Everardo Inzunza González1, Jesús Everardo Olguín Tiznado2, Juracy Soares López3, Liliana Cardoza Avendaño4, Claudia Camargo Wilson5y Juan Miguel Hernández Ontiveros6
1 Ingeniero electrónico, Instituto Tecnológico de Culiacán, Sinaloa, México. M. Sc., en Ciencias en Electrónica y Telecomunicaciones, Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California, México. Profesor de carrera titular C, Facultad de Ingeniería Ensenada, Universidad Autónoma de Baja California, campus Ensenada, México. einzunza@uabc.edu.mx 2Ingeniero Industrial, Instituto Tecnológico de Huatabampo, Sonora, México. M. Sc., en Ciencias en Ingeniería Industrial, Instituto Tecnológico de Hermosillo, Sonora, México. Profesor – Investigador, Facultad de Ingeniería Ensenada, Universidad Autónoma de Baja California, campus Ensenada, México. jeol79@uabc.edu.mx 3 M.Sc., en Ciencias de la Tierra, Centro de Investigación Científica de Educación Superior de Ensenada, Baja California, México. Profesora de carrera titular, Facultad de Ingeniería Ensenada, Universidad Autónoma de Baja California, campus Ensenada. juracy@uabc.edu.mx 4Ingeniera en electrónica. M.Sc., en Ingeniería en Electrónica, Universidad Autónoma de Baja California, campus Ensenada, México. Profesora, Facultad de Ingeniería Ensenada, Universidad Autónoma de Baja California, campus Ensenada, México. lcardoza@uabc.edu.mx 5 Ingeniero Industrial, Instituto Tecnológico de los Mochis, Sinaloa, México. M.Sc., en Ciencias en Ingeniería Industrial, Instituto Tecnológico de Hermosillo, Sonora, México. Profesor – Investigador, Facultad de Ingeniería Ensenada, Universidad Autónoma de Baja California, campus Ensenada, México. ccamargo@uabc.edu.mx 6 Ingeniero electrónico, Universidad Autónoma de Baja California, México. M.Sc., en Ciencias en Electrónica y Telecomunicaciones, Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California, México. Profesor de carrera asociado B, Facultad de Ingeniería y Negocios San Quintín, Universidad Autónoma de Baja California, campus San Quintín, México. juan_miguel@uabc.edu.mx
RESUMEN
En este trabajo se presenta el desarrollo de una estación de radio AM/FM basada en computadora personal, que opera en la banda comercial de AM y FM. Se presenta la evolución de la interfaz gráfica con el usuario del software y la interconexión por medio del ducto GPIB con un generador de funciones de RF. El usuario de la computadora tiene la opción de introducir la frecuencia deseada de transmisión dentro de la banda comercial, así como la potencia de transmisión, entre otros parámetros.
Palabras clave: modulación en amplitud, modulación en frecuencia, bus de interfaz de propósito general, portadora de radiofrecuencia, señal moduladora.
This article presents the development of a personal computer based AM/FM radio station operating on the AM/FM commercial band. Developing the graphical user interface for the software and the interconnection with an RF function generator by means of a GPIB is presented. Computer users can enter the desired transmission frequency within the commercial band as well as the transmission potency.
Keywords: amplitude modulation, frequency modulation, general purpose interface bus (GPIB), radio frequency carrier, modulating signal.
Recibido: febrero 27 de 2009 Aceptado: marzo 27 de 2010
Introducción
Antecedentes de radio
La aparición de este medio de comunicación es una sucesión de descubrimientos que comenzaron a finales del siglo XIX.
Se tiene noción de que la primera comunicación telegráfica inalámbrica sucedió el 14 de mayo de 1894 entre las poblaciones de Laverck Point y la Isla Fratholm, en el canal de Bristol, separadas por una distancia de aproximadamente 5 kilómetros. El autor de ese fantástico descubrimiento fue Guglielmo Marconi, físico Italiano (Tomasi, 2003).
A esa primera comunicación le siguió una serie de avances tecnológicos que poco a poco fueron mejorando la calidad de las comunicaciones y también la cantidad. El origen de las estaciones de radio en distintas partes del mundo ha sido muy diverso: estatal, privado, con fines culturales, con fines comerciales, etcétera.
En una primera instancia, era con fines meramente informativos, y luego comenzó a variar su rango de acción hasta llegar a cubrir los más diversos aspectos: brindar información, música, cultura, entretenimiento y demás.
]]> Ducto de interfaz de propósito generalEn 1965 Hewlett-Packard diseñó el Hewlett-Packard Interface Bus (HP-IB) para conectar su línea de instrumentos programables a sus computadoras. Debido a su gran tasa de transferencia (nominalmente 1 Mbyte/s), este bus rápidamente ganó popularidad. Fue aceptado como estándar IEEE 488 en 1975, y envolvió el estándar ANSI/IEEE 488.1 en 1987. Ahora el nombre GPIB (General Purpose Interface Bus) es más usado que el HP-IB. ANSI/IEEE 488.2; en 1987 consolidó el estándar original definiendo cómo los controladores e instrumentos se comunican. SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments) tomó la estructura de comandos definida como IEEE 488.2 y creó un solo comando comprensivo de programación que es usado con cualquier instrumento SCPI.
Fundamentos de modulación en amplitud (AM)
Esta técnica de modulación consiste en variar la amplitud de la onda de radiofrecuencia. Cuando una señal de baja frecuencia (LF) controla la amplitud de una onda de alta frecuencia (RF) tenemos una modulación por amplitud. La radio y la televisión no hubieran sido posibles sin la modulación.
En la transmisión existen dos procesos fundamentales. El primero, montar la Información (LF) en la portadora (RF), proceso al que llamamos modulación (Jardón, 2002). El segundo, es el proceso de demodulación, es decir, la recuperación de la información, procedimiento que denominamos detección. En la Figura 1a se muestra el ejemplo de una señal de información de 300 Hz; en la Figura 1b, la señal portadora de 5 KHz, y se puede observar que al producirse el proceso de modulación en amplitud se genera una envolvente sobre la señal portadora, tal como se muestra en la Figura 1c.
Fundamentos de modulación en frecuencia (FM)
En FM la amplitud pico de la portadora permanece constante, mientras que la frecuencia cambia por la acción de la señal moduladora (Ibarra et al., 1999). Como la amplitud de la señal de información varía, produce corrimientos proporcionales en la frecuencia de la portadora. A medida que se incrementa la amplitud de la señal moduladora, aumenta la frecuencia de la portadora. Si la amplitud de la primera decrece, también disminuye la frecuencia de la segunda, como se señala en la Figura 2. Así mismo, puede implementarse la relación inversa.
Una disminución de la amplitud de la señal moduladora aumenta la frecuencia de la señal portadora por encima de su valor central, mientras que un incremento en la amplitud de la señal moduladora provoca un decremento en la frecuencia de la señal portadora por debajo de su valor central. A medida que la señal moduladora varía su amplitud, la frecuencia de la portadora cambia arriba y debajo de su valor central o de reposo cuando no hay modulación. El aumento que la señal moduladora produce en la frecuencia de la portadora se conoce como desviación de frecuencia,fd. La desviación máxima de la frecuencia ocurre en los máximos de amplitud de la señal moduladora. La frecuencia de la señal moduladora determina la relación de desviación de frecuencia, o sea, cuántas veces por segundo la frecuencia de la portadora se desvía arriba y debajo de su frecuencia central. Si la señal moduladora es una onda senoidal de 500 Hz, la frecuencia de la portadora se desvía arriba y debajo de su frecuencia central 500 veces por segundo.
]]> Considérese una frecuencia portadora de 150 MHz: si la amplitud de la señal moduladora causa un corrimiento máximo de la frecuencia de 30 kHz, la frecuencia de la portadora se desviará hacia arriba hasta 150,03 MHz y hacia abajo hasta 149,97 MHz. La desviación total de la frecuencia es de 150,03-149,97 = 0,06 MHz o 60 kHz. Sin embargo, en la práctica, la desviación de frecuencia se expresa como una cantidad de corrimiento de frecuencia de la portadora arriba y debajo de la frecuencia central. Por lo tanto, la desviación de frecuencia para la frecuencia de la portadora de 150 MHz se representa como ± 30 kHz. Esto significa que la señal moduladora hace variar a la portadora arriba y debajo de su frecuencia central en 30 kHz. Se observa que la frecuencia de la señal moduladora no tiene efecto en el grado de desviación, el cual es, en estricto sentido, una función de la amplitud de la señal moduladora.El cambio de frecuencia, que está exagerado en la Figura 2, es proporcional a la amplitud de la señal. Una señal portadora de FM alrededor de 100 MHz se halla limitada a modulación de ± 0,1 MHz. Las transmisoras normales de FM modulan aproximadamente a ± 0,53 MHz.
El espectro electromagnético de la banda de FM se encuentra entre 88 MHz y 108 MHz y las ondas portadoras para estaciones individuales están separadas por 200 kHz para un máximo de 100 estaciones. Estas estaciones de FM tienen una desviación máxima de 75 kHz de la frecuencia central, lo que les deja 25 kHz arriba y abajo (bandas de guarda) para minimizar interferencias con la banda de la frecuencia adyacente.
Esta separación de las estaciones es mucho más ancha que las de estaciones de AM, permitiendo la transmisión de unas bandas de frecuencia más anchas para tener mayor fidelidad en la música transmitida. Esto también permite el uso de subportadoras, que pueden hacer posible la transmisión de señales de FM estéreo.
Al variar la amplitud de la señal moduladora cambiará la desviación de la frecuencia. El número de bandas laterales producidas, su amplitud y espaciamiento, depende de la desviación de la frecuencia moduladora. Recuérdese que una señal de FM tiene amplitud constante. Como la señal de FM resulta de las frecuencias de las bandas laterales, las amplitudes de estas bandas deben variar con la desviación de la frecuencia y la frecuencia moduladora. En teoría, el proceso de FM produce un número infinito de bandas laterales superiores e inferiores y, por lo tanto, un ancho de banda teóricamente infinito. Sin embargo, en la práctica sólo las bandas laterales con las amplitudes mayores son las que contribuyen a llevar la información. Por lo común, cualquier banda lateral, cuya amplitud es menor al 1% de la portadora no modulada, se considera como insignificante.
A pesar de ello, el ancho de banda de una señal de FM en general es más amplio que el de una señal de AM con la misma señal moduladora.
Funciones de Bessel: dado el índice de modulación, el número y amplitudes de las bandas laterales significativas se puede resolver de la ecuación básica de una señal de FM (Frenzel, 1998). Esta ecuación, cuyo desarrollo queda fuera de este artículo, es:
Donde VFMrepresenta el valor instantáneo de la señal de FM y fm el índice de modulación. La ecuación dada como (1) se resuelve mediante un proceso matemático complejo conocido como funciones de Bessel (Frenzel, 1998). No es necesario reproducir esta solución, pero el resultado es el expresado en la ecuación dada como (2):
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Donde ωp=2πfp representa la frecuencia de la portadora. ωm=2πfm equivale a la frecuencia de la señal moduladora. Vp es el valor pico de la portadora sin modulación.
La onda de FM se expresa como una composición de ondas senoidales de frecuencias y amplitudes diferentes que al sumarse dan una señal de FM en el dominio del tiempo. El primer término es la portadora con la amplitud dada por el coeficienteJo. El siguiente término representa un par de frecuencias laterales superior e inferior iguales a la suma y diferencia de la frecuencia portadora y la frecuencia de la señal moduladora. La amplitud de estas frecuencias laterales es J1. El término que sigue es otro par de frecuencias laterales igual a la frecuencia portadora ± 2 veces la frecuencia de la señal moduladora.
Desarrollo experimental
En la Figura 4 se muestra el diagrama a bloques de la estación de radio AM/FM desarrollada (Luna, 2005), el usuario desde la computadora personal (PC) reproduce la señal de audio con cualquier software comercial, el audio del locutor se introduce a la PC por medio de un micrófono común para tarjeta de sonido y el mezclado de las señales de audio se realiza dentro de la PC. La PC envía la información del audio a través de la tarjeta de sonido al generador de RF (Rohde & Schwarz SML01), así como también la información de la frecuencia y potencia de transmisión a través del bus GPIB, selecciona tipo de modulación, activa/desactiva modulación y enciende/apaga la señal de RF. El generador de funciones efectúa el mezclado de la señal de información con la portadora de RF, generando la señal de AM/FM, la cual es enviada por medio de un cable coaxial a una antena omnidireccional.
Desarrollo del software
Este software se desarrolló utilizando la utilería GUIDE de la plataforma de Matlab.
En la Figura 5 se muestra la interfaz gráfica principal del software que controla al generador de funciones de RF; en la ventana del programa existen cuatro campos editables, en los cuales se pueden introducir los valores deseados de frecuencia, potencia, tipo de modulación (AM/FM), etcétera. Todo esto considerando que los parámetros estén dentro del rango permitido por el generador de radiofrecuencia. Estos campos son: frecuencia de RF, frecuencia de LF (señal interna de información), amplitud de LF y potencia de salida del generador de señales. También se puede seleccionar por medio de un menú desplegable la fuente modulante (interna o externa), seleccionar tipo de modulación (AM/FM) y activar o desactivar la salida de RF.
Potencia de la señal de RF
A continuación se ofrecen varias imágenes del espectro electromagnético de una señal de FM transmitida durante el desarrollo del trabajo. En este caso se utilizaron como frecuencia central 90,3 MHz, ya que no existen estaciones de radio comerciales adyacentes a esta banda de frecuencia en la ciudad y puerto de Ensenada, Baja California, México.
En la Figura 6 se observa cómo la frecuencia de la señal portadora está centrada en 90,3 MHz y la potencia que tiene es de -46,9 dBm. Existe una gran pérdida en la potencia de RF a pesar de que se encuentra a una distancia aproximada de 5 m, pero al momento de transmitirla por el medio existe esa pérdida durante la propagación, y en la línea de transmisión además, debido a que toda la potencia se está irradiando a muchas direcciones con la antena (omnidireccional).
Las otras dos frecuencias que se aprecian en el analizador de espectros corresponden a dos estaciones de radio comerciales de la ciudad de Ensenada, Baja California, México (92,1 y 92,9 MHz).
A continuación se ofrecen imágenes del espectro a diferentes potencias de transmisión, que se utilizaron para probar el sistema. En la Figura 7 se muestra el espectro de la señal de FM cuando es transmitida con una potencia de RF de 10 dBm.
En las figuras 8 y 9 se está utilizando una potencia de transmisión de RF de 5 dBm y 0 dBm, respectivamente.
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Ancho de banda real
Existen dos ecuaciones para calcular el ancho de banda real de una señal de FM:
Donde N representa el número de bandas laterales que se obtiene de la Figura 3 a partir del índice de modulación mfmostrada por
Donde fd, representa la desviación en frecuencia de la señal de FM y fmla frecuencia de la señal modulante (información).
Otra forma de calcular el ancho de banda real (Frenzel, 1998) es con la regla de Carson (ecuación 5):
Por otra parte, en la Figura 10 se exhibe el espectro de una señal de FM, utilizando como señal modulante una onda senoidal de 15 KHz; como se nota, en el espectro se mantienen fijas las frecuencias debido a que la frecuencia de la señal modulante también se mantiene constante, ya que el analizador de espectros sólo despliega muestras del espectro conforme el sonido cambia, se puede ver cómo el ancho de banda es de aproximadamente 300 KHz.
La Figura 11 contiene el espectro de una señal de FM utilizando como señal modulante el audio de música pop; como se aprecia, el espectro está variando constantemente, ya que el audio varía mucho su frecuencia y amplitud, y debido a que el analizador de espectros sólo despliega muestras del espectro conforme el sonido cambia; al abrir más el span de medición, se puede constatar que el ancho de banda es de aproximadamente 150 KHz.
La Figura 12 corresponde al espectro de la señal portadora, sin modulación en frecuencia, pudiéndose evidenciar que el ancho de banda es menor que cuando se está modulando en frecuencia.
Conclusiones
En este trabajo se presentó el desarrollo de una estación de radio AM/FM basada en computadora personal, que opera en la banda comercial de AM (530-1600 KHz) y FM (88-108 MHZ). Se mostró el desarrollo de la interfaz gráfica del software y la interconexión con un generador de funciones de RF para la transmisión de la información de audio que reproduce la computadora o voz de un locutor.
El control del generador de radiofrecuencia se basa en el estándar GPIB. Esta estación de radio AM/FM se puede utilizar para transmitir eventos internos de universidades, industrias, centros comerciales, deportivos, etcétera.
]]> Cabe hacer mención que es muy importante obtener la licencia de transmisión para la frecuencia central de la portadora por parte del organismo gubernamental correspondiente al país donde se instalará el sistema.Nomenclatura
AM: Amplitude Modulation
BW: Band Width
FM: Frequency Modulation
GPIB: General Purpose Interface Bus
HP-IB: Hewlett – Packard Interface Bus
LF: Low Frequency
PC: Personal Computer
RF: Radio Frequency
]]> SCPI: Standard Commands for Programmable InstrumentsBibliografía
Frenzel, L. E., Principles of Electronic Communication Systems., Glencoe, McGraw-Hill (ed.), 2008. [ Links ]
Ibarra Q. R., Serrano M. A., Principios de teoría de las comunicaciones., Limusa (ed.), México D.F., 2007. [ Links ]
Jardón, H. A., Fundamentos de los sistemas modernos de comunicación., Alfaomega (ed.), México D.F., 2002. [ Links ]
Luna R. J., Sistema de medición automatizado para la caracterización de dispositivos de baja frecuencia., BSc Electronic Engineering thesis, Universidad Autónoma de Baja California, Campus Ensenada, 2005. [ Links ]
Tomasi W., Sistemas de comunicaciones electrónicas, Prentice Hall (ed.), 4th ed., México, D.F., 2003. [ Links ] ]]>