Lab2 Modulación AM
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UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS
LABORATORIO DE TELECOMUNICACIONES 2006-I
FUNDAMENTOS DE TELECOMUNICACIONES
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MODULACIÓN AM I. OBJETIVO:
- Comprobar en forma práctica los principios de la modulación y demodulación AM
- Análisis espectral de sistemas de AM de doble banda y banda lateral
- Determinación del patrón XY e índice de modulación.
II. FUNDAMENTO TEÓRICO
MODULACIÓN ANALÓGICA O DE ONDA CONTINUA (CW) Es el proceso por el cual un parámetro de una señal senoidal de alta frecuencia se hace variar en forma
proporcional al mensaje f(t). Con la modulación los mensajes se trasladan a altas frecuencias permitiendo
su transmisión por radiofrecuencia (RF) o su adaptación al medio de transmisión.
En todo proceso de modulación se presentan las siguientes señales:
a) Señal modulante. Señal moduladora o de Banda Base. Es la señal de información o mensaje a
transmitir. En general es de bajas frecuencias y es limitada en banda mediante un filtro pasabajos. Ej.
Las señales de laboratorio de un generador de señales, señales de audio producidas en una
radioemisora, etc.
b) Señal Portadora. Señal sinusoidal de alta frecuencia, dada por la forma de onda: fc(t) = A Sen(wct + φ).
Usando esta señal se logra desplazar a frecuencias superiores la señal modulante.
c) Señal Modulada. Señal de alta frecuencia que se obtiene de la variación de la amplitud ( A ),
frecuencia ( wc ) o fase ( φ ) de la señal portadora de acuerdo con las características de la señal
moduladora. Es típicamente la señal que se transmite. Entre las señales moduladas más comunes
tenemos: AM, FM, FSK, etc.
d) Señal Demodulada. La demodulación es el proceso mediante el cual se recupera la señal original de
banda base o mensaje, a partir de la señal modulada. La señal demodulada es la señal resultante del
proceso de demodulación.
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Importancia de la modulación: La modulación es muy importante en el desarrollo de sistemas de telecomunicación:
Receptor Emisor
fc
44=
λ c = 3 x 108 m/s f = frecuencia en Hz,
Antena )(~ tmλ/4
Transductor m(t) Canal Demodulador
CW
conector
Antena
conector
Modulador CW
f(t) Transductor
Gracias a la modulación es posible la radio comunicación. En el medio aire se requieren antenas de aprox.
λ/4 de tamaño (λ = longitud de onda) para que la radiación sea eficiente. Como en general las señales
producidas por el hombre son de bajas frecuencias se necesitarían antenas de grandes dimensiones para
su propagación. Para transmitir un tono de voz de 4 KHz, se necesitaría una antena de λ/4 = 18.75 km,
irrealizable para la transmisión por radio. Sin embargo si usamos modulación con una portadora de 1 MHz
se necesitaría antenas de λ/4 = 75m para transmitir el tono de voz de 4 KHz por radio frecuencia.
MODULACIÓN EN AMPLITUD (AM)
Es el proceso por el cual se varía la amplitud de la señal portadora senoidal de alta frecuencia de acuerdo
con la forma de onda de la señal modulante. Es la modulación más sencilla y fácil de entender. Su principal
aplicación es la radiodifusión AM comercial, que transmite señales de audio con una calidad aceptable,
alcance regional y a frecuencias entre los 540 a 1600 KHz, rango en el cual se obtiene el mejor
desempeño posible. En el siguiente esquema se puede observar lo descrito anteriormente:
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FUNDAMEN
En la experiencia del laboratorio, tanto nuestra señal modulante como nuestra portadora serán señales
senoidales, las cuales serán obtenidas de un generador de señales. Se obtendrán, de esta forma, las
siguientes formas de onda:
DEMOProce
Hay 2
• Dt
p
• Dp
A
Señal Portadora
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
-1
0
1
Time (second)
Señal Portadora o Mensaje(Banda Base)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
-1
0
1
Time (second)
Onda Modulada en AmplitudTOS DE TELECOMUNICACIONES 3
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
-1
0
1
Time (second)
DULACIÓN O DETECCIÓN DE AM so usado para recuperar la señal de información, a partir de cualquier tipo de señal AM modulada.
tipos de detección:
emodulación síncrona o coherente requiere en el receptor una portadora de frecuencia y fase
otalmente sincronizada con la portadora del transmisor. Este tipo de detección es complejo y costoso
or lo que sólo se usa en la demodulación de señales AM sin portadora presente.
emodulación por detección de envolvente o no coherente no requiere en el receptor de una
ortadora sincronizada. Basta un dispositivo simple que detecte la envolvente de la señal modulada
M. Sólo se usa en señales AM con portadora presente.
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Otras técnicas de modulación AM La AM comercial no es la una única forma de modulación en amplitud. Existen varias técnicas, siendo las principales las
que se describen a continuación:
AM Con portadora Sin portadora
Dob
le b
anda
AM-DSB-LC
• Se transmite onda modulada más portadora no modulada.
• La portadora genera un nivel DC que permite recuperar la información mediante un detector de envolvente.
• Es la técnica utilizada en la radiodifusión AM comercial.
AM-DSB-SC
• Se deja de transmitir la portadora para obtener mayor eficiencia en el consumo de potencia del transmisor.
• No es posible realizar detección de envolvente.
Ban
da ú
nica
AM-SSB-RC
• Se transmite una sola banda lateral y la portadora.
• Como la portadora se atenúa al filtrar una banda, esta técnica se conoce como modulación de una sola banda con portadora residual.
AM-SSB-SC
• Se transmite una sola banda lateral y sin portadora.
• También es conocida como modulación de banda lateral única AM-BLU.
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Índice de modulación (m) Es uno de los parámetros más utilizados en el análisis de los sistemas AM con portadora presente. El índice
“m” expresa el grado de modulación de la portadora y se define por la siguiente relación:
dDdDm
+−
=
dD
D = amplitud pico a pico de la señal AM
d = separación mínima entre los envolventes de AM
Usando el modo XY con la señal modulante en X y la señal AM en Y, se obtiene el patrón XY con sus
bases mayor y menor que miden ‘D’ y ‘d’ respectivamente. En el límite de la detección por envolvente la
señal AM es 100% modulada y el patrón XY se vuelve triangular.
DESCRIPCIÓN DE MÓDULOS AM Descripción del Modulo 736 201, Transmisor con frecuencia de portadora de 20 kHz Con el modulo 736 201, se pueden generar una variedad de señales AM, por ejemplo: AM con doble banda
lateral, AM con banda lateral única, cada uno con o sin portadora y modulación AM en cuadratura. Además
este modulo se utiliza para la experimentación de un sistemas de multiplexación en la frecuencia de 2
canales. La siguiente tabla muestra los bloques que la constituyen.
Elemento Símbolo Comentario
Modulador
Modulador AM
Filtro pasa bajo
0...3.4kHz
El filtro de entrada determina la frecuencia
de corte máxima de señal modulante fNmax
= fg = 3.4 kHz.
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Filtro pasa banda
Se utiliza para la generación de la señal
SSB-AM. En este modulo se suprime la
banda lateral inferior, pasando solo la
banda de 20.3 kHz a 23.4 kHz.
Oscilador
f0=160 kHz
Genera la señal de reloj maestra, es cuadrada.
Divisor de
frecuencia fo/8
Divide la frecuencia del oscilador maestro para generar la frecuencia de la portadora.
Convertidor de
onda cuadrada a
senoidal
Convierte la señal cuadrada de 20 kHz a una señal senoidal de 20 kHz que se utiliza como portadora para la modulación.
Amplificador
sumador Σ
Se utiliza para transmitir tanto la información como un tono piloto para la demodulación.
Desfasador ϕ
Sirve para hacer pruebas de corrimiento de fase de la portadora con el tono piloto utilizado en la demodulación.
Atenuador - 30 dB
Generalmente el tono piloto es de baja potencia (amplitud).
Convertidor de
polar a bipolar
Se utiliza para hacer pruebas de modulación con una onda cuadrada bipolar.
Tabla 1: Elementos del Modulador AM
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Descripción del Modulo 736 221, Receptor a 20 kHz
Este modulo funciona como demodulador síncrono. Contiene los siguiente bloques:
Elemento Símbolo Comentario
Demodulador
Demodulador AM
Filtro pasa bajo
0...3.4kHz
Filtro pasa bajo de salida, frecuencia de
corte: 3.4 kHz.
Filtro pasa banda
Primera etapa del demodulador.
Frecuencia de paso: 20.3 kHz a 23.4 kHz.
Es utilizado por el circuito de recuperación
de portadora.
Divisor de
frecuencia fo/8
Parte del circuito de recuperación de portadora con PLL. El tono piloto es de 160 kHz. Produce la frecuencia de 20 kHz para la demodulación sincronía.
Oscilador
controlado por
voltaje (VCO)
VCO
Parte fundamental del circuito de recuperación de portadora. Forma parte del circuito PLL junto con el filtro pasa bajos.
Limitador /
comparador
Parte del circuito de recuperación de portadora.
Tabla 2: Elementos del Demodulador AM
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8
+15 V
(+5 V)
-15 V
0 V
736 201
0...3.4kHz
fo/8
f0=160 kHz
- 30dB
ϕ
Σ
CARRIERON OFF
PILOT TONE
CH2
USB
+15 V
(+5 V)
-15 V
0 V
736 221
fo/8
PHASECOMP.
VCO
0...3.4kHz
PLL
CARRIER RECOVERY
CH2
USB
f0=160 kHz
Del generadorde funciones
Al osciloscopioCh1
Figura A: Esquema de modulación AM
Al osciloscopioCh2
+ 15 V
0 V
- 15 V
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III. MATERIAL REQUERIDO:
- 1 CI XR2206 - 1 Diodo 1N4148 ó 1N4149 - 1 Condensador 100 pF - 2 Condensadores 0.001 µF - 1 Condensador 0.01 µF - 1 Condensador 0.1 µF - 1 Condensador 0.5 µF - 1 Condensador 1 µF - 2 Condensadores 4.7 µF - 1 Condensador 10 µF - 1 Condensador 22 µF - 2 Resistencias 100 K - 2 Resistencias 10 K - 1 Resistencia 6.8 K
- 2 Resistencias 4.7 K - 1 Resistencia 1 K - 1 Resistencia 150 ohm - 2 Potenciómetros 10 K - 1 Potenciómetro 100 K - 1 Módulo 736 201 Transmisor a 20 kHz - 1 Módulo 736 221 Receptor a 20 kHz - 1 Módulo 736 211 Transmisor a 16 kHz - 1 Módulo 736 231 Receptor a 16 kHz - 1 Fuente de poder o de alimentación + -
15V - 1 Osciloscopio Tektronix con opción FFT - 1 Generador de funciones Tektronix CFG - Cables y conectores.
Códigos de condensadores Código de colores 101 = 10 x 101 pF = 100 pF = 0.1 nF 0 Negro 102 = 10 x 102 pF = 103 pF = 1 nF 1 Marrón 103 = 10 x 103 pF = 104 pF = 0.01 µF 2 Rojo 104 = 10 x 104 pF = 105 pF = 0.1 µF 3 Naranja 153 = 0.015 µF 4 Amarillo 223 = 0.022 µF 5 Verde 502 = 5 nF 6 Azul 7 Violeta 8 Plomo 9 Blanco
IV. ACTIVIDADES A REALIZAR:
Nº DESCRIPCIÓN DURACIÓN PUNTAJE
1 Prueba de entrada 15 min 4 ptos
2 AM convencional 20 min 3 ptos
3 Detector de envolvente 20 min 3 ptos
4 Módulos de trabajo 20 min 3 ptos
5 Matlab INF -
6 Cuestionario INF -
Informe Final de laboratorio (INF) (7 puntos) Cada grupo deberá presentar un informe impreso una semana después de haberse realizado la
experiencia. En él se evaluará dos aspectos:
Desarrollo del trabajo en Matlab. Debe presentar las pantallas de los resultados y sistemas
correspondientes y los archivos de simulink de extensión .m Desarrollo del cuestionario de investigación
formulado, en el cual se evaluará tanto la rigurosidad en resolver las preguntas como la capacidad de
síntesis. Al inicio del siguiente laboratorio se realizará una breve sustentación individual del contenido del
informe presentado.
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HOJA DE DATOS - MODULACIÓN AM
APELLIDOS Y NOMBRES: CODIGOS:
PROCEDIMIENTO 1: MODULADOR AM CONVENCIONAL
1) Fije la fuente de poder a 15 V DC. Luego arme el circuito de la figura 1. Usando el generador aplique una
señal senoidal menor a 1 Khz y 2 Vpp y compruebe en el osciloscopio el funcionamiento del circuito.
Apunte el valor de frecuencia elegido así como el gráfico del resultado con valores de f y V obtenidos.
+ 15 VDC 0.001 µFSeno
P2 10 K
22 µF P1 3 AM
XR-2206
5 6 2 + + 1 2 10 K 1 14 150 Ω4.7 µF
4 4 3 3 77 1212 1010 14 13 4.7 K
10 KP3 + 6.8 K 100 K 100 K1 µF
+ 4.7 K 10 µF 1 K
FIGURA 1
2) ¿Cómo afecta a la señal modulante senoidal si varía el potenciómetro P1? Anote sus observaciones.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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3) Retire la señal modulante y mida la amplitud y la frecuencia de la portadora a la salida. Grafique su forma
de onda y espectro correspondiente
Dominio de la frecuencia Dominio del Tiempo
Comentarios:.....................................................................................................................................................
4) Grafique las formas de onda y el espectro de la señal modulada AM.
Dominio de la frecuencia Dominio del Tiempo
5) Si varía el potenciómetro P2 se observará como cambia la forma de onda y el patrón XY de la señal AM.
Obtenga un valor de índice de modulación.
Señal de entrada y salida Patrón XY
f =................... D =........................ d =........................ im =..........................
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6) Fije a 200 Hz la onda modulante y obtenga en forma práctica y teórica la mínima frecuencia de
portadora necesaria para una modulación sin distorsión usando el potenciómetro P3 de 100 K del pin 7.
AM Señal modulante
7) Que observa gráficamente en la salida al variar los siguientes parámetros:
o Variando la Frecuencia de Portadora:
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
o Variando la Amplitud de Portadora:
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
AM (variando A) AM (variando fp)
o Variando la Frecuencia de la Señal Modulante:
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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o Variando la Amplitud de la Señal Modulante:
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
AM (variando mp) AM (variando fm)
DETECTOR DE ENVOLVENTE:
1) Ensamble el circuito de la figura 2 y acóplelo a la salida AM del circuito de la Figura 1.
C3 = 4.7 µF 1N4148 0.001 µF
D B C A Generador AM 2 Salida
demodulada
C2 = 0.01 µF 100 K R2 = 100 K
FIGURA 2
2) Obtener las formas de onda en los puntos: A, B. C y D
Punto B Punto A
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Punto D Punto C
3) Retire el condensador C2, anote sus observaciones.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
4) ¿Que funciones cumplen los siguientes elementos: Diodo, C3, R2 y C2?
Diodo: ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
C3: ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
R2: ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
C2: ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
6) Cambie el condensador C2 por un valor de 100 pF y observe la señal de salida demodulada. ¿Qué
ocurre? Repita este paso para valores de 0.1 µF y 0.5 µF
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Salida demodulada 2 Salida demodulada 1
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7) Varíe la frecuencia de la portadora en el 1er circuito en todo el rango posible e indique qué distorsiones
ocurren y a que valores de frecuencia de portadora.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
8) Obtenga un i.m. > 1 (sobre modulación) en el 1er circuito y observe que ocurre a la salida del detector.
Anote y grafique.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Salida demodulada 2 Salida demodulada 1
9) Observaciones y conclusiones
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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MODULACIÓN AM (MÓDULOS):
1. Implemente el diagrama de la figura A alimentando correctamente los paneles 736201 (Modulador AM) y
736221 (Demodulador AM). 2. Conecte a la entrada del modulador AM una señal senoidal de 2Vpp y 2KHz y verifique que se recupere la
señal a la salida del demodulador AM. Si no es así consulte al profesor del curso. 3. Verificado lo anterior, usando el osciloscopio observe la portadora y la señal modulante ¿Cómo se
obtiene la portadora a partir del oscilador de 160 KHz?
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Portadora Señal modulante
4. Con el switch en la posición ON en el modulador AM observe la señal AM-DSB-LC en el tiempo y la
frecuencia (use la opción FFT del osciloscopio). Luego usando el modo XY del osciloscopio: mensaje en
canal 1 (eje X) y señal AM en canal 2 (eje Y) observe el patrón XY correspondiente. Varíe gradualmente
la frecuencia modulante hasta obtener un patrón XY bien definido. Grafique:
Espectro AM-DSB-LC Señal AM-DSB-LC
BW =
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Patrón XY AM-DSB-LC
D =......................
d =.……………..
m =..........................
¿Cómo afecta a la señal AM y al patrón XY al aumentar gradualmente la amplitud de la señal modulante?. Describa los patrones XY y las respectivas formas de onda AM.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
5. Con el switch en la posición ON en el modulador AM observe la señal AM-SSB-RC después del filtro USB
en el tiempo y la frecuencia (use la opción FFT del osciloscopio). Luego observe el patrón XY. Varíe
gradualmente la frecuencia modulante hasta obtener un patrón XY bien definido.
¿Cómo afecta el filtro pasa banda a la señal AM del punto 1?
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Espectro AM-SSB-RC Señal AM-SSB-RC
BW =
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Patrón XY AM-SSB-RC
6. Con el switch en la posición OFF en el modulador AM observe la señal AM-DSB antes del filtro USB en el
tiempo y la frecuencia (use la opción FFT del osciloscopio). Luego observe el patrón XY. Varíe
gradualmente la frecuencia modulante hasta obtener un patrón XY bien definido.
Espectro AM-DSB-SC Señal AM-DSB-SC
BW = Patrón XY AM-DSB-SC
7. Con el switch en la posición OFF en el modulador AM observe la señal AM-BLU después del filtro USB en
el tiempo y la frecuencia (use la opción FFT del osciloscopio). Luego observe el patrón XY. Varíe
gradualmente la frecuencia modulante hasta obtener un patrón XY bien definido.
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¿Por qué la señal BLU consta de un solo tono de frecuencia?. Justifique en función del espectro de frecuencias. Espectro AM-BLU Señal AM-BLU
Patrón XY AM-BLU
8. Obtenga y observe la señal demodulada AM a la salida del demodulador AM para c/u de las señales AM
vistas en el laboratorio. Bosqueje sólo una de ellas.
Señal demodulada AM
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Parte Opcional: 9. Obtenga y observe la señal demodulada AM a la salida del demodulador AM si una de las señales AM
vistas en el laboratorio tiene problemas de ruido. Consulte al profesor del curso sobre éste procedimiento.
Espectro AM + ruido Señal AM + ruido
Señal demodulada AM + ruido Patrón XY AM + ruido
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V. MATLAB:
Señales y ruido (Simulink/Sources)
Dispositivos de salida (Simulink/Sinks y Simulink Extras/Additional Sinks)
Digital FIRFilter Design
fir1
Digital IIRFilter Design
butter
Inverse-FFT F IRFilter Design
fir2
Analog Filter
butte
Product Sum Gain
1
Sum
PulseGenerator
Band-Limited White Noise Generator
SignalSine Wave Step
Averaging Power Spectral
Density
Averaging Spectrum Analyzer
Scope XY Graph
Operadores (Simulink/Math)
Filtros (DSP Blockset/Filtering /Filters desing)
Usando el ‘simulink’ de Matlab y considerando un simple time de 0.01 para todas las señales efectuar lo
siguiente:
1. Implemente un modulador DSB-SC para una f(t) senoidal entre 2 y 4 rad/seg y una portadora de 16 ó
20 rad/seg. Obtenga la forma de onda y el espectro de DSB-SC. Verifique teóricamente.
2. Con f(t) en X y DSB-SC en Y observe y muestre el patrón XY. Comente.
3. Detección de DSB-SC. Indique tipo de detección. Considere FPB: Digital FIR Filter Desing de orden
50 y Lower band 0.01.
4. Lo mismo que c) pero con ruido blanco de canal de 0.1 mW.
5. Lo mismo que c) pero con un tono interferente en vez de ruido.
6. Lo mismo que c) pero con un error de frecuencia ∆ω de 2 rad/seg en la portadora local en el receptor,
en caso de usar detección síncrona. Comente.
7. Implemente el sistema AM-DSB siguiendo los pasos desde a) hasta f).
8. Implemente el sistema AM-VSB (-SC) siguiendo los pasos desde a) hasta f).
VI. CUESTIONARIO: 1. ¿Qué es modulación? ¿Se puede transmitir una señal de voz sin modular? ¿Porqué?
2. Explique las leyes que ha estudiado y ha visto aplicadas en las experiencias
3. Calcule en forma teórica las potencias de portadora y bandas laterales en ambos casos de
modulación AM: DSB-SC y DSB
4. Explique cómo se genera una señal en cada punto del detector de envolvente en A, B, C y D.
5. Explique que tipos detallas pueden presentarse en un detector de envolvente y a que se deben.
6. Usando el esquema de modulador balanceado explique como es la detección síncrona para una señal
AM-DSB-SC
7. Conclusiones y observaciones.