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I

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES

Departamento de Electrónica

Materia: Medidas Electrónicas 2

Proyecto: Transmisor de FM en Banda Comercial de Baja Potencia

Docente: Ing. Cecconi, Juan Alfredo

Ayudante de TP: Ing. Di Vruno, Federico – Ing. Hidalgo, Damian

Grupo N : 4

Alumnos:

Apellido y Nombre Legajo E-mail

1 Murana, Nahir Noelia 120.945-0 [email protected]

2 Papalia, Gabriel Fernando 121.050-0 [email protected]

Entrega Informe Fecha Firma

Primer Entrega 18 / 12 / 2012

Aprobación / /

Entrega Devolución Re-entrega Firma Recepción

2° 18 / 12 / 2012 05 / 03 / 2013

3° / / / /

4° / / / /

UTN – FRBA – ME2 Marzo, 2013

II

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................................................... 3

2. DESARROLLO DEL TRABAJO .............................................................................................................................. 3

A. Metodología ............................................................................................................................................................ 3

B. Descripción ............................................................................................................................................................. 4

C. Principio de funcionamiento ................................................................................................................................... 4

D. Análisis teórico ........................................................................................................................................................ 5

E. Simulaciones ..........................................................................................................................................................15

F. Mediciones realizadas ............................................................................................................................................19

3. RESULTADOS .........................................................................................................................................................37

4. DISCUSIÓN ..............................................................................................................................................................37

5. AGRADECIMIENTOS .............................................................................................................................................37

6. CONCLUSIONES ....................................................................................................................................................38

7. REFERENCIAS ........................................................................................................................................................38

8. ANEXOS....................................................................................................................................................................39

A. Comentarios ...........................................................................................................................................................39

B. Tablas de Bessel .....................................................................................................................................................40

C. Mediciones sobre el AE para levantar la curva de variaciones de la frecuencia de oscilador mediante la tensión de

la modulante. ...................................................................................................................................................................43

D. Hojas de Datos .......................................................................................................................................................46

E. Fotos de las Placas ..................................................................................................................................................51


3

TRANSMISOR DE FM EN BANDA COMERCIAL DE BAJA POTENCIA

Nahir Noelia Murana, Gabriel Fernando Papalia

Docente a cargo: Juan Alfredo Cecconi

Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Buenos Aires

Medidas Electrónicas 2

Resumen: Se tiene un transmisor de FM en banda comercial realizado en base a un oscilador LC, el objeto de este proyecto es realizar mediciones de RF y caracterizar cada una de las partes que lo componen. Por otro lado, se opta por utilizar baja potencia ya que se consigue el alcance deseado con tan solo algunos mili Watts. Se utiliza conceptos de las asignaturas Sistemas de Comunicaciones, Medios de Enlace, Medidas Electrónicas II, Teoría de los Circuitos II y Electrónica Aplicada III.

1. INTRODUCCIÓN

Debido al acelerado avance de las telecomunicaciones, se ha logrado expandir la cobertura de las comunicaciones a lo largo del mundo, de manera que se hace necesario adoptar sistemas de comunicaciones que sean capaces de transmitir señales a través de distancias mucho más largas y a velocidades superiores. Indudablemente, una señal sólo se puede transmitir por un canal que permita la propagación de ese tipo de señales. Así, una señal eléctrica se propaga por medios conductores, una señal acústica necesita un medio material, entre otros. Estas señales son conocidas como señales de banda base. Generalmente, las señales eléctricas de banda base son desplazadas a frecuencias superiores para permitir su transmisión mediante ondas electromagnéticas. Este desplazamiento a frecuencias superiores se logra mediante la modulación, lo que proporciona a su vez, una gran cantidad de beneficios entre los que se pueden citar una radiación de la energía eléctrica más eficiente, un ordenamiento del espectro de radio, una notable disminución en la dimensión de las antenas a ser utilizadas en la transmisión, una protección a la información de las degradaciones por ruido, entre muchas otras ventajas. Existen dos técnicas de modulación analógicas básicas: la modulación lineal y la modulación exponencial. En este trabajo se describe a fondo la teoría acerca de la modulación de frecuencia FM, la cual se usa extensamente para la radiodifusión de radio comercial, transmisión de sonido de televisión, radio móvil, radio celular y los sistemas de comunicaciones por microondas y satélites. Además se busca enumerar algunas delas ventajas y desventajas de este tipo de modulación. Adicionalmente, el objetivo del proyecto que se lleva a cabo, es realizar mediciones de RF sobre un transmisor prototipo construido en base a un oscilador LC. Las mediciones a efectuar se basan en algunos de los temas de la asignatura e instrumental visto durante la cursada de la materia Medidas Electrónicas 2.

2. DESARROLLO DEL TRABAJO

A. Metodología

Para el desarrollo del presente trabajo, en primera instancia se hace necesario estudiar la teoría relacionada con la transmisión de señales, más en concreto con la modulación de las mismas, con la finalidad de presentar inicialmente un apartado en el que se expongan brevemente los principales conceptos relacionados con este tema. Posteriormente, se describe la teoría acerca de la modulación de frecuencia FM, para que de esta manera se pueda contar con las bases teóricas necesarias para poder puntualizar algunas de las posibles formas de implementar un modulador FM. Por último, se elabora y realiza las prácticas de laboratorio utilizando el instrumental visto durante la cursada de esta asignatura, y se analiza tanto los resultados que se obtienen como así también los problemas de implementación que se presentan en el desarrollo de la misma.


4

B. Descripción

A continuación se describe el circuito eléctrico del transmisor bajo estudio, el mismo no es de nuestra autoría.

Fig. 1. Circuito Esquemático.

El circuito de la figura permite distinguir dos grandes bloques: la sección de BF sobre la izquierda y la de RF sobre la derecha; separadas ambas por medio del diodo varicap. En forma modular, se puede representar el circuito de la siguiente manera con el fin de analizar el principio de funcionamiento de cada una de las partes componentes:

Fig. 2. Diagrama en bloques del circuito transmisor.

C. Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento se basa en la modulación exponencial que se explica en la sección Análisis Teórico. En resumidas palabras, para comenzar a comprender cada uno de los bloques denotados en la figura 2, se procede a explicar lo siguiente:

El circuito de BF, constituido por un preamplificador con pre-énfasis, actúa sobre los agudos según una curva standard de 50 µseg, de forma que se compense el de-énfasis que realizan los receptores comerciales de FM.

La señal de BF amplificada se aplica al diodo varicap, cuya misión es la de modular en frecuencia el oscilador de salida, que es un multivibrador compuesto por Q1 y Q2. La señal cuasi-rectangular generada por este último, se convierte en senoidal al paso por el circuito sintonizado L/C10.


5

Como antena se utiliza una varilla telescópica de 4

, es decir, entre 70 cm y 85 cm de longitud con un buen

plano de masa. Para garantizar lo último, se debe utilizar una superficie de al menos 2

de radio despejado

de objetos interferentes.

D. Análisis teórico

Modulación Exponencial:

La modulación exponencial, constituye un proceso alineal desde el punto de vista del espectro. Es por esta razón, que esta modulación no va a mantener la forma original del espectro, sino que se crea uno completamente distinto.

Básicamente vamos a tener dos tipos de modulación exponencial:

FM

PM

A continuación se puede observar las formas de onda de cada una de ellas.

Fig. 3. Comparación entre AM, FM y PM utilizando dos señales de información.

Se puede ver que tampoco se mantiene la forma de la modulante en la envolvente. Y por otro lado, en la modulación de un tono, es imposible distinguir si una onda modulada corresponde a PM o FM ya que lo único que las diferencia es un desfasaje.


6

Antes de seguir es importante aclarar el concepto de la frecuencia y fase instantánea. En toda modulación el objetivo es modificar algún parámetro de la onda portadora, de forma tal que la misma "lleve" la información modulante. En el caso de la modulación lineal, se actúa modificando la amplitud de la portadora. En la modulación exponencial, en cambio, se modifica la fase instantánea de la onda (PM) o bien la frecuencia instantánea (FM):

Para el caso de la modulación PM, la información de la modulante está contenida en el corrimiento de los cruces por cero de la señal modulada, respecto a la señal sin modular. Mientras que para la modulación FM, la información está en la diferencia de frecuencia instantánea que posee la onda, con respecto a la portadora sin modular. Lo cual también se puede ver analizando los cruces por cero, pero ahora no se compara las ubicaciones con respecto a la portadora, sino que se mide la separación en tiempo entre dichos cruces. Luego, la diferencia de frecuencia instantánea sale de comparar esa frecuencia con la de la portadora sin modular.

En conclusión, ambas modulaciones actúan sobre la fase y la frecuencia instantánea, puesto que la frecuencia no es más que la derivada de fase respecto del tiempo. Entonces la diferencia entre PM y FM, se debe a como se interpreta en los receptores. Es decir como éstos utilizan los cruces por cero para mandar la información modulante.

Desde el punto de vista fasorial, la fase instantánea se puede interpretar como la ubicación relativa que

posee el fasor cje respecto del que produce la portadora sin modular

tcje . En cambio la frecuencia

instantánea se puede interpretar como la velocidad relativa entre dichos fasores cje y

tcje .

La ecuación general es:

tAeAtX CC

tj

CCC cos

De acá sale el nombre de modulación exponencial.

ttt CC

Donde t es el que contiene la información modulante.

Es decir, que en base a lo visto anteriormente, t es la variación instantánea de fase. La cual puede llevar

información modulada en PM o FM. Todo depende de cual sea la relación entre la información modulante y la fase instantánea.

Se estudia el caso de FM, por lo que la frecuencia instantánea depende directamente del mensaje:

i

t

CC

CCC

dttXktt

tXkdt

td

0

Para que esta última integral sea convergente, se requiere que el valor medio de la señal de información X(t) sea nulo. Esto representa que no puede tener componente de continua; puesto que de lo contrario se produce un corrimiento en fase o en frecuencia constante; lo cual es equivalente a correr la portadora.

Si la señal de información se deriva antes de ingresar a este tipo de modulador, quedaría una expresión de

fase instantánea, t , proporcional a la información, es decir, modulada en fase PM.

Para estudiar el ancho de banda, se parte del estudio de la modulación de un tono:


7

..3sin!3

12sin

!2

1sin1

definiendo Y

Siendo

sincos

cos

2322

sin

tjtjtjeAtX

eAtX

BW

Ak

tAk

tAtX

tAtX

mmm

tj

CFM

ttj

CFM

máx

m

m

CCFM

m

C

mC

Esta última ecuación representa de cierta forma el ancho de banda utilizado por la señal modulada en FM y

es bastante obvio que depende del valor de . Para valores de pequeños, sólo son significativos la

constante y el término de primer orden y el ancho de banda será m2 . Sin embargo, a medida que crece

, hay más términos significativos y mayor es el ancho de banda.

Aunque el ancho de banda teórico de una onda FM es infinito, se verá que la mayor parte de la potencia de la señal modulada reside en un ancho de banda finito. Existen dos posibilidades distintas en términos de los anchos de banda: FM de banda angosta y FM de banda ancha.

FM Banda Angosta (NBFM):

La condición en la que es suficientemente pequeño, para hacer despreciables todos los términos tras los

dos primeros de la expansión en serie de la ecuación recién calculada.

tttAtX

tttt

tttAtX

ttAtAtX

tt

tt

ttAttAtX

ttAtX

mCCmCCNBFM

mCmCmC

mCCCNBFM

mCCCCNBFM

mm

m

m

mCCmCCNBFM

mCCNBFM

cos2

1coscos

2

1

coscos2

1sinsin Como

sinsincos

sinsincos

sinsinsin

10cossincos2,0sinser Al

sinsinsinsincoscos

2,0sincos

Fig. 4. Espectro de NBFM.


8

FM Banda Ancha:

....

4cos4cos

3cos3cos

2cos2cos

coscoscos

12cos2sin2cos2cos

12cos2sinsin

2cos2sincos

argumento de ésimo-norden y claseprimer de Bessel de funciones las de mediopor Donde

sinsinsinsincoscos

sincos

4

3

2

10

1

12

1

20

1

12

1

20

ttJ

ttJ

ttJ

ttJtJ

AtX

tnJttnJJtAtX

tnJt

tnJJt

ttAttAtX

ttAtX

mCmC

mCmC

mCmC

mCmCC

CFM

mnCmnCCFM

mnm

mnm

mCCmCCFM

mCCFM

Donde se hace evidente que las magnitudes de la portadora y de los términos de las bandas laterales

dependen de , es decir, del índice de modulación. La dependencia se expresa por medio de las funciones

de Bessel apropiadas. Cuando se habla de bandas laterales significativas, el adjetivo ‘significativas’, se utiliza para indicar las bandas laterales que tienen una magnitud igual o mayor al 1% de la magnitud de la portadora sin modular, es decir:

01,0nJ

El número de bandas significativas, como se ha dicho anteriormente, varía con el índice de modulación y

se puede determinar mediante las tablas de funciones Bessel como la que se muestra en la siguiente figura:

Fig. 5. Coeficiente de Bessel de primera clase y orden n-ésimo. Se adjunta en el anexo una tabla completa.


9

Y en forma de gráfico:

Fig. 6. Coeficiente de Bessel de primera clase y orden n-ésimo.

Se puede demostrar que en general las funciones de Bessel de orden superior nJ con 1n , las

bandas significativas se obtienen con n +1.

Por lo que el ancho de banda se puede expresar entonces:

12

2

máxFM

máxFM

fmBW

fmnBW


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Oscilador, Sintonizador y Modulador :

Circuitalmente, el oscilador con el sintonizador y el modulador se vinculan mediante el siguiente esquema:

Fig. 7. Esquema circuital: Oscilador, Sintonizador y Modulador

El oscilador se conforma por todos los componentes mostrados en el esquema, mientras que el sintonizador se obtiene mediante el inductor con punto medio L y el capacitor variable C10 que forma un tanque. Por otro lado, el modulador se compone principalmente del diodo varicap D1, que produce una capacidad variable que re sintoniza al tanque L/C10 y al oscilador mediante las variaciones de la tensión en el ánodo del diodo mencionado. Todos estos componentes, en su conjunto, conforman un VCO.

Circuito impreso de esta etapa:

Fig. 8. Circuito impreso: Oscilador, Sintonizador y Modulador


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Oscilador:

A continuación se explica el funcionamiento del circuito comenzando por el oscilador.

Al ser una configuración en la que ambos transistores se hayan realimentados uno con el otro, se debe tomar un punto inicial para su análisis. Teniendo en cuenta eso, se tomará la tensión de base de los transistores (cuando ellos no se encuentran conectados) como punto de referencia.

Vkk

kV

RR

RVV

Vkk

kV

RR

RVV

CCB

CCB

19,17,415

7,45'

59,17,410

7,45'

119

112

108

101

Como VB1’ es mayor que VB2’ se puede considerar que alcanza más rápidamente, durante su transitorio de arranque, la tensión base emisor necesaria para llevar al transistor del corte a la saturación. Entonces, se puede decir que Q1 se encuentra saturado y Q2 al corte como condición de arranque. Si esto es así:

VVVVV

VVVVVVVVVcomo

VV

VVCEV

CCC

CCCCCCCCCCCL

LC

SatC

4,96,0102V

222V

2V

anexo)(Ver 2SC3595 del datos de hoja la De6,0

1C2

1111C21

1C2

1

Fig. 9. Características Eléctricas del Transistor 2SC3595

Bajo estas condiciones:

VVVVVV BCFinalC 70,87,04,9128

El capacitor C7 se irá cargando a través de R9 hasta un potencial VB2’ si es que no estuviese el transistor T2. Pero como lo está, cuando VB2 alcance la tensión VBE de umbral llevará al transistor 2 a la saturación haciendo que VC2 caiga a 0,6V al igual que como se encuentra en ese mismo instante VC1.

En estas condiciones:

821 CCB VVV

Como VC8 es mayor que VC2 hará que Q1 se corte.

El proceso de carga y descarga de los capacitores C7 y C8 se repiten de forma similar a lo expuesto

precedentemente, y de acuerdo a los 87 y de carga de los mismos, el ciclo de iteración se repite

secuencialmente a una determinada frecuencia llevando los potenciales de los colectores de los transistores de 0,6V a 9,4V y viceversa.

Los taus mencionados fijan la frecuencia de oscilación y dependen de todos los componentes mostrados en la figura 7. Los valores aquí expuestos hacen que esta frecuencia ronde alrededor de los 100MHz. Para un análisis más exhaustivo de los mismos, se debería analizar el circuito equivalente conformado por el modelo Giacoletto de los transistores de referencia.


12

Sintonizador:

A continuación se explica el funcionamiento de sintonizador.

Utiliza dos componentes que están presentes en el circuito oscilador, estos son L y el capacitor variable C10.

Al modificar C10 se altera los 87 y de carga provocando que la frecuencia del oscilador se vea

ligeramente afectada. Además, conforma un filtro sintonizado LC el cual es el responsable de limitar o atenuar el espectro utilizado tras la modulación.

Siendo 0 la frecuencia central del mismo, el módulo de la transferencia normalizada de estos filtros

responde a la siguiente ecuación:

0

0

21

1

Q

jA

Modulador:

Como se introdujo, las señales eléctricas de banda base son desplazadas a frecuencias superiores para permitir su transmisión mediante ondas electromagnéticas. La modulación debe de ser un proceso reversible, de manera que el mensaje pueda ser recuperado por el receptor mediante el proceso de demodulación. El traslado en frecuencia se realiza mediante la utilización del dispositivo llamado diodo Varicap y permite:

Facilitar la propagación de la señal de información por cable o por el aire.

Ordenar el espectro de radio, distribuyendo canales a cada información distinta.

Disminuir las dimensiones de antenas.

Optimizar el ancho de banda de cada canal

Evitar interferencia entre canales.

Proteger a la información de las degradaciones por ruido.

Definir la calidad de la información trasmitida

Un diodo Varicap aprovecha determinadas técnicas constructivas para comportarse, ante variaciones de la tensión aplicada, como un capacitor variable. Polarizado en inversa, este dispositivo electrónico presenta características que son de suma utilidad en circuitos sintonizados L-C, donde son necesarios los cambios de valores para obtener variaciones en la frecuencia de resonancia de un circuito tanque. Este minúsculo componente permitirá construir entonces, diferentes modelos de Osciladores Controlados por Tensión (VCO).

Cuando un diodo es polarizado en inversa, la barrera de potencial o juntura que forman los materiales N y P se agranda, se ensancha, toma mayores distancias a partir del punto de unión de las junturas. Visto en forma metafórica y práctica, es el equivalente a dos placas de un capacitor que van separándose a medida que la tensión de alimentación se incrementa. Este incremento de tensión, provoca una disminución de la capacidad equivalente final en los terminales del diodo (a mayor distancia entre placas, menor capacidad final). Por este motivo queda claro el concepto de que la mayor capacidad que puede brindar un diodo de esta naturaleza se encuentra en un punto de baja tensión de alimentación (no cero), mientras que la mínima capacidad final estará determinada por cuánta tensión inversa pueda soportar entre sus terminales.

Se extrae de la hoja de datos del fabricante (se anexo la hoja de datos completa), la respuesta capacitiva en función de la tensión inversa del dispositivo. Como se puede apreciar, típicamente varia de 17pf a 10pf variando entre 1V y 5V.


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Fig. 10. Respuesta del diodo Varicap.


14

Preamplificador con pre-énfasis:

El siguiente circuito describe el preamplificador con pre-énfasis y el filtro pasa bajos que limita el espectro a modular.

Fig. 11. Preamplificador con pre-énfasis y el filtro pasa bajos

Circuito impreso de esta etapa:

Fig. 12. Circuito impreso: Pre-énfasis y Filtro Pasa Bajos


15

Las bandas de FM comercial tienen un ancho de banda de 75kHz, y suele limitarse la banda base en 15kHz. De esta manera la relación de desviación, que no es otra cosa que el mayor índice de modulación que se debería alcanzar, es de:

515

75

kHz

kHz

fm

fmDR

máx

máx

El filtro pasabajos se logra mediante dos polos formados por los circuitos RC conformados por R6, C4 y R7,C6:

kHzpFkCR

fc

MHzpFkCR

fc

946,58102702

1

672

1

061,110152

1

462

1

2

1

Se representa mediante un digrama de Bode:

Fig. 13. Diagrama de Bode del filtro E. Simulaciones

Para realizar simulaciones se utiliza el CAD Proteus 7.7.

Circuito de Pre-énfasis:

Se simula esta etapa, inyectando un tono de amplitud constante y frecuencia variable. Se traza la respuesta del circuito operacional realimentado con la red T conformada por R3, C3 y R4.

Fig. 14. Circuito de Pre-énfasis


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Como a la entrada del operacional se encuentra disponible un preset, se simular el circuito con los valores extremos del mismo:

:475 kR

Fig. 15. Circuito de Pre-énfasis – Amplificación Mínima

Por lo que se puede notar, la ganancia de tensión en esta etapa es de 33,5dB aproximadamente para señales de baja frecuencia. A partir de los 2.5kHz, se empieza a notar el efecto de pre-énfasis, esto es, aumentar progresivamente la ganancia hasta aproximadamente 34,1dB a 18kHz. Luego decae abruptamente.

:05R

Fig. 16 Circuito de Pre-énfasis – Amplificación máxima

Por lo que se puede notar, la ganancia de tensión en esta etapa es de 44dB, la frecuencia de corte se haya en 38db (6db debajo). La frecuencia de corte es cercana a la que se busca incluso para el filtro. De esta manera se mejora luego con su conjunto, la pollera del filtro. Con este valor de R5 no se está realizando pre-nfasis, todo el ancho de banda se amplifica de igual manera.


17

Filtro Pasa Bajos:

Se simula esta etapa, inyectando un tono de amplitud constante y frecuencia variable. Se traza la respuesta del filtro pasivo conformada por R6, C4 y R7,C6.

Fig. 17. Circuito del filtro pasa bajo pasivo

Fig. 18. Respuesta del Filtro pasa bajos

Se puede demostrar en este gráfico la presencia de ambos polos, se visualiza dos pendientes: una comenzando en algunas decenas de kilo Hertz y la otra en las cercanías del Mega Hertz.


18

Ancho de banda de la señal modulante:

Se simula estas etapas, inyectando un tono de amplitud constante y frecuencia variable. Se traza la respuesta de todo el circuito de BF.

Fig. 19. Ancho de banda del circuito de baja frecuencia

Por lo que se puede notar, la ganancia de tensión de toda la etapa es de 33.5dB, por lo que la frecuencia de corte se haya en 27.5db (6db debajo). La frecuencia de corte es cercana a los 25kHz.

Señal en la Antena:

Debido que las librerías disponibles no disponen los transistores y diodo varicap que corresponden, se utilizan otros similares. Por lo cual, los resultados obtenidos en los parámetros de RF serán cualitativos y tan solo ayudaran a comprender el funcionamiento del circuito sin arrojar los posibles valores esperados.

Se presenta la señal temporal presente en la antena, la misma tiene una tensión pico de 5V:

Fig. 20. Señal modulada en FM - Temporal


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F. Mediciones realizadas

Fecha y hora de medición:

29 de Noviembre de 2012 entre las 15 y 19hs.

Temperatura y presión:

22ºC con 1009hP

Instrumental utilizado:

Analizador de Espectro Agilent N9320A NG0521

RF Generator Agilent N9310A NG1295

Fuente Full Energy HY3005D NG0736

Osciloscopio Digital GWINSTEK Gds1072 NG1383

Puntas de osciloscopio NG0499

Generador de Señales VENETA GF-13 NG1069

Se tiene armado tres placas, una en donde se haya todo el circuito eléctrico denotado en la sección Análisis Teórico, otra de ellas es exclusivamente el VCO y la última es una antena con plano de tierra. Las mediciones se efectúan utilizando las últimas dos:

Fig. 21. Placas del VCO y antena respectivamente


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Setup de la medición:

Se conecta una antena unipolar mediante un conector Cocodrilo-BNC al Analizador de Espectro. Por otro lado, Por otro lado, se conecta la palca del VCO a la palca donde se tiene la antena transmisora:

Fig. 22. Primer Setup de Medición

Variaciones por la capacidad del diodo Varicap – VCO:

En primer lugar, se mide la variación de la portadora en función de la amplitud de la señal de banda base. Como se puede notar en la imagen del VCO se tiene una llave selectora para seleccionar que se usa como entrada en el ánodo del diodo varicap: el conector BNC o el punto medio del preset para fijar tensiones de entre 0 y 5V. Se selecciona la llave en la posición del preset y se toman 15 mediciones con distintas posiciones en la configuración del potenciómetro. Como resultado, ya procesado, se obtiene:

Fig. 23. Respuesta debido a las variaciones del diodo Varicap.


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Conclusiones:

Se puede demostrar de esta manera la variación percibida en la frecuencia de la señal modulada en función de la diferencia de potencial presente sobre el diodo varicap. Comprobándose que mantienen una linealidad en el centro de la curva, es decir, se observan pendientes similares; mientras que en los extremos éstas se pronuncian.

La etapa pre-amplificadora fija el punto de operación en 2

CCV.

Se han realizado más mediciones con este setup, pero tras una primera corrección del siguiente informe se solicitó repetir las mismas conectando directamente la placa del VCO con el analizador de espectro en lugar de utilizar las antenas. Para tal objeto se diseña un adaptador de impedancia, de manera que la placa vea como si siguiese conectada la antena mientras que el analizador de espectro esté adaptado a 50 Ohm:

Partiendo de los 50Ohm del Analizador de Espectro, se puede obtener la impedancia de antena (36+j21)Ohm de la siguiente manera:

Fig. 24. Circuito Adaptador

Y por sencillez de construcción se opta por trabajar con un stub en lugar del inductor indicado en la imagen. Con un cable coaxial de 75Ohm de impedancia característica de largo 38,5cm se logra una inductancia equivalente. Se decide por trabajar con cable de 75Ohm en lugar de 50Ohm para disminuir el largo necesario.

A continuación se ilustra el PCB desarrollado:

Fig. 25. Circuito impreso del adaptador de impedancia


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28 de Febrero de 2013 entre las 18.30 y 22.30hs.

Temperatura, y presión:

18ºC con 1012hP



VNA <Código no relevado>



Se desea verificar la adaptación del circuito descripto en la ilustración anterior. Se utilizar el VNA que cuenta el departamento de Ingeniería Electrónica y se lo calibra adecuadamente. Luego, se conecta sobre el conector BNC de la derecha una carga de 50 Ohm mientras que sobre el otro se enchufa el VNA en el terminal Transmisor. Se adjunta el archivo de calibración utilizado.

Se obtiene lo siguiente:

Fig. 26. Representación en Smith de la lectura obtenida


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El valor que se observa está fuera de los límites de variación de los componentes utilizados, esto son, un stub en derivación y un capacitor de 1nF en serie partiendo desde la carga de 50 Ohm.

Fig. 27. Lugar geométrico en Smith de los componentes discretos de la palca del adaptador Se puede comprobar tras realizar mediciones moviendo el conector BNC de la izquierda a través de la pista del circuito, que se tiene un comportamiento espurio de característica inductivo serie. A continuación se trata de observar, ampliando el rango de frecuencia (80MHz~120MHz), si se puede utilizar este adaptador de impedancia a otra frecuencia. El resultado de dicha verificación no fue favorable, por lo que se termina optando por conectar directamente el modulador al analizador de espectro. Conclusión: Se toma conciencia que el diseño de filtros y adaptadores por arriba de los 5MHz no es una tarea sencilla ya que involucra tener conocimiento de ciertas reglas de diseño propiamente dicho, como así también, controlar y/o conocer parámetros físicos de los materiales utilizados. Por otro lado, para perfeccionar futuros diseños, es conveniente dejar disponible dos grados de libertad como mínimo para poder modificar el comportamiento del adaptador de acuerdo a las mediciones de máxima transferencia de energía y de esta manera permitir su calibración.


24


Se conecta el modulador con el analizador de espectro. Para una primera medición, ya que no se conoce con exactitud la potencia transmitida, se adiciona un atenuador de 10dB. Dicha conexión se realiza utilizando los siguientes conectores: Placa Modulador: BNC Hembra Conector 1: Adaptador BNC Macho a BNC Macho Conector 2: Adaptador BNC Hembra a SMA Macho Atenuador: SMA Hembra a SMA Macho Conector 3: SMA Hembra a SMA Hembra Conector 4: SMA Macho a BNC Hembra Conector 5: BNC Macho a BNC Macho Analizador de Espectro: BNC Hembra

Fig. 28. Tercer Setup de Medición

Potencia de Portadora y Estabilidad:

De esta manera, con el atenuador interno más el externo, se comprueba que la potencia transmitida está en el orden de los 15 a 18 dbm, siendo esta admisible por el instrumento. Las mediciones siguientes, se efectuaron sin estos conectores agregados ni el atenuador externo. Dado que se percibe que la portadora cuenta con demasiada inestabilidad por no tener cargada la etapa de pre-amplificación (quedando un terminal del diodo varicap al aire), no se puedo continuar con las mediciones que se se debían realizar. La fluctuación de la portadora variaba aproximadamente 18kHz sobre una portadora de 90Mhz, resultando esto 200ppm.


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4 de Marzo de 2013 entre las 8.30 y 11hs.

Temperatura, presión y humedad:

15ºC con 1015hP






Se conecta al Analizador de Espectro la palca del modulador sin ningún tipo de atenuador. Esta última, a su vez, se conecta al pre amplificador. Ambas palcas se alimentan con una tensión de aproximadamente 8 Volt (cuentan con reguladores de 5V) y consumen 30mA la placa transmisora y 10mA la preamplificadora. Así mismo, las fuentes que se utilizan cuentan con un borne de tierra, esta debe ser conectada a la masa del circuito (que se puede acceder desde el borne central de la bornera de cualquiera de las placas).

Fig. 29. Cuarto Setup de Medición


26

Potencia de Portadora y Estabilidad del Oscilador:

Se analiza la potencia y estabilidad con las siguientes configuraciones:

Fcentral = 84.91MHz Span = 40kHz RBW = 1kHz Ref. Level: 20dBm Att.: 40dB

Se observa una potencia ligeramente mayor a 10dBm (no quedó el market en la imagen):

Fig. 30. Potencia de portadora

Mientras que si se analiza la estabilidad, se observa variaciones menores de 4kHz sobre una portadora de 84,91MHz, esto es cercano a los 50ppm. Valor este último mucho mayor al admitido para este tipo de modulación (está regulado una variación de portadora en 20ppm para estaciones de radios comerciales).

Se adjunta video:

Video - Estabilidad (3gp)

Conclusión:

Estas variaciones se minimizaron, respecto con las obtenidas previamente, al cargar el VCO con la etapa pre-amplificadora y conectando la tierra a la masa. Físicamente, cada una de estas acciones modifica respectivamente la capacidad que observa el circuito oscilador y blindaje del campo magnético e interferencias electromagnéticas sobre el inductor del tanque resonante.


27

Componentes Armónicos:

Se analiza la portadora y sus armónicos con las siguientes configuraciones:

Fcentral = 400MHz Span = 800MHz RBW = 3MHz Ref. Level: 20dBm Atten.: 40dB

Se observa lo siguiente:

Fig. 31. Contenido Armónico


28

Se analiza a modo de ejemplo las primeras 4 armónicas, se obtiene la frecuencia y potencia utilizando configuraciones de span y de resolución adecuadas (para no incluir todo el ruido de fase dentro de la banda de paso del filtro de resolución):

Fig. 32. Fundamental y sus primeras 3 armónicas

De donde se puede extraer su nivel de potencia y posición:

Fundamental:

dBmP

MHzf

C 10

903,84

2da Armónica:

dBmP

MHzf

20

452,172

2

3ra Armónica:

dBmP

MHzf

28

658,255

3

4ta Armónica:

dBmP

MHzf

32

874,340

4


29

Se extrae de la Resolución SC Nº 142/96, publicada en la Comisión Nacional de Comunicaciones, el siguiente párrafo que expone:

Conclusiones:

El transmisor genera fuertes contenidos armónicos. La segunda armónica con -18dBc, por ejemplo, cae en la banda de radios reservada para los servicios de ambulancias y policía. Se debe mejorar la respuesta de este oscilador, utilizando un filtro pasa bajos que podría funcionar también como adaptador de impedancia para transferir a la antena la máxima energía posible. En estas condiciones, el circuito evaluado no sería apto para transmitir.


30

Ruido de Fase:

Si se utiliza la siguiente configuración:

Fcentral = fc Span = 1MHz RBW = 10kHz Ref. Level: 20dBm Atten.: 40dB

Se aprecia el ruido de fase de portadora:

Fig. 33. Ruido de Fase

El ruido de fase se mide:

resolución de filtro del ruido de banda de Ancho

fmoffset Frecuencia laen Fase de Ruido de Potencia

portadora de Potencia

fmoffset frecuencia laen espectral potencia de Densidad)(

log10)(

,

0

,0

noise

fmnoise

noise

fmnoise

RBW

P

P

fmL

Hz

RBWPPfmL


31

Modulación:

Se reproduce sobre el pre-amplificador 4 tonos (500Hz, 1kHz, 4kHz y 8kHz) y un archivo de audio. Se desea observar el espectro que dichas modulaciones producen y evaluar el ancho de banda utilizado.

Se define como modulación al 100% cuando se tiene una desviación de 75kHz.

Tono de 500Hz:

Fig. 34. Modulación de un tono de 500Hz

La potencia de la portadora se distribuye en sus bandas laterales. Las mismas poseen una desviación de 30kHz sobre una portadora de 84,94Mhz. Esta desviación corresponde a una modulación del 40% y ocupando un ancho de banda de 30kHz (evaluado en -40dBc).

Considerando que:

29

1500*2

301

2

12

Hz

kHz

fm

BW

fmBW

máx

FM

máxFM


32

Tono de 1kHz:

Fig. 35. Modulación de un tono de 1kHz

La potencia de la portadora se distribuye en sus bandas laterales. Las mismas poseen una desviación de 26,2kHz sobre una portadora de 84,94Mhz. Esta desviación corresponde a una modulación del 35% y ocupando un ancho de banda de 26,2kHz (evaluado en -40dBc).

Considerando que (se utiliza 2 ya que no es lo suficientemente mayor a uno):

11

21*2

2,261

2

22

kHz

kHz

fm

BW

fmBW

máx

FM

máxFM


33

Tono de 4kHz:


La potencia de la portadora se distribuye en sus bandas laterales y se observan que al aumentar la frecuencia del tono, estas disminuyen. Las mismas poseen una desviación de 22,5kHz sobre una portadora de 85,01Mhz. Esta desviación corresponde a una modulación del 30% y ocupando un ancho de banda de 22,5kHz (evaluado en -40dBc). En estas condiciones, se llega a percibir 3 bandas laterales dentro de su

banda de paso, lo que implicaría que 2 .

Además se observa la presencia de una AM incidental al notarse que las bandas laterales impares no poseen el mismo nivel de potencia.


34

Tono de 8kHz:


La potencia de la portadora se distribuye en sus bandas laterales y se observan que al aumentar la frecuencia del tono, estas disminuyen. Las mismas poseen una desviación de 22kHz sobre una portadora de 84,95Mhz.

El ancho de banda corresponde a una modulación en banda angosta. Siendo el ancho de banda el doble del tono modulante, en este caso de 16kHz. Correspondiendo de esta manera, una modulación del 21,3%.

De modularse con un tema de audio, se pode percibir un espectro como el siguiente. Notándose que el ancho de banda permanece casi contante alrededor de los 30Khz:

Fig. 38. Modulación con un tema de música


35

Se extrae de la Resolución SC Nº 142/96, publicada en la Comisión Nacional de Comunicaciones, el siguiente extracto que expone como se debe medir la distorsión:

Conclusiones:

Se puede apreciar que a medida que la frecuencia del tono modulante va en aumento (manteniendo su amplitud constante), el beta se reduce pero su ancho de banda permanece prácticamente inalterable (desviaciones de entre los 22kHz a los 30kHz). Notándose un comportamiento como el siguiente:

Fig. 39. Espectro de FM con desviación constante y frecuencia de tono en disminución.


36

Como:

kHzakfff

f30 Siendo

max

Conociendo la amplitud de la modulante, siendo ésta la que se conecta por el plug, se puede obtener el valor de kf de todo el sistema. Considerando al sistema Pre-Amplificador más Modulador.

La amplitud que se inyecta en estos tonos ensayados es de 200mV, por lo que el valor de la contante de modulación se obtiene:

VkHzmV

kHz

a

fkf

akff

/1062200

30

Como nota, cabe aclarar que este cálculo es para una dada posición de potenciómetro de ganancia ajustable

en la palca de pre-amplificador. La misma solo se debe ajustar para obtener el valor de f apropiado.


37

3. RESULTADOS

Los resultados y las conclusiones parciales se hayan tras cada medición. Ver sección Mediciones Realizadas.

4. DISCUSIÓN

Se detectaron algunos problemas durante el desarrollo del trabajo. En primera instancia, se armó un prototipo para realizar las primeras mediciones y se obtuvieron las primeras limitaciones que forjaron los recaudos necesarios que se tuvieron que tener en cuenta para la construcción de las placas utilizadas para estas mediciones. Por ejemplo, se puede nombrar el problema de estabilidad en el oscilador debido a la falta de blindaje del inductor, el material de circuito impreso, entre otros.

Por otro lado, las primeras mediciones sobre el analizador de espectro se realizaron utilizando una antena como entrada, por lo que el espectro sin transmisión posee señales que molestan para las mediciones que se iban a realizar. Por tal motivo, se tuvo que bajar la frecuencia de portadora por debajo de la banda comercial para poder hacer mediciones más limpias.

Luego, en las mediciones siguientes, se realizaron conectadas al analizador de espectro y conectando a tierra la masa del circuito. Permitiendo esto, mejorar la estabilidad del sistema.

5. AGRADECIMIENTOS

Se agradece la colaboración de los docentes y ayudantes de las cátedras de Medidas Electrónicas 2 y Electrónica Aplicada 3 por el tiempo dedicado para evacuar las dudas que han surgido.


38

6. CONCLUSIONES

A modo de conclusión y antes de abordar detalles específicos, se considera que la posibilidad de armar un proyecto en el transcurso de la cursada de esta materia es fructífera y permite tanto reformar como afianzar los conocimientos adquiridos. Así mismo, también da la posibilidad de tener un contacto más cercano con los instrumentales que se aprenden a utilizar durante el año.

Respecto a aspectos encontrados durante la realización del presente trabajo y que merecen ser mencionados, tal como se adelantó en parte en la sección discusión, se ha podido verificar que la manipulación de altas frecuencias requiere mucho más cuidado debido a su sensibilidad. Esto es, se debe tener control respecto a las condiciones ambientales, a las desadaptaciones, a las interferencias electromagnéticas y crosstalk.

Por otro lado, las simulaciones facilitan la realización de circuitos en forma virtual y tomar decisiones respecto a los efectos que pueden producirse y dan una idea de lo que se debería estar esperando cuando se va a medir. Con banda base generalmente esto sucede, pero al involucrar circuitos de alta frecuencia en la cual se debe utilizar valores de capacidades que no están del todo definidas por los fabricantes o no se tiene disponibles todas las librerías, se torna necesario realizar algún prototipo.

Para finalizar, se considera que sería muy ventajoso poder dedicarle más tiempo a esta clase de actividad, complementa la realización de los trabajos prácticos e integra gran parte del programa de la asignatura y de la carrera.

7. REFERENCIAS

Clases teóricas de Juan Cecconi y Jorge Rodriguez Mallo

Bruce A Carlson, Sistemas de Comunicaciones

Notas de Aplicación del Analisador de Espectro Agilent:

o AN Agilent Optimizing Dynamic Range for Distortion Measurements

o AN 150-1 Spectrum analyzer AM&FM

Resolución SC Nº 142/96, Comisión Nacional de Comunicaciones


39

8. ANEXOS

A. Comentarios

Tras las diversas presentaciones de este proyecto, se puede comentar que para mejorar el prototipo desarrollado, se puede:

Utilizar capacitores no axiales para la realización del adaptador de impedancia. Dado que los

capacitores que se utilizaron en el prototipo fue tipo cerámico, estos presentan una auto-resonancia a

frecuencias cercanas e inferiores del rango de operación haciendo que los mismos no se comporten

según lo esperado.

Utilizar técnicas de microstrip para ofrecer la impedancia característica deseada para la adaptación

de los conectores del modulador y adaptador de impedancia.

Mejorar el filtrado de fuente, utilizando capacitores de mayor tamaño y de diversas tecnologías para

abarcar un amplio espectro de operación y de esta manera disminuir la FM incidental que se percibió

en las mediciones efectuadas.

Medir con frecuencímetro la estabilidad del oscilador, y en consecuencia evaluar la posibilidad de

incorporar un lazo de fase.

Realizar un filtro de salida, de manera que, se pueda al menos atenuar la segunda armónicas y

eliminar las restantes mediante un filtro no disipativo.


40

B. Tablas de Bessel


41


42


43

C. Mediciones sobre el AE para levantar la curva de variaciones de la frecuencia de oscilador mediante la tensión de la modulante.


44


45


46

D. Hojas de Datos

BB105G


47


48

2SC3595:


49


50


51

E. Fotos de las Placas

Placa VCO:


52

Placa Antena:

Placa Pre-Amplificador:

universidad tecnolÓgica nacional …jcecconi/proyectos/2012/transmisor... · anchos de banda: fm...

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