular el espectro total de la banda base, pero sólo el canal de audio de 50 a 15 KHz I + D que se amplifica y alimenta a todos los parlantes. Por lo tanto, cada parlante reproduce el espectro total de sonido original. Los receptores estereofónicos deben proporcionar una demodulación adicional del canal estéreo de 23 a 53 kHz, I - D, separar los canales de audio izquierdo y derecho y después ellos alimentarán a sus bocinas respectivas. Nuevamente, la subportadora SCA es demodulada por todos los receptores de FM, aunque sólo aquellos con equipo especial SCA demodulan más la subportadora a las frecuencias de audio. Con la transmisión estéreo, la máxima desviación de frecuencia aún es 75 KHz; 7,5 kHz (10%), se reserva para un piloto estéreo de 19 KHz. Esto deja 60 kHz de desviación de frecuencia para la transmisión estereofónica de los canales estéreo I + D e I - D. Sin embargo, los canales estéreo I + D e I - D no son necesariamente limitados a una desviación de frecuencia de 30 KHz cada uno. Una técnica sencilla, permite intercalar a los dos canales para que, a veces, el canal estéreo I + D o I - D pueda desviar su portadora principal 60 KHz por vez. Sin embargo, la desviación total nunca excederá los 60 KHz. Transmisión de FM estéreo La figura 22 muestra un diagrama de bloques simplificado para un transmisor de FM estéreo. Los canales de audio I y D se combinan en una matriz para producir los canales de audio I + D e I - D. El canal de audio I - D modula una subportadora de 38 KHz y produce un canal estéreo I - D de 23 a 53 KHz. Debido a que existe un retraso de tiempo introducido en la trayectoria de la serial I - D, conforme se propaga por el modulador balanceado, el canal estéreo I + D, debe estar algo retrasado artificialmente para mantener la integridad de la fase, con el canal estéreo I - D, para propósitos de demodulación. Además para propósitos de demodulación, se transmite un piloto de 19 KHz en vez de una subportadora de 38 KHz, ya que es considerablemente más difícil de recuperar la subportadora de 38 KHz, en el receptor. La señal de banda base compuesta alimenta el transmisor de FM, en donde modula a la portadora principal.

Recepción de FM estéreo Los receptores de FM estéreo son idénticos a los receptores de FM estándar, hasta la salida de la etapa del detector de audio. La salida del discriminador es el espectro total de la banda base que se muestra en la figura 21c. La figura 25 muestra un diagrama de bloques simplificado para un receptor de FM que tiene salidas de audio, mono y estéreo. En la sección mono del procesador de señales, el canal estéreo I + D, el cual contiene toda la información original, es simplemente filtrado, amplificado y después alimenta a los parlantes I y D. En la sección estéreo del procesador de la señal, la señal de banda base alimenta a un demodulador estéreo en donde los canales de audio I y D se separan y después alimentan a sus respectivos parlantes. Los canales estéreo I + D e I - D y el piloto de 19 KHz están separados de la señal de banda base compuesta con filtros. El piloto de 19 kHz se filtra con un filtro pasa-bandas de Q alta, se multiplica por 2, se amplifica y después alimenta al demodulador I - D. El canal estéreo de I + D se filtra por el filtro pasabajas con una frecuencia superior, con punto de corte de 15 KHz. La señal de doble banda lateral I - D se separa con un filtro pasa-bandas convenientemente sintonizado y después se mezcla con la portadora de 38 KHz recuperada en un modulador balanceado para producir información de audio de I - D. La red matricial combina las seriales I + D e I - D, de tal manera que separa las señales de información de audio I y D, las cuales alimentan a sus respectivas redes de deénfasis y parlantes. La figura 26 muestra el diagrama a bloques para un decodificador matricial estéreo. El canal de audio I - D se agrega directamente al canal de audio I + D. El resultado de la suma es I + D + (I - D) = 2I El canal de audio I – D se invierte y después se agrega al canal de audio I + D. El resultado de la suma es I + D - (I - D) = 2D

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COMUNICACIONES DE RADIO DE FM DE DOS VÍAS (two-way radios) La comunicación de radio de FM de dos vías se usa ampliamente para las comunicaciones móviles de seguridad pública, en los departamentos de policía y bomberos y servicios médicos de emergencia. Generalmente son los aparatos de mano conocidos como Handy Talkie o HT. Se han determinado tres bandas de frecuencia primarias por la CNC para las comunicaciones de radio de FM de dos vías: 132 a 174 MHz, 450 a 470 MHz y 806 a 947 MHz. La máxima desviación de frecuencia para los transmisores de FM de dos vías normalmente es de 5 KHz y la máxima frecuencia de señal modulante es 3 KHz. Estos valores dan una relación de desviación de 1,67 y un máximo ancho de banda de Bessel de aproximadamente 24 KHz. Sin embargo, el espacio del canal reservado por la CNC es de 30 KHz. La radio de FM de dos vías es de half-duplex, la cual aporta las comunicaciones de dos vías pero no simultáneamente; sólo un lado puede transmitir a la vez. Las transmisiones se inician cerrando un interruptor de oprima para hablar (PTT), el cual enciende el transmisor y apaga el receptor. Durante el tiempo ocioso, el transmisor está apagado y el receptor encendido, para permitir el monitoreo del canal de radio, para las transmisiones de otros transmisores de otras estaciones. Transmisor de radio de FM de dos vías El diagrama a bloques simplificado para un transmisor de radio de FM indirecto de dos vías, con circuito integrado modular se muestra en la figura 28. Se usa generalmente la FM indirecta debido a que los

transmisores de FM directos no tienen la estabilidad de frecuencia necesaria para cumplir los estándares de la CNC, sin usar circuitos de AFC. El transmisor mostrado es una unidad de cuatro canales que opera en la banda de frecuencia de 150 a 174 MHz.

El interruptor selector de canales aplica potencia a uno de cuatro módulos del oscilador de cristal que opera entre 12,5 y 14,5 MHz, dependiendo de la frecuencia de la portadora de transmisión final. La frecuencia del oscilador se compensa en temperatura por el módulo de compensación para asegurar una estabilidad de ±0,0002 %. El modulador de fase utiliza un diodo varactor que se modula por la señal de audio a la salida del limitador de audio. La portadora de FI modulada se amplifica y después se multiplica por 12 para producir la frecuencia de la portadora de RF deseada. La señal de RF se amplía más y se filtra antes de la transmisión. La función de oprima para hablar (PTT) de tipo electrónica se usa más que el interruptor mecánico simple, para reducir el ruido estático asociado con el rebote de contacto en los interruptores mecánicos. Al utilizarlo, el PTT aplicará CC al módulo del oscilador de transmisión seleccionado y a los amplificadores de potencia de RF. Receptor de radio de FM de dos vías El diagrama a bloques para un receptor de radio de FM de dos vías típico, se muestra en la figura 31. Es un receptor modular de circuito integrado, de cuatro canales, con cuatro módulos de oscilador de cristal separados. Siempre que el receptor está encendido, uno de los cuatro módulos del oscilador se activa, dependiendo de la posición del interruptor selector de canales. La frecuencia del oscilador se compensa en Página 9 de 10

temperatura y después se multiplica por 9. La salida del multiplicador se aplica al mezclador, en donde se heterodina con la señal de RF entrante, para producir una frecuencia intermedia de 20 MHz. El receptor utiliza inyección lateral baja y la frecuencia del oscilador de cristal se determina de la siguiente manera: frecuencia de cristal = (Frecuencia de RF - 20 MHz) / 9 La señal de FI se filtra, se amplifica, se limita y después se aplica al discriminador de frecuencia para demodulación. El nivel de tensión de salida del demodulador se amplifica y después se aplica al parlante.

CUESTIONARIO 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Describa las diferencias básicas entre los receptores AM y FM. Dibuje el diagrama básico del detector de pendiente sencillo y describa su operación. Dibuje el diagrama básico del detector de pendiente doble y describa su operación. Dibuje el diagrama básico del detector de un discriminador Foster-Seeley y describa su operación. Dibuje el diagrama básico del detector de relación y describa su operación. Describa la operación de un demodulador de PLL de FM. Dibuje el diagrama básico de un demodulador de FM en cuadratura y describa su operación. Compare las ventajas y desventajas de los circuitos demoduladores discutidos en las preguntas 2 a 7. 9. Describa la operación de un trasmisor estéreo de FM y un receptor estéreo de FM. 10. Dibuje el diagrama de bloques de un trasmisor de radio FM two-way y describa su operación. 11. Dibuje el diagrama de bloques de un receptor de radio FM two-way y describa su operación. 12. Explique brevemente como se produce una señal FM estéreo compuesta. 13. ¿Cual es el propósito del piloto de 19 KHz en radiodifusión FM estéreo.