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miércoles, 15 de julio de 2015

Modulación- 4ta parte. El ruido en VHF y UHF/ FM




Fig. 1 – Diagrama en bloc de receptor de FM de simple conversión
En la Fig.1 se muestra el diagrama en bloques de un receptor superheterodino de FM, de simple conversión (un único valor de FI). En los receptores de comunicaciones de buena calidad, normalmente se tiene doble conversión, pero este tema no está en el foco de la presente discusión.
En los receptores de VHF/FM y UHF/FM el ruido más importante es el generado dentro del receptor, siendo su primera etapa (el amplificador de radio frecuencia) la que mayor ruido aporta. El ruido que llega al receptor desde el exterior (ruido atmosférico, impusivo, galáctico, etc) tiene menor importancia. El ruido generado por la primera etapa es el que tiene mayor importancia, porque es amplificado por todas las etapas posteriores. Cuando el receptor se encuentra alimentado con tensión continua para polarizar todas sus etapas, pero desconectado de la antena y  no hay ninguna señal aplicada a su entrada desde el exterior, en la pantalla de un osciloscopio, conectado a la salida del discriminador, se ve la salida de ruido del receptor generado internamente por él), como se muestra en la Fig.2. En estas condiciones, la relación señal/Ruido (S/N, por Signal / Noise, en inglés) en todas las etapas del receptor será nula, ya que hay ruido, pero señal nula. Para que el ruido, en las condiciones mencionadas, no se escuche en el parlante, molestando a quienes se encuentran en las cercanías, los receptores disponen de una llave de audio, que corta el ruido automáticamente en la salida del receptor (parlante). Dicha llave de audio, distingue al ruído del audio, para accionar con el ruido, cortándolo y para no accionar con el audio demodulado de la señal modulada en frecuencia, dejándolo pasar, porque el ruido tiene componentes de frecuencia mucho más altas que las de la señal demodulada de audio (frecuencia central de ruido de 10KHz). Esta llave de audio constituye el llamado circuito de squelch o de silenciamiento del receptor y suele tener un potenciómetro para activarla manualmente cuando sea necesario, cortando el ruido o desactivarla, para dejar pasar el ruido.


Fig 2- Ruido a la salida del
discriminador con el squelch
desactivado, sin señal de
entrada aplicada al receptor
Si ahora conectamos la salida de un generador de RF sin modular, al conector de entrada de antena del receptor, a medida que vayamos aumentando el nivel de salida del generador, la relación S/N  del receptor irá aumentando y en el osciloscopio iremos viendo que el ruido va disminuyendo a la salida del discriminador y también en el parlante, si hemos inhibido manualmente el circuito de squelch,  como muestran la Fig.3 y la Fig.4.
Antes de entrar al discriminador, la señal de FI pasa por el limitador, cuya curva de respuesta se muestra en la Fig. 5.



Fig.3- Ruido con pequeña
señal de RF sin modular,
aplicada a la entrada del
receptor
Fig.4 – Ruido con señal de RF
de entrada sin modular, mucho mayor que
la aplicada para obtener  la salida de la Fig.3
Observando la curva de respuesta del limitador (Fig.5), vemos que si vamos aumentando la señal de entrada desdecero, la tensión de salida crecerá linearmente hasta que lleguemos al umbral y a partir de ese punto, a medida que aumente la señal de entrada, la salida se mantendrá en el nivel de limitación, recortando las crestas junto con el ruido que se sumó a ellas.


Fig.5 – Curva de respuesta del limitador (en absisas se representó la amplitud de la señal
de entrada y en ordenadas la amplitud de la señal de salida)
En la Fig. 6 vemos la acción del limitador en función del tiempo. Observemos que mientras la señal, con el ruido montado sobre ella, tenga un valor inferior al del umbral de limitación, pasará comodamente a través del limitador. En cambio, cuando tiene un valor por encima del umbral, se produce el recorte del ruido y se elimina. Cuanto mayor sea la señal de entrada dentro de la zona de limitación, mayor será el recorte y menor el ruido a la salida. Esto explica lo dicho respecto a las Figuras 2, 3 y 4. Esta es la gran ventaja de la FM con respecto a la AM. En FM podemos recurrir a esta estratagema porque la información es enviada por medio de una variación de la frecuencia de la señal modulada y no podemos hacerlo en AM, porque estaríamos  eliminando la información.

Fig.6 - Señal de entrada (a) y Señal de salida (b) al limitador. El limitador actúa sobre los picos
positivos y negativos de la misma manera, ya que su curva de respuesta es para amplitudes.
Sensibilidad del receptor de VHF o UHF/FM
Si bien hay varios métodos para medir la sensibilidad de un receptor, creo que uno de los más usados en mediciones de campo, es el de silenciamiento de 20dB.
Sensibilidad de un receptor por el método de 20db de sileciamiento
La sensibilidad de 20db de silenciamiento de un receptor es el menor valor de tensión no modulada de un generador de RF, conectado a la entrada del conector de antena del receptor,  que reduce la tensión de ruido a la salida del receptor diez veces (20db), con respecto al receptor sin señal de RF de entrada. El ruido de salida del receptor se mide en una resistencia de carga conectada en lugar del parlante y con el mismo valor en ohms de este.
Normalmente el valor obtenido es menor que 0,35μV.
Sensibilidad de un receptor por el método de 12db/EIA - Sinad
La sensibilidad EIA –Sinad es el menor valor de tensión modulada de un generador de RF que producirá por lo menos 50% de la potencia de salida de audio con una relación (señal + ruido + distorsión) / (ruido+ distorsión) de 12db, o mayor. Para la medición es necesario contar con un filtro que permita eliminar el tono, para obtener el denominador. El control manual del squelch debe estar en la posición que deje pasar el ruido hacia el parlante.
Preénfasis y Deénfasis
A continuación vamos a considerar el caso en que la modulante de FM y de PM es sinusoidal y que la señal modulada en frecuencia es afectada en el receptor de FM por una componente de ruido también sinusoidal.
Según vimos en las partes 2 y 3 de esta nota sobre modulación:

Para modulación de frecuencia (FM):
e(t) = Êc sen [ ωc t  + mf sen ωm t ] 
φ(t) = ωct + mf sen ωm t

Para modulación de fase (PM):
e(t) = Êc sen [ωct +   m φ sen ωm t ]      
φ(t) = ωct + m φ  sen ωm t  

Donde:

e(t) es la expresión de las ondas moduladas en frecuencia o en fase, respectivamente
φ(t) es el ángulo de fase pra la onda modulada en frecuencia o en fase, respectivamente
Êc es la amplitud de las portadoras
ωc  es la pulsación de las portadoras
ωm es la pulsación del tono modulante (frecuencia modulante sinusoidal)
mf es el índice de modulación de frecuencia
m φ  es el índice de modulación de fase

Usando la notación fasorial, podemos representar a cada una de las ondas moduladas en frecuencia, o en fase, por  fasores en el plano complejo, que llamaremos E:

                ±jφ
 = Êc e   
      
Estos fasores se pueden representar en el plano complejo mediante  fasores que giren con respecto a la portadora un angulo mf sen ωm t para la MF y un ángulo m φ  sen ωm t   para la PM. La amplitud del ángulo de giro será mf para FM y m φ  para modulación de fase. En la Fig. 7 se muestra la representación para FM: 

Fig.7
 Ahora supongamos que en la primera etapa del receptor de FM aparece, junto con la señal E, un fasor de ruido de amplitud Vn, donde hemos usado el subíndice n para seguir la notación tradicional (n =noice por ruido en inglés). Este fasor de ruído se va a sumar vectorialmente con el fasor de la señal modulada y va a dar como resultado un fasor E´ , que va a variar su amplitud y su fase con respecto a E, como se muestra en la Fig.8, donde hemos llamado mn al índice de modulación de frecuencia de este fasor resultante E´.

Fig. 8
La acción del limitador, como hemos visto antes, eliminará la modulación de amplitud de E´. Para disminuir la influencia de la modulación de fase debida al ruido, tenemos que lograr que mf sea mucho mayor que mn. O sea mf >> mn.
Pero resulta que mf = K Êm/ ωm, según vimos en la parte-2 de esta nota sobre modulación de frecuencia, lo que significa que como K y Êm son constantes y ωm irá aumentando para los tonos agudos (tonos modulantes de frecuencia alta), el índice de modulación mf será cada vez más chico cuando aumente la frecuencia del tono modulante.
Esto se soluciona con la preénfasis en el transmisor y la deénfasis en el receptor, haciendo que la amplitud de las frecuencias modulantes tengan mayor nivel cuanto más alta sea su frecuencia en el transmisor y haciendo lo inverso en el receptor (después de demodular) para compensar y que la curva de respuesta de audio quede plana al final de este mecanismo. De esta manera, se aumenta el numerador de mf, para las frecuencias altas y con ello mf. (Fig.9)

Fig.9- Curvas de preénfasis y de deénfasis para radiodifusión
Para radiodifusión en américa (banda de 88MHZ a 108MHz) se usan las curvas de la Fig.9, las que corresponden a ± 6db por octava en el diagrama asintótico de Bode. Dos circuitos posibles para realizar la preénfasis y la deénfasis se muestran en la Fig.10.

Fig.10 – Circuitos para realizar la preénfasis en el transmisor y la deénfasis en el receptor. Las constantes de tiempo de 75 μseg corresponden a las frecuencias de corte de 3db. 
              ________
fc = 1/ 2  π  RC  = 2.120Hz 

En los transceptores de telecomunicaciones, con un canal de voz entre 300Hz y 3KHz, la preénfasis y la deénfasis ocupan todo el canal. 

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