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Facultad de Instrumentación Electrónica

Radio Frecuencia Presentado por: Jesús Alvarez Castillo

Xalapa, Ver. A Marzo de 2004

Contenido Introducción.  Tipos de Comunicación.  Terminología Básica.  Banda de Radio Frecuencia.  Transmisión Digital.  Nueva Aplicación.  Referencias. 

Introducción La intención de esta exposición es darles un conocimiento básico y la idea general de las aplicaciones que puede tener la Radio Frecuencia.

Algo que debemos considerar es, que hablar de Radio Frecuencia, significa hablar de comunicaciones electrónicas, por esta razón, antes de abordar el tema se explicará brevemente la terminología básica.

¿Qué es la Radio Frecuencia? A si se les llama a las frecuencias que son lo suficientemente altas para radiarse de manera eficiente por una antena y propagarse por el espacio libre.

Breve Historia  





1837 Samuel Morse inventa el telégrafo. 1876 Graham Bell y su asistente Thomas A. Watson transmiten la primer conversación humana a través de un sistema telefónico. 1888 Hertz genera radiofrecuencias entre 31MHz y 1.25 GHz. 1892 se desarrolla el primer detector de radio.

1894 Guglielmo Marconi transmite señales de Radio a tres cuartos de milla, y en 1896 alcanza las 2 millas.  1899 se envía el primer mensaje inalámbrico.  1902 se envían las primeras señales trasatlánticas.  1908 se inventa el tubo de vacío de tríodo. 

    



1920 se inicia la radio en AM. 1936 se inicia la radio en FM. 1945 comunicaciones vía satélite. 1979 Comunicaciones Móviles Públicas. En los 90 se impulsan las redes de datos inalámbricas. Otros sistemas: Radar, radiolocalización y radiodeterminación.

Esquema de Comunicación

Envía Información

Transmisor

Recibe Información

Medio

Receptor

Información Esta viene siendo el conocimiento o realidad, la cuál puede ser analógica (voz humana, video o música) o en forma digital (códigos binarios, alfanuméricos, hexádecimal, etc.).

Transmisor Este convierte la información original de la fuente a una forma más adecuada para la transmisión

Medio de Transmisión Es el medio de conexión entre el transmisor y el receptor (medio ambiente).

Receptor Convierte la información recibida a su forma original y la transforma a su destino.

Tipos de comunicaciones Sistema de Comunicaciones Analógicas.



Sistema de Comunicaciones Digitales.



Comunicaciones Analógicas En estos sistemas la energía se transmite y recibe en forma analógica (señal variando continuamente). Un ejemplo claro son los radios comerciales.

Comunicaciones Digitales En estos sistemas la energía se transmite y recibe en forma digital (niveles discreto tales como 5 Volts y tierra). Un ejemplo claro son las PC´s.

Terminología Básica    

Conceptos. Modulación. Demodulación. Espectro Electromagnético.

Conceptos Señal de Modulación: es la señal que se desea transmitir de frecuencia baja. Portadora: es la señal de frecuencia alta, sobre la cual se actúa. Onda Modulada: es la señal resultante de la suma de las anteriores.

Modulación Es el proceso de variar o cambiar alguna propiedad de una portadora analógica de acuerdo con la información original de la fuente. Esta etapa reside en el transmisor y se conoce como modulador.

En otras palabras este proceso es necesario para poder transmitir la señal, regularmente porque la señal es muy pequeña para poder viajar. Los tipos básicos son:   

Amplitud Modulada (AM). Frecuencia Modulada (FM). Fase Modulada (PM).

Demodulación Es el proceso de convertir los cambios en la portadora analógica a la información original de la fuente. Esta etapa se realiza en el receptor.

Sistema de Comunicaciones Señal Modulante

Onda modulada Modulador

Portadora

Transmisor

Ruido del Sistema

Amplificador Demodulador Información del Destino

Receptor

Espectro Electromagnético Banda de Radio Frecuencia SubAudio sónica

Ultra sónica

AM

TV FM

Microondas, InfraUltrasatélite y radar rojo Visible violeta

Rayos X

100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019

Designación de Bandas Número de Rango de la Banda Frecuencia

Designación

2

30-300 Hz

Frecuencia Extremadamente Baja (ELF)

3

0.3-3 kHz

Frecuencia de Voz (VF)

4

3-30 kHz

Frecuencias Muy Bajas (VLF)

5 6

30-300 kHz Frecuencias Bajas (LF) 0.3-3 MHz

Frecuencias Medias (MF)

7

0.3-30 MHz Frecuencias Altas (HF)

8

30-300 MHz Frecuencias Muy Altas (VHF)

9 10

0.3-3 GHz

Frecuencias Ultra Altas (UHF)

0.3-30 GHz Frecuencias Super Altas (SHF)

Número de Rango de Designación la Banda Frecuencia 11 30-300 GHz Frecuencia Extremadamente Alta (EHF) 12

0.3-3 THz

Luz Infraroja

13

0.3-30 THz

Luz Infraroja

14

30-300 THz Luz Infraroja

15

0.3-3 PHz

16

0.3-30 PHz

17

30-300 PHz Rayos X

18

0.3-3 EHz

19

0.3-30 EHz

Luz Visible Luz Ultravioleta Rayos Gamma Rayos Cósmicos

Banda de Radio Frecuencia     

Amplitud Modulada. Frecuencia Modulada. Televisión. Microondas. Satélite.

Amplitud Modulada Es el proceso de cambiar la amplitud de una portadora de frecuencia relativamente alta, de acuerdo con la amplitud de la señal modulante (información).

Generación AM Onda Señal

Ondulada

Portadora

Señal Modulante

+

=

La onda AM se produce a partir de una señal modulante de frecuencia simple. La onda de salida contiene todas las frecuencias que componen la señal AM y se usan para llevar la información a través del sistema.

Dispositivos    

Modulador AM. Amplificador RF. Amplificador IF. Receptor AM.

¿Qué es un modulador AM? Es un aparato no lineal con dos señales de entrada de información: una señal de amplitud constante y de frecuencia sencilla, y la señal de la información, que da como salida una señal ondulante.

Modulador AM Para esta función es muy útil el generador de funciones monolítica XR2206, el cual viene equipado con lo necesario para realizar la modulación en amplitud.

¿Qué es un Amplificador RF? Es una amplificador sintonizado de alta ganancia y bajo ruido que cuando se utiliza, es la primera etapa activa que encuentra la señal recibida. Sus propósitos primordiales son la selectividad, amplificación y sensitividad.

Características Deseables    

 

Bajo Ruido Térmico. Baja Figura de Ruido. Ganancia de moderada a alta. Baja intermodulación y distorsión de armónicas. Selectividad Moderada. Alta Relación de Rechazo de la frecuencia imagen.

El ‘NE/SA5200’ Tiene ganancia dual lineal, baja potencia, estabilidad incondicional y una banda ancha que opera de CD hasta los 1200 MHz y tiene una figura baja de ruido. IN GND OUT Vcc

H

IN GND OUT

Ventajas No necesita ningún componente externo de polarización.  Ocupa poco espacio.  Su alto nivel de integración mejora su confiablidad. Bajo consumo de energía. 

¿Qué es un Amplificador IF? Es una amplificador sintonizado de alta ganancia y opera sobre una banda de frecuencias fija y relativamente angosta. El NE/SA61219 facilita la implementación de estos, pensando en que la mayor parte de selectividad y ganancia se logra en esta etapa.

Receptor AM Estos dispositivos los fabrican para que hagan todas las funciones del receptor, excepto filtración de RF, IF y control de volumen en un solo circuito.

EL ‘LM1820’    

Tiene un amplificador RF. Mezclador. Oscilador Local. Etapas del Amplificador IF.

Para funcionar, requiere solamente de ajustar la selectividad de RF e IF se realiza con bobinas sintonizantes, además de un amplificador de audio como el LM386 y bocinas.

Aplicaciones Como banda de radiodifusión comercial de los 535 a los 1605 kHz. 

Para las comunicaciones de radio móvil de dos sentidos tal como un radio de banda civil. 

Frecuencia Modulada Es una variante modulación angular.

de

la

Esta se da si la frecuencia de la portadora es variada proporcionalmente a la información de la fuente.

Generación FM

Señal

Señal

Modulante

Portadora

+

Onda de Frecuencia Modulada

=

En FM, la máxima desviación de frecuencia ocurre durante los máximos puntos negativos y positivos de la señal modulante; es decir, la desviación de frecuencia es proporcional a la amplitud de la señal modulante.

Moduladores de FM Los osciladores de voltaje controlado y generadores de funciones pueden generar una forma de onda de salida FM, que sea relativamente estable, exacta y directamente proporcional a la señal modulante de entrada.

El ‘MC1376’ Este es un modulador de FM completo, en un chip de 8 pines. Puede operar con frecuencias de portadora entre 1.4 y 14 MHz y está hecho para utilizarse en la producción de ondas de FM para aplicaciones de baja potencia, tales como teléfonos inalámbricos.

Cuando se le coloca un transistor auxiliar, se le conecta a una fuente de 12 V, se pueden lograr potencias de hasta 600mW.

FM vs PM Para PM el índice de modulación directamente proporcional a amplitud de la señal modulante independiente de su frecuencia.

es la e

Con FM, el índice de modulación es directamente proporcional a la amplitud de la señal modulante e inversamente proporcional a su frecuencia.

Aplicaciones      

Radio difusión de radio comercial. Transmisión de Sonido de TV. Radio Móvil de dos sentidos. Radio Celular. Comunicación por Microondas. Comunicación Vía Satélite.

Televisión La radiodifusión comercial de televisión se divide en tres bandas, dos de VHF y una de UHF. Los canales de la banda baja de VHF son entre 2 y 6 (54 a 88 MHz), los canales de banda alta de VHF son entre 7 y 13 (174 a 216 MHz) y los canales de UHF son entre 14 a 83 (470 a 890 MHz).

Transmisor de TV La emisión de televisión monocromática involucra la transmisión de dos señales separadas: una aural (sonido) y una señal de video (imagen). La transmisión aural utiliza modulación de frecuencia y transmisión de video la modulación amplitud.

la la de

La información de video se limita a las frecuencias menores a 4 MHz y puede generarse mediante una cámara, un video cassette, o una grabadora de disco de video; mientras que la información de audio se limita a frecuencias menores de 15 kHz y puede generarse en un micrófono, o mediante pistas de sonido.

Receptor de TV El receptor se separa en cinco secciones principales: RF, IF, Video, Deflexión Horizontal y Vertical, y Sonido.

Sección RF Los propósitos de esta etapa es la selección de canales, para proporcionar un rechazo de frecuencia de imagen, para aislar al oscilador local de la antena, para convertir las señales de RF a señales IF, proporcionar amplificación y proporcionar acoplamiento a la antena.

Sección IF En esta parte se proporciona la mayor selectividad y ganancia del receptor. Esta consiste de varios amplificadores sintonizados de bastante ganancia en cascada. En los receptores modernos esta sección procesa imagen y sonido.

Sección de Video y Sonido Esta etapa tiene un detector de video y una serie de amplificadores de video. El detector convierte descendentemente las señales IF a frecuencias de video y el primer IF de sonido al segundo IF de sonido y este alimenta al receptor de FM, donde se elimina la información aural, y se alimenta a los amplificadores de audio.

Circuitos de Deflexión En esta etapa se encuentra: un separador sincronizado, osciladores de deflexión horizontal y vertical, y una etapa de alto voltaje. Los pulsos de sincronización horizontal y vertical se eliminan de la señal de video compuesta por el circuito separador sincronizado.

Los pulsos sincronizados horizontal y vertical se separan más mediante filtros y se alimentan a sus circuitos de deflexión respectivos. Los circuitos de deflexión convierten los pulsos de sincronización a señale de exploración y proporcionan alto voltaje de CD que se requiere para el ánodo del CRT.

Microondas Existen muchos tipos diferentes de sistemas de microondas que operan sobre distancias que varían, desde las 15 a 4 000 millas de longitud. Las capacidades de los sistemas de microondas varían desde menos de 12 canales de banda de voz a más de 22, 000.

En los sistemas de radio por microondas se emplea la modulación por frecuencia en lugar de modulación por amplitud, por que las señales de modulación de amplitud son más sensibles a procesos no lineales de la amplitud, inherentes en amplificadores de microondas de banda ancha. Las señales FM son relativamente insensible a este tipo de distorsión no lineal.

Banda de Microondas Banda

Frec. Mínima

Frec. Mínima

Máxima

Mínima

L

1GHz

2 GHz

30 cm

15 cm

S

2 GHz

4 GHz

15 cm

7.5 cm

C

4 GHz

8 GHz

7.5 cm

3.75 cm

X

8 GHz

12.4 GHz

3.75 cm

2.42 cm

Ku

12.4 GHz

18 GHz

2.42 cm

1.66 cm

K

18 GHz

26.5 GHz

1.66 cm

1.11 cm

Ka

26.5 GHz

40 GHz

11.1 mm

7.5 mm

Mm

40 GHz

300 GHz

7.5 mm

1 mm

BB

Red de Preénfasis Entrada Banda Base

IF

Desviador de FM IF

Amplificador de IF

RF

Mezclador

Generador de Microodas

BPF

Red Combinada de Canal

Transmisión S a l i d a

BB

Red de de énfasis Salida Banda Base

IF

Detector de FM IF

Amplificador de IF

RF

Mezclador

Generador de Microodas

BPF

Red de Separación de Canal

Recepción E n t r a d a

Repetidores de Microondas Un repetidor de microondas es un transmisor y receptor colocados espalda con espalda con el sistema.

RF

RF Entrada de IF

TX

RX

TX

RX

Salida de IF

Aplicaciones Comunicación de larga distancia.  Telefonía móvil.  Comunicación Militar.  Comunicación Gubernamental.  Redes especializadas para comunicaciones privadas. 

Vía Satélite Esencialmente un satélite es un repetidor de radio en el cielo (transponder).

Un sistema de satélite consiste de un transponder, una estación basada en tierra, para controlar su funcionamiento y una red de usuario.

Comunicación Abordo

La función típica es amplificar cambiar la frecuencia de la señal. 

y

La conversión de frecuencia puede ser de una o varias etapas. 

El repetidor es regenerativo o transparente según se procese o no la señal en banda base. 

División en sub-bandas como canales con amplificación independiente y controlada: TRANSPONDEDOR. 

Para ahorrar energía los amplificadores de potencia trabajan en zona no lineal. Esto produce problemas de intermodulación. 

Estación Terrena

La señal (propia o procedente de la red) es procesada en banda base y modulada. 

Puede combinarse con otras.



El alimentador de antena proporciona polarización adecuada y aislamiento con la señal recibida. 

Se requiere un amplificador de bajo ruido en recepción. 

Las señales de TT&C son extraídas y utilizadas. 

Este es un esquema tipo, pero según el caso puede variar. 

Aplicaciones         

Servicio Fijo (FSS) Radiodifusión (BSS) (sonido e imagen) Móvil (MSS) Exploración de la Tierra (EES) Investigación en el Espacio (SRS) Operación Espacial (SOS) Radiodeterminación (RNS) Radioaficcionados (ASS) Enlaces entre satélites (ISS)

Transmisión Digital Los elementos que distinguen a este tipo de transmisiones, es que las señales de modulación y demodulación son pulsos digitales, en lugar de formas analógicas.

En esencia, hay cuatro técnicas de modulación digital que se suelen utilizar en sistemas de radio frecuencia digital.    

FSK ASK PSK QAM

FSK La Modulación por Desplazamiento de Frecuencias (FSK), es una, forma en alguna medida simple, de modulación digital de bajo rendimiento.

Esta es muy similar a la modulación en frecuencia, a excepción que la señal modulante, es un flujo de pulsos binarios que varían entre dos niveles de voltaje discreto, en lugar de una onda analógica que cambia de manera continua.

Generación de FSK

ASK La Modulación por Desplazamiento de Amplitud (ASK), Esta permite que p cualquier señal digital se transmita en un canal de ancho de banda restringida sin problemas; evita efectos del ruido sobre la señal con un filtro pasabandas, o transmitir más de una señal sobre un canal, al modularlas en frecuencias diferentes.

Esta es la forma de las señales moduladas en ASK. Cuando se quiere transmitir un 1 binario se deja pasar a la señal sinusoidal, cuando se quiere transmitir un 0 binario, no se deja pasar la señal sinusoidal.

Generación de ASK

PSK La Modulación por Desplazamiento de Fase (PSK), es otra forma de modulación angular. Modulación digital de amplitud constante.

Esta modulación es muy similar, a la modulación en fase, la diferencia radica, en que la señal de entrada es una señal digital binaria y son posibles solo un número limitado de fases de salida.

Una fase de salida representa un 1 lógico y la otra un 0 lógico. Conforme la señal digital de entrada cambia de estado, la fase de la portadora de salida se desplaza entre dos ángulos que están 180° fuera de fase.

Generación de PSK

QAM La Modulación en Amplitud de Cuadratura (QAM), utiliza dos u portadoras, cada una de la misma frecuencia pero separadas 90° entre sí. La información digital está contenida en una porción, tanto en la amplitud como en la fase, de la portadora transmitida.

Generación de QAM Las dos señales moduladas se combinan entonces y se transmiten como una sola forma de onda. Onda típica en modulación 8-QAM:

Nueva Aplicación RFID

QAM La Modulación en Amplitud de Cuadratura (QAM), utiliza dos u portadoras, cada una de la misma frecuencia pero separadas 90° entre sí. La información digital está contenida en una porción, tanto en la amplitud como en la fase, de la portadora transmitida.

Referencias Bibliografía: Tomasi, Wayne. Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, Pearson Educación, Segunda Edición,1996. Couch II, León W. Comunicación Digitales Prentice Hall, 1997.

Sistemas de y Analógicos,

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