Tag Archives: frecuencia

[Concepto] Receptor Heterodino

Si tenemos varias portadoras moduladas, para la demodulación se necesita un detector sintonizada para cada una, lo que significa complicar los receptores.

La idea consiste en que un solo receptor funciones para una banda de frecuencias de estaciones normadas, tomemos por ej la banda de AM (520Hz – 1600 Hz).

¿Como se soluciona el echo de tener varias portadoras moduladas? En principio luego de sintonizar la portadora deseada, lo que se hace es cambiar dicha frecuencia a otro valor único sin alterar la modulación. De tal manera que este proceso significa sintonizar cualquier portadora modulada dentro de la banda y cambiar su valor en otra frecuencia única de trabajo. Este proceso se lo denomina conversión y la nueva frecuencia recibe la denominación de frecuencia intermedia (FI).

De manera muy genérica se utiliza el término de receptor heterodino. Heterodinar significa mezclar. La señal de FI, se la amplifica y se la puede detectar con un solo demodulador, con independencia de la sintonizada.

La FI se obtiene mezclando la señal de entrada con una generada localmente por un oscilador que difiere de la sintoniza en una FI.

A la salida se obtendrá una gama de valores armónicos de sumas y restas y se sintonizara la que se desea. Esto implica que la señal del oscilador deberá variar en la medida de la sintonía manteniendo la relacion de una FI por encima o por debajo. Esto se expresa con la siguiente ecuación:

F(osc) = F(sint) ± FI

Obtenida la FI, se la amplifica y luego se realiza la detección y se  obtiene la banda base. La figura a continuación presenta un esquema en bloques simples de un receptor heterodino. Cuando en el receptor, el oscilador está por encima de la sintonía se los denomina superheterodinos.

receptor heterodino

Si bien es cierto, la generación de la FI, es una alternativa muy útil, aparece un problema muy particular y es el de la frecuencia imagen.

Supongamos que sintonizamos una portadora en 10 MHz modulada en AM y deseamos obtener una FI de 1 MHZ. La frecuencia del oscilador local deberá estar en 11 o en 9 MHz. Supongamos la respuesta de sintonía tal como se en la figura:

curva de sintonia

Nótese que por la característica de la sintonía de manera muy atenuada las otras dos estaciones pueden ser tomadas. Si el oscilador estuviera en 9 MHz la portadora de 8 MHz, al mezclarse de la FI (9-8=1 MHz) y si el socilador estuviere en 11 MHz se combina con la portadora de 12 MHz y se obtiene la FI (12-11=1).

Para ambos casos esta es una situación no deseada ya que se toma una portadora no sintonizada que ingresa como una sintoniza normal. Esta frecuencia se la denomina frecuencia imagen y surge como resultante de la conversión, se calcula como:

F(img) = F(sint) ± 2 FI

La frecuencia imagen no puede ser eliminada pero se pueden minimizar sus efectos por ejemplo haciendo más selectivo el sintonizador ed la entrada para que solo pase la portador deseada. Por esto es que se utiliza un amplificador de RF a la entrada del mezclador.

Pero debe tenerse en cuenta que cuando se desea obtener una FI, a aprtir de una portadora sintonizada muy elevada este amplificador no puede ser tan selectivo. Por ello es muy importante el criterio de elección de la FI. Esta debería ser tan baja como sea posible y tan alta como sea necesario, para que se pueda rechazar la imagen. Esto ha llevado a tener receptor de doble y hasta de triple conversión, obteniendo en primera instancia FI altas y luego por sucesivas conversiones la deseada.

El criterio es elegir la FI, de tal manera que la frecuencia imagen quede afuera de la banda de servicio del que se trata.

[Concepto] Modulación de Señales

modulacion AM

La modulación de señales esta presente en todos los procesos iniciales que hacen a las telecomunicaciones, su concepto es muy simple sin embargo, suele perderse de vista al empezar a estudiar los distintos tipos de modulaciones analógicas y digitales.

El proceso de establecer una comunicación, mediante una onda acústica, implica que dicha onda necesita un medio para propagarse, lo hace a la velocidad del sonido según el medio y no puede propagarse en el vacio. Este tipo de ondas son fácilmente atenuables y no constituyen un proceso ideal para establecer vínculos a grandes distancias, además no tienen confidencialidad.

La solución a estos 2 inconvenientes radica en utilizar ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz, por cualquier medio y sin atenuación, lo que trae aparejado la necesidad de utilizar un transductor que transforme las ondas acústicas en electromagnéticas.

Ocurre que para que una antena funciones como tal hay 2 condiciones que deben cumplirse mínimamente, el largo debe mantener una proporcionalidad con la longitud de la onda a transmitir y que la onda sea cosenoidal y periódica.

La señal a transmitir denominada Banda Base, que podría provenir de la voz humana no es periódica, lo que implica que por la antena pasarían las componentes espectrales periódicas de dicha señal. Pero existe otro problema más grave, supongamos que transmitimos un tono promedio de voz del orden de 1kHz, la longitud de onda sera:

λ = (3 e8/ 1 e3) =  300 km

Se puede apreciar que la longitud de onda para esta frecuencia es bastante grande, lo que implicaría que la antena debería mantener proporcionalidad con ese valor. Aún tomando submultiples pequeños la longitud de la antena resultante es físicamente irrealizable. Con el agravante de que cada vez que cambia la frecuencia del tono estaría variando la longitud de la antena.

La solución pasa por mantener el concepto de la onda electromagnética con una antena reducida. Esto significa utilizar una onda periódica de alta frecuencia, lo cual daría una antena corta y en su seno colocar la banda base de baja frecuencia.

Modular se denomina al proceso que consiste en trasladar la estructura original de información a otro punto del espectro de frecuencias. De echo que para poder escuchar esta información debe ser colocada de nuevo en la posición espectral original y a es te proceso inverso se lo denomina demodulación.  La siguiente figura muestra una representación en el eje de frecuencias.

modulacion y demodulacion

El ancho de la banda base cuando se modula la señal, al compararlo con la frecuencia de la portadora es despreciable, lo que implica que la antena sigue viendo la frecuencia de portadora con pequeñas variaciones.

A partir de este concepto es posible expresar que en un proceso de modulación interviene por un lado la banda base, es decir la información a transmitir y la portadora que es la señal cosenoidal periódica que trasladará en su seno la información

¿De que manera se ingresa la Banda Base en la Portadora?

La portadora es una onda periódica cuyos parámetros de definición son la amplitud, la frecuencia y la fase. De tal manera que según el parámetro que varíe la Banda Base surge la denominación de la técnica.

  • AM: Modulación de amplitud
  • FM: Modulación de frecuencia
  • PM: Modulación de fase

A su vez la modulación de amplitud y frecuencia pueden ser realizada mediante diversas técnicas:

Amplitud Modulada

  • AMDSB: doble banda lateral con portadora.
  • AMDSBSC: doble banda lateral con portadora suprimida.
  • SSB: banda lateral única (BLU).
  • VSSB: banda lateral vestigial.
  • ISSB: banda lateral independiente.

Frecuencia Modulada

  • Mono
  • Estereo

Si la banda base es digital se da origen a alas modulaciones digitales.

ASK (amplitude-shift keying)

  • NASK: ASK con combinación de niveles de amplitud.

FSK (frequency-shift keying)


PSK (phase-shift keying)

  • DPSK: PSK diferencial.
  • QPSK: PSK con fases en cuadratura.
  • DQPSK: QPSK diferencial.
  • NPSK: PSK con combinación de niveles en fases.

NQAM (modulación de amplitud en cuadratura con combinaciones de nivel)

.
Ref: Teoria de las Comunicaciones. MSc. Ing. Pedro E Danizio

Osciladores de Cristal Piezoelectrico

osciladores-de-cristal

La principal diferencia entre un circuito oscilador a cristal y un oscilador LC, es que el circuito tanque LC no se utiliza, en su lugar se emplea un cristal de material piezoeléctrico que fija la frecuencia de oscilación. Un cristal presenta muchas ventajas respecto, entre ellas la capacidad de producir una frecuencia precisa y estable.

Efecto Piezoelectrico

Puede resumirse el efecto básicamente a los siguiente: Existen materiales denominados piezoeléctricos los cuales al verse sometidos a una tensión mecánica (torsión, corte, compresión) produce una oscilación eléctrica y viceversa.

Coeficiente de Temperatura

Un cristal o los circuitos osciladores de cristal presentan una influencia baja a las variaciones de la temperatura de trabajo. La relación existente entre la magnitud del cambio en la frecuencia ∆f y el cambio en la temperatura (∆C) se expresa en  hertz por megahertz de frecuencia de operación del cristal por grados Celsius (Hz/MHz/°C). El cambio fraccionado en frecuencia se da frecuentemente en partes por millón (ppm) por °C.

Por ejemplo, un coeficiente de temperatura de + 20 Hz/ MHz/°C es igual que + 20 ppm/°C.

Si al aumentar la temperatura la frecuencia sube y al bajar la temperatura la frecuencia baja se dice que el cristal tiene un coeficiente de temperatura positivo. Si un incremento en la temperatura causa una reducción en la frecuencia y una reducción en la temperatura causa un incremento en la frecuencia, el cristal presenta un coeficiente de temperatura negativo.

El coeficiente de temperatura de un cristal varía dependiendo del tipo del corte del cristal y su temperatura de operación. Podemos expresarlo matemáticamente por medio de la siguiente expresión

osciladores cristal

∆f = variación de frecuencia (Hz)
k = coef de temperatura (Hz/MHz/º C)
fn = frecuencia natural del cristal (MHz)
∆C = variación de la temperatura (º C)

La frecuencia de operación (fo) queda determinada por:   fo = fn + Δf

Circuito Equivalente de un Cristal

La siguiente figura ilustra el circuito equivalente de un cristal, donde los componentes eléctricos son equivalentes a las propiedades mecánicas del cristal

circuito-equivalente-cristal

Fig 1. Circuito Equivalente Electrico de un Cristal

R representa la perdidas debido a la fricción mecánica, L es equivalente a la masa del cristal en vibración, C1 indica el relajamiento mecánico del cristal y C2 es la capacitancia real que se forma entre los electrodos del cristal que es un dieléctrico.

La relación entre la masa y la fricción mecánica L/R es alta, típicamente L varia entre 0,1 Hy y 100 Hy es debido a esto que el factor de estabilidad Q es tan alto en los cristales. Recordemos que un cristal puede tener tranquilamente un Q entre el rango 10.000-100.000 vs el rango 100-1.000 de los circuitos LC, en este aspecto reside la alta estabilidad de la los osciladores de cristal. C1 presenta valores menores a 1pF, mientras que C2 varia entre 4 y 40 pF

De la figura podemos notar que existen 2 circuitos equivalentes, uno serie y otro paralelo en los cristales y por lo tanto dos impedancias equivalentes. La impedancia serie es la combinación de R, L y C1.

Zs = R ± jX     ; donde X = |Xl – Xc|

La impedancia paralela despreciando C1 y R, nos queda igual a un circuito paralelo L – C2:

Zp = (Xl . XC2) / (Xl + XC2)

Si la frecuencia es muy baja, la impedancia serie es muy alta y su reactancia (X) negativa (fig 2.b). A medida que la frecuencia aumenta alcanza un punto (f1) en el cual Xl = XC1, en esta frecuencia la impedancia serie es mínima y puramente resistiva. Si la frecuencia sigue aumentando, al llegar a f2, la impedancia serie aumenta exponencialmente volviéndose inductiva pura.

La combinación en paralelo entre L y C2 provoca que el cristal se comporte como un circuito de resonancia paralela (impedancia máxima), la diferencia entre f1 y f2 generalmente es chica (por ej 1% de la frecuencia de resonancia natural del cristal).

resonancia-serie-paralela-cristal

Fig 2. (a) Curva de Impedancia. (b) Curva de Reactancia

Según la configuración elegida para el circuito oscilador, el cristal va a operar en su frecuencia de resonancia serie o paralela. La frecuencia de resonancia serie es:

resonancia-serie-cristal

y la de resonancia paralela:

resonancia-paralela-cristal

Circuitos de Osciladores de Cristal

Si bien existen muchas configuraciones y circuitos osciladores posibles de realizar mediante el uso de cristales piezoeléctricos,  los osciladores más comunes son el oscilador discreto de Pierce (sencillo con estabilidad de frec aceptable) y el medio puente RLC (excelente estabilidad de frec)

Estabilidad de Frecuencia

estabilidad frecuencia

Los osciladores se calculan para que su señal de salida oscile a una frecuencia determinada, pero esta generalmente no se mantiene fija sino que varia dentro de un rango, la habilidad mantener su frecuencia de oscilación constante se denomina estabilidad de frecuencia.

La estabilidad puede clasificarse como de corto o largo plazo

  • Estabilidad de Corto Plazo: Hace referencia a las variaciones de la frecuencia producto de las fluctuaciones en las condiciones de operación de continua (corrientes y tensiones).
  • Estabilidad a Largo Plazo: Se ve afectada por el desgaste con el paso del tiempo de los componentes, producto de la temperatura y humedad.

La variación o cambio en la frecuencia de salida se representa como un porcentaje de cambio del valor deseado. Por ejemplo, un oscilador operando a 100 kHz con una estabilidad de ±5% operará a una frecuencia de 100 kHz + 5 kHz, es decir que su salida puede variar entre 95 y 105 kHz.

La estabilidad de un oscilador se ve afectada por varias causas, las más importantes son aquellas que afectan directamente el valor de los componentes que determinan la frecuencia. Las inductancias, capacitancias, resistores y transistores se ven afectados por la deriva (cambios en la temperatura y humedad). Es por ello que los osciladores RC o LC son los que peor estabilidad  de frecuencia presentan, pueden mejorarse  regulando la fuente de poder en cc y minimizando las variaciones ambientales o empleándose componentes especiales independientes de la temperatura.

La tolerancia en la variación en frecuencia se encuentra reglamentada para las portadoras de radio frecuencias (AM o FM). Esto se debe a que al ser el medio compartido (espacio libre), las variaciones en la frecuencia de transmisión de una fuente emisora puede llegar a  interferir con las transmisiones de otras fuentes si sus el ancho de banda de transmisión se traslapan.

Por lo tanto, es importante que todas las fuentes mantengan su frecuencia de operación dentro de una tolerancia específica.