MODULACION DE AMPLITUD MEDIANTE …

1 Constantino P rez Vega Dpto. de Ingenier a de Comunicaciones Universidad de Cantabria. 2008 1 MODULACION DE AMPLITUD MEDIANTE MODULACION POR DURACION DE PULSOS (PWM o PDM) Introducci n La potencia total de la se al modulada en AMPLITUD esta dada por: 212 AMcmPP =+ En que m es el ndice de modulaci n, que depende de la AMPLITUD de la se al moduladora y Pc es la potencia de la portadora sin modulaci n (m = 0). De la f rmula anterior se ve que cuando se tiene modulaci n al 100% (m = 1), el modulador debe proporcionar una potencia de salida igual a la mitad de la potencia de la portadora. Esto no tiene mucha importancia si se trata de potencias peque as, digamos del orden de unos 10 w o algo m s, pero en radiodi fusi n de AM las potencias que se manejan pueden llegar a 100 kw o m s, lo que significa que a 100% de modulaci n el modulador debe proporcionar 50 kw o m s.

2 En tanto que la portadora de RF sin modulaci n puede amplificarse con amplificadores clase C no lineales, la se al moduladora tiene que amplificarse necesariamente con amplificadores lineales (clase A o AB). Si la modulaci n se aplica antes del paso final de amplificaci n en el transmisor, todos los amplificadores despu s del modulador tambi n deben ser lineales. Modulaci n en bajo y alto nivel En la modulaci n en bajo nivel la salida del oscilador y la se al moduladora se aplican al modulador con bajo nivel del potencia, del orden de miliwatts o unos pocos watts. La salida del modulador es luego amplificada MEDIANTE amplificadores de potencia hasta alcanzar el nivel requerido a la salida del transmisor. Todos los amplificadores de potencia en este caso, deben ser lineales. OsciladorModuladorAmplificadorAmplificad orAmplificadorbanda baseAmplificadorfinal Se al enbanda baseA la l nea detransmisi ny antenaAmplificadores de potencia Fig.

3 1. Arquitectura de un transmisor modulado en bajo nivel. En el caso de la modulaci n en alto nivel, como se puede apreciar en el diagrama de bloques de la figura 2, la portadora de RF y la se al moduladora se amplifican por separado. La por tadora MEDIANTE amplificadores no lineales, generalmente clase C y la se al moduladora MEDIANTE amplificadores lineales. Con amplificadores clase C pueden alcanzarse eficiencias Constantino P rez Vega Dpto. de Ingenier a de Comunicaciones Universidad de Cantabria. 2008 2superiores al 80% en tanto que con amplificadores clase A la eficiencia suele ser del orden de 20% y con clase AB, poco m s de 30%. OsciladorAmplificadores depotenciade RFAmplificadorfinalAmplificadores depotenciaBanda BaseA la l nea detransmisi n yantena Se al enbanda base Fig. 2. Arquitectura de un transmisor modulado en alto nivel. En ambos casos, bajo o alto nivel, la eficiencia total es baja, lo que significa que buen parte de la potencia que se suministra al transmisor se pierde en forma de calor.

4 Lo anterior puede describirse mejor con un ejemplo. Sup ngase un transmisor cuya potencia de salida sin modulaci n es de 10 kw y veamos primero c mo andar a aproximadamente la eficiencia si la modulaci n es en bajo nivel y la potencia de salida del modulador es, diga mos, de 10 w. Supongamos que la eficiencia de los amplificadores de potencia hasta alcanzar 10 kw a la salida es de 30%. La potencia que debe suministrar la fuente de alimentaci n ser a, por consecuencia de 10 = kw. Si a esto se agregan las p rdidas introducidas por otros elementos en el sistema transmisor, el consumo de potencia del transmisor puede f cilmente ser superior a 50 kw. Veamos ahora el caso de modulaci n en alto nivel, suponiendo que la eficiencia de los ampli ficadores de potencia clase C es ahora de 80%. La potencia consumida por la secci n de RF es ahora de kw. Por otra parte la potencia de la se al moduladora para realizar la modula ci n debe ser la mitad de la potencia de la portadora sin modulaci n, es decir, 5 kw.

5 Supo niendo la eficiencia de los amplificadores como de 30%, la potencia que debe suministrar la fuente al modulador es de kw, con lo que la potencia total suministrada al transmisor es de + = kw, algo menor que con modulaci n en bajo nivel. Las cifras utilizadas en el ejemplo son nicamente indicativas y corresponden a lo que podr a llamarse la AM tradicional, pero ponen de manifiesto el hecho de que el consumo global de energ a es bastante mayor que la potencia til de salida del transmisor. Ese consumo se refle ja en el costo del suministro de energ a que, con transmisores de potencias bajas, por ejemplo hasta unos 100 w, puede no ser muy significativo, pero que en el caso de potencias superio res constituye una parte muy importante del costo de operaci n del sistema. Modulaci n por duraci n de pulsos La modulaci n por duraci n o anchura de pulsos (PWM1 o PDM2) es uno de los esquemas m s utilizados en la actualidad en transmisores de AM y permite conseguir eficiencias bas tante superiores a las que se tienen con AM tradicional.

6 En cierta forma puede considerarse como una modulaci n de alto nivel. La se al moduladora o de informaci n se convierte en 1 PWM = Pulse Width Modulation o modulaci n por anchura de pulsos. 2 PDM = Pulse Duration Modulation o modulaci n por duraci n de pulsos. Los dos t rminos designan el mismo proceso. Constantino P rez Vega Dpto. de Ingenier a de Comunicaciones Universidad de Cantabria. 2008 3un tren de pulsos de duraci n variable que se amplifica al nivel suficiente para aplicarlo co mo se al moduladora al paso amplificador final del transmisor. La se al de RF se conduce por separado al amplificador final y en ste, se combina con la se al de informaci n que se ver m s adelante se reconvierte a su forma anal gica original. El tren de pulsos es, de hecho una se al digital y, por tanto, puede amplificarse con t cnicas no lineales.

7 Generaci n de la se al PWM. La generaci n de la se al PWM se consigue MEDIANTE la suma de la se al de informaci n con una se al triangular o bien, un diente de sierra en la forma indicada en la figura 3. Fig. 3. Se ales de informaci n y triangular. La se al de informaci n es en este caso un tono puro de 2 kHz. La frecuencia de la se al triangular suele ser de 50 kHz o m s. La combinaci n lineal (suma) de estas se ales da lugar a la se al mostrada en la figura 4. Fig. 4. Combinaci n lineal de las se ales de la figura 3. Obs rvese que las se ales de las figuras anteriores tiene una componente de CC, de modo que su valor m nimo e 0 V. La se al de la figura 3 se aplica a un comparador que, en este caso, genera una salida cuando el nivel de la se al es superior a 2 V y no hay salida cuando el nivel es inferior. Esta salida puede llevarse a un nivel deseado, por ejemplo 200 V, lo que facilita pensar en t rminos del Constantino P rez Vega Dpto.

8 De Ingenier a de Comunicaciones Universidad de Cantabria. 2008 4porcentaje de modulaci n3. El resultado es la se al formada por el tren de pulsos de duraci n variable que se muestra en la figura 5, en que se ha superpuesto la se al de informaci n ni camente con el fin de observar que la duraci n de los pulsos aumenta en los semiciclos posi tivos de aqu lla y se reduce a pulsos m s estrechos en los semiciclos negativos. Fig. 5. Se al PWM para comparaci n con la se al de informaci n. Estrictamente, la forma de la se al PWM a la salida del comparador es la mostrada en la fi gura 6. Fig. 6. Se al PWM. Si en lugar de una se al triangular se emplea una se al en diente de sierra, que por lo gene ral es m s f cil de generar que la triangular, el resultado es pr cticamente el mismo. Si esta se al se usa directamente para modular a la portadora de AM el espectro resultante es muy grande como puede verse en la figura 7.

9 3 Constantino P rez Vega Dpto. de Ingenier a de Comunicaciones Universidad de Cantabria. 2008 5 Fig. 7. Espectro de la se al de la figura 6. El espectro muestra una componente de CC de 100 V de AMPLITUD y la se al moduladora de 2 kHz con una AMPLITUD de 90 V. Tambi n aparecen componentes espectrales a la frecuencia de la se al triangular (50 kHz en este caso) con dos bandas laterales a 2 kHz de sta, que corresponden a la se al de informaci n. Esta estructura se repite a m ltiplos de 50 kHz sin l mite, por lo que no puede utilizarse para transmisi n de AM cuyo ancho de banda no suele exceder los 10 kHz. Por consecuencia, la salida del comparador no puede usarse para modu lar directamente al transmisor. Para poder modular el transmisor es necesario filtrar la se al PWM a paso bajo a fin de con servar nicamente la componente de CC y la se al de informaci n y eliminar la se al trian gular de conmutaci n y todas sus componentes espectrales.

10 Este filtro utilizado despu s del modulador no es el que limita el ancho de banda de la se al modulada, para ello se utiliza un filtro limitador de banda a la entrada del transmisor, que act a directamente sobre la se al de informaci n. La respuesta del filtro postmodulador debe ser de la forma mostrada en la figura 8. Fig. 8. Respuesta del filtro postmodulador. Constantino P rez Vega Dpto. de Ingenier a de Comunicaciones Universidad de Cantabria. 2008 6 Para el caso habitual de sistemas de AM el ancho de banda de la se al de audio no debe ex ceder los 5 kHz. El filtro posmodulador pr cticamente no aten a significativamente esta fre cuencia, pero aten a (en el caso de la figura), 60 dB a la frecuencia de la se al de conmuta ci n, de modo que deja pasar la se al de audio de 5 kHz sin atenuaci n mientras cumple la funci n de eliminar todas las se ales espurias generadas por la se al de conmutaci n.