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Facultad de Ingeniería

Carrera de Telecomunicaciones

Informe de Actividad de Investigación Formativa

Periodo Académico

2022 – 1S

CONTENIDO

 - VERSIÓN 01: 01 - 12 - 

• 1. Autores........................................................................................................................................................................
• 2. Personal Académico.................................................................................................................................................
• 3. Resultados de Aprendizaje de la asignatura:
• 4. Tema de la Actividad de la Investigación Formativa:
• 5. Objetivos de la(s) actividad(es):
  • 5.1 Objetivo General
  • 5.2 Objetivos Específicos
• 6. Fecha de la ejecución:
• 7. Desarrollo del Informe
  • 7.1 Introducción.
  • 7.2 Descripción de la metodología
    • 7.2.1 Sistemas de Comunicaciones
    • 7.2.2 Modulación.................................................................................................................................................
    • 7.2.3 Demodulación............................................................................................................................................
    • 7.2.4 Frecuencia Modulada
    • 7.2.5 Banda comercial de emisión en FM
    • 7.2.6 Transmisor FM
    • 7.2.7 Receptor FM
    • 7.2.8 Antena
    • 7.2.9 Dificultades en la Transmisión
  • 7.3 Descripción de la(s) acción(es) realizadas
  • 7.4 Resultados......................................................................................................................................................
    • 7.4.1 Análisis por etapas del circuito Transmisor
    • 7.4.2 Etapa
    • 7.4.3 Etapa
    • 7.4.4 Etapa
    • 7.4.5 Etapa
    • 7.4.6 Receptor de FM........................................................................................................................................
    • 7.4.7 Implementación del circuito Transmisor – Receptor
    • 7.4.8 Circuito final realizado en placa
    • 7.4.9 Circuito Transmisor
    • 7.4.10 Circuito Receptor
    • 7.4.11 Enlace al video
  • 7.5 Conclusiones
  • 7.6 Bibliografía
• 8. ANEXOS (Evidencias)

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7. DESARROLLO DEL INFORME

7.1 Introducción.

El presente trabajo propone diseñar e implementar un circuito que cumpla la función de transmisor y receptor en FM. Desde sus inicios el hombre ha tenido la necesidad de comunicarse. Con el paso del tiempo dicha necesidad se fue incrementando de manera considerable, a tal grado que la comunicación a distancia paso a formar parte de una las necesidades funcionales, sin embargo, junto a la comunicación a distancia surge la necesidad de mejorar los métodos de comunicación empleados, para lo cual el tiempo de entrega de la información y la pérdida de ésta debían reducirse en la mayor proporción posible. Samuel Morse desarrolló en 1837 el primer sistema electrónico de comunicaciones. Usó la inducción electromagnética para transmitir información en forma de puntos, rayas y espacios entre transmisor y receptor sencillos, usando una línea de transmisión que consistía en un tramo de conductor metálico. Llamó Telégrafo a su invento. En 1876, Alexander Bell y Thomas A. Watson fueron los primeros en transferir en forma exitosa la conversación humana a través de un sistema sencillo de comunicaciones con hilo metálico, al que llamaron teléfono. Guglielmo Marconi transmitió por primera vez señales de radio, sin hilos, a través de la inventó en atmósfera terrestre, en 1894, y Lee Deforeste en 1908 el triodo, o válvula al vacío, al que permitió contar con el primer método práctico para amplificar señales eléctricas. La radio comercial comenzó en 1920, cuando las estaciones de radio comenzaron a emitir señales de Amplitud Modulada (AM), y en 1933 el mayor Edwin Howard Armstrong inventó la modulación de frecuencia (FM). La emisión comercial de FM comenzó en 1936. Actualmente existen un gran número de formas de comunicación (oral, escrita, señas, imágenes, etc.), sin embargo, con la comunicación electrónica, se logra que las señales eléctricas se puedan transmitir a distancias mucho mayores, a velocidades sumamente altas y con menores perdidas. Así uno de los medios o métodos de comunicación efectiva es a través de transmisores FM que se utilizan principalmente para transmitir de forma inalámbrica los programas de voz y música de las estaciones de radio FM. El transmisor FM primero modula la señal de audio y la portadora de alta frecuencia en una onda modulada en frecuencia, de modo que la frecuencia de la portadora de alta frecuencia cambia con la señal de audio, y luego la señal de alta frecuencia generada se amplifica, excita, amplifica y serie de correspondencia de impedancia, de modo que la señal se envía a la antena y se envía. Las señales de alta frecuencia se generan por síntesis de frecuencia, PLL y similares, del mismo, para la recepción de la información que se desea transmitir se necesita de un receptor que es el dispositivo electrónico que permite la recuperación de las señales vocales o de cualquier otro tipo, transmitida por un transmisor mediante ondas electromagnéticas.

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7.2 Descripción de la metodología

Para la realización del presente trabajo de investigación, se usó material proporcionado por el docente, así como también material encontrado en las diferentes páginas web. A través del uso de simuladores electrónicos, videos tutoriales y documentos web. Se realizo la búsqueda de conceptos importantes para el desarrollo del tema como: 7.2.1 Sistemas de Comunicaciones Un sistema de comunicaciones es un conjunto de dispositivos que son utilizados para transmitir, emitir y recibir señales de todo tipo, como voz, datos, audio, video, etc., además dichas señales pueden ser del tipo digital o analógica. Un sistema de comunicaciones puede describirse fácilmente mediante tres elementos básicos; un transmisor, el cual se encarga de generar la señal que se desea y acoplarla de tal forma que pueda viajar a través del canal, mediante procedimientos como modulación, filtrado, codificación, etc.; un medio de transmisión, el cual será el canal mediante el cual la señal va a viajar y finalmente un receptor, que realiza el procedimiento inverso del transmisor con la finalidad de reconstruir la señal y que esta sea lo más parecida a la original. (Tomasi, 2015). Figura 1: Sistema de Comunicaciones Electrónicas. Fuente: TOMASI, Wayne - Sistemas de Comunicaciones Electrónicas En la figura [1] se muestra un sistema de comunicaciones que comprende de un transmisor, un medio de transmisión y un receptor. 7.2.2 Modulación En los sistemas de comunicaciones electrónicas analógicas, la información de la fuente (señal de inteligencia) actúa sobre o modula una señal sinusoidal de frecuencia sencilla. La información de la fuente de frecuencia relativamente baja se llama señal de modulación, la señal de frecuencia relativamente alta, sobre la cual se actúa (modulada) se la llama la portadora, y la señal resultante se llama onda modulada o señal. (T. Aoyama y G. Daumen). La modulación es el espectro de variar o cambiar alguna propiedad de una portadora analógica de acuerdo con la información original de la fuente. En esencia, la señal portadora transporta la información a través del sistema. La señal de información modula la portadora, cambiando su amplitud, su frecuencia o su fase. La modulación se hace en un transmisor mediante un circuito llamado modulador. Una portadora sobre la que ha actuado una señal de información se llama onda o señal moduladas.

VERSIÓN 01: 01 - 12 - 2020 La figura [3] muestra la modulación en frecuencia de una portadora sinusoidal por una señal modulante de frecuencia sencilla. En FM, la máxima desviación de frecuencia ocurre durante los máximos puntos negativos y positivos de la señal modulante, es decir, la desviación de frecuencia es proporcional a la amplitud de la señal modulante. De esta forma, puede observarse que conforme aumenta el valor de la señal modulante, la señal modulada disminuye su frecuencia de manera proporcional; cuando la señal modulante alcanza el valor máximo, la señal modulada también posee una frecuencia mínima. En el caso contrario, a medida que disminuye la amplitud de la señal modulante, la frecuencia de la onda modulada aumenta, hasta alcanzar la amplitud mínima de la señal modulante, y por consiguiente hasta alcanzar la frecuencia máxima de la onda modulada. Debido a que los ruidos o interferencias alteran la amplitud de la onda, no afecta a la información transmitida en FM, puesto que la información se extrae de la variación de frecuencia y no de la amplitud, que es constante. Las emisoras de FM pueden trabajar en bandas de frecuencias muy altas, en las que las interferencias en AM son importantes. Existen dos categorías: FM de banda ancha y FM de banda angosta (NBFM). La diferencia entre éstas se da en la máxima desviación de frecuencia aceptable de la portadora cuando el transmisor se modula totalmente. 7.2.5 Banda comercial de emisión en FM Las destinadas para el servicio de radiodifusión sonora FM, se establece la banda de frecuencias de 88 a 108 MHz aprobada en el Plan Nacional de Frecuencias. Figura 4 : Frecuencias de radio de FM Fuente: Radio Broadcast Signals 7.2.6 Transmisor FM Un transmisor es un equipo que emite una señal, código o mensaje a través de un medio. El transmisor FM es un caso particular de transmisor, en el cual el soporte físico de la comunicación son ondas electromagnéticas.

VERSIÓN 01: 01 - 12 - 2020 Figura 5: Diagrama de bloques del transmisor FM Fuente: J.V.T. Andrade González, y G. D. Velázquez Córdova. Análisis e Implementación de un Transmisor FM. La figura [ 5 ] se detalla las etapas que conforman un transmisor FM. El transmisor tiene como función codificar señales ópticas, mecánicas o eléctricas, amplificarlas, y emitirlas como ondas electromagnéticas a través de una antena. El micrófono es el dispositivo encargado de transformar la potencia de la voz en una señal eléctrica. La voz humana tiene tonos entre 300Hz y 5KHz, y por tanto la señal eléctrica a la salida del micrófono ocupa el mismo ancho de banda. Existen principalmente dos tipos de micrófonos; los magnéticos y los de condensadores. Ambos funcionan de forma similar, a través de la presión de la voz se deforma una membrana que hace variar las propiedades eléctricas del componente. La primera etapa de amplificación es la encargada de amplificar la señal para poder atacar las etapas siguientes. La señal proveniente del micrófono es una señal con poca potencia que necesita ser amplificada antes de entrar en el modulador. La señal a la salida de la etapa amplificadora ocupa el mismo rango frecuencial ya que en esta etapa no se produce translación frecuencial. La señal se desea transmitir con modulación FM, es decir, modulada en frecuencia. Para ello hace falta introducir la señal en una etapa de modulación junto con un tono proveniente del Oscilador. La señal proveniente de micrófono actúa como moduladora y la señal del Oscilador será la portadora. El espectro frecuencial de la señal a la salida de la etapa de modulación se encuentra centrado a la frecuencia de la y ocupa en torno a esta frecuencia un ancho de aproximadamente 5KHz. Al demodular una señal de FM se tiene que el voltaje de ruido aumenta conforme aumenta la frecuencia de la señal demodulada. Esta distribución no uniforme de ruido es inherente a la modulación FM. El amplificador contrarresta este fenómeno amplificando más las frecuencias altas de la señal moduladora. 7.2.7 Receptor FM Un receptor es el dispositivo electrónico que permite recuperar señales vocales o de cualquier otro tipo, transmitidas por un emisor de radio mediante ondas electromagnéticas. Un receptor consiste en un circuito eléctrico, diseñado de tal forma que permite filtrar o separar una corriente pequeñísima, que se genera en la antena, por efecto de las ondas electromagnéticas que llegan por el aire normalmente y luego amplificarla selectivamente.

VERSIÓN 01: 01 - 12 - 2020 7.2.9 Dificultades en la Transmisión En el diseño de un sistema de comunicación enfrenta dos clases generales de restricciones; por un lado, los factores tecnológicos, es decir, los factores vitales de la ingeniería y, por otra parte, las limitaciones físicas fundamentales impuestas por el propio sistema o Atenuación o Absorción o Ruido o Distorsión

7.3 Descripción de la(s) acción(es) realizadas

Equipos, Materiales e Insumos: Materiales para el Transmisor FM N° Descripción Cantidad 1 Micrófono 1 2 Resistencia 10 KΩ 3 3 Resistencia 10 MΩ 1 4 Resistencia 100 KΩ 1 5 Resistencia 100 Ω 1 6 Resistencia 1 KΩ 1 7 Capacitor de 0.1 μF 2 8 Capacitor de 0.01 μF 1 9 Capacitor de 4,7 pF 1 10 Transistor 2N3904 2 11 Inductor 0.1 μH 1 12 Capacitor variable 4-40 pF 1 Materiales para el Receptor FM N° Descripción Cantidad 1 Integrado LM386 1 2 Transistores 2N222 2 3 Resistencia 10 KΩ 2 4 Resistencia Variable 22 KΩ 1 5 Resistencia 10 Ω 1 6 Resistencia 1 KΩ 1 7 Condensador de 220 nF 1

VERSIÓN 01: 01 - 12 - 2020 8 Capacitor de 2.2 nF 1 9 Capacitor de 100 nF 2 10 Capacitor de 10 μF 2 11 Capacitor de 47 μF 1 12 Capacitor de 220 μF 1 13 Capacitor de 100 μF 2 14 Condensador variable 220p 1 15 Parlante 1 A continuación, se presenta el circuito Transmisor construido por etapas que se va a implementar, desarrollado en el software de Proteus: Figura 7 : Transmisor FM Proteus Fuente: Autores Figura 8 : Señales generadas en la simulación del transmisor FM Proteus

VERSIÓN 01: 01 - 12 - 2020 Figura 11: Transmisor FM Proteus 7.4.2 Etapa 1 La primera etapa del circuito se encuentra integrada por la resistencia R1 y el capacitor C1, los cuales cumplen con la función de acoplar la señal de entrada al resto del circuito. En este caso, la información transmitida consiste en una señal senoidal con una amplitud de 5 V y una frecuencia de 1.5 KHz. Figura 12: Etapa 1 del Transmisor FM Proteus 7.4.3 Etapa 2 La segunda etapa corresponde a una etapa de amplificación de la información. Dicha etapa se encuentra formada por un amplificador con polarización por divisor de voltaje. Figura 1 3 : Etapa 2: Amplificador con polarización por divisor de voltaje. Para el análisis de dicha configuración es necesario, encontrar en primer lugar el equivalente para el divisor de voltaje conectado a la base del transistor.

VERSIÓN 01: 01 - 12 - 2020 Aplicando la ley de voltajes de Kirchoff, a la base y emisor: Con una ganancia de  = 100: Se obtiene el valor de la corriente de base y se calcula los valores de las corrientes y voltajes restantes: De los resultados obtenidos puede observarse que el voltaje en el colector es mayor que el voltaje en la base aproximadamente 7.118 V, entonces, el transistor esta operando en modo activo. 7.4.4 Etapa 3 Figura 1 4 : Etapa 3: Etapa moduladora El circuito polariza el transistor en la región activa. Así mismo, la resistencia R7 proporciona mayor estabilidad al circuito al realimentarlo. Para el análisis en CD se obtiene el valor de la corriente del emisor: Y se calcula los datos restantes:

VERSIÓN 01: 01 - 12 - 2020 La función primordial d un receptor de FM, es conocer, es entonces, la de demodular la señal de RF, es decir, convertir esas variaciones de frecuencia en variaciones de amplitud. Por lo tanto, el propósito básico del receptor se puede resumir en captar la señal RF, amplificarla, filtrarla para eliminar señales no deseadas y recuperar la información den la banda base deseada. Cuando la señal de RF es captada por la antena presenta una amplitud pequeña, incluso en el orden de los microvoltios. El receptor debe ser capaz de amplificarla a niveles de voltaje utilizables. Además, la antena no es capaz de discriminar la señal que es de interés del resto de las señales que capta al mimo tiempo. 7.4.7 Implementación del circuito Transmisor – Receptor Figura 1 6 : Circuito Transmisor Receptor 7.4.8 Circuito final realizado en placa 7.4.9 Circuito Transmisor Figura 1 7 : Circuito Transmisor

VERSIÓN 01: 01 - 12 - 2020 7.4.10 Circuito Receptor Figura 1 7 : Circuito Receptor 7.4.11 Enlace al video Circuito en funcionamiento https://unachedu- my.sharepoint.com/:f:/g/personal/gristel_quiroz_unach_edu_ec/EjoGh2wKQUZCsFFKMu86aHkBz_Mh 0cWJniHpVAuBe0unbQ?e=lDTeRz

7.5 Conclusiones

En la modulación FM la amplitud de la portadora permanece constante, mientras que, su frecuencia varía entorno a la frecuencia central. La parte fundamental del transmisor es el circuito tanque (LC), la frecuencia de transmisión depende de los parámetros seleccionados para el inductor y capacitor. Existen varias ventajas para utilizar modulación angular, ya sea en fase o frecuencia, en vez de modulación en amplitud; entre ellas se incluyen la reducción de ruido, la fidelidad mejorada del sistema y un uso más eficiente de la potencia. Todo esto permite mejorar el rendimiento de las comunicaciones de radio. Sin embargo, estas técnicas de modulación también presentan ciertas desventajas importantes, entre las cuales se encuentran requerir un ancho de banda extendida, así como circuitos transmisores y receptores más complejos.

VERSIÓN 01: 01 - 12 - 2020 Figura 20 : Diseño de la placa en Proteus