Diapositiva 1 - Universidad del Cauca

Transcripción

Electiva: Sistemas de Radiodifusión
Introducción
Facilidades de Transmisión Radio
VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ
UNIVERSIDAD DEL CAUCA – DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES
Transmisores AM
Transmisores AM
• Introducción (2)
• Introducción
– 1930. La industria telefónica para enlaces a larga
distancia via radio → SSB-SC (Single Side Band –
Supressed Carrier).
– Inicio de la radiodifusión publica ~ 1920.
• Metodos prácticos de demodulación o detección ~ 1900.
– Entendimiento práctico de la modulación angular ~1925.
• Mayor eficiencia.
• Mayor capacidad.
• El nuevo modo de transmisión y la tecnología de recepción no
fue probada hasta mucho después que AM fue un estándar de
radiodifusión.
– La industria de la radiodifusión continuo con la AM
convencional por necesidad económica de mantener la
compatibilidad del receptor.
– AM → DSB-FC-AM. (Double Side Band Full carrier)
•
•
•
•
•
535 a 1705 kHz.
Banda de onda Media (MW, Medium Wave).
Norteamerica (región UIT 2) Separación de canal 10 KHz.
Resto del mundo (regiones UIT 1 y 3) separación de canal 9 KHz.
Onda larga (LW, Long Wave) regiones UIT 1 y 3. 150 to 280 kHz.
• Ingeniería de radiodifusión.
–
–
–
–
– Un modo no muy eficiente de transmisión.
Mayor fidelidad.
Eficiencia de transmisión.
Disponibilidad.
Interferencia co-canal y canal adyacente.
Transmisores AM
Transmisores AM
• Introducción (3)
– 1940. El más alto desarrollo basado en tubos de vacio.
– ~1980 transmisores de estado solido.
• Mejor desempeño.
– ~1981 FCC aprobó de manera general AM estereo.
• No aprobo un estandar (AM, FM, TV).
• Múltiples formatos → Ningun estandar de Facto.
• Teoría de la modulación en amplitud
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1
Transmisores AM
• Teoría de la modulación en amplitud (2)
Transmisores AM
• Teoría de la modulación en amplitud (3)
– El ancho de banda de la señal AM es igual a
dos veces la frecuencia moduladora más alta
cuando no existe distorsión presente en el
sistema.
– Música de alta calidad incluye frecuencias tan
altas como 15 kHz → BW=30KHz.
– Distorsión por intermodulación y armónicos
tienen el efecto de expandir el ancho de banda
efectivo.
Transmisores AM
• Amplificadores de potencia.
– Amplificadores de alta potencia: 0.25 a 50 KW
• Tubos de vacio → un solo circuito.
• Estado solido → Varias etapas combinadas.
– Alta eficiencia
• Clases: C, C/D, D.
– Los primeros amplificadores clase B.
• Hoy se utilizan en etapas de baja potencia. (driver)
– Etapas finales clase C o D.
– Amplificadores de estado solido clase D estan llegando
a ser el estándar como etapas driver de amplificadores
→ etapa final de tubo de vacio o modulos de estado
solido en modernos transmisores AM.
Transmisores AM
• Amplificadores de potencia (3).
Transmisores AM
– Figura de merito → calidad del amplificador
• Ganancia
• Ancho de banda→ Punto de potencia mitad -3dB, 1dB, -6 dB.
• Eficiencia
– limita la potencia de salida.
– Mayor eficiencia → más “fresco” el amplificador.
»
»
»
»
»
Clase A → (10-20)%. Máximo 25%.
Clase B → mayor eficiencia. Altos niveles de distorsión.
Clase AB → (35-55)%. Máximo 78.5%.
Clase D (amplificador por conmutación). → Hasta 97%.
Clase C-F → alta eficiencia.
Transmisores AM
– Figura de merito(2)
• Linealidad
– Máximo nivel de entrada → saturación → distorsión.
– Punto de compresión de 1dB.
•
•
•
•
•
•
•
Ruido → Figura de ruido.
Rango dinámico de salida.
Slew rate → voltios/segundo.
Tiempo de subida (Rise time).
Tiempo de establecimiento (Settling time) and ringing (rizado).
Sobredisparo (overshoot).
Factor de estabilidad
2
Transmisores AM
Transmisores AM
– Mientras los amplificadores basados en estado solido o
semiconductores han desplazado a los amplifificadores de tubo de
vacio (valvula) en aplicaciones de baja potencia, los tubos son
mucho más económicos en aplicaciones de alta potencia.
– Metodos de generación AM basados en tubos de vacio
• Modulación de anodo (plato, colector) de alto nivel (modulador de Heising).
1920. WWII.
• Chireix Outphasing Modulation. (Henry Chireix, 1935). (RCA → Ampliphase).
100KW.
• Modulación de anodo de alto nivel Clase “B”.
• Amplificador lineal de alta eficiencia. (W.H. Doherty, 1936). 1000KW.
• Modulación de impedancia/pantalla de alta eficiencia. 1938, Terman y Woodyard
• Modulación de anodo de alto nivel basada en modulación por anchos de pulsos
(PWM). Europa. 1960.
Transmisores AM
• Transmisores de estado solido.
– Desarrollo en estado solido para AM y SW han
aparecido desde 1984.
– Productos actuales disponibles en el mercado ofrecen
moduladores de estado solido y etapas de amplificación
final en RF basados en tubos de vacio (modulación de
anodo de alto nivel) de hasta 600 KW en onda corta
(SW) y media (MW).
– Productos enteramente en estado solido 1200 KW para
onda media.
– El tubo de vacio aún tiene futuro. Es una forma práctica
y económica de amplificación de potencia en RF.
Transmisores AM
• Transmisores de estado solido(3).
– 3 categorías:
• Modulación de audio en estado solido y amplificación de anodo de alto
nivel con tubos de vacio.
• Amplificación de colector de alto nivel en estado solido.
• Proceso de modulación AM es realizado por modulación por pulsos y se
realiza directamente en las etapas de amplificación de RF.
– La principal ventaja del estado solido es la alta eficiencia.
Transmisores AM
– Los nuevos diseños en estado solido cuentan
con un gran exito comercial.
•
•
•
•
Alta eficiencia.
Disponibilidad.
Medida.
Peso.
Transmisores AM
– Thomcast
• LW, MW y SW.
• 100-1200 KW.
• ABB Thomcast. (tubo de vacio)
• TSW 2250 250 kW SW SINGLE TUBE TRANSMITTER
• Modulador de pulsos (tubos de vacio) + tubos de vacio → 90%
(50KW).
• Modulador de pulsos(estado solido) + tubos de vacio → 95%.
• Totalmente estado solido →>95%
– Con el incremento de los costos de energía el parámetro eficiencia
llega a ser muy importante.
3
Transmisores AM
– Continental Electronics Corporation (CEC)
•
•
•
•
MW y SW.
100, 250, 500 kW y superior.
Tecnología IGBT (insulated-gate-bipolar-transistors).
http://www.contelec.com/default.htm
Transmisores AM
– Harris
Transmisores AM
– Nautel Corporation
• http://www.nautel.com
Transmisores AM
– Armstrong Transmitter Corp.
• Broadcast Division.
•
•
•
•
• http://www.armstrongtx.com/
Tecnica (PPDM, polyphase pulse-width modulation).
Sistemas basados en PCM.
Gestión web
http://www.broadcast.harris.com/
Transmisores AM
– Transradio
Transmisores AM
• Transmisores de estado solido (8).
– Broadcast Electronics.
• http://www.broadcast-transradio.com/
• http://www.bdcast.com/
4
Transmisores AM
• Transmisores de estado solido (9).
– Sender.
• http://www.sender.cl
Transmisores AM
• Circuitos del transmisor
– Excitador/Generador de frecuencia portadora.
• El oscilador a cristal de cuarzo ha sido una fuente estable en
transmisores desde 1930.
– Empaques de vidrio.
– Empaques metálicos.
– Circuitería de control de temperatura.
• Requerimientos FCC.
– Tolerancia ±20 Hz.
– Estabilidad.
– Calibración.
• Uso de técnicas de sintetización de frecuencia.
Transmisores AM
• Circuitos del transmisor(2)
– Amplificación de potencia
• Tubos de vacio
– Clase C.
• Estado solido
– Clase D.
– Redes de salida RF
• Adaptación de impedancia de la etapa final de RF a la
impedancia de antena.
• Características de atenuación para lograr los requerimientos de
atenuación de espurios y armónicos.
– Uso de la carta de Smith.
– Determinación ROE (VSWR).
Transmisores AM
– Monitoreo y control del transmisor.
• Facilidades para ingenieros y técnicos que
colaboran con el mantenimiento y solución de
posibles problemas en el transmisor.
– Lógica de control con relevos.
– Lógica de control con circuitos integrados (IC).
– Uso de microprocesadores.
» Autodiagnósticos y asistidos remotamente.
» Control remoto.
• Requerimientos de funciones básicas de monitoreo.
Transmisores AM
– Fuente de voltaje de corriente directo
• Bajo rizado.
– Genera ruido y zumbidos a la salida del transmisor.
• Regulación dinámica.
– Afecta la respuesta transitoria de la modulación de baja frecuencia.
• Transmisores ≤ 5KW
– Conectado a una fuente AC de una sola fase 240V (EEUU).
• Transmisores = 10KW
– Fuentes AC de una o tres fases. (según fabricante).
• Transmisores ≥ 10KW
– Fuentes AC de tres fases. 480V para niveles de potencia de
100KW y 4160 o 11000V (EEUU) para altos niveles de potencia
portadora.
Transmisores AM
– Fuente de voltaje de corriente directo(2)
• Tres fases.
– Ventaja: más fácil de filtrar y provee una mejor regulación
dinámica de voltajes críticos del modulador que sistemas de
una fase.
• Una fase.
– Ventaja: Mayormente disponible.
– Desventaja: La rectificación requiere de un filtro L/C lo cual
permite cumplir el requerimiento de bajo rizado. El filtrado
LC crea resonancias en los rangos audibles y subaudibles
de frecuencias moduladoras cuando la circuiteria del
modulador es excitada por sonidos vocales o sonidos
musicales de percusión.
5
Transmisores AM
– Fuente de voltaje de corriente directo(2)
• Tres fases.
– Transmisores de alta potencia utilizan transformadores especiales
de alto voltaje que generan 6 fases a partir de las tres fases, y
cuando ellas son rectificadas en onda completa produce una forma
de onda DC de 12 pulsos rectificados que tiene bajo rizado y que
puede ser facilmente filtrada.
Transmisores AM
• Pruebas de fábrica
– Respuesta de frecuencia audio.
• Receptores comerciales (respuesta del amplificador de audio)
– -3 dB.
» Frecuencia superior (2500-5000)Hz. 2500 Hz Valor comun.
» Frecuencia inferior (100-300)Hz. 200Hz valor comun.
» Frecuencias de prueba 400Hz, 1000 Hz. ±1 dB.
– Distorsión de Intermodulación y armonicos.
• <2%. THD. Modulación 90%. Para cualquier frecuencia de
modulación entre 50 y 10000Hz.
• <1%. THD. Transmisores de estado solido.
Transmisores AM
• Pruebas de fábrica(3)
– Ruido y zumbido AM residual.
• Requerimiento FCC. 60 dB por debajo del nivel de modulación de
400Hz/100%.
Transmisores AM
• Medidas de desempeño del transmisor
– Emisiones de espurios.
– Potencia de operación.
– Potencia entregada al sistema de antena.
– Capacidad de modulación.
– Distorsión total de audio frecuencia.
– Respuesta en frecuencia del sistema.
– Regulación de la amplitud de portadora.
– Nivel de ruido y zumbidos.
– Tolerancia de la frecuencia portadora.
Transmisores AM
– Distorsión de Intermodulación y armonicos (2)
• Distorsión de intermodulación (IMD) es mayor
que la distorsión de armonicos.
– Metodo ITU-R de medida.
– Dos tonos separados 170 Hz. Indice de
modulación (85-95)%.
– Productos de IM de orden impar se deben
encontrar 30 dB por debajo de cualquiera de los
dos tonos de modulación.
– Uso de analizador de espectro y monitor de
modulación.
Transmisores AM
– Ancho de banda ocupado.
• Medido con el uso de una fuente de ruido gausiano coloreado.
– Regulación de amplitud de portadora (Cambio portadora)
• ITU-R. Nivel de cambio de portadora.
• Cambio efectivo en el nivel de portadora debido al proceso AM.
• Causado por fuente regulada pobre o distorsión de armonico de orden
par, que genera un nivel de desplazamiento DC en la envolvente de la
señal RF modulada.
– Linealidad de fase de audio.
• Resultado de no linealidad de fase. Sobredisparo en el
transiente.
• Prueba. Modulación de onda rectangular. Sobredisparo en la
envolvente de salida.
6
Transmisores AM
– Salida de espurios y armónicos
• Método de medida de intensidad de campo.
– Potencia de salida de portadora
• Método calorímetro.
– Procedimiento preciso y costoso.
– Medida física de las características térmicas del agua o de
otro liquido bien definido.
– La capacidad de absorber potencia es de 69.8W por °C por
litro de agua que fluye por minuto.
Transmisores AM
– Potencia de entrada y eficiencia operacional.
• Bajo condiciones de operación o condiciones
simuladas.
• Sistema de medida de kilovatio/hora.
• Método de medida estándar de disco rotante (gran
precisión) conectado a la línea principal de
alimentación AC.
• Diferente la medida de consumo si la señal de prueba
es senoidal o una señal aleatoria tipo voz.
• Metodos experimentales para medir la potencia de
salida de RF (kilovatio/hora)
Transmisores AM
• Transmisiones internacionales de onda corta.
– Inicio en 1920 al mismo tiempo que MW.
– Uso por parte de radioaficionados.
– Crecimiento sustancial antes de la segunda guerra
mundial en actividades propagandísticas.
– Después de la guerra con propósitos religiosos y
politicos.
– No comercial. Limitados oyentes con respecto a AM, FM
y TV.
– Limitaciones de calidad. Largas distancias, ruido y
desvanecimiento generado en la atmosfera.
– Muy popular fuera de Estados Unidos.
Transmisores AM
• Procesamiento de audio y preacentuación
(preemphasis)
– La tecnología de procesamiento de audio ha progresado bastante
desde 1980.
– Preacentuación.
Transmisores AM
• Transmisores de onda corta
– Similares a los de MW
• Modulación, control y monitoreo.
– Diferencias
• Alta potencia, mayor complejidad en sintonización, mayor
dificultad en la operación y mantenimiento.
– 50KW, 250KW, 500KW.
– Cambio entre frecuencias programadas sin intervención
del operador.
– Control remoto por computador.
– 1964. UIT. SSB.
– Con el fin de la guerra fría (1990) se ha declinado el
interés en SW.
Transmisores FM
• Introducción
– Los principios matemáticos de FM fueron
explicados muchos años antes de ser
implementados.
– 1930. Edwin H. Armstrong.
– Muchos teóricos clamaron que los experimentos
de Armstrong eran imposibles basados en
modelos matematicos porque requeria de un
ancho de banda infinito.
– Durante su vida no recibio credito a sus
contribuciones.
7
Transmisores FM
• Introducción(2)
– Ventaja de FM.
• Libre de estática.
• Mayor ancho de banda de audio.
• Habilidad de un receptor de FM de capturar la señal más fuerte
de dos o más señales en una misma frecuencia.
– 1940. FCC. Servicio de difusión de FM. 40 canales. (4250) MHz.
– 1945. 100 canales. (88-108)MHz.
– Baja aceptación hasta la introducción del multiplex
estéreo (1970).
– Medio dominante para programación musical.
Transmisores FM
• Comparación AM – FM (2)
Transmisores FM
• Comparación AM – FM
– La banda FM es libre de interferencia atmosferica.
– FM. No grandes distancias.
– Rudio por descargas atmosféricas es casi despreciable y
limitado a la linea de vista.
– Ruido hecho por el hombre es la mayor fuente de
interferencia, particularmente en ambientes urbanos.
Este se reduce al incrementarse la frecuencia.
– FM. Mejor comportamiento frente a rudio.
– FM. Amplitud de envolvente constante. Remueve
variaciones de amplitud por estatica o ruido impulsivo
antes de alcanzar el demodulador.
Transmisores FM
• Para una mayor reducción de ruido →
preacentuación → las componentes de frecuencia
de audio sobre 2.1 KHz son amplificadas a una
relación de 6dB por octava antes de ser aplicadas
al modulador → En el receptor se recupera la
respuesta plana → desacentuación → atenuación
de las altas frecuencias.
• Mejor relación señal a ruido.
• Mayor ancho de banda.
• Alta fidelidad. FM → 50Hz-15KHz.
Transmisores FM
– FM. Baja distorsión de amplitud (intermodulación y
armónicos).
– FM. Bajo nivel de ruido.
– Buena respuesta transitoria. (retardo de tiempo uniforme
contra frecuencia)
– FM. Multiplex → Sistema estéreo.
– FM. SCA (Subsidiary Communications Authorization).
Multiplexación de un canal de datos o audio adicional
junto a la transmisión estéreo. Subportadora sobre una
estación de radiodifusión.
Transmisores FM
– FM. Equipos con interfaces AES/EBU (AES3). Forma de transferir
audio digitalizado entre las diferentes facilidades de la estación de
radio. Permite conexiones totalmente digitalizadas → enlace estudio
transmisor digital → menor distorsión.
– Excitadores con síntesis digital directa de frecuencia (DDS, Direct
Digital Synthesis)
8
Transmisores FM
• Teoría de la modulación en frecuencia
– Modulación angular.
Transmisores FM
• Teoría de la modulación en frecuencia (2)
– m → Índice de modulación.
• FM y PM.
m
f
fm
Transmisores FM
Transmisores FM
– Desviación de frecuencia. FCC. fΔ=±75KHz.
– La distribución de potencia en las bandas laterales depende del
indice de modulación.
– La amplitud y fase de la portadora y bandas laterales en función de
los coeficientes de Bessel.
Transmisores FM
Transmisores FM
– Nulos de Bessel
xc t
Ac
J n m cos
c
n
m
t
n
9
Transmisores FM
– Nulos de Bessel(2)
Transmisores FM
– Ancho de banda ocupado
• El ancho de banda ocupado de una señal FM puede
ser lejanamente mayor que la desviación de
frecuencia de la señal.
• El ancho de banda ocupado es infinito (si todas las
bandas son tenidas en cuenta) → Se requiere la
transmisión de un número infinito de bandas laterales
para una demodulación perfecta.
• En la práctica una señal aceptable puede ser
obtenida en un ancho de banda limitado.
Transmisores FM
Transmisores FM
– Nulos de Bessel(3)
• Para determinar el nivel de audio requerido para
lograr una desviación de 75 KHz, se aplica un tono de
audio de exactamente 8667 Hz (75000 dividido por
8.654). Se inicia con amplitud cero, se incrementa el
nivel de audio desde cero hasta que la portadora
desaparezca (tercer nulo de Bessel). En ese nivel de
audio la desviación es 75 kHz.
• La señal FM puede ser demodulada por un receptor
superheterodino y ese proceso no altera el indice de
modulación. La multiplicación o división de
freceuencia si lo altera.
Transmisores FM
– Efectos de limitación de ancho de banda.
• El transmisor debe limitar el ancho de banda de RF → Las
bandas laterales superiores se veran afectadas en amplitud y el
retardo de grupo (tiempo) → distorsión.
Transmisores FM
– Efectos de limitación de ancho de banda (2).
10
Transmisores FM
Transmisores FM
• Restricción de ancho de banda = 300 KHz.
Transmisores FM
Transmisores FM
Transmisores FM
Transmisores FM
• Recordando la multiplexación estéreo Fm (Composite signal).
• Recordando la multiplexación estéreo Fm (Composite signal).
(2)
11
Transmisores FM
Transmisores FM
• Señal compuesta (L=4.5 KHz)+señal subportadora no modulada
(67KHz)
Transmisores FM
Transmisores FM
Transmisores FM
• Con limitación de ancho de banda.
Transmisores FM
• La distorsión depende del ancho de banda disponible y del
índice de modulación.
12
Transmisores FM
Transmisores FM
– Preacentuación.
– Preacentuación y desacentuación.
• Considerando
xc t
Ac cos
c
t
Ai cos
c
i
t
Transmisores FM
– Preacentuación y desacentuación(2).
Transmisores FM
• FCC. Preacentuación red RC con una constante de
tiempo (τ) de 75μs.
• El punto de 3dB tiene frecuencia.
FCC. Curva línea solida.
f
1
2 RC
2
1
75 x10
6
2122 Hz
FCC. Tolerancia. Entre las líneas
solida y punteada
Transmisores FM
Transmisores FM
• Densidad espectral de potencia de ruido antes y después de la
desacentuación en el receptor.
El voltaje de ruido se incrementa directamente con
la frecuencia, por lo tanto la densidad espectral de
potencia se incrementa con el cuadrado de la
frecuencia.
El uso de la preacentuación en el modulador
FM causa que el sistema se comporte como
un sistema FM para bajas frecuencias de
modulación y como un sistema PM para
altas frecuencias de modulación.
13
Transmisores FM
• Si la transmisión es monoaural la red de preacentuación se
encuentra en el excitador antes de la etapa de modulación.
• Para transmisión estéreo se requiere que el modulador FM
tenga una respuesta plana a la señal banda base compuesta
proveniente del generador estéreo → redes de preacentuación
individuales para canales L & R antes de ser multiplexados.
• Generador de estéreo digital toma la señal AES3 (L & R en
tramas alternadas) → aplica preacentuación con técnicas de
procesamiento digital de señales.
Transmisores FM
• Requerimientos de potencia de salida
– FCC regula en términos de la potencia radiada efectiva
(ERP).
• Clase de estación.
• Altura de la antena sobre el terreno (HAAT, Height Above
Average Terrain).
– Normas aplican sobre la componente de polarización
horizontal.
– Polarización elíptica o circular es permitida.
– El requerimiento de potencia de transmisión puede ser
reducido al incrementar la ganancia de antena.
• Compromiso entre el costo de la antena de alta ganancia y el
costo de un transmisor de alta potencia.
Transmisores FM
• Requerimientos de potencia de salida (2)
Transmisores FM
• Transmisores FM
– La longitud de la línea de transmisión asociada a la
altura de la torre, es una fuente considerable de pérdida
de potencia.
– Calculo del TPO (Transmitter Power Output) teniendo en
cuenta la ERP, la ganancia del arreglo de antena y las
pérdidas de la línea de transmisión.
– Valores comunes de TPO se encuentran entre 250 W to
70 kW. La mayoria de las instalaciones utilizan un TPO
máximo de 30 kW, y con arreglos de antena pueden
lograr una ERP de 100KW.
Transmisores FM
• Transmisores FM(2)
– Subsistemas
Transmisores FM
– Subsistemas (2)
• Excitador FM.
• IPA
• Amplificador de potencia final.
• Sistema de monitoreo y control.
• Filtro RF LPF.
• Acoplador direccional.
• Fuente de alimentación.
14
Transmisores FM
Transmisores FM
– Subsistemas (3)
– Subsistemas (4)
• Excitador FM.
– Corazón del transmisor FM.
– Genera y modula en frecuencia la portadora.
– Convierte la señal de audio banda base (analógica o digital, mono o
estereo, subportadora (SCA)) a una señal modulada en frecuencia.
– Define las características más importantes de la señal FM (SNR, distorsión,
respuesta en amplitud, respuesta en fase, estabilidad en frecuencia, etc).
– AES3. Tecnicas de modulación digital FM → DDS (Direct Digital Synthesis)
→ NCO (Numerically controlled oscillator).
– Generación de FM indirecta.
» Mono. Empleo de técnicas de modulación en fase.
– Generación de FM directa.
» Estéreo. VCO o VTO (Voltage Tuned Oscillator). (Diodo varactor)
Transmisores FM
– Subsistemas (5)
• Excitador FM directo.
• IPA (intermediate Power Amplifier)
– Requerido en algunos transmisores para amplificar el nivel de RF hasta un
nivel adecuado para manejar (drive) la etapa final.
• Amplificador de potencia final.
• Sistema de monitoreo y control.
• Filtro RF LPF
– Remover frecuencias armonicas no deseadas. (solo fundamental)
• Acoplador direccional.
– Indicación de las potencias incidente y reflejada desde el sistema de
antena.
• Fuente de alimentación.
Transmisores FM
–Subsistemas (6)
• Excitador
– AFC (Automatic Frequency Control). Asegura la
estabilidad en frecuencia del oscilador (FCC
±2Hz), el cual utiliza como referencia un oscilador
a cristal estable.
– PLL (Phase Locked Loop) para controlar la
frecuencia promedio de la portadora.
» DDS elimina la necesidad de un PLL en el proceso de
modulación de FM.
Transmisores FM
Transmisores FM
– Subsistemas (7)
– Subsistemas (8)
• Excitador
• Excitador FM Digital DSS
– PLL
15
Transmisores FM
– Subsistemas (9)
• Etapa de salida del excitador
–
–
–
–
–
–
–
–
Amplificador RF de banda ancha.
De unos poco milivatios → 5–50W.
Protección en la salida contra desadaptación (ROE infinito).
Ancho de banda de al menos 20MHz.
» No ajustes para una frecuencia especifica.
Secciones de adaptación por cada etapa.
» Microcintas (microstrip) o elementos discretos (lumped).
Acoplador direccional (microcintas)
50W. Puede ser utilizado como un transmisor de baja potencia
para entidades educativas. (+ filtro de armónicos a la salida).
Para aplicaciones de alta potencia → “Driver” de un amplificador de
alta potencia.
Transmisores FM
– Subsistemas (11)
• Sistema de amplificación de potencia de
estado solido.
– Módulos.
»
»
»
»
»
»
Combinación para lograr mayor potencia de salida.
Redundancia.
Reemplazo fácil en caso de falla.
Enfriamiento más efectivo.
Facilita el uso de combinadores/aisladores.
Redundancia del sistema de enfriamiento y de fuentes
de alimentación → mayor disponibilidad.
Transmisores FM
– Transmisores de estado solido (2)
Transmisores FM
– Subsistemas (10)
• Amplificador de potencia RF
– Cadena de amplificadores de potencia, cada uno con (8–20)
dB de ganancia de potencia.
– Baja y media potencia→ hasta 20KW → estado solido.
– Alta potencia → tubos de vacio.
– Existe un compromiso entre ancho de banda, ganancia y
eficiencia.
– Impedancia de salida: 50Ω.
– IPA.
Transmisores FM
– Transmisores de estado solido
• Principales ventajas:
– Redundancia de amplificadores y fuentes de alimentación.
» Modulos identicos e Intercambiables IPA y PA.
» Los modulos pueden ser reeemplazados en operación.
– Desempeño superior de modulación en FM.
– Reducción de las labores de mantenimiento.
– Sistemas de control basados en microprocesadores.
Transmisores FM
– Costo transmisor estado solido Vs tubos
• Transmisor FM estado solido Harris “Z” 5 kW
16
Transmisores FM
– Sistema de control del transmisor.
• Relevos → estado solido→ microprocesaores.
–
–
–
–
–
Control básico ON/OFF.
Protección de sobrecarga.
Protección de seguridad apertura del transmisor.
Control de la potencia de salida.
Capacidades de control remoto e interfaces de comunicación
(TCP/IP, SMNP, serial).
– Secuencias de calentamiento y enfriamiento → protección de
filamentos.
– Autodiagnóstico.
– Operación automática.
Transmisores FM
– Salida de RF y sistemas de filtros.
• Amplificadores de potencia no lineales, de alta eficiencia
generan considerable energía en componentes de frecuencia
que son multiplos de la frecuencia fundamental (armonicos).
• Uso de filtros pasabajos.
– Intermodulación de RF entre transmisores
• Debido al acoplamiento de dos o más transmisores → nuevas
componentes espectrales son generadas por la mezcla de
componentes fundamentales y armónicas generadas por los
transmisores.
– Acoplamiento de la salida de un transmsior en la etapa de salida no lineal
del segundo transmisor.
– IM3. (modo dominante)
• Del sistema de control depende la disponibilidad del transmisor.
Transmisores FM
– Intermodulación de RF entre transmisores (2)
Transmisores FM
– Medidas operacionales
• Medida de modulación
– Monitor de modulación o analizador de modulación.
– Transmisor con medidores o despliegues incluidos.
– Limite de desviación pico → ancho de banda → interferencia al canal adyacente.
• Medida de frecuencia portadora
– Monitor de frecuencia: ±2 Hz.
– Despliegue analógico o digital.
• Potencia de salida de RF
– Uso de vatimetro.
•
•
•
•
Transmisores FM
• Monitor de modulación
Medida de la respuesta en frecuencias de audio.
Medida de distorsión armónica de audio (THD)
Medida de distorsión de intermodulación (IM) de dos tonos.
Medida S/N.
Transmisores FM
• Monitor de frecuencia
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Transmisores FM
• Medidor de potencia
Transmisores FM
– Consideraciones de instalación.
• Cableado
• Enfriamiento.
• Mantenimiento preventivo.
Transmisores FM
– Consideraciones de instalación (2).
• Enfriamiento (2).
Transmisores FM
– Consideraciones de instalación (3).
• Enfriamiento (3).
Transmisores FM
• Excitadores FM
– RVR
Transmisores FM
• Transmisores
– RVR
• http://www.rvr.it
• http://www.rvrusa.com
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Transmisores FM
• Transmisores
– Harris
Transmisores FM
• Transmisores
– Elenos
• http://www.broadcast.harris.com
• http://www.elenos.com/
Transmisores FM
• Transmisores
– Broadcast Electronics
• http://www.bdcast.com
Transmisores FM
• Transmisores
– Crown Broadcast
• http://www.crownbroadcast.com
Transmisores FM
• Transmisores
– Continental
• http://www.cecchile.com/transmisores_fm/default.htm
Transmisores FM
• Transmisores
– Nautel
• http://www.nautel.com
19
Transmisores FM
• Transmisores
Sistemas STL
• STL (Studio Transmitter Link)
– OMB
• http://www.omb.com
Sistemas STL
– Reproducir la señal banda base del estudio en
el transmisor.
Sistemas STL
• Enlace radio o cableado
– Enlaces radio (EEUU→950 MHz) o por líneas
telefónicas ecualizadas.
– Enlaces digitales.
•
•
•
•
NLOS.
Frecuencias no disponibles.
Calidad de sonido.
Costo.
– Enlaces T1/E1.
– Codificadores de audio digital.
Sistemas STL
Sistemas STL
• EEUU →(944.5-951.5) MHz.
• Otras partes del mundo → (200-940) MHz.
• Sistemas analógicos → Modulación en
frecuencia.
• Ancho de banda señal compuesta → 220
KHz.
• El receptor STL es conectado directamente
al excitador del transmisor FM.
20
Sistemas STL
Sistemas STL
• Enlace digital Vs analógico
– Ventajas de los sistemas digitales
• Mayor inmunidad a ruido e interferencia en el trayecto
de transmisión.
• Eliminación de la distorsión dependiente del trayecto
de
transmisión
(distorsión
de
armonicos,
intermodulación, y diafonia).
• Eficiente utilización del espectro de radiofrecuencia y
banda base.
• Eficiente regeneración de la señal digital.
• Fácil y efectiva encriptación para propositos de
seguridad y codificación.
Sistemas STL
• Enlace digital Vs analógico (2)
– Ventajas de los sistemas digitales (2)
Sistemas STL
• Enlace digital Vs analógico (3)
– Ventajas de los sistemas digitales (3)
• Uniformidad en la transmisión de señales de datos y audio.
• Por naturaleza codificación digital ofrece un enlace más robusto.
• Mientras la intensidad de la señal recibida y la (C/N) supere un
valor minimo → BER constante → duplicado exacto de la señal
en el transmisor.
• Con el uso de EDC → transmisión libre de errores.
• Digitalización → errores de cuantificación → reducidos con una
mayor frecuencia de muestreo.
Sistemas STL
Sistemas STL
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Sistemas STL
Sistemas STL
Sistemas STL
Sistemas STL
Sistemas STL
Sistemas STL
22
Sistemas STL
Sistemas STL
Sistemas STL
Sistemas STL
Sistemas STL
Sistemas STL-comerciales
• Marti (http://www.martielectronics.com)
– Transmisor hasta 30W.
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• TFT (http://www.tftinc.com)
• TFT (http://www.tftinc.com) (3)
Sistemas de antenas para Difusión AM
• Propósito → radiar eficientemente la potencia suministrada
por el transmisor.
• Una torre vertical que radia su señal de manera
omnidireccional (non directional).
• Antenas más sofisticadas → radiación direccional.
• Estaciones de difusión estandar → polarización vertical.
• Varias restricciones son impuestas sobre la selección del
sitio de transmisión debido a requerimientos aeronaúticos,
zonales, ambientales, y de cobertura.
• Atenuación de la señal relacionada a la distancia y a la
conductividad de la tierra.
• Operación eficiente (¼-½) longitud de onda.
• AM → longitud de onda → varios cientos de metros →
antena de transmisión simplemente es la misma torre de la
estación.
• La estructura metalica de la torre es energizada por el
transmisor (hot), pudiendo generar un choque eléctrico a
una persona que la toque → sistema de protección.
• La longitud de la torre depende de la frecuencia de
transmisión de la estación y si es una antena de ¼ o ½
longitud de onda.
• A menor frecuencia mucho más alta la torre.
24
• La estructura debe ser rigida y soportar su propio peso,
fijada sobre una base de concreto para aislamiento
eléctrico de tierra.
• La torre debe ser estabilizada contra la fuerza de los
vientos por medio de los tirantes.
• Los tirantes afectan los patrones de radiación, pero en AM
se afecta de manera benefica.
• Como la antena, los tirantes deben ser electricamente
aislados de la tierra → asiladores en madera o en vidrio
pesado .
• Alargamiento de la antena a 0.6 longitudes de onda coloca
una mayor cantidad de la energía radiada en el plano
horizontal.
• Torre de antena omnidireccional.
– Patrón de radiación horizontal.
• Torre de antena direccional (2)
– Una antena monopolo es un tipo de antena formada al
reemplazar la mitad del dipolo por un plano de tierra.
– Si el plano de tierra es lo suficientemente grande, el
monopolo se comporta como un dipolo.
– La potencia de RF del transmisor se alimenta a través
del aislador de la base entre la torre y el sistema de
tierra.
– Antenas monopolo que utilizan tirantes para su soporte
son llamadas mastiles en algunos paises.
http://www.lbagroup.com/technology/tunicomb.php
http://www.lbagroup.com/technology/tunifaq.php
http://www.lbagroup.com/technology/colopole.php
http://www.lbagroup.com/technology/polespec.php
http://www.lbagroup.com/Wireless_University.php
http://www.kintronic.com
• Torre de antena omnidireccional (4).
25
• Arreglos direccionales
– Uso de multiples torres radio AM para formar un sistema
de antena direccional (DA, directional antenna system),
llamado un arreglo.
– Uso de dos o más torres en linea recta, o algunas veces
en forma de paralelogramo.
– Objetivo obtener un patrón de radiación direccional.
– A mayor número de elementos en el arreglo, mayor
direccionalidad.
– Mayor ganancia en la dirección de radiación que una
antena omnidireccional.
• Arreglos direccionales (2)
• Arreglos direccionales (3)
26
Sistemas de antenas para Difusión FM
• Sistema de radiales de tierra (Ground Radial System)
• Transmisor, antena, tierra y aire forman un circuito con cada
radioescucha.
• Es muy preciso pensar en la antena como un dispositivo de adaptación
de impedancia, adaptando la impedancia de la línea de transmisión
(generalmente 50-70 ohms) a la impedancia del espacio libre (aire)
(377 ohms).
• Una máxima transferencia de energia sucede entre las antenas de
transmisión y recepción cuando ellas se encuentran similarmente
orientadas (polarización).
– Las ondas radio AM viajan sobre la superficie de la tierra
dependiendo de la conductividad de la tierra.
– Las ondas radio AM necesitan una excelente conexión a tierra en el
sitio de transmisión para brindar a la señal un buen inicio al salir del
transmisor.
– Radiales de tierra → Alambres de cobre enterrados en tierra,
extendiéndose desde la base de la antena por varios centros de
metros.
– Por lo general son 120 radiales, y la longitud de cada radial es
función de la frecuencia de transmisión.
– A menor frecuencia, mayor longitud del radial.
– Inicialmente Horizontal.
– Vehiculos → vertical.
– Asegurar la recepción → polarización circular y eliptica.
• Polarización cruzada es utilizada para prevenir interferencia cocanal en
algunos paises de Europa.
• Antenas FM estan generalmente ubicadas cerca de las
comunidades a servir y generalmente se ubican tan alto
como sea posible, en torres.
• Si es posible, la torre se encuentra localizada sobre los
terrenos más altos sobre el área a servir.
• Cobertura limitada.
• Menor dependencia de la conductividad de la tierra.
• Antenas mucho mas pequeñas que las antenas AM →
menor longitud de onda.
• Las antenas se encuentran eléctricamente aisladas de la
torre sobre la cual son montadas, la cual es aterrizada y por
lo tanto segura de tocar.
• Las antenas están conformadas por múltiples elementos lo
que afecta su patrón de radiación.
– Un elemento → una bahía (bay).
– Dos bahías.
– Cuatro bahías.
• Las bahías hacen que la radiación sea más eficiente,
cambiando el patrón de radiación vertical.
• Multiples antenas son apiladas verticalmente sobre la torre.
• Ajustes sobre el patrón de radiación pueden ser realizados
electrónicamente ajustando la fase (relación temporal)
entre las señales que llegan a cada una de las antenas en
el arreglo.
• Posibilidad de crear patrones de radiación complejos.
• Antena más simple → dipolo de media longitud de onda →
dos piezas de alambre cada una de un cuarto de longitud
de onda.
• Por razones económicas y técnicas, la potencia radiada
efectiva deseada (ERP, PRA) debe ser producida con un
balance entre ganancia de antena y potencia de
transmisión.
• No existe diferencia de propagación en dia y noche.
• Asegurar una (C/N)=20dB, para buena recepción.
• Nivel de señal RF
– 2uV/m para receptores de lata sensibilidad.
– 500uV/m para receptores portátiles de baja sensibilidad.
27
• No existe diferencia de propagación en dia y
noche.
• Fenomenos a tener en cuenta en la propagación:
– Absorción.
– Cambio de polarización.
– Reflexión.
• Multitrayectoria.
– Difracción.
– Refracción.
– Dispersión.
• Requerimientos de intensidad de señal
– FCC
•
•
•
•
•
Contorno de servicio primario 60 dBu.
34 dBu = 0.05 mV/m áreas rurales.
60 dBu = 1.00 mV/m áreas suburbanas.
70 dBu = 3.16 mV/m Principal comunitario.
82 dBu = 12.64 mV/m Nivel de uso alto.
• Sobrecarga (Blanketing contour): 115 dBu.
• Antenas disponibles comercialmente
• Antenas disponibles comercialmente(2)
– Diversos fabricantes, cpn diferentes ganancias y
potencias de entrada.
• Anillo (ring stub) y anillo trenzado (twisted ring).
• Dipolo inclinado alimentado en serie y derivación
(Shunt and series fed slanted dipole)
• Múltiples helices cortas (Multi-arm short helix).
• Panel con dipolos cruzados (panel with crossed
dipoles).
– Cosas en común de estos tipos de antenas:
• Antenas no simetricas, diseñadas para ser montadas
sobre torres de acero o polos.
• Elementos radiantes derivados que se alimentan con
una linea coaxial común.
• Los diferentes elementos cada uno de una longitud
de onda hace que la linea de transmisión se adapte
facilmente.
• El ancho de banda es limitado por la ROE de cada
uno de los elementos individuales y el uso de un
transformador interno.
28
– Otra variedad de entenas tiene elementos
radiantes
curvados
alrededor
de
una
circunferencia cuyo diametro es determinado
por el número de elementos.
– Cada radiador consiste de dos, tres o cuatro
brazos circulares, dependiendo del modelo.
– Cada elemento es alimentado a través de un
arreglo de derivaciones conectadas a una linea
coaxial.
– Antenas panel banda ancha han llegado a ser
muy populares, para ser instaladas en altos
edificios o altas torres.
– Generalmente no utilizan una linea de
transmisión de alimentación común.
– La mayoria de las antenas estan conformadas
por una serie de elementos radiantes, bahias,
los cuales son alimentados por una linea de
alimentación.
– Las lineas de alimentación tipicas son 1 5/8”
para aplicaciones con potencia de entrada en
antena menor a 10 KW.
– 3 1/8” para aplicaciones de 40 kW.
– La mayoria de los elementos de antena vienen
en versiones de baja y alta potencia.
– Jampro (http://www.jampro.com/)
Baja potencia vertical
– Jampro(2)
Baja potencia Anillo Horizontal
– Jampro(3)
Baja potencia circular
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– Jampro(4)
– Jampro(5)
– Jampro(6)
– Jampro(7)
– Jampro(8) - Paneles
– Jampro(9)
30
– Jampro(10)
– Jampro(11)
– Jampro(12)
– Jampro(13)
– Shively labs
– Shively labs (2)
• http://www.shively.com
31
– Shively labs (5) Panel
– Shively labs (6) radomes
– Shively labs (7) Transformador de adaptación
fina
32
– Shively labs (8) Patron de elevación
– OMB (http://www.omb.com)
– OMB (2)
– OMB (3)
– OMB (4)
– RVR - Direccionales
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– RVR (2) - Direccionales
– RVR (3) - Omnidireccionales
– RVR (4) - Omnidireccionales
Medidas de intensidad de campo en
AM y FM
34
AM y FM
AM y FM
Lecturas recomendadas
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
http://en.wikipedia.org/wiki/Driver_circuit
http://en.wikipedia.org/wiki/Power_amplifier
http://en.wikipedia.org/wiki/Valve_amplifier
http://en.wikipedia.org/wiki/Total_harmonic_distortion
http://stereos.about.com/od/faqs/f/thd.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Intermodulation_distortion
http://stereos.about.com/od/faqs/f/imd.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Three_phase
http://www.transmitter.be/
http://www.oldradio.com
Lecturas recomendadas(2)
•
•
•
•
•
•
•
•
http://www.ebu.ch/
http://en.wikipedia.org/wiki/Preemphasis
http://en.wikipedia.org/wiki/Deemphasis
http://en.wikipedia.org/wiki/Subsidiary_Communica
tions_Authority
http://en.wikipedia.org/wiki/Direct_Digital_Synthesi
s
http://en.wikipedia.org/wiki/Superheterodyne
http://en.wikipedia.org/wiki/Image_frequency
http://en.wikipedia.org/wiki/Skywave
Lecturas recomendadas(3)
• http://radiomagonline.com/transmission/radio_build
ing_better_radiator/
35

Diapositiva 1 - Universidad del Cauca

Transcripción

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