Electrónica de Comunicaciones ATE-UO EC RX 00 CONTENIDO RESUMIDO: 1- Introducción. 2- Osciladores. 3- Mezcladores y su uso en modulación y demodulación. 4- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos. 5- Amplificadores de pequeña señal para RF. 6- Amplificadores de potencia para RF. 7- Moduladores. 8- Demoduladores. 9- Tipos y estructuras de receptores de RF. 10- Tipos y estructuras de transmisores de RF. 11- Transceptores para radiocomunicaciones.
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Electrónica de Comunicaciones ATE-UO EC RX 00 CONTENIDO RESUMIDO: 1- Introducción. 2- Osciladores. 3- Mezcladores y su uso en modulación y demodulación.
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Electrónica de Comunicaciones
ATE-UO EC RX 00
CONTENIDO RESUMIDO:
1- Introducción.
2- Osciladores.
3- Mezcladores y su uso en modulación y demodulación.
4- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos.
5- Amplificadores de pequeña señal para RF.
6- Amplificadores de potencia para RF.
7- Moduladores.
8- Demoduladores.
9- Tipos y estructuras de receptores de RF.
10- Tipos y estructuras de transmisores de RF.
11- Transceptores para radiocomunicaciones.
9- Tipos y estructuras de receptores de RF
Cualidades de un receptor:• Sensibilidad: capacidad de recibir señales débiles. Se mide como tensión en la entrada necesaria para obtener una relación determinada entre señal y ruido a la salida
• Selectividad: capacidad de rechazar frecuencias indeseadas. Se mide como cociente de potencias de entrada de las señales de frecuencias indeseadas y de la deseada que generan la misma señal de salida
• Fidelidad: Capacidad de reproducir las señales de banda base para una distorsión especificada
• Margen dinámico: cociente entre niveles máximos y mínimos de potencia de entrada que garantizan funcionamiento correcto del receptor
ATE-UO EC RX 01
Antena Información
Amplificación y filtrado en alta
frecuenciaDemodulación
Amplificación en banda base
Tipos de receptores:• Homodino o de detección directa o de conversión directa • Reflex • Regenerativo o receptores a reacción• Superregenerativo o receptores a superreacción
• Superheterodinos• De simple conversión
• De conversión múltiple
ATE-UO EC RX 02
Filtro de RF 1
Antena
Información
Etapa de RF 1
Demodulador
Amplificador de banda base
Filtro de RF n
Etapa de RF n
Receptor homodino (I)Hay n etapas de RF, todas sintonizadas a la frecuencia a recibir
Receptor homodino (II) Presenta importantes problemas en receptores de frecuencia variable
f≈ [21/n– 1]1/2·fo/Q = [21/n– 1]1/2·2fo2L /R
Antena
Demodulador
Filtro 1Etapa 1 Filtro 2 Etapa 1 Filtro n Etapa n
Variable en función de la frecuencia a recibir
Cálculo del número de etapas en función de la frecuencia a recibir y del ancho de banda deseado (véanse las diapositivas ATE-UO EC amp señ
63):
Ejemplo (suponiendo que las bobinas son ideales, que no es realista):
Receptor de MF 0,5 - 1,6 MHz, con fO = 20 kHz y Q = 25 @ 0,5 MHz
Si n = 1 y fO ≈ 20 kHz @ 500 kHz fO ≈ 200 kHz @ 1,6 MHz
Si n = 3 y fO ≈ 10 kHz @ 500 kHz fO ≈ 100 kHz @ 1,6 MHzATE-UO EC RX 03
Receptor homodino (III)
Resumen de las limitaciones del receptor homodino:
• Necesidad de muchos filtros cuando fO >> fO (o de filtros muy
agudos)
• Muchos filtros variables si la frecuencia es variable
• Dificultad de mantenimiento del ancho de banda de recepción en el margen de frecuencias de recepción (selectividad variable en función de la frecuencia de recepción)
• Posibilidad de oscilaciones por acoplamientos parásitos entre entrada y salida, al operar todas las etapas de RF a la misma frecuencia
ATE-UO EC RX 04
Antena
Demodulador
Filtro 1Etapa 1 Filtro 2 Etapa 1 Filtro n Etapa n
Variable en función de la frecuencia a recibir
Antena
Demodulador
Filtro 1Etapa 1 Filtro 2 Etapa 1 Filtro n Etapa n
AntenaAntena
Demodulador
Filtro 1Etapa 1 Filtro 2 Etapa 1 Filtro n Etapa nFiltro n Etapa n
Variable en función de la frecuencia a recibirVariable en función de la frecuencia a recibir
Antena
Información
vo(Ot)
Amplificador de banda base
Filtro de banda base
Filtro de RF
Amplificador de RF
Detector coherente
Receptor homodino (IV)Un receptor homodino es útil si:
• El demodulador es del tipo detector coherente
• La banda de recepción es relativamente estrecha
ATE-UO EC RX 05
O pASK
pero O pASK
Ejemplo: demodulación de radiotelegrafía al oído
vpASKpASK
vpASK
vmez
vf
vmez vf
Receptor homodino (V)
ATE-UO EC RX 06
Otro ejemplo: demodulación de SSB
Antena
Información
vo(Ot)
Amplificador de banda base
Filtro de banda base
Filtro de RF
Amplificador de RF
Detector coherenteAntena
Información
vo(Ot)
Amplificador de banda base
Filtro de banda base
Filtro de RF
Amplificador de RF
Detector coherenteAntenaAntena
Información
vo(Ot)
Amplificador de banda base
Filtro de banda base
Filtro de RF
Amplificador de RF
Detector coherente
vf
0m
vf
vpUSB, pUSB = p+ m
Se sintoniza = p
vpUSB
p
p+m0
O
0
Filtro de banda base
El filtro de banda base fija la selectividad del receptor
Receptor homodino (VI)
ATE-UO EC RX 07
vpUSB1
pUSB1
vpUSB2
pUSB2Antena
Información
vo(Ot)
Amplificador de banda base
Filtro de banda base
Filtro de RF
Amplificador de RF
Detector coherenteAntena
Información
vo(Ot)
Amplificador de banda base
Filtro de banda base
Filtro de RF
Amplificador de RF
Detector coherenteAntenaAntena
Información
vo(Ot)
Amplificador de banda base
Filtro de banda base
Filtro de RF
Amplificador de RF
Detector coherente
vf
Problema: dos señales de frecuencias cercanas
O
0
p1
vpUSB1
p1+m10
p2
p2+m2
vpUSB2 Filtro de banda base
0m1
vf
(O-p2-m2)
Señal no inteligible, que no se puede filtrar en la entrada de RF.
No se elimina la “banda imagen”
Receptor homodino (VII)
Antena
Información
Amplificador de banda base
Filtro de banda base
Filtro de RF
Amplificador de RF
Detector coherente con mezclador I/Q
vo(Ot)
vf1
/2
/2
-/+
vf2
vf2’
Filtro de banda base
Solución: uso de un detector coherente con mezclador I/Q
0m1
vfvpUSB1
p1
p1+m10O
p2
p2+m2
vpUSB2
ATE-UO EC RX 08
vpUSB1
pUSB1
vpUSB2
pUSB2
Filtro de banda base
Ejemplo de esquema real de receptor homodino para 7 MHz(obtenido del ARRL Handbook 2001)
Mezclador
Oscilador
Red de adaptación de 7MHz
Filtro pasa-bajos de BF
Amplificador de BF y filtro pasa-bajos
Filtro pasa-bajos de BF
Amplificador de BF
ATE-UO EC RX 09
ATE-UO EC RX 10
Receptor reflex
Sólo tiene interés histórico
+
Filtro de RF
Antena
Etapa amplificadora mixta de RF y de BF
Demodulador
Amplificador de BF
+
Filtro pasa-bajos de BF
Filtro pasa-altos de RF
BF
BF
BF RF
RF
RF
BF RF
+BF
RF+BF
ATE-UO EC RX 11
Receptor regenerativo o a reacción
También sólo tiene interés histórico
+
Filtro de RF
Antena
Etapa de RF
Demodulador (opcional)
Amplificador de BF
+
Filtro pasa-bajos de BF (opcional)
Control de realimentación (regeneración, reacción)
Realimentación positiva alta ganancia, alta selectividad
Demodulación con detector de pico realimentación positiva sin oscilación
Demodulación como detector coherente realimentación
positiva con oscilación
Ejemplo de esquema real de receptor regenerativo para HF(ejemplar de sep/oct. de 2000 de la revista QEX, escrito por Charles Kitchin)
Filtro pasa-bajos de BF
Control de la realimentación
Realimentación y filtro de RF
ATE-UO EC RX 12
Amplificador de RF (previo)
Amplificador de RF realimentado
ATE-UO EC RX 13
Receptor superregenerativo o a superreacción
Tiene interés histórico y uso actual en productos de muy bajo coste:• Juguetes• Radiocontroles
Filtro pasa-bajos de BF
+
Filtro de RF
Antena
Etapa de RF Amplificador de BF+
Control de realimentación
Bloqueo de oscilaciones (≈100kHz)
27 MHz
100 kHz
27 MHz
Señal de BF
Ejemplo de receptor superregenerativo para VHF(ejemplar de sep/oct. de 2000 de la revista QEX, escrito por Charles Kitchin)
Filtro pasa-bajos de BF
Control de la realimentación
ATE-UO EC RX 14
Amplificador de RF realimentado
Realimentación y filtro de RF
Receptor superheterodino de simple conversión (I)
Antena
Información
Filtro de RF
Amplificador de RF
Mezclador
Filtro de IF
Amplificador de IF
Demodulador
Amplificador de BB
Es el tipo de receptor de uso general
Variable en función de la frecuencia a recibir
Idea fundamental: convertir todas las frecuencias a recibir a una constante llamada “Frecuencia Intermedia”. El mayor esfuerzo en filtrado y amplificación en alta frecuencia se hace a la frecuencia intermedia. La sintonía se lleva a cabo modificando la frecuencia del oscilador (oscilador local) y del filtro.
ATE-UO EC RX 15
Antena
Información
Filtro de RF
Amplificador de RF
Mezclador
Filtro de IF
Amplificador de IF
Demodulador
Amplificador de BB
Antena
Información
AntenaAntena
Información
Filtro de RF
Amplificador de RF
Mezclador
Filtro de IF
Amplificador de IF
Demodulador
Amplificador de BB
Filtro de RF
Amplificador de RF
Mezclador
Filtro de IF
Amplificador de IF
Demodulador
Amplificador de BB
Variable en función de la frecuencia a recibirVariable en función de la frecuencia a recibir
Receptor superheterodino de simple conversión (II)
ATE-UO EC RX 16
Gfiltro IF [dB]0
-20
-40
-60400 f [kHz] 500
Ejemplo: Receptor de radiodifusión en OM (MF, modulación en
Receptor superheterodino de simple conversión (VII)
ATE-UO EC RX 21
Caso 1: fosc= fRF - fIF
Las posibles frecuencias a recibir se obtienen sustituyendo este valor de fosc en la ecuación fIF = fant ± fosc y resolviéndola:
fIF = fant ± (fRF - fIF) ± fIF = fant ± (fRF - fIF)
fIF = fant + fRF - fIF fant = 2fIF - fRF
fIF = fant - fRF + fIF fant = fRF
- fIF = fant + fRF - fIF fant = - fRF
- fIF = fant - fRF + fIF fant = fRF - 2fIF
fant = fim = 2fIF – fRF
fant = fim = fRF - 2fIF
fant = fRF
fim =fRF - 2fIF
fosc
fIFFiltro de RF
Amplificador de RF
Mezclador
Filtro de IF
Amplificador de IF
Filtro de RF
Amplificador de RF
Mezclador
Filtro de IF
Amplificador de IF
No es fRF, luego es fim
Receptor superheterodino de simple conversión (VIII)
ATE-UO EC RX 22
Caso 2: fosc= fRF + fIF
Las posibles frecuencias a recibir se obtienen sustituyendo este valor de fosc en la ecuación fIF = fant ± fosc y resolviéndola:
fIF = fant ± (fRF + fIF) ± fIF = fant ± (fRF + fIF)
fIF = fant + fRF + fIF fant = - fRF
fIF = fant - fRF - fIF fant = 2fIF + fRF
- fIF = fant + fRF + fIF fant = - (2fIF + fRF)
- fIF = fant - fRF - fIF fant = fRF
fant = fim = 2fIF + fRF
fant = fRF
fim =2fIF + fRF
fosc
fIFFiltro de RF
Amplificador de RF
Mezclador
Filtro de IF
Amplificador de IF
Filtro de RF
Amplificador de RF
Mezclador
Filtro de IF
Amplificador de IF
No es fRF, luego es fim
Receptor superheterodino de simple conversión (IX)
ATE-UO EC RX 23
Caso 3: fosc= fIF - fRF
Las posibles frecuencias a recibir se obtienen sustituyendo este valor de fosc en la ecuación fIF = fant ± fosc y resolviéndola:
fIF = fant ± (fIF - fRF) ± fIF = fant ± (fIF - fRF)
fIF = fant + fIF - fRF fant = fRF
fIF = fant - fIF + fRF fant = 2fIF - fRF
-fIF = fant + fRF - fIF fant = - fRF
- fIF = fant - fRF + fIF fant = fRF - 2fIF
fant = fim = 2fIF - fRF
fant = fRF
fim =2fIF-fRF
fosc
fIFFiltro de RF
Amplificador de RF
Mezclador
Filtro de IF
Amplificador de IF
Filtro de RF
Amplificador de RF
Mezclador
Filtro de IF
Amplificador de IF
No es fRF, luego es fim
2fIF
Receptor superheterodino de simple conversión (X)
ATE-UO EC RX 24
fim_min Banda imagenfim_max
fosc_min
Margen del oscilador
fosc_max
f
Banda deseadafRF_min
fRF_max
fIF
fant = fRF
fim =fRF - 2fIF
Caso 1: fosc= fRF - fIF
fosc
fIFFiltro de RF
Amplificador de RF
Mezclador
Filtro de IF
Amplificador de IF
Filtro de RF
Amplificador de RF
Mezclador
Filtro de IF
Amplificador de IF
Receptor superheterodino de simple conversión (XI)
ATE-UO EC RX 25
Caso 2: fosc= fRF + fIF
fant = fRF
fim =2fIF + fRF
2fIF
fRF_min
f
Banda deseada
fRF_max
fosc_min
Margen del oscilador
fosc_max
Banda imagen
fim_min fim_max
fIF
fosc
fIFFiltro de RF
Amplificador de RF
Mezclador
Filtro de IF
Amplificador de IF
Filtro de RF
Amplificador de RF
Mezclador
Filtro de IF
Amplificador de IF
Receptor superheterodino de simple conversión (XII)
ATE-UO EC RX 26
Caso 3: fosc= fIF - fRF
fosc_min fosc_maxMargen del oscilador
f
fRF_min
Banda deseada
fRF_max
fIF
fim_minfim_max
Banda imagen
fant = fRF
fim =2fIF -fRF
=fIF +fosc
fosc_min
fim_min = fIF + fosc_min
fosc_min
fosc_min
fosc
fIFFiltro de RF
Amplificador de RF
Mezclador
Filtro de IF
Amplificador de IF
Filtro de RF
Amplificador de RF
Mezclador
Filtro de IF
Amplificador de IF
ATE-UO EC RX 27
Ejemplo de circuito integrado para receptor de radiodifusión en OM (MF, modulación en AM)
Receptor superheterodino de simple conversión (XIII)
Concepto de “rechazo a la frecuencia imagen”, IR, en receptores superheterodinos
ATE-UO EC RX 28
vfitro_RF(f) / vfitro_RF(fo)[dB]
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0,5·fo fo 1,5·fo 2·fo 2,5·fo
fRF fim
IR
¿Cómo mejorar (aumentar) el IR?
Métodos para mejorar el rechazo a la frecuencia imagen en receptores superheterodinos
ATE-UO EC RX 29
• Usar estructura de mezcladores con rechazo de banda imagen (estructura I/Q)
• Usar un filtro de RF más agudo
• Separar más la frecuencia imagen
vo
/2
/2
-/+
vf2’
vs
Antena
Filtro de IF
Amplificador de IF
Mezcladores con rechazo de banda imagen (no los estudiaremos aquí)
Ejemplo de transceptor con receptor con rechazo de banda imagen por estructura I/Q
ATE-UO EC RX 30
Uso de un filtro de RF más agudo para mejorar el rechazo a la frecuencia imagen (I)
ATE-UO EC RX 31
IR’
vfitro_RF(f) / vfitro_RF(fo)[dB]
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0,5fo fo 1,5fo 2fo 2,5fo
fimfRF
IR • Fácil de conseguir si fRF cambia
relativamente poco.
• Se pueden usar varios circuitos resonantes o “SAWs” (en UHF o VHF)
• En caso contrario, hay que usar condensadores variables de varias secciones o varios diodos varicap.
Al amplificador de RF
Osciladorlocal
Condensadorvariable de tres secciones Control del oscilador local
+ Vcc
G D
S
Al mezclador
Osciladorlocal
Control del oscilador local
Uso de un filtro de RF más agudo para mejorar el rechazo a la frecuencia imagen (II)
ATE-UO EC RX 32
G D
SOscilador
local
Control con diodos varicap
ATE-UO EC RX 33
vfitro_RF(f) / vfitro_RF(fo)[dB]
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0,5fo fo 1,5fo 2fo 2,5fo
fimfRF fim’
IRIR’ ¿Cómo se puede aumentar la
diferencia entre fRF y fim?
Con una elección adecuada de fIF (en general, aumentándola)
Aumento de la diferencia entre fRF y fim para mejorar el rechazo a la frecuencia imagen (I)
Diseño Caso 1 (fosc= fRF - fIF): fim =fRF - 2fIF; con fRF > 2fIF fRF - fim =2fIF
crece con fIF
Diseño Caso 2 (fosc= fRF + fIF): fim =2fIF + fRF fim - fRF =2fIF crece con fIF
Diseño Caso 3 (fosc= fIF - fRF): fim =2fIF-fRF fim -fRF =2(fIF-fRF)
crece con fIF
ATE-UO EC RX 34
Problema: la selectividad del receptor está fijada por la del filtro de IF. Si aumenta fIF aumenta su ancho de banda (para igual Q) y, por tanto, disminuye la selectividad del receptor. Para solucionar este problema hay dos soluciones posibles:
• Usar filtros de más calidad (filtros a cristal en vez de cerámicos)
• Usar una estructura de conversión múltiple (doble o triple)
Aumento de la diferencia entre fRF y fim para mejorar el rechazo a la frecuencia imagen (II)
Ejemplo 1: Receptor de radiodifusión en OM (MF, modulación en AM)
Ejemplo 5: realización práctica con un circuito integrado MC13135
Ejemplos de receptores de doble conversión reales (III)
ATE-UO EC RX 43
Criterios:• Evaluar los valores necesarios de selectividad y rechazo a frecuencia imagen. Teniendo en cuenta el coste, decidir la estructura de conversión y el tipo de filtro de IF a usar• Evitar que la frecuencia intermedia coincida con una de las posibles del oscilador local. En caso contrario y como el mezclador no es ideal, la señal del oscilador entrará en el amplificador de IF y provocará su saturación• Evitar que la frecuencia intermedia coincida con uno de los posibles armónicos de las posibles frecuencias del oscilador local. Las razones son las mismas que en el caso anterior• Evitar coincidencia entre una de las posibles frecuencias de RF y la frecuencia de IF. En caso contrario y en un diseño “Caso 1”, el oscilador llegaría a frecuencia 0. En un diseño “Caso 2” y como el mezclador no es ideal, las señales de mezcla y la de entrada pueden tener problemas de fase. Además podría haber oscilaciones parásitas por coincidencia de frecuencias entre entrada y salida• Intentar usar frecuencias normalizadas por los fabricantes de filtros piezoeléctricos
Elección de los valores de las frecuencias intermedias de un receptor superheterodino
ATE-UO EC RX 44
Comportamiento no ideal del mezclador y del oscilador
ATE-UO EC RX 45
Hasta aquí se ha supuesto que la salida del mezclador era ideal:
fIF = fant ± fosc. En estas condiciones, la única señal interferente es la frecuencia imagen
Sin embargo, los mezcladores no son ideales, generando a su salida:
fIF = m·fant ± n·fosc. Por tanto, la solución de esta ecuación da origen a más posibles señales que generan interferencias (espúreos)
Para evitar lo más posibles la generación de espúreos:
• La señal del oscilador local debe ser muy senoidal (pocos armónicos) y de la amplitud adecuada
• El mezclador debe ser lo más ideal posible (doblemente equilibrado)
• Se debe disminuir la ganancia del amplificador de RF cuando hay señales adyacentes fuertes concepto de modulación cruzada
Concepto de modulación cruzada
ATE-UO EC RX 46
Filtro de RF
RF
Filtro de IF
fIF = m·fant ± n·fosc
Una señal muy fuerte en un canal adyacente provoca un funcionamiento “no cuadrático” del mezclador, diseñado para trabajar correctamente con señales más débiles. Esto hace posible la
recepción de señales interferentes que verifican fIF = m·fant ± n·fosc. La
solución es bajar la ganancia de RF
fRF1 (deseada) fRF2 (indeseada y muy fuerte)
fRF4 (indeseada)
fRF3 (indeseada)
Sin fRF2 se procesa sólo fRF1 Con fRF2 se procesan fRF1, fRF3 y fRF4
AGC en un receptor de AM
Subsistemas de control en receptores
• El control automático de ganancia (AGC o CAG) • El silenciador o “squelch”
RF IF BF
AGC
AGCDisminuye la ganancia de las etapas en función de la amplitud de las señales. Es muy fácil de realizar en AM y difícil (pero necesario) en DSB y SSB. A veces no se usa en FM
Línea de AGC
ATE-UO EC RX 47
Se utiliza en receptores de transmisiones en VHF y UHF moduladas en FM. Silencia el amplificador de audio cuando no hay señal de RF para evitar el “soplido” o ruido de fondo, con objeto de evitar las molestias que causa y para ahorrar consumo
ATE-UO EC RX 48
RF IF
Demodulador de cuadratura
BFDEM
Squelch
El silenciador o “squelch”
Se detecta la presencia del “soplido” por filtrado “pasa altos” y detección de pico. Si existe soplido, se silencia el amplificador de baja frecuencia. Si existe señal de RF entonces no existe el soplido y, por tanto, no se silencia el amplificador de baja frecuencia. El filtro “pasa-altos” no debe dejar pasar las señales de la frecuencia de la moduladora