If 1 Lab. Tele 1

Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Ciclo académico 2019 - I

Informe Final No. 1: “Modulación en Amplitud” Laboratorio de Telecomunicaciones I (IT563 – M) Wilder Javier Cruz Aranda - 20151248F [email protected] Caroline Brenda Medina Alzamora - 20160658I [email protected] Sleyter Franguer Villafuerte Cabanillas - 20151288H [email protected] Luis Enrique Camacho Flores - 20151294H [email protected]

1) CONCEPTOS PREVIOS: MODULACIÓN: Consiste en variar determinado aspecto de una señal denominada portadora con respecto a una segunda señal denominada señal moduladora, generando finalmente una “señal u onda modulada”.  En el proceso de modulación, la señal de alta frecuencia (portadora) quedará modificada en alguno de sus parámetros como su amplitud, frecuencia, fase, etc. de manera proporcional a la amplitud de la señal de baja frecuencia o moduladora. Básicamente, la modulación consiste en hacer que un parámetro de la onda portadora cambie de valor de acuerdo con las variaciones de la señal moduladora, que es la información que queremos transmitir. DEMODULACIÓN: El término demodulación engloba el conjunto de técnicas utilizadas para recuperar la información transportada por una onda portadora, que en el extremo transmisor fue modulada con dicha información. En telecomunicaciones, este término es el opuesto a modulación. Así, en cualquier telecomunicación normalmente existirá al menos una pareja modulador-demodulador (módem), uno en cada extremo de la comunicación. El diseño del demodulador dependerá del tipo de modulación empleado en el extremo transmisor. 2) REALIZACIÓN DE LAS EXPERIENCIAS EN EL PROGRAMA LUCAS NULLE

tanto en la escuela, en el puesto de trabajo así como en el hogar. El laboratorio compacto UniTrain-I se puede colocar sobre cualquier escritorio, siendo posible su empleo tanto en el laboratorio multimedia o en el de electrónica, así como en el taller o la oficina. Aquí se integran unidades de aprendizaje cognitivas, y que comprometen el sentido táctil, dentro de un concepto global que vincula la teoría con la práctica, y que conduce así a un entorno de estudio altamente efectivo y eficiente gracias la diversidad de lo medial. Se trata de un sistema modular abierto, que, junto a un gran número de cursos multimedia, conforma un laboratorio de alta tecnología, asistido por ordenador, que permite el ingreso al mundo de la electrotecnia y la electrónica. La interfaz de medición provee las entradas y salidas analógicas y digitales de medición y control, las cuales, al combinarse con una gran cantidad de Instrumentos Virtuales (IV), proporcionan instrumentos de medición de gran precisión, lo cual, en el laboratorio convencional, sólo es realizable empleando un gran número de onerosos equipos individuales. A la inteligente interfaz de medición del sistema UniTrain-I se puede conectar una cantidad libre de Experimentadores con fines de experimentación real. El software LabSoft es la plataforma de experimentación abierta que permite el acceso a todos los medios del sistema UniTrain, y que ha sido concebida para la ejecución y documentación de experimentos. Para esto, dentro del entorno LabSoft, se pueden ejecutar cursos multimedia e instrucciones de experimentación, además de realizar mediciones en tiempo real, las cuales, dado el caso, se complementan con simulaciones. Se utilizará el presente programa para desarrollar todas y cada una de las experiencias media el armando de diferentes circuitos

2.1) SISTEMA UNITRAIN-I

2.2) MATERIALES:

Es un sistema de experimentación y entrenamiento, de alto rendimiento, para la formación y el aprendizaje, asistidos por PC, en las áreas de electrotecnia y electrónica. UniTrain-I otorga conocimientos y capacidad de actuar

INTERFAZ UNITRAIN–I  

Memoria de datos de medición Interfaz USB

       

Los instrumentos virtuales integrados evitan el empleo de costosos dispositivos externos de medición 2 entradas diferenciales analógicas 16 entradas y salidas digitales Salida analógica Tensiones de experimentación de +/-15 V/5 V Fuente variable de corriente trifásica Controlador LabView Procesador de 32 bits

medios      

que

contiene

el

laboratorio

UniTrain-I:

Ventana de navegación con estructura de árbol para visualización y selección directa de todos los cursos UniTrain-I instalados Ejecución de experimentos que incluye documentación, evaluación y almacenamiento de los resultados de medición Instrumentos virtuales para medición en tiempo real continua Los cursos contienen otros instrumentos virtuales en función de su temática Software para diseño y simulación de circuitos

EXPERIMENTADOR UNITRAIN-I     

Alojamiento de las tarjetas de experimentación UniTrain-I Confortable cambio de tarjetas de experimentación por medio de botón pulsador Alojamiento de un multímetro externo, posibilidad de lectura de los valores medidos a través de interfaz IrDa Facilitación de tensiones de experimentación Salida de bus UniTrain-I para conexión de otros Experimentadores

LABSOFT Es la interfaz del usuario, una plataforma de experimentación abierta, permite el acceso a todos los

UNA TARJETA DE EXPERIMENTACIÓN OSCILADOR COLPITTS Y OSCILADOR HARTLEY

DE

UNA TARJETA DE EXPERIMENTACIÓN DE MODULADOR / DEMODULADOR AM, MODULADOR AM CONMUTABLE AM/DSB, DEMODULADOR DE PRODUCTO Y DETECTOR DE DIODOS



Recuperación de la señal original a partir de la BLU por medio del doble mezclador integrado de contrafase

4) DEFINICIÓN DE MODULACIÓN EN AMPLITUD: Modulación de amplitud (AM) es el proceso de cambiar la amplitud de una portadora de frecuencia relativamente alta de acuerdo con la amplitud de la señal modulante (información). Las frecuencias que son lo suficientemente altas para radiarse de manera eficiente por una antena y propagase por el espacio libre se llaman comúnmente radiofrecuencias o simplemente RF. Con la modulación de amplitud, la información se imprime sobre la portadora en la forma de cambios de amplitud. La modulación de amplitud es una forma de modulación relativamente barata y de baja calidad de modulación que se utiliza en la radiodifusión de señales de audio y vídeo. En la siguiente gráfica se puede observar el resultado de la modulación

3) OBJETIVOS DE APRENDIZAJE 

Conocimiento del principio de la modulación de amplitud por medio de mediciones de la curva de la señal del modulador AM



Registro del trapecio de modulación con diferentes grados de modulación



Demodulación de la señal modulada por amplitud



Conocimiento del principio del detector de diodos



Representación de la modulación de doble banda lateral (DBL)



Calibración del modulador a la mínima portadora residual



Registro de la señal, de la inversión de fase y del trapecio de modulación de la DBL



Representación de la modulación de banda lateral única (BLU)

5) EXPRESIONES MATEMÁTICAS: Consideremos que la expresión matemática de la señal portadora y la moduladora están dadas por:

Donde:    

Vp: Valor pico de la señal portadora fp: Frecuencia de la señal portadora Vm: El valor pico de la señal moduladora fm: Frecuencia de la señal moduladora

La señal modulada tendrá una amplitud que será igual al valor pico de la señal portadora más el valor instantáneo de la señal modulada, como muestra la figura líneas arriba:

Reemplazando (1) y (2) en (3)

Hacemos el siguiente cambio de variable:

Reemplazando en (4)

Operando finalmente queda:

Descripción: En la salida AMout solo se observará la señal portadora dado que aún no se ha transmitido una señal moduladora y por ende aún no existe la señal modulada. EXPERIENCIA 1 En esta experiencia se analizó la señal portadora (alta frecuencia), moduladora (baja frecuencia) y modulada en la salida AMout con el osciloscopio. Se coloca el carrier null en el tope derecho para reducir la distorsión. En cada problema de la experiencia 1 se utilizó como base el siguiente circuito (se modificaron algunas conexiones por especificación de cada problema):

1) Se monta el circuito sin señal moduladora y se configuran los valores de amplitud y frecuencia tal cuales son especificados. Tendremos a la salida de AMout:

Observación: 

En la salida, la portadora mantiene su frecuencia; sin embargo; su amplitud varía de 0,5v a 1.1v

2) Se monta el circuito sin señal portadora y se configuran los valores de amplitud y frecuencia tal cuales son especificados. Tendremos a la salida AMout:

Descripción: En este caso solo se observa la señal moduladora dado que no hemos ingresado la señal portadora Observación: 

En la salida, la moduladora mantiene su frecuencia; sin embargo; su amplitud varía de 0.2v

a 0.05v 3) Se monta el circuito con la señal portadora y moduladora, y se configuran los valores de amplitud y frecuencia tal cuales son especificados. Tendremos a la salida:

El grado de modulación puede tomar los siguientes valores: M < 100% (Usualmente en modulación AM)

M = 100% Descripción: Debido a que hemos ingresado la señal moduladora y la portadora, entonces a la salida AMout se observará la señal modulada en amplitud. Observación: 

La señal moduladora se encuentra invertida, si se observa bien se reconoce, para este caso, que la señal moduladora de la curva envolvente inferior corresponde a la señal AM

6) GRADO DE MODULACIÓN: Es la relación que existe entre la amplitud de la señal emitida y la amplitud de la portadora. Se expresa como valor absoluto o tantos por ciento

M > 100% (Sobremodulación)

Además:

EXPERIENCIA 2

También se puede definir al grado de modulación como:

En esta experiencia se analizó el grado de modulación variando las amplitudes de la moduladora, además

analizaremos las gráficas X-T y X-Y en el osciloscopio. En cada problema de la experiencia 2 se utilizó el siguiente circuito:

Y. Este último ajuste es la razón por la cual la gráfica a la salida del modulador sea un oscilograma trapezoidal. Observaciones: a) Si reducimos la amplitud de la moduladora lentamente hasta cero:  La dilatación de la señal en el sentido del eje X disminuye  En el sentido del eje Y se igualan las medidas de los bordes izquierdo y derecho  Si la amplitud de la moduladora es cero, la señal tiene forma lineal

1) ¿Cómo varía la señal en la salida AMout? Se modificó la amplitud de la señal moduladora para posteriormente incrementar su valor paulatinamente. Observaciones:   

b) Ahora si se aumenta la amplitud de la moduladora lentamente desde del ajuste inicial:  La dilatación de la señal en el sentido del eje X aumenta  En el sentido del eje Y, la diferencia entre ambos bordes aumenta c) Si hacemos que el grado de modulación sea 100%, entonces las amplitudes del modulador y del portador deben ser iguales. La gráfica sería:

Si la amplitud de la señal moduladora aumenta, la variación de la amplitud de la señal AM también aumenta. Si la amplitud de la señal moduladora disminuye, la variación de la amplitud de la señal AM también disminuye. El grado de modulación es un indicador de estas variaciones dado que relaciona las amplitudes.

2) Se monta el circuito y se configuran los valores de amplitud y frecuencia tal cuales son especificados. Se observará a la salida AMout en el osciloscopio:

d) Si se configurará en X-Y:

Descripción: En el circuito, hay una señal moduladora y una señal portadora. En la salida AMout se observa la señal modulada en amplitud si el grafico fuese en X-T; sin embargo, en el problema se especifica que el display sea X-

Observaciones:  La salida sería un oscilograma triangular.  A partir de ese instante, si aumentamos la amplitud de la moduladora se generará una sobremodulación.  En la configuración X-T observamos que la gráfica tiene puntos donde la señal se hace cero.

En esta experiencia se analizó en el osciloscopio la demodulación de una señal modulada en amplitud en la salida NF demod. En cada problema de la experiencia 2 se utilizó el siguiente circuito:

e) Si aumentamos la amplitud de la moduladora a un 80% aproximadamente, la gráfica de salida X-Y sería:

1) Se monta el circuito y se configuran los valores de amplitud y frecuencia tal cuales son especificados. Se observará a la salida NF demod:

Observaciones:  Se obtiene dos triángulos que comparten el mismo vértice.  Como la amplitud de la moduladora es mayor que la de la portadora, se produce una sobremodulación. Se concluye entonces: 

Para estimar el grado de modulación se utiliza la gráfica en X-Y

Descripción: En el circuito, hay una señal moduladora y una señal portadora. Sin embargo, en este caso se analizó la salida en el demodulador NF demod. Observaciones:  La señal de baja frecuencia (moduladora) se encuentra en la salida del demodulador (NF demod).  La frecuencia de la señal demodulada es igual que la de la señal moduladora, como era de esperarse.  Se observa residuos de la señal portadora.



Los valores de los bordes en el sentido del eje Y se aplican en la fórmula para calcular el grado de modulación EXPERIENCIA 3

7) MODULACION DE DOBLE BANDA LATERAL (DSB o DBL) Es una modulación lineal que consiste en modificar la amplitud de la señal portadora en función de las variaciones de la señal de información o moduladora. La modulación en doble banda lateral equivale a una

modulación AM, pero sin reinserción de la portadora. La portadora no transmite ninguna de las características que definen el mensaje y encima consume la mayoría de la energía de la onda modulada. El ancho de banda necesario para la transmisión de información es el doble de la frecuencia de la señal moduladora, causando una pérdida de ancho de banda en el espectro.

En X-T

En X-Y

EXPERIENCIA 4 En esta experiencia, se analizó la modulación doble banda lateral en el osciloscopio. En cada problema de la experiencia 4 se utilizó el siguiente circuito:

Descripción: En el circuito, hay una señal moduladora y una señal portadora. En la salida AMout se observará la señal modulada DSB (por el conector tipo puente en DSB/AM), debido a que el carrrer null se colocó en tal posición (aproximadamente central) que la amplitud de la portadora residual se hizo muy pequeña.

1) Se monta el circuito y se configuran los valores de amplitud y frecuencia tal cuales son especificados. Se inserta el conector tipo puente en DSB/AM y observará a la salida AMout con el osciloscopio:

Observaciones:  La señal modulada (azul) tiene forma de una señal AM que ha sufrido una sobremodulación  Se observa la señal moduladora (roja)  En la gráfica configurada en X-Y, se observan dos triángulos iguales con un vértice en común Reajustamos la gráfica X-T de tal manera que se pueda analizar la curva de la señal en el paso por cero de la señal modulada

Para una señal cosenoidal, se observa su espectro matemático en frecuencia:

Para una señal senoidal, se observa su espectro matemático en frecuencia: Observaciones:  En el paso por cero, hay un salto de fase de aproximadamente 180°. Este fenómeno se explica por la suma de las bandas laterales, superior en inferior. Si estas se cruzan en el eje X simultáneamente, pero desplazadas en 180°, se modifica el resultado de la adición.  Se produce un brusco cambio de fase. 8) ESPECTROS DE FRECUENCIA El espectro de frecuencia se caracteriza por la distribución de amplitudes para cada frecuencia de un fenómeno ondulatorio (sonoro, luminoso o electromagnético) que sea superposición de ondas de varias frecuencias. También se llama espectro de frecuencia al gráfico de intensidad frente a frecuencia de una onda particular.

Para el caso de la modulación AM, se observa a la señal portadora con dos bandas laterales (inferior y superior), mientras que para la modulación DSB solo se observa a las bandas laterales y residuos de la portadora.

El espectro de frecuencias o descomposición espectral de frecuencias puede aplicarse a cualquier concepto asociado con frecuencia o movimientos ondulatorios como son los colores, las notas musicales, las ondas electromagnéticas de radio o TV e incluso la rotación regular de la tierra. En la siguiente imagen se observa a una señal triangular representada en el tiempo y al espectro de frecuencias de esta señal:

En esta experiencia, se analizaron las gráficas el espectro de la señal modulada AM y DSB en el analizador de espectros. En cada problema de la experiencia 5 se utilizó el siguiente circuito

EXPERIENCIA 5

1) Se monta el circuito y se configuran los valores de amplitud y frecuencia tal cuales son especificados. Se retira el conector tipo puente de DSB/AM y observará a la salida AMout en el analizador de espectros:

Observaciones:  En este problema solo se puede observar un pequeño residuo de la portadora.  La distancia entre las frecuencias laterales y la portadora sigue siendo el mismo valor. Al colocar el carrier null nuevamente en la posición central, se observó:

Descripción: En el circuito, hay una señal moduladora y una señal portadora. En este experimento se utiliza el analizador de espectros, por ende, se pudo observar el espectro de frecuencias de la señal AM. Observaciones:  Se puede reconocer claramente a la señal portadora en el espectro de frecuencias (línea del centro y la más grande).  Se observó que la distancia entre las frecuencias laterales y la portadora corresponde al valor de la frecuencia de modulación. 2) Se monta el circuito y se configuran los valores de amplitud y frecuencia tal cuales son especificados. Se coloca el conector tipo puente en DSB/AM y observará a la salida AMout en el analizador de espectros:

Observaciones:  Ya no se puede reconocer la presencia de la portadora residual.  La causa de la casi desaparición de los residuos de portadora es debido a la posición del carrier null, previamente analizado en el problema 1 de la experiencia 4. Conclusiones:  En el caso DSB, la señal moduladora transmitida contiene casi toda la energía de la señal.  Con la misma potencia de salida, la señal moduladora se transmite con un mejor grado de eficiencia. 9) MODULACION DE BANDA LATERAL ÚNICA (SSB o BLU) Es una evolución de la AM. La banda lateral única es muy importante para la rama de la electrónica básica ya que permite transmitir señales de radio frecuencia que otras modulaciones no pueden transmitir.

Descripción: En el circuito, hay una señal moduladora y una señal portadora. Se utiliza el analizador de espectros, por ende, se puede observar el espectro de frecuencias de la señal DSB debido a en este problema se volvió a conectar el conector tipo puente en DSB/AM.

En la transmisión en amplitud modulada se gasta la mitad de la energía en transmitir una onda de frecuencia constante llamada onda portadora, y sólo un cuarto en transmitir la información de la señal moduladora, normalmente voz, en una banda de frecuencias por encima de la portadora. El otro cuarto se consume en transmitir exactamente la misma información, pero en una banda de frecuencias por debajo de la portadora.

Es evidente que ambas bandas laterales son redundantes, bastaría con enviar una sola. Y la portadora tampoco es necesaria. Por medio de filtros colocados en el circuito de transmisión, el transmisor BLU elimina la portadora y una de las dos bandas. El receptor, para poder reproducir la señal que recibe, genera localmente, mediante un oscilador, la portadora no transmitida, y con la banda lateral que recibe, reconstruye la información de la señal moduladora original.

Al cambiar la conexión de AMout a SSBout, se observará la señal SSB a partir de una AM:

En la presente experiencia generaremos una señal BLU a partir de una AM o a partir de una DSB. EXPERIENCIA 6 En esta experiencia, se analizó la gráfica de la señal SSB en el osciloscopio a partir de una señal AM. El circuito utilizado fue:

Observaciones: 

La amplitud de la señal AM es claramente mayor a la SSB porque en esta última no se transmite una de las bandas laterales ni partes de la portadora.



Al ver la gráfica en el analizador de espectros, se observó aún residuos de la portadora EXPERIENCIA 7

1) Se monta el circuito que genera una señal AM y se configuran los valores de amplitud y frecuencia tal cuales son especificados. Se coloca el carrier null en el tope derecho para reducir la distorsión. Se observará una señal AM en el osciloscopio en la salida AMout:

En esta experiencia, se analizó la gráfica de la señal SSB en el osciloscopio a partir de una señal DSB. El circuito utilizado fue:

1) Se monta el circuito que genera una señal DSB y se configuran los valores de amplitud y frecuencia tal cuales son especificados. A la salida de SSBout se muestra en el osciloscopio:

1) Se monta el circuito que genera la señal demodulación SSB. La salida del circuito fue medida en NFdemod y la señal moduladora con el osciloscopio:

Descripción: Este circuito nos genera la señal demodulada SSB (roja) en la salida NFdemod. Descripción: Se colocó el carrier null en la posición central para reducir los residuos de la portadora. Se cambió la conexión de AMout a SSBout, por lo que se observa la señal SSB a partir de una DSB

Observaciones: 

La señal que aparee en la salida del demodulador (roja) posee la misma frecuencia que la señal modulada (azul).



La amplitud de la señal demodulada es menor que la moduladora



La señal demodulada y la moduladora están desfasadas

Observaciones: 

En SSBout se mide una señal de alta frecuencia



La portadora está suprimida casi por completo y solo se mide una banda lateral



La frecuencia de esta señal es mayor o menor que la frecuencia de la portadora en función del valor de la frecuencia de modulación

9) DEMODULACION DE BANDA LATERAL ÚNICA EXPERIENCIA 8 En este experimento se analizará la demodulación SSB realizada con un demodulador balanceado. Se montó el circuito como se muestra a continuación:

Conclusiones: 



Se debe introducir adicionalmente en el demodulador la portadora, puesto que esta no se encuentra presente en la señal de banda lateral única Dado que lo se transmite una banda lateral, la amplitud de la señal demodulada es menor que la que se obtiene en la modulación AM o DBL