Este primer tema del módulo 3 de electrónica, esta dedicado a las comunicaciones electrónicas y en una primera parte al estudio de la radiofrecuencia, y las aplicaciones derivadas de la misma. En el tema en cuestión estudiaremos los amplificadores de radiofrecuencia, tan importante para la transmisión de audio y vídeo a través de un campo electromagnético.

Sistemas de transmisión.

Fundamentalmente los sistemas de transmisión electrónica se dividen en dos grupos.

Radiotelegrafía.

La radiotelegrafía consiste en la creación de una portadora de una frecuencia específica, que excitaba una antena de transmisión para la excitación del medio y el envío de la portadora hacia el destinatario.

Hoy en día aún se suele usar la radiotelegrafía, y se suele clasificar como transmisión tipo A1. Junto a un dispositivo especial se produce la interrupción de la emisión de la portadora para generar los pulsos que se recibirán en el receptor (un teletipo, osciloscopios, o receptores especiales), para su posterior tratamiento e interpretamiento.

Este tipo de transmisión se llama también transmisión en onda continua.

Modulación de señal.

Mas tarde se pudo comprobar que también se podía hacer que la voz modificara la frecuencia de la portadora, reduciendo el alcance de la transmisión pero aumentando la calidad del audio transmitido. Estos procesos dieron nacimiento a la transmisión AM y FM, obteniendose pues transmisores que transmiten señales A2, A3 y FM.

Emisora de radio.

Una emisora radioeléctrica está formada por una serie de módulos que es necesario comprender para la terminación del curso que estás empezando. Cada módulo comprende una serie de funciones necesarias para el funcionamiento global de la emisora.

El objetivo final de una emisora de radio es transmitir al medio una comunicación de audio o música. Para ello, un emisor produce una serie de oscilaciones electromagnéticas que previamente serán mezclados con el audio o música dentro de la portadora. Inicialmente esas ondas electromagnéticas serán de pequeña potencia, pues interesa mas la estabilidad de la señal que la potencia de salida de las ondas electromagnéticas.

Por tanto se puede decir que una etapa muy importante de la emisora es la estabilización de la portadora para que se muestre invariable hasta el proceso de modulación, tras lo cual se deberá también ajustar la frecuencia para el acoplamiento a la antena.

Se podría acoplar a la salida del módulo mezclador, la antena para excitar el medio, pero la potencia sería insuficiente y el alcance muy reducido, por lo que después de estabilizar la señal modulada se debe de amplificar mediante un amplificador en clase C.

El circuito más básico de una emisora sería como puedes ver en pantalla:

Por lo tanto a la salida de la emisora de radio, obtendremos una señal de radio modulada en amplitud o frecuencia (de acuerdo a la configuración del transmisor), y de una potencia adecuada para excitar la antena transmisora.

Pero no todos los amplificadores de R.F trabajan en clase C. Dependiendo del tipo de emisora y la señal que van a manejar construiremos la emisora para que trabajen en una clase u otra realizando, eso si, el acoplamiento perfecto entre etapas del mismo para evitar perdidas de energías. Asi que empezaré por describir cada módulo lo mejor que pueda antes de entrar en detalle.

Oscilador.

En la siguiente imagen puedes ver los tipos de osciladores mas utilizados en la transmisión de señales de radio.

Para no saturar la clase, en otras clases veremos estudiaremos en detalle los osciladores.

Mezclador.

El generador de baja frecuencia se encarga de acoplar la señal de audio a la portadora, evitando cualquier tipo de distorsión. La señal de baja frecuencia debe de tener un nivel mínimo para que no afecte a la amplitud de la señal de la portadora. Pero la señal de la portadora ya tiene una amplitud mínima, debido a la realimentación positiva, lo cual implica que la moduladora establezca el valor adecuado para modular la portadora.

Para ello se recurre a un amplificador común. Esta etapa se conoce como mezclador. El mezclador se conecta directamente a la salida de la portadora, consiguiendose que ambas señales se mezclen. La amplitud de la señal de baja frecuencia no debe ser mayor nunca que la amplitud de la portadora. De esta manera a la salida de la etapa se observa la señal de audio modulada en frecuencia en la portadora del oscilador.

En sí, el mezclador no es una etapa mas del transmisor, sino que es el propio amplificador que se encarga de mezclar las dos señales que va a tratar. Por lo tanto el amplificador en una fase en concreta recibirá ambas señales y las mezclará, por lo que yo lo llamo etapa mezcladora (pero ten en cuenta que no es una mezcladora en sí), aunque realice la función específica. En este apartado veremos como se establecen las formas de modulación.

En la imagen de la izquierda puedes ver como la mezcla de ambas señales se aplica a la base del transistor. A la derecha, la imagen muestra el batido de las señales a la salida del mismo. En ambos casos se procede a la mezcla de las señales mediante un transformador. Observa que ambos circuitos existe un choque de radiofrecuencia. Este sirve para evitar que la señal del otro circuito se derive hacia el otro sin impedir la señal de audio o de RF en cada caso.

Amplificador de RF.

Un amplificador en clase C es favorito para trabajar en radiofrecuencia. Veamos, con matices:

De hecho para los transmisores de señales A1, trabajan principalmente con amplificadores de clase C, ya que la señal se mantiene constante a la salida. Pero cuando se requiere trabajar con señales de audio o vídeo, el amplificador en clase C ofrece distorsión a la señal modulada, ya que es demasiada la información como para que conduzca en clase C. Incluso trabajando en clase B se produce distorsión.

Por eso es habitual trabajar en clase A para ciertos casos, aunque cuando la señal que se quiere modular no es muy grande se suele recurrir al amplificador en clase C.

Se fija una norma que hay que tener en cuenta en un transmisor: Las etapas anteriores a la moduladora podrán trabajar en clase C, pero las clases posteriores no podrán hacerlo. Además teniendo en cuenta en que etapa se introduce la modulación, asignaremos dos estados.

● Modulación en bajo nivel. En el diagrama superior (en rojo), puedes ver como la moduladora se conecta a una de las etapas del amplificador de RF de la portadora. Como la señal de la portadora en éste nivel todavía es baja, el nivel de la moduladora también debe de ser bajo, por lo que solo se requiere un previo (pre amplificador) para inyectar la señal dentro de la portadora. A este proceso se le llama modulación de bajo nivel, porque la inyección de la moduladora se realiza desde una etapa inferior a la etapa de potencia del amplificador de RF.

● Modulación de alto nivel. En el diagrama de abajo (en azul) puedes ver que la moduladora se aplica a la etapa de potencia del amplificador de RF. Esto implica que se necesite un previo y un excitador para aumentar la señal de la moduladora y adecuarla al valor de la portadora en la potencia, pero sin pasarse. A este proceso se llama modulación en alto nivel.

Volviendo a la forma de trabajo del amplificador, hasta que se aplique la modulación, el amplificador puede trabajar en clase C con la portadora, pero cuando se aplique la modulada, se deberá trabajar en clase A para evitar distorsión. Esto, mejora el rendimiento del sistema cuando se trabaja en modulación de alto nivel, ya que las primeras etapas de la portadora trabajan en clase C y producen pocas perdidas de energía.

Acoplamiento a la antena.

El acoplar el transmisor a la antena no es solo llevar la salida a la antena y darle a un botón para transmitir; si el acoplamiento no se realiza de manera correcta, la transmisión de la señal será deficiente o producirá demasiadas pérdidas de energía y no llegará a su destino.

Principalmente, a la antena debe de llegar una señal lo suficientemente grande como para excitarla, es decir, la última etapa del amplificador de RF antes de conectar a la antena, debe de proporcionar la suficiente energía como para poder llevar a cabo el fin de la transmisión. La etapa será pues una etapa final o de potencia.

Es muy común usar un transformador como adaptador de impedancias entre la salida de la etapa final y la antena. Recuerda que según el principio de la máxima transferencia de energía, cuando mas similares sean el valor de las impedancias de ambas etapas, mayor será la transferencia de energía de una a otra. Pero existen otros métodos para acoplar la señal modulada y amplificada a la antena que paso a indicar.

●ACOPLAMIENTO EN π. Una forma de conectar la antena al transmisor es mediante un circuito PI. Está formado por dos condensadores variables y una bobina en paralelo, tal cual puedes ver en la imagen.

Pero para acoplar la antena además se necesita acoplar un filtro pasabajos para evitar la dispersión radioeléctrica de las frecuencias armónicas de la señal. Según la normativa vigente en el uso del espacio radioeléctrico, la transmisión de frecuencias armónicas de una frecuencias dada, está prohibida, ya que ocuparían mucho mas espacio radioelectrico que la señal fundamental.

●Utilización de filtro pasa bajos. Precisamente para evitar la transmisión de un amplio espectro de ondas radioeléctricas, entre la salida del transmisor y la antena se interpone un filtro pasa bajo que se ocupara de hacer que los armónicos lleguen a la antena. El circuito anterior queda de la siguiente forma.

Este filtro completo hace que la señal de la radiofrecuencia fundamental llegue a la antena y bloquea los armónicos impidiendo su transmisión. Todo esto y mas lo verás más adelante en la clase de la antena.

Bandas laterales.

Siempre que se modula una portadora, se generan señales con diferentes frecuencias a ambos lados del ancho de banda o canal. Estas nuevas frecuencias se llaman bandas laterales. Las bandas laterales ocurren en el espectro superior e inferior de la frecuencia portadora.

Si la señal moduladora es una onda senoidal con una sola frecuencia, las señales resultantes en la modulación se llaman frecuencias laterales.

Así pues en la imagen superior, encontramos dos frecuencias laterales de 900 y 1100 Hz. Pero si la señal moduladora es de audio, vídeo o digital que tienen varias frecuencias, la resultante de la modulación implica un intervalo de frecuencias denominadas bandas laterales.

Las bandas laterales ocurren a frecuencias que son la suma y la diferencia de las frecuencias de la portadora y la moduladora. Matemáticamente:

V2 = Vp sen 2πfpt + (Vm sen 2π x fm x t)(sen 2π x fp x t)

Y como existe una identidad trigonométrica que establece que el producto de dos ondas sinoidales, podemos establecer que:

e2 = Vp sen 2π x fp x t + Vm÷2 cos 2π x t x (fp - fm) - Vm÷2 cos 2π x t x (fp + fm)

Y reduciendo a la mínima expresión después de agrupar términos, nos queda que:

Fbls = fp + fm
Fbli = fp - fm

Siendo:
● Fbls, la banda superior.
● Fbli, la banda inferior.
● fp, la frecuencia de la portadora.
● fm, la frecuencia de la moduladora.
● t, el tiempo instantáneo.

Cuando se suman algebraicamente la portadora y las dos señales de bandas laterales, se obtiene la forma de onda AM estándar que se muestra a continuación.

Observa que la AM fundamental está compuesta por las señales de las bandas laterales y la portadora. Esta onda está demostrada matemáticamente, y por eso no calcularé cada momento de la onda y pasaré a otro tema para no sobrecargar el curso.

Dominio de frecuencias.

Uno de los métodos para mostrar las señales de banda laterales, se suele poner un gráfico respecto a la frecuencia, tal como se muestra en la figura.

La frecuencia está representada por la abscisa de la gráfica, mientras que las coordenadas representan las amplitudes de las señales. En la imagen anterior se han representado las dos frecuencias laterales de una señal modulada con una moduladora de una sola frecuencia. Si se representaran frecuencias laterales múltiples, significaría que la moduladora sería de una señal de amplitud y frecuencia variable (audio o vídeo).

De esto, supón que una señal de audio comprendida entre los 500 y lo 2000 Hz. Utilizamos una portadora de 3MHz.

Para calcular el ancho de banda que va a ocupar dicha señal moduladora en la portadora, tenemos que calcular la mayor frecuencia de la moduladora, y en este caso es de 2KHz.

fbls = 3000 KHz + 2 KHz = 3002 KHz
fbli = 3000 KHz - 2 KHz = 2998 KHz

El ancho de banda de la señal AM queda establecido por:

BW = Fbls - Fbli

Y aplicando a la formula:

Lo que nos dice pues es que el ancho de banda de la señal AM es del doble de la señal máxima de la moduladora.

Distribución de potencia por AM

Potencia de las bandas laterales.

La máxima potencia en las bandas aparece cuando la modulación de la portadora es de 100%.

La potencia en cada banda viene definida por la fórmula:

Por lo que suponiendo una modulación del 100%, m = 1; la potencia en una banda lateral es del 25% de la potencia de la portadora. Pero como existen dos bandas laterales, se consume el 50% de la potencia de la portadora.

Por ejemplo, y para que quede claro, supón una portadora de 100 W, con una modulación del 100%. 50 W, aparecerán en las bandas laterales (25 W en cada una). Como hemos indicado, la potencia a transmitir por la antena es la suma de la potencia de las bandas y la portadora. Lo que nos dá una potencia de 100 W + 50 W = 150 W.

La potencia de la portadora representa dos tercios de la potencia total transmitida con un índice de modulación de 100%. Con una potencia de 100 W en la portadora y una potencia total de 150 W, el porcentaje de potencia en la portadora y las bandas se puede calcular:

%p = 100 W ÷ 150 W = 0,667 = 66,7%
%bl = 50 ÷ 150 = 0,333 = 33,3%

De esto puedo resumir que:

• El 33% de la potencia de la señal AM queda reflejada en las bandas laterales.
• Las bandas laterales la producen la señal moduladora, por lo que sin esta, no se transmitirá información.
• La portadora consume un 66,7% de la potencia de la señal AM. Pero la información se transmite en las bandas laterales, por lo que la potencia de la portadora se desperdicia al no aprovecharse.

Esto indica que la modulación en amplitud AM, ofrece una rendimiento energético solo del 33%.

Si luego resulta que el índice de modulación es inferior, la potencia de las bandas laterales es menor.

Imagina una potencia de la portadora de 500 W y una modulación del 70%. La potencia de cada banda lateral es:

Ps = Pp (m2) ÷ 4
Ps = 500 (0,7)2 ÷ 4
Ps = 61,25 W

Y la potencia de la portadora sigue siendo de 500 W, mientras que la potencias en las bandas a un 70% de la modulación es de solo 61,25 W (122,50W en las dos bandas).

Una manera de aplicar la potencia de modulación de amplitud es de la forma siguiente:

Por lo que en nuestro caso, la potencia de la portadora es de 500 W y un porcentaje de 70%, la potencia total es de: