Laboratorio Telecomunicaciones

EXPERIMENTO 5 - I

MODULACION EN AMPLITUD (AM)

Aspectos previos En un sistema de comunicaciones con modulación en amplitud (AM), voz y música son convertidas en señal eléctrica usando un dispositivo como un micrófono. Esta señal eléctrica se denomina señal banda base o mensaje. La señal de mensaje es entonces usada para eléctricamente variar la amplitud de una señal senoidal pura llamada portadora (carrier). La portadora usualmente tiene una frecuencia que es mucho mayor que la del mensaje. La Figura 1 muestra una señal de mensaje simple y una portadora no modulada. También se muestra el resultado de la modulación de amplitud de la portadora por el mensaje. Note que la amplitud de la portadora modulada varía respecto a su amplitud no modulada.

Figura 1 – Formas de onda en la modulación AM

La figura 2 muestra la señal AM de la parte inferior de la Figura 1 pero con líneas punteadas añadidas que siguen a los picos positivo y negativo de portadora modulada. Estas líneas punteadas son conocidas en la industria como envolventes de la señal. Si observa cuidadosamente las envolventes notará que la envolvente superior es de la misma forma que el mensaje. La envolvente inferior es también de la misma forma que la superior pero invertida.

Figura 2 – Envolventes, superior e inferior, de la señal AM

En la teoría de telecomunicaciones, el modelo matemático que define la señal AM es: AM = (DC + mensaje) x Portadora Cuando el mensaje es una onda senoidal simple (como en la Figura 1) la solución de la ecuación (la cual necesariamente envuelve alguna trigonometría que no se muestra aquí) indica que la señal AM consiste de tres ondas senoidales:   

Una a la frecuencia de la portadora. Una con frecuencia igual a la suma de las frecuencias de la portadora y mensaje. Una con frecuencia igual a la diferencia entre las frecuencias de la portadora y mensaje.

En otras palabras, para cada onda senoidal del mensaje, la señal AM incluye un par de ondas senoidales – una por encima de la frecuencia portadora y otra por debajo. Señales de mensajes complejos, tales como voz y música, están conformadas de cientos de ondas senoidales y por tanto, su señal AM incluye cientos de pares de ondas senoidales. Estos dos grupos de ondas senoidales se denominan bandas laterales (sidebands) y la señal AM se conoce como DOBLE BANDA LATERAL CON TRANSMISION DE PORTADORA (DBL-P). Importante, de esta discusión se deduce que la señal AM no consiste de cualquier señal a la frecuencia del mensaje. Esto, a pesar del hecho que la envolvente de la señal AM es de la misma forma que la del mensaje. El experimento En este experimento usará el EMONA TELECOMS-TRAINER 101 para generar una señal AM real implementado su modelo matemático. Esto significa que añadirá una componente DC a una onda senoidal pura para crear la señal de mensaje, luego lo multiplicará con otra senoidal de mayor frecuencia (la portadora). Examinará la señal AM usando el osciloscopio y comparará con el mensaje original. Realizará lo mismo con señal de voz en lugar de una onda senoidal simple. Seguidamente, variará la amplitud de la señal de mensaje y observará como esto afecta a la portadora modulada. También observará los efectos de sobremodular la portadora. Finalmente, medirá la profundidad de modulación de la señal AM usando el osciloscopio. Le tomará aproximadamente una hora completar este experimento. Materiales    

EMONA TELECOMS-TRAINER 101 (incluyendo adaptador de voltaje) Osciloscopio de doble canal y 20 MHz Dos terminales de osciloscopio de EMONA TELECOMS-TRAINER 101 Terminales de conexión diversos para el EMONA TELECOMS-TRAINER 101

Procedimiento PARTE A – Generando una señal AM usando un mensaje simple 1.- Reúna todo el equipamiento solicitado para esta experiencia.

2.- Configure el osciloscopio según las instrucciones del Experimento 1. Asegúrese que: * El control Trigger Source (fuente de disparo) esté fijado en la posición CH1 (o INT). * El control Mode (Modo) esté en la posición CH1. 3.- Configure el control INPUT COUPLING del canal 1 del osciloscopio a la posición DC. 4.- Ubique el módulo ADDER y gire sus controles G y g completamente en sentido antihorario. 5.- Ubique el módulo VARIABLE DCV y gire su control DC VOLTAGE casi completamente en sentido antihorario. 6.- Realice las conexiones mostradas en la Figura 3 siguiente. Nota: Inserte los plugs negros de los terminales del osciloscopio en socktes de tierra (GND).

Figura 3 – Cableado DC + Mensaje (vea la Figura 4) La configuración de la Figura 3 se puede representar por el diagrama de bloques de la Figura 4 siguiente. Este diagrama implementa la parte en negrita de la ecuación: AM = (DC + mensaje) x Portadora

Figura 4 – DC + Mensaje (vea la Figura 03)

En este momento, el osciloscopio debería estar mostrando un trazo plano debido a que salida del módulo ADDER es 0V. Luego que complete los pasos siguientes, del 1 al 10, la ecuación tendrá la siguiente forma: AM = (1VDC + seno 2KHz 1Vp-p) x Portadora 7.- Configure el control VERTICAL ATTENUATION del canal 1 del osciloscopio a la posición 0.5V/div. 8.- Use el control VERTICAL POSITION del canal 1 del osciloscopio para mover el trazo tal que se alinee con la línea horizontal en el medio de la pantalla del osciloscopio. 9.- Mientras observa la salida del módulo ADDER en el osciloscopio, gire su control g en sentido horario hasta que su nivel DC sea 1V. 10.- Mientras observa la salida del módulo ADDER en el osciloscopio, gire su control G en sentido horario para obtener una onda senoidal de 1Vp-p.

Pregunta 1 ¿En qué forma es la salida del módulo sumador distinta a la señal de la salida SINE de 2KHz del módulo MASTER SIGNAL? ________________________________________________________________________________

Consulte al profesor para revisar su trabajo antes de continuar. 11.- Modifique la configuración tal como se muestra en la Figura 5 siguiente. Antes que prosiga… La configuración mostrada en la Figura 5 siguiente implementada, sobre la que ya estaba cableada, no la implemente aparte. Para resaltar los cambios que se requieren realizar, se muestra el cableado previo existente como líneas punteadas.

Figura 5 – Cableado para la modulación AM

La configuración de la Figura 5 puede ser representada por el diagrama de bloques de la Figura 6 siguiente. Las adiciones que realizó a la configuración inicial corresponden a la parte resaltada de la ecuación: AM = (DC + mensaje) x Portadora

Figura 6 – Modulación AM con los módulos EMONA Con valores, la ecuación es: AM = (1VDC + seno 2KHz 1Vp-p) x seno 100KHz 4Vp-p

12.- Fije el control MODE del osciloscopio a la posición DUAL.

13.- Fije el control VERTICAL ATTENUATION del canal 2 del osciloscopio a la posición 1V/div. 14.- Dibuje las dos formas de onda a escala en el espacio siguiente provisto para tal fin. SUGERENCIA: Dibuje la señal de mensaje en la mitad superior del gráfico y la señal AM en la mitad inferior.

Consulte al profesor para revisar su trabajo antes de continuar.

15.- Use el control VERTICAL POSITION del canal 1 del osciloscopio para superponer el mensaje con la envolvente de la señal AM y compárelos.

Pregunta 2 ¿Qué característica de la salida del módulo MULTIPLIER le sugiere que se trata de una señal AM? SUGERENCIA: Si no está seguro de su respuesta a la pregunta, vea la discusión preliminar. ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ Pregunta 3 La señal AM es una forma de onda compleja consistente de más de una señal. ¿Es una de ellas una senoidal de 2KHz? Explique su respuesta. ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ Pregunta 4 Para las entradas dadas al módulo MULTIPLIER, de cuántas ondas senoidales consiste la señal AM y cuáles son sus frecuencias? ________________________________________________________________________________

Consulte al profesor para revisar su trabajo antes de continuar.

PARTE B – Generando una señal AM usando voz Hemos generado una señal AM usando una onda senoidal como mensaje. No obstante, el mensaje en sistema de comunicación comercial es predominantemente voz y música. La siguiente parte de este experimento le permite apreciar una señal modulada en AM por la voz. 16.- Desconecte el plug de la salida SINE de 2KHz del módulo MASTER SIGNAL que se conecta a la entrada A del módulo ADDER. 17.- Conéctelo a la salida del módulo SPEECH como se muestra en la Figura 7. RECUERDE: Las líneas punteadas muestran terminales ya conectados en pasos anteriores. 18.- Fije el control TIMEBASE del osciloscopio a la posición 2ms/div. 19.- Hable, cante o murmure mientras observa la pantalla del osciloscopio. Pregunta 5 ¿Por qué existe señal a la salida del módulo MULTIPLIER aun cuando no está hablando, silbando, etc? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________

Figura 7 – Empleo de voz como mensaje Llame al profesor para revisar su trabajo antes de finalizar.

PARTE C – Investigando la profundidad de modulación Es posible modular la portadora en distintas magnitudes. Esta parte del experimento le permite investigar este aspecto. 20.- Retorne el control TIMEBASE del osciloscopio a la posición 0.1ms/div. 21.- Desconecte el plug de la salida del módulo SPEECH. 22.- Reconecte la entrada A del módulo ADDER a la salida SINE de 2KHz del módulo MASTER SIGNALS. Nota: La pantalla del osciloscopio deberá mostrarse similar a las gráficas del paso 14. 23.- Varíe un poco la amplitud de la señal de mensaje girando el control G del módulo ADDER hacia la izquierda y derecha y observando el efecto sobre la señal AM. Pregunta 6 ¿Cuál es la relación entre la amplitud del mensaje y la magnitud de modulación de la portadora? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________

Probablemente ha notado que el tamaño de la señal de mensaje y la modulación de la portadora son proporcionales. Esto es, si la amplitud del mensaje aumenta, la cantidad de modulación también se incrementa. La magnitud en que un mensaje modula a una portadora se conoce en la industria como índice de modulación (m). El índice de modulación es una característica importante de una señal AM por diversas razones incluyendo el cálculo de la distribución de potencia de una señal entre la portadora y las bandas laterales. La Figura 8 siguiente muestra las dos dimensiones claves de una portadora modulada en amplitud. Estas dos dimensiones permiten calcular el índice de modulación de una portadora.

Figura 8 – Parámetros para el cálculo del índice de modulación La parte siguiente del experimento le permite practicar midiendo estas dimensiones para calcular el índice de modulación de la portadora. 24.- Ajuste el control G del módulo ADDER para retornar la amplitud de la señal de mensaje a 1Vp-p. 25.- Mida y anote la dimensión P de la señal AM. Anote su medición en la Tabla 1 siguiente. 26.- Mida y anote la dimensión Q de la señal AM. 27.- Calcule y anote la profundidad de modulación de la señal AM usando la ecuación siguiente. 𝑚=

Dimensión P

𝑃−𝑄 𝑃+𝑄

Tabla 1 Dimensión Q

m

Llame al profesor para revisar su trabajo antes de finalizar. Un problema importante a evitar en la transmisión AM es la sobremodulación. Cuando la portadora es sobremodulada, puede alterar el funcionamiento del receptor. La parte siguiente de este experimento le permite observar los efectos de la sobremodulación. 28.- Incremente la amplitud de la señal de mensaje al máximo girando el control G del módulo ADDER completamente en sentido horario y observe los efectos sobre la señal AM. 29.- Use el control VERTICAL POSITION del canal 1 del osciloscopio para superponer el mensaje con la envolvente de la señal AM y compárelos.

Pregunta 7 ¿Cuál es el problema con la señal AM cuando está sobremodulada? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ Pregunta 8 ¿Cuál cree que es el máximo índice de modulación de la portadora sin sobremodulación?  Un número negativo

 0

 1

 Mayor que 1 Llame al profesor para revisar su trabajo antes de finalizar.

30.- Dibuje las dos formas de onda a escala en el espacio siguiente.

Llame al profesor para revisar su trabajo antes de finalizar. Edgard Oporto – Semestre 2015 – I Carrera Profesional de Electrónica y Telecomunicaciones - UNTELS