UNC. Transmisor de voz de amplitud modulada.

TRANSMISOR DE VOZ DE AMPLITUD MODULADA

Daniel Alejandro Flóreze-mail: daflorezm@unal.edu.coSebastián Alejandro Garzóne-mail: sagarzong@unal.edu.co

1 INTRODUCCIÓN

Este informe tiene como objetivo principal presentar un recuento con la teoría y el desarrollo matemático de la implementación de un transmisor de voz mediante modulación de amplitud usando las herramientas brindadas por el curso de Señales y Sistemas I.

2 MARCO TEÓRICO

2.1 MODULACIÓN DE AMPLITUD

Es un proceso en el cual se mezclan dos señales con el fin de transmitir la información de una señal original evitando la atenuación de esta.

Matemáticamente consiste en el producto de la señal original que nombraremos moduladora y(t) que posee una frecuencia baja con otra señal que llamaremos portadora p(t) de alta frecuencia que tiene un mayor rango de transmisión. El resultado es una señal de alta frecuencia con amplitud variable de acuerdo a y(t).

Fig 1.

Modulación de Amplitud

2.2 OSCILADOR LC

Conocido como oscilador tanque, es un circuito electromagnético, compuesto por un capacitor y un inductor, que permite generar una señal oscilante de frecuencia conocida dependiente de los valores nominales de los elementos. El capacitor, en un tiempo igual a cero, ofrece una impedancia cercana a cero ohmios, por lo que permite que fluya una gran corriente a través de él, la cual va decayendo a medida que el capacitor se carga; por otra parte, en un tiempo igual a cero el inductor posee un impedancia casi infinita, por lo que no permite el flujo de la corriente a través de ella, pero esta va aumentando produciendo así un efecto de campo electromagnético que genera un vaivén de la corriente entre el capacitor y el inductor.

La frecuencia de la señal oscilante generada por este circuito está dada por la expresión matemática:

f= 12π √LC

Ec. 1. Frecuencia de oscilación LC

3 DISEÑO DEL CIRCUITO

3.1 PREAMPLIFICACIÓN DE LA SEÑAL DE VOZ

Esta etapa del circuito consiste básicamente en un amplificador usando un transistor BJT que permite aumentar el valor de tensión de la señal moduladora.

El modelo principal de este circuito es:

Fig 2. Amplificador polarización por division

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Moduladora

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Para A.C el circuito se puede llevar al siguiente equivalente:

Fig 3. Modelo a pequeña señal

De este primer circuito nos interesa principalmente conocer su ganancia de tensión, que es la cual determina la amplificación de la señal de entrada y(t). La expresión de ganancia para este circuito de polarización por división de tensión es:

Av=V 0

V i

≈RCre

Ec. 2. Ganancia de tensión

En donde re es la resistencia interna del transistor

dependiente de la polarización en D.C y su construcción. Su valor se calcula:

re=V TIE

= 25mV733 μA

=34.10Ω

Ec. 3. Resistencia interna

Fig 3. Circuito para polarización en D.C

Entonces la ganancia de voltaje del amplificador es:

Av=10kΩ34.10Ω

=293.2

3.2 OSCILADOR RF

3.2.1 Oscilador LC

Un par LC se encarga de generar l señal portadora del circuito por tanto los valores deben ser escogidos pensando en la frecuencia a la cual se va a transmitir.

Escogimos una frecuencia f≈1550Khz la cual corresponde a una banda vacía del rango AM comercial. Por facilidad se tomo un valor fijo del inductor y se utiliza un capacitor variable en el rango de picofaradios que permita alcanzar esta frecuencia. Idealmente el valor sería:

L=230 μH

C= 1

4 (πf )2 L= 1

4 (π 1550KHz )2(230 μH )≈45.84 pF

Ec. 4. Capacitancia

3.2.2 Mezclado de la señal

El uso de un segundo transistor en polarización de emisor sin derivación permite la mezcla de las señales moduladora y portadora, y utilizando un capacitor de desacople en la base se genera retroalimentación, permitiendo la oscilación del transistor. Mediante un capacitor en paralelo a colector-emisor del transistor se demarca la ruta de la retroalimentación.

La salida de la señal modulada en amplitud se tomaría del colector de este transistor.

3.3 OTRAS NOTAS

Para proporcionar más robustez al circuito se añaden capacitores en la alimentación de la etapa de preamplificación y del oscilador, eliminando posibles ruidos generados por la fuente DC, efectos externos al circuito y asegurando que las altas frecuencias generadas en la etapa del oscilador no se retroalimenten a la zona de la entrada de la señal moduladora.

4 MODULACIÓN DE LA SEÑAL

Una señal de voz puede variar tanto en amplitud como en frecuencia. Sin embargo puede modelarse como una onda sinusoidal, y haría las veces de señal moduladora en nuestro sistema.

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La oscilación del circuito LC es también una onda sinusoidal pero con una frecuencia mucho mayor a la de la voz.

y (t )=A y cos (ω y t+θ )

p (t )=A p cos (ω pt+Φ )

La señal modulada viene dada por la expresión:

M ( t )= y (t ) p ( t )=A y Ap cos (ωy t+θ )cos (ω pt+Φ )

Donde

A y= amplitud de la señal moduladora

Ap= amplitud de la señal portadora

ω y= frecuencia angular de la señal moduladora

ω p= frecuencia angular de la señal portadora

θ = ángulo de desfase de la señal moduladora

Φ = ángulo de desfase de la señal portadora

Así, la transmisión de la voz se da gracias al alto valor que posee la frecuencia de la portadora, y la voz actúa como una envolvente en donde la amplitud de los picos de la señal modulada corresponden a la señal original.

5 SIMULACIÓN

Mediante el uso de una herramienta de simulación de circuitos eléctricos podemos obtener un estimado del comportamiento que este tendrá al momento de realizarse. Además proporciona un sustento teórico de lo explicado anteriormente sobre el proceso de modulación de la señal.

Utilizando un software sencillo como NI Multisim, podemos realizar el montaje del circuito (ver Anexo 1) y obtener la forma de la señal de salida del transmisor AM (ver Anexo 2), en el que la onda dibujada en color rojo posee la frecuencia del par oscilador LC y su envolvente (forma definida por los picos de amplitud de la onda) es la señal de entrada amplificada.

En este caso el micrófono que permite capturar la señal para la transmisión se remplaza por una fuente de tensión sinusoidal con una frecuencia que haga parte del rango del espectro vocal (80Hz-1100Hz), y que en la grafica se representa en color azul.

6 RESULTADOS OBTENIDOS- CONCLUSIONES

Luego de realizar la simulación y encontrar tan buenos resultados en la salida de la señal, es necesario

hacer una retroalimentación con lo obtenido en la práctica con el circuito.

Realmente la modulación en amplitud no genera mayor problema, pero en el momento de demodular la señal es donde se presentan los inconvenientes. La frecuencia para transmisión no se encuentra completamente “limpia”, pues presenta rastros de otras frecuencias AM transmitidas en canales cercanos al mismo, por lo que se distorsiona la señal de interés; esto sumado al relativamente bajo rango de variación en un receptor de radio AM, hacen que la calibración de la frecuencia de la señal trasmitida se convierta en una tarea bastante laboriosa.

Por otro lado, es necesario que la antena del transmisor sea lo suficientemente extensa como para ser captada por un receptor AM convencional, pero bajo condiciones especificas como transmisión en un lugar cerrado con poca interferencia de señales comerciales y la conexión de una antena de por lo menos 2m se pueden obtener resultados muy satisfactorios, ya que el sonido recibido por el sintonizador tiene bastante fidelidad a la señal captada originalmente por el micrófono.

7 BIBLIOGRAFÍA

[1] Boylestad, Robert; ELECTRÓNICA, Teoría de circuitos; 8va ed; Prentice Hall; Mexico D.F; 2004[2] Sedra, Smith; MICROELECTRONIC CIRCUITS; 5ta ed; Oxford University; New York; 2004 [3] Oppenheimmer, Alan; SIGNALS AND SYSTEMS ANILYSIS; 2da ed; Prentice Hall[4] http://es.wikipedia.org/wiki/Radiofrecuencia

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ANEXO 1. ESQUEMÁTICO TRANSMISOR DE VOZ AM

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ANEXO 2. FORMA DE LA SEÑAL ENTRADA-SALIDA TRANSMISOR DE VOZ AM

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