CAPITULO III Modulación Lineal de Onda Continua Señales pasabanda y sistemas (Convenciones de señales analógicas) (1) La condición esencial impuesta a una señal x(t) generada por una fuente de información es que debe tener un ancho de banda bien definido W. Por conveniencia matemática todas las magnitudes de cualquier señal mensaje serán normalizadas, por lo tanto, así mismo se establece un límite para la potencia promedio del mensaje. El análisis de algunas señales arbitrarias puede tornarse complejo y algunas veces imposible, luego, en estos casos se recurrirá al caso específico de un tono de modulación Teoría de Telecomunicaciones I 2 Señales pasabanda y sistemas (Convenciones de señales analógicas) (2) El tono de modulación permite trabajar con un lado del espectro y simplificar los cálculos de potencia, y a la vez permite inferir la respuesta del sistema a cualquier frecuencia a partir de la respuesta a la frecuencia ; para revelar posibles efectos no lineales debe utilizarse señales multitonos como con Teoría de Telecomunicaciones I 3 Señales pasabanda y sistemas (Señales pasabanda) (1) Considérese una señal real de energía con espectro el espectro presenta simetría hermitiana pero no necesariamente es simétrico a la frecuencia , entonces se define una señal pasabanda como aquella en la cual luego la señal en el dominio del tiempo luce como un sinusoide a la frecuencia y presenta cambios lentos de amplitud y fase donde del tiempo. es la envolvente y es la fase, ambas funciones Teoría de Telecomunicaciones I 4 Señales pasabanda y sistemas (Señales pasabanda) (2) La envolvente se muestra en líneas punteadas y se define no negativa , cuando se presentan amplitudes negativas son absorbidas por la fase adicionando puede ser descrita como un vector en un plano complejo en el cual es la magnitud del vector y el ángulo de fase, luego la señal puede representarse como la suma de componentes en fase y cuadratura , donde Teoría de Telecomunicaciones I 5 Señales pasabanda y sistemas (Señales pasabanda) (3) luego con en la descripción de envolvente – fase se tiene que Teoría de Telecomunicaciones I 6 Señales pasabanda y sistemas (Señales pasabanda) (4) Expresiones que no son Fourier transformables, y una condición que se debe cumplir es luego, consta de dos espectros que han sido trasladados y en el caso de desplazado en fase, luego se puede hablar de un espectro equivalente pasabajo definido como Teoría de Telecomunicaciones I 7 Señales pasabanda y sistemas (Señales pasabanda) (5) Luego en el dominio del tiempo sin embargo, representa una señal real pasabanda a pesar de su representación compleja, y su relación con es resultado que muestra la transformación pasabajo a pasabanda en el dominio del tiempo, lo cual en el dominio frecuencia se representa como Teoría de Telecomunicaciones I 8 Señales pasabanda y sistemas (Transmisión pasabanda) Una señal pasabanda entra a un sistema pasabanda con función de transferencia y produce una salida donde , sin embargo, usualmente es mas fácil trabajar con el espectro pasabajo relacionado por luego y Teoría de Telecomunicaciones I 9 Ejemplo: Retardo de envolvente y portadora (1) Considere un sistema pasabanda con respuesta constante en magnitud y desplazamiento no lineal en fase en su banda pasante luego Teoría de Telecomunicaciones I 10 Ejemplo: Retardo de envolvente y portadora (2) Asumiendo que las alinealidades de fase son relativamente planas, se puede escribir la aproximación donde aproximación que proviene de la expansión en series de Taylor de , para la interpretación de los parámetros y , cuando la señal de entrada tiene fase 0 si el espectro de la señal de entrada con la banda pasante del sistema Teoría de Telecomunicaciones I cae completamente 11 Ejemplo: Retardo de envolvente y portadora (3) Luego y la salida pasabanda será por lo tanto se puede concluir que es el retardo de portadora y y , es el retardo de envolvente producido por el sistema, siempre que sea independiente de la frecuencia la envolvente no sufre distorsión de retado, al retardo de la envolvente también se lo denomina retardo de grupo. Otra consideración importante es la relación existente entre la frecuencia central de respuesta del sistema y su ancho de banda, luego como regla se tiene el que el ancho de banda fraccional por lo tanto Teoría de Telecomunicaciones I 12 Modulación de amplitud de doble banda lateral (Señales y espectro de AM)(1) La característica principal de AM es que la envolvente de la portadora modulada tiene la misma forma de la señal mensaje, luego si Ac denota la amplitud de la portadora sin modular, modulando el mensaje x(t) se tiene la envolvente modulada donde la constante µ es denominada índice de modulación, por lo tanto la señal de AM es desde que no existan variaciones de fase en la señal componentes en fase y cuadratura son Teoría de Telecomunicaciones I las 13 Modulación de amplitud de doble banda lateral (Señales y espectro de AM)(2) La envolvente reproduce claramente la forma del mensaje si cuando estas condiciones se cumplen, el mensaje x(t) puede ser extraído de la señal modulada mediante un detector de envolvente. Sobre modulación produce cambios de fase y distorsión de envolvente Teoría de Telecomunicaciones I 14 Modulación de amplitud de doble banda lateral (Señales y espectro de AM)(3) En el dominio de la frecuencia se tiene La presencia de las bandas superior e inferior dan el nombre de AM de doble banda lateral al igual que establecen el ancho de banda de transmisión Otro elemento importante en la comparación de sistemas de modulación es la potencia promedio transmitida Teoría de Telecomunicaciones I 15 Modulación de amplitud de doble banda lateral (Señales y espectro de AM)(4) Calculando la potencia promedio de la señal modulada cuyo segundo término promedia a cero bajo la condición luego si y se tiene el término representa la potencia de la portadora sin modular, y el término representa la potencia por banda lateral, luego la restricción de modulación requiere que y por lo tanto luego Teoría de Telecomunicaciones I 16 Modulación de amplitud de doble banda lateral (Señales y espectro DSB)(1) La potencia desperdiciada en la portadora de AM puede ser eliminada estableciendo y suprimiendo al componente de frecuencia de portadora no modulada, luego la señal modulada resultante será la cual es denominada modulación de doble banda lateral con portadora suprimida (DSB o DSB-SC o DSSC), por lo tanto la envolvente y fase de DSB son luego la envolvente toma la forma de mas allá de que x(t) y la señal modulada invierten su fase cuando x(t) cruza cero. Teoría de Telecomunicaciones I 17 Modulación de amplitud de doble banda lateral (Señales y espectro DSB)(2) Por lo tanto la recuperación del mensaje requiere conocimiento de estos cambios de fase y no se puede conseguir con un detector de envolvente, pero DSB hace que toda la potencia transmitida se concentre en las bandas laterales, luego Los transmisores en la práctica imponen un límite a la potencia pico de envolvente , luego examinando la relación , bajo condiciones de máxima modulación Teoría de Telecomunicaciones I 18 Modulación de amplitud de doble banda lateral (Señales y espectro DSB)(3) Luego la relación para AM se tiene que con para DSB y , Por lo tanto si es fija y los demás parámetros de la modulación son iguales, un transmisor DSB produce 4 veces la potencia de la banda lateral que un transmisor de AM. Teoría de Telecomunicaciones I 19 Ejemplo Considere un radio transmisor en el cual y y sea la señal mensaje un tono con , entonces si la modulación utilizada por el transmisor es DSB, la máxima potencia de transmisión posible por banda lateral será la menor entre Si la modulación en AM con luego De acuerdo a que la distancia de transmisión es proporcional a luego la longitud del camino de AM solo podrá ser un 25% de la longitud del camino DSB con un transmisor con iguales características de potencia Teoría de Telecomunicaciones I 20 Modulación de amplitud de doble banda lateral (Modulación de tono y análisis fasorial) Sea la señal luego la señal modulada introducida a un modulador DSB similar expansión produce la modulación de tono en AM Teoría de Telecomunicaciones I 21 Ejemplo Sea el caso de modulación de tono de AM con , el diagrama fasorial se construye sumando los fasores correspondientes a las bandas laterales a la punta del fasor horizontal de la portadora suponiendo que es removida la banda lateral inferior, luego la envolvente es y la distorsión de amplitud está dada por Teoría de Telecomunicaciones I 22 Moduladores y Transmisores (Modulador de Producto) Se requiere implementar En este tipo de moduladores, la operación crucial es la multiplicación de dos señales analógicas. para realizar la multiplicación se utiliza el circuito multiplicador de transconductancia variable, pero se limita a bajas potencias y frecuencias Teoría de Telecomunicaciones I 23 Moduladores y Transmisores (Modulador de Ley Cuadrada y Balanceado)(1) La multiplicación a altas frecuencias puede realizarse con un modulador de ley cuadrada si se asume que la curva de trasferencia del elemento no lineal se aproxima a ley cuadrada se tiene que por lo tanto con Teoría de Telecomunicaciones I 24 Moduladores y Transmisores (Modulador de Ley Cuadrada y Balanceado)(2) En la ecuación anterior el último término es la señal deseada de AM con y aplicando transformada y graficando el espectro de salida se tiene por lo tanto con un filtro pasabanda centrado en y con , se conseguiría la señal modulada en AM y haciendo se obtendría DSB y por consiguiente el modulador ley cuadrado perfecto desafortunadamente, los dispositivos de ley cuadrada perfectos son raros, luego se obtiene la señal DSB, Teoría de Telecomunicaciones I 25 Moduladores y Transmisores (Modulador de Ley Cuadrada y Balanceado)(3) a partir de dos moduladores de AM en configuración balanceada, de tal forma que se cancela la frecuencia de portadora Teoría de Telecomunicaciones I 26 Modulación de amplitud con banda lateral suprimida SSB (Señales y espectro SSB)(1) Para obtener SSB se filtra una de las bandas laterales de una señal DSB conseguida de un modulador balanceado de AM Teoría de Telecomunicaciones I 27 Modulación de amplitud con banda lateral suprimida SSB (Señales y espectro SSB)(2) Luego la señal resultante tiene El comportamiento de SSB es fácilmente visualizado en el domino de la frecuencia, pero no es tan evidente en el dominio del tiempo, salvo para el caso de la modulación de un tono, luego si se remueve una banda lateral se tiene notese que la señal SSB se encuentra desplazada de y la envolvente es proporcional a obviamente detección de envolvente no funciona para SSB. Para analizar SSB para una señal mensaje arbitraria, se debe considerar que el filtro del modulador es un sistema pasabanda al cual entra una señal pasabanda obteniendose una salida pasabanda Teoría de Telecomunicaciones I 28 Modulación de amplitud con banda lateral suprimida SSB (Señales y espectro SSB)(3) Dado que no posee componente en cuadratura (por el efecto de supresión de la frecuencia de portadora de DSB) se tiene y la función de transferencia del filtro para USSB será y para LSSB Teoría de Telecomunicaciones I 29 Modulación de amplitud con banda lateral suprimida SSB (Señales y espectro SSB)(4) y ambas pueden ser representadas como luego recordando que tenemos por lo tanto y aplicando la transformación pasabanda Teoría de Telecomunicaciones I 30 Modulación de amplitud con banda lateral suprimida SSB (Señales y espectro SSB)(5) Se puede observar que la señal modulada tiene la forma de la suma de componentes en fase y cuadratura, luego y la envolvente de SSB es Ecuaciones en las cuales se vislumbra la complejidad de analizar la potencia pico de envolvente de señales SSB, por lo cual se debe inferir del estudio efectuado para un tono de modulación. Teoría de Telecomunicaciones I 31 Modulación de amplitud con banda lateral suprimida SSB (Generación de SSB)(1) Los filtros ideales son físicamente irrealizables, luego un filtro de banda lateral atenuará o permitirá el paso de algunas frecuencias indeseadas, afortunadamente, muchas de las señales prácticas a modular contienen “huecos” en su espectro alrededor de la frecuencia cero, lo cual en la señal modulada se refleja como una ausencia de componentes de frecuencia alrededor de la frecuencia de portadora Teoría de Telecomunicaciones I 32 Modulación de amplitud con banda lateral suprimida SSB (Generación de SSB)(2) Generalmente se establece como regla que el ancho de la región de transición no puede ser mucho menor que el 1% del valor nominal de la frecuencia de corte del filtro y está determinado por el ancho del hueco espectral, por lo tanto y se puede presentar que la portadora deba ser de muy alta frecuencia para transportar el mensaje, por ello se han planteado moduladores de dos pasos Otra método para la generación de SSB se basa en analizar la señal modulada de la forma Teoría de Telecomunicaciones I 33 Modulación de amplitud con banda lateral suprimida SSB (Generación de SSB)(3) Expresión que suguiere que una señal SSB se puede obtener a partir de dos señales DSB con portadoras en cuadratura y que modulan las señales y Un tercer método de generación de SSB se puede vislumbrar en el siguiente ejemplo. Teoría de Telecomunicaciones I 34 Señales y Espectro VSB (1) VSB se obtiene a partir de DSB filtrando una de las bandas laterales y permitiendo pasar un vestigio de la otra, su clave es el filtro de la banda lateral, el cual tipicamente presenta una función de transferencia en la cual la forma de la respuesta no es lo mas importante, pero se debe garantizar que posee simetria impar y una respuesta igual a ½ a la frecuencia de portadora. Teoría de Telecomunicaciones I 35 Señales y Espectro VSB (2) Donde y y el ancho de banda de transmisión es Cuando , lo cual usualmente es cierto, el espectro VSB luce como SSB, igualmente en el dominio del tiempo, por lo tanto se pude representar la señal VSB como donde con Si análoga si Luego VSB se aproxima a SSB y es grande VSB se aproxima a DSB y Teoría de Telecomunicaciones I de manera 36 Conversión de Frecuencia y Demodulación (Conversión de Frecuencia) La conversión de frecuencia inicia con la multiplicación por un sinusoide, luego considerando una señal DSB , multiplicada por se tiene lo cual muestra el traslado del mensaje hacia dos nuevas portadoras, y con el filtraje adecuado la señal es convertida hacia arriba o hacia abajo (up-converted o down-converted), el sistema mediante el cual se realiza esta operación es denominado Mezclador Teoría de Telecomunicaciones I 37 Ejemplo Un transponder satelital permite establecer la comunicación bidireccional entre dos estaciones terrenas, frecuencias diferentes son utilizadas en los dos enlaces (subida y bajada), típicamente en la banda C 6Ghz y 4Ghz, en el transponder un conversor traslada el espectro de la salida LNA del enlace de subida hacia la entrada del HPA del enlace de bajada Teoría de Telecomunicaciones I 38 Detección Síncrona (1) Todos los tipos de modulación lineal pueden ser detectados por un demodulador de producto en este caso se presume que el oscilador local está exactamente sincronizado con la portadora tanto en frecuencia como en fase, lo cual da el nombre de detección síncrona o coherente. La señal de entrada es de la forma Teoría de Telecomunicaciones I 39 Detección Síncrona (2) La entrada al filtro es el producto siempre que los términos de frecuencias dobles son rechazados por el filtro pasabajos, obteniendo la señal de salida donde es la constante de detección, la componente DC corresponde a la portadora trasladada si se encuentra presente en la señal modulada, y puede ser suprimida a través de un capacitor o un transformador a la salida del detector. El problema crucial de este tipo de detección es sincronización, para lo cual se inserta una pequeña cantidad de la frecuencia portadora en la señal modulada, y recuperada como OL. Teoría de Telecomunicaciones I 40 Detección de Envolvente (1) Para la detección de AM casi nunca se utiliza un detector síncrono pues en complejo y el mensaje puede ser recuperado de la envolvente de la señal modulada donde el voltaje vout es la versión rectificada de media onda y filtrada de la señal modulada, luego Teoría de Telecomunicaciones I 41 Detección de Envolvente (2) Teoría de Telecomunicaciones I 42