Diseño e implementación de un transmisor de radio fm stereo de 30 watt con un sistema de control y protección digital para la escuela de electrónica y telecomunicaciones

iTviS $P.4i 2

'4-UNIVERSIDAD TECNICA PARTICULAR DE

LOJA

ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES

\

DISENO E IMPLEMENTACION DE UN TRANSMISOR

DE RADIO FM ESTEREO DE 30WATT, CON UN

SISTEMA DE CONTROL Y PROTECCION DIGITAL

PARA LA ESCUELA DE ELECTRONICA Y

TELECOMUNICACIONES

TESIS

Trabajo de grado presentado como requisito para obtener el tItWo de Ingeniero en Electrónica y Telecom unicaciones

A utores:

Manuel Fernando Quiñones Cuenca

Ronald Alexander Reyes Asanza

Director de Tesis:

Ing. Marco Morocho

CERTIFICACION

Loja, 9 de Abril del 2007

Ing. Marco Morocho Yaguana

DOCENTE DE LA CARRERA DE ELECTRONICA Y TELECOMTJN1CACIONES DE LA UNIVERSIDAD TECNICA PARTICULAR DE LOJA

CERTIFICA:

Que la tesis titulada "DISENO E IMPLEMENTACION DE UN TRANSMISOR DE RADIO FM ESTEREO DE 30WATT, CON UN SISTEMA DE CONTROL Y PROTECCION DIGITAL PARA LA ESCUELA DE ELECTRONICA Y TELECOM1JNNICAC1ONES" preseritada por los señores estudiantes Manuel Fernando Quiñones Cuenca y Ronald Alexander Reyes Asanza, cumple con los requisitos metodológicos y con los aspectos de forma y fondo exigidos en las Normas Generales previstas en la obtención de Titulo de Ingeniero en Electrônica y TelecomunicacioneS, vigentes en la Universidad Técnica Particular de Loja y de manera especial en la Escuela de Electrónica y TelecomunicacioneS, por lo que luego de haberla revisado minuciosamente autorizo SU presentaciófl,

sustentación y defensa.

Ikng.M—arco er-ec - 0.

.J4'.

Universidad Técniea Particular de Loja

Electrónica y Telecomunicaciones

CESION DE DERECHO

"Yo, Ronald Alexander Reyes Asanza declaro conocer y aceptar la disposición del Art. 67 del Estatuto Organico de la Universidad Técnica Particular de Loja que en su parte pertinente textualmente dice: "Forman parte del patrimonio de la universidad la propiedad intelectual de investigaciones, trabajos cientIficos o técnicos y tesis de grado que se realicen a través, o con ci apoyo financiero, académico o institucional (operativo) de la

Autor

1.

Universidad Técnica Particular de Loja

DEDICATORIA

A mis padres, faros inigualables que A mis padres porque con su esfuerzo, fe y

orientaron ml buen camino, ejemplos que cariño depositados en mi se convierten en

me enseñaron el valor del esfuerzo y el

sacrflcio, para conseguir mis melds.

los principales artificesces de este logro.

Manuel Quinones Ronald Reyes

Universidad Técnica Particular de Loja

AGRADECIMIENTOS

Porque ci fruto es el resultado del esfüerzo mutuo de muchas energias, expresamos nuestros más sinceros agradecimientos a las siguientes personas:

Al Ingeniero Jorge Jaramillo Director de Escuela, ya que sin apoyo en este proyecto no se hubiera podido realizar.

Al ingeniero Marco Morocho. Director de tesis y por su decidida ayuda. Apoyo permanente y paciencia.

Al Ingeniero Fernando Cabrera por su disposiciOn y ánimo a la hora de compartir sus conocimientos y experiencias.

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RESUMEN

El presente trabajo aborda ci diseflo e implementación de un transmisor de FM estéreo de 30 vatios, ensamblado a partir de módulos separados, que flinciona de forma didáctica para Ia Escuela de Electrónica y Telecomunicaciones.

Con la realización de este proyecto, se obtuvo una emisora de FM estéreo de baja potencia, programable en la banda comercial de FM, dotada de una DAQ (tarjeta de adquisición de datos) y una interfase gráfica, para monitorear y controlar desde una computadora, variables como corriente, potencia, frecuencia, temperatura y encendido del equipo.

El equipo consta de dos partes principales: El procesamiento de seial en banda base y el procesamiento en RF. El módulo generador estéreo maneja todas las seflales de baja frecuencia, como los canales izquierdo (L) y derecho (R) que Ilegan de ecualizadores o dispositivos generadores de audio, y entrega en su salida una señal compuesta conocida como MPX, o banda base con los canales L+R, L-R y una portadora piloto de 19 KHz multiplexados en frecuencia.

Los módulos que generan y procesan Ia senal de RF, están conformados básicamente por un modulador que genera La seflal de FM, varias etapas de amplificacion de Ia seflal de FM y filtrado antes de entregarla a La antena.

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Finalmente un módulo de control y monitoreo que conjuntamente con una DAQ, se comunica con la PC, para controlar la frecuencia de operación, encendido de los diferentes módulos, y monitoreo de niveles de audio, MPX, consumo de corriente de cada amplificador, potencia y temperatura. La interfase the implementada en LABVIEW 8.2, que es un software de instrumentación virtual de National Instruments, por medio del cual se obtuvo un entorno gráflco amigable, elegante y funcional.

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INDICE

RESUMEN...5

INDICE...7

INDICEDE ANEXOS ...12

INDICEDE GRAFICOS...10

1.INTRODUCCION...13

2.CAPITULO 1

PRINCIPIOS Y CRITERIOS DE RADIO FM ...14

2.1 CONCEPTOS GENERALES ...15

2.1 CRITERIOS DE DISEO DE UNA ESTACION DE FM...23

2.1 .1 Modulación angular...17

2.1.2 Frecuencia modulada FM...17

2.1.3 Ancho de banda ...21

2.1.4 FM estéreo ... ... 22

2.2.1 Elección de la frecuencia ...23

2.2.2 Estudios de producción ... 24

2.2.3 Procesomiento de audio...25

2.2.4 El transmisor...25

2.2.5 La antena... ... 26

3.CAPITULO 2

IMPLEMENTACION

CONSTRUCCK5N DEL TRANSMISOR FM ESTERO...28

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Electránica y Telecomunicaciones

3.1 DESCRIPCION DE MODULOS UTILIZADOS EN EL TRANSMISOR FM...28

3.1.1 lnfroducciOn ... 28

3.1.2 Generador Estéreo ... 29

3.1.3 Modulador...30

3. 1.5 Amplificadorde RF...31

3.1.5.1 Dimensionamiento del disipador...33

3.1.6 Divisor/Combinador de Pofencia ... 34

3.1.6.1 Combinador...35

3.1.6.1 Divisor...34

3.1.7 Filtro Paso Bajo 88-108 MHZ...35

3.1.8 Sistema de Radiación ... 37

3.1.8.1 Cobertura del Sistema de Transmisión ... 38

3.2 DESCRIPCION DE LAS TARJEAS DE MONITOREO Y CONTROL, Y...41

3.2.1 lnii-oducciôn ... 41

3.2.2 Descripción de bloques...42

3.2.3 Descripción de Ilneas ...44

3.2.4 DescripciOn de buses de datos...45

3.2.5 Indicador de encendido y control de frecuencia...48

3.2.6 Indicodor de nivel de Audio y MPX...49

3.2.7 Selector de frecuencia ...50

3.2.8 Tarjeta principal ...51

3.2.8.1 Convertidor serie/paralelo ... 51

3.2.8.2 Circuito de encendido y apagado...52

3.2.8.3 Sensor de temperatura...52

3.2.8.4 Resistencias de acoplamiento ... 52

3.3. MONTAJE DEL TRANSMISOR...52

3.3.1 Panel frontal del transmisor...54

09

''-

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4. CAPITULO 3

SOFTWARE DE MONITOREO Y CONTROL CON PC...55

4.1 Funciones del Software...56

4.1.1 Diagrama de bloques...57

4.1.2 Representación Gráfica ... 57

4.1.3 Historial...58

4.2 LABVIEW...59

4.3 Estructura del programa ...60

5.CAPITULO 4

ANALISIS Y PRUEBA DEL SITEMA...62

5.1 lntroducción ...62

5.2 Pruebas de sin tonización...63

5.3 Pruebas de desviación de frecuencia...65

5.4 Pruebas de armónicos ... 65

5.5 Pruebas de ancho de banda...66

5.6 Medición de potencia ...67

5.7 Medición de potencia reflejada...67

6.CONCLUSIONES...69

7.RECOMENDACIONES...72

8.REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS...73

9.GLOSARIO DE TERMINOS Y SIGLAS ...74

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INDICE DE GRAFICOS

FIGURA 1: SEAL MODULANTE, FM, AM . ... 16

FIGURA 2: FRECUENCIA VARIANTE CON EL TIEMPO . ... 18

FIGURA 3: GRAFICA DE LA FUNCION DE BESSEL. (JM)...21

FIGURA 4: ESPECTRO DE FRECUENCIA DEL CALCULO DE ANCHO DE BANDA...22

FIGURA 5: ESPECTRO DE FRECUENCIA DE LA SEI1AL BANDA BASE (MPX) . ... 23

HGURA 6: ANTENA DE MEDIA ONDA...26

FIGURA 7: PATRON DE RADIACION BIDIRECCIONAL...27

FIGURA8: ANTENA ANILLO. ... 27

FIGURA 9: ESQUEMA DE TRANSMISOR DE RADIO FM ESTREO. ... 28

FIGURA 10: GENERADOR ESTEREO IGGE-TX38. ... 29

FIGURA 11: DIAGRAMA DE BLOQUES PROCESADOR DE ESTEREO ... 30

FIGLJRA 12: MODULADOR MKM-PLL1 A ... 30

FIGURA 13: AMPLIFICADOR 15W FM BOOSTER . ... 31

FIGURA 14: OBTENCION DE ALTA POTENCIA DE SALIDA CON AMPLIFICADORES DE ESTADO SOLIDO Y TRANSFORMADORES COMBINADORES DE POTENCIA. ... 34

FIGURA 15: DIVISOR/COMBINADOR 125WATTS. ... 34

FIGURA 16: HLTRO PASA-BAJOS (500 WATT 88-1O8MHZ). ... 35

FIGURA 17: RESPUESTA DE FRECUENCIA DE LPF...37

I9GURA 18: A) COBERTURA DEL SISTEMA DE TRANSMISION FM B) MAPA DE LA CIUDAD DE LOJA. ... 40

Li

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FIGURA 20: DIAGRAMAS ESQUEMATICOS DE INDICADOR DE ENCENDIDO Y CONTROL DE

FRECUENCIA...48

F1GLJRA 21: DIAGRAMAS ESQUEMATICOS DE INDICADOR DE NIVEL DE AUDIO Y MPX. ... 49

FIGURA 22: DIAGRAMAS ESQUEMATICO DE SELECTOR DE FRECUENCIA. ... 50

FIGURA 23: DIAGRAMAS ESQUEMATICO DE TARJETA PRINCIPAL . ... 51

FIGURA 24: VISTA FRONTAL DEL TRANSMISOR...53

FIGURA 25: VISTA INTERIOR DEL EQUIPO. ... 53

FIGURA 26: PARTE POSTERIOR DEL EQUIPO. ... 54

FIGURA 27: SISTEMA DE TRANSMISION FM ESTEREO. ... 55

FIGURA 28: INTERFAZ GRAFICA PRINCIPAL DEL SOFTWARE . ... 56

FIGURA 29: PANEL DE DIAGRAMA DE BLOQUES - SOFTWARE . ... 57

FIGURA 30: PANEL DE REPRESENTACION GRAFICA - SOFTWARE . ... 58

FIGURA 31: PANEL HISTORIAL - SOFTWARE . ... 58

FIGURA 32: ALGORITMO DEL SOFTWARE . ... 61

FIGURA 33: PRUEBAS REALIZADAS CON EL VA- 16...62

FIGURA 34: CARGA FANTASMA...62

FIGURA 35: SOFTWARE DE MONITOREO VA-1 6 VIRTUAL FM MODULATION MONITOR . ... 64

FIGURA 36: SEtAL RF PORTADORA (102.6MHZ) . ... 65

FIGURA 37: A) PRIMER ARMONICO-SIN FILTRAR (FC=102.6MHZ) B) SEAL FILTRADA...66

FIGURA 38: ANCHO DE BANDA DE SEAL EMITIDA . ... 67

FIGURA 39: MEDIDOR DE ROE . ... 68

flit

_{Umversidad Técnica Particular de Loja}

INDICE DE ANEXOS

ANEXO A: MANUAL DE USUARIO...76

ANEXO B: DIAGRAMAS DE PCB BOARD...83

ANEXO C: DIAGRAMAS ESQUEMATICOS ... 85

ANEXO D: PANEL FRONTAL, DIAGRAMAS DE BLOQUE, USIA DE SUBVIS Y EXPRESS VIS CON INFORMACION DE CONFIGURACION DEL SOFTWARE ...87

ANEXO E: ESPECIFICACIONESTECNICAS ... 98

ANEXO F: TABLA DE EQUIVALENCIA DE FRECUENCIAS ...100

ANEXO G: TABLA DE FUNCIONES DE BESSEL...103

ANEXO H: LISTA DE COMPONENTES UTILIZADA EN EL DISEFO DE TARJETAS...104

ANEXO I: DIMENSIONAMIENTO DEL DISIPADOR DE CALOR ...105

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1. INTRODUCCION

Las transmisiones en frecuencia modulada son el principal medio de radiodifusión por su popularidad, calidad de audio y bajo costo. Es por ello que surge la necesidad de contar con un equipo profesional, de bajo costo y de alto desempeno, para permitir a los profesionales en formación involucrarse con esta tecnologIa.

El propósito de este informe de tesis es plasmar este tipo tecnologia de una manera práctica, el mismo que explica cómo se ha logrado la construcción e implementación de una emisora de FM estéreo de baja potencia, que pretende satisfacer los requerimientos como un equipo de iaboratorio; que posea una buena calidad de sonido y un nivel mInimo de interferencia, que está a la par de equipos profesionales de radio. Además este equipo está regido a normas y estándares nacionales, en el Ecuador por el CONATEL (Consejo Nacional de Telecomunicaciones), organismo gubernamental que regula el uso del espectro electromagnético.

La potencia, la frecuencia y las demâs condiciones de operación son fijadas por ci CONARTEL (Consejo Nacional Radio y Television). Ecuador se rige por las normas americanas de radiodifusión fijadas por la FCC (ComisiOn Federal de Comunicaciones) de los Estados Unidos.

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El valor agregado de este sistema transmisión FM estéreo, es la integraciOn de hardware y software obteniéndose un prototipo que se puede interconectar a una computadora personal, a través de un puerto USB, con una interfase gráfica muy amigable y funcional, que permite mostrar, ci comportamiento de algunas variables, programar su frecuencia de operación y controlar el encendido.

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2. CAPITULO 1

P1UNCIPIOS Y CRITERIOS DE RADIO FM

2.1 CONCEPTOS GENERALES

Una seflai de radio es una onda electromagnética que viaja por el aire recorriendo grandes distancias y lievando una información impresa sobre ella; al igual que todas las sefiales, éstas tienen amplitud y frecuencia: La amplitud determina hasta qué punto la seflal está oscilando, o sea el nivel, se puede medir en Voltios (V). La frecuencia indica que tan rápido la señal está oscilando de un extremo al otro, invirtiendo permanentemente su polaridad, este cambio es medido en cicios por segundo, su unidad es conocida como hertz.

Las señales de radio también son conocidas como sefiales de RF (Radio frecuencia). Una señai de RF sin información se le llama Portadora, viaja por ci aire como un vehiculo vacIo; una señal de radio con información se le llama RF modulada y equivale a un vehiculo cargado que transporta alguna información que puede ser datos, voz, misica, video, etc. En radiodifusión las maneras más usuales de imprimir información en una portadora de RF son Moduiación de Amplitud (AM) y Modulación de Frecuencia (FM): En AM la amplitud de La portadora está determinada en cada momento por la amplitud de La señal banda base permaneciendo constante La frecuencia de la portadora. En FM la frecuencia de la portadora está determinada en cada momento por La amplitud de la señal

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moduladora, y la amplitud de la portadora permanece constante. La figura 1 muestra la señal de información, portadora, AM y FM.

F,.cu.ncia

AHIAf\NV\1V

Existe una extensa clasificaciOn de seflales de radio de acuerdo al rango de frecuencias. Por ejemplo, las frecuencias entre 30 MHz y 300 MHz forman la banda de VHF, dentro de la cual está La banda de FM de radiodifusión comercial en el rango de 88.0 MHz a 108.0 MHz. Cada frecuencia tiene una longitud de onda X relacionada por la siguiente expresión:

2.1

I

Donde:

= Longitud de onda en metros c Velocidad de la luz = 3x10 8 rn/s.

f =

Una onda de radio de FM con una frecuencia 100 MHz, tiene una longitud de tres metros, = 3 metros. La longitud de onda es utilizada en ci câlculo de Las antenas y en las ilneas de transmisión.

tit, )

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Los radios de banda móvil usan NBFM con una desviación que puede alcanzar los 5 Khz. La FM de banda ancha se utiliza para la radiodifusión comercial; su desviación maxima normal es de ±75 Khz. La forma de controlar esta desviación, es restringiendo el nivel de la señal moduladora o banda base en el transmisor (TX), Si se utiliza una desviación muy alta, el espectro de frecuencia se extiende produciendo interferencia y sobrepasando el limite de banda permitido y si pot el contrario se limita demasiado Ia desviación, en el receptor se percibe una señal pobre, con bajo volumen y muy limitada en frecuencia, afectando su fidelidad.

2.1.1 ModulatiOn angular

Una onda de radio se puede expresar por medio de una función sinusoidal como la, mostrada en la ecuación 2.2.

0(t) = a(t) cos[w0t + y(t)] 2.2

Donde:

0(t) = Función de onda de radio a(t) = Amplitud de la portadora

w = Frecuencia angular de la portadora y(t) = Angulo o desviación instantánea de fase

Toda señal análoga de este tipo, tiene tres propiedades que puede variar: La amplitud (a(t)), la frecuencia (we ) y la fase (y(t)). [2]

La modulación de frecuencia FM y la modulación de fase PM, son ambas formas de modulación angular y se diferencian en cuál de las dos caracteristicas (frecuencia o angulo) vane directamente con la seflal modulante.

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2.1.2 Frecuencia modulada FM

En la modulación de FM directa La frecuencia de la portadora varia proporcionalmente con la amplitud de La seflal modulante, ver Figura 2. También existe el FM indirecto, ci cuaL es obtenido a pat-tir de un modulador de fase PM mediante el uso de un integrador para La señai modulante. Solo se hard énfasis en el modulador de FM directa, [1]

SeiiI modulate

I I

I S

L-i

Figura 2: Frecuencia variante con el tiempo,

Los cambios de frecuencia en la portadora se Haman desviaciôn de frecuencia, si estos cambios son continuos, la onda resultante es una señal compleja.

La desviación instantánea de frecuencia, es ci cambio instantáneo de fase de La portadora y se define como la primera derivada con respecto al tiempo de La desviación de fase instantánea, por lo tanto, La desviación de fase instantáneo es La primera integral de la frecuencia instantánea q(t). Ver ecuación 2.3

q$(t)=Jy(t)dt 2.3

Para una señal modulante de la forma mostrada en la ecuación 2.4:

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0(1) = V , cos[wt + jKVmCOS(Wmt)di] 2.5

Donde:

Vm = Señal modulante

Wm = Frecuencia angular de La señal modulante en radianes w = Frecuencia angular de La portadora en radianes

Vm = Amplitud maxima de La señal modulante

Vc = Amplitud maxima de La portadora

K = Constante de amplificación del modulador Al resolver la integral se tiene La expresión de la ecuación 2.6:

= wt + m sen(wmt) I

0(t)

_v

1

W _j

En forma general se puede escribir La expresión que se muestra en La ecuación 2.7:

0(1) = V cos[wt + msen(w m l)] 2.7

La ecuación 2.7, m representa La maxima desviación de fase, en radianes, ilamado Indice de modulación. Para una portadora modulada en frecuencia, el Indice de modulación es directamente proporcional a la amplitud de la señal modulante e inversamente proporcional a su frecuencia como se muestra matemáticamente en La ecuación 2.8 y 2.9.

M =KV 2.8 m = 2.9

Wm 27tfm

El término Ky de la ecuación 2.9, es conocido como desviación de frecuencia

41

2.10

2r

2.11

fm

Debido a que una señal modulante de frecuencia sencilla produce un nümero infinito de pares de frecuencias laterales, el ancho de banda es infinito, sin embargo, la mayoria de Las

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frecuencias laterales son insignificantes en amplitud y pueden ignorarse, permitiendo que en la práctica se tenga un ancho de banda finito.

En la ecuación 2.7, los componentes de frecuencias individuales que forman la onda modulada no son obvios. Sin embargo, las identidades de la fujnción de Bessel están disponibles y se puede aplicar directamente a una función de este tipo, como se muestra en la ecuación 2.12.

cos(a+mcosfl)= J(m )cos(a+n/3+nr) 2.12 Aplicado a una seflal de FM, se tiene:

a

q5(t)=V , J(m)cos(w.t+nw m t+-) 2.13

2

Al expandir la sumatoria resulta una serie infinita de términos con frecuencias laterales liamados armónicos, cada par despla.zado de la frecuencia fundamental es un mültiplo de La frecuencia modulante, asI se forman bandas laterales de primer orden, segundo orden, tercer orden, cuarto orden,

etc-f, ± f., f_{J C Jfm .' fc} J±2+3fm'

fc±4fm,

La magnitud de estas frecuencias están determinados por los coeficientes ii. Como

muestra el anexo G Las flinciones Bessel de primera clase para varios valores de Indice de modulación. Note que a mayor Indice de modulación, mayor es el nümero de bandas laterales, ci ancho de banda es fiinciôn del mndice de modulaciôn. [1]

.1 0 +0 4 +cI ; +0,7 #0 6 4-0 *0.4 #0.3 #0.2 #0.t 0 -0.1 -02 -0.3 -04

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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 lodice de rnoduIcEórI

Fgura 3: Gräfica de la función de Bessel. (Jm)

2.1.3 Ancho de banda

Para el cáiculo del ancho de banda minimo requerido para pasar las bandas laterales significativas, que inciuye aproximadamente el 98% de la potencia total de la onda, se hace uso de la regla de Carson [2], la cual aproxima ci ancho de banda de una onda de modulación angular, como ci doble de la suma de La desviación de frecuencia pico y la maxima frecuencia modulante, tal como se muestra en la ecuación 2.15.

B 2[4f _+frn(max)] 2.15 Donde:

A f = Maxima desviación de frecuencia

fm (max) = Frecuencia más alta de la seulal modulante

En la radiodifusión comercial de FM, la Federal Comunicaciones Comisión (FCC) de Estados Unidos, reglamenté ci uso de frecuencias de portadoras espaciadas por intervalos de 200 Khz, en la banda de 88-108 Mhz, y fija la desviación de frecuencia pico en 75 Khz, este ancho permite la transmisión de material de audio de alta fidelidad. Supóngase que se toma una frecuencia portadora defc =100 Mhz y una frecuencia moduladora fin =15 Khz (valor máximo tIpico para al frecuencia de audio en la transmisión de FM). [2]. Haciendo uso de la regla de Carson, se tiene:

B = 2[4f + fm (max)] 2(75000+15000) =180Khz

v amplitud_{de la portadora}

0.05:2:: J.39

0.36 -0.33l -0.33t

0.05 rc I 0.0361Z

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Electrónica y Telecomunicaciones

En lo que se refiere a transmisión de audio tIpico, usualmente los prograrnas no tienen tanto contenido en altas frecuencias. Para mantener restringido el ancho de banda, se reduce la amplitud maxima de la seflal modulante antes de entrar al transmisor, a esta señal se le conoce como banda base o senal compuesta. Para un indice de modulación m=5, se tiene el espectro mostrado en la figura 4, El valor de los coeficiente es tornado del anexo U.

Mhz

99.25 99.40 99.55 99.70 99.085 100.000 100.015 100.030 100.045 100.060 100.75

IAnchoc1ebnda _B

> I

Figura 4: Espectro de frecuencia del cálculo de ancho de banda.

2.1.4 FM estéreo

Para la transmisión en estéreo es necesario disponer de dos canales de audio: canal derecho (R) y canal izquierdo (L). El ancho de banda de cada canal de audio, es de 15 Khz, permitiendo abarcar la mayor parte de la banda audible.

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0

PHoto estèreo 90 --__

E 45 1

1+0 / l—D

1 / BLI 0,050 15 19 23

I—D BLS

/ SCA

38 53 59 _{75 F(KHz)}

Figura 5: Espectro de frecuencia de La sefial banda base (MPX).

El sistema Subsidiary Communications Authorization (SCA) permite a una estación comercial de FM anadir otro canal de radio además del monofônico y el estero.

Las transmisiones SCA no incluyen anuncios comerciales y se dedican a suscriptores que pagan una cuota, para milisica ambiental en fábricas, tiendas, consultorios medicos, oficinas, aeropuertos, centros comerciales, etc.

El canal SCA usa FM de banda angosta, la frecuencia central de la subportadora suele ajustarse a 67 Khz, sin exceder en ningün momento los 75 Khz. Hoy en dia el canal SCA tiene nuevos usos: Algunas estaciones modernas de FM utilizan este canal para enviar datos sobre Ia programación, titulos, horarios, eventos y estado del tiempo entre otros, información esta, que se puede visualizar en algunos displays de los receptores modernos.

En la, transmisión estéreo sin SCA, el 10% de la desviación pico maxima se usa para Ia subportadora piloto de 19 KHz, dejando el 90% para dividir entre los canales estéreo (L-R) y (L+(L-R), que en todo momento permanecerán balanceados, cuando el uno tiene la amplitud maxima, el otro tiene amplitud minima y viceversa.

2.1 CRITERLOS DE DISE1O DE UNA ESTACION DE FM 2.2.1 Etección de la frecuencia

La primera accién es encontrar un espacio libre en el espectro, de tal manera que no interfiera a otras estaciones, de esta tarea se ocupan los organismos reguladores de

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telecomunicaciones, en el caso nuestro el CONARTEL, que es ci ente administrador encargado de adjudicar los canales y de fijar los parámetros legales y técnicos como frecuencias, potencia de transmisión, patron de radiación, ubicación y altura de la antena, entre otros. Hacer uso del espectro electromagnético sin su debido permiso, es penalizado con multas, decomiso de equipos y hasta cárcel.

Para la adjudicaciOn de un canal para una estación de FM, se debe dirigirse a ci CONARTEL, en su momento presentar una solicitud acornpaiada con un estudio técnico y financiero.

2.2.2 Estudios de producción

En ci estudio de producciOn se generan todas las seflaies de audio que alimenta ci transmisor.

Las senales procedentes de cada fliente como micrófonos, unidades de CD caseteras, DVD, enlaces, etc. son mezcladas y ecualizadas en una consola de producción, debiéndose tener extremo cuidado en no degradar su calidad.

Una señal distorsionada es muy dificil de restaurar con técnicas analOgicas, por lo tanto, esta debe ilegar muy limpia y sin distorsión a la etapa de transmisiOn.

Las paredes de la cabina de estudios deben estar provistas de un buen aislamiento acOstico y su superficie debe ser de un material que absorba el eco.

Or -

_{Universidad Técnica Particular de Loja}

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estudios, para prevenir inducciones que causan ruido (HUM), ci cableado interno debe estar muy bien blindado y las conexiones de audio se deben hacer en cable balanceado de 600, los equipos deben de estar bien aterrizados y protegidos.

El transporte de la señal de los estudios al transmisor, se hace por medio de un enlace que puede set cable fisico, haciendo uso de redes balanceadas de 600 ohmios o cables coaxiales mãs conocidos como lInea 500, o por medio de un transmisor auxiliar de baja potencia, usando antenas direccionales como la yagui-uda [3]. Todo esto porque en la mayoria de las veces ci transmisor se instala en las afueras de la ciudad, para evitar interferencias y para obtener una mejor ubicación de la antena, mejorando asi La eficiencia de la transmisión.

2.2.3 Procesamiento de audio

Antes de entregar La seflal de audio al moduiador es necesario adaptarla a sus requerimientos realizando un proceso de filtración, comprensión, limitación, expansion y empaquetado, obteniéndose una ünica señal de banda base (señal compuesta) limitada en frecuencia y en amplitud, a fin de poder garantizar una desviación constante en ci transmisor y hacer posible la transmisiOn en estéreo con una calidad optima.

2.2.4 El transmisor

A él liega la seflal banda base y entrega en su salida una seflal de radiofrecuencia para ser irradiada pot la antena. El transmisor también conocido como excitador o modulador, es ci encargado de generar la señal de FM.

El corazOn del transmisor lo constituye un oscilador de alta frecuencia, cuya frecuencia se desvia ante La acción de la señal moduladora (Banda Base), su funcionamiento está regulado por un circuito PLL (Phase Locked Loop) que corrige cuaiquier corrimiento

j.

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indeseado de frecuencia y permite programar de manera digital la frecuencia de transmisión.

2.2.5 La antena

Una antena se utiliza como la interfase entre un transmisor y ci espacio libre o el espacio libre y el receptor. Una Imnea de transmisión se utiliza solo para interconectar eficientemente una antena con el transmisor o el receptor.

Una antena es un transductor que convierte la seflal de RF en una onda electromagnética. Existen muchas formas y diseño de antenas, cada una con caracteristicas de propagación y ganancia especIficas [1]. El mismo sitio de transmisión afecta la forma de radiación. Dependiendo del area que se tenga que cubrir se debe elegir un patron de radiación que por to general puede ser bidireccional, omnidireccionai, o unidireccional.

La antena más simple para VHF es conocida como antena dipolo de media onda: y ofrece un patron de radiación bidireccional u omnidireccional segin su ubicación. Esta antena consiste en dos varillas metálicas dispuestas como se muestra en la figura 6, con un cable de alimentación que sale del centro, su longitud es la mitad de la longitud de onda de la frecuencia de operaciOn.

L L

able Coaxial

Figura 6: Antena de media onda.

j

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Sin seña

j

SefaI Radlada )

/ntena

Figura 7: Patrén de radiaciOn bidireccionaL

Otro tipo de antena es La anillo, utilizada ampliamente en radiodifusión de FM, la misma que tiene una polarizaciOn circular. Consta de 2 anillos, cada una con un elemento vertical, que permite calibrar la antena, para que resuene a una determinada frecuencia;. En La Figura 8; se muestra como Los elementos son ensamblados, ci elemento radiador esta soldado al centro del conector para ofrecer una buena resistencia mecánica.

Figura 8: Antena anillo.

Esta antena ofrece un patrOn omnidireccional y una buena ganancia que se debe a que irradia la mayor parte de la señal en el piano horizontal, es decir es muy poca La energia que se irradia hacia arriba. La polarizaciOn de la antena es circular.

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3. CAPITULO 2

IMPLEMENTACION V CONSTRUCCION DEL TRANSMISOR FM ESTERO

3.1 DESCRJPCION DE MODULOS UTILIZADOS EN EL TRANSMLSOR FM 3.1.1 Introducción

Para la realización de este transmisor, se utilizó 7 módulos principales, para las diferentes etapas de este equipo, como muestra la figura 9. Estos son: un generador estéreo, un modulador, un divisor, un combinador, dos amplificadores, y un filtro pasa-bajos.

Ampliilcade, Is W42 I

rr

t

='' L:'

Durante el proceso de investigación, se eligieron módulos de caracteristicas profesionales, que sean económicos y se adapten adecuadamente, es decir que las entradas y salidas se acoplen entre Si.

OS .• a iq,

Ar .IIri.ai.r

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3.1.2 Generador Estéreo

Para hacer posible La transmisión de audio estéreo y en alta calidad, es necesario que los canales de audio sean procesados para obtener una señal empaquetada compacta y limpia, la cual seth aplicada al modulador. Esta debe tener una amplitud uniforme que generalmente corresponde a 775 mVrms (0dB) y su frecuencia deberá estar limitada a 20

KHz, condición necesaria para obtener una desviaciôn constante que en ningün caso podrá exceder ±75 KHz.

*

Figura 10: Generador estéreo IGGE-TX38.

Para lograr este propósito, se implemento una tarjeta como se muestra en la figura 10, la misma que tiene una respuesta de frecuencia de 20 a 20000 Hz, con una estabilidad de piloto +1- 2 Hz, y entradas de audio, MPX ajustables. Con un mayor detalle de las caracteristicas técnicas de este módulo se encuentra en el anexo E.

Esta tarjeta procesa ambos canales y genera La seflal compuesta donde va multiplexada la informaciôn del estéreo, es decir suministra la seflal banda base para el transmisor. Esta tarjeta está conformada por Los siguientes circuitos: Una red matricial sumadora y restadora, un modulador balanceado, un oscilador local de 38 KHz, un divisor de frecuencia y una red sumadora final encargada de combinar las señales. La figura 11 muestra el diagrama en bloques que conforma toda La tarjeta procesadora estéreo.

ombinación neat

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38 Kb:

Figura 11: Diagrama de bloques procesador de estdreo.

3.1.3 Modufador

Este es ci módulo más complejo del sistema, complicada y de más cuidado porque se trabaja con RF.

Figura 12: Modulador MKM-PLL1A

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Los circuitos adicionales a los cuales se hace referencia son: un sintetizador de frecuencia controlado por PLL, oscilador de referencia, amplificadores de RF, filtro pasabajos, y por supuesto un módulo de acondicionamiento de sefiales, que en conjunto con una DAQ sirven para La interfase con un PC, la Figura 12 muestra el modulador.

Entre Las caracteristicas más relevantes de este môdulo son: una potencia de salida de 200 mW (50 Q), tipo modulación directa, y selección de frecuencia en pasos de 100 KHz en la banda comercial de FM (88-108 MHz). Con un mayor detalle de las caracteristicas técnicas de este modulo se encuentra en el anexo E.

3.1.5 Amphficador de RF

La señal que se genera en el modulador es de muy bajo nivel, por el orden de los 200 mW, por lo cual es necesario eLevar esta señal a un valor adecuado para ser entregado a la antena. Para incrementar La potencia de salida del transmisor FM de baja potencia, se utiliza 2 amplificadores que se podrán conectar en la salida del modulador, por medio de un divisor de potencia, si desea obtener el máximo de rendimiento del equipo, o simplemente del modulador a un amplificador. Una de Las caracteristicas del equipo, permite configurar externamente las conexiones RF, que se encuentran debidamente seflalizadas, para que no se cometan errores. En el capItulo 5 se explica más detalladamente.

I

-Figurai3: Ainplificador 15W FM BOOSTER

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Los amplificadores son mucho más sencillos en diseño y construcción que un transmisor. Muchos de los amplificadores usados en radiodifusión de baja potencia emplean solo un componente activo, un transistor de potencia para radiofrecuencia (RF), por etapa de ampiificación. Por convenciOn, los amplificadores tienen una impedancia de entrada y salida de 50 !. Cuando un amplificador de RF con una entrada de 50 0 se conecta a una salida de un transmisor de 50 K2, la paridad entre ambas impedancias asegura ci flujo máximo de energIa eléctrica entre las dos unidades. [4] Un mal acopiamiento de impedancias entre los mOdulos de RF sobrecalentará y destruirã ci equipo.

Los amplificadores pueden ser clasificados como de banda estrecha o de banda ancha. Los de banda estrecha se sintonizan a una frecuencia determinada. Los ampiificadores de banda ancha pueden trabajar sobre un rango de frecuencias especificado, sin sintonizaciOn. [4] Los amplificadores implementados son de banda ancha, que funcionan en un rango de frecuencia de 85-110MHz.

En Un amplificador de banda ancha existen varios diseños posibles. Algunos diseños de banda ancha pueden ser excesivamente amplios en su cobertura de frecuencias, y amplian también las señaies armOnicas.

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Entre las caracteristicas más relevantes de este módulo son:

v" Potencia de entrada RF: 5-1000mW (seleccionable por medio de 2 jumper) I Potencia de salida RF: 10-15W (20W max.)

V Impedancia de salida: 50 I Impedancia de entrada: 50

v Rango de frecuencia: 85-110MHz

Con un mayor detalle de las caracteristicas técnicas de este modulo se encuentra en el anexo E.

Bajo ninguna circunstancia se debe operar un transmisor sin una carga acoplada,

conectada a la salida. Y a que se destruirá el transistor RE de potencia de salk/a.

A l comprobar y afinar los circuitos, debe usarse una carga muerta [dummy load], que

tenga un valor de 50 Q y de una polencia superior a la entregada por el transmisor.

3.1.5.1 Dimensionamiento del disipador

En un material conductor de calor, el flujo de calor va desde los puntos más calientes del material hacia los más fríos. La evacuación de calor por conducción se puede aproximar suponiendo que el material que conduce el calor presenta una resistencia térmica independiente de la temperatura y la cantidad de calor evacuada. [11].

La resistencia térmica en ci disipador de los amplificadores es la siguiente:

R9 =6.4 °C/W

La resistencia disipador-ambiente (Rda), se calcula a partir de las caracteristicas del transistor de potencia y nos permite comparar con la resistencia térmica del disipador para obtener un buen diseño. [12]

Amplificador de excitaciôn

4

j

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La resistencia disipador-ambiente calculada es La siguiente:

Rda 3 °C/W

Al comparar los datos de resistencia ténnica de disipación y la resistencia disipador ambiente total, podemos concluir que la capacidad de disipación en ci disipador es mayor que la requerida por los amplificadores.

3.1.6 Divisor/Combinador de Potencia

El mismo dispositivo adquirido se lo puede instalar tanto como divisor o combinador de potencia. Para la impiementación de este equipo se utiliza dos de estos môdulos, de iguales caracteristicas.

H__tc&a

t

Traosformador _{Transformadoc} Divisor de potencia _{Divisor de potencla}

Figura 14: Obtención de alta potencia de salida con amplificadores de estado sólido y transfonnadores combinadores de potencia.

La figura 14, representa de manera esquemática como flinciona un divisor y combinador de potencia, a continuación se analiza más profUndamente este módulo.

I

tt1)

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Se llama divisor de potencia a un dispositivo que reparte La potencia que recibe a su entrada entre n salidas, habitualmente, de forma igualitaria. [5]

Se ha colocado este dispositivo a lado del modulador, para que cumpla La función de enviar a los 2 ampLificadores (AMP 1 y AMP2) la potencia recibida del modulador por

una sola puerta, manteniendo las impedancias adaptadas para tener un bajo nivel de potencia reflejada, si es que se configura externamente las conexiones de RF.

3.1.6.1 Combinador

Si se necesita más potencia, hay dos soluciones: usar un tubo al vaclo de alta potencia o combinar Ia potencia de dos amplificadores de potencia de estado sóLido. Si bien los tubos al vaclo siguen usándose para niveles de potencia muy altos, el método de combinador de potencia se ha convertido en el preferido para alcanzar niveles de potencia muy altos en el equipo modemo de comunicaciones. [6]

El módulo que funciona de combinador se encuentra ubicado, después de los 2 amplificadores (ANTI y AMP2). Los detalles de las caracteristicas técnicas de este mOdulo se encuentra en el anexo E.

3.1.7 Filtro Paso Bajo 88-108 MHZ

Figura 16: Filtro pasa-bajos (500 watt 88-108MHz).

j .Universidad Técmca Particular de Loja

Los filtros son de los elementos más importantes en un transmisor. Sin excepción, siempre se debe usar un flitro entre la etapa de amplificación y la antena. El uso de un filtro evitará la interferencia con otras emisoras, y asi cumplir con todas las normas establecidas por el CONARTEL.

Los amplificadores de potencia de estado sólido, debido a la no linealidad de los transistores utilizados, generan componentes armónicos que serán irradiados. La norma exige que ci contenido armónico de salida de Los transmisores no deben superar un determinado valor, por ejemplo en transmisores de 25 W de potencia de salida, la potencia de los armónicos no debe superar el valor de 25tW, esto significa una atenuación de 60 dB entre la amplitud de la portadora y de los armónicos. [7]

La atenuación que deben presentar el filtro pasa bajo depende de la potencia del transmisor. Es por ello que dichos armónicos deben ser llevados a un nivel mmnimo, para impedir que el transmisor interfiera en otras bandas. Con una frecuencia de corte calculada para frecuencias mayores a 109 Mhz, de tal manera que a partir del segundo armOnico La señal sufre una atenuación considerable aproximada de -59db como se muestra en ci siguiente

gráfico,

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Los transmisores con una potencia de salida de menos de 25 vatios requieren como minimo un filtro de 7 polos. Los de mayor potencia requieren uno de al menos 9 polos. A medida que se incrementa el nümero de polos, se incrementa el grado de atenuación. [4] Es por eso que se implemento un filtro que cumpla con todas las normas establecidas para la radiodifusión ecuatoriana. Las caracterIsticas técnicas de este módulo la especificamos a continuación:

Maxima perdida de inserción 0.25dB (a 108 Mhz). ' Perdida de retorno -25dJ3

( Rango de potencia 500W

14 Aug 20:90.14

01141 S 21 1 0 UAG 10 d/ REr -40 dW 2_:-55.54 d5

100. 385 0 MP

PRO

1 .:-.45 dip

Co r aoa HZ

1 OH:

I

I T

Figura 17: Respuesta de frecuencia de LPF.

3.1.8 Sistema de Radiación

En el capItulo 2 se mencionaron dos tipos muy importantes de antenas y su uso. Para éste proyecto, se utilizó una antena omnidireccional tipo circular (anillo), la cual

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ofrece una muy buena ganancia del orden de cuatro 4 dB y un patron de radiación aproximadamente circular, lo que la hace muy ütil para aplicaciones en radiodifusoras de FM de baja potencia. Esta antena presenta un nivel de ondas estacionarias muy bajo, alcanzando 1.3 unidades cuando se encuentra bien ajustada. La Figura 8 muestra la antena, donde se puede observar que tiene en sus 2 extremos, tubos que permiten variar su longitud, para poder realizar ajustes y calibraciOn de ondas estacionarias. Otra caracteristica importante de esta antena es el cobre, material del que está construida, lo que permite tener una buena conductividad, garantizando su alta calidad.

La radiaciOn con polarización circular se aconseja especialmente en terrenos accidentados yio en grandes ciudades.

En cuanto a la linea de transmisiOn, se ha utilizado un cable coaxial RG58, con una impedancia caracterIstica de 50 ohmios. Este tipo de cable utilizado es muy econOmico y funciona bien para equipos de muy baja potencia. Cuando se requiere aplicaciones con equipos de potencias mayores, se recomienda utilizar en su lugar otros cables de diámetro superior con caracterIsticas de prdidas muy bajas, dieléctrico de muy buena calidad, un alto nivel de blindaje y que soporte la intemperie, como por ejemplo el cable RG8.

3.1.8.1 Cobertura del Sistema de Transmisión

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En Ia figura siguiente se muestran los valores reportados (intensidad de campo) por el programa Radio Mobile Deluxe. Los datos ingresados en esta aplicación para el análisis son los siguientes:

Coordenadas de la Estación de Transmisión (UbicaciOn de la Universidad Técnica Particular de Loja): Latitud: 30 59'23,02"

Longitud: 790 12' 10,0" Nombre de la estación de transmisión: TX FM UTPL.

Altura de la antena: 2139m. (Altura del terreno: 2114m) Ganancia de antena TX: 0 dBi.

Potencia de TX: 10 W.

Perdidas de conectores: 5 dB.

Perdidas de cables: 0.43 dB (longitud del cable 10 m). Tipo de antena: omnidireccional.

Polarización: vertical.

Ancho de banda: Minima frecuencia: 102.5 MHz. Maxima frecuencia: 102.7 MHz. Umbral de recepciOn: 2.75 p.V.

-t),

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Datos del mapa: *Coornada cenlral:

i..atitud: -3,992775. *Longaud:..79 1975 *AftUra: 20 km.

Ancho: 20 km.

Jle Edk lew took QAIOM zYwow help _{-101 X 1}

4..

P IJ_f.U

I fUz 0791211'Ws .234y=253 M 03'5932S 07311 5W

Figura 18: a) Cobertum del sistema de transmisión FM

H EJIG 1 Ylew lools QpUons W.fdow lieb

IFoxmrs

NTT

VIV

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Se puede observar en la figura 18, la transmisiôn FM desde la Universidad Técnica Particular de Loja, permite cubrir toda la hoya de la ciudad de Loja, vale aclarar que este análisis, es un referente; debido a que el mapa tiene una resolución de 3 segundos (lOOm), por ende la cobertura está sujeta a un margen de error de lOOm.

3.2 DESCRIPCION DE LAS TARJETAS DE MONITOREO Y CONTROL, Y CONEXIONES

3.2.1 Introducción

La implementación es uno de los puntos más importantes en esta tesis, aqui se pone de manifiesto todos los conocimientos teóricos aplicados a lograr un diseflo simple y flexible que garantice un buen funcionamiento.

A continuación se describirá el funcionamiento de los diferentes circuitos que controlan el funcionamiento de Los módulos descntos anteriormente que conforman el transmisor de FM, asi como también ci proceso de adaptación de Las señales de monitoreo y control para que puedan ser medidas por la PC a través del la tarjeta de adquisicion de datos USB6008 que se ha elegido, debido a que esta tarjeta cuenta con 12 lineas de E/S digital, 2 salidas analóicas, y 8 canales de entradas analógicas de I 2bits que facilitan La conexión con el equipo; ya que esta tarjeta se conecta de forma externa por medio de un puerto USB. Otra caracteristica muy importante de esta DAQ es su bajo costo.

También se detallara el sistema de armado del equipo, ya que ci diseño facilita el proceso de verificación y control del funcionamiento de los diferentes módulos.

En la figura 19 se muestra un diagrama de conexión de las diferentes tarjetas que conforman el equipo, para reducir ci diagrama se ha colocado ilneas de conexión llamadas

4;)

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buses que cuentan con una numeración que ]as identifica Las cuales se detallara por separado asi como la función general que cumple cada tarjeta dentro del flincionamiento total.

1 I

DI 'COR IF

BiJ LJ

k3JS 10 L

RIISF

!.J!:N,

-H

En este diagrama Las lIneas de color verde se refieren a las seflales de MIPX y RF es decir las señales necesarias para el frmncionamiento del transmisor, mientras que las ilneas de color azul corresponden al cableado interno, ya sea de voltajes de alimentación, senales de datos para monitoreo y control, etc.

3.2.2 Descripción de bioques

a) Interfaz at computador (LNTIPC)

Este bloque corresponde a la tarjeta de adquisición de datos USB6008 de National Instruments.

b) Fuente de Poder

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corriente directa, con una salida maxima de 20 amperios para la salida de 13 voltios utilizada en la alimentación de los amplificadores.

c) Control Principal

En este bloque convergen La mayor cantidad de señales y voltajes que permiten el funcionamiento del equipo, de aqul salen las señales acondicionadas para ingresar at la tarjeta de adquisición de datos

d) Multiplexor

En este bloque se selecciona si el control de frecuencia es realizado manualmente, o por medio del computador.

e) Indicador de encendido y control de frecuencia (IND/FREC)

Este bloque contiene Ia seflalización por medio de diodos LED del funcionamiento del equipo, asi como el control de frecuencia manual.

I) Generador estéreo

Este bloque corresponde al generador estero. g) Modulador

Este bloque corresponde al modulador u oscilador de frecuencia. h) Divisor de Potencia

Este bloque corresponde al divisor de potencia. i) Amplificador de Potencia 1 (AMP1)

Este bloque corresponde al amplificador de potencia nümero uno. j) Amplificador de Potencia 2 (AMP2)

Este bloque corresponde al amplificador de potencia nimero dos. k) Combinador de potencia

Este bloque corresponde al combinador de potencia.

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1) Filtro pasa-bajos (LPF)

Este bloque corresponde al filtro pasa bajos. m) Indicadores de nivel audio y MPX

En este bloque se encuentra Ia seflalización para los niveles de audio R y L y ía señal proveniente del generador MPX.

3.2.3 Descripción de Lineas a. LineaA

Es una lInea de transmisión balanceada ía cual conduce La seflal MPX proveniente del generador hacia el modulador.

b. Linea B

Es una linea de transmisión desbalanceada Ia cual conduce Ia señal de RF proveniente del modulador hacia el divisor de potencia.

Fisicamente se encuentra formada por un cable coaxial RG58 c. LIneaC

Es una linea de transmisión desbalanceada la cual conduce la seflal de RF de las dos salidas del divisor hacia los amplificadores uno y dos.

FIsicamente se encuentra formada por dos cables RG58. d. LIneaD

Es una Ilnea de transmisión desbalanceada La cual conduce la seflal de RF de la salida del amplificador nimero uno, hacia el combinador de potencia.

FIsicamente se encuentra formada pot un cable coaxial RG58. e. Linea E

Ulm

rM

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FIsicamente se encuentra formada por un cable coaxial RG58.

f. Linea F

Es una linea de transmisión desbalanceada la cual conduce la señal de RF de la salida del combinador de potencia hacia el filtro LPF.

Fisicamente se encuentra formada por un cable coaxial RG58.

3.2.4 Descripción de buses de datos a) Bus 1

Por este bus atraviesan todas las señales de entrada/salida que ingresan a la tarjeta de adquisición de datos, las cuales son:

Dl (out).- Seilal digital de transinisión serial de salida de la tarjeta de adquisición de datos para el control de frecuencia desde la PC.

D2 (out).- Seflal digital de transmisión serial de salida de la tarjeta de adquisición de datos para el control de frecuencia desde la PC.

CLK (out).- Senal digital de reloj para sincronizar los datos transmitidos en forma serial para el control de frecuencia desde la PC.

ENABLE (out).- Senal digital de salida desde la tarjeta de adquisicion de datos para activar el control de frecuencia desde la PC.

RL1 (out).- Señal digital de salida desde la tarjeta de adquisicion de datos para el encendido y apagado del GENERADOR ESTEREO

RL2 (out).- Señal digital de salida desde la tarjeta de adquisiciôn de datos para el encendido y apagado del MODI.JLADOR

RU (out).- Señal digital de salida desde la tarjeta de adquisición de datos para el encendido y apagado de los AMPLIFICADORES.

Nivel L (in). - Señal analogica de entrada hacia la tarjeta de adquisicion de datos para el monitoreo del nivel de audio en el canal L.

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Nivel R (in). - Senal analogica de entrada hacia La tarjeta de adquisición de datos Para el monitoreo del nivel de audio en el canal R.

Nivel MPX (in).- Seflai analógica de entrada hacia la tarjeta de adquisiciOn de datos Para el monitoreo del nivel de seflal MPX.

Poti (in).- Seflal analogica de entrada hacia la tarjeta de adquisiciôn de datos Para el monitoreo del nivel de potencia en el amplificador uno.

Pot2 (in). - Seflal analógica de entrada hacia la tarjeta de adquisición de datos Para el monitoreo del nivel de potencia en ci amplificador dos.

GND (analog). - Señal comün Para las entradas analógicas. GND (dig).- Señal comán Para las salidas digitales.

b) Bus

Por este bus atraviesan los voitajes necesarios Para el flincionamiento del equipo los cuales son:

( +13V/20A.- Este voltaje alimenta, la tarjeta de CONTROL PRINCIPAL, GENERADOR, MODULADOR e INDICADOR DE AUDIO Y MPX.

V' _{-13V/20A.- Este voltaje alimenta Ia tarjeta del GENERADOR.}

V' _{+5V I1OA .- Este voltaje alimenta La tarjeta de CONTROL PRINCIPAL y}

MULTIPLEXOR.

V GND. - Este voltaje es comün Para todas las tarjetas. c) Bus

Por este bus atraviesan las seflales de control de frecuencia que salen desde la tarjeta de CONTROL PRINCIPAL y son enviadas desde la PC, en forma serial. Las lIneas son 12, una de GND y 11 seilales digitales de datos.

.1 L11,

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Por este bus atraviesan las señales de control de frecuencia que salen desde los switches del panel frontal para ci control de frecuencia manual. Las lIneas son 12, una de GND y 11 señales digitales de datos.

e) Bus

Este bus conduce las señales que indican los niveles de audio y MPX y son acondicionadas en la tarjeta de CONTROL PRINCIPAL para trasladarlas a La PC.

1) Bus

Este bus conduce las seflales que indican ci encendido de los diferentes módulos, las señales son: encendido de POWER, del GENERADOR, del MODULADOR, del AMP! y del AMP2.

g) Bus

Este bus conduce las señales de control de frecuencia que ingresan al modulador una vez seleccionado ci modo, ya sea manual a desde ci computador. Las lmneas son 12, una de GND y 11 señaies digitales de datos.

ii) Bus

Este bus conduce la senai que indica a la tarjeta de CONTROL PRINCIPAL el nivel de consumo de corriente del AMP1, esta seflal es acondicionada para ser enviada a la tarjeta de adquisición de datos.

i) Bus

Este bus conduce la señal que indica a la tarjeta de CONTROL PRINCIPAL ci nivel de consumo de corriente del AMP2, esta seflal es acondicionada para ser enviada a la tarjeta de adquisición de datos.

j) Bus 10

bus 2

;ND

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Este bus conduce las seflales provenientes del GENERADOR hacia la tarjeta 1NDICADOR DE AUDIO Y MPX para indicar ci nivel de audio y MPX mediante diodos LED en el panel

frontal-El diagrama de conexiones mostrado anteriormente nos explica cómo se encuentran conectadas y distribuidas las tarjetas dentro del equipo. A continuación vamos a explicar con más detaile ci ftincionamiento de las tarjetas que sirven para el control y monitoreo del transmisor. Para ello usaremos los diagramas esquemáticos pertenecientes a cada una de ellas.

Los valores de los componentes utilizados en ci diseño de las tarjetas se encuentran en el anexo H.

3.2.5 Indicador de encendido y control de frecuencia

bus [

Figura 20: Diagrainas esquemáticos de indicador de encendido y control de frecuencia.

OuF

•1

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V' _{El primer LED nos indica el encendido y apagado del EQUIPO.}

I El segundo LED nos indica el encendido y apagado del GENERADOR. I El tercer LED nos indica ci encendido y apagado del MODULADOR. " El cuarto LED nos indica el encendido y apagado del AMP I.

I El quinto LED nos indica el encendido y apagado del AMP2. 3.2.6 Indicador de nivel tie Audio y MPX

Figura 21: Diagramas esquemáUcos de Indicador de mvel de Audio y MPX.

Este cirCuito nos permite visualizar de una manera gráfica por medio de diodos LED los niveles de una señal analógica, en este caso estamos visualizando los niveles de la seflal de audio del canal L y R, y en nivel de la señal MPX.

911)

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El circuito integrado AN6884 es un circuito driver de LEDS, el cual recibe una señal en el orden de los 0.5 voitios e indica su valor por medio diodos LED los cuales se encienden en escala logaritmica, también posee una salida donde podemos medir ci nivel de la señal en forma de corriente directa, esta salida es ütil para ingresarla por la tarjeta de adquisición de datos.

3.2.7 Selector de frecuencia

Figura 22: Diagramas esqueniáiico de selector de frecuencia.

9

H

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ajuste por medio del computador, es necesario que el software de control envié un bit de activación, por medio de la tad eta de adquisición de datos y asI se podrá realizar ajuste de frecuencia por medio de software.

3.2.8 Tarjeta principal

= _- V

Figura 23: Diagrainas esquemático de tarjeta principal.

En este circuito se realizan las firnciones principales necesarias para la conexión del equipo a la PC.

3.2.8.1 Convertidor sene/paralelo

Este circuito está formado por dos registros de desplazamiento de 8 bits, los cuales nos permiten recibir desde ci computador 3 lineas, dos de datos y una de reloj y obtener una salida de 11 bits necesarios para el ajuste de frecuencia en el MODULADOR. El circuito integrado que realiza esta función es el 74LS 164.

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3.2.8.2 Circuito de encendido y apagado

Este circuito está formado por tres relés los cuales son activados por medio de tres transistores a través de la tarjeta de adquisición de datos y nos permiten controlar el encendido y apagado del GENERADOR; MODULADOR; y AMPLIFICADORES.

Estos reles están en estado normalmente cerrado lo que permite el funcionamiento del equipo sin necesidad de estar conectado a! computador.

3.2.8.3 Sensor de temperatura

Este circuito nos permite monitorear la temperatura en el interior del equipo y está formado por el circuito integrado LM335, el cual nos genera una salida de voltaje variable que nos permite medirla a través de La taijeta de adquisicion de datos.

3.2.8.4 Resistencias de acoplamiento

Estas resistencias nos permiten ajustar el nivel de corriente de Las señales que ingresan a la tarjeta de adquisiciOn de datos y asI mantener el sistema dentro de los parámetros normales de flincionamiento.

3.3. MONTAJIE DEL TRANSMISOR

Universithd Técnica Particular de Loja

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MPX

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Figura 24: Vista frontal del transrnisor.

Los módulos se montaron en bandejas de aluminio, con el fin de eliminar al máximo la interferencia y su fácil acceso. La distribución de los módulos se realizó de la siguiente manera:

'7

inferior):

acondicionamiento de seflales.

I En la segunda bandeja: Generador estéreo, modulador y divisor de potencia, I En la tercera bandeja: Amplificadores de potencia, combinador de potencia y filtro

pasa bajos.

igura 25: Vista interior del cquipo.

* I. •4

*1

Figura 26: Parte posterior del equipo.

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3.3.1 Panel frontal del transmisor

El panel frontal tIene un diseño muy frmncional, que representa de manera elegante indicadores, controles y conectores que están separados en bloques por flinciones, más claramente se puede observar en la figura 24.

El panel frontal tiene varios arreglos de leds que muestran los niveles de audio y MPX, otro conjunto que indica el estado de los diferentes módulos del transmisor, un dip switch que permite controlar La frecuencia manualmente, 2 potenciómetros controlan la potencia de cada amplificador, 2 más que controlan Los niveles de audio de los canales L y R, un potenciómetro que controla el nivel de MPX, y conjunto de conectores BNC que permiten interconectar con los diferentes módulos de RF (En ci anexo A se puede observar más detailadamente).

3.3.2 Parte posterior del transmisor

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4. CAPITULO 3

SOFTWARE DE MONITOREO Y CONTROL CON PC

Uno de los objetivos planteados para el proyecto consistiô en la posibilidad de monitorear y controlar aigunas actividades del transmisor a través de un PC. De esta manera se desarrolló un software que puede interactuar con el hardware del sistema, tal como se puede observar en la figura 27.

Software de monitoreo y control

(:) _ii*ls8

Transmor FM DAQ (NI 6008)

Figura 27: Sistema de transmisión FM estéreo.

Para el desarrollo del software, se tomó una concepción de un interfaz gráfica que sea lo más real posible a paneies equipos que permiten la transmisión FM estéreo (generador estéreo, excitador y amplificador RF); para que los profesionales en formación se familiaricen con esta clase de equipos, por medio de la instrumentación virtual.

El software desarrollado, está compuesto por un conjunto de funciones, el cuai interactüa en el PC, estando interconectados el equipo y ci PC por medio de una DAQ (tarjeta de adquisición de datos) de comunicaciones, a través de un puerto USB de la computadora.

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Figura 28: Interfaz gráfica principal del software.

Al software realizado lo hemos denominado Trcmsmisor virtual FM estéreo, debido a que la herramienta utilizada para la programación permite realizar instrumentación virtual. Este caso el transmisor se lo puede manejar como un instrumento virtual.

4.1 Funciones del Software

El software desarrollado es el encargado de interactuar directamente con el usuario, constituyéndose en la interfaz gráfica que permite visualizar los datos y controlar por medio del PC el transmisor, de una forma amigable para el usuario y sobre todo, muy fâcil de usar, por medio de su interfaz intuitiva.

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laboratorio. Una de las caracterIsticas más importantes de esta herramienta de desarrollo es que permite realizar monitoreo y control por medio de una red de datos (Internet).

El software nos permite realizar el control del sintetizador de frecuencia del equipo; encendido y apagado de los módulos; monitoreo de variables como la potencia de salida del transmisor, la corriente, desviación de frecuencia, asi como un despliegue digital que muestra ci valor de la frecuencia programada y funciones extras como generar reportes y entre otros, que le permitirán al usuario fácii compresión del sistema implementado, tal como se puede observar en la figura 28.

4.1.1 Diagrania de bloques

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Figura 29: Panel de diagrama de bloques - software.

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Por medio de este panel se presenta de una manera didáctica, un diagrama de bloques y todos los módulos que conforman ci transmisor, con sus respectivas especificaciones técnicas, que permitirá comprender cómo está constituido ci equipo.

4.1.2 Representación Grálica

Este panel presenta al usuario, ftmnciones de anáiisis de las principaies señales del transmisor en función del tiempo; como son MIPX, potencia y corriente de los 2

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amplificadores, y la temperatura; y observar como estas varlan al cambiar la frecuencia portadora.

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Otras funciones que se puede encontrar en este panel son: / Programar el tiempo de muestreo de datos.

( Guardar datos en un archivo.

4.1.3 Historial

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Por medlo de este panel ci usuario accede a funciones de análisis de datos guardados, observar sus máximos y minimos de las diferentes variables, su representaciôn gráfica y una tabia donde se visualiza todos los datos.

4.2 LAB VIEW

Los programas de LabVIEW son liamados instrumentos virtuales o VI's. Todo programa en LAB VIEW está conformado por dos partes principales; ci panel frontal y, ci diagrama de bioques.

El panel frontal es la interfaz del usuario del VI. La figura 28 se muestra ci panel frontal principal del software.

El panel frontal se puede construir con controles e indicadores, los cuales son los terminales de entrada y salida interactivos del VT, respectivamente. Los controles son perillas, botones, diales y otros dispositivos de entrada. Los indicadores son gráficas, LED's y otros dispositivos de despliegue. Los controles simulan dispositivos de entrada al instrumento y entregan los datos al diagrama de bloques del VI. Los indicadores representan los dispositivos de salida del instrumento y presentan los datos que ci diagrama de bloques adquiere o genera. [9]

Luego de construir ci panel frontal se adiciona ci código utilizando representaciones gràficas de ftmnciones para controlar los objetos del panel frontal. El diagrama de bloques contiene ci código fuente. Los objetos del panel frontal aparecen como terminales, figura de la izquierda, en ci diagrama de bloques. Usted no puede borrar un terminal en ci diagrama de bioques. El terminal desaparece solo después de borrar el objeto correspondiente en ci panel frontal. Los objetos del diagrama de bloques incluyen