Download TRANSMISOR FM INTRODUCCCIÓN Definiciones Importantes

TRANSMISOR FM
1. INTRODUCCCIÓN
Definiciones Importantes.
Onda: Es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vacío
(ejemplo clásico de esto son las ondas que produce tirar una piedra a un estanque). Pues bien, las ONDAS
SONORAS (que utilizan el aire como medio de propagación y van a una velocidad aproximada de 300
metros por segundo) tienen la virtud de estimular el oído humano y generar la sensación sonora.
Evidentemente, no todas las ondas pueden ser percibidas por el oído humano, el cual es sensible
únicamente a aquellas cuya frecuencia (número de ciclos que efectúa una onda por unidad de tiempo) está
comprendida entre los 20 y los 20.000 Hz. Ejemplo claro, es el sonido producido por los silbatos para perros
que al tener una frecuencia superior a 15.000 Hz no es oído por las personas y sí por estos animales que
oyen esas frecuencias. De todas formas, oímos mejor (distinguimos más) las frecuencias medias, luego las
bajas y por último las agudas o altas.
Longitud de onda: Es igual a la velocidad de propagación dividida entre la frecuencia de la onda. Como la
velocidad de propagación de las ondas es casi constante (depende del medio de propagación, etc. por
ejemplo en el aire es de 300 metros por segundo) a mayor frecuencia, menor es la longitud de la onda y por
tanto más difícil son las interferencias.
Espectro de frecuencias:
Para FM, se utiliza el rango concreto de las Frecuencias Muy Altas (VHF Very High Frecuency). Ese rango
utilizado es de 87.500 Hz hasta 108.000 Hz.
La señal de radio frecuencia (RF) que es transmitida por la antena y que llega a nuestro receptor se llama
PORTADORA.
Cuando sólo está emitiendo el excitador (no ponemos música), se le denomina PORTADORA
ESTACIONARIA.
Cuando mandamos información (música) obtenemos la PORTADORA MODULADA.
A la acción que produce esto, se le llama MODULACIÓN. La modulación se produce en un circuito llamado
MODULADOR. Uno de los métodos de modulación que se utilizan es: la onda senoidal varía al ritmo de
frecuencia de audio, y se superpone a la portadora de RF para transmitir la información. Existe
MODULACIÓN DE AMPLITUD (AM), en la que se varía la amplitud de la portadora y MODULACIÓN DE
FRECUENCIA (FM), que varía la frecuencia de la portadora.
En resumen, el excitador crea una portadora modulada en frecuencia (el oscilador crea una portadora que
se une a la audiofrecuencia), se envía a la antena, y ésta, crea un campo magnético y otro campo
electrostático a su alrededor, que radian la energía a la atmósfera, donde existen diferentes partículas que
tienen carga, y por reflexión, “reenvían” las ondas radioeléctricas, y así llega a nuestro receptor que por un
proceso inverso convierte la radiofrecuencia en frecuencia audible para el ser humano.
2. FRECUENCIA MODULADA.
Señal Moduladora (Datos)
Señal Portadora
Señal Modulada
En telecomunicaciones, la frecuencia modulada (FM) o modulación de frecuencia es una modulación
angular que transmite información a través de una onda portadora variando su frecuencia (contrastando
esta con la amplitud modulada o modulación de amplitud (AM), en donde la amplitud de la onda es variada
mientras que su frecuencia se mantiene constante). En aplicaciones analógicas, la frecuencia instantánea
de la señal modulada es proporcional al valor instantáneo de la señal moduladora. Datos digitales pueden
ser enviados por el desplazamiento de la onda de frecuencia entre un conjunto de valores discretos, una
modulación conocida como FSK.
La frecuencia modulada es usada comúnmente en las radiofrecuencias de muy alta frecuencia por la alta
fidelidad de la radiodifusión de la música y el habla (véase Radio FM). El sonido de la televisión analógica
también es difundido por medio de FM. Un formulario de banda estrecha se utiliza para comunicaciones de
voz en la radio comercial y en las configuraciones de aficionados. El tipo usado en la radiodifusión FM es
generalmente llamado amplia-FM o W-FM (de la siglas en inglés "Wide-FM"). En la radio de dos vías, la
banda estrecha o N-FM (de la siglas en inglés "Narrow-FM") es utilizada para ahorrar banda estrecha.
Además, se utiliza para enviar señales al espacio.
La frecuencia modulada también se utiliza en las frecuencias intermedias de la mayoría de los sistemas de
vídeo analógico, incluyendo VHS, para registrar la luminancia (blanco y negro) de la señal de video. La
frecuencia modulada es el único método factible para la grabación de video y para recuperar de la cinta
magnética sin la distorsión extrema, como las señales de vídeo con una gran variedad de componentes de
frecuencia - de unos pocos hercios a varios megahercios, siendo también demasiado amplia para trabajar
con equalisers con la deuda al ruido electrónico debajo de -60 dB. La FM también mantiene la cinta en el
nivel de saturación, y, por tanto, actúa como una forma de reducción de ruido del audio, y un simple
corrector puede enmascarar variaciones en la salida de la reproducción, y que la captura del efecto de FM
elimina a través de impresión y pre-eco. Un piloto de tono continuo, si se añade a la señal - que se hizo en
V2000 o video 2000 y muchos formatos de alta banda - puede mantener el temblor mecánico bajo control
y ayudar al tiempo de corrección.
La frecuencia modulada también se utiliza en las frecuencias de audio para sintetizar sonido. Está técnica,
conocida como síntesis FM, fue popularizada a principios de los sintetizadores digitales y se convirtió en
una característica estándar para varias generaciones de tarjetas de sonido de computadoras personales.
En un comienzo, y para emisoras de radio, sólo se emitía en AM, por diversas cuestiones técnicas, entre las
que podemos citar que con un sólo transmisor abarcaban bastante territorio. Un inconveniente importante
de la modulación en amplitud es la presencia de interferencias y estáticos, además si la amplitud de la señal
transmitida aumenta, también aumenta la amplitud del ruido.
Los sistemas FM requieren mayor anchura de banda y se demuestra que la relación señal/ruido de la señal
transmitida aumenta, es decir, aumenta la calidad de la señal.

La frecuencia de portadora de un transmisor de FM se denomina FRECUENCIA CENTRAL O DE
REPOSO.

Cuando es aplicada una señal moduladora, la magnitud de la variación de frecuencia por encima o
por debajo de la frecuencia de reposo se denomina DESVIACIÓN DE FRECUENCIA.

La variación total entre los valores mínimo y máximo de frecuencia se llama EXCURSIÓN U
OSCILACIÓN DE PORTADORA.
3. PARTES DE UN TRANSMISOR
ANTENA
El funcionamiento de la antena es sencillo. Desde el emisor llega corriente y la antena crea un campo
magnético y otro campo electrostático a su alrededor que radian la energía al espacio.
Existen varios tipos de antena que se clasifican de diferentes formas según sus caracteristicas: tipo de
dirección (direccional, onmidireccional...) por cantidad de dipolos que tengan (un dipolo, bipolar), etc
CABLE
El cable es un elemento esencial para un buen aprovechamiento de la potencia del emisor. Debe ser de
calidad, es decir apantallado, y lo menos largo posible para evitar pérdidas. El emisor, el cable y la antena
deberan estar acopladas para evitar estacionarias grandes (ondas que rebotan en antena y vuelven a
emisor) .
EMISOR
En realidad se llaman transmisores o excitadores (este último nombre se utiliza si después de él, existe un
amplificador de potencia). Existen transmisores de estado sólido (más frecuentes) o a válvulas.
Un excitador de frecuencia modulada, básicamente hace lo siguiente: crea una señal portadora continua
que, con las variaciones de audio provenientes del compresor, que a su vez provienen de la mesa de
mezclas, forman una portadora modulada en frecuencia que manda hacia la antena y esta hacia la
atmósfera.
4. FUNCIONAMIENTO DE UN TRANSMISOR FM
Diagrama de Bloques
Oscilador 1
Oscilador 2
Antena
Mezclador
Micrófono
Amplificador
Modulador FM
Amplificador
El micrófono es el dispositivo encargado de transformar la potencia de la voz (ondas de presión) en una
señal eléctrica. La voz humana tiene tonos entre 300Hz y 5KHz, y por tanto la señal eléctrica a la salida del
micrófono ocupa un ancho de banda desde 300Hz a 5KHz.
Existen principalmente dos tipos de micrófonos; los magnéticos y los de condensadores. Ambos funcionan
de forma similar, a través de la presión de la voz se deforma una membrana que hace variar las
propiedades eléctricas del componente en cuestión (la inductancia en el caso de un micrófono magnético y
la capacidad en el caso de un micrófono condensador).
La primera etapa de amplificación es la encargada de amplificar la señal para poder atacar las etapas
siguientes. La señal proveniente del micrófono es una señal con poca potencia que necesita ser amplificada
antes de entrar en el modulador. La señal a la salida de la etapa amplificadora ocupa el mismo rango de
frecuencias ya que en esta etapa no se produce translación frecuencial.
La señal se desea transmitir con modulación FM, es decir, modulada en frecuencia. Para ello hace falta
introducir la señal en una etapa de modulación junto con un tono proveniente del Oscilador 1. La señal
proveniente de micrófono actúa como moduladora y la señal del Oscilador 1 será la portadora. El espectro
de frecuencias de la señal a la salida de la etapa de modulación se encuentra centrado a la frecuencia de la
portadora (Oscilador 1) y ocupa en torno a esta frecuencia un ancho de aproximadamente 5KHz.
La figura ilustra el espectro de frecuencia de las señales a la salida del micrófono, a la salida de la primera
etapa de amplificación y a la salida de la etapa de modulación.
5KHz
P
300Hz
F_osc1
5KHz
f
El bloque posterior al modulador, el mezclador, tiene como objetivo elevar la frecuencia de la señal
transmitida hasta un valor libre donde podamos transmitir. El espectro frecuencial está regulado por las
Administraciones Públicas que conceden licencias de utilización. Así, de 88MHz hasta los 108MHz se
reserva para las emisoras de radio con modulación FM, en torno a los 900MHz se encuentran los canales de
telefonía móvil GSM, a 1575MHz el GPS, etc.
El espectro de frecuencia de la señal a la salida del Mezclador es el mismo que a la salida del modulador
pero trasladado un valor igual que la frecuencia del Oscilador 2. En la figura se muestra de forma
esquemática el espectro de frecuencia a la salida de la etapa de modulación, el espectro del Oscilador 2 y
de la salida del Mezclador.
P
5KHz
F_osc1
5KHz
F_osc2
F_osc2 + F_osc1
f
A través de la frecuencia de la señal del Oscilador 2 se puede seleccionar en qué canal se desea transmitir
dentro del rango entre 88MHz y 108MHz que se tiene reservado.
El amplificador de salida permite dotar a la señal de potencia suficiente para cubrir el rango de alcance que
se desea. Para aumentar el rango de alcance de un transmisor de FM habrá que conseguir aumentar la
potencia con la que se emite, es decir, aumentar la ganancia del amplificador a la salida.
Acoplador de antena, circuito que provee un medio de transferir la máxima energía desde el amplificador
final hasta la antena.
La antena es el elemento que transforma las señales eléctricas que se encuentran contenidas en el interior
del circuito en ondas electromagnéticos que viajan por el aire. Este dispositivo radia la información al
exterior.
Esquema circuital:
Antena
Modulador, mezclador y amplificador de salida
Pto 3
R3
C6
C2
L1
R4
R6
Pto 4
C7
R5
TR1
C1
+ C3
TR2
C5 +
Micrófono
C4
R2
R1
P1
Pto 5
Amplificador de señal
Micrófono y acondicionador de señal
En resumen, un transmisor consta de un oscilador que genera la señal, uno o más pasos intermedios y un
amplificador de potencia que está conectado a la antena a través de un circuito de acoplo.
TIPOS DE MODULADORES Y TRANSMISORES FM
Moduladores de FM directos
La FM directa es la modulación angular en la cual la frecuencia de la portadora varía (es desviada)
directamente por la señal modulante. Con la FM directa, la desviación de frecuencia instantánea es
directamente proporcional a la amplitud de la señal modulante. La figura 6-14 muestra un diagrama
esquemático para un generador de FM simple (aunque altamente impráctico) y directo. El circuito tanque
(L y Cm) es la sección para determinar la frecuencia para un oscilador LC estándar. El capacitor del
micrófono es un transductor que convierte la energía acústica a energía mecánica, la cual se usa para variar
la distancia, entre las placas de Cm y, consecuentemente, cambiar su capacitancia. Conforme Cm varía, la
frecuencia de resonancia varía. Por lo tanto, la frecuencia de salida del oscilador varía directamente con la
fuente de sonido externa. Esta es la FM directa porque la frecuencia del oscilador se cambia directamente
por la señal modulante y la magnitud del cambio de frecuencia es proporcional a la amplitud del voltaje de
la señal modulante.
Moduladores de diodo varactor
El diagrama esquemático para un generador de FM más práctico y directo que usa un diodo varactor para
desviar la frecuencia de un oscilador de cristal. R1 y R2 desarrollan un voltaje de c.c. que invierte el diodo
varactor polarizado VD1 y determinan la frecuencia de reposo del oscilador. El voltaje de la señal
modulante externa agrega y resta del nivel de c.c. polarizado, lo cual cambia la capacitancia del diodo y por
lo tanto la frecuencia de oscilación. Los cambios positivos de la señal modulante incrementan la
polarización inversa sobre VD1, la cual disminuye su capacitancia e incrementa la frecuencia de la
oscilación. Al contrario, los cambios negativos de la señal modulante disminuyen la frecuencia de la
oscilación. Los moduladores de FM de diodo varactor, son extremadamente populares, porque son fáciles
de usar, confiables y tienen la estabilidad de un oscilador de cristal. Sin embargo, debido a que se usa un
cristal, la desviación de frecuencia pico se limita a valores relativamente pequeños. Consecuentemente, se
usan principalmente para las aplicaciones de banda angosta (índice bajo) por ejemplo en un radio móvil
semi duplex.
Modulador de reactancia de fm
La siguiente figura muestra un diagrama esquemático para un modulador de reactancia por que el usando
un JFET como dispositivo activo. Esta configuración del circuito se llama modulador de reactancia por que
el JFET observa como una carga de reactancia variable al circuido tanque LC. La señal modulante varía en la
reactancia de Q1, lo cual causa un cambio correspondiente en la frecuencia resonante del circuito tanque
del oscilador.
El capacitor C que está en serie con el resistor de compuerta, tiene un valor muy pequeño de manera tal
que su reactancia sea muy grande con respecto a R . Como la corriente de drenaje es directamente
proporcional a la tensión de compuerta, está en fase con ella. La tensión en R es prácticamente toda la
tensión de drenaje y por ser resistivas las ramas de R y del tanque en resonancia, la corriente a través de R
está en fase con la tensión. La corriente a través de C, en cambio, adelanta 90º con respecto de la corriente
de C. En resumen la tensión de drenaje se encuentra 90º desfasada con la corriente de drenaje, por lo que
el JFET visto desde la carga se comporta como un capacitor.
Moduladores de FM directos de circuito integrado lineal
Los osciladores de voltaje controlado de circuito integrado lineal y generador de funciones pueden generar
una forma de onda de salida de FM directa que se realiza relativamente estable, exacta y directamente
proporcional a la señal modulante de entrada. La desventaja principal de usar LIC VCO y generaciones de
funciones, para la modulación FM directa, es su baja potencia de salida de información y la necesidad de
varios componentes externos adicionales para que funcionen, tales como capacitores para tomar el
tiempo, resistores para la determinación de frecuencia y filtros para el abastecimiento de potencia.
Transmisores de FM directos
Los transmisores de FM directos producen una forma de onda de salida, en la cual la desviación de
frecuencia es directamente proporcional a la señal modulante. Consecuentemente, el oscilador de la
portadora debe desviarse directamente. Por lo tanto, para los sistemas de FM de índice mediano y alto, el
oscilador no puede ser un cristal, porque la frecuencia a la cual el cristal oscila no puede variarse de
manera significativa. Como resultado, la estabilidad de los osciladores en los transmisores de FM directos
frecuentemente no puede llenar las especificaciones. Para superar este problema, se utiliza un control de
frecuencia automática (AFC) Un circuito de AFC compara la frecuencia de la portadora del oscilador sin
cristal con un oscilador de cristal de referencia y, entonces, produce un voltaje de corrección proporcional a
la diferencia entre las dos frecuencias. El voltaje de corrección se regresa al oscilador de la portadora para
compensar automáticamente cualquier movimiento que pueda haber ocurrido.
Transmisor directo de FM de Crosby.
La figura muestra el diagrama en bloques para un transmisor de banda de radiodifusión comercial. Esta
configuración en particular llamada transmisor directo de FM de Crosby e incluye un circuito de AFC
(automatic frequency control) El modulador de frecuencia puede ser un modulador de reactancia o un
oscilador de voltaje controlado. La frecuencia de descanso de la portadora es la frecuencia de salida no
modulada del oscilador principal (fc) Para el transmisor mostrado en la figura 6-21, la frecuencia central del
oscilador principal fc = 5.1 MHz, el cual se multiplica por 18, en tres etapas (3 x 2 x 3), para producir una
frecuencia de portadora de transmisión final f1 = 91.8 MHz.
En este momento, se deben notar tres aspectos de la conversión de frecuencia. Primero, cuando la
frecuencia de una portadora de FM se multiplica, sus desviaciones de frecuencia y de fase se multiplican
también. Segundo, la proporción en la cual la portadora se desvía (es decir, la frecuencia de la señal
modulante, fm) no se afecta por el proceso de multiplicación. Por lo tanto, el índice de modulación también
se multiplica. Tercero, cuando una portadora de modulación angular es heterodinada con otra frecuencia
en un mezclador no lineal, la portadora puede convertirse hacia arriba o abajo, dependiendo del filtro de
pasa-bandas de salida. Sin embargo, la desviación de frecuencia, desviación de fase y la razón de cambio no
se afectan por el proceso de heterodinaje (mezcla).
Transmisor de FM MC1376: (a)diagrama esquemático; (b) curva de respuesta de frecuencia de salida vs.
Entrada
Por lo tanto, para el transmisor mostrado, las desviaciones de frecuencia y de fase, en la salida del
modulador, también se multiplican por 18. Para lograr la máxima desviación de frecuencia emitida a las
estaciones de banda de radiodifusión de FM en la antena (75 kHz), la desviación en la salida del modulador
debe ser:
f=75KHz/18=4166,7Hz
y el índice de modulación debe ser
m=4166,7 Hz/ m f
Para la máxima frecuencia de señal modulante permitida, fm = 15 kHz,
m=4166.7Hz/15.000Hz=0,2778
Por lo tanto, el índice de modulación en la antena es m = 0.2778(18) = 5 el cual es la relación de desviación
para los transmisores de radiodifusión de FM comercial con una señal modulante de 15 kHz.
Transmisor de FM directo de Crosby
Circuito AFC. El propósito del circuito AFC (automatic Frequency control) es lograr una estabilidad casi de
cristal de la frecuencia de la portadora de transmisión sin utilizar un cristal en el oscilador de la portadora.
Con la AFC, la señal de la portadora se mezcla con la señal de salida de un oscilador de cristal de referencia
en un dispositivo no lineal, convirtiendo en forma descendente la frecuencia y, después, regresándola a la
entrada de un discriminador de frecuencia. Un discriminador de frecuencia es un dispositivo selector de
frecuencia, cuyo voltaje de salida es proporcional a la diferencia, entre la frecuencia de entrada y su
frecuencia resonante (la operación del discriminador se explica en otra parte del curso) Para el transmisor
mostrado en la figura 6-21, la salida del duplicador f 2 = 30.6 MHz, que está mezclada con una frecuencia
de cristal de referencia controlada fr= 28.6 MHz, para producir una frecuencia de diferencia fd=2 MHz. El
discriminador es un circuito Q (de banda angosta) sintonizado, relativamente alto, que reacciona sólo a las
frecuencias cerca de su frecuencia central (2 MHz en este caso) Por lo tanto, el discriminador responde a
los cambios a largo plazo y frecuencia baja, en la frecuencia central de la portadora debido al arrastre de la
frecuencia del oscilador principal y a que el filtro de pasa-bajos no responde a la desviación de frecuencia
producida por la señal modulante. Si el discriminador respondiera a la desviación de frecuencia el circuito
de retroalimentación cancelaría la desviación y, por lo tanto, removería la modulación de la onda de FM
(este efecto se llama borrado) El voltaje de corrección de c.c. se agrega a la señal modulante para ajustar
automáticamente la frecuencia central del oscilador principal, para compensar el arrastre de baja
frecuencia.
Transmisor de FM directa de circuito de fase cerrada.
La figura 6-22 muestra un transmisor de FM de banda ancha que utiliza un circuito de fase cerrada para
lograr una estabilidad de cristal de un oscilador maestro VCO y, al mismo tiempo, generar una señal de
salida de FM de banda ancha de índice alto. La frecuencia de salida de VCO se divide por N y se
retroalimenta al comparador de fase PLL, en donde se compara a una frecuencia de cristal de referencia
estable. El comparador de fase genera un voltaje de corrección que es proporcional a la diferencia entre las
dos frecuencias. El voltaje de corrección se agrega a la señal modulante y se aplica a la entrada del VCO. El
voltaje de corrección ajusta la frecuencia central del VCO a su valor correcto. Nuevamente, el filtro pasabajos previene los cambios en la frecuencia de salida del VCO, debido a que la señal modulante no se
convierte a voltaje, y se retroalimenta al VCO y borra la modulación. El filtro pasabajos también previene
que el circuito se adhiera a una frecuencia lateral.
Transmisor de FM de circuito de PLL
Moduladores de FM indirectos
La FM indirecta es una modulación angular en la cual la frecuencia de la portadora se desvía
indirectamente por la señal modulante. La FM indirecta se logra cambiando directamente la fase de la
portadora y es, por lo tanto, una forma de modulación en fase directa. La fase instantánea de la portadora
es directamente proporcional a la señal modulante. La figura 6-20 muestra un diagrama esquemático para
un modulador de FM indirecto. El modulador consiste de un diodo varactor VD, en serie con una red
inductiva (bobina sintonizable L, y el resistor R) La red combinada, serie-paralelo, aparece como un circuito
resonante en serie a la frecuencia de salida del oscilador de cristal. Una señal modulante se aplica a VD,, el
cual cambia su capacitancia y, consecuentemente, el ángulo de fase de la impedancia visto por la portadora
varía, lo cual resulta en un desplazamiento en fase correspondiente en la portadora. El desplazamiento en
la fase es directamente proporcional a la amplitud de la señal modulante. Una ventaja del FM indirecto es
que se usa un oscilador de cristal con búfer para la fuente de la señal de la portadora. Consecuentemente,
los transmisores de FM indirectos son más estables en la frecuencia que sus contrapartes directas. Una
desventaja es que las características de capacitancia vs voltaje de un diodo varactor no son lineales. En
realidad, se parecen bastante a una función de raíz cuadrada. Consecuentemente, para minimizar la
distorsión en la forma de onda modulada, la amplitud de la señal modulante debe mantenerse bastante
pequeña, lo cual limita la desviación de fase a valores pequeños y sus usos a las aplicaciones de banda
angosta de índice bajo.
Diagrama esquemático de un modulador de FM indirecto
Transmisores de FM indirectos
Los transmisores de FM indirectos producen una forma de onda de salida, en la cual la desviación de fase
es directamente proporcional a la señal modulante.
Consecuentemente, el oscilador de la portadora no se desvía directamente. Por lo tanto, el oscilador de la
portadora puede ser un cristal, ya que el oscilador, por sí mismo, no es el modulador. Como resultado, la
estabilidad de los osciladores con transmisores de FM indirectos pueden llenar las especificaciones del FCC
sin utilizar un circuito de AFC.
Transmisor FM indirecto de Armstrong. Con la FM indirecta, la señal modulante desvía directamente la
fase de la portadora, la cual cambia indirectamente la frecuencia. La figura 6-23 muestra el diagrama a
bloques para un transmisor de FM indirecto de Armstrong de banda ancha. La fuente de la portadora es un
cristal. Por lo tanto, los requerimientos de estabilidad para la frecuencia de la portadora establecida por la
FCC, se pueden lograr sin usar un circuito de AFC.
Con un transmisor de Armstrong, una portadora de frecuencia relativamente baja (fc) se cambia de fase 0°
(fc') y se alimenta a un modulador balanceado, en donde se mezcla con la señal modulante de entrada (fm)
La salida del modulador balanceado es una onda portadora de doble banda lateral con portadora suprimida
que se combina, con la portadora original en una red de combinación, para producir una forma de onda
modulada en fase con índice bajo.
Bibliografía:

www.electronicacompleta.com

www.telsatbolivia.com

www.forosdeelectronica.com

www.elo.utfsm.cl