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SISTEMA DE ESTÉREO INALÁMBRICO

RAFAEL BELTRAN ESCARRAGA

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERIA

PROGRAMA DE INGENIERIA DE SONIDO BOGOTA, D.C.

2007

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CONTENIDO Pág.

INTRODUCCIÓN 6

1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 7

1.1 ANTECEDENTES 7

1.2 FORMULACIÓN Y DESCRIPCIÓN 7

1.3 JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA 7

1.4 OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN 8

1.4.1 Objetivos General 8

1.4.2 Objetivos Específicos 8

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES 8

1.5.1 Alcances 8

1.5.2 Limitaciones 8

2 MARCO DE REFERENCIA 9

2.1 MARCO CONCEPTUAL 9

2.1.1 Ondas 9

2.1.1.1 Ondas Mecánicas de Sonido 10

2.1.1.2 Ondas Electromagnéticas de radiofrecuencia 11

2.1.1.2.1 Propagación de las ondas electromagnéticas 11

2.1.2 Diseño de sistemas de sonido 12

2.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO 13

2.3 MARCO TEÓRICO 15

2.3.1 Medios de Transmisión 15

2.3.1.1 Medios de transmisión guiados 15

2.3.1.1.1 Par trenzado 15

2.3.1.1.2 Pares trenzados apantallados y sin apantallar 15

2.3.1.1.3 Cable coaxial 16

2.3.1.1.4 Fibra óptica 16

2.3.1.2 Medios de Transmisión no guiados 17

2.3.1.2.1 Infrarrojos 18

2.3.1.2.2 Transmisión por microondas 18

2.3.1.2.2.1 Microondas terrestres 18

3

2.3.1.2.2.2 Microondas por satélite 19

2.3.1.2.3 Transmisión por ondas de radio 19

2.3.2 Tipos de modulación 19

2.3.2.1 Señales de transmisión analógicas y señales

de datos analógicas 20

2.3.2.1.1 Modulación en Amplitud 21

2.3.2.1.1.2 Doble Banda Lateral 23

2.3.2.1.1.3 Banda Lateral Única 24

2.3.2.1.1.4 Banda Lateral Vestigial o Residual 25

2.3.2.1.2 Modulación Exponencial 25

2.3.2.1.2.1 Modulación en Frecuencia 25

2.3.2.1.2.2 Modulación en Fase 27

2.3.2.2 Señales de transmisión analógicas y señales

de datos digitales 29

2.3.2.2.1 ASK 30

2.3.2.2.2 FSK 30

2.3.2.2.3 PSK 31

2.3.2.2.3.1 MPSK 32

2.3.2.3 Demodulación 32

2.3.2.4 Funcionamiento de un receptor de FM 33

2.3.2.4.1 Etapa de sintonía 33

2.3.2.4.2 Amplificador de radiofrecuencia 33

2.3.2.4.3 Oscilador local 34

2.3.2.4.4 Mezclador 34

2.3.2.4.5 Amplificador de frecuencia intermedia 35

2.3.2.4.6 Discriminador 35

2.3.2.4.7 CAG 36

2.3.2.4.8 CAF 36

2.3.3 Interferencia y ruido 37

2.3.3.1 Fuentes de ruido 37

2.3.3.1.1 Ruido Térmico 37

2.3.3.1.2 Ruido de choque 38

2.3.3.1.3 Ruido atmosférico 38

4

2.3.3.2 Fuentes de Interferencia 38

2.3.3.3 Otros tipos de interferencia 39

2.3.3.3.1 Interferencia de canales adyacentes 39

2.3.4 Parámetros de Calidad 39

2.3.4.1 Distorsión armónica total 39

2.3.4.2 Distorsión por intermodulación 39

2.3.4.3 Relación señal a ruido 40

2.3.4.4 Calidad de una transmisión SINAD 40

3 METODOLOGÍA 41

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN 41

3.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN 41

3.3 HIPÓTESIS 41

3.4 VARIABLES 42

3.4.1. Variables independientes 42

3.4.2. Variables Dependientes 42

4. DESARROLLO INGENIERIL 43

4.1 DISEÑO DEL SISTEMA 43

4.1.1. Etapa de Transmisión 44

4.1.2. Etapa de Recepción 52

4.1.3. Etapa de Amplificación 57

4.1.4. Etapa Electroacústica 58

4.1.4.1. Adquisición de Parlantes 58

4.1.4.2. Medición de Parlantes 61

4.1.4.3. Diseño de la caja acústica 63

4.1.5. Etapa de Filtrado 64

5. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 66

5.1 Etapa de transmisión y recepción 67

5.2 Etapa Electroacústica 68

5.3 Sistema Estéreo Inalámbrico 69

6. CONCLUSIONES 71

7. RECOMENDACIONES 73

BIBLIOGRAFÍA 74

ANEXOS 76

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LISTA DE FIGURAS Pág.

Figura 1. Diagrama Transmisor Estéreo 44 Figura 2. Diagrama de bloques integrado BA1404 45 Figura 3. Transmisor en protoboard 45 Figura 4. Analizador de espectro 46 Figura 5. Transmisor en baquela universal 46 Figura 6. Diseño del transmisor en software 47 Figura 7. Circuito impreso transmisor 47 Figura 8. Montaje final transmisor 48 Figura 9. Diagrama rediseño transmisor FM 48 Figura 10. Diseño del impreso por software 49 Figura 11. Rediseño transmisor circuito final 49 Figura 12. Diagrama circuito de transistores 50 Figura 13. Diseño impreso por software 50 Figura 14. Circuito impreso 51 Figura 15. Circuito transmisor final 51 Figura 16. Medición de transmisor con transistores 51 Figura 17. Circuito integrado TDA7000 53 Figura 18. Diagrama receptor FM 53 Figura 19. Receptor en protoboard 54 Figura 20. Diseño del receptor en software 54 Figura 21. Circuito impreso receptor 55 Figura 22. Circuito final receptor 55 Figura 23. Diagrama rediseño circuito receptor 56 Figura 24. Diseño por software 56 Figura 25. Circuito impreso final 57 Figura 26. Rediseño circuito receptor final 57 Figura 27. Amplificador de audio de 7,5 Vatios 58 Figura 28. Especificaciones del parlante W4-657SB’ 59 Figura 29. Parlantes para el proyecto 60 Figura 30. Especificaciones del tweter 13-1264SA 61 Figura 31. Montaje para medición del parlante 61 Figura 32. Curva de impedancia 62 Figura 33. Simulación de respuesta en frecuencia 63 Figura 34. Cajas terminadas 64 Figura 35. Presentación final parlante 64 Figura 36. Diagrama del filtro 65 Figura 37. Respuesta simulada en software 65 Figura 38. Medición de transmisión por software 68 Figura 39. Respuesta en frecuencia del parlante 69 Figura 40. Medición del sistema 69 Figura 41. Respuesta en frecuencia del sistema 70

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INTRODUCCIÓN

A todos les puede suceder en alguna ocasión, cuando se desplazan por algún lugar, que se enredan con un cable y pueden causar daño a un equipo, lo cual lleva a pensar que esa parte aunque es económica pareciera no tener trascendencia en el funcionamiento del equipo, pero resulta ser una parte fundamental que interconecta un sistema y garantiza su buen desempeño. Es el caso de los sistemas 5.1, donde los satélites surround teóricamente debería estar ubicados en lugares donde en el hogar es imposible extender el cableado y normalmente se opta por ubicarlos en lugares donde la sensación de envolvimiento es mínima, así mismo se distribuyen teniendo en cuenta la parte estética del hogar; es decir, mucha gente prefiere ubicarlos en un lugar donde no incomoden sin importar que su sistema no cumpla al máximo la función para la cual fue diseñado. Aunque estéticamente ya no hay incomodidad por la distribución de los satélites, se observa que el sistema no funciona para la finalidad con la que fue diseñado, es decir, para tener un sonido envolvente.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 ANTECEDENTES Las marcas de electrodomésticos audiovisuales más importantes han desarrollado un sistema de transmisión estéreo inalámbrico para uso casero, los cuales se usan en los satélites traseros de sus sistemas de 5.1, estos sistemas operan con tecnología infrarroja, la cual para funcionar debe tener un campo de visión despejado entre el transmisor y el receptor. Normalmente este tipo de dispositivos operan con diferentes tecnologías de transmisión de datos sean ópticas o inalámbricas, basados en equipos ya existentes tales como: micrófonos inalámbricos, monitores in-ear inalámbricos, interconexión óptica de equipos, etc.

1.2 FORMULACION Y DESCRIPCION DEL PROBLEMA En una generación en la cual los cables físicos se han restringido al mínimo uso, aun en audio se sigue usando cables físicos, lo cual como todo cable se vuelve incómodo ya que se extiende a través de lugares donde puede haber bastante tráfico, siendo un riesgo tanto para el cable como para los equipos interconectados. Se podría diseñar e implementar un sistema estéreo para el hogar que evite el uso de cables físicos?

1.3 JUSTIFICACION DEL PROBLEMA

Este proyecto busca evitar el uso de cable físico y proponer un sistema el cual pueda hacer esta transmisión inalámbricamente, manteniendo siempre un margen de calidad, normalizado por el nivel de señal a ruido y una buena respuesta en frecuencia del sistema, tanto en la transmisión como en la reproducción.

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1.4 OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN:

1.4.1 Objetivo General Diseñar e implementar un sistema de transmisión inalámbrica

estéreo con los componentes necesarios del sistema. 1.4.2 Objetivos Específicos

o Investigar sobre comunicaciones inalámbricas con mínimo nivel de interferencia.

o Identificar las leyes colombianas que rigen el uso del espectro electromagnético.

o Diseñar e implementar el modulo electrónico inalámbrico de transmisión y recepción.

o Acoplar etapa de amplificación. o Diseñar e implementar el gabinete acústico. o Realizar proceso de calibración en campo.

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES 1.5.1. Alcances

Funcionalidad del sistema inalámbrico Optimo nivel de señal a ruido Buena distancia de transmisión Respuesta en frecuencia completa

1.5.2. Limitaciones

Altos costos de dispositivos con mínimo nivel de ruido. Conocimientos en electrónica. Tiempo y costos de importación de dispositivos.

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2. MARCO DE REFERENCIA 2.1 MARCO CONCEPTUAL 2.1.1 Ondas Onda es una perturbación que se propaga, Las partículas de ese medio no se desplazan con la onda, ellas oscilan o vibran. No hay transporte de materia, sino de energía. Las ondas se dividen en 2: ondas mecánicas y electromagnéticas, las mecánicas necesitan un medio elástico para propagarse, mientras que las electromagnéticas al ser oscilaciones de un campo eléctrico en relación con un campo magnético, no necesitan un medio para propagarse, es así como una onda electromagnética puede propagarse en el vacío. La cantidad de oscilaciones en un segundo determina la frecuencia, lo cual es determinante, ya que dependiendo de la magnitud de la frecuencia o su longitud de onda (proporcional a la frecuencia), estas se clasifican: Tabla 1. Tipos de ondas, longitudes y frecuencia

Tipo de onda Longitud de onda (m)

Frecuencia (Hz)

Rayos gamma < 10 pm >30.0 EHz

Rayos X < 10 nm >30.0 PHz

Ultravioleta Extremo < 200 nm >1.5 PHz

Ultravioleta Cercano < 380 nm >789 THz

Luz Visible < 780 nm >384 THz

Infrarrojo Cercano < 2.5 um >120 THz

Infrarrojo Medio < 50 um >6.00 THz

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Infrarrojo Lejano < 1 mm >300 GHz

Microondas < 30 cm >1.0 GHz

Ultra Alta Frecuencia (UHF) 10 cm – 1m 300MHz – 3Ghz

Muy Alta Frecuencia (VHF) 1m - 10m 30 - 300Mhz

Onda corta (SW) 10m – 100m 3Mhz – 30Mhz

Onda Media (AM) 100m – 1km 300Khz – 3Mhz

Onda Larga (Radio) 1km – 10km 30Khz - 300kHz

Muy Baja Frecuencia (Radio) 10km – 100km 3Khz - 30kHz

Sonido (Ondas Audibles) < 17 m 20 - 20 kHz

Como se puede ver en este cuadro, las ondas abarcan un amplio nivel de acción, para lo cual en esta investigación, nos centraremos en las ondas mecánicas de sonido (20 Hz – 20 kHz) y las ondas electromagnéticas de radiofrecuencia (30 kHz – 3 GHz). 2.1.1.1 Ondas Mecánicas de Sonido

Debido a que son ondas mecánicas, necesitan obligatoriamente un medio elástico para propagarse; Estas ondas son audibles al oído del ser humano, por esto, son llamadas ondas sonoras. Dependiendo de su frecuencia se percibirán como graves (frecuencias bajas) o agudos (frecuencias altas). En este aparte también se debe explicar sobre el “ruido”, el ruido subjetivamente no es más que una señal indeseada que afecta al oyente y lo que éste desea escuchar. En esta investigación se trabaja con una expresión para cuantificar el nivel de ruido llamada SNR (Signal-Noise Ratio) o INR (Índice de Nivel de Ruido), la cual es muy útil para dar valores de calidad de un sistema frente a este fenómeno que es normal en todos los dispositivos, la diferencia la hace que tanto nivel está por encima la señal deseada de la indeseada.

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2.1.1.2 Ondas electromagnéticas de Radiofrecuencia Como ya se vio, estas ondas abarcan desde los 30 kilohertz hasta el orden de los gigahertz, se usan en todo tipo de comunicaciones alámbricas o inalámbricas, las transmisiones inalámbricas se hacen mediante radiación electromagnética, en la cual se envía por medio de dos campos, eléctrico y electromagnético una señal a una frecuencia dada y un receptor con la capacidad de recibir esa frecuencia, la recoge y la procesa. En este tipo de ondas también existe el ruido, pero ya que son ondas imperceptibles al oído humano, su presencia va a interferir en las transmisiones y se podrá ver su nivel mediante dispositivos o sistemas diseñados para este fin. 2.1.1.2.1 Propagación de las ondas electromagnéticas La propagación de las ondas radiales es el fenómeno provocado por la ionósfera, que es la capa de la atmósfera que permite la recepción de señales a grandes distancias gracias a la refracción que ésta produce. La ionósfera posee varias capas, llamadas D, E, F1 y F2. La capa E está a 96 kilómetros de altura y es la que envía la mayoría de las señales de onda corta que usted oye desde el otro lado de la tierra. Las capas de F1 y F2 están a mucho más altura, 160 y 320 kilómetros respectivamente, y trabajan mejor en las frecuencias superiores de la región de onda corta. La capa D es la más cercana a la tierra, cerca de 80 kilómetros de altura. En lugar de reflejar señales detrás de la tierra sobre el horizonte, la capa D trabaja contra nosotros absorbiendo señales de radio en el borde inferior de bandas de onda corta de modo que estén demasiado débiles para alcanzar la capa E. Pero la capa D desaparece rápidamente de noche, de modo que las más bajas frecuencias sobreviven más rápidamente durante las horas de la noche y de esta forma actúa la capa E. Si la frecuencia es demasiado alta la onda no se refracta para volver a la tierra suficientemente. Se llama Frecuencia Máxima Utilizable (MUF) a aquella en la que es factible su propagación entre dos puntos de la tierra. Sin embargo, debido a la gran variabilidad que existe en la densidad del electrón de la región de F2, las MUF´s no son límites absolutos y pueden darse excepciones al cálculo.

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Las señales que lleguen a la capa de F2 deben atravesar la región de la capa E de la ionósfera. La capa E también es capaz de "reflejar" las señales de HF y si el MUF de la capa E es demasiado alto, las señales en la capa F son bloqueadas por la capa E. Este fenómeno es llamado ECOF; es decir las frecuencias por debajo del ECOF no atravesarán la capa E. Las señales pueden propagarse entre dos puntos de la tierra vía capa E de la misma manera que cuando lo hacen vía capa F2, pero la distancia de tierra máxima del salto de la capa E es sólo aproximadamente de 2000 Km. 2.1.2 Diseño de sistemas de sonido

En este campo para la investigación se trabaja con altoparlantes los cuales son transductores de energía eléctrica a acústica, mediante un proceso electro-mecano-acústico de transducción, ya que en una primera etapa convierte las ondas eléctricas en energía mecánica mediante una bobina móvil y una fuerza electromagnética, la cual mueve un diafragma que convierte esta energía mecánica en energía acústica. El diseño de un bafle o caja acústica para un parlante es un proceso complejo, en el cual se debe hacer una medición para obtener los parámetros Thielle-Small del parlante, que son los parámetros específicos de un parlante, con los cuales se puede entrar a diseñar un caja óptima, sea cerrada, bass reflex o abierta.

* Tomado de la pagina web de JBL (www.jblpro.com)

Este es un ejemplo de parámetros Thielle-Small del parlante 2242H del fabricante JBL, en el cual vemos:

Fs: Frecuencia de resonancia al aire libre. Re: Resistencia Eléctrica Qts: Q Total del sistema Qms: Q mecánico del sistema Qes: Q eléctrico del sistema

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Vas: Volumen de aire equivalente Sd: Superficie efectiva del diafragma Xmax: Excursión máxima del diafragma Vd: Volumen desplazado Le: Inductancia de la bobina Ŋo: Eficiencia del parlante Pe: Potencia Eléctrica

Mediante estos parámetros que un buen fabricante mantiene con un margen de error bajo se puede entrar a diseñar directamente sin hacer medición, pero para obtener mejores resultados, lo mejor es medir el parlante y diseñar la caja específica para éste. 2.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO

• Cuadro Nacional de Atribución de bandas de frecuencia

Aplicaciones del espectro radioeléctrico para los servicios de Radiocomunicación de 9 kHz a 1000 GHz.

• Políticas para la radiodifusión en Colombia de la serie de cuadernos de política sectorial No. 3 del Ministerio de Comunicaciones

Clasificación de las estaciones según potencia de operación

Tipo de estación A.M. F.M A Superior a 10 Kw. hasta 250 Kw. Mínimo 15 Kw. y máximo 100 Kw. B Superior a 5Kw. hasta 10 Kw. Superior a 5Kw. e inferior 15 Kw. C De 1 Kw. y máximo 5 Kw. Mínimo 1 Kw. y máximo 5 Kw. D Potencia máxima 250 w Mínimo 100 w y máximo 250 w

• Ley 72 de 1989

Por la cual se definen nuevos conceptos y principios sobre la organización de las telecomunicaciones en Colombia y sobre el régimen de concesión de los servicios y se confieren unas facultades extraordinarias al Presidente de la República.

• Ley 94 de 1993

Por la cual se fomenta el desarrollo de la radio experimentación a nivel aficionado y la Nación se asocia al sexagésimo aniversario de la fundación de la Liga Colombiana de Radioaficionados. ARTÍCULO 4o. El servicio de radioaficionados es un servicio de radiocomunicaciones que tiene por objeto la instrucción individual, la intercomunicación y los estudios técnicos efectuados por aficionados

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debidamente actualizados que se interesan en la radio-experimentación con fines exclusivamente personales y sin ánimo de lucro.

• Decreto Ley 1900 de 1990 El presente decreto tiene como objeto el ordenamiento general de las telecomunicaciones y de las potestades del Estado en relación con su planeación, regulación y control, así como el régimen de derechos y deberes de los operadores y de los usuarios. ARTICULO 4o. CALIDAD DE SERVICIO PUBLICO. Las telecomunicaciones son un servicio público a cargo del Estado, que lo prestará por conducto de entidades públicas de los órdenes nacional y territorial en forma directa, o de manera indirecta mediante concesión, de conformidad con lo establecido en el presente decreto. ARTICULO 18. PROPIEDAD DEL ESPECTRO ELECTROMAGNETICO. El espectro electromagnético es de propiedad exclusiva del Estado y como tal constituye un bien de dominio público, inenajenable e imprescriptible, cuya gestión, administración y control corresponden al Ministerio de Comunicaciones de conformidad con las leyes vigentes y el presente decreto. ARTICULO 29. SERVICIOS DE DIFUSION. Servicios de difusión son aquellos en los que la comunicación se realiza en un solo sentido a varios puntos de recepción en forma simultánea. Forman parte de éstos, entre otros, las radiodifusiones sonora y de televisión.

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2.3 MARCO TEORICO

2.3.1 Medios de Transmisión

El medio de transmisión en telecomunicaciones, es el soporte físico, por el cual se comunica un transmisor con el receptor, puede ser guiado o no guiado.

2.3.1.1 Medios de transmisión guiados

En medios guiados, el ancho de banda o velocidad de transmisión dependen de la distancia y de si el enlace es punto a punto o multipunto.

2.3.1.1.1 Par trenzado

Es el medio guiado más barato y más usado.

Consiste en un par de cables, embutidos para su aislamiento, para cada enlace de comunicación. Debido a que puede haber acoples entre pares, estos se trenza con pasos diferentes. La utilización del trenzado tiende a disminuir la interferencia electromagnética.

Este tipo de medio es el más utilizado debido a su bajo costo (se utiliza mucho en telefonía) pero su inconveniente principal es su poca velocidad de transmisión y su corta distancia de alcance.

Con estos cables, se pueden transmitir señales analógicas o digitales.

Es un medio muy susceptible a ruido y a interferencias. Para evitar estos problemas se suele trenzar el cable con distintos pasos de torsión y se suele recubrir con una malla externa para evitar las interferencias externas.

2.3.1.1.2 Pares trenzados apantallados y sin apantallar

Los pares sin apantallar son los más baratos aunque los menos resistentes a interferencias (aunque se usan con éxito en telefonía y en redes de área local). A velocidades de transmisión bajas, los pares apantallados son menos susceptibles a interferencias, aunque son más caros y más difíciles de instalar.

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2.3.1.1.3 Cable coaxial

Consiste en un cable conductor interno (cilíndrico) separado de otro cable conductor externo por anillos aislantes o por un aislante macizo. Todo esto se recubre por otra capa aislante que es la funda del cable.

Este cable, aunque es más caro que el par trenzado, se puede utilizar a más larga distancia, con velocidades de transmisión superiores, menos interferencias y permite conectar más estaciones.

Se suele utilizar para televisión, telefonía a larga distancia, redes de área local, conexión de periféricos a corta distancia, etc.

Se utiliza para transmitir señales analógicas o digitales.

Sus inconvenientes principales son: atenuación, ruido térmico, ruido de intermodulación.

Para señales analógicas, se necesita un amplificador cada pocos kilómetros y para señales digitales un repetidor cada kilómetro.

2.3.1.1.4 Fibra óptica

Se trata de un medio muy flexible y muy fino que conduce energía de naturaleza óptica.

Su forma es cilíndrica con tres secciones radiales: núcleo, revestimiento y cubierta.

El núcleo está formado por una o varias fibras muy finas de cristal o plástico. Cada fibra está rodeada por su propio revestimiento que es un cristal o plástico con diferentes propiedades ópticas distintas a las del núcleo. Alrededor de este conglomerado está la cubierta (constituida de material plástico o similar) que se encarga de aislar el contenido de aplastamientos, abrasiones, humedad, etc.

Es un medio muy apropiado para largas distancias e incluso últimamente para LAN (Red de Área Local).

Sus beneficios frente a cables coaxiales y pares trenzados son:

• Permite mayor ancho de banda. • Menor tamaño y peso. • Menor atenuación. • Aislamiento electromagnético. • Mayor separación entre repetidores.

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• Su rango de frecuencias es todo el espectro visible y parte del infrarrojo.

El método de transmisión es: los rayos de luz inciden con una gama de ángulos diferentes posibles en el núcleo del cable, entonces sólo una gama de ángulos conseguirán reflejarse en la capa que recubre el núcleo. Son precisamente esos rayos que inciden en un cierto rango de ángulos los que irán rebotando a lo largo del cable hasta llegar a su destino. A este tipo de propagación se le llama multimodal. Si se reduce el radio del núcleo, el rango de ángulos disminuye hasta que sólo sea posible la transmisión de un rayo, el rayo axial, y a este método de transmisión se le llama monomodal.

Los inconvenientes del modo multimodal son debidos a que dependiendo del ángulo de incidencia de los rayos , estos tomarán caminos diferentes y tardarán más o menos tiempo en llegar al destino, con lo que se puede producir una distorsión (rayos que salen antes pueden llegar después), con lo que se limita la velocidad de transmisión posible .

Hay un tercer modo de transmisión que es un paso intermedio entre los anteriormente comentados y que consiste en cambiar el índice de refracción del núcleo. A este modo se le llama multimodo de índice gradual.

Los emisores de luz utilizados son: LED (de bajo costo, con utilización en un amplio rango de temperaturas y con larga vida media) y ILD (más caro, pero más eficaz y permite una mayor velocidad de transmisión).

2.3.1.2 Medios de transmisión no guiados (Transmisión inalámbrica)

Comencemos entendiendo la naturaleza de las ondas electromagnéticas, cuando los electrones oscilan en un circuito eléctrico, parte de su energía se convierte en radiación electromagnética. La frecuencia (la rapidez de la oscilación) debe ser muy alta para producir ondas de intensidad aprovechable que, una vez formadas, viajan por el espacio a la velocidad de la luz. Cuando una de esas ondas encuentra una antena metálica, parte de su energía pasa a los electrones libres del metal y los pone en movimiento, formando una corriente alterna cuya frecuencia es la misma que la de la onda. Este es, sencillamente, el principio de la comunicación por radio. Existen diferentes modos de propagación que pueden surgir como el resultado del lanzamiento de ondas electromagnéticas al espacio por medio de antenas de configuración adecuada. Si no existiera el aire ni las capas ionosféricas, esto es, en el vacío, las ondas de radio viajarían en línea recta. Sin embargo, debido a la presencia de gases de diferente composición en la atmósfera terrestre, la propagación de ondas se ve influenciada por una serie diversa de mecanismos. Hay dos configuraciones para la emisión y recepción de esta energía: direccional y omnidireccional. En la direccional, toda la energía se concentra en un haz que es emitido en una cierta dirección, por lo que tanto el emisor como

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el receptor deben estar alineados. En el método omnidireccional, la energía es dispersada en múltiples direcciones, por lo que varias antenas pueden captarla. Cuanto mayor es la frecuencia de la señal a transmitir, más factible es la transmisión unidireccional.

Por tanto, para enlaces punto a punto se suelen utilizar microondas (altas frecuencias). Para enlaces con varios receptores posibles se utilizan las ondas de radio (bajas frecuencias). Los infrarrojos se utilizan para transmisiones a muy corta distancia (en una misma habitación).

2.3.1.2.1 Infrarrojos

Los emisores y receptores de infrarrojos deben estar alineados o bien estar en línea tras la posible reflexión de rayo en superficies como las paredes. En infrarrojos no existen problemas de seguridad ni de interferencias ya que estos rayos no pueden atravesar los objetos (paredes por ejemplo). Tampoco es necesario permiso para su utilización (en microondas y ondas de radio si es necesario un permiso para asignar una frecuencia de uso).

2.3.1.2.2 Transmisión por Microondas

El modo de propagación más sencillo es aquel en que la onda sigue una trayectoria recta entre la antena de transmisión y la de recepción. A este tipo de onda se le conoce como directa o de línea de visión, LOS (Line Of Sight). Las microondas son el ejemplo clásico de este mecanismo de propagación. En condiciones óptimas las microondas pueden considerarse como un haz concentrado de energía electromagnética que hace la travesía desde la antena de emisión hasta la recepción desplazándose en línea recta. Más aún, debido a las longitudes de onda tan pequeñas en esta modalidad de aplicación, las antenas utilizadas, reflectores parabólicos, y en general todo el esquema de propagación, pueden analizarse como si fuera un sistema de características ópticas.

2.3.1.2.2.1 Microondas terrestres

Para enlaces a larga distancia, se utilizan conexiones intermedias punto a punto entre antenas parabólicas.

Se suelen utilizar en sustitución del cable coaxial o las fibras ópticas ya que se necesitan menos repetidores y amplificadores, aunque se necesitan antenas alineadas. Se usan para transmisión de televisión y voz.

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La principal causa de pérdidas es la atenuación debido a que las pérdidas aumentan con el cuadrado de la distancia (con cable coaxial y par trenzado son logarítmicas). La atenuación aumenta con las lluvias.

Las interferencias son otro inconveniente de las microondas ya que al proliferar estos sistemas, pude haber más solapamientos de señales.

2.3.1.2.2.2 Microondas por satélite

El satélite recibe las señales y las amplifica o retransmite en la dirección adecuada.

Para mantener la alineación del satélite con los receptores y emisores de la tierra, el satélite debe ser geoestacionario.

Se suele utilizar este sistema para:

• Difusión de televisión. • Transmisión telefónica a larga distancia. • Redes privadas.

El rango de frecuencias para la recepción del satélite debe ser diferente del rango al que éste emite, para que no haya interferencias entre las señales que ascienden y las que descienden.

Debido a que la señal tarda un pequeño intervalo de tiempo desde que sale del emisor en la Tierra hasta que es devuelta al receptor o receptores, ha de tenerse cuidado con el control de errores y de flujo de la señal.

2.3.1.2.3 Transmisión por ondas de radio

Las ondas radiales como su nombre lo indica, son omnidireccionales, es decir que se transmiten en un radio de transmisión dependiente de la potencia del transmisor, pueden transmitir a varios receptores sin necesidad de tener una línea de visión entre el transmisor y el receptor, es así como funcionan las emisoras radiales, televisión, telefonía, wifi, etc.

2.3.2 Tipos de modulación

Para que una señal pueda ser transmitida, ya sea por radio o microondas, ésta debe ser modulada por la frecuencia a la cual se quiere transmitir. Se llama modulación al proceso de colocar una señal de baja frecuencia sobre una señal de alta frecuencia.

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Debido a este proceso, la señal portadora será modificada en alguno de sus parámetros, siendo esa modificación proporcional a la señal de baja frecuencia (moduladora).

A la señal resultante de este proceso se le denomina señal modulada, siendo esta la señal que se transmite.

Diagrama Modulación

Es necesario modular la señal ya que a alta frecuencia se tiene mayor eficiencia en la transmisión y se puede proteger la información de ruido e interferencia.

Las señales de transmisión, corresponden a la portadora, mientras que las señales de datos corresponden a la moduladora.

Debido a que esta investigación está encaminada a señales de transmisión análogas, nos centraremos en este tipo ya sea para transmisión de datos análogos o para transmisión de datos digitales.

De acuerdo al sistema de transmisión se pueden tener los siguientes casos:

Señal de Transmisión Señal de Datos Analógica Analógica Analógica Digital

2.3.2.1 Señales de transmisión analógicas y Señales de datos analógicas

Dentro de este grupo, están:

• Modulación en Amplitud o Amplitud Modulada o Doble Banda Lateral o Banda Lateral Única o Banda Lateral Vestigial o Residual

• Modulación Exponencial o Modulación en Frecuencia o Modulación en Fase

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2.3.2.1.1 Modulación en Amplitud

La modulación en amplitud es usada por su bajo costo y buena calidad dependiendo de la frecuencia de transmisión.

En Banda Media (AM 300Khz – 3Mhz) es troposférica y aunque cubre pequeñas distancias garantiza una buena confiabilidad, en Banda Corta (SW 3Mhz – 30Mhz) es ionosférica y cubre grandes distancias, pero con un poco confiabilidad.

Debido a esto la banda corta SW es muy usada como canal de noticias y emergencias, donde no se necesita más que inteligibilidad de palabras. Mientras que en banda media AM se comienza a dar uso para emisoras comerciales de música, siendo muy útil en lugares fuera del casco urbano, donde las emisoras de bandas superiores no tienen cubrimiento.

Diagrama de Modulación en Amplitud (AM)

La información de entrada varía la amplitud de la señal portadora. La frecuencia portadora se mantiene constante. Las señales transmitidas inducen un voltaje en la antena receptora, el receptor amplifica la señal y detecta las variaciones en amplitud en la señal, y reproduce la información transmitida en la salida del receptor. Cualquier señal de interferencia que varíe la amplitud de la portadora del receptor se convierte en una señal en la salida del receptor de AM.

Señal Moduladora (Datos) Señal Portadora

Señal Modulada

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La modulación en Amplitud está dada por la ecuación:

Am(t) = [Ac + M(t)] Cos (Wct + Ø)

Donde: Ac = Portadora Wc = Frecuencia Portadora M(t) = Información a modular

Es importante analizar la relación de magnitudes de ambas señales, ya que estos dos valores nos dan el índice de modulación, el cual puede llegar a afectar la señal modulada y por ende la información.

m = Vm/Vp en porcentaje M% = Vm/Vp x100 Donde: Vp = Valor pico de la Portadora Vm = Valor pico de la Moduladora

El índice de modulación puede variar de 0% a 100% sin que exista distorsión, pero si este índice se incrementa, se creará distorsión por sobre-modulación, lo cual da lugar a frecuencias no deseadas.

Índice de Modulación

M < 100% M = 100%

M > 100%

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Como podemos ver en la gráfica, la señal es transmitida en espejo, a lo que se llaman frecuencias laterales superior e inferior respectivamente, lo que genera un contenido espectral complejo al transmitirse la portadora, la diferencia de la portadora y la moduladora, y la suma de las dos.

Donde: fp - fm = Frecuencia lateral Inferior fp + fm = Frecuencia lateral Superior

dado que las frecuencias moduladoras no son senoidales puras, no tendremos dos frecuencias sino dos conjuntos a los que se denominan bandas laterales superior e inferior. Ya que la información útil está contenida en la frecuencia moduladora, abrá que analizar las dos bandas laterales para tener la información completa. Debido a ésto el ancho de banda necesario para la transmisión, será el doble del ancho de banda de la información a transmitir. 2.3.2.1.1.2 Doble Banda Lateral Es una optimización al am simple, al suprimir una portadora y ahorrar potencia. Pueden haber problemas de distorsión, ya que al tener sólo una portadora, ésta trabaja invirtiendo la fase de la señal, un ejemplo de distorsión se puede dar en fases de 0 y 180. En la gráfica podemos ver una señal senoidal en doble banda lateral.

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Función Senoidal en DBL

Este tipo de modulación se usa en comunicación punto a punto donde se utiliza un solo receptor, debido a su complejidad y costo. También se emplea para colocar los canales (L y R) en FM estéreo, con el propósito de tener buena respuesta en bajas frecuencias. 2.3.2.1.1.3 Banda Lateral Única Cuando mediante un filtro eliminamos una banda lateral, sea la superior o inferior, obtenemos la banda lateral única BLU, la cual es más eficiente ya que tendrá solo el ancho de banda de la señal transmitida, aunque se complica la circuitería, lo cual resulta costoso.

Diagrama Banda Lateral Única

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2.3.2.1.1.4 Banda Lateral Vestigial o Residual Igualmente como en la banda lateral única, se inicia desde la doble banda lateral, pero se elimina parte de la banda, para así reforzar y eliminar ruido en una parte del espectro de la moduladora, sacrifica algo de eficiencia con calidad de la señal, pero los equipos son complicados para su elaboración y por ende costosos.

Diagrama Banda Lateral Vestigial

2.3.2.1.2 Modulación Exponencial

La modulación exponencial no es un proceso lineal, por tanto no existirá una relación lineal entre el espectro de la señal moduladora y la señal modulada.

Aunque es necesario un ancho de banda mayor que en la modulación en amplitud, brinda una mejor relación señal a ruido sin incrementar la potencia y además es más robusto a ruido e interferencia.

Se puede aplicar modulando en frecuencia o en fase.

2.3.2.1.2.1 Modulación en Frecuencia

En este caso la señal modulada mantendrá fija su amplitud, pero variará la frecuencia de la portadora en relación a la variación en amplitud de la moduladora.

Este es un sistema menos susceptible a la no linealidad y es inmune a desvanecimientos rápidos, ya que permite el uso de un control automático de ganancia.

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Diagrama de Modulación en Frecuencia (FM)

Matemáticamente la portadora está dada por:

Vp (t) = Vp Sen (2n fp t)

Donde: Vp = Valor Pico de la señal Portadora fp = Frecuencia de la señal Portadora

Y la moduladora por:

Vm (t) = Vm Sen (2n fm t) Donde: Vp = Valor Pico de la señal Portadora fp = Frecuencia de la señal Portadora

ya que la señal modulada variará su frecuencia proporcional a la portadora, se tiene que:

f = fp + Δf Sen (2n fm t)

Señal Moduladora (Datos) Señal Portadora

Señal Modulada

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por lo tanto la señal modulada resulta:

Vp (t) = Vp Sen (2n (fp + Δf Sen (2n fm t)) t)

La desviación de la frecuencia Δf, es el máximo cambio de frecuencia al que puede llegar la frecuencia de la señal portadora. A la variación del valor más alto al más bajo en frecuencia de la portadora, se le conoce como oscilación de portadora.

De esta forma, una señal que tiene picos positivos y negativos como una señal senoidal pura, provocará una oscilación de portadora igual a 2 veces la desviación de frecuencia.

La expresión para las señales moduladas en frecuencia es:

V(t) = Vp Sen [ 2n fp t + (Δf / fm) Cos (2n fm t)]

Donde mf = Δf / fm, se denomina índice de modulación, así mismo se denomina porcentaje de modulación a la razón de desviación de frecuencia efectiva respecto a la desviación de frecuencia máxima permisible.

Porcentaje de Modulación = (Δf efectiva / Δf máxima) x 100

Si analizamos el espectro en frecuencia de una señal modulada en fm, observamos que se tienen infinitas frecuencias laterales espaciadas en la frecuencia moduladora alrededor de la frecuencia de la portadora; sin embargo la mayor parte de estas frecuencias tienen poca amplitud por lo que no tienen gran cantidad de potencia.

Según el análisis de Fourier, el número de frecuencias con potencia significativa, depende del índice de modulación y por tanto el ancho de banda efectivo también dependerá de ese índice.

2.3.2.1.2.2 Modulación en Fase

En este caso la modulación es realizada en la fase de la portadora, en relación a la moduladora.

Este es un sistema poco utilizado por la complejidad de los equipos para su recepción y la ambigüedad en casos donde la fase es 0º o 180º.

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Diagrama de Modulación en Fase

Las formas de las señales de modulación en fase y modulación en frecuencia son muy parecidas, incluso es casi imposible diferenciarlas si no se tiene conocimiento de la función de modulación.

Consideremos la señal portadora dada por la siguiente expresión:

Vp (t) = Vp Cos (2n fp t)

Donde: Vp = Valor Pico de la señal Portadora fp = Frecuencia de la señal Portadora

y que la señal moduladora está dada por:

Vm (t) = Vm Sen (2n fm t) Donde: Vp = Valor Pico de la señal Portadora fp = Frecuencia de la señal Portadora

Señal Moduladora (Datos) Señal Portadora

Señal Modulada

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si consideramos que la fase de la portadora es proporcional al valor de amplitud de la moduladora, tenemos:

Φ(t) = ΔΦ Vm(t) = ΔΦ Vm Sen(2n fm t)

Donde: ΔΦ = Constante de desviación de fase

Ya que el valor máximo que puede tomar Vm (t) es Vm, tenemos que la máxima variación que puede tomar ΔΦ, será:

-Vm ΔΦ ≤ Φ(t) ≤ Vm ΔΦ

Como │Vm(t)│≤ Vm, la señal modulada resulta:

V(t) = Vp Cos [2n fp t + Φ(t)]

Ya que Φ(t) será la variación debida a la modulación, reemplazando:

V(t) = Vp Cos [2n fp t + ΔΦ Vm Sen(2n fm t)]

Si llamamos B = ΔΦ Vm, el índice de modulación por fase se define:

V(t) = Vp Cos [2n fp t + B Sen(2n fm t)]

Que es la misma forma matemática que tiene la modulación en frecuencia, teniendo en cuenta que en ésta es independiente de la frecuencia. Por lo tanto los espectros de la modulación en fase tienen las mismas características que en la modulación en frecuencia, y por tanto las mismas consideraciones en ancho de banda.

2.3.2.2 Señales de transmisión analógicas y Señales de datos digitales

Este tipo de modulación es muy útil aun en casos de conexiones por la red telefónica, donde se conmuta una señal digital en el rango de la voz humana y mediante un modem (modulador – demodulador), se puede llevar a cabo el enlace, cabe aclarar que la velocidad de transmisión queda restringida en el ancho de banda de la voz, debido a ésto las conexiones de banda ancha tienen el mismo funcionamiento, pero en frecuencias más altas donde no afectan la voz humana.

Hay 3 tipos de modulación, dependiendo el parámetro que se modifique en el proceso:

ASK (Amplitudes-shift keying) – Desplazamiento en Amplitud

FSK (Frequency-shift keying) – Desplazamiento en frecuencia

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PSK (phase-shift keying) – Desplazamiento en fase

2.3.2.2.1 ASK

Ya que es una modulación donde la señal moduladora es digital, unos y ceros, es común que se presente la señal modulada como presencia o ausencia de la portadora.

Representación de modulación ASK

El ancho de banda necesario para esta transmisión es mayor que en la modulación de amplitud, debido a la gran cantidad de frecuencias significativas que contiene el espectro, dependiendo esta cantidad del período y duración de los pulsos. ASK es sensible a cambios de ganancia, y es una modulación ineficaz. Esta técnica se usa en transmisión de datos en fibra óptica, donde los transmisores con LED, dan pulsos de presencia y ausencia de luz. 2.3.2.2.2 FSK Se basa en cambios de frecuencia en valores unos y ceros, es decir, los unos son una frecuencia y ceros otra frecuencia, normalmente cercana a la frecuencia de la portadora.

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Representación de modulación FSK

Generalmente se toman desplazamientos de la frecuencia portadora iguales, pero en diferentes sentidos. 2.3.2.2.3 PSK Se presenta de dos formas, PSK convencional o MultiPSK, se basan en cambios de fase en los valores unos y ceros.

Representación de modulación PSK

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2.3.2.2.3.1 MPSK En el sistema de MPSK, se toman grupos de bits, para ser transmitidos con un solo bit, es decir si tomamos la línea de bits de la grafica y las agrupamos en parejas, tendremos solo cuatro combinaciones posibles, llamadas dibits.

00 01 10 11 A los cuales se les asignan valores de 0 a 3, es decir que pasando a dibits la grafica inicial tendremos algo así:

Representación de bits a dibits

Por lo cual ahora se transmitirá 4 valores traducidos a fases cada 90 grados, aumentando asi la velocidad de transmisión y pasando a la mitad el ancho de banda utilizado. Este mismo método se puede aplicar en tribits, cuadribits, etc., pero siendo consiente que el reducir la diferencia de fases, sensibiliza a efectos de interferencia y errores, así que para aumentar la compresión de datos es importante mejorar la relación señal a ruido. 2.3.2.3 Demodulación Es el proceso en donde se recupera una señal modulada, para obtener la información transmitida (señal moduladora).

Diagrama Demodulador

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El demodulador debe ser específico para el tipo de modulación y la frecuencia de la transmisión que se quiera demodular. 2.3.2.4 Funcionamiento de un receptor de FM.

Etapa de Amplificador Mezclador Amplificador Discriminador BF sintonía RF FI Oscilador CAF Local CAG

Esquema de bloques de un receptor de FM mono. 2.3.2.4.1 Etapa de sintonía La etapa de sintonía es aquella mediante la cual se selecciona la frecuencia de la portadora de la emisora que se desea recibir. Las emisoras emiten con frecuencias distintas y simultáneamente, por lo que si no se dispusiera de un circuito que seleccionará aquella emisora que se desea recibir el receptor captaría todas las emisoras simultáneamente o una sola. Para evitar ésto que acabamos de exponer es imprescindible que el radiorreceptor disponga de un medio de selección que permita el paso de una frecuencia determinada hacia él y elimine todas las demás frecuencias. Esta función se lleva a cabo mediante la etapa de sintonía, la cual es la primera etapa de todo receptor de radio. La sintonización de frecuencias se puede conseguir con sintonizadores LC o sintonizadores con diodo varicap. 2.3.2.4.2 Amplificador de radiofrecuencia Una vez que ha sido sintonizada la frecuencia deseada necesitamos un circuito capaz de hacer que la señal recibida alcance un nivel suficientemente alto para ser tratada. Un amplificador de radiofrecuencia debe de satisfacer dos aspectos, la amplificación y la selectividad, por ello no se pueden utilizar circuitos análogos a los utilizados para la amplificación de señales de baja frecuencia.

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Un amplificador de radiofrecuencia debe de ser selectivo para amplificar sólo las señales que deseemos amplificar y no otras. La amplificación de señales de radiofrecuencia se puede llevar a cabo con amplificadores basados en transistores bipolares, transistores de efecto de campo o basados en circuitos integrados. 2.3.2.4.3 Oscilador local La sensibilidad de un receptor puede aumentarse añadiendo pasos amplificadores de radiofrecuencia sintonizados, para ello se le inserta a todas las etapas amplificadoras una señal fija de igual frecuencia, sea cual sea la frecuencia sintonizada. El oscilador local es un circuito que genera una señal de frecuencia variable, ya que la señal de frecuencia fija citada anteriormente se obtiene restando la frecuencia de la señal portadora sintonizada y una frecuencia intermedia obtenida por el superheterodino. La frecuencia del oscilador local debe de conseguir siempre que al restársela a la frecuencia de la señal portadora sintonizada no dé como resultado la frecuencia intermedia elegida, la cual suele ser de 10.7 MHz en los receptores de FM. La obtención de esta frecuencia en el oscilador local se hace uniendo el los condensadores variables de la etapa de sintonía y del oscilador local, con lo cual al hacer girar uno también gira el otro, variando las dos frecuencias a la misma vez. 2.3.2.4.4 Mezclador El mezclador es el encargado de unir la frecuencia sintonizada con la frecuencia del oscilador local para obtener la frecuencia intermedia. La mezcla de ambas frecuencias se puede efectuar en diferentes partes del circuito. Los mezcladores se pueden agrupar en dos grupos.

Mezcladores con circuito oscilador independiente. Mezcladores autoosciladores. El mezclador con circuito oscilador independiente precisa de un transistor independiente para producir la oscilación local y otro para la mezcla. Así pues, la etapa conversora en este caso requiere la utilización de dos transistores. En el caso de mezcladores autooscilantes es el mismo transistor destinado a la amplificación de la radiofrecuencia el que hace las funciones de oscilador y de mezclador.

35

El primer método tiene la ventaja de que las señales de entrada de alto nivel no afectan al funcionamiento del oscilador, mientras que en el segundo pueden bloquearlo. Además el ajuste de un circuito mezclador independiente es menos crítico que el de un mezclador autooscilador. A pesar de ello es muy corriente el empleo de etapas conversoras en las que se utiliza un único transistor para producir la oscilación local y la mezcla. 2.3.2.4.5 Amplificador de frecuencia intermedia El amplificador de frecuencia intermedia es un amplificador selectivo de radiofrecuencia, cuya finalidad es la de proporcionar una ganancia lo mayor posible para señales de una frecuencia determinada e invariable cualquiera que sea la señal sintonizada, y modulada en la misma forma en que lo está la señal recibida por antena. La frecuencia portadora modulada tiene un ancho de banda de 9 kHz, por lo cual el amplificador de frecuencia intermedia ha de dejar pasar también las frecuencias correspondientes a dicho ancho de banda, ya que si no fuera así nos encontraríamos con una señal portadora amplificada sin contenido de información alguna. Tipos de acoplamientos entre las etapas amplificadoras de frecuencia intermedia: - Acoplamiento con transformador. - Acoplamiento con autotransformador. - Acoplamiento en tensión. - Acoplamiento con inductancia y capacidades. - Acoplamiento con inductancia y resistencias El tipo de acoplamiento más utilizado es el acoplamiento por autotransformador. 2.3.2.4.6 Discriminador La función del discriminador en un receptor de FM es la de extraer de la FI la señal de baja frecuencia, es decir, sacar la señal que vamos a sacar del receptor.

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Existen cuatro discriminadores básicos de FM, cada uno de los cuales con su propio principio de funcionamiento. Dichos circuitos demoduladores son los siguientes: Detector de pendiente Discriminador de Travis Discriminador de Foster-Seely Discriminador de relación Los dos últimos son los más utilizados. 2.3.2.4.7 CAG El control automático de ganancia consiste en un sistema de control automático de la ganancia total de la señal en los receptores de radio, de forma que éste mantenga un nivel constante de la potencia de audio, mediante la compensación de las variaciones del nivel de intensidad de campo de la onda portadora causadas, ya sea por diferencias de distancia o de potencia transmitida por distintas emisoras, o bien por las condiciones de propagación, desvanecimiento, etc. de las señales El CAG hace variar de forma automática la amplificación de un receptor superheterodino en proporción inversa a la intensidad de campo de la señal recibida por el circuito de sintonía. El fin del CAG es que, sea cual sea la potencia y distancia de las emisoras sintonizadas, éstas salgan del receptor con el mismo nivel de potencia o el más próximo posible. 2.3.2.4.8 CAF El control automático de frecuencia sirve para estabilizar la frecuencia suministrada por el oscilador local en un receptor de FM. La frecuencia del oscilador local tiene tendencia a cambiar lentamente con los pequeños cambios en la tensión a medida que cambia la temperatura del receptor, este cambio se llama desplazamiento de frecuencia. Al producirse un desplazamiento de frecuencia el receptor se desintoniza y se distorsiona la señal recibida. Si la radio se sintoniza adecuadamente, el promedio de las fluctuaciones positivas y negativas de la señal de audio será idéntico, pero si el receptor está fuera de frecuencia, las fluctuaciones positivas o negativas serán mayores, dependiendo de que el receptor se desintonice por arriba o por debajo de la frecuencia deseada. El CAF detecta esta condición desbalanceada y genera

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una tensión de corrección que se aplica al oscilador local. La tensión de corrección hace variar la frecuencia del oscilador local hasta que retorna correctamente al centro de la banda de FI.

2.3.3 Interferencia y ruido

Las señales no deseadas pueden ser tanto de fuentes internas como externas. Las fuentes internas usualmente están presentes de un modo u otro exista señal o no, y no cambian abruptamente al menos que suceda algo extraño dentro del equipo o en las interconexiones. Las fuentes externas tienen dos formas para ser introducidas dentro del sistema. Una es a través de la antena y la otra es a través de la potencia de entrada. Las señales no deseadas pueden estar o no presentes todas las veces. Estas pueden ocurrir momentáneamente, intermitentemente o periódicamente. Es importante cuando se trata de eliminar las señales no deseadas, conocer si están entrando al sistema de fuentes externas o si están presentes sin cualquier entrada externa.

2.3.3.1 Fuentes de Ruido

2.3.3.1.1 Ruido térmico (Thermal Noise)

Todos los objetos cuya temperatura está por encima del cero absoluto (0 grados Kelvin) generan ruido eléctrico en forma aleatoria debido a la vibración de las moléculas dentro del objeto. Este ruido es llamado ruido térmico. La potencia de ruido generada depende solo de la temperatura del objeto, y no de su composición. La temperatura de ruido puede darse tanto en grados Kelvin como en decibeles. A continuación se presenta una fórmula para convertir grados Kelvin a dB.

T (dB)= 10*log10 (1+K/120)

Donde T es la temperatura equivalente de ruido en dB y K es la temperatura en grados Kelvin.

La temperatura del aire alrededor de nosotros es aproximadamente 300 K (27C), y la temperatura del sol es muy alta (alrededor de 5,700 K). Es posible construir un amplificador cuya temperatura equivalente de ruido esté por debajo de su actual temperatura, para así agregar el menor ruido posible al receptor.

Los amplificadores de bajo ruido (Low Noise Amplifier LNA) de los sistemas de satélite fueron clasificados en temperatura equivalente de ruido para indicar su ruido térmico.

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2.3.3.1.2 Ruido de Choque (Shot Noise)

Los diodos limitados por la temperatura, los cuales virtualmente incluye a todos los semiconductores, generan ruido de choque cuando la corriente es pasada a través del diodo. El ruido resultante se debe a la corriente que pasa en forma de partículas discretas (electrones) y un impulso que es generado por el paso de cada partícula. El ruido es proporcional a la corriente. La corriente cero es igual al ruido térmico.

2.3.3.1.3 Ruido Atmosférico (Atmospheric Noise)

Existe un ruido que es interceptado por la antena llamado ruido atmosférico. El ruido atmosférico es muy alto para bajas frecuencias, y decrece cuando se incrementa la frecuencia. Está presente en toda la banda de radiodifusión AM y éste no puede ser eliminado con el amplificador y el diseño de la antena. El ruido atmosférico decrece bastante en frecuencias de TV y FM.

2.3.3.2 Fuentes De Interferencia

La interferencia básicamente es hecha por el hombre excepto por condiciones atmosféricas y del clima. La más notable son las descargas eléctricas (rayos). A continuación se mencionan algunos ejemplos de fuentes de interferencia:

• Sistema de encendido de vehículos, • Motores eléctricos, líneas de alta tensión, • luces de neón y fluorescentes • Computadoras, • Otros tipos de transmisión, tales como la radio amateur, CB (Banda

Civil), radio de la policía y otros servicios públicos, inclusive otras estaciones de FM o TV.

Generalmente las fuentes que radian señales periódicas e intermitentes son llamadas fuentes de impulso. Algunos ejemplos son: interruptores eléctricos, luces de neón destellando, encendido de automóvil, rayos, etc. Los impulsos son de corta duración (microsegundos) y frecuentemente tienen amplitudes más grandes que la señal que esta siendo recibida. La interferencia puede ser radiada como interferencia electromagnética (EMI), o conducida sobre las líneas eléctricas, en el caso del equipo con alimentación de Corriente alterna (AC).

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2.3.3.3 Otros Tipos De Interferencia

2.3.1.5.3.1 Interferencia de canales adyacentes

La interferencia de canales adyacentes es muy común en áreas metropolitanas donde las estaciones (de AM o FM por ejemplo) son asignadas en frecuencias muy cercanas. En esas áreas donde la congestión de canales existe, los efectos pueden ser minimizados (si las estaciones están en diferentes direcciones) usando un rotor para orientar la antena para la mínima interferencia.

2.3.4 Parámetros de Calidad

La calidad de un dispositivo debe ser cuantificable, es por esto que se buscan los parámetros con los cuales se puede valorar el proyecto, estos son:

2.3.4.1 Distorsión Armónica Total

Este parámetro es útil para medir la linealidad de un sistema, se define como el porcentaje, entre la tensión eficaz de todos los armónicos a la salida y la tensión eficaz total de los armónicos originales.

Se mide introduciendo al sistema un tono de 1 Khz y analizando la señal de salida, comercialmente se usa el parámetro THD (por sus siglas en inglés, Total Harmonic Distortion).

Federico Miyara hace una observación subjetiva sobre la distorsión armónica: “El efecto audible de la distorsión armónica es el de agregar algo de brillo al timbre de la onda senoidal. En la mayoría de los casos no es un efecto desagradable, aun cuando altera la señal original.”1

Este parámetro nunca debe ser mayor a 10%, ya que al ser superior lo que hará será desvirtuar la señal original.

2.3.4.2 Distorsión por Intermodulación

Esta distorsión aparece cuando a dos señales de frecuencias diferentes, el sistema agrega frecuencias dadas por la suma y la resta de las frecuencias originales y sus armónicos, es decir, aparecen las frecuencias dadas por la formula:

f = | n * f1 ± m * f2 |

Donde n y m son números enteros de los armónicos, la IMD (por sus siglas en inglés, Intermodulation Distortion), siempre resultará molesta, ya que se captara como información fuera del contexto original. 1 Acústica y sistemas de sonido, de Federico Miyara, pág. 68, Bogotá.

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2.3.4.3 Relación señal a ruido

Se define como la relación entre la señal que entra a un sistema y el ruido que le agrega el sistema a la salida, se da un valor en decibeles el cual indica en cuantos decibeles está la señal por encima del ruido de fondo.

2.3.4.4 Calidad de una transmisión (SINAD)

La calidad de una transmisión está dada por la relación SINAD, según la ecuación:

Donde: (S/N)o = relación señal a ruido a la salida (S/I) o = relación señal a interferencia a la salida (S/D) o = relación señal a distorsión a la salida

Como se puede ver este parámetro involucra los parámetros que afectan una señal desde su modulación, transmisión y demodulación, como lo son ruido, interferencia y distorsión, por lo que termina siendo un parámetro global de calidad. Según este parámetro se puede calificar una transmisión, con valores cualitativos según la tabla:

Calidad Valor Excelente 50dB

Muy Buena 40dB Buena 30dB

Regular 20dB Insuficiente 10dB

Ya que todos los valores son en decibeles, el parámetro SINAD está dado en decibeles.

41

3 METODOLOGIA 3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACION La investigación es Empírico-Analítica, ya que es un estudio de laboratorio, el cual define, planea, prevé y controla, todas las condiciones bajo las cuales se diseñará e implementará el sistema estéreo inalámbrico.

3.2 LINEA DE INVESTIGACION Este proyecto se ubicada en la línea de investigación de la universidad de San Buenaventura: Tecnologías Actuales y Sociedad, ya que es una forma de aplicar los conocimientos y avances tecnológicos a una problemática de la comunidad; dentro de esta línea, sigue guiado por la sublínea de instrumentación y control de procesos, por ser un proceso de manufactura de un sistema electrónico de procesamiento y transmisión. Así mismo, se incorpora al campo de diseño de sistemas de sonido, por ser la aplicación real de los conocimientos obtenidos a lo largo de la carrera en materias relacionadas con transmisión de datos, electrónica, acústica y diseño de sistemas de sonido, para lo cual se hace necesario la investigación y aplicación al área de comunicaciones y telecomunicaciones. 3.3 HIPOTESIS Como se podría evitar el uso de un cable físico de audio en un sistema estéreo, a fin de evitar los problemas del cableado, sin sacrificar la calidad de la información que éste transporta, se podría realizar mediante un sistema inalámbrico, ya sea por radiofrecuencia u otro método de transmisión inalámbrico de bajo costo.

42

3.4 VARIABLES 3.4.1 Variables Independientes

• Leyes de Transmisión Colombianas • Circuitos de Transmisión en radiofrecuencia • Espectro Radioeléctrico • Interferencia de otros sistemas

3.4.2 Variables Dependientes

• Radiofrecuencia de transmisión • Distancia de Transmisión • Relación Señal – Ruido • Respuesta en frecuencia del sistema • Potencia del sistema

43

4 DESARROLLO INGENIERIL

4.1 DISEÑO DEL SISTEMA Este sistema está pensado como un sistema casero a 2 canales, funcionando cada uno con una bocina full rango, pero en busca de una mejor respuesta en frecuencia y optimizando el rango de cada parlante, se rediseñan los parlantes a 2 vías, con lo cual se obtendrá:

• Amplia respuesta en frecuencia. • Optimizar el funcionamiento para el rango de cada parlante. • Menor consumo de energía, en el caso en que los satélites

funcionen con batería. • Igualmente siendo inalámbrico, la practicidad y movilidad de

un sistema sin cables.

Diagrama de Desarrollo Ingenieril

SISTEMA ESTÉREO INALAMBRICO

Etapa de Transmisión

Etapa de Recepción

Etapa de Amplificación

EtapaElectroacústica

Etapa de Filtrado

Investigación

Diseño

Sincronización

Fabricación

Investigación

Diseño

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Calibración

Investigación

Obtención

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45

Figura 2. Diagrama de Bloques BA1404 Tomado del Datasheet del fabricante ROHM

La frecuencia de transmisión se calibra poniendo en resonancia la bobina con el condensador variable, lo cual permite variar esta frecuencia de resonancia y transmitir así en otra frecuencia de la banda ciudadana. El circuito de transmisión necesita en conjunto con el integrado, un cristal de 38Khz el cual controla la señal piloto de transmisión para el estéreo compuesto. Debido a que la banda ciudadana (88.0 a 108.0 Mhz) tiene emisoras en uso, se busca una frecuencia lo más limpia posible (espectro libre) y se sintoniza el transmisor a esta frecuencia. Inicialmente se monta este circuito en un protoboard (véase Fig. 3), ya que es el medio más sencillo para probar y rediseñar, aunque agrega ruido al circuito, pero por ser etapa de prueba no es definitivo y mejorará notablemente en otro medio final.

Figura 3. Transmisor en Protoboard Este transmisor funciona con un voltaje de 12 Voltios DC y una corriente de 4 miliamperios. La potencia de transmisión del circuito es 250mW, lo cual nos da una distancia teórica aproximada de 20 Metros en camino libre sin barreras.

46

Se observa la frecuencia de transmisión en el osciloscopio digital Tektronic TDS2022 con la función de FFT (Fast Fourier Transform), éste nos da una grafica espectral en la cual se puede apreciar la frecuencia de transmisión (véase Fig. 4).

Figura 4. Analizador de Espectro Luego del protoboard se pasa éste circuito a una baquela universal (véase Fig. 5), en la cual se fija en definitivo con estaño cada componente, así se eliminó gran parte del ruido generado por el protoboard, pero las impedancias de los cables y conexiones afectaban la frecuencia de transmisión al sumarse a la bobina de sintonización en paralelo con el condensador.

Figura 5. Transmisor en Baquela Universal Para corregir las impedancias, se diseña el circuito en una baquela impresa con polígono de tierras, lo cual agrega la mayor cantidad de área de tierra en el circuito para darle estabilidad y eliminar ruido. Para el diseño se requiere de un software de optimización de circuitos, el cual genera las guías por las vías más sencillas que aportan mejor calidad al circuito, este diseño se imprime en papel y un profesional en el área lo estampa en circuito físico (véase Fig. 6).

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47

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48

Figura 8. Montaje Final Transmisor La sintonización del sistema se realiza igualmente como en las anteriores etapas de diseño, con el analizador de frecuencia del osciloscopio digital, analizando el pico de señal y variando el condensador. Aparte se sintoniza en un radio FM la frecuencia de transmisión que aparece en la FFT y se analiza mediante un software la calidad del audio recibido. Aunque la potencia de la señal es muy buena, se hace necesario re diseñar el circuito, debido a la baja calidad del audio transmitido.

REDISEÑO DEL CIRCUITO Debido al mal funcionamiento del circuito, se rediseña con base en el mismo integrado, esta vez con un diagrama diferente (Véase Fig. 9).

Figura 9. Diagrama Rediseño Transmisor FM

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SISTORES

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49

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50

Figura 12. Diagrama Circuito Transistores

El circuito recibe la señal y la envía a través del condensador a la base del transistor, este condensador actúa como generador de onda y mezclador con la señal de entrada, donde el trimmer 1 es el ajuste de frecuencia. La señal mezclada se enviará a través del condensador a la base del segundo transistor, el cual funciona como amplificador de radio-frecuencia para seguir por el colector en el cual estará presente la antena, el circuito es monofónico, así que se usarán dos, para hacer dos transmisiones monofónicas y así mantener la estereofonía del sistema. Las bobinas se trabajan en la baquela, para que la frecuencia de transmisión sea más estable y no se vea afectada por movimientos o cambios del entorno (Véase Fig. 13).

Figura 13. Diseño del impreso por software

Esta vez se manda imprimir la baquela en un sitio de excelente calidad, donde los profesionales reciben el diseño, hacen recomendaciones y lo imprimen como un circuito comercial, con el diagrama de elementos en la capa superior y todo el circuito recubierto por Antisolder (Véase Fig. 14).

51

Figura 14. Circuito Impreso

Con el circuito impreso, se ensambla y sueldan las piezas, y se procede a hacer la conexión y calibración del sistema, para realizar las mediciones y análisis del caso (Véase Fig. 15).

Figura 15. Circuito transmisor final

Luego del análisis de FFT en el osciloscopio digital, se aprueba el circuito, debido a su buena calidad de transmisión y a la calidad de la señal de radiofrecuencia que se requieren para el sistema (Véase Fig. 16).

Figura 16. Medición de transmisor con transistores

52

Este circuito a pesar de ser monofónico tiene un desempeño excelente, por lo cual se aplica al sistema como un dual mono, ya que no interfiere con la finalidad del circuito, un estéreo full dúplex, además tendrá separación total de canales al ser independientes.

4.1.2 ETAPA DE RECEPCION Esta etapa se trabaja con base en el circuito integrado TDA70004 del fabricante Philips, el cual es un integrado para radio de FM, que necesita una mínima cantidad de componentes anexos para su funcionamiento, ésto logra un menor costo y menor tamaño físico del receptor en general.

ESPECIFICACIONES Especificación Min. Típico Máx.

Fuente de Voltaje 2.0v 4.5v 10v Fuente de Corriente - 8mA - Rango de Frecuencia 1.5MHz 88-108MHz 120MHz Sensibilidad (3dB S/N) - 1.5uV - Sensibilidad (26dB S/N) - 5.5uV - Sensibilidad de Muteo - 6.0uV - Rango AFC (110MHz) - +/-300KHz - Selectividad 45dB - - Supresión AM 50dB - - I/P Máx. de señal 200mV - - Salida AF - 75mV -

El TDA7000 incluye las siguientes características: (véase Fig. 17)

• R.F. input stage • Mixer • Local oscillator • I.F. amplifier/limiter • Phase demodulator • Mute detector • Mute switch

4 Ver Anexo 3: Datasheet Circuito integrado TDA7000

El circMHz, rangomás alibre d

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53

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54

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55

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56

REDISEÑO DEL CIRCUITO Para el rediseño, del circuito se trabaja con el mismo integrado, se le adapta un condensador variable de una banda, muy usado en radios análogos, el cual es más preciso y más sencillo de usar en la selección de frecuencia (véase Fig. 23).

Figura 23. Diagrama Rediseño Circuito Receptor5

El rediseño se trabaja directamente en el PCB por software, con la asesoría de un experto, se diseña por software, el diseño queda en la parte posterior de la placa (véase Fig. 24).

Figura 24. Diseño del circuito en software

El circuito se imprime en físico sobre una placa de fibra, luego se abren los huecos para los componentes y se limpia, queda listo para soldar las partes. Esta vez por costos no se le aplica la capa de antisolder, ni el impreso de los componentes (véase Fig. 25).

5 Tomado y adaptado de la Pagina

57

Figura 25. Circuito Impreso final

Se sueldan las partes con estaño y se instalan los cables de alimentación, salida de señal y se le da la terminación requerida para entrar a la etapa de prueba y sincronización con la etapa transmisora (véase Fig. 26).

Figura 26. Rediseño circuito receptor final

En el proceso de prueba y sincronización se obtienen buenos resultados de relación señal a ruido, por lo que el circuito queda definitivo en el sistema, se acopla con la etapa de transmisión sintonizándolo a una frecuencia y queda listo para ensamblar en la caja acústica del parlante. 4.1.3 ETAPA DE AMPLIFICACION Como se plantea en los objetivos, esta etapa no se va a diseñar, sino se obtiene y adapta al sistema, se hace necesario recopilar información, para seleccionar un amplificador que cumpla a cabalidad las necesidades del sistema, Federico Miyara presenta una breve descripción para ésto: “Para una adecuada selección de un amplificador, habría que contemplar que su relación S/R, para el nivel de salida al que va a funcionar realmente, sea mayor que el rango dinámico de la señal a amplificar”. 6 Luego de varias consultas, se encuentra un amplificador monofónico de audio diseñado y montado en circuito impreso, el cual se basa en un transistor AN214

6 Acústica y sistemas de sonido, de Federico Miyara, pág. 107, Bogotá.

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ACUSTICA

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58

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59

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Figura 28. Especificaciones del parlante W4-657SB Tomado de la página web del fabricante

www.TB-speaker.com Debido al alto costo de estos parlantes con los representantes en Colombia, se opta por importarlos, economizando así más del 50%, ya que con el dinero que se adquiría aquí un parlante, se importaron los 2 parlantes, 2 tweters y una cinta de sellamiento para cabinas (véase Fig. 29).

60

Figura 29. Parlantes para el proyecto

Por el tiempo de desarrollo del proyecto y la demora en el proceso de importación, se requiere importar 2 tweters en caso que los parlantes no alcancen a llegar al límite superior de frecuencia que se desea, siendo conscientes que según las especificaciones su respuesta en frecuencia es de 65Hz a 16Khz, lo cual para efectos de un sistema casero es apropiado. Los tweters dispuestos para el proyecto son marca TB Speaker referencia 13-1264SA de ½ pulgada, los cuales según el fabricante tienen las siguientes especificaciones y parámetros thiele-small (véase Fig. 29):

Power Handling: 3.5 watts RMS/50 watts max Frequency range: 2,300-20,000 Hz VCdia: 1/2" Impedance: 8 ohms Re: 7.0 ohms Fs: 2,300 Hz SPL: 92 dB 1W/1m Dimensions: A: 2-3/8" square B: 1-1/2" C: 1/2"

4.1.4. Comocabidadiseñaciegas

Para se obvariaclos pa

F

2 Medició

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62

Figura 32. Curvas de Impedancia

Según la medición, los parámetros thiele-small del parlante W4-657SB son:

Fs: 87.24 Hz Vas: 2.58 l Qms: 49.090 Qes: 0.8570 Qts: 0.7296 Sd: 43.00 cm² Vd: 0.0129 l XMax: 3.00 ±mm Revc: 6.6000 Ohms ZMax: 44.4071 Ohms ZNom: 9.0 Ohms Bl: 3.7800 T*m Rms: 0.3779 kg/s Cms: 0.9833 mm/N Mms: 3.3846 g Mmd: 3.0603 g Levc@1kHz: 0.3331 mH Levc@5kHz: 0.2920 mH Levc@10kHz: 0.1810 mH Levc (Ave): 0.2762 mH no: 0.1940 % SPL @ 1W,1m: 84.90 % SPL @ 2.83V,1m: 85.73 % Measurement Info: Method: Delta Mass Added weight: 10.00 g

63

Con esta medición se rectifican los parámetros dados por el fabricante, la variación entre el fabricante y la realidad tiene un margen de error bastante alto, lo cual también afecta el proyecto fuertemente; al tener el parlante una frecuencia de resonancia de casi 90 Hz, ya no se puede hablar que el sistema tenga una amplia respuesta en frecuencia, por que están quedando por fuera de respuesta 2 octavas. La única forma de dar respuesta completa es con un sistema 2.1, siendo los parlantes los satélites y diseñando un subwoffer anexo al sistema, el subwoffer extendería la respuesta en bajas frecuencias del sistema, pero debido al tiempo y presupuesto ya no es posible, ya que la compra e importación de equipos lleva tiempo y los costos locales son muy altos. El sistema quedará limitado en bajas frecuencias, por lo que su respuesta no será full-rango. 4.1.4.3 Diseño de la caja acústica El diseño de las cajas acústicas para los parlantes, inicia analizando detalladamente los parámetros thielle-small arrojados por la medición, los cuales indicarán qué tipo de caja acústica será óptima para el parlante y las especificaciones físicas para que esta caja trabaje armónicamente y optimice el funcionamiento del parlante. Luego de este análisis se entra a diseñar una caja y paralelamente se simula con un software de diseño de cajas acústicas; según el software BassBox Pro, las dimensiones de la caja deben ser:

Alto 22.6 cm. Ancho 13.9 cm. Largo 90 cm.

Por medio del software, también se pueden ver las diferencias entre la misma caja, variando características internas como en este caso, la cantidad de relleno interno de material absorbente (véase Fig. 33).

Figura 33. Simulación de respuesta con 0% (amarillo) y 90% (verde) de relleno

Segúnde relLa camedid(pulid

Finalmneces

4.1.5 Esta eButterobtien2kHz.

n la simulaleno de ma

aja se manddas y espeora, pintura

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ETAPA D

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DE FILTRAD

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base en un imul