Paper Proyecto
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MICROTRANSMISOR Y RECEPTOR FM Dayana Carolina Ochoa 1 , Carlos Eduardo Mendoza Terán 2 Departamento de Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica del Ejército Sangolqui, Ecuador 1 [email protected], 2 [email protected]. Resumen— El presente proyecto consta de la creación de un transmisor y receptor de FM los cuales funcionan independientemente el uno del otro esto hace que se dé la facilidad de que si los dos son sintonizados en la misma frecuencia funcionen acoplados como un equipo de transmisión y recepción inalámbrica. Inicialmente en este documento se explicarán los conceptos básicos del proceso de desarrollo de este dispositivo electrónico como lo es el transmisor y receptor de FM, luego se analizará el modo de funcionamiento de dicho transmisor y receptor, en donde se abarcará el análisis de las partes que conforman el transmisor, y a su vez se obtendrán valores necesarios de dicho análisis como son corrientes, voltajes, ganancia del amplificador, potencia y alcance del transmisor, etc. Finalmente se abordarán los detalles del proceso de pruebas y funcionamiento del circuito transmisor. I. INTRODUCCION El presente proyecto trata acerca del diseño y construcción de un transmisor y receptor de frecuencia modulada. El transmisor está formado por 3 etapas: Una etapa de acoplamiento de la señal de entrada al resto del circuito, la señal transmitida consiste en una señal senoidal de audio. La tercera etapa corresponde a una etapa de amplificación de la señal. La segunda etapa del circuito puede considerarse como la etapa moduladora. A la salida del transmisor se añade un preamplificador el cual permite aumentar el nivel de la señal actuando sobre la tensión de la misma. Todo el circuito del transmisor funciona con 9 V de alimentación y una corriente de 800mA. El receptor de FM en la banda comercial que ocupa el espectro FM, entre 87.5 Mhz y 108 Mhz; es decir, opera con frecuencias superiores a los receptores de AM, lo que obliga a una construcción más crítica con cables cortos y componentes en su mayoría pequeños. Los componentes del receptor de FM son el limitador, el demodulador (también conocido como detector de FM o discriminador) y el circuito de énfasis. II. SEÑALES DE FM A. GENERACION DE LA SEÑAL FM Los sistemas de modulación de frecuencia se agrupan en dos clases: 1) FM directa, en cual la portadora esta modulada en el punto donde se genera, en el oscilador maestro; 2) FM indirecta, en la que el oscilador maestro no modula pero la modulación se aplica en alguna etapa siguiente. B. CONCEPTOS BÁSICOS DE LA MODULACION DE FRECUENCIA En los sistemas de comunicaciones analógicos, existen dos tipos de modulación: en amplitud y angular. La modulación angular a su vez se divide en modulación en fase y modulación en frecuencia. En el presente proyecto se aplicará la modulación en frecuencia. En la modulación en amplitud, la frecuencia de la portadora se mantiene constante mientras su amplitud cambia de acuerdo con la amplitud de la señal modulante. En cambio en la modulación de frecuencia, la amplitud de la portadora se conserva constante, y su frecuencia cambia de acuerdo con la amplitud de la señal modulante. La modulación de frecuencia tiene como resultado la generación de bandas laterales similares a las de un sistema modulado en amplitud. En donde a medida que aumenta la desviación, las bandas laterales aparecen cada vez a mayores distancias de la portadora principal. La amplitud de la portadora principal también depende de la cantidad de desviación. La cantidad de variación de la frecuencia de la señal por encima y por debajo del centro de la portadora principal se denomina desviación. La cantidad de desviación esta únicamente determinada por la frecuencia de la señal moduladora; es decir, todas las señales moduladoras que tengan las mismas amplitudes desviaran la frecuencia de la portadora en la misma cantidad. Las amplitudes de las bandas laterales, que aparecen a múltiplos enteros de la frecuencia de la señal moduladora por encima y por debajo de la portadora, así como la amplitud de la portadora propiamente dicha, son una función de la relación de desviación con respecto a la frecuencia de modulación. [1]
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MICROTRANSMISOR Y RECEPTOR FM
Dayana Carolina Ochoa1, Carlos Eduardo Mendoza Terán
2
Departamento de Eléctrica y Electrónica
Escuela Politécnica del Ejército
Sangolqui, Ecuador [email protected],
Resumen— El presente proyecto consta de la creación de un
transmisor y receptor de FM los cuales funcionan
independientemente el uno del otro esto hace que se dé la
facilidad de que si los dos son sintonizados en la misma
frecuencia funcionen acoplados como un equipo de transmisión y
recepción inalámbrica.
Inicialmente en este documento se explicarán los conceptos
básicos del proceso de desarrollo de este dispositivo electrónico
como lo es el transmisor y receptor de FM, luego se analizará el
modo de funcionamiento de dicho transmisor y receptor, en
donde se abarcará el análisis de las partes que conforman el
transmisor, y a su vez se obtendrán valores necesarios de dicho
análisis como son corrientes, voltajes, ganancia del amplificador,
potencia y alcance del transmisor, etc.
Finalmente se abordarán los detalles del proceso de pruebas y
funcionamiento del circuito transmisor.
I. INTRODUCCION
El presente proyecto trata acerca del diseño y construcción de
un transmisor y receptor de frecuencia modulada.
El transmisor está formado por 3 etapas:
Una etapa de acoplamiento de la señal de entrada al resto del
circuito, la señal transmitida consiste en una señal senoidal de
audio.
La tercera etapa corresponde a una etapa de amplificación de
la señal.
La segunda etapa del circuito puede considerarse como la
etapa moduladora. A la salida del transmisor se añade un
preamplificador el cual permite aumentar el nivel de la señal
actuando sobre la tensión de la misma.
Todo el circuito del transmisor funciona con 9 V de
alimentación y una corriente de 800mA.
El receptor de FM en la banda comercial que ocupa el espectro
FM, entre 87.5 Mhz y 108 Mhz; es decir, opera con
frecuencias superiores a los receptores de AM, lo que obliga a
una construcción más crítica con cables cortos y componentes
en su mayoría pequeños.
Los componentes del receptor de FM son el limitador, el
demodulador (también conocido como detector de FM o
discriminador) y el circuito de énfasis.
II. SEÑALES DE FM
A. GENERACION DE LA SEÑAL FM
Los sistemas de modulación de frecuencia se agrupan en dos
clases: 1) FM directa, en cual la portadora esta modulada en
el punto donde se genera, en el oscilador maestro; 2) FM
indirecta, en la que el oscilador maestro no modula pero la
modulación se aplica en alguna etapa siguiente.
B. CONCEPTOS BÁSICOS DE LA MODULACION
DE FRECUENCIA
En los sistemas de comunicaciones analógicos, existen dos
tipos de modulación: en amplitud y angular.
La modulación angular a su vez se divide en modulación en
fase y modulación en frecuencia.
En el presente proyecto se aplicará la modulación en
frecuencia.
En la modulación en amplitud, la frecuencia de la portadora se
mantiene constante mientras su amplitud cambia de acuerdo
con la amplitud de la señal modulante. En cambio en la
modulación de frecuencia, la amplitud de la portadora se
conserva constante, y su frecuencia cambia de acuerdo con la
amplitud de la señal modulante.
La modulación de frecuencia tiene como resultado la
generación de bandas laterales similares a las de un sistema
modulado en amplitud. En donde a medida que aumenta la
desviación, las bandas laterales aparecen cada vez a mayores
distancias de la portadora principal. La amplitud de la
portadora principal también depende de la cantidad de
desviación.
La cantidad de variación de la frecuencia de la señal por
encima y por debajo del centro de la portadora principal se
denomina desviación. La cantidad de desviación esta
únicamente determinada por la frecuencia de la señal
moduladora; es decir, todas las señales moduladoras que
tengan las mismas amplitudes desviaran la frecuencia de la
portadora en la misma cantidad. Las amplitudes de las bandas
laterales, que aparecen a múltiplos enteros de la frecuencia de
la señal moduladora por encima y por debajo de la portadora,
así como la amplitud de la portadora propiamente dicha, son
una función de la relación de desviación con respecto a la
frecuencia de modulación. [1]
Cuanto mayor es la desviación, mayor es el ancho de banda de
la señal. La relación de la desviación de frecuencia máxima
con respecto a la frecuencia de modulación más alta se
denomina índice de modulación.
C. SEÑALES QUE INTERVIENEN EN LA
MODULACIÓN DE FM
En el proceso de modulación de frecuencia intervienen tres
señales: señal portadora, señal de modulación y señal
modulada. La portadora RF es una señal de frecuencia
relativamente alta sobre la cual se actúa; la señal de
modulación, también conocida como señal modulante,
corresponde a la información de la fuente y posee frecuencia
relativamente baja; la señal resultante de la modulación se
llama señal modulada.
En la figura 1 se encuentran las señales mencionadas
anteriormente:
Fig. 1. Modulación de Frecuencia de una portadora de
onda seno. (a) Señal Portadora; (b) Señal Modulante; (c) Onda de Frecuencia Modulada
D. VENTAJAS DE LA MODULACIÓN FM SOBRE
LA MODULACIÓN AM.
Existen varias ventajas para utilizar modulación en frecuencia
en vez de la modulación en amplitud; entre ellas se incluyen:
Reducción de Ruido
Fidelidad mejorada del sistema transmisor
Uso más eficiente de la potencia
E. DESVENTAJAS DE LA MODULACIÓN FM
Esta técnica de modulación (FM) presenta algunas desventajas
importantes, entre las cuales se destacan:
Requieren un ancho de banda extendido.
Requieren circuitos transmisores complejos.
Requieren circuitos receptores complejos.
III. TRANSMISOR CON MODULACION EN
FRECUENCIA
A. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL TRANSMISOR
En la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques de un
transmisor de FM.
Fig. 2. Diagrama de Bloques de un Transmisor FM.
ETAPA AMPLIFICADORA
La amplificación de la señal de audio para la modulación de la portadora se lo hace con un preamplificador que tiene como base un transistor 2N2222 las resistencias R2, R3, R4 y R5 establecen los voltajes de polarización del transistor Q1, C3 ayuda a establecer la ganancia de CA de Q1. C2 y R6 proporcionan la comunicación entre las dos etapas, el capacitor C2 ayuda a bloquear la componente de dc de la señal y acopla la señal de AC para la siguiente etapa, R6 limita la corriente que llega a la base de Q2.
ETAPA DE MODULACIÓN
Esta etapa está constituida también por un transistor 2N2222,
configurado en un oscilador controlado por voltaje, el cual es
modulado por el voltaje de audio que es amplificado por Q1.
La frecuencia de oscilación la determina la bobina L1(ANT) y
el capacitor de 5-60 pF(variable), con lo cual podemos ajustar
entre 88 y 108 Mhz. Los resistores de R7 y R8 son los
encargados de polarizar la base del transistor Q2, el capacitor
C6 conectado entre el colector y el emisor se encarga de la
realimentación para que el transistor oscile. El resistor R9
limita la corriente a través del transistor y el condensador C8
actúa como condensador de filtro. La etapa moduladora se
muestra en la figura 3.
B. CIRCUITO TRANSMISOR
A continuación se presenta el circuito transmisor a ser
implementado en el proyecto:
Fig. 3. Transmisor Fm
Simulación en Proteus
IV. RECEPTOR PARA LA DEMODULACION EN
FRECUENCIA
Básicamente un receptor de FM se compone de la mismas
etapas que un receptor comercial de ondas medias, solo varia
la banda de frecuencias de trabajo (y por ende las
disposiciones circuitales) y la forma en que se detecta la señal
de audio. Se debe aclarar que, antes de demodular la
información, se agrega un circuito limitador que permite que
la señal RF llegue al detector con amplitud constante. Por lo
tanto un receptor de FM posee el siguiente diagrama de
bloques. Los bloques que difieren en el receptor de FM son el
limitador, el demodulador (también conocido como detector
de FM o discriminador) y el circuito de énfasis. El limitador
recorta los picos de la señal de FM amplificada con el fin de
presentar al discriminador una señal de amplitud constante. El
discriminador convierte la señal de FM en una señal de audio
y la función bloque de énfasis es compensar el preénfasis
introducido en el transmisor de FM. [5]
Fig. 5. Diagrama de bloques del receptor de FM
ETAPA LIMITADORA DE FM
La señal de FM posee la ventaja respecto de una señal de AM,
de que no le afecta en gran parte medida el ruido impulsivo
que se suma durante la transmisión. Precisamente, el bloque
limitador cumple la función de recortar o suprimir dicha señal
interferente (el ruido impulsivo se debe a cambios o
perturbaciones atmosféricas y ruidos introducidos por el
hombre).
En realidad, el sistema de FM no es totalmente inmune al
ruido. Es posible recortar o limitar la mayor parte de las
interferencias producidas ya que estás se presentan
principalmente como pulsos de ruido en amplitud, Pero en
menor proporción también producen desviaciones de fase que
se notan parcialmente como una desviación de frecuencias;
este efecto se hace mínimo al permitir una variación grande de
frecuencia al modular.
La banda asignada para los canales de FM se halla ubicada
entre 87.5 MHz y 108 MHz.
B. CIRCUITO RECEPTOR
A continuación se presenta el circuito transmisor a ser
implementado en el proyecto:
Fig. 5. Receptor Fm
V. ANÁLISIS Y CONSIDERACIONES DEL
TRANSMISOR Y RECEPTOR.
Basándonos en la figura 3 correspondiente al circuito del
transmisor FM, se puede definir el circuito del transmisor de
audio que consta de tres partes que son: 1 circuito de
acoplamiento, 2. Etapa de modulación, y 3.
Acoplamiento de la señal para enviarla.
La primera etapa está conformada por un capacitor el cual
cumple con la función de acoplamiento de la señal de
entrada. La señal transmitida consiste en una señal senoidal
de audio con una frecuencia de 20 Hz a 20 Khz. El capacitor
1 es el que permite realizar dicho acoplamiento.
La segunda etapa es la que permite realizar la amplificación
de la señal, formado por un transistor en configuración
divisor de voltaje.
El voltaje de la base y resistencia equivalente de base se
obtiene de la siguiente manera:
Al aplicar la ley de voltajes de kirchoff a la base y
emisor de la figura 3 se obtiene la siguiente ecuación:
Si se sabe que:
Sustituyendo la ecuación 2 en la 1 se obtiene lo siguiente:
De las ecuaciones 2 y 3 se obtiene el valor de la corriente en
la base, y con los datos obtenidos hasta el momento se pueden
obtener los valores de corrientes y voltajes restantes.
De los cálculos realizados anteriormente se puede
deducir que el voltaje de colector es mayor que el voltaje de la
base en aproximadamente 4.91 V, lo que quiere decir que el
transmisor se encuentra operando en modo activo.
Para el análisis de CA es necesario obtener el parámetro re, el
cual se obtiene a partir del valor del voltaje térmico y de la
corriente del emisor IE del análisis de CD:
La ganancia de un amplificador por divisor de voltaje se
encuentra determinada por la fórmula:
Dicho valor indica que se trata de un amplificador inversor
con una ganancia de 2.11, por lo tanto si no hubiera
ninguna carga conectada al amplificador se esperaría que la
señal de salida fuera 2.110 veces mayor que la señal de
entrada.
Finalmente, la tercera etapa del circuito puede considerarse
como la etapa moduladora. Como podrá observarse su análisis
resulta un poco más complicado que el de las etapas anteriores.
El circuito equivalente en CD de la etapa moduladora se
presenta en la figura 3. En ella se puede observar, que dicho
circuito equivalente únicamente polariza el transistor en la
región activa. Así mismo, la resistencia R8 proporciona mayor
estabilidad al circuito al funcionar como retroalimentación.
A continuación se presenta el análisis en CD para esta etapa.
Al l igual que en el análisis de la etapa anterior se supone que
β = 100, sustituyendo los valores en la ecuación 3, se obtiene
el valor de la corriente del emisor.
Ya con este valor, se pueden calcular los datos restantes:
En base a los resultados anteriores, es posible calcular la
potencia de salida del circuito. Dicho dato es importante, ya
que éste determina el alcance del transmisor.
Como puede observarse en la ecuación 6, la potencia de salida
del transmisor es muy pequeña, lo cual en este caso es lo
deseado para no ocasionar interferencia. Por otra parte, en esta
etapa no es posible realizar el análisis del circuito en CA, ya
que en este caso los capacitores lo impiden al comportarse
como corto circuito, esto se debe a que éste no es el fin de los
capacitores.
En la etapa del modulador se encuentra también la parte del
oscilador, que no es más que el circuito tanque, el mismo que
está conformado por la bobina y por el capacitor variable
La explicación del funcionamiento del circuito tanque se basa
en el hecho de que el inductor y el capacitor intercambian
energía eléctrica y magnética indefinidamente, produciendo
así oscilaciones.
La importancia de dicho circuito radica en que la frecuencia de
oscilación corresponde a la frecuencia de transmisión; sin
embargo, dicha frecuencia depende de los valores del inductor
y capacitor. El capacitor C5 conectado entre el colector y
emisor del transistor ayuda a mantener un nivel de voltaje y a
recargar el circuito tanque, con lo que se reducen las pérdidas
debidas a la producción de calor por la resistencia de dichos
elementos, además dicho capacitor asegura que durante el
semiciclo negativo de la señal el circuito tenga una conexión a
tierra.
Cálculo de la bobina
Donde n es el número de vueltas, s es el área de la bobina, l es
la longitud de la bobina, u la permeabilidad magnética del
núcleo de la bobina.
Reemplazando los datos en la formula anterior se tiene:
La frecuencia de oscilación del circuito se calcula mediante la
siguiente fórmula:
Como se conoce el valor de la inductancia y de la frecuencia,
se procede a calcular el valor del capacitor, de la siguiente
manera:
Como el capacitor es variable de 6.8 a 45 pF, entonces es
posible variar la capacitancia hasta la deseada que en este caso
según los cálculos anteriores es aproximadamente 0.65 pF.
El último elemento tomado en consideración como parte del
análisis del circuito transmisor es la antena, la cual puede ser
un simple cable aunque es recomendable utilizar una antena
telescópica. Según el tipo de antena usada, ésta debe cumplir
con la condición de que su longitud debe ser de al menos la
cuarta parte del tamaño de la longitud de onda de la señal
transmitida. La longitud de onda de la señal se calcula con la
siguiente fórmula:
donde λ es la longitud de onda, v es la velocidad de
propagación de las ondas electromagnéticas (3x10 8 m/s), y
f la frecuencia de transmisión (92.1 MHz).
V. PRUEBAS DEL FUNCIONAMIENTO
En la realización de este proyecto se realizó varias prácticas
para comprobar el funcionamiento correcto del transmisor y
receptor.
Las pruebas del funcionamiento de este sistema de
comunicación consisten en variar las frecuencias del
transmisor y receptor hasta que estos estén sintonizados en la
misma frecuencia.
Cabe mencionar que las pruebas empiezan probando los dos
circuitos por separado es decir se probó la transmisión con el
radio de una grabadora, el mismo que fue sintonizado en una
frecuencia libre, una vez hecho esto se debe mover el
capacitor variable del transmisor hasta poder escuchar algo por
la radio antes mencionada.
Las pruebas del receptor solamente consisten en sintonizar
diferentes estaciones a través del potenciómetro encargado de
esto, también se debe mencionar que al aumentar
exageradamente el volumen se mediante las pruebas se
observó que se pierde la buena sintonización de las diferentes
emisoras pertenecientes a la banda de FM.
Fig. 6. Pruebas del Sistema
VI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
Es posible concluir tras realizar el presente proyecto
que el transmisor y receptor desarrollado permite
ofrecer al usuario una amplia gama de prestaciones
dando facilidad y comodidad a quien lo utilice.
La implementación de este proyecto permite tener un
sistema inalámbrico de fácil manejo con un precio de
implementación económico.
El transmisor y receptor ha sido desarrollado de tal
forma que su sintonización permite en la banda de
87.5 MHz- 108MHz con el uso de elementos
variables..
Las frecuencias de trabajo de este transmisor y
receptor FM son correspondientes a las trabajadas en
radio FM por lo que es posible receptar las
frecuencias de esa banda.
Se debe considerar el número de vueltas de las
bobinas ya que de estas dependerá el acceso o no a la
sintonización de las frecuencias que se manejan en la
banda FM.
RECOMENDACIONES
Tener especial cuidado en el diseño de la antena, ya
que mientras mejor se encuentre diseñada mejor será
la recepción de la señal.
Tener especial cuidado con el manejo de los circuitos
una vez implementados en la baquelita ya que un mal
manejo de estos puede afectar la integridad de los
mismos.
REFERENCIAS
[1] Wayne Tomasi (n. d).Sistemas de
Comunicaciones Electronicas.. PRENTICE HALL MEXICO,
2003 (4ta edición)
[2] Simon Haykin (n. d).Sistemas de Comunicaciones. 2003
(4ta edición)
[3]catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/...a.../capitulo2
.pd. Consultada 10 de febrero del 2011]
[4]Practicas de
laboratorio.www.tecnun.es/asignaturas/labcompelec/Practica_
1_v3.doc. Extraído el 12 de Diciembre del 2012.
[5]Foros electrónica
http://betosamaniego.files.wordpress.com/2011/02/paper-
transmisor-fm1.pdf. Extraído el 13 de diciembre del 2012.
[6] (n. d).Sistemas de Comunicaciones Electrónicas.
PRENTICE HALL MEXICO, 2003 (4ta edición)
[7] Sistemas de Comunicaciones
http://www.angelfire.com/al2/Comunicaciones/Sistemas/fm2.
html. Extraído el 14 de diciembre del 2012.
[8] Sistemas de Comunicaciones. Fernando Quezada Pereira
http://ocw.bib.upct.es/pluginfile.php/5165/mod_resource/cont
ent/1/tema3_mod_y_demod_de_frecuencia.pdf. Extraído el 12
de diciembre del 2012.
